光操作装置
【課題】より小型の光操作装置を提供すること。
【解決手段】外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポートと、光入出力ポートから入射した光を光入出力ポートに向けて出射する、偏波依存特性を有する空間光変調器と、光入出力ポートと空間光変調器との間に配置され、光入出力ポートと空間光変調器と光学的に結合させる集光素子と、集光素子と空間光変調器との間に配置され、入力された光の偏波状態を、単一の偏波方向のみからなるように操作して出力する偏波操作素子と、を備える。
【解決手段】外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポートと、光入出力ポートから入射した光を光入出力ポートに向けて出射する、偏波依存特性を有する空間光変調器と、光入出力ポートと空間光変調器との間に配置され、光入出力ポートと空間光変調器と光学的に結合させる集光素子と、集光素子と空間光変調器との間に配置され、入力された光の偏波状態を、単一の偏波方向のみからなるように操作して出力する偏波操作素子と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の強度、波長、位相、偏波状態または経路などを操作する光操作装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信システムは、その形態がｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ型から、リング型またはメッシュ型のネットワークへと発展しつつある。このような形態のネットワークのノードには、任意の信号光を任意のポートに入出力させて、信号光の経路を任意に変更するための光操作装置である光スイッチ装置が必要とされる。特に、互いに異なる波長の信号光が波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）された波長多重信号光を用いる場合は、任意の波長の信号光に対して任意に経路を変更できる波長選択光スイッチ装置が必要とされる。
【０００３】
このような光スイッチ装置には、信号光の経路を切り替えるために、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を用いたものがある（特許文献１、２参照）。ＬＣＯＳは、入射された光の位相を液晶によって変調し、回折させることができる空間光変調器である。したがって、ＬＣＯＳを用いた光スイッチ装置では、或る経路から入力された信号光を、ＬＣＯＳによって回折させて、特定の経路に出力することにより、光スイッチ動作を実現している。
【０００４】
ここで、ＬＣＯＳは液晶の複屈折を利用するため、偏波依存特性を有している。この問題を解決するために、ＬＣＯＳを用いた光スイッチ装置は、偏波分離素子および偏波回転素子を備えている。このような光スイッチ装置は、偏波分離素子が、光スイッチ装置に入力された信号光を互いに直交する２つの直線偏波の信号光に分離し、偏波回転素子が一方の信号光の偏波方向を回転させてもう一方の信号光の偏波方向に合わせることによって、偏波方向が一致した２つの信号光がＬＣＯＳに入射されるように構成されている。これによって、単一の偏波方向のみからなる信号光がＬＣＯＳに入射されるので、偏波依存特性の問題が解決される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００６７６１１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２７６５３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、光通信システムの高機能化に伴い、システムを構成する光通信装置で使用される光部品の数も増加している。このため、装置の設置スペースの制約等の関係上、光スイッチ装置をはじめとする、光の強度、波長、位相、偏波状態または経路などを操作する光操作装置にも小型化が強く求められている。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より小型の光操作装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光操作装置は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポートと、前記光入出力ポートから入射した光を前記光入出力ポートに向けて出射する、偏波依存特性を有する空間光変調器と、前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器と光学的に結合させる集光素子と、前記集光素子と前記空間光変調器との間に配置され、入力された光の偏波状態を、単一の偏波方向のみからなるように操作して出力する偏波操作素子と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波操作素子は、前記光入出力ポートから入射した光を互いに直交する２つの直線偏波の光に分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子の前記空間光変調器側に配置された、前記２つの光の偏波方向を同一にして出力するための偏波回転素子とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は液晶によって光を空間変調するものであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器はＬＣＯＳであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波分離素子は複屈折性材料からなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波分離素子は方解石またはルチルからなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波分離素子はウォラストンプリズムであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記光入出力ポートと前記集光素子との間に配置され、入力された光の波長成分を分離する光分散素子を備え、前記空間光変調器を用いて前記光分散素子により分離された複数の波長成分を操作することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記光分散素子は回折格子であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記光入出力ポートと前記光分散素子との間に配置されたアナモルフィック光学系を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は光スイッチであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は強度変調器であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は位相変調器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、偏波分離素子を集光素子と空間光変調器との間に配置することによって、使用する光学素子の小型化を実現できるので、光操作装置をより小型にできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す波長選択光スイッチ装置を別の方向から見た図である。
【図３】図３は、図１に示す波長選択光スイッチ装置における各素子の配置を示す図である。
【図４】図４は、図１に示すコリメータアレイの構成を示す図である。
【図５】図５は、図１に示す偏波操作素子の構成を示す図である。
【図６】図６は、図１に示す空間光変調器アレイを構成する空間光変調器の構成を示す分解図である。
【図７】図７は、従来の波長選択光スイッチ装置の回折格子における信号光の光路を示す図である。
【図８】図８は、図１に示す波長選択光スイッチ装置の回折格子における信号光の光路を示す図である。
【図９】図９は、従来の波長選択光スイッチ装置の偏波操作素子における信号光の光路を示す図である。
【図１０】図１０は、図１に示す波長選択光スイッチ装置の偏波操作素子における信号光の光路を示す図である。
【図１１】図１１は、図７とは別の従来の波長選択光スイッチ装置の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。
