JP2017111199A - 光入出力装置及び光強度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光通信ネットワークにに用いられる光入出力装置であって、他ポートへのクロストークの発生を抑制しつつ、出力光パワーを変化させることが可能な光入出力装置を提供する。【解決手段】マトリクス状に平面配列された複数の画素を有する位相変調素子の各画素に印加する位相パタンを、偏向用位相パタンに光強度調整用位相パタンを重畳合成して生成する光入出力装置において、前記光強度調整用パタンを、入出力ポートの並びに沿った方向の軸に並ぶ画素列について片端から順に付した画素番号ｉの画素について、ｐ ＝ mod（ｉ，ｍ） (mは画素分割の周期となる２以上の整数)を計算した時のｐの値に応じて異なる位相パタン演算式を用いて決定することにより、他ポートへのクロストークの発生を抑制可能とした。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信ネットワークに用いられる光入出力装置に関し、特に光強度（光パワー）調整制御時に位相変調素子により発生するクロストークを低減可能とした光入出力装置及びそのような光入出力装置に用いられる空間光位相変調素子による光強度調整方法に関する。

インターネットトラフィックの増大と共に光ファイバ通信における通信容量増加のニーズは一層高まっている。光通信ネットワークに用いられる光入出力装置のうち、特にルーティング機能デバイスとして注目を集めている技術に光スイッチがある。光スイッチの中でも自由空間上で光の方路を切り替える空間光学系光スイッチは、高密度実装や消費電力低減化の観点から他方式に比べて優れており、近年技術開発が進展している。

空間光学系光スイッチの基本構成について述べる。一般的に空間光学系光スイッチは、入力ファイバと出力ファイバの間の自由空間上に、いくつかのレンズと光ビームの進行方向を変える光ビーム偏向素子を配置して構成された光入出力装置である。

代表的な光スイッチとして、入出力ファイバアレイとコリメートレンズアレイ、２組の光ビーム偏向素子群から構成される光クロスコネクトスイッチ（ＯＸＣ）や、入出力ファイバアレイとコリメートレンズアレイ、レンズ群、波長分散素子、光ビーム偏向素子群からなる波長選択スイッチ（ＷＳＳ）などがある。

空間光学系光スイッチは、空間上での配線自由度が高い一方でファイバ等による光の閉じ込めが出来ないため、目的出力ポート外への意図しない光の漏れが課題となる。特に複数の出力ポートを配置する構成の光スイッチでは、近接ポートへの光の漏れはクロストーク（cross talk：混信。以下、「ＸＴ」とも表記）として信号品質の劣化を招くため、特に注意が必要な技術開発項目である。

一方、光スイッチの機能として、出力ポートの光パワーの制御、コントロール、すなわち光強度調整を行う、光減衰（アッテネーション：attenuation、以下「ＡＴＴ」とも表記）機能がある。空間光学系光スイッチにおける光減衰機能としては、各出力ポートの後段に個別に光減衰器を取り付ける手法などがあるが、ポート数の増大と共にコストやサイズの増大を招く。そのため、光スイッチ内の光ビーム偏向素子自体にその機能を付加する方法が考えられる。

光ビーム偏向素子自体にアッテネーション機能を付加する場合、前述のクロストークをいかに抑制できるかが課題となる。光ビーム偏向素子としては、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）や、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）技術に基づく位相変調素子（空間光位相変調素子、Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）が使われる。

光ビーム偏向素子（位相変調素子）自体による光強度減衰手法としては、位相変調素子の偏向用位相パタンに減衰用の周期性位相パタンを重畳することで、出射ポートへの結合効率を変化させる手法が存在する。（例えば、特許文献１参照）
しかしながら、この手法を用いる場合、出力ポート結合用の位相パタンに重畳される光減衰用の位相パタンの空間周波数が高くなると、最終的に生成される位相パタンの周期が素子の画素２つ分の周期よりも短くなる。

これは、位相パタンの空間周波数が、素子の画素間隔で決まるナイキスト周波数を超えてしまうことと等価であり、位相折り返しに伴う高次光が複数発生し、特に重畳される両位相パタンの空間周波数の差成分による高次光がクロストークに大きな影響を与える。したがって、光入出力装置の光減衰制御時においても上記由来のクロストーク増大を抑制可能な、光アッテネーション技術の開発が求められている。

