JP2017107080A - 空間位相変調素子、および空間位相変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空間位相変調器の位相パタンが理想パタンより乖離することに起因する光クロストークを抑制するための、空間位相変調器を提供する。
【解決手段】本発明は、空間位相変調器であって、ある方向に均等な間隔に配置された複数の画素を有し、各画素に設定された制御値に基づいた位相パタンにより位相変調を行う液晶素子と、各画素の位相パタンを設定するコントローラと、設定された位相パタンを、各画素の制御値に変換し設定する駆動回路とを含み、コントローラは、各画素の位置、および各画素の間の位置において設定された所望の位相値列に対し、所望の位相値列の空間位相情報を空間周波数情報に変換する空間周波数変換部と、空間周波数情報に対し、所望の周波数特性によりフィルタリングするフィルタ部と、フィルタリングされた空間周波数情報を、空間位相情報に逆変換する空間領域変換部とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、通信用光スイッチなどに使用される空間位相変調素子、および空間位相変調方法に関する。

近年の通信トラヒックの増大に伴い、光通信の高速化、大容量化の要求が高まっており、それに応える伝送方式としてＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）伝送が導入されている。ＷＤＭ伝送では波長ごとに経路選択する必要があり、光信号を電気信号に変換することなく光信号のままルーティング処理を行う波長選択光スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）の研究開発が進められている。

ＷＳＳとして、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を用いた空間光学系光スイッチが注目されている（非特許文献１）。ＬＣＯＳは画素ごとに独立に位相設定可能な空間位相変調器であり、液晶を、画素ごとに分割した電極と透明電極とで挟み込む構造をしている。

図１は、ＬＣＯＳを空間位相変調器として用いた空間光学系光スイッチの構成を示す図である。図１の光スイッチ１００は、ｘ軸方向に配列された入力ポート１２１及び出力ポート１２５−１〜ｎと、入力ポート１２１からの光が透過するレンズ１２２と、入力ポート１２１からの光を偏向して反射する空間位相変調器１２３とを備える。波長毎に分波され、入力ポート１２１から出射した光ビームは、レンズ１２２を介して空間位相変調器１２３に入射する。空間位相変調器１２３のｘ軸方向には、周期的なのこぎり波の位相パタン１２４が設定されており、空間位相変調器１２３への入射光は、設定したのこぎり波の位相パタンにより変調されて、偏向されて反射される。空間位相変調器１２３による反射光は、レンズ１２２を介してｎ本ある出力ポート列の一つである、出力ポート１２５−ｉに接続される。接続される出力ポートの選択は、位相パタン１２４ののこぎり波の周期を変化させることにより行う。

G. Baxter et al., "Highly programmable Wavelength Selective Switch based on Liquid Crystal on Silicon switching elements," OFC 2006, OTuF2, 2006.

図２は、空間位相変調器１２３に周期ωの周期的のこぎり波の位相パタン１２４を設定した場合に、実際に設定される位相パタンを説明する図である。図２の横軸はｘ軸座標であり、画素のピッチｐで正規化している。また、図２の縦軸は位相値である。

空間位相変調器１２３への入射光を所望の方向に偏向させるための理想の位相波形ｆ（ｘ）は、図２中に破線で示したように傾き一定ののこぎり波となる。この時、ｉ番目の画素にはｆ（ｉｐ）の位相値が設定され、図２中に丸印で示したものが実際に設定される位相パタンとなる。理想の位相波形では周期ωで一定ののこぎり波であるが、実際に設定される位相パタンでは、本来の周期ωおよびその高調波成分以外に、不要な周波数成分が、特にωより長周期となる周波数成分が多く含まれていることがわかる。具体的には、理想の位相波形ｆ（ｘ）に、画素の空間周波数１／ｐに対する高周波の成分が含まれている。これは、ｆ（ｘ）から画素ピッチｐで標本化する際に発生する折り返し雑音が原因と考えられる。

