CN110121678A - 光信号处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光信号处理装置，所述光信号处理装置具有针对各波段单独设计的波长分波单元，并且通过配备各波段共用的空间光调制器等，能够用一台同时对多个波段进行工作。光信号处理装置按以下顺序配置有：WDM耦合器阵列(301)，在每个端口配备了多个将C波段以及L波段分离的WDM耦合器；以及分别配备于C波段以及L波段的输入/输出端口组(302)、微透镜阵列(303)、衍射光栅(304)、透镜(305)以及空间光调制器(306)。由于在空间光调制器(306)中按波长聚光到不同的位置，因此，所有的波长能够独立地接受相位调制。由空间光调制器(306)提供所希望的相位调制并反射的光在y‑z平面内偏转为与输入/输出端口组(302)的所希望的端口对应的角度，并光耦合到与偏转角相应的输入/输出端口(302)。

Description

光信号处理装置
技术领域
本发明涉及一种有助于光传输系统的大容量化的、能够超宽带(ultra wideband)工作的光信号处理装置。
背景技术
对于对光通信网络的大容量化的需求的急剧增加，从通信速度、功耗、节点中的信号处理负荷等观点来看，以不经由电转换(electrical switching)而是保持光信号的状态进行信号处理的ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer：可重构光分插复用器)为代表的透明网络系统的优越性变高、重要度增加。
在图1中示出了以往的ROADM系统的构成例。本构成例中的ROADM节点包括：光振幅放大功能部组101，按每个路径将来自前段节点的信号光放大；波长选择功能部组102，以波长单位进行切换，以使来自各路径的信号与所希望的后段节点连接，或者经由配备于自节点的波长分波功能部组103以及接收器组104而使具有所希望的波长的光信号由所希望的接收器接收(Drop)；波长选择功能部组107，以波长单位进行切换，以使具有所希望的波长的光信号经由波长选择功能部组102、或者发送器组105以及波长合波功能部组106而朝向所希望的路径发送(Add)；以及光振幅放大功能部组108，在向后段节点发送之前对光信号进行强度放大。
该各功能部组全部通过光来实施中继以及切换，光信号能够不转换为电信号而是保持光的状态进行通信。其中，在光振幅放大功能部组101以及108中，使用掺铒光纤放大器(EDFA：Erbium Doped optical Fiber Amplifier)、光纤拉曼放大器这样的设备作为用于光放大的部件，此外，为了通信的稳定运行而大多具备用于使各放大器的增益谱(gainspectrum)平坦的增益均衡器(GE：Gain Equalizer)、用于监控每个波长的强度的光通道监视器(OCM：Optical Channel Monitor)等设备。此外，在波长选择功能部组102以及107，进而在波长分波功能部组103以及波长合波功能部组106中，除了前面例举的设备以外，还存在阵列波导衍射光栅(AWG：Arrayed-Waveguide Grating)和波长选择开关(WSS：Wavelength Selective Switch)、应答器聚合器(TPA：Transponder Aggregator)、组播开关(MCS：Multicast Switch)等许多用于波长选择以及路径选择的灵活的切换设备，可以说一个ROADM节点由非常多样的设备构成。
即使在这样的ROADM系统中，如上所述，进一步大容量化的需求也在激增。作为大容量化的方针，以波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)通信技术为首，作为代表性的技术，可以例举出基于调制方式的革新而提高传输速率、对正交的双偏振波进行复用的偏振复用(Polarization multiplexing)通信技术等，但是与维持与以往相同水平的长距离传输特性并且进行大容量化的方法相关的技术的进展正在减慢，迫切期望有传输容量显著改善的技术。
在这样的状况中，近年来，比以往扩大使用光通信所利用的波段的技术受到关注。在以往的光通信中，大多利用O波段(1260-1360nm)、E波段(1360-1460nm)、S波段(1460-1530nm)、C波段(1530-1565nm)、L波段(1565-1625nm)等，但特别最常利用单模光纤中的光透射率最高的C波段，或者最接近波长色散位移光纤中的零色散波长的L波段。通过利用这些波段，构建出今天的光通信网络的大部分。
应该关注的是，像这样在一根光纤内利用的波段仅是如上所述的存在多个的波段中的一个，因此，通过在一个通信系统中同时应用多个波段，能较大可能性地实现每一根光纤的传输容量的扩大。
在实现这样的方式时，提出了例如图2所示的方法。图2是表示以往的波段放大ROADM节点的构成例的图。以将C波段以及L波段双方应用于一根光纤的系统为例，通过波段分波功能部201将C波段以及L波段的波段分别输出到不同的光纤，在输出有C波段的光信号的光纤连接有图1中的ROADM节点中的仅通过C波段进行工作的C波段用ROADM节点202，在输出有L波段的光信号的光纤连接有同样地仅通过L波段进行工作的L波段用ROADM节点203，最后配备有用于将各波段合波至一根光纤的波段合波功能部204。通过构建这样的系统，能够在连接节点和节点的一根光纤内同时利用两个波段，因此，能将容纳效率改善至约两倍。
为了便于说明，图2中的系统仅举例示出了C波段以及L波段，但该方式当然并不限于C波段以及L波段，通过并列配备以上述为代表的各波段，能够更有效地利用波长资源，实现显著的大容量化。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：C.Doerr et al.,“O,E,S,C,and L Band Silicon PhotonicsCoherent Modulator/Receiver,”Th5C.4,OFC 2016,(2016).
非专利文献2：S.Okamoto et al.,“5-band(O,E,S,C,and L)WDM Transmissionwith Wavelength Adaptive Modulation Format Allocation,”Th.2.P2.SC5.4,ECOC2016,(2016).