国際公開ＷＯ２０１４／０８７６７３Ａ１号公報

光入出力装置においては、信号光強度に減衰をかけるときに異なるポートの光信号が混信しないようにするために、接続ポート外へのクロストークが低いことが望ましい。

しかしながら、光減衰のために周期性位相パタンを重畳すると、前述のように差周波成分由来の位相折り返し成分の高次光が発生してクロストークの要因となる。

このような課題を解決するために、本発明では、光通信ネットワークにに用いられる光入出力装置において、他ポートへのクロストークの発生を抑制しつつ、出力光パワーを変化させることが可能な光入出力装置および光強度調整方法を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
光信号の入出力を行う１つ以上の入力ポートおよび１つ以上の出力ポートと、
マトリクス状に平面配列された複数の画素を有し、前記入力ポートから光学系素子を介して入力された入射光に対して、画素位置に応じて変化する位相量を前記各画素で与えることにより空間位相変調し、得られた出射光を前記出力ポートのうち指定された対象出力ポートの角度方向へ偏向して出射する位相変調素子と、
位相パタンを示す駆動信号を前記各画素に印加することにより、前記位相変調素子による前記出射光の出射角および光強度を制御する駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、出射角偏向用位相パタンを生成する出射角偏向用パタン生成部と、出力ポートに結合する光強度を制御する光強度調整用位相パタンを生成する光強度調整用パタン生成部と、前記２つのパタン生成部から生成された位相パタンを重畳合成して駆動信号出力とする合成部により構成され、
前記光強度調整用パタン生成部は、入出力ポートの並びに沿った方向の軸に並ぶ画素列について片端から順に付した画素番号ｉの画素について、
ｐ ＝ mod（ｉ, ｍ） （ｍは画素分割の周期となる２以上の整数）
を計算した時のｐの値に応じて異なる位相パタン演算式を用いて前記光強度調整用位相パタンを決定する
ことを特徴とする光入出力装置。

（発明の構成２）
発明の構成１記載の光入出力装置において、
入出力ポートの並びに沿った方向の軸をｙ軸としたとき、座標位置ｙの画素について、
前記出射角偏向用パタン生成部が生成する出射角偏向用位相パタンの位相値をφ（ｙ）、前記光強度調整用パタン生成部が生成する光強度調整用位相パタンの位相値をφ’（ｙ、ｐ）、但しｐ＝０〜ｍ−１として、
前記合成部が生成する位相値がφ（ｙ）＋φ’（ｙ、ｐ）であって、ここで
φ’（ｙ、ｐ）＝ a（ｐ）×｛−φ（ｙ）＋ｂ（ｐ）｝
であり、ｐの値に応じてａ及びｂの値を設定し、変化させることで出力光強度を調整制御する
ことを特徴とする光入出力装置。

（発明の構成３）
発明の構成２記載の光入出力装置において、
a（ｐ）の値を制御パラメータとして０〜１の範囲で変化させ出力光強度を調整制御することを特徴とする光入出力装置。

（発明の構成４）
発明の構成２〜３のいずれか１項記載の光入出力装置において、
前記画素分割の周期ｍ＝２として、前記画素列の画素を前記画素番号に応じて偶数番目（even）と奇数番目（odd）の２組に分け、
画素番号が偶数の場合：φ’even ＝ ａeven × （−φ(ｉ) ＋ ｂeven)
画素番号が奇数の場合：φ’odd ＝ ａodd × （−φ(ｉ) ＋ ｂodd)
であることを特徴とする光入出力装置。

（発明の構成５）
発明の構成４記載の光入出力装置において、
ｂodd≦０、ｂeven≧π、あるいはｂodd≧π、ｂeven≦０
の条件を満たし、かつａeven≠ａoddである
ことを特徴とする光入出力装置。

（発明の構成６）
発明の構成２〜５のいずれか１項記載の光入出力装置において、
φ＋φ’＞ ２π の画素は、φ＋φ’＝２πとし、
φ＋φ’＜０ の画素については、φ+φ’＝０とする
ことを特徴とする光入出力装置。

（発明の構成７）
入射光に対して空間位相変調を行い偏向して出射する位相変調素子における光強度調整方法であって、
位相変調素子の画素を駆動する位相パタンを、
位相変調素子の入射光偏向方向の軸に並ぶ画素列について片端から順に付した画素番号ｉの画素について
ｐ ＝ mod（ｉ, ｍ） （ｍは画素分割の周期となる２以上の整数）
を計算した時のｐの値に応じて異なる位相パタン演算式を用いて形成した光強度調整用位相パタンを、出射角偏向用位相パタンに重畳して形成する、
ことを特徴とする光強度調整方法。

（発明の構成８）
発明の構成７記載の光強度調整方法において、
位相変調素子の入射光偏向方向の軸をｙ軸としたとき、
出射角偏向用位相パタンの位相値をφ（ｙ）、光強度調整用位相パタンの位相値をφ’（ｙ、ｐ）、但しｐ＝０〜ｍ−１として、
位相変調素子の位置ｙの画素の位相値がφ（ｙ）＋φ’（ｙ、ｐ）であって、
ここで φ’（ｙ、ｐ）＝ a（ｐ）×｛−φ（ｙ）＋ｂ（ｐ）｝ であり、
ｐの値に応じてａ及びｂの値を設定し、変化させることで出力光強度を調整制御する
ことを特徴とする光強度調整方法。

