CN104583839A - 光开关 - Google Patents

Abstract

光开关包括：输入端口；输出端口；以及空间光调制部，射入来自输入端口的光信号，并将该光信号向已选择的输出端口偏转，在空间光调制部中设定与射入光的波前的曲率半径相同曲率半径的相位分布和用于使偏转的光信号耦合向输出端口的相位分布重叠的相位分布。

Description

光开关

技术领域

本发明涉及一种用于光通信网络的波长选择开关。

背景技术

由于因特网等数据通信网络的爆炸式普及，逐渐提高了对光通信网络的大容量化的要求。虽然已实用化了用于应对这样的网络需求的扩大的波分复用通信，但近年，按每一波长进行的路径变换成为可能的波长选择开关(WSS：Wavelength Selective Switch)的需求也逐年提高。作为现有的波长选择开关，存在专利文献1中所公开的波长选择开关。

图10是表示专利文献1中公开的波长选择开关的一个例子的图。在图10中，从输入输出光纤1～10中的任一根，输入的波分复用信号沿着以实线表示的去路的光路28发散并传输，由凹面镜12变换成平行光，沿着去路的光路27射入到衍射光栅14。射入到衍射光栅14的波分复用信号通过衍射光栅14被角色散，按每一波长往不同的方向进行衍射，向光路23的实线的方向进行传输。传输的光信号通过柱面透镜13，在图10的纸面垂直方向上形成聚光束，并射入到凹面镜12。此时，在波长分波方向(图10的纸面水平方向)上作为平行光射入，在开关轴方向(图10的纸面垂直方向)上作为会聚光束射入，在凹面透镜13上结成光束腰。

然后，从凹面镜12反射的光信号接着在图10的纸面垂直方向上形成发散光束并传输，再次射入到柱面透镜13上变换成平行光，射入到空间偏转元件15。另一方面，在波长分波方向(图10的纸面水平方向)上形成聚光束并通过凹面镜12被反射，就此原样不变地传输向空间偏转元件15方向。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：US7092599B

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1的光学系统中，从输入输出光纤1～10到空间偏转元件15的距离为凹面镜12的焦距的4倍。也就是说，具有柱面透镜13的约2倍的距离。由于该距离长，因此限制了波长选择开关整体的光学系统的大小。即，无法实现光开关的小型化。

图15A以及图15B是用于说明现有的波长选择开关的切换原理的图，图15BA表示对应输入的相位变化情况，图15B表示高级衍射光产生的情况。

现有的波长选择开关在空间相位调制元件上由像素化后的相位调制元件(一般为LCOS：Liquid Crystal On Silicon)构成，能对各个像素设定0～2π为止的相位。通过该设定的相位，将射入的光信号的相位按每一位置进行调制(移动)并反射。现有的波长选择开关如图15A所示，相位对应位置进行线形变化，通过该以相位振幅为2π进行折曲的锯齿波来实施相位调制而实现切换。然而，由于该切换方式由于锯齿波的不完整性而在2π→0的相位变化时，相位连续变化，因此产生高级衍射光。

图15B的例子表示对应空间相位调制元件15的傅里叶面的情况，即高级衍射光的产生的情况。换而言之，其为空间频率轴上的情况。在图15B中，一级衍射光为主信号，在该位置上配置有例如输出端口1～10。

与此相对，由于显示为二级光的部分形成高级衍射光，造成串扰，因此无法在二级光的位置配置输出端口。二级衍射光在2倍于从零级衍射光到一级衍射光的距离的位置处产生。因此，能配置端口的区域受区域A的范围所限。换而言之，由于在内角侧的区域D的范围内无法配置端口，因此端口数减半。也就是说，在确定了需要的端口数的情况下，需要设置固定量的区域A，区域D也必须设置成与区域A相同的宽度。因此，端口方向(图15B的X方向)的宽度最少也需要达到区域A的2倍。该X方向决定波长选择开关的高度，会存在模块增高的问题。

因此，本发明鉴于上述的情况而完成，其目的在于，提供一种可小型化的光开关。

用于解决问题的技术方案

为了解决上述问题，本发明包括：至少一个输入端口；至少一个输出端口；以及空间光调制部，射入来自所述输入端口的光信号，并将该光信号向所述输出端口中的已选择的输出端口偏转，在所述空间光调制部中设定补偿所述光信号射入时的波前的曲率半径的相位分布和用于使所述偏转的光信号耦合向所述输出端口耦合的相位分布重叠的相位分布。

此处，所述已选择的输出端口的端部还可以配置于所述被反射的光信号的主光线上。

所述输入端口以及所述输出端口还可以形成于基板上的光波导内。

在本发明中，还可以进一步包括：配置于所述空间光调制部与所述输入端口以及所述输出端口之间的光学透镜。

所述光学透镜和所述空间光调制部之间的距离还可以设定为与该光学透镜的焦距相同。

所述光学透镜与所述输入端口以及所述输出端口之间的距离还可以设定为与射入到所述空间光调制部的光信号所对应的虚拟光束腰的瑞利长度不同。

在本发明中，还可以进一步包括：配置于所述空间光调制部与所述输入端口以及所述输出端口之间的分光元件。

还可以设置成，所述输入端口与所述输出端口设置于同一直线上，所述分光元件的分光面与所述直线沿着所述分波面的法线配置。

或者，还可以在形成于所述光波导内的所述输入端口以及所述输出端口处配置光定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫曾德尔干涉仪等，在从它们分路后的端口处，也可以设置光接收元件。

