JPH0784220A - 光コリメータアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コリメート信号光の角度ずれに伴う光損失
を、より簡便な方法で制御することが可能な光コリメー
タアレイを提供すること。 【構成】 光ファイバアレイ１の光出射側にコリメート
レンズアレイ２を、またコリメートレンズアレイ２の光
出射側に、マトリクス状に複数の画素が配列された多階
調のツイステッドネマチック型液晶光空間変調素子（多
階調液晶光空間変調素子）３を配置して成る光コリメー
タアレイを構成する。さらに、多階調液晶光空間変調素
子３にホログラムパターンを表示し、コリメートレンズ
アレイ２によって平行光束に変換された光を、多階調液
晶光空間変調素子３に表示されるホログラムパターンに
よって、それぞれ個別にその進行方向の微調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光出射方向の角度を微
調整する機能を有した光コリメータアレイに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、空間を伝搬するコリメート光ビー
ムの経路を、液晶光空間変調器と偏光ビームスプリッタ
アレイによって制御することによって切り替える多端子
光スイッチが提案されている。

【０００３】図２は、このような多端子光スイッチの一
例を示す構成図である。この構成は文献（"A rearrange
able multichannel free-space opticalswitch based o
n multistage network configuration", IEEE J.Lightw
ave Tech.,vol.9,pp.1726-1732) に開示されているもの
である。

【０００４】図２において、101 は光信号を導くための
光ファイバ、102 は各光ファイバ101 の出射光を平行光
束に変換する複数のコリメータからなるコリメータアレ
イ、103-1 〜103-9 は液晶光空間変調器で、通過する各
コリメート光ビームの偏光状態を個別に制御する。

【０００５】104-1 〜104-8 は、偏光ビームスプリッタ
アレイによって構成された偏光ルーチング素子であり、
空間的に分離した２つのコリメート光ビームの各々一方
の直線偏光成分同士を交換する機能を持つ。105 はスイ
ッチ本体の出射光ビームを収束するためのコリメータア
レイ、106 はコリメータアレイ105 からの信号光をスイ
ッチ外に導くための光ファイバである。

【０００６】ここで、コリメータアレイ102,105 、液晶
光空間変調器103-1 〜103-9 並びに偏向ルーチング素子
104-1 〜104-8 はそれぞれ対応するマトリクス状、例え
ば４×４のマトリクス状に形成され、液晶光空間変調器
103-1 〜103-9 及び偏光ルーチング素子104-1 〜104-8
は記述の順に交互に配置され、液晶光空間変調器103-9
からの出射光がコリメータアレイ105 を介して光ファイ
バ106 に入射される。

【０００７】前述の構成よりなる多端子光スイッチは、
再配置非閉塞なスイッチ網として知られるBenes 網と等
価な構成となっている。図３に３２×３２チャネルBene
s 網の構成を示す。図３において、111-1 〜111-8 はそ
れぞれ２×２単位スイッチアレイを示し、112-1 〜112-
9 のそれぞれは配線網を示している。各単位スイッチの
２つの入力及び２つの出力はそれぞれ同一の経路を伝搬
する信号光の２つの直交偏光成分に対応している。ま
た、図２に示す多端子光スイッチ内では、液晶光空間変
調器103-1 〜103-9 が２×２単位スイッチアレイ111-1
〜111-8 として機能し、偏光ルーチング素子104-1 〜10
4-8がスイッチアレイ間を接続する配線網112-1 〜112-9
として機能する。

【０００８】このような構成の光スイッチでは、光スイ
ッチを通過する光信号に対して光／電気あるいは電気／
光の信号の変換を行わないため、信号光に対する帯域制
限がなく、高速な光信号を通過させることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の光スイッチは、コリメートされた信号光を比較
的長距離空間伝搬させる構成であるため、スイッチ構成
部品の微少な位置ずれ或いは角度ずれによって非常に大
きな挿入損失が生じる可能性を有している。特に、偏光
ビームスプリッタアレイの反射面の角度の誤差等の角度
ずれは、挿入損失の増加に大きく影響する。

【００１０】例えば、対向して配置された２つのコリメ
ータの一方の光出射角度をずらした場合に、この角度ず
れによって生じるコリメータ間の光損失（挿入損失）の
計算結果を図４に示す。この計算においては、信号光の
波長を１．５５μｍと仮定し、コリメータ出射光のビー
ムスポットの半径を０．５ｍｍと仮定している。

