光信号処理装置
【課題】従来の光信号処理装置においては、分光素子の分光特性温度依存性のため、温度によって光信号処理装置の性能が低下する問題があった。ＡＷＧの分光特性の温度依存性を解消するため、ＡＷＧのアレイ導波路上にコアを分断する複数の溝を形成する方法があったが、過剰損失の発生は避けられない。溝構造を形成するためには、ＡＷＧの製造に複雑な追加の工程が必要であり、製造コストが高かった。
【解決手段】ＡＷＧの分光特性の温度依存性を、空間光学系における簡単な温度補償手段を用いて補償することによって、ＡＷＧ自体の温度補償を不要とする。光路変換手段の傾斜角度を制御したり、熱光学効果、電気光学効果を利用できる。空間光学系における温度補償作用に基づいて、従来技術より簡単な構成によって、光信号処理装置の光学特性を温度無依存化することができる。
【解決手段】ＡＷＧの分光特性の温度依存性を、空間光学系における簡単な温度補償手段を用いて補償することによって、ＡＷＧ自体の温度補償を不要とする。光路変換手段の傾斜角度を制御したり、熱光学効果、電気光学効果を利用できる。空間光学系における温度補償作用に基づいて、従来技術より簡単な構成によって、光信号処理装置の光学特性を温度無依存化することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理装置に関する。より詳細には、分光素子を含む光信号処理装置の温度補償に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送信号の処理に代表されるような光信号処理装置へのニーズも高まっている。例えば、多重化された光信号をノード間で経路切り替えする機能が要請されている。光−電気変換を経ないで、光信号のまま経路変換を行なうことで、光信号処理装置のトランスペアレント化が進められている。
【０００３】
一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスを実現している。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＡＷＧなどを含む導波路型光回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの空間変調素子を組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣ、コリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。
【０００５】
図１６は、光信号処理装置の一例を概念図で示したものである。この光信号処理装置では、分光素子５１を経由して光信号が入出力される。分光素子５１は、波長多重されたＷＤＭ光信号を、その波長に応じた出射角度θで分波する。分波された光信号は、集光レンズ５２へ向かって出射する。集光レンズ５２によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、強度変調または位相変調または偏向する機能を持つ信号処理素子５３の所定の位置の各集光点に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、光信号は信号処理素子の異なる位置に集光されることに留意をされたい。信号処理素子５３は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は強度変調などを受け、所定の信号処理機能が実現される。信号処理を受けた光信号は、ミラー５４で反射されて進行方向を反転させる。光信号はさらに集光レンズ５２を通って、再び分光素子５１において合波される。一般によく知られているように、分光素子５１は、進行方向によって光信号を合波することもできる。合波された各波長の光信号は、再び出力光として、光信号処理装置外へ出力される。
【０００６】
図１６において、分光素子５１は概念的に示したものであり、光信号の波長に応じて分波および合波をできるものであれば良い。例えば、分光素子には、グレーティング、プリズム、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）などがある。信号処理素子は、光信号の強度もしくは位相、または強度および位相を変調できるもの、または光信号の進行方向を偏向できるものであれば良い。例えば、信号処理素子には、液晶素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、光学結晶などがある。
【０００７】
図１６に示した光信号処理装置は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つの分光素子によって光信号の分波および合波の両方を行なう構成である。この構成は、一般に反射型と呼ばれている。波長ブロック等の光信号処理を行なう装置は、この構成だけに限られない。例えば、図１６のミラーを使用せずに、信号処理素子を対称軸の位置とし、入射光路軸の延長線上であって入射系の反対側に、もう１つのレンズおよび分光素子からなる出射系を配置した構成も可能である。この構成は、独立した入射系および出射系を経由して、それぞれ光信号の分波および合波を行なう構成であり、透過型と呼ばれている。さらに、図１６の装置構成において、ミラーの向きを変えることによって、任意の位置に配置された、もう一つのレンズおよび分光素子からなる出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。例えば、ミラーの反射面を光信号の入射光路に対して４５度傾けて、入射光路に対して垂直方向に配置されたレンズおよび分光素子により出射系を構成することも可能である。また、信号処理素子が偏向機能を持つ場合は、出射系を複数備えることもできる。
【０００８】
図１６において、分光素子５１と集光レンズ５２とは、前焦点距離ＦＦＬだけ離して配置され、信号処理素子５３と集光レンズ５２とは後焦点距離ＢＦＬだけ離して配置される。集光レンズ５２によって集光される光の焦点は、使用するすべての波長においてミラー５４の面上になくてはならない。ミラー面上からずれると、入出力光間の結合損失を生じる問題が起こる。同時に、集光された光信号のビームスポット径が大きくなることから、波長分解能が低下する問題が生じる。
【０００９】
また、信号処理素子５３は、光信号の波長ごとに選択的に変調を行なうために、空間的に周期的な構造を備えている必要がある。例えば、信号処理素子５３が液晶素子の場合、液晶素子の要素素子の構造は、分光素子および集光レンズの光学特性に合わせて設計されなければならない。
【００１０】
より具体的には、信号処理素子上における集光位置の波長依存性は、分光素子の角度分散値に集光レンズの焦点距離を乗じたものに従うことが知られている。集光位置の波長依存性は、分光光学系の線分散値とも呼ばれる。分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値にずれがあれば、実際の光信号の集光点の位置は信号処理素子の個々の要素素子（例えば、液晶シャッター素子のピクセル）の位置と一致しなくなる。この不一致のため、処理される光信号の波長誤差が生じる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など）
【特許文献２】特開２００４−２３９９９１号公報
【特許文献３】特開２００１−２５５２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の光信号処理装置においては、分光素子の分光特性に温度依存性があるため、温度によって光信号処理装置の性能が低下する問題があった。図１６に示した構成の光信号処理装置において、分光素子がＡＷＧの場合を考える。同じ波長の光信号であっても、温度によってその出射角度が変化すると、信号処理素子上での集光点の位置が変動する。このため、光結合損失に温度依存性が生じる。
【００１３】
従来、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を解消するためには、ＡＷＧ自体の温度依存性を小さくすることが検討されていた。例えば、特許文献３には、ＡＷＧのアレイ導波路上に、コアを分断する特徴的な複数の溝を形成する構成によって温度補償する技術が開示されている。この技術によれば、溝を形成すること自体により、１ｄＢ程度の過剰損失の発生は避けられない。また、溝の形状を最適化した場合でも、ＡＷＧ基板の垂直方向への光信号放射による放射過剰損失を十分に抑えることはできなかった。また、溝構造を形成するためには、ＡＷＧの製造のために複雑な追加の工程が必要であり、製造コストが高いという問題がある。
【００１４】
ＡＷＧの分光特性の温度依存性に起因する問題は、集光レンズを含まないような光信号処理装置においても、同様に問題となり得る。上述のように、ＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の性能の温度変動の問題を、より簡単に低コストな方法で解決することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、前記分光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させる手段とを備えたことを特徴とする光信号処理装置である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、前記光路変換手段の屈折率温度依存特性によって、前記分光手段の前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の信号処理装置において、前記屈折率温度依存特性として光路変換手段の熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を集光させる集光手段と、前記集光手段により集光された前記光信号を変調する信号処理手段と、前記分光手段と前記集光手段との間または前記集光手段と前記信号処理手段との間のいずれか一方の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させる手段とを備えたことを特徴とする光信号処理装置である。