JP6697476B2 - 波長選択スイッチにおけるダイバーシティおよびポート間のアイソレーションを管理するための光学配置 - Google Patents

Description

光通信ネットワークでは、個々の波長（すなわち、チャンネル）に複数の光チャンネルを有する光信号は、典型的にはある長さの光ファイバを通って、１つの場所から別の場所に送信される。光クロスコネクトモジュールは、１つの光ファイバから別の光ファイバへの光信号の切り替えを可能にする。波長選択光クロスコネクト、または波長選択スイッチ（ＷＳＳ）は、再構成可能な波長依存切り替えを可能にし、すなわち、それは、他の波長チャンネルを第１の光ファイバ内に伝搬させながら、ある波長チャンネルが第１の光ファイバから第２の光ファイバに切り替えられることを可能にし、またはそれは、ある波長チャンネルが第３の光ファイバに切り替えられることを可能にする。波長選択光切り替えに基づく光ネットワークアーキテクチャは、個々の波長チャンネルの光学経路を自動的に生成するまたはルート変更する能力に起因して多くの魅力的特徴を有する。それは、サービス展開を加速し、光ネットワークの破損点の周囲でのルート変更を加速し、サービスプロバイダのための資本経費および運営費を低減し、ならびにネットワークの将来性のあるトポロジーを生成する。

波長選択スイッチは、それらの様々な入力ポートと出力ポートとの間の望ましくない光結合を示すこともある。

本明細書で論じられる主題の一態様によると、光ポートアレイと、光学配置と、分散素子と、集束素子と、プログラム可能な光位相変調器とを含む光学デバイスが、提供される。光ポートアレイは、光ビームを受け取るための少なくとも１つの光入力ポートおよび複数の光出力ポートを有する。光学配置は、少なくとも１つの光入力ポートと光出力ポートの各々との間の光結合を可能にし、複数の光出力ポートのいずれか１つと複数の光出力ポートの他のいずれかとの間の光結合を防止する。分散素子は、光学配置を横断した後、少なくとも１つの光入力から光ビームを受け取り、その光ビームを複数の波長成分に空間的に分ける。集束素子は、複数の波長成分を集束する。プログラム可能な光位相変調器は、集束された複数の波長成分を受け取る。変調器は、その波長成分を光出力ポートの選択された１つに進めるように構成される。

本明細書で開示される主題の別の態様によると、光学配置は、光学配置を通る光エネルギーの異なる偏光状態を区別することによって、選択されたポート間の光結合を選択的に可能にし、かつ防止するように構成される。特に、いくつかの実施形態では、光学配置はさらに、任意の偏光状態の光ビームを受け取り、その光ビームを所定の偏光状態で分散素子に提供するように構成される。

特定の一実施形態では、光学配置は、光ポートアレイ内のポートのいずれかから受け取られる光ビームを第１および第２の偏光状態にそれぞれ調整される第１および第２の光成分に空間的に分けるための少なくとも１つのウォークオフ（walkoff）結晶を含む。光学配置はまた、第１の光成分を第２の偏光状態に調整するための第１の複合半波長板、およびオプションとして、第１の偏光状態の光エネルギーは伝送しないが第２の偏光状態の光エネルギーを伝送するための偏光子も含む。光学配置のこの実施形態はまた、ファラデー回転子および第２の複合半波長板も含む。ファラデー回転子および第２の複合半波長板は、偏光子を介して光入力ポートから受け取られる空間的に分けられた光ビームを回転させて第１の偏光状態とし、複数の光出力ポートから受け取られる空間的に分けられた光ビームを回転させて第２の偏光状態とする。

