CN105008993B - 光输入输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种在光通信网络中，抑制对其它端口的串扰并改变输出光强度的光输入输出装置。该光输入输出装置具备：进行信号光的输入输出的端口；排列成矩阵状的多个像素；相位调制元件，生成在各像素上设定的相位值的组合即相位图，以使光在预期的输入输出端口间进行光耦合，将相位图变换成各像素的驱动信号，并根据驱动信号驱动像素，施加与相位图对应的驱动信号，改变信号光的光相位；以及光学元件，改变信号光的出射方向，以使信号光从输入端口照射到各像素上，其中，相位图生成部具有在相位调制元件的平面内的至少一个方向上重叠具有规定的周期的周期性的相位图的重叠单元和控制周期性的相位图的振幅的单元，在与重叠的周期性的相位图的周期对应的位置上将信号光衍射，使其光强度色散。

Description

光输入输出装置
技术领域
本发明涉及使用于光网络的光输入输出装置。
背景技术
随着互联网流量增大，光通信中的通信容量增加的需求进一步提高。作为光通信的路由功能装置，在备受瞩目的技术中存在光开关。在光开关之中，从高密度安装、降低功耗的观点来看，在自由空间上切换光的路径的空间光学系光开关与其它方式相比尤其优秀，这些年在技术开发上取得了进展。
对空间光学系光开关的基本结构进行说明。一般而言，空间光学系光开关在输入光纤与输出光纤之间的自由空间上由若干个透镜和改变光束的行进方向的光束偏转元件构成。作为典型的光开关，有由输入输出光纤阵列和准直透镜阵列以及两组光束偏转元件阵列构成的光交叉连接开关(OXC)、由输入输出光纤阵列和准直透镜阵列以及透镜组、色散元件、光束偏转元件阵列构成的波长选择开关(WSS)等。
空间光学系光开关虽然能在空间中高密度地布局光束，但是由于不具有基于光纤等的光的波导结构，所以往目标输出端口外的非意图的漏光会成为问题。在配置多个输出端口的结构的光开关中，由于往紧邻端口等的在高功率电平的光泄漏作为串扰会导致信号品质变差，因此是特别需要注意的技术开发项目。
作为光开关的功能，有进行输出端口的光功率控制的光衰减(attenuation)功能。作为空间光学系光开关的光衰减功能，虽然有在各输出端口的后段单独地安装光衰减器的方法等，但是随着端口数增加会导致成本、尺寸增加。因此，可以考虑使用光开关内的光束偏转元件来实现衰减功能的方法。
在使用光束偏转元件来实现衰减功能的情况下，如何能抑制上述的串扰就成为问题。作为光束偏转元件，可使用微机电系统(MEMS)、硅基液晶空间光调制器(LCOS-SLM)。作为衰减方法，存在非专利文献1、2所述的将相位不以2π进行折返的方法、专利文献1所述的在将光束进行偏转时从朝向输出端口的最佳角度有意图地偏离来控制光耦合率的方法。但是，在该方法中往相邻的输出端口的漏光作为串扰而成为问题。因此，一直在寻求新的衰减方法的技术开发。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-036886
非专利文献
非专利文献1：T.Fujita et al，Opt.Lett.，7(1982)578.
非专利文献2：R.Magnusson et al，J.Opt.Soc.Am.68(1978)806.
发明内容
发明所要解决的问题
对于光输入输出装置，为了使信号光不发生干扰，优选往相邻端口的串扰较低。但是，对于使用了相位调制元件的非专利文献1、非专利文献2所述的、通过将相位不以2π的整数倍进行折返而控制光功率的方法而言，由于输出端口附近会产生高阶光，因此难以抑制串扰。另外，对于专利文献1所述的通过改变偏转角度来控制光功率的方法而言，由于会产生往相邻端口的串扰，因此需要将端口间的距离配置成比所需的距离更远。
为了解决这样的问题，本发明的目的在于，提供一种在光通信网络中，抑制往其它端口的串扰的产生并使输出光功率变化的控制方法。
用于解决问题的方案
为解决上述的问题，一个实施方式所述的发明是一种光输入输出装置，具备：输入端口以及输出端口，进行信号光的输入输出；相位调制元件，具有：在平面内排列成矩阵状的多个像素、生成在各像素上设定的相位值的组合即相位图，以使在所述输入端口或所述输出端口中的预期的端口间进行光耦合的相位图生成部、将所述相位图变换成各像素的驱动信号的控制部以及根据所述驱动信号驱动所述像素的驱动部，通过由所述驱动部施加与所述相位图对应的驱动信号，改变入射到各像素的信号光的光相位；以及光学元件，改变所述信号光的出射方向，以使从所述输入端口往空间出射的所述信号光照射到所述相位调制元件的所述平面内的各像素上，所述相位图生成部具有：在所述信号光入射的所述相位调制元件的平面内的至少一个方向上重叠具有规定的周期的周期性的相位图的重叠单元、和控制所述周期性的相位图的振幅的单元，所述重叠单元将选自以下的至少两个周期性的相位图以振幅的符号呈相反的相位进行重叠来控制光功率：当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b，以来表示一周期中的相位的第一周期性的相位图；当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、Ψ，以 来表示一周期中的相位的第二周期性的相位图；当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k、k′以及任意的常数b、b′、s、s′、p，以 来表示一周期中的相位的第三周期性的相位图；以及当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、p、q，以 来表示一周期中的相位的第四周期性的相位图。