以上記載したように、本発明によれば、アッテネーション動作時に前述の差周波成分由来の高次光が抑制され、クロストークの劣化を低減しつつ出力光パワーを変化させることが可能な光入出力装置および光強度調整方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる反射型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる反射型位相変調素子を用いた光入出力装置の別の構成を示す図である。 反射型の位相変調素子をｚ軸方向から見た構成を示す図である。 入射光をＷＤＭ信号とした場合の、反射型の位相変調素子をｚ軸方向から見た構成を示す図である。 従来手法で光強度を減衰させた場合の、出射角度と光強度の関係を示す図である。 位相変調素子に設定される位相パタンを説明する図である。 本発明において、出力ポートが存在する範囲よりも高角側に高次光が発生することを説明する図である。 本発明の実施例１において光減衰量を制御した場合の、位相パタン変化を示す模式図である。 本発明の実施例１において光強度を減衰させた場合の、出射角度と光強度の関係を示す図である。 本発明の実施例２において光減衰量を制御した場合の、位相パタン変化を示す模式図である。 本発明の実施例２において光強度を減衰させた場合の、出射角度と光強度の関係を示す図である。 比較例（ａ）と本発明（ｂ）の方法により光減衰量を制御した場合の、位相パタン変化の様子を対比して示す図である。

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。
［光入出力装置の構成］
まず、位相変調素子を用いた本発明の光入出力装置の基本構成について説明する。

図１は、ｘ軸方向から見た本発明の光入出力装置の構成を示すものである。ただし、図１では入出力ポートが配列する方向をｙ軸、光信号が伝搬する方向をｚ軸としている。

例示として１入力ｎ出力の構成で説明するが、光信号の可逆性により、入力ポートを出力ポートとして、または出力ポートを入力ポートとして使用する事もできることは明らかであり、光信号の入出力を行う１つ以上の入力ポートおよび１つ以上の出力ポートを備えた光入出力装置とすることができる。

図１の光入出力装置では、まず左端中央の入力ポートから右に向かって入来した入力光（信号光）は、光ファイバ１１を介して図１中央の空間に出射され、コリメートレンズ１２を介し、光学素子１３に与えられる。光学素子１３からの出射光は光ビーム偏向素子として機能する反射型の位相変調素子１４によって偏向されて反射され、左に向かって再び光学素子１３を介し、コリメートレンズアレイ１２、１５−１〜１５−ｎ、光ファイバ１１、１６−１〜１６−ｎへ与えられ、左端から出力される。

光信号は、反射型の位相変調素子１４へ与えられた位相パタンによってｙ軸方向に偏向されて反射され、光学素子１３の出力ポート及び出力光強度が選択され、例えば第１〜第ｎチャンネル（光学素子１３とコリメートレンズ１２、１５−１〜１５−ｎと、光ファイバ１１、１６−１〜１６−ｎとで構成される各経路）の内の任意の出力ポートへ任意の強度で出力される。

光学素子１３としては、入力された光を位相変調素子１４に向けて出射するように信号光の出射方向を変換する手段を用いることができ、例えばレンズやプリズムや、回折格子を用いることができる。

図２に示す本発明の光入出力装置の別の構成では、図１の構成に加えて波長分散素子１７が新たに設けられており、入力する信号光は、例えば波長λ１〜λｉまでの複数の信号光を束ねるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）光でもよい。

この場合、図２に示すように、コリメートレンズ１２、１５−１〜１５−ｎ及び光学素子１３の間に波長分散素子１７を配置し、波長ごとに集光位置を異なるようにし、波長ごとに異なる出力ポートや光強度を選択可能としてもよい。

図２の光入出力装置では、波長分散素子１７は紙面垂直方向（ｘ軸方向）に回折性能を有しており、入力するＷＤＭ光に含まれる各信号光を、その波長により異なる光チャネルとして、位相変調素子１４の紙面垂直方向（ｘ軸方向）の異なる位置に光を照射することができる。

波長分散素子１７は光学素子１３と位相変調素子１４の間に配置してもよい。位相変調素子は、偏向機能だけでなくレンズ機能を有していてもよい。

［位相変調素子の構成］
次に、図３、図４に本発明の光入出力装置で用いられる位相変調素子について詳細に説明する。光強度調整方法としての本発明は、図１の光入出力装置の構成に制約されること無く、このような位相変調素子を用いた光ビーム偏向の際に一般的に適用可能であることはあきらかである。

図３は、図１の反射型の位相変調素子１４をｚ軸方向（光信号が伝搬する方向）から見た場合の構成を示す図である。

位相変調素子１４は、ｘｙ平面上に各々が光を入出力するｐ×ｑ個の画素（Ｐｉｘｅｌ：ピクセル）がマトリクス状に配列されており、各画素において光の位相を独立に制御可能とされた多数の画素４１−１１〜４１−ｐｑと、裏面に反射部４３とを具備する。各画素の位相は、画素の駆動回路であるドライバ素子４２によってそれぞれ独立に制御される。なお、透過型の位相変調素子は、図３の裏面の反射部４３を設けない構成を備えている。

