JP4659846B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、光信号処理装置に関する。より詳細には、レンズを含む光信号処理回路に関する。

光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送信号の処理に代表されるような光信号処理装置へのニーズも高まっている。例えば、多重化された光信号をノード間で経路切り替えする機能が要請されている。光−電気変換を経ないで、光信号のまま経路変換を行なうことで、光信号処理装置の高速化が進められている。

一方、光信号処理装置の小型化・集積化の観点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英系ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスを実現している。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品とを組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。

例えば、特許文献１には、ＡＷＧなどを含む導波路型光回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの信号処理素子とを組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣおよびコリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。

図８は、光信号処理装置の一例を概念図で示したものである。この光信号処理装置では、分光素子５１を経由して光信号が入出力される。分光素子５１は、異なる波長を持つ複数の光信号を、その波長に応じた出射角度θで分波する。分波された光信号は、集光レンズ５２へ向かって出射する。集光レンズ５２によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、強度変調、位相変調または偏向する機能を持つ信号処理素子５３の所定の位置の各集光点に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、光信号は信号処理素子の異なる位置に集光されることに留意をされたい。信号処理素子５３は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は強度変調などを受け、所定の信号処理機能が実現される。信号処理を受けた光信号は、ミラー５４で反射されて進行方向を反転させる。光信号はさらに集光レンズ５２を通って、再び分光素子５１において合波される。一般によく知られているように、分光素子５１は、進行方向によって光信号を合波することもできる。合波された各波長の光信号は、再び出力光として、光信号処理装置外へ出力される。

図８において、分光素子５１は概念的に示したものであり、光信号の波長に応じて分波および合波をできるものであれば良い。例えば、分光素子には、グレーティング、プリズム、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）などがある。信号処理素子は、光信号の強度もしくは位相、または強度および位相を変調できるもの、または光信号の進行方向を偏向できるものであれば良い。例えば、信号処理素子には、液晶素子、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、非線形結晶などがある。

図８に示した光信号処理装置は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つの分光素子によって光信号の分波および合波の両方を行なう構成である。この構成は、一般に反射型と呼ばれている。波長ブロック等の光信号処理を行なう装置は、この構成だけに限られない。例えば、図８のミラーを使用せずに、信号処理素子を対称軸の位置とし、入射光路軸の延長線上であって入射系の反対側に、もう１つのレンズおよび分光素子からなる出射系を配置した構成も可能である。この構成は、独立した入射系および出射系を経由して、それぞれ光信号の分波および合波を行なう構成であり、透過型と呼ばれている。さらに、図８の装置構成において、ミラーの向きを変えることによって、任意の位置に配置された、もう一組のレンズおよび分光素子からなる出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。例えば、ミラーの反射面を光信号の入射光路に対して４５度傾けて、入射光路に対して垂直方向に配置されたレンズおよび分光素子により出射系を構成することも可能である。また、信号処理素子が偏向機能を持つ場合は、複数の出射系を備えることもできる。

図８において、分光素子５１と集光レンズ５２とは、前焦点距離ＦＦＬだけ離して配置され、信号処理素子５３と集光レンズ５２とは後焦点距離ＢＦＬだけ離して配置される。集光レンズ５２によって集光される光の焦点は、使用されるすべての波長においてミラー５４の面上に位置しなくてはならない。ミラー面上から焦点位置ずれると、入出力光間の結合損失を生じる問題が起こる。同時に、集光された光信号のビームスポット径が大きくなることから、信号処理の波長分解能が低下する問題を生じる。

また、信号処理素子５３は、波長ごとに選択的に光信号の変調を行なうために、空間的に周期的な構造を備えている必要がある。例えば、信号処理素子５３が液晶素子の場合、液晶素子の要素素子の構造は、分光素子および集光レンズの光学特性に合わせて設計されなければならない。

より具体的には、信号処理素子上における集光位置の波長依存性は、分光素子の角度分散値に集光レンズの焦点距離を乗じたものに従うことが知られている。集光位置の波長依存性は、分光光学系の線分散値とも呼ばれる。分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値にずれがあれば、実際の光信号の集光点の位置は信号処理素子の個々の要素素子（例えば、液晶シャッター素子のピクセル）の位置と一致しなくなる。この不一致のため、信号処理される光信号の波長誤差が生じる。

特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など） 「光学の原理I」マックス・ボルン、エミル・ウォルフ 著、草川徹、横田英嗣 訳、東海大学出版会、1974、第Ｖ章