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４に記載の信号処理装置において、前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、前記集光手段の主光路軸に対する傾斜角度を変化させる駆動手段と、前記分光手段の温度を検出する温度検出手段とをさらに備え、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記駆動手段により前記傾斜角度を変化させることによって、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４に記載の信号処理装置において、前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果を利用して、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項５または６に記載の信号処理装置において、前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段は、ガラス平行平板であることを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項４に記載の信号処理装置において、前記分光手段と前記集光手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光路変換手段からの前記光信号の出射角度を変化させることを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、前記分光手段または前記信号処理手段のいずれか一方に連結され、前記分光手段の分波面と前記信号処理手段との交線軸方向に対して、前記分光手段と前記信号処理手段との相対的位置を変化させる可動手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記いずれか一方の位置を変化させることを特徴とする光信号処理装置である。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によればＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の性能の温度変動を、空間光学系において温度補償することで、より簡単で低コストな方法によって温度無依存化することができる。光信号処理装置の空間光学系における光結合損失を、大幅に低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の光信号処理装置は、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を、空間光学系における簡単な温度補償手段を用いて補償することによって、ＡＷＧ自体の温度補償を不要とするものである。空間光学系における温度補償作用によって、従来技術より簡単な構成で光学特性の十分な温度無依存化を実現できる。ＡＷＧ素子自体における温度補償が不要となり、ＡＷＧの製作工程を簡略化して、低コスト化を実現する。
【００２６】
「第１の実施例」：
図１は、本発明の第１の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本光信号処理装置は、ミラーを含み１つの分光素子により光信号の入出力を行なう反射型の構成である。異なる波長を持つ複数の光信号は、ＡＷＧなどの分光素子１によって分波され、波長に応じた出射角度でＡＷＧ１の端面から出射する。出射した光信号は、シリンドリカルレンズ２を通過して平行光とされる。光信号は、さらに集光レンズ３によって集光され、信号処理素子５によって変調を受ける。変調を受けた光信号は、ミラー６によって反射され、上述の経路を反対方向に進み、ＡＷＧ１によって合波される。上述の動作は、従来の光信号処理装置と同じであり、本発明においては、集光レンズ３と信号処理素子５との間の空間光学系に、光路変換手段４を備えている点において、従来技術と異なる。さらに本発明は、光路変換手段４が、温度補償手段として、または温度補償手段の一部として作用する点に特徴がある。
【００２７】
光路変換手段４は、具体的には例えばガラス平行平板とすることができる。ガラス平行平板が熱光学作用を持たない場合には、ＡＷＧ１上に配置された温度センサ７と伴に動作することで、ＡＷＧ１の分光特性の温度依存性を補償することができる。この場合、ガラス平行平板の光軸に対する傾斜角度を制御することで温度補償ができる。また、ガラス平行平板の熱光学作用を利用する場合には、所定の傾斜角度に設定したガラス平行平板だけで温度補償が可能である。以下詳細に、本発明の温度補償動作を説明する。
【００２８】
図２は、光路変換手段が熱光学作用を持たない場合の、光信号処理装置の温度補償システムの構成を示す図である。図１に示した光信号処理装置は光機能モジュール１８として構成されており、光機能モジュール１８の外部には、温度センサ７からの信号を受信するＡＤ変換器８、ＣＰＵ９およびモータドライバ１０が接続されている。光機能モジュール１８は、光路（ｚ軸）に対するガラス平行平板４の向きを調整するためのモータを含む角度可変機構１１がさらに含まれている。
【００２９】
温度センサ７からの温度検出信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号化される。ＣＰＵ９は、温度検出デジタル信号に基づいて、ガラス平行平板４の向きを所定の角度に設定するため、モータドライバ１０に対してドライバ制御信号を与える。ドライバ制御信号によって、回転機構１１の動作量が決定され、ガラス平行平板４が所定の傾斜角度に設定される。
【００３０】
ＡＤ変換器８およびＣＰＵ９は、デジタル信号で温度補償制御を行なうための例示的な構成を示すものであり、これに限定されるものではない。ＡＷＧ１温度の検出手段からの検出信号、検出情報に基づいて、ガラス平行平板４の角度を制御することができる制御機構であれば、ＣＰＵを含む必要はない。アナログ信号を介在させた制御でも良いのは言うまでもない。
【００３１】
図３は、モータを含む角度可変機構の構成および動作を例示的に示す図である。図３ａは、簡略化した構成を示しており、上側の図は図１と同じくＡＷＧの分波面を垂直に見た上面図、下側の図はＡＷＧ基板の厚み方向から見た側面図である。モータ１２の回転運動は、ねじ１３に伝えられ、ねじ１３と機械的に連動するスプリットナット１４の直線運動に変換される。スプリットナット１４は、ガラス平行平板４と可動軸１９によって接続されている。ガラス平行平板４を、回転軸１５を中心として回転させることができ、光軸（図１のｚ軸）に対して所定の傾斜角度にその向きを設定できる。図３ｂは、高温時にスプリットナット１４を右方向へ変位させて、ガラス平行平板４を反時計回りに回転させる動作を示している。図３ｃは、逆に、低温時にスプリットナット１４を左方向へ変位させて、ガラス平行平板４を時計回りに回転させる動作を示している。本構成は、ガラス平行平板４を回転させるための例示的な構成を示したものである。したがって、様々な形態の回転機構が可能であり、本構成に限定されるものではない。必ずしもモータ１２を必要とはせず、他のアクチュエータを利用できることに留意されたい。
【００３２】
図４は、別の角度可変機構の構成および動作を例示的に示す図である。図４ａは、簡略化した構成を示しており、上側の図は図１と同じくＡＷＧの分波面を垂直に見た上面図、下側の図はＡＷＧ基板の厚み方向から見た側面図である。ベース１７に固定されたバイメタル１６は、可動軸１９においてガラス平行平板４と機械的に接続されている。ガラス平行平板４を、回転軸１５を中心として回転させることができ、光軸（図１のｚ軸）に対して所定の傾斜角度にその向きを設定できる。図４ｂは、高温時にバイメタル１６が右方向へ変位し、ガラス平行平板４を反時計回りに回転させる動作を示している。図４ｃは、逆に、低温時にバイメタル１６が左方向へ変位し、ガラス平行平板４を時計回りに回転させる動作を示している。
【００３３】
図４のバイメタルを利用した角度可変機構では、バイメタル自体の動作により温度検出機能およびフィードバック制御機能が実現される。したがって、図１に示した温度センサ７は不要である。さらに図２に示した、ＡＤ変換器８、ＣＰＵ９およびモータドライバ１０は不要な点に留意されたい。次に、本発明の光信号処理装置において最も重要な、光路変換手段（ガラス平行平板）４によってＡＷＧの分光特性の温度依存性を温度補償する仕組みについてさらに詳細に説明する。
【００３４】
図５は、ガラス平行平板の光軸移動作用ならびに温度と所要傾斜角度との関係を示す図である。図５ａは、ガラス平行平板の各パラメータ定義を説明する図である。図５ａにおけるｚ軸方向は、図１におけるｚ軸方向と対応している。集光レンズを経た光信号は、信号処理素子へ向かって、光路２０ａ、２０ｂ、２０ｃをｚ軸に沿って右方向へ進む。ガラス平行平板４によって、光路をｘ軸方向に移動させることができる。ｘ軸方向には、信号処理素子の要素素子が配列されている。ガラス平行平板４によって、温度とともに光軸をｚ軸に平行に保ったまま、ｘ軸方向に移動させることにより、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置ずれを補償することができる。
【００３５】
図５ａに示したように、ガラス平行平板の入射面と光信号の進行方向ｚ軸の法線との成す傾斜角度をθとすると、ガラス平行平板による光軸の移動量Δｘｐは次式で表される。
【００３６】
【数１】
【００３７】
ここで、ｎ１をガラス平行平板の外部の屈折率、ｎ２をガラス平行平板の屈折率、ｔをガラス平行平板の厚みとする。通常、空間結合系の光信号処理装置の場合は、ｎ１＝１である。式１よりわかるように、ガラス平行平板の材料（屈折率）と厚みｔを決定し、傾斜角度θを変化させることによって、任意の光軸移動量Δｘｐを得ることができる。ＡＷＧの分光特性の温度依存性に合わせて、温度とともに傾斜角度θを制御することによって、信号処理素子上の集光点位置のずれを補償することができる。
【００３８】
例えば、次のような構成パラメータのＡＷＧの場合を考える。中心波長を１５８７．０４３ｎｍ、アレイ導波路光路長Ｌを３０．５４μｍ、アレイ導波路間隔ｄを１２μｍ、集光レンズ焦点距離ｆを５０ｍｍ、群屈折率ｎｇを１．４８、導波路等価屈折率ｎｃを１．４５、石英ガラスの熱光学定数（ｄｎ／ｄＴ）を１．１×１０-5とする。このとき、ＡＷＧの温度変動に伴なう信号処理素子上の集光位置のシフト量は、次式で表される。
【００３９】
【数２】
【００４０】
上述のパラメータ値の場合、ΔｘA＝１．４３（μｍ／℃）となる。式２から求められる集光位置のシフト量ΔｘAと式１から求められる光軸の移動量Δｘｐとを一致させることで、実際の集光位置と信号処理素子の要素素子の位置とのずれを相殺することができる。
【００４１】
図５ｂは、温度と所要傾斜角度との関係を示す図である。ガラス平行平板の厚みｔを３．２ｍｍ、ｎ２＝２．４（二酸化チタンＴｉＯ2）、ｎ１＝１として、温度Ｔ＝４５℃を基準温度とした場合の、温度と所要傾斜角度θとの関係を示している。図２および図３で示したガラス平行平板の角度制御機構によりガラス平行平板を回転させることによって、この傾斜角度θを設定することができる。
【００４２】
また、解析によれば、平行平板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００４３】
「第２の実施例」：
