JP5855323B1 - 光コリメータアレイおよび光スイッチ装置 - Google Patents
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Abstract
所定の配列方向に配列された複数の光ファイバと、複数の光ファイバのそれぞれに接続された複数の光導波路コアと、複数の光導波路コアの外周に形成された、複数の光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部とを有する光導波路回路と、を備え、各光導波路コアは、各光ファイバから入力された光の進行方向に沿って、配列方向における光導波路コアの幅が拡大するテーパ部を有しており、かつ各光が各光導波路コアの端面から出力する際に、ビームの広がり角度について配列方向における広がり角度よりも配列方向とは垂直方向における広がり角度が大きくなり、各光導波路コアの端面における各光の配列方向でのスポットサイズ半径が、各光ファイバにおける各光のモードフィールド半径よりも大きくなるように構成されている光コリメータアレイ。これにより、省スペースにて光のビーム形状のアスペクト比を高くできる光コリメータアレイを提供する。
Description
本発明は、光コリメータアレイおよび光スイッチ装置に関するものである。
近年の光通信システムは、その形態がpoint−to−point型から、リング型またはメッシュ型のネットワークへと発展しつつある。このような形態のネットワークのノードには、任意の信号光を任意のポートに入出力させて、信号光の経路を任意に変更するための光スイッチ装置が必要とされる。
特に、互いに異なる波長の信号光が波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing)されたWDM信号光を用いる場合は、任意の波長の信号光に対して任意に経路を変更できる光スイッチ装置である波長選択光スイッチ装置が必要とされる。
このような光スイッチ装置では、光を入出力させるための光コリメータアレイと、光コリメータアレイから入力された光の経路を変更して光コリメータアレイに出力するための空間光変調器が使用されている(特許文献1、2参照)。
ところで、光スイッチ装置において、空間光変調器に入力される光のビーム形状を楕円形状とし、かつそのアスペクト比を高くすることが好ましい。このようにアスペクト比を高くすることで、空間光変調器の面積利用効率を高くすることができ、さらに波長選択光スイッチ装置の場合はスペクトル分解能を向上させることができる。
しかしながら、光のビーム形状のアスペクト比を高くするために、たとえば空間光変調器に光を集光させる集光レンズ系の焦点距離を長くすると、光スイッチ装置のサイズが大きくなるので、省スペース化の点で問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、省スペースにて光のビーム形状のアスペクト比を高くできる光コリメータアレイおよびこれを用いた光スイッチ装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、所定の配列方向に配列された複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバのそれぞれに接続された複数の光導波路コアと、前記複数の光導波路コアの外周に形成された、前記複数の光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部とを有する光導波路回路と、を備え、前記各光導波路コアは、前記各光ファイバから入力された光の進行方向に沿って、前記配列方向における光導波路コアの幅が拡大するテーパ部を有しており、かつ前記各光が前記各光導波路コアの端面から出力する際に、ビームの広がり角度について前記配列方向における広がり角度よりも前記配列方向とは垂直方向における広がり角度が大きくなり、前記各光導波路コアの端面における各光の前記配列方向でのスポットサイズ半径が、前記各光ファイバにおける各光のモードフィールド半径よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアの端面から出力した各光のビームウエストが前記各光導波路コアの略端面に位置することを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアの端面から出力した各光のビームウエストが前記各光導波路コアの端面に位置し、前記各光のビームウエストにおける前記配列方向でのスポットサイズ半径wと、前記配列方向の前記光導波路コアの端面におけるピッチpとの比p/wが4未満であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアの端面における各光の前記配列方向でのスポットサイズ半径は25μm以上であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアの幅は250μm以下であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアは内部の屈折率が均一であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアの端面において、少なくとも2つの光導波路コアの配列方向における光の出射角度が互いに異なることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記光導波路回路の前記各光導波路コアの端面側に配置され、前記複数の光導波路コアの配列方向とは垂直方向においてのみ前記光のビーム径を変換するアナモルフィック光学系をさらに備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記アナモルフィック光学系と、前記光導波路回路とを連結し、一体化する連結部品をさらに備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアの端面から出力する前記各光が略シングルモードであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光コリメータアレイは、前記各光導波路コアは、前記各光を互いに直交する偏波成分の光に分離する偏波分離機能を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、本発明の一態様に係る光コリメータアレイと、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、本発明の一態様に係る光コリメータアレイと、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、前記アナモルフィック光学系と前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられ、前記光ファイバから入力した光を前記配列方向とは垂直方向に分光する波長分散素子と、を備え、前記アナモルフィック光学系は、前記配列方向とは垂直方向にのみ前記光のビーム径を変換することを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、前記空間光変調器は、2次元配列された複数の位相変調素子を有しており、前記配列方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による回折光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバへ結合することを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、本発明の一態様に係る光コリメータアレイと、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、前記アナモルフィック光学系と前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、を備え、前記光コリメータアレイの前記複数の光導波路コアは、複数の光導波路コアからなる複数の光導波路コア群を構成しており、前記複数の光導波路コアは、前記光導波路コア群内では光の出力方向が同じであるとともに前記光導波路コア群間では光の出力方向が互いに異なり、当該光スイッチ装置は、前記各光導波路コア群をそれぞれ含む単位光スイッチ装置を複数含むように構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、前記光導波路コア群は、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに接続される外部接続用光導波路コアと、他の光導波路コア群の導波路コアに接続される内部接続用光導波路コアとを含み、前記光導波路回路は、異なる光導波路コア群に含まれる内部接続用光導波路コア同士を当該光導波路回路内において接続する複数の接続用光導波路コアを有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、本発明の一態様に係る光コリメータアレイと、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、前記アナモルフィック光学系と前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、を備え、前記光コリメータアレイの前記複数の光導波路コアは、複数の光導波路コアからなる複数の光導波路コア群を構成しており、前記集光光学系は偶数枚のレンズまたはミラーからなるテレセントリック光学系であり、前記複数の光導波路コア群のそれぞれに含まれる各光導波路コアは、該各光導波路コアを前記複数の光ファイバ側に伸ばしたとすると、前記光コリメータアレイ側における前記光学系の略焦点面の位置にて交差するように配置されており、当該光スイッチ装置は、前記各光導波路コア群をそれぞれ含む単位光スイッチ装置を複数含むように構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、前記光導波路コア群は、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに接続される外部接続用光導波路コアと、他の光導波路コア群の導波路コアに接続される内部接続用光導波路コアとを含み、前記光導波路回路は、異なる光導波路コア群に含まれる内部接続用光導波路コア同士を当該光導波路回路内において接続する複数の接続用光導波路コアを有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、前記複数の単位光スイッチ装置の数は8以上であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光スイッチ装置は、前記複数の光ファイバの数は80以上であることを特徴とする。
本発明によれば、省スペースにて光のビーム形状のアスペクト比を高くできるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して本発明に係る光コリメータアレイおよび光スイッチ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図面において、必要に応じてXYZ直交座標を用いて方向を示している。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る光コリメータアレイの模式的な構成図である。図1の上段の図は光コリメータアレイをY方向で正の向きから見た図であり、図1の下段の図は光コリメータアレイをX方向で負の向きから見た図である。
図1は、本発明の実施の形態1に係る光コリメータアレイの模式的な構成図である。図1の上段の図は光コリメータアレイをY方向で正の向きから見た図であり、図1の下段の図は光コリメータアレイをX方向で負の向きから見た図である。
図1に示すように、光コリメータアレイ10は、光ファイバアレイ1と、光導波路回路2と、アナモルフィック光学系であるシリンドリカルレンズ3とを備えている。
光ファイバアレイ1は、所定の配列方向(Y軸方向)に配列された複数の光ファイバ1a、1b、1c、1dと、光ファイバ1a、1b、1c、1dを配列方向に配列された状態に保持する保持部材1eとを有している。
光ファイバ1a、1b、1c、1dは、たとえばITU−T(International Telecommunication Union Telecommunication Standard Sector)G.652で規定される通常シングルモード光ファイバ(SMF)である。また、保持部材1eは、たとえばガラスからなる直方体形状を有している。保持部材1eには4本の貫通孔が形成されており、光ファイバ1a、1b、1c、1dは、貫通孔に挿通された状態で、かつファイバ端面と保持部材1eの端面とが略同一面上になるように保持されている。
光導波路回路2は、たとえばPLC(Planar Lightwave Circuit)で構成されており、光導波路コア2a、2b、2c、2dと、光導波路コア2a、2b、2c、2dの外周に形成されたクラッド部2eと、光ファイバアレイ1と接続された側とは反対側に位置する端面2fとを有している。光導波路コア2a、2b、2c、2dは、光導波路回路2の入力端側(光ファイバアレイ1側)から出力端側(端面2f)まで形成されている。光導波路コア2a、2b、2c、2dは、たとえば屈折率を高める材料であるゲルマニウム(Ge)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、またはニオブ(Nb)などの酸化物を添加した石英系ガラスからなる。各光導波路コア2a、2b、2c、2dは内部の屈折率が均一である。また、光導波路コア2a、2b、2c、2dはそれぞれ光ファイバ1a、1b、1c、1dに接続している。クラッド部2eは、たとえばボロン(B)またはリン(P)の酸化物を添加した石英系ガラスからなる。これにより、クラッド部2eは光導波路コア2a、2b、2c、2dよりも屈折率が低くなっている。光導波路コア2a、2b、2c、2dのクラッド部2eに対する比屈折率差はたとえば約0.4%である。