上記図１の光入出力装置において、位相変調素子１４に光を入射した場合の光照射領域は、図３に示す領域Ｒのようになる。領域Ｒ内の各画素に、入出力ポートの並びに沿った方向（光ビームの偏向方向、ｙ軸方向）に向かって特定の位相パタンを与え、画素位置に応じて変化する位相量を入射光に与えることにより空間位相変調し、出射光の波面を制御し、位相変調素子１４を光ビーム偏向素子としてｙ軸方向に出射光の進行方向を偏向し、及びその方向の光パワーの制御を行うことが出来る。

また、上記図２の光入出力装置において、入射光をＷＤＭ信号とし、回折格子のような波長分散素子１７でｘ軸方向（例えば図２の紙面垂直方向）にＷＤＭ光を分散させる場合には、その位相変調素子１４上での入射領域は、図４に示すように波長チャンネルごとに異なり、ｘ軸方向に並んだ複数の領域Ｒ１〜Ｒｉのようになる。この場合、各領域Ｒ１〜Ｒｉ毎のｙ軸方向の位相パタンを、それぞれ独立に制御することで、波長チャンネルごとに異なる出力ポート、出力光強度を設定可能である。

位相変調素子１４は、例えば前述のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いて実現可能である。ＬＣＯＳ素子では、各画素の液晶材料の配向方向を、ドライバ電極に印加する電圧で個別に制御可能であり、これによって入力信号が感じる液晶の屈折率を変化させ位相を制御して、出射波面を変えて偏向することが可能である。

表面電極を透明電極とし、裏面電極を反射電極とすることで反射型の位相変調器が実現可能である。また、表面及び裏面電極の両方を透明電極とすることで、透過型位相変調器も実現可能である。また、液晶材料の代わりに電気光学効果を示す材料を用いても構わない。

また、位相変調素子１４は、前述のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーを用いても実現可能である。例えば電圧を印加することで、各画素の位置に対応するミラーをｚ軸方向へ変位させることで画素ごとに光路長を変化させ、位相を制御することが可能である。

［光パワー制御方法］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを減衰・変化させるための本発明の光強度制御方法について、従来の手法と比較しながら説明する。

（従来の光パワー制御方法）
光パワー制御方法の従来例としては、特許文献１に記載されるような、位相変調素子の偏向用位相パタンに減衰用の異なる周期の位相パタンを重畳する手法などがあげられる。図５には、この従来手法で光強度を４通りに減衰（ＡＴＴ）させた場合の出射角度と光パワー（光強度（ｄＢ））の関係をグラフで示す。

ただし、この図５では出射角度θo方向が本来の出力ポートの方向であり、その他の角度方向に分配される光強度はクロストーク成分になる。また、位相パタンは図６（ｂ）に示すようにブレーズ状（のこぎり波状）の位相パタンに対し周期性の位相パタンを印加しており、周期性位相パタンの振幅を増すことで光減衰量を制御している。

図５のグラフからわかるように、従来手法では光減衰量を制御する際に複数の出射角度方向にクロストーク光が発生する。このうちθoの整数倍の方向に発生する高次光クロストーク（図５中の角度０および−θoの縦の点線部分のピーク）については、従来手法を用いて打ち消すことが可能であるが、その他のクロストーク成分（角度０および±θo以外のピーク）の抑制は特許文献１の従来手法では困難である。この抑制困難なクロストーク成分発生の主要因は、出力ポートに結合させるための偏向用位相パタンと、これに重畳する減衰用位相パタンの空間周波数の差に起因するものである。

（本発明の光パワー制御方法）
一方、本発明に係る光入出力装置の光パワー制御方法では、出力ポートに結合させる偏向用の位相パタンφ（ｙ）に対して、以下のように設定される光強度の減衰制御、光強度調整用の位相パタンφ’（ｙ，ｐ）を重畳・合成することで光強度の減衰制御、光強度調整を行う。

すなわち本発明では、まず前記位相変調素子のマトリクス状に配列された各画素４１の座標番号を座標軸に合わせ（ｘ，ｙ）、（ｘ，ｙは自然数）として、座標位置ｙの各画素について
ｐ ＝ mod（ｙ，ｍ） (ｍは画素分割の周期となる２以上の整数) ・・・（１）
を計算して、画素をｙ方向にｍ行毎に分割した時のｐの値（０〜ｍ−１）を求める。

そして、このｐの値に応じて、ｍ通りの異なる位相パタン演算式φ’（ｙ，ｐ）を用いて、位置ｙの行の各画素を駆動する位相をφ（ｙ）からφ（ｙ）＋φ’（ｙ，ｐ）に変化させることで出力光強度を制御・調整することを特徴としている。