【図１２】図１２は、本実施の形態１の波長選択光スイッチ装置１０の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して本発明に係る光操作装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、適宜ｘｙｚ座標系を用いて方向を説明しているが、各図においてｘｙｚ軸の方向は同一であるものとする。
【００２４】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光操作装置である波長選択光スイッチ装置について説明する。図１、図２は、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０の概略構成を示すブロック図である。なお、図１は、ｘｙｚ座標系のｘ軸方向正の向きから見たものであり、図２は、ｙ軸方向正の向きから見たものである。図１に示すように、この波長選択光スイッチ装置１０は、コリメータアレイ１と、光スイッチである空間光変調器アレイ２と、集光素子である集光レンズ３と、偏波操作素子４と、光分散素子である回折格子５と、アナモルフィック光学系６とを備えている。なお、この波長選択光スイッチ装置１０に入力または出力される光は特に限定されないが、たとえば波長１５２０〜１６２０ｎｍの光通信用の信号光である。なお、空間光変調器アレイ２はアレイ状に配列された４つの空間変調器からなっていてもよいし、一つの空間変調器を４つの領域に分割してそれぞれの領域を独立に制御するものもよい。
【００２５】
集光レンズ３は、コリメータアレイ１と空間光変調器アレイ２との間に配置され、これらを光学的に結合させるものである。ここで、集光レンズ３は１枚のレンズから構成されていてもよいし、複数のレンズから構成されていてもよい。偏波操作素子４は、集光レンズ３と空間光変調器アレイ２との間に配置され、入力された光の偏波状態を操作するものであり、具体的には後述するように入力された光の偏波分離と偏波回転とを行うものである。回折格子５は、透過型回折格子であって、コリメータアレイ１と集光レンズ３との間に配置され、入力された光を分光するものである。アナモルフィック光学系６は、コリメータアレイ１と回折格子５との間に配置され、入力された光のビーム形状の縦横比を変更するものである。
【００２６】
図３は、図１に示す波長選択光スイッチ装置１０における各素子の配置を示す図である。このように、実際には回折格子５において光路が大きく曲げられるので、アナモルフィック光学系６から空間光変調器アレイ２までの各素子は回折格子５の前後で角度を持って配置される。ただし、図１、２においては、簡略化のために各素子を光路に沿って直線的に配置して示している。また、図３に示すように、アナモルフィック光学系６としてはアナモルフィックプリズムペアを使用することができるが、たとえばシリンドリカルレンズを組み合わせたものでもよい。また、図３では、コリメータアレイ１から入力した光Ｌ１が、回折格子５によって波長の異なる光Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に分光される状態を示している。このように、回折格子５は、ｙｚ平面内で光を分光するように配置されている。
【００２７】
つぎに、コリメータアレイ１、偏波操作素子４および空間光変調器アレイ２について、順次具体的に説明する。
【００２８】
図４は、図１に示すコリメータアレイ１の構成を示す図である。図１に示すように、コリメータアレイ１は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポート１ａと、複数のコリメータレンズ１ｂと、光入出力ポート１ａの各光ファイバポートを挿通固定する光ファイバ固定基材１ｃと、光ファイバ固定基材１ｃに取り付けられるとともに、コリメータレンズ１ｂを保持する透明なスペーサ部１ｄとを備えている。
【００２９】
光入出力ポート１ａは、光ファイバポート１ａａ〜１ａｅが所定の配列方向（図中ｘ軸方向）にアレイ状に配列したものである。各光ファイバポートは、その光出射端面が、スペーサ部１ｄが取り付けられた光ファイバ固定基材１ｃの面と同一平面上になるように固定されている。また、コリメータレンズ１ｂは、各光ファイバポート１ａａ〜１ａｅに対応させて設けられている。また、スペーサ部１ｄの厚さは、コリメータレンズ１ｂの焦点距離に略相当する厚さになっている。その結果、このコリメータアレイ１では、コリメータレンズ１ｂが、各光ファイバポートから出力した光を平行光にし、または、入力された平行光を光ファイバポートに集光して結合させることができる。
【００３０】
この波長選択光スイッチ装置１０では、光入出力ポート１ａのうち、集光レンズ３の光軸上に配置された光ファイバポート１ａａが、外部から光が入力される共通の光ファイバポート（Ｃｏｍポート）として設定されており、その他の４つの光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅが、外部に光を出力する光ファイバポートとして設定されている。すなわち、この波長選択光スイッチ装置１０は１×４の光スイッチとして機能する。
【００３１】
つぎに、偏波操作素子４について説明する。図５は、図１に示す偏波操作素子４の構成を示す図である。図５に示すように、この偏波操作素子４は、偏波分離素子４ａと、偏波分離素子４ａの空間光変調器アレイ２側（紙面右側）の側面下部に配置された偏波回転素子４ｂと、偏波分離素子４ａの空間光変調器アレイ２側の側面上部に配置された光路調整素子４ｃとを有する。
【００３２】
偏波分離素子４ａは、たとえばルチル（ＴｉＯ２）単結晶や方解石などの複屈折性材料からなり、互いに直交する２つの直線偏波成分Ｐ１（ｘ軸偏波）、Ｐ２（ｙ軸偏波）を含む光Ｌ５を直線偏波成分Ｐ１を有する光Ｌ６と直線偏波成分Ｐ２を有する光Ｌ７に偏波分離する。ここで、偏波分離素子４ａから出射された光Ｌ６と光Ｌ７は光入出力ポート１ａの配列方向に分離される。
【００３３】
偏波回転素子４ｂは、λ／２波長板であり、入力された光Ｌ６の偏波方向を９０度回転させて光Ｌ７の偏波方向と一致させて出力する。
【００３４】
光路調整素子４ｃは、光学板（たとえばガラス板）からなり、入力された光Ｌ７の光路長を調整する機能を有する。すなわち、図５に示すように、光Ｌ７は偏波分離素子４ａ中では偏波回転される光Ｌ６よりも光路長が短い。そこで、光路調整素子４ｃは、光Ｌ７を通過させることによって、光Ｌ７の光路長を調整して、光Ｌ６の光路長と光Ｌ７の光路長とが一致するようにしている。光Ｌ７の光路長の調整は、光路調整素子４ｃの厚さおよび屈折率の設定によって行うことができる。
【００３５】
なお、偏波分離素子４ａは複屈折性材料からなるプリズムで構成したウォラストンプリズムでもよい。また、この偏波操作素子４では、光路調整素子を光Ｌ７の光路にのみ配置しているが、光Ｌ６、Ｌ７の光路のそれぞれに配置するようにしてもよい。
【００３６】
つぎに、空間光変調器アレイ２について説明する。空間光変調器アレイ２は、図１のｙ方向にアレイ状に配列された４つの空間光変調器から構成される。図６は、図１に示す空間光変調器アレイ２を構成する空間光変調器２Ａの構成を示す分解図である。図６に示すように、この空間光変調器２Ａは、ＬＣＯＳであって、液晶駆動回路が形成されたシリコン基板２ａ上に、反射率がほぼ１００％の反射層である画素電極群２ｂと、空間光変調層である液晶層２ｃと、配向膜２ｄと、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極２ｅと、カバーガラス２ｆとが順次積層した構成を有している。
【００３７】
この空間光変調器２Ａは、画素電極群２ｂとＩＴＯ電極２ｅとの間に電圧を印加することによって、液晶層２ｃが図中ｘ軸の方向に屈折率のグラデーションを有するように制御できる。そして、この屈折率のグラデーションを調整することによって、カバーガラス２ｆ側から入射した光が、画素電極群２ｂにより反射して液晶層２ｃを伝搬する際に、光を所定の回折角で回折させて出射するように調整することができる。
【００３８】
また、空間光変調器２Ａは、光入出力ポート１ａの光ファイバポート１ａａ〜１ａｅの配列方向と、液晶層２ｃの屈折率のグラデーションの方向とがｘ軸方向で一致するように配置されている。その結果、この空間光変調器２Ａは、液晶層２ｃへの印加電圧を制御することによって、光ファイバポート１ａａから入射した光Ｌ８を、光Ｌ９として他の光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅのいずれかに向けて出射できるように、光の出射角度θを制御することができる。
【００３９】
なお、空間光変調器アレイ２を構成する他の３つの空間光変調器も空間光変調器２Ａと同様の構成を有する。
【００４０】
