JP4802282B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号処理装置に関する。より詳細には、分光手段を含む光信号処理装置の温度補償に関する。

光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光信号の処理を行なう光信号処理装置へのニーズが高まっている。例えば、多重化された光信号をノードにおいて光−電気変換を行わずに、光信号のまま経路変換を行なうことにより、光信号処理装置のトランスペアレント化が進められている。

一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）の研究開発が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英ガラスを材料としたコアを形成して１つのＰＬＣチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスを実現している。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（光信号処理装置）も登場している。

例えば、特許文献１には、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などを含む平面光波回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの空間変調素子を組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣ、コリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。

図６は、光信号処理装置の一例を概念図で示したものである。この光信号処理装置では、分光素子５１を経由して光信号が入出力される。分光素子５１は、ＷＤＭ光信号を、その波長に応じた出射角度θで出射することにより分波する。分波された光信号は、集光レンズ５２へ向かって出射する。集光レンズ５２によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、強度変調または位相変調または偏向する機能を持つ信号処理素子５３の所定の位置の各集光点に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、光信号は信号処理素子の異なる位置に集光されることに留意をされたい。信号処理素子５３は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は強度変調などを受け、所定の光信号処理機能が実現される。光信号処理を受けた光信号は、ミラー５４で反射されて進行方向を反転させる。光信号はさらに集光レンズ５２を通って、再び分光素子５１において合波される。一般によく知られているように、分光素子５１は、光信号の進行方向を分波時と反対にすることにより、光信号を合波することもできる。合波された各波長の光信号は、再び出力光として、光信号処理装置外へ出力される。

図６において、分光素子５１は概念的に示したものであり、光信号の波長に応じて分波および合波できるものであれば良い。例えば、分光素子には、グレーティング、プリズム、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）などがある。信号処理素子は、光信号の強度もしくは位相、または強度および位相を変調できるもの、または光信号の進行方向を偏向できるものであれば良い。例えば、信号処理素子には、液晶素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、光学結晶などがある。ここで、光学結晶は、所望の変調ができるものであればＬｉＮｂＯ_３に代表される電気光学結晶などを含めどのようなものでも良い。

図６に示した光信号処理装置は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つの分光素子によって光信号の分波および合波の両方を行なう構成である。この構成は、一般に反射型と呼ばれている。波長ブロック等の光信号処理を行なう装置は、この構成だけに限られない。例えば、図６のミラーを使用せずに、信号処理素子が対称面の位置にあるとし、入射光路軸の延長線上であってその対称面に関して入射系と対称な位置に、もう１つのレンズおよび分光素子からなる出射系を配置した構成も可能である。この構成は、独立した入射系および出射系を経由して、それぞれ光信号の分波および合波を行なう構成であり、透過型と呼ばれている。さらに、図６の装置構成において、ミラーの向きを変えることによって、任意の位置に配置された、もう一つのレンズおよび分光素子からなる出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。例えば、ミラーの反射面を光信号の入射光路に対して４５度傾けて、入射光路に対して垂直方向に配置されたレンズおよび分光素子により出射系を構成することも可能である。また、信号処理素子が偏向機能を持つ場合は、出射系を複数備えることもできる。

図６において、分光素子５１と集光レンズ５２とは、前焦点距離ＦＦＬ（Front Focal Length）だけ離して配置され、信号処理素子５３と集光レンズ５２とは後焦点距離ＢＦＬ（Back Focal Length）だけ離して配置される。集光レンズ５２によって集光される光の焦点は、使用するすべての波長においてミラー５４の面上になくてはならない。ミラー面上からずれると、光の結合損失が大きくなるという問題が起こる。同時に、集光された光信号のビームスポット径が大きくなることから、波長分解能が低下する問題が生じる。

また、信号処理素子５３は、光信号の波長ごとに選択的に変調を行なうために、空間的に周期的な構造を備えている必要がある。例えば、信号処理素子５３が液晶素子の場合、液晶素子の要素素子の構造は、分光素子および集光レンズの光学特性に合わせて設計されなければならない。

より具体的には、信号処理素子上における集光位置の波長依存性は、分光素子の角度分散値に集光レンズの焦点距離を乗じたものに従うことが知られている。集光位置の波長依存性は、分光光学系の線分散値とも呼ばれる。分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値にずれがあれば、実際の光信号の集光点の位置は信号処理素子の個々の要素素子（例えば、液晶シャッター素子のピクセル）の位置と一致しなくなり、所望の処理を行なうことができなくなる。