但し、上記式（１）において、mod（ｙ，ｍ）は、ｙをｍで割った余り（modulo：モジュロ、剰余）を示す関数である。また、このｐの値は、図３、図４の位相変調素子のマトリクス配列の画素数ｐｑのｐとは別のパラメータである。

このように光強度調整用位相パタンφ’を設定することで、前述のような差周波成分由来のクロストークを抑制することが可能となる。

なお、光信号を出力ポートに結合させる出射角偏向用の位相パタンφ（ｙ）には、従来と同様に例えば図６（ａ）に示すような一次関数の位相パタンを採用すればよい。また、図６（ｂ）のように位相パタンを例えば２πで折り返すことでブレーズ状の位相パタンとしてもよい。

この出射角偏向用位相パタンφ（ｙ）に対し、上述の本発明の光強度調整用の位相パタンφ’（ｙ、ｐ）を重畳すると、前述の画素分割の周期ｍに応じて高次光が発生し、そのｎ次の出射角は図７に示すように、θn ＝ θo±ｎθp である。

ここで、主ビームθoは偏向用位相パタンφによって偏向される光の出射角であり、例えば図６（ｂ）のようなブレーズ状の位相パタンを印加する場合は、ブレーズの折り返し周期をｄ、入射光の波長をλとした場合に、
θo ＝ arcsin(λ／d) ・・・（２）
で表される。

またθpは、減衰用位相パタンφ’によって発生する高次光の角度間隔であり、前述の画素分割の周期ｍとピクセル間隔距離ｕを用いて
θp ＝ arcsin(λ／ｍｕ) ・・・（３）
で表される。

なお、図７では説明のため主ビームを減衰してパワーを絞った状態として、高次光のパワーを大きくして表示している。

θn ＝ θo±ｎθp に発生する高次光が所望外の出力ポートに結合するとクロストークの要因となるため、出力ポートに結合しないようなｍの値を選択する必要がある。

具体的には図７のように、出力ポートが存在する範囲よりも高角側に高次光が発生するようにｍの値を小さく設定すればよい。

例えば入出力ポートが
−θmax＜θ＜θmax ・・・（４）
の範囲に存在するときは、
|θo−θp| ＞θmax ・・・（５）
となるようにｍの値を選べばよい。

式（５）から、ｍの値は小さいほど望ましいが、印加する減衰用の位相パタンφ’を不適切に設定すると、ＳＬＭ（位相変調素子）で表示可能な画素の空間周波数を超えてしまい、位相折り返しが発生する。位相の折り返しにより望まない周期パターン（いわゆる折り返し歪み、エイリアス：alias）が発生する。

これを避けるには、減衰用の位相パタンφ’（ｙ、ｐ）の演算式は、例えば
φ’（ｙ、ｐ）＝ a（ｐ）×｛−φ（ｙ）＋ｂ（ｐ）｝ ・・・（６）
のように偏向用の位相パタンφ（ｙ）を重みａ（ｐ）で打ち消すよう、−φ（ｙ）に関する一次の関数の形にすればよい。

このとき、重畳されて最終的に位相変調素子の位置ｙの画素に印加される位相は、次式のようになる。

φ（ｙ）＋φ’（ｙ、ｐ）＝｛１−ａ（ｐ）｝×φ（ｙ）＋ａ（ｐ）ｂ（ｐ）
・・・（７）

ここで、ａ（ｐ）を光強度の調整、減衰のための制御パラメータとして０〜１の範囲で変化させると、初期に印加されていた出射角偏向用位相パタンφ（ｙ）は徐々に薄まり、連続的に移行して新たな位相パタンｂ（ｐ）が生成されて光強度が減衰・調整される。

すなわち、φ（ｙ）とｂ（ｐ）のそれぞれが変数ａ（ｐ）で重みづけされた場合と等価であり、光強度の調整、減衰の際に位相の折り返しが発生しない（アンチエイリアス）という効果が得られる。

（本発明の光パワー制御のための駆動回路）
上述のような光強度の調整、減衰のための位相パタンは、図３ないし図４において位相変調素子１４の各画素の位相を独立に制御するドライバ素子４２を、以下のような駆動回路として構成することで発生できる。

すなわち、位相パタンを示す駆動信号を位相変調素子１４の各画素に印加する駆動回路は、出射角偏向用の位相パタンを生成する出射角偏向用パタン生成部と、光強度を制御する光強度調整用位相パタンを生成する光強度調整用パタン生成部と、前記２つのパタン生成部から生成された位相パタンを重畳合成して駆動信号出力とする合成部により構成される。