附图说明
图1是表示从x轴方向观察到的使用了作为本发明的控制对象的反射型相位调制元件的光输入输出装置的结构的图。
图2是表示从x轴方向观察到的使用了作为本发明的控制对象的反射型相位调制元件的具有波长选择性的光输入输出装置的结构的图。
图3是表示从x轴方向观察到的使用了作为本发明的控制对象的透射式相位调制元件的光输入输出装置的结构的图。
图4是表示从x轴方向观察到的使用了作为本发明的控制对象的透射式相位调制元件的具有波长选择性的光输入输出装置的结构的图。
图5A是表示相位调制元件的结构的图。
图5B是表示具有波长选择性的光学结构的情况下的相位调制元件的结构的图。
图6是表示为了使光在输出端口耦合的相位图的例子的图。
图7是表示来自反射型相位调制元件的衍射的例子的图。
图8A是表示不重叠周期性相位图的情况下的偏转特性的例子的图。
图8B是表示重叠周期性相位图的情况下的偏转特性的例子的图。
图9A是表示重叠的周期性相位图的第一例的图。
图9B是表示重叠的周期性相位图的第二例的图。
图9C是表示重叠的周期性相位图的第三例的图。
图9D是表示重叠的周期性相位图的第四例的图。
图10是以降低串扰并可控制光功率的方式配置端口的例子。
图11是表示重叠的相位周期与通过重叠了周期性相位图而呈现的光的出射角度的关系的例子的图。
图12是表示重叠的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图13是表示在以使光往端口外出射的方式重叠了相位图的情况下的偏转特性的例子的图。
图14是以在输出端口排列的方向之外的方向上出现光峰的方式进行控制的例子。
图15是表示重叠的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图16是表示重叠的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图17A是表示将重叠的相位制成正弦波的情况下的重叠的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图17B是表示将重叠的相位制成三角波的情况下的重叠的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图17C是表示将重叠的相位制成脉冲波的情况下的重叠的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图18A是表示组合多个相位图并重叠的例子的图。
图18B是表示以不同的周期和振幅来重叠了同一相位图的例子的图。
图19A是表示组合多个相位图并重叠的情况下的周期性相位图的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图19B是表示以不同的周期和振幅来重叠了同一相位图的情况下的周期性相位图的相位的振幅与光功率的关系的例子的图。
图20是表示将区域分割成多个的例子的图。
图21(A)是表示不分割区域的情况下的光谱的例子，(B)是表示分割区域的情况下的光谱的例子。
图22是表示将周期w作为3.5×像素尺寸时的锯齿波的相位图的图。
图23是表示将周期性相位图的周期w作为像素尺寸的整数倍即3×像素尺寸的情况下的相位图的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
【第一光输入输出装置的结构】
首先，对使用了作为本发明的控制对象的相位调制元件的光输入输出装置进行说明。图1是表示从x轴方向观察到的使用了作为本发明的控制对象的反射型相位调制元件的光输入输出装置的结构的图。是将输入端口作为1端口，将输出端口作为n端口的1×n开关的例子。此处，将输出端口排列的方向设为y轴，信号光传输的方向设为z轴。输入的信号光经由光纤11出射到空间中，经由准直透镜12，传输到光学元件13。来自光学元件13的出射的信号光即出射光由相位调制元件14反射，再次经由光学元件13，传输给准直透镜阵列12、15-1～15-n和光纤11、16-1～16-n。信号光由相位调制元件14中设定的相位图来选择进行光耦合的输入端口以及输出端口(以下，也将“输入端口以及输出端口”称为“输入输出端口”)的组合以及输出光衰减电平，以任意衰减电平输出给例如第1～第n信道(由光学元件13；准直透镜12、15-1～15-n；以及光纤11、16-1～16-n构成的各路径)内的任意输出端口。
此处，在本说明书中“相位”是指包括对相位调制元件14入射的光和出射的光的各光波之间的相位差的概念。此外，超过2π的相位与从相位减去2π的相位等价。入射到相位调制元件14的光，根据入射的相位调制元件14内的位置被赋予相位。“相位图”是指根据该相位调制元件14内的位置而独立设定的相位的组合。构成信号光的光束在相位调制元件14的各像素处以规定的相位被反射，被反射的光束会相互干涉。干涉的结果是，以规定的衰减电平在规定的输入端口以及输出端口间进行光耦合。