射入到所述空间光调制单元时的波前的曲率还可以设置成非无限大，而为有限值。

在所述空间光调制部设定与所述光信号射入到所述空间光调制部时的波前的曲率半径相同曲率半径的相位分布和当所述光信号射出所述空间光调制部时，使所述光信号的主光线朝向所述已选择的输出端口的方向的相位分布重叠的相位分布的基础上，进一步，设定遍及所述空间光调制部整面赋予固定的相位的相位分布。

以设定于所述光空间光调制单元的相位的非理想点在射入到所述空间光调制单元的光信号的强度分布中使加权贡献度变为最小的方式，确定所述固定相位也可以。

发明的效果

根据本发明，可实现波分复用通信中进行波长切换的光开关的小型化。

与现有的方式相比，可使开关端口数倍增。进一步，还可以降低由于空间光调制元件的不完整而导致的串扰的恶化。

附图说明

图1是用于说明现有的普通光开关中的切换方向的光路的图。

图2是用于说明第一实施方式的光开关中的切换方向的光路的图。

图3是用于说明作为图2的空间光调制部的LCOS上的相位分布的图。

图4是用于说明利用形成于光波导基板上的输入输出端口的例子的图。

图5是用于说明第二实施方式的光开关中的切换方向的光路的图。

图6是表示在第二实施方式的光开关中，包括输入端口以及输出端口的光波导的结构例的图。

图7是用于说明第三实施方式的光开关中的切换方向的光路的图。

图8A是表示在第四实施方式的光波长选择开关中，开关轴方向的结构例的图。

图8B是表示在第四实施方式的光波长选择开关中，波长轴方向的结构例的图。

图9是表示第五实施方式的光开关的结构例的图。

图10是表示现有的波长选择开关的一个例子的图。

图11A是表示现有的光开关的光学系统的图。

图11B是表示第六实施方式的光开关的光学系统的一个例子的图。

图12A是用于说明现有的光开关的光学系统中的相位设定的图。

图12B是用于说明第六实施方式的光开关的光学系统中的相位设定的一个例子的图。

图13A是表示在现有的光开关的光学系统中，设定了相位分布的情况下的与各输出端口耦合的光信号的强度的图表。

图13B是表示在第六实施方式的光开关的光学系统中，设定了相位分布的情况下的与各输出端口耦合的光信号的强度的图表。

图14是用于说明第七实施方式的空间相位调制元件上的相位设定的图。

图15A是表示在现有的波长选择开关的切换中，对应输入相位发生变化的情况的图。

图15B是表示在现有的波长选择开关的切换中，产生高级衍射光的情况的图。

具体实施方式

以下，就本发明的第一至第五实施方式，参照附图进行说明。

(第一实施方式)

关于本实施方式的光开关的结构例，与现有的普通光开关不同，为可小型化的结构。以下，就本实施方式的光开关的结构例，参照图1以及图2进行说明，以明确与现有的普通光开关之间的差异。图1是用于说明现有的普通光开关中的切换方向的光路的图。图2是用于说明第一实施方式的光开关中的切换方向的光路的图。

首先，就现有的普通2f光学系统的光开关的结构，参照图1进行说明。在图1所示的2f光学系统中，透镜1003的焦距设定为f，从透镜1003到输入端口1001a以及输出端口1001b(以下，也称为“输入输出端口1001a、1001b”。)的距离也设定为f。

输入输出端口1001a、1001b被配置于透镜1003的前侧焦点位置(物面侧)，在输入输出端口1001a、1001b中分别设置有对应的微透镜1001c、1001d。可通过各微透镜1001c、1001d调整射出光束的开口数。

在该光学系统中，从输入端口1001a输出的光信号直到到达透镜1003为止，都作为如附图标记1002a，1002b所示的发散光被传输。然后，穿过透镜1003的光信号以平行光的形式射入到空间光调制部1004。在空间光调制部1004中，进行端口选择所需的光偏转并反射光信号。作为空间光调制部1004，使用例如在CMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)上设有液晶的LCOS(Liquid Crystal on Silicon)等。LCOS为具有许多微小像素的光相位调制器，能以任意的波长特性对射入光施加相移。

通过空间光调制部1004使光信号与输出端口1001b耦合所需的偏转角表达如下式(1)。

θ＝arctan(d/f)   (1)

此外，在式(1)中，d表示输入输出端口1001a、1001b间的距离，f表示透镜1003的焦距。

从图1所示的输入端口1001a输出的光信号的主光线，与由空间光调制部1004往输出端口1002b侧反射的光信号的主光线平行。因此，输入输出端口1001a、1001b如图1所示被配置成平行。因此，在该光学系统中，输入输出端口的布局、安装变得简单。

在图1所示的2f光学系统中，光学系统的全长设定为例如2f。在该例中，由于从透镜1003到输入输出端口1001a、1001b的距离，与透镜1003的焦距f相同，因此输入输出端口1001a、1001b与空间光调制器1004之间的距离为2f。因此，限制了光开关的小型化。