前記合成部には、光強度の調整、減衰のための制御信号として、前記ａ（ｐ）にあたる重み付け信号が入力される。

（比較例と本発明の位相パタンの変化）
図１２に光強度の調整、減衰を行う際の、本発明の位相パタンの変化の様子を比較例と対比して示す。

図１２（ａ）に示したのは、比較例としてφ’に上記以外の関数を用いた従来方式による場合の光強度の調整、減衰の際の位相パタンの変化の一例である。図１２（ａ）の３つの図にあるように、ａ（ｐ）の変化に伴って、初期の偏向用ブレーズパタンと光パワー調整用のパタン以外の異なる周期成分が発生してクロストークを生じていることがわかる。

一方、図１２（ｂ）は、本発明の式（７）に従ってパタンを変化させた場合の一例である。こちらはａ（ｐ）の変化があっても、望まない周期の発生はなく、偏向用パタンから減衰用パタンにスムーズに移行して、クロストークの発生が低減されている。（アンチエイリアス）
ａ（ｐ）の値が０を下回る、あるいは１を上回る場合は、ｍの値やφ（ｙ）の値によっては最終的に生成される位相パタンの空間周波数がナイキスト周波数を超えてしまい、位相折り返し高調波が発生する場合がある。従ってａ（ｐ）は０から１の範囲であることが望ましい。

空間位相変調素子の最大変調量には限界が存在する場合は、位相値に上限と下限を設けて、その値を超えた場合はそれ以上の変化を与えないようにすればよい。この上限と下限は２πと０であることが望ましい。あるいは、式（７）の位相パタンを例えば２πで折り返してもよい。

（ｍ＝２の場合の構成）
ここで、特にｍ＝２の場合は、前述の式（３）よりピクセル分割由来の高次光が最も高角に発生するため、式（５）より入出力ポートの存在領域であるθmaxを広くとることが出来る。これは、すなわち入出力ポート数を増大出来る、という優れた効果の発現につながる。

このｍ＝２の場合は、式（１）の p＝mod(ｙ,２)より、ＳＬＭ（位相変調素子）の画素（ピクセル）は、ｙ軸方向の位置の順番に応じて偶数番目(ｐ＝０：even）の行と奇数番目(ｐ＝１：odd) の行の２組に分けられ、各画素の光強度調整用の位相φ’は以下のように設定すればよい。
画素番号が偶数の場合：
φ’(y)even ＝ ａeven × (−φ(y) + ｂeven) ・・・（８）
画素番号が奇数の場合：
φ’(y)odd ＝ ａodd × (−φ(y) + ｂodd) ・・・（９）

実質的に画素分割の周期ｍ＝２が最小であるが、もちろん、高次光によるクロストークが生じない限り、画素分割の周期ｍは３以上とすることも可能であり、減衰用の位相パタンφ’（ｙ、ｐ）は最大ｍ（≧２）種類設けることができ、ｍが大きいほど光強度制御の自由度を増やすことができる。

（実施例）
本発明の光減衰制御方式を用いた場合の効果について、以下で具体的な実施例を記述する。以下で述べるパラメータは本発明の効果を発現する一例であり、本願における権利の範囲を制限するものではない。

（実施例１）
入出力ポートは式（５）を満たすように配置されているため、ピクセル分割による高次光はポートに結合しない。ここで、偏向用の位相パタンφ（ｙ）は図６（ｂ）に示すようなブレーズパタンを印加し、光強度調整用の位相パタンφ’（ｙ，ｐ）は、ピクセル分割の周期をｍ＝２として前記式（８）および式（９）によって決定した。また、光減衰用の制御パラメータを減らすために以下のような境界条件を設けた。
ａ_even = ａ_odd = ｓ, ｂ_even = ２π, ｂ_odd = ０ ・・・（１０）

上式より、最終的に位相変調素子のｙ軸方向の位置ｙにある画素（ピクセル）に印加される位相パタンは以下のようになる。（但し画素のｙ軸方向の順番に画素番号を付与する。）
画素番号が偶数の場合：
φ(y)+φ’(y)_even ＝ φ(y)＋ｓ×｛２π−φ(y)｝ ・・・（１１）
画素番号が奇数の場合：
φ(y)+φ’(y)_odd ＝ （１−ｓ）φ(y) ・・・（１２）
以上からｓを変数として光減衰量を制御可能である。

図８に、本実施例１の方式を用いた場合の光減衰量制御時の位相パタン変化の模式図を示す。図８各図の横棒で示す各画素の位相値がなす位相パタンは、偏向用の位相パタンφ（ｙ）の画素周期を６、減衰用の位相パタンφ’（ｙ、ｐ）の画素分割の周期ｍ＝２として、上記式（１０）〜（１２）に従って光減衰量（光強度）の制御パラメータｓを変更して、光強度制御を行ったときのものである。

図８（ａ）のｓ＝０において、点線で示す理想的な偏向用位相パタンに対応する位相パタンから、図８（ｂ）のｓ＝０．５のパタンを経由して制御パラメータｓの変化につれて連続的に変化していき、最終的には図８（ｃ）のｓ＝１で、奇数番目の画素と偶数番目の画素が交互に０と２πの位相を取る、減衰用の２値のバイナリパタンが形成される。