これまで述べた光信号処理装置では、空間光学系に配置された光路変換手段、例えばガラス平行平板が、熱光学作用を持たない場合について説明してきた。すなわち、光路変換手段自体の光軸に対する傾斜角度を機械的手段を用いて変化させることによって、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を補償するよう動作する構成であった。しかし、光路変換手段自体が熱光学特性を持つ場合には、光路変換手段自体の屈折率温度依存特性を利用して温度補償をすることもできる。
【００４４】
図６は、平行平板の熱光学効果による補償の効果を説明する図である。式１からも理解できるように、平行平板の材料の屈折率ｎ２が、熱光学効果により温度に伴って変化する場合には、この屈折率ｎ２の温度変化を温度補償に利用できる。ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置のずれを、補償することができる。
【００４５】
ＡＷＧの構成は、第１の実施例と同様に、中心波長を１５８７．０４３ｎｍ、アレイ導波路光路長Ｌを３０．５４μｍ、アレイ導波路間隔ｄを１２μｍ、集光レンズ焦点距離ｆを５０ｍｍ、群屈折率ｎｇを１．４８、導波路等価屈折率ｎｃを１．４５、石英ガラスの熱光学定数（ｄｎ／ｄＴ）を１．１×１０-5とする。
【００４６】
例えば、平行平板の傾斜角度θを３０°、平行平板の厚みｔを３６．５ｍｍとする。ここで、平行平板の材料を光学ポリマとし、熱光学定数をｄｎ２／ｄＴ＝−１．６×１０-4とする。図６は、温度Ｔ＝４５℃を基準温度とした場合の、平行平板が有る場合および無い場合について残留波長シフト量の温度特性を示している。本実施例の場合、１００ＧＨｚチャンネル間隔のＷＤＭ通信において許容される中心波長シフトの許容量は５ＧＨｚである。平行平板がない場合には、温度変化に伴う最大の波長シフト量は６０ＧＨｚに達しているが、平行平板を挿入することにより、波長シフト量を３ＧＨｚにまで大幅に下げることができる。
【００４７】
第１の実施例と同じく、解析によれば、平行平板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００４８】
本実施例の場合には、図２に示した温度センサ７および回転機構１１は必要ないことに留意されたい。さらに、ＡＤ変換器８、ＣＰＵ９およびモータドライバ１０も不要である。
【００４９】
「第３の実施例」：
以上に説明した各実施例では、集光レンズと信号処理素子との間に光路変換素子を配置する構成であった。他方、光路変換素子をＡＷＧと集光レンズとの間に配置することもできる。この場合は、光路変換素子は、ＡＷＧの分光角度自体を直接に温度補償するように動作する。
【００５０】
図７は、本発明の第３の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置も、ミラーを含み１つの分光素子により光信号の入出力を行なう反射型の構成である。本実施例の構成は、ＡＷＧ１と集光レンズ３との間の空間光学系に、光路変換手段２１を備えている点において、従来技術および第１の実施例の構成と異なる。さらに、光路変換手段２１が、温度補償手段として作用するところに特徴がある。光信号処理装置としての基本的な構成および動作は、図１で説明した光信号処理装置と同様なので、説明は省略する。
【００５１】
本実施例では、ＡＷＧ上の温度センサは不要であり、光路変換手段２１の熱光学効果を利用して温度補償を行なう。次に、光路変換手段として、ウエッジ板を利用した場合についてさらに詳細に述べる。
【００５２】
図８は、本発明の光信号処理装置におけるウエッジ板の構造および配置方法を説明する図である。ウエッジ板２１は、所定の頂角θを持ち、頂点の向きをＡＷＧのアレイ導波路の短い導波路側と一致させて配置している。ここで、ウエッジ板の熱光学定数およびＡＷＧを構成する材料の熱光学定数は、互いに逆の符号の場合であるとする。図８ａにおけるｚ軸方向は、図７のｚ軸方向と対応している。ＡＷＧから出射した光信号は、集光レンズへ向かって、光路２０ａ、２０ｂ、２０ｃをｚ軸に沿って右方向へ進む。ウエッジ板２１によって、ｚ軸方向に対する光路の向きを変化させることができる。これはＡＷＧからの出射角度自体を変化させることと同じである。ウエッジ板４によって、温度とともにｚ軸方向に対する光路の向きを変化させることにより、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置のずれを補償することができる。
【００５３】
図８ａにおいて、ウエッジ板２１は、ｘ軸を対称軸として光信号の入射面と出射面とが左右対称となるように配置されているものとして示されている。しかし、ウエッジ板２１の向きは、この向きに限定されない。図８ｂのように頂角がＡＷＧのアレイ導波路の短い導波路側と一致して、光信号がウエッジ板を透過する限り、ウエッジ板２１全体が傾いていても構わない。図８ｃのような向きに配置してはならない。ただし、ウエッジ板の熱光学定数およびＡＷＧを構成する材料の熱光学定数の符号が同じ場合は、逆に図８ｃのように配置しなければならないことに注意されたい。
【００５４】
ここで、ＡＷＧの温度変動に伴う分散角度の温度変動量は、次式で表される。
【００５５】
【数３】
【００５６】
具体的には、第１の実施例と同じＡＷＧの構成パラメータを考えると、ΔθA＝２．８６×１０-5（ｒａｄ／℃）である。
【００５７】
一方、光信号のｚ軸に対する入射角度をθi、光信号のｚ軸に対する出射角度をθo、ウエッジ板の頂角をθ、ウエッジ板の屈折率をｎ２とする。このとき、θiおよびθoの間には次式の関係が成り立つ。
【００５８】
【数４】
【００５９】
熱光学効果により、ウエッジ板の材料の屈折率ｎ２が温度に伴なって変化する場合には、この屈折率ｎ２の温度変化を温度補償に利用できる。ＡＷＧの分光特性の温度依存性に起因する出射角度の変動を、屈折率ｎ２の熱光学変化によって補償することができる。例えば、ウエッジ板の頂角θを１０．２６°、ウエッジ板の熱光学定数をｄｎ２／ｄＴ＝−１．６×１０-4とすることで、式３により表される分散角度の温度依存性を補償することができる。
【００６０】
また、解析によれば、ウエッジ板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００６１】
「第４の実施例」：
空間光学系に配置された光路変換手段を用いて温度補償を行なう他の方法として、電気光学結晶を利用することができる。電気光学結晶に適切な電圧を印加することによって、その光学特性を変化させることができるので、温度に伴い屈折率を制御することによって、温度補償をすることができる。
【００６２】
図９は、本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置も、ミラーを含み１つの分光素子により光信号の入出力を行なう反射型の構成である。本実施例の構成は、ＡＷＧ１と集光レンズ３との間の空間光学系に、光路変換手段３０を備えている点において、従来技術および第１の実施例の構成と異なる。光路変換手段３０が、温度補償手段として作用するところに特徴がある。光信号処理装置としての基本的な構成および動作は、図１に示したものと同様なので、説明は省略する。
【００６３】
本実施例においては、光路変換手段３０として、電気光学結晶３０を利用する。ＡＷＧ１による分波面に平行となるように、電気光学結晶３０の上下面に対向ずる２つの楔形の電極３０、３１を形成している。楔形電極３０、３１に電圧を印加することによって、電極間の電気光学結晶内領域の屈折率を変化させることができる。
【００６４】
図１０は、本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置を含む温度補償システムを示す構成図である。電気光学結晶を利用する場合には、第１の実施例の場合と同様に、温度検出手段として、ＡＷＧ上の温度センサ７が必要となる。図９に示した光信号処理装置は光機能モジュール３８として構成されており、光機能モジュール３８の外部には、温度センサ７からの信号を受信するＡＤ変換器８、ＣＰＵ９および高電圧発生装置３５が接続されている。
【００６５】
温度センサ７からの温度検出信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号化される。ＣＰＵ９は、温度検出デジタル信号に基づいて、所定の電圧を電気光学結晶３０に印加するため、高電圧発生装置３５に対して制御信号を与える。制御信号によって、高電圧発生装置３５からの印加電圧が決定される。電気光学結晶の電極３０、３１間に対する、この印加電圧により、ＡＷＧの分光角度の温度依存性を補償するような電気光学結晶の屈折率変化が生じる。
【００６６】
電気光学結晶としては、例えばＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯなどがある。
【００６７】
図１１は、温度と電気光学結晶への所要印加電圧との関係を示す図である。電気光学結晶としてＬｉＮｂＯ3を用い、電気光学結晶の厚み（ｙ方向）を０．５ｍｍ、楔形電極の頂角を３０°とした場合の、各温度における所要印加電圧を示したものである。補償するＡＷＧの分光角度の温度依存性は、第３の実施例と同じである。
【００６８】
また、解析によれば、ＬｉＮｂＯ3の挿入損失は０．２ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００６９】
「第５の実施例」：
図１２は、本発明の第５の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本実施例は、電気光学結晶を利用した別の実施形態である。電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウムＫＴａ1-xＮｂxＯ（以下ＫＴＮとする）を利用する。第４の実施例と比較すると、電気光学結晶の種類および電極の配置構成が異なるだけで、光信号処理装置としての基本構成および動作は同一である。ＫＴＮは、結晶に配置された２つの電極間に電圧を印加することにより、電極方向に変化する屈折率分布を誘起させることで、光ビームを自在にスキャンできることが知られている。この屈折率分布に依存して、ＫＴＮへ入射する光信号をｘ軸方向に偏向させることができる。
【００７０】
ＫＴＮによる電気光学結晶３０は、ｚ軸方向に長さＬ、ｘ軸方向に幅Ｗを持つ直方体である。電極３３、３４は、ｚ−ｙ面内に対向して配置される。ｘ軸方向にＫＴＮへ電圧が印加される。
【００７１】
図１３は、温度とＫＴＮ結晶への所要印加電圧との関係を示す図である。電気光学結晶の幅Ｗ（ｘ軸方向）を１ｃｍ、長さＬを６ｍｍとした場合の、電極３３、３４間への所要印加電圧を示した。補償するＡＷＧの分光角度の温度依存性は、第３の実施例のものと同じである。
【００７２】
また、解析によれば、ＫＴＮ結晶の挿入損失は０．２ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００７３】
「第６の実施例」：