光導波路コア2aは、光ファイバ1aに接続される側から端面2f(光導波路回路2および光導波路コア2aの端面)に向かって順次配置された、ストレート部2aaと、テーパ部2abと、ストレート部2acとを有している。ストレート部2aaは、断面が略正方形であり、そのサイズは、比屈折率差に応じて、光ファイバ1aから入力された光をシングルモードまたは略シングルモードで伝搬できるように設定されている。たとえば光ファイバ1aから入力される光の波長が1520〜1620nmの光通信用の波長帯に含まれ、比屈折率差が0.42%の場合、1辺が8.3μm×8.3μmである。ただし、ストレート部2aaの断面のサイズについてはこれに限られず、一辺が7μm〜10μm程度であり、接続する光ファイバとの結合損失が、幅あるいは厚さ方向の変化に対して略極値となるような値とすることが好ましい。これにより、接続する光ファイバとの結合損失が略最適であって、製造が容易である光導波路コア2aを実現できる。テーパ部2abは、光ファイバ1aから入力された光の進行方向に沿って、配列方向における導波路コアの幅(コア幅)が所定の傾きで徐々に拡大するが、配列方向と垂直方向(X軸方向)における導波路コアの高さ(コア高さ)は一定である形状を有する。たとえば、テーパ部2abは、コア高さはストレート部2acと同じ8.3μmであるが、コア幅は8.3μmから100μmまで徐々に拡大している。ストレート部2acは、断面が矩形であり、そのサイズはテーパ部2abとの接続部分におけるテーパ部2abのサイズと同じであり、たとえば8.3μm×100μmである。なお、光導波路コア2b、2c、2dは、それぞれ光導波路コア2aのストレート部2aa、テーパ部2abおよびストレート部2acと同様に構成されたストレート部、テーパ部およびストレート部を有している。
ここで、略シングルモードとは、例えば光のパワーのうちの90%以上が基底モードの光のパワーであることを意味する。なお、本発明者らが行ったシミュレーションによると、厚さ9μm、比屈折率差0.4%、テーパ部のテーパ角0.3度、テーパ幅250μmの導波路コアで計算した結果、伝搬する基底モードの相対パワーは0.932、それ以外のモードの相対パワーは0.055となった。
シリンドリカルレンズ3は、光導波路回路2の端面2f側に配置され、かつX軸方向においてのみ光を集光してスポットサイズを変換し、Y軸方向において光を集光しないように配置されている。すなわち、シリンドリカルレンズ3は、光導波路コア2a、2b、2c、2dの配列方向とは垂直方向(X軸方向)においてのみ光のビーム径を変換する。
つぎに、光コリメータアレイ10の動作について説明する。まず、光ファイバアレイ1の光ファイバ1aに光L1が入力されると、光ファイバ1aは光L1をシングルモードで伝搬し、光導波路回路2の光導波路コア2aに出力する。光導波路コア2aは、入力された光L1をシングルモードまたは略シングルモードで伝搬し、端面2fからシリンドリカルレンズ3に出力する。なお、光L1は、X軸方向およびY軸方向のそれぞれにおいて光の強度分布がガウス型の状態で、光ファイバ1aおよび光導波路コア2aを伝搬し、端面2fからシングルモードまたは略シングルモードのガウシアンビームとして出力する。
ここで、光導波路コア2aは上記構成を有することによって、以下の特性が実現されている。すなわち、光L1が光導波路コア2aのテーパ部2abおよびストレート部2acを伝搬するうちに、光L1の配列方向(Y軸方向)ではコア幅が広がることによりスポットサイズ半径が拡大するとともに、光の閉じ込めが非常に弱くなる。その結果、光L1が光導波路コア2aの端面2fから出力する際に、ビームの広がり角度については、配列方向(Y軸方向)における広がり角度θ2よりも配列方向とは垂直方向(X軸方向)における広がり角度θ1が大きい。好ましくは、光L1はY軸方向では略コリメートされた状態となる。
その後、シリンドリカルレンズ3は、入力された光L1をX軸方向において集光する。これにより、シリンドリカルレンズ3を通過した光L1はX軸方向にもY軸方向にも略コリメートされた状態となる。
また、図2は、光コリメータアレイ10の、光導波路コア2aの端面2fの直後の位置P1およびシリンドリカルレンズ3直前の位置P2における、ガウシアンビームである光L1のビームB1、B2の形状を示す図である。なお、ビームB1の形状は、光導波路コア2aの端面2fにおける光L1のスポットサイズの形状と略同じである。ビームB1が示すように、光L1が光導波路コア2aの端面2fから出力する際に、ビーム半径について、配列方向(Y軸方向)におけるビーム半径よりも配列方向とは垂直方向(X軸方向)におけるビーム半径w0が小さい。また、光導波路コア2aの端面2fにおける光L1の配列方向(Y軸方向)でのスポットサイズ半径は、光ファイバ1aにおける光L1のモードフィールド半径よりも大きい。
また、上述したように、広がり角度θ2よりも広がり角度θ1が大きい。シリンドリカルレンズ3の配置は、この広がり角の関係により、光L1がシリンドリカルレンズ3直前の位置P2に到達したときに、配列方向(Y軸方向)におけるビーム半径よりも配列方向とは垂直方向(X軸方向)におけるビーム半径w1が大きくなる位置に設定されている。なお、シリンドリカルレンズ3の直後の位置P3における光L1のビーム形状はビームB2の形状と略同じである。また、このとき、好ましくは光導波路コア2aの端面2fから出力した光L1のビームウエストは、光導波路コア2aの略端面2fに位置する。従って、光L1の波面は、端面2fにおいて略平坦になっている。なお、光L1のパワーの90%以上が基底モードであるため、シングルモードの場合における関係式を適用して、波面がほぼ平坦となる場所をビームウエストとして定義した。
なお、光ファイバアレイ1の他の光ファイバ1b、1c、1dに光L1が入力された場合も、光ファイバ1aの場合と同様になる。すなわち、各光L1が各光導波路コア2b、2c、2dの端面2fから出力する際に、ビームの広がり角度について配列方向における広がり角度よりも配列方向とは垂直方向における広がり角度が大きく、かつビーム半径について配列方向におけるビーム半径よりも配列方向とは垂直方向におけるビーム半径が小さく、端面2fにおける各光L1の配列方向でのスポットサイズ半径は、各光ファイバ1b、1c、1dにおける各光L1のモードフィールド半径よりも大きく、各光L1のビームウエストが各光導波路コア2b、2c、2dの略端面2fに位置する。
この光コリメータアレイ10では、光導波路コア2a、2b、2c、2dが、入力された光L1のスポットサイズを配列方向(Y軸方向)のみに拡大するようにしているので、その後シリンドリカルレンズ3を光L1が通過した後に、X軸方向が長軸である楕円のビーム形状を得ることができる。このように、この光コリメータアレイ10では、入力された光L1のスポットサイズを光導波路回路2内で予め楕円形状とするので、省スペースにて光L1の楕円のビーム形状のアスペクト比を高くできる。
また、この光コリメータアレイ10では、光ファイバ1a、1b、1c、1dの配置間隔よりも、端面2fにおける光導波路コア2a、2b、2c、2dの配置間隔の方が狭くすることが可能である。このようにすると、後述するように光コリメータアレイ10を光スイッチ装置に適用する場合に、光の経路の変更角度(スイッチ角)を小さくすることができる。
さらに、光L1のビームウエストが光導波路コア2aの略端面2fに位置するので、図2に示すビームB1のX軸方向における半径w0とビームB2のX軸方向における半径w1との関係は、シリンドリカルレンズ3の焦点距離f(たとえば6.6mm程度)および光L1の波長(たとえば1550nm)を用いて以下の式(1)で表すことができる。ここで、半径w0、w1は、ガウシアンビームにおいて光の伝搬方向とは垂直の断面にて光強度がピークの1/e2となる半径である。
w1=(λ・f)/(πw0) ・・・ (1)
w1=(λ・f)/(πw0) ・・・ (1)
したがって、ビームB1のX軸方向における半径w0およびシリンドリカルレンズ3の焦点距離fを調整することによって、シリンドリカルレンズ3を通過した後の光L1の長軸方向のビーム半径w1を制御し、所望の高アスペクト比の楕円形状のビームを形成することができる。
また、各光導波路コア2a、2b、2c、2dの端面2fにおける各光L1の、配列方向とは垂直方向(X軸方向)でのスポットサイズ半径(すなわち、図2のビーム半径w0)が、各光ファイバ1a、1b、1c、1dにおける各光L1のモードフィールド半径よりも小さいことが好ましい。このように、X軸方向での光L1のスポットサイズ半径を、光ファイバにおけるモードフィールド半径よりも一旦小さくすることにより、その後のビーム半径w1をより大きくすることができる。
つぎに、光導波路コア2a、2b、2c、2dのコア幅またはコア高さとそれに対応する方向のスポットサイズ半径との関係を説明する。図3は、光導波路コアのコア幅とスポットサイズ半径との関係を示す図である。なお、図3では、光導波路コアのクラッド部に対する比屈折率差を0.42%としている。
図3に示すように、スポットサイズ半径はコア幅に略比例している。スポットサイズ半径の値は特に限定されるものではないが、たとえばこの光コリメータアレイ10を波長選択光スイッチ装置で用いる場合には、所望のスペクトル特性を得るためにはコア幅方向のスポットサイズ半径は25μm以上であることが好ましい。また、コア幅についても特に限定されるものではないが、たとえばこの光コリメータアレイ10を光スイッチ装置で用いる場合には、スイッチ角を小さくして光スイッチ装置の挿入損失を小さくするために250μm以下とすることが好ましい。また、光導波路コアのクラッド部に対する比屈折率差が0.42%の場合において、コア高さを8.3μmにすることで、コア高さ方向のスポットサイズ半径を4.3μmにすることができる。なお、通常シングルモード光ファイバのモードフィールド半径は4.5μm〜5μm程度であるから、コア高さを8.3μmにすることで、光導波路コアの端面における光の、配列方向とは垂直方向(X軸方向かつ高さ方向)でのスポットサイズ半径を、光ファイバにおける光のモードフィールド半径よりも小さくすることができる。
(実施の形態2)
図4A、Bは、本発明の実施の形態2に係る光コリメータアレイの模式的な構成図である。図4Aは光コリメータアレイをY方向で正の向きから見た図であり、図4Bは光コリメータアレイをX方向で負の向きから見た図である。
図4A、Bは、本発明の実施の形態2に係る光コリメータアレイの模式的な構成図である。図4Aは光コリメータアレイをY方向で正の向きから見た図であり、図4Bは光コリメータアレイをX方向で負の向きから見た図である。
図4A、Bに示すように、光コリメータアレイ10Aは、図1に示す光コリメータアレイ10において、シリンドリカルレンズ3をシリンドリカルレンズ3と同様の機能を有するシリンドリカルレンズ3Aに置き換えたものである。シリンドリカルレンズ3Aは、光導波路回路2の端面2fに接合される接合面3Aaと、接合面3Aaとは反対側の面に形成されたレンズ面3Abを有している。この光コリメータアレイ10Aのように、光導波路回路2とシリンドリカルレンズ3Aとが接合され、一体化されていてもよい。
(実施の形態3)
図5A、Bは、実施の形態3に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図5Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図5Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図5A、Bは、実施の形態3に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図5Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図5Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図5A、Bに示すように、光スイッチ装置100は、光コリメータアレイ10Bと、シリンドリカルレンズ3と、集光レンズ系21と、空間光変調器22とがこの順番に配置されて構成されており、さらに制御部23を備えている。
光コリメータアレイ10Bは、光コリメータアレイ10Baと光コリメータアレイ10Bbとを備えている。光コリメータアレイ10Ba、10Bbは、いずれも、図1に示す光コリメータアレイ10を構成する光ファイバアレイ1と光導波路回路2とからなるものである。そして、光コリメータアレイ10Ba、10Bbは、光ファイバ1a、1b、1c、1dの配列方向とは垂直の方向(X軸方向)に積層している。また、シリンドリカルレンズ3は、図1に示す光コリメータアレイ10を構成するシリンドリカルレンズ3と同じである。
空間光変調器22は、2次元配列された複数の位相変調素子を有する空間光変調器であり、たとえばLCOSである。制御部23は、空間光変調器22に所定の電圧信号を印加してその光学特性を制御するものである。
集光レンズ系21は、光コリメータアレイ10Bと空間光変調器22との間に配置され、光コリメータアレイ10Bと空間光変調器22とを光学的に結合させるものである。集光レンズ系21は1枚のレンズで構成されていてもよいし、複数枚のレンズで構成されていてもよい。
つぎに、空間光変調器22の構成および動作について説明する。図6は、図5に示す空間光変調器の分解図である。図6に示すように、この空間光変調器22は、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)であって、液晶駆動回路が形成されたシリコン基板22a上に、反射率がほぼ100%の反射層である画素電極が2次元配列された画素電極群22bと、空間光変調層である液晶層22cと、配向膜22dと、ITO(Indium Tin Oxide)電極22eと、カバーガラス22fとが順次積層した構成を有している。これにより、各画素電極を含む位相変調素子(画素)が2次元配列された構成が実現されている。なお、必要に応じて画素電極群22bと液晶層22cとの間にも配向膜を設けてもよい。なお、以下では、配向膜22d、ITO電極22e、およびカバーガラス22fを光入射層22gとする。
この空間光変調器22は、制御部23が画素電極群22bとITO電極22eとの間に電圧信号を印加することによって、液晶層22cが所定の方向に屈折率のグラデーションを有するように制御できる。そして、この屈折率のグラデーションを調整することによって、光入射層22g側から入射した光が、画素電極群22bにより反射して液晶層22cを伝搬する際に位相変調を受け、光を所定の回折角(1次回折角)で回折させるように調整することができる。
また、空間光変調器22は、光コリメータアレイ10Bの光ファイバ1a、1b、1c、1dの配列方向と、液晶層22cの屈折率のグラデーションの方向とが一致するように制御されている。その結果、この空間光変調器22は、制御部23が液晶層22cへの印加電圧を制御することによって、空間光変調器22が平面反射鏡のように機能し、光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから入力した光を光ファイバ1a、1b、1c、1dの他のいずれかに向けて出力できるように、光の回折角度を制御することができる。