このために、減衰動作の途中状態で減衰量がオーバシュートすることなく、減衰量を連続的に変化させることが出来る。

図９の本実施例１の出射角度と光強度の関係のグラフを図５の従来例と比較するとわかるように、本発明の制御法を用いることで、位相折り返し成分由来のクロストーク光を抑制しつつ光強度を減衰させることが可能である。

出力ポート方向であるθoのn倍に発生する高次光成分については、従来手法と同程度の強度が発生しているが、これは既存の制御手法を適用することで解決可能である。

また、最終的に生成される２値のバイナリパタンは、０とπの位相値が繰り返し印加されている場合が最も回折効率がよい。従って、設定した通りの位相パタンをＳＬＭに発生できる場合は、
ｂeven＝０，ｂodd＝π または ｂeven＝π、ｂodd＝０
の場合が望ましい。

しかしながら、ＳＬＭにはフライバックと呼ばれる位相なまりの効果により、一般的には設定位相と印加される位相の間に誤差が生じる。この位相なまりを補正するためには、
ｂeven≦０，ｂodd≧πまたはｂeven≧π，ｂodd≦０
のように位相を設定する方が、最終的なＸＴ（クロストーク）を低減可能である。

上記に加えて、ｂevenやｂoddの値や、基準とするＳＬＭの輝度の値によっては、最終的に生成される位相値が一部、ＳＬＭで制御できる位相値の範囲を超えてしまう場合がある。

この場合に位相を折り返してしまうと、前述のような位相折り返し起因の繰り返し高調波の原因となる。この効果を抑制するためには、例えば、φ＋φ’＞２πのピクセルはφ＋φ’＝２πとし、φ＋φ’＜０のピクセルについては、φ＋φ’＝０とすればよい。あるいは０や２πの代わりにＳＬＭで印加可能な最小・最大の輝度値を下限・上限に設定してもよい。

（実施例２）
実施例１では、式（１０）にあるようにａ_even = ａ_odd = ｓとして光減衰用の制御パラメータを減らしたが、ｍ＝２であるから減衰用の位相パタンは２通りの演算式が可能であり、ａ_even = ａ_oddは必須要件ではなく、ａeven≠ａoddであってもよい。以下の実施例２では、偶数、奇数ピクセルでａの値が異なるように設定した場合について記述する。

すなわち実施例２では、例えば光減衰用の制御パラメータｓほかについて、以下のような境界条件を設けた。
ａeven＝MAX（ｓ−１，０）、ａodd＝MIN（ｓ，１）, ｂeven＝π, ｂodd＝０
・・・（１３）

ただし、０≦ｓ≦２である。ここで、MAX(x,y)とはxとyのいずれか大きい方を示す関数で、MIN(x,y)とはxとyのいずれか小さい方を示す関数である。

以上からｓを制御変数として、光減衰量を偶数、奇数ピクセルで異なる位相パタン演算式による変化として、調整・制御可能である。

図１０に、本実施例２の方式を用いた場合の位相パタン変化の模式図を示す。図からわかるように位相パタンは図１０（ａ）の減衰量ｓ＝０からｓ＝１にかけて、まず奇数番目の画素の位相値が０に向けて連続的に変化していき、図１０（ｃ）のｓ＝１において０に達した後に、ｓ＝２にかけて今度は偶数番目の画素の位相値がπに向けて変化して、最終的には図１０（ｅ）の２値のバイナリパタンが形成される。このために、減衰動作の途中状態で減衰量をオーバシュートすることなく連続的に変化させることが出来る。

図１１の本実施例２の出射角度と光強度の関係のグラフを、図５の従来例と比較するとわかるように、本発明の制御法を用いることで、位相折り返し成分由来のクロストーク光を抑制しつつ光強度を減衰制御することが可能である。

加えて、出力ポート方向であるθoのn倍に発生する高次光成分についても、従来手法よりもＸＴ（クロストーク）成分が小さくなっているという優れた効果が発現する。

このＸＴ成分は既存の制御手法を採用することで解決可能であるものの、完全な消込を行った際に元の高次光強度が強い場合に位相誤差に対する感度が高くなる。従って本手法は、位相折り返しのＸＴ成分を抑制しつつ、設定する位相値の誤差に対しても耐性が高くなるといった優れた効果を発現するものである。

以上記載したように、本発明によれば、減衰動作時に高次光が抑制され、クロストークの劣化を低減しつつ出力光パワーを変化させることが可能な光入出力装置及び光強度調整方法を提供することが可能となる。

１１、１６−１〜１６−ｎ 光ファイバ
１２ コリメートレンズ
１３ 光学素子
１４ 位相変調素子
１５−１〜１５−ｎ コリメートレンズアレイ
１７ 波長分散素子
４１−１１〜４１−ｐｑ 画素
４２ ドライバ素子
４３ 反射部

