WO2014157673A1 - 波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法 - Google Patents

波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法 Download PDF

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真木 岩間
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古河電気工業株式会社
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/356—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types in an optical cross-connect device, e.g. routing and switching aspects of interconnecting different paths propagating different wavelengths to (re)configure the various input and output links
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/12—Function characteristic spatial light modulator

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength selective optical switch device and a method for controlling the wavelength selective optical switch device.
  • an optical switch In an optical transmission system, an optical switch is used to switch a path of an optical signal such as a wavelength multiplexed optical signal.
  • Some of such optical switches use LCOS (Liquid Crystal On Silicon) in order to switch the path of an optical signal (see Patent Documents 1 and 2).
  • the LCOS is a spatial light modulator capable of modulating and diffracting the phase of incident light with a liquid crystal. Therefore, in an optical switch using LCOS, an optical switch operation is realized by diffracting an optical signal incident from a certain path by LCOS and outputting it to a specific path.
  • an input port for inputting an optical signal and an output port for outputting the optical signal are arranged at equal intervals along a predetermined direction.
  • the input port is arranged on the optical axis of the lens. Therefore, the LCOS is configured to diffract the angle of incident light in this arrangement direction.
  • An optical switch having N and M (N and M are integers of 1 or more) input and output ports, respectively, is called an N ⁇ M optical switch.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics and a method for controlling the wavelength selective optical switch device.
  • a wavelength selective optical switch device has an optical input / output port having at least one port for inputting light from the outside or outputting light to the outside.
  • a collimator lens provided corresponding to the port of the light input / output port, and reflects light input from any one of the light input / output ports to be directed to any one of the light input / output ports.
  • a spatial modulator having a plurality of phase modulation elements arranged two-dimensionally, and disposed between the optical input / output port and the spatial modulator, the optical input / output port and the spatial modulator being Optically coupled condensing lens system, disposed between the light input / output port and the condensing lens system, and expanding the beam diameter of the light input from the light input / output port side in the beam diameter expansion direction
  • a Fresnel lens-like phase modulation is formed in the switch axis direction perpendicular to the wavelength dispersion axis direction of the wavelength dispersion element, and is arranged at the beam waist position of the condenser lens system, and the first-order diffraction by the formed phase modulation.
  • the light is coupled to a desired output port.
  • the wavelength selective optical switch device is the above-described invention, wherein the spatial light modulator has a Fresnel lens-like phase having different curvatures in the switch axis direction with respect to two or more wavelength bands having different wavelengths. It is characterized by forming a modulation.
  • the wavelength selective optical switch device is the above-described invention, wherein the optical input / output port having at least one port for inputting light from the outside or outputting light to the outside, A collimator lens provided corresponding to the port, a spatial modulator that reflects light input from any one of the light input / output ports and outputs the reflected light toward any one of the light input / output ports; A condensing lens system that is disposed between the light input / output port and the spatial modulator and optically couples the light input / output port and the spatial modulator; and the light input / output port and the condensing lens A chromatic dispersion element provided between the chromatic dispersion element and the spatial modulator at a beam waist position with respect to a chromatic dispersion axis direction of the condenser lens system.
  • a diffraction grating-like phase modulation is formed in the direction of the wavelength dispersion axis, and first-order diffracted light by the formed phase modulation is
  • the spatial modulator forms a diffraction grating phase modulation in the wavelength dispersion axis direction, and the first-order diffracted light by the formed phase modulation. Is coupled to the desired output port.
  • the spatial light modulator is a diffraction grating having different reflection angles in the wavelength dispersion axis direction with respect to two or more wavelength bands having different wavelengths.
  • the phase modulation is formed.
  • the optical axis of the light input / output port and the optical axis of the condenser lens are separated from each other.
  • the intervals between the optical input / output port and the collimator lens corresponding to the optical input / output port are unequal intervals.
  • control method of the wavelength selective optical switch device includes an optical input / output port having at least one port for inputting light from outside or outputting light to the outside, and a port of the optical input / output port. And a collimator lens provided corresponding to the optical input / output port, the light input from any one of the light input / output ports is reflected and output to any one of the light input / output ports.
  • a spatial light modulator having a plurality of phase modulation elements; and a collection unit disposed between the light input / output port and the spatial light modulator and optically coupling the light input / output port and the spatial light modulator.
  • An anamorphic optical system that is disposed between an optical lens system and the light input / output port and the condenser lens system and expands the beam diameter of light input from the light input / output port side in the beam diameter expansion direction
  • a chromatic dispersion element provided between the anamorphic optical system and the condenser lens system, and the spatial light modulator is configured so that the condenser lens with respect to a wavelength dispersion axis direction of the chromatic dispersion element
  • control method of the wavelength selective optical switch device includes an optical input / output port having at least one port for inputting light from outside or outputting light to the outside, and a port of the optical input / output port.
  • a spatial light modulator that reflects light input from any one of the light input / output ports and outputs the reflected light to any one of the light input / output ports;
  • a condensing lens system disposed between the light input / output port and the spatial light modulator and optically coupling the light input / output port and the spatial light modulator; the light input / output port;
  • a chromatic dispersion element provided between the optical lens system and the spatial light modulator at a position of a beam waist with respect to a chromatic dispersion axis direction of the condenser lens system.
  • the spatial light modulator forms a diffraction grating phase modulation in the wavelength dispersion axis direction, and the formed phase
  • the first-order diffracted light by modulation is coupled to a desired output port.
  • the present invention it is possible to realize a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics and a method for controlling the wavelength selective optical switch device.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a wavelength selective optical switch device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded view of the spatial light modulator shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a display image when the spatial light modulator illustrated in FIG. 1 is not switched.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a display image when switching to the proximity port of the spatial light modulator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a display image when switching to the remote port of the spatial light modulator illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the focal length of the spatial light modulator and the deviation of the beam waist in the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment.
  • FIG. 12 shows the focal length of the spatial light modulator, the coupling loss of the first-order diffracted light, and the crosstalk characteristics between the first-order diffracted light and the second-order diffracted light in the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment. It is a figure showing these relationships.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating the relationship between the angle of the spatial light modulator and the crosstalk in the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a wavelength selective optical switch device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • FIG. 19 is a diagram for describing control during operation of the spatial light modulator illustrated in FIG. 17.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating crosstalk characteristics for each output port in the wavelength selective optical switch device.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating crosstalk characteristics for each output port in the wavelength selective optical switch device according to the third embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of design of element arrangement in the wavelength selective optical switch device.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example of design of element arrangement in the wavelength selective optical switch device.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an outline of the operation of the wavelength selective optical switch device 100.
  • This wavelength selective optical switch device 100 is a wavelength selective optical switch device that switches the path of light for each wavelength of incident light. For example, as shown in FIG. 1, signals having different wavelengths incident from respective input ports are used. The light is individually switched and output to one output port (COM port). Also, two or more wavelength-multiplexed signal lights having different wavelengths input from one input port (COM port) can be individually switched for each signal light and output to individual output ports.
  • 2 and 4 are views of the wavelength selective optical switch device 100 as seen from a direction perpendicular to the wavelength dispersion axis direction of the wavelength dispersion element (the beam diameter expansion direction of the anamorphic prism pair, indicated by the direction D1).
  • 3 and 5 are views of the wavelength selective optical switch device 100 as seen from the direction perpendicular to the switch axis direction (indicated by the direction D2) perpendicular to the wavelength dispersion axis direction of the wavelength dispersion element.
  • 2 and 3 are diagrams showing the input light as light rays
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams showing the input light as a spot size locus of the Gaussian beam.
  • the wavelength selective optical switch device 100 includes an optical input / output port 110, a collimator lens array 120, an anamorphic prism pair 130 that is an anamorphic optical system, a diffraction grating 140 that is a wavelength dispersion element, and a condensing lens system.
  • the condensing lens 150 and the spatial light modulator 160 are arranged in this order.
  • the elements from the anamorphic prism pair 130 to the spatial light modulator 160 are arranged before and after the diffraction grating 140 in FIGS. Arranged at an angle.
  • the optical path may be shifted in the direction D1, but in FIGS. 2 to 5, the elements are arranged in series for the sake of simplicity.
  • the incident signal light is a Gaussian beam in which signal lights having two or more different wavelengths are wavelength-multiplexed.
  • the wavelength-multiplexed signal light of each wavelength is, for example, a substantially monochromatic signal light having a frequency managed at an interval of 50 GHz to 100 GHz, and the wavelength selective optical switch device 100 performs switching operation of these signal lights at the same time.
  • Can do. 4, 5, 22, and 23, the locus of the spot size of the Gaussian beam of each signal light (the beam radius at which the light intensity is 1 / e 2 ) is indicated by a schematic arrow.
  • the wavelength band of the signal light that is input to or output from the wavelength selective optical switch device 100 is not particularly limited, but is signal light for optical communication having a wavelength of 1520 to 1620 nm, for example.
  • the optical input / output port 110 includes optical fiber ports 111, 112, 113, 114, 115 made of optical fibers.
  • the optical fiber port 111 is a COM port to which wavelength-multiplexed signal light is input. An arbitrary wavelength is extracted from the wavelength-multiplexed signal light and is output from the other optical fiber ports 112 to 115. It is configured.
  • the optical fiber ports 111 to 115 are arranged in an array at substantially equal intervals along a predetermined arrangement direction (direction D2 which is the switch axis direction), but may be arranged at unequal intervals. In FIG.
  • the optical axis of the optical fiber port 111 and the optical axis of the condensing lens 150 are the same, but the optical axis of each optical fiber port and the optical axis of the condensing lens 150 are separated from each other.
  • the optical fiber ports 111 to 115 are for inputting light from the outside or outputting light to the outside.
  • the collimator lens array 120 includes a plurality of collimator lenses. 3 and 5, only the collimator lenses 121 and 122 corresponding to the optical fiber ports 111 and 112 constituting the light input / output port 110 are shown as the collimator lens array 120, but each collimator lens of the collimator lens array 120 is shown. Are provided corresponding to each optical fiber port constituting the optical input / output port 110.
  • the collimator lens array 120 has a function of making light output from the optical fiber ports 111 to 115 substantially parallel light, or condensing and coupling the input parallel light to the optical fiber ports 111 to 115.
  • the spatial light modulator 160 is a spatial light modulator having a plurality of phase modulation elements arranged two-dimensionally, and may be LCOS.
  • FIG. 6 is an exploded view of the spatial light modulator shown in FIG.
  • the spatial light modulator 160 is an LCOS, and a pixel electrode group 162 that is a reflective layer having a reflectance of approximately 100% on a silicon substrate 161 on which a liquid crystal driving circuit is formed;
  • a liquid crystal layer 163 that is a spatial light modulation layer, an alignment film 164, an ITO (Indium Tin Oxide) electrode 165, and a cover glass 166 are sequentially stacked.
  • an alignment film may be provided between the pixel electrode group 162 and the liquid crystal layer 163 as needed.
  • the alignment film 164, the ITO electrode 165, and the cover glass 166 are referred to as a light incident layer 167.
  • the spatial light modulator 160 can control the liquid crystal layer 163 by applying a voltage between the pixel electrode group 162 and the ITO electrode 165 by a controller, and is in a direction perpendicular to the plane of the drawing (direction in FIG. 1).
  • a desired refractive index distribution can be formed two-dimensionally by controlling the refractive index of each of a plurality of pixels arranged in D1) and the vertical direction (direction D2 in FIG. 1). Then, by adjusting the refractive index distribution, when light incident from the light incident layer 167 side is reflected by the pixel electrode group 162 and propagates through the liquid crystal layer 163, it is subjected to Fresnel lens-like phase modulation. Can be formed.
  • the curvature and the focal length as the Fresnel lens can be set to desired values by controlling the voltage applied to the liquid crystal layer 163 by the controller. it can.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • the dark portion has a high refractive index and the thin portion has a low refractive index. That is, the refractive index of each pixel is controlled by the controller so that the phase modulation period gradually decreases from the bottom to the top in the direction D2 in the figure.
  • the curvature of the (Fresnel) lens it is possible to cause the curvature of the (Fresnel) lens to gradually increase as it goes from the bottom to the top in the direction D2.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • the dark portion has a high refractive index and the thin portion has a low refractive index. That is, the refractive index of each pixel is controlled by the controller so that the phase modulation period gradually decreases from the bottom to the top in the direction D2 in the figure.
