CN105143972A - 光开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透射特性平坦的光开关。光开关包括：输入端口；输出端口；衍射光栅，将来自输入端口的光信号进行波分解复用；以及LCOS，将波分解复用后的光信号偏转向输出端口。以使光信号入射到LCOS时的光信号形状相对于与衍射光栅的波长轴正交的LCOS面内的轴不对称的方式，预先配置衍射光栅。

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发式普及，对光通信网络的大容量化的要求逐渐变高。虽然用于应对这样的网络需求的扩大的波分复用通信被实用化，但近年来，使按每个波长的路径切换成为可能的波长选择开关(WSS：WavelengthSelectiveSwitch)的需求也正在日益提高。作为现有的波长选择开关，有专利文献1中所公开的波长选择开关。

图22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22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入射到衍射光栅14。入射到衍射光栅14的波分复用信号通过衍射光栅14被角色散，按每个波长往不同的方向进行衍射，向光路23的实线的方向传输。传输的光信号通过柱面透镜13，在图22的纸面垂直方向上形成聚光束，并入射到凹面镜12。此时，在波分方向(图22的纸面水平方向)上作为平行光入射，在开关轴方向(图22的纸面垂直方向)上作为会聚光束入射，在凹面透镜12上结成光束腰。

然后，从凹面镜12反射的光信号接着在图22的纸面垂直方向上形成发散光束并传输，再次入射到柱面透镜13上变换成平行光，入射到空间偏转元件15。另一方面，在波分方向(图22的纸面水平方向)上形成聚光束并通过凹面镜12被反射，并保持此状态传输向空间偏转元件15方向。

近年来，为提高波长可控性，作为空间偏转元件15，使用LCOS(LiquidCrystalonSilicon)那样的使用了许多像素的空间偏转元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：US7092599B说明书

发明内容

发明所要解决的问题

在作为空间偏转元件使用LCOS的情况下，由于其像素间的间隙有限，因此入射到其区域内的光会有损耗。

本发明是鉴于上述的情况而完成的技术方案，其目的在于提供一种具有良好的波长特性的光开关。

用于解决问题的技术方案

为解决上述问题，本发明包括：至少一个输入端口；至少一个输出端口；波分解复用单元，将来自所述输入端口的光信号进行波分解复用；以及空间光调制部，将所述波分解复用后的光信号偏转向所述输出端口，以使所述光信号入射到所述空间光调制部时的光信号形状相对于与所述波分解复用单元的波长轴正交的所述空间光调制部面内的轴不对称发方式预先配置所述波分解复用单元。

此处，所述空间光调制部可以为由多个像素构成的空间相位调制元件。

与构成入射到所述空间光调制器上的所述光信号的单色成分相当的强度分布可以设定为使连结该强度分布的最大值而形成的脊线相对于所述波长轴分散。

发明效果

根据本发明，能不使带宽变窄地提供一种透射光谱的平坦性高的波长选择开关。

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是表示第四实施方式的光波长选择开关的结构例的图。

图8B是表示第四实施方式的光波长选择开关的结构例的图。

图9是表示第五实施方式的光开关的结构例的图。

图10A是表示现有的光开关的光学系统以及第六实施方式的光开关的光学系统的一个例子的图。

图10B是表示现有的光开关的光学系统以及第六实施方式的光开关的光学系统的一个例子的图。

图11A是用于说明现有的光开关的光学系统中的相位设定以及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11B是用于说明现有的光开关的光学系统中的相位设定以及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12A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与各输出端口耦合的光信号的强度的标绘图。

图12B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与各输出端口耦合的光信号的强度的标绘图。

图13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14A用于说明第九实施方式的光学系统的结构例的图。

图14B用于说明第九实施方式的光学系统的结构例的图。

图15A是表示第十实施方式的波长选择开关的结构例的图。

图15B是表示第十实施方式的波长选择开关的结构例的图。

图16是用于说明入射到衍射光栅的光线的模样的图。

图17A是表示由入射到LCOS上的单色光产生的光强度分布的图。

图17B是表示由入射到LCOS上的单色光产生的光强度分布的图。

图17C是表示由入射到LCOS上的单色光产生的光强度分布的图。

图18A是表示在不同的入射光的情况下各自得到的选择波长的各透射特性的图。

图18B是表示在不同的入射光的情况下各自得到的选择波长的各透射特性的图。

图18C是表示在不同的入射光的情况下各自得到的选择波长的各透射特性的图。

图19是用于说明LCOS的像素构造与输入光束的位置关系的图。

图20是用于说明LCOS的像素构造与输入光束的位置关系的图。

图21是用于说明LCOS的控制模式的图。

图22是表示现有的波长选择开关的一个例子的图。

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中分别对应地设置有微透镜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入射到空间光调制部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(ComplimentaryMetalOxideSemiconductor)上设有液晶的LCOS(LiquidCrystalonSilicon)等。LCOS为具有许多微细像素的光相位调制器，并能以任意的波长依存对入射光施加相移。

