JP2020509410A

JP2020509410A - 波長選択スイッチで使用するためのトロイダルマイクロレンズアレイ

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Publication number: JP2020509410A
Application number: JP2019546189A
Authority: JP
Inventors: イーハラーミッチェル
Original assignee: ニスティカ，インコーポレーテッド
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: US10042121B1; JP6894525B2; US20200012165A1; CN110520773A; WO2018182923A1

Abstract

【解決手段】光デバイスは、光ビームを受容するための複数の光ポートを含む。光デバイスはまた、光ポートのうちの対応する１つから光ビームのうちの１つをそれぞれ受容する複数のトーリックマイクロレンズを含む。分散平面において光ビームを複数の波長成分に空間的に分離するための、分散素子が提供される。複数の波長成分を集束させるための、少なくとも１つの集束素子が提供される。集束された複数の波長成分を受容するための、プログラマブル光位相変調器も提供される。変調器は、波長成分を光ポートのうちの所定のものに選択的に方向付けるように構成される。トーリックレンズは、ポート平面で光ビームに正の出力を付与し、ポート平面に直交する平面で光ビームに負の光出力を付与する。【選択図】図１Ａ、１Ｂ

Description

自由空間光ファイバテレコミュニケーションデバイスは、多くの場合、直交方向に異なるビームウェストサイズを有する発射光学素子を必要とする。例えば、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）は、ＷＤＭ光信号の特定の波長成分又はチャネルを空間的に分離（分散）し、第１の光ファイバから第２の光ファイバに選択的に切り替えることを可能にする一方で、他の波長チャネルを第１の光ファイバ内に伝搬させるか、又は特定の波長チャネルを第３の光ファイバに切り替えることを可能にする。スイッチの解像度（又はバンドエッジの鮮鋭度）は、波長成分が、システム倍率の分散平面における発射光学素子のビームウェストサイズと等しい、スイッチ焦平面に分散される方向のビームウェストサイズ（本明細書では分散ビームウェストサイズと称される）によって決定される。最良の解像度（最も鮮鋭なバンドエッジ）を実現するために、発射光学素子は、分散平面において小さいビームウェストを生成する必要がある。

一方、スイッチ焦平面における分散方向（ポート方向）に直交する方向のビームウェストサイズ（本明細書では、ポートビームウェストサイズと称される）は、スイッチが支持できるポートの数を制限する。大きいビームウェストは、小さい角度範囲を有し、これにより、多くのポートは、クロストークを伴わずに、所与の角度切替範囲内に位置することが可能である。スイッチ焦平面におけるポートビームウェストは、システム倍率の発射光学素子のポート方向のビームウェストに等しい。そのため、高いポート密度又は総ポート数を提供するために、発射光学素子は大きなポートビームウェストを生成することが望ましい。

開示される主題の一態様によれば、光デバイスが提供される。光デバイスは、光ビームを受容するための複数の光ポートを含む。光デバイスはまた、光ポートのうちの対応する１つから光ビームのうちの１つをそれぞれ受容する複数のトーリックマイクロレンズを含む。分散平面において光ビームを複数の波長成分に空間的に分離するための、分散素子が提供される。複数の波長成分を集束させるための、少なくとも１つの集束素子が提供される。集束された複数の波長成分を受容するための、プログラマブル光位相変調器も提供される。変調器は、波長成分を光ポートのうちの既定されたものに選択的に方向付けるように構成される。トーリックレンズは、ポート平面で光ビームに正の出力を付与し、ポート平面に直交する平面で光ビームに負の光出力を付与する。

本「発明の概要」は、「発明を実施するための形態」において更に後述される概念の選択を簡略的な形式で紹介するために提供される。本「発明の概要」は、特許請求される主題の重要な特徴又は必須の特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する助けとして使用されることを意図するものでもない。更に、特許請求される主題は、本開示の任意の部分に記載された任意の又は全ての欠点を解決する実施に限定されない。これら及び様々な他の特徴は、以下の「発明を実施するための形態」を読み、関連する図面を見直すことで明らかとなるであろう。