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在通过图2所示的方式谋求大容量化的情况下，能够在C波段以及L波段共用的功能部是波段分波功能部201以及波段合波功能部204。存在如下问题：这些以外用于C波段用ROADM节点202以及L波段用ROADM节点203的设备组，例如用于实现图1所示的各功能部组的设备，全部需要分别为C波段以及L波段而单独准备。
因此，虽然能够实现大容量化，但实现时的系统配备成本为以往的两倍以上。这不仅包括作为简单的装置购入费用的CAPEX，还包括运转所需的电力、运行空间、维护费用等OPEX。而且，由于装置数量需要两倍，因此故障发生率也变成两倍，因此，网络系统整体的运转率也降低，从网络可靠性的观点来看也是非常不利的。
综上所述，为了在实现本系统时不是单纯地配备两倍的系统，强烈希望实现能在每个功能部组用一台处理多个波段的、能够超宽带工作的设备。而且，这种能够超宽带工作的设备要求同等程度地实现仅对应于一个波段的设备所要求的光学特性。例如，WSS的基本要求特性之一可以例举出较宽的透过带宽，但通过对应于多个波段而使透过带宽变为一半会降低每一个波段区域的传输容量，因此，无法实现容纳效率的改善。因此，仅对应于一个波段的设备所要求的特性、功能要求在能够超宽带工作的设备中也同样地实现。
因此，本发明是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于，提供一种具有针对以C波段、L波段为代表的各波段单独地设计的波长分波单元，并且通过配备各波段共用的空间光调制器、透镜等光学元件，能够用一台同时对多个波段进行工作，而且同样地具有仅对应于一个波段的设备所要求的光学特性的光信号处理装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述的问题，本发明的一方案为光信号处理装置，其特征在于，具备：M个(M≥1)波段分离单元，针对相互没有波长范围的重叠的N个(N≥2)波段，分别分离输出每个所述波段的光信号；波长分波单元，对由M个所述波段分离单元分离出的每个所述波段的光信号在自由空间中分别提供不同的波长分波状态；聚光单元，使所述波长分波后的所述光信号按每个所述波段聚光；以及一个空间光调制器，分别对由所述聚光单元聚光到N个区域的所述光信号进行相位调制。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，对于按每个所述波段聚光到所述N个区域的所述光信号中的两个以上的所述波段的基准波长的光信号而言，在所述波长分波单元的波长分波轴上的聚光位置相等。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，对于配置于所述波段分离单元与所述波长分波单元之间的至少M个输入/输出端口组，所述输入/输出端口组和所述波长分波单元经由自由空间连接。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述波长分波单元为整装衍射光栅(bulk diffraction grating)。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述光信号相对于所述整装衍射光栅的入射角根据进行波长分波的所述波段而不同。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，包括至少N个所述整装衍射光栅，光信号按每个所述波段而入射到不同的所述整装衍射光栅。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述整装衍射光栅的槽条数根据进行波长分波的所述波段而不同。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述波长分波单元为一个所述整装衍射光栅，在所述波长分波单元的波长分波面内，具备将入射到所述波长分波单元的每个所述波段的光信号中的至少一个的行进方向偏转的角度调整单元。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述角度调整单元是供每个所述波段的光信号中的至少两个以上的光信号入射的透镜，通过所述透镜后的入射到所述波长分波单元的每个所述波段的光信号的行进方向在所述波长分波面内不同。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述波长分波单元形成于平面光电路基板上。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述波长分波单元包括对应于进行波长分波的所述波段的、利用多光束干涉的多个波长分波单元，所述利用多光束干涉的多个波长分波单元的有效折射率、光程长度差、衍射级、出射角度中的至少任一个根据进行波长分波的所述波段而相互不同。
在本发明的其他方案中，进一步的特征在于，所述波段分离单元形成于平面光电路基板上。
发明效果
本发明具有针对各波段单独设计的波长分波单元，并且通过配备各波段共用的空间光调制器、透镜等光学元件，能够用一台光信号处理装置同时对多个波段进行工作。
此外，本发明虽然具有与以往的通过单个波段进行工作的光信号处理装置相同的构成要素数量，但能够安装GE、OCM、WSS、TPA、MCS等多样的功能，能够同时实现网络系统的大容量化和低成本化。
附图说明
图1是表示以往的ROADM系统的构成例的图。
图2是表示以往的波段放大ROADM节点的构成例的图。
图3A是从x轴方向观察本发明的实施方式1的光信号处理装置的构成的图。
图3B是从y轴方向观察本发明的实施方式1的光信号处理装置的构成的图。
图4是说明衍射光栅的工作的图。
图5A是表示同样地进行了波长分波的情况的各波段的空间光调制器上的照射区域的图。
图5B是表示以各波段的基准波长具有相同的x坐标的方式在按波段不同的条件下进行波长分波的情况的各波段的空间光调制器上的照射区域的图。
图6A是从x轴方向观察本发明的实施方式2的光信号处理装置的构成的图。
图6B是从y轴方向观察本发明的实施方式2的光信号处理装置的构成的图。
图7A是表示用于调整光束直径的波导构造例的图，是表示连接有与输入/输出波导相当的直线波导701和平板波导702的例子的图。