これまで説明した光信号処理装置は、集光レンズを含む構成であった。しかしながら、集光レンズを含まない構成の光信号処理装置の場合でも、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置のずれを補償することができる。ここで、信号処理素子として、位相変調素子を用いた光信号処理装置の例について説明する。
【００７４】
図１４は、本発明の第６の実施例に係る液晶等の位相変調素子を用いた波長選択フィルタの構成および動作を説明する図である。図１４ａを参照すると、異なる波長を有する複数の光信号は、その波長に応じた出射角度でＡＷＧ１からｚ軸方向へ出射する。位相変調素子５は、ミラー６と組み合わせられて波長選択フィルタとして動作する。位相変調素子５は、特定の入射角で入射した光信号のみを、同一の方向に反射させることができる可変プリズムとして動作する。位相変調素子５は、例えば液晶素子の各ピクセルに段階的に異なる電圧を与えて、等価的にプリズムと同様な滑らかな位相変化を与えることができる。 図１４ｂは、位相変調素子により与えられる位相変化量を概念的に示している。ＡＷＧ１と液晶素子５を組み合わせることによって波長選択フィルタを構成することができる。このような波長選択フィルタの場合でも、ＡＷＧ１の分光特性の温度依存性、さらに、位相変調素子５の位相変調特性の温度依存性のために、波長選択特性に温度変動が生じる。
【００７５】
図１４ｃは、波長選択フィルタに本発明を適用した光信号処理装置の構成図である。ＡＷＧ１と位相変調素子５との間の光路中に、光路変換素子２１を挿入した構成となっている。光路変換素子としては、説明した第３の実施例のように熱光学効果を利用したり、第４または第５の実施例のように電気光学結晶を利用することができる。
【００７６】
たとえば、熱光学効果を利用したウエッジ板の構成の場合は、解析によればウエッジ板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００７７】
「第７の実施例」：
図１５は、本発明の第７の実施例に係る光信号処理装置の構成および動作を説明する図である。以上述べてきた光信号処理装置においては、空間光学系に配置した光路変換手段により、温度補償する構成であった。ここで、信号処理素子の集光位置に着目すると、信号処理素子の位置を他の光学系構成要素と相対的に移動させることによっても、温度補償ができる。
【００７８】
図１５ｂには、上述の式（３）により表される分散角度の温度変動量に基づいた、集光点の温度による移動量を示した図である。この移動量に連動させて信号処理素子の位置を移動させれば、集光点を常に信号処理素子の所定の要素素子上に集光させることができる。
【００７９】
図１５ａは、本発明の第７の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。基本的な構成は、第１の実施例などと同じであり、信号処理素子５が可動ステージ４０に固定されており、可動ステージ４０は、可動機構４１を介して、例えばモータ１２によってその位置を移動させることができる。ＡＷＧ１の分波面と信号処理素子５との交線軸方向に、可動ステージ４０に固定されている信号処理素子５を、ＡＷＧ１およびレンズ３などを含む他の光学系要素に対して相対的に移動させることができる。これにより、分光特性に温度変動があっても、光信号は信号処理素子内の所定の一定位置に集光する。可動ステージの構成形態は、本実施例の構成に限られることはない。例えば、ＡＷＧの位置を移動させる構成でも良い。信号処理素子とＡＷＧとの相対位置を可変させられる限り、どのようなものであっても良い。温度検出手段を含む全体温度補償システムは、図２の構成の場合と全く同様であり、詳細の説明は省略する。
【００８０】
またこの場合は、前出の実施例のように、光路中にウエッジ板や平行平板、電気光学結晶などの部品を挿入する必要はない。したがって、本実施例においては、温度補償によって過剰な損失が発生することはない。
【００８１】
以上の各実施例においては、反射型の構成の光信号処理装置を例として説明してきたが、本発明が反射型の構成に限定されないことはいうまでもない。すなわち、透過型の構成または出射系もしくは入射系を複数備えた構成の光信号処理装置にも適用できる。
【００８２】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の温度変動を、空間光学系において温度補償することで、より簡単で低コストな方法によって温度無依存化することができる。光信号処理装置の空間光学系における光結合損失を、広い温度範囲で大幅に低減させることができる。空間光学系における温度補償作用によって、従来技術よりも簡単な構成で光学特性の十分な温度無依存化を実現できる。ＡＷＧ素子自体における温度補償が不要となり、ＡＷＧの製作工程を簡略化して、光信号処理装置全体の低コスト化を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
光通信に使用される光信号処理装置に利用できる。波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、波長可変フィルタ、分散補償器などへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図２】本発明の光信号処理装置を含む温度補償システムを示す図である。
【図３】傾斜角度制御機構の構成および動作を説明する図である。
【図４】別の傾斜角度制御機構の構成および動作を説明する図である。
【図５】ガラス平行平板の光軸移動作用ならびに温度と所要傾斜角度との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る光信号処理装置における熱光学効果による温度補償の効果を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図８】ウエッジ板の構造および配置方法を説明する図である。
【図９】本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置を含む温度補償システムを示す図である。
【図１１】温度と電気光学結晶への所要印加電圧との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第５の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図１３】温度およびＫＴＮ結晶への所要印加電圧の関係を示す図である。
【図１４】本発明の第６の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図１５】本発明の第７の実施例に係る光信号処理装置の構成図およびステージ制御量を説明する図である。
【図１６】従来の光信号処理装置の概念的な構成図である。
【符号の説明】
【００８５】
１、５１ ＡＷＧ（分光素子）
２ シリンドリカルレンズ
３、５２ 集光レンズ
４ 平行平板（光路変換手段）
５、５３ 信号処理素子
６、５４ ミラー
７ 温度センサ
８ ＡＤ変換器
９ ＣＰＵ
１０ モータドライバ
１１ 角度可変機構
１２ モータ
１６ バイメタル
２１ ウエッジ板（光路変換手段）
３０ 電気光学結晶
３１、３２、３３、３４ 電極
３５ 高電圧発生装置
４０ 可動ステージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理装置に関する。より詳細には、分光素子を含む光信号処理装置の温度補償に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送信号の処理に代表されるような光信号処理装置へのニーズも高まっている。例えば、多重化された光信号をノード間で経路切り替えする機能が要請されている。光−電気変換を経ないで、光信号のまま経路変換を行なうことで、光信号処理装置のトランスペアレント化が進められている。
【０００３】
一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスを実現している。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＡＷＧなどを含む導波路型光回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの空間変調素子を組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣ、コリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。
【０００５】
図１６は、光信号処理装置の一例を概念図で示したものである。この光信号処理装置では、分光素子５１を経由して光信号が入出力される。分光素子５１は、波長多重されたＷＤＭ光信号を、その波長に応じた出射角度θで分波する。分波された光信号は、集光レンズ５２へ向かって出射する。集光レンズ５２によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、強度変調または位相変調または偏向する機能を持つ信号処理素子５３の所定の位置の各集光点に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、光信号は信号処理素子の異なる位置に集光されることに留意をされたい。信号処理素子５３は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は強度変調などを受け、所定の信号処理機能が実現される。信号処理を受けた光信号は、ミラー５４で反射されて進行方向を反転させる。光信号はさらに集光レンズ５２を通って、再び分光素子５１において合波される。一般によく知られているように、分光素子５１は、進行方向によって光信号を合波することもできる。合波された各波長の光信号は、再び出力光として、光信号処理装置外へ出力される。
【０００６】
図１６において、分光素子５１は概念的に示したものであり、光信号の波長に応じて分波および合波をできるものであれば良い。例えば、分光素子には、グレーティング、プリズム、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）などがある。信号処理素子は、光信号の強度もしくは位相、または強度および位相を変調できるもの、または光信号の進行方向を偏向できるものであれば良い。例えば、信号処理素子には、液晶素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、光学結晶などがある。
【０００７】