Claims (8)

1. 光信号の入出力を行う１つ以上の入力ポートおよび１つ以上の出力ポートと、
   マトリクス状に平面配列された複数の画素を有し、前記入力ポートから光学系素子を介して入力された入射光に対して、画素位置に応じて変化する位相量を前記各画素で与えることにより空間位相変調し、得られた出射光を前記出力ポートのうち指定された対象出力ポートの角度方向へ偏向して出射する位相変調素子と、
   位相パタンを示す駆動信号を前記各画素に印加することにより、前記位相変調素子による前記出射光の出射角および光強度を制御する駆動回路とを備え、
   前記駆動回路は、出射角偏向用位相パタンを生成する出射角偏向用パタン生成部と、出力ポートに結合する光強度を制御する光強度調整用位相パタンを生成する光強度調整用パタン生成部と、前記２つのパタン生成部から生成された位相パタンを重畳合成して駆動信号出力とする合成部により構成され、
   前記光強度調整用パタン生成部は、入出力ポートの並びに沿った方向の軸に並ぶ画素列について片端から順に付した画素番号ｉの画素について
   ｐ ＝ mod（ｉ, ｍ） （ｍは画素分割の周期となる２以上の整数）
   を計算した時のｐの値に応じて異なる位相パタン演算式を用いて前記光強度調整用位相パタンを決定する
   ことを特徴とする光入出力装置。
2. 請求項１記載の光入出力装置において、
   入出力ポートの並びに沿った方向の軸をｙ軸としたとき、座標位置ｙの画素について、
   前記出射角偏向用パタン生成部が生成する出射角偏向用位相パタンの位相値をφ（ｙ）、前記光強度調整用パタン生成部が生成する光強度調整用位相パタンの位相値をφ’（ｙ、ｐ）、但しｐ＝０〜ｍ−１として、
   前記合成部が生成する位相値がφ（ｙ）＋φ’（ｙ、ｐ）であって、ここで
   φ’（ｙ、ｐ）＝ a（ｐ）×｛−φ（ｙ）＋ｂ（ｐ）｝
   であり、ｐの値に応じてａ及びｂの値を設定し、変化させることで出力光強度を調整制御する
   ことを特徴とする光入出力装置。
3. 請求項２記載の光入出力装置において、
   a（ｐ）の値を制御パラメータとして０〜１の範囲で変化させ出力光強度を調整制御することを特徴とする光入出力装置。
4. 請求項２〜３のいずれか１項記載の光入出力装置において、
   前記画素分割の周期ｍ＝２として、前記画素列の画素を前記画素番号に応じて偶数番目（even）と奇数番目（odd）の２組に分け、
   画素番号が偶数の場合：φ’even ＝ ａeven × （−φ(ｉ) ＋ ｂeven)
   画素番号が奇数の場合：φ’odd ＝ ａodd × （−φ(ｉ) ＋ ｂodd)
   であることを特徴とする光入出力装置。
5. 請求項４記載の光入出力装置において、
   ｂodd≦０、ｂeven≧π、あるいはｂodd≧π、ｂeven≦０
   の条件を満たし、かつａeven≠ａoddである
   ことを特徴とする光入出力装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項記載の光入出力装置において、
   φ＋φ’＞ ２π の画素は、φ＋φ’＝２πとし、
   φ＋φ’＜０ の画素については、φ+φ’＝０とする
   ことを特徴とする光入出力装置。
7. 入射光に対して空間位相変調を行い偏向して出射する位相変調素子における光強度調整方法であって、
   位相変調素子の画素を駆動する位相パタンを、
   位相変調素子の入射光偏向方向の軸に並ぶ画素列について片端から順に付した画素番号ｉの画素について
   ｐ ＝ mod（ｉ, ｍ） （ｍは画素分割の周期となる２以上の整数）
   を計算した時のｐの値に応じて異なる位相パタン演算式を用いて形成した光強度調整用位相パタンを、出射角偏向用位相パタンに重畳して形成する、
   ことを特徴とする光強度調整方法。
8. 請求項７記載の光強度調整方法において、
   位相変調素子の入射光偏向方向の軸をｙ軸としたとき、
   出射角偏向用位相パタンの位相値をφ（ｙ）、光強度調整用位相パタンの位相値をφ’（ｙ、ｐ）、但しｐ＝０〜ｍ−１として、
   位相変調素子の位置ｙの画素の位相値がφ（ｙ）＋φ’（ｙ、ｐ）であって、
   ここで φ’（ｙ、ｐ）＝ a（ｐ）×｛−φ（ｙ）＋ｂ（ｐ）｝ であり、
   ｐの値に応じてａ及びｂの値を設定し、変化させることで出力光強度を調整制御する
   ことを特徴とする光強度調整方法。