  • the arrangement direction of the optical fiber ports 111 to 115 of the light input / output port 110 matches the gradation direction of the refractive index of the liquid crystal layer 163. . That is, a refractive index distribution is formed in the direction D2.
  • the spatial light modulator 160 to which a predetermined voltage is applied by the controller functions as a reflection type Fresnel lens, thereby optimizing the curvature as the Fresnel lens, as shown in FIG.
  • the spatial light modulator 160 can reflect the spot size locus of the Gaussian beam so that the signal light L1 and the signal light L2 are substantially the same.
  • the spatial light modulator 160 controls the optical axis as the Fresnel lens to be offset in the direction D2 with respect to the optical axis of the signal light L1 while maintaining the periodicity of the refractive index distribution in the direction D2.
  • the light emission angle can be controlled so that light having a desired wavelength incident from the optical fiber port 111 can be output to any one of the other optical fiber ports 112 to 115.
  • the signal light L2 reflected by the spatial light modulator 160 is coupled to a desired output port.
  • FIG. 7 is controlled so that the period of phase modulation is shortened from the bottom to the top of the direction D2, but for example, the center of the optical axis as a Fresnel lens is set to have the longest period.
  • the period may be controlled to become shorter as it goes below the direction D2. That is, the incident light can be switched in a desired direction by controlling the refractive index distribution of each pixel of the LCOS so that the center of the optical axis of the Fresnel lens drawn on the LCOS is shifted in the direction D2.
  • the curvature of the spatial light modulator 160 as the Fresnel lens is preferably controlled according to the wavelength of the incident signal light L1.
  • the reflection mirror (consisting of a plurality of pixels) for switching the signal light of each wavelength of the spatial light modulator 160, if the refractive index distribution is not linear in the direction D1, Since a phase modulation distribution is generated for each wavelength component, it is difficult to simultaneously couple the wavelength components in the signal light of each wavelength to a desired output port. Therefore, in the wavelength selective optical switch device 100, the reflection mirror configured to switch the signal light of each wavelength, which is composed of a plurality of pixels in the spatial light modulator 160, has a linear (including uniform) refractive index distribution in the direction D1. It is preferable to have
  • the condenser lens 150 is disposed between the light input / output port 110 and the spatial light modulator 160, and optically couples the optical fiber port 111 and the spatial light modulator 160.
  • the condensing lens 150 may be comprised with the lens of 1 sheet, and may be comprised with the lens of several sheets.
  • the anamorphic prism pair 130 includes two prisms 131 and 132, and is disposed between the light input / output port 110 and the condenser lens 150.
  • the anamorphic prism pair 130 has a function of expanding the beam shape of light input from the light input / output port 110 side in a direction D1 that is a beam diameter expansion direction.
  • anamorphic prism pair 130 since the anamorphic prism pair 130 has optical reciprocity, it has a function of reducing the beam shape of the light input from the spatial modulator 160 side in the direction D1.
  • the anamorphic prism pair 130 may be replaced with another anamorphic optical system such as a cylindrical lens system.
  • an anamorphic prism pair is used as a method for expanding the beam diameter, the present invention is not limited to this, and an anamorphic prism may be used.
  • the diffraction grating 140 is, for example, a transmission type diffraction grating, and is disposed between the anamorphic prism pair 130 and the condenser lens 150.
  • the diffraction grating 140 outputs signal lights L1a, L1b, and L1c having predetermined wavelengths included in the signal light L1 that is signal light with multiplexed wavelengths at predetermined angles. Since the separated signal lights L1a, L1b, and L1c are incident on the spatial light modulator 160 substantially perpendicularly, the distance between the diffraction grating 140 and the condenser lens 150 is equal to the focal length f1 of the condenser lens 150. It is preferable to do.
  • the spatial modulator 160 is disposed at a position away from the condenser lens 150, which is the position of the beam waist W1 of the condenser lens 150 with respect to the direction D1, by a distance d1. Further, the beam shape of the light input from the light input / output port 110 side is expanded only in the direction D1, and is not expanded in the direction D2. Thereby, the distance d2 becomes larger than the distance d1. Accordingly, the position of the distance d2 from the condenser lens 150, which is the position of the beam waist W2 of the condenser lens 150 with respect to the direction D2, is a position farther from the condenser lens 150 than the spatial modulator 160.
  • the beam waist of the Gaussian beam is a place where the wavefront of the Gaussian beam is flat and the beam diameter is the smallest.
  • wavelength selective optical switch device 100 signal light can be input and output from each optical fiber port. Therefore, for example, as shown in FIG. 1, a 4 ⁇ 1 optical switch that outputs signal light input from each optical fiber port port other than the output port to one output port may be used. Alternatively, as shown in FIG. 3, a 1 ⁇ 4 optical switch that outputs signal light input from one input port to another output port may be used. Furthermore, the present invention is not limited to this, and each optical fiber port may be configured to simultaneously input and output. Furthermore, the number of optical fiber ports may be one, and at this time, the wavelength selective optical switch device 100 performs wavelength ON / OFF switching for each wavelength of signal light having two or more multiplexed wavelengths. Functions as a device.
  • the signal light L1 is input to the optical fiber port 111 from the outside.
  • the signal light L1 is wavelength-multiplexed signal light and includes signal light L1a, L1b, and L1c having different wavelengths.
  • the optical fiber port 111 outputs the input signal light L1 to the collimator lens 121.
  • the collimator lens 121 turns the signal light L1 into substantially parallel light having a substantially circular beam shape.
  • the anamorphic prism pair 130 expands the beam shape of the signal light L1 made substantially parallel light in the direction D1 to make it elliptical.
  • the diffraction grating 140 diffracts the elliptical signal light L1 at a predetermined diffraction angle corresponding to the wavelength. As a result, the signal light L1 is separated into signal lights L1a, L1b, and L1c.
  • the condensing lens 150 condenses the diffracted signal lights L1a, L1b, and L1c on the spatial light modulator 160. Since the distance between the diffraction grating 140 and the condenser lens 150 is the focal length f1 of the condenser lens 150, the signal lights L1a, L1b, and L1c are separated in the direction D1 substantially perpendicular to the spatial light modulator 160. Incident. In the spatial light modulator 160, a predetermined refractive index distribution is formed in the direction D2. For example, as shown in FIG.
  • the refractive index distribution diffracts light having a desired wavelength in the direction of the optical fiber port 112 out of the signal lights L1a, L1b, and L1c, thereby operating as a wavelength selective optical switch device.
  • the diffracted signal light is made parallel to the optical axis of the condenser lens 150 by the condenser lens 150.
  • the diffraction grating 140 diffracts the signal light in a direction parallel to the optical axis of the collimator lens 122 due to optical reciprocity.
  • the anamorphic prism pair 130 reduces the beam shape of the signal light in the direction D1 and returns it to a substantially circular shape due to optical reciprocity.
  • the collimator lens 122 corresponding to the optical fiber port 112 collects the signal light and couples it to the optical fiber port 112.
  • the optical fiber port 112 outputs the combined light to the outside.
  • the wavelength selective optical switch device 100 switches the path of the signal light having a desired wavelength out of the light input from the optical fiber port 111 to the optical fiber port 112. Similarly, the wavelength selective optical switch device 100 switches the path of light input from the optical fiber port 111 to any one of the other optical fiber ports 112 to 115 under the control of the spatial light modulator 160. Can do. Furthermore, the optical path input from the optical fiber port 111 can be returned to the optical fiber port 111.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a display image when the spatial light modulator illustrated in FIG. 1 is not switched.
  • a region S1 is a spot size of light incident on the spatial light modulator 160
  • an optical axis A COM 1 is an optical axis passing through the center of the light incident on the spatial light modulator 160
  • an optical axis A FL 1 is spatial light.
  • the optical axis as a Fresnel lens in the direction D2 of the modulator 160 is represented. As shown in FIG. 8, when switching is not performed, the optical axis A COM 1 and the optical axis A FL 1 are arranged on the same straight line. At this time, the spatial light modulator 160 reflects the light vertically incident on the spatial light modulator 160 in the incident direction. That is, the spatial light modulator 160 reflects the light input from the optical fiber port 111 that is a COM port so as to be coupled to the optical fiber port 111.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a display image when switching to the proximity port of the spatial light modulator illustrated in FIG. 1.
  • the display image is controlled so that the optical axis A FL 1 is positioned below the spatial light modulator 160.
  • the spatial light modulator 160 reflects light vertically incident on the spatial light modulator 160 slightly upward from the incident direction. That is, the spatial light modulator 160 reflects the light input from the optical fiber port 111, which is a COM port, so as to be coupled to the optical fiber port 113, for example.
  • the spatial light modulator 160 controls the display image so that the optical axis A FL 1 is positioned above the spatial light modulator 160, the light incident perpendicularly to the spatial light modulator 160 is slightly less than the incident direction. Reflects downward.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a display image when switching to the remote port of the spatial light modulator illustrated in FIG. 1.
  • the phase modulation period is gradually shortened from the bottom to the top in the direction D2, as in FIG.
  • the optical axis A FL 1 is not positioned in the spatial light modulator 160, and the virtual optical axis A FL 1 is displayed so as to be positioned further below the lower end of the spatial light modulator 160. Control the image.
  • the spatial light modulator 160 reflects light vertically incident on the spatial light modulator 160 upward from the incident direction.
  • the spatial light modulator 160 for example, in a 1 ⁇ 20 port wavelength selective optical switch device, couples light input from 11 ports located at the center, which is a COM port, to 1 port located at the upper end, for example. Reflect on.
  • the spatial light modulator 160 controls the display image so that the optical axis A FL 1 is positioned further above the upper end of the spatial light modulator 160, the light vertically incident on the spatial light modulator 160 is incident. Reflects downward from the direction.
  • the wavelength selective optical switch device 100 controls the position of the optical axis as the Fresnel lens in the direction D2 of the spatial light modulator 160 with respect to the optical axis passing through the center of the light incident on the spatial light modulator 160.
  • light input from the optical fiber port 111 which is a COM port, can be coupled to a desired optical fiber port.
  • the display image of the spatial light modulator 160 may be controlled to form a concave Fresnel lens (not shown).
  • the positional relationship of the optical axis A FL 1 with respect to the optical axis A COM 1 and the vertical relationship of the reflection direction of the spatial light modulator 160 are reversed from those in FIGS. That is, when the display image is controlled so that the optical axis A FL 1 is positioned below the optical axis A COM 1, the spatial light modulator 160 reflects light incident perpendicularly to the spatial light modulator 160 downward from the incident direction.
  • the display image is controlled so that the optical axis A FL 1 is positioned above the optical axis A COM 1, the light incident perpendicularly to the spatial light modulator 160 is reflected upward from the incident direction.
  • the above operation is performed on the light of each wavelength that is incident on the wavelength selective optical switch device 100 and is divided by the diffraction grating 140 in the direction D1 of the spatial light modulator 160 for each wavelength.
  • the width SW1 in FIG. 8 is the width of the area of the spatial light modulator 160 corresponding to one channel, and is assigned to signal light having one or a plurality of wavelengths.
  • the width SW1 is at least larger than the width in the direction D1 of the region S1, for example, a width corresponding to several to several tens of pixels in the direction D1.
  • the spatial light modulator 160 reflects the light contained in each channel in a predetermined direction of the direction D2 by individually controlling the region having the width SW1 corresponding to each channel, and sets the wavelength selective switch. Realize.
  • wavelength selective optical switch device 100 will be described with reference to FIGS. 4, 5 and 6 in comparison with the comparative wavelength selective optical switch device 1000 shown in FIGS.
  • the arrangement of the optical system of the wavelength selective optical switch apparatus 100 is the same as the arrangement of the optical system of the wavelength selective optical switch apparatus 1000.
  • the wavelength selective optical switch apparatus 1000 includes an optical input / output port 1010, a collimator lens array 1020, and the like.
  • An anamorphic prism pair 1030 that is an anamorphic optical system, a diffraction grating 1040 that is a wavelength dispersion element, a condensing lens 1050 that is a condensing lens system, and a spatial light modulator 1060 are arranged in this order. Configured.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • the display image of the spatial light modulator 1060 has a refractive index distribution with respect to the direction D2, and the distribution is a gradation having the same width with respect to the direction D2.
