以下に、図面を参照して本発明に係る光操作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。
(実施の形態1)
図1、2は、本発明の実施の形態1に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。この光スイッチ装置1000は、波長選択光スイッチ装置であって、光の経路をスイッチング操作する光操作装置である。図1は、光スイッチ装置1000を、光スイッチ方向(方向D1)と垂直の方向から見た図である。図2は、光スイッチ装置1000を、光分散方向(アナモルフィックプリズムペアのビーム径拡大方向、方向D2)と垂直の方向から見た図である。
光スイッチ装置1000は、光入出力ポート10と、コリメータレンズアレイ20と、第1偏波光操作素子である偏波光操作素子30と、第2偏波光操作素子である偏波光操作素子40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50と、光分散素子である回折格子60と、集光レンズ70と、1/2波長板80と、光操作素子である光スイッチ素子90とがこの順番に配置されて構成されている。
なお、実際には回折格子60において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア50から光スイッチ素子90までの各素子は回折格子60の前後で角度を持って配置される。また、アナモルフィックプリズムペア50において光路が方向D2の方向にシフトすることがある。ただし、図1、2においては、説明の簡略化のために、集光レンズ70の光軸70aに沿って各素子を直列に配置して示している。
光入出力ポート10は、光ファイバからなる光ファイバポート11、12、13、14、15を備えている。光ファイバポート11〜15は、所定の配列方向(光スイッチ方向である方向D1)に沿って、略等間隔でアレイ状に配列されている。光ファイバポート11〜15は、外部から光が入力される、または外部に光を出力するものである。なお、光スイッチ装置1000に入力または出力される光は特に限定されないが、たとえば波長1520〜1620nmの光通信用の信号光である。
コリメータレンズアレイ20は、複数のコリメータレンズからなる。コリメータレンズアレイ20を構成する各コリメータレンズは、光入出力ポート10を構成する各光ファイバポート11〜15に対応して設けられている。コリメータレンズアレイ20は、各光ファイバポート11〜15から出力した光を平行光にする、または、入力された平行光を各光ファイバポート11〜15に集光して結合させる機能を有する。
光スイッチ素子90は、たとえばSLM(Spatial Light Modulator)である。SLMは、1次元もしく2次元的に配列された複数の位相変調素子の画素から構成され、その各画素の位相を制御することで光を操作する空間位相変調素子である。本実施の形態1では、光スイッチ素子90は、SLMの一種であるLiquid Crystal On Silicon(LCOS)であるとする。
光スイッチ素子90は、光入出力ポート10のいずれかの光ファイバポートから入力した光を反射して光路を切り換え、光入出力ポート10の他のいずれかの光ファイバポートに向けて出力する機能を有する。
単レンズである集光レンズ70は、点対称レンズであって、光入出力ポート10と光スイッチ素子90との間に配置されている。この集光レンズ70は、光入出力ポート10と光スイッチ素子90とを光学的に結合するものである。なお、回折格子60は集光レンズ70の焦点位置に配置されている。以下、焦点位置とは、レンズまたはレンズ系の主面から焦点距離だけ離れた位置とする。
偏波光操作素子30は、光入出力ポート10と集光レンズ70との間に配置されている。偏波光操作素子30は、光入出力ポート10側から入力された光に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの光のうち、異常光の光路を変位させて、二つの偏波状態の光を、入力された光の入射方向に対してほぼ平行な方向に出力する。なお、本実施の形態1では、偏波光操作素子30は、異常光の光路を変位させる方向が方向D1となるように配置される。また、偏波光操作素子30は、光相反性を有する。したがって、偏波光操作素子30は、所定距離だけ離隔させて互いに平行な光路で集光レンズ70側から入力された、互いに直交する偏波状態を有する二つの光を結合して出力する機能を有する。偏波光操作素子30はたとえばルチル、カルサイト、YVO4等の複屈折性材料からなる。
偏波光操作素子40は、光入出力ポート10と集光レンズ70との間で、偏波光操作素子30よりも集光レンズ70側に配置されている。偏波光操作素子40は、光入出力ポート側10から入力された光に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの光を、入力された光の入射方向に対して互いに逆向きの角度を成すように光路を屈曲させて出力する。なお、本実施の形態1では、偏波光操作素子40は、二つの光が方向D1に平行な面内で互いに逆向きの角度を成すように出力されるように配置される。また、偏波光操作素子40は、光相反性を有する。したがって、偏波光操作素子40は、互いに逆向きの角度を成すような光路で集光レンズ70側から入力された、互いに直交する偏波状態を有する二つの光を結合して出力する機能を有する。偏波光操作素子40はたとえばウォーラストンプリズムで構成される。