图7B是表示用于调整光束直径的波导构造例的图，是表示在直线波导701与平板波导702之间配置从直线波导701的波导宽度开始宽度逐渐变粗的锥形结构波导703的例子的图。
图7C是表示用于调整光束直径的波导构造例的图，是表示在平板波导中组装了具有凸透镜的功能的透镜功能部704的例子的图。
图7D是用于调整光束直径的波导构造例的图，是表示在直线波导701的后面按以下顺序配置第一平板波导705、阵列波导706、与之前的平板波导702相当的第二平板波导707的例子的图。
图8是用于说明图7D所示的波导构造的工作的图。
图9A是从x轴方向观察本发明的实施方式3的光信号处理装置的构成的图。
图9B是从y轴方向观察本发明的实施方式3的光信号处理装置的构成的图。
图10A是从x轴方向观察本发明的实施方式4的光信号处理装置的构成的图。
图10B是从y轴方向观察本发明的实施方式4的光信号处理装置的构成的图。
图11A是表示在光波导基板1000应用了光栅耦合器型合分波器的构成例的图。
图11B是表示在光波导基板1000将AWG型衍射光栅阵列1104作为合分波器应用于衍射光栅阵列的构成例的图。
图12A是从x轴方向观察本发明的实施方式5的光信号处理装置的构成的图。
图12B是表示从y轴方向观察本发明的实施方式5的光信号处理装置的构成的图。
图13是对本发明的实施方式5的光信号处理装置的衍射光栅1204的开口高度H和与y轴方向相关的输入/输出端口组1202的端口间距离的关系进行说明的图。
图14A是从x轴方向观察本发明的实施方式6的光信号处理装置的构成的图。
图14B是从y轴方向观察本发明的实施方式6的光信号处理装置的构成的图。
图15A是对本发明的实施方式5的输入/输出端口组1501、微透镜阵列1502、角度调整机构1503～1506的组合、构造进行说明的图。
图15B是对本发明的实施方式5的输入/输出端口组1501、微透镜阵列1502、角度调整机构1503～1506的组合、构造进行说明的图。
图15C是对本发明的实施方式5的输入/输出端口组1501、微透镜阵列1502、角度调整机构1503～1506的组合、构造进行说明的图。
图15D是对本发明的实施方式5的输入/输出端口组1501、微透镜阵列1502、角度调整机构1503～1506的组合、构造进行说明的图。
图16A是从x轴方向观察本发明的实施方式7的光信号处理装置的构成的图。
图16B是从y轴方向观察本发明的实施方式7的光信号处理装置的构成的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行详细说明。
(实施方式1)
以下，对本发明的具体实施方式进行说明，但本发明并不限于实施例。需要说明的是，所有附图中相同的附图标记表示相同或者相当的部分。以下，在空间光调制器的面上，将由衍射光栅进行波长分波的方向定义为x轴、将与x轴正交的轴定义为y轴、进而将与x轴以及y轴正交的方向定义为z轴。此外，为了简化说明，仅将C波段以及L波段作为波段来处理，而且记载了与各波段相关的输入/输出端口的总数为三根的构成，但关于波段的种类、数量，或者输入/输出端口的根数、配置并不限于本说明。例如在构建不仅是将C波段以及L波段，也将O波段、E波段、S波段包括在内作为波段来处理的设备的情况下，能通过后述的方法分别针对五种波段改变衍射光栅设计，而且也能对分别设计的衍射光栅进行集成。此外，关于传播的光信号的主光线，分别用实线表示与C波段相关的光信号的主光线，用虚线表示与L波段相关的光信号的主光线。
图3A、图3B是表示本发明的实施方式1的光信号处理装置的构成的图。本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：WDM耦合器阵列(coupler array)301，在每个端口配备多个将C波段以及L波段分离的WDM耦合器；以及分别配备于C波段以及L波段的输入/输出端口组302、微透镜阵列303、衍射光栅304、透镜305及空间光调制器306。
作为用作WDM耦合器阵列301的WDM耦合器的实现方法，可以考虑以多级马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型干涉仪为基础的格型滤波器电路型、光纤型、多层膜滤波器型等各种方式，但只要具有相同的功能，无论使用哪种都没有问题。
在本实施方式的说明中，透镜305按每个波段仅使用一片，但只要是具有相同的光学特性的构成，无论使用几片透镜都没关系，此外无论使用什么样的配置也都没有问题。通过光学系统的设计，能够实现在微透镜阵列303与衍射光栅304的中间配置透镜305的构成。此外，为了减小像差和缩短光学系统的尺寸，可以使透镜305分别由两片以上的透镜构成，并且采用夹着衍射光栅304的构造。
本发明的光信号处理装置的工作如下所述。首先，输入到WDM耦合器阵列301的光信号被输出到按C波段以及L波段的波段不同的输入/输出端口组302的各端口。输入到输入/输出端口组302的光信号经由微透镜阵列303作为准直光出射到空间。在空间传播的信号光由衍射光栅304进行波长分波，通过透镜305聚光，并聚光到空间光调制器306。
此时，分别包括于C波段以及L波段的信号被设计为根据各波段而聚光到不同的y坐标。在图3A中，包括于C波段的波长的光信号经过第一输入/输出端口组302-1、第一微透镜阵列303-1、第一衍射光栅304-1、第一透镜305-1而在空间光调制器306的反射面上聚光。另一方面，包括于L波段的波长的光信号经过第二输入/输出端口组302-2、第二微透镜阵列303-2、第二衍射光栅304-2、第二透镜305-2而在与空间光调制器306的C波段的聚光位置不同的y坐标上聚光。
此时，在空间光调制器306中，按波长聚光到不同的位置，因此，所有的波长能够独立地接受相位调制。由空间光调制器306提供所希望的相位调制并反射的光在y-z平面内偏转为与输入/输出端口组302的任一个所希望的端口对应的角度，再通过透镜305、衍射光栅304、微透镜阵列303而光耦合于与偏转角相应的输入/输出端口302。本工作在C波段以及L波段的任一个中都实施，再通过WDM耦合器阵列301对各波段进行合波。
在此，在图4示出了说明衍射光栅的工作的图。如图4所示，在具有波长λ的光信号以入射角α(0＜α＜π)入射到槽条数为N(lines/mm)的衍射光栅的情况下，衍射后的出射角β(0＜β＜π)可以用将衍射级(衍射次数)设为m时的算式(1)表示。
[数式1]
sin α+sin β＝Nmλ (1)