  • the spatial light modulator 1060 functions as a blazed diffraction grating.
  • Each element other than the spatial light modulator 1060 of the wavelength selective optical switch device 1000 is the same as the wavelength selective optical switch device 100.
  • the spatial modulator 160 is disposed at a distance d1 from the condenser lens 150, which is the position of the beam waist W1 of the condenser lens 150 with respect to the direction D1.
  • the spatial modulator 160 since the spatial modulator 160 does not have a refractive index distribution and functions as a simple mirror, the signal light L2 that is the signal light reflected by the spatial modulator 160 is condensed by the collimator lens 121. The position also coincides with the end face of the optical fiber port 111. As a result, the diffracted light of the spatial modulator 160 is coupled to a desired output port.
  • the wavelength selective optical switch device 1000 performs the same operation.
  • the position of the distance d2 from the condenser lens 150 which is the position of the beam waist of the condenser lens 150 with respect to the direction D2, is a position farther from the condenser lens 150 than the spatial modulator 160.
  • the spatial modulator 160 functions as a reflection type Fresnel lens by the unequal interval pattern of the display image of the spatial modulator 160 shown in FIG.
  • the locus of the spot size of the Gaussian beam of the light L1 and the signal light L2 is made substantially the same.
  • the signal light L2 is preferably coupled to the optical fiber port 111.
  • the display image of the spatial light modulator 1060 in the wavelength selective optical switch device 1000 has a gradation in which the refractive index distribution is equal in width to the direction D2. Accordingly, the spatial light modulator 1060 does not perform Fresnel lens-like phase modulation and functions as a blazed diffraction grating. At this time, the traveling direction of the signal light L1 is changed but is not refracted. Therefore, as shown in FIG. 23, the locus of Gaussian beam spot size differs between the signal light L1001 and the signal light L1002, and the signal light L1002 is not coupled to the optical fiber port 1011.
  • the wavelength selective optical switch device 100 since the spatial modulator 160 performs Fresnel lens-like phase modulation, the difference between the axial position of the beam waist W2 and the position W1 (the surface of the spatial light modulator 160). By compensating (d2-d1), the signal light L2 can be preferably coupled to the optical fiber port 111 in both directions D1 and D2.
  • the wavelength selective optical switch device 1000 since the spatial light modulator 1060 does not perform phase modulation, the signal light L1002 is not coupled to the optical fiber port 1011 in the direction D2. Therefore, the wavelength selective optical switch device 100 has better coupling efficiency than the wavelength selective optical switch device 1000.
  • the wavelength selective optical switch device 100 is a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics.
  • d2 can be made smaller than d1 by using a cylindrical lens having optical power in the D2 direction.
  • the phase modulation of the LCOS may be a concave mirror shape.
  • the optical signal when an optical switch operation is performed to output an optical signal input from a predetermined input port to a predetermined output port, the optical signal is also transmitted to other unintended output ports. Some may be output. In such a case, the crosstalk characteristic between the output ports is deteriorated.
  • the main cause of such deterioration of the crosstalk characteristics is due to high-order diffracted light in the spatial light modulator.
  • Fresnel lenses and blazed diffraction gratings may generate higher-order diffracted light.
  • the signal light incident on the spatial light modulator 160 may be reflected at the interface of each layer of the light incident layer 167, the interface between the light incident layer 167 and the air layer, etc. May occur.
  • the crosstalk characteristics deteriorate.
  • the spatial modulator 160 causes the signal light L1 and the signal light L2 to have substantially the same spot size trajectory of the Gaussian beam, thereby causing the signal light.
  • L 2 is coupled to the optical fiber port 111.
  • the beam waist W3 of the signal light L2 is formed at a distance d3 from the collimator lens 121.
  • the beam waist W1003 is formed at a position of a distance d1003 that is farther from the collimator lens than the distance d3.
  • the first-order diffracted light of the spatial modulator 160 is positioned on the collimator lens side by the position of the beam waist by ⁇ by the Fresnel lens-like phase modulation of the spatial modulator 160. Is modulated.
  • the wavelength selection optical switch device 100 has not only high coupling efficiency but also wavelength selection having good crosstalk characteristics that suppresses deterioration of crosstalk due to higher-order diffracted light. It is an optical switch device.
  • Example 1 Next, as Example 1, the wavelength selective optical switch device 100 according to Embodiment 1 was actually manufactured and its performance was evaluated.
  • the focal length of each collimator lens of the collimator lens array 120 is 0.1 to several mm
  • the focal length of the condenser lens 150 is 50 to 200 mm
  • the magnification of the anamorphic prism pair 130 is It is about 10 to several tens of times.
  • the signal light L1 is incident from the optical fiber port 111 and the signal light L2 is output to the optical fiber port 111.
  • the display image of the spatial light modulator 160 was adjusted, the focal length as the Fresnel lens was changed, and the deviation between the beam waist of the signal light L1 by the collimator lens and the beam waist of the signal light L2 by the condenser lens was calculated. .
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the focal length of the spatial light modulator and the deviation of the beam waist in the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment.
  • FIG. 11 by changing the focal length of the Fresnel lens, it is possible to minimize the deviation between the beam waist of the signal light L1 by the collimator lens and the beam waist of the signal light L2 by the condenser lens.
  • the focal length of the spatial light modulator 160 as the Fresnel lens is about 75 mm, the deviation of the beam waist can be minimized.
  • FIG. 12 shows the focal length of the spatial light modulator, the coupling loss of the first-order diffracted light, and the crosstalk characteristics between the first-order diffracted light and the second-order diffracted light in the wavelength selective optical switch device according to the first embodiment. It is a figure showing these relationships.
  • the crosstalk between the first-order diffracted light and the second-order diffracted light is the output light intensity from the output port of the second-order diffracted light as the output light intensity from the output port of the first-order diffracted light.
  • the crosstalk characteristic in FIG. 12 represents how much the crosstalk is improved when the Fresnel lens has a curvature and when the Fresnel lens does not have a curvature at each focal length.
  • the focal length as a Fresnel lens is 75 mm
  • the coupling loss of the first-order diffracted light is minimized.
  • the crosstalk characteristic between the first-order diffracted light and the second-order diffracted light was also greatly improved. This is because the coupling efficiency of the first-order diffracted light is good, the output light intensity of the signal light L2 is large, and further, the second-order diffracted light is not coupled to the optical fiber port and the crosstalk characteristics are not deteriorated.
  • FIG. 13 and 14 are schematic configuration diagrams of the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment.
  • the wavelength selective optical switch device 200 is a wavelength selective optical switch device that performs a switching operation of a light path for each wavelength of incident light.
  • FIG. 13 is a view of the wavelength selective optical switch device 200 as viewed from a direction perpendicular to the wavelength dispersion axis direction (indicated by the direction D1) of the wavelength dispersion element.
  • FIG. 13 is a view of the wavelength selective optical switch device 200 as viewed from a direction perpendicular to the wavelength dispersion axis direction (indicated by the direction D1) of the wavelength dispersion element.
  • 14 is a view of the wavelength selective optical switch device 200 as seen from a direction perpendicular to the switch axis direction (indicated by the direction D2) perpendicular to the wavelength dispersion axis direction of the wavelength dispersion element. 13 and 14 are diagrams showing input light as light rays.
  • the wavelength selective optical switch device 200 includes an optical input / output port 210, a collimator lens array 220, a diffraction grating 240 as a wavelength dispersion element, a condenser lens 250 as a condenser lens system, and a spatial light modulator 260. They are arranged in this order.
  • an anamorphic optical system is not shown, but it may be included.
  • an anamorphic prism pair as described in Embodiment 1 may be disposed between the collimator lens array 220 and the diffraction grating 240.
  • the condenser lens 250 may be a lens having a different focal length in the direction D1 and the direction D2 (for example, a combination of a plurality of cylindrical lenses).
  • the elements from the condenser lens 250 to the spatial light modulator 260 are arranged with an angle before and after the diffraction grating 240 in FIGS.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG.
  • the display image of the spatial light modulator 260 is formed as a gradation having a uniform refractive index distribution with respect to the direction D1, and further, with respect to the direction D2.
  • the refractive index distribution is formed as a uniform gradation.
  • the spatial light modulator 260 functions as a blazed diffraction grating in the direction D1, and further functions as a blazed diffraction grating in the direction D2.
  • the signal light L201 is input to the optical fiber port 211 from the outside.
  • the signal light L201 is wavelength-multiplexed signal light and includes a plurality of signal lights having different wavelengths.
  • the optical fiber port 211 outputs the input signal light L201 to the collimator lens 221.
  • the collimator lens 221 turns the signal light L201 into substantially parallel light having a substantially circular beam shape.
  • the diffraction grating 240 diffracts the signal light L201 at a predetermined diffraction angle corresponding to the wavelength. As a result, the signal light L201 is separated for each wavelength. However, in FIG. 13, only the component of the signal light L201 that travels straight through the diffraction grating 240 is shown for the sake of brevity.
  • the condensing lens 250 condenses the diffracted signal light L201 on the spatial light modulator 260.
  • the distance between the diffraction grating 240 and the condensing lens 250 is the focal length of the condensing lens 250, and the signal light L201 is incident on the spatial light modulator 260 separated in the direction D1 substantially perpendicularly.
  • a refractive index distribution is formed in the direction D2. Due to this refractive index distribution, the spatial light modulator 260 functions as a blazed diffraction grating under the control of the controller, and diffracts light of a desired wavelength in the direction of the optical fiber port 212, thereby serving as a wavelength selective optical switch device. Operate.
  • the spatial light modulator 260 has an inclination of an angle ⁇ with respect to the direction D1. Therefore, the signal light L201 is reflected in a direction having an angle ⁇ with respect to the incident signal light L201.
  • the spatial light modulator 260 has a refractive index distribution also in the direction D2, and functions as a blazed diffraction grating. Therefore, the spatial light modulator 260 emits the first-order diffracted light from the signal light L201 in substantially the same direction as the incident signal light L201.
  • the signal light L202a that is the first-order diffracted light becomes light parallel to the optical fiber port 212.
  • the signal light L202a is made parallel to the optical axis of the condenser lens 250 by the condenser lens 250. Furthermore, the diffraction grating 240 diffracts the signal light L202a in a direction parallel to the optical axis of the collimator lens 222 due to optical reciprocity.
  • the collimator lens 222 corresponding to the optical fiber port 212 condenses the signal light L202a and couples it to the optical fiber port 212.
  • the optical fiber port 212 outputs the combined light to the outside.
  • the wavelength selective optical switch device 200 uses the path of the signal light L202a having a desired wavelength out of the light input from the optical fiber port 211 as the primary diffracted light of the spatial light modulator 260. Switch to optical fiber port 212. Similarly, the wavelength selective optical switch device 200 switches the path of light input from the optical fiber port 211 to one of the other optical fiber ports 212 to 215 under the control of the spatial light modulator 260. Can do. Further, the path of light input from the optical fiber port 211 can be returned to the optical fiber port 211.
  • the spatial light modulator 260 since the spatial light modulator 260 has an inclination of the angle ⁇ with respect to the direction D1, the m-order diffracted light is diffracted by an angle of about m ⁇ . Accordingly, as shown in FIG. 13, for example, the signal light L202b, which is second-order diffracted light, is diffracted by the spatial light modulator 260 by an angle 2 ⁇ with respect to the incident signal light L201. Is diffracted in a direction having an inclination of the angle ⁇ . As a result, the signal light is not coupled to the optical fiber port 212.
  • the spatial light modulator is arranged to be inclined with respect to the direction D1, and only the first-order diffracted light by the spatial light modulator is diffracted in the incident direction of the signal light.
  • the deterioration of characteristics can be suppressed. That is, the wavelength selective optical switch device 200 controls the diffraction angle as the blazed diffraction grating in the direction D2 with a controller by controlling the diffraction angle as the blazed diffraction grating in the direction D2 with a constant value. Operates as a selective optical switch device. Therefore, the wavelength selective optical switch device 200 according to the second embodiment is a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics.
  • the Fresnel lens-like phase modulation is performed in the direction D1
  • the signal light is not sufficiently diffracted in the direction of the optical fiber port 212, and is coupled. Since efficiency deteriorates, it is not preferable.