偏波光操作素子30および偏波光操作素子40は、偏波光操作部を構成している。
アナモルフィックプリズムペア50は、光入出力ポート10と集光レンズ70との間で、偏波光操作素子40よりも集光レンズ70側に配置されている。アナモルフィックプリズムペア50は光学素子である二つのアナモルフィックプリズム51、52が直列に配列されて構成されている。アナモルフィックプリズムペア50は、光入出力ポート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である方向D2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50は、光相反性を有するため、光スイッチ素子90側から入力された光のビーム形状を方向D2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50は、たとえばシリンドリカルレンズ系などの他のアナモルフィック光学系に置き換えてもよい。また、ビーム径を拡大する方法としてアナモルフィックプリズムペアとしたが、本発明はこれに限らず、アナモルフィックプリズムを用いても良い。
1/2波長板80は、光スイッチ素子90の集光レンズ70側に配置される。1/2波長板80は、後述するように、偏波光操作素子30で分離された一方の偏波状態の光の光路上に配置される。そして、1/2波長板80は当該一方の偏波状態の光の直線偏光に対し遅相軸を45度に配置される。
この光スイッチ装置1000では、光ファイバポート11〜15のうちいずれか一つが、外部から光が入力される共通の光ファイバポート(Comポート)として機能し、その他の四つの光ファイバポートが、外部に光を出力する光ファイバポートとして設定されている。すなわち、この光スイッチ装置1000は1×4の光スイッチとして機能する。
つぎに、この光スイッチ装置1000の動作について説明する。以下では、まず光スイッチ装置1000の波長選択光スイッチとしての動作を説明し、その後に光スイッチ装置1000における偏波状態の操作について説明する。
まず、図1、2に示すように、光ファイバポート14に、外部から或る信号光L1が入力される。信号光L1はWDM信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光L1a、L1b、L1cを含むとする。
光ファイバポート14は、入力された信号光L1をコリメータレンズアレイ20のうちの対応するコリメータレンズへ出力する。このコリメータレンズは、信号光L1を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。
偏波光操作素子30および偏波光操作素子40で構成される偏波光操作部は、信号光L1を互いに直交する偏波状態を有する二つの光に分離し、所定の操作を行うが、これについては後述する。
アナモルフィックプリズムペア50は、偏波光操作部から出力された信号光L1のビーム形状を方向D2に拡大し、楕円形にする。回折格子60は、楕円形にされた信号光L1をその波長に応じた所定の回折角で回折する。その結果、図2に示すように、信号光L1は、信号光L1a、L1b、L1cに分光される。
集光レンズ70は、回折された信号光L1a、L1b、L1cを光スイッチ素子90に集光させる。なお、1/2波長板80の作用については後述する。光スイッチ素子90は、信号光L1a、L1b、L1cが集光された部分の画素の位相が制御されて、各信号光L1b、L1a、L1cを、各信号光の波長に応じた所定の角度で反射させる。
以下、反射された信号光のうち、信号光L1aの反射光を代表して説明する。集光レンズ70は、反射された信号光を入射光と略平行にする。
アナモルフィックプリズムペア50は、光相反性によって、反射された信号光のビーム形状を方向D2の方向に縮小して略円形に戻す。その後、反射された信号光は光ファイバポート13に対応するコリメータレンズに入力する。このコリメータレンズは、反射された信号光を集光し、光ファイバポート13に結合させる。光ファイバポート13は結合された光を外部に出力する。以上のようにして、この光スイッチ装置1000は、Comポートである光ファイバポート14から入力された信号光の経路を光ファイバポート13に切り換えることができる。
また、他の波長の信号光L1b、L1cについても同様に、その経路が、光ファイバポート13以外の光ファイバポート、たとえば光ファイバポート11、12にそれぞれ切り換られる。これによって、信号光の波長毎の所望の経路の切り換えを実現することができる。
つぎに、光スイッチ装置1000における偏波状態の操作について説明する。図1に示すように、偏波光操作素子30は、光入出力ポート10側から入力された信号光L1を、信号光L1に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの信号光L11、L12に分離して出力する。本実施の形態1では、信号光L11が方向D1に平行な偏波方向P1を有する異常光であり、信号光L12が方向D1に垂直な偏波方向P2を有する常光であるように、第1偏波光操作素子30が配置されている。したがって、信号光L11の光路は方向D1の方向に変位する。そして、第1偏波光操作素子30は、信号光L11、L12を、信号光L1の入射方向に対してほぼ平行な方向に出力する。
