JPWO2015008489A1 - 光信号処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、１枚のレンズのみで複数のＷＳＳ機能部を集約可能である、低コストでアライメントが容易な光信号処理装置を提供する。第１入出力ポート群（１０１−１）に入力された光信号は、マイクロレンズアレイ（１０２）を経てコリメート光として空間に出射される。空間を伝搬する信号光は回折格子（１０３）によって波長分波され、レンズ（１０４）によって集光され、空間光変調器（１０５）のｙ軸方向対して図面の上側に集光することになる。空間光変調器（１０５）にて所望の位相変調を与えられて反射された光は、その位相設定に応じてｙ−ｚ平面内にて所望の角度に偏向され、さらにレンズ（１０４）を再び通過することで任意のポートに光結合され、スイッチング動作が完了する。

Description

本発明は、光信号のまま信号処理を行う、複数の機能を集約した光信号処理装置に関する。

近年急速な進展を見せる大容量の光通信ネットワーク構築に伴い、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信技術が注目を集めるとともに設備の普及が進んでいるが、ＷＤＭノードにおいては光信号を直接制御せずに、一度電気信号に変換したのちに経路のスイッチングを行う方式が一般的である。

しかしながら、上記の方式ではノードにおける処理能力の高負荷化、通信速度律速、高消費電力化が課題として危惧されている。このため、電気スイッチングを介さず光信号のまま信号処理を行うためにＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）に代表されるようなトランスペアレントなネットワークシステムは重要度が増しており、従ってＲＯＡＤＭを構成する光デバイス、例えば波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）および可変分散補償器（ＴＯＤＣ：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）等の開発は精力的に進められている。

ＷＳＳやＴＯＤＣ等の光信号処理デバイスにおける一般的な構成と動作原理を説明する。入力光ファイバから入力されたＷＤＭ信号は、コリメータにてコリメート光として空間を伝搬し、複数のレンズおよび波長分波するための回折格子を通過したのち、再びレンズを介して集光される。集光位置には光信号を所望の位相変化を与えるための空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が配置される。

このＳＬＭとしてはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）技術によるマイクロミラーアレイ、液晶セルアレイ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）などが代表的なものとして挙げられ、これらによって各光信号は所望の位相変化を与えられ、反射する。反射された各光信号は、レンズを介して回折格子へと入射し波長合波された後、レンズを介して出力ファイバに結合する。

光信号処理デバイスをＴＯＤＣに代表されるような補償デバイスとして用いる場合には入力ファイバと出力ファイバを兼用させ、サーキュレータを利用して補償前後の信号を分離させる手法が頻繁に用いられる。また、ＷＳＳのようなスイッチングデバイスは、少なくとも一本の入力ファイバの他、出力ファイバを複数本配置し、入力ファイバから入射した信号光がＳＬＭを介して選択された出力ファイバから出射する構成とすることができる。ＳＬＭにて信号光を所望の角度に偏向することで反射された信号光が結合する出力ファイバを選択し、スイッチングを行うことができる。

ＷＤＭノードにおいては、上述のような光信号処理装置を複数個同時に実装する形態が開示されている（非特許文献１参照）。

図８に、従来のＷＳＳを１ノードに複数個実装した光信号処理装置の構成を示す。光ノードに入射した光信号はＷＳＳ群８０１によって波長選択的にドロップもしくはスルーの経路を設定される。ＷＳＳ群８０１にてドロップされた光信号は波長分波機能部群８０２によって波長応じて経路が決められ、受信機群８０３に入射して所望の受信機に到達する。一方で、この光ノードにおける送信機群８０４から送信された光信号は波長合波機能部群８０５を経て、ＷＳＳ群８０６によって隣接するノードに向けて光信号は伝送される。

このような形態は光ノードへと入力する、もしくは光ノードから出力するポートの位置によって波長と方路が決定する（Ｃｏｌｏｒｅｄ／Ｄｉｒｅｃｔｅｄ）。このため、方式によってはより柔軟な機能を持たせるために波長分波機能部群８０２および波長合波機能部群８０５をＷＳＳ群に置き換えることで任意の波長の信号を送受信できるようにする方式（Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ）や、波長分波機能部群８０２と受信機群８０３、送信機群８０４と波長合波機能部群８０５のそれぞれ間にマトリックススイッチ群を挿入することで、任意の方路からの信号を送受信できるようにする方式（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓ）など、様々な形態が提案されている。