しかしながら、従来の光信号処理装置では、レンズを含む光学系において発生する光結合損失の低減がまだ十分でない問題があった。図８に示したように、従来の反射型の光信号処理装置は、分光素子および信号処理素子の間に集光レンズを１つ配置する構成であった。また、透過型の光信号処理装置は、分波用の分光素子および信号処理素子間の光路ならびに信号処理素子および合波用の分光素子間の光路に、それぞれ集光レンズを１つずつ配置する構成であった。このような従来の光信号処理装置で使用されてきたレンズは、安価で一般的な単レンズである。一般の結像レンズは、上述の光信号処理装置の光学系に求められる光学特性を十分考慮して最適化がなされたものではなかった。

上述の信号処理素子を含む光信号処理装置においては、レンズの配置位置の観点から、次のような光学特性が必要とされる。通常の結像レンズにおいては、絞り位置はレンズ中央部、あるいは組レンズの内部にあるのが一般的である。これに対し、本光信号処理装置においては、分光素子の構造によって出射ビーム幅が決定される。したがって、分光素子の出射端に絞り位置があるとみなされるため、通常の結像レンズの場合とは異なるレンズ仕様の最適化が必要である。

本光信号処理装置は光結合系の構成であるため、光線は、信号処理素子およびミラーに対して垂直に入射する必要がある。結像レンズにおいては、像テレセントリックレンズがこの要請を満たすものである。この条件から、分光素子の出射端が絞り位置であるだけでなく、さらに集光レンズのＦＦＬ（前焦点）の位置となるように、集光レンズを配置する必要がある。

さらにレンズ固有の光学性能の観点から、色収差、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲および歪曲などの検討が必要である。これらの中で、レンズの球面収差は、空間光学系を含む光信号処理装置における過剰損失の原因となる光結合損失を大きく左右する。

図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、光信号処理装置における集光レンズの球面収差を説明する図である。図９（Ａ）は、分光素子としてＡＷＧ６１を用いた反射型の光信号処理装置の構成を示している。ＡＷＧ６１は、よく知られているように、入力導波路６４、スラブ導波路６３、および隣合う光導波路間で一定の光路長差ΔＬを持つ多数の光導波路を含むアレイ導波路６２を備えている。ＡＷＧ６１の出射端面の近傍には、アレイ導波路６２の端面開口部をからの光信号をＡＷＧ基板厚さ方向に集光するシリンドリカルレンズ５５が配置される。ＡＷＧ６１の出射端面から波長に応じた出射角度で出射する光信号は、アレイ導波路６２の構造で決定される所定のビーム幅Ｗを持ち、空間光学系において信号処理される。空間光学系には、既に述べたように、集光レンズ５２、信号処理素子５３、ミラー５４が配置されている。

所定のビーム幅Ｗを持つ光信号は、集光レンズ５２によって、ミラー５５の表面上の１点に集光される。しかしながら、実際にはＡＷＧから出射する光信号は一定のビーム幅Ｗを持っているため、光信号のうちでレンズの光軸から離れた光線の焦点位置は光軸上を進む光線の焦点位置と光軸方向にずれが生じてくる。

図９（Ｂ）は、球面収差が生じているときのミラー近傍部の光線を示しており、図９（Ａ）のミラー面近傍のＡ部を拡大して示した図である。ＡＷＧ６１から出射するビームにおいて、集光レンズの光軸上に近い光路を通る光線６６は、ミラー５４の表面上の１点に集光している。しかし、集光レンズの光軸から離れた光路を通る光線６５ａ、６５ｂは、ミラー表面よりもΔｚの距離だけ集光レンズ５２側で焦点を結ぶ。この焦点距離の差Δｚを、縦球面収差と呼ぶ。縦球面収差Δｚは、集光レンズを通る光線の光軸中心からの距離が一定の範囲では、光線が光軸より離れるほど増加するので、光信号のビーム幅Ｗが広いほど球面収差の影響を大きく受ける。光信号処理装置において、球面収差は、空間光学系における光結合損失として影響を及ぼす。

光信号処理装置の性能に影響するレンズ収差には、他に、コマ収差および像面湾曲がある。これらの収差は、軸外光線、すなわち分光素子の中心波長以外の波長において、光結合損失を生じる原因となる。この光結合損失が発生する結果、光信号処理装置は意図しない波長依存を持つこととなり、光信号処理装置の信号処理性能は低下する。

１枚のレンズで構成する単レンズでは、これらの収差が大きくなることを避けることはできない。また、像面湾曲等の特定の収差を補正するために、レンズ形状やレンズの組合せを最適化しても、他の球面収差を逆に悪化させてしまう場合もある。球面収差は、非球面レンズを利用したり、複数のレンズを使用したりして減らすこともできる。しかしながら、多数の高価なレンズを使用する必要がある。光信号処理装置において多数のレンズを含む場合には、調整工程が煩雑となるため、材料および製造コストの面からも、球面単レンズを使用しかつ光結合損失を減らすことが望ましい。

上述のように、従来の光信号処理装置は、単レンズを含む空間光学系において発生する光結合損失の低減がまだ十分でなく、さらに高価なレンズを複数個使用する場合には、調整工程も煩雑となり、装置コストも高くなる問題点があった。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、集光レンズの球面収差の影響を抑えて、光結合損失の少ない光信号処理装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、光信号が入射する入力導波路と、前記入力導波路と第１の境界面において接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路と第２の境界面において接続された複数のアレイ導波路とを有し、前記複数のアレイ導波路の出射端面から前記分光された光信号が出射するＡＷＧと、前記ＡＷＧから出射された光信号を集光させる集光手段と、前記集光された光信号を変調する信号処理手段とを備え、前記集光手段における収差によって発生する光路長差を相殺するように、前記ＡＷＧの前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の光学長が、前記出射端面の開口部の中心位置からの前記出射端面を含む軸の位置ρに対して、ρの４次以上の偶関数で表される光学長差を生成するよう構成され、前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の前記光学長Ｌ（ρ）は、Ｌｏ、ｄＬ、ｒ _ａ を定数、βを０でない定数、χを３次以上の関数として、式

により表されることを特徴とする光信号処理装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光信号処理装置であって、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置において、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、光信号が入射する入力導波路と、前記入力導波路と第１の境界面において接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路と第２の境界面において接続された複数のアレイ導波路とを有し、前記複数のアレイ導波路の出射端面から前記分光された光信号が出射するＡＷＧと、前記ＡＷＧから出射された光信号を集光させる集光手段と、前記集光された光信号を変調する信号処理手段とを備え、前記集光手段における収差によって発生する光路長差を相殺するように、前記ＡＷＧの前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の光学長が、前記出射端面の開口部の中心位置からの前記出射端面を含む軸の位置ρに対して、ρの４次以上の偶関数で表される光学長差を生成するよう構成され、前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の前記光学長Ｌ（ρ）は、Ｌｏ、ｄＬ、ｒ_ａを定数、βを０でない定数として、式

により表されることを特徴とする光信号処理装置である。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光信号処理装置であって、前記βρ^４または前記βρ^４＋χ（ρ^２）の４次以上の偶関数で表される光学長差を与えるために、前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む各経路の実空間長を、前記経路ごとに変えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または２に記載の光信号処理装置であって、前記βρ^４または前記βρ^４＋χ（ρ^２）の４次以上の偶関数で表される光学長差を与えるために、前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む各経路の一部の実効屈折率を、前記経路ごとに変えることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の光信号処理装置であって、前記実効屈折率は、前記スラブ導波路上の一部または前記アレイ導波路の上の一部に配置された温度制御可能なヒータにより変えられることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載の光信号処理装置であって、前記集光手段は、球面単レンズであることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６いずれかに記載の光信号処理装置であって、前記集光手段の焦点距離をｆとしたとき、βは、

の範囲にあることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光信号処理装置の空間光学系における光結合損失を大幅に低減させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の光信号処理装置は、使用するレンズによって生じる球面収差に基づいて、予めこの球面収差を補償する等位相波面を生成できるようにＡＷＧのアレイ導波路を構成したことを特徴とする。集光レンズの球面収差自体を減らすのではなく、ＡＷＧから出射される光信号の波面形状に着目して、通常は平面波または球面波の光信号が利用される空間光学系へ、非平面波であり非球面波である光信号を出射するようアレイ導波路を構成し、安価な構成のレンズを利用した光結合損失の少ない光信号処理装置を提供する。以下、詳細に、本発明に光信号処理装置の構成および設計手順を説明する。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本発明の光信号処理装置の概念を説明する図である。図１（Ａ）は、分光素子としてＡＷＧ１を用いた反射型の光信号処理装置を示しており、ＡＷＧ１はよく知られているように、入力導波路１４、スラブ導波路１３および本発明に特有のアレイ導波路１２を含んでいる。ＡＷＧ１の出射端面の近傍には、シリンドリカルレンズ５が配置される。ＡＷＧ１の出射端面から波長に応じた出射角度で出射する光信号は、アレイ導波路１２の構造で決定されるビーム幅Ｗを持ち、空間光学系において信号処理される。空間光学系には、従来技術と同様に、集光レンズ２、信号処理素子３、ミラー４が配置されている。本発明の光信号処理装置は、ＡＷＧから球面収差の影響を受けないような特徴的な波面を持つ光信号を出射するように、ＡＷＧ１が構成されているところに特徴がある。