【００１１】図４から明らかなように、挿入損失は角度
ずれの２乗に比例して増加し、１ｍｒａｄの角度ずれで
約４．５ｄＢ、２ｍｒａｄの角度ずれで約１４ｄＢにも
達する。

【００１２】従って、こうした光ビームの角度ずれによ
る損失増加を防ぐためには、コリメータアレイ及びスイ
ッチ構成部品を非常に高精度に作成する必要がある。し
かし、各部品をこのように高精度に作成するには非常に
高度な技術が要求されるため、これによって作成された
スイッチは非常に高価なものとなってしまう。

【００１３】このような困難を回避する方法として、各
コリメータの角度あるいはコリメートレンズ位置を個別
に微調整して、各コリメータの出射光角度を微調整する
方法が考えられる。しかし、こうした機械的な微調整機
構では、アレイ中のすべてのコリメータに個別に微調整
機構を設ける必要があるため、非常に多数の微調整機構
が必要となり、結局コリメータアレイ自体が非常に高価
なものになってしまうという問題点があった。

【００１４】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、コリ
メート信号光の角度ずれに伴う光損失を、より簡便な方
法で制御することが可能な光コリメータアレイを提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、請求項１では、単一モード光ファイバ及
び該単一モード光ファイバの出射光を平行光束として空
間に放射するコリメートレンズを、複数個集積して成る
光コリメータアレイにおいて、二次元マトリクス状に配
置された画素からなり、前記コリメートレンズから出射
された平行光束の経路中に介在された透過型光空間変調
素子と、該透過型光空間変調素子の画素により所定のパ
ターンを表示させるパターン表示手段とを有する光コリ
メータアレイを提案する。

【００１６】また、請求項２では、請求項１記載の光コ
リメータアレイにおいて、前記透過型光空間変調素子
は、互いに直交する方向に配置された線状の画素からな
る２つの光空間変調素子を縦列に接続し、一方の光空間
変調素子を構成する画素の配置間隔と他方の光空間変調
素子を構成する画素の配置間隔とが同一に設定されてい
る光コリメータアレイを提案する。

【００１７】

【作用】本発明の請求項１によれば、二次元マトリク状
に配置された画素によって形成された透過型光空間変調
素子がコリメートレンズから出射された平行光束の経路
中に介在して設けられると共に、パターン表示手段によ
って前記透過型光空間変調素子の画素により所定のパタ
ーン、例えば位相ホログラムパターンが表示される。

【００１８】これにより、光ファイバ及びコリメートレ
ンズからなる各コリメータの光ビーム出射角度は、機械
的な方式によらず、前記透過型光空間変調素子の画素に
よって表示された位相ホログラムパターンによって微調
整され、複数のコリメータを集積したコリメータアレイ
の個々のコリメータの光ビーム出射角度制御が行われ
る。

【００１９】即ち、一般に、空間を伝搬する平行光束
は、その進行方向に垂直な面内で同位相となっている
が、図１に示すように、この面内で次の(1) 式 Δφ（ｘ，ｙ）＝２π（Ａ_xｘ＋Ａ_yｙ）／λ …(1) （Δφ：位相の変化量，λ：光の波長） によって決まる位相変化を平行光束の光波に与えること
により、次の(2) 式 θ＝ arctan（Ａ_y／Ａ_x） …(2) Δα＝（Ａ_x ² ＋Ａ_y ²）^1/2 (rad) …(3) で定まる方向に、前記(3) 式で表される角度だけ進行方
向が変化する。

【００２０】従って、平行光束の進路途中に透過型の光
空間変調素子を設置し、この変調素子に、通過する平行
光束に対して上式で定まる位相変化を与えるような位相
ホログラムパターンを書き込むことにより、この平行光
束の進行方向を微調整することができる。

【００２１】また、画素サイズ、階調数が有限の光空間
変調素子を用いても、上式の位相変化を近似するように
各画素を制御することにより、若干の損失は出るもの
の、やはり平行光束の進行方向を微調整することができ
る。

【００２２】また、請求項２によれば、互いに直交する
方向に配置された線状の画素からなる２つの光空間変調
素子を縦列に接続して前記透過型光空間変調素子が構成
され、前記一方の光空間変調素子を構成する画素の配置
間隔と他方の光空間変調素子を構成する画素の配置間隔
とが同一に設定されている。これにより、一方の光空間
変調素子の一つの画素と他方の光空間変調素子の一つの
画素との正方形状の交差部分を一単位として平行光束の
進行方向が微調整される。