ここで、いずれの形態においても図８に示した波長クロスコネクト機能部８０７においてはアド用とドロップ用のＷＳＳを１セットとして、方路数分のＷＳＳセットが必要とされることが多い。このため、２台以上のＷＳＳ機能を１デバイスにまとめた低コストなＮ−ｉｎ−１ ＷＳＳは初期導入費用の抑制、消費電力の低減、制御システムの負荷低減といった多くのメリットから非常に魅力的である。もちろん、１デバイスにまとめる機能としてはＷＳＳがＮ台分の機能に限らず、またＷＳＳやＴＯＤＣなど異なる機能形態であっても効果が高い。

図９Ａ、９Ｂに、複数の機能を集約した光信号処理装置の一般的な構成の概念図を示す。光信号処理装置に集約する機能としては２台分のＷＳＳ機能としており、回折格子によって波長分波される方向をｘ軸、光信号がファイバから出力される際の進行方向をｚ軸、ｘ軸およびｚ軸に直交する向きをｙ軸と定義する。また、説明を簡単にするために１台のＷＳＳにおける入力ポートを１本、出力ポートを２本としているが、本数および構成に関しては本説明に限定されるものではない（非特許文献２参照）。また、１台目のＷＳＳ機能部から出射された光信号の主光線を実線にて、２台目のＷＳＳ機能部から出射された光信号の主光線を破線にてそれぞれ表している。

まず、図９Ａの構成について説明する。光信号への入出力については、入出力ポート群９０１を介して行うが、この入出力ポート群９０１は第１のＷＳＳ機能部に相当する第１入出力ポート群９０１−１と、第２のＷＳＳ機能部に相当する第２入出力ポート群９０１−２とに分けることができる。図９Ａにおける構成では、第１入出力ポート群９０１−１は図９Ａにおける下側３本にて、第２入出力ポート群９０１−２は上側３本にて例示されている。第１入出力ポート群９０１−１および第２入出力ポート群９０１−２のそれぞれから出射される光信号の進行方向はいずれも平行であり、この例ではｚ軸に一致する。

入出力ポート群９０１から空間に出射された光信号は、ポートに閉じ込められていたビーム径に応じた一定の開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）にて広がりながら伝搬する。一般的には、ポートから出射した光信号がコリメート光となるよう、入出力ポート群９０１は光ファイバアレイとマイクロレンズアレイ９０２の組み合わせによって実現されることが多い。空間を伝搬した光信号はＷＳＳ機能部ごとに分割配置されたレンズ群９０３によってフーリエ変換され、位置／角度変換される。この後、レンズ９０４を介してＷＳＳ機能部ごとに所定の角度にて回折格子９０５に入射することでｘ軸方向に波長分波され、さらにレンズ９０６を介して空間光変調器９０７上に集光される。

空間光変調器９０７はビームの偏向機能を有しており、このことから偏向角度を適切に制御することによって出力するポートを切り替えることが可能になる。このとき、第１入出力ポート群９０１−１に関わる光軸は、図９Ａにおいて空間光変調器９０７の上側、第２入出力ポート群２０１−２に関わる光軸は、下側のある一点で交差するように光学設計されている。すなわち、ＷＳＳ機能部ごとに、空間光変調器９０７上に集光する光信号はｙ軸方向に異なった位置に独立に集光することになる。空間光変調器９０７を用いて、ＷＳＳ機能部ごとに独立に偏向角度を設定することで２台分のＷＳＳ機能を１台のデバイスで実現できる。

複数の機能を集約した光信号処理装置は図９Ａのような構成に限られない。図９Ｂでは、図９Ａの構成においけるレンズ群９０３およびレンズ９０４を省略した場合の構成例である。この例においても、第１入出力ポート群９０１−１および第２入出力ポート群９０１−２のそれぞれから出射される光信号の進行方向はいずれも平行であり、この例ではｚ軸に一致する。ＷＳＳ機能部ごとに空間光変調器９０７上の異なった位置に集光させるために、これまで１枚構成であったレンズ９０６を２枚構成とし、それらを機能部ごとに分離配置することで、複数機能の集約が実現できる。