つぎに、図１、２を参照して、この波長選択光スイッチ装置１０の動作について説明する。はじめに、この波長選択光スイッチ装置１０のコリメータアレイ１のＣｏｍポート（図４の光ファイバポート１ａａ）に、互いに波長が異なる４つの信号光からなる波長多重信号光ＯＳが入力される。コリメータアレイ１は、波長多重信号光ＯＳを平行光にしてアナモルフィック光学系６に出力する。アナモルフィック光学系６は、波長多重信号光ＯＳのビーム径を、回折格子５の格子の配列方向に広げて出力する。その結果、波長多重信号光ＯＳが多くの格子に当たるようになり、波長選択の分解能が高められる。回折格子５は、波長多重信号光ＯＳを、波長が互いに異なる信号光ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、ＯＳ４に分光して、所定の角度に出力する。集光レンズ３は、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４の光路を屈折させて、偏波操作素子４を介して空間光変調器アレイ２に集光する。
【００４１】
ここで、上述したように、偏波操作素子４は、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４を偏波分離し、分離した２つの光の偏波方向を一致させるとともにその光路長も一致させる操作を行なって出力する。したがって、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４は、上記操作がされた信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａとして空間光変調器アレイ２に集光される。なお、信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａは、それぞれ空間光変調器アレイ２を構成する４つの空間光変調器のそれぞれに集光される。
【００４２】
なお、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４の偏波操作素子４への入射角度は０度ではなく、且つ互いに異なるが、その角度は通常小さい角度になるように設計される。したがって、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４に対する偏波操作素子４の偏波操作特性は、その入射角度の相違に依らず殆ど同じである。
【００４３】
つぎに、空間光変調器アレイ２は、不図示の制御器によって印加電圧が制御され、各信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａを光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅのうちの対応するポートに向けて所定の角度で回折させる。ここで、空間光変調器アレイ２は偏波依存特性を有するが、信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａは偏波操作素子４の操作を受けて単一の偏波方向からなるものにされているので、空間光変調器アレイ２の偏波依存特性の影響なく回折される。
【００４４】
つぎに、各信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａは、再度偏波操作素子４に入力する。偏波操作素子４は、各信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａに往路とは逆の操作を与え、すなわち、２つの一致した偏波方向の光を直交させて合成し、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４として出力する。
【００４５】
各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４は、集光レンズ３、回折格子５、アナモルフィック光学系６を順次経由して、コリメータアレイ１の対応する光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅに入力され、光波長選択光スイッチ装置１０から出力される。このようにして、この波長選択光スイッチ装置１０は、Ｃｏｍポートから入力された波長多重信号光ＯＳを各波長の信号光ＯＳ１〜ＯＳ４ごとに所望のポートに出力する波長選択光スイッチング動作を行うことができる。
【００４６】
ここで、この波長選択光スイッチ装置１０は、偏波操作素子４が集光レンズ３と空間光変調器アレイ２との間に配置されているため、従来よりも小型化されたものとなる。
【００４７】
以下、従来の波長選択光スイッチ装置と比較して説明する。従来の波長選択光スイッチ装置は、偏波分離を行なう偏波操作素子が光入出力ポートの直後に配置されていた。したがって、偏波波操作素子に続いて配置された光素子は、２つの偏波状態の光の光路を確保するための大きさが必要であった。
【００４８】
たとえば、図７は、従来の波長選択光スイッチ装置の回折格子５Ｂにおける波長多重信号光ＯＳの光路を示す図である。なお、アナモルフィック光学系６は必要に応じてたとえばコリメータアレイ１の後ろに配置してもよい。図７に示すように、コリメータアレイ１、偏波操作素子４Ｂ、回折格子５Ｂ、集光レンズ３Ｂ、および空間光変調器アレイ２Ｂがこの順番で配列した従来の波長選択光スイッチ装置では、波長多重信号光ＯＳは偏波操作素子４Ｂによってそれぞれ直線偏波を有する２つの信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０とに分離された状態で回折格子５Ｂに入力する。したがって、信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０との２つの光路を確保するための幅Ｗ１を有する回折格子５Ｂを使用する必要がある。具体的には、信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０のビーム径の２倍以上の幅が必要である。
【００４９】
これに対して、図８は、図１に示す本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０の回折格子５における波長多重信号光ＯＳの光路を示す図である。なお、アナモルフィック光学系６は記載を省略している。図８に示すように、この波長選択光スイッチ装置１０では波長多重信号光ＯＳは偏波分離されない状態で回折格子５に入力する。したがって、回折格子５の幅Ｗ２は、波長多重信号光ＯＳの１つだけの光路を確保すればよいので、従来の回折格子５ａの幅Ｗ１より狭い、たとえば幅Ｗ１の１／２以下の幅であればよい。したがって、この波長選択光スイッチ装置１０では、回折格子５として従来の回折格子５Ｂよりも小型のものを使用できる。
【００５０】
つぎに、図９は、従来の波長選択光スイッチ装置の偏波操作素子４Ｂにおける信号光の光路を示す図である。図９に示すように、従来の波長選択光スイッチ装置では、偏波操作素子４ａはコリメータアレイ１の直後に配置されているため、コリメータアレイ１に入出力される破線で示す信号光を全て通過させるための高さＨ１を有する必要がある。
【００５１】
これに対して、図１０は、図１に示す本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０の偏波操作素子４における信号光の光路を示す図である。図１０に示すように、波長選択光スイッチ装置１０では、集光レンズ３によって屈折されて光路が密集した状態で信号光ＯＳ１〜ＯＳ４が偏波操作素子４を通過する。したがって、偏波操作素子４の高さＨ２は、従来の偏波操作素子４ａの高さＨ１よりも低い。したがって、偏波操作素子４として、従来の偏波操作素子４ａよりも小型のものを使用できる。
【００５２】
同様に、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０では、アナモルフィック光学系６および集光レンズ３についても従来よりも小型のものを使用できる。したがって、この波長選択光スイッチ装置１０は、使用する光学素子を小型化できるため、従来よりもいっそう小型にできる。
【００５３】
なお、集光レンズ３の手前で偏波分離を行うと、集光レンズ３内における光軸から離れた部分を利用して集光を行うことになり、集光レンズ３の収差の影響が大きくなるという問題がある。したがって、空間光変調器アレイ２でビームがきれいに集光しなくなり、波長選択光スイッチ装置の特性が劣化する。
【００５４】
さらに、従来の波長選択光スイッチ装置では、偏波分離された２つの偏波状態の信号光は、空間光変調器アレイに到達するまでに長い距離を伝搬するとともに、複数の光学素子を通過することとなる。ここで、２つの偏波状態の信号光の光路は、空間的に分離しているため、光学素子を通過する度に光路長に差異が生じる可能性がある。その結果、従来の波長選択光スイッチ装置では、２つの偏波状態の信号光の光路長を一致させるための光路調整と光学素子の配置設計とが複雑なものであった。
【００５５】