つぎに、この光スイッチ装置100の動作例として、図5A、Bに示すように光コリメータアレイ10Ba、Bbの各光ファイバ1bから入力された光L1の経路を、各光コリメータアレイ10Ba、Bbの各光ファイバ1aに出力するように切り換える場合を説明する。まず、各光ファイバ1bには、外部から光L1が入力される。光導波路回路2およびシリンドリカルレンズ3は、各光L1をコリメートし、平行光にするとともに、X方向に長軸を有する楕円形状のビームとする。集光レンズ系21は、平行光にされた各光L1を空間光変調器22に集光させる。空間光変調器22は、制御部23が液晶層22cへの印加電圧を制御することによって、集光され入力された各光L1を空間変調して回折させ、回折させた各光L1を各光ファイバ1aに向けて出力する。集光レンズ系21は、回折された各光L1を平行光にする。シリンドリカルレンズ3および光導波路回路2は、各光L1を各光ファイバ1aに結合させる。各光ファイバ1aは結合された光L1を外部に出力する。
このようにして、この光スイッチ装置100は、各光ファイバ1bから入力された各光L1の経路を各光ファイバ1aに出力するように切り換える。なお、同様にして、この光スイッチ装置100は、空間光変調器22の制御によって、光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから入力された光の経路を光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから出力するように切り替えることができる。また、本動作例では、光コリメータアレイ10Ba、Bbにおいて光を入力される光ファイバをいずれも光ファイバ1bとし、光を出力させる光ファイバをいずれも光ファイバ1aとしているが、光を入力される光ファイバと光を出力させる光ファイバとの組み合わせは特に限定はされない。
図7は、空間光変調器22上での光L1のビーム形状を示す図である。ビームB3が光コリメータアレイ10Baから入力された光L1のビーム形状であり、ビームB4が光コリメータアレイ10Bbから入力された光L1のビーム形状である。ビームB3は空間光変調器22の領域22hに入力し、ビームB4は空間光変調器22の領域22iに入力する。したがって、空間光変調器22の領域22h、22iにおいて、光L1を出力する方向を別々に制御することによって、光を入力される光ファイバと光を出力させる光ファイバとの組み合わせを任意に設定できる。
この光スイッチ装置100では、実施の形態1に係る光コリメータアレイ10の光ファイバアレイ1および光導波路回路2を備えているので、省スペースにて光L1の楕円のビーム形状のアスペクト比を高くできる。その結果、空間光変調器22上での光L1のビームをX軸方向においてより高密度に配置することができるので、空間光変調器22の面積を効率良く利用できるとともに、空間光変調器22を小型化できる。さらに、この光スイッチ装置100は、複数の、具体的には2つの光コリメータアレイ10Ba、Bbを積層し、かつそれぞれに対して共通のシリンドリカルレンズ3、集光レンズ系21、空間光変調器22および制御部23を用いることにより、2つの光スイッチ装置を集積した構成としている。これにより、この光スイッチ装置100は、大容量通信に適し、かつ省スペースな装置となる。なお、積層させる光コリメータアレイの数は2に限られず、さらに多くの光コリメータアレイを積層してもよい。
(実施の形態4)
図8A、Bは、実施の形態4に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図8Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図8Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図8A、Bは、実施の形態4に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図8Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図8Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図8A、Bに示すように、光スイッチ装置200は、光コリメータアレイ10と、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペア24と、波長分散素子である回折格子25と、集光レンズ系21と、空間光変調器22とが、この順番に配置されて構成されており、さらに制御部23を備えている。
なお、実際には、回折格子25において光路は曲げられるので、図8Bにおいて、光コリメータアレイ10から空間光変調器22までの各素子は、XZ平面内において回折格子25の前後で角度を持って配置されるが、図8Bにおいては、説明の簡略化のために各素子を直列に配置して示している。以降の回折格子25を備える実施の形態においても同様である。
アナモルフィックプリズムペア24は、2つのプリズムから構成されており、光コリメータアレイ10の光導波路回路2の端面2f側に配置されている。アナモルフィックプリズムペア24は、光コリメータアレイ10側から入力された光のビーム形状をビーム径拡大方向(X軸方向)に拡大する機能を有する。
また、アナモルフィックプリズムペア24は、光相反性を有するため、空間光変調器22側から入力された光のビーム形状をX軸方向に縮小する機能を有する。なお、アナモルフィックプリズムペア24に換えてアナモルフィックプリズムを用いてもよい。
回折格子25は、例えば透過型の回折格子であって、アナモルフィックプリズムペア24と集光レンズ系21との間に配置される。
つぎに、この光スイッチ装置200の動作例を説明する。本動作例では、外部から信号光L2が入力されるとする。信号光L2は、波長多重された信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光L2a、L2b、L2cを含むものとする。信号光L2a、L2b、L2cは、例えば波長1520〜1620nmの光通信用の信号光である。
まず、光ファイバ1bには、信号光L2が入力される。光導波路回路2およびシリンドリカルレンズ3は、信号光L2をコリメートし、平行光にするとともに、X方向に長軸を有する楕円形状のビームとする。アナモルフィックプリズムペア24は、平行光にされたガウシアンビームである信号光L2のビーム形状をさらにX軸方向に拡大し、さらにアスペクト比の高い楕円形にする。回折格子25は、信号光L2をその波長に応じた所定の回折角で回折し、分光する。その結果、信号光L2は、X軸方向において信号光L2a、L2b、L2cに分離される。
集光レンズ系21は、回折された信号光L2a、L2b、L2cを空間光変調器22に集光させる。ここで、回折格子25と集光レンズ系21との間隔は、集光レンズ系21の焦点距離と等しくされており、信号光L2a、L2b、L2cは、空間光変調器22に略垂直に入力する。空間光変調器22は、制御部23の制御により、信号光L2a、L2b、L2cのうち、所望の波長の信号光L2aを光ファイバ1aに向けて出力する。信号光L2aは、集光レンズ系21によって、集光レンズ系21の光軸に対して平行にされる。回折格子25は、光相反性によって、信号光L2aをアナモルフィックプリズムペア24の方向に回折する。アナモルフィックプリズムペア24は、光相反性によって、信号光L2aのビーム形状をX軸方向に縮小する。シリンドリカルレンズ3および光導波路回路2は、信号光L2aを光ファイバ1aに結合させる。各光ファイバ1aは結合された信号光L2aを外部に出力する。
このようにして、この光スイッチ装置200は、光ファイバ1bから入力された信号光L2に含まれる信号光L2aの経路を光ファイバ1aに出力するように切り換える。なお、同様にして、この光スイッチ装置200は、空間光変調器22の制御によって、光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから入力された信号光に含まれる所望の波長の信号光の経路を光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから出力するように切り替えることができ、波長選択光スイッチ装置として機能する。
この光スイッチ装置200では、実施の形態1に係る光コリメータアレイ10の光ファイバアレイ1および光導波路回路2を備えているので、省スペースにて信号光L2の楕円のビーム形状のアスペクト比を高くできる。その結果、空間光変調器22上での信号光L2a、L2b、L2cのビームをX軸方向においてより高密度に配置することができるので、空間光変調器22の面積を効率良く利用でき、スペクトル分解能を向上させることができるとともに、空間光変調器22を小型化できる。
ここで、空間光変調器22は、集光レンズ系21により集光された信号光L2a、L2b、L2c(以下、代表して信号光L2とする)のビームウエストの位置に配置されることが好ましい。しかし、この光スイッチ装置200では、光コリメータアレイ10およびアナモルフィックプリズムペア24が信号光L2のビーム形状をX軸方向に拡大しているため、X軸方向とY軸方向とでは信号光L2のビームウエストのZ軸方向での位置が異なり、具体的にはY軸方向におけるビームウエストの位置は、X軸方向におけるビームウエストの位置よりも、集光レンズ系21から遠い位置となる。この場合、空間光変調器22をX軸方向におけるビームウエストの位置に配置すると、Y軸方向においては空間光変調器22はビームウエストの位置よりも集光レンズ系21に近い位置に配置されることとなる。その結果、Y軸方向においては、空間光変調器22からの信号光L2aのビームウエストが光導波路コア2aの端面2fよりもシリンドリカルレンズ3側に位置することとなるため、信号光L2aは光導波路コア2aに対する結合効率が低下して光損失を受けることとなる。
そこで、この光スイッチ装置200では、空間光変調器22をX軸方向における信号光L2のビームウエストの位置に配置するとともに、制御部23が、空間光変調器22がY軸方向において反射型のフレネルレンズとして機能するように制御を行うことによって、X軸とY軸との両方において信号光L2aのビームウエストが光導波路コア2aの端面2fに位置するようにしている。これにより、信号光L2aの光導波路コア2aに対する結合効率の低下を抑制することができる。
空間光変調器22は、制御部23により、液晶層22cが2次元的に所望の屈折率の分布を有するように制御できる。そして、この屈折率の分布を調整することによって、光入射層22g側から入射した光が、画素電極群22bにより反射して液晶層22cを伝搬する際に、フレネルレンズ状の位相変調をするように形成することができる。この空間光変調器22による擬似的な反射型フレネルレンズは制御部23により、フレネルレンズとしての曲率および焦点距離を、所望の値に設定することができる。
図9〜11は、空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。図9〜11では、空間光変調器22の表示画像が凸面形状のフレネルレンズを形成するように制御することを前提として説明する。
図9は、フレネルレンズの一例を示している。図9において、色が濃い部分の屈折率が高く、薄い部分の屈折率が低くなっている。すなわち、位相変調の周期が、Y軸方向の正の向きに従って、次第に短くなるように各画素の屈折率が制御されている。その結果、Y軸方向の正の向きに従って、次第にフレネルレンズとしての曲率が大きくなるように作用させることができる。
つぎに、図10、11により、フレネルレンズの光軸を信号光L2aの光軸に対しY軸方向にオフセットさせるように制御することによって、光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから入力した光を光ファイバ1a、1b、1c、1dの他のいずれかに向けて出力できるように、光の出力角度を制御できることを説明する。
まず、図10において、ビームB5は空間光変調器22に入力する信号光L2aのビーム形状を示し、光軸ACOM1は空間光変調器22に入力する信号光L2aの中央を通る光軸、光軸AFL1は空間光変調器22のY軸方向におけるフレネルレンズとしての光軸を表す。図10に示すように、光軸ACOM1と光軸AFL1とが同一直線上に配置されるように屈折率分布が制御される場合、空間光変調器22は、空間光変調器22に垂直に入力した光を入力方向に反射する。このとき、空間光変調器22は、たとえば光ファイバ1bから入力された信号光を光ファイバ1bに結合するように反射する。
つぎに、光ファイバ1bから入力された光を光ファイバ1aに結合するように反射する場合、図11に示すように、光軸AFL1は空間光変調器22の下部に位置するように表示画像が制御される。このとき、空間光変調器22は、空間光変調器22に垂直に入力した光を入力方向より上方(Y軸方向の正の方向)に反射する。これにより、空間光変調器22は、光ファイバ1bから入力された光を、光ファイバ1aに結合するように反射することができる。同様に、空間光変調器22は、光軸AFL1が空間光変調器22の上部に位置するように表示画像が制御されると、光ファイバ1bから入力された光を、たとえば光ファイバ1c、1dに結合するように反射することができる。
このように、光スイッチ装置200では、空間光変調器22に入力する光の中央を通る光軸に対する空間光変調器22のY軸におけるフレネルレンズとしての光軸の位置を制御することにより、光ファイバ1a、1b、1c、1dのいずれかから入力した光を光ファイバ1a、1b、1c、1dの他のいずれかに向けて出力できるように、光の出力角度を制御できる。
なお、空間光変調器22の表示画像が凹面形状のフレネルレンズ(図示せず)を形成するように制御してもよい。その場合、光軸ACOM1に対する光軸AFL1の位置関係と空間光変調器22の反射方向の上下関係とが図10、11の場合とは逆転する。すなわち、空間光変調器22は、光軸AFL1が光軸ACOM1より下方に位置するように表示画像が制御されると空間光変調器22に垂直に入力した光を入力方向より下方に反射し、光軸AFL1が光軸ACOM1より上方に位置するように表示画像が制御されると空間光変調器22に垂直に入力した光を入力方向より上方に反射することができる。