第2偏波光操作素子40は、入力された信号光L11、L12を、信号光L11、L12の入射方向に対して互いに逆向きの角度を成すように光路を屈曲させて出力する。このとき、図1に示すように、信号光L11、L12の光路は互いに近づく方向に屈曲する。その結果、信号光L11、L12は、アナモルフィックプリズムペア50を通過後、集光レンズ70の光入出力ポート側の焦点位置、すなわち回折格子60の配置位置で交差する。ここで、信号光L11、L12の光路の交差する点を交差点XPとする。
信号光L11、L12は、その後回折格子60により図2に示すように分光されるが、ここでは説明の簡略化のために、信号光L1aに対応する互いに直交する偏波状態の信号光を、信号光L11、L12として説明する。
信号光L11、L12は、集光レンズ70の光入出力ポート側の焦点位置で交差するので、集光レンズ70を通過した後には、互いにほぼ平行、かつ集光レンズ70の光軸70aにほぼ平行な光路を進行する。そして、信号光L11、L12のいずれも、光スイッチ素子90の表面の別々の位置で、表面にほぼ垂直に入射する。なお、信号光L11については、その光路上に配置された1/2波長板80によって、その偏波方向が90度回転されてから光スイッチ素子90に入射する。その結果、信号光L11、L12は、偏波方向がいずれも偏波方向P2に揃えられた状態で、光スイッチ素子90に入射する。ここで、光スイッチ素子90は、その反射効率が偏波依存性を有するが、本実施の形態1では、光スイッチ素子90は偏波方向P2に対して反射効率が高くなるように配置されているので、信号光L11、L12の間の偏波状態の相違による反射効率の違いは解消される。
なお、信号光L11は集光レンズ70によって光スイッチ素子90に対して集光されてそのビーム径が小さくなる。また、光スイッチ素子90の位置は、光入出力ポート10の各ポートからの光が集光する位置でもある。したがって、1/2波長板80を光スイッチ素子90の近傍に配置することで、1/2波長板80を小型化できる。
光スイッチ素子90は、信号光L11、L12を光ファイバポート13に結合させるべく、所定の角度で反射する。反射された信号光をそれぞれ信号光L11A、L12Aとする。信号光L11と信号光L11Aとの間の光路の角度を角度θ1、信号光L12と信号光L12Aとの間の光路の角度を角度θ2とする。上述したように信号光L11、L12のいずれも、光スイッチ素子90の表面にほぼ垂直に入射するので、角度θ1と角度θ2とはほぼ等しい。その後、信号光L12Aは、集光レンズ70、回折格子60、アナモルフィックプリズムペア50、偏波光操作素子40、偏波光操作素子30を通過する。信号光L11Aは、再度1/2波長板80を通過して偏波方向が偏波方向P2に戻された後、集光レンズ70、回折格子60、アナモルフィックプリズムペア50、偏波光操作素子40、偏波光操作素子30を通過する。偏波光操作素子30は信号光L11A、L12Aを結合して信号光L1Aとし、コリメータレンズを介して光ファイバポート13に出力する。
なお、信号光L1b、L1cに対応する互いに直交する偏波状態の信号光は、光スイッチ素子90による反射角度が異なる以外は上記信号光L11、L12と同様にして、光ファイバポート13以外の所定の光ファイバポートに出力される。
ここで、上述したように、光スイッチ素子90は、偏波光操作部において分離された二つの信号光L11、L12を所定の角度で反射するが、この反射角度が互いに異なる場合は、信号光L11、L12に対する反射特性に相違が生じる場合がある。その理由は、入射された光を異なる反射角度で反射する場合、光スイッチ素子90には、異なる状態を与えなければならないので、反射率に相違が生じる場合があるからである。たとえば、本実施の形態1では、光スイッチ素子90はLCOSであるので、反射角度を異なるものとするためには、信号光が入射される領域の液晶素子の画素に印加する電圧を異なる値に設定する必要があるので、反射率の相違が生じる場合がある。このような反射率の相違は、PDL等の偏波依存特性の原因となる。
たとえば、図13は、比較形態の光スイッチ装置の模式的な構成図である。この光スイッチ装置2000は、光入出力ポート10と、コリメータレンズアレイ20と、偏波光操作素子40と、アナモルフィックプリズムペア50と、回折格子60と、集光レンズ70と、1/2波長板80と、光操作素子である光スイッチ素子90とがこの順番に配置されて構成されている。これらの光学素子の配置は実施の形態1とほぼ同様である。たとえば、回折格子60は集光レンズ70の焦点位置に配置されている。ただし、光スイッチ装置2000は偏波光操作素子30を備えていないものである。
光スイッチ装置2000では、たとえば光ファイバポート13から信号光L100が入力されると、偏波光操作素子40は、入力された信号光L100に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの信号光L101、L102を、入力された光の入射方向に対して互いに逆向きの角度を成すように分離して出力する。信号光L101は偏波方向P1を有しており、信号光L102は偏波方向P2を有している。
