JP5149952B2

JP5149952B2 - 光可変フィルタ装置及びそのフィルタ特性制御方法

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Description

本発明は光通信分野、光分光分析分野などに用いられる光可変フィルタ装置及びそのフィルタ特性制御方法に関するものである。

光可変フィルタは光通信分野、分光分析分野に代表されるように、現在広く利用されている。特に光通信分野では近年の伝送容量需要に応えるべく、高伝送レート化、新規変調フォーマットが盛んに研究開発されており、光ネットワークも複雑化している。このような光ネットワークにおいては、光信号のうち所望の波長の光を変化させることができる光可変フィルタが用いられる。例えば特許文献１には周波数選択素子として２次元の反射型ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）の液晶素子（以下、ＬＣＯＳ素子という）を用いた光可変フィルタが示されている。

一方、近年の伝送容量需要に応えるべく、伝送レートの高速化、新規変調フォーマットが盛んに研究開発されており、光ネットワークも複雑化している。このような光ネットワークにおいては、各光信号の伝送レートや変調フォーマットに対し最適なフィルタリングを実現するため、従来の周波数選択機能に加え、光周波数レベルでのフィルタ中心周波数、及びパスバンドの動的制御機能が求められている。

ＵＳ２００６／００６７６１１Ａ１

光可変フィルタ装置においては、光周波数レベルでのフィルタの中心周波数の制御、及び各光信号の伝送レートや変調フォーマットに対し最適なパスバンドとなるように変化させる機能が求められている。中心周波数やパスバンドを可変するためには、光の周波数に応じて異なる方向に光を分散させ、多数の画素を有する周波数選択素子に入射し、画素毎に透過率をオン／オフ制御することが考えられる。

しかしながら、周波数の分解能は、１画素に割り当てられる周波数に制限される。この割当て周波数は周波数選択素子の平面上の単位長当りの周波数である逆線分散量Ｄと周波数分散方向の画素の幅ｄとの積（Ｄ・ｄ）で決まる。そのため周波数選択特性を高分解能化するためには、画素幅を縮小するか、もしくは逆線分散量を小さくすることが必要であり、装置が大型化したり、画素数を多くした周波数選択素子が必要になるという問題点があった。そこで、装置の大型化、及び周波数選択素子の精細化を必要とせず、周波数の分解能を高めることが望まれていた。

本発明はこのような従来の光可変フィルタ装置の問題点に鑑みてなされたものであって、装置の大型化、周波数選択素子の細密化を必要とせず、周波数選択の分解能を高め、連続的にフィルタ特性を変化できるようにすることを技術的課題とする。

この課題を解決するために、本発明の光可変フィルタ装置は、光を入射し、入射光のうち選択された周波数の光を出射する入出射部と、前記入出射部に入射した光をその周波数に応じて空間的に分散させると共に、反射光を合波する周波数分散素子と、前記周波数分散素子によって分散した光を２次元平面に平行に集光する集光素子と、前記集光素子によって集光された光を受光する位置に配置され、少なくとも周波数分散方向に配列された多数の画素を有し、各画素の反射特性を変化させることにより所望の周波数選択特性を得る周波数選択素子と、前記周波数選択素子の各画素の電極を駆動することによって入射光の周波数毎に透過特性を少なくとも４階調以上の階調で階調制御する周波数選択素子駆動部と、を具備するものである。

この課題を解決するために、本発明の光可変フィルタ装置は、光を入射する入射部と、前記入射部より入射した光をその周波数に応じて空間的に分散させる周波数分散素子と、前記周波数分散素子によって分散した光を２次元平面上に集光する第１の集光素子と、前記第１の集光素子によって集光された光を受光する位置に配置され、少なくとも周波数分散方向に配列された多数の画素を有し、各画素の透過特性を変化させることにより任意の周波数の光を選択する周波数選択素子と、前記周波数選択素子の各画素の電極を駆動することによって入射光の周波数毎に光透過特性を少なくとも４階調以上の階調で階調制御する周波数選択素子駆動部と、前記周波数選択素子を透過した各周波数の光を集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子によって集光された分散光を合成する周波数合成素子と、前記周波数合成素子によって合成された光を出射する出射部と、を具備するものである。

ここで前記周波数選択素子は、周波数分散方向の画素幅を入射光の周波数分散方向のビーム半径より小さくするようにしてもよい。

ここで前記周波数選択素子は、少なくとも１次元に配列された多数の画素を有するＬＣＯＳ素子であり、前記周波数選択素子駆動部は、周波数選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものとしてもよい。

ここで前記周波数選択素子は、少なくとも１次元に配列された多数の画素を有する液晶素子であり、前記周波数選択素子駆動部は、周波数選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものとしてもよい。

ここで前記周波数選択素子は、少なくとも１次元に配列された多数の画素を有するＭＥＭＳ素子であり、前記周波数選択素子駆動部は、周波数選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものとしてもよい。