また、特に、図３に示すように回折格子の前後で光路が大きく曲がっている場合には、偏波操作素子から回折格子までの光路長と、回折格子から空間光変調器アレイまでの光路長とを、別々に調整することが好ましい。しかしこの場合、少なくとも２箇所に光路調整素子を配置する必要があるため、光路調整素子の配置設計が煩雑となり、かつ部品点数の増加のため高コストとなる。
【００５６】
これに対して、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０では、偏波操作素子４によって偏波分離された２つの信号光は、空間光変調器アレイ２に到達するまでの距離が短く、かつ他の光学素子を通過することはない。また、回折格子５よりも前で光路長を調整する必要もない。したがって、この波長選択光スイッチ装置１０は、従来よりも光路調整と光学素子の配置設計とが容易であり、かつ低コストとなる。
【００５７】
また、アナモルフィック光学系を用いてビーム径を所定方向に広げる構成を採用する場合は、アナモルフィック光学系の前で偏波分離すると、アナモルフィック光学系に続いて配置された光学素子は、光路の確保のために必要なサイズが特に大きくなる。これに対して、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０は、アナモルフィック光学系６を採用しながらも、各光学素子を小型化できるため、よりいっそうの小型化が可能であり、特に好ましい。
【００５８】
たとえば、図１１は、図７とは別の従来の波長選択光スイッチ装置の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。なお、アナモルフィック光学系６は必要に応じてたとえばコリメータアレイ１の後ろに配置してもよい。また、図１２は、本実施の形態１の波長選択光スイッチ装置１０の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。なお、アナモルフィック光学系６は記載を省略している。図１１に示すように、従来の波長選択光スイッチ装置では、波長多重信号光ＯＳは偏波操作素子４Ｃによりそれぞれ直線偏波を有する２つの信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０とがｘ軸方向に分離された状態で回折格子５Ｂや集光レンズ３Ｃに入力し、その後空間光変調器アレイ２Ｃに入力する。したがって、信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０との２つの光路を確保するために、従来の波長選択スイッチ装置の高さは、図１２に示すような本実施の形態１の波長選択スイッチ装置１０の２倍以上の高さが必要である。このように、本実施の形態１の波長選択スイッチ装置１０は、高さを抑えることができるので小型化につながるという特徴と、使用する光学部品が小さな光学部品で済むため低コスト化につながるという特徴とを有する。また、本実施の形態１の波長選択スイッチ装置１０では、空間光変調器アレイ４の手前までは信号光が２つの直線偏波の信号光に分離されていないため、光路長の調整が容易である。
【００５９】
なお、上記実施の形態では、光スイッチ装置が１×４型のものであるが、本発明では光が入出力するポートの数は特に限定されず、Ｎ×Ｍ光スイッチ装置であればよい（ただしＮ、Ｍは１以上の整数である）。
【００６０】
また、上記実施の形態では、空間光変調器がＬＣＯＳであるが、空間光変調層として液晶または光をスイッチできる他の部材を用いており、偏波依存特性を有する空間光変調器または光スイッチであれば特に限定されない。
【００６１】
また、上記実施の形態では、回折格子は透過型であるが、反射型でもよい。また回折格子の代わりに、プリズムなどの光分散素子を用いてもよい。また、光分散素子としては偏波依存特性が小さいものが好ましい。
【００６２】
また、上記実施の形態は波長選択光スイッチ装置であるが、本発明はこれに限らず、光分散素子を備えず、特定波長の信号光の経路を任意に変更するための光スイッチ装置に適用することができる。また、本発明は、アナモルフィック光学系を備えない光スイッチ装置に対しても適用することができる。
【００６３】
また、上記実施の形態では、光スイッチを用いた波長選択スイッチ装置について説明したが、本発明は、偏波依存性を有する空間光変調器を用いる光操作装置であれば特に限定されない。例えば、上記実施の形態において、空間光変調器として、光スイッチの替わりに強度変調器を用いれば、強度変調装置として利用できる。更に、回折格子による分散方向である図１のｙ軸方向に沿って、強度変調器を並べることにより、各強度変調器に入射された波長の光ごとに光の強度を操作できるので、折り返された光の強度スペクトル形状を制御することができる。また、例えば、空間光変調器として、光スイッチの替わりに位相変調器を用いれば、位相変調装置として利用できる。更に、回折格子による分散方向である図１のｙ軸方向に沿って、位相変調器を並べることで、各位相変調器に入射された波長の光ごとに光の位相を操作できるので、折り返された光の群速度分散の波長依存性を制御することができる。郡速度分散の波長依存性を制御することにより、例えば、光信号の分散補償の機能を位相変調装置に持たせることができる。これらの空間光変調を行う際は、操作した光を、必ずしも光が入力されたポートとは異なるポートに出力する必要は無く、光が入力されたポートと同じポートに折り返してもよい。その場合は、サーキュレータなどを用いて、入力光と出力光を分離することができる。
【００６４】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００６５】
１ コリメータアレイ
１ａ 光入出力ポート
１ａａ〜１ａｅ 光ファイバポート
１ｂ コリメータレンズ
１ｃ 光ファイバ固定基材
１ｄ スペーサ部
２ 空間光変調器アレイ
２Ａ 空間光変調器
２ａ シリコン基板
２ｂ 画素電極群
２ｃ 液晶層
２ｄ 配向膜
２ｅ ＩＴＯ電極
２ｆ カバーガラス
３ 集光レンズ
４ 偏波操作素子
４ａ 偏波分離素子
４ｂ 偏波回転素子
４ｃ 光路調整素子
５ 回折格子
６ アナモルフィック光学系
１０ 波長選択光スイッチ装置
Ｈ１、Ｈ２ 高さ
Ｌ１〜Ｌ９ 光
ＯＳ 波長多重信号光
ＯＳ１〜ＯＳ４、ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａ、ＯＳｐ、ＯＳｓ 信号光
Ｐ１、Ｐ２ 直線偏波成分
Ｗ１、Ｗ２ 幅
θ 出射角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の強度、波長、位相、偏波状態または経路などを操作する光操作装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信システムは、その形態がｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ型から、リング型またはメッシュ型のネットワークへと発展しつつある。このような形態のネットワークのノードには、任意の信号光を任意のポートに入出力させて、信号光の経路を任意に変更するための光操作装置である光スイッチ装置が必要とされる。特に、互いに異なる波長の信号光が波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）された波長多重信号光を用いる場合は、任意の波長の信号光に対して任意に経路を変更できる波長選択光スイッチ装置が必要とされる。
【０００３】
このような光スイッチ装置には、信号光の経路を切り替えるために、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を用いたものがある（特許文献１、２参照）。ＬＣＯＳは、入射された光の位相を液晶によって変調し、回折させることができる空間光変調器である。したがって、ＬＣＯＳを用いた光スイッチ装置では、或る経路から入力された信号光を、ＬＣＯＳによって回折させて、特定の経路に出力することにより、光スイッチ動作を実現している。
【０００４】