しかしながら、光スイッチ装置2000は、信号光L100が二つの信号光L101、L102に分離する位置が、集光レンズ70の焦点位置(回折格子60が配置されている位置)とは離れた位置にある。その結果、信号光L101、L102は、光スイッチ素子90の表面の法線に対して互いに異なる角度で該表面に入射する。この場合、光スイッチ素子90が、信号光L101、L102をたとえば光ファイバポート12に結合させるべく反射する場合、信号光L101、L102との間で反射角度が異なる。具体的には、信号光L101、L102が反射された信号光をそれぞれ信号光L101A、L102Aとし、信号光L101と信号光L101Aとの間の光路の角度を角度θ101、信号光L102と信号光L102Aとの間の光路の角度を角度θ102とすると、角度θ101と角度θ102とは異なる値となる。したがって、光スイッチ素子90では、信号光L101、L102が入射される各領域の液晶素子の画素には、異なる値の電圧を印加する必要があるので、信号光L101、L102に対する光スイッチ素子90の反射率が相違する場合がある。この場合、その後信号光L101A、L102Aが偏波光操作素子40で結合された信号光L100Aにおいて、PDLの発生の原因となる。そして、このPDLのような光スイッチ装置の偏波依存性を抑制するためには、挿入損失が小さい方の偏波の挿入損失を、挿入損失が大きい方の偏波の挿入損失に合わせて大きくする必要がある。つまり、光スイッチ装置2000の偏波依存性を抑制しようとすると、余計な光損失を与えなければならないので、装置の挿入損が大きくなる。
これに対して、本実施の形態1に係る光スイッチ装置1000では、上述したように信号光L11、L12のいずれも、光スイッチ素子90の表面にほぼ垂直に入射するので、角度θ1と角度θ2とはほぼ等しい。したがって、光スイッチ素子90では、信号光L11、L12が入射される各領域の液晶素子の画素には、ほぼ同一の電圧を印加すればよいので、例えば反射率等の特性の相違の発生を抑制ないし防止できる。その結果、本実施の形態1に係る光スイッチ装置1000は、偏波依存特性が抑制され、且つ挿入損失も小さいものとなる。
なお、本実施の形態1に係る光スイッチ装置1000では、信号光L11、L12が、集光レンズ70の光入出力ポート10側の焦点位置で交差するように、偏波光操作部を構成しているため、信号光L11、L12のいずれもが、光スイッチ素子90の表面にほぼ垂直に入射する。ただし、本発明はこれにかぎらず、信号光L11、L12の交差点XPが集光レンズ70の光入出力ポート10側の焦点位置に近づける、または焦点位置近傍になるように信号光L11、L12を操作する偏波光操作部の構成であればよい。
図3は、偏波光操作部の構成例1を説明する図である。図3において、焦点位置Fは集光レンズ70の焦点位置を示す。屈曲位置SPは、偏波光操作素子40において信号光L11、L12光が互いに逆向きの角度を成すように光路が屈曲する位置を示す。また、距離aは、焦点位置Fと屈曲位置SPとの距離を示す。距離bは、焦点位置Fと交差点XPとの距離を示す。
ここで、図13に示す光スイッチ装置2000の構成では、信号光L101、L102の交差点とは、偏波光操作素子40における信号光L101、L102の光路の屈曲位置と等しい位置であり、集光レンズ70の焦点位置から離れた位置にある。
これに対して、図3に示す偏波光操作部の構成例1では、焦点位置Fと交差点XPとの距離bが、焦点位置Fと屈曲位置SPとの距離aよりも短い。したがって、この構成例1を用いれば、図13のように交差点と屈曲位置とが等しい位置にある場合と比較して、信号光L11、L12の光スイッチ素子90の表面への入射方向を、表面に垂直な方向に近づける効果が得られるので、光スイッチ装置の偏波依存性が抑制される。
図4は、偏波光操作部の構成例2を説明する図である。図4に示す構成例2では、図1や図3の場合と比較して、偏波光操作素子30と偏波光操作素子40との配置の順番が入れ替わっている。この構成例2でも、焦点位置Fと交差点XPとの距離bが、焦点位置Fと屈曲位置SPとの距離aよりも短い。したがって、この構成例2を用いれば、信号光L11、L12の光スイッチ素子90の表面への入射方向を、表面に垂直な方向に近づける効果が得られるので、光スイッチ装置の偏波依存性が抑制される。
図5は、偏波光操作部の構成例3を説明する図である。図5に示す構成例3では、信号光L11、L12の交差点XPは、偏波光操作素子30から出力された信号光L11、L12の光路を、光の進行方向とは逆向きに伸ばしたときに互いの光路が交差する点として規定される。この構成例3でも、焦点位置Fと交差点XPとの距離bが、焦点位置Fと屈曲位置SPとの距離aよりも短い。したがって、この構成例3を用いれば、信号光L11、L12の光スイッチ素子90の表面への入射方向を、表面に垂直な方向に近づける効果が得られるので、光スイッチ装置の偏波依存性が抑制される。
なお、上記構成例1〜3では、交差点XPが、焦点位置Fよりも紙面左側(すなわち偏波光操作部側)にあるが、焦点位置Fと交差点XPとの距離bが、焦点位置Fと屈曲位置SPとの距離aよりも短いという条件を満たせば、交差点XPは焦点位置Fよりも紙面右側(すなわち集光レンズ70側)にあっても良い。
(実施の形態2)
図6、7は、本発明の実施の形態2に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図6は、光スイッチ装置1100を方向D1と垂直の方向から見た図である。図7は、光スイッチ装置1100を方向D2と垂直の方向から見た図である。光スイッチ装置1100は、図1、2に示す実施の形態1に係る光スイッチ装置1000の構成において、偏波光操作素子30を削除し、偏波光操作素子40を、アナモルフィックプリズムペア50を構成する光学素子である二つのアナモルフィックプリズム51、52の間に配置した構成を有する。
