JP5852198B1 - 光入出力装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に、本実施形態にかかる光入出力装置の第1の基本構成を示す。第1の基本構成は、反射型位相変調素子を用いた光入出力装置である。図1は、x軸方向から見た光入出力装置の構成を示す。ここで、光信号が伝搬する方向をz軸とし、入出力ポートが配列される方向をy軸としている。入力光(信号光)は、入力ポートである光ファイバ11を介して空間に出射され、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、位相変調素子14によって反射され、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へ与えられる。
図3に、本実施形態にかかる光入出力装置の第2の基本構成を示す。第2の基本構成は、透過型位相変調素子を用いた光入出力装置である。図2は、x軸方向から見た光入出力装置の構成を示す。ここで、光信号が伝搬する方向をz軸とし、入出力ポートが配列される方向をy軸としている。入力光(信号光)は、入力ポートである光ファイバ21を介して空間に出射され、コリメートレンズ22を介し、第1の光学素子23に与えられる。第1の光学素子23からの出射光は、位相変調素子24、第2の光学素子25を介し、コリメートレンズアレイ26−1〜26−n、光ファイバ27−1〜27−nへ与えられる。
図5に、本実施形態にかかる位相変調素子の構成を示す。位相変調素子14、24として、反射型の位相変調素子をz軸方向から見た場合の構成を示す。図5(A)は光照射領域を示し、図5(B)は波長チャネルに分解した光照射領域を示す。位相変調素子14はxy平面上にマトリクス状に配列されたp×q個の画素と、裏面に反射部43とを備えている。各画素41−11、41−pqは、駆動回路18、30からの駆動信号応じて、内臓の駆動素子42から、画素位置に応じて変化する位相量が与えられる。なお、透過型の位相変調素子は、図5の裏面の反射部43を設けない構成であり、基本的な動作は同一である。
出力方路の選択は、例えば、位相変調素子に入射される光の回折角を制御することによって、位相変調素子からの出射角度を変えて行う。図6に、位相変調素子に設定する位相パターンの一例を示す。位相パターンは、位相変調素子の各画素位置と位相量との関係を示す。図5に示した位相変調素子14、24のy軸方向の各画素に与える位相を示している。位相φ=0〜2πののこぎり形状の波形を周期Λで与えている。
tanθin+tanθo=m・λ/Λ 式(1)
ただし、θinは入射光角度、mは回折次数、λは入射光の波長、Λは位相パターンの1周期の長さである。図7には、入射光が位相変調素子の法線方向から入射する場合、すなわちθin=0の場合が示されている。
次に、位相変調素子を用いて光強度を制御する方法について説明する。本実施形態では、図6に示した位相変調素子に印加する位相パターンに対して、周期性の位相パターンをさらに重畳することによって、出力光の強度の制御を行う。
φ=k×mod(y,w) 式(2)
従って、kを変化させて光強度制御用の位相パターン52の振幅(位相φ=0〜nπ)を制御することにより、出射角度θoにおける光強度ピーク61の光強度が、不要光強度ピーク62に分散されるため、光強度ピーク61の光強度を減衰させることができる。これにより、所定の出力ポートへの出射光に対するアッテネーションが可能となる。光強度制御用の位相パターンとしてのこぎり波を例に説明したが、位相パターンは周期性を有するものであればよく、例えばサイン波、三角波、パルス波でもよい。
θs=θo+m’×arctan(λ/w) 式(3)
図10に、位相変調素子からの出射光に与える位相量と出射光の光強度との関係を示す。位相変調素子にLCOS−SLMを用い、位相変調素子の法線を中心(θ=0)として、各入出力ポートをθ=−0.8°〜0.8°の扇形の想定角度範囲内に配置した。光強度制御用の位相パターン52のパターン周期長wは、4画素分に設定した。図10から、位相パターン52により出射光に与える位相量を変化させることにより、出射光の光強度を任意に制御可能であることが分かる。
ある出力ポートに所定の光強度で接続するための位相パターンから、別の出力ポートへ接続するための位相パターンに切り替える場合、動作途中の中間状態では位相パターンが複雑な周期をもつパターンとなるため、多数の高次回折光が発生する。この高次回折光は、多くの場合、他の出力ポートが存在する範囲にも出射されるため、ダイナミッククロストークが発生する。そこで、光スイッチング動作、アッテネーション動作を行う際に、複数の中間的な位相パターンを段階的に設定して、ダイナミッククロストークを抑制する。この中間的な位相パターンのすべてが、ポートの存在領域に不要な高次回折光ピークを持たないようなパターンであれば、ダイナミッククロストークを抑制することができる。