因此，对于图3A、图3B中的第一衍射光栅304-1以及第二衍射光栅304-2，只要入射角α、衍射光栅的槽条数N、衍射级m相同，即使在空间光调制器306上C波段和L波段能通过WDM耦合器阵列301在x轴方向分离，也能与C波段以及L波段无关地相对于y轴方向进行同样的波长分波。在这样的状况下，在空间光调制器306中产生不参与调制光信号的死区(deadspace)。
在此，考虑应用LCOS(Liquid Crystal on Silicon：硅基液晶)等作为空间光调制器306，但一般的LCOS等空间光调制器在大面积化或者高像素化方面存在极限。因此，如上所述，在限定的像素中实施了死区非常大的光学设计的情况下(图5A)，每单位波长的空间分辨率受到显著限制，这会导致大的特性劣化。
因此，如图5B所示，在各波段中分别设定了作为基准的波长时，通过使各基准波长具有相同的x坐标来消除空间光调制器306中的死区。为了实现这样的设计，需要调整各衍射光栅，以便为各波段的光信号提供不同的波长色散状态。
例如，在将第一衍射光栅304-1以及第二衍射光栅304-2两者的衍射级固定为+1的基础上，将C波段的第一衍射光栅304-1的设计设为N＝1000、α＝45deg、β＝55.38、基准波长λC＝1530nm。在该情况下，若基准波长λL＝1590nm的L波段的第二衍射光栅304-2的设计考虑算式(1)，则调整入射角α、出射角β、衍射光栅的槽条数N这三个自由度，将使这些参数分别变化时的设计例示于表1。
表1是表示相对于一个C波段的衍射光栅设计例的三个L波段的衍射光栅设计例的表，L波段设计例(1)是以入射角α以及出射角β相等的方式改变L波段的衍射光栅的槽条数的设计例，L波段设计例(2)是以出射角β以及槽条数相等的方式改变L波段的入射角α的设计例，L波段设计例(3)是以入射角α以及槽条数相等的方式改变L波段的出射角β的设计例。
[表1]
通过这样设计，会实现如下的可超宽带工作的光信号处理装置，即分别对C波段以及L波段独立地进行光学设计，使空间光调制器306上的死区减少，由此能够在具有充分的特性的状态下同时控制C波段以及L波段。
在作为一例的C波段设计例和L波段设计例(1)的组合中，虽然入射角α以及出射角β在各基准波长相同，但通过在C波段和L波段仅对槽条数N进行设计变更，能容易地设计出实现图5B的工作的光学系统。
在本实施方式中，通过由空间光调制器306实施的相位调制的内容，能实现所有的设备功能。例如，通过对y轴方向实施线性的相位调制，能实施y-z平面面内的光信号的偏转。由此，能根据偏转角来改变再耦合的端口，因此，若能够对每个波长进行单独的相位设定，则能实现上述的ROADM节点中的基础部件的一个WSS的功能。而且，能够通过WDM耦合器分离为C波段以及L波段来单独地进行相位调制，因此，能通过一个空间光调制器306实现包括所有C波段+L波段的超宽带的WSS。
另一方面，若通过空间光调制器306对x轴方向实施二次函数状的相位调制，则会产生波长色散，这是众所周知的，也能够不进行光学系统的设计变更就用作可变光波长色散补偿器。同样地，通过提供某种相位变化来局部地阻碍在输入/输出端口的再耦合，能自由地设定针对任意波长的损失。若利用该现象，则作为对于光放大器的增益均衡器的工作也非常容易。
综上所述，通过本实施方式中的光学设计，能够实现具有非常多样的功能的、对应于C波段以及L波段的超宽带光信号处理装置。
(实施方式2)
图6A、图6B是表示本发明的实施方式2的光信号处理装置的构成的图。本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：光波导基板600，形成有WDM耦合器阵列601以及输入/输出端口组602；微透镜阵列603；衍射光栅604；透镜605；以及空间相位调制器606。在光波导基板600中，以与输入/输出端口数量相应的数量，对将C波段以及L波段分离的WDM耦合器进行阵列化配置。在图6A、图6B中，记载了输入/输出端口组602由平板波导(slabwaveguide)和阵列波导(array waveguide)构成的例子。
WDM耦合器阵列601如在实施方式1中举例示出的那样，当然也可以作为其他的设备配备于光波导基板600之外，但在使用以马赫-曾德尔型干涉仪为基础的格型滤波器电路型的情况下，能够作为光电路配备于光波导基板600内，因此，能够以更低成本进行安装。作为本实施方式中的WDM耦合器阵列601的构成，假定如上所述通过多级连接的马赫-曾德尔型干涉仪构建的格型滤波器型并进行了图示，但只要是具有同样的功能的光电路，无论什么样的电路形态都没有问题。
此外，详情在后文加以记述，但由于在光波导基板600内传播的光信号通常大致由基板的组成、光信号传播层的尺寸被决定，因此，仅通过单纯地使在光波导基板600中传播的光信号出射到空间，会使在空间中传播的光信号的数值孔径(NA：Numerical Aperture)没有自由度。但是，NA是光学设计上极其重要的信息，对于光学系统整体的高度、光学长度、像差的设计、进而从涉及构件的大小的内容到成本，都会产生很大的影响。因此，理想的是在输入/输出波导与平板波导的边界区域具备NA，即调整光束直径的单元。
图7A～图7D是对本发明的本实施方式的用于调整光束直径的波导结构进行说明的图，对于输入/输出波导与平板波导的边界区域的形状，仅以一个输入/输出波导为例进行图示。
在图7A中，连接有与输入/输出波导相当的直线波导701和平板波导702。通过约束非常强且细的直线波导701，使从平板波导702传播的光信号具有大的NA。将其向NA变小的方向控制的例子是图7B～图7D。
图7B是在直线波导701与平板波导702之间配置锥形结构波导703的例子，该锥形结构波导703的宽度从直线波导701的波导宽度逐渐变宽。通过锥形结构波导而绝热传播的光具有转换光束直径的功能，因此，能够通过简易的设计实现光束大径化。
图7C是在平板波导中嵌入了具有凸透镜的功能的透镜功能部704的例子。透镜功能部的实现方法中，通过以合适的形状配置具有与波导的折射率不同的折射率的物质，例如树脂、空气等，能够使光束在光波导基板600内传播的同时使光束准直。
图7D示出了在图6A、图6B中举例示出的光电路的一部分，直线波导701的后面按以下顺序配置第一平板波导705、阵列波导706、与之前的平板波导702相当的第二平板波导707。