在空间光调制部1004为使光信号与输出端口1001b耦合而所需的偏转角被表达为下式(1)。

θ＝arctan(d/f)(1)

需要说明的是，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子中，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的光开关的距离不同。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所示的光学系统进行详细叙述。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入射到空间光调制部2004。在以下的说明中，空间光调制部2004例如作为LCOS(LiquidCrystalonSilicon)来进行说明(第一～第五实施方式)，但是也可以适用例如GratingLightValve型的MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)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等的透射型的空间光调制元件。

本实施方式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。具体而言设置成：具有入射到LCOS的曲率半径的波阵面，以具有与其相同的曲率半径进行反射的方式，赋予具有二维的空间分布的相位，并等价地形成凹面镜。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，优选设为例如与入射到空间光调制部2004的光信号的波阵面的曲率半径相等。

进而，与图1所示的光学系统一样，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的相位分布通过重叠图3所示的来进行施加，由下式(2)来表达。

需要说明的是，在式(2)中，a表示与光信号的波阵面的曲率半径对应的二阶成分，b表示端口选择所需的一阶成分。

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)表示相移的模样。

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

式(2)所示的为将例如仅向x轴方向位移-b/2a。

在空间光调制部2004中，通过设定式(2)所示的相位分布从而朝向输出端口2001b的光信号的主光线2002a变为以图2所示的附图标记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，光信号的光束形状以图2表示的附图标记2005b、2005c所示的方式会聚，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，能根据高斯光束入射到透镜2003时的状况，运算出入射向空间光调制部2004的光束波阵面的曲率半径。

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，当假定在距透镜2003的距离为d1的位置处存在穿过透镜前的光束腰，并且在距透镜2003的距离为d2的位置处再次存在光束腰时，一般而言，已知有在高斯光束的穿过透镜前后的腰位置之间，存在下式(4)所示的关系(例如，参照《用于光设备的光耦合系统的基础和应用》(河野健治著，现代工学社发行)的第23～28页)。

数学式2

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

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

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

需要说明的是，在式(5)中，γ由下式(6)来表达。

数学式4

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

需要说明的是，在式(6)中，λ表示光信号的波长、ω₀表示输入端口中的光束腰的尺寸。

根据上述观点，入射到空间光调制部2004上的光信号的波阵面的曲率半径，以如下方式求得。即，当在式(5)中作为d1＝s，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，在物侧存在虚拟的光束腰。因此，入射到空间光调制部2004的光信号的波阵面的曲率半径R，由下式(7)来表达。

R＝f-d2(7)

需要说明的是，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，例如按每2π折回。需要说明的是，虽然在图3(b)中，就按2π折回的情况进行了说明，但是并非一定要按2π，只要以附图标记3001表示的相位的折回的阶差为2π的整数倍即可。

需要说明的是，图3(b)所示的相位的折回成为由于光的衍射而引起的损耗增加的要因。以图3(b)的附图标记3001表示的相位2π的折回，在该折回附近并不是离散地按2π进行折回，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响应的程度，存在相位模拟地变化的有限宽度的区域。由于该区域可能引起损耗，因此这样的折回越少越好。

式(7)所示的曲率半径R越小，相位按2π折回的次数越多。换而言之，不优选高斯光束的波阵面的曲率半径为最小。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。

需要说明的是，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)变窄，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。

如上所述，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入射光的波阵面的曲率半径相同的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得比现有的2f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，限制入射到空间光调制器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(以下称为“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一样，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所示那样进行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，将从输入输出端口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)

需要说明的是，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阵面的曲率半径。

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。其模样如图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示出了输出波导全部例如有四个的例子，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。在图6中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。

在图5所示的光开关中对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，其主光线变成如附图标记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，其后光束宽度变窄，并传输给空间光调制部6004。因此，需要由空间光调制部6004进行补偿的波阵面的曲率半径比第二实施方式的情况小。即，在式(5)中，入射到设为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)