妹尾 外，"石英系平面光波回路に集積した波長選択スイッチ用空間ビーム変換器"，電子部品・材料研究会１２年８月期研究会，東北大学，信学技報，ｖｏｌ．１１２，ｎｏ．１８２，ＣＰＭ２０１２−７８，ｐｐ．１２７−１３２． Dan M. Marom, et al., "Wavelength-Selective 1×K Switches Using Free-Space Optics and MEMS Micromirrors: Theory, Design, and Implementation," IEEE J. Lightwave Technology, 2005, Vol. 23, No. 4, pp.1620-1630

しかしながら、上記のような複数機能を集約した光信号処理装置を実現する上では、図９Ａの構成例では、光学系の全長が長くなる、レンズを余分に用意する必要がある、などの観点からサイズ的にもコスト的にも不利となるという課題がある。

また図９Ｂの構成例では光学系の短尺化は可能である反面、ｙ軸方向に関してスタックされる構造のレンズが必要となる。この点は設計、実装いずれに関しても大きなデメリットとなり得る。

例えば、ｙ軸方向に分割したレンズ９０６には、第１入出力ポート群９０１−１から出た信号光と、第２入出力ポート群９０１−２から出た信号光とが、隣接するレンズに入らないように、レンズ９０６のｙ軸方向の厚さには十分なマージンが要求されるという課題がある。デバイス全体の厚さが全くの不問であるならば問題ないが、一般的に光通信用デバイスは厚さが非常に重要なパラメータとなっているため、ｙ軸方向に不必要なマージンが積まれることは好ましくない。

加えて実装という点では２つのレンズを接着固定して配置することが簡便な実装形態であるが、特に入出力ポート群とのｙ軸方向の位置合わせにおいては高精度な実装が要求されるため、光学系のアライメントが容易ではないという課題がある。一方、２つのレンズを独立に保持する構造の場合にはアライメントが容易になるが、アライメントに関わる配置マージンの増加によってｙ軸方向の厚さが増すことになり、さらに部材の増加、信頼性の劣化なども懸念され、コストの増大に繋がるという課題がある。

以上から、第１入出力ポート群９０１−１および第２入出力ポート群９０１−２のそれぞれから出射される光信号の進行方向はいずれも平行である限り、レンズの分割配置は避けられず、結果として低コストとアライメントの簡略化が可能な構成方法が切望されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１枚のレンズのみで複数のＷＳＳ機能部を集約可能である、低コストでアライメントが容易な光信号処理装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、光信号処理装置であって、それぞれがＮ個（Ｎは１以上の整数）の入出力ポートを有するＭ個（Ｍは２以上の整数）の光入出力部と、前記Ｍ個の光入出力部から出射された光信号を波長分離する分光手段と、前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、前記集光手段により集光された光信号の各々に対し位相変調させる空間光変調手段と、を備え、前記Ｍ個の光入出力部から出射された光信号の進行方向が、互いに異なることを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記各光入出力部のＮ個の入出力ポートから出射された各光の主光線が、他の前記光入出力部のＮ個の入出力ポートから出射された光の主光線の１つと同一平面上でそれぞれ交差することを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記光入出力部が、平面光波回路にて構成されたことを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記平面光回路が、前記分光手段側の入出力端に設けたスラブ導波路を含むことを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記平面光波回路が、前記平面光波回路から空間に出射される光の開口数を制御する開口数制御機構を含むことを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記開口数制御機構が、前記平面光波回路の導波路幅が導波路内での光の進行方向にしたがって変化するテーパ構造を含むことを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記開口数制御機構が、スラブ導波路と、前記平面光波回路の面内にのみパワーを有するレンズ機構と、を含むことを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記開口数制御機構が、少なくとも１つのスラブ導波路と、前記スラブ導波路に接続したアレイ導波路と、を含むことを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記アレイ導波路は、全ての導波路が等長であることを特徴とする。