この課題を解決するために、本発明の光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法は、入射光の各周波数について、各周波数に対応する前記周波数選択素子の少なくとも１つの画素から成る画素群を介して出射される入出射光の比率を当該画素群の透過率とするとき、所望の連続した画素群を光透過状態とし、透過周波数範囲の画素群のうち端部の画素群に隣接する少なくとも１つの第１の制御画素群、及び前記通過周波数帯域の他方の端部の画素群に隣接する少なくとも１つの第２の制御画素群の透過率を同時に徐々に上昇させることによってバンド幅を拡大するものである。

この課題を解決するために、本発明の光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法は、入射光の各周波数について、各周波数に対応する前記周波数選択素子の少なくとも１つの画素から成る画素群を介して出射される入出射光の比率を当該画素群の透過率とするとき、所望の連続した画素群を光透過状態とし、前記透過周波数範囲の画素群のうち端部の少なくとも１つの第１の制御画素群、及び前記通過周波数帯域の他方の端部の少なくとも１つの第２の制御画素群の透過率を同時に徐々に低下させることによってバンド幅を縮小するものである。

この課題を解決するために、本発明の光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法は、入射光の各周波数について、各周波数に対応する前記周波数選択素子の少なくとも１つの画素から成る画素群を介して出射される入出射光の比率を当該画素群の透過率とするとき、所望の連続した画素群を光透過状態とし、透過周波数範囲の画素群のうち周波数変化の方向の端部の画素群に隣接する少なくとも１つの第１の制御画素群の光透過率を徐々に上昇させ、前記透過周波数範囲の他方の端部の画素群の少なくとも１つの第２の制御画素群の透過率を、徐々に減少させることによって透過周波数範囲の中心周波数を周波数軸に沿って変更するものである。

このような特徴を有する本発明によれば、周波数分散させた光を分散方向に配列した複数の画素に対応させると共に、画素の透過率を連続的に階調制御している。このため装置の大型化、及び周波数選択素子の高精細化を必要とせず、周波数の分解能を高めることができる。これにより高分解能でパスバンド幅を変化させたり、パスバンドの中心周波数を変化させることができるという効果が得られる。

図１Ａは本発明の第１の実施の形態による反射型の光可変フィルタ装置のｘ軸方向から見た光学的な配置を示す図である。図１Ｂは本発明の第１の実施の形態による反射型の光可変フィルタ装置のｙ軸方向からの光学的な配置を示す図である。図２Ａは本発明の第２の実施の形態による透過型の光可変フィルタ装置のｘ軸方向から見た光学的な配置を示す図である。図２Ｂは本発明の第２の実施の形態による透過型の光可変フィルタ装置のｙ軸方向からの光学的な配置を示す図である。図３Ａは本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置に用いられる２次元の周波数選択素子を示す図である。図３Ｂは本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置に用いられる１次元の周波数選択素子を示す図である。図４Ａは本発明の第１の実施の形態に用いられるＬＣＯＳ素子の変調方式の一例を示す図である。図４Ｂは本発明の第１の実施の形態に用いられるＬＣＯＳ素子の変調方式の他の例を示す図である。図５は本発明の第１の実施の形態によるＭＥＭＳ素子の１画素を示す図である。図６Ａは本発明の第２の実施の形態に用いられるＬＣＯＳ素子の変調方式の一例を示す図である。図６Ｂは本発明の第２の実施の形態に用いられるＬＣＯＳ素子の変調方式の他の例を示す図である。図７Ａは本発明の第１，第２の実施の形態においてバンドパスフィルタのバンド幅を広くする場合の制御方法を示す図である。図７Ｂは本発明の第１，第２の実施の形態においてバンドパスフィルタのバンド幅を狭くする場合の制御方法を示す図である。図８は本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置のバンド幅の変化の例を示す図である。図９は本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置のバンド幅の変化量の例を示す図である。図１０は本発明の第１，２の実施の形態による光可変フィルタ装置の透過率を変化させるビット数に対する周波数分解能の一例を示す図である。図１１Ａは本発明の第１，第２の実施の形態においてバンドパスフィルタの中心周波数を上昇させる場合の制御方法を示す図である。図１１Ｂは本発明の第１，第２の実施の形態においてバンドパスフィルタの中心周波数を低下させる場合の制御方法を示す図である。図１２Ａは本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置の中心周波数の上昇の例を示す図である。図１２Ｂは本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置の中心周波数の低下の例を示す図である。図１３は本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置の中心周波数の上昇の例を示す図である。図１４はバンド幅の変化しない状態を示すグラフである。図１５Ａはγ＝２．７の場合に制御画素群の透過率を変化させたときの中心周波数の変化と透過率との関係を示すグラフである。図１５Ｂはγ＝１．８の場合に制御画素群の透過率を変化させたときの中心周波数の変化と透過率との関係を示すグラフである。図１５Ｃはγ＝１．２の場合に制御画素群の透過率を変化させたときの中心周波数の変化と透過率との関係を示すグラフである。図１５Ｄはγ＝１．０の場合に制御画素群の透過率を変化させたときの中心周波数の変化と透過率との関係を示すグラフである。図１５Ｅはγ＝０．５の場合に制御画素群の透過率を変化させたときの中心周波数の変化と透過率との関係を示すグラフである。図１５Ｆはγ＝０．２５の場合に制御画素群の透過率を変化させたときの中心周波数の変化と透過率との関係を示すグラフである。