在调整NA的电路功能中，关于图7D所示的波导结构的工作，在图8中示出更详细的说明。该电路是通常被称为空间光束转换器(SBT：Spatial Beam Transformer)的电路。该电路具有与通常被用作波长合分波器的AWG相近的构造，但阵列波导706设计为邻接的波导的光程长度差相等(即ΔL＝0)的构造。若将从输入/输出端口以及阵列波导出射到平板波导803的信号光的与y轴方向相关的光束直径设为wWG、将从第一输入/输出波导801和平板波导803的连接位置至平板波导803的中心线的距离设为x、将在平板波导803内从第一输入/输出波导801出射的信号光的主光线与z轴所成的角度设为θ2、将平板波导803的长度设为fslab，进而将平板波导803的折射率设为ns、将与平板波导803连接的阵列波导804的间距设为d2、将光波导基板600的端面上的阵列波导804的间距设为d1，进而将从第一输入/输出端口801出射的信号光的与y轴方向相关的光束直径设为wSBT、将信号光的主光线与z轴所成的角度设为θ1，则上述的参数遵循以下的关系式。
[数式2]
[数式3]
因此，若根据算式(2)则能够控制出射的光束直径即NA，若根据算式(3)则能够控制出射的光束的角度。而且，关于第一输入/输出波导801以及第二输入/输出波导802，若分别以不同的参数设计θ2或者x，则无论从第一输入/输出波导801还是从第二输入/输出波导802入射光信号，光束出射到空间的位置都相同，但也能够分别以不同的角度出射到空间。
在本实施例中，以将θ2设为0并且不配备第二输入/输出波导802，并行配置多个SBT电路为例来实施说明。当然，SBT参数设计并不限于上述情形，只要是能实现包括透镜等的本光信号处理装置的功能的构成，则使用什么样的参数都没有问题。
在图7D的构成中，第一平板波导705具有基于自由空间传播的光束放大功能、以及透镜功能，而且阵列波导706具有各波导的相位校正功能，因此，能够使从第二平板波导707出射的光束形成为在y轴方向上足够粗的平面波。
如以上所代表的那样，通过在图7A～图7D中的输入/输出端口组和平板波导的边界区域中改变电路布局，能够不产生追加成本地进行光束直径即NA的调整。
当然NA调整方法并不限于图7A～图7D所例举的方式，还可以是组合了多种方式的电路设计，此外即使使用完全不同的构成也没有问题。
此外，即使已具备如上所述的调整NA的单元，为了对光学设计赋予进一步的自由度，也可以采用通过将微透镜阵列603配置于光波导基板600附近来进一步调整出射到空间的光束的NA的单元。
而且，在本实施方式中的说明中，仅使用一片透镜作为透镜605，但只要是具有相同的光学特性的构成，则使用几片透镜都没关系，此外无论使用什么样的配置也都没有问题。根据光学设计，能够实现在光波导基板600与衍射光栅604的中间配置透镜605的构成。
在本实施例中，成为将图3A、图3B中的WDM耦合器阵列301、包括NA调整机构的输入/输出端口组302、微透镜阵列303全都集成于光波导基板600上的形式，因此，尽管不单独地准备WDM耦合器阵列、通常使用的光纤阵列、微透镜阵列等，而仅准备一块光波导基板600即可，由此能够大幅度地削减构件成本。
而且，由于在光波导基板600形成有所有的光学电路，因此，不需要对准(alignment)，安装成本大幅降低。而且，光波导基板通常以亚微米以下的精度进行安装，所以与空间光学系统的对准相比，也会实现稳定且高精度的安装。此外，即使在实施光学系统的校正的情况下，仅通过电路布局的调整就能解决，由此成为在保持实施方式1中记载的巨大优点不变的状态下，能进一步降低成本且大幅降低对准负荷的构成。
(实施方式3)
图9A、图9B是表示本发明的实施方式3的光信号处理装置的构成的图。
如图9A、图9B所示，本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：光波导基板900，形成有WDM耦合器阵列901以及输入/输出端口组902；微透镜阵列903；衍射光栅904；透镜905；以及空间相位调制器906。在光波导基板900中，以与输入/输出端口数相应的数量阵列化地配置将C波段以及L波段分离的WDM耦合器。而且，在实施方式1以及实施方式2中，对C波段以及L波段的各端口分别单独配备了输入/输出端口，但在本实施方式中，供从某一个WDM耦合器分离的C波段以及L波段的波段传播的波导分别在不同的位置与单个SBT连接。由此，从光波导基板900出射到自由空间的光信号以在出射位置相同、但在C波段以及L波段不同的角度出射，微透镜阵列903以及透镜905对C波段以及L波段的各光信号配置共同的部件。
对于本实施方式的光信号处理装置的工作，在以下说明其详情。首先，输入到WDM耦合器阵列901的光信号按C波段以及L波段的波段被输出到不同的端口。然后，从各WDM耦合器输出的C波段以及L波段的波段的信号与作为输入/输出端口组902而配备的一个SBT电路分别连接。由于C波段以及L波段的波段的信号相对于平板波导从不同的位置输入，因此如算式(3)所示，从SBT电路出射到自由空间的光束在C波段以及L波段以不同的角度出射。
经由由SBT电路构成的输入/输出端口组902出射到自由空间的光信号，经过微透镜阵列903作为准直光出射到空间。在空间中传播的信号光分别入射到在C波段以及L波段独立地配备的第一衍射光栅904-1以及第二衍射光栅904-2而被波长分波，通过透镜905聚光，并聚光到空间光调制器906。
此时，由于分别包括于C波段以及L波段的信号在自由空间传播的角度不同，因此，被设计为：通过单个透镜905，并根据各自的波段聚光到在空间光调制器906中不同的y坐标。
由空间光调制器906提供所希望的相位调制并反射的光在y-z平面内偏转为所希望的角度，再通过透镜905、衍射光栅904、微透镜阵列903而光耦合到与偏转角相应的输入/输出端口902。本工作无论在C波段还是在L波段均实施，再通过WDM耦合器阵列901对各波段进行合波。
在本实施方式中，能够将在实施方式1以及实施方式2中C波段以及L波段用光学系统各自需要的微透镜阵列以及透镜设计为单个构件。这一点除了对构件成本的降低具有较大的效果以外，还会使各光学构件的对准准备工作减半，由此，也会实现安装成本的降低。而且，安装于光波导基板900的输入/输出端口组的数量也减半，因此也能够实现光波导基板的小型化。与对成本降低具有较大的效果的实施方式2相比，能够进一步实现小型化以及低成本化。
(实施方式4)
图10A、图10B是表示本发明的实施方式4的光信号处理装置的构成的图。