  • Example 2 Next, as Example 2, the wavelength selective optical switch device 200 according to Embodiment 2 was actually manufactured and its performance was evaluated.
  • the conditions of each element are the same as in the first embodiment.
  • the signal light L201 is incident from the optical fiber port 211 and the signal light L2 is output to the optical fiber port 211.
  • the inclination angle ⁇ of the spatial light modulator 260 is changed, and the refractive index distribution of the spatial light modulator 260 is controlled so that the crosstalk is most improved at each angle ⁇ .
  • FIG. 16 is a diagram illustrating the relationship between the angle of the spatial light modulator and the crosstalk in the wavelength selective optical switch device according to the second embodiment.
  • the crosstalk is a value obtained by dividing the output light intensity output from the output port of the higher-order diffracted light by the output light intensity output from the output port of the first-order diffracted light.
  • the crosstalk characteristic is improved at each angle ⁇ . In particular, at 2 °, an improvement of 8 dB or more was observed. Therefore, the wavelength selective optical switch device 200 according to the second embodiment is a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics.
  • FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a wavelength selective optical switch device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the wavelength selective optical switch device 300 is a wavelength selective optical switch device that performs a switching operation of a light path for each wavelength of incident light.
  • FIG. 17 is a diagram of the wavelength selective optical switch device 300 viewed from a direction perpendicular to the wavelength dispersion axis direction (indicated by the direction D1) of the wavelength dispersion element.
  • FIG. 17 is a diagram showing input light as light rays.
  • FIG. 17 is a diagram showing input light as light rays.
  • the wavelength selective optical switch device 300 includes an optical input / output port 310, a collimator lens array 320, an anamorphic prism pair 330 that is an anamorphic optical system, a diffraction grating 340 that is a wavelength dispersion element, and a condenser lens system.
  • the condensing lens 350 and the spatial light modulator 360 are arranged in this order.
  • Each element and each device may be the same as in the first embodiment.
  • each element from the anamorphic prism pair 330 to the spatial light modulator 360 is arranged with an angle before and after the diffraction grating 340.
  • the optical path may shift in the direction D1, but in FIG. 17, the elements are arranged in series for the sake of simplicity.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a display image of the spatial light modulator illustrated in FIG. In FIG. 18, components in each direction of the direction D1 and the direction D2 are described together with a display image when viewed on a certain straight line.
  • the display image of the spatial light modulator 360 is different from the first embodiment, and the refractive index distribution having a constant period is formed as a gradation that is linear in each period with respect to the direction D1, The gradation of the refractive index is formed so as to perform the Fresnel lens-like phase modulation with respect to the direction D2.
  • the spatial light modulator 360 functions as a blazed diffraction grating in the direction D1 and further functions as a reflective Fresnel lens in the direction D2 under the control of the controller. That is, the wavelength selective optical switch device 300 controls the reflection angle as the reflection type Fresnel lens in the direction D2 by the controller by setting the angle ⁇ that is the diffraction angle as the blazed diffraction grating in the direction D1 to be a constant value. Operates as a wavelength selective optical switch device.
  • FIG. 19 is a diagram for describing control during operation of the spatial light modulator illustrated in FIG. 17.
  • a region S3 is a spot size of light incident on the spatial light modulator 360
  • an optical axis A COM 3 is an optical axis passing through the center of the light incident on the spatial light modulator 360
  • an optical axis A FL 3 is spatial light.
  • the optical axis as a Fresnel lens in the direction D2 of the modulator 360 is represented.
  • the wavelength selective optical switch device 300 operates as a wavelength selective optical switch device by controlling the position of the optical axis A FL 3 with respect to the optical axis A COM 3 of the spatial light modulator 360.
  • the display image is controlled so that the optical axis A FL 3 is positioned below the spatial light modulator 360.
  • the spatial light modulator 360 reflects the light input from the optical fiber port, which is a COM port, so as to be coupled to an optical fiber port positioned one level higher than the COM port, for example.
  • the spatial light modulator 360 when the spatial light modulator 360 is not switched, the spatial light modulator 360 is arranged such that the optical axis A COM 3 and the optical axis A FL 3 are arranged on the same straight line. Can be controlled. Furthermore, as in the first embodiment, for example, when switching to a remote port several ports away from the COM port, the optical axis A FL 3 is not located in the spatial light modulator 360, and the virtual optical axis A The display image may be controlled so that FL 3 is positioned further below the lower end of the spatial light modulator 360.
  • the wavelength selective optical switch device 300 controls the position of the optical axis as the Fresnel lens in the direction D2 of the spatial light modulator 360 with respect to the optical axis passing through the center of the light incident on the spatial light modulator 360.
  • light input from an optical fiber port which is a COM port, can be coupled to a desired optical fiber port.
  • the display image of the spatial light modulator 360 may be controlled to form a concave Fresnel lens (not shown).
  • the positional relationship of the optical axis A FL 3 with respect to the optical axis A COM 3 and the vertical relationship of the reflection direction of the spatial light modulator 360 are reversed from the case of FIG.
  • the above operation is performed on the light of each wavelength that is incident on the wavelength selective optical switch device 300 and is divided by the diffraction grating 340 in the direction D1 of the spatial light modulator 360 for each wavelength.
  • the width SW3 in FIG. 19 is the width of the area of the spatial light modulator 360 corresponding to one channel, and is assigned to signal light having one or a plurality of wavelengths.
  • the width SW3 is at least larger than the width in the direction D1 of the region S3, for example, a width corresponding to several to several tens of pixels in the direction D1.
  • the spatial light modulator 360 reflects the light included in each channel in a predetermined direction of the direction D2 by individually controlling the region having the width SW3 corresponding to each channel, and sets the wavelength selective switch. Realize.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating crosstalk characteristics for each output port in the conventional wavelength selective optical switch device.
  • FIG. 20 shows measurement results when nine optical fiber ports are formed and the spatial light modulator functions as a blazed diffraction grating as in the wavelength selective optical switch device 1000.
  • the first-order diffracted light of incident light is output to each output port, the value obtained by dividing the output light intensity to other than the output port (observation port) by the output light intensity of the first-order diffracted light at the output port is The vertical axis is crosstalk.
