JP6668229B2 - Ｌｃｏｓデバイスを用いてクロストークが低減した波長選択スイッチ、および波長選択方法 - Google Patents

Description

光ネットワークは波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を使用し、送信元から送信先へ光波長信号を動的に送る。ＷＳＳ装置は液晶シリコン（ＬＣｏＳ）デバイス又は微小電気機械（ＭＥＭＳ）ミラーアレイなどの波長操作素子にしばしば依存し、工程計画を実行する。

ＬＣｏＳデバイスは、透明な電極を有する透明なガラス層と個々にアドレス可能な画素の二次元アレイに分割されたシリコン基板との間に挟まれた液晶材料を含む。各画素は電圧信号により個々に駆動可能であり、局所位相変化を光信号に提供することにより、位相操作領域の二次元アレイを提供することができる。ひとたび光信号が回折格子などの回折素子により空間的に分離されると、個々のスペクトル成分の操作が可能となる。スペクトル成分の空間分離はＬＣｏＳデバイスの所定領域に向けられ、ＬＣｏＳデバイスを所定の方法を用いて対応する画素を駆動することにより、独立して操作することができる。

ＬＣｏＳデバイスを用いる波長選択スイッチは、いくつかの大変魅力的な性能特性を有しているが、波長選択スイッチはまた特定の波長で入力ポートから出力ポートに結合された望ましくないパワーと関連する好ましくない光学的クロストークに苦しむ。

本発明の一態様によれば、散乱に起因するクロストークが低減した光デバイスが提供される。光デバイスは、光ビームを受信するための少なくとも１つの光入力と少なくとも１つの光出力を有する光ポートアレイを含む。光入力と光出力とは共通の軸に沿って延びる。分散素子は光入力から光ビームを受信し、その光ビームを複数の波長成分に空間的に分離する。集束素子は複数の波長成分を集束し、プログラマブル光位相変調器は集束された複数の波長成分を受信する。変調器は波長成分を光出力のうちの選択される１つに導くように構成される。光ビームが導かれる軸は、入力と出力とが延びる共通の軸と一致しないように、プラグラマブル光位相変調器は光ポートアレイに対して配向される。

本発明の実施形態に関連して使用することができる自由空間波長選択スイッチ（ＷＳＳ）などの簡素化された光デバイスの一例の上面図及び側面図である。 本発明の実施形態に関連して使用することができる自由空間波長選択スイッチ（ＷＳＳ）などの簡素化された光デバイスの一例の上面図及び側面図である。 ｘｙ平面に延びる図１のＬＣｏＳデバイスの正面図である。 ｙ軸のＬＣｏＳデバイスの領域に亘って作成することができる周期的階段状位相シフトプロファイルの例を示す。 ポートアレイの図１Ｂの線Ａ−Ａに沿った正面図である。 ポートアレイの図１Ｂの線Ａ−Ａに沿った正面図である。 クロストークが低減した自由空間波長選択スイッチ（ＷＳＳ）などの簡略化された光デバイスの一例の側面図です。 図６に示した光デバイスの代わりとなる実施形態を示します。

図１Ａと１Ｂは、それぞれ、本発明の実施形態と併せて使用することができる自由空間ＷＳＳ１００などの簡素化された光デバイスの一例の上面図と側面図である。光は入出力ポートとして機能を果たす光ファイバーなどの光ウェーブガイドを通ってＷＳＳ１００へ入出力される。図１Ｂに最も良く見られるように、ファイバーコリメータアレイ１０１は、コリメータ１０２_１、１０２_２、及び１０２_３とそれぞれ結合した複数の個々のファイバー１２０_１，１２０_２、及び１２０_３を備えてもよい。１つ以上のファイバー１２０からの光は、コリメータ１０２により自由空間ビームへ変換される。ポートアレイ１０１から出る光はｚ軸に平行である。ポートアレイ１０１は図１Ｂに３つの光ファイバーとコリメータとの組み合わせを示しているだけだが、より一般的には光ファイバーとコリメータとの適切ないくつもの組み合わせを使用してもよい。