ここで、ＬＣＯＳは液晶の複屈折を利用するため、偏波依存特性を有している。この問題を解決するために、ＬＣＯＳを用いた光スイッチ装置は、偏波分離素子および偏波回転素子を備えている。このような光スイッチ装置は、偏波分離素子が、光スイッチ装置に入力された信号光を互いに直交する２つの直線偏波の信号光に分離し、偏波回転素子が一方の信号光の偏波方向を回転させてもう一方の信号光の偏波方向に合わせることによって、偏波方向が一致した２つの信号光がＬＣＯＳに入射されるように構成されている。これによって、単一の偏波方向のみからなる信号光がＬＣＯＳに入射されるので、偏波依存特性の問題が解決される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００６７６１１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０２７６５３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、光通信システムの高機能化に伴い、システムを構成する光通信装置で使用される光部品の数も増加している。このため、装置の設置スペースの制約等の関係上、光スイッチ装置をはじめとする、光の強度、波長、位相、偏波状態または経路などを操作する光操作装置にも小型化が強く求められている。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より小型の光操作装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光操作装置は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポートと、前記光入出力ポートから入射した光を前記光入出力ポートに向けて出射する、偏波依存特性を有する空間光変調器と、前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器と光学的に結合させる集光素子と、前記集光素子と前記空間光変調器との間に配置され、入力された光の偏波状態を、単一の偏波方向のみからなるように操作して出力する偏波操作素子と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波操作素子は、前記光入出力ポートから入射した光を互いに直交する２つの直線偏波の光に分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子の前記空間光変調器側に配置された、前記２つの光の偏波方向を同一にして出力するための偏波回転素子とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は液晶によって光を空間変調するものであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器はＬＣＯＳであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波分離素子は複屈折性材料からなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波分離素子は方解石またはルチルからなることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記偏波分離素子はウォラストンプリズムであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記光入出力ポートと前記集光素子との間に配置され、入力された光の波長成分を分離する光分散素子を備え、前記空間光変調器を用いて前記光分散素子により分離された複数の波長成分を操作することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記光分散素子は回折格子であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記光入出力ポートと前記光分散素子との間に配置されたアナモルフィック光学系を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は光スイッチであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は強度変調器であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る光操作装置は、上記の発明において、前記空間光変調器は位相変調器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、偏波分離素子を集光素子と空間光変調器との間に配置することによって、使用する光学素子の小型化を実現できるので、光操作装置をより小型にできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す波長選択光スイッチ装置を別の方向から見た図である。
【図３】図３は、図１に示す波長選択光スイッチ装置における各素子の配置を示す図である。
【図４】図４は、図１に示すコリメータアレイの構成を示す図である。
【図５】図５は、図１に示す偏波操作素子の構成を示す図である。
【図６】図６は、図１に示す空間光変調器アレイを構成する空間光変調器の構成を示す分解図である。
【図７】図７は、従来の波長選択光スイッチ装置の回折格子における信号光の光路を示す図である。
【図８】図８は、図１に示す波長選択光スイッチ装置の回折格子における信号光の光路を示す図である。
【図９】図９は、従来の波長選択光スイッチ装置の偏波操作素子における信号光の光路を示す図である。
【図１０】図１０は、図１に示す波長選択光スイッチ装置の偏波操作素子における信号光の光路を示す図である。
【図１１】図１１は、図７とは別の従来の波長選択光スイッチ装置の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。
【図１２】図１２は、本実施の形態１の波長選択光スイッチ装置１０の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して本発明に係る光操作装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、適宜ｘｙｚ座標系を用いて方向を説明しているが、各図においてｘｙｚ軸の方向は同一であるものとする。
【００２４】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光操作装置である波長選択光スイッチ装置について説明する。図１、図２は、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０の概略構成を示すブロック図である。なお、図１は、ｘｙｚ座標系のｘ軸方向正の向きから見たものであり、図２は、ｙ軸方向正の向きから見たものである。図１に示すように、この波長選択光スイッチ装置１０は、コリメータアレイ１と、光スイッチである空間光変調器アレイ２と、集光素子である集光レンズ３と、偏波操作素子４と、光分散素子である回折格子５と、アナモルフィック光学系６とを備えている。なお、この波長選択光スイッチ装置１０に入力または出力される光は特に限定されないが、たとえば波長１５２０〜１６２０ｎｍの光通信用の信号光である。なお、空間光変調器アレイ２はアレイ状に配列された４つの空間変調器からなっていてもよいし、一つの空間変調器を４つの領域に分割してそれぞれの領域を独立に制御するものもよい。
【００２５】
集光レンズ３は、コリメータアレイ１と空間光変調器アレイ２との間に配置され、これらを光学的に結合させるものである。ここで、集光レンズ３は１枚のレンズから構成されていてもよいし、複数のレンズから構成されていてもよい。偏波操作素子４は、集光レンズ３と空間光変調器アレイ２との間に配置され、入力された光の偏波状態を操作するものであり、具体的には後述するように入力された光の偏波分離と偏波回転とを行うものである。回折格子５は、透過型回折格子であって、コリメータアレイ１と集光レンズ３との間に配置され、入力された光を分光するものである。アナモルフィック光学系６は、コリメータアレイ１と回折格子５との間に配置され、入力された光のビーム形状の縦横比を変更するものである。
【００２６】
図３は、図１に示す波長選択光スイッチ装置１０における各素子の配置を示す図である。このように、実際には回折格子５において光路が大きく曲げられるので、アナモルフィック光学系６から空間光変調器アレイ２までの各素子は回折格子５の前後で角度を持って配置される。ただし、図１、２においては、簡略化のために各素子を光路に沿って直線的に配置して示している。また、図３に示すように、アナモルフィック光学系６としてはアナモルフィックプリズムペアを使用することができるが、たとえばシリンドリカルレンズを組み合わせたものでもよい。また、図３では、コリメータアレイ１から入力した光Ｌ１が、回折格子５によって波長の異なる光Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に分光される状態を示している。このように、回折格子５は、ｙｚ平面内で光を分光するように配置されている。
【００２７】
つぎに、コリメータアレイ１、偏波操作素子４および空間光変調器アレイ２について、順次具体的に説明する。
【００２８】
図４は、図１に示すコリメータアレイ１の構成を示す図である。図１に示すように、コリメータアレイ１は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポート１ａと、複数のコリメータレンズ１ｂと、光入出力ポート１ａの各光ファイバポートを挿通固定する光ファイバ固定基材１ｃと、光ファイバ固定基材１ｃに取り付けられるとともに、コリメータレンズ１ｂを保持する透明なスペーサ部１ｄとを備えている。