作为光学元件13，为了使输入的光朝着相位调制元件14出射，能使用改变信号光的出射方向的装置，例如能使用透镜、棱镜、衍射光栅等。
输入的信号光，例如可以是收束至波长λp～λq的波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing)光。此外，也可以如图2所示，在准直透镜12、15-1～15-n以及光学元件13之间配置波长色散元件17，使聚光位置按波长而不同，并可按波长来选择不同的输入输出端口的组合、光衰减电平。在图2中，波长色散元件还可以具有在与纸面垂直的方向(x轴方向)上衍射的性能，并且根据输入的信号光的波长在相位调制元件14的与纸面垂直的方向上将光照射到不同的位置上。波长色散元件17也可以配置在光学元件13与相位调制元件14之间。
虽然在第一输入输出装置的结构中示出了1×n开关的例子，但也可以是输入为n端口、输出为1端口的n×1开关的结构，还可以是输入为n端口、输出为I端口的n×I开关结构。
【第二光输入输出装置的结构】
接下来，对使用了透射式相位调制元件的光输入输出装置的结构例进行说明。图3是表示从x轴方向观察到的使用了作为本发明的控制对象的反射型相位调制元件的光输入输出装置的结构的图。是将输入端口为1端口，输出端口为n端口的1×n开关的例子。输入的信号光经由光纤21出射到空间中，经由准直透镜22，入射到第一光学元件23。来自第一光学元件23的出射光经由相位调制元件24、第二光学元件25，传输给准直透镜阵列26-1～26-n、光纤27-1～27-n。信号光通过由相位调制元件24中设定的相位图来选择进行光耦合的输入输出端口的组合以及光衰减电平，以任意的光强度输出给例如第1～第n信道内的任意的输出端口。
输入的信号光例如可以是收束至波长λp～λq的波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing)光。此外，也可以如图4所示，在准直透镜22以及光学元件23之间配置波长色散元件28，并且在准直透镜26-1～26-n以及光学元件25之间配置波长色散元件29，使聚光位置按波长而不同，并可按波长来选择不同的输入输出端口、光衰减电平。在图4中，波长色散元件具有在与纸面垂直的方向(x轴方向)上衍射的性能，根据输入的信号光的波长在相位调制元件14的与纸面垂直的方向上将光照射到不同的位置上。波长色散元件28、29也可以配置在光学元件23和相位调制元件24、相位调制元件24和光学元件25之间。
虽然在第二输入输出装置的结构中示出了1×n开关的例子，但也可以是输入为n端口，输出为1端口的n×1开关结构，还可以是输入为n端口，输出为I端口的n×I开关结构。
【相位调制器的结构】
接下来，对用于这些光输入输出装置的相位调制元件14、24进行详细说明。图5A、图5B是表示从z轴方向观察的情况下的反射型相位调制元件的结构的图，图5A表示光照射区域，图5B表示按波长信道分解的光照射区域。相位调制元件14具备：在xy平面上排列成矩阵状的p×q个像素在各像素中可独立设定入射的信号光即入射光和出射的信号光即出射光之间的相位的许多像素41-11、41-pq；控制各像素的相位的驱动元件42；以及背面的反射部43。将根据各像素的位置而独立设定的相位的值(相位值)的组合称为相位图。相位图被转换成驱动元件的驱动信号。通过根据转换后的驱动信号来驱动各像素，而能对各像素设定预期的相位。此外，透射式相位调制元件除了不设置图5A、图5B的背面的反射部43之外，与图5A、图5B的相位调制元件具有相同的结构。在上述的光输入输出装置中，光入射到相位调制元件后的光照射区域为图5A所示的区域R。通过对区域R内的各像素赋予指定的相位图，而能控制出射光的波面，并能进行出射光的行进方向以及该方向的光功率的控制。
此外，在以WDM信号为入射光，由衍射光栅色散到x轴方向(例如图2、4的与纸面垂直的方向)上的情况下，其入射区域如图5B所示，按波长信道而不同，形成为区域R1～Rn。在这种情况下，可通过独立控制区域R1～Rn的相位图，从而按波长信道来设定不同的输出端口、输出光衰减电平。
相位调制元件14、24可使用例如具有多个像素的硅基液晶(Liquid Crystal OnSilicon)来实现。在本元件中，相位调制量(相位)可通过对驱动电极施加的电压来控制各像素的液晶材料的配向方向，由此，能改变感知入射光的液晶的折射率，并控制入射出射光之间的相位。通过将表面电极作为透明电极，将背面电极作为反射电极可实现反射型相位调制器。此外，通过将表面以及背面电极这两者作为透明电极可实现透射式相位调制器。此外，取代液晶材料，也可以使用表现出光电效果的材料。
在使用了硅基液晶的相位调制元件14、24中，通过控制对构成相位调制器14、24的液晶的驱动电极施加的电压，而能控制各像素中的相位调制量。即，在相位调制器14、24中，当设定相位值以生成与所选输入输出端口、衰减电平对应的预期的相位图时，对驱动电极施加与此对应的电压。
相位调制元件14、24也可以使用微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem)反射镜来实现。例如通过施加电压，从而能通过使与各像素的位置对应的反射镜往z轴方向位移而按像素来改变光路长度，控制相位。