また、発明の別の態様は、前記開口数制御機構の総計が、Ｎ×Ｍよりも少ないことを特徴とする。

本発明は、複数のＷＳＳ機能部を集約するために使用するレンズの枚数を減らし、低コストでアライメントを容易にする効果を奏し、さらに信号光の入出力部にＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）を採用することで、光学部材の削減による更なるコスト削減とアライメントの簡略化が可能である。

本発明の実施形態１に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 実施形態２における光導波路基板２０１の詳細な構成を示す図である。 実施形態２における他の光導波路基板２０１の詳細な構成を示す図である。 光導波路基板の入出力導波路のビーム径を調整するための導波路構造を示す図である。 光導波路基板の入出力導波路のビーム径を調整するための導波路構造を示す図である。 光導波路基板の入出力導波路のビーム径を調整するための導波路構造を示す図である。 光導波路基板の入出力導波路のビーム径を調整するための導波路構造を示す図である。 本発明の実施形態３に係る光信号処理装置の構成を示す図である。 実施形態３における光導波路基板５０１の詳細な構成を示す図である。 光導波路基板５０１の動作の詳細について説明する図である。 従来のＷＳＳを１ノードに複数個実装した光信号処理装置の構成を示す図である。 複数の機能を集約した光信号処理装置の一般的な構成の概念図である。 複数の機能を集約した光信号処理装置の一般的な構成の概念図である。

（実施形態１）
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明はそれら実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明の実施形態１に係る光信号処理装置の構成を示す。実施形態１に係る光信号処理装置は、入出力ポート群１０１、マイクロレンズアレイ１０２、回折格子１０３、レンズ１０４、空間位相変調器１０５がこの順に配置されている。本実施形態における説明ではレンズにはレンズ１０４を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。光学系設計によっては、マイクロレンズアレイ１０２と回折格子１０３の中間にレンズ１０４を配置する構成も可能である。また、収差の低減や光学系の短尺化を目的として、レンズ１０４を２枚で構成し、回折格子１０３を挟むような構造を採ることもできる。

実施形態１における説明では、第１入出力ポート群１０１−１および第２入出力ポート群１０１−２のそれぞれから出射した光信号について、回折格子１０３に近づくほど、第１入力ポート群１０１−１から出力された光信号と、第２入力ポート群１０１−２から出力された光信号が接近するものとして説明している。しかし、第１入出力ポート群１０１−１および第２入出力ポート群１０１−２のそれぞれから出射した光信号が、ビームが出射されて空間を進行するに従い互いに離れる構成としても問題はない。

本発明の光信号処理装置の動作は、第１入出力ポート群１０１−１に関与する機能部を例として説明すると、以下のとおりである。まず第１入出力ポート群１０１−１に入力された光信号は、マイクロレンズアレイ１０２を経てコリメート光として空間に出射される。空間を伝搬する信号光は回折格子１０３によって波長分波され、レンズ１０４によって集光され、空間光変調器１０５のｙ軸方向対して図面の上側に集光する。空間光変調器１０５にて所望の位相変調を与えられて反射された光は、その位相設定に応じてｙ−ｚ平面内にて所望の角度に偏向され、さらにレンズ１０４を再び通過することで任意のポートに光結合され、スイッチング動作が完了する。

なお、第２入出力ポート群１０１−２に関する光信号は、第１入出力ポート群１０１−１に関する光信号とは異なった角度で空間に出射されるため、空間光変調器１０５上においては、図面下側に集光されることになり、第１入出力ポート群１０１−１および第２入出力ポート群１０１−２に関する光信号はそれぞれを独立の光学系として考えることができるため、複数機能の集約が実現できる。

本実施例においては、レンズ入出力ポート群のうち、第１入出力ポート群１０１−１および第２入出力ポート群１０１−２について、それぞれの設置角度を平行ではなくある有限の値とすることによって、レンズ１０４をｙ軸方向に複数分割配置させる必要がなくなるという点が特徴である。