（第１の実施の形態）
図１Ａは本発明の第１の実施の形態による反射型の光可変フィルタ装置の光学素子の構成を示すｘ軸方向から見た側面図、図１Ｂはそのｙ軸方向から見た側面図である。入射光は例えば周波数ｆ₁〜ｆ_nの光信号が多重化されたＷＤＭ信号光とする。ＷＤＭ光は光ファイバ１１を介してコリメートレンズ１２より出射される。又コリメートレンズ１３に入射した光は光ファイバ１４より外部に出射される。コリメートレンズ１２より出射する光はｚ軸方向に平行であり、周波数分散素子１５に入射される。周波数分散素子１５は光をその周波数に応じてｘｚ平面上での異なった方向に分散するものである。ここで周波数分散素子１５としては回折格子であってもよく、又プリズム等を用いてもよい。又回折格子とプリズムを組み合わせた構成でもよい。こうして周波数分散素子１５で分散された光は集光素子であるレンズ１６に与えられる。レンズ１６はｘｚ平面上で分散した光をｚ軸方向に平行に集光する集光素子であって、集光した光は周波数選択素子１７に垂直に入射される。

尚ここでは図１Ｂに最低周波数ｆ₁及び最高周波数ｆ_nの光を例示しているが、入射光は周波数ｆ₁〜ｆ_nまでの間で多数のスペクトルを有するＷＤＭ信号光であるので、ｘｚ平面に沿って展開されたＷＤＭ信号光が帯状に周波数選択素子１７に加わる。周波数選択素子１７は入射光を選択的に反射するものであり、その反射特性に応じて光フィルタの選択特性が決定されるが、詳細については後述する。周波数選択素子１７によって反射された光は、同一の経路を通ってレンズ１６に加わり、再び周波数分散素子１５に加わる。周波数分散素子１５は反射光を合波して元の入射光と同一方向に集束し、集束した光をコリメートレンズ１３を介して光ファイバ１４より出射する。ここで光ファイバ１１，１４とコリメートレンズ１２，１３は光を入射し、選択された光を出射する入出射部を構成している。

尚この実施の形態では入射光と出射光の光軸を分離しているが、光軸を共通とし、入出射光を同一のファイバに導き、サーキュレータによって入出射光を分離して夫々の光ファイバ１１，１４に導くようにしてもよい。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態による透過型の光可変フィルタ装置について説明する。図２Ａは本発明の第１の実施の形態による透過型の光可変フィルタ装置の光学素子の構成を示すｘ軸方向から見た側面図、図２Ｂはそのｙ軸方向から見た側面図である。図２Ａにおいても入射光は第１の実施の形態で説明したＷＤＭ信号であり、光ファイバ２１からコリメートレンズ２２に入射され、平行な光ビームとして第１の周波数分散素子２３に与えられる。光ファイバ２１、コリメートレンズ２２はＷＤＭ信号光を入射する入射部を構成している。周波数分散素子２３は周波数分散素子１５と同様に、回折格子やプリズムもしくは回折格子とプリズムの組み合わせにより実現することができる。周波数分散素子２３は図２Ｂに示すように光の周波数に応じてｘｚ平面上で異なった方向に光を出射するものである。この光はいずれもレンズ２４に入射される。レンズ２４はｘｚ平面上で分散した光をｚ軸方向に平行に集光する第１の集光素子である。又レンズ２４の光軸に垂直に周波数選択素子２５が配置される。周波数選択素子２５は入射光を部分的に透過するものであり、詳細については後述する。周波数選択素子２５を透過した光はレンズ２６に入射される。レンズ２４、周波数分散素子２３とレンズ２６、周波数合成素子２７は周波数選択素子２５の中心のｘｙ面に対して面対称である。レンズ２６はｘｚ平面上の平行な光を集光する第２の集光素子であり、周波数合成素子２７は異なった方向からの周波数成分の光を合成して出射するものである。周波数合成素子２７によって合成された光はコリメートレンズ２８を介して光ファイバ２９に与えられる。コリメートレンズ２８及び光ファイバ２９は、選択された周波数の光を出射する出射部を構成している。

（周波数選択素子の構成）
次にここで第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置に用いられる周波数選択素子１７，２５について説明する。第１，第２の実施の形態において、入射光を周波数に応じてｘｚ平面上で分散させ、帯状の光として周波数選択素子１７，２５に入射したとき、その入射領域は図３Ａに示す長方形状の領域Ｒであるとする。そして第１の実施の形態の光可変フィルタ装置では、反射させる画素を選択することによって、任意の周波数の光を選択することができる。第２の実施の形態の光可変フィルタ装置では、透過させる画素を選択することによって、任意の周波数の光を選択することができる。周波数選択素子１７，２５には設定部３０がドライバ３１を介して接続されている。設定部３０はｘｙ平面の光を反射又は透過する画素を選択周波数に合わせて決定するものである。ドライバ３１は入力されたデジタル信号を画素に印加する電圧に変換するＤ／Ａ変換器を含んでいる。設定部３０とドライバ３１は周波数選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動することによってｘ軸及びｙ軸方向の所定の位置の画素の特性を制御する周波数選択素子駆動部を構成している。