図１（Ｂ）は、本発明の光信号処理装置におけるＡＷＧの端面とミラー近傍の光信号の様子を説明する概念図である。通常、ＡＷＧの基板端面から空間光学系へ出射する光信号は、その等位相面が平面である平面波となるようにアレイ導波路１２が構成されている。すなわち、ＡＷＧの出射端面の近傍のアレイ導波路の各導波路は、平行であって、隣合う各導波路の光路長差が一定長さΔＬとなるように構成されている。一方、本発明では、ＡＷＧ１の出射端面１６において、空間光学系へ等位相面が非平面かつ非球面である非球面波１５の光信号が出射されるようにアレイ導波路１２が構成されている。

この非球面波１５の等位相面の波面形状は、次のような手順で、集光レンズ２の球面収差Δｚが０とするように決定される。まず、光信号処理装置において使用する集光レンズの構造を決定する。例えば、集光レンズとして平凸球面単レンズを選択し、その焦点距離ｆを決定する。

次に、ミラー４の表面の１点からガウス形状の平面波が集光レンズ２を経由して、ＡＷＧ１の端面Ａへ向かって伝播したものとして、端面Ａにおける等位相面の波面形状を計算する。

次に、上で求めた等位相の波面と光学的に位相共役の関係にある波面を生成するように、ＡＷＧの構成を決定する。位相共役の関係にある所望の波面を形成するための具体的手段として、例えば、アレイ導波路の各導波路の長さを調整することができる。上述の位相共役の関係にある波面は、図１（Ｂ）においては、上記の求められた波面形状を持つ光信号が、集光レンズを経由してミラー４上の１点に球面集差Δｚ＝０の状態で集光することに対応付けられる。

ここで、本発明の特徴的な波面を持つ光信号を出射するＡＷＧの構成についてより解析的に説明する。ＡＷＧの各経路により与えられる光学長は、その経路を伝播する光信号が出射するアレイ導波路端面の中心Ｘ_０からの距離ρの関数として、以下のように求められる。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、ＡＷＧにおける光学長の計算方法を説明する図である。図２（Ａ）は、一般的なＡＷＧ１の構成を示す。入力導波路１４は、接続面Ｃにおいてスラブ導波路１３に接続されている。スラブ導波路１３は、接続面Ｂにおいてアレイ導波路１２に接続され端面Ａから光信号が出射される。ここでアレイ導波路の出射端面の中心Ｘ_０からの距離ρの位置から出射する光路２１の、接続面Ａから出射端面Ｃまでの光学長を、次式により表すことができる。

ここで、光学長Ｌ（ρ）は実際の光路長に導波路実効屈折率を乗じたものである。Ｌ_０、ｄＬ、ｒ_ａはそれぞれ定数であり、βは０でない定数である。χ（ｘ）は３次以上の関数である。χ（ｘ）においてｘにρ^２を入力することにより、χ（ｘ）が３次関数であればρ^６、４次関数であればρ^８となり、ρの高次の偶関数を示している。

式（１）における第１項は、ＡＷＧ１内に配置されたスラブ導波路１３およびアレイ導波路１２の位置により決定される一定値の長さを表す。第２項は、ＡＷＧ１に分光手段としての機能を与えるために必要なアレイ導波１２の光路長差を示す。ｒ_ａを含む第３項は、出射端面Ａからの出射光線を空間系において収束させる場合に与えられるもので、出射光により円弧状波面を形成するために与えられる光路長差に対応する。ｒ_ａは、焦点距離を決定するパラメータ値である。尚、出射端面Ａから平面波を出射する場合には、第３項は０とみなされる。以上説明した式（１）の第１項から第３項までの各項は、従来技術のＡＷＧの導波路設計に用いられてきた光路長を決定する項である。