自由空間ＷＳＳなどの簡略化された光デバイスの一例の上面図である。自由空間ＷＳＳなどの簡略化された光デバイスの一例の側面図である。図１に示す光デバイスの空間光変調器として用いられ得る、ＬＣｏＳデバイスの正面図である。図１Ａに示される光デバイスに時折用いられる、円柱レンズを有する従来のマイクロレンズアレイモジュールの拡大された上面図を示す。図１Ｂに示される光デバイスに時折用いられる、円柱レンズを有する従来のマイクロレンズアレイモジュールの拡大された側面図を示す。Ａ及びＢはそれぞれ、トロイダルレンズを用いる本発明による、マイクロレンズアレイ構成の一例の拡大された上面図及び側面図を示す。光ビームの分散ウェストサイズが、５．２マイクロメートルの初期ビームサイズのトーリックマイクロレンズを使用してどのように縮小され得るかを示すグラフである。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本発明の実施形態と共に使用され得る自由空間ＷＳＳ１０などの簡略化された光デバイスの一例の上面図及び側面図である。図１Ａの上面図は、ＷＳＳ１０の分散平面を示し、図１Ｂの側面図は、ＷＳＳ１０のポート平面を示す。光は、入力及び出力ポートとして機能する光ファイバなどの光導波路のアレイ１０１を通って、ＷＳＳ１０に入力及び出力される。図１Ｂに最も良く見られるように、アレイ１０１は、マイクロレンズアレイアセンブリ１０３を一緒に画定する光モジュール１０４上に支持される、又はその上若しくはその中に形成されるマイクロレンズ１０２₁、１０２₂、及び１０２₃（「１０２」）にそれぞれ結合された、光ビームを受容する複数の個々のファイバ１２０₁、１２０₂、及び１２０₃を含む。この例では、ファイバ１２０₁、１２０₂、１２０₃から出る光は、ｚ軸に平行である。３つの光ファイバ／マイクロレンズのペアのみが図１Ｂに示されているが、より一般的には任意の好適な数の光ファイバ／マイクロレンズのペアが用いられてもよい。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、２つの軸内の光に影響を及ぼす光学素子は、両図において両凸光学素子として実線で示される。一方、１つの軸内の光にのみ影響を及ぼす光学素子は、影響を受ける軸内の平凸レンズとして実線で示される。１つの軸内の光にのみ影響を及ぼす光学素子はまた、それらが影響を及ぼさない軸内に破線によって示される。例えば、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、光学素子１０８及び１１０は、両方の図に実線で示される。一方、光学素子１０７及び１０９は、（ｙ軸に沿って出力を集束させているので）図１Ａに実線で示され、図１Ｂでは（ｘ軸に沿ってビームが影響を受けないので）破線で示される。光学素子１０２及び１０５は、（ｘ軸に沿って出力を集束させているので）図１Ｂに実線で示され、（ｙ軸に沿ってビームが影響を受けないので）図１Ａでは破線で示されている。

マイクロレンズアレイアセンブリ１０３内の光モジュール１０４は、光が非拘束的な方法でそこを通って伝播することを可能にする。すなわち、光モジュール１０４は、いずれの導波機能も提供しない。従来の構成では、レンズアレイアセンブリ１０３のマイクロレンズ１０２₁、１０２₂、及び１０２₃は、円筒形レンズであり、それぞれポート平面で正の光出力を付与し、分散平面でビームが影響を受けないようにする。マイクロレンズ１０２₁、１０２₂、及び１０２₃は、分散平面でビームをコリメートし、それらがポート面で影響を受けないようにする、コリメートレンズ１０７に、光ビームを光学的に結合する。光ビームは、次いで、コリメートレンズから、自由空間光ビームをそれらの構成波長又はチャネルに分離する波長分散素子１０８（例えば回折格子又はプリズム）に、光学的に結合される。波長分散素子１０８は、その波長に従って、ｘ−ｙ平面上で異なる方向に光を分散させるように作用する。分散素子１０８からの分散波長成分は、ポートレンズ１０５に方向付けられる。

ポートレンズ１０５は、分散平面で波長成分が影響を受けないようにし、それらをポート平面で集束させる。周波数レンズ１０９は、ポートレンズ１０５から波長成分を受容する。周波数レンズ１０９は、分散平面で波長成分を集束させ、それらがポート平面で影響を受けないようにする。