如图10A、图10B所示，本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：光波导基板1000，形成于光波导基板1000上的WDM耦合器阵列1001、衍射光栅阵列1002、微透镜阵列1003、透镜1004、空间相位调制器1005。
此外，光波导基板1000的详细情况如图11A、图11B所示。在图11A中记载了应用了光栅耦合器型合分波器时的构成例。在图11A中，与实施方式2以及实施方式3同样地，在光波导基板1000上，配置有通过以马赫-曾德尔型干涉仪为基础的光波导型WDM耦合器阵列1101对C波段以及L波段进行波段分波后，对各波段进行最佳设计的光栅耦合器型衍射光栅阵列1102。光栅耦合器型衍射光栅是在光波导基板内在光信号的传播方向上具有周期性折射率变化或者局部透射构造的光电路，具有分波功能。由于光栅耦合器型衍射光栅是利用了多光束干涉的波长合分波器，因此，若将工作中心波长设为λ0、将波导的折射率设为neff、将由折射率周期介质产生的多个点光源中邻接的点光源之间的光程长度设为p、将衍射级设为m，则能用算式(4)表示。
[数式4]
根据算式(4)，通过调整波导的折射率neff、邻接的点光源之间的光程长度p、衍射级m中的任一个，能够改变工作中心波长λ0。例如，在将波导的折射率neff设为3.5、将衍射级m设为1、将与C波段相关的基准波长设为1530nm、将与L波段相关的基准波长设为1590nm的情况下，为了使具有各基准波长的光信号像图5B那样具有相同的x坐标，在C波段的情况下将光程长度p设为437.14nm，在L波段的情况下设为454.29nm即可。这样，通过对各波段实施最佳的光学设计，能够实现与多个波段对应的设备。
光栅耦合器型衍射光栅的特征在于，能够朝向与形成波导的面内不同的面进行分波。通过该特征，能够在一个光波导基板1000上同时形成几个光栅耦合器，易于一并制作如上所述的设计不同的光栅耦合器。而且能通过一个工艺制造多个输入/输出端口，进而对于光波导型WDM耦合器阵列也能够同样地在基板上一并制造。
作为在光波导基板1000上集成波长分波功能的单元，并不特别限于图11A的构成。作为光波导基板1000，例如可以考虑像图11B那样将AWG型衍射光栅阵列1104作为合分波器应用于衍射光栅阵列的构成。众所周知，AWG是与实施方式2以及实施方式3中使用的SBT电路类似的构成，作为电路要素之一的阵列波导在邻接的波导间具有固定的光程长度差。
由于AWG与通常的衍射光栅同样地具有分波功能，因此，以在y-z平面上形成AWG的方式设计光波导，通过使其相对于y轴方向层叠，能构建与所述的实施方式相同的输入/输出端口。在该构成中，由于难以实现横跨在y轴方向上层叠的各AWG型衍射光栅间的电路设计，因此，作为WDM耦合器阵列1103，能够不在光波导基板1000上而与实施方式1中的WDM耦合器阵列301同样地应用以多级马赫-曾德尔型干涉仪为基础的格型滤波器电路型、光纤型、多层膜滤波器型等各种方式。
此外，众所周知，若将工作中心波长设为λ0、将波导的折射率设为nc、将邻接的阵列波导间的长度差设为ΔL、将衍射级设为m，则AWG满足算式(5)的关系。
[数式5]
即，AWG的情况也同样，与一般的整装型衍射光栅、光栅耦合器型衍射光栅原理相同，可知通过与上述同样地改变参数，能够对C波段以及L波段分别实施最佳的设计。这样通过独立地对实施了与C波段对应的设计的AWG型第一衍射光栅阵列1104-1以及实施了与L波段对应的设计的AWG型第二衍射光栅阵列1104-2进行设计而层叠，能够实现与实施方式1至3相同的工作。
在本实施方式中，以将在实施方式1至3中配置于自由空间上的衍射光栅集成于光波导基板1000的这一点为特征进行了例举说明。特别是当对图10A、图10B、图11A的构成与实施方式1进行比较时，WDM耦合器阵列301、输入/输出端口组、衍射光栅这三件整装元件(bulk element)仅通过一块基板实现，并且对于各个元件不需要存在6轴自由度的对准。使用了空间光学系统的光信号处理装置的成本增加的主要原因是构件件数的增加和各精密的对准所带来的安装时间的增加是支配性的，能将这些全部削减的图11A那样的构成能够使作为本发明的目的的超宽带光信号处理装置的成本非常低且实现小型。此外，构件件数的削减也会减少作为特性劣化的不对准的主要原因，也会实现更高可靠性的设备。
(实施方式5)
图12A、图12B是表示本发明的实施方式5的光信号处理装置的构成的图。如图12A、图12B所示，本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：WDM耦合器阵列1201，在每个端口配备多个将C波段以及L波段分离的WDM耦合器；以及分别配备于C波段以及L波段的输入/输出端口组1202、微透镜阵列1203、衍射光栅1204、透镜1205及空间光调制器1206。
本发明的光信号处理装置的实现方法如表1所示，存在几种方式。在实施方式1至实施方式4中的说明中，主要举例示出了对C波段以及L波段配备独立设计的衍射光栅的方式，即L波段设计例(1)。但是如上所述，本发明的实施方式并不特别限于L波段设计例(1)。在本实施方式5以及后述的实施方式6、7中，如L波段设计例(2)所示，对通过对从分别与C波段和L波段相关的输入/输出端口组1202入射到衍射光栅1204时的入射角进行调整来实现宽频带工作的构成进行说明。
如上所述，由于应用了在C波段以及L波段改变入射角的设计，因此，在本实施方式中，图12B中的通过第一输入/输出端口组1202-1以及第一微透镜阵列1203-1的光信号的x-z面内的光轴，以与通过第二输入/输出端口组1202-2以及第二微透镜阵列1203-2的光信号的x-z面内的光轴不同的角度配备。
此外，在实施方式1至4中对各波段配备了单独的衍射光栅，但在本实施方式中配备有单个衍射光栅1204，这一点是不同的。当然，也补充说明以下这一点：像本实施方式那样在通过光学设计在C波段以及L波段改变入射到衍射光栅的角度的基础上，当然也能够进一步独立地设计衍射光栅。
在本实施方式中，与实施方式1相比进一步降低成本的效果较高。即，通过改变各输入/输出端口的配备角度，能够配备单个作为光学构件而言最贵的衍射光栅，能够将与衍射光栅相关的CAPEX抑制到一半左右。