本発明のＡＷＧにおいては、さらに、ρの高次の偶数次項で表される光学長を与えることによって、集光レンズにおける球面収差を補償する点に１つの特徴がある。式（１）の第４項は、ρの４次の項であり、係数βを対象となる集光レンズの持つザイデルの球面収差に起因する収差の逆符号に相当する値に設定することにより、この収差を補償ができる。また、χで規定される第５項は、対象となる集光レンズの５次以上の高次の球面収差の逆符号に相当する値に設定することにより、同様にこの収差を補償できる。上述の対象となる集光レンズの各収差は、収差測定器を用いて集光光学系を評価して求めることができる。また、光学シミュレーションにより求めることもできる。尚、集光光学系の高次の球面収差が小さい場合には、第５項のχを０として第４項だけでも、十分に対象の球面レンズの収差を補償することができる。

一般に、軸対称のレンズを透過して得られる波面は光軸に対して対称な形状であるので、ＡＷＧが備えるべき位相特性は、ＡＷＧの分波面ｘ−ｚ面のｘ軸についてｘ＝０を中心として対称の偶関数となる。

ここで、球面単レンズについて、本発明のＡＷＧを適用する例を以下で説明する。球面単レンズは、低コストであるため光信号処理装置に利用するメリットを持つが、球面収差が比較的大きい。したがって、球面単レンズに対して、本発明のＡＷＧによる球面収差の補償を最も効果的に利用できる。

図３は、球面単レンズの収差を説明する図である。ＡＷＧ１、ミラー４および信号処理素子３を含む光信号処理装置における球面単レンズ２について検討する。球面単レンズ２の有効焦点距離をｆ、レンズ材料の屈折率をｎ、レンズのＡＷＧ側の第１面の曲率半径およびレンズのミラー側の第２面の曲率半径をそれぞれＲ１およびＲ２とする。ここで、レンズの形状を表す形状係数を次式のように定義する。

球面単レンズの厚みが薄い場合は、良く知られたザイデル収差の解析から、レンズの球面収差φ_ＳＡは次式により求められる。

ここで、φ_ＳＡは、出射瞳上の光路差であるが、ＡＷＧ１から平行光線を出射する場合は、ほぼ入射瞳、すなわちＡＷＧ１の出射端Ａでの光路差と同じとみなすことができる。以下の式に従って、位置ρを経由する各アレイ導波路における光路長を、前述の式（１）における第４項に対応させて、ΔL_ＳＡ(ρ)だけ長くすることによって、レンズの球面収差を補正することができる。

式（５）および式（１）の第４項の係数を対比することによって、式（６）が得られる。

式（４）から、球面収差の絶対値は、次式のｑ値において最小値をとることがわかる。

一方、光信号処理装置の波長平坦特性に影響を与える像面湾曲およびコマ収差の各絶対値は、同様の解析により、次式のｑの値においてそれぞれ最小値をとることが知られている。

式（８）および式（９）より、像面湾曲およびコマ収差については、球面収差φ_ＳＡはそれぞれ異なるｑ値において最小値をとるので、像面湾曲およびコマ収差を同時に最小とすることは難しかった。そこで、像面湾曲およびコマ収差の２つのバランスをとるために、ｑ値が式（８）および式（９）の中間の範囲である場合の球面単レンズの球面収差を、本発明のＡＷＧによって補償することが妥当である。したがって、適切なβの範囲を求めれば次式の範囲となる。

ここで、一般に利用可能な光学ガラスの屈折率を１．４〜２．２とすると、ＡＷＧにより補償するρの４次項の係数βの範囲は、次式となる。

βが式（１１）の範囲となるようにＡＷＧのρに関する４次の項を持つ光学長を付与することで、球面単レンズの球面収差およびコマ収差をバランスよく補償することができる。

式（１）における第４項以降を含む光路長Ｌ（ρ）を与える手段としては、様々な方法を利用できる。最も簡単な方法は、入力導波路およびスラブ導波路の接続端（図２における接続面Ｃ）からスラブ導波路ならびにアレイ導波路を経て、ＡＷＧの出射端Ａに至るまでの実空間長を、各アレイ導波路を経由する経路毎に変えることである。したがって、式（１）におけるアレイ導波路自体の分波特性を決定する第３項を含めて、ρの４次の項を持つ第４項以降の光学長を実現するように、各光路の実際の長さを設計時に調整することが簡便である。各光路の長さの調整は、各光路が完全に分離して構成されるアレイ導波路の長さを調整する。または、スラブ導波路とアレイ導波路の接続面の形状を調整することもできる。

式（１）のL（ρ）の第３項以降を与える別の方法として、導波路の実効屈折率を調整することもできる。導波路の実効屈折率は、導波路の断面形状、材料、温度または圧力を変化させる事によって調整できる。また、設計時にアレイ導波路の幅を調整する、作製時に材料組成を調整することによって目的の光路長を与えることもできる。