另一方面，与图1所示的光学系统不同，在图2所示的光学系统的光开关的例中，光学系统的全长设定为例如(s+f)。虽然透镜2003的焦距f与图1所示的透镜2003的焦距相同，但是从透镜2003到输入端口2001a以及输出端口2001b(以下也称为“输入输出端口2001a、2001b”。)的距离与图1的光开关的不同。即，输入输出端口2001a、2001b与透镜2003之间的距离设定为例如s(＜f)。由此，光学系统的全长比图1所示的2f短。因此，该光开关能实现小型化。

就图2所示的光学系统详细叙述。如图2所示，在该光学系统中，输入输出端口2001a、2001b被配置为靠近透镜2003侧。即使在这种情况下，来自输入端口2001a的光信号如附图标记2002b、2002c所示那样以发散光的形式朝着透镜2003射出。然后，穿过透镜2003的光信号以发散光束的形式射入到空间光调制部2004。在以下的说明中，空间光调制部2004以例如LCOS(Liquid Crystalon Silicon)的形式进行说明(第一～第四实施方式)，但是也可以采用例如GratingLight Valve型的MEMS(Micro Electro Mechanical System)等。另外，在本实施方式中，以反射型的LCOS为例进行了说明，但是也可以使用透射式LCOS等的透过式空间光调制元件。

本实施方式设成着眼于能灵活地设定LCOS上的相位空间的分布，且空间光调制部2004具有如下的相位分布。具体而言设成：具有射入到LCOS的曲率半径的波前，以维持与其相同的曲率半径地进行反射的方式，赋予具有二维的空间分布的相位，等价地形成凹面镜。这一点是本实施方式的光开关的特征之一。

施加给作为空间光调制部2004的LCOS的相位的空间分布的曲率半径优选设为例如与射入到空间光调制部2004的光信号的波前的曲率半径相等。

进而，与图1所示的光学系统相同，由于需要对空间光调制部2004施加端口选择所需的光束偏转，因此施加给空间光调制部2004的相位分布φ(x)如图3所示重叠了φ1(x)、φ2(x)进行施加，由此，由下式(2)来表达。

此外，在式(2)中，a表示与光信号的波前的曲率半径对应的二级成分，b表示端口选择所需的一级成分。

图3是用于说明空间光调制部2004的相位分布的图，(a)表示相位分布，(b)表示相移的情况。

图3(a)所示的φ1表示光信号的波前的曲率补偿的成分，φ2表示光束偏转所需的成分。该例中，设定为

式(2)所示的φ(x)为将φ1(x)＝ax²仅向x轴移动例如-b/2a。

在空间光调制部2004中，通过设定了式(2)所示的相位分布φ(x)，从而朝向输出端口2001b的光信号的主光线2002a为图2所示的以附图标记2005a表示的光路。这取决于式(2)的右边的第二项的(bx)。

在图2中，光信号的光束形状如图2所示的附图标记2005b、2005c所示会聚，且光信号被传输给输出端口2001b。然后，光信号最终在输出端口2001b处聚光。

此处，上述的式(2)的右边的第一项的系数a的最佳值随着从输入输出端口2001a、2001b到透镜2003的距离s的变化而变化。另外，在图2所示的光学系统中，来自输入端口2001a的光信号以高斯光束的形式形成。由此，能根据高斯光束射入到透镜2003时的状况，求出射入向空间光调制部2004的光束波前的曲率半径。

一般而言，当将透镜2003的焦距设为f、从透镜2003到物体的距离设为d1、从透镜2003到像的距离设为d2时，则该光线的ABCD矩阵由下式(3)来表达。

数学式1

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& d_2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& d_1\\ 0& 1\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}1-d_2/f& d_1+d_2-(d_1+d_2)/f\\ -1/f& 1-d_1/f\end{array}\right]\end{array}---\left(3\right)$

此处，当在假设与透镜2003距离d1的位置处存在穿过透镜前的光束腰，在与透镜2003距离d2的位置处再次存在光束腰时，一般而言，已知在高斯光束穿过透镜前后的光束腰位置之间，存在下式(4)所示的关系(例如，参照《河野健治著，光耦合系的基础及应用，现代工学社》的23～28页)。

数学式2

$\mathrm{AC}+{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}\right)}^2\mathrm{BD}=0---\left(4\right)$

根据该关系，穿过透镜后的光束腰的位置由下式(5)来表达。

数学式3

$d_2=(\frac{1}{f}-{\mathrm{\γd}}_1+\frac{{{\mathrm{\γd}}_1}^2}{f})/(\frac{1}{f^2}+\mathrm{\γ}-\frac{{2\mathrm{\γd}}_1}{f}+\frac{{{\mathrm{\γd}}_1}^2}{f^2})---\left(5\right)$

此外，在式(5)中，γ由下式(6)来表达。

数学式4

$\mathrm{\γ}={\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}\right)}^2---\left(6\right)$

此外，在式(6)中，λ表示光信号的波长、ω₀表示输入端口的光束腰的尺寸。

根据上述观点，射入到空间光调制部2004上的光信号的波前的曲率半径以如下方式求得。即，当在式(5)中以d1＝s的形式求出d2时，其指的是穿过透镜后的光信号的虚拟的光束腰。

在图2所示的光学系统的例子中，上述的d2为负值，在比透镜2003更靠近纸面左侧，即物侧存在虚拟的光束腰。因此，射入到空间光调制部2004的光信号的波前的曲率半径R由下式(7)来表达。

R＝f-d2   (7)