【００２９】
光入出力ポート１ａは、光ファイバポート１ａａ〜１ａｅが所定の配列方向（図中ｘ軸方向）にアレイ状に配列したものである。各光ファイバポートは、その光出射端面が、スペーサ部１ｄが取り付けられた光ファイバ固定基材１ｃの面と同一平面上になるように固定されている。また、コリメータレンズ１ｂは、各光ファイバポート１ａａ〜１ａｅに対応させて設けられている。また、スペーサ部１ｄの厚さは、コリメータレンズ１ｂの焦点距離に略相当する厚さになっている。その結果、このコリメータアレイ１では、コリメータレンズ１ｂが、各光ファイバポートから出力した光を平行光にし、または、入力された平行光を光ファイバポートに集光して結合させることができる。
【００３０】
この波長選択光スイッチ装置１０では、光入出力ポート１ａのうち、集光レンズ３の光軸上に配置された光ファイバポート１ａａが、外部から光が入力される共通の光ファイバポート（Ｃｏｍポート）として設定されており、その他の４つの光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅが、外部に光を出力する光ファイバポートとして設定されている。すなわち、この波長選択光スイッチ装置１０は１×４の光スイッチとして機能する。
【００３１】
つぎに、偏波操作素子４について説明する。図５は、図１に示す偏波操作素子４の構成を示す図である。図５に示すように、この偏波操作素子４は、偏波分離素子４ａと、偏波分離素子４ａの空間光変調器アレイ２側（紙面右側）の側面下部に配置された偏波回転素子４ｂと、偏波分離素子４ａの空間光変調器アレイ２側の側面上部に配置された光路調整素子４ｃとを有する。
【００３２】
偏波分離素子４ａは、たとえばルチル（ＴｉＯ２）単結晶や方解石などの複屈折性材料からなり、互いに直交する２つの直線偏波成分Ｐ１（ｘ軸偏波）、Ｐ２（ｙ軸偏波）を含む光Ｌ５を直線偏波成分Ｐ１を有する光Ｌ６と直線偏波成分Ｐ２を有する光Ｌ７に偏波分離する。ここで、偏波分離素子４ａから出射された光Ｌ６と光Ｌ７は光入出力ポート１ａの配列方向に分離される。
【００３３】
偏波回転素子４ｂは、λ／２波長板であり、入力された光Ｌ６の偏波方向を９０度回転させて光Ｌ７の偏波方向と一致させて出力する。
【００３４】
光路調整素子４ｃは、光学板（たとえばガラス板）からなり、入力された光Ｌ７の光路長を調整する機能を有する。すなわち、図５に示すように、光Ｌ７は偏波分離素子４ａ中では偏波回転される光Ｌ６よりも光路長が短い。そこで、光路調整素子４ｃは、光Ｌ７を通過させることによって、光Ｌ７の光路長を調整して、光Ｌ６の光路長と光Ｌ７の光路長とが一致するようにしている。光Ｌ７の光路長の調整は、光路調整素子４ｃの厚さおよび屈折率の設定によって行うことができる。
【００３５】
なお、偏波分離素子４ａは複屈折性材料からなるプリズムで構成したウォラストンプリズムでもよい。また、この偏波操作素子４では、光路調整素子を光Ｌ７の光路にのみ配置しているが、光Ｌ６、Ｌ７の光路のそれぞれに配置するようにしてもよい。
【００３６】
つぎに、空間光変調器アレイ２について説明する。空間光変調器アレイ２は、図１のｙ方向にアレイ状に配列された４つの空間光変調器から構成される。図６は、図１に示す空間光変調器アレイ２を構成する空間光変調器２Ａの構成を示す分解図である。図６に示すように、この空間光変調器２Ａは、ＬＣＯＳであって、液晶駆動回路が形成されたシリコン基板２ａ上に、反射率がほぼ１００％の反射層である画素電極群２ｂと、空間光変調層である液晶層２ｃと、配向膜２ｄと、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極２ｅと、カバーガラス２ｆとが順次積層した構成を有している。
【００３７】
この空間光変調器２Ａは、画素電極群２ｂとＩＴＯ電極２ｅとの間に電圧を印加することによって、液晶層２ｃが図中ｘ軸の方向に屈折率のグラデーションを有するように制御できる。そして、この屈折率のグラデーションを調整することによって、カバーガラス２ｆ側から入射した光が、画素電極群２ｂにより反射して液晶層２ｃを伝搬する際に、光を所定の回折角で回折させて出射するように調整することができる。
【００３８】
また、空間光変調器２Ａは、光入出力ポート１ａの光ファイバポート１ａａ〜１ａｅの配列方向と、液晶層２ｃの屈折率のグラデーションの方向とがｘ軸方向で一致するように配置されている。その結果、この空間光変調器２Ａは、液晶層２ｃへの印加電圧を制御することによって、光ファイバポート１ａａから入射した光Ｌ８を、光Ｌ９として他の光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅのいずれかに向けて出射できるように、光の出射角度θを制御することができる。
【００３９】
なお、空間光変調器アレイ２を構成する他の３つの空間光変調器も空間光変調器２Ａと同様の構成を有する。
【００４０】
つぎに、図１、２を参照して、この波長選択光スイッチ装置１０の動作について説明する。はじめに、この波長選択光スイッチ装置１０のコリメータアレイ１のＣｏｍポート（図４の光ファイバポート１ａａ）に、互いに波長が異なる４つの信号光からなる波長多重信号光ＯＳが入力される。コリメータアレイ１は、波長多重信号光ＯＳを平行光にしてアナモルフィック光学系６に出力する。アナモルフィック光学系６は、波長多重信号光ＯＳのビーム径を、回折格子５の格子の配列方向に広げて出力する。その結果、波長多重信号光ＯＳが多くの格子に当たるようになり、波長選択の分解能が高められる。回折格子５は、波長多重信号光ＯＳを、波長が互いに異なる信号光ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、ＯＳ４に分光して、所定の角度に出力する。集光レンズ３は、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４の光路を屈折させて、偏波操作素子４を介して空間光変調器アレイ２に集光する。
【００４１】
ここで、上述したように、偏波操作素子４は、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４を偏波分離し、分離した２つの光の偏波方向を一致させるとともにその光路長も一致させる操作を行なって出力する。したがって、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４は、上記操作がされた信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａとして空間光変調器アレイ２に集光される。なお、信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａは、それぞれ空間光変調器アレイ２を構成する４つの空間光変調器のそれぞれに集光される。
【００４２】
なお、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４の偏波操作素子４への入射角度は０度ではなく、且つ互いに異なるが、その角度は通常小さい角度になるように設計される。したがって、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４に対する偏波操作素子４の偏波操作特性は、その入射角度の相違に依らず殆ど同じである。
【００４３】
つぎに、空間光変調器アレイ２は、不図示の制御器によって印加電圧が制御され、各信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａを光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅのうちの対応するポートに向けて所定の角度で回折させる。ここで、空間光変調器アレイ２は偏波依存特性を有するが、信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａは偏波操作素子４の操作を受けて単一の偏波方向からなるものにされているので、空間光変調器アレイ２の偏波依存特性の影響なく回折される。
【００４４】
つぎに、各信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａは、再度偏波操作素子４に入力する。偏波操作素子４は、各信号光ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａに往路とは逆の操作を与え、すなわち、２つの一致した偏波方向の光を直交させて合成し、各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４として出力する。