需要说明的是，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阵面的曲率半径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，波阵面的曲率半径R比第二实施方式中的小，缓解波阵面的弯曲。

(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。在本实施方式的说明中，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。需要说明的是，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8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；分光元件7011；聚光透镜7012；以及空间光调制器7004。

需要说明的是，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例如为圆筒状，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，入射光在图8B所示的波长轴方向上被变换成平行光。

虽然分光元件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，配置于与分光元件7011以及空间光调制器7004之间的距离为f2(WL)的位置处。在本实施方式中，聚光透镜7012的焦距例如设为f2(WL)。需要说明的是，WL为波长(wavelength)的简称。

空间光调制部7004与第一实施方式的空间光调制部2004一样，例如为具有许多微细像素的LCOS，能按照每一朝向LCOS的入射位置来位移入射光的相位。如后所述，由于朝向LCOS7004的光信号的入射位置，根据波长而不同，因此可通过空间光调制部7004，按每个波长进行相移，由此能与按每个波长而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的光信号入射到分光元件7011。

在图8B中，从分光元件7011输出的光信号根据其波长往不同方向衍射。此时的情况由虚线7013a、实线7013b以及点划线7013c来表示。

然后，经由分光元件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，与第一实施方式一样在输出端口7001b耦合。在这种情况下，如图8A以及图8B所示，入射到空间光调制部7004的光信号根据其波长在不同位置处反射。由此，可按每个波长在不同输出端口耦合。

需要说明的是，在本实施方式中，就分光元件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缓，易于灵活运用分光元件7011的性能。然而，分光元件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窄，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，在输入输出波导3502a～3502e的各个中设有可变光衰减器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。

可变光衰减器8001a～8001e，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，当光开关本身产生故障时，能断开光信号的传输。因此，能解决光浪涌等的问题。

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3501c提供输入信号，对光纤3501a、3501b、3501d、3501e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。

需要说明的是，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，在将光开关用作可变光衰减器的情况下，能监控衰减量。

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个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。

(第六实施方式)

图10A以及图10B是表示现有的光开关的光学系统以及第六实施方式的光开关的光学系统的一个例子的图，图10A表示现有的光开关的光学系统的概略结构，图10B表示第六实施方式的光开关的光学系统的概略结构。需要说明的是，由于图10A与图1、图10B与图2相同，因此，此处省略其说明。

在图10A以及图10B各自的光学系统中，LCOS元件上设定了图11A以及图11B所示的相位分布。在本实施方式中，入射到LCOS元件的波阵面具有有限的曲率。也就是说，不是平面波。

图11A以及图11B是用于说明现有的光开关的光学系统中的相位设定以及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11A表示现有的光开关的光学系统中的相位设定,图11B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11A所示，使用通过周期性地将其相位按2π折回从而等价地具有线性的相位分布的方法。例如在图11A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11A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阶衍射光，产生串扰。

图12A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标绘图；图12B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标绘图。

在图12A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12A中，输出端口数为23个端口，以不同的线标绘各自的光强度。图12A的粗线表示第22端口(从最外角数第二个)的光信号的偏转角依存性。

在图12A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，其二阶衍射光与第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，其三阶衍射光以-30dB左右的强度与第22端口耦合的情况。不耦合这样的高阶衍射光的区域如图12A所示，为从第12端口到第23端口。即，可知为了避免高阶衍射光所导致的串扰的恶化，在偏转角为从0到0.4°左右的内角的区域无法配置输出端口。

另一方面，图11B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10B的本实施方式的光学系统中，入射到光偏转元件即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)的形式入射。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折回。然而，如图11B所明示的，在产生从2π到0的折回的位置处不具有周期性。因此，折回的不完整性(连续性)所引起的反射光分别往不同的区域发散。

图12B是标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12A相同，图12B的横轴表示通过LCOS元件将光束偏转时的偏转角，纵轴表示各输出的光强度。在图12B中，由于2π折回是非周期性的，因此高阶衍射光散逸并不会产生上述的串扰。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端口的输出时，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阶衍射光。这是由于在图11B的相位设定中从2π到0的折回不具有周期性，在特定的位置处不产生高阶光。贡献给高阶光的光能发散，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阶光，在偏转角为从0°到0.4°左右的内角的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，因此能得到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中进行二阶的相位设定的情况(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，入射到LCOS的光信号的波阵面确切地说为球面，优选为由式(10)来表达。入射到LCOS时的波阵面的曲率具有有限的值。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为波阵面的曲率半径。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