【输出路径选择方法】
接下来对通过相位调制元件来选择输出方向的方法进行说明。图6是表示用于在输出端口使光耦合的相位图的例子的图，图7是表示来自反射型相位调制元件的衍射的例子的图。输出方向的选择例如通过控制入射到相位调制元件的光的衍射角来进行。通过像图6那样使设定的相位值为锯齿形状51，从而能像图7那样控制出射波的衍射角。相位图优选具有重复同一相位图的周期性的周期性相位图。此处，衍射角度θo、即出射光与相位调制元件的法线方向的夹角由下式给出：
sinθin+sinθo＝m·λ/Λ…式(1)，
其中，θin为入射光与相位调制元件的法线方向的夹角，
m为衍射次数，
λ为输入的信号光的波长，
Λ为相位图的一个周期的长度。
改变Λ，以在预期的输出端口得到最佳的光耦合，通过调整θo从而能在任意的输出端口进行光耦合。
【光功率控制方法】
【第一实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第一实施方式进行说明。在本发明所涉及的光输入输出装置中，通过将相位调制元件中设定的相位图，如上述那样相对于可得到输入输出端口间的光耦合的相位图，重叠周期性的相位图，从而进行输出光强度的控制。通过将信号光衍射到与重叠的周期性相位图的周期以及相位图形状对应的位置上，色散其光强度，从而能控制在规定的输入输出端口间进行光耦合的信号光的强度。周期性相位图通过相位调制元件内的位置与在该位置上反射或透过的光的相位之间的函数来确定，例如，如图9A至图9D所示那样，在y轴方向上具有规定的周期w的相位图形状。
图8A是表示不重叠周期性的相位图的情况下的偏转特性的例子的图，图8B是表示重叠周期性的相位图的情况下的偏转特性的例子的图。此外，图9A是表示作为重叠的周期性的相位图的第一例，重叠了锯齿波的情况的图；图9B是表示作为重叠的周期性的相位图的第二例，重叠了正弦波的情况的图；图9C是表示作为重叠的周期性的相位图的第三例，重叠了三角波的情况的图；图9D是表示作为重叠的周期性的相位图的第四例，重叠了矩形波的情况的图。
其中，以重叠具有锯齿波的相位图形状的周期性的相位图的情况为例进行说明。可得到输入输出端口间的光耦合的相位图例如优选在图6所示的锯齿形状的相位图51中使锯齿波的振幅为2π。在只存在该相位图的情况下，如图8A所示，光只往在输出端口进行光耦合的出射角度方向θo出射。对于该相位图，如图9A所示，当重叠相位图53，使得重叠的周期性的相位图的一个周期中的相位φ如下式所示时：
φ＝k×y′/w…式(2)，
能如图8B所示对应衍射的次数m，在θsm(图8B的情况下，m为-2～2的整数)的角度方向上出现峰62并分配峰61的光功率。此处，w为重叠的周期性的相位图的一个周期的长度，k为常数，y′为在y轴方向上变化的周期性的相位图的一个周期内的相位调制元件的位置。此外，式(2)通过进一步使用任意的常数b，将相位φ表达成下式：
φ＝k×(y′/w+b)…式(3)，
从而能改写成包括了初始相位的形式。通过改变k来控制重叠的周期性的相位图的振幅，从而能控制出射方向的光的功率。即，可实现输出端口的衰减。
θsm能由下式(4)来表达。
θsm＝θo+m×arctan(λ/w)…式(4)，
m为衍射的次数且为整数。
此处，Δθs定义为Δθs＝θs1-θo。
即Δθs＝arctan(λ/w)。
根据本实施方式，由上式，可根据重叠的周期性的相位图的周期w来设定Δθs，控制从输出端口输出的光的功率(光强度)。
【第二实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第二实施方式进行说明。w可与之前的Λ独立设定，θsm可设定为处于输出端口的间隙处。
此处，关于将可得到输入输出端口间的光耦合的相位图沿着相位调制元件平面上的y轴例如设定为锯齿状，重叠的相位图也同样沿着y轴上具有周期性的情况进行考量。y轴为与来自光学元件13、23、25的端口的入射出射光的排列方向一致的轴。在这种情况下，在输入输出端口所排列的方向上出现峰62。
从输入端口往相位调制元件的入射光的入射角度为θin，往输出端口的出射光的出射角度为θo。当对可得到输入输出端口间的光耦合的相位图重叠周期性相位图时，相对其衍射光的入射光角度的出射方向θsm′为
θsm′＝θi+mΔθs，
此处，θi为入射出射光的夹角(＝θo-θin)，Δθs＝arctan(λ/w)，w为周期性的相位图的周期，λ为信号光的波长，m为衍射次数且为整数。
通过在不出现该衍射光的位置，配置其它输入输出端口(在出现位置θi处不配置端口)，即通过使θsm′变为来自输入输出端口的入射出射光角度的间隙，从而能抑制串扰并控制从输出端口输出的光的功率。
图10为以可降低串扰并控制光功率的方式来配置端口的例子。例如，N为与端口编号相关的变量，即在往输出端口的出射角度的最大值为θmax，配置在θmax/2的角度范围内的端口数为N′的情况下，取为0～N′-1的整数。此外当p为常数时，如图10所示在输入端口配置成θ＝0、往输出端口的出射光角度θp为±θmax之间的
θp＝-θmax+N·p(-θmax≤θ＜-θmax/2)、
θp＝-θmax+(N+1/4)p(-θmax/2≤θp＜0)、