図１６に示した光信号処理装置は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つの分光素子によって光信号の分波および合波の両方を行なう構成である。この構成は、一般に反射型と呼ばれている。波長ブロック等の光信号処理を行なう装置は、この構成だけに限られない。例えば、図１６のミラーを使用せずに、信号処理素子を対称軸の位置とし、入射光路軸の延長線上であって入射系の反対側に、もう１つのレンズおよび分光素子からなる出射系を配置した構成も可能である。この構成は、独立した入射系および出射系を経由して、それぞれ光信号の分波および合波を行なう構成であり、透過型と呼ばれている。さらに、図１６の装置構成において、ミラーの向きを変えることによって、任意の位置に配置された、もう一つのレンズおよび分光素子からなる出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。例えば、ミラーの反射面を光信号の入射光路に対して４５度傾けて、入射光路に対して垂直方向に配置されたレンズおよび分光素子により出射系を構成することも可能である。また、信号処理素子が偏向機能を持つ場合は、出射系を複数備えることもできる。
【０００８】
図１６において、分光素子５１と集光レンズ５２とは、前焦点距離ＦＦＬだけ離して配置され、信号処理素子５３と集光レンズ５２とは後焦点距離ＢＦＬだけ離して配置される。集光レンズ５２によって集光される光の焦点は、使用するすべての波長においてミラー５４の面上になくてはならない。ミラー面上からずれると、入出力光間の結合損失を生じる問題が起こる。同時に、集光された光信号のビームスポット径が大きくなることから、波長分解能が低下する問題が生じる。
【０００９】
また、信号処理素子５３は、光信号の波長ごとに選択的に変調を行なうために、空間的に周期的な構造を備えている必要がある。例えば、信号処理素子５３が液晶素子の場合、液晶素子の要素素子の構造は、分光素子および集光レンズの光学特性に合わせて設計されなければならない。
【００１０】
より具体的には、信号処理素子上における集光位置の波長依存性は、分光素子の角度分散値に集光レンズの焦点距離を乗じたものに従うことが知られている。集光位置の波長依存性は、分光光学系の線分散値とも呼ばれる。分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値にずれがあれば、実際の光信号の集光点の位置は信号処理素子の個々の要素素子（例えば、液晶シャッター素子のピクセル）の位置と一致しなくなる。この不一致のため、処理される光信号の波長誤差が生じる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など）
【特許文献２】特開２００４−２３９９９１号公報
【特許文献３】特開２００１−２５５２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の光信号処理装置においては、分光素子の分光特性に温度依存性があるため、温度によって光信号処理装置の性能が低下する問題があった。図１６に示した構成の光信号処理装置において、分光素子がＡＷＧの場合を考える。同じ波長の光信号であっても、温度によってその出射角度が変化すると、信号処理素子上での集光点の位置が変動する。このため、光結合損失に温度依存性が生じる。
【００１３】
従来、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を解消するためには、ＡＷＧ自体の温度依存性を小さくすることが検討されていた。例えば、特許文献３には、ＡＷＧのアレイ導波路上に、コアを分断する特徴的な複数の溝を形成する構成によって温度補償する技術が開示されている。この技術によれば、溝を形成すること自体により、１ｄＢ程度の過剰損失の発生は避けられない。また、溝の形状を最適化した場合でも、ＡＷＧ基板の垂直方向への光信号放射による放射過剰損失を十分に抑えることはできなかった。また、溝構造を形成するためには、ＡＷＧの製造のために複雑な追加の工程が必要であり、製造コストが高いという問題がある。
【００１４】
ＡＷＧの分光特性の温度依存性に起因する問題は、集光レンズを含まないような光信号処理装置においても、同様に問題となり得る。上述のように、ＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の性能の温度変動の問題を、より簡単に低コストな方法で解決することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、前記分光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させる手段とを備えたことを特徴とする光信号処理装置である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の信号処理装置において、前記光路変換手段の屈折率温度依存特性によって、前記分光手段の前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の信号処理装置において、前記屈折率温度依存特性として光路変換手段の熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を集光させる集光手段と、前記集光手段により集光された前記光信号を変調する信号処理手段と、前記分光手段と前記集光手段との間または前記集光手段と前記信号処理手段との間のいずれか一方の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させる手段とを備えたことを特徴とする光信号処理装置である。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４に記載の信号処理装置において、前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、前記集光手段の主光路軸に対する傾斜角度を変化させる駆動手段と、前記分光手段の温度を検出する温度検出手段とをさらに備え、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記駆動手段により前記傾斜角度を変化させることによって、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４に記載の信号処理装置において、前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果を利用して、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項５または６に記載の信号処理装置において、前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段は、ガラス平行平板であることを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項４に記載の信号処理装置において、前記分光手段と前記集光手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光路変換手段からの前記光信号の出射角度を変化させることを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、前記分光手段または前記信号処理手段のいずれか一方に連結され、前記分光手段の分波面と前記信号処理手段との交線軸方向に対して、前記分光手段と前記信号処理手段との相対的位置を変化させる可動手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記いずれか一方の位置を変化させることを特徴とする光信号処理装置である。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によればＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の性能の温度変動を、空間光学系において温度補償することで、より簡単で低コストな方法によって温度無依存化することができる。光信号処理装置の空間光学系における光結合損失を、大幅に低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の光信号処理装置は、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を、空間光学系における簡単な温度補償手段を用いて補償することによって、ＡＷＧ自体の温度補償を不要とするものである。空間光学系における温度補償作用によって、従来技術より簡単な構成で光学特性の十分な温度無依存化を実現できる。ＡＷＧ素子自体における温度補償が不要となり、ＡＷＧの製作工程を簡略化して、低コスト化を実現する。
【００２６】
「第１の実施例」：
図１は、本発明の第１の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本光信号処理装置は、ミラーを含み１つの分光素子により光信号の入出力を行なう反射型の構成である。異なる波長を持つ複数の光信号は、ＡＷＧなどの分光素子１によって分波され、波長に応じた出射角度でＡＷＧ１の端面から出射する。出射した光信号は、シリンドリカルレンズ２を通過して平行光とされる。光信号は、さらに集光レンズ３によって集光され、信号処理素子５によって変調を受ける。変調を受けた光信号は、ミラー６によって反射され、上述の経路を反対方向に進み、ＡＷＧ１によって合波される。上述の動作は、従来の光信号処理装置と同じであり、本発明においては、集光レンズ３と信号処理素子５との間の空間光学系に、光路変換手段４を備えている点において、従来技術と異なる。さらに本発明は、光路変換手段４が、温度補償手段として、または温度補償手段の一部として作用する点に特徴がある。
【００２７】
光路変換手段４は、具体的には例えばガラス平行平板とすることができる。ガラス平行平板が熱光学作用を持たない場合には、ＡＷＧ１上に配置された温度センサ７と伴に動作することで、ＡＷＧ１の分光特性の温度依存性を補償することができる。この場合、ガラス平行平板の光軸に対する傾斜角度を制御することで温度補償ができる。また、ガラス平行平板の熱光学作用を利用する場合には、所定の傾斜角度に設定したガラス平行平板だけで温度補償が可能である。以下詳細に、本発明の温度補償動作を説明する。
【００２８】
図２は、光路変換手段が熱光学作用を持たない場合の、光信号処理装置の温度補償システムの構成を示す図である。図１に示した光信号処理装置は光機能モジュール１８として構成されており、光機能モジュール１８の外部には、温度センサ７からの信号を受信するＡＤ変換器８、ＣＰＵ９およびモータドライバ１０が接続されている。光機能モジュール１８は、光路（ｚ軸）に対するガラス平行平板４の向きを調整するためのモータを含む角度可変機構１１がさらに含まれている。
【００２９】