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

(第八实施方式)

图13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)表示一阶相位分布与二阶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阶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阵面补偿的二阶相位分布与用于偏转的一阶相位分布重叠了的相位分布。二阶以及一阶曲线重叠了的曲线为二阶曲线。此处，将二阶曲线成分的倾斜设为a，将一阶曲线成分的倾斜设为b，则为其轴仅位移了-b/2a的二阶曲线。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)进行折回的分布构造。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为最大的位置处折回的构造。这是因为入射到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13(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入射到LCOS的坐标中心Q时，上述的重叠了的相位分布的2π折回的位置与坐标中心Q一致的情况。在这种情况下，2π折回所引起的相位折回的不完整性的影响很大。

与此相对，如图13(b)所示，通过对重叠了的相位分布加上适当的相位偏置，能将折回位置进行位移。即，如下述式(12)所示，假定除了倾斜a的二阶分布、倾斜b的一阶分布之外，添加了常量c的分布，为使其按每2π折回的相位设定。

数学式7

φ(x)＝ax²+bx+c(12)

在图13(b)中，示出了将常量c设定为任意值，并将2π折回从光强度为最大的点错开的例子。

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折回的区域的宽度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中的入射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折回所引起的漫射光，可降低串扰的恶化。

(第九实施方式)

图14A以及图14B是用于说明第九实施方式的光学系统的结构例的图，图14A是LCOS4001和柱面透镜4002的配置例，图14B表示在图14A的光学系统中光信号入射到LCOS4001的情况。

在图14A中，在作为光偏转元件的LCOS4001的前面，设置有柱面透镜4002。在本实施方式中，作为柱面透镜4002，例如使用凹面状的柱面透镜，但也能采用例如凸面状的柱面透镜。即使如此，也能够取得与使用凹面状的柱面透镜的情况相同的效果。

图14A中，输入输出端口4008沿着X轴方向平行设置。在这种情况下，经由柱面透镜4002入射的光信号的波阵面为曲面，由此，取得与第六实施方式相同的效果。即，即使在图14B所示的入射了平面波的情况下，经由柱面透镜4002入射到LCOS4001的光信号的波阵面也为球面(仅在开关轴上具有曲率的柱面)。通过该波阵面，LCOS4001中应该设定的相位分布为，将对表示该波阵面的球面进行补偿的相位分布与有助于切换的一阶相位分布重叠而成的相位分布(与第六实施方式的相位分布具有相同的效果)。由此，高阶光所引起的串扰减少。换而言之，能够使端口数倍增。

(第十实施方式)

以下，就光开关的第十实施方式进行说明。

在图15所示的波长选择开关中，分光元件7011配置在透镜7003的输入侧，但也可以将作为分光元件的衍射光栅(波分解复用单元)7011和透镜7003的配置反置。这种情况下的波长选择开关的特征在于，通过使LCOS7004上的光强度分布分散，得到具有无波动的良好的波长特性的透射光谱。需要说明的是，在本实施方式中，作为分光元件，就例如使用衍射光栅的情况进行了说明，但也能够采用棱镜等。

图15A以及图15B是表示本实施方式的波长选择开关的结构例的图，图15A表示开关轴方向的结构，图15B表示波长轴方向的结构。需要说明的是，在图15A中，x表示图3所示的x轴，在图15B中，y表示与x轴正交的轴。

本实施方式的波长选择开关与第四实施方式(图8)类似，不同的是将分光元件7011和透镜7003的配置反置。这一点之外的结构与第四实施方式相同。即，本实施方式的波长选择开关与第四实施方式相同，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；作为分光元件的衍射光栅7011；聚光透镜7012；以及空间光调制器7004。在本实施方式中，说明了空间光调制器7004为例如LCOS，但也能够采用例如GratingLightValve型的MEMS等。此外，在本实施方式中，以反射型的LCOS为例进行了说明，但也可以使用透射式LCOS等透射型的空间光调制元件。

来自输入端口7001a的光信号穿过微透镜7001d输出至自由空间。在这种情况下，在图15A所示的开关轴方向上，光信号经由衍射光栅7011传播至透镜7003。另一方面，在图15B所示的波长轴方向上，光信号在由准直透镜7010转换成平行光后，经由衍射光栅7011传播至透镜7003。

在图15中，从输入端口7001输出的光信号作为发散光输入至分光元件7011。该样子如图16所示。

图16是用于说明入射到衍射光栅7011的光线的样子的图。在图16中，输入到衍射光栅7011的光信号以其中心光线(主光线)d161和外廓光线(边缘光线)d162、d163不同的角度入射。中心光线d161与各外廓光线d162、d163之间的光线以构成各自的入射角度的中间的角度入射。