此外，在式(7)中，d2表现为负值。

LCOS等的空间相位调制器所能设定的相位存在上限值，一般而言，光信号的相位为2π左右。在所需的相移量超出该上限值的情况下，相移量如图3(b)所示以比上限值小的相位量的方式，例如每2π回折一次。此外，虽然在图3(b)中，就按2π回折一次的情况进行了说明，但是并非一定要以2π为单位，只要以附图标记3001表示的相位的回折的阶梯差(φ)为2π的整数倍即可。

此外，图3(b)所示的相位的回折构成了由于光的衍射而引起的损耗增加的重要因素。图3(b)的以附图标记3001表示的相位2π的回折，在该回折附近并非离散地按2π进行一次回折，而是基于在相位为0和2π处的电场的干扰以及液晶元件的跟随的程度，存在模拟式地相位变化的有限宽度的区域。由于该区域可能引起损耗，因此这样的回折越少越好。

式(7)所示的曲率半径R越小，相位按2π回折一次的次数越多。换而言之，不优选高斯光束的波前的曲率半径为最大。作为这样的条件，有在高斯光束的瑞利长度的位置处存在空间相位调制器2004的情况。因此，需要将作为空间相位调制器2004的LCOS不设置于该瑞利长度的位置处。

此外，虽然在本实施方式中，以将输出端口数为一个的情况为例进行了说明，但是也能设置两个以上(多个)。设置多个输出端口的情况下的端口选择通过适当改变式(2)的b来实现。

进而，还可通过使用在基板上制造输入输出端口而获得的光波导来实现。图4是用于说明利用形成于光波导基板3500上的输入输出端口的例子的图。光波导基板3500连接有光纤3501a～3501e，来自各光纤3501a～3501e的光信号与形成于光波导基板3500上的输入输出端口3502a～3502e耦合。利用与输入输出端口3502a～3502e连接的弯曲波导3503，输入输出端口3502a～3502e间的间隔(间距)变小，输入输出端口3502a～3502e的光输出被输出到空间。

一般而言，由于光纤的外径为125μm，因此输入输出波导的间隔受到该光纤的外径的大小的影响，限制了输入输出波导的间隔。另一方面，图4所示的光波导具有能利用弯曲波导3503来任意设定输出端口侧的间距的优点。

如上所说明的那样，根据本实施方式的光开关，空间光调制器2004的相位分布设定为与射入光的波前的曲率半径相同曲率半径的相位分布和反射光的主光线的相位分布重叠。因此，由于来自输入端口2001a的光经由透镜2003，被空间光调制器2004反射，且该反射光在输出端口2001b被聚光，因此光学系统的全长变短。因此，能实现光开关的小型化。

(第二实施方式)

接下来，就第二实施方式的光开关进行说明。

关于在图2所示的光开关中具备透镜2003的情况进行了说明。利用该透镜2003，能获得以下效果。即，

(1)通过将透镜2003和空间光调制器2004置于图2所例示的f的距离处，可实现输入输出端口2001a、2001b的平行配置，由此简化光学系统的布局，

(2)通过一定程度上抑制光束的发散，限制射入到空间光调制器2004的光束的面积。它也可以另外采用不具备透镜2003的结构。不具备透镜2003而构成的光开关如图5所示。

图5是用于说明第二实施方式中的光开关的切换方向的光路的图。

在图5所示的光开关中，输入端口4001a以及输出端口4001b(以下成为“输入输出端口4001a、4001b”。)配置于任意位置处，不具备所述透镜2003。在本实施方式中，输入输出端口4001a、4001b与空间光调制器4004之间的距离为s。在这种情况下，由于使输入输出端口4001a、4001b为形成于基板上的光波导的情况以采用了光刻法的精度进行定位，光的输出方向也能任意设定，因此适合用来实现本实施方式的光开关。

在图5中，从输入端口4001a输出的光信号发散并传输给空间光调制器4004。在这种情况下，该光信号的主光线为如附图标记4002a所示，光束具有如附图标记4002b、4002c所示的发散。

在空间光调制器4004上与第一实施方式的情况相同，设定有端口选择中所需的偏转功能与光束整形中所需的凹面镜的功能重叠了的相位。在这种情况下，被空间光调制器4004反射的光信号的主光线为如附图标记4005a所示，并且，光束的形状如附图标记4005b、4005c所示会聚并传输给输出端口4001b。在这种情况下，输出端口4001b配置成波导和主光线4005a在同一直线上，使得与输出端口4001b耦合的耦合效率为最大。

此处，从输入输出端口4001a、4001b到空间光调制器4004的距离设为s、输入输出端口4001a、4001b间的距离设为d，则应该由空间光调制器4004进行偏转的角度由下式(8)来表达。

θ≒d/s   (8)

此外，在式(8)中，s为从输入输出端口4001a、4001b到空间光调制器4004的距离，同时也为空间光调制器上的光信号的波前的曲率半径。

在配置成从输入端口4001a输出的光信号的主光线与光轴一致的情况下，构成输出端口4001b的波导优选为配置成从空间光调制器4004与光轴的交点P减去式(8)所示的角度θ的直线状。该情况如图5所示。

接下来，就本实施方式中的波导的结构例，参照图6进行说明。图6是表示包括输入波导4001a以及输出波导4001a、4001b、4001c的光波导5001的结构例的图。