光ビームが異なるポート間で切り替えられる際の、例えば波長選択スイッチに組み込まれてもよい光学配置の横断面図を概略的に例示する図である。 光ビームが異なるポート間で切り替えられる際の、例えば波長選択スイッチに組み込まれてもよい光学配置の横断面図を概略的に例示する図である。 光ビームが異なるポート間で切り替えられる際の、例えば波長選択スイッチに組み込まれてもよい光学配置の横断面図を概略的に例示する図である。 図１〜図３に示される光学配置の代替実施形態を示す図である。 本発明の実施形態と併せて使用されてもよい自由空間ＷＳＳなどの簡略化された光学デバイスの一例の上面図である。 本発明の実施形態と併せて使用されてもよい自由空間ＷＳＳなどの簡略化された光学デバイスの一例の側面図である。

以下で詳述されるように、組の各々内の光ポートが、それ自身の組内の任意の他の光ポートに光学的に結合されないように、１つの組の光ポートを異なる組の光ポートに一方向に結合する光学配置が、提供される。本配置は、ポート間のより低いレベルの光結合を達成するために光スイッチなどの光学デバイスと統合されてもよい。

図１は、例えばダイバーシティ（diversity）（ビームが１つの入力ポートから別の入力ポートに進むときに起こる光損失）およびアイソレーション（ビームが出力ポートから入力ポートに進むときに起こる光損失）の問題に対処するために波長選択スイッチに組み込まれてもよい光学配置１００の横断面図を概略的に例示する。４つの光ポート１０、２０、３０および４０が、図示され、それ故にこの例では、光学デバイス１００が組み込まれてもよい波長選択スイッチは、１×３スイッチである。図１に示される光学配置１００は、空間光変調器が光ビームをＣｏｍポート１０と光ポート２０、３０および４０のいずれかとの間に向けることを可能にする。より一般的には、任意のｎ個の光ポートが、１×ｎの切り替え機能性を提供するために用いられてもよい。光学配置１００は、ウォークオフ結晶５０と、第１の複合半波長板６０と、偏光子７０と、ファラデー回転子８０と、第２の複合半波長板９０とを含み、それらのすべては、Ｃｏｍ（共通）ポートとしての役割を果たす光ポート１０によって受け取られ、光ポート２０、３０および４０のいずれかに選択的に向けられる光ビームを処理するために図示されるように光学的に結合される。

図１では、光ビームが様々な光学素子を通って伝搬する際の光ビームの２つの直交状態または成分が示されている。片方の偏光成分（例えば、垂直またはｖ−成分）は、垂直矢印によって表され、もう一方の偏光成分（例えば、水平またはｈ−成分）は、点によって表される。ウォークオフ結晶５０のウォークオフ方向ならびに半波長板およびファラデー回転子によって引き起こされる回転の方向は、前方または下流方向、すなわち、正のｚ方向に伝搬する光ビームの偏光成分に関して述べられる。

Ｃｏｍポート１０によって受け取られた光ビームは、前方方向に伝搬し、ウォークオフ結晶５０に入り、それは、光ビームを互いに関して空間的に変位される２つの直交偏光ビームに分割する。図１の例では、この空間変位は、ｘ方向である。光ビームは、ウォークオフ結晶５０から出て、領域６２、６４、６６および６８を有する複合半波長板６０に入り、それらの領域は、それらの光学軸を入ってくるビームの偏光を９０°だけ回転させるように構成されている。複合半波長板６０の残りの領域は、入ってくるビームの偏光状態を変えない。

半波長板領域６２、６４、６６および６８は、光ポート４０、３０、２０および１０によってそれぞれ規定される光学経路に沿って位置決めされる。半波長板領域６８は、Ｃｏｍポート１０から進む光ビームのｈ−偏光成分を受け取るように位置決めされる。複合半波長板６０の結果として、Ｃｏｍポート１０から生じる光ビームは、両方とも同じ偏光状態（すなわち、ｖ−偏光状態）にある。

光ビームは、複合半波長板６０から出て、オプションの偏光子７０に入り、垂直偏光の光だけが、それを通り抜ける。したがって、Ｃｏｍポート１０から生じる２つの空間的に変位した光ビーム成分だけが、偏光子７０を通り抜ける。