特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など） 特開２００１−２５５２４２号公報 H. Takenouchi, T. Ishii, T. Goh, "8THz bandwidth dispersion-slope compensator module for multiband 40 Gbit/s WDM transmission system using an AWG and spatial phase filter", Electronics Letters, Vol. 37, No.12, pp.777-778, 2001 K. Li et al., "Coherent micromirror arrays," Optics Letters, Vol. 27, No. 5, pp.366-368, 2002

しかしながら、従来の光信号処理装置においては、分光素子の分光特性に温度依存性があるため、温度変化によって光信号処理装置の性能が低下する問題があった。図６に示した構成の光信号処理装置において、分光素子がＡＷＧの場合を考える。同じ波長の光信号であっても、温度変化によってその出射角度が変化すると、信号処理素子上での集光点の位置が変動する。このため、信号処理特性、例えば光損失や、光信号に与える位相に温度依存性が生じる。

従来、ＡＷＧの分光特性の温度依存性を解消するためには、ＡＷＧ自体の分光特性の温度依存性を小さくすることが検討されていた。例えば、特許文献２には、ＡＷＧのアレイ導波路上に、コアを分断する特徴的な複数の溝を形成する構成によって温度補償する技術が開示されている。しかし、この技術では、損失が最小となるように溝の形状を最適化した場合でも、１ｄＢ程度の過剰損失の発生は避けられない。また、溝構造を形成するためには、ＡＷＧの製造時に複雑な工程を追加する必要があり、製造コストが高いという問題がある。

ＡＷＧの分光特性の温度依存性に起因する問題は、集光レンズを含まないような光信号処理装置においても、同様に問題となり得る。上述のように、ＡＷＧの持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の性能の温度依存性の問題を、より簡単で低コストな方法で解決することが求められている。

このような目的を達成するために、以下説明される本発明は、入力光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、前記入力光信号を分光面内において光信号の波長に応じた角度で出射することにより、前記入力光信号を異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段であって、前記分光面との交線方向に配置された複数の信号処理要素素子を含み、前記複数の信号処理要素素子の各々は前記光信号への変調量が制御可能である信号処理手段と、前記分光手段または前記分光手段を含む光学系の温度を検出して、温度検出信号を供給する温度検出手段と、前記温度検出信号に基づいて、前記複数の信号処理要素素子により形成される光信号変調プロファイルを制御する温度補償制御部とを備え、前記分光手段または前記分光手段を含む光学系の温度依存性に起因する、前記信号処理手段の前記交線上における光信号の位置または前記交線上への入射角度の温度変動に追従するように、前記光信号変調プロファイルが制御されることを特徴とする光信号処理装置である。

本明細書においては、信号処理手段は信号処理素子とも呼ばれる。信号処理手段は、さらにより具体的な信号処理の内容に応じて、空間変調素子、空間位相制御素子、空間位相変調器および空間強度変調器などを含む。また、空間変調素子は、光信号に対してその位相もしくは振幅または両方に対して変調などの信号処理を行なうことのできるものであれば良い。信号処理要素素子は、例えば、液晶素子、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）の要素素子あるいは、ＭＥＭＳの個々のミラー素子などを言う。

本発明の別の態様は、前記分光手段および前記信号処理手段の間の光路中に、前記分光された光信号を前記信号処理手段の光信号集光面上に集光させる集光手段をさらに備え、前記信号処理要素素子の配列ピッチは、前記集光手段により集光された光信号のビーム径よりも小さいことを特徴とする。

好ましくは、前記信号処理手段の前記信号処理要素素子は、光信号の強度を変調する空間強度変調素子であり、前記温度補償制御部により、前記温度検出信号に応じて強度変調パターンが設定される。

また、前記信号処理手段の前記信号処理要素素子は、光信号に所定の位相を付与できる空間位相変調素子であり、前記温度補償制御部により、前記温度検出信号に応じて位相パターンが設定されても良い。

より好ましくは、前記光信号処理装置は、前記信号処理手段として空間位相変調器を利用した分散補償器とすることができる。さらに前記光信号変調プロファイルとして、前記交線方向の座標軸に対して２次関数、または２πを除数とし２次関数を被除数とする剰余の位相パターンが与えられ、前記交線方向に、前記温度検出信号に対応した距離だけ前記位相パターンを移動させるように前記複数の信号処理要素素子を制御することもできる。

また、前記光信号処理装置は、各光信号に、複数の前記信号処理要素素子を割り当て、前記信号処理手段として空間強度変調器を利用した波長ブロッカとすることもできる。さらに、前記光信号処理装置は、前記信号処理手段として空間位相変調器を利用した波長選択フィルタとすることもできる。

さらに、前記温度補償制御部は、前記温度検出手段によって検出された前記分光手段または前記分光手段を含む光学系の温度に対応した前記光信号変調プロファイルとなるように制御するためのデータを記憶する手段を備えるのが好ましい。