【００４５】
各信号光ＯＳ１〜ＯＳ４は、集光レンズ３、回折格子５、アナモルフィック光学系６を順次経由して、コリメータアレイ１の対応する光ファイバポート１ａｂ〜１ａｅに入力され、光波長選択光スイッチ装置１０から出力される。このようにして、この波長選択光スイッチ装置１０は、Ｃｏｍポートから入力された波長多重信号光ＯＳを各波長の信号光ＯＳ１〜ＯＳ４ごとに所望のポートに出力する波長選択光スイッチング動作を行うことができる。
【００４６】
ここで、この波長選択光スイッチ装置１０は、偏波操作素子４が集光レンズ３と空間光変調器アレイ２との間に配置されているため、従来よりも小型化されたものとなる。
【００４７】
以下、従来の波長選択光スイッチ装置と比較して説明する。従来の波長選択光スイッチ装置は、偏波分離を行なう偏波操作素子が光入出力ポートの直後に配置されていた。したがって、偏波波操作素子に続いて配置された光素子は、２つの偏波状態の光の光路を確保するための大きさが必要であった。
【００４８】
たとえば、図７は、従来の波長選択光スイッチ装置の回折格子５Ｂにおける波長多重信号光ＯＳの光路を示す図である。なお、アナモルフィック光学系６は必要に応じてたとえばコリメータアレイ１の後ろに配置してもよい。図７に示すように、コリメータアレイ１、偏波操作素子４Ｂ、回折格子５Ｂ、集光レンズ３Ｂ、および空間光変調器アレイ２Ｂがこの順番で配列した従来の波長選択光スイッチ装置では、波長多重信号光ＯＳは偏波操作素子４Ｂによってそれぞれ直線偏波を有する２つの信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０とに分離された状態で回折格子５Ｂに入力する。したがって、信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０との２つの光路を確保するための幅Ｗ１を有する回折格子５Ｂを使用する必要がある。具体的には、信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０のビーム径の２倍以上の幅が必要である。
【００４９】
これに対して、図８は、図１に示す本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０の回折格子５における波長多重信号光ＯＳの光路を示す図である。なお、アナモルフィック光学系６は記載を省略している。図８に示すように、この波長選択光スイッチ装置１０では波長多重信号光ＯＳは偏波分離されない状態で回折格子５に入力する。したがって、回折格子５の幅Ｗ２は、波長多重信号光ＯＳの１つだけの光路を確保すればよいので、従来の回折格子５ａの幅Ｗ１より狭い、たとえば幅Ｗ１の１／２以下の幅であればよい。したがって、この波長選択光スイッチ装置１０では、回折格子５として従来の回折格子５Ｂよりも小型のものを使用できる。
【００５０】
つぎに、図９は、従来の波長選択光スイッチ装置の偏波操作素子４Ｂにおける信号光の光路を示す図である。図９に示すように、従来の波長選択光スイッチ装置では、偏波操作素子４ａはコリメータアレイ１の直後に配置されているため、コリメータアレイ１に入出力される破線で示す信号光を全て通過させるための高さＨ１を有する必要がある。
【００５１】
これに対して、図１０は、図１に示す本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０の偏波操作素子４における信号光の光路を示す図である。図１０に示すように、波長選択光スイッチ装置１０では、集光レンズ３によって屈折されて光路が密集した状態で信号光ＯＳ１〜ＯＳ４が偏波操作素子４を通過する。したがって、偏波操作素子４の高さＨ２は、従来の偏波操作素子４ａの高さＨ１よりも低い。したがって、偏波操作素子４として、従来の偏波操作素子４ａよりも小型のものを使用できる。
【００５２】
同様に、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０では、アナモルフィック光学系６および集光レンズ３についても従来よりも小型のものを使用できる。したがって、この波長選択光スイッチ装置１０は、使用する光学素子を小型化できるため、従来よりもいっそう小型にできる。
【００５３】
なお、集光レンズ３の手前で偏波分離を行うと、集光レンズ３内における光軸から離れた部分を利用して集光を行うことになり、集光レンズ３の収差の影響が大きくなるという問題がある。したがって、空間光変調器アレイ２でビームがきれいに集光しなくなり、波長選択光スイッチ装置の特性が劣化する。
【００５４】
さらに、従来の波長選択光スイッチ装置では、偏波分離された２つの偏波状態の信号光は、空間光変調器アレイに到達するまでに長い距離を伝搬するとともに、複数の光学素子を通過することとなる。ここで、２つの偏波状態の信号光の光路は、空間的に分離しているため、光学素子を通過する度に光路長に差異が生じる可能性がある。その結果、従来の波長選択光スイッチ装置では、２つの偏波状態の信号光の光路長を一致させるための光路調整と光学素子の配置設計とが複雑なものであった。
【００５５】
また、特に、図３に示すように回折格子の前後で光路が大きく曲がっている場合には、偏波操作素子から回折格子までの光路長と、回折格子から空間光変調器アレイまでの光路長とを、別々に調整することが好ましい。しかしこの場合、少なくとも２箇所に光路調整素子を配置する必要があるため、光路調整素子の配置設計が煩雑となり、かつ部品点数の増加のため高コストとなる。
【００５６】
これに対して、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０では、偏波操作素子４によって偏波分離された２つの信号光は、空間光変調器アレイ２に到達するまでの距離が短く、かつ他の光学素子を通過することはない。また、回折格子５よりも前で光路長を調整する必要もない。したがって、この波長選択光スイッチ装置１０は、従来よりも光路調整と光学素子の配置設計とが容易であり、かつ低コストとなる。
【００５７】
また、アナモルフィック光学系を用いてビーム径を所定方向に広げる構成を採用する場合は、アナモルフィック光学系の前で偏波分離すると、アナモルフィック光学系に続いて配置された光学素子は、光路の確保のために必要なサイズが特に大きくなる。これに対して、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１０は、アナモルフィック光学系６を採用しながらも、各光学素子を小型化できるため、よりいっそうの小型化が可能であり、特に好ましい。
【００５８】
たとえば、図１１は、図７とは別の従来の波長選択光スイッチ装置の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。なお、アナモルフィック光学系６は必要に応じてたとえばコリメータアレイ１の後ろに配置してもよい。また、図１２は、本実施の形態１の波長選択光スイッチ装置１０の光路をｙ軸方向正の向きから見た図である。なお、アナモルフィック光学系６は記載を省略している。図１１に示すように、従来の波長選択光スイッチ装置では、波長多重信号光ＯＳは偏波操作素子４Ｃによりそれぞれ直線偏波を有する２つの信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０とがｘ軸方向に分離された状態で回折格子５Ｂや集光レンズ３Ｃに入力し、その後空間光変調器アレイ２Ｃに入力する。したがって、信号光ＯＳ１０と信号光ＯＳ２０との２つの光路を確保するために、従来の波長選択スイッチ装置の高さは、図１２に示すような本実施の形態１の波長選択スイッチ装置１０の２倍以上の高さが必要である。このように、本実施の形態１の波長選択スイッチ装置１０は、高さを抑えることができるので小型化につながるという特徴と、使用する光学部品が小さな光学部品で済むため低コスト化につながるという特徴とを有する。また、本実施の形態１の波長選択スイッチ装置１０では、空間光変調器アレイ４の手前までは信号光が２つの直線偏波の信号光に分離されていないため、光路長の調整が容易である。
【００５９】
なお、上記実施の形態では、光スイッチ装置が１×４型のものであるが、本発明では光が入出力するポートの数は特に限定されず、Ｎ×Ｍ光スイッチ装置であればよい（ただしＮ、Ｍは１以上の整数である）。
【００６０】
また、上記実施の形態では、空間光変調器がＬＣＯＳであるが、空間光変調層として液晶または光をスイッチできる他の部材を用いており、偏波依存特性を有する空間光変調器または光スイッチであれば特に限定されない。
【００６１】
また、上記実施の形態では、回折格子は透過型であるが、反射型でもよい。また回折格子の代わりに、プリズムなどの光分散素子を用いてもよい。また、光分散素子としては偏波依存特性が小さいものが好ましい。
【００６２】