  • the maximum value of crosstalk exceeds ⁇ 25 dB.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating crosstalk characteristics for each output port in the wavelength selective optical switch device according to the third embodiment.
  • FIG. 21 shows measurement results when the spatial light modulator functions as a reflection type Fresnel lens and the focal length of the Fresnel lens is optimized as in the wavelength selective optical switch device 300.
  • the crosstalk is ⁇ 35 dB or less at the maximum. That is, in the wavelength selective optical switch device according to the third embodiment, the crosstalk can be improved by 10 dB or more. Therefore, it has been proved that the wavelength selective optical switch device 300 according to the third embodiment is a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics.
  • the wavelength selective optical switch device 300 according to the third embodiment is similar to the first embodiment in the position of the beam waist between the first-order diffracted light and the higher-order diffracted light with respect to the direction D2.
  • the crosstalk characteristics are improved by shifting the first and second order diffracted light with respect to the direction D1, and the crosstalk characteristics are improved as in the second embodiment. is doing. Therefore, the wavelength selective optical switch device 300 according to the third embodiment is a wavelength selective optical switch device having good crosstalk characteristics.
  • the condenser lens 250 may be a lens having a different focal length in the D1 direction and the D2 direction (for example, a combination of a plurality of cylindrical lenses).
  • the wavelength selective optical switch device according to the present invention is suitable for use in the field of optical communications.
  • Wavelength selective optical switch device 110 210, 310, 1010
  • Pixel electrode group 163 Liquid crystal layer 164
  • ITO electrode 1 6 cover glass 167 light incident layer A COM 1, A COM 3, A FL 1, A FL 3 optical axis D1, D2 directions d1, d2, d3, d1001, d100

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Abstract

　波長選択光スイッチ装置は、光を入出力する１つ以上の光入出力ポートと、各ポートに対応して設けられたコリメータレンズと、入力した光を反射していずれかのポートに向けて出力する、２次元配列された複数の位相変調素子を有する空間変調器と、光入出力ポートと空間変調器との間に配置され、それらを光学的に結合させる集光レンズ系と、光入出力ポートと集光レンズ系との間に配置され、入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、アナモルフィック光学系と集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子とを備え、空間変調器は、波長分散素子の波長分散軸方向に対する集光レンズ系のビームウエストの位置に配置され、スイッチ軸方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合する。これにより、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置を提供する。

Description

波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法
　本発明は、波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法に関するものである。
　光伝送システムにおいて、波長多重光信号等の光信号の経路を切り替えるために、光スイッチが使用されている。このような光スイッチには、光信号の経路を切り替えるために、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いたものがある（特許文献１，２参照）。ＬＣＯＳは、入射された光の位相を液晶によって変調し、回折させることができる空間光変調器である。したがって、ＬＣＯＳを用いた光スイッチでは、ある経路から入射された光信号を、ＬＣＯＳによって回折させて、特定の経路に出力することにより、光スイッチ動作を実現している。
　特許文献１，２に開示される光スイッチでは、光信号が入力される入力ポートと、光信号を出力する出力ポートとが、所定の方向に沿って等間隔で配列している。また、入力ポートはレンズの光軸上に配置されている。したがって、ＬＣＯＳは、入射光の角度をこの配列方向に回折させるように構成されている。また、入力および出力ポートの数がそれぞれＮ、Ｍ（Ｎ、Ｍは１以上の整数）の光スイッチは、Ｎ×Ｍ光スイッチと呼ばれる。
米国特許第７０９２５９９号明細書 米国特許第７３９７９８０号明細書
　しかしながら、本発明者らが特許文献１，２に開示される構成の光スイッチの特性について精査したところ、所定の入力ポートから入力した光信号を所定の出力ポートに出力させるような光スイッチ動作をさせる場合に、意図しない他の出力ポートにも光信号の一部が出力されてしまう場合があるという問題を見出した。このように光スイッチに入力させた光信号の一部が意図しない出力ポートにも出力してしまうと、出力ポート間のクロストーク特性が劣化するという問題が生じる。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する、２次元配列された複数の位相変調素子を有する空間変調器と、前記光入出力ポートと前記空間変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、を備え、前記空間変調器は、前記波長分散素子の波長分散軸方向に対する前記集光レンズ系のビームウエストの位置に配置され、前記波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合することを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、上記発明において、前記空間変調器は、異なる波長を有する２以上の波長帯に対して、前記スイッチ軸方向に異なる曲率を有するフレネルレンズ状の位相変調を形成することを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、上記発明において、外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する空間変調器と、前記光入出力ポートと前記空間変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、を備え、前記空間変調器は、前記集光レンズ系の波長分散軸方向に対するビームウエストの位置に、前記波長分散素子の波長分散軸方向において、前記波長分散軸と傾けて配置され、前記波長分散軸方向に回折格子状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合することを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、上記発明において、前記空間変調器は、前記波長分散軸方向に回折格子状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合することを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、上記発明において、前記空間変調器は、異なる波長を有する２以上の波長帯に対して、前記波長分散軸方向に異なる反射角を有する回折格子状の位相変調を形成することを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、上記発明において、前記光入出力ポートの光軸と、前記集光レンズの光軸とが、離間していることを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、上記発明において、前記光入出力ポートおよび該光入出力ポートに対応する前記コリメータレンズの間隔が、不等間隔であることを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置の制御方法は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する、２次元配列された複数の位相変調素子を有する空間光変調器と、前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、を備え、前記空間光変調器は、前記波長分散素子の波長分散軸方向に対する前記集光レンズ系のビームウエストの位置に配置される波長選択光スイッチ装置の制御方法であって、前記空間光変調器によって前記波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光を所望の出力ポートへ結合させることを特徴とする。
　また、本発明に係る波長選択光スイッチ装置の制御方法は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する空間光変調器と、前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、を備え、前記空間光変調器は、前記集光レンズ系の波長分散軸方向に対するビームウエストの位置に、前記波長分散素子の波長分散軸方向において、前記波長分散軸と傾けて配置される波長選択光スイッチ装置の制御方法であって、前記空間光変調器によって前記波長分散軸方向に回折格子状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光を所望の出力ポートへ結合させることを特徴とする。
　本発明によれば、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法を実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図６は、図１に示す空間光変調器の分解図である。 図７は、図１に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。 図８は、図１に示す空間光変調器のスイッチングを行わない場合の表示画像の一例を表す図である。 図９は、図１に示す空間光変調器の近接ポートにスイッチングする場合の表示画像の一例を表す図である。 図１０は、図１に示す空間光変調器の遠隔ポートにスイッチングする場合の表示画像の一例を表す図である。 図１１は、実施例１に係る波長選択光スイッチ装置における空間光変調器の焦点距離とビームウエストのずれとの関係を表す図である。 図１２は、実施例１に係る波長選択光スイッチ装置における空間光変調器の焦点距離と、１次の回折光の結合損失および１次の回折光と２次の回折光とのクロストーク特性との関係を表す図である。 図１３は、本発明の実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１４は、本発明の実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１５は、図１３に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。 図１６は、実施例２に係る波長選択光スイッチ装置における空間光変調器の角度とクロストークとの関係を表す図である。 図１７は、本発明の実施の形態３に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１８は、図１７に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。 図１９は、図１７に示す空間光変調器の動作時の制御について説明するための図である。 図２０は、波長選択光スイッチ装置における出力ポート毎のクロストーク特性を表す図である。 図２１は、実施例３に係る波長選択光スイッチ装置における出力ポート毎のクロストーク特性を表す図である。 図２２は、波長選択光スイッチ装置における素子の配置の設計の一例を示す図である。 図２３は、波長選択光スイッチ装置における素子の配置の設計の一例を示す図である。 図２４は、図２２に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。
　以下に、図面を参照して本発明に係る波長選択光スイッチ装置、および波長選択光スイッチ装置の制御方法の実施の形態を説明する。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、図面の記載において、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。また、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、現実と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１～５は、実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。図１は、波長選択光スイッチ装置１００の動作の概略を模式的に表す斜視図である。この波長選択光スイッチ装置１００は、入射した光の波長ごとに光の経路をスイッチング操作する波長選択光スイッチ装置であって、例えば図１に示すように、各入力ポートから入射した波長の異なる信号光を、それぞれ個別にスイッチング操作し、１つの出力ポート（ＣＯＭポート）に出力する。また、１つの入力ポート（ＣＯＭポート）から入力した互いに波長の異なる２以上の波長多重化された信号光を、信号光ごとに個別にスイッチング操作し、個々の出力ポートに出力することもできる。図２，４は、波長選択光スイッチ装置１００を、波長分散素子の波長分散軸方向（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Ｄ１で示す）と垂直の方向から見た図である。図３，５は、波長選択光スイッチ装置１００を、波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向（方向Ｄ２で示す）と垂直の方向から見た図である。また、図２，３は、入力される光を光線で示した図であり、図４，５は、入力される光をガウシアンビームのスポットサイズの軌跡で示した図である。
　波長選択光スイッチ装置１００は、光入出力ポート１１０と、コリメータレンズアレイ１２０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１３０と、波長分散素子である回折格子１４０と、集光レンズ系である集光レンズ１５０と、空間光変調器１６０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、図１のように回折格子１４０において光路は曲げられるので、図２～５において、アナモルフィックプリズムペア１３０から空間光変調器１６０までの各素子は回折格子１４０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１３０において光路が方向Ｄ１の方向にシフトすることがあるが、図２～５においては、説明の簡略化のために各素子を直列に配置して示している。