このような不要な周波数成分を含む位相パタンでは、空間位相変調器からの回折光は所望の方向以外にも発生し、所望の出力ポート以外のポートに結合するクロストークを発生させる要因と成る。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、空間位相変調器の位相パタンが理想パタンより乖離することに起因する光クロストークを抑制するための、空間位相変調器および空間位相変調方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、空間位相変調器であって、ある方向に均等な間隔に配置された複数の画素を有し、各画素に設定された制御値に基づいた位相パタンにより位相変調を行う液晶素子と、前記各画素の位相パタンを設定するコントローラと、設定された前記位相パタンを、前記各画素の制御値に変換し設定する駆動回路とを含み、前記コントローラは、前記各画素の位置、および前記各画素の間の位置において設定された所望の位相値列に対し、前記所望の位相値列の空間位相情報を空間周波数情報に変換する空間周波数変換部と、前記空間周波数情報に対し、所望の周波数特性によりフィルタリングするフィルタ部と、フィルタリングされた前記空間周波数情報を、空間位相情報に逆変換する空間位相変換部とを含むことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の空間位相変調器であって、前記各画素の前記間隔をｄとした場合、前記フィルタ部は、１／２ｄ以上の周波数情報をカットオフするフィルタであることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の空間位相変調器であって、前記所望の位相値列が、ｄ／（２＾ｎ）間隔（ｎは１以上の整数）かつ２＾ｍ（ｍは１以上の整数）の点で設定されていることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、ある方向に均等な間隔に配置された複数の画素を有し、各画素に設定された制御値に基づいた位相パタンにより位相変調を行う液晶素子と、前記各画素の位相パタンを設定するコントローラと、設定された前記位相パタンを、前記各画素の制御値に変換し設定する駆動回路とを含む空間位相変調器における空間位相変調方法であって、前記各画素の位置、および前記各画素の間の位置において設定された所望の位相値列に対し、前記所望の位相値列の空間位相情報を空間周波数情報に変換するステップと、前記空間周波数情報に対し、所望の周波数特性によりフィルタリングするステップと、フィルタリングされた前記空間周波数情報を、空間位相情報に逆変換するステップとにより、前記位相パタンを前記各画素に設定することを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第４の態様の空間位相変調器であって、前記各画素の前記間隔をｄとした場合、前記フィルタリングするステップは、１／２ｄ以上の周波数情報をカットオフすることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第４又は第５の態様の空間位相変調器であって、前記所望の位相値列が、ｄ／（２＾ｎ）間隔（ｎは１以上の整数）かつ２＾ｍ（ｍは１以上の整数）の点で設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、空間位相変調器に設定するのこぎり波の位相変調パタンにおいて、周波数の高い領域で発生していたクロストークを抑制することが可能となる。

ＬＣＯＳを空間位相変調器として用いた空間光学系光スイッチの構成を示す図である。 図１の空間位相変調器に周期ωの周期的のこぎり波の位相パタンを設定した場合に、実際に設定される位相パタンを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る空間位相変調器の構成を示すブロック図である。 図３のコントローラの構成を示すブロック図である。 従来の空間位相変調器を使用した光スイッチと、図３の空間位相変調器を使用した光スイッチとにおいて、２つの光スイッチのクロストークを比較した様子を示す図であり、（ａ）従来の空間位相変調器を使用した光スイッチのクロストークを示し、（ｂ）は、図３の空間位相変調器を使用した光スイッチのクロストークを示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る空間位相変調器の構成を示すブロック図である。図３の空間位相変調器３００は、ＬＣＯＳであり、液晶素子３１１と、液晶素子３１１に接続された駆動回路３１２と、駆動回路３１２に接続されたコントローラ３１３とを備える。液晶素子３１１は２次元に画素が配置され、駆動回路３１２は液晶素子３１１の各画素が指定の位相値になるような制御値を各画素に設定し、コントローラ３１３は適切な位相パタンを生成し各画素に設定する位相値を駆動回路３１２に与える。