次に周波数選択素子１７の具体例について説明する。周波数選択素子１７の第１の例は、２次元の反射型ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）の液晶素子（以下、ＬＣＯＳ素子という）１７Ａ１とする。２次元ＬＣＯＳ素子１７Ａ１は各画素の背面に液晶変調ドライバを内蔵しているため、画素数を多くすることができ、例えば1000×1000の多数の格子状の画素から構成することができる。ＬＣＯＳ素子１７Ａ１では各周波数毎に異なる位置に光ビームが入射するので、その位置の画素を反射状態とすればその周波数の光を選択することができる。

ここでＬＣＯＳ素子１７Ａ１における変調方式の１つである位相変調方式について説明する。図４ＡはＬＣＯＳ素子１７Ａ１を示す概略図であり、光が入射する面からｚ軸に沿って透明電極４１，液晶４２及び背面反射電極４３を積層して構成されている。ＬＣＯＳ素子１７Ａ１は図３Ａに示すように、１つの周波数に相当する位置にｙ軸方向に複数の画素が対応しているため、これらの複数画素について透明電極４１と背面反射電極４３との間に電圧を印加することによって屈折率の凹凸を形成し、回折現象を発現することができる。そして各周波数成分の回折角を夫々独立に制御し、特定周波数の入力光をそのまま入射方向に反射させたり、他の周波数成分の光を不要な光として回折させ、入射方向とは異なった方向に光を反射させることができる。そして各画素に印加する電圧をアナログ的に制御することによって、必要な画素を反射状態から非反射状態まで反射率を連続して階調制御することができる。そしてｘ軸方向で任意の画素を反射状態とすれば、入射光の任意の周波数の光を選択することができる。ここで各周波数成分についての反射率の制御は単なるオンオフ制御ではなく、少なくとも４階調以上に制御するものとする。

次にＬＣＯＳ素子１７Ａ１の他の変調方式である強度変調方式について説明する。図４Ｂは強度変調方式による周波数選択方法を示す図であり、入射光の入射する面には偏光子４４を配置する。偏光子４４は入射光を図中○で示す特定の偏光状態にして反射型のＬＣＯＳ素子１７Ａ１に入射する。この場合にもＬＣＯＳ素子１７Ａ１は透明電極４１，液晶４２及び背面反射電極４３によって構成される。ＬＣＯＳ素子１７Ａ１に光を入射すると、電圧の印加状態によって電極間の液晶の複屈折率差を制御することができる。強度変調方式では図３Ａのｙ軸方向に並んでいる画素に同時に同一の電圧を印加するものとし、印加する画素の偏光状態を制御することにより反射光の偏光状態を異ならせることができる。ここで液晶分子の配向成分によって電圧を制御したときに偏光面が回転するか保持されるかが決定される。例えば電圧を印加しない場合に偏光面が保持されるとすると、図中○状態で示す光がそのまま反射することとなる。一方電圧を印加すれば偏光面が回転して反射するため、反射光は偏光子４４によって遮蔽される。従って画素に加える電圧をアナログ的に制御して入射光を反射状態から非反射状態まで反射率を連続して階調制御することができる。そしてｘ軸方向で任意の画素を反射状態とすれば、入射光の任意の周波数の光を選択することができる。この場合も各周波数成分について反射率の制御は単なるオンオフ制御ではなく、少なくとも４階調以上に制御するものとする。

またこの周波数選択素子１７の第２の例として、ＬＣＯＳ構造ではない反射型の２次元電極アレイを有する液晶素子１７Ａ２について説明する。ＬＣＯＳ素子の場合には画素の背面に液晶ドライバが内蔵されているが、２次元電極アレイ液晶素子１７Ａ２は液晶変調用のドライバが素子の外部に装備されている。その他の構成はＬＣＯＳ素子と同様であり、前述した位相変調方式と強度変調方式を実現することができる。又画素について電圧レベルをアナログ的に変化させることによって反射率を連続して階調制御することができる。

周波数選択素子１７の第３の例として２次元のＭＥＭＳ素子１７Ａ３について説明する。多数のＭＥＭＳミラーが２次元に配置されたＭＥＭＳ素子は、デジタルマイクロ素子（ＤＭＤ）として実用化されている。ＭＥＭＳミラーのｙ軸方向の１列の全画素はＷＤＭ信号のある光周波数に対応させるものとする。ＭＥＭＳを用いた場合も１つの周波数帯に対して複数のＭＥＭＳ素子の画素を対応付けているので、１つの周波数に対応する多数の画素に印加する電圧を制御し位相変調することによって、その反射率を異ならせることができる。又図５に示すようにＭＥＭＳ素子の各画素をｘ軸又はｙ軸を中心に回転させることによって強度変調を行い、各画素に印加する電圧レベルのミラーの角度を制御することができ、反射率光量を任意に設定することができる。従ってこの場合にも選択する周波数帯の光の強度レベルを階調制御することができる。