温度センサ７からの温度検出信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号化される。ＣＰＵ９は、温度検出デジタル信号に基づいて、ガラス平行平板４の向きを所定の角度に設定するため、モータドライバ１０に対してドライバ制御信号を与える。ドライバ制御信号によって、回転機構１１の動作量が決定され、ガラス平行平板４が所定の傾斜角度に設定される。
【００３０】
ＡＤ変換器８およびＣＰＵ９は、デジタル信号で温度補償制御を行なうための例示的な構成を示すものであり、これに限定されるものではない。ＡＷＧ１温度の検出手段からの検出信号、検出情報に基づいて、ガラス平行平板４の角度を制御することができる制御機構であれば、ＣＰＵを含む必要はない。アナログ信号を介在させた制御でも良いのは言うまでもない。
【００３１】
図３は、モータを含む角度可変機構の構成および動作を例示的に示す図である。図３ａは、簡略化した構成を示しており、上側の図は図１と同じくＡＷＧの分波面を垂直に見た上面図、下側の図はＡＷＧ基板の厚み方向から見た側面図である。モータ１２の回転運動は、ねじ１３に伝えられ、ねじ１３と機械的に連動するスプリットナット１４の直線運動に変換される。スプリットナット１４は、ガラス平行平板４と可動軸１９によって接続されている。ガラス平行平板４を、回転軸１５を中心として回転させることができ、光軸（図１のｚ軸）に対して所定の傾斜角度にその向きを設定できる。図３ｂは、高温時にスプリットナット１４を右方向へ変位させて、ガラス平行平板４を反時計回りに回転させる動作を示している。図３ｃは、逆に、低温時にスプリットナット１４を左方向へ変位させて、ガラス平行平板４を時計回りに回転させる動作を示している。本構成は、ガラス平行平板４を回転させるための例示的な構成を示したものである。したがって、様々な形態の回転機構が可能であり、本構成に限定されるものではない。必ずしもモータ１２を必要とはせず、他のアクチュエータを利用できることに留意されたい。
【００３２】
図４は、別の角度可変機構の構成および動作を例示的に示す図である。図４ａは、簡略化した構成を示しており、上側の図は図１と同じくＡＷＧの分波面を垂直に見た上面図、下側の図はＡＷＧ基板の厚み方向から見た側面図である。ベース１７に固定されたバイメタル１６は、可動軸１９においてガラス平行平板４と機械的に接続されている。ガラス平行平板４を、回転軸１５を中心として回転させることができ、光軸（図１のｚ軸）に対して所定の傾斜角度にその向きを設定できる。図４ｂは、高温時にバイメタル１６が右方向へ変位し、ガラス平行平板４を反時計回りに回転させる動作を示している。図４ｃは、逆に、低温時にバイメタル１６が左方向へ変位し、ガラス平行平板４を時計回りに回転させる動作を示している。
【００３３】
図４のバイメタルを利用した角度可変機構では、バイメタル自体の動作により温度検出機能およびフィードバック制御機能が実現される。したがって、図１に示した温度センサ７は不要である。さらに図２に示した、ＡＤ変換器８、ＣＰＵ９およびモータドライバ１０は不要な点に留意されたい。次に、本発明の光信号処理装置において最も重要な、光路変換手段（ガラス平行平板）４によってＡＷＧの分光特性の温度依存性を温度補償する仕組みについてさらに詳細に説明する。
【００３４】
図５は、ガラス平行平板の光軸移動作用ならびに温度と所要傾斜角度との関係を示す図である。図５ａは、ガラス平行平板の各パラメータ定義を説明する図である。図５ａにおけるｚ軸方向は、図１におけるｚ軸方向と対応している。集光レンズを経た光信号は、信号処理素子へ向かって、光路２０ａ、２０ｂ、２０ｃをｚ軸に沿って右方向へ進む。ガラス平行平板４によって、光路をｘ軸方向に移動させることができる。ｘ軸方向には、信号処理素子の要素素子が配列されている。ガラス平行平板４によって、温度とともに光軸をｚ軸に平行に保ったまま、ｘ軸方向に移動させることにより、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置ずれを補償することができる。
【００３５】
図５ａに示したように、ガラス平行平板の入射面と光信号の進行方向ｚ軸の法線との成す傾斜角度をθとすると、ガラス平行平板による光軸の移動量Δｘｐは次式で表される。
【００３６】
【数１】
【００３７】
ここで、ｎ１をガラス平行平板の外部の屈折率、ｎ２をガラス平行平板の屈折率、ｔをガラス平行平板の厚みとする。通常、空間結合系の光信号処理装置の場合は、ｎ１＝１である。式１よりわかるように、ガラス平行平板の材料（屈折率）と厚みｔを決定し、傾斜角度θを変化させることによって、任意の光軸移動量Δｘｐを得ることができる。ＡＷＧの分光特性の温度依存性に合わせて、温度とともに傾斜角度θを制御することによって、信号処理素子上の集光点位置のずれを補償することができる。
【００３８】
例えば、次のような構成パラメータのＡＷＧの場合を考える。中心波長を１５８７．０４３ｎｍ、アレイ導波路光路長Ｌを３０．５４μｍ、アレイ導波路間隔ｄを１２μｍ、集光レンズ焦点距離ｆを５０ｍｍ、群屈折率ｎｇを１．４８、導波路等価屈折率ｎｃを１．４５、石英ガラスの熱光学定数（ｄｎ／ｄＴ）を１．１×１０-5とする。このとき、ＡＷＧの温度変動に伴なう信号処理素子上の集光位置のシフト量は、次式で表される。
【００３９】
【数２】
【００４０】
上述のパラメータ値の場合、ΔｘA＝１．４３（μｍ／℃）となる。式２から求められる集光位置のシフト量ΔｘAと式１から求められる光軸の移動量Δｘｐとを一致させることで、実際の集光位置と信号処理素子の要素素子の位置とのずれを相殺することができる。
【００４１】
図５ｂは、温度と所要傾斜角度との関係を示す図である。ガラス平行平板の厚みｔを３．２ｍｍ、ｎ２＝２．４（二酸化チタンＴｉＯ2）、ｎ１＝１として、温度Ｔ＝４５℃を基準温度とした場合の、温度と所要傾斜角度θとの関係を示している。図２および図３で示したガラス平行平板の角度制御機構によりガラス平行平板を回転させることによって、この傾斜角度θを設定することができる。
【００４２】
また、解析によれば、平行平板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００４３】
「第２の実施例」：
これまで述べた光信号処理装置では、空間光学系に配置された光路変換手段、例えばガラス平行平板が、熱光学作用を持たない場合について説明してきた。すなわち、光路変換手段自体の光軸に対する傾斜角度を機械的手段を用いて変化させることによって、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を補償するよう動作する構成であった。しかし、光路変換手段自体が熱光学特性を持つ場合には、光路変換手段自体の屈折率温度依存特性を利用して温度補償をすることもできる。
【００４４】
図６は、平行平板の熱光学効果による補償の効果を説明する図である。式１からも理解できるように、平行平板の材料の屈折率ｎ２が、熱光学効果により温度に伴って変化する場合には、この屈折率ｎ２の温度変化を温度補償に利用できる。ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置のずれを、補償することができる。
【００４５】
ＡＷＧの構成は、第１の実施例と同様に、中心波長を１５８７．０４３ｎｍ、アレイ導波路光路長Ｌを３０．５４μｍ、アレイ導波路間隔ｄを１２μｍ、集光レンズ焦点距離ｆを５０ｍｍ、群屈折率ｎｇを１．４８、導波路等価屈折率ｎｃを１．４５、石英ガラスの熱光学定数（ｄｎ／ｄＴ）を１．１×１０-5とする。
【００４６】
例えば、平行平板の傾斜角度θを３０°、平行平板の厚みｔを３６．５ｍｍとする。ここで、平行平板の材料を光学ポリマとし、熱光学定数をｄｎ２／ｄＴ＝−１．６×１０-4とする。図６は、温度Ｔ＝４５℃を基準温度とした場合の、平行平板が有る場合および無い場合について残留波長シフト量の温度特性を示している。本実施例の場合、１００ＧＨｚチャンネル間隔のＷＤＭ通信において許容される中心波長シフトの許容量は５ＧＨｚである。平行平板がない場合には、温度変化に伴う最大の波長シフト量は６０ＧＨｚに達しているが、平行平板を挿入することにより、波長シフト量を３ＧＨｚにまで大幅に下げることができる。
【００４７】
第１の実施例と同じく、解析によれば、平行平板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００４８】
本実施例の場合には、図２に示した温度センサ７および回転機構１１は必要ないことに留意されたい。さらに、ＡＤ変換器８、ＣＰＵ９およびモータドライバ１０も不要である。
【００４９】
「第３の実施例」：
以上に説明した各実施例では、集光レンズと信号処理素子との間に光路変換素子を配置する構成であった。他方、光路変換素子をＡＷＧと集光レンズとの間に配置することもできる。この場合は、光路変換素子は、ＡＷＧの分光角度自体を直接に温度補償するように動作する。
【００５０】
図７は、本発明の第３の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置も、ミラーを含み１つの分光素子により光信号の入出力を行なう反射型の構成である。本実施例の構成は、ＡＷＧ１と集光レンズ３との間の空間光学系に、光路変換手段２１を備えている点において、従来技術および第１の実施例の構成と異なる。さらに、光路変換手段２１が、温度補償手段として作用するところに特徴がある。光信号処理装置としての基本的な構成および動作は、図１で説明した光信号処理装置と同様なので、説明は省略する。
【００５１】
本実施例では、ＡＷＧ上の温度センサは不要であり、光路変換手段２１の熱光学効果を利用して温度補償を行なう。次に、光路変換手段として、ウエッジ板を利用した場合についてさらに詳細に述べる。
【００５２】
図８は、本発明の光信号処理装置におけるウエッジ板の構造および配置方法を説明する図である。ウエッジ板２１は、所定の頂角θを持ち、頂点の向きをＡＷＧのアレイ導波路の短い導波路側と一致させて配置している。ここで、ウエッジ板の熱光学定数およびＡＷＧを構成する材料の熱光学定数は、互いに逆の符号の場合であるとする。図８ａにおけるｚ軸方向は、図７のｚ軸方向と対応している。ＡＷＧから出射した光信号は、集光レンズへ向かって、光路２０ａ、２０ｂ、２０ｃをｚ軸に沿って右方向へ進む。ウエッジ板２１によって、ｚ軸方向に対する光路の向きを変化させることができる。これはＡＷＧからの出射角度自体を変化させることと同じである。ウエッジ板４によって、温度とともにｚ軸方向に対する光路の向きを変化させることにより、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置のずれを補償することができる。
【００５３】
図８ａにおいて、ウエッジ板２１は、ｘ軸を対称軸として光信号の入射面と出射面とが左右対称となるように配置されているものとして示されている。しかし、ウエッジ板２１の向きは、この向きに限定されない。図８ｂのように頂角がＡＷＧのアレイ導波路の短い導波路側と一致して、光信号がウエッジ板を透過する限り、ウエッジ板２１全体が傾いていても構わない。図８ｃのような向きに配置してはならない。ただし、ウエッジ板の熱光学定数およびＡＷＧを構成する材料の熱光学定数の符号が同じ場合は、逆に図８ｃのように配置しなければならないことに注意されたい。