また、上記の動作は、光スイッチ装置200に入射して回折格子25により空間光変調器22のX軸方向に波長ごとに分割された各波長の信号光に対して行われる。図10における幅SW1は、1つのチャネルに対応する空間光変調器22の領域の幅であり、1または複数の波長からなる信号光に対してそれぞれ割り当てられる。幅SW1は、少なくともビームB5のX軸方向における幅より大きく、たとえば、X軸方向において数〜10数画素に相当する幅である。このとき、空間光変調器22は、各チャネルに対応する幅SW1を有する領域を、個別に制御することにより、各チャネルの信号光をY軸方向の所定の方向に反射し、波長選択スイッチングを実現することができる。
(実施の形態5)
図12A、Bは、実施の形態5に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図12Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図12Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図12A、Bは、実施の形態5に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図12Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図12Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図12A、Bに示すように、光スイッチ装置200Aは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、光コリメータアレイ10を光コリメータアレイ10Cに置き換え、集光レンズ系21と空間光変調器22との間に1/2波長板26を追加した構成を有する。光コリメータアレイ10Cは、光コリメータアレイ10において、光導波路回路2を光導波路回路2Aに置き換えた構成を有する。
この光スイッチ装置200Aは、光スイッチ装置200と同様に波長選択光スイッチ装置として機能し、同様の効果を有する。すなわち省スペースにて信号光の楕円のビーム形状のアスペクト比を高くでき、空間光変調器22の面積を効率良く利用でき、スペクトル分解能を向上させることができるとともに、空間光変調器22を小型化できるものであるが、光導波路回路2Aが偏波分離機能を有する点が異なる。以下、光スイッチ装置200Aは、波長多重された信号光である信号光L3が光ファイバ1bから入力され、信号光L3に含まれる所定の波長の信号光が選択されて光ファイバ1cから出力するように動作するものとする。この際、アナモルフィックプリズムペア24、回折格子25、集光レンズ系21、空間光変調器22および制御部23の動作は光スイッチ装置200の場合と同様なので、説明を省略する。また、図12Aでは、選択された所定の波長の信号光についても、信号光L3として示している。
図13は、図12A、Bに示す光導波路回路の構成図である。光導波路回路2Aは、たとえばPLCで構成されており、光ファイバ1a、1b、1c、1dに接続される、それぞれ内部の屈折率が均一である4つの光導波路コアと、4つの光導波路コアの外周に形成された、光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部2Aeと、端面2Afとを有している。なお、図13では、光ファイバ1b、1cに接続される光導波路コアである光導波路コア2Ab、2Acのみを図示している。
光導波路コア2Abは、光ファイバ1bに接続される側から端面2Af(光導波路回路2Aおよび光導波路コア2Abの端面)に向かって順次配置された、ストレート部2Abaと、偏波分離部2Abdと、2つのテーパ部2Abbと、2つのストレート部2Abcとを有している。ストレート部2Abaは、断面が略正方形であり、そのサイズは、比屈折率差に応じて、光ファイバ1bから入力された光をシングルモードまたは略シングルモードで伝搬できるように設定されている。破線で囲んだ部分である偏波分離部2Abdは、マハツェンダ干渉計型の光導波路構成を有しており、入力された光を互いに直交する偏波成分の光に分離し、2つのテーパ部2Abbのそれぞれに出力するように構成されている。2つのテーパ部2Abbは、光ファイバ1bから入力された光の進行方向が互いに傾斜するように配置されており、かつ光の進行方向に沿って導波路コアのコア幅が所定の傾きで徐々に拡大するが、幅方向と垂直方向(X軸方向)における導波路コアのコア高さは一定である形状を有する。2つのストレート部2Abcは、それぞれ断面が矩形であり、そのサイズはテーパ部2Abbとの接続部分におけるテーパ部2Abbのサイズと同じである。なお、光導波路コア2Acおよび他の光ファイバ1a、1dに接続される光導波路コアも、それぞれ光導波路コア2Abと同様の構成を有している。
この光導波路コア2Abでは、偏波分離部2Abdは、光ファイバ1bから入力された信号光L3を、互いに直交する偏波成分であるP波(X軸方向の偏波)の信号光L3aおよびS波(Y軸方向の偏波)の信号光L3bに分離し、2つのテーパ部2Abbのそれぞれに出力する。信号光L3a、L3bは、その後端面2Afから、互いに傾斜した方向に出力される。このとき、信号光L3a、L3bのビームの広がり角度の関係、ビーム半径の関係、および端面2Afにおけるスポットサイズ半径と、光ファイバ1bにおけるモードフィールド半径の関係は、光コリメータアレイ10の場合と同様である。なお、4つの光導波路コアにおいて、P波の信号光が出力される各テーパ部同士は互いに平行であり、S波の信号光が出力される各テーパ部同士は互いに平行である。したがって、4つの光導波路コアを伝搬して端面2Afから出力されるP波の信号光は互いに平行であり、S波の信号光は互いに平行である。
信号光L3a、L3bは、アナモルフィックプリズムペア24、回折格子25、集光レンズ系21を順次通過する。ここで、1/2波長板26については、信号光L3aのみが1/2波長板26を通過し、信号光L3aとは直交する偏波成分である信号光L3bは1/2波長板26を通過しないように配置されている。これによって、信号光L3aは、偏波方向が信号光L3aの偏波方向と同一のY軸方向に揃えられた状態で空間光変調器22に入力される。図14は、空間光変調器22上での信号光L3a、L3bのビーム形状を示す図である。ビームB6が信号光L3aのビーム形状であり、ビームB7が信号光L3bのビーム形状である。ここで、空間光変調器22は、Y軸方向の偏波の光に対して回折効率が高くなるように配置されているので、信号光L3a、L3bは、偏波方向に依存する空間光変調器22の光損失(Polarization Dependent Loss:PDL)の影響を受けずに回折される。なお、空間光変調器22により回折された後、信号光L3aが再び1/2波長板26を通過するので、その偏波方向はもとの偏波方向に戻される。したがって、図13に示すように、信号光L3a、L3bが光導波路コア2Acに到達した際には、その偏波分離部2Abdの相反性によって偏波合成されて光ファイバ1cに出力される。
この光スイッチ装置200Aでは、光コリメータアレイ10Cが光導波路で構成された偏波分離機能を有するので、空間光変調器22のPDLの影響が解消されながらも、光学構成が簡易なものとなる。
(実施の形態6)
図15A、Bは、実施の形態6に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図15Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図15Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図15A、Bは、実施の形態6に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図15Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図15Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図15A、Bに示すように、光スイッチ装置200Bは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、光コリメータアレイ10を光コリメータアレイ10Dに置き換え、アナモルフィックプリズムペア24を、シリンドリカルレンズ27に置き換え、シリンドリカルレンズ27と回折格子25との間に1/2波長板26を追加した構成を有する。なお、シリンドリカルレンズ27は、X軸方向においてのみ光を集光し、Y軸方向において光を集光しないように配置されている。また、光コリメータアレイ10Dは、光コリメータアレイ10において、光導波路回路2を光導波路回路2Bに置き換えた構成を有する。
この光スイッチ装置200Bは、光スイッチ装置200Aと同様に波長選択光スイッチ装置として機能し、同様の効果を有するが、光導波路回路2Bが偏波分離機能を有している。以下、光スイッチ装置200Bは、信号光L3が光ファイバ1bから入力され、信号光L3に含まれる所定の波長の信号光が選択されて光ファイバ1cから出力するように動作するものとする。この際、回折格子25、集光レンズ系21、空間光変調器22および制御部23の動作や作用は光スイッチ装置200の場合と同様なので、説明を省略する。
図16A、Bは、図15A、Bに示す光導波路回路の構成図である。図16Aは光導波路回路をX方向で負の向きから見た図であり、図16Bは光導波路回路をY方向で正の向きから見た図である。光導波路回路2Bは、たとえばPLCで構成されており、光ファイバ1a、1b、1c、1dに接続される、それぞれ内部の屈折率が均一である4つの光導波路コアと、4つの光導波路コアの外周に形成された、光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部2Beと、端面2Bfとを有している。なお、図16A、Bでは、光ファイバ1b、1cに接続される光導波路コアである光導波路コア2Bb、2Bcのみを図示している。
光導波路コア2Bbは、光ファイバ1bに接続される側から端面2Bf(光導波路回路2Bおよび光導波路コア2Bbの端面)に向かって順次配置された、ストレート部2Bbaと、偏波分離部2Bbdと、それぞれがテーパ部2Bbbとストレート部2Bbcとで構成される2つの出力部2Bbe、2Bbfとを有している。ストレート部2Bbaは、断面が略正方形であり、そのサイズは、比屈折率差に応じて、光ファイバ1bから入力された光をシングルモードまたは略シングルモードで伝搬できるように設定されている。破線で囲んだ部分である偏波分離部2Bbdは、マハツェンダ干渉計型の光導波路構成を有しており、入力された光を互いに直交する偏波成分の光に分離し、X軸方向に積層配置された2つの出力部2Bbe、2Bbfのそれぞれに出力するように構成されている。2つの出力部2Bbe、2Bbfの各テーパ部2Bbbは、光の進行方向に沿って導波路コアのコア幅が所定の傾きで徐々に拡大するが、幅方向と垂直方向(X軸方向)における導波路コアのコア高さは一定である形状を有する。2つの出力部2Bbe、2Bbfの各ストレート部2Bbcは、それぞれ断面が矩形であり、そのサイズはテーパ部2Bbbとの接続部分におけるテーパ部2Bbbのサイズと同じである。なお、光導波路コア2Bcおよび他の光ファイバ1a、1dに接続される光導波路コアも、それぞれ光導波路コア2Bbと同様の構成を有している。
この光導波路コア2Bbでは、偏波分離部2Bbdは、光ファイバ1bから入力された信号光L3を、互いに直交する偏波成分であるP波(X軸方向の偏波)の信号光L3aおよびS波(Y軸方向の偏波)の信号光L3bに分離し、2つの出力部2Bbe、2Bbfのそれぞれに出力する。信号光L3a、L3bは、その後端面2Bfから、互いに平行な方向に出力される。このとき、信号光L3a、L3bのビームの広がり角度の関係、ビーム半径の関係、および端面2Bfにおけるスポットサイズ半径と、光ファイバ1bにおけるモードフィールド半径の関係は、光コリメータアレイ10の場合と同様である。
信号光L3a、L3bは、シリンドリカルレンズ3、シリンドリカルレンズ27、回折格子25、集光レンズ系21を順次通過する。なお、シリンドリカルレンズ27は、シリンドリカルレンズ3により傾斜した信号光L3a、L3bの光路を集光レンズ系21の光軸に対して平行になるようにする。ここで、1/2波長板26については、信号光L3aのみが1/2波長板26を通過し、信号光L3aとは直交する偏波成分である信号光L3bは1/2波長板26を通過しないように配置されている。これによって、信号光L3aは、偏波方向が信号光L3aの偏波方向と同一のY軸方向に揃えられた状態で空間光変調器22に入力される。光スイッチ装置200Aの場合と同様に、空間光変調器22は、Y軸方向の偏波の光に対して回折効率が高くなるように配置されているので、信号光L3a、L3bは空間光変調器22のPDLの影響を受けずに回折される。なお、空間光変調器22により回折された後、信号光L3aは信号光L3bが通ってきた経路を通るため、その偏波はP波のまま光導波路コア2Acに到達する。したがって、信号光L3a、L3bが光導波路コア2Acに到達した際には、その偏波分離部2Bbdの相反性によって偏波合成されて光ファイバ1cに出力される。
この光スイッチ装置200Bでは、光コリメータアレイ10Dが光導波路で構成された偏波分離機能を有するので、光スイッチ装置200Aと同様に、空間光変調器22のPDLの影響が解消されながらも、光学構成が簡易なものとなる。
(実施の形態7)
図17A、Bは、実施の形態7に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図17Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図17Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図17A、Bは、実施の形態7に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図17Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図17Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図17A、Bに示すように、光スイッチ装置200Cは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、集光レンズ系21と空間光変調器22との間に1/2波長板26を追加し、アナモルフィックプリズムペア24と回折格子25との間に(1+2n)/4波長板28(ただし、nは負でない整数とする)と偏波分離素子29とを追加した構成を有する。ここで、偏波分離素子29はたとえばウォラストンプリズムである。