而且，在图13中，示出了对本发明的实施方式5的光信号处理装置的衍射光栅1204的开口高度H和与y轴方向相关的输入/输出端口组1202的端口间距离的关系进行说明的图。如图13所示，若将与y轴方向相关的衍射光栅1204的开口高度设为H、将与y轴方向相关的输入/输出端口组1202的端口间配置距离设为Δy，则能够设计的最大端口数量Pmax通过以下的算式表示。
[数式6]
由于端口间配置距离Δy因端口间的串扰量的设定、光纤的粗细等外部要因而受到较大的限制，因此，能够自由地设计的项目仅为衍射光栅的开口高度H，因此能够设计的最大端口数量Pmax依赖于H。而且，在实施方式1至4中，必须在y轴方向上对C波段以及L波段分别配备独立的衍射光栅，而且还存在需要根据安装、衍射光栅制造上的情况来考虑衍射光栅间的配置余量的情形。
另一方面，由于在本实施方式中仅使用了单个衍射光栅1204，因此，只要是与实施方式1至4相同的y轴方向的高度，则开口高度H能够设定为实施方式1至4的两倍，而且由于不需要考虑衍射光栅间的配置余量(margin)，因此最大端口数量Pmax能实现实施方式1至4的两倍以上。
(实施方式6)
图14A、图14B是表示本发明的实施方式6的光信号处理装置的构成的图。
如图14A、图14B所示，本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：WDM耦合器阵列1401，在每个端口配备了多个将C波段以及L波段分离的WDM耦合器；以及分别配备于C波段以及L波段的输入/输出端口组1402、微透镜阵列1403、衍射光栅1404、透镜1405及空间光调制器1406，还具备角度调整机构1407。角度调整机构1407是在实施方式5中没有的构成，配备于第二微透镜阵列1403-2与衍射光栅1404之间。
在此，若参照表1的L波段设计(2)，则在x-z平面内，第一输入/输出端口组1402-1与衍射光栅1404所成的角度为45°，第二输入/输出端口组1402-2与衍射光栅1404所成的角度为50.09°，其角度差为5.09°。因此，在实施方式5中，调整了第二输入/输出端口组1202-2以及第二微透镜阵列1203-2的角度。然而，通过相互平行地配备第一以及第二输入/输出端口组1402-1、1402-2，能够降低制造、安装的负荷。例如，在光纤阵列、平面光波电路(PlanarLightwave Circuit，PLC)等中会经常通过将多个输入/输出端口组研磨而贴合，来实施端口数量、功能的扩展。而且，还大量报道了在PLC中通过在形成光电路时制造成具有多层结构来实现大规模化的例子。
这样，平行地配备多个输入/输出端口在安装中占优势，因此，在x-z平面内平行地配备第一输入/输出端口组1402-1以及第二输入/输出端口组1402-2。而且，从第一输入/输出端口组1402-1以及第二输入/输出端口组1402-2出射的光信号通过配备于第二微透镜阵列1403-2与衍射光栅1404之间的角度调整机构1407实施调整，以便以所希望的角度差入射到衍射光栅1404。这一点为本实施方式的较大特征。
在图14B中，作为一例记载了将反射镜作为角度调整机构1407，采用仅改变从第二输入/输出端口组1402-2出射的光信号的光轴的构成。但是，只要是能以所希望的角度入射到衍射光栅1404的机构，则角度调整机构1407并不限于反射镜，例如利用了由棱镜等产生的折射现象的偏转也没有问题，由输入/输出端口组1402本身的加工产生的出射方向的偏转也没有问题。
此外，在配备角度调整机构1407时，不仅可以配置于与第二输入/输出端口组1402-2相关的光轴侧，当然也可以配备于与第一输入/输出端口组1402-1相关的光轴侧，进而配备于双方都没有问题。
图15A～图15D是对本发明的实施方式5的输入/输出端口组1501、微透镜阵列1502、角度调整机构1503～1506的组合、构造进行说明的图，是表示从图14A、图14B所示的输入/输出端口组1402入射到衍射光栅1404的构成例的图。
图15A所示的构成对应于图14B所示的构成，在第一输入/输出端口组1501-1以及第二输入/输出端口组1501-2之中，仅将从第二输入/输出端口组1501-2出射的信号光通过作为角度调整机构1503的反射镜进行偏转。由于利用全反射，因此，具有即使在各波段的信号光入射到衍射光栅时的角度差较大的情况下也易于对应的优点。
图15B所示的构成是用棱镜作为角度调整机构1504代替反射镜作为角度调整机构1503的例子。在反射镜作为角度调整机构1503的情况下，需要在不与各波段的信号干涉的位置以及角度配备反射镜，但由于棱镜能配备成信号光的光轴通过其内部，因此，也能配备在比较窄的区域。
需要说明的是，在图15B中配备了多个棱镜，以便能对与各波段相关的信号光分别进行角度调整，但并不一定需要对所有的信号光配备棱镜。此外，只要是能实现所希望的入射角，则无论配备什么样的棱镜、配备多少个都没有问题。
图15C所示的构成是通过在输入/输出端口1501的各出射端具备被加工为在x-z平面内倾斜的倾斜研磨部即角度调整机构1505，来对来自输入/输出端口1501的出射角度自身进行控制的例子。作为实施原理，是与图15B中的棱镜作为角度调整机构1504相同的原理，但通过输入/输出端口1501的端面的加工而不需要追加配备棱镜等，进而不需要实施对准，因此是有助于装置的低成本化的构成。
图15D所示的构成是省略了在图15A～图15C所示的构成中使用的微透镜阵列1502，并通过配备作为角度调整透镜的角度调整机构1506来控制朝向衍射光栅的入射角度的构成。通常透镜是傅里叶变换元件，因此，利用透过透镜后的折射角根据入射到透镜的光信号与透镜光轴的偏移量而变化的特性。在该情况下，对于使从各输入/输出端口组1501出射到空间的光进行准直的微透镜阵列1502的功能也能由作为角度调整透镜的角度调整机构1506承担。因此，能够仅通过输入/输出端口组1501以及作为角度调整透镜的角度调整机构1506实现准直以及角度调整，因此，能兼顾低成本化和降低对准难度。
如以上所代表的那样，通过适当地配备图14A、图14B中的输入/输出端口组1401、微透镜阵列1402、角度调整机构1407，能够自由地控制从各输入/输出端口组1401朝向衍射光栅1404的入射角。
当然，控制朝向衍射光栅的入射角度的方法并不限于图15A～图15D所例举的方式，此外还可以是组合了多个方式的构成，此外即使使用完全不同的构成也没有问题。
而且，在本实施方式中的说明中，例如在图15D中使用一片透镜即角度调整透镜作为角度调整机构1506，但只要是具有相同的光学特性的构成，则无论使用几片透镜都没关系，此外无论以什么样的方式配置都没有问题。也能通过光学设计与微透镜阵列1502组合。