図21に、上述した各実施例の利点と欠点とをまとめる。すべての実施例において効果を高めるには、nを変化させた中間パターンの枚数が多いほどよい。しかし、中間パターンの枚数が増えるほど、中間パターンを表示している時間が短くなるか、またはスイッチング時間が長くなる。従って、効果を最大化するためには、許容するスイッチング時間をt、位相変調素子の応答速度をτ、すべての中間パターンの合計数をNとすると、
N=t/τ
の関係に近い値をとるのが好ましい。例えば、t=1sec、LCOS−SLMのτが100msecであればN=10程度が好ましい。
12,15,22,26 コリメートレンズ
13,23,25 光学素子
14,24 位相変調素子
17,28,29 波長分散素子
18,30 駆動回路
41 画素
42 駆動素子
43 反射部
Claims (5)
- 1または複数の入力ポートおよび複数の出力ポートと、
平面上にマトリクス状に配列された複数の画素、および前記複数の画素を駆動する駆動素子を有し、前記駆動素子が画素位置に応じて変化する位相量である位相パターンを与えることにより、前記入力ポートから入力された光信号に対して空間位相変調を行い、変調された光信号を、所定の軸線に沿って配置された複数の出力ポートのうち所定の出力ポートに光結合させる位相変調素子とを備え、前記入力ポートから入力された前記光信号を、第1の出力ポートに光結合させた状態から第2の出力ポートに光結合させた状態へ切り替えるための光入出力装置の制御方法であって、
前記駆動素子が、前記光信号を前記第1の出力ポートに光結合させるために、前記所定の軸線に沿って第1の周期で変化し振幅が2πの第1の位相パターンを与える第1のステップと、
前記駆動素子が、前記所定の軸線に沿って前記第1の周期とは異なる第2の周期で変化し振幅がnπ(nは0<n<2の任意の数)である複数の減衰パターンを、それぞれ前記第1の位相パターンに重畳した複数の中間パターンを与える第2のステップであって、前記複数の中間パターンは、前記振幅を0から2πに向かって段階的に増加させた複数の減衰パターンが、前記第1の位相パターンに重畳されていることと、
前記駆動素子が、前記振幅が2πの減衰パターンを、前記第1の位相パターンに重畳した第2の位相パターンを与える第3のステップと
を備えたことを特徴とする光入出力装置の制御方法。 - 前記第2の位相パターンは、前記光信号を前記第2の出力ポートに光結合させるための位相パターンであることを特徴とする請求項1に記載の光入出力装置の制御方法。
- 前記位相変調素子から前記複数の出力ポートの全てを含む角度範囲をポート領域としたとき、前記第2の位相パターンは、前記ポート領域外の前記所定の軸線上の位置に光結合させるための位相パターンであり、
前記駆動素子が、前記第2の出力ポートに光結合させるための第3の位相パターンを与える第4のステップをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の光入出力装置の制御方法。 - 前記位相変調素子から前記複数の出力ポートの全てを含む角度範囲をポート領域としたとき、前記第2の位相パターンは、前記ポート領域外の前記所定の軸線上の位置に光結合させるための位相パターンであり、
前記駆動素子が、前記第3のステップで与えられた前記第2の位相パターンの振幅を減少させた位相パターンを与える第4のステップと、
前記駆動素子が、前記第2の出力ポートに光結合させるための第3の位相パターンを与える第5のステップと
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の光入出力装置の制御方法。 - 1または複数の入力ポートおよび複数の出力ポートと、
平面上にマトリクス状に配列された複数の画素、および前記複数の画素を駆動する駆動素子を有し、前記駆動素子が画素位置に応じて変化する位相量である位相パターンを与えることにより、前記入力ポートから入力された光信号に対して空間位相変調を行い、変調された光信号を、所定の軸線に沿って配置された複数の出力ポートのうち所定の出力ポートに光結合させる位相変調素子とを備え、前記入力ポートから入力された前記光信号を、第1の出力ポートに光結合させた状態から第2の出力ポートに光結合させた状態へ切り替える光入出力装置であって、
前記駆動素子は、
前記光信号を前記第1の出力ポートに光結合させるために、前記所定の軸線に沿って第1の周期で変化し振幅が2πの第1の位相パターンを与え、
前記所定の軸線に沿って前記第1の周期とは異なる第2の周期で変化し振幅がnπ(nは0<n<2の任意の数)である複数の減衰パターンを、それぞれ前記第1の位相パターンに重畳した複数の中間パターンを与えることであって、前記複数の中間パターンは、前記振幅を0から2πに向かって段階的に増加させた複数の減衰パターンが、前記第1の位相パターンに重畳されており、
前記振幅が2πの減衰パターンを、前記第1の位相パターンに重畳した第2の位相パターンを与えることを特徴とする光入出力装置。
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