この光スイッチ装置200Cは、光スイッチ装置200と同様に波長選択光スイッチ装置として機能し、同様の効果を有するが、さらに、1/2波長板26、(1+2n)/4波長板28および偏波分離素子29の作用によって光コリメータアレイ10、シリンドリカルレンズ3、アナモルフィックプリズムペア24および空間光変調器22のPDLの影響が解消される。
すなわち、光コリメータアレイ10から入力された信号光L3は、(1+2n)/4波長板28をZ方向の正の向きに通過後に偏波分離素子29により互いに直交する偏波成分である信号光L3aおよび信号光L3bに分離する。ここで、1/2波長板26については、信号光L3aのみが1/2波長板26を通過し、信号光L3bは1/2波長板26を通過しないように配置されている。これによって、信号光L3aは、偏波方向が信号光L3aの偏波方向と同一に揃えられた状態で空間光変調器22に入力される。これにより、空間光変調器22のPDLの影響は解消される。
その後、信号光L3a、L3bは偏波分離素子29の相反性により偏波合成されて(1+2n)/4波長板28をZ方向の負の向きに通過する。このとき、直交する偏波成分である信号光L3a、L3bは、Z方向正の向きと負の向きとの合計2回、(1+2n)/4波長板28を通過するので、合計で1/2波長板を1回通過したときと同様の位相変化を受ける。その結果、(1+2n)/4波長板28をZ方向の負の向きに通過した信号光L3a、L3bは、Z方向の正の向きに通過前とはその偏波方向が逆転する。たとえば、通過前に信号光L3aがP波、信号光L3bがS波だったとすると、通過後には信号光L3aがS波、信号光L3bがP波となる。
これにより、信号光L3a、L3bは、アナモルフィックプリズムペア24、シリンドリカルレンズ3、光コリメータアレイ10を順次通過する際に、外部から信号光L3として入力される際に光コリメータアレイ10、シリンドリカルレンズ3、アナモルフィックプリズムペア24を順次通過してきたときとは偏波状態が逆転した状態で通過する。その結果、信号光L3が受ける光コリメータアレイ10、シリンドリカルレンズ3、アナモルフィックプリズムペア24のPDLの影響が解消される。このような構成によれば、特に光コリメータアレイ10のPDLの影響を解消することができるので好ましい。
なお、偏波分離素子29よりも入力側に配置された素子のPDLの影響を解消するためには、(1+2n)/4波長板28の位置は偏波分離素子29の直前(光コリメータアレイ10側)に入れることが好ましい。ただし、(1+2n)/4波長板28の位置はこれに限られず、光コリメータアレイ10と偏波分離素子29との間に配置されればよい。たとえば、光コリメータアレイ10の直後(シリンドリカルレンズ3側)に配置した場合には、光コリメータアレイ10のPDLの影響を解消する効果が発揮される。また、偏波分離素子29についても、光コリメータアレイ10と空間光変調器22との間の好適な位置に配置されることができる。
(実施の形態8)
図18A、Bは、実施の形態8に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図18Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図18Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図18A、Bは、実施の形態8に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図18Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図18Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図18A、Bに示すように、光スイッチ装置200Dは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、集光レンズ系21と空間光変調器22との間に1/2波長板26を追加し、アナモルフィックプリズムペア24と回折格子25との間に偏波分離素子29とを追加した構成を有する。
この光スイッチ装置200Dは、光スイッチ装置200と同様に波長選択光スイッチ装置として機能し、同様の効果を有するが、さらに、1/2波長板26の作用および空間光変調器22の制御方法によって、光コリメータアレイ10および空間光変調器22のPDLの影響が解消される。
すなわち、光コリメータアレイ10から入力された信号光L3は、偏波分離素子29により互いに直交する偏波成分である信号光L3aおよび信号光L3bに分離する。ここで、1/2波長板26については、信号光L3aのみが1/2波長板26を通過し、信号光L3bは1/2波長板26を通過しないように配置されている。これによって、信号光L3aは、偏波方向が信号光L3aの偏波方向と同一に揃えられた状態で空間光変調器22に入力される。これにより、空間光変調器22のPDLの影響は解消される。
さらに、この光スイッチ装置200Dでは、信号光L3a、L3bのうち、光コリメータアレイ10のPDLによる光損失が小さい方の偏波方向の信号光に対してのみ、空間光変調器22により所定の光損失を与えるように制御部23が空間光変調器22を制御する。この光損失を光コリメータアレイ10のPDLと同程度の値とすることにより、光コリメータアレイ10のPDLの影響が解消される。
このように、特定の偏波方向の信号光に対してのみ、空間光変調器22により所定の光損失を与える方法としては、空間光変調器22と光ファイバ1a、1b、1c、1dのうち信号光を出力させるべき光ファイバとの結合効率を低減させたり、空間光変調器22の回折効率を低減させたりする方法がある。
空間光変調器22と光ファイバとの結合効率を低減させる方法としては、たとえば空間光変調器22をフレネルレンズとして機能させる場合に光ファイバ端面に対するフレネルレンズの焦点位置を最大結合効率が得られる位置からデフォーカスさせる方法や、空間光変調器22からの反射光を、この反射光を出力させる光ファイバに結合させる位置を、その最適結合効率が得られる位置からずらす方法がある。
また、結合効率と回折効率とを低減させる方法としては、空間光変調器22の画素パターンを、平面反射鏡やフレネルレンズに対して攪乱を加えたものとして、所望の回折方向以外の角度にも一部の光を回折させるようにする方法がある。
図19A、B、Cは、空間光変調器に与える位相変調の一例を表す図である。まず、図19Aは、空間光変調器22の表面に垂直に入力する信号光L3aを所望の角度αの方向に反射させる場合の画素と画素に与える位相変調との関係を示している。つぎに、図19Bは、空間光変調器22の表面に垂直に入力する信号光L3aを角度βの方向に反射させる場合の画素と画素に与える位相変調との関係を示している。このとき、位相変調の周期は角度αの方向に反射させる場合の位相変調の周期よりも短くする、すなわち高周波にする。そして、図19Cは、空間光変調器22の表面に垂直に入力する信号光L3aを角度αの方向に反射させる場合に、図19Aに示す位相変調に加えて図19Bに示す高周波成分の位相変調を与えた場合を示している。これにより信号光L3aは角度αの方向に加えて角度(α−β)の方向角度(α+β)と角度(α−β)の方向にも反射されるので、所望の回折方向である角度α以外の角度にも一部の光を回折させることができる。なお、このような高周波成分(擾乱成分)による回折角±βは、光コリメータアレイ10におけるいずれの光ファイバとも結合しない方向にするのがよい。
(実施の形態9)
図20A、Bは、実施の形態9に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図20Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図20Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図20A、Bは、実施の形態9に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図20Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図20Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図20A、Bに示すように、光スイッチ装置200Eは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、光コリメータアレイ10を光コリメータアレイ10Eに置き換えた構成を有する。光コリメータアレイ10Eは、光コリメータアレイ10からシリンドリカルレンズ3を削除した構成を有する。なお、このとき、アナモルフィックプリズムペア24は光コリメータアレイ10Eにより近づけて配置し、たとえば光導波路回路2の直後に配置することが好ましい。このように、アナモルフィック光学系としてのシリンドリカルレンズ3に換えてアナモルフィックプリズムペア24を用いてもよい。
(実施の形態10)
図21A、Bは、実施の形態10に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図21Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図21Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図21A、Bは、実施の形態10に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図21Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図21Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図21A、Bに示すように、光スイッチ装置200Fは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、光コリメータアレイ10を光コリメータアレイ10Fに置き換え、集光レンズ系21をシリンドリカルレンズ30、31からなる集光レンズ系に置き換え、空間光変調器22を空間光変調器22Fに置き換えた構成を有する。
この光スイッチ装置200Fは、光スイッチ装置200と同様に機能する単位波長選択光スイッチ装置が集積された、いわゆるNin1型の光スイッチ装置として機能する。
図22A、Bは、図21A、Bに示す光コリメータアレイの構成図である。この光コリメータアレイ10Fは、光ファイバアレイ1Fと、光導波路回路2Fとを備えている。光ファイバアレイ1Fは、所定の配列方向(Y軸方向)に配列された複数の光ファイバからなる光ファイバ群1Fa、1Fbと、光ファイバ群1Fa、1Fbを配列方向に配列された状態に保持する保持部材1Feとを有している。光ファイバ群1Fa、1Fbを構成する光ファイバは、たとえば通常シングルモード光ファイバ(SMF)である。また、保持部材1Feは、たとえばガラスからなる立方体形状を有しており、各光ファイバは、保持部材1Feの貫通孔に挿通された状態で、かつファイバ端面と保持部材1Feの端面とが略同一面上になるように保持されている。
光導波路回路2Fは、たとえばPLCで構成されており、複数の光導波路コアからなる光導波路コア群2Fa、2Fbと、光導波路コア群2Fa、2Fbの外周に形成された、各光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部2Feと、光ファイバアレイ1Fと接続された側とは反対側に位置する端面2Ffとを有している。
光導波路コア群2Fa、2Fbを構成する各光導波路コアは、光コリメータアレイ10の光導波路コア2aと同様にストレート部、テーパ部およびストレート部を有する。また、複数の光導波路コアは、光導波路コア群2Fa内および光導波路コア群2Fb内ではそれぞれ光の出射方向が同じであるとともに、光導波路コア群2Faと光導波路コア群2Fbとの間では光の出射方向が互いに異なるように配置されている。本実施の形態では、具体的には、光導波路コア群2Fa内では複数の光導波路コアの光の出射方向は端面2Ffと垂直方向に対してYZ平面内でY軸方向負の向きに角度θ3だけ傾斜した方向である。一方、光導波路コア群2Fb内では複数の光導波路コアの光の出射方向は端面2Ffと垂直方向に対してYZ平面内でY軸方向正の向きに角度θ4だけ傾斜した方向である。すなわち、光導波路コア群2Faのいずれかの光導波路コアと、光導波路コア群2Fb内のいずれかの光導波路コアとの少なくとも2つの光導波路コアでは、配列方向における光の出射角度が互いに異なる。
また、空間光変調器22Fは、光ファイバアレイ1Fの光ファイバ群1Fa、1Fbにおける光ファイバの配列方向(Y軸方向)において空間光変調器22Fが2つの空間光変調器22Fa、22Fbに分割された構成を有する。分割された空間光変調器22Fa、22Fbはそれぞれ制御部23によって独立に制御される。
ここで、光スイッチ装置200Fは、光スイッチ装置200と同様に機能し、同様の効果を有する2つの単位波長選択光スイッチ装置200Fa、200Fbを含むように構成されている。単位波長選択光スイッチ装置200Faは、光導波路コア群2Faと、シリンドリカルレンズ3と、アナモルフィックプリズムペア24と、回折格子25と、シリンドリカルレンズ30、31と、空間光変調器22のうちの空間光変調器22Faと、制御部23とを含んで構成されるものである。一方、単位波長選択光スイッチ装置200Fbは、光導波路コア群2Fbと、シリンドリカルレンズ3と、アナモルフィックプリズムペア24と、回折格子25と、シリンドリカルレンズ30、31と、空間光変調器22のうちの空間光変調器22Fbと、制御部23とを含んで構成されている。上述したように、空間光変調器22Fa、22Fbはそれぞれ制御部23によって独立に制御される。
このように、光スイッチ装置200Fは、シリンドリカルレンズ3、アナモルフィックプリズムペア24、回折格子25、シリンドリカルレンズ30、31および制御部23を共通の構成としつつ、互いに異なる光導波路コア群2Faおよび空間光変調器22Faと、光導波路コア群2Fbおよび空間光変調器22Fbとで構成される2つの単位波長選択光スイッチ装置200Fa、200Fbを含む2in1型の光スイッチ装置である。したがって、光スイッチ装置200Fは、たとえば単位波長選択光スイッチ装置200Faに入力された信号光L4と単位波長選択光スイッチ装置200Fbに入力された信号光L5に対して、それぞれ独立した波長選択光スイッチ装置として機能する。