【００５４】
ここで、ＡＷＧの温度変動に伴う分散角度の温度変動量は、次式で表される。
【００５５】
【数３】
【００５６】
具体的には、第１の実施例と同じＡＷＧの構成パラメータを考えると、ΔθA＝２．８６×１０-5（ｒａｄ／℃）である。
【００５７】
一方、光信号のｚ軸に対する入射角度をθi、光信号のｚ軸に対する出射角度をθo、ウエッジ板の頂角をθ、ウエッジ板の屈折率をｎ２とする。このとき、θiおよびθoの間には次式の関係が成り立つ。
【００５８】
【数４】
【００５９】
熱光学効果により、ウエッジ板の材料の屈折率ｎ２が温度に伴なって変化する場合には、この屈折率ｎ２の温度変化を温度補償に利用できる。ＡＷＧの分光特性の温度依存性に起因する出射角度の変動を、屈折率ｎ２の熱光学変化によって補償することができる。例えば、ウエッジ板の頂角θを１０．２６°、ウエッジ板の熱光学定数をｄｎ２／ｄＴ＝−１．６×１０-4とすることで、式３により表される分散角度の温度依存性を補償することができる。
【００６０】
また、解析によれば、ウエッジ板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００６１】
「第４の実施例」：
空間光学系に配置された光路変換手段を用いて温度補償を行なう他の方法として、電気光学結晶を利用することができる。電気光学結晶に適切な電圧を印加することによって、その光学特性を変化させることができるので、温度に伴い屈折率を制御することによって、温度補償をすることができる。
【００６２】
図９は、本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置も、ミラーを含み１つの分光素子により光信号の入出力を行なう反射型の構成である。本実施例の構成は、ＡＷＧ１と集光レンズ３との間の空間光学系に、光路変換手段３０を備えている点において、従来技術および第１の実施例の構成と異なる。光路変換手段３０が、温度補償手段として作用するところに特徴がある。光信号処理装置としての基本的な構成および動作は、図１に示したものと同様なので、説明は省略する。
【００６３】
本実施例においては、光路変換手段３０として、電気光学結晶３０を利用する。ＡＷＧ１による分波面に平行となるように、電気光学結晶３０の上下面に対向ずる２つの楔形の電極３０、３１を形成している。楔形電極３０、３１に電圧を印加することによって、電極間の電気光学結晶内領域の屈折率を変化させることができる。
【００６４】
図１０は、本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置を含む温度補償システムを示す構成図である。電気光学結晶を利用する場合には、第１の実施例の場合と同様に、温度検出手段として、ＡＷＧ上の温度センサ７が必要となる。図９に示した光信号処理装置は光機能モジュール３８として構成されており、光機能モジュール３８の外部には、温度センサ７からの信号を受信するＡＤ変換器８、ＣＰＵ９および高電圧発生装置３５が接続されている。
【００６５】
温度センサ７からの温度検出信号は、ＡＤ変換器８によってデジタル信号化される。ＣＰＵ９は、温度検出デジタル信号に基づいて、所定の電圧を電気光学結晶３０に印加するため、高電圧発生装置３５に対して制御信号を与える。制御信号によって、高電圧発生装置３５からの印加電圧が決定される。電気光学結晶の電極３０、３１間に対する、この印加電圧により、ＡＷＧの分光角度の温度依存性を補償するような電気光学結晶の屈折率変化が生じる。
【００６６】
電気光学結晶としては、例えばＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＩＯ3、ＫＮｂＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、Ｂａ1-xＳｒxＴｉＯ3（０＜ｘ＜１）、Ｂａ1-xＳｒxＮｂ2Ｏ6（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ0.75Ｂａ0.25Ｎｂ2Ｏ6、Ｐｂ1-yＬａyＴｉ1-xＺｒxＯ3（０＜ｘ＜１、＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3、ＫＨ2ＰＯ4、ＫＤ2ＰＯ4、（ＮＨ4）Ｈ2ＰＯ4、ＢａＢ2Ｏ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＣｓＬｉＢ6Ｏ10、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯなどがある。
【００６７】
図１１は、温度と電気光学結晶への所要印加電圧との関係を示す図である。電気光学結晶としてＬｉＮｂＯ3を用い、電気光学結晶の厚み（ｙ方向）を０．５ｍｍ、楔形電極の頂角を３０°とした場合の、各温度における所要印加電圧を示したものである。補償するＡＷＧの分光角度の温度依存性は、第３の実施例と同じである。
【００６８】
また、解析によれば、ＬｉＮｂＯ3の挿入損失は０．２ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００６９】
「第５の実施例」：
図１２は、本発明の第５の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本実施例は、電気光学結晶を利用した別の実施形態である。電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウムＫＴａ1-xＮｂxＯ（以下ＫＴＮとする）を利用する。第４の実施例と比較すると、電気光学結晶の種類および電極の配置構成が異なるだけで、光信号処理装置としての基本構成および動作は同一である。ＫＴＮは、結晶に配置された２つの電極間に電圧を印加することにより、電極方向に変化する屈折率分布を誘起させることで、光ビームを自在にスキャンできることが知られている。この屈折率分布に依存して、ＫＴＮへ入射する光信号をｘ軸方向に偏向させることができる。
【００７０】
ＫＴＮによる電気光学結晶３０は、ｚ軸方向に長さＬ、ｘ軸方向に幅Ｗを持つ直方体である。電極３３、３４は、ｚ−ｙ面内に対向して配置される。ｘ軸方向にＫＴＮへ電圧が印加される。
【００７１】
図１３は、温度とＫＴＮ結晶への所要印加電圧との関係を示す図である。電気光学結晶の幅Ｗ（ｘ軸方向）を１ｃｍ、長さＬを６ｍｍとした場合の、電極３３、３４間への所要印加電圧を示した。補償するＡＷＧの分光角度の温度依存性は、第３の実施例のものと同じである。
【００７２】
また、解析によれば、ＫＴＮ結晶の挿入損失は０．２ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００７３】
「第６の実施例」：
これまで説明した光信号処理装置は、集光レンズを含む構成であった。しかしながら、集光レンズを含まない構成の光信号処理装置の場合でも、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性に起因する集光点位置のずれを補償することができる。ここで、信号処理素子として、位相変調素子を用いた光信号処理装置の例について説明する。
【００７４】
図１４は、本発明の第６の実施例に係る液晶等の位相変調素子を用いた波長選択フィルタの構成および動作を説明する図である。図１４ａを参照すると、異なる波長を有する複数の光信号は、その波長に応じた出射角度でＡＷＧ１からｚ軸方向へ出射する。位相変調素子５は、ミラー６と組み合わせられて波長選択フィルタとして動作する。位相変調素子５は、特定の入射角で入射した光信号のみを、同一の方向に反射させることができる可変プリズムとして動作する。位相変調素子５は、例えば液晶素子の各ピクセルに段階的に異なる電圧を与えて、等価的にプリズムと同様な滑らかな位相変化を与えることができる。 図１４ｂは、位相変調素子により与えられる位相変化量を概念的に示している。ＡＷＧ１と液晶素子５を組み合わせることによって波長選択フィルタを構成することができる。このような波長選択フィルタの場合でも、ＡＷＧ１の分光特性の温度依存性、さらに、位相変調素子５の位相変調特性の温度依存性のために、波長選択特性に温度変動が生じる。
【００７５】
図１４ｃは、波長選択フィルタに本発明を適用した光信号処理装置の構成図である。ＡＷＧ１と位相変調素子５との間の光路中に、光路変換素子２１を挿入した構成となっている。光路変換素子としては、説明した第３の実施例のように熱光学効果を利用したり、第４または第５の実施例のように電気光学結晶を利用することができる。
【００７６】
たとえば、熱光学効果を利用したウエッジ板の構成の場合は、解析によればウエッジ板の挿入損失は０．１ｄＢ以下であり、アレイ導波路に溝を形成する従来の温度依存性補償の方法における損失１ｄＢと比較して、損失の大幅な改善効果が得られた。
【００７７】
「第７の実施例」：
図１５は、本発明の第７の実施例に係る光信号処理装置の構成および動作を説明する図である。以上述べてきた光信号処理装置においては、空間光学系に配置した光路変換手段により、温度補償する構成であった。ここで、信号処理素子の集光位置に着目すると、信号処理素子の位置を他の光学系構成要素と相対的に移動させることによっても、温度補償ができる。
【００７８】
図１５ｂには、上述の式（３）により表される分散角度の温度変動量に基づいた、集光点の温度による移動量を示した図である。この移動量に連動させて信号処理素子の位置を移動させれば、集光点を常に信号処理素子の所定の要素素子上に集光させることができる。
【００７９】
図１５ａは、本発明の第７の実施例に係る光信号処理装置の構成を示す図である。基本的な構成は、第１の実施例などと同じであり、信号処理素子５が可動ステージ４０に固定されており、可動ステージ４０は、可動機構４１を介して、例えばモータ１２によってその位置を移動させることができる。ＡＷＧ１の分波面と信号処理素子５との交線軸方向に、可動ステージ４０に固定されている信号処理素子５を、ＡＷＧ１およびレンズ３などを含む他の光学系要素に対して相対的に移動させることができる。これにより、分光特性に温度変動があっても、光信号は信号処理素子内の所定の一定位置に集光する。可動ステージの構成形態は、本実施例の構成に限られることはない。例えば、ＡＷＧの位置を移動させる構成でも良い。信号処理素子とＡＷＧとの相対位置を可変させられる限り、どのようなものであっても良い。温度検出手段を含む全体温度補償システムは、図２の構成の場合と全く同様であり、詳細の説明は省略する。
【００８０】
またこの場合は、前出の実施例のように、光路中にウエッジ板や平行平板、電気光学結晶などの部品を挿入する必要はない。したがって、本実施例においては、温度補償によって過剰な損失が発生することはない。
【００８１】