周波数レンズ１０９は、波長成分を結合し、ここで波長成分が両平面において、例えば、ＬＣｏＳデバイス１１０などの液晶ベースの位相変調器であり得るプログラマブル光位相変調器に集束されるようにする。波長成分は、ｘ軸に沿って分散され、これは波長分散方向又は軸と呼ばれる。したがって、所与の波長のそれぞれの波長成分は、ｙ方向に延在する画素のアレイに集束される。例として、限定するものではないが、λ１、λ２、及びλ３で示される中心波長を有する３つのそのような波長成分が、波長分散軸（ｘ軸）に沿ってＬＣｏＳデバイス１１０に集束される図１Ａに示される。

図１Ｂで最も良く見られるように、ＬＣｏＳデバイス１１０からの反射後、それぞれの波長成分は、周波数レンズ１０９、ポートレンズ１０５、分散素子１０８及びレンズ１０７、並びにマイクロレンズアレイモジュール１０３を介して、ファイバアレイ１０１内のファイバ１２０のうちの選択された１つに結合され得る。

図２は、図１に示す光デバイスの空間光変調器として用いられ得るＬＣｏＳデバイス２１の正面図である。この例示の実施例では、３つの波長成分λ１、λ２、及びλ３を有する光ビームは、波長分散軸（ｘ軸）に沿って空間的に分離され、ＬＣｏＳデバイス２１の複数の画素１９に沿って延在する。空間光変調器上の波長成分の細長い断面形状は、マイクロレンズ１０２によって制御される光ビームのビームウェストサイズの差によって決定される。波長成分は、楕円形の断面形状を有するものとして示されているが、より一般的には、波長成分は、例えば三日月形を含む任意の断面形状を有してもよいことに留意されたい。

図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、例えば、図１Ａ及び図１Ｂに示されるタイプの光デバイスに用いられ得る、ファイバ１２０及び従来のマイクロレンズアレイモジュール１０３の拡大された上面図及び側面図を示す。前述したように、直交方向に異なるビームウェストサイズを得るために、円筒形マイクロレンズ１０２は、ポート平面で正の光出力を付与し、分散平面でビームが影響を受けないようにする。光ビームがガウスビームとして処理される場合、ガウスビーム撮像によれば、ポート平面内のビームウェストサイズは、ファイバビームウェスト及び円筒形マイクロレンズの焦点距離によって決定される。同様に、ファイバアレイ１０１内のファイバ１２０が、円筒形マイクロレンズ１０２上の後側焦点に位置付けられている場合、ポート平面内のビームウェストは、円筒形マイクロレンズ１０２の前側焦点に形成される。ビームウェストの位置は、焦点ぼかしによってこの位置から後方又は前方に移動させられ得る。分散平面内のビームウェストは、ファイバ１２０の端部に位置し、それらのサイズは、用いられるファイバによって決定される。例として、標準的なＣｏｒｎｉｎｇＳＭＦ−２８ｅファイバについては、分散平面内のビームウェストサイズは、１５５０ｎｍの波長で５．２μｍである。

前述したように、ファイバアレイ１０１内のファイバ１２０によって受容される光ビームのポートビームウェストサイズは、高いポート数を得るために比較的大きいことが望ましい。一方、分散ビームウェストサイズは、高解像度を得るために比較的小さいことがまた望ましい。分散ビームウェストサイズは、解像度を更に上げるため、用いられるファイバのタイプによって決定される分散ビームウェストサイズより更に縮小させることが望ましい。解像度は、コリメートレンズの焦点距離を増加させ、それによってシステム倍率を減少させることによって改善され得るが、これは、デバイスの全体的なサイズも増大させる。