また、上記実施の形態は波長選択光スイッチ装置であるが、本発明はこれに限らず、光分散素子を備えず、特定波長の信号光の経路を任意に変更するための光スイッチ装置に適用することができる。また、本発明は、アナモルフィック光学系を備えない光スイッチ装置に対しても適用することができる。
【００６３】
また、上記実施の形態では、光スイッチを用いた波長選択スイッチ装置について説明したが、本発明は、偏波依存性を有する空間光変調器を用いる光操作装置であれば特に限定されない。例えば、上記実施の形態において、空間光変調器として、光スイッチの替わりに強度変調器を用いれば、強度変調装置として利用できる。更に、回折格子による分散方向である図１のｙ軸方向に沿って、強度変調器を並べることにより、各強度変調器に入射された波長の光ごとに光の強度を操作できるので、折り返された光の強度スペクトル形状を制御することができる。また、例えば、空間光変調器として、光スイッチの替わりに位相変調器を用いれば、位相変調装置として利用できる。更に、回折格子による分散方向である図１のｙ軸方向に沿って、位相変調器を並べることで、各位相変調器に入射された波長の光ごとに光の位相を操作できるので、折り返された光の群速度分散の波長依存性を制御することができる。郡速度分散の波長依存性を制御することにより、例えば、光信号の分散補償の機能を位相変調装置に持たせることができる。これらの空間光変調を行う際は、操作した光を、必ずしも光が入力されたポートとは異なるポートに出力する必要は無く、光が入力されたポートと同じポートに折り返してもよい。その場合は、サーキュレータなどを用いて、入力光と出力光を分離することができる。
【００６４】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００６５】
１ コリメータアレイ
１ａ 光入出力ポート
１ａａ〜１ａｅ 光ファイバポート
１ｂ コリメータレンズ
１ｃ 光ファイバ固定基材
１ｄ スペーサ部
２ 空間光変調器アレイ
２Ａ 空間光変調器
２ａ シリコン基板
２ｂ 画素電極群
２ｃ 液晶層
２ｄ 配向膜
２ｅ ＩＴＯ電極
２ｆ カバーガラス
３ 集光レンズ
４ 偏波操作素子
４ａ 偏波分離素子
４ｂ 偏波回転素子
４ｃ 光路調整素子
５ 回折格子
６ アナモルフィック光学系
１０ 波長選択光スイッチ装置
Ｈ１、Ｈ２ 高さ
Ｌ１〜Ｌ９ 光
ＯＳ 波長多重信号光
ＯＳ１〜ＯＳ４、ＯＳ１ａ〜ＯＳ４ａ、ＯＳｐ、ＯＳｓ 信号光
Ｐ１、Ｐ２ 直線偏波成分
Ｗ１、Ｗ２ 幅
θ 出射角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポートと、
前記光入出力ポートから入射した光を前記光入出力ポートに向けて出射する、偏波依存特性を有する空間光変調器と、
前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器と光学的に結合させる集光素子と、
前記集光素子と前記空間光変調器との間に配置され、入力された光の偏波状態を、単一の偏波方向のみからなるように操作して出力する偏波操作素子と、
を備えたことを特徴とする光操作装置。
【請求項２】
前記偏波操作素子は、前記光入出力ポートから入射した光を互いに直交する２つの直線偏波の光に分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子の前記空間光変調器側に配置された、前記２つの光の偏波方向を同一にして出力するための偏波回転素子とを有することを特徴とする請求項１に記載の光操作装置。
【請求項３】
前記空間光変調器は液晶によって光を空間変調するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光操作装置。
【請求項４】
前記空間光変調器はＬＣＯＳであることを特徴とする請求項３に記載の光操作装置。
【請求項５】
前記偏波分離素子は複屈折性材料からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項６】
前記偏波分離素子は方解石またはルチルからなることを特徴とする請求項５に記載の光操作装置。
【請求項７】
前記偏波分離素子はウォラストンプリズムであることを特徴とする請求項５に記載の光操作装置。
【請求項８】
前記光入出力ポートと前記集光素子との間に配置され、入力された光の波長成分を分離する光分散素子を備え、前記空間光変調器を用いて前記光分散素子により分離された複数の波長成分を操作することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項９】
前記光分散素子は回折格子であることを特徴とする請求項８に記載の光操作装置。
【請求項１０】
前記光入出力ポートと前記光分散素子との間に配置されたアナモルフィック光学系を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の光操作装置。
【請求項１１】
前記空間光変調器は光スイッチであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項１２】
前記空間光変調器は強度変調器であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項１３】
前記空間光変調器は位相変調器であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項１】
外部から光が入力される、または外部に光を出力する光入出力ポートと、
前記光入出力ポートから入射した光を前記光入出力ポートに向けて出射する、偏波依存特性を有する空間光変調器と、
前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器と光学的に結合させる集光素子と、
前記集光素子と前記空間光変調器との間に配置され、入力された光の偏波状態を、単一の偏波方向のみからなるように操作して出力する偏波操作素子と、
を備えたことを特徴とする光操作装置。
【請求項２】
前記偏波操作素子は、前記光入出力ポートから入射した光を互いに直交する２つの直線偏波の光に分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子の前記空間光変調器側に配置された、前記２つの光の偏波方向を同一にして出力するための偏波回転素子とを有することを特徴とする請求項１に記載の光操作装置。
【請求項３】
前記空間光変調器は液晶によって光を空間変調するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光操作装置。
【請求項４】
前記空間光変調器はＬＣＯＳであることを特徴とする請求項３に記載の光操作装置。
【請求項５】
前記偏波分離素子は複屈折性材料からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項６】
前記偏波分離素子は方解石またはルチルからなることを特徴とする請求項５に記載の光操作装置。
【請求項７】
前記偏波分離素子はウォラストンプリズムであることを特徴とする請求項５に記載の光操作装置。
【請求項８】
前記光入出力ポートと前記集光素子との間に配置され、入力された光の波長成分を分離する光分散素子を備え、前記空間光変調器を用いて前記光分散素子により分離された複数の波長成分を操作することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項９】
前記光分散素子は回折格子であることを特徴とする請求項８に記載の光操作装置。
【請求項１０】
前記光入出力ポートと前記光分散素子との間に配置されたアナモルフィック光学系を備えることを特徴とする請求項８または９に記載の光操作装置。
【請求項１１】
前記空間光変調器は光スイッチであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項１２】
前記空間光変調器は強度変調器であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光操作装置。
【請求項１３】
前記空間光変調器は位相変調器であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光操作装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−９３５２３（Ｐ２０１２−９３５２３Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４０１７２（Ｐ２０１０−２４０１７２）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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