以上の各実施例においては、反射型の構成の光信号処理装置を例として説明してきたが、本発明が反射型の構成に限定されないことはいうまでもない。すなわち、透過型の構成または出射系もしくは入射系を複数備えた構成の光信号処理装置にも適用できる。
【００８２】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の温度変動を、空間光学系において温度補償することで、より簡単で低コストな方法によって温度無依存化することができる。光信号処理装置の空間光学系における光結合損失を、広い温度範囲で大幅に低減させることができる。空間光学系における温度補償作用によって、従来技術よりも簡単な構成で光学特性の十分な温度無依存化を実現できる。ＡＷＧ素子自体における温度補償が不要となり、ＡＷＧの製作工程を簡略化して、光信号処理装置全体の低コスト化を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
光通信に使用される光信号処理装置に利用できる。波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、波長可変フィルタ、分散補償器などへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図２】本発明の光信号処理装置を含む温度補償システムを示す図である。
【図３】傾斜角度制御機構の構成および動作を説明する図である。
【図４】別の傾斜角度制御機構の構成および動作を説明する図である。
【図５】ガラス平行平板の光軸移動作用ならびに温度と所要傾斜角度との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る光信号処理装置における熱光学効果による温度補償の効果を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図８】ウエッジ板の構造および配置方法を説明する図である。
【図９】本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係る光信号処理装置を含む温度補償システムを示す図である。
【図１１】温度と電気光学結晶への所要印加電圧との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第５の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図１３】温度およびＫＴＮ結晶への所要印加電圧の関係を示す図である。
【図１４】本発明の第６の実施例に係る光信号処理装置の構成図である。
【図１５】本発明の第７の実施例に係る光信号処理装置の構成図およびステージ制御量を説明する図である。
【図１６】従来の光信号処理装置の概念的な構成図である。
【符号の説明】
【００８５】
１、５１ ＡＷＧ（分光素子）
２ シリンドリカルレンズ
３、５２ 集光レンズ
４ 平行平板（光路変換手段）
５、５３ 信号処理素子
６、５４ ミラー
７ 温度センサ
８ ＡＤ変換器
９ ＣＰＵ
１０ モータドライバ
１１ 角度可変機構
１２ モータ
１６ バイメタル
２１ ウエッジ板（光路変換手段）
３０ 電気光学結晶
３１、３２、３３、３４ 電極
３５ 高電圧発生装置
４０ 可動ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、
前記分光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させることと
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項２】
前記光路変換手段の屈折率温度依存特性によって、前記分光手段の前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
【請求項３】
前記屈折率温度依存特性として光路変換手段の熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
【請求項４】
光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射した前記光信号を集光させる集光手段と、
前記集光手段により集光された前記光信号を変調する信号処理手段と、
前記分光手段と前記集光手段との間または前記集光手段と前記信号処理手段との間のいずれか一方の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させることと
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項５】
前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、前記集光手段の主光路軸に対する傾斜角度を変化させる駆動手段と、
前記分光手段の温度を検出する温度検出手段とをさらに備え、
前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記駆動手段により前記傾斜角度を変化させることによって、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
【請求項６】
前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果を利用して、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
【請求項７】
前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段は、ガラス平行平板であることを特徴とする請求項５または６に記載の光信号処理装置。
【請求項８】
前記分光手段と前記集光手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光路変換手段からの前記光信号の出射角度を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
【請求項９】
光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、
前記分光手段または前記信号処理手段のいずれか一方に連結され、前記分光手段の分波面と前記信号処理手段との交線軸方向に対して、前記分光手段と前記信号処理手段との相対的位置を変化させる可動手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記いずれか一方の位置を変化させることと
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項１】
光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、
前記分光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させることと
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項２】
前記光路変換手段の屈折率温度依存特性によって、前記分光手段の前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
【請求項３】
前記屈折率温度依存特性として光路変換手段の熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光信号の前記光路変換手段からの出射角度を変化させることを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
【請求項４】
光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射した前記光信号を集光させる集光手段と、
前記集光手段により集光された前記光信号を変調する信号処理手段と、
前記分光手段と前記集光手段との間または前記集光手段と前記信号処理手段との間のいずれか一方の光路中に配置され、前記光信号の光路を屈折させる光路変換手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記光信号の光路を屈折させることと
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項５】
前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、前記集光手段の主光路軸に対する傾斜角度を変化させる駆動手段と、
前記分光手段の温度を検出する温度検出手段とをさらに備え、
前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記駆動手段により前記傾斜角度を変化させることによって、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
【請求項６】
前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果を利用して、前記信号処理手段における前記光信号の集光点位置を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
【請求項７】
前記集光手段と前記信号処理手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段は、ガラス平行平板であることを特徴とする請求項５または６に記載の光信号処理装置。
【請求項８】
前記分光手段と前記集光手段との間の光路中に配置された前記光路変換手段の、熱光学効果または電気光学効果を利用して、前記光路変換手段からの前記光信号の出射角度を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
【請求項９】
光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段と、
前記分光手段または前記信号処理手段のいずれか一方に連結され、前記分光手段の分波面と前記信号処理手段との交線軸方向に対して、前記分光手段と前記信号処理手段との相対的位置を変化させる可動手段であって、前記分光手段からの前記出射角度の温度依存性を相殺するように、前記いずれか一方の位置を変化させることと
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−３６９０１（Ｐ２００９−３６９０１Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９９７３７（Ｐ２００７−１９９７３７）
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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