オプションの偏光子７０から出た後、Ｃｏｍポート１０から生じる２つの垂直偏光の光ビームは、ファラデー回転子８０に入る。ファラデー回転子８０は、図示されるように、光ビームが、下流方向に進んでいるとき、光ビームの偏光状態を４５°だけ時計回りの方向に回転させる。ファラデー回転子８０に続く第２の複合半波長板９０は、２つの空間的に変位した光ビームをＣｏｍポート１０から受け取る第１の半波長板領域９２を含む。第２の半波長板９０はまた、光ポート４０、３０および２０によって規定される光学経路に沿って位置決めされる第２の半波長板領域９４も含む。同じ方向に進む２つのビームについて、第２の半波長板領域９４は、光ビームの偏光状態を第１の半波長板領域９２のそれとは反対の方向に回転させるように構成されている。

ファラデー回転子８０から光ビームを受け取る第１の半波長板領域９２はさらに、光ビームが両方とも、ｈ−偏光状態で第１の半波長板領域９２から出るように、光ビームを別の４５°だけ時計回りの方向に回転させる。図示されるように、ファラデー回転子８０および第１の半波長板領域９２の正味の効果は、もし入力光ビームが、垂直偏光状態にあるならば、水平偏光状態の光ビームを出力し、もし入力光ビームが、水平偏光状態にあるならば、垂直偏光状態の光ビームを出力することである。すなわち、ファラデー回転子８０および第１の半波長板領域９２は一緒に、ある偏光状態のビームの偏光をその直交偏光状態へ回転させる。その上、光ビームが、ファラデー回転子８０および第１の半波長板領域９２を通り抜ける順序は、図１に示されるそれとは逆にされてもよい。

第１の半波長板領域９２から出た後、光ビームは、様々な他の光学部品を通ってさらに下流に向けられ、空間光変調器（図１に示されない）による光学的処理を受ける。空間光変調器は、光ビームの様々な波長成分を光ポート２０、３０および４０の選択されたものに選択的に向ける。空間光変調器および図１に示される光学配置を組み込む波長選択スイッチの一例は、図５Ａおよび図５Ｂに関連して以下に提示される。

図１に示される光学配置１００は、空間光変調器が光ビームをＣｏｍポート１０と光ポート２０、３０および４０のいずれかとの間に向けることを可能にする。しかしながら、光学配置１００はまた、ポート２０、３０および４０のいずれかに向けられる、光ポート２０、３０および４０のいずれかから生じる任意の光ビームを阻止することにもなる（例えば光ポート２０からの光ビームは、光ポート３０または光ポート４０に達するのを防止される）。

図１の例を続けると、第２の複合半波長板９０から出て、ＳＬＭによって向け直された後、ＳＬＭによって光ポート４０に向けられる、Ｃｏｍポート１０から生じる光ビームは、上流方向に進むとき、最初に第２の複合半波長板９０の第２の半波長板領域９４およびファラデー回転子８０を通り抜ける。第２の半波長板領域９４およびファラデー回転子８０の正味の効果は、もし上流方向に進む入力光ビームが、垂直偏光状態にあるならば、水平偏光状態の光ビームを出力し、もし入力光ビームが、上流方向に進むとき、水平偏光状態にあるならば、垂直偏光状態の光ビームを出力することである。すなわち、第２の半波長板領域９４およびファラデー回転子８０は一緒に、ある偏光状態で上流に進む光ビームの偏光をその直交偏光状態へ回転させる。その上、光ビームが、第２の半波長板領域９４およびファラデー回転子８０を通り抜ける順序は、図１に示されるそれとは逆にされてもよい。