この光スイッチ装置1100では、一例として、光ファイバポート13に、外部から或る信号光L2が入力される。信号光L2はWDM信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光L2a、L2b、L2cを含むとする。
光ファイバポート13は、入力された信号光L2をコリメータレンズアレイ20のうちの対応するコリメータレンズへ出力する。このコリメータレンズは、信号光L2を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。
アナモルフィックプリズムペア50のアナモルフィックプリズム51は、信号光L2のビーム形状を方向D2の方向に拡大し、楕円形にする。また、偏波光操作素子40は、信号光L2を互いに直交する偏波状態を有する二つの光に分離し、所定の操作を行うが、これについては後述する。アナモルフィックプリズム52は、信号光L2のビーム形状を方向D2の方向にさらに拡大し、さらに扁平率が大きい楕円形にする。回折格子60は、楕円形にされた信号光L2をその波長に応じた所定の回折角で回折する。その結果、図7に示すように、信号光L2は、信号光L2a、L2b、L2cに分光される。
集光レンズ70は、回折された信号光L2a、L2b、L2cを光スイッチ素子90に集光させる。光スイッチ素子90は、信号光L2a、L2b、L2cが集光された部分の画素の位相が制御されて、各信号光L2b、L2a、L2cを、各信号光の波長に応じた所定の角度で反射させる。
以下、反射された信号光のうち、信号光L2aの反射光を代表して説明する。集光レンズ70は、反射された信号光を入射光に対して略平行にする。
アナモルフィックプリズムペア50は、光相反性によって、反射された信号光のビーム形状を方向D2の方向に縮小して略円形に戻す。その後、反射された信号光は光ファイバポート13以外の所定の光ファイバポートに対応するコリメータレンズに入力する。このコリメータレンズは、反射された信号光を集光し、対応する光ファイバポートに結合させる。この光ファイバポートは結合された光を外部に出力する。以上のようにして、この光スイッチ装置1100は、光ファイバポート13から入力された信号光の経路を他の光ファイバポートに切り換えることができる。
また、他の波長の信号光L2b、L2cについても同様に、その経路が、光ファイバポート13以外の光ファイバポートにそれぞれ切り換られる。これによって、信号光の波長毎の所望の経路の切り換えを実現することができる。
つぎに、光スイッチ装置1100における偏波状態の操作について説明する。図6に示すように、偏波光操作素子40は、光入出力ポート10側から入力された信号光L2を、信号光L2に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの信号光L21、L22に分離し、信号光L2の入射方向に対して互いに逆向きの角度を成すように光路を屈曲させて出力する。本実施の形態2では、信号光L21が偏波方向P1を有し、信号光L22が偏波方向P2を有する。
信号光L21、L22は、その後回折格子60により図7に示すように分光されるが、ここでは説明の簡略化のために、信号光L2aに対応する互いに直交する偏波状態の信号光を、信号光L21、L22として説明する。
光スイッチ素子90は、信号光L21、L22を所定の光ファイバポートに結合させるべく、所定の角度で反射する。ここで、本実施の形態2に係る光スイッチ装置1100では、信号光L21、L22の交差点は、偏波光操作素子40における信号光L21、L22の光路の屈曲位置と等しい位置であり、集光レンズ70の焦点位置から離れた位置にある。ただし、偏波光操作素子40は、アナモルフィックプリズムペア50を構成する二つのアナモルフィックプリズム51、52の間に配置されている。したがって、図13に示す光スイッチ装置2000の場合のように偏波光操作素子40がアナモルフィックプリズムペア50よりも光入出力ポート10側に配置される場合よりも、信号光L21、L12の交差点を集光レンズ70の光入出力ポート10側の焦点位置に近づけることができる。その結果、信号光L21、L22の光スイッチ素子90の表面への入射方向を表面と垂直の方向に近づけることができるので、信号光L21、L22に対する光スイッチ素子90の反射率等の特性の相違が抑制される。これによって、本実施の形態2に係る光スイッチ装置1100は、偏波依存特性が抑制されたものとなる。
その後、反射された信号光L22は、集光レンズ70、回折格子60、アナモルフィックプリズム52、偏波光操作素子40、アナモルフィックプリズム51を通過する。反射された信号光L21は、1/2波長板80、集光レンズ70、回折格子60、アナモルフィックプリズム52、偏波光操作素子40、アナモルフィックプリズム51を通過する。偏波光操作素子40は反射された信号光L21、L22を結合し、コリメータレンズを介して所定の光ファイバポートに出力する。
(実施の形態3)
図8は、本発明の実施の形態3に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。光スイッチ装置1200は、図6、7に示す実施の形態2に係る光スイッチ装置1100の構成において、偏波光操作素子40を、アナモルフィックプリズムペア50と回折格子60との間に配置した構成を有する。