レンズはフーリエ変換素子であり、入射する光の位置と位相（角度）を相互に変換させる機能を有している。従って、ＷＳＳ機能部ごとに、空間光変調器１０５上で異なった位置に光を集光させるためには、レンズ１０４の前段においてお互いの角度を変えておく必要がある。しかし、一般的に用いられているファイバアレイは、ファイバがそれぞれ平行に配置されているために、１枚のレンズ１０４を用いただけでは空間光変調器１０５上の同じ位置にそれぞれの入射角度が異なって集光されることになり、独立した制御を行うことは不可能である。従って、複数機能集約型光デバイスを実現する上では、通常のファイバアレイを用いる限りは図９Ａ、９Ｂのような形態を採らざるを得ず、ｙ軸方向に分割配置されたレンズ形状が必要不可欠である。

さらに、図９Ｂの構成では、回折格子９０５を通過する光は、ｙ軸方向に広く分布しているため、ケラレを発生させないための、十分面積の広い回折格子９０５を準備する必要がある。数ある光学素子の中でも回折格子は高価な部類に属し、かつその価格は面積に比例する。この点を鑑みると、実施形態１においては、レンズ１０４の焦点位置に回折格子１０３を配置する構成を採ることで、回折格子１０５の面積を従来の半分程度まで抑制することができ、さらなるコスト削減が可能である。以上から実施形態１は上述の従来技術が抱えていた課題を解決し、低コストでありながらも実装性のよい光信号処理装置が実現できる。

（実施形態２）
図２に、本発明の実施形態２に係る光信号処理装置の構成を示す。実施形態２では、光導波路基板２０１、回折格子２０２、レンズ２０３、空間位相変調器２０４がこの順に配置されている。本実施形態における説明ではレンズにはレンズ２０３を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。光学設計によっては、光導波路基板２０１と回折格子２０２の中間にレンズ２０３を配置する構成も可能である。また、詳細は後述するが、光導波路基板２０１から空間に出射されるビームは一般的に高い開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）であることが特徴であるため、ＮＡを調整するための機能を光導波路基板２０１に包含することも、またマイクロレンズやシリンドリカルレンズ等を光導波路基板２０１近傍に配置することで空間に出射されたビームのＮＡを調整する手段を採ることもできる。

図３Ａに、実施形態２においける光導波路基板２０１の詳細な構成を示す。図３Ａに示すように、光導波路基板２０１は、第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２を光信号の入出力部として備え、さらにビームが空間に出射される端面においてスラブ導波路３０２とを備える。スラブ導波路３０２は第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２のそれぞれに対して、異なった角度でスラブ導波路３０２に結合し、空間に出射されるよう、各入出力ポートおよびスラブ導波路３０２の角度が調整されている。

実施形態２における説明では、光導波路基板２０１の空間への出射端面に近づくほど、第１入出力ポート群３０１−１から出力された光信号と第２入出力ポート群３０１−２から出力された光信号とは接近するものとして説明しているため、ｙ軸方向に関して、スラブ導波路３０２は第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２の中間に頂点を有する二等辺三角形として記載している。しかし、第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２が光導波路基板２０１の空間へのビーム出射端面に近づくほど離れる構成としてもよい。さらに、第１入出力ポート群３１１−１から出力された光信号と第２入出力ポート群３１１−２から出力された光信号が近接する際に、図３Ｂに示すように、長方形のスラブ導波路３１２を経由して空間に出力されるように、導波路を配置しても構わない。

本発明の光信号処理装置の動作は、第１入出力ポート群３０１−１に関与する機能部を例として説明すると、以下のとおりである。まず第１入出力ポート群３０１−１に入力された光信号は、お互いに適切な角度や位置で空間に出射されるよう、長さや角度を調整された導波路を伝搬し、スラブ導波路３０２を経て光導波路基板２０１から空間に出射される。空間に出射した信号光は回折格子２０２によって波長分波され、レンズ２０３によって集光され、空間光変調器２０４のｙ軸方向に対して図面の上側に集光することになる。空間光変調器２０４にて所望の位相変調を与えられて反射された光は、その位相設定に応じてｙ−ｚ平面内にて所望の角度に偏向され、さらにレンズ２０３を再び通過することで任意のポートに光結合され、スイッチング動作が完了する。

なお、第２入出力ポート群３０１−２に関する光信号は、第１入出力ポート群３０１−１に関する光信号とは異なった角度で空間に出射されるため、空間光変調器２０４上においては、図面下側に集光されることになり、第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２に関する光信号はそれぞれを独立の光学系として考えることができるため、複数機能の集約が実現できる。