(实施方式7)
图16A、图16B是表示本发明的实施方式7的光信号处理装置的构成的图。
如图16A、图16B所示，本实施方式所涉及的光信号处理装置按以下顺序配置有：WDM耦合器阵列1601，在每个端口配备多个将C波段以及L波段分离的WDM耦合器；光波导基板1600，形成有分别配备于C波段以及L波段的输入/输出端口组1602；角度调整透镜1603；衍射光栅1604；透镜1605；以及空间光调制器1606。在本实施方式中，从WDM耦合器阵列1601分离的C波段以及L波段的波段的光信号在第一光波导基板1600-1以及第二光波导基板1600-2分别独立地传播，进而与形成于第一光波导基板1600-1以及第二光波导基板1600-2的SBT分别连接。由此，与实施方式3同样地，从光波导基板1600出射到自由空间的光信号在y-z平面内在C波段以及L波段以不同的角度出射，对于透镜1605而言针对C波段以及L波段的各光信号配置共同的角度调整透镜1603。
在本实施方式中，其特征在于一并具有：如实施方式3所说明的那样分别在C波段以及L波段，在y-z平面内光信号从光波导基板1600出射到空间时的出射角度不同这一点，以及，如实施方式5以及实施方式6所说明的那样分别在C波段以及L波段，在x-z平面内以不同的角度入射到衍射光栅1604这一点。能够分别用角度调整透镜1603以及透镜1605置换在实施方式6中利用的按波段的数量所需要的微透镜1203以及透镜组1205，成为大大有助于安装的进一步简便性和光信号处理装置的低成本化的构成。
附图标记说明：
101光振幅放大功能部组；102波长选择功能部组；103波长分波功能部组；104接收器组；105发送器组；106波长合波功能部组；107波长选择功能部组；108光振幅放大功能部组；201波段分波功能部；202 C波段用ROADM节点；203 L波段用ROADM节点；204波段合波功能部；301、601、901、1001 WDM耦合器阵列；302、602、902输入/输出端口组；303、603、903、1003微透镜阵列；304、604、904衍射光栅；305、605、904透镜；306、606、906空间光调制器；600、900、1000光波导基板；701直线波导；702平板波导；703锥形结构波导；704透镜功能部；705第一平板波导；706阵列波导；707第二平板波导；801第一输入/输出波导；802第二输入/输出波导；803平板波导；804阵列波导；1101、1103 WDM耦合器阵列；1102光栅耦合器型衍射光栅阵列；1104 AWG型衍射光栅阵列；1201、1401、1601 WDM耦合器阵列；1202、1402、1501、1602输入/输出端口组；1203、1403、1502微透镜阵列；1204、1404、1604衍射光栅；1205、1405、1605透镜；1206、1406、1606空间光调制器；1407、1503～1506角度调整机构。

Claims (12)

1.一种光信号处理装置，其特征在于，具备：
M个波段分离单元，针对相互没有波长范围的重叠的N个波段，分别分离输出每个所述波段的光信号，其中，M≥1，N≥2；
波长分波单元，对由M个所述波段分离单元分离出的每个所述波段的光信号在自由空间中分别提供不同的波长分波状态；
聚光单元，使所述波长分波后的所述光信号按每个所述波段聚光；以及
一个空间光调制器，分别对由所述聚光单元聚光到N个区域的所述光信号进行相位调制。
2.根据权利要求1所述的光信号处理装置，其特征在于，
对于按每个所述波段聚光到所述N个区域的所述光信号中的两个以上的所述波段的基准波长的光信号而言，在所述波长分波单元的波长分波轴上的聚光位置相等。
3.根据权利要求1或2所述的光信号处理装置，其特征在于，
对于配置于所述波段分离单元与所述波长分波单元之间的至少M个输入/输出端口组，所述输入/输出端口组和所述波长分波单元经由自由空间连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述波长分波单元为整装衍射光栅。
5.根据权利要求4所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述光信号相对于所述整装衍射光栅的入射角根据进行波长分波的所述波段而不同。
6.根据权利要求4或5所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述波长分波单元包括至少N个所述整装衍射光栅，光信号按每个所述波段而入射到不同的所述整装衍射光栅。
7.根据权利要求6所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述整装衍射光栅的槽条数根据进行波长分波的所述波段而不同。
8.根据权利要求4或5所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述波长分波单元为一个所述整装衍射光栅，
在所述波长分波单元的波长分波面内，具备将入射到所述波长分波单元的每个所述波段的光信号中的至少一个的行进方向偏转的角度调整单元。
9.根据权利要求8所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述角度调整单元是供每个所述波段的光信号中的至少两个以上的光信号入射的透镜，通过所述透镜后的入射到所述波长分波单元的每个所述波段的光信号的行进方向在所述波长分波面内不同。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述波长分波单元形成于平面光电路基板上。
11.根据权利要求10所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述波长分波单元包括对应于进行波长分波的所述波段的、利用多光束干涉的多个波长分波单元，所述利用多光束干涉的多个波长分波单元的有效折射率、光程长度差、衍射级、出射角度中的至少任一个根据进行波长分波的所述波段而相互不同。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光信号处理装置，其特征在于，
所述波段分离单元形成于平面光电路基板上。
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