一対の望遠鏡又は光ビームエキスパンダは、ポートアレイ１０１からの自由空間光ビームを拡大する。第１の望遠鏡又は光ビームエキスパンダは光学素子１０６と１０７とから構成され、第２の望遠鏡又は光ビームエキスパンダは光学素子１０４と１０５とから構成される。

図１Ａと１Ｂにおいて、２つの軸で光に影響を与える光学素子は、両方の図面で両凸形状として実線で示されている。一方、１つの軸で光に影響を与えるだけの光学素子は、影響を与える軸で平凸レンズとして実線で示されている。１つの軸で光に影響を与えるだけの光学素子は、また光学素子が影響を与えない軸で破線により示されている。例えば、図１Ａと１Ｂで、光学素子１０２、１０８、１０９、及び１１０は両方の図面において実線で示されている。一方、光学素子１０６と１０７は図１Ａ（光学素子はｙ軸に沿って集束力を有しているため）において実線で示され、図１Ｂにおいて（光学素子はｘ軸に沿って影響を受けない光ビームを残すため）破線で示される。光学素子１０４と１０５は図１Ｂ（光学素子がｘ軸に沿って集束力を有しているため）において実線で示され、図１Ａ（光学素子がｙ軸で影響を受けない光ビームを残すため）において破線で示されている。

各望遠鏡をｘ方向とｙ方向に対して異なる拡大率で作成してもよい。例えば、ｘ方向の光を拡大する光学素子１０４と１０５とから形成される望遠鏡の拡大は、ｙ方向の光を拡大する光学素子１０６と１０７とから形成される望遠鏡の拡大よりも小さくてもよい。

一対の望遠鏡はポートアレイ１０１からの光ビームを拡大し、光ビームを波長分散素子１０８（例えば、回折格子又はプリズム）と光学的に結合させる、波長分散素子１０８は自由空間光ビームをそれらの構成波長又はチャンネルに分離する。波長分散素子１０８はその波長に応じて、ｘｙ平面上の異なる方向に光を分散させる。分散素子からの光を光ビーム集束部品１０９に向ける。

光ビーム集束部品１０９は、波長分散素子１０８からプログラマブル光位相変調器へ波長成分を結合する、例えば、プログラマブル光位相変調器はＬＣｏＳデバイス１１０などの液晶位相変調器であってもよい。波長成分はｘ軸に沿って分散され、ｘ軸は波長分散方向又は波長分散軸と呼ばれる。したがって、所与の波長の各波長成分は、Ｙ方向に延びる画素のアレイに集束する。一例として、制限の目的ではなく、λ_１、λ_２、及びλ_３と表示された中心波長を有するそのような３つの波長成分は、図１Ａに示されていて、図１Ａは波長分散軸（ｘ軸）に沿ってＬＣｏＳデバイス１１０上に集束される。

図１Ｂに最もよく見られるように、ＬＣｏＳデバイス１１０からの反射の後、光ビーム集束部品１０９、波長分散素子１０８、及び光学素子１０６と１０７を介して各波長成分をポートアレイ１０１の選択された光ファイバーへ結合することができる。

図２はｘｙ平面で延びるＬＣｏＳデバイス１１０の正面図である。

３つの波長成分λ_１、λ_２、及びλ_３が波長分散軸（ｘ軸）に沿って空間的に分離される。以下に説明するように、ｙ軸の画素１９の適切な操作は選択された出力ファイバーに対して各波長成分を独立して選択的に導くことを可能とする。

ＬＣｏＳデバイスなどのプログラマブル光位相変調器は、プログラムで決定された画素アレイ内の所与の画素位置で位相シフトを生成する。このような変調器を、他の項目の中の仮想レンズ、プリズム、又は傾斜したミラーを形成する複数の方法で使用することができる。ＬＣｏＳデバイスの制限された厚さと作動とに起因して、任意の所与の位置で達成することができる全位相シフトが制限される。この制限は平面にレンズの表面力を圧縮して、フレネルレンズを形成するために使用されるものと同様のセグメント化技術を適用することによって、ＬＣｏＳデバイスにおいて回避することができる。具体的には、所望の全位相シフトは、通常、関心のある波長では２πを法とする。その後、結果として得られる位相は、常に２πよりも小さい。残念ながら、このセグメント化技術は、非セグメント化パターンが生成しない方向に光の散乱を持ち込む。この散乱光は、クロストークがＬＣｏＳデバイスのＷＳＳで自然に高くなっている主な理由である。

図３に戻って、ｙ軸のＬＣｏＳデバイス２１の領域に亘って作成することができる周期的階段状位相シフトプロファイル３９の例を示す。周期的階段状位相シフトプロファイル３９は累積位相ファイル３７を作成する。累積操舵ファイル３７は所望の位相変化を提供するために、所定の電圧で各画素１９を駆動することにより作成する。電圧と位相との直接の関係や位相と操舵角との直接の関係があるので、所望の操舵角で必要な電圧駆動信号を関係づけるルックアップテーブルなどを作成することができる。位相の周期的な性質は、必要な駆動電圧を低減するために利用される。それ故、周期的階段状電圧信号は周期的階段状位相シフトプロファイル３９を作成し、それは順番に累積位相プロファイル３７を作成し、位相リセット４１が２πラジアンの倍数で発生する。入射波長成分に作用するときに、位相プロファイル３７はθに比例又は等しい操舵角を生成する。従って、周期的階段状位相シフトプロファイルを適切に調整することにより、波長成分を選択的に光ファイバーの所望のいずれかに向けることができる。

図４はポートアレイ１０１の図１Ｂの線Ａ−Ａに沿った正面図である。図示されるように、光ファイバー１２０_１，１２０_２，１２０_３…はｙ軸に沿って１×Ｎ構成で延びる。ＬＣｏＳデバイス１１０が光ファイバー１２０_３から光ファイバー１２０_２へなどのように、１つの光ファイバー（ＷＳＳ１００への入力ポートとして機能を果たす）から他の光ファイバー（ＷＳＳ１００への出力ポートとして機能を果たす）へ光ビームを導くとき、例えば、図４の矢印１２２が示すように、ビームを単一の方向（ｙ軸）に沿って正の方向か負の方向かに導く。つまり、操舵軸は光ファイバー１２０_１、１２０_２、１２０_３、…が並ぶ光ポート軸と一致する。即ち、操舵方向は光ビームが導かれる光ファイバー又はポートの関数ではない。

前述するように、クロストークを生じさせる散乱光は光ビームを導く方向に対して優先的に整列する。即ち、図４では、光が矢印１２２により示されたその軸に沿って散乱される。結果として、散乱光は大体においてポートと並ぶことにより、望ましくないクロストークを引き起こす。このクロストークは、それがもはや光ポート軸と一致しないように、光ビーム操舵軸（それはまた光が散乱する散乱軸でもある）を回転させることによって低減させることができる。このような配置は図５に示されていて、光ビームがポート１２０_１、１２０_２、１２０_３、…に導かれる光ビーム操舵軸は矢印１３０_１、１３０_２、１３０_３…によって、それぞれ表される。結果として、光ビームは任意の特定ポートに導かれるので、散乱光はそのポートに再び散乱されることはない。

光ビーム操舵軸と光ポート軸との間のこのずれを達成する一つの方法は図６に示される、図６は図１Ｂに示されるＷＳＳと同様の自由空間ＷＳＳの一例の側面図である。図１Ｂと６では、同様の構成要素には同様の符号が付されている。図示するように、ＬＣｏＳデバイス１１０が延びる平面は、光がポートアレイ１０１から伝播する軸ともはや直交していない。即ち、図６の特定例には、ＬＣｏＳデバイス１１０がｘ軸に傾斜させて結果、もはやｘｙ平面にはなく、したがって、光がポートアレイ１０１から伝播するｚ軸とはもはや直交していない。別の言い方をすれば、スキュー角は波長分散軸（即ち、図６のｘ軸）と直交する変調器の平面の方向とｚ軸との間に形成される。

使用するスキュー角のため、光ビーム集束部品１０９とＬＣｏＳデバイス１１０との間の距離は、ＬＣｏＳデバイス１１０の異なる部分に従って相違する。光ビームをＬＣｏＳデバイス１１０の任意の部分に適切に集束するために、任意のフォーカス補正素子をシステムの光路に配置することができる。例えば、図７に示すように、低角度ウェッジプリズム１１１などのフォーカス補正素子は、光ビーム集束部品１０９とＬＣｏＳデバイス１１０との間に配置することができる。

本発明は、構造的特徴及び／又は方法論的動作に特有の言葉で説明してきたが、添付の特許請求の範囲に定義された発明は、必ずしも説明した特定の特徴又は動作に限定されないことを理解すべきである。むしろ、特定の特徴及び行為は、特許請求される発明を実施する形態例として開示されている。

Claims (7)

1. 光ビームを受信するための少なくとも１つの光入力と少なくとも１つの光出力を有し、前記光入力と前記光出力が一つの共通軸に沿って延びる光ポートアレイ、
   前記少なくとも１つの光入力から前記光ビームを受信し、前記光ビームを複数の波長成分に空間的に分離する分散素子、
   前記複数の波長成分を集束する集束素子、及び
   前記集束された複数の波長成分を受信するプログラマブル光位相変調器を備えた光デバイスであって、
   前記プログラマブル光位相変調器は、光ポート軸と一致しないように光ビーム操舵軸を回転させるＬＣｏＳデバイスであり、
   前記複数の波長成分が前記プログラマブル光位相変調器の波長分散軸に沿って空間的に分離され、
   前記プログラマブル光位相変調器は第２の方向に固定的に伸延し、前記光ポートアレイにより平行にされた後に前記複数の波長成分が伝搬する方向である第１の方向と、プログラマブル光位相変調器の平面内において前記波長分散軸と直交する前記第２の方向との間に固定的なスキュー角が形成され、前記プログラマブル光位相変調器は複数の画素を含み、該画素の各々は、前記プログラマブル光位相変調器が前記固定的なスキュー角を維持する位置にあるとき、入射する波長成分に所望の位相変化を生成し、各画素から前記光ポートアレイへ導かれる光ビームが、プログラマブル光位相変調器の平面内において前記第２の方向に対して傾斜して導かれるとともに、前記少なくとも１つの光出力へ選択的に導かれることを特徴とする光デバイス。
2. 前記プログラマブル光位相変調器は周期的階段状位相シフトプロファイルを有する、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記分散素子は回折格子とプリズムとからなる群から選択される、請求項１に記載の光デバイス。
4. 前記光ポートアレイから受信した前記光ビームを拡大し前記拡大された光ビームを前記分散素子へ導くための光学系をさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。
5. 光ビームの波長成分を光ポートアレイの入力ポートから前記光ポートアレイの少なくとも１つの出力ポートへ導くための方法であって、
   入力ポートで光ビームを受信すること、
   前記光ビームの複数の波長成分を空間的に分離すること、
   空間的に分離された前記複数の波長成分をプログラマブル光位相変調器に集束することであって、該プログラマブル光位相変調器は、光ポート軸と一致しないように光ビーム操舵軸を回転させるＬＣｏＳデバイスであり、前記光ポートアレイにより平行にされた後に前記複数の波長成分が伝搬する方向である第１の方向と、プログラマブル光位相変調器の平面内において波長分散軸と直交する第２の方向と、の間に形成される固定的なスキュー角になっており、前記複数の波長成分は前記プログラマブル光位相変調器の波長分散軸に沿って空間的に分離され、前記プログラマブル光位相変調器は複数の画素を含み、該画素の各々は、前記プログラマブル光位相変調器が前記固定的なスキュー角を維持するとき、入射する波長成分に所望の位相変化を生成し、各画素から前記出力ポートへ導かれる光ビームが、プログラマブル光位相変調器の平面内において前記第２の方向に対して傾斜して導かれるとともに、前記少なくとも１つの光出力へ選択的に導かれる、空間的に分離された前記複数の波長成分をプログラマブル光位相変調器に集束すること、及び、
   前記複数の波長成分の個々の１つずつを出力ポートへ選択的に導くように、前記第２の方向に沿って前記プログラマブル光位相変調器の位相シフトプロファイルを調整すること、を含むことを特徴とする、方法。
6. 前記位相シフトプロファイルは周期的階段状位相シフトプロファイルである、請求項５に記載の方法。
7. 前記光ビームの前記波長成分を空間的に分離する前に前記光ビームを拡大することをさらに含む、請求項５に記載の方法。

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