ここで、空間を伝搬する光信号のＮＡについては、光学設計上極めて重要な情報であり、光学系全体の高さや光学長、収差の設計、さらには部材の大きさに関わることからコストにまで、多大な影響を与える。従って、第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２の各入出力導波路とスラブ導波路３０２の境界領域においてＮＡ、すなわちビーム径を調整する手段を備えることが望ましい。

図４Ａ〜４Ｄに、光導波路基板の入出力導波路のビーム径を調整するための導波路構造を示す。図４Ａ〜４Ｄは、図３Ａの点線で囲んだ領域３０３を抜き出した部分である。

図４Ａは、図３Ａに示す構成で採用した方式であり、入出力導波路に相当する直線導波路４０１と、スラブ導波路４０２とが接続されている。非常に閉じ込めが強く細い直線導波路４０１によって、スラブ導波路４０２から伝搬する光信号は大きなＮＡを有する。そして、この図４Ａに示す方式に比べ、ＮＡを小さくする方向に制御する例が図４Ｂ〜４Ｄである。

図４Ｂは、直線導波路４０１とスラブ導波路４０２の間に、直線導波路４０１の導波路幅から徐々に幅が太くなるテーパ構造導波路４０３を配置した例である。テーパ構造導波路によって断熱伝搬した光はビーム径を変換する機能を有するため、簡易な設計にてビーム大径化が可能である。

図４Ｃは、スラブ導波路４０２の中に、凸レンズの機能を有するレンズ機能部４０４を組み込んだ例である。レンズ機能部の実現方法には直線導波路４０１の屈折率とは異なる屈折率を有する物質、例えば樹脂や空気などを適切な形で配置することで、光導波路基板２０１内を伝搬させながらビームをコリメートさせることができる。

図４Ｄは、直線導波路４０１の次に第１スラブ導波路４０５、アレイ導波路４０６、これまでのスラブ導波路４０２に相当する第２スラブ導波路４０７をこの順番に配置したものである。この構成は一般的に波長合分波器として用いられるＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）に近い構造を持っているが、基板面は分光軸Ｘと直交する方向Ｙに平行に配置される。また、隣接するアレイ導波路の光路長差が等しい（すなわちΔＬ＝０である）構造をとることが望ましい。

図４Ｄの構成では、第１スラブ導波路４０５が自由空間伝搬によるビーム拡大機能、またレンズ機能を有しており、さらにアレイ導波路４０６が各導波路の位相補正機能を有していることから、第２スラブ導波路４０７から出射されるビームをｙ軸方向に十分太い平面波として形成することが可能である。本発明の光信号処理装置においては、第２スラブ導波路４０７は必須ではないが、次の理由により設置するのが好ましい。光導波路基板２０１として、シリコンウエハ上に形成された石英系光導波路を用いる場合、その空間への出力端面は研磨して光学面を形成する必要がある。この際、研磨による減り量、すなわち研磨しろを正確に制御することは困難であるので、導波路内で自由空間として考えうる領域、すなわち第２のスラブ導波路４０７を空間側の出力端に設けることが好ましい。第２のスラブ導波路４０７は、研磨しろとして十分な長さを確保するのが好ましい。

以上に代表されるように、図３Ａ、３Ｂに示す第１入出力ポート群３０１−１および第２入出力ポート群３０１−２の各入出力導波路とスラブ導波路の境界領域において回路レイアウトを変更することにより、マイクロレンズ等の負荷部品を設置せずともビーム径、すなわちＮＡの調整が可能となる。

もちろんＮＡ調整方法は図４Ａ〜４Ｄに挙げた方式のみに留まらず、また複数の方式を組み合わせた回路設計でもよいし、また全く別の構成を用いてもよい。

本実施形態２においては、光導波路基板２０１上に図１における入出力ポート群１０１およびマイクロレンズアレイ１０２をすべて集積する形となるため、一般的に用いられるファイバアレイやマイクロレンズアレイ等を個別に準備し、アライメントを行う必要がなく、またＷＳＳ機能部ごとに異なった角度で配置しなければならないといった実装負荷を、回路レイアウトの設計のみで解決することができ、実施形態１で記載した多大なメリットはそのままに、さらなる低コストかつアライメント負荷を大きく低減できる構成となる。