次に周波数選択素子１７の第４の例として、１次元のＬＣＯＳ素子１７Ｂ１について説明する。この周波数選択素子１７Ｂ１は図３Ｂに示すようにｘ軸方向に多数の細長い画素が配置されたＬＣＯＳ素子とし、ｘ軸に沿って周波数に応じて分散されたＷＤＭ光が入射する。この場合も設定部３２とドライバ３３は周波数選択素子１７のｘ軸方向に配列された各画素の電極を駆動することによってｘ軸方向の所定の位置の画素の特性を制御する周波数選択素子駆動部を構成している。ＬＣＯＳ素子１７Ｂ１は設定部３２よりドライバ３３を介してを駆動される。この場合には前述した位相変調方式は使えず、強度変調方式のみで周波数を選択するものとする。

周波数選択素子１７の第５の例として、反射型の１次元電極アレイを有する液晶素子１７Ｂ２を用いることができる。この場合も位相変調方式は使えず、強度変調方式のみで周波数を選択するものとする。

更に周波数選択素子１７の第６の例として、反射型の１次元ＭＥＭＳミラー素子１７Ｂ３を用いることができる。この場合も強度位相変調方式は使えず、強度変調方式のみで周波数を選択するものとする。

次に第２の実施の形態の波長可変フィルタ装置で用いる透過型の周波数選択素子２５について説明する。この周波数選択素子２５の第１の例としては透過型の２次元ＬＣＯＳ素子２５Ａ１を用いて構成することができる。ＬＣＯＳ素子２５Ａ１においても各周波数毎に異なる位置に光ビームが入射するので、その位置の画素を透過状態とすればその光信号を選択することができる。

ここでＬＣＯＳ素子２５Ａ１における変調方式の１つである位相変調方式について説明する。図６ＡはＬＣＯＳ素子を示す概略図であり、光が入射する面からｚ軸に沿って透明電極５１，液晶５２及び透明電極５３を積層して構成されている。ＬＣＯＳ素子２５Ａ１は１つの周波数に相当する位置にｙ軸方向に複数の画素が対応しているため、これらの複数画素について透明電極５１と透明電極５３との間に電圧を印加することによって屈折率の凹凸を形成し、回折現象を発現することができる。そして各周波数成分の回折角を独立に制御し、特定周波数の入力光をｚ軸方向に直進させてそのまま透過させたり、他の周波数成分の光を不要な光として回折させ、ｚ軸方向とは異なった方向に光を回折させることができる。このため各画素に印加する電圧を制御することによって、必要な画素を回折させずに透過状態とすることができる。ここで各周波数成分についての透過率の制御は単なるオンオフ制御ではなく、少なくとも４階調以上に制御するものとする。

次にＬＣＯＳ素子の他の変調方式である強度変調方式について説明する。図６Ｂは強度変調方式による波長選択方法を示す図であり、入射光の入射する面には偏光子５４を配置する。偏光子５４は入射光を図中○で示す特定の偏光状態にしてＬＣＯＳ素子２５Ａ１に入射する。この場合にもＬＣＯＳ素子は透明電極５１，液晶５２及び透明電極５３によって構成される。ＬＣＯＳ素子を透過した出射光の光軸上には偏光子５５を配置する。偏光子５５は入射光を図中○で示す特定の偏光状態の光のみを出射するものである。ＬＣＯＳ素子に光を入射すると、電圧の印加状態によって電極間の液晶の複屈折率差を制御することができる。従って印加する電圧の偏光状態を独立に制御することにより透過光の偏光状態を異ならせることができる。ここで液晶分子の配向成分によって電圧を制御したときに偏光面が回転するか保持されるかが決定される。例えば電圧を印加しない場合に偏光面が保持されるとすると、図中○状態で示す光がそのまま透過することとなる。一方電圧を印加すれば偏光面が回転して透過するため、透過光は偏光子５５によって遮蔽される。従って画素に加える電圧を制御して入射光を選択することができる。ここで任意の画素を透過状態とすれば、その画素に対応する周波数の光を選択することができる。この場合も各周波数成分について透過率の制御は単なるオンオフ制御ではなく、少なくとも４階調以上に制御するものとする。

またこの周波数選択素子２５の第２の例として、ＬＣＯＳ構造ではない透過型の２次元電極アレイを有する液晶素子２５Ａ２を用いることができる。ＬＣＯＳ素子の場合には画素の背面に液晶ドライバが内蔵されているが、２次元電極アレイ液晶素子２５Ａ２は液晶変調用のドライバが素子の外部に装備されている。その他の構成はＬＣＯＳ素子と同様であり、前述した位相変調方式と強度変調方式を実現することができる。又画素について電圧レベルをアナログ的に変化させることによって透過率を連続して階調制御することができる。