また、前記分光手段は、ＡＷＧであり、前記信号処理手段は、液晶素子、ＭＥＭＳまたは光学結晶のいずれかとすることもできる。

以上説明したように、本発明によれば分光手段の持つ分光特性の温度依存性に起因する光信号処理装置の性能の温度変動を、空間変調素子の構成単位により形成される変調特性プロファイルを直接制御することによって、より簡単で低コストな方法で温度無依存化することができる。また、光学系全体における複雑な温度変動要因を含めて、現実の装置の温度変動に対する挙動に即したより確実な温度補償をすることもできる。もちろん、分光手段としてＡＷＧを用いた場合にも、同様な効果が期待できる。

図１は、本発明の実施例１に係るＡＷＧの温度依存性を補償した光信号処理装置の構成を示す図であり、（ａ）は上面図を、（ｂ）は側面図を示す。 図２は、空間位相制御素子に与えられる位相分布の例を示す図である。 図３Ａは、本発明の光信号処理装置における空間位相制御素子の構成を示す図である。 図３Ｂは、実施例１の光信号処理装置における空間位相制御素子の位相パターンを説明する図である。 図４は、本発明の実施例２に係るＡＷＧの温度依存性を補償した光信号処理装置の構成を示す図である。 図５は、実施例２の光信号処理装置における空間位相制御素子の位相パターンを説明する図である。 図６は、従来の光信号処理装置の概念的な構成図である。

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。本発明の光信号処理装置は、信号処理素子（信号処理手段）に含まれる信号処理要素素子によって形成される光信号変調プロファイルを直接制御することによって、ＡＷＧの分光特性の温度依存性により生じる光信号処理装置の性能の温度依存性を解消する。より具体的には、信号処理素子である空間変調素子の複数の要素素子を変調単位として形成される光信号変調プロファイルを直接制御することによって、ＡＷＧ自体の温度補償を不要とする。空間変調素子の温度補償作用によって、従来技術より簡単な構成で光学特性の温度無依存化を実現できる。別途、可動機構などを追加することなく既存の構成要素の機能を利用して、ＡＷＧ自体に対する温度補償を不要とする。ＡＷＧの製作工程を簡略化して、低コスト化を実現する。

図１は、本発明の実施例１に係る光信号処理装置の構成を示す図である。本発明は、信号処理素子として複数の要素素子を持つ空間位相制御素子を備えた光信号処理装置に適用可能である。（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は側面図を示す。実施例１では、本発明の特徴を最も発揮できる分散補償器を例として、その動作を説明する。図１の（ａ）を参照すれば、本発明に係る分散補償器は、光信号の入出力を行なうサーキュレータ１１、ならびに空間光学系を構成するアレイ導波路回折格子１（以下ＡＷＧという）、シリンドリカルレンズ６、集光レンズ７および空間位相制御素子８から構成される。入力された光信号は、空間位相制御素子８において反射され、同一のＡＷＧ１を経由して光信号が出力される、いわゆる反射型の光信号処理系を構成している。空間位相制御素子によって、本発明特有の分散補償器が実現される。

より詳細には、入力ファイバ１０より入力された光信号は、サーキュレータ１１および接続ファイバ１３を介して、ＡＷＧ１の入力導波路２に入射する。入力導波路２に入射した光信号は、スラブ導波路３を介してアレイ導波路４へ伝搬する。アレイ導波路４は、隣合う導波路同士で導波路長差Ｌを有する複数の導波路で構成されている。アレイ導波路４において、異なる波長を持つ光信号は分波される。すなわち、出射端５から出射される光信号は、ｘ−ｚ面（分光面）内で、その波長に応じた異なる出射角度θでｚ軸方向へ集光レンズ７に向かって伝搬する。

図１の（ｂ）も参照すれば、出射端５から出射された光信号は、ＡＷＧ基板の厚さ方向すなわちｙ方向に対しては、シリンドリカルレンズ６によって幅Ｗｙの平行ビームに変換される。一方、ＡＷＧ基板を含むｘ−ｚ面内のｘ方向に対しては、スラブ導波路３によって十分幅広い幅Ｗｘの平行ビームに変換される。すなわち、ＡＷＧ１の出射端５から出射される光信号はｘ−ｚ面内で平行光とみなすことができる。シリンドリカルレンズ６を通過することによって、ｘ方向およびｙ方向いずれについても、光信号は平行光とみなすことができる。