（実施形態３）
図５に、本発明の実施形態３に係る光信号処理装置の構成を示す。実施形態３では、光導波路基板５０１、回折格子５０２、レンズ５０３、空間光変調器５０４がこの順に配置されている。

図６に、実施形態３における光導波路基板５０１の詳細な構成を示す。図６に示すように、光導波路基板５０１は、第１入出力ポート群６０１−１もしくは第２入出力ポート群６０１−２に関わる導波路のうち少なくとも１つと、入出力ポートが接続されたスラブ導波路６０２と、スラブ導波路６０２に接続されたアレイ導波路６０３と、スラブ導波路６０４とを備える。

入出力ポート６０１については、各々の導波路から信号光が出射され、スラブ導波路６０２内を伝搬する際の主光線が、スラブ導波路６０２の終端（スラブ導波路６０２とアレイ導波路６０３の境界部分）におけるある一点にて交わるように、入出力ポート６０１の設置角度が決められる。また、本実施形態においては、第１入出力ポート６０１−１および第２入出力ポート６０１−２に関わる入出力ポートがｙ軸方向に関して交互に配置される構成となっていることが特徴である。

まず第１入出力ポート６０１−１に入力された信号光は、スラブ導波路６０２において、ｘ軸方向には閉じ込められたまま、光導波路基板５０１の面内で広がるように導波路を伝搬する。この広がる信号光の波面は伝搬距離に応じた曲率を有するため、スラブ導波路６０２の終端はこの波面の曲率と一致するような形状で構成される。スラブ導波路６０２の終端には各々の長さが等しいアレイ導波路６０３が接続されている。

ここで、光導波路基板５０１の端面のうち、アレイ導波路６０３が接続している端面（光が空間に出射する側の端面）にはｙ軸と一致している。この構成をとるとき、アレイ導波路６０３から空間に出力された光信号は、ｙ軸方向に位相が揃った平面波として出力されるため、ｙ軸方向に関してコリメートされたビームとして空間を伝搬する。光導波路基板５０１を通過した光信号は、回折格子５０２で波長ごとに角度分波され、さらにレンズ５０３を通過することで、それぞれの波長ごとに角度位置変換されて空間光変調器５０４に対して垂直に入射する。光信号はそれぞれ波長ごとに空間光変調器５０４によって任意の角度にて反射され、再びレンズ５０４、回折格子５０３、を介して光導波路基板５０１に再結合する。

図７に、光導波路基板５０１の動作の詳細について説明する図を示す。第１入出力ポート７０１とスラブ導波路７０３の中心線までの距離をｘ、スラブ導波路７０３内において、第１入出力ポート７０１から出射された信号光の主光線と、ｚ軸とのなす角をθ_２、スラブ導波路７０３の長さをｆ_{ｓｌａｂ，}、さらにスラブ導波路７０３の屈折率をｎ_ｓ、スラブ導波路７０３に接続するアレイ導波路７０４のピッチをｄ_２、光導波路基板５０１の端面におけるアレイ導波路７０４のピッチをｄ_１、さらに第１入出力ポート７０１から入力された信号光の空間側における光信号の主光線とｚ軸とのなす角をθ_１、とすると、上記のパラメータは、非特許文献１に示されているように、以下の関係式に従う。

そのため、第１入出力ポート７０１および第２入出力ポート７０２は、それぞれθ_２、もしくはｘが異なっているため、ビームが空間に出射する位置は第１入出力ポート７０１および第２入出力ポート７０２のいずれから光信号を入射しても同一であるが、ＷＳＳ機能部ごとに異なった角度θ_１で空間に出射させることができ、複数機能を集約させた光信号処理装置が実現できる。

本実施形態３においては、実施形態２におけるメリットをそのまま有しながら、さらに追加の部材を全く配置することなく、光導波路基板内に設置するＮＡ調整回路の個数を半分にすることができるため、ＰＬＣチップのｙ軸方向高さが１／２になり、同時に回路数も半分となるためＰＬＣ作製時の歩留まりが高くなるという重要なアドバンテージを有する。