次に周波数選択素子２５の第３の例として、１次元のＬＣＯＳ素子２５Ｂ１について説明する。この周波数選択素子２５Ｂ１は図３Ｂに示すようにｘ軸方向に多数の細長い画素が配置された透過型のＬＣＯＳ素子とし、ｘ軸に沿って周波数に応じて分散されたＷＤＭ光が入射する。この場合も設定部３２とドライバ３３は周波数選択素子のｘ軸方向に配列された各画素の電極を駆動することによってｘ軸方向の所定の位置の画素の特性を制御する周波数選択素子駆動部を構成しており、設定部３２よりドライバ３３を介してＬＣＯＳ素子２５Ｂ１を駆動する。この場合には前述した位相変調方式は使えず、強度変調方式のみで周波数を選択するものとする。

周波数選択素子２５の第４の例として、透過型の１次元電極アレイを有する電極アレイ液晶素子２５Ｂ２を用いることができる。この場合も位相変調方式は使えず、強度変調方式のみで周波数を選択するものとする。

（バンド幅変更）
次に本発明の第１，第２の実施の形態による光可変フィルタ装置の周波数制御の詳細について説明する。尚、以下の説明では、第１の実施の形態のように反射型の光可変フィルタ装置であっても入射光の一部が周波数選択素子の各画素で反射されて出力側に戻ってくるため、これを透過率として考えて説明するものとする。又以下の説明では２次元周波数選択素子であっても同一の周波数に相当する画素、即ちｘの座標が共通する全ｙ軸に沿った画素は全てまとめて１つの画素群と考える。即ち周波数選択素子は、ｘ軸方向に画素群Ｐ₁〜Ｐ_mが配置されているものとして説明する。尚１次元の周波数選択素子については１つの画素がこの画素群に相当する。この画素群Ｐ₁〜Ｐ_mは夫々個別の透過率を有する。

最初の状態は画素群Ｐ_i+1〜Ｐ_i+k（１＜＝ｉ，ｋ＜＝ｍ）の透過率を１とし、その他の画素群の透過率を０とする。こうすれば透過率が１の周波数帯を通過するバンドパスフィルタとなる。ここでバンド幅を拡大する場合には、その両端に隣接する画素群の透過率を同時に連続して上昇させる。このように透過率を変化させる画素群を制御画素群といい、Ｐ_i，Ｐ_i+k+1を夫々第１，第２の制御画素群とする。図７は横軸を周波数とし、縦軸を周波数選択素子の画素群の透過率としたグラフである。このグラフに示すように制御画素群Ｐ_iとＰ_i+k+1の透過率をアナログ的に連続して変化させる。例えば図８に示すように制御画素群Ｐ_iとＰ_i+k+1の透過率を０から１まで同時に０．２５単位で上昇させたときの曲線をＡ〜Ｅとすると、透過率が０〜１まで透過率を連続して同時に上昇させれば、バンド幅もこれに伴って広げることができる。尚、図８は５０ＧＨｚのチャンネル間幅のＷＤＭ信号に用いる光フィルタにおいて、以下の条件を満たす場合の一例である。
（１）周波数選択素子の平面上の線分散量、即ち１ＧＨｚ当りの画素上の幅を２．８９μｍ／ＧＨｚとし、
（２）光ビーム半径ｗを２２．６μｍとし、
（３）周波数選択素子上の周波数分散方向の画素幅を８．５μｍとし、
（４）高周波側と低周波側の制御画素群を夫々１つとする。
この例では透過特性は曲線Ａ〜Ｅに示すように、中心周波数±２５ＧＨｚのバンド幅から±２８ＧＨｚにまで変化する。このように両端の画素群の透過率を連続的に上昇させれば、バンド幅を連続的に広くすることができる。

又図９は制御画素群の透過率と−３ｄＢのバンド幅及び−０．５ｄＢのバンド幅を示しており、ほぼ制御画素群の透過率に比例してバンド幅は広くなっていることがわかる。

次に前述した初期状態から、バンドパスフィルタを構成する画素群Ｐ_i+1〜Ｐ_i+kのうち、両端の一対の画素群Ｐ_i+1，Ｐ_i+k（第１，第２の制御画素群）の透過率を図７Ｂに示すように１から０まで徐々に減少させれば、バンド幅を縮小させることができる。

このように所定バンド幅の高周波側と低周波側の一対の画素群の透過率を連続して同一方向に変化させることによって、バンドパスフィルタのバンド幅を広げたり縮小することができる。両側の制御画素群数はここでは夫々１つとしているが、これには限らず、複数の画素群を同時に制御することでバンドパスフィルタのフィルタのスロープ特性を変化させることができる。又パスバンドの可変幅を２画素群に相当する周波数以上にする場合には、制御画素群を順次隣接する画素にシフトさせることでパスバンドの可変幅を無制限に且つ連続して制御することが可能となる。