【００２３】

【実施例】次に、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１に、本発明の第１の実施例の構成図を示
す。図１において、１は信号光伝送用の複数の光ファイ
バ１ａからなる光ファイバアレイ、２は光ファイバアレ
イ１の各光ファイバから出射された光を平行光束にする
複数のコリメートレンズ２ａからなるコリメートレンズ
アレイ、３はマトリクス状に画素が配列された多階調の
ツイステッドネマチック型液晶光空間変調素子（以下、
多階調液晶光空間変調素子と称する）である。ここで、
光ファイバ１ａ及びコリメートレンズ２ａから光コリメ
ータが構成される。

【００２４】光ファイバアレイ１から出射した各信号光
は、コリメートレンズアレイ２によって平行光束に変換
され、多階調液晶光空間変調素子３の画素により表示さ
れる位相ホログラムパターンによって、それぞれ個別に
その進行方向の微調整がなされる。

【００２５】図５に、多階調液晶光空間変調素子３の各
画素の概略構成並びに動作を示す。図５の(a) 〜(c) に
おいて、１１-1，１１-2はガラス基板、１２-1，１２-2
は透明電極、１３は液晶分子である。また、図５の(a)
は透明電極１２-1，１２-2の間に電界を加えない状態、
(b) は透明電極１２-1，１２-2の間に低電圧の交流電界
を加えた状態、(c) は(b) に比べて高い電圧の交流電界
を透明電極１２-1，１２-2の間に加えた状態をそれぞれ
表している。

【００２６】一般に、ツイステッドネマチック型液晶の
分子１３は、図５に示すような棒状の形状をなしてお
り、印加する交流電界の強度に応じて、各液晶分子１３
の軸がガラス基板１１-1，１１-2に平行な状態からしだ
いに垂直な状態へと遷移する。

【００２７】一方、各分子１３の軸が揃った液晶は一軸
性の光学異方性を示し、各分子１３の軸方向及びこれに
垂直な方向の電界の振動方向を有する光に対して互いに
異なる屈折率を示す。

【００２８】従って、図５に示すように透明電極１２-
1，１２-2の間に印加する交流電界の強さを変化するこ
とによって、液晶分子１３とガラス基板１１-1，１１-2
の面との角度を制御すれば、透過信号光の垂直偏光成分
に対する屈折率或いは透過信号光の水平偏光成分に対す
る屈折率を変化させることができ、この光の位相遅延量
を各画素ごとに独立に制御することができる。図５にお
いては、液晶分子１３の軸方向が垂直となっているの
で、透過信号光の垂直偏光成分に対する屈折率が変化さ
れる。

【００２９】一般に、多階調液晶光空間変調素子３の画
素により表示させた位相ホログラムパターンによって信
号光の経路を高い回折効率を保ちつつ自由に設定するた
めには、素子の画素間隔あるいは画素サイズを信号光の
波長と同程度にまで縮小する必要がある。しかし、現状
の技術でこのように微少な画素サイズを持った多階調液
晶光空間変調素子３を作成することは困難である。

【００３０】一方、平行光束の進行方向を微少に変更す
るようなホログラムでは、ホログラムの面に沿った方向
での位相遅延量の変化率は非常に小さくなる。このた
め、比較的画素サイズの大きい液晶光空間変調素子を用
いても、十分な回折効率を保つことが可能となる。

【００３１】次に、二次元正方格子状に画素を配列した
多階調液晶光空間変調素子の画素により表示した位相ホ
ログラムパターンによって、コリメータ出射光の出射角
度ずれを補償した時の、対向する２つのコリメータ間の
光損失と角度ずれの関係を図６及び図７に示す。

【００３２】図６は多階調液晶光空間変調素子３の階調
数が４の場合を示し、図７は多階調液晶光空間変調素子
３の階調数が８の場合を示している。また、これらの図
では、画素サイズ、画素間隔が２０，５０及び１００μ
ｍの場合をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示してい
る。さらに、信号光の波長を１．５５μｍと仮定し、コ
リメータ出射光のビームスポット半径は０．５ｍｍと仮
定している。

【００３３】図６から明らかなように、階調数が４の場
合、微少な角度ずれの調整が困難となるため、損失は画
素サイズによらず角度ずれの増大とともに０．９ｄＢ程
度まで増大する。しかし、それ以上の角度ずれに対して
は、損失の増加が抑制され、画素サイズが２０μｍの場
合には、角度ずれが０．００５ラジアンまで損失１．０
ｄＢ以下を保ち、画素サイズが１００μｍの場合でも、
角度ずれが０．００３ラジアンまで損失１．５ｄＢ以下
を保つ。