如该图6所示，在光波导5001中，除了作为输入端口的输入波导4001a以及作为输出端口的输出波导4001b之外，还配置有三个输出波导(输出端口)4001c、4001d、4001e。虽然图6示出了输出波导加起来例如有四个的例子，但是也可以配置五个以上。

在图6中，点P与图5所示的点P、即空间光调制器4004和光轴的交点P相同，输入输出波导4001a～4001e分别配置于以点P为中心的放射线上。另外，输入输出光纤5001a～5001e设置成分别对应输入输出波导4001a～4001e。图6忽略了从光波导往空间的射出所伴随的斯涅尔定律的效果进行了表示，但是本质不变。

(第三实施方式)

接下来，就第三实施方式的光开关进行说明。

图5所示的光开关以不具备透镜的情况进行了说明。然而，也可以设成具备透镜，进而将该透镜配合在任意位置处。这样的光开关的结构例如图7所示。

图7是用于说明第三实施方式中的光开关的切换方向的光路的图。

在图7所示的光开关中，透镜6003可以配置于距输入端口6001a以及输出端口6001b的距离为s1，以及距空间光调制器6004的距离为s2的位置处。

在这种情况下，从输入端口6001a输出的光信号，其主光线为附图标记6002a所示，光束具有如附图标记6002b、6002c所示的发散并传输给透镜6003。

穿过透镜6003的光信号，其后光束宽度变小，并传输给空间光调制部6004。因此，需要由空间光调制部6004进行补偿的波前的曲率半径比第二实施方式的情况小。即，在式(5)中，射入到设为d1＝s1时的空间光调制部6004的光信号的光束的曲率半径由下式(9)来表达。

R＝s2-d2   (9)

此外，在式(9)中，d2表示负值。

例如，在设定为透镜的焦距f＝100mm、s＝100mm、s1＝50mm、s2＝50mm的情况下，由于本实施方式的光学系统全长为s1+s2＝100mm，第二实施方式的光学系统的全长也为s＝100mm，因此全长都等于100mm。另一方面，应该由空间光调制部进行补偿的波前的曲率半径R，在本实施方式中为R＝s＝100mm，与此相对，在第三实施方式中根据式(5)以及式(9)可知R＝149.9mm。因此，在本实施方式中，波前的曲率半径R比第二实施方式中的小，缓解波前的弯曲。

(第四实施方式)

以上，虽然就光开关进行了说明，但也可以适用于波长选择开关。本实施方式的说明作为一个例子，将第一实施方式的光学系统应用在波长选择开关中，但是应用第二实施方式以及第三实施方式的光学系统也能得到几乎相同的效果。

图8A以及图8B是表示第四实施方式的波长选择开关的结构例的图，图8A表示开关轴方向的结构，图8B表示波长轴方向的结构。此外，在图8A中x表示图3所示的x轴，在图8B中y表示与x轴正交的轴。

图8A以及图8B所示的波长选择开关具备：输入端口7001a；输出端口7001b；微透镜7001c、7001d；透镜7003；准直透镜7010；色散元件7011；聚光透镜7012；以及空间光调制器7004。

此外，输入输出端口7001a、7001b相当于第一实施方式的输入输出端口2001a、2001b，微透镜7001c、7001d相当于第一实施方式的微透镜2001c、2001d。

另一方面，本实施方式的透镜7003与第一实施方式的透镜2003不同，其为仅在开关轴方向上具有光学功率的圆筒透镜。

准直透镜7010为例如圆筒状，如图8B所示，设置于距离微透镜7001d的光束腰f1(WL)的位置处。通过准直透镜7010，射入光在图8B所示的波长轴方向上被变换成平行光。

虽然色散元件7011可使用透射式的衍射光栅、反射型的衍射光栅或棱栅等，但是在本实施方式中，以透射式的衍射光栅为例进行说明。

聚光透镜7012如图8B所示，配置于与色散元件7011以及空间光调制器7004的距离为f2(WL)的位置处。在本实施方式中，聚光透镜7012的焦距设为例如f2(WL)。此外，WL为波长(wave length)的简称。

空间光调制部7004与第一实施方式的空间光调制部2004同样为例如具有许多微小像素的LCOS，能按照每一朝向LCOS的射入位置来移动射入光的相位。如后述那样，由于朝向LCOS7004的光信号的射入位置，根据波长而不同，因此可通过空间光调制部7004，按每一波长进行相移，由此能与按每一波长不同的输出端口进行光耦合。

来自输入端口7001a的光信号穿过微透镜7001d输出给自由空间。在这种情况下，在图8A所示的开关轴方向上，光信号与第一实施方式的情况相同地发散并传输给透镜7003。另一方面，在图8B所示的波长轴方向上，光信号通过准直透镜7010变换成平行光并传输给透镜7003。

在本实施方式中，透镜7003为仅在开关轴方向上具有光学功率的圆筒透镜，穿过透镜7003的光信号射入到色散元件7011。

在图8B中，从色散元件7011输出的光信号对应其波长往不同方向回析。此时的情况由虚线7013a、实线7013b以及点划线7013c来表示。

然后，经由色散元件7011的光信号通过图8B所示的波长轴方向的聚光透镜7012向波长轴方向聚光，输入给空间光调制部7004。本实施方式的聚光透镜7012为仅在波长轴方向上具有光学功率的圆筒透镜。