θp＝-θmax+(N+1/2)p(0≤θp＜θmax/2)、
θp＝-θmax+(N+3/4)p(θmax/2≤θp＜θmax)，
重叠的周期性的相位图的周期确定为Δθs＝θmax/2的情况下，能抑制串扰并控制从输出端口输出的光的功率。
在本实施方式中，通过在不出现高阶光的位置配置端口(出现的位置θp+mΔθs处不配置端口)，从而能抑制串扰并控制从输出端口输出的光的功率。
【第三实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第三实施方式，以重叠锯齿波的情况为例进行说明。
在第一实施方式的情况下，当将θmax、θmin分别作为在最外侧的端口进行光耦合的出射角度时，在Δθs比设定端口的范围即Δθp＝(θmax-θmin)小的情况下，由于峰62存在于配置输入输出端口的范围内，因此无法紧密地配置输入输出端口。由于它导致光输入输出装置的尺寸增加，因此Δθs优选比Δθp大。图11是作为示例，示出波长λ＝1.61μm中的重叠的相位的周期与Δθs的关系的图。使像素的尺寸为1像素(pixel)＝10.4μm进行计算。根据图，Δθs只要设定为比Δθp大即可。即，当输出端口处的光耦合时的出射光和入射光的夹角θ的最大值和最小值分别为θmax、θmin，输入的信号光的波长为λ时，只需以将在y轴方向上具有周期性并且其相位图的一周期的长度w为
w＜λ/tan(θmax-θmin)…式(5)
的周期性的相位图重叠的方式进行控制即可。例如Δθp＝1.6°时只需使一个周期的长度为4像素以下即可。图12是在相位调制元件中使用硅基液晶，将输入输出端口设定为θ＝-0.8°～0.8°，将相位周期设定为4像素量的情况下的光功率强度与重叠的相位图的振幅k的关系。输入的信号光的光功率为0dBm。根据图，可知能通过改变k来任意控制光衰减电平。图13示出了此时的光束出射角度与光功率的关系。在使出射光的光功率衰减后能在输出端口之外集中光功率。
【第四实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第四实施方式，以重叠锯齿波的情况为例进行说明。
此处，关于将用于进行输入输出端口间的光耦合的相位图沿着相位调制元件平面上的y轴设定成例如锯齿状，重叠的相位图在沿着y轴以外的方向上具有周期性的情况进行考量。在这种情况下，由于在不处于端口所排列的直线上的位置出现峰62-1、62-2、62-3、62-4，因此能获得即使不考虑端口的配置也不会产生串扰的优异效果。例如，当用于进行输入输出端口间的光耦合的相位图51在y轴上方向上具有周期性时，在相对于y轴方向成α角的方向(r轴方向：相位调制元件的平面内的任意方向)上重叠了锯齿波状的周期性相位图的情况下，如图14所示，在与端口的排列方向成α角的方向上出现峰62。图15是在相位调制元件中使用硅基液晶，将输入输出端口设定为-0.8°～+0.8°，将重叠的相位周期设定为10像素量，α＝90°的情况下的、光功率强度与式(2)中重叠的相位图的振幅k的关系。根据图，可知能通过改变k来任意控制光衰减电平。图16示出了此时的光束出射角度与光功率的关系。在使出射光的光功率衰减时，在输出端口设定区域中串扰被抑制。
【第五实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第五实施方式进行说明。
如第二实施方式～第四实施方式所示，通过重叠锯齿波状的周期性相位图，能抑制串扰并控制光强度。但是，在使用了硅基液晶等液晶的相位调制元件中，当设定的相位图中具有式(3)所示的锯齿波那样的不连续性时，会产生称为向错的设定相位的误差。由此，会产生光强度的设定精度的降低、串扰的增加。为了减少这种情况，作为控制光功率的周期性的相位图，只需使用如图9B所示的例如正弦波状的周期性的相位图54即可。在这种情况下，以下式(6)的形式赋予周期性的相位图的一个周期中的相位。
φ＝k×(sin(2π·r/w+Ψ)+b)…式(6)，
其中，w为重叠的周期性的相位图的一周期的长度，r为周期性相位图的一个周期内的相位调制元件的位置，Ψ、b为常数。使式(6)的相位图重叠的情况也与上述结果同样按θs的角度来分配光功率，如图17A所示能通过改变k来控制从输出端口输出的信号光的光强度。
【第六实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第六实施方式进行说明。减少向错的影响的相位图也可以是如图9C所示的三角波状的周期性的相位图55。在这种情况下，以下式(7)的形式赋予周期性的相位图的一个周期中的相位。
φ＝k×(sr+b)(r≤p)、
φ＝k′×(s′r+b′)(r＞p)…式(7)，
其中，r为周期性的相位图的一个周期内的相位调制元件的位置，s、s′、b、b′、p为常数。将式(7)的相位图重叠的情况也与上述结果同样按θs的角度来分配光功率，如图17B所示能通过改变k、k′来控制从输出端口输出的信号光的光强度。此外，虽然在图17B中只示出了k等于k′的情况下的光强度的变化，但是在k不等于k′的情况下光强度也发生变化。
【第七实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第七实施方式进行说明。