在这种情况下，对主光线d161的衍射光栅间距(光栅周期)以及光栅深度与对边缘光线d162、d163的衍射光栅间距以及光栅深度不同。进而，主光线d161与边缘光线d162、d163的衍射(分散)角度不同。其结果是，对于本实施方式的LCOS7004而言，经由衍射光栅7011而到达的光束图案(beampattern)不同。

图15B中，在入射到衍射光栅7011的发散光中，中心光线经以虚线表示的路线Y2-1传播并入射到LCOS7004。另一方面，外廓光线由于通过衍射光栅7011而产生不同的分散，因此衍射向与中心光线不同的方向。对于图15B的例子而言，外廓光线经以实线表示的路线Y2-2传播并入射到LCOS7004。

基于这样的中心光线以及外廓光线的传播路线，在LCOS7004上形成后述的月牙形的强度曲线(强度分布)。

接下来，就不同形状的光束入射到LCOS7004时得到的选择波长的透射特性，参照图17以及图18进行说明。

图17A～图17C表示由入射到LCOS7004上的单色光产生的光强度分布，图17A表示单色光为圆形光束的情况，图17B表示波长不同的两束单色光为椭圆光束的情况，图17C表示单色光为月牙形光束的情况。图18A～图18C是表示图17A～图17C的入射光的情况下各自得到的选择波长的各透射特性的图。

图17A的情况下，由于波长的分辨率变差，因此在通过LCOS7004给予端口开关模式或者衰减模式时，对应该变差的波长分辨率，透射光谱的分辨率变差。这种情况下的选择波长的透射特性如图18A所示，特性减弱，不具有理想的透射光谱。

图17B的情况下，由于椭圆光束往波长轴方向入射，因此如图18B所示，得到波长分辨率优秀的透射光谱。此时，由于具有相同波长的光所入射的像素的数目变少，因此对于同一像素而言，具有不同波长的光难以重叠，由此，波长分辨率变大，其原因是由于能够对光信号进行操作使其具有如图18B所示的透射光谱。

另外，在图17B的情况下，产生了由于LCOS7004的周期构造而导致的透射特性的波动。波动的产生是因为LCOS7004的像素间的间隙具有有限的宽度。

此处，就图17B的情况下的LCOS7004的像素构造与输入光束的位置关系，参照图19进行说明。图19是用于说明LCOS7004的像素构造与输入光束的位置关系的图。

图19中，透明电极1912构成于玻璃基板1911的下方，在透明电极1912与反射电极1914之间形成有液晶层1913。该液晶层1913由透明电极1912和反射电极1914施加电压。在LCOS7004中，通过施加该电压对入射光赋予规定的相位。

一般而言，相邻的反射电极1914间的间隙(gap)部分与反射电极1914部分相比，反射光的量少。

此处，透射过衍射光栅7011的光信号由于具有不同波长的光信号衍射向不同方向，因此不同的波长成分入射到LCOS7004上的不同部分。

图19中，d191表示入射到LCOS的光的强度分布，脊线d192以及193分别表示波长不同的单色光的强度分布的脊线。

例如，在光信号入射到位置A的情况下，LCOS7004的像素边界线与光束达到最大强度的位置一致。在这种情况下，大部分入射光无法有效地接受通过LCOS7004进行的相位调制。进而，在这种情况下，从反射电极返回的光减少。

另一方面，由于在与入射到位置A的光信号的波长不同的光信号入射到LCOS7004，例如入射到位置B的情况下，LCOS像素的反射电极的中心位置处的光强度最大，因此反射光的强度最大。进而，由于光打到反射电极2014上，因此有效地接受相位调制的作用。

通过相位调制的作用，透射光谱如图18B所示，产生了波长依赖性的波动。除此之外，根据克拉茂-克朗尼希关系，透射特性的波动与光信号的强度特性一起对相位特性产生影响。此处，当将透射光谱特性的传递函数设为H(ω)＝H_R(ω)+iH_I(ω)时，存在下述式(13)的关系。

数学式8

$H_I\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\π}}P{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}\frac{H_R\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)}{{\mathrm{\ω}}^{\′}-\mathrm{\ω}}{\mathrm{d\ω}}^{\′}---\left(13\right)$