然后，通过空间光调制部7004接受了空间相位调制的光信号被空间光调制部7004反射，与第一实施方式同样在输出端口7001b耦合。在这种情况下，如图8A以及图8B所示，射入到空间光调制部7004的光信号对应其波长在不同位置处反射。由此，可按每一波长在不同输出端口耦合。

此外，在本实施方式中，就色散元件7011设置于透镜7003和聚光透镜7012之间的情况进行了例示。这是因为图8A所示的开关轴方向的光束发散较慢，易于灵活运用色散元件7011的性能。然而，色散元件7011也可以设置于例如透镜7003和准直透镜7010之间。

＜第五实施方式＞

在图4以及图6中，就将光波导用作输入输出端口，使输入输出端口的间隔变小，获得了有益效果的情况进行了说明。与此不同地，也可以在光波导上集成各种电路并利用光波导。

图9是表示第五实施方式的光开关的结构例的图。示出了该光开关在第一实施方式的输入光学系统中附加了功能的情况。

在图9中，输入输出波导3502a～3502e各自设有可变光衰减器8001a～8001e。

可变光衰减器8001a～8001e适用于使用了因热光效应而赋予了可变性的马赫曾德尔干涉仪的情况。

在设定为光在无供电的状态下不穿过的状态，即常关状态的情况下，当光开关本身产生障碍时，可变光衰减器8001a～8001e能断开光信号的传输。因此，能解决光涌等问题。

在图9中，与输入输出波导3502a～3502e连接的各光分路器8002a～8002e将来自输入输出波导3502a～3502e的各光信号的一部分分路，其结果输出给各光接收元件8003a～8003e。在本实施方式中，由于对光纤3502c提供输入信号，对光纤3502a、3502b、3502d、3502e提供输出信号，因此光接收元件8003c能监控输入信号的功率，光接收元件8003a、8003b、8003e、8003d能监控输出光的强度。

此外，作为光分路器8002a～8002e，能适用定向耦合器、多模干涉仪或基于马赫曾德尔干涉仪的不取决于波长的耦合器等各种光波导。

通过光分路器8002a～8002e以及光接收元件8003a～8003e，能在将光开关用作可变光衰减器的情况下监控衰减量。

进而，在将本实施方式的光开关与第四实施方式的波长选择开关组合而构成的情况下，这样的结构通过按照每一波长来选择性地监控强度，也能实现光信道监控器(OCM)或光性能监控器(OPM)的功能。进而，除了上述的衰减量监控器、OCM、OPM的功能之外，还能通过适当改变监控器电路的方向来构成为使其具有各种功能。

在上述各实施方式的输入端口以及输出端口中，通过配置马赫曾德尔干涉仪、定向耦合器，可集成光开关、光分路器、光VOA、光监控器或它们的复合部件。

＜变形例＞

虽然在上述各实施方式中，示出了从输入端口输出的光信号的主光线出现在光学系统的光轴上的情况，但是即使替换输入输出端口的配置，通过光开关工作，在不出现于光学系统的光轴上的情况下，也能采用相同的结构。

在上述各实施方式中，还可以设置两个以上的输入端口和/或输出端口。

以下，基于本发明的第六至第八实施方式，参照附图进行说明。

＜第六实施方式＞

图11A表示现有的光开关的光学系统的大致结构，图11B表示第六实施方式的光开关的光学系统的大致结构。此外，由于图11A与图1、图11B与图2相同，因此，此处省略其说明。

在图11A以及图11B各自的光学系统中，LCOS元件上设定了图12A以及B所示的相位分布。在本实施方式中，射入到LCOS元件的波前具有有限的曲率。也就是说，非平面波。

图12A表示现有的光开关的光学系统中的相位设定，图12B表示第六实施方式的光开关的光学系统中的相位设定。

一般而言，LCOS等的空间相位调制元件的相位调制指数被限制在2π左右。在这种情况下，对于为实现光切换而施加线性的相位分布，一般需要如图12A所示，使用通过周期性地将其相位按2π回折一次从而等价地具有线性的相位分布的方法。例如图12A的例子中，在点P所示的从2π到0的相位变化区域中，要求不连续的相位变化。然而，LCOS元件等的空间相位调制元件无法实现点P处的不连续的相位变化。这是由与LCOS元件相邻的像素间的电场的干扰以及液晶元件的连续性引起的。即，在点P的附近，产生相位设定从2π往0急剧地连续变化的区域。该区域的光信号产生从2π往0变化的倾斜的相位变化。因此，如图12A所示，该区域表现出具有与实现切换动作的线性的倾斜相同的周期性。因此，缘于该区域的光信号生成高级衍射光，产生串扰。

图13A表示在现有的光开关的光学系统中设定了相位分布的情况下的、与各输出端口耦合的光信号的强度的图表；图13B表示在第六实施方式的光开关的光学系统中设定了相位分布的情况下的、与各输出端口耦合的光信号的强度的图表。

在图13A中，横轴表示由LCOS元件将光束偏转后的偏转角，纵轴表示光强度。另外，在图13A中，输出端口数为23端口，以不同的线绘制各自的光强度。图13A的粗线表示第22端口(从最外角其第二个)的光信号的偏转角依存性。

在图13A中，示出了在对第11端口(偏转角-0.4°)设定了输出的情况下，在第22端口(偏转角-0.8°)处产生的串扰(粗线)。当扩大LCOS所导致的偏转角时，光信号的大部分按照偏转角为0.8°左右与第22端口耦合。但是，可知即使在将偏转角设定为0.4°左右并将光信号路由到第11端口的情况下，-15dB左右的光也与第22端口耦合。这是因为在将光与第11端口耦合时，其二级衍射光与第22端口耦合。