この光スイッチ装置200Fでは、光コリメータアレイ10Fが光導波路コア群2Fa、2Fbで構成されているので、光導波路コアを所望の光出射角度θ3またはθ4に対して精度良く形成することができる。したがって、この光スイッチ装置200Fは、素子の光学的アラインメントがしやすく、かつ挿入損失を小さくしやすいものである。
なお、光スイッチ装置200Fに含まれる単位波長選択光スイッチ装置の数は2に限定されない。光ファイバ群および光導波路コア群の数を追加することで、容易に単位波長選択光スイッチ装置の数を、たとえば8以上に増加させることができる。このとき、空間光変調器の分割数は単位波長選択光スイッチ装置の数と少なくとも同じとする。また、光導波路コア群間の光の出射角度は互いに異なるものとするが、各光導波路コア群から出力された光が回折格子25の近傍または回折格子25上で交差するように、出射角度を設定することが好ましい。これにより、空間光変調器22に各光をより垂直に近い角度で入力させることができる。
(実施の形態11)
図23A、Bは、実施の形態11に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図23Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図23Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図23A、Bは、実施の形態11に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図23Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図23Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図23A、Bに示すように、光スイッチ装置200Gは、図21A、Bに示す光スイッチ装置200Fにおいて、光コリメータアレイ10Fを光コリメータアレイ10Gに置き換え、空間光変調器22Fを空間光変調器22Gに置き換えた構成を有する。
この光スイッチ装置200Gは、2×1の単位波長選択光スイッチ装置と1×2の単位波長選択光スイッチ装置とが2つずつ集積された4in1型の光スイッチ装置であるが、2×2の波長選択光スイッチ装置として機能する。
図24は、図23A、Bに示す光コリメータアレイの構成図である。この光コリメータアレイ10Gは、光ファイバアレイ1Gと、光導波路回路2Gとを備えている。光ファイバアレイ1Gは、光ファイバアレイ1と同様の構成を有し、光ファイバ1a、1b、1c、1dを有している。
光導波路回路2Gは、たとえばPLCで構成されており、それぞれが3つの光導波路コアからなる光導波路コア群2Ga、2Gb、2Gc、2Gdと、複数の接続用光導波路コア2Ggと、光導波路コア群2Ga、2Gb、2Gc、2Gdおよび接続用光導波路コア2Ggの外周に形成された、各光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部2Geと、光ファイバアレイ1Gと接続された側とは反対側に位置する端面2Gfとを有している。
光導波路コア群2Ga、2Gb、2Gc、2Gdを構成する各光導波路コアは、光コリメータアレイ10の光導波路コア2aと同様にストレート部、テーパ部およびストレート部を有する。また、複数の光導波路コアは、光導波路コア群2Ga、2Gb、2Gc、2Gd内では光の出力方向が同じであるとともに、光導波路コア群2Ga、2Gb、2Gc、2Gdの間では光の出力方向が互いに異なるように配置されている。
また、光導波路コア群2Gaは、光ファイバ1aに接続され、外部から光が入力されるまたは外部に光を出力するための外部接続用光導波路コア2Gabと、他の光導波路コア群の導波路コアに接続される内部接続用光導波路コア2Gaa、2Gacとを含んでいる。同様に、光導波路コア群2Gbは、光ファイバ1bに接続される外部接続用光導波路コア2Gbbと、内部接続用光導波路コア2Gba、2Gbcとを含んでいる。光導波路コア群2Gcは、光ファイバ1cに接続される外部接続用光導波路コア2Gcbと、内部接続用光導波路コア2Gca、2Gccとを含んでいる。光導波路コア群2Gdは、光ファイバ1dに接続される外部接続用光導波路コア2Gdbと、内部接続用光導波路コア2Gda、2Gdcとを含んでいる。
さらに、複数の接続用光導波路コア2Ggは、内部接続用光導波路コア同士を光導波路回路2G内において接続する。本実施の形態では、具体的には、4つの接続用光導波路コア2Ggは、内部接続用光導波路コア2Gaaと2Gcaとを接続し、内部接続用光導波路コア2Gacと2Gdcとを接続し、内部接続用光導波路コア2Gbaと2Gccとを接続し、内部接続用光導波路コア2Gbcと2Gdaとを接続している。なお、接続用光導波路コア2Ggは、導波路コアが屈曲する部分では曲げ損失が発生しないような曲げ半径で円弧状に曲げられている。
空間光変調器22Gは、光ファイバ1a、1b、1c、1dの配列方向(Y軸方向)において空間光変調器22が4つの空間光変調器22Ga、22Gb、22Gc、22Gdに分割された構成を有する。分割された空間光変調器22Ga、22Gb、22Gc、22Gdはそれぞれ制御部23によって独立に制御される。
ここで、図25は、図23A、Bに示す波長選択光スイッチ装置の機能ブロック図である。図25に示すように、光スイッチ装置200Gは、光スイッチ装置200と同様に機能する2×1の単位波長選択光スイッチ装置200Ga、200Gbと、1×2の単位波長選択光スイッチ装置200Gc、200Gdとを含むように構成されている4in1型の光スイッチ装置である。
単位波長選択光スイッチ装置200Gaは、光導波路コア群2Gaと、シリンドリカルレンズ3と、アナモルフィックプリズムペア24と、回折格子25と、シリンドリカルレンズ30、31と、空間光変調器22Gのうちの空間光変調器22Gaと、制御部23とを含んで構成されるものである。同様に、単位波長選択光スイッチ装置200Gb、Gc、Gdは、それぞれが含む光導波路コア群2Gb、Gc、Gdおよび空間光変調器22Gb、22Gc、22Gdと、共通のシリンドリカルレンズ3、アナモルフィックプリズムペア24、回折格子25、シリンドリカルレンズ30、31、および制御部23とを含んで構成されている。
さらに、光導波路回路2G内において、内部接続用光導波路コア2Gaaと2Gcaとが接続され、内部接続用光導波路コア2Gacと2Gdcとが接続され、内部接続用光導波路コア2Gbaと2Gccとが接続され、内部接続用光導波路コア2Gbcと2Gdaとが接続されていることによって、2×2の波長選択光スイッチ装置として機能する。これにより、たとえば光ファイバ1cから信号光L6が入力された場合に、これに含まれる所定の波長の信号光L6aを選択して光ファイバ1aから出力させたり、光ファイバ1dから信号光L7が入力された場合に、これに含まれる所定の波長の信号光L7aを選択して光ファイバ1bから出力させたりすることができる。
なお、本実施の形態11では、一組の構成要素であるシリンドリカルレンズ3、アナモルフィックプリズムペア24、回折格子25、シリンドリカルレンズ30、31、空間光変調器22および制御部23を4つの単位波長選択光スイッチ装置200Ga、200Gb、200Gc、200Gdで共用している。ただし、たとえば上記一組の構成要素を2組備えるようにして、2つの単位波長選択光スイッチ装置200Ga、200Gbが一組の構成要素を共用し、2つの単位波長選択光スイッチ装置200Gc、200Gdが別の一組の構成要素を共用するように構成してもよい。
なお、上述したように、本発明の実施の形態に係る光コリメータアレイによれば、省スペースにて光のビーム形状のアスペクト比を高くできる。さらに、本発明の実施の形態に係る光コリメータアレイによれば、公知のマイクロレンズアレイを用いた光コリメータアレイ(以下、適宜マイクロレンズ型光コリメータアレイと呼ぶ)に比べ、配列方向におけるピッチ(例えば光コリメータアレイ10では、端面2fにおける光導波路コア2a、2b、2c、2dの配置間隔)に対する光のスポットサイズ(端面2fにおけるスポットサイズ)を大きくできるので、光スイッチ装置に適用する場合に、光の経路の変更角度(スイッチ角)を小さくすることができる。さらには、光軸ずれに関するトレランスの改善、光スイッチ装置の薄型化を両立できる。
具体的には、光コリメータアレイ10において、光スイッチ装置に適用する場合に配列方向となるY軸方向における光のスポットサイズは大きい方が望ましい。Y軸方向における光のスポットサイズが大きい方が、ある光ファイバに結合する光のY軸方向での光軸ずれ(光の光軸と結合すべき光ファイバの光軸との光軸ずれ)に対するトレランスが改善するからである。また、光スイッチ装置におけるスイッチ軸方向(Y軸方向)の光の広がり角を抑制できるので、光スイッチ装置における光学系(集光レンズ系や空間光変調器など)を薄型化できる。
たとえば、公知のマイクロレンズ型光コリメータアレイの場合、マイクロレンズの有効径CA>2w×Aが成り立つ。ここで、2wはマイクロレンズにおけるビームのスポット半径である。Aは設定パラメータであるが、正常な光の伝播のためには、Aは2以上が望ましいが、一般には公差等を考慮して2.5程度に設定されている。従って、隣り合うマイクロレンズ間の距離、すなわちコリメータアレイのピッチは、4w以上であり、典型的には5wである。
一方、本発明者らは、光コリメータアレイ10の構成において、ピッチを127μm、光導波路コアの端面におけるサイズを110μm×7μm、比屈折率差を0.4%とした試作品を作製したところ。端面における光のスポットサイズを幅方向において37μmとできることを確認した。この場合、ピッチpとスポット半径wとの比(p/w)は3.43であり、公知のマイクロレンズ型光コリメータアレイでは実現できない小さな値である。このように、本発明の実施の形態によれば、p/wを4未満にでき、好ましい。
このように、公知のマイクロレンズ型光コリメータアレイを光入出力ポートとして用いた光スイッチ装置は、ピッチとスポットサイズとが反比例する関係であることにより、たとえばピッチが半減すると、スイッチ角も半減し、低損失になるが、トレランスが低下するので、両者にトレードオフの関係がある。さらには、ピッチを小さくすると、空間光変調器上でのビームスポットサイズが大きくなるので、空間光変調器の大型化による高コスト化、および光学系の厚みの増大を招く。
一方、本発明の実施の形態によれば、公知のマイクロレンズ型光コリメータアレイと同一ピッチでもよりスポットサイズを大きくできることから、トレランスの良い光スイッチ装置を実現できる。言い換えると、本発明の実施の形態によれば、公知のマイクロレンズ型光コリメータアレイを光入出力ポートとして用いた光スイッチ装置と同じトレランスで、ピッチがより小さく、低損失な光スイッチ装置を実現できる。
なお、上記比p/wについては、図3の結果をもとに、グラフを直線近似したときの直線の勾配およびコア幅とスポットサイズ半径との関係が、コア幅/スポットサイズ半径=110/37程度以下になりうること、また、ピッチ/コア幅=127/110程度以下になりうるという試作結果から、4未満という値を実現しうるものであることを確認できる。
さらに、本発明の実施の形態に係る光コリメータアレイは、コア幅がピッチの75%程度以上100%未満に設定することで、従来のマイクロレンズアレイ型の光コリメータアレイと同等の性能を有しつつより小型化することができる。
以下では、本発明の実施の形態として、入力または出力の光のポート数(光ファイバの数)が80以上である光スイッチ装置について説明する。
(実施の形態12)
図26A、Bは、実施の形態12に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図26Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図26Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図26A、Bは、実施の形態12に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図26Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図26Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図26A、Bに示すように、光スイッチ装置200Hは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、光コリメータアレイ10を光コリメータアレイ10Hに置き換えた構成を有する。光コリメータアレイ10Hは、光ファイバアレイ1Hと、光導波路回路2Hと、シリンドリカルレンズ3と、連結部品4とを備えている。
光ファイバアレイ1Hは、所定の配列方向(Y軸方向)に配列された81本の光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81と、光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81を配列方向に配列された状態に保持する保持部材とを有している。
光導波路回路2Hは、たとえばPLCで構成されており、81本の光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81と、光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81の外周に形成されたクラッド部と、光ファイバアレイ1Hと接続された側とは反対側に位置する端面2Hfとを有している。光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81はそれぞれ、たとえば屈折率を高める材料を添加した石英系ガラスからなる。各光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81は内部の屈折率が均一である。また、光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81はそれぞれ光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81に接続している。
光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81はそれぞれ、光導波路コア2aと同様に、光ファイバに接続される側から端面2Hfに向かって順次配置された、ストレート部と、テーパ部と、ストレート部とを有している。各部のサイズは光導波路コア2aと同様にできる。