この光スイッチ装置1200では、アナモルフィックプリズムペア50は、光入出力ポート10側から入力された信号光L2´のビーム形状を方向D1と垂直の方向に拡大し、楕円形にする。その後、偏波光操作素子40は、信号光L2´を、信号光L2´に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの信号光L21´、L22´に分離し、信号光L2´の入射方向に対して互いに逆向きの角度を成すように光路を屈曲させて出力する。信号光L21´は偏波方向P1を有し、信号光L22´は偏波方向P2を有する。これらの信号光L21´、L22´は、実施の形態2に係る光スイッチ装置1100の場合と同様に、その後回折格子60による分光、集光レンズ70による集光、光スイッチ素子90による反射の作用を施され、さらに集光レンズ70、回折格子60、偏波光操作素子40、アナモルフィックプリズムペア50の作用を施される。
この光スイッチ装置1200では、偏波光操作素子40によって分離する、互いに直交する偏波状態を有する二つの信号光の交差点を、実施の形態2に係る光スイッチ装置1100の場合よりも、集光レンズ70の光入出力ポート10側の焦点位置にさらに近づけることができる。なお、光スイッチ装置1200の場合は、偏波光操作素子40を通過する信号光はアナモルフィックプリズムペア50によってビーム径が所望の倍率で拡大されている。これに対して、光スイッチ装置1100の場合は、偏波光操作素子40を通過する信号光は、アナモルフィックプリズムペア50のアナモルフィックプリズム51のみでビーム径が拡大されているので、光スイッチ装置1200の場合よりもビーム径が小さい。したがって、光スイッチ装置1100の場合は、アナモルフィックプリズムペア50のビーム径拡大方向である方向D2における偏波光操作素子40のサイズは、光スイッチ装置1200の場合におけるサイズよりも小さくてよい。
(実施の形態4)
図9、10は、本発明の実施の形態4に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図9は、光スイッチ装置1300を方向D1と垂直の方向から見た図である。図10は、光スイッチ装置1300を方向D2と垂直の方向から見た図である。光スイッチ装置1300は、図6、7に示す実施の形態2に係る光スイッチ装置1100の構成において、さらに1/4波長板100、110を追加し、偏波光操作素子40の方向を方向D1において反転させた構成を有する。
1/4波長板100は、偏波光操作素子40とアナモルフィックプリズム52との間に配置されている。1/4波長板110は、1/2波長板80と光スイッチ素子90との間に配置されている。
この光スイッチ装置1300では、一例として、光ファイバポート13に、外部から或る信号光L3が入力される。信号光L3はWDM信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光L3a、L3b、L3cを含むとする。
光ファイバポート13は、入力された信号光L3をコリメータレンズアレイ20のうちの対応するコリメータレンズへ出力する。このコリメータレンズは、信号光L3を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。
アナモルフィックプリズムペア50のアナモルフィックプリズム51は、信号光L3のビーム形状を方向D2の方向に拡大し、楕円形にする。また、偏波光操作素子40は、信号光L3を互いに直交する偏波状態を有する二つの光に分離し、実施の形態2に係る光スイッチ装置1100における偏波光操作素子40と同様の所定の操作を行う。アナモルフィックプリズム52は、信号光L3のビーム形状を方向D2の方向にさらに拡大し、さらに扁平率が大きい楕円形にする。回折格子60は、楕円形にされた信号光L3をその波長に応じた所定の回折角で回折する。その結果、図10に示すように、信号光L3は、信号光L3a、L3b、L3cに分光される。
集光レンズ70は、回折された信号光L3a、L3b、L3cを光スイッチ素子90に集光させる。光スイッチ素子90は、信号光L3a、L3b、L3cが集光された部分の画素の位相が制御されて、各信号光L3b、L3a、L3cを、各信号光の波長に応じた所定の角度で反射させる。
以下、反射された信号光のうち、信号光L3aの反射光を代表して説明する。集光レンズ70は、反射された信号光を入射光に対して略平行にする。
アナモルフィックプリズムペア50は、光相反性によって、反射された信号光のビーム形状を方向D2の方向に縮小して略円形に戻す。その後、反射された信号光は光ファイバポート13以外の所定の光ファイバポートに対応するコリメータレンズに入力する。このコリメータレンズは、反射された信号光を集光し、対応する光ファイバポートに結合させる。この光ファイバポートは結合された光を外部に出力する。以上のようにして、この光スイッチ装置1300は、光ファイバポート13から入力された信号光の経路を他の光ファイバポートに切り換えることができる。
また、他の波長の信号光L3b、L3cについても同様に、その経路が、光ファイバポート13以外の光ファイバポートにそれぞれ切り換られる。これによって、信号光の波長毎の所望の経路の切り換えを実現することができる。
また、偏波光操作素子40は、光入出力ポート10側から入力された信号光L3を、信号光L3に含まれる互いに直交する偏波状態を有する二つの信号光L31、L32に分離し、信号光L3の入射方向に対して互いに逆向きの角度を成すように光路を屈曲させて出力する。偏波光操作素子40として用いることができる光学素子としては、例えば、ウォーラストンプリズムがある。本実施の形態4では、信号光L31が偏波方向P2を有し、信号光L32が偏波方向P1を有する。