【００３４】また、図７から明らかなように階調数を８
とすると、より微少な角度ずれの調整が可能となる。こ
のため画素サイズが２０μｍの場合には、角度ずれが
０．００５ラジアンまで０．３ｄＢ以下を保ち、画素サ
イズが１００μｍの場合でも、角度ずれが０．００４ラ
ジアンまで損失１．０ｄＢ以下を保つことができる。い
ずれの場合も、多階調液晶光空間変調素子３を用いない
場合に比べ、角度ずれによる損失の増加が大幅に抑制さ
れるのがわかる。

【００３５】ところで、二次元正方格子状に画素を配列
した多階調液晶光空間変調素子３において、画素サイズ
を１００μｍ以下というような微少な値にすると、画素
数が膨大となり、これを駆動・制御するための電気配線
の配置が困難になってくる。

【００３６】また、こうした画素サイズの小さい多階調
液晶光空間変調素子３では、一般に各画素を駆動するた
めの微少なトランジスタ回路（ＴＦＴ）が、画素と一体
で形成された構造となっている。このため、画素数の増
大とともに、このＴＦＴの欠陥によって正常に動作しな
い画素の数が増え、結果として光空間変調素子としての
性能が劣化する可能性がある。

【００３７】さらに、画素中でＴＦＴが形成されている
部分は光が透過しないため、画素の微小化とともに、画
素中でＴＦＴによって占められる部分の割合が増え、結
果的に多階調液晶光空間変調素子３の挿入損失の増大を
もたらす可能性がある。

【００３８】一方、先に示した(1) 式から明かなよう
に、与えるべき位相変化量Δφは、座標ｘのみで決まる
成分と座標ｙのみで決まる成分との和で表される。従っ
て、ｘ方向成分の位相変調を与える光空間変調素子とｙ
方向成分の位相変調を与える光空間変調素子とを独立に
設置しても、ホログラムとしての性能を劣化させること
なく、透過する平行光束の進行方向を任意の方向に微調
整することができる。

【００３９】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図８は第２の実施例を示す構成図である。この第２の実
施例は、前述したようにｘ方向成分の位相変調を与える
光空間変調素子とｙ方向成分の位相変調を与える光空間
変調素子とを独立に設置したものである。

【００４０】即ち、図８において、２１は信号光伝送用
の複数の光ファイバ２１ａからなる光ファイバアレイ、
２２は光ファイバアレイ２１の各光ファイバ２１ａから
出射された光を平行光束にする複数のコリメートレンズ
２２ａからなるコリメートレンズアレイ、２３-1，２３
-2は前述と同様の多階調のツイステッドネマチック型液
晶光空間変調素子であり、それぞれ縦長、横長の画素形
状を持っている。ここで、第１の実施例と同様に、光コ
リメータは光ファイバ２１ａ及びコリメートレンズから
構成される。

【００４１】光ファイバアレイ２１の各光ファイバから
出射した信号光は、コリメートレンズアレイ２２によっ
て平行光束に変換され、多階調液晶光空間変調素子２３
-1の画素によって表示される位相ホログラムパターンに
よって水平方向の微調整がなされた後、多階調液晶光空
間変調素子２３-2の画素によって表示される位相ホログ
ラムパターンによって垂直方向の微調整がなされる。

【００４２】図９に、多階調液晶光空間変調素子２３-
1，２３-2の画素配置を示す。図９の(a) は多階調液晶
光空間変調素子２３-1の画素配置を示し、図９の(b) は
多階調液晶光空間変調素子２３-2の画素配置を示す。い
ずれの図も、細長く小さい矩形のそれぞれが１つの画素
を表わし、これらの画素がマトリクス状に配置されてい
る。さらに、多階調液晶光空間変調素子２３-1の画素形
状は縦長となっており、縦方向の画素ピッチはコリメー
トレンズアレイ２２の縦方向のピッチに一致している。
また、多階調液晶光空間変調素子２３-2の画素形状は横
長となっており、横方向の画素ピッチはコリメートレン
ズアレイ２２の横方向のピッチに一致し、双方の多階調
液晶光空間変調素子２３-1，２３-2の画素の配置間隔は
同一に設定されている。これにより、多階調液晶光空間
変調素子２３-1の一つの画素と多階調液晶光空間変調素
子２３-2の一つの画素との正方形状の交差部分を一単位
として平行光束の進行方向が微調整される。

【００４３】前述したような画素配置の空間光変調素子
１つ当たりの所要画素数は、画素の長辺と短辺の長さの
比をＫとすれば、上記第１の実施例に示した二次元正方
格子状配列を用いた場合に比べ１／Ｋに抑制される。例
えば、上記アレイピッチが２ｍｍ、画素サイズが５０μ
ｍの場合、Ｋは４００となり所要画素数は１／４００に
なる。このように、本実施例では、多階調液晶光空間変
調素子２３-1，２３-2の所要画素数を大幅に抑制できる
ため、先に示したような、多階調液晶光空間変調素子の
画素数の増大に伴う問題点を大幅に緩和することができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
よれば、パターン表示手段によって透過型光空間変調素
子の画素により、例えば位相ホログラム等のパターンが
表示され、各コリメータの光ビーム出射角度は、機械的
な方式によらず、前記位相ホログラムパターンによって
微調整され、複数のコリメータを集積したコリメータア
レイの個々のコリメータの光ビーム出射角度制御が行わ
れるので、各コリメート信号光の角度ずれに伴う光損失
を、簡便な方法で大幅に抑制することができる。

【００４５】さらに、請求項２によれば、上記の効果に
加えて、縦列接続された一方の光空間変調素子の一つの
画素と他方の光空間変調素子の一つの画素との交差部分
を一単位として平行光束の進行方向が微調整されるの
で、画素数の増大に伴う問題点を回避して、平行光束の
進行方向の微調整単位を小さくでき、挿入損失の低下を
図ることができる。例えば、各画素を駆動する微小なト
ランジスタ回路が画素と一体に形成された構造を有する
光空間変調素子を用いた場合には、画素に対応して設け
られる微小なトランジスタ回路の非動作率の増加による
性能劣化、前記トランジスタ回路の増加による挿入損失
の増大等の問題点を回避して、平行光束の進行方向の微
調整単位を小さくでき、挿入損失の低下を図ることがで
きるという非常に優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図

【図２】従来例の多端子光スイッチを示す構成図

【図３】３２×３２チャネルBenes 網の構成図

【図４】対向したコリメータの角度ずれとコリメータ間
の光損失の計算結果を示す図

【図５】本発明の第１の実施例における多階調液晶光空
間変調素子の各画素の概略構成並びに動作を示す図

【図６】４階調の多階調液晶光空間変調素子によってコ
リメータ出射光の出射角度ずれを補償した時の、対向す
るコリメータ間の光損失と角度ずれの関係を示す図

【図７】８階調の多階調液晶光空間変調素子によってコ
リメータ出射光の出射角度ずれを補償した時の、対向す
るコリメータ間の光損失と角度ずれの関係を示す図

【図８】本発明の第２の実施例を示す構成図

【図９】本発明の第２の実施例における多階調液晶光空
間変調素子の画素配置を示す図

【符号の説明】

101 …入力光ファイバ、102 …入力コリメータ、103-1
〜103-9 …液晶光空間変調器、104-1 〜104-8 …偏光ル
ーチング素子、111-1 〜111-9 …２×２単位スイッチア
レイ、112-1 〜112-8 …配線網、１…信号光伝送用光フ
ァイバアレイ、１ａ…信号光伝送用光ファイバ、２…コ
リメートレンズアレイ、２ａ…コリメートレンズ、３…
多階調液晶光空間変調素子、２１…信号光伝送用光ファ
イバアレイ、２１ａ…信号光伝送用光ファイバ、２２…
コリメートレンズアレイ、２２ａ…コリメートレンズ、
２３-1，２３-2…多階調液晶光空間変調素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一モード光ファイバ及び該単一モード
   光ファイバの出射光を平行光束として空間に放射するコ
   リメートレンズを、複数個集積して成る光コリメータア
   レイにおいて、 二次元マトリクス状に配置された画素からなり、前記コ
   リメートレンズから出射された平行光束の経路中に介在
   された透過型光空間変調素子と、 該透過型光空間変調素子の画素によって所定のパターン
   を表示させるパターン表示手段とを有することを特徴と
   する光コリメータアレイ。
2. 【請求項２】 前記透過型光空間変調素子は、互いに直
   交する方向に配置された線状の画素からなる２つの光空
   間変調素子を縦列に接続し、一方の光空間変調素子を構
   成する画素の配置間隔と他方の光空間変調素子を構成す
   る画素の配置間隔とが同一に設定されていることを特徴
   とする請求項１記載の光コリメータアレイ。