連結部品4は、アナモルフィック光学系であるシリンドリカルレンズ3と、光導波路回路2Hとを連結し、一体化するものである。連結部品4を構成する材料は、たとえば石英、ガラス、またはシリンドリカルレンズ3および光導波路回路2Hを構成する材料の熱膨張率に近い熱膨張率を有する材料が望ましい。
光が分散する方向であるX方向に光をコリメートするシリンドリカルレンズ3と、光導波路回路2Hとの間の位置精度は高い方が望ましい。光コリメータアレイ10Hでは、連結部品4によりシリンドリカルレンズ3と光導波路回路2Hとを連結し、一体化している。このように、光コリメータアレイ10Hでは、シリンドリカルレンズ3と光導波路回路2Hとがプレアセンブルされている。したがって、光スイッチ装置200Hを組み立てる作業において、公知のマイクロレンズ型光コリメータアレイと同様の使い勝手で、光コリメータアレイ10Hと他の光学部品とのアラインメントを行うことができる。
この光スイッチ装置200Hは、光スイッチ装置200と同様に動作するが、光コリメータアレイ10Hが81の光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81と光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81とを備えることにより、1×80の波長選択光スイッチ装置として機能する。また、端面2Hfにおける光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81のサイズを110μm×7μm、かつピッチを127μmに設定することができる。または、サイズを87μm×7μm、かつピッチを100μmに設定することができる。
なお、光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81のコア幅は、光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81の配置間隔(ピッチ)の90%程度の値にすることができる。たとえば、光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81のピッチが127μmの場合、コア幅を110μmにすると、波長選択スイッチ装置として好適な光コリメータアレイとなる。
また、光導波路コアの光ファイバに接続する側のストレート部の断面形状は、必ずしもSMFのモードフィールド形状に合わせた正方形状でなくてもよい。たとえば、PLCは、光導波路コアの厚さが薄い方が作製しやすい。そのため、光導波路コアとしては、コア幅はSMFのモードフィールド径に合わせて設計し、厚さは、正方形状から薄くすることで増加する損失が、許容される損失増加量の範囲内となるように薄くすることで、製造性のよい光コリメータアレイとすることができる。
また、光スイッチ装置を組み立てる際のアラインメントを行う場合に、アラインメントを易化させるためのアラインメント用光導波路コアを、波長選択光スイッチ装置において使用する光導波路コアとは別に光導波路回路に設けておいてもよい。たとえば、コア幅がほかの光導波路コアより大きなアラインメント用光導波路コアが、光導波路回路の両端に1組あれば、波長選択光スイッチ装置において使用する光導波路コアに比べビームが結合しやすく、アラインメント時間を減らすことができる。
(実施の形態13)
図27A、Bは、実施の形態13に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図27Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図27Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図27A、Bは、実施の形態13に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図27Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図27Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図27A、Bに示すように、光スイッチ装置200Iは、図8A、Bに示す光スイッチ装置200において、光コリメータアレイ10を光コリメータアレイ10Iに置き換えた構成を有する。光コリメータアレイ10Iは、光コリメータアレイ10Iaと、光コリメータアレイ10Ibとを備えている。
光コリメータアレイ10Ia、10Ibは、いずれも、光コリメータアレイ10Hを構成する光ファイバアレイ1Hと光導波路回路2Hとからなるものである。そして、光コリメータアレイ10Ia、10Ibは、光ファイバ1−1〜1−81の配列方向とは垂直の方向(X軸方向)に並んで設けられている。
この光スイッチ装置200Iは、光コリメータアレイ10Iが162の光ファイバ1−1、1−2、・・・、1−81と光導波路コア2Ha−1、2Ha−2、・・・、2Ha−81とを備えることにより、1×160の波長選択光スイッチ装置として機能することができる。たとえば、図27Bに示すように、波長多重された信号光L2が光コリメータアレイ10Ia側の何れかの光ファイバから入力され、回折格子25によりX軸方向において信号光L2a、L2b、L2cに分離され、空間光変調器22に到達したとする。このとき、空間光変調器22は、制御部23による表示画像の制御により、入力された光をXZ面内でも任意の角度で反射できるように構成されている。これにより、空間光変調器22は、信号光L2aを、光コリメータアレイ10Ia側の何れかの光ファイバに向けて出力することもできるし、L2b´のように光コリメータアレイ10Ib側の何れかの光ファイバに向けて出力することもできるように構成されている。すなわち、光スイッチ装置200Iは、光コリメータアレイ10Ia側の何れかの光ファイバから入力された信号光を、光コリメータアレイ10Ia側の他の80本の光ファイバ、および光コリメータアレイ10Ib側の81本の光ファイバの何れかから出力させることができる。これにより、光スイッチ装置200Iは、1×160の波長選択光スイッチ装置として機能することができる。
なお、本発明の実施の形態に係る光コリメータアレイの特徴の一つに、Y軸方向(配列方向または光スイッチ装置におけるスイッチ軸方向の設計自由度が挙げられる。図21A、B、図22A、Bに実施の形態10として示した通り、光導波路コア群に角度オフセットを与えることで、Nin1型の波長選択光スイッチ装置を容易に構築することができる。
また、図23A、B〜図25に示した通り、光導波路コア同士を光導波路回路内において接続することで1×2 4in1型の波長選択光スイッチ装置によって2×2の波長選択光スイッチ装置を構築することができる。なお、1×Nの波長選択光スイッチ装置を2Nin1型にすることで、N×Nの波長選択光スイッチ装置を構築することができるのは明らかである。この時、光導波路コア群に角度オフセットを与えられるという、本発明の実施の形態に係る光コリメータアレイの特徴を生かすことで、Nの大きなN×Nの波長選択光スイッチ装置に好適な構成をとることができる。
(実施の形態14)
図28A、Bは、実施の形態14に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図28Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図28Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図28A、Bは、実施の形態14に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図28Aは光スイッチ装置をX方向で負の向きから見た図であり、図28Bは光スイッチ装置をY方向で正の向きから見た図である。
図28A、Bに示すように、光スイッチ装置200Jは、図21A、Bに示す光スイッチ装置200Fにおいて、光コリメータアレイ10Fを光コリメータアレイ10Jに置き換え、シリンドリカルレンズ30、31からなる集光レンズ系を集光レンズ系21に置き換え、シリンドリカルレンズ3と回折格子25との間に集光レンズ系32を配置した構成を有する。なお、集光レンズ系32は1枚のレンズで構成されていてもよいし、複数枚のレンズで構成されていてもよい。
この光スイッチ装置200Jは、光スイッチ装置200Fと同様に、単位波長選択光スイッチ装置が集積された、いわゆるNin1型の光スイッチ装置として機能する。
光コリメータアレイ10Jは、光ファイバアレイ1Jと、光導波路回路2Jとを備えている。光ファイバアレイ1Jは、所定の配列方向(Y軸方向)に配列された、それぞれ161本の光ファイバからなる光ファイバ群1Ja、1Jbと、光ファイバ群1Ja、1Jbを配列方向に配列された状態に保持する保持部材とを有している。
光導波路回路2Jは、たとえばPLCで構成されており、それぞれ161本の光導波路コアからなる光導波路コア群2Ja、2Jbと、光導波路コア群2Ja、2Jbの外周に形成された、各光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部と、光ファイバアレイ1Jと接続された側とは反対側に位置する端面2Jfとを有している。
光導波路コア群2Ja、2Jbを構成する各光導波路コア2Ja−1、・・・、2Ja−m、・・・、2Ja−161、2Jb−1、・・・、2Jb−m、・・・、2Jb−161は、光コリメータアレイ10の光導波路コア2aと同様にストレート部、テーパ部およびストレート部を有する。ここで、mは2〜161の何れかの整数である。端面2Jfにおける各光導波路コアのサイズは例えば110μm×7μmであり、ピッチは127μmである。光導波路コア群2Ja、2Jbを構成する各光導波路コアは、光ファイバ群1Ja、1Jbを構成する各光ファイバに接続している。
また、光導波路コア群2Jaの光導波路コア2Ja−1、・・・、2Ja−161は、それぞれ角度オフセットを有するように、放射状に配置されている。同様に、光導波路コア群2Jbの光導波路コア2Jb−1、・・・、2Jb−161は、それぞれ角度オフセットを有するように、放射状に配置されている。光導波路コア2Ja−1、・・・、2Ja−161は、光ファイバアレイ1J側に伸ばしたとすると、点P4で交差するように配置されている。光導波路コア2Jb−1、・・・、2Jb−161は、光ファイバアレイ1J側に伸ばしたとすると、点P5で交差するように配置されている。
点P4,P5は、集光レンズ系32から焦点距離f1だけ離間した位置にある。また、回折格子25は、集光レンズ系32から焦点距離f1だけ離間した位置にある。さらに、回折格子25は、集光レンズ系21から焦点距離f2だけ離間した位置にある。さらに、空間光変調器22Fは、集光レンズ系21から焦点距離f2だけ離間した位置にある。これにより、光スイッチ装置200Jでは、集光光学系としての集光レンズ系21、32によりテレセントリック光学系が形成されている。従って、点P4,P5は、光コリメータアレイ10J側における光学系の略焦点面にある。なお、このようにテレセントリック光学系を形成するための集光光学系は、レンズに限らず、ミラーでもよい。
ここで、光スイッチ装置200Jは、1×160の2つの単位波長選択光スイッチ装置200Ja、200Jbを含むように構成されている。単位波長選択光スイッチ装置200Jaは、光導波路コア群2Jaと、シリンドリカルレンズ3と、集光レンズ系32と、回折格子25と、集光レンズ系21と、空間光変調器22Fのうちの空間光変調器22Faと、制御部23とを含んで構成されるものである。一方、単位波長選択光スイッチ装置200Jbは、光導波路コア群2Jbと、シリンドリカルレンズ3と、集光レンズ系32と、回折格子25と、集光レンズ系21と、空間光変調器22Fのうちの空間光変調器22Fbと、制御部23とを含んで構成されている。上述したように、空間光変調器22Fa、22Fbはそれぞれ制御部23によって独立に制御される。
このように、光スイッチ装置200Jは、シリンドリカルレンズ3、集光レンズ系32、回折格子25、集光レンズ系21および制御部23を共通の構成としつつ、互いに異なる光導波路コア群2Jaおよび空間光変調器22Faと、光導波路コア群2Jbおよび空間光変調器22Fbとで構成される2つの単位波長選択光スイッチ装置200Ja、200Jbを含む2in1型の光スイッチ装置である。なお、図28Aでは、光導波路コア2Ja−1、2Ja−m、2Ja−161から出力された信号光L10、L11、L12を示しているが、信号光L10、L11、L12はテレセントリック光学系の作用により空間光変調器22Faに集光される。なお、このようにテレセントリック光学系の採用により、空間光変調器22Ja、22Jb上に集光される光のスポットサイズを小さくしやすい。このような特徴は、空間光変調器22Fを2つの領域に分割する必要がある2in1構成にとって好都合である。さらに、空間光変調器22FをNの領域に分割する必要があるNin1構成にとって、Nが大きいほどより好都合である。
なお、テレセントリック光学系を備えた光スイッチ装置200Jを用いて、実施の形態11の場合と同様に、光導波路コア群を、光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに接続される外部接続用光導波路コアと、他の光導波路コア群の導波路コアに接続される内部接続用光導波路コアとを含むように構成し、光導波路回路を、異なる光導波路コア群に含まれる内部接続用光導波路コア同士を当該光導波路回路内において接続する複数の接続用光導波路コアを有するように構成してもよい。
ところで、0次のガウシアンビームの広がり角θは以下の数式で求めることができる。
θ=Arctan(λ/(πω))
λ:波長
ω:ビームウエストにおけるスポットサイズ
よって、ある波長において、広がり角とビームウエストにおけるスポットサイズは1対1で対応する。したがって、光コリメータアレイから出力した光の伝搬距離zにおけるスポットサイズω(z)を数点測定すれば、広がり角θを計算できる。さらに広がり角θからビームウエストにおけるスポットサイズを逆算できる。また、ω(z)=0になるzを外挿により求めれば、そこがビームウエストの存在する位置になり、光コリメータアレイの端面(たとえば光コリメータアレイ10の場合は端面2f)と略一致する。
θ=Arctan(λ/(πω))
λ:波長
ω:ビームウエストにおけるスポットサイズ
よって、ある波長において、広がり角とビームウエストにおけるスポットサイズは1対1で対応する。したがって、光コリメータアレイから出力した光の伝搬距離zにおけるスポットサイズω(z)を数点測定すれば、広がり角θを計算できる。さらに広がり角θからビームウエストにおけるスポットサイズを逆算できる。また、ω(z)=0になるzを外挿により求めれば、そこがビームウエストの存在する位置になり、光コリメータアレイの端面(たとえば光コリメータアレイ10の場合は端面2f)と略一致する。