　また、入射する信号光は２以上の波長の異なる信号光が波長多重化されたガウシアンビームであるとする。波長多重化された各波長の信号光は、例えば５０ＧＨｚ～１００ＧＨｚ間隔で管理された周波数の略単色の信号光であって、波長選択光スイッチ装置１００は、これらの信号光を同時にスイッチング操作することができる。図４，５，２２，２３では各信号光のガウシアンビームのスポットサイズ（光強度が１／ｅ２となるビーム半径）の軌跡を模式的矢線で示している。なお、波長選択光スイッチ装置１００に入力または出力される信号光の波長帯は特に限定されないが、例えば波長１５２０～１６２０ｎｍの光通信用の信号光である。
　光入出力ポート１１０は、光ファイバからなる光ファイバポート１１１，１１２，１１３，１１４，１１５を備えている。このうち、光ファイバポート１１１は、波長多重された信号光が入力されるＣＯＭポートであり、該波長多重された信号光から任意波長を取り出して、その他の光ファイバポート１１２～１１５から出力するように構成されている。光ファイバポート１１１～１１５は、所定の配列方向（スイッチ軸方向である方向Ｄ２）に沿って、略等間隔でアレイ状に配列されているが、不等間隔であってもよい。また、図３において、光ファイバポート１１１の光軸と集光レンズ１５０の光軸とが同一であるが、各光ファイバポートの光軸と集光レンズ１５０の光軸とが離間していてもよい。光ファイバポート１１１～１１５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。
　コリメータレンズアレイ１２０は、複数のコリメータレンズからなる。図３，５では、コリメータレンズアレイ１２０としては、光入出力ポート１１０を構成する光ファイバポート１１１，１１２に対応するコリメータレンズ１２１，１２２だけ図示してあるが、コリメータレンズアレイ１２０の各コリメータレンズは、光入出力ポート１１０を構成する各光ファイバポートに対応して設けられている。コリメータレンズアレイ１２０は、各光ファイバポート１１１～１１５から出力した光を略平行光にする、または、入力された平行光を各光ファイバポート１１１～１１５に集光して結合させる機能を有する。
　空間光変調器１６０は、２次元配列された複数の位相変調素子を有する空間光変調器であり、ＬＣＯＳであってよい。図６は、図１に示す空間光変調器の分解図である。図６に示すように、この空間光変調器１６０は、ＬＣＯＳであって、液晶駆動回路が形成されたシリコン基板１６１上に、反射率がほぼ１００％の反射層である画素電極群１６２と、空間光変調層である液晶層１６３と、配向膜１６４と、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）電極１６５と、カバーガラス１６６とが順次積層した構成を有している。なお、必要に応じて画素電極群１６２と液晶層１６３の間にも配向膜を設けてもよい。なお、以下では、配向膜１６４、ＩＴＯ電極１６５、およびカバーガラス１６６を光入射層１６７とする。
　この空間光変調器１６０は、画素電極群１６２とＩＴＯ電極１６５との間に制御器により電圧を印加することによって、液晶層１６３を制御することができ、図中紙面垂直方向（図１における方向Ｄ１）および上下方向（図１における方向Ｄ２）に配列された複数の各画素の屈折率を制御することで、２次元的に所望の屈折率の分布を形成することができる。そして、この屈折率の分布を調整することによって、光入射層１６７側から入射した光が、画素電極群１６２により反射して液晶層１６３を伝搬する際に、フレネルレンズ状の位相変調をするように形成することができる。この空間光変調器１６０による擬似的な反射型フレネルレンズは、液晶層１６３への印加電圧を制御器により制御することによって、フレネルレンズとしての曲率および焦点距離を、所望の値に設定することができる。
　図７は、図１に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。図７おいて、色が濃い部分の屈折率が高く、薄い部分の屈折率が低くなっている。すなわち、位相変調の周期が、図中方向Ｄ２の下から上方向に行くにつれ、次第に短くなるように各画素の屈折率が制御器により制御されている。その結果、方向Ｄ２の下から上方向に行くにつれ、次第に（フレネル）レンズとしての曲率が大きくなるように作用させることができる。なお、図７に示すように、空間光変調器１６０の表示画像は、光入出力ポート１１０の光ファイバポート１１１～１１５の配列方向と、液晶層１６３の屈折率のグラデーションの方向とが一致する。つまり、方向Ｄ２に屈折率の分布が形成されている。
　このようにして、制御器により所定の電圧を印加された空間光変調器１６０が反射型のフレネルレンズとして機能することにより、フレネルレンズとしての曲率を最適化することによって、図５に示すように、空間光変調器１６０は、ガウシアンビームのスポットサイズの軌跡が、信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とで略同一になるように反射することができる。
　また、この空間光変調器１６０は、方向Ｄ２において屈折率分布の周期性を保持しつつ、該フレネルレンズとしての光軸を信号光Ｌ１の光軸に対しＤ２方向にオフセットさせるように制御することによって、光ファイバポート１１１から入射した所望の波長を有する光を他の光ファイバポート１１２～１１５のいずれかに向けて出力できるように、光の出射角度を制御することができる。これにより、空間光変調器１６０に反射された信号光Ｌ２は、所望の出力ポートに結合される。
　ここで、図７は方向Ｄ２の下から上に行くにつれ位相変調の周期が短くなるように制御されているが、たとえば、フレネルレンズとしての光軸中心が、該周期が一番長くなるようにして、方向Ｄ２の下側に行くにつれて、該周期が短くなるように制御してもよい。すなわち、ＬＣＯＳ上に描画されたフレネルレンズの光軸中心を方向Ｄ２にずらすようにＬＣＯＳの各画素の屈折率分布を制御することによって、入射光を所望の方向にスイッチングすることができる。
　なお、空間光変調器１６０のフレネルレンズとしての曲率は、入射する信号光Ｌ１の波長に合わせて、制御することが好ましい。また、空間光変調器１６０の、各波長の信号光をスイッチングする反射ミラー（複数の画素から構成される）において、方向Ｄ１に線形でない屈折率の分布を有すると、各波長の信号内において、波長成分ごとに位相変調の分布ができてしまうので、各波長の信号光内の波長成分を同時に所望の出力ポートに結合することは困難となる。したがって、波長選択光スイッチ装置１００において、空間光変調器１６０内の複数画素から構成される、各波長の信号光をスイッチングする反射ミラーは、方向Ｄ１において、線形（均一を含む）屈折率の分布を有するようにすると好ましい。
　集光レンズ１５０は、光入出力ポート１１０と空間光変調器１６０との間に配置され、光ファイバポート１１１と空間光変調器１６０とを光学的に結合させるものである。なお、集光レンズ１５０は１枚のレンズで構成されていてもよいし、複数枚のレンズで構成されていてもよい。
　アナモルフィックプリズムペア１３０は、２つのプリズム１３１，１３２から構成されており、光入出力ポート１１０と集光レンズ１５０との間に配置されている。アナモルフィックプリズムペア１３０は、光入出力ポート１１０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Ｄ１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１３０は、光相反性を有するため、空間変調器１６０側から入力された光のビーム形状を方向Ｄ１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１３０は、例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よい。
　また、回折格子１４０は、例えば透過型の回折格子であって、アナモルフィックプリズムペア１３０と集光レンズ１５０との間に配置される。回折格子１４０は、波長が多重化された信号光である信号光Ｌ１に含まれる所定の波長の信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃをそれぞれ所定の角度に出力する。分離された信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃを、空間光変調器１６０に対して、略垂直に入射させるため、回折格子１４０と集光レンズ１５０との間隔は、集光レンズ１５０の焦点距離ｆ１とすることが好ましい。
　ここで、空間変調器１６０は、方向Ｄ１に対する集光レンズ１５０のビームウエストＷ１の位置である集光レンズ１５０から距離ｄ１だけ離れた位置に配置されている。また、光入出力ポート１１０側から入力された光のビーム形状は、方向Ｄ１のみに拡大され、方向Ｄ２には拡大されていない。これにより、距離ｄ１より距離ｄ２が大きくなる。したがって、方向Ｄ２に対する集光レンズ１５０のビームウエストＷ２の位置である集光レンズ１５０から距離ｄ２の位置は、空間変調器１６０より集光レンズ１５０から遠い位置となる。なお、ガウシアンビームのビームウエストとは、ガウシアンビームの波面がフラットになり、ビーム径が最も小さくなる場所である。
　この波長選択光スイッチ装置１００では、各光ファイバポートから信号光の入出力を行うことができる。したがって、例えば図１のように、出力ポート以外の各光ファイバポートポートから入力した信号光を、１つの出力ポートに出力する４×１光スイッチであってよい。あるいは、図３のように、１つの入力ポートから入力した信号光を、他の出力ポートに出力する１×４光スイッチであってよい。さらに、本発明はこれに限らず、各光ファイバポートは、同時に入出力を行う構成であってよい。さらに、光ファイバポートは１つでもよく、このとき、波長選択光スイッチ装置１００は、２以上の多重化された波長を有する信号光の波長ごとに、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えを行う波長選択光スイッチ装置として機能する。
　つぎに、この波長選択光スイッチ装置１００の動作について、図２，３を用いて説明する。まず、光ファイバポート１１１に、外部から信号光Ｌ１が入力される。信号光Ｌ１は、波長多重された信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃを含むものとする。
　光ファイバポート１１１は、入力された信号光Ｌ１をコリメータレンズ１２１へ出力する。コリメータレンズ１２１は、信号光Ｌ１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１３０は、略平行光にされた信号光Ｌ１のビーム形状を方向Ｄ１に拡大し、楕円形にする。回折格子１４０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、信号光Ｌ１は、信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃに分離される。
　集光レンズ１５０は、回折された信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃを空間光変調器１６０に集光させる。回折格子１４０と集光レンズ１５０との間隔は、集光レンズ１５０の焦点距離ｆ１であるから、信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃは、空間光変調器１６０に略垂直に、方向Ｄ１に分離されて入射する。空間光変調器１６０は、方向Ｄ２において、所定の屈折率の分布が形成されている。この屈折率の分布によって、例えば図３のように、信号光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃのうち、所望の波長の光を光ファイバポート１１２の方向に回折することによって、波長選択光スイッチ装置として動作する。回折された信号光は、集光レンズ１５０によって、集光レンズ１５０の光軸に対して平行にされる。回折格子１４０は、光相反性によって、信号光をコリメータレンズ１２２の光軸と平行な方向に回折する。アナモルフィックプリズムペア１３０は、光相反性によって、信号光のビーム形状を方向Ｄ１の方向に縮小して略円形に戻す。光ファイバポート１１２に対応するコリメータレンズ１２２は、信号光を集光し、光ファイバポート１１２に結合させる。光ファイバポート１１２は結合された光を外部に出力する。
　このようにして、この波長選択光スイッチ装置１００は、光ファイバポート１１１から入力された光のうち、所望の波長を有する信号光の経路を光ファイバポート１１２に切り換える。なお、同様にして、この波長選択光スイッチ装置１００は、空間光変調器１６０の制御によって、光ファイバポート１１１から入力された光の経路を他の光ファイバポート１１２～１１５のいずれかに切り換えることができる。さらに、光ファイバポート１１１から入力された光の経路を、光ファイバポート１１１に戻すことも可能である。
　つぎに、波長選択光スイッチ装置１００の動作時における空間光変調器１６０の表示画像の制御について図８～１０を用いて説明する。ここで、図８～１０では、空間光変調器１６０の表示画像が凸面形状のフレネルレンズを形成するように制御することを前提として説明する。図８は、図１に示す空間光変調器のスイッチングを行わない場合の表示画像の一例を表す図である。図８において、領域Ｓ１は空間光変調器１６０に入射する光のスポットサイズ、光軸ＡＣＯＭ１は空間光変調器１６０に入射する光の中央を通る光軸、光軸ＡＦＬ１は空間光変調器１６０の方向Ｄ２におけるフレネルレンズとしての光軸を表す。図８に示すように、スイッチングを行わない場合、光軸ＡＣＯＭ１と光軸ＡＦＬ１とは、同一直線上に配置されている。このとき、空間光変調器１６０は、空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向に反射する。すなわち、空間光変調器１６０は、ＣＯＭポートである光ファイバポート１１１から入力された光を、光ファイバポート１１１に結合するように反射する。
　つぎに、図９は、図１に示す空間光変調器の近接ポートにスイッチングする場合の表示画像の一例を表す図である。図９に示すように、たとえばＣＯＭポートから数ポート以内の近接ポートにスイッチングする場合、光軸ＡＦＬ１は空間光変調器１６０の下部に位置するように表示画像を制御する。このとき、空間光変調器１６０は、空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向よりわずかに上方に反射する。すなわち、空間光変調器１６０は、ＣＯＭポートである光ファイバポート１１１から入力された光を、たとえば光ファイバポート１１３に結合するように反射する。また、空間光変調器１６０は、光軸ＡＦＬ１が空間光変調器１６０の上部に位置するように表示画像を制御すると、空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向よりわずかに下方に反射する。
　続いて、図１０は、図１に示す空間光変調器の遠隔ポートにスイッチングする場合の表示画像の一例を表す図である。図１０に示すように、たとえばＣＯＭポートから数ポート以上離れた遠隔ポートにスイッチングする場合、位相変調の周期は、図９と同様に方向Ｄ２の下から上方向に行くにつれ、次第に短くなるように制御されているが、光軸ＡＦＬ１は空間光変調器１６０内には位置せず、仮想的な光軸ＡＦＬ１が空間光変調器１６０の下端よりさらに下方に位置にするように表示画像を制御する。このとき、空間光変調器１６０は、空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向より上方に反射する。すなわち、空間光変調器１６０は、たとえば１×２０ポートの波長選択光スイッチ装置において、ＣＯＭポートである中央に位置する１１ポートから入力された光を、たとえば上端に位置する１ポートに結合するように反射する。また、空間光変調器１６０は、光軸ＡＦＬ１が空間光変調器１６０の上端よりさらに上方に位置にするように表示画像を制御すると、空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向より下方に反射する。
　このように、波長選択光スイッチ装置１００は、空間光変調器１６０に入射する光の中央を通る光軸に対する空間光変調器１６０の方向Ｄ２におけるフレネルレンズとしての光軸の位置を制御することにより、たとえばＣＯＭポートである光ファイバポート１１１から入力された光を、所望の光ファイバポートに結合させることができる。
　なお、空間光変調器１６０の表示画像が凹面形状のフレネルレンズ（図示せず）を形成するように制御してもよい。その場合、光軸ＡＣＯＭ１に対する光軸ＡＦＬ１の位置関係と空間光変調器１６０の反射方向の上下関係とが図８～１０の場合とは逆転する。すなわち、空間光変調器１６０は、光軸ＡＦＬ１が光軸ＡＣＯＭ１より下方に位置するように表示画像を制御すると空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向より下方に反射し、光軸ＡＦＬ１が光軸ＡＣＯＭ１より上方に位置するように表示画像を制御すると空間光変調器１６０に垂直に入射した光を入射方向より上方に反射する。
　また、上記の動作は、波長選択光スイッチ装置１００に入射して回折格子１４０により空間光変調器１６０の方向Ｄ１に波長ごとに分割された各波長の光に対して行われる。図８における幅ＳＷ１は、１つのチャネルに対応する空間光変調器１６０の領域の幅であり、１または複数の波長からなる信号光に対し割り当てられる。幅ＳＷ１は、少なくとも領域Ｓ１の方向Ｄ１における幅より大きく、たとえば、方向Ｄ１において数～１０数画素に相当する幅である。このとき、空間光変調器１６０は、各チャネルに対応する幅ＳＷ１を有する領域を、個別に制御することにより、各チャネルに含まれる光を方向Ｄ２の所定の方向に反射し、波長選択スイッチを実現する。