ＳＬＭから光ポート４０へ上流方向に進む光ビームは、第２の半波長板領域９４に入るときｈ−偏光状態にあるので、それらは、直交偏光状態で第２の半波長板領域９４およびファラデー回転子８０から出る。すなわち、光ビームは、ｖ−偏光状態で第２のファラデー回転子８０から出ることになり、それ故に偏光子７０を通り抜ける。光ビームは次いで、複合半波長板６０を通り抜け、そこでビームの１つの偏光は、半波長板領域６２によってｈ−偏光状態へ回転される。この時点で直交偏光状態にある、２つのビームは、ウォークオフ結晶５０に入り、ウォークオフ結晶５０は、ビームが光ポート４０に向けられる前にビームを再合成する。

Ｃｏｍポート１０から生じ、光ポート２０、３０および４０のいずれかに向けられる光ビームと対照的に、ポート２０、３０および４０のいずれかから生じる光ビームは、偏光子７０によって他のポート２０、３０および４０のいずれかに達するのを防止される。すなわち、光学配置１００は、高度の指向性を示す。これは、図２に例示され、そこでは光ビームは、光学配置１００の光ポート２０から生じ、偏光子７０によって光ポート４０に達するのを防止される。同様に、図３は、光ビームが、光ポート４０からＣｏｍポート１０に首尾よく向けられるときの光学配置１００を示し、それによって光学配置１００が、高度のアイソレーションを示すことを例示する。

前に述べられたように、いくつかの実施形態では、偏光子７０は、提供されない。偏光子７０がなくても、Ｃｏｍポート１０から例えばポート４０への光ビームの切り替えは、影響を受けない。同様に、ポート４０からＣｏｍポート１０への光ビームの切り替えは、影響を受けない。しかしながら、図２に示される場合など、光ビームが、出力ポート２０、３０または４０の任意の２つの間で切り替えられるのを防止される仕方は、影響を受ける。

図２と同様に、図４は、光ビームが、ポート２０からポート４０へ切り替えられる光学配置を示すが、ただし図４では、偏光子７０は、存在しない。図４では、光ビームは、第１の複合半波長板６０に達するまで、図２に示されるように光学配置を通って進む。図示されるように、光ビームの各偏光成分が、ウォークオフ結晶５０を通り抜けた後、ビームは、出力ポート４０に向けられる。しかしながら、ポート４０の光学軸に沿って向けられる代わりに、２つの偏光成分は、ポートの光学軸から変位されることになり、隣接ポート間の間隔が、十分であると仮定すると、２つの偏光は両方とも、ポート４０およびどんな隣接ポートにも届かない。このようにして、ポート２０とポート４０との間の結合は、防止される。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施形態と併せて使用されてもよい自由空間ＷＳＳ１００などの簡略化された光学デバイスの一例のそれぞれ上面図および側面図である。光は、入力および出力ポートとしての役割を果たす光ファイバなどの光導波路を通ってＷＳＳ１００に入出力される。図５Ｂに最もよく見られるように、ファイバコリメータアレイ１０１は、コリメータ１０２_１、１０２_２および１０２_３にそれぞれ結合される複数の個々のファイバ１２０_１、１２０_２および１２０_３を備えてもよい。ファイバ１２０の１つまたは複数からの光は、コリメータ１０２によって自由空間ビームに変換される。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５Ｂでは３つの光ファイバ／コリメータ対を示すだけだが、より一般的には、任意の適切な数の光ファイバ／コリメータ対が、用いられてもよい。

光学配置１２０は、ポートアレイ１０１から出る光を受け取り、その光を以下で述べられる望遠鏡の対の方へ向ける。光学配置１２０は、図１に関連して上で述べられた種類の光アイソレータであってもよい。

一対の望遠鏡また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の望遠鏡またはビームエキスパンダは、光学素子１０６および１０７から形成され、第２の望遠鏡またはビームエキスパンダは、光学素子１０４および１０５から形成される。