控制光功率的周期性的相位图可以是如图9D所示的矩形的相位形状56。在这种情况下，以下式(8)的形式赋予周期性的相位图的一个周期中的相位。
φ＝b(r＜p，r＞q)、
φ＝k+b((p≤r≤q))…式(8)，
其中，r为周期性相位图的一个周期内的相位调制元件的位置，b、p、q为常数。
式(8)那样的将相位图56重叠的情况也与上述同样按θs的角度来分配光功率，如图17C所示能通过改变k来控制从输出端口输出的信号光的光强度。
【第八实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第八实施方式进行说明。在本实施方式中，将两个周期性的相位图进行组合。
在第一实施方式～第七实施方式所述的光强度控制方式中，当大幅衰减光强度时，会导致光强度对相位振幅的灵敏度提高，光强度的设定精度降低。此处，通过组合多个相位图53、54，能高精度地控制光强度。作为示例，如图18A所示，将一个周期内的相位由式(3)和式(8)来表达的两个周期性相位图53、54重叠了的情况下的光强度与周期性的相位图53、54的振幅k的关系如图19A所示。在图18A中，重叠的两个周期性的相位图53、54中的一方的周期性的相位图54的振幅的符号以反向的相位来表示，因此在图19A中光强度随着k的增加而增加。其中，式(3)的周期性的相位图的振幅固定为k＝2π。表现出了通过组合两个周期性的相位图，从而光强度的急剧变化减少、控制性提高的优异效果。显然，不仅是该组合，可以期待其它的组合也能获得同样的效果。
【第九实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第九实施方式进行说明。
通过将相同的相位图以不同的周期进行组合，也能提高光强度的设定精度。相位图能使用选自第一实施方式～第八实施方式中说明的相位图中的任意的相位图。作为示例，如图18B所示，在将一个周期内的相位由式(3)来表达的两个具有不同周期的周期性的相位图53、53′重叠了的情况下，一方的周期性的相位图53′的振幅k与光强度的关系如图19B所示。在图18B中，重叠的两个周期性的相位图中的一方的周期性的相位图53′的振幅的符号以反向的相位来表示，因此在图19B中光强度随着k的增加而增加。其中，一方的周期性的相位图53′的振幅固定为k＝2π。表现出了通过将相同的相位图以不同的周期进行组合从而能进行光功率的微调、控制性提高的优异效果。显然，不仅是该组合，可以期待其它的组合也能获得同样的效果。
此外，通过使重叠的周期性的相位图的周期根据进行光耦合的输入输出端口的组合而可变，从而能按每一进行光耦合的输入输出端口来控制高阶光的产生位置，能放宽端口配置的限制，进一步抑制串扰。
【第十实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第十实施方式进行说明。
虽然到目前为止，对在相位调制元件的平面内将一样的周期性相位图重叠的情况进行了说明，但是即使将相位设定的区域分割成多个也能进行同样的输出光强度的控制。相位图能使用选自第一实施方式～第八实施方式中说明的相位图中的任意的相位图。特别是，由于在使用如图2、4所示的具有波长选择性的光输入输出装置时，要求同一波长信道内的光强度具有平坦性，因此例如图20所示，通过将相位设定区域Ri相对于产生波长色散的方向分割成多个区域Pi-1～Pi-n，从而能改变同一波长信道内的光强度，能提高平坦性。图21(A)、(B)是表示不分割区域地控制光强度的情况、将相位设定区域分割成多个且设定相位使得越接近中心部分的区域光强度越是减少的情况的光谱的图。由图可知，发现了通过将区域分割成多个从而能使频带平坦化的优异效果。
【第十一实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第十一实施方式，以重叠锯齿波的情况为例进行说明。在本实施方式中，周期性的相位图的周期设定为相位调制元件的构成像素的像素的实数倍的长度。
图22是将周期w作为3.5×像素尺寸时的锯齿波的相位图，图23是将周期性的相位图的周期w作为像素尺寸的整数倍即3×像素尺寸的情况下的相位图。在图22、23中，虚线是不考虑基于像素的离散化的情况下的相位图，实线是实际设定的相位图。
在设定了周期性相位图的情况下，在各像素内相位值变为固定，变为空间离散的相位值。因此，当在相位调制元件的像素上将周期性的相位图的周期不取决于像素的尺寸地设定为任意的值时，该周期不为像素的整数倍的情况如图22所示，可知实际设定的相位图，其锯齿波的振幅具有周期性。由于该振幅的周期性(调制频率)而在不同于预期的位置上产生高阶光，变为串扰的重要因素。
在本实施方式中，由于重叠的周期性的相位图的周期w设定为与相位调制元件的像素的尺寸对应的像素的整数倍长度的任意的值，因此如图23所示，作为周期性的相位图能使实际设定的锯齿波的振幅一致，能抑制串扰。
【第十二实施方式】
接下来，对用于使用相位调制元件来改变光功率的本发明的第十二实施方式，以重叠锯齿波的情况为例进行说明。
在本实施方式中，通过将信号光进行光耦合的输入输出端口来确定周期性的相位图的周期的长度。通过将施加于相位调制元件中的相位图，相对于上述那样的能取得在输出端口耦合的相位图，重叠周期性的相位图，从而进行输出光强度的控制。在本发明中，通过使所述周期性的相位图，根据往端口的出射角度而可变，从而能抑制光功率衰减时的串扰的增加。