光信号は、さらに集光レンズ７により収束ビームとなり、空間位相制御素子８上で焦点を結ぶ。ＡＷＧ１の線分散作用によって、空間位相制御素子８上の集光位置は、波長によって異なる位置となる。例えば、光信号の波長に応じて、Ｐ点またはＱ点に集光する。各波長の光信号には、後に説明するように、本発明に特徴的な空間位相制御素子８により、所望の位相量が付与される。光信号は、空間位相制御素子８内に配列された各ピクセルに対応するミラーにより反射される。反射された光信号は、ｚ軸方向を往路と同じ光路を、逆方向に入力ポート２へ向かって伝搬し、接続ファイバ１３およびサーキュレータ１１を介して出力ファイバ１２から出力される。

ＡＷＧ１上には、温度検出手段１５が配置されており、ＡＷＧ１の温度を示す温度検出信号が生成される。温度検出信号は、温度補償制御部１６へ供給される。温度補償制御部１６は、例えばＣＰＵおよびメモリなどを含み、温度検出信号に応じて空間位相制御素子８を適切に駆動するように制御を行なう。メモリには、温度に応じた空間位相制御素子８に設定する位相に関するデータを記憶しておくことができる。

温度補償制御部１６からは空間位相制御素子駆動部１７へ、制御信号が供給される。さらに、空間位相制御素子駆動部１７は、空間位相制御素子８に駆動信号を供給して、所定の光信号変調プロファイル、すなわち位相分布が設定される。駆動信号は、空間位相制御素子８の種類に応じて様々な形態の信号であり得る。

本発明においては、空間位相制御素子８に与えられる位相分布によって、分散補償器としての動作が決定される。空間位相制御素子８には、次式で表される２次の位相分布が与えられる。すなわち、空間位相制御素子８と、分光面との交線をｕ軸とすると、位相分布φ（ｕ）は次式で表される。
φ（ｕ）＝ｋ２×（ｕ―ｕ_０）^２ （ｒａｄ） 式（１）
ここで、ｕ_０は、光信号の中心波長光が空間位相制御素子８を照射する位置である。また、ｋ２は係数であり、ｋ２を変更することによって、非特許文献１にもあるように入力光信号に与える分散量を変化させることができる。

図２は、空間位相制御素子に与えられる位相分布の例を示す図である。空間位相制御素子８上には、要素素子すなわちピクセルがｕ軸方向に沿って離散的に配置されている。ピクセルにより与えられる位相の分布は、離散化されている。すなわち、ｉ番目のピクセルの中心座標をｕｉとすると、ｉ番目のピクセルにより与えられる位相はφ（ｕｉ）となる。例えば、ＭＥＭＳ位相変調素子により与えられる位相は、図２に示されるような階段状の分布となる（非特許文献２を参照）。尚、図１のｘ軸は図２のｕ軸に対応していることに留意されたい。

次に、本発明の分散補償器における、空間位相制御素子の位相制御について説明する。

図１に示した分散補償器において、ある波長の光信号に注目すると、ＡＷＧ１からの光信号の出射角度θ_Ａは、次式に示すような温度依存性Δθ_Ａを持つ。

より具体的には、Δθ_Ａ／ΔＴ＝２．８６×１０^−５（ｒａｄ／℃）である。ここで式（２）において、中心波長を１５８７．０４３ｎｍ、アレイ導波路長差Ｌを３０．５４μｍ、アレイ導波路間隔ｄを１２μｍ、群屈折率ｎ_ｇを１．４８、石英ガラスの熱光学定数（ｄｎ／ｄＴ）を１．１×１０^−５としている。

温度が変化すると、上述のＡＷＧ１からの出射角度の温度依存性により、空間位相制御素子上の集光点位置はｘ軸上をシフトする。ここで、集光レンズ７の焦点距離ｆは１００ｍｍである。温度変化幅が５０℃の場合、このシフト量は、ｂ＝０．１４ｍｍとなる。本発明の光信号処理装置においては、空間位相制御素子に設定する位相パターン自体を、上述の集光位置のシフトに連動させて、ｘ軸上で平行移動させる。

図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ本発明の光信号処理装置における空間位相制御素子および位相パターンを説明する図である。ここでは、最も効果的に本願発明が動作するＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）の場合を例として説明する。

ＬＣＯＳとは、ＬＳＩ製造技術を用いて作製された微細な駆動電極ピクセルアレイを有する液晶セルのことである。ＬＣＯＳはピクセルアレイ構造を持つが、駆動電極のみがピクセル化されており、光に位相変化を与える液晶層は連続している。電極を微小ピクセルに加工することは容易である。したがって、ピクセル毎にミラー可動部を持つ前述のＭＥＭＳに比べ、ＬＣＯＳは、狭ピッチ、多ピクセルのものが低コストに製造できる。すなわち、ＬＣＯＳを用いた光信号処理装置によって、本発明の長所をより効果的に発揮できる。ＬＣＯＳのピクセル数を多くすることで、高い波長分解能で広い波長範囲の光信号の位相または強度の制御ができる。