導波路の実効屈折率は、一般に温度依存を持つ。石英系ガラス導波路の場合、屈折率は温度に対して正の依存を持つ。正のβを与える場合は、ρの絶対値が大きい位置にある導波路を、より加熱すれば良い。具体的には、導波路上に、ρの４乗に比例する距離を一定温度に加熱するヒータを装荷することによって実現できる。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、ヒータを装荷する具体的な構成例を示す図である。図４（Ａ）は、アレイ導波路の出力端Ａの近傍にヒータ２７ａを装荷した構成例を示す。図４（Ｂ）は、スラブ導波路上にヒータ２７ｂを装荷した構成例を示す。以下、より具体的なＡＷＧの設計例を説明する。

第１の実施例：
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施例に係る光信号処理装置のＡＷＧが生成する波面を説明する図である。使用する集光レンズとして、焦点距離ｆが３０ｍｍの両凸レンズを選択した場合を考える。この両凸レンズは、一定量の球面収差を持っており、前述の式（２）で定義した形状係数ｑの値は０である。本両凸レンズを集光レンズとして、反射型の光信号処理装置を構成した場合、従来の平面波を出射するＡＷＧを用いて光信号を空間に出射したときの空間光学系における光結合損失は、２．０１ｄＢであった。中心波長は、１．５５μｍである。

この両凸レンズに対して、光学シミュレータを用いて、ＡＷＧの端面位置における波面形状を求めた。すなわち、ミラー表面上の１点から出たガウス形状の平面波による光線束に対して、焦点距離ｆだけ離れて位置する上記の両凸レンズを透過し、さらに両凸レンズから焦点距離ｆだけ離れた位置における光線により形成される等位相波面を計算することができる。両凸レンズの球面収差のために、この等位相波面は平面とならない。図５（Ｂ）は、この計算された非平面の等位相波面に対して位相共役の関係にある波面の、ＡＷＧ端面位置における位相を示したものである。

図５（Ｂ）は、上述の位相共役の関係にある波面の位相特性を表現するグラフである。横軸は、分波面（ｘ−ｚ面）におけるｘ軸方向でＡＷＧのアレイ導波路中心からの位置ρ（ｍｍ）を示し、縦軸は、位相φを波数単位で表示したものである。縦軸に、ピーク強度で正規化した光強度分布も示した。実線で表示された位相φからわかるように、アレイ導波路の中心（ρ＝０）の位相を基準として、アレイ導波路の両端部に向かって徐々に位相が遅れた波面となっている。そこで、本発明の光信号処理装置では、このような位相φを持つ波面を生成するようにＡＷＧのアレイ導波路を構成する。

図５（Ｂ）のような等位相波面を持つ光信号を出力するようにＡＷＧを構成する方法として、最も簡単には、アレイ導波路の各導波路長を位相φに応じて変調することにより実現できる。通常のアレイ導波路の各導波路は、隣合う光導波路間で一定の光路長差ΔＬを持っているが、本発明では、図５（Ｂ）の位相特性を持つように、アレイ導波路の各光導波路長を変調する。具体的には、各位置ρから出射する経路にあるアレイ導波路の長さを、次式の長さΔＬｓ（ρ）だけ長くする。
ΔＬｓ（ρ）＝ φ×λ／ｎ_ｅｆｆ 式（１２）
ここで、φは図５（Ｂ）における波数単位の位相量を、λは使用波長を、ｎ_ｅｆｆはアレイ導波路の実効屈折率を示す。アレイ導波路の導波路長を式（１２）に従って、ρに応じて順次変化させることにより、図５（Ｂ）に示した位相特性を持つ非平面の光信号が空間光学系に出射される。この時、図５（Ｂ）の波面位相特性を持つ光信号は、球面収差を持つ平凸単レンズを透過しても、図５（Ｂ）の波面位相と光学的に位相共役の関係にある最初に波面を計算した光線束の起点であるミラー表面上の１点に集光する。従って、球面収差を持った集光レンズを使用しても、本発明の位相特性を持つように構成されたＡＷＧから光信号を出射させることで、球面集差に起因する光結合損失を抑えることができる。

図５（Ｂ）に示された位相の曲線を多項式フィッティングすると、式（１）における第４項のβおよびχ（ｘ）として、次の値が得られる。
β＝１．１６×１０^−５（ｍｍ^−３）
χ（ｘ）＝３×１０^−９（ｍｍ^−５）・ｘ^３ （＝３×１０^−９（ｍｍ^−５）・ρ^６）
図５（Ｂ）に対応する等位相面を持つように各導波路の長さを構成したＡＷＧを用いて反射型光信号処理装置を構成した場合、対応する空間光学系の光結合損失は、０．０１ｄＢであった。すなわち、球面単レンズの球面収差に起因する光結合損失をほとんど無視できる程度まで減らすことができる。