本開示の一態様によれば、図１Ａ及び図１Ｂに示されるような光デバイスの解像度は、図３Ａ及び図３Ｂに示される従来のアレイモジュール１０３内のマイクロレンズ１０２へ分散方向に負の光出力を加えることによって向上され得る。すなわち、円筒形レンズである、図３Ａ及び図３Ｂに示すマイクロレンズ１０２は、分散平面で負の光出力と、ポート平面で正の光出力と、を付与するトーリックレンズと置き換えられ得る。このような構成は、図４Ａ及び図４Ｂに示され、それぞれ、図３Ａ及び図３Ｂに示されるものと同様に、ファイバアレイ２０１及びマイクロレンズアレイ構成１０４の拡大された上面図及び側面図をそれぞれ示す。図４Ａ及び図４Ｂに見られるように、マイクロレンズ２０２に負の出力を加えることにより、分散ビームのウェストサイズが縮小される。この縮小は、分散平面でマイクロレンズ２０２に負の出力を加えることにより、光ビームの開口数が増加するためである。

図５は、光ビームの分散ウェストサイズが、５．２マイクロメートルの初期ビームサイズのトーリックマイクロレンズを使用してどのように縮小され得るかを示すグラフである。グラフは、分散ウェストサイズをトーリックマイクロレンズの焦点距離の関数として示している。グラフが示すように、分散ウェストサイズの有意な縮小、及び解像度の相応な向上は、この技術を使用して実現され得る。

いくつかの実施形態では、トロイダルマイクロレンズは、挿入損失ペナルティを回避するため、発射ビーム品質がほぼ理想的であるように、非球面を有してもよい。表１は、Ｚｅｍａｘ（商標）光学設計ソフトウェアを使用して計算された、ファイバアレイ／トロイダルマイクロレンズアレイ設計の一例に関する、ポート及び分散方向におけるＭ二乗（Ｍ２）ビーム品質を示す。この表の最後の行は、非球面トロイドを使用して得られ得るビーム品質を示す。この場合、Ｍ二乗ビーム品質は、ポート平面及び分散平面の両方において値１（ガウスビームの理想値）に近づく。

一実施形態では、トーリックマイクロレンズは、光ビームが焦点ぼかしされるように光ポートに対して位置付けられ、ポートビームウェスト（wait）は、光ビームがそれぞれ受容される距離まで延長され、それにより、直交方向の光ビームのビームウェストは、トーリックマイクロレンズの焦点距離を超える点まで移動する。

Claims

光デバイスであって、
光ビームを受容するための複数の光ポートと、
該光ポートのうちの対応する１つから前記光ビームのうちの１つをそれぞれ受容する、複数のトーリックマイクロレンズと、
分散平面で前記光ビームを複数の波長成分に空間的に分離するための分散素子と、
前記複数の波長成分を集束させるための少なくとも１つの集束素子と、
集束された複数の波長成分を受容するためのプログラマブル光位相変調器であって、前記波長成分を前記光学ポートのうちの既定されたものに選択的に方向付けるように構成されたプログラマブル光位相変調器と、を備え、トーリックレンズは、ポート平面で前記光ビームに正の出力と、前記ポート平面に直交する平面で前記光ビームに負の光出力と、を付与する、光デバイス。
前記トーリックレンズが、非球面トーリックレンズである、請求項１に記載の光デバイス。
前記トーリックマイクロレンズが、前記直交方向の前記光ビームのビームウェストが前記トーリックマイクロレンズの焦点距離を超えて投影されるように、前記光ビームがそれぞれ受容される前記光ポートに対して位置付けられる、請求項１に記載の光デバイス。
前記光学ポートのそれぞれが、光ファイバを含む、請求項１に記載の光デバイス。
前記プログラマブル光位相変調器が、液晶ベースの位相変調器を含む、請求項１に記載の光デバイス。
前記液晶ベースの位相変調器が、ＬＣｏＳデバイスである、請求項５に記載の光デバイス。
前記分散素子が、回折格子及びプリズムからなる群から選択される、請求項１に記載の光デバイス。
光発射装置であって、
光ファイバのアレイと、
マイクロレンズのアレイであって、前記マイクロレンズのそれぞれは、光レンズのうちの１つと位置合わせされて、それぞれのマイクロレンズと、それが位置合わせされている前記対応する光ファイバとの間で光ビームを結合し、それぞれのマイクロレンズは、直交平面内のビームウェストとは異なるサイズのビームウェストを１つの平面内に有するように、光ビームに通過させるトーリックレンズである、マイクロレンズのアレイと、を備える、光発射装置。
前記トーリックレンズが、非球面トーリックレンズである、請求項８に記載の光発射装置。