本発明においては温度補償をピクセルを用いて行うため、ピクセルピッチが狭くピクセル数の多いＬＣＯＳを用いて、各信号光に割り当てるピクセル数を多くすることによって、より高精度な温度補償を実現できる。また、駆動電圧パターンのみの変更で温度補償を実現するので、可動部分が一切せず、信頼性、安定性に優れるという特長を持つ。

再び図３Ａにもどると、図３Ａは、ＬＣＯＳタイプの空間位相制御素子８の構造を示した図である。ｘ軸方向に長方形の複数のピクセル（液晶素子）が配置されている。図３Ａには示していないが、各ピクセルには駆動電極が対応し、ピクセルアレイ構造を持っている。図３Ｂは、ＬＣＯＳによって与えられる位相パターンを示した図である。図３Ｂのグラフにおいて、横軸はＬＣＯＳのピクセルの番号を示し、縦軸は各ピクセルにより設定される位相（ｒａｄ）を示している。図３Ｂの横軸は、光信号の波長に対応していることに留意されたい。図３Ａのｘ軸と図３Ｂの横軸（ピクセル番号）とが対応している。また、図３Ａのｘ軸は、図１のＡＷＧによる分光面と信号処理手段との交線に対応している。尚、図面を見やすくするために、図３Ａおよび図３Ｂの横軸の縮尺は一致していない点に留意されたい。また、図３Ｂでは、階段状の表記により個々のピクセルを表現しているが、発明の説明のために、ピクセルの数（ピクセル番号）とは一致させて表記していない点にも留意されたい。

ＬＣＯＳの各ピクセルに入射した光信号に与えられる位相は、直接的には各ピクセルに印加される駆動電圧の関数となる。一般的には、数ボルトの駆動電圧によって、２πｒａｄの位相を光信号に与えることができる。以下では、概念的に分り易く説明するために、実際に制御する駆動電圧の代わりに、駆動電圧によって光信号に与えられる位相を用いて本発明の動作を説明する。

図３Ｂの位相設定では、ＬＣＯＳによって与えられる位相が２π（≒６．２８）を超えるときには、２πの整数倍を差し引いた位相を設定する例を示した。このように２πの整数倍を差し引いても、位相の性質から、同一の位相とみなせる。尚、２πの整数倍を差し引いた位相を設定することは、２πを除数とする剰余の位相を与えることと同じである。

本発明においては、ＡＷＧの温度に応じて、空間位相制御素子により形成される光信号変調プロファイルを変化させる。例えば、位相パターンをφ１からφ２へ変化させる。この時、各ピクセルによって与えられる位相量は、矢印ａのように変化する。上述したように、ＡＷＧの温度変動幅が５０℃の時、集光点位置はｂ＝０．１４ｍｍシフトする。温度補償するためには、φ１からφ２へ位相パターンを同量のｂ＝０．１４ｍｍだけシフトさせる。具体的には、本実施例では、ピクセルピッチが１５μｍなので、９−１０ピクセル分だけ位相パターンをシフトさせることによって、温度補償することができる。

上述の位相パターンを得るためには、各ピクセルの駆動電圧をそれぞれの位相パターンに応じて変化させれば良い。図１における温度検出手段１５により検出した温度情報に基づいて、温度補償制御部１６が、空間位相制御素子駆動部１７を経由してＬＣＯＳの位相パターンを制御することができる。

図３Ｂにおいて、設定する位相をφ１からφ２に変化させる時、光信号に時間的に不連続な位相変化を与えることは好ましくない。これは、位相量が不連続に変化した瞬間に、信号品質が劣化する可能性があるからである。これを回避する為には、位相パターンを１ピクセルずつシフトさせることを、必要なシフト量ｂに達するまで繰り返せば良い。このときの繰り返し周期は、ＬＣＯＳの応答時間より長ければ良い。この駆動方法により、各ピクセルの位相量の不連続な変化を最小限に留めることができる。

上述の駆動方法に依っても、隣り合うピクセルとの位相差が２πである、不連続点となるピクセルにおいては、時間的に２πの不連続な位相変化が生じ得る。しかし本発明では、光信号のビーム径はピクセル間隔よりも大きいので、１ピクセルの不連続な変化は、光信号の位相に部分的な影響しか与えないため、信号劣化は十分小さくなる。本実施例においては、ＬＣＯＳ上の集光ビーム径、すなわち光信号強度がピークのｅ^―２となる直径は５０μｍであり、ＬＣＯＳの信号処理要素素子のピッチ（ピクセルピッチ）は１５μｍである。