上述のように、本発明の光信号処理装置によれば、集光レンズの球面収差に起因する光結合損失を大幅に抑えることができる。安価な球面単レンズを使用したままで、光結合損失を大幅に抑えることができるので、光信号処理装置の低コスト化を実現できる。

尚、所望の等位相面を持つ光信号を出射するようにＡＷＧを構成する方法には、アレイ導波路の各導波路長さを調整するだけでなく、他の方法によっても実現できる。例えば、各導波路の幅を調整したり、各導波路上にヒータを設けてヒータによる温度制御したりすることにより、実効屈折率を変化させることができる。

第２の実施例：
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、２枚の球面レンズを用いた組み合わせレンズに適用した実施例の構成を説明する図である。平面波を出射するＡＷＧ（出射ガウスモード半径２ｍｍ）と、焦点距離１６ｍｍの２枚組み球面レンズ１７、１８を集光レンズとして用いて反射型配置の空間光学系装置を構成した。２枚組みレンズは、コマ収差、像面湾曲および非点収差が最小となる様に最適化したものである。

図６（Ａ）は、２枚の球面レンズの仕様を示す表を表す図である。レンズの面番号は、図６（Ｂ）の左側から順に、レンズ１７に対して面番号１、２およびレンズ１８に対して面番号３、４とする。

式（１）における第４項以降を含まない従来技術のＡＷＧを用いた場合、空間光学系部分での過剰損失は、中心波長（１．５５μｍ）で２．６６ｄＢ、長波長端（１．５７μｍ）および短波長端（１．５３μｍ）で、それぞれ３．９３ｄＢであった。

レンズ設計時に算出した球面収差に基づいて、式（１）により与えるべき光路長のρの４次項の係数βは、β=３．１６×１０^−５（ｍｍ^−３）であった。

上記β値に基づいて、アレイ導波路の長さをβ(ρ）だけ長くした設計のＡＷＧを用いたところ、空間光学系部分での過剰損失は、中心波長（１．５５μｍ）で０．０７ｄＢ、長波長端（１．５７μｍ）および短波長端（１．５３μｍ）でそれぞれ０．７４ｄＢになった。２枚の球面レンズの組み合わせを利用した場合でも、本発明の球面収差を補償する等位相波面を生成できるようにアレイ導波路を構成したＡＷＧにより、空間光学系部分において発生する過剰損失を大幅に減らすことができる。

第３の実施例：
図７は、ヒータにより光路長を変化させる実施例の構成を説明する図である。本実施例では、実施例１における比較例として説明した平面波を出射する従来技術のＡＷＧに、光路長を変化させるヒータを備えている。アレイ導波路が構成された領域の上面に、図７のような細線ヒータ２３を形成した。細線ヒータ２３の両端は、配線２２を経由して電源２６に接続されている。ＡＷＧ出射光のガウスビーム半径は２ｍｍである。ヒータ２３は、各アレイ導波路１２上のアレイ導波路方向の加熱領域の長さＬＨが、次式を満たすように折り返して形成した。
ＬＨ=（０．０３２[ｍｍ^−３]）・ρ^４ 式（１３）
ρは、分波面におけるｘ軸方向でＡＷＧのアレイ導波路中心Ｘ_０からの距離である。ここで、式（１３）は、式（１）におけるρの４次の光路長差を与える第４項に対応することに留意されたい。

ヒータ細線２３は、局所的な温度ムラが生じないように一定の密度を維持しながら配置した。ヒータの作製方法は、導波路型熱光学光スイッチの作製で一般に用いられている手法を使っている。図７には記載されていないが、本実施例は、電源２６によりヒータへ与える電力量を調整する手段も備えている。

実施例１と同じ構成の空間光学系の光信号処理装置を用いて、空間光学系における光結合損失による過剰損失を評価した。過剰損失が最小値となる様に、ヒータに与える電力を調整することによって、過剰損失は初期値の２．０１ｄＢから０．１５ｄＢまで減少した。この時、ヒータ温度は、室温＋３５℃であった。上述のように、アレイ導波路を従来技術の構成としたままで、ヒータによる温度制御により、実効屈折率を変化させる方法によっても、球面端レンズの収差を補償する非平面波の等位相波面を生成できるようにＡＷＧを構成できる。アレイ導波路の各導波路の実際の長さを変更することなく、ヒータの加熱量によって収差による光結合損失を最小化する微調整ができる。