空間位相変調器３００の液晶素子３１１において画素が配列される軸をｘ軸、およびｙ軸とし、各画素はｘ軸方向、およびｙ軸方向にそれぞれ等間隔で画素が配列されている。本実施形態においては、位相パタンはｘ軸方向の一次元に変化し、ｙ軸方向には均一であるとする。ここで位相パタンとは、各画素に設定する位相値を画素の位置に従い配列した位相データ配列である。制御値は多くの場合、電圧信号であり、その振幅や周波数で位相値が制御される。

図３の空間位相変調器３００は、例えば図１の光スイッチ１００に用いられ、入射光の偏向素子として機能する。ＬＣＯＳを空間位相変調器として用いた光スイッチでは、ＬＣＯＳには周期的なのこぎり波の位相パタンを設定して光線を偏向する。このとき、のこぎり波の位相パタンの周期ωを変化させて偏光角を変えることにより、ＬＣＯＳに入射した光線の接続出力ポートを切り替えることができる。

ここで、光線を偏向するためにＬＣＯＳに位相パタンを設定する際、ＬＣＯＳで実際に発生する位相パタンは、画素により空間的に離散化されて設定されることなどに起因し、図２に示すように、理想的な位相パタンからの乖離が発生する。このような理想的な位相パタンからの乖離により、光線は高次光などとして想定しない方向にも回折するため、所望の出力ポート以外のポートへの光クロストークの要因となり、特性劣化を引き起こす。本実施形態においては、所望の出力ポート以外のポートへの光クロストークを抑えるため、周期的なのこぎり波の位相パタンを補正する機能を実装している。

図４は、図３のコントローラ３１３の構成を示すブロック図である。図４のコントローラ３１３は、位相パタン生成部４５１と、位相パタン生成部４５１に接続された空間周波数変換部４５２と、空間周波数変換部４５２に接続されたフィルタ部４５３と、フィルタ部４５３に接続された空間領域変換部４５４とを備える。

コントローラ３１３は、位相パタン生成部４５１において、外部から位相パタン生成指示を受信すると、理想位相波形ｆ（ｘ）から離散的なデータの位相値列である空間位相情報（空間位相領域関数）を生成する。離散的なデータは、画素中心位置だけでなく、その画素中心位置間の位相波形も生成する。

次に、空間周波数変換部４５２において、各画素位置、および各画素中心位置間で設定された所望の位相値列（位相波形）に対し、位相値列の空間位相情報を空間周波数情報に変換する。具体的には、位相パタン生成部４５１で生成した離散的なデータ（空間位相領域関数）を、空間周波数領域関数Ｆ（γ）（γは空間周波数）に変換する。空間周波数領域関数Ｆ（γ）への変換には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などのデジタル処理を適用する方法が用いられる。そのため、位相パタン生成部４５１では、ｆ（ｘ）をｆ（ｐ／ｓ）（ｓは整数）としてデータの生成を行うと良い。さらに、位相値列を、ｄ／（２＾ｎ）間隔（ｎは１以上の整数）かつ２＾ｍ（ｍは１以上の整数）の点で設定する、つまりｓを２の乗数である２、４、８、・・・（２＾ｎ（ｎは１以上の整数））として計算することにより、ＦＦＴの精度を向上させることができる。

次に、フィルタ部４５３において、位相値列の空間周波数情報（空間周波数領域関数Ｆ（γ））に対し、所望の周波数特性でフィルタリングする。具体的には、空間周波数変換部４５２で変換した空間周波数領域関数Ｆ（γ）に対し、折り返し雑音が発生しないようにするため空間周波数１／２ｐ以上の成分を持たないよう高周波をカットオフするフィルタリング処理を行う。

最後に、空間領域変換部４５４において、フィルタ部４５３でフィルタリング処理された空間周波数情報（空間周波数領域関数Ｆ（γ））を、再度空間位相情報（空間位相領域関数）に逆変換して、各画素の設定位相を決定する。逆変換には通常フーリエ逆変換が用いられる。設定した位相値は、駆動回路３１２に送信される。