光信号処理装置は、一定量の熱容量を持っているので、外気温の変化等の外乱による温度変化は比較的ゆっくりとした有限の速度に留まる。このような場合、集光点位置のシフト量ｂが、隣り合うピクセル間隔に一致する毎に、ＬＣＯＳの位相パターンを１ピクセル分シフトさせる。より具体的に、毎分１０℃の温度変化の場合を考える。この場合、ＡＷＧからある一定の角度で出射される波長は、毎分０．１ｎｍ変化する。ＷＤＭ光信号の波長間隔が０．８ｎｍの時、各光信号に図３Ｂのように線分散方向に３００ピクセルを割り当てている場合、１ピクセルは、波長０．８ｎｍ／３００≒０．００２７ｎｍに相当する。１ピクセル分変化するには、０．００２７nm／０．１ｎｍ／分×６０秒≒１．６秒かかる。一般に、ＬＣＯＳの応答速度は０．１秒以下であるので、１ピクセルずつシフトさせることを繰り返す駆動を行うことは十分に可能である。

温度補償制御方法としては、式（１）を用いてＬＣＯＳ上の集光点の移動量を算出することによって、位相パターンを決定することができる。あるいは、あらかじめ実際に光信号処理装置全体に温度変化を与え、実際の集光点の変動量を実験的に求めて、この変動量をフィッティングして得られる、より複雑な経験式を用いても良い。このような方法を用いると、ＡＷＧの高次の温度係数に基づく温度依存性なども補償することができる。

上述の位相パターンの制御は、複数の離散的な温度点に対してそれぞれＬＣＯＳの駆動条件に関するデータを温度補償制御部に記憶しておくことによって実行できる。このような制御の場合、温度変化に対して離散的に位相パターンが変化するが、光信号処理に必要とされる温度補償の精度に応じて、温度点の間隔を決定すれば良い。あるいは、各温度のデータ間において適切に内挿して補正をしてもよい。また、温度検出手段の温度検出信号に応じて連続的に温度補償制御を行なう他の温度補償方法と、本発明の位相パターンの制御とを組み合わせることもできる。

実際の光信号処理装置においては、ＡＷＧに関わる応力や、光学系の台座なども含めた各部材に温度係数の差があることなど、複数の要因が重畳し影響しあって、光学特性が理論的に予想することが難しい温度依存性を示すこともある。そのような温度依存性は複雑であり、数式等で近似するのが困難である。

このような場合には、光信号処理装置を作製後に実際に光信号処理装置に温度変化を与え、上述の光学系全体の影響によるシフト量ｂを測定する。このシフト量ｂに基づいて、温度無依存化に必要な校正値を算出することができる。各温度における校正値に対応するデータを、温度補償制御部１６に含まれるメモリに記録しておき、この校正データを用いて空間位相制御素子の位相パターンを制御することができる。

上述のような校正方法を用いると、実際の温度変化による評価結果に基づいているため、実際の光信号処理装置の挙動に即した、より確実な温度補償が可能である。

上述の実施形態では、ＡＷＧの温度依存性を温度補償した光信号処理装置として、分散補償器についての応用例を説明した。分散補償器では、空間変調素子の複数の要素素子を変調単位として形成される光信号変調プロファイルにより分散補償性能が規定されるので、本発明のように位相パターンを直接制御することは非常に有用である。しかし、本発明は、分散補償器に限られず、空間変調素子を利用する他の光信号処理装置にも適用可能である。例えば、波長ブロッカにおいては、通常各光信号に対して１つのピクセルを対応させて切り替え動作を行なっている。ここで、各光信号に対して、複数のピクセルを対応させ、制御することによって、本発明を適用することができる。例えば、各光信号に対して１２８個のピクセルを対応させて、所定の温度変動量に応じて、使用するピクセルを１つずつずらしていくなどの制御をすることができる。

これまで述べてきた図１の分散補償器は、空間光学系内に集光レンズを含んでおり、空間位相制御素子上において、光信号が集光する構成であった。この場合、光結合面である空間位相制御素子上におけるビーム径が、要素素子のピクセル繰返し周期よりも大きければ良い。また、本発明は集光レンズを含まない波長選択フィルタなどの光信号処理装置にも適用できる。集光レンズを含まない構成の光信号処理装置の場合でも、ＡＷＧなどの分光素子の分光特性の温度依存性を補償することができる。次に、信号処理素子として空間位相制御素子を用いた、波長選択フィルタの機能をもつ光信号処理装置の例について説明する。