此处，分配光功率后的结果是，产生的峰的角度方向θs能以下式(4)来表达。
θsm＝θo+m×arctan(λ/w)…式(4)
m为衍射的次数且为整数。λ为输入的信号光的波长，w为重叠的周期性的相位图的一个周期的长度。在式(4)中，特别是m＝1的情况下的θs定义为θs1。此外，Δθs定义为Δθs＝θs1-θo。
此处，在式(4)中，当将θmax、θmin分别作为在最外侧的端口进行光耦合的出射角度时，由于在θs1的绝对值|θs1|比在最外侧的端口进行光耦合的方向即θmax、θmin的绝对值|θmax|、|θmin|小的情况下，峰存在于配置输入输出端口的范围内，因此光在预期的端口以外进行耦合，产生串扰。为了防止这种情况，只需选择周期使得|θs|大于|θmax|、|θmin|即可。
即、只需在w与θo之间使
w在w＜|λ/tan(θmax-θo)|
且
w＜|λ/tan(θmin-θo)|
的关系成立的范围内可变即可。
像这样，通过根据光耦合的输入输出端口来确定周期性的相位图的周期的长度，从而能灵活地确定周期性的相位图的周期。例如，在无法按输入输出端口来确定周期性的相位图的周期的长度的情况下，对于位于最外侧的端口，由于周期性的相位图的可设定的周期为2像素、3像素等较短的周期，因此在相位图的设定中需要高精度的控制。然而，由于只要能像本实施方式那样按输入输出端口来确定周期性的相位图的周期的长度，应该赋予在位于更内侧的输入输出端口进行光耦合的信号光的周期性的相位图就能设定为更长的周期，因此能放宽在相位图的设定中所需的控制精度。
如以上的实施方式中已说明的那样，根据本发明，通过重叠周期性的相位，能往与该周期对应的方向分配光功率。由此，能抑制对其它端口的串扰并进行从输出端口输出的信号光的光强度的控制。
工业实用性
如以上已详细说明的那样，根据本发明，在光通信中使用的开关等的光输入输出装置中，能没有信号间串扰地进行从输出端口输出的信号光的光强度的控制。
附图标记说明
11、16-1～16-n、21、27-1～27-n：光纤；
12、15-1～15-n、22、26-1～2-n：准直透镜；
13、23、25：光学元件；
14、24：相位调制元件；
17、28、29：衍射光栅；
41-11～41-pq：像素；
42：驱动元件；
43：反射部位；
51：用于取得往输出端口的光耦合的相位图的例子；
53、54、55、56：重叠的周期性的相位图的例子；
61、62：出射光峰；
R、R1-Rn：光照射区域；
Pi-1～Pin：在同一波长信道内分割了设定相位图的区域的例子。

Claims (12)

1.一种光输入输出装置，其特征在于，具备：
输入端口以及输出端口，进行信号光的输入输出；
相位调制元件，具有：在平面内排列成矩阵状的多个像素、生成在各像素上设定的相位值的组合即相位图，以使在所述输入端口或所述输出端口中的预期的端口间进行光耦合的相位图生成部、将所述相位图变换成各像素的驱动信号的控制部以及根据所述驱动信号驱动所述像素的驱动部，通过由所述驱动部施加与所述相位图对应的驱动信号，改变入射到各像素的信号光的光相位；以及
光学元件，改变所述信号光的出射方向，以使从所述输入端口往空间出射的所述信号光照射到所述相位调制元件的所述平面内的各像素上，
所述相位图生成部具有：在所述信号光入射的所述相位调制元件的平面内的至少一个方向上重叠具有规定的周期的周期性的相位图的重叠单元、和控制所述周期性的相位图的振幅的单元，
所述重叠单元将选自以下的至少两个周期性的相位图以振幅的符号呈相反的相位进行重叠来控制光功率：
当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b，以
来表示一周期中的相位的第一周期性的相位图；
当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、Ψ，以
来表示一周期中的相位的第二周期性的相位图；
当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k、k′以及任意的常数b、b′、s、s′、p，以
来表示一周期中的相位的第三周期性的相位图；以及
当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、p、q，以
来表示一周期中的相位的第四周期性的相位图。
2.一种光输入输出装置，其特征在于，具备：
输入端口以及输出端口，进行信号光的输入输出；
相位调制元件，具有：在平面内排列成矩阵状的多个像素、生成在各像素上设定的相位值的组合即相位图，以使在所述输入端口或所述输出端口中的预期的端口间进行光耦合的相位图生成部、将所述相位图变换成各像素的驱动信号的控制部以及根据所述驱动信号驱动所述像素的驱动部，通过由所述驱动部施加与所述相位图对应的驱动信号，改变入射到各像素的信号光的光相位；以及
光学元件，改变所述信号光的出射方向，以使从所述输入端口往空间出射的所述信号光照射到所述相位调制元件的所述平面内的各像素上，
所述相位图生成部具有：在所述信号光入射的所述相位调制元件的平面内的至少一个方向上重叠具有规定的周期的周期性的相位图的重叠单元、和控制所述周期性的相位图的振幅的单元，