　つぎに、波長選択光スイッチ装置１００について、図４，５，６を用いて、図２２，２３，２４に示す比較形態の波長選択光スイッチ装置１０００と対比させて説明する。
　波長選択光スイッチ装置１００の光学系の配置と、波長選択光スイッチ装置１０００の光学系の配置とは同一であり、波長選択光スイッチ装置１０００は、光入出力ポート１０１０と、コリメータレンズアレイ１０２０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１０３０と、波長分散素子である回折格子１０４０と、集光レンズ系である集光レンズ１０５０と、空間光変調器１０６０とがこの順番に配置されて構成されている。
　ここで、空間光変調器１６０と空間光変調器１０６０とは、制御器から印加される電圧が異なるため、表示画像が異なる。図２４は、図２２に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。図２４に示すように、空間光変調器１０６０の表示画像は、方向Ｄ２に対して屈折率の分布を有するが、その分布は、方向Ｄ２に対して等幅なグラデーションである。これによって、空間光変調器１０６０は、ブレーズド回折格子として機能する。また、波長選択光スイッチ装置１０００の空間光変調器１０６０以外の各素子は、波長選択光スイッチ装置１００と同一である。
　はじめに、方向Ｄ１について、波長選択光スイッチ装置１００と波長選択光スイッチ装置１０００との動作を説明する。図４のように、波長選択光スイッチ装置１００において、空間変調器１６０は、方向Ｄ１に対する集光レンズ１５０のビームウエストＷ１の位置である集光レンズ１５０から距離ｄ１の位置に配置されている。方向Ｄ１において、空間変調器１６０は、屈折率の分布を有さず、単純な鏡として機能するため、空間変調器１６０で反射された信号光である信号光Ｌ２の、コリメータレンズ１２１による集光位置も、光ファイバポート１１１の端面と一致する。これによって、空間変調器１６０の回折光が所望の出力ポートへ結合する。図２２に示すように、方向Ｄ１においては、波長選択光スイッチ装置１０００も同様の動作をする。
　次に、方向Ｄ２について、波長選択光スイッチ装置１００と波長選択光スイッチ装置１０００との動作を説明する。まず、光入出力ポート１１０側から入力された光のビーム形状は、方向Ｄ１に拡大されている。これによって、方向Ｄ１に対する集光レンズ１５０のビームウエストＷ１の位置である距離ｄ１より、方向Ｄ２に対する集光レンズ１５０のビームウエストＷ２の位置である距離ｄ２が大きくなる。したがって、図５のように、方向Ｄ２に対する集光レンズ１５０のビームウエストの位置である集光レンズ１５０から距離ｄ２の位置は、空間変調器１６０より集光レンズ１５０から遠い位置となる。
　このとき、波長選択光スイッチ装置１００において、空間変調器１６０は、図７に示した空間変調器１６０の表示画像の不等間隔なパターンによって、反射型のフレネルレンズとして機能し、方向Ｄ２について信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とのガウシアンビームのスポットサイズの軌跡を略同一とする。これによって、信号光Ｌ２は、光ファイバポート１１１に好適に結合する。
　一方で、図２４に示すように、波長選択光スイッチ装置１０００における空間光変調器１０６０の表示画像は、方向Ｄ２に対して屈折率の分布が等幅なグラデーションとされている。したがって、空間光変調器１０６０は、フレネルレンズ状の位相変調をせず、ブレーズド回折格子として機能する。このとき、信号光Ｌ１は、進行方向を変更されるが、屈折はしない。したがって、図２３に示すように、信号光Ｌ１００１と信号光Ｌ１００２とのガウシアンビームのスポットサイズの軌跡が異なり、信号光Ｌ１００２は光ファイバポート１０１１に結合しない。
　このように、波長選択光スイッチ装置１００は、空間変調器１６０がフレネルレンズ状の位相変調を行うため、ビームウエストＷ２の軸方向位置の、Ｗ１の位置（空間光変調器１６０表面）との差分（ｄ２－ｄ１）を補償して、方向Ｄ１およびＤ２成分の両方につき信号光Ｌ２を光ファイバポート１１１に好適に結合させることができる。一方、波長選択光スイッチ装置１０００は、空間光変調器１０６０が位相変調を行わないため、方向Ｄ２において、信号光Ｌ１００２が光ファイバポート１０１１に結合しない。したがって、波長選択光スイッチ装置１００は、波長選択光スイッチ装置１０００よりも結合効率がよい。結合効率がよく、出力光強度が大きい場合、様々なノイズとの光強度差が大きくなるため、クロストーク特性のよい波長選択光スイッチ装置となる。したがって、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１００は、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置である。
　なお、上記実施形態では、凸面鏡状のフレネルレンズを用いた実施形態を記載したが、Ｄ２方向に光学力を有するシリンドリカルレンズを用いることで、ｄ１よりｄ２を小さくすることも出来る。これにより、ＬＣＯＳの位相変調を凹面鏡状としてもよい。
　さらに、このような波長選択光スイッチ装置において、所定の入力ポートから入力した光信号を所定の出力ポートに出力させるような光スイッチ動作をさせる場合に、意図しない他の出力ポートにも光信号の一部が出力されてしまう場合がある。このような場合、出力ポート間のクロストーク特性が劣化することとなる。
　このようなクロストーク特性の劣化の主な原因が、空間光変調器における高次の回折光に起因することが、本発明者らによって見出された。フレネルレンズやブレーズド回折格子は、高次の回折光を発生させる場合がある。さらに、空間変調器１６０に入射した信号光が、光入射層１６７の各層の界面や、光入射層１６７と空気層との界面等において、反射される場合があり、これによって高次の回折光が発生する場合がある。このような原因によって発生した高次の回折光が、出力ポートに結合すると、クロストーク特性が劣化する。
　ここで、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１００において、空間変調器１６０が、信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とのガウシアンビームのスポットサイズの軌跡を略同一とすることにより、信号光Ｌ２は、光ファイバポート１１１に結合する。このとき、信号光Ｌ２のビームウエストＷ３は、コリメータレンズ１２１から距離ｄ３に形成される。これに対し、波長選択光スイッチ装置１０００において、ビームウエストＷ１００３は、距離ｄ３よりコリメータレンズから離れた距離ｄ１００３の位置に形成される。この距離ｄ３と距離ｄ１００３との差をΔとすると、空間変調器１６０の１次の回折光は、空間変調器１６０のフレネルレンズ状の位相変調によって、ビームウエストの位置をΔだけ、コリメータレンズ側に変調されたこととなる。
　このとき、空間変調器１６０のｍ次（ｍは２以上の整数）の回折光のビームウエストの位置は、空間変調器１６０のフレネルレンズ状の位相変調によって、Δの約ｍ倍コリメータレンズ側に変調されることとなる。すると、このような高次の回折光は光ファイバポート１１１に結合しなくなる。したがって、高次の回折光によるクロストーク特性の劣化が生じない。このように、本実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１００は、結合効率がよいだけでなく、高次の回折光によるクロストークの劣化を抑制した、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置である。
（実施例１）
　次に、実施例１として、実施の形態１に係る波長選択光スイッチ装置１００を実際に製造し、その性能を評価した。本実施例１において、例えば、コリメータレンズアレイ１２０の各コリメータレンズの焦点距離は、０．１～数ｍｍ、集光レンズ１５０の焦点距離は、５０～２００ｍｍ、アナモルフィックプリズムペア１３０の倍率は、１０～数１０倍程度である。
　このとき、図５に示すように、光ファイバポート１１１から信号光Ｌ１を入射し、光ファイバポート１１１に信号光Ｌ２を出力させるとする。そして、空間光変調器１６０の表示画像を調整し、フレネルレンズとしての焦点距離を変化させ、信号光Ｌ１のコリメータレンズによるビームウエストと信号光Ｌ２の集光レンズによるビームウエストとのずれを計算した。
　図１１は、実施例１に係る波長選択光スイッチ装置における空間光変調器の焦点距離とビームウエストのずれとの関係を表す図である。図１１に示すように、フレネルレンズとしての焦点距離を変化させることによって、信号光Ｌ１のコリメータレンズによるビームウエストと信号光Ｌ２の集光レンズによるビームウエストとのずれを最小化することができる。図１１に示すとおり、空間光変調器１６０のフレネルレンズとしての焦点距離を約７５ｍｍとした場合に、ビームウエストのずれを最小とすることができる。
　次に、空間光変調器１６０の表示画像を調整し、フレネルレンズとしての焦点距離を変化させた場合の１次の回折光の結合損失と、１次の回折光と２次の回折光とのクロストーク特性がどれだけ改善されるかを計算した。図１２は、実施例１に係る波長選択光スイッチ装置における空間光変調器の焦点距離と、１次の回折光の結合損失および１次の回折光と２次の回折光とのクロストーク特性との関係を表す図である。ここで、１次の回折光と２次の回折光とのクロストークとは、２次の回折光の出力ポートからの出力光強度を、１次の回折光の出力ポートからの出力光強度で割った値をデシベルで表示したものの絶対値である。図１２におけるクロストーク特性とは、各焦点距離において、フレネルレンズが曲率を有する場合と、フレネルレンズが曲率を有しない場合とで、どれだけクロストークが改善されたかを表す。
　図１２に示すように、フレネルレンズとしての焦点距離が７５ｍｍの場合に、１次の回折光の結合損失は最小となる。このとき、１次の回折光と２次の回折光とのクロストーク特性も最も大きく改善された。これは、１次の回折光の結合効率がよく、信号光Ｌ２の出力光強度が大きいことと、さらに、２次の回折光が光ファイバポートに結合せずクロストーク特性を劣化させないことによる。
（実施の形態２）
　次に、本発明の実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置について説明する。図１３，１４は、実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。この波長選択光スイッチ装置２００は、入射した光の波長ごとに光の経路をスイッチング操作する波長選択光スイッチ装置である。図１３は、波長選択光スイッチ装置２００を、波長分散素子の波長分散軸方向（方向Ｄ１で示す）と垂直の方向から見た図である。図１４は、波長選択光スイッチ装置２００を、波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向（方向Ｄ２で示す）と垂直の方向から見た図である。また、図１３，１４は、入力される光を光線で示した図である。
　波長選択光スイッチ装置２００は、光入出力ポート２１０と、コリメータレンズアレイ２２０と、波長分散素子である回折格子２４０と、集光レンズ系である集光レンズ２５０と、空間光変調器２６０とがこの順番に配置されて構成されている。本実施の形態では、アナモルフィック光学系を図示していないが、これを含むようにしても良い。例えば、実施の形態１に記載したような、アナモルフィックプリズムペアをコリメータレンズアレイ２２０と回折格子２４０との間に配置してもよい。その他、集光レンズ２５０を、方向Ｄ１と方向Ｄ２とについて焦点距離が異なるレンズ（例えば複数のシリンドリカルレンズを組合わせたもの）としてもよい。
　なお、実際には回折格子２４０において光路は曲げられるので、図１３，１４において、集光レンズ２５０から空間光変調器２６０までの各素子は回折格子２４０の前後で角度を持って配置される。
　ここで、図１３に示すように、空間光変調器２６０は、方向Ｄ１に対して角度θの傾きをつけて配置することができる。また、図１５は、図１３に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。図１５には、方向Ｄ１および方向Ｄ２の各方向の成分を、ある直線上で見た場合の表示画像を合わせて記載している。図１５に示すとおり、空間光変調器２６０の表示画像は、実施の形態１と異なり、方向Ｄ１に対して、屈折率の分布が等幅なグラデーションとして形成され、さらに、方向Ｄ２に対して、屈折率の分布が等幅なグラデーションとして形成されている。これによって、空間光変調器２６０は、方向Ｄ１において、ブレーズド回折格子として機能し、さらに、方向Ｄ２において、ブレーズド回折格子として機能する。
　つぎに、この波長選択光スイッチ装置２００の動作について、図１３，１４を用いて説明する。まず、光ファイバポート２１１に、外部から信号光Ｌ２０１が入力される。信号光Ｌ２０１は、波長多重された信号光であり、互いに異なる波長の複数の信号光を含むものとする。
　光ファイバポート２１１は、入力された信号光Ｌ２０１をコリメータレンズ２２１へ出力する。コリメータレンズ２２１は、信号光Ｌ２０１を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。回折格子２４０は、信号光Ｌ２０１をその波長に応じた所定の回折角で回折する。その結果、信号光Ｌ２０１は、波長ごとに分離される。ただし、図１３においては説明を簡潔にするため、信号光Ｌ２０１のうち、回折格子２４０を直進する成分のみを図示している。
　集光レンズ２５０は、回折された信号光Ｌ２０１を空間光変調器２６０に集光させる。回折格子２４０と集光レンズ２５０との間隔は、集光レンズ２５０の焦点距離であり、信号光Ｌ２０１は、空間光変調器２６０に略垂直に、方向Ｄ１に分離されて入射する。空間光変調器２６０は、方向Ｄ２において、屈折率の分布が形成されている。この屈折率の分布によって、空間光変調器２６０は、制御器の制御によりブレーズド回折格子として機能し、所望の波長の光を光ファイバポート２１２の方向に回折することによって、波長選択光スイッチ装置として動作する。
　ここで、空間光変調器２６０は、方向Ｄ１に対して角度θの傾きを有する。そのため、信号光Ｌ２０１は、入射する信号光Ｌ２０１に対して角度θの傾きを有する方向に反射する。しかしながら、空間光変調器２６０は、方向Ｄ２に対しても屈折率の分布を有し、ブレーズド回折格子として機能する。そこで、空間光変調器２６０は、信号光Ｌ２０１を、入射した信号光Ｌ２０１と略同一方向へ、１次の回折光を出射する。これによって、方向Ｄ１において、１次の回折光である信号光Ｌ２０２ａは光ファイバポート２１２に平行な光となる。
　その後、方向Ｄ２において、信号光Ｌ２０２ａは、集光レンズ２５０によって、集光レンズ２５０の光軸に対して平行にされる。さらに、回折格子２４０は、光相反性によって、信号光Ｌ２０２ａをコリメータレンズ２２２の光軸と平行な方向に回折する。光ファイバポート２１２に対応するコリメータレンズ２２２は、信号光Ｌ２０２ａを集光し、光ファイバポート２１２に結合させる。光ファイバポート２１２は結合された光を外部に出力する。
　このようにして、この波長選択光スイッチ装置２００は、光ファイバポート２１１から入力された光のうち、所望の波長を有する信号光Ｌ２０２ａの経路を空間光変調器２６０の１次の回折光として、光ファイバポート２１２に切り換える。なお、同様にして、この波長選択光スイッチ装置２００は、空間光変調器２６０の制御によって、光ファイバポート２１１から入力された光の経路を他の光ファイバポート２１２～２１５のいずれかに切り換えることができる。さらに、光ファイバポート２１１から入力された光の経路を、光ファイバポート２１１に戻すことも可能である。
　ここで、空間光変調器２６０は、方向Ｄ１に対して角度θの傾きを有することにより、ｍ次の回折光は、角度約ｍθだけ回折されることとなる。したがって、図１３に示すように、例えば２次の回折光である信号光Ｌ２０２ｂは、空間光変調器２６０によって、空間光変調器２６０に対して角度２θだけ回折され、入射する信号光Ｌ２０１に対して、角度θの傾きを有する方向に回折される。これによって、信号光は、光ファイバポート２１２に結合しない。このように、空間光変調器を方向Ｄ１に対して傾けて配置し、空間光変調器による１次の回折光のみを信号光の入射方向に回折することで、高次の回折光によるクロストーク特性の悪化を抑制することができる。すなわち、波長選択光スイッチ装置２００は、方向Ｄ１のブレーズド回折格子としての回折角である角度θを一定の値として、方向Ｄ２のブレーズド回折格子としての回折角を制御器により制御することによって、波長選択光スイッチ装置として動作する。したがって、本実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置２００は、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置である。なお、本実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置２００において、方向Ｄ１に対してフレネルレンズ状の位相変調を行うと、信号光の光ファイバポート２１２の方向への回折が不十分となり、結合効率が悪化するため好ましくない。
（実施例２）