図４は、本発明の実施例２に係る液晶等の空間位相制御素子を用いた波長選択フィルタの構成および動作を説明する図である。本実施例においても、空間位相制御素子としてＬＣＯＳを利用した例を示す。図４を参照すると、異なる波長を有する複数の光信号は、その波長に応じた出射角度でＡＷＧ１からｚ軸方向へ出射する。空間位相制御素子８は、ミラー１４と組み合わせられて波長選択フィルタとして動作する。空間位相制御素子８は、特定の入射角で入射した光信号のみを、同一の方向に反射させることができる可変プリズムとして動作する。空間位相制御素子８の液晶素子の各ピクセルが段階的に異なる位相を与える場合、プリズムと同様な滑らかな位相変化を等価的に与えることができる。

図５は、実施例２におけるＬＣＯＳによって与えられる位相パターンを示した図である。図５のφ１のように、ＬＣＯＳの各ピクセルが等しい位相を与える場合は、ＬＣＯＳは平面ミラーと同じ作用をする。したがって、図４において、ＡＷＧ１より出射し空間位相制御素子（ＬＣＯＳ）８に垂直に入射する光信号、すなわちλ２の光信号は、入射光路方向に反射され、入射光路に沿って逆方向に伝播し、ＡＷＧ１を経由して出力される。これに対し、他の波長の光信号は空間位相制御素子８への入射角が異なるので、反射光は入射光路に沿わず、ＡＷＧ１からは出力されない。よって、図４に示した構成の光信号処理装置は、波長λ２の光信号のみを選択する波長選択フィルタとして動作する。

図５のφ２のように、ＬＣＯＳのピクセルが周期的な１次関数の位相を与える場合は、ＬＣＯＳは傾いたミラーと同等の作用をする。したがって、その傾きと同じ入射角を持った光信号のみを入射光路方向に反射する。その結果φ１の位相特性の説明と同様に、波長λ１の光信号のみを選択する波長選択フィルタとして動作する。

尚、図５では、グラフの階段状の表記により個々のピクセルを表現しているが、本発明の説明のために、横軸のＬＣＯＳのピクセルの番号（数）と階段形状とは一致させて表記していない点に留意されたい。

図４の本実施例においても、実施例１と同様に、ＡＷＧ１上に温度検出手段１５を配置し、ＡＷＧ１の温度を示す温度検出信号を温度補償制御部１６へ供給する。温度補償制御部１６は、温度検出信号に応じて空間位相制御素子８を適切に駆動するように制御を行なう。温度補償制御部１６から空間位相制御素子駆動部１７へ、制御信号が供給される。さらに、空間位相制御素子駆動部１７は、空間位相制御素子８に駆動信号を供給して、所定の光信号変調プロファイル、すなわち位相パターンを設定する。

本波長選択フィルタにおいても、実施例１と同様に、ＡＷＧの出射角度の温度依存性は、式（２）に基づいて求められる。したがって、所望の波長選択フィルタの特性が得られるＡＷＧ１の出射角度および式（２）によって求められる温度依存性Δθ_Ａから、位相パターンを決定すれば良い。具体的には、反射角は、上述のＬＣＯＳの周期的な１次関数の位相パターンの傾きにより決定されるため、反射角がΔθ_Ａだけ変化するように、周期的な１次関数の位相パターンの傾きを変化させることによって、波長選択フィルタの特性を温度無依存化できる。

上述のように、ＬＣＯＳのような複数の要素素子（ピクセル）から構成される空間変調素子において、光信号を変調する機能を持つ要素素子に対し、温度変動に応じて光信号変調プロファイルを変化させるように制御ができれば、どのようなタイプの光信号処理装置にも本発明は適用可能である。

実施例１では、１つの光信号を処理する構成を示したが、ＷＤＭ光信号の波長帯域（すなわち、隣り合う光信号の波長間隔×光信号数）以上のＦＳＲ（Free Spectral Range）を有するＡＷＧを用いて、ＬＣＯＳ上で複数の光信号を同時に制御可能な分散補償器を構成することもできる。各光信号の制御を独立して行なうことができるので、各々の光信号に対し、本発明による温度補償を全く同様に適用することができる。

実施例１では、ＬＣＯＳ構成によって光信号を反射する分散補償器を例に示したが、ガラス基板で構成される液晶素子を利用した分散補償器にも同様に適用できる。この場合、液晶素子は、光を透過させる利用方法でも反射させる利用方法でも良い。