図５Ａおよび図５Ｂでは、２つの軸において光に影響を及ぼす光学素子は、両方の図において両凸光学系として実線を用いて例示される。他方では、１つの軸において光に影響を及ぼすだけの光学素子は、影響を受ける軸において平凸レンズとして実線を用いて例示される。１つの軸において光に影響を及ぼすだけの光学素子はまた、それらが影響を及ぼさない軸において破線によって例示されもする。例えば、図５Ａおよび図５Ｂでは、光学素子１０２、１０８、１０９および１１０は、両方の図において実線を用いて描写される。他方では、光学素子１０６および１０７は、図５Ａでは実線を用いて描写され（それらは、ｙ軸に沿って集束パワーを有するので）、図５Ｂでは破線を用いて描写される（それらは、ビームをｘ軸に沿って影響を受けないままにするので）。光学素子１０４および１０５は、図５Ｂでは実線を用いて描写され（それらは、ｘ軸に沿って集束パワーを有するので）、図５Ａでは破線を用いて描写される（それらは、ビームをｙ軸において影響を受けないままにするので）。

各望遠鏡は、ｘ方向およびｙ方向について異なる拡大係数を有して作られてもよい。例えば、ｘ方向に光を拡大する、光学素子１０４および１０５から形成される望遠鏡の倍率は、ｙ方向に光を拡大する、光学素子１０６および１０７から形成される望遠鏡の倍率よりも小さくてもよい。

望遠鏡の対は、ポートアレイ１０１からの光ビームを拡大し、それらを波長分散素子１０８（例えば、回折格子またはプリズム）に光学的に結合し、それは、自由空間光ビームをそれらの構成波長またはチャンネルに分ける。波長分散素子１０８は、光をその波長に従ってｘ−ｙ平面上で異なる方向に分散させるように働く。分散素子からの光は、ビーム集束光学系１０９に向けられる。

ビーム集束光学系１０９は、波長分散素子１０８からの波長成分をプログラム可能な光位相変調器に結合し、それは、例えばＬＣｏＳデバイス１１０などの液晶ベースの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、それは、波長分散方向または軸と呼ばれる。したがって、所与の波長の各波長成分は、ｙ方向に延びるピクセルのアレイ上に集束される。例としてであって、限定としてではなく、λ_１、λ_２およびλ_３と表される中心波長を有する３つのそのような波長成分が、図５Ａに示され、波長分散軸（ｘ軸）に沿ってＬＣｏＳデバイス１１０上に集束されている。

図５Ｂに最もよく見られるように、ＬＣｏＳデバイス１１０からの反射後、各波長成分は、ビーム集束光学系１０９、波長分散素子１０８ならびに光学素子１０６および１０７を通って戻り、ポートアレイ１０１内の選択されたファイバに結合されてもよい。

上記の例および開示は、説明に役立つことを目的とし、包括的ではない。これらの例および説明は、多くの変形および代替案を当業者に示唆する。

１０ 光ポート、Ｃｏｍポート
２０ 光ポート
３０ 光ポート
４０ 光ポート
５０ ウォークオフ結晶
６０ 第１の複合半波長板
６２ 半波長板領域
６４ 半波長板領域
６６ 半波長板領域
６８ 半波長板領域
７０ 偏光子
８０ ファラデー回転子
９０ 第２の複合半波長板
９２ 第１の半波長板領域
９４ 第２の半波長板領域
１００ 光学配置、光学デバイス、自由空間ＷＳＳ
１０１ ファイバコリメータアレイ、ポートアレイ
１０２ コリメータ、光学素子
１０４ 光学素子
１０５ 光学素子
１０６ 光学素子
１０７ 光学素子
１０８ 光学素子、波長分散素子
１０９ 光学素子、ビーム集束光学系
１１０ 光学素子、ＬＣｏＳデバイス
１２０ ファイバ、光学配置

Claims (11)

1. 光ビームを受け取るための少なくとも１つの光入力ポートおよび複数の光出力ポートを有する光ポートアレイと、
   前記少なくとも１つの光入力ポートと前記光出力ポートの各々との間の光結合を可能にし、前記複数の光出力ポートのいずれか１つと前記複数の光出力ポートの他のいずれかとの間の光結合を防止するための光学配置と、
   前記光学配置を横断した後、前記少なくとも１つの光入力ポートから前記光ビームを受け取り、前記光ビームを複数の波長成分に空間的に分ける分散素子と、
   前記複数の波長成分を集束するための集束素子と、
   集束された前記複数の波長成分を受け取るためのプログラム可能な光位相変調器であって、前記光位相変調器は、前記波長成分を前記光出力ポートの選択された１つに進めるように構成される、プログラム可能な光位相変調器と、を備える光学デバイスであって、
   前記光学配置は、光ポートアレイ内のポートのいずれかから受け取られる前記光ビームを第１および第２の偏光状態にそれぞれ調整される第１および第２の光成分に空間的に分けるための少なくとも１つのウォークオフ結晶と、前記第１の光成分を前記第２の偏光状態に調整するための第１の複合半波長板と、前記第１の偏光状態の光エネルギーは伝送しないが前記第２の偏光状態の光エネルギーを伝送するための偏光子と、ファラデー回転子および第２の複合半波長板であって、前記偏光子を介して前記光入力ポートから受け取られる前記空間的に分けられた光ビームを回転させて前記第１の偏光状態とし、前記複数の光出力ポートから受け取られる前記空間的に分けられた光ビームを回転させて第２の直交偏光状態とするファラデー回転子および第２の複合半波長板とを含む、ことを特徴とする光学デバイス。
2. 前記光学配置は、前記光学配置を横断する光エネルギーの異なる偏光状態を区別することによって、選択されたポート間の光結合を選択的に可能にし、かつ防止するように構成される、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記光学配置は、光ポートアレイ内のポートのいずれかから受け取られる前記光ビームを第１および第２の偏光状態にそれぞれ調整される第１および第２の光成分に空間的に分けるための少なくとも１つのウォークオフ結晶と、前記第１の光成分を前記第２の偏光状態に調整するための第１の複合半波長板と、ファラデー回転子および第２の複合半波長板であって、前記第１の複合半波長板を介して前記光入力ポートから受け取られる前記空間的に分けられた光ビームを回転させて前記第１の偏光状態とし、前記複数の光出力ポートから受け取られる前記空間的に分けられた光ビームを回転させて第２の直交偏光状態とするファラデー回転子および第２の複合半波長板とを含む、請求項１に記載の光学デバイス。
4. 前記光学配置はさらに、任意の偏光状態の前記光ビームを受け取り、前記光ビームを所定の偏光状態で前記分散素子に提供するように構成される、請求項１に記載の光学デバイス。
5. 前記プログラム可能な光位相変調器は、液晶ベースの位相変調器を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
6. 前記液晶ベースの位相変調器は、ＬＣｏＳデバイスである、請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記分散素子は、回折格子およびプリズムから成る群から選択される、請求項５に記載の光学デバイス。
8. 前記光ポートアレイから受け取られる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向けるための光学系をさらに備える、請求項５に記載の光学デバイス。
9. 前記光学系は、第１の方向に第１の拡大係数および前記第１の方向に直交する第２の方向に第２の拡大係数を有し、前記第１の拡大係数は、前記第２の拡大係数と異なる、請求項８に記載の光学デバイス。
10. 前記第１の方向は、波長分散軸に平行であり、前記光ビームが、前記波長分散軸に沿って空間的に分けられ、前記第１の拡大係数は、前記第２の拡大係数よりも小さい、請求項９に記載の光学デバイス。
11. 前記光学配置は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの任意の対と前記プログラム可能な光位相変調器との間で光ビームが横断する光学経路間に配置されるファラデー回転子を含む、請求項５に記載の光学デバイス。