所述重叠单元将选自以下的至少两个周期性的相位图以不同的周期并以振幅的符号呈相反的相位进行重叠来控制光功率：
当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b，以
来表示一周期中的相位的第一周期性的相位图；
当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、Ψ，以
来表示一周期中的相位的第二周期性的相位图；
当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k、k′以及任意的常数b、b′、s、s′、p，以
来表示一周期中的相位的第三周期性的相位图；以及
当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、p、q，以
来表示一周期中的相位的第四周期性的相位图。
3.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
所述输出端口或所述输入端口具有N个端口，所述驱动部以与该多个输出端口或该多个输入端口的排列方向对应的所述相位调制元件的平面内的轴为y轴，沿着所述信号光的y轴改变相位并按出射角度或入射角度在各输出端口进行光耦合，
所述周期性相位图在y轴方向上具有一周期的长度为w的周期性，
当在所述输入端口以及所述输出端口间进行光耦合时的出射的所述信号光即出射光与入射的所述信号光即入射光的夹角θ分别为θi(i＝1～N)，输入的信号光的波长为λ，m为0以外的整数，
Δθs＝arctan(λ/w)时，
在不出现相对于入射光的入射光角度呈θi+m×Δθs的方向成为出射方向的衍射光的位置配置其它输出端口。
4.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
所述输出端口或所述输入端口具有多个端口，所述驱动部以与该多个输出端口或该多个输入端口的排列方向对应的所述相位调制元件的平面内的轴为y轴，沿着所述信号光的y轴改变相位并在各所述输入端口以及所述输出端口间进行光耦合，所述重叠单元在将对所述输入端口以及所述输出端口间进行耦合时的出射光与入射光的夹角θ的最大值和最小值分别作为θmax、θmin，将输入的信号光的波长作为λ时，将在y轴方向上具有周期性并且其相位图的一周期的长度w为
w＜λ/tan(θmax-θmin)
的周期性的相位图进行重叠。
5.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
所述输出端口或所述输入端口由多个端口构成，所述驱动部以与该多个输出端口或所述多个输入端口的排列方向对应的所述相位调制元件的平面内的轴为y轴，改变所述信号光的y轴上的相位并在各所述输入端口以及所述输出端口间进行耦合，所述重叠单元将在y轴以外的方向上具有周期性的周期性的相位图进行重叠。
6.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
所述重叠单元将所述相位调制元件的平面内的信号光所入射的平面区域分割为两个以上的区域，分别将不同的周期性的相位图进行重叠。
7.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，所述重叠单元使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b，将以
来表示一周期中的相位的周期性的相位图进行重叠。
8.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
当重叠的所述周期性的相位图的一周期的长度为w，所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，所述重叠单元使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、Ψ，将以
来表示一周期中的相位的周期性的相位图进行重叠。
9.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，所述重叠单元使用根据输出的光信号的光强度确定的k、k′以及任意的常数b、b′、s、s′、p，将以
来表示一周期中的相位的周期性的相位图进行重叠。
10.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
当所述相位调制元件的平面内的r轴上的周期内的位置为r时，所述重叠单元使用根据输出的光信号的光强度确定的k以及任意的常数b、p、q、将以
来表示一周期中的相位的周期性的相位图进行重叠。
11.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
所述周期性相位图的一周期的长度w等于所述像素的整数倍的长度。
12.根据权利要求1或2所述的光输入输出装置，其特征在于，
所述周期性相位图的一周期的长度w根据进行所述光耦合的所述输入端口或所述输出端口的位置而不同。
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