図５は、従来の空間位相変調器１２３を使用した光スイッチと、図３の空間位相変調器３００を使用した光スイッチとにおいて、２つの光スイッチのクロストークを比較した様子を示す図である。ここで、図５（ａ）は従来の空間位相変調器１２３を使用した光スイッチのクロストークを示し、図５（ｂ）は、図３の空間位相変調器３００を使用した光スイッチのクロストークを示している。周期的なのこぎり波の位相パタンの理想位相波形として、のこぎり波を用い、のこぎり波のフェーズスロープ（周波数）を横軸とし、縦軸を光スイッチの出力ポートＮｏとした時の、各出力ポートへの結合パワーを表示したものである。従来の方法で、特にのこぎり波のフェーズスロープが高い、つまり周波数の高い領域で発生していたクロストークが、本発明のものでは抑制されていることがわかる。

本実施形態では、理想位相波形に対して周波数領域変換、およびフィルタリングを行ったが、図２の実線で示した、各画素内のｘに対し位相が一定となるような位相波形に対して同様の処理を行った場合であっても、折り返し雑音を抑制することができ、本実施形態と同様の効果が期待できる。

また、本実施形態では、位相パタンはｘ軸方向の一次元に変化し、ｙ軸方向には均一である場合を示したが、ｘｙの２次元で変化する位相パタンにおいても、ｘ、ｙそれぞれの方向で本実施形態において示したフィルタリング処理を行うことにより、不要光を抑制しクロストークを低減することが可能である。

１００ 光スイッチ
１２１ 入力ポート
１２２ レンズ
１２３、３００ 空間位相変調器
１２４ 周期的位相パタン
１２５−１〜１２５〜ｎ 出力ポート
３１１ 液晶素子
３１２ 駆動回路
３１３ コントローラ
４５１ 位相パタン生成部
４５２ 空間周波数変換部
４５３ フィルタ部
４５４ 空間領域変換部

Claims (6)

1. ある方向に均等な間隔に配置された複数の画素を有し、各画素に設定された制御値に基づいた位相パタンにより位相変調を行う液晶素子と、
   前記各画素の位相パタンを設定するコントローラと、
   設定された前記位相パタンを、前記各画素の制御値に変換し設定する駆動回路と
   を含み、
   前記コントローラは、
   前記各画素の位置、および前記各画素の間の位置において設定された所望の位相値列に対し、前記所望の位相値列の空間位相情報を空間周波数情報に変換する空間周波数変換部と、
   前記空間周波数情報に対し、所望の周波数特性によりフィルタリングするフィルタ部と、
   フィルタリングされた前記空間周波数情報を、空間位相情報に逆変換する空間領域変換部と
   を含むことを特徴とする空間位相変調器。
2. 前記各画素の前記間隔をｄとした場合、前記フィルタ部は、１／２ｄ以上の周波数情報をカットオフするフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の空間位相変調器。
3. 前記所望の位相値列が、ｄ／（２＾ｎ）間隔（ｎは１以上の整数）かつ２＾ｍ（ｍは１以上の整数）の点で設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の空間位相変調器。
4. ある方向に均等な間隔に配置された複数の画素を有し、各画素に設定された制御値に基づいた位相パタンにより位相変調を行う液晶素子と、
   前記各画素の位相パタンを設定するコントローラと、
   設定された前記位相パタンを、前記各画素の制御値に変換し設定する駆動回路と
   を含む空間位相変調器における空間位相変調方法であって、
   前記各画素の位置、および前記各画素の間の位置において設定された所望の位相値列に対し、前記所望の位相値列の空間位相情報を空間周波数情報に変換するステップと、
   前記空間周波数情報に対し、所望の周波数特性によりフィルタリングするステップと、
   フィルタリングされた前記空間周波数情報を、空間位相情報に逆変換するステップと
   により、前記位相パタンを前記各画素に設定することを特徴とする空間位相変調方法。
5. 前記各画素の前記間隔をｄとした場合、前記フィルタリングするステップは、１／２ｄ以上の周波数情報をカットオフすることを特徴とする請求項４に記載の空間位相変調方法。
6. 前記所望の位相値列が、ｄ／（２＾ｎ）間隔（ｎは１以上の整数）かつ２＾ｍ（ｍは１以上の整数）の点で設定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の空間位相変調方法。