进而，可知在将光路由到第七端口的情况(偏转角0.26°)下，其三级衍射光以-30dB左右的强度与第22端口耦合的情况。不耦合这样的高级衍射光的区域如图13A所示，为从第12端口到第23端口。即，可知为了避免高级衍射光所导致的串扰的恶化，在偏转角为从0到0.4°左右的内角区域无法配置输出端口。

另一方面，图12B表示在本实施方式的光学系统中设定的相位分布的一个例子。在图11B的本实施方式的光学系统中，射入到光偏转元件即LCOS的光信号以具有往开关轴方向弯曲的相位分布的球面波(仅在开关轴上具有曲率的圆柱面)的形式射入。LCOS元件通过将修正该球面的相位分布和有助于偏转的线性的相位分布重叠并施加而实现切换。

此处，即使本实施方式的光学系统中，与现有的光学系统相同，赋予LCOS元件的相位分布也需要按2π回折一次。然而，如图12B所明示的，在产生从2π到0的回折的位置处不具有周期性。因此，回折的不完整性(连续性)所引起的反射光分别往不同的区域发散。

图13B是绘出本实施方式的光学系统中，与光开关的各输出端口耦合的光信号的强度的图。与图13A相同，图13B的横轴表示通过LCOS元件将光束偏转后的偏转角，纵轴表示各输出的光强度。在图13B中，由于2π回折是非周期性的，因此高级衍射光散逸并产生上述的串扰。例如在现有的光学系统中，可知在设定了从第一端口往第11端口的输出后，存在于其2倍角、3倍角的位置的输出端口处没有产生已发生的高级衍射光。这是由于在图12B的相位设定中从2π到0的回折不具有周期性，在特定的位置处不产生高级光。贡献给高级光的光能发散，光能在各种各样的偏转角方向上均匀分布。因此，可知串扰在-35dB下均匀上升的情况。

在现有的光学系统中为了避免高级光，在偏转角为从0°到0.4°左右的内角区域内无法配置端口。但是，在本实施方式的光学系统中，可在内角配置端口。换句话说，在本实施方式的光学系统中，与现有的光开关相比能确保两倍的输出端口数，可实现大规模的开关。根据本实施方式，由于减少了因串扰而不使用的端口，因此能取得能使用于确保相同数目的端口所需的LCOS的光束偏转角减半的效果。

在本实施方式的光学系统中，进一步，在确保相同数目的端口数时，能使LCOS所导致的光束的偏转角减半。即，由于能使光学系统的高度减半，因此有助于光学系统的低高度化，可实现光开关模块的小型化。

＜第七实施方式＞

虽然在第一实施方式中，为了便于说明，说明了在空间相位调制元件即LCOS中进行二级的相位设定的情况(第一实施方式的式(2))，但是严格来说，优选采用球面(仅在开关轴上具有曲率的圆柱面)。即，射入到LCOS的光信号的波前确切的说为球面，优选为由式(10)来表达。射入到LCOS时的波前的曲率具有有限值。也就是说，不是平面波。

数学式5

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=R-\sqrt{R^2-x^2}---\left(10\right)$

此处，R为波前的曲率半径。在这种情况下，切换时的光束偏转所引起的线性的相位分布由式(11)来表达。

数学式6

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=R-\sqrt{R^2-x^2}+\mathrm{bx}---\left(11\right)$

＜第八实施方式＞

图14是用于说明第七实施方式的空间相位调制元件上的相位设定的图，(a)表示一级相位分布与二级相位分布重叠的情况下的光强度分布，(b)表示在(a)的光强度分布中，设定了相位偏置的情况下的光强度分布。以下，虽然为了便于说明，不是以第七实施方式中的完整的球面波的相位的形式，而是以第一实施方式中的二级曲线的相位分布的形式进行说明，但是完整的球面波的情况也相同。

如在第一实施方式中已说明的，在本实施方式的光学系统中，设定给LCOS的相位分布设定了将用于波前补偿的二级相位分布与用于偏转的一级相位分布重叠了的相位分布。二级以及一级曲线重叠了的曲线为二级曲线。此处，将二级曲线成分的倾斜设为a，将一级曲线成分的倾斜设为b，则为其轴仅移动了-b/2a的二级曲线。该重叠了的相位分布为按照可由LCOS设定的相位的上限值(例如2π)进行回折的分布构造。在这种情况下，基于被切换的输出，可能会产生在LCOS上的光强度分布Y3003为最大的位置处回折的构造。这是因为射入到LCOS的光束的强度分布的中心与LCOS的相位设定无关，由光学系统决定且固定。图14(a)是表示上述的情况的图。示出了当具有最大强度的分布的光信号射入到LCOS的坐标中心Q时，上述的重叠了的相位分布的2π回折的位置与坐标中心Q一致的情况。在这种情况下，2π回折所引起的相位回折的不完整性的影响很大。

与此相对，如图14(b)所示，通过对重叠了的相位分布加上适当的相位偏置，能将回折位置进行位移。即，如下述式(12)所示，除了倾斜a的二级分布、倾斜b的一级分布之外，假定添加了常量c的分布，使其每2π回折一次的相位设定。