さらに、図１に示したような、ＬＣＯＳを空間位相制御素子として用いる分散補償器のみならず、可変光減衰器として用いる波長ブロッカ（Wavelength Blocker：以下ＷＢと略記）、あるいはＬＣＯＳを光偏向器として用いる光選択スイッチ（Wavelength Selective Switch：以下ＷＳＳと略記）を構成することもできる。本発明の構成または方法によれば、液晶素子やＬＣＯＳを用いたＷＢやＷＳＳに対しても、上述の実施例と全く同様に、温度無依存化を実現することができる。空間変調素子は、光信号に対してその位相もしくは振幅または両方に対して変調などの信号処理を行なうことのできるものであれば良いことに留意されたい。

以上、空間位相制御素子としてＬＣＯＳおよび液晶を用いた例を説明したが、本発明は変調単位として光ビーム径よりも細かい複数の要素素子を持つ信号処理素子を用いている点に特徴がある。ＬＣＯＳのような空間位相制御素子が好適であるが、これだけに限られず、他のタイプの空間位相制御素子を用いても全く同様な効果が得られる。そのような空間位相制御素子として、例えばＭＥＭＳミラー素子がある。

また、上述の実施例１および実施例２では、分光手段としてＡＷＧの場合を例として説明したが、分光手段としてプリズムやグレーティングを用いた場合でも本発明の効果が得られる。

以上、詳細に述べたように、本発明によれば、空間変調素子の構成単位により形成される光信号変調プロファイルを直接制御することによって、光信号処理装置の特性の温度無依存化を、より簡単で低コストな方法で実現できる。また、実際の光信号処理装置に温度変化を与えて求めた校正データは、光学系全体における複雑な温度変動要因をすべて含んでいるため、そのような校正データを用いることによって、より確実な温度補償をすることもできる。

光通信に使用される光信号処理装置に利用できる。分散補償器をはじめ、波長イコライザ、波長可変フィルタ、波長ブロッカなどへの応用が可能である。

Claims (10)

1. 入力光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理をする光信号処理装置において、
   前記入力光信号を分光面内において光信号の波長に応じた角度で出射することにより、前記入力光信号を異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
   前記分光手段から出射した前記光信号を変調する信号処理手段であって、前記分光面との交線方向に配置された複数の信号処理要素素子を含み、前記複数の信号処理要素素子の各々は前記光信号への変調量が制御可能である信号処理手段と、
   前記分光手段または前記分光手段を含む光学系の温度を検出して、温度検出信号を供給する温度検出手段と、
   前記温度検出信号に基づいて、前記複数の信号処理要素素子により形成される光信号変調プロファイルを制御する温度補償制御部と
   を備え、前記分光手段または前記分光手段を含む光学系の温度依存性に起因する、前記信号処理手段の前記交線上における光信号の位置または前記交線上への入射角度の温度変動に追従するように、前記光信号変調プロファイルが制御されることを特徴とする光信号処理装置。
2. 前記分光手段および前記信号処理手段の間の光路中に、前記分光された光信号を前記信号処理手段の光信号集光面上に集光させる集光手段をさらに備え、前記信号処理要素素子の配列ピッチは、前記集光手段により集光された光信号のビーム径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
3. 前記信号処理手段の前記信号処理要素素子は、光信号の強度を変調する空間強度変調素子であり、前記温度補償制御部により、前記温度検出信号に応じて強度変調パターンが設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
4. 前記信号処理手段の前記信号処理要素素子は、光信号に所定の位相を付与できる空間位相変調素子であり、前記温度補償制御部により、前記温度検出信号に応じて位相パターンが設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
5. 前記光信号処理装置は、前記信号処理手段として空間位相変調器を利用した分散補償器であることを特徴とする請求項１、２または４いずれかに記載の光信号処理装置。
6. 前記光信号変調プロファイルとして、前記交線方向の座標軸に対して２次関数、または２πを除数とし２次関数を被除数とする剰余の位相パターンが与えられ、
   前記交線方向に、前記温度検出信号に対応した距離だけ前記位相パターンを移動させるように前記複数の信号処理要素素子を制御することを特徴とする請求項５に記載の光信号処理装置。
7. 前記光信号処理装置は、各光信号に、複数の前記信号処理要素素子を割り当て、前記信号処理手段として空間強度変調器を利用した波長ブロッカであることを特徴とする請求項２乃至４いずれかに記載の光信号処理装置。
8. 前記光信号処理装置は、前記信号処理手段として空間位相変調器を利用した波長選択フィルタであることを特徴とする請求項１または４に記載の光信号処理装置。
9. 前記温度補償制御部は、前記温度検出手段によって検出された前記分光手段または前記分光手段を含む光学系の温度に対応した前記光信号変調プロファイルとなるよう制御するためのデータを記憶する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の光信号処理装置。
10. 前記分光手段は、ＡＷＧであり、前記信号処理手段は、液晶素子、ＭＥＭＳまたは光学結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の光信号処理装置。

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