また、第１入出力ポート６０１−１および第２入出力ポート６０１−２に関わる入出力ポートがｙ軸方向に関して交互に配置される構成としていることから、第１または第２の入出力ポートの隣接するポート間のクロストーク（隣接ポート間の信号光の漏れまたは干渉）が小さくなるという効果も得られる。

１０１、３０１、６０１、９０１ 入出力ポート群
１０２、９０２ マイクロレンズアレイ
１０３、２０２、５０２、９０５ 回折格子
１０４、２０３、５０３、９０３、９０４、９０６ レンズ
１０５、２０４、５０４、９０７ 空間位相変調器
２０１、５０１ 光導波路基板
３０２、４０２、４０５、４０７、６０２、６０４、７０３ スラブ導波路
４０１ 直線導波路
４０３ テーパ構造導波路
４０４ レンズ機能部
４０６、６０３、７０４ アレイ導波路
７０１、７０２ 入出力ポート
８０１、８０６ ＷＳＳ群
８０２ 波長分波機能部群
８０３ 受信機群
８０４ 送信機群
８０５ 波長合波機能部群
８０７ 波長クロスコネクト機能部

上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、光信号処理装置であって、それぞれがＮ個（Ｎは１以上の整数）の入出力ポートを有するＭ個（Ｍは２以上の整数）の光入出力部および前記光入出力部から空間に出射される光の開口数を制御する開口数制御機構を備えた平面光波回路と、前記Ｍ個の光入出力部から出射された光信号を波長分離する分光手段と、前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、前記集光手段により集光された光信号の各々に対し位相変調させる空間光変調手段と、からなるＮ個の波長選択スイッチを備え、前記Ｍ個の光入出力部の各々の前記Ｎ個の入出力ポートは、それぞれ異なる前記波長選択スイッチに属し、同一の前記波長選択スイッチに属する複数の前記入出力ポートから入力されて前記光入出力部から出射された複数の光信号は進行方向が互いに平行であり、異なる前記波長選択スイッチに属する複数の前記入出力ポートから入力されて前記光入出力部から出射された複数の光信号は、波長が同一であっても進行方向が非平行であることを特徴とする。

Claims (10)

1. それぞれがＮ個（Ｎは１以上の整数）の入出力ポートを有するＭ個（Ｍは２以上の整数）の光入出力部と、
   前記Ｍ個の光入出力部から出射された光信号を波長分離する分光手段と、
   前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、
   前記集光手段により集光された光信号の各々に対し位相変調させる空間光変調手段と、
   を備え、前記Ｍ個の光入出力部から出射された光信号の進行方向が、互いに異なることを特徴とする光信号処理装置。
2. 前記各光入出力部のＮ個の入出力ポートから出射された光の主光線が、他の前記光入出力部のＮ個の入出力ポートから出射された光の主光線の１つと同一平面上でそれぞれ交差することを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
3. 前記光入出力部が、平面光波回路にて構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光信号処理装置。
4. 前記平面光回路が、前記分光手段側の入出力端に設けたスラブ導波路を含むことを特徴とする請求項３に記載の光信号処理装置。
5. 前記平面光波回路が、前記平面光波回路から空間に出射される光の開口数を制御する開口数制御機構を含むことを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
6. 前記開口数制御機構が、前記平面光波回路の導波路幅が導波路内での光の進行方向にしたがって変化するテーパ構造を含むことを特徴とする請求項５に記載の光信号処理装置。
7. 前記開口数制御機構が、
   スラブ導波路と、
   前記平面光波回路の面内にのみパワーを有するレンズ機構と、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の光信号処理装置。
8. 前記開口数制御機構が、
   少なくとも１つのスラブ導波路と、
   前記スラブ導波路に接続したアレイ導波路と、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の光信号処理装置。
9. 前記アレイ導波路は、全ての導波路が等長であることを特徴とする請求項８に記載の光信号処理装置。
10. 前記開口数制御機構の総計が、Ｎ×Ｍよりも少ないことを特徴とする請求項８に記載の光信号処理装置。

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