以上、詳細に述べたように、本発明の光信号処理装置によれば、空間光学系における光結合損失を大幅に低減させることができる。

本発明は、光通信に使用される光信号処理装置へ利用できる。波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などへの応用が可能である。

本発明の光信号処理装置の概念を説明する図である。 ＡＷＧにおける光学長の計算方法を説明する図である。 球面単レンズにおける収差を説明する図である。 (Ａ)はヒータを装荷する具体的構成例を示す図で、(Ｂ)はヒータを装荷する別の具体的構成例を示す図である。 (Ａ)は第１の実施例に係る光信号処理装置のＡＷＧが生成する波面を説明する図で、(Ｂ)は第１の実施例に係る光ＡＷＧの位相特性を説明する図である。 (Ａ)は第２の実施例の２枚の球面レンズを用いた組み合わせレンズ構成を説明する図で、(Ｂ)は第２の実施例のレンズ構成を説明する図である。 ヒータにより光路長を変化させる第３の実施例の構成を説明する図である。 従来の光信号処理装置の概念的な構成図である。 集光レンズの球面収差を説明する図である。

符号の説明

１、６１ ＡＷＧ
２、１７、１８、５２ 集光レンズ
３、５３ 信号処理素子
４、５４ ミラー
５、５５ シリンドリカルレンズ
１２、６２ アレイ導波路
１３、６３ スラブ導波路
１４、６４ 入力導波路
１５、２５ 非平面波
１６ 出射端面
２１ 光学長Ｌ（ρ）の経路
２３ ヒータ細線
２６ ヒータ電源
２７ａ、２７ｂ ヒータ加熱領域
５１ 分光素子

Claims (7)

1. 光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置において、
   光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、光信号が入射する入力導波路と、前記入力導波路と第１の境界面において接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路と第２の境界面において接続された複数のアレイ導波路とを有し、前記複数のアレイ導波路の出射端面から前記分光された光信号が出射するＡＷＧと、
   前記ＡＷＧから出射された光信号を集光させる集光手段と、
   前記集光された光信号を変調する信号処理手段とを備え、
   前記集光手段における収差によって発生する光路長差を相殺するように、前記ＡＷＧの前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の光学長が、前記出射端面の開口部の中心位置からの前記出射端面を含む軸の位置ρに対して、ρの４次以上の偶関数で表される光学長差を生成するよう構成され、
   前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の前記光学長Ｌ（ρ）は、Ｌｏ、ｄＬ、ｒ _ａ を定数、βを０でない定数、χを３次以上の関数として、式
   

   

   により表されることを特徴とする光信号処理装置。
2. 光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置において、
   光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、光信号が入射する入力導波路と、前記入力導波路と第１の境界面において接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路と第２の境界面において接続された複数のアレイ導波路とを有し、前記複数のアレイ導波路の出射端面から前記分光された光信号が出射するＡＷＧと、
   前記ＡＷＧから出射された光信号を集光させる集光手段と、
   前記集光された光信号を変調する信号処理手段とを備え、
   前記集光手段における収差によって発生する光路長差を相殺するように、前記ＡＷＧの前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の光学長が、前記出射端面の開口部の中心位置からの前記出射端面を含む軸の位置ρに対して、ρの４次以上の偶関数で表される光学長差を生成するよう構成され、
   前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む複数の経路の前記光学長Ｌ（ρ）は、Ｌｏ、ｄＬ、ｒ_ａを定数、βを０でない定数として、式
   

   

   により表されることを特徴とする光信号処理装置。
3. 前記βρ ^４ または前記βρ ^４ ＋χ（ρ ^２ ）の４次以上の偶関数で表される光学長差を与えるために、前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む各経路の実空間長を、前記経路ごとに変えることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
4. 前記βρ^４または前記βρ^４＋χ（ρ^２）の４次以上の偶関数で表される光学長差を与えるために、前記第１の境界面から前記出射端面までの前記複数の各アレイ導波路を含む各経路の一部の実効屈折率を、前記経路ごとに変えることを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
5. 前記実効屈折率は、前記スラブ導波路上の一部または前記アレイ導波路の上の一部に配置された温度制御可能なヒータにより変えられることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
6. 前記集光手段は、球面単レンズであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光信号処理装置。
7. 前記集光手段の焦点距離をｆとしたとき、βは、式
   

   

   の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光信号処理装置。

Images