WO2015068356A1 - 光スイッチ - Google Patents

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和則 妹尾
石井　雄三
葉玉　恒一
直樹 大庭
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NTT Inc
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NTT Electronics Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • G02F2203/12—Function characteristic spatial light modulator

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength selective switch used in an optical communication network.
  • WSS Wavelength Selective Switch
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of the wavelength selective switch disclosed in Patent Document 1.
  • the wavelength multiplexed signal input from any one of the input / output optical fibers 1 to 10 propagates while diverging along the forward optical path 28 indicated by the solid line, and is converted into parallel light by the concave mirror 12.
  • the light is converted and enters the diffraction grating 14 along the forward optical path 27.
  • the wavelength multiplexed signal incident on the diffraction grating 14 is angularly dispersed by the diffraction grating 14, diffracted in different directions for each wavelength, and propagated in the direction of the solid line of the optical path 23.
  • the propagated optical signal becomes a condensed beam in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the light enters as parallel light in the wavelength demultiplexing direction (horizontal direction in FIG. 22), enters as a convergent beam in the switch axis direction (perpendicular direction in FIG. 22), and forms a beam waist on the concave lens 12. become.
  • the optical signal reflected from the concave mirror 12 propagates as a divergent beam in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 22, enters the cylinder lens 13 again, is converted into parallel light, and enters the spatial deflection element 15. To do.
  • the wavelength demultiplexing direction horizontal direction in FIG. 22
  • it is reflected by the concave mirror 12 as a condensed beam and propagates in the direction of the spatial deflection element 15 as it is.
  • a spatial deflection element using a large number of pixels such as LCOS (Liquid Crystal Crystal on Silicon) is used as the spatial deflection element 15.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide an optical switch having good wavelength characteristics.
  • the present invention provides at least one input port, at least one output port, wavelength demultiplexing means for demultiplexing an optical signal from the input port, and the wavelength demultiplexing.
  • a spatial light modulator that deflects the optical signal to the output port, and the shape of the optical signal when the optical signal enters the spatial light modulator is orthogonal to the wavelength axis of the wavelength demultiplexing means
  • the wavelength demultiplexing means is arranged in advance so as to be asymmetric with respect to the axis in the plane of the spatial light modulation section.
  • the spatial light modulation unit may be a spatial phase modulation element including a plurality of pixels.
  • the intensity distribution corresponding to the monochromatic component constituting the optical signal incident on the spatial light modulator is such that the ridge formed by connecting the maximum value of the intensity distribution is dispersed with respect to the wavelength axis. You may make it set to.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an optical path in a switching direction in a conventional general optical switch.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an optical path in a switching direction in the optical switch of the first embodiment.
  • the focal length of the lens 1003 is set to f, and from the lens 1003 to the input port 1001a and the output port 1001b (hereinafter also referred to as “input / output ports 1001a and 1001b”).
  • the distance is also set by f.
  • the input / output ports 1001a and 1001b are disposed at the front focal position (object side) of the lens 1003, and the microlenses 1001c and 1001d are installed in the input / output ports 1001a and 1001b, respectively.
  • Each of the microlenses 1001c and 1001d can adjust the numerical aperture of the outgoing beam.
  • the optical signal output from the input port 1001a is propagated as divergent light as indicated by reference numerals 1002a and 1002b until reaching the lens 1003.
  • the optical signal that has passed through the lens 1003 enters the spatial light modulator 1004 as parallel light.
  • the spatial light modulator 1004 performs light deflection necessary for port selection and reflects an optical signal.
  • LCOS Liquid Crystal Crystal on Silicon
  • CMOS Complementary Metal Metal Oxide Semiconductor
  • the LCOS is an optical phase modulator having a large number of fine pixels, and can give a phase shift to incident light depending on an arbitrary wavelength.
  • a deflection angle necessary for coupling the optical signal to the output port 1001b in the spatial light modulator 1004 is expressed by the following formula (1).
  • ⁇ arctan (d / f) (1)
  • d represents the distance between the input / output ports 1001a and 1001b
  • f represents the focal length of the lens 1003.
  • the principal ray of the optical signal output from the input port 1001a shown in FIG. 1 and the principal ray of the optical signal reflected to the output port 1002b side by the spatial light modulator 1004 are parallel to each other. Therefore, the input / output ports 1001a and 1001b are arranged in parallel as shown in FIG. Therefore, in this optical system, the layout and mounting of the input / output ports are simplified.
  • the total length of the optical system is set to 2f, for example.
  • the distance from the lens 1003 to the input / output ports 1001a and 1001b is the same as the focal length f of the lens 1003, the distance between the input / output ports 1001a and 1001b and the spatial light modulator 1004 is 2f. . This limits the downsizing of the optical switch.
  • the total length of the optical system is set to (s + f), for example.
  • the focal length f of the lens 2003 is the same as the focal length of the lens 2003 shown in FIG. 1, but from the lens 2003, an input port 2001a and an output port 2001b (hereinafter also referred to as “input / output ports 2001a and 2001b”). Is different from that of the optical switch of FIG. That is, the distance between the input / output ports 2001a and 2001b and the lens 2003 is set to s ( ⁇ f), for example. Thereby, the total length of the optical system becomes shorter than 2f shown in FIG. Therefore, the optical switch can be downsized.