数学式7

φ(x)＝ax²+bx+c   (12)

在图14(b)中，示出了将常量c设定为任意值，将2π回折错开光强度为最大的点的例子。

作为常量c的设定方法，优选如下进行。即，由于考虑到产生2π回折的区域的宽度dt在遍及LCOS上的全区域内为相同的宽度，因此只要以使该区域的射入光信号的积分值的和为最小的方式确定常量c即可。

通过实施上述的相位设定，可减少2π回折所引起的漫射光，可降低串扰的恶化。

在式(12)中，a以补偿波前曲率的方式确定，b以选择期望的输出端口的方式确定。C以如下方式确定即可。即，对于式(12)的φ(x)，产生从2π到0的回折的位置由下式(13)来确定。

数学式8

φ(x)mod2π＝0(13)

当将产生该回折的位置的坐标设为x1、x2、x3、…，xi(i为整数)时，求出使由下式(14)表示的评价函数I最小的c。

数学式9

$I=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_{-\frac{\mathrm{dt}}{2}}^{\frac{\mathrm{dt}}{2}}A(x-x_i)\mathrm{dx}---\left(14\right)$

作为最小化c的计算方法，有以下的方法。首先，在从0到2π的区间内使c变化，并且由式(13)求出产生回折的位置x1、x2、x3、…xi。然后，每次都通过式(14)计算评价函数I并确定使I最小的c。但是，不局限于该方法，还可以使用二分法、最速下降法等寻优方法来求出最小化c的值。

此处，式(14)的A表示射入到LCOS的光的强度分布，一般而言由下述式(15)的高斯函数来表达。

数学式10

$A\left(x\right)=e^{-2{\left(\frac{x}{w}\right)}^2}---\left(15\right)$

很明显，式(15)的高斯函数配合上往LCOS射入的强度分布来优化c即可。

如上说明的，根据本实施方式，在常量c于LCOS上使相位2π回折的区域内，射入信号最小。由此，射入到相位不连续变化的部分的光最小，可获得能优化光学特性的效果。

附图标记

2001a、4001a、6001a：输入端口；

2001b、4001b、6001b：输出端口；

2003：透镜；

2004、4004、6004：空间光调制器。

Claims (15)

1.一种光开关，其特征在于，包括：

至少一个输入端口；

至少一个输出端口；以及

空间光调制部，射入来自所述输入端口的光信号，并将该光信号向所述输出端口中的选择的输出端口偏转，

在所述空间光调制部中设定有与所述光信号射入时的波前的曲率半径相同曲率半径的相位分布和用于使所述偏转的光信号耦合向所述输出端口的相位分布重叠的相位分布。

2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，

射入到所述空间光调制部时的所述波前的曲率半径为有限值。

3.根据权利要求2所述的光开关，其特征在于，

还包括：配置于所述空间光调制部与所述输入端口以及所述输出端口之间的光学透镜。

4.根据权利要求3所述的光开关，其特征在于，

所述光学透镜和所述空间光调制部之间的距离被设定为与该光学透镜的焦距相同，并且，

所述光学透镜与所述输入端口以及所述输出端口之间的距离被设定为与射入到所述空间光调制部的光信号所对应的虚拟光束腰的瑞利长度不同。

5.根据权利要求4所述的光开关，其特征在于，

所述输入端口以及所述输出端口形成于基板上的光波导内。

6.根据权利要求5所述的光开关，其特征在于，

还包括：配置于所述空间光调制部与所述输入端口以及所述输出端口之间的分光元件。

7.根据权利要求6所述的光开关，其特征在于，

所述输入端口与所述输出端口设置在同一直线上，所述分光元件的分光面与所述直线沿着所述分波面的法线配置。

8.根据权利要求7所述的光开关，其特征在于，

在形成于所述光波导内的所述输入端口以及所述输出端口处，连接有光定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫曾德尔干涉仪中的任一个。

9.根据权利要求8所述的光开关，其特征在于，

在由所述光定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫曾德尔干涉仪从所述输入输出端口分路后的端口处，设置光接收元件。

10.根据权利要求4所述的光开关，其特征在于，

还包括：配置于所述空间光调制部与所述输入端口以及所述输出端口之间的分光元件。

11.根据权利要求10所述的光开关，其特征在于，

所述输入端口与所述输出端口设置在同一直线上，所述分光元件的分光面与所述直线沿着所述分波面的法线配置。

12.根据权利要求11所述的光开关，其特征在于，

在形成于所述光波导内的所述输入端口以及所述输出端口处，连接有光定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫曾德尔干涉仪中的任一个。

13.根据权利要求12所述的光开关，其特征在于，

在由所述光定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫曾德尔干涉仪从所述输入输出端口分路后的端口处，设置光接收元件。

14.根据权利要求2所述的光开关，其特征在于，

在所述空间光调制部中设定

与所述光信号射入到所述空间光调制部时的波前的曲率半径相同曲率半径的相位分布与当所述光信号射出所述空间光调制部时，使所述光信号的主光线朝向所述已选择的输出端口的方向的相位分布重叠，进而

遍及所述空间光调制部整面赋予固定的相位的相位分布。

15.根据权利要求14所述的光开关，其特征在于，

以设定于所述光空间光调制部的相位的非理想点在射入到所述空间光调制单元的光信号的强度分布中使加权贡献度变为最小的方式，确定所述固定的相位。