　次に、実施例２として、実施の形態２に係る波長選択光スイッチ装置２００を実際に製造し、その性能を評価した。各素子の条件は、実施例１と同一である。このとき、光ファイバポート２１１から信号光Ｌ２０１を入射し、光ファイバポート２１１に信号光Ｌ２を出力させるとする。そして、空間光変調器２６０の傾く角度θを変化させるとともに、各角度θにおいてクロストークが最も改善されるように、空間光変調器２６０の屈折率の分布を制御し、各角度θにおいてクロストークがどれだけ改善されたかを計算した。図１６は、実施例２に係る波長選択光スイッチ装置における空間光変調器の角度とクロストークとの関係を表す図である。ここで、クロストークとは、高次の回折光の出力ポートから出力される出力光強度を、１次の回折光の出力ポートから出力される出力光強度で割った値である。図１６に示すように、各角度θにおいて、クロストーク特性が改善されている。特に、２°では、８ｄＢ以上の改善が見られた。したがって、本実施例２に係る波長選択光スイッチ装置２００は、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置である。
（実施の形態３）
　次に、本発明の実施の形態３に係る波長選択光スイッチ装置について説明する。図１７は、本発明の実施の形態３に係る波長選択光スイッチ装置の模式的な構成図である。この波長選択光スイッチ装置３００は、入射した光の波長ごとに光の経路をスイッチング操作する波長選択光スイッチ装置である。図１７は、波長選択光スイッチ装置３００を、波長分散素子の波長分散軸方向（方向Ｄ１で示す）と垂直の方向から見た図である。また、図１７は、入力される光を光線で示した図である。また、波長選択光スイッチ装置３００を、波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向（方向Ｄ２で示す）と垂直の方向から見た図は、図３と同一である。また、図１７は、入力される光を光線で示した図である。
　波長選択光スイッチ装置３００は、光入出力ポート３１０と、コリメータレンズアレイ３２０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３３０と、波長分散素子である回折格子３４０と、集光レンズ系である集光レンズ３５０と、空間光変調器３６０とがこの順番に配置されて構成されている。各素子および各装置は実施の形態１と同一であってよい。
　なお、実際には回折格子３４０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３３０から空間光変調器３６０までの各素子は回折格子３４０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３３０において光路が方向Ｄ１の方向にシフトすることがあるが、図１７においては、説明の簡略化のために各素子を直列に配置して示している。
　ここで、図１７に示すように、空間光変調器３６０は、方向Ｄ１に対して角度θの傾きをつけて配置されている。また、図１８は、図１７に示す空間光変調器の表示画像の一例を表す図である。図１８には、方向Ｄ１および方向Ｄ２の各方向の成分を、ある直線上で見た場合の表示画像を合わせて記載している。図１８に示すとおり、空間光変調器３６０の表示画像は実施の形態１と異なり、方向Ｄ１に対して、一定の周期を有する屈折率の分布が各周期において線形であるグラデーションとして形成され、さらに、方向Ｄ２に対して、屈折率のグラデーションがフレネルレンズ状の位相変調をするように形成されている。これによって、空間光変調器３６０は、制御器の制御により、方向Ｄ１において、ブレーズド回折格子として機能し、さらに、方向Ｄ２において、反射型フレネルレンズとして機能する。すなわち、波長選択光スイッチ装置３００は、方向Ｄ１のブレーズド回折格子としての回折角である角度θを一定の値として、方向Ｄ２の反射型フレネルレンズとしての反射角を制御器により制御することによって、波長選択光スイッチ装置として動作する。
　つぎに、波長選択光スイッチ装置３００の動作時における空間光変調器３６０の表示画像の制御について図１９を用いて説明する。ここで、図１９でも、実施の形態１の場合と同様に、空間光変調器３６０の表示画像が凸面形状のフレネルレンズを形成するように制御することを前提として説明する。図１９は、図１７に示す空間光変調器の動作時の制御について説明するための図である。図１９において、領域Ｓ３は空間光変調器３６０に入射する光のスポットサイズ、光軸ＡＣＯＭ３は空間光変調器３６０に入射する光の中央を通る光軸、光軸ＡＦＬ３は空間光変調器３６０の方向Ｄ２におけるフレネルレンズとしての光軸を表す。波長選択光スイッチ装置３００は、実施の形態１と同様に、空間光変調器３６０の光軸ＡＣＯＭ３に対する光軸ＡＦＬ３の位置を制御することにより波長選択光スイッチ装置として動作する。
　まず、図１９に示すように、たとえばＣＯＭポートから数ポート以内の近接ポートにスイッチングする場合、光軸ＡＦＬ３は空間光変調器３６０の下部に位置するように表示画像を制御する。その結果、空間光変調器３６０は、ＣＯＭポートである光ファイバポートから入力された光を、たとえばＣＯＭポートより１つ上方に位置する光ファイバポートに結合するように反射する。
　また、実施の形態１と同様に、空間光変調器３６０のスイッチングを行わない場合、光軸ＡＣＯＭ３と光軸ＡＦＬ３とが、同一直線上に配置されるように空間光変調器３６０を制御すればよい。さらに、実施の形態１と同様に、たとえばＣＯＭポートから数ポート以上離れた遠隔ポートにスイッチングする場合、光軸ＡＦＬ３は空間光変調器３６０内には位置せず、仮想的な光軸ＡＦＬ３が空間光変調器３６０の下端よりさらに下方に位置にするように表示画像を制御すればよい。
　このように、波長選択光スイッチ装置３００は、空間光変調器３６０に入射する光の中央を通る光軸に対する空間光変調器３６０の方向Ｄ２におけるフレネルレンズとしての光軸の位置を制御することにより、たとえばＣＯＭポートである光ファイバポートから入力された光を、所望の光ファイバポートに結合させることができる。
　なお、実施の形態１の場合と同様に、空間光変調器３６０の表示画像が凹面形状のフレネルレンズ（図示せず）を形成するように制御してもよい。その場合、光軸ＡＣＯＭ３に対する光軸ＡＦＬ３の位置関係と空間光変調器３６０の反射方向の上下関係とが図１９の場合とは逆転する。
　また、上記の動作は、波長選択光スイッチ装置３００に入射して回折格子３４０により空間光変調器３６０の方向Ｄ１に波長ごとに分割された各波長の光に対して行われる。図１９における幅ＳＷ３は、１つのチャネルに対応する空間光変調器３６０の領域の幅であり、１または複数の波長からなる信号光に対し割り当てられる。幅ＳＷ３は、少なくとも領域Ｓ３の方向Ｄ１における幅より大きく、たとえば、方向Ｄ１において数～１０数画素に相当する幅である。このとき、空間光変調器３６０は、各チャネルに対応する幅ＳＷ３を有する領域を、個別に制御することにより、各チャネルに含まれる光を方向Ｄ２の所定の方向に反射し、波長選択スイッチを実現する。
（実施例３）
　さらに、本実施例３に係る波長選択光スイッチ装置において、出力ポート間のクロストーク特性をより詳細に確認した。各素子の条件は、実施例１と同一である。図２０は、従来の波長選択光スイッチ装置における出力ポート毎のクロストーク特性を表す図である。図２０は、光ファイバポートが９つ形成されており、波長選択光スイッチ装置１０００のように、空間光変調器がブレーズド回折格子として機能する場合の測定結果である。入射光の１次の回折光を各出力ポートに出力した場合に、出力ポート以外（観測ポート）への出力光強度を、出力ポートの１次の回折光の出力光強度で割った値が、縦軸のクロストークである。このとき、図２０のように、クロストークの最大値は－２５ｄＢを超える。
　図２１は、実施例３に係る波長選択光スイッチ装置における出力ポート毎のクロストーク特性を表す図である。図２１は、波長選択光スイッチ装置３００のように、空間光変調器が反射型フレネルレンズとして機能し、フレネルレンズの焦点距離を最適化した場合の測定結果である。図２１のように、クロストークは最大でも－３５ｄＢ以下である。すなわち、本実施例３に係る波長選択光スイッチ装置において、クロストークを１０ｄＢ以上改善できた。したがって、本実施例３に係る波長選択光スイッチ装置３００は、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置であることが実証された。
　このように、本実施の形態３に係る波長選択光スイッチ装置３００は、実施の形態１と同様に、方向Ｄ２に対して、１次の回折光と高次の回折光とのビームウエストの位置のずれによって、クロストーク特性を改善し、さらに、実施の形態２と同様に、方向Ｄ１に対して、１次の回折光と高次の回折光の回折方向をずらすことによってクロストーク特性を改善している。したがって、本実施の形態３に係る波長選択光スイッチ装置３００は、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置である。
　以上、説明したように、上記実施の形態によれば、良好なクロストーク特性を有する波長選択光スイッチ装置を提供することができる。
　なお、本発明の実施の形態１，３等においては、アナモルフィック光学系としてアナモルフィックプリズムペアを用いた物を記載しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、集光レンズ２５０を、Ｄ１方向とＤ２方向とについて焦点距離が異なるレンズ（例えば複数のシリンドリカルレンズを組合わせたもの）としても良い。
　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。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。
　以上のように、本発明に係る波長選択光スイッチ装置は、光通信の分野に利用して好適なものである。
　１００，２００，３００，１０００　波長選択光スイッチ装置
　１１０，２１０，３１０，１０１０　光入出力ポート
　１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，２１１，２１２，２１３，２１４，２１５，１０１１，１０１２，１０１３，１０１４，１０１５　光ファイバポート
　１２０，２２０，３２０，１０２０　コリメータレンズアレイ
　１２１，１２２，２２１，２２２，１０２１　コリメータレンズ
　１３０，３３０，１０３０　アナモルフィックプリズムペア
　１３１，１３２，３３１，３３２　プリズム
　１４０，２４０，３４０，１０４０　回折格子
　１５０，２５０，３５０，１０５０　集光レンズ
　１６０，２６０，３６０，１０６０　空間光変調器
　１６１　シリコン基板
　１６２　画素電極群
　１６３　液晶層
　１６４　配向膜
　１６５　ＩＴＯ電極
　１６６　カバーガラス
　１６７　光入射層
　ＡＣＯＭ１，ＡＣＯＭ３，ＡＦＬ１，ＡＦＬ３　光軸
　Ｄ１，Ｄ２　方向
　ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ１００１，ｄ１００２，ｄ１００３　距離
　ｆ１，ｆ１００１　焦点距離
　θ　角度
　Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ２，Ｌ２０１，Ｌ２０２ａ，Ｌ２０２ｂ，Ｌ３０１，Ｌ３０２ａ，Ｌ３０２ｂ，Ｌ１００１，Ｌ１００２　信号光
　Ｓ１，Ｓ３　領域
　ＳＷ１，ＳＷ３　幅
　Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ１００１，Ｗ１００２，Ｗ１００３　ビームウエスト

Claims (9)

  1. 　外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、
    　前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、
    　前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する、２次元配列された複数の位相変調素子を有する空間変調器と、
    　前記光入出力ポートと前記空間変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
    　前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、
    　前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、
    　を備え、前記空間変調器は、前記波長分散素子の波長分散軸方向に対する前記集光レンズ系のビームウエストの位置に配置され、前記波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合することを特徴とする波長選択光スイッチ装置。
  2. 　前記空間変調器は、異なる波長を有する２以上の波長帯に対して、前記スイッチ軸方向に異なる曲率を有するフレネルレンズ状の位相変調を形成することを特徴とする請求項１に記載の波長選択光スイッチ装置。
  3. 　外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、
    　前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、
    　前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する空間変調器と、
    　前記光入出力ポートと前記空間変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
    　前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、
    　を備え、前記空間変調器は、前記集光レンズ系の波長分散軸方向に対するビームウエストの位置に、前記波長分散素子の波長分散軸方向において、前記波長分散軸と傾けて配置され、前記波長分散軸方向に回折格子状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合することを特徴とする波長選択光スイッチ装置。
  4. 　前記空間変調器は、前記波長分散軸方向に回折格子状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光が所望の出力ポートへ結合することを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択光スイッチ装置。
  5. 　前記空間変調器は、異なる波長を有する２以上の波長帯に対して、前記波長分散軸方向に異なる反射角を有する回折格子状の位相変調を形成することを特徴とする請求項１または４に記載の波長選択光スイッチ装置。
  6. 　前記光入出力ポートの光軸と、前記集光レンズの光軸とが、離間していることを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載の波長選択光スイッチ装置。
  7. 　前記光入出力ポートおよび該光入出力ポートに対応する前記コリメータレンズの間隔が、不等間隔であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１つに記載の波長選択光スイッチ装置。
  8. 　外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、
    　前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、
    　前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する、２次元配列された複数の位相変調素子を有する空間光変調器と、
    　前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
    　前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、
    　前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、
    　を備え、前記空間光変調器は、前記波長分散素子の波長分散軸方向に対する前記集光レンズ系のビームウエストの位置に配置される波長選択光スイッチ装置の制御方法であって、
    　前記空間光変調器によって前記波長分散素子の波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向にフレネルレンズ状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光を所望の出力ポートへ結合させることを特徴とする波長選択光スイッチ装置の制御方法。
  9. 　外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも１つのポートを有する光入出力ポートと、
    　前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、
    　前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する空間光変調器と、
    　前記光入出力ポートと前記空間光変調器との間に配置され、前記光入出力ポートと前記空間光変調器とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
    　前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に設けられた波長分散素子と、
    　を備え、前記空間光変調器は、前記集光レンズ系の波長分散軸方向に対するビームウエストの位置に、前記波長分散素子の波長分散軸方向において、前記波長分散軸と傾けて配置される波長選択光スイッチ装置の制御方法であって、
    　前記空間光変調器によって前記波長分散軸方向に回折格子状の位相変調を形成し、該形成した位相変調による１次の回折光を所望の出力ポートへ結合させることを特徴とする波長選択光スイッチ装置の制御方法。
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