つぎに、ビームプロファイラを用いたビーム径の測定方法の一例を図29に示す。まず、光コリメータアレイ10から出力した信号光L1に対して、ビームプロファイラの設置位置をP11、12、13、14と変化させ、すなわちzを変化させて信号光L1のビームB10の強度分布を測定する。つぎに、ビーム強度分布上で、強度のピークの1/e2のプロット(ω(z))を取ることで、広がり角θを算出できる。つぎに、広がり角θを用いて、上述した定義式からビームウエスト径が算出できる。さらに、ω(z)のプロットを外挿することで、ビームウエスト位置が算出できる。なお、本発明者らが光コリメータアレイ10を試作した、測定を行ったところ、算出したビームウエスト位置が、光コリメータアレイ10の端面2fの位置と略一致することを確認した。
なお、上記実施の形態では回折格子を透過型としたが、本発明はこれに限らず、反射型の回折格子を用いてもよい。また、回折格子の代わりにたとえば分散プリズムなどの他の光分散素子を用いてもよい。
また、上記実施の形態において、光ファイバアレイの光ファイバは等間隔で配列してもよいし、不等間隔で配列してもよい。光ファイバを不等間隔で配列した場合は、空間光変調器22の多重反射で発生した高次の回折光が意図した光ファイバ以外の光ファイバに結合することが抑制されるので、光スイッチ装置のクロストーク特性が向上する。
また、上記実施の形態は、光コリメータアレイを光スイッチ装置に適用するものであるが、光スイッチ装置以外にも例えば波長ブロッカーや波形整形器等の光操作装置にも利用することができる。
波長ブロッカーは、入力されたWDM信号光のなかの特定の波長成分を有する信号光のみを出力し、その他の波長成分を有する信号光を遮断する機能を持つ光操作装置である。また、波形整形器は、入力された光の各波長成分の強度や位相を制御することでスペクトルの形状や光パルスの時間波形を制御する機能を持つ光操作装置である。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態3における空間光変調器22をフレネルレンズとして機能させる制御を他の実施の形態において行ってもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
以上のように、本発明に係る光コリメータアレイおよび光スイッチ装置は、主に光通信用に利用して好適なものである。
1、1F、1G、1H、1J 光ファイバアレイ
1Fa、1Fb、1Ja、1Jb 光ファイバ群
1a、1b、1c、1d、1−1〜1−81 光ファイバ
1e、1Fe 保持部材
2、2A、2B、2F、2G、2H、2J 光導波路回路
2a、2b、2c、2d、2Ab、2Ac、2Bb、2Bc、2Ha−1〜2Ha−81、2Ja−1〜2Ja−161、2Jb−1〜2Jb−161 光導波路コア
2aa、2ac、2Aba、2Abc、2Bba、2Bbc ストレート部
2ab、2Abb、2Bbb テーパ部
2Abd、2Bbd 偏波分離部
2e、2Ae、2Be、2Fe、2Ge クラッド部
2f、2Af、2Bf、2Ff、2Gf、2Hf、2Jf 端面
2Bbe、2Bbf 出力部
2Fa、2Fb、2Ga、2Gb、2Gc、2Gd、2Ja、2Jb 光導波路コア群
2Gaa、2Gac、2Gba、2Gbc、2Gca、2Gcc、2Gda、2Gdc 内部接続用光導波路コア
2Gab、2Gbb、2Gcb、2Gdb 外部接続用光導波路コア
2Gg 接続用光導波路コア
3、3A シリンドリカルレンズ
3Aa 接合面
3Ab レンズ面
4 連結部材
10、10A、10B、10Ba、10Bb、10C、10D、10E、10F、10G、10H、10I、10Ia、10Ib、10J 光コリメータアレイ
21、32 集光レンズ系
22、22F、22G、22Fa、22Fb、22Ga、22Gb、22Gc、22Gd 空間光変調器
22a シリコン基板
22b 画素電極群
22c 液晶層
22d 配向膜
22e ITO電極
22f カバーガラス
22g 光入射層
22h、22i 領域
23 制御部
24 アナモルフィックプリズムペア
25 回折格子
26 1/2波長板
27 シリンドリカルレンズ
28 (1+2n)/4波長板
29 偏波分離素子
30、31 シリンドリカルレンズ
100、200、200A、200B、200C、200D、200E、200F、200G、200H、200I、200J 光スイッチ装置
200Fa、200Fb、200Ga、200Gb、200Gc、200Gd、200Ja、200Jb 単位波長選択光スイッチ装置
1Fa、1Fb、1Ja、1Jb 光ファイバ群
1a、1b、1c、1d、1−1〜1−81 光ファイバ
1e、1Fe 保持部材
2、2A、2B、2F、2G、2H、2J 光導波路回路
2a、2b、2c、2d、2Ab、2Ac、2Bb、2Bc、2Ha−1〜2Ha−81、2Ja−1〜2Ja−161、2Jb−1〜2Jb−161 光導波路コア
2aa、2ac、2Aba、2Abc、2Bba、2Bbc ストレート部
2ab、2Abb、2Bbb テーパ部
2Abd、2Bbd 偏波分離部
2e、2Ae、2Be、2Fe、2Ge クラッド部
2f、2Af、2Bf、2Ff、2Gf、2Hf、2Jf 端面
2Bbe、2Bbf 出力部
2Fa、2Fb、2Ga、2Gb、2Gc、2Gd、2Ja、2Jb 光導波路コア群
2Gaa、2Gac、2Gba、2Gbc、2Gca、2Gcc、2Gda、2Gdc 内部接続用光導波路コア
2Gab、2Gbb、2Gcb、2Gdb 外部接続用光導波路コア
2Gg 接続用光導波路コア
3、3A シリンドリカルレンズ
3Aa 接合面
3Ab レンズ面
4 連結部材
10、10A、10B、10Ba、10Bb、10C、10D、10E、10F、10G、10H、10I、10Ia、10Ib、10J 光コリメータアレイ
21、32 集光レンズ系
22、22F、22G、22Fa、22Fb、22Ga、22Gb、22Gc、22Gd 空間光変調器
22a シリコン基板
22b 画素電極群
22c 液晶層
22d 配向膜
22e ITO電極
22f カバーガラス
22g 光入射層
22h、22i 領域
23 制御部
24 アナモルフィックプリズムペア
25 回折格子
26 1/2波長板
27 シリンドリカルレンズ
28 (1+2n)/4波長板
29 偏波分離素子
30、31 シリンドリカルレンズ
100、200、200A、200B、200C、200D、200E、200F、200G、200H、200I、200J 光スイッチ装置
200Fa、200Fb、200Ga、200Gb、200Gc、200Gd、200Ja、200Jb 単位波長選択光スイッチ装置
Claims (19)
- 所定の配列方向に配列された複数の光ファイバと、
前記複数の光ファイバのそれぞれに接続された複数の光導波路コアと、前記複数の光導波路コアの外周に形成された、前記複数の光導波路コアよりも屈折率が低いクラッド部とを有する光導波路回路と、
を備え、
前記各光導波路コアは、前記各光ファイバから入力された光の進行方向に沿って、前記配列方向における光導波路コアの幅が拡大するテーパ部を有しており、
前記各光導波路コアの端面から出力した各光のビームウエストが前記各光導波路コアの略端面に位置し、
前記各光が前記各光導波路コアの端面から出力する際に、ビームの広がり角度について前記配列方向における広がり角度よりも前記配列方向とは垂直方向における広がり角度が大きくなり、かつ
前記各光導波路コアの端面における各光の前記配列方向でのスポットサイズ半径が、前記各光ファイバにおける各光のモードフィールド半径よりも大きくなる
ように構成されている
ことを特徴とする光コリメータアレイ。 - 前記各光導波路コアの端面から出力した各光のビームウエストが前記各光導波路コアの端面に位置し、前記各光のビームウエストにおける前記配列方向でのスポットサイズ半径wと、前記配列方向の前記光導波路コアの端面におけるピッチpとの比p/wが4未満であることを特徴とする請求項1に記載の光コリメータアレイ。
- 前記各光導波路コアの端面における各光の前記配列方向でのスポットサイズ半径は25μm以上であることを特徴とする請求項2に記載の光コリメータアレイ。
- 前記各光導波路コアの幅は250μm以下であることを特徴とする請求項3に記載の光コリメータアレイ。
- 前記各光導波路コアは内部の屈折率が均一であることを特徴とする請求項4に記載の光コリメータアレイ。
- 前記各光導波路コアの端面において、少なくとも2つの光導波路コアの配列方向における光の出射角度が互いに異なることを特徴とする請求項2に記載の光コリメータアレイ。
- 前記光導波路回路の前記各光導波路コアの端面側に配置され、前記複数の光導波路コアの配列方向とは垂直方向においてのみ前記光のビーム径を変換するアナモルフィック光学系をさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の光コリメータアレイ。
- 前記アナモルフィック光学系と、前記光導波路回路とを連結し、一体化する連結部品をさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の光コリメータアレイ。
- 前記各光導波路コアの端面から出力する前記各光が略シングルモードであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光コリメータアレイ。
- 前記各光導波路コアは、前記各光を互いに直交する偏波成分の光に分離する偏波分離機能を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の光コリメータアレイ。
- 請求項7に記載の光コリメータアレイと、
前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、
前記光コリメータアレイと前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
を備えることを特徴とする光スイッチ装置。 - 請求項7に記載の光コリメータアレイと、
前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、
前記アナモルフィック光学系と前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられ、前記光ファイバから入力した光を前記配列方向とは垂直方向に分光する波長分散素子と、
を備え、前記アナモルフィック光学系は、前記配列方向とは垂直方向にのみ前記光のビーム径を変換することを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記空間光変調器は、2次元配列された複数の位相変調素子を有しており、
前記配列方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による回折光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバへ結合することを特徴とする請求項12に記載の光スイッチ装置。 - 請求項2に記載の光コリメータアレイと、
前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、
前記アナモルフィック光学系と前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
を備え、
前記光コリメータアレイの前記複数の光導波路コアは、複数の光導波路コアからなる複数の光導波路コア群を構成しており、
前記複数の光導波路コアは、前記光導波路コア群内では光の出力方向が同じであるとともに前記光導波路コア群間では光の出力方向が互いに異なり、
当該光スイッチ装置は、前記各光導波路コア群をそれぞれ含む単位光スイッチ装置を複数含むように構成されていることを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記光導波路コア群は、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに接続される外部接続用光導波路コアと、他の光導波路コア群の導波路コアに接続される内部接続用光導波路コアとを含み、
前記光導波路回路は、異なる光導波路コア群に含まれる内部接続用光導波路コア同士を当該光導波路回路内において接続する複数の接続用光導波路コアを有することを特徴とする請求項14に記載の光スイッチ装置。 - 請求項2に記載の光コリメータアレイと、
前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバから入力した光を前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに向けて出力する空間光変調器と、
前記アナモルフィック光学系と前記空間光変調器との間に配置され、前記光コリメータアレイと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
を備え、
前記光コリメータアレイの前記複数の光導波路コアは、複数の光導波路コアからなる複数の光導波路コア群を構成しており、
前記集光光学系は偶数枚のレンズまたはミラーからなるテレセントリック光学系であり、
前記複数の光導波路コア群のそれぞれに含まれる各光導波路コアは、該各光導波路コアを前記複数の光ファイバ側に伸ばしたとすると、前記光コリメータアレイ側における前記光学系の略焦点面の位置にて交差するように配置されており、
当該光スイッチ装置は、前記各光導波路コア群をそれぞれ含む単位光スイッチ装置を複数含むように構成されていることを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記光導波路コア群は、前記光コリメータアレイのいずれかの光ファイバに接続される外部接続用光導波路コアと、他の光導波路コア群の導波路コアに接続される内部接続用光導波路コアとを含み、
前記光導波路回路は、異なる光導波路コア群に含まれる内部接続用光導波路コア同士を当該光導波路回路内において接続する複数の接続用光導波路コアを有することを特徴とする請求項16に記載の光スイッチ装置。 - 前記複数の単位光スイッチ装置の数は8以上であることを特徴とする請求項16に記載の光スイッチ装置。
- 前記複数の光ファイバの数は80以上であることを特徴とする請求項13に記載の光スイッチ装置。
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