ここで周波数選択素子の周波数分解能は素子に印加される電圧によって決定される。強度変調方式では電圧の階調、即ちドライバ３１又は３３に含まれるＤ／Ａ変換器のビット数は直接分解能に対応する。図１０は強度変調の場合に入力するビット数に対する設定可能な分解能を示している。この場合も条件は前述した（１）〜（４）とする。本図より知られるようにビット数を１３以上とすることによってＭＨｚ単位の周波数制御も可能となる。

（中心周波数シフト）
次にバンドパスフィルタの中心周波数をシフトする制御方法について説明する。まず画素群Ｐ_i+1〜Ｐ_i+kの透過率が１、他は全て０とし、画素群Ｐ_i+1〜Ｐ_i+kに入射する光の周波数の範囲のバンドパスフィルタを構成しているものとする。ここでパスバンドを高周波側にシフトする場合には、図１１に示すように最も高い周波数の画素群Ｐ_i+kに隣接する画素群Ｐ_i+k+1（第１の制御画素群）の透過率を徐々に上昇させると共に、最も低い周波数の画素群Ｐ_i+1（第２の制御画素群）の透過率を下げる。このとき制御画素群Ｐ_i+1とＰ_i+k+1の透過率の合計が１となるように連続的に変化させる。こうすれば制御画素群Ｐ_i+1の透過率が１から０まで０．２５単位で低下するときの曲線をＡ〜Ｅとすると、図１２Ａ，図１３に示すようにバンドパスフィルタの中心周波数を連続的に高くすることができる。このとき制御画素群の透過率変化量の合計を０としておけば、図１４に示すようにバンド幅が変化することはない。

次に前述した初期状態からフィルタの中心周波数を低下させる制御方法について説明する。この場合には、変化方向にある低周波側の画素群Ｐ_i+1（第１の制御画素群）に隣接する画素群Ｐ_iの透過率を上昇させ、高周波側の画素群Ｐ_i+k（第２の制御画素群）の透過率を低下させるように連続的に制御する。ここで図１１Ｂは２つの両側の制御画素群Ｐ_i，Ｐ_i+kの透過率の合計が１という条件を保ちつつ、変化させている状態を示す。こうすれば制御画素群Ｐ_iの透過率が０から１まで０．２５単位で上昇するときの曲線をＡ〜Ｅとすると、図１２Ｂに示すように制御画素群の透過率の変化に対応して中心周波数が低下するが、フィルタのバンド幅を一定にしたままで周波数を低周波側にシフトさせることができる。

上記のいずれの場合にも中心周波数の可変幅が１画素当りの周波数を超える場合、制御画素群を順次隣接する画素群にシフトさせることで中心周波数の可変幅を無制限に且つ連続して制御することができる。又周波数選択素子に与える電圧階調のビット数を増加させることでＭＨｚオーダーでの制御も可能となる。

次にこの制御方法が有効な光学設計条件について説明する。本実施の形態では各画素群の透過率の中間値をフィルタ形状に反映させているので、制御画素群の各画素の周波数分散方向の幅と入力ビーム径によってこのような連続した特性の変化が可能な条件が定まる。即ち制御画素群の幅がＷＤＭ信号光の各周波数成分の入力ビーム径に比べて大きければ、制御画素群に設計した透過率がフィルタ波形にそのまま反映され歪みが発生することが想定される。ここで周波数選択素子において周波数分散方向の画素の幅をｄ、光強度がピークの１／ｅ²までの範囲を各周波数成分のビーム半径ｗとする。このとき画素の幅ｄとビーム半径ｗとで定義されるパラメータγを導入する。
γ＝ｗ／ｄ

図１５Ａ〜図１５Ｆは前述した条件下でバンド幅を対応するため、又は中心周波数を下げるため低周波側の制御画素群の透過率を０．２５単位で０〜０．７５まで変化させたときの透過周波数と透過率の関係を示している。ここでは図１５Ａはγ＝２．７，図１５Ｂはγ＝１．８，図１５Ｃはγ＝１．２，図１５Ｄはγ＝１．０，図１５Ｅはγ＝０．５，図１５Ｆはγ＝０．２５の場合である。これらの図から知られるように、γが１．０以上では波形の歪みは生じないが、γが１未満の場合、即ちγが０．５や０．２５では、透過率の応答がフィルタ波形に反映され歪みが生じている。このためγが１以上、即ち画素の幅ｄは入力ビーム半径ｗよりも小さいことが好ましい。

尚前述した第１，第２の実施の形態においては、入射光をＷＤＭ信号光としているが、入射光はＷＤＭ信号光に限られるものでない。即ち本発明は任意の光をフィルタリングする種々の用途、例えばチューナブルレーザや光分光分析などの分野にも使用することができる。

以上詳細に説明したように本発明によれば、周波数選択素子の反射特性や透過特性を画素単位で変更することによって、入射光の周波数選択特性を変化させることができる。これにより光をＷＤＭ光のアドドロップ機能を有するノードの主要構成要素や光分光装置の構成要素として用いることができる。