需要说明的是，在上述式(13)中，ω表示光信号的角频率，H_R(ω)表示输出电场的振幅特性，H_I(ω)表示相位特性。

根据上述式(13)，可知在振幅特性因波长变化而发生变化的情况下，相位特性也会发生变化。因此，也会对光信号的相位特性即分散特性产生影响。

在图17C的情况下，由于月牙形的光束入射到LCOS7004，因此开关轴方向的光束端往波长轴方向移动。这种情况下的透射特性取得如图18C所示的值。这种情况下的LCOS7004上的输入光束与LCOS7004的像素构造的位置关系如图20所示。

图20是用于说明LCOS7004的像素构造与输入光束的位置关系的图。需要说明的是，在图20中，示出了玻璃基板2011、透明电极2012、液晶层2013以及反射电极2014。

图20所示的脊线d202、d203为连结与开关轴方向的位置对应的光束的最大强度而形成。

如图20所示，即使在赋予作为某种单色光的输入光束d201a的情况下，光信号也配置成遍及波长轴方向地赋予多个像素。由于脊线d202在波长方向上连续地发生变化，因此赋予光束的像素边界也连续地发生变化。由此，像素边界上的光强度的差别所施加的影响被平均化。换句话说，如图20所示，脊线d202设定为相对于波长轴(分波轴)的方向(即LCOS7004的面和分波面形成于LCOS7004上的直线方向)进行分布。由此，已知光强度在像素边界上施加的影响被平均化。

此外，在图20中，即使光信号的波长发生变化，LCOS7004的入射位置变成位置B，虽然上述的平均化效果会降低，但也不会消失。

进而，为了实现透射光谱的陡峭性，优选将LCOS7004的控制模式按照图21所示的月牙形进行设定。

在图21中，被赋予形成WDM信道的边界的波长中的的单色光的月牙形光束d211的LCOS7004的像素区域d212可以设定为呈月牙形(由图21的斜线部分表示)。通过如此控制，能够在信道边界实现陡峭的滚降特性。

如以上所说明的那样，在本实施方式的光学系统中，预先配置有衍射光栅7011，以便在光信号经由衍射光栅7011入射到LCOS7004时，使该光信号的形状相对于与衍射光栅7011的波长轴正交的LCOS7004面内的轴不对称。由此，得到无波动的优秀的波长特性，能够不使带宽变窄地实现透射光谱的平坦性高的波长选择开关。例如，即使将本实施方式的光开关例如导入光传输系统，传送特性也不会变差。

在这种情况下，即使在由多个像素构成的LCOS(空间相位调制元件)7004的像素边界(反射电极的间隙间)较大的情况下，也能够减小像素边界施加给光信号的影响。

衍射光栅7011配置成将光信号中包含的主光线d161和边缘光线d162、d163各自以不同的角度入射(图16)。由此，能够将施加到LCOS7004的光束图案设定为例如图21所示。

(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，但是由于即使更换输入输出端口的配置，光开关也会工作，因此不出现在光学系统的光轴上的情况也可以采用相同的结构。

在上述各实施方式中，也可以设置两个以上的输入端口和/或输出端口。

附图标记

2001a、4001a、6001a、7001a：输入端口；

2001b、4001b、6001b、7001b：输出端口；

2003：透镜；

2004、4004、6004、7004a：空间光调制器；

7011：衍射光栅。

Claims (6)

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；

波分解复用单元，将来自所述输入端口的光信号进行波分解复用；以及

空间光调制部，将经过所述波分解复用的光信号偏转向所述输出端口，

以使所述光信号入射到所述空间光调制部时的光信号形状相对于与所述波分解复用单元的波长轴正交的所述空间光调制部面内的轴为不对称的方式，预先配置所述波分解复用单元

2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于，

所述空间光调制部为由多个像素构成的空间相位调制元件。

3.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，

与构成入射到所述空间光调制器上的所述光信号的单色成分相当的强度分布设定为使连结该强度分布的最大值而形成的脊线相对于所述波长轴分散。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的光开关，其特征在于，

所述光信号包括主光线和边缘光线，

所述波分解复用单元配置成将所述主光线和所述边缘光线以各自不同的角度入射。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的光开关，其特征在于，

所述光开关具有只在与所述波长轴正交的空间光调制器面内的轴即开关轴方向上具有光功率的透镜，

所述透镜设置于所述波分解复用单元与所述空间光调制器之间。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的光开关，其特征在于，

所述空间光调制部，根据波分多路复用信号的信道边界，设定控制模式。