信号光L31、L32は、その後回折格子60により図10に示すように分光されるが、説明の簡略化のために、信号光L3aに対応する互いに直交する偏波状態の信号光を、信号光L31、L32として説明する。
光スイッチ素子90は、信号光L31、L32を所定の光ファイバポートに結合させるべく、所定の角度で反射する。ここで、本実施の形態4に係る光スイッチ装置1300では、実施の形態2に係る光スイッチ装置1100の場合と同様に、信号光L31、L32の交差点を集光レンズ70の光入出力ポート10側の焦点位置に近づけることができる。その結果、信号光L31、L32の光スイッチ素子90の表面への入射方向を表面と垂直の方向に近づけることができるので、信号光L31、L32に対する光スイッチ素子90の反射率等の特性の相違が抑制される。これによって、本実施の形態4に係る光スイッチ装置1300は、偏波依存特性が抑制されたものとなる。
その後、反射された信号光L32は、1/4波長板110、集光レンズ70、回折格子60、アナモルフィックプリズム52、1/4波長板100、偏波光操作素子40、アナモルフィックプリズム51を通過する。反射された信号光L31は、1/4波長板110、1/2波長板80、集光レンズ70、回折格子60、アナモルフィックプリズム52、1/4波長板100、偏波光操作素子40、アナモルフィックプリズム51を通過する。偏波光操作素子40は反射された信号光L31、L32を結合し、コリメータレンズを介して所定の光ファイバポートに出力する。
さらに、光スイッチ装置1300では、1/2波長板80および1/4波長板100、110によって、1/4波長板100、110の間に配置されている光学素子である回折格子60やアナモルフィックプリズム52の偏波依存特性の光スイッチ装置1300に対する影響が相殺される。
以下、具体的に説明する。図11は、光スイッチ装置1300における光の位相の変化を説明する図である。まず、偏波光操作素子40は、信号光L3を、偏波方向P2を有する信号光L31と偏波方向P1を有する信号光L32とに分離する。
信号光L32は、1/4波長板100によってλ/4の位相差(π/2)を与えられ、その後1/4波長板110によってさらにλ/4の位相差を与えられる。ここで、1/4波長板100、110は偏波方向P1、P2の直線偏光に対し遅相軸を45度に配置される。これによって、信号光L32は、合計でλ/2の位相差(π)を与えられて、その偏波方向が偏波方向P2に回転された状態で、光スイッチ素子90に入射する。光スイッチ素子90によって反射された後の信号光L32は、1/4波長板110によってλ/4の位相差を与えられ、その後1/4波長板100によってさらにλ/4の位相差を与えられる。これによって、信号光L32は、合計でλの位相差(2π)を与えられて、その偏波方向が偏波方向P1に戻された状態で、偏波光操作素子40に入射する。
一方、信号光L31は、1/4波長板100によってλ/4の位相差を与えられ、その後1/2波長板80、1/4波長板110によって、さらにそれぞれλ/2、λ/4の位相差を与えられる。これによって、信号光L32は、合計でλの位相差を与えられて、その偏波方向が偏波方向P2に戻された状態で、光スイッチ素子90に入射する。光スイッチ素子90によって反射された後の信号光L31は、1/4波長板110、1/2波長板80によってそれぞれλ/4、λ/2の位相差を与えられ、その後1/4波長板100によってさらにλ/4の位相差を与えられる。これによって、信号光L31は、合計で2λの位相差を与えられて、その偏波方向が偏波方向P2に戻された状態で、偏波光操作素子40に入射する。信号光L31、L32は、それぞれ偏波光操作素子40によって分離された直後の偏波状態に戻されているので、偏波光操作素子40の光相反性によって結合される。
ここで、信号光L32については、1/4波長板100から1/4波長板110に向かって往路を進行しているときには、λ/4の位相差を有している。一方、1/4波長板110から1/4波長板100に向かって復路を進行しているときには、3λ/4の位相差を有している。したがって、信号光L32は、往路を進行しているときと、復路を進行しているときとで、偏波状態が直交している。同様に、信号光L31については、往路を進行しているときには、λ/4の位相差を有している。一方、復路を進行しているときには、7λ/4の位相差を有している。したがって、信号光L31は、往路を進行しているときと、復路を進行しているときとで、偏波状態が直交している。
したがって、信号光L31、L32は、往路を進行しているときに、1/4波長板100と1/4波長板110との間に挟まれて配置されている光学素子、たとえば回折格子60を通過してその偏波依存性によって影響を受けても、往路を進行し、回折格子60を再び通過する際に、往路とは逆の偏波依存性による影響を受けることになる。その結果、信号光L31、L32に対する回折格子60の偏波依存性の影響は相殺される。
なお、光スイッチ装置1300では偏波光操作素子40を例としてウォーラストンプリズムで説明したが、1/4波長板を用いた本実施の形態4の偏波依存性の抑制方法は、偏波光操作素子をウォーラストンプリズムに限定するものではなく、入力された光を2つの直交する偏波状態を有する光に分離する素子であればよい。
なお、光スイッチ装置1300において、1/2波長板80と1/4波長板110の位置関係は入れ替えても良い。一方、偏波光操作素子40と1/4波長板100との位置関係を入れ替えてしまうと、信号光L31、L32は復路を進行後、信号光L31、L32の偏波状態が元に戻らないままに偏波光操作素子40に入射するので、偏波光操作素子40による結合ができないので好ましくない。
なお、1/4波長板100、110に代えて、(n+m/4)波長板(ただし、nは0以上の整数であり、mは1または3)を用いても良い。また、1/2波長板80に代えて、(k+1/2)波長板(ただし、kは0以上の整数)を用いても良い。また、1/2波長板80と1/4波長板110とが直列配置された構成に代えて、3/4波長板を用いても良い。
なお、上記実施の形態では、集光レンズ系である集光レンズ70は単レンズで構成されているが、本発明はこれに限らず、複数のレンズで構成されている集光レンズ系を用いても良い。また、集光レンズ系として、シリンドリカルレンズを用いてもよい。
また、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良い。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良い。また、本発明に係る光スイッチ装置は、光分散素子を用いずに、非波長選択型の光スイッチ装置として構成してもよい。
また、上記実施の形態では、各光スイッチ装置は1×4光スイッチであるが、本発明では光が入出力するポートの数は特に限定されず、N×M光スイッチ(N、Mは任意の整数)であればよい。また、たとえば光スイッチ装置1000の構成において、光ファイバポート12、13、14、15のいずれかから信号光を入力させて、Comポートとしての光ファイバポート11から出力させるように光スイッチ装置1000を動作させてもよい。これによって、光スイッチ装置1000を4×1光スイッチとして使用することができる。
また、上記実施の形態では、光操作装置を光スイッチ装置として説明してきたが、光操作素子としての光スイッチ素子を他の光操作機能を有する光操作素子に置き換えることで、例えば波長ブロッカーや波形整形器等の光操作装置として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。波長ブロッカーは、たとえば光スイッチ装置1000の光スイッチ素子90を、光操作素子を有する波長ブロック部に置き換えることで実現できる。波長ブロック部はたとえばSLMで構成できる。したがって、波長ブロッカーは、光入力ポートと光出力ポートと、コリメータレンズアレイと、偏波光操作部と、アナモルフィックプリズムペアと、回折格子と、集光レンズ系と、波長ブロック部とをこの順番に配置して構成することができる。波長ブロッカーの機能は、光入力ポートから入力されたWDM信号光が回折格子によって分光され、波長ブロック部に集光された信号光のうち、出力したい波長成分を有する信号光のみを光出力ポートに結合するようにスイッチし、その他の波長成分を有する信号光を光出力ポートに結合しないように制御することで実現される。上記光入力ポートと光出力ポートは必ずしも、別のポートである必要はなく、1つの光入出力ポートで光入力ポートと光出力ポートを兼ねてもよい。その場合は、図12に示すように、波長ブロッカー1400の1つの光入出力ポート1410の手前に光サーキュレータ1420を配置する構成とすることが好ましい。この構成によって、光サーキュレータ1420を介して、WDM信号光L1を波長ブロッカー1400の1つの光入出力ポート1410に入力して、出力したい信号光L1aを取り出すことができる。
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。波形整形器は、たとえば光スイッチ装置1000の光スイッチ素子90を、光操作素子を有する波形整形部に置き換えることで実現できる。波形整形部はたとえば光操作素子としてのSLMで構成できる。したがって、波形整形器は、光入力ポートと光出力ポートと、コリメータレンズアレイと、偏波光操作部と、アナモルフィックプリズムペアと、回折格子と、集光レンズ系と、波形整形部とをこの順番に配置して構成することができる。波形整形器の機能は、光入力ポートから入力された光が回折格子によって分光され、波形整形部に集光された各波長成分の光のうち、出力したい波長成分の光のみを光出力ポートに結合するようにスイッチし、その他の波長成分の光を出力ポートに結合しないように制御することで実現され、これによってたとえばスペクトルの形状を制御することが可能である。更に、波形整形器において、各波長に該当するSLMの画素の位相のオフセット量を制御することで、各波長の位相も制御することが可能である。波形整形器の場合も、波長ブロッカーと同様に、上記光入力ポートと光出力ポートは必ずしも、別のポートである必要はなく、1つの光入出力ポートで光入力ポートと光出力ポートを兼ねてもよい。その場合は、図12と同様に、光入出力ポートの手前に光サーキュレータを配置することで出力光を取り出すことができる。
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1に係る光スイッチ装置1000において、実施の形態4の場合と同様に2枚の1/4波長板を配置してもよい。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。