１１，１４，２１，２９光ファイバ
１２，１３，２２，２８コリメートレンズ
１６，２４，２６レンズ
１５，２３周波数分散素子
１７，２５周波数選択素子
１７Ａ１，２５Ａ１２次元ＬＣＯＳ素子
１７Ａ１，２５Ａ２２次元電極アレイ液晶素子
１７Ａ３２次元ＭＥＭＳ素子
１７Ｂ１，２５Ｂ１１次元ＬＣＯＳ素子
１７Ｂ１，２５Ｂ２１次元電極アレイ液晶素子
１７Ｂ３１次元ＭＥＭＳ素子
２７周波数合成素子
３０，３２設定部
３１，３３ドライバ
４１，５１，５３透明電極
４２，５２液晶
４３反射電極
４４，５４，５５偏光子

Claims

光を入射し、入射光のうち選択された周波数の光を出射する入出射部と、
前記入出射部に入射した光をその周波数に応じて空間的に分散させると共に、反射光を合波する周波数分散素子と、
前記周波数分散素子によって分散した光を２次元平面に平行に集光する集光素子と、
前記集光素子によって集光された光を受光する位置に配置され、少なくとも周波数分散方向に配列された多数の画素を有し、各画素の反射特性を変化させることにより所望の周波数選択特性を得る周波数選択素子と、
前記周波数選択素子の各画素の電極を駆動することによって入射光の周波数毎に透過特性を少なくとも４階調以上の階調で階調制御する周波数選択素子駆動部と、を具備する光可変フィルタ装置。
光を入射する入射部と、
前記入射部より入射した光をその周波数に応じて空間的に分散させる周波数分散素子と、
前記周波数分散素子によって分散した光を２次元平面上に集光する第１の集光素子と、
前記第１の集光素子によって集光された光を受光する位置に配置され、少なくとも周波数分散方向に配列された多数の画素を有し、各画素の透過特性を変化させることにより任意の周波数の光を選択する周波数選択素子と、
前記周波数選択素子の各画素の電極を駆動することによって入射光の周波数毎に光透過特性を少なくとも４階調以上の階調で階調制御する周波数選択素子駆動部と、
前記周波数選択素子を透過した各周波数の光を集光する第２の集光素子と、
前記第２の集光素子によって集光された分散光を合成する周波数合成素子と、
前記周波数合成素子によって合成された光を出射する出射部と、を具備する光可変フィルタ装置。
前記周波数選択素子は、周波数分散方向の画素幅を入射光の周波数分散方向のビーム半径より小さくした請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置。
前記周波数選択素子は、少なくとも１次元に配列された多数の画素を有するＬＣＯＳ素子であり、
前記周波数選択素子駆動部は、周波数選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものである請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置。
前記周波数選択素子は、少なくとも１次元に配列された多数の画素を有する液晶素子であり、
前記周波数選択素子駆動部は、周波数選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものである請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置。
前記周波数選択素子は、少なくとも１次元に配列された多数の画素を有するＭＥＭＳ素子であり、
前記周波数選択素子駆動部は、周波数選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものである請求項１記載の光可変フィルタ装置。
請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置におけるフィルタ特性制御方法であって、
入射光の各周波数について、各周波数に対応する前記周波数選択素子の少なくとも１つの画素から成る画素群を介して出射される入出射光の比率を当該画素群の透過率とするとき、所望の連続した画素群を光透過状態とし、
透過周波数範囲の画素群のうち端部の画素群に隣接する少なくとも１つの第１の制御画素群、及び前記通過周波数帯域の他方の端部の画素群に隣接する少なくとも１つの第２の制御画素群の透過率を同時に徐々に上昇させることによってバンド幅を拡大する光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法。
請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置におけるフィルタ特性制御方法であって、
入射光の各周波数について、各周波数に対応する前記周波数選択素子の少なくとも１つの画素から成る画素群を介して出射される入出射光の比率を当該画素群の透過率とするとき、所望の連続した画素群を光透過状態とし、
前記透過周波数範囲の画素群のうち端部の少なくとも１つの第１の制御画素群、及び前記通過周波数帯域の他方の端部の少なくとも１つの第２の制御画素群の透過率を同時に徐々に低下させることによってバンド幅を縮小する光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法。
請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置におけるフィルタ特性制御方法であって、
入射光の各周波数について、各周波数に対応する前記周波数選択素子の少なくとも１つの画素から成る画素群を介して出射される入出射光の比率を当該画素群の透過率とするとき、所望の連続した画素群を光透過状態とし、
透過周波数範囲の画素群のうち周波数変化の方向の端部の画素群に隣接する少なくとも１つの第１の制御画素群の光透過率を徐々に上昇させ、
前記透過周波数範囲の他方の端部の画素群の少なくとも１つの第２の制御画素群の透過率を、徐々に減少させることによって透過周波数範囲の中心周波数を周波数軸に沿って変更する光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法。