  • the input / output ports 2001a and 2001b are arranged close to the lens 2003 side. Even in this case, the optical signal from the input port 2001a is emitted toward the lens 2003 as divergent light as indicated by reference numerals 2002b and 2002c. Then, the optical signal that has passed through the lens 2003 is incident on the spatial light modulator 2004 as a divergent beam.
  • the spatial light modulator 2004 is described as LCOS (Liquid Crystal Crystal on Silicon) (first to fifth embodiments), but applies, for example, a Grafting Light Valve type MEMS (Micro Electro Mechanical System). You can also In this embodiment, a reflective LCOS will be described as an example, but a transmissive spatial light modulator such as a transmissive LCOS may be used.
  • the spatial light modulator 2004 has the following phase distribution. Specifically, a concave mirror is equivalently formed by giving a phase having a two-dimensional spatial distribution so that a wavefront having a radius of curvature incident on the LCOS is reflected with the same radius of curvature. I am doing so. This is one of the features of the optical switch of this embodiment.
  • the radius of curvature of the spatial distribution of the phase given to the LCOS as the spatial light modulator 2004 is, for example, equal to the radius of curvature of the wavefront of the optical signal incident on the spatial light modulator 2004.
  • Equation (2) a represents a secondary component corresponding to the radius of curvature of the wavefront of the optical signal, and b represents a primary component necessary for port selection.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams for explaining the phase distribution of the spatial light modulation unit 2004, where FIG. 3A shows the phase distribution and FIG. 3B shows the phase shift.
  • ⁇ 1 indicates a component for compensating the curvature of the wavefront of the optical signal
  • ⁇ 2 indicates a component necessary for beam deflection.
  • the chief ray 2002a of the optical signal directed to the output port 2001b is set in the optical path indicated by reference numeral 2005a shown in FIG. 2 by setting the phase distribution ⁇ (x) shown in Expression (2). It becomes. This depends on (bx) of the second term on the right side of Equation (2).
  • the beam shape of the optical signal converges as indicated by reference numerals 2005b and 2005c shown in FIG. 2, and the optical signal is propagated to the output port 2001b. Then, the optical signal is finally collected at the output port 2001b.
  • the optimal value of the coefficient a of the first term on the right side of the above-described equation (2) varies depending on the distance s from the input / output ports 2001a and 2001b to the lens 2003.
  • the optical signal from the input port 2001a is formed as a Gaussian beam. Accordingly, the radius of curvature of the beam wavefront incident on the spatial light modulator 2004 can be obtained from the situation when the Gaussian beam is incident on the lens 2003.
  • ⁇ is represented by the following equation (6).
  • ⁇ represents the wavelength of the optical signal
  • ⁇ 0 represents the size of the beam waist at the input port.
  • d2 shows a negative value.
  • phase modulators such as LCOS have an upper limit on the phase that can be set, and generally the phase of an optical signal is about 2 ⁇ .
  • the phase shift amount is turned back, for example, every 2 ⁇ so that the phase shift amount is smaller than the upper limit value as shown in FIG.
  • FIG. 3B illustrates the case of folding at 2 ⁇ , but it is not necessarily 2 ⁇ , and the phase folding step ( ⁇ ) indicated by reference numeral 3001 may be an integral multiple of 2 ⁇ . .
  • phase folding as shown in FIG. 3B causes an increase in loss due to light diffraction.
  • the folding of the phase 2 ⁇ indicated by reference numeral 3001 in FIG. 3B is not discretely folded at 2 ⁇ in the vicinity of the folding, but is caused by the interference of the electric field at the phases 0 and 2 ⁇ and the liquid crystal element.
  • the number of folds when the phase is 2 ⁇ increases as the radius of curvature R shown in Equation (7) is smaller. In other words, it is not preferable that the radius of curvature of the wave front of the Gaussian beam is minimized.
  • Such a condition is when the spatial phase modulator 2004 is located at the position of the Rayleigh length of the Gaussian beam. For this reason, it is necessary that the LCOS as the spatial phase modulator 2004 is not installed at the position of this Rayleigh length.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an example in which an input / output port formed on the optical waveguide substrate 3500 is used.
  • Optical fibers 3501a to 3501e are connected to the optical waveguide substrate 3500, and optical signals from the respective optical fibers 3501a to 3501e are coupled to input / output ports 3502a to 3502e formed on the optical waveguide substrate 3500.
  • the interval (pitch) between the input / output ports 3502a to 3502e is narrowed by the bending waveguide 3503 connected to the input / output ports 3502a to 3502e, and the optical outputs of the input / output ports 3502a to 3502e are output to the space.
  • the optical waveguide shown in FIG. 4 has an advantage that the pitch on the output port side can be arbitrarily set by the bending waveguide 3503.
  • the phase distribution of the spatial light modulator 2004 includes the phase distribution of the same radius of curvature as the curvature radius of the wavefront of the incident light and the phase distribution of the principal ray of the reflected light. Are set to overlap. Therefore, the light from the input port 2001a is reflected by the spatial light modulator 2004 via the lens 2003, and the reflected light is condensed by the output port 2001b, so that the total length of the optical system is shorter than the conventional 2f. Therefore, the miniaturization of the optical switch can be realized.
  • the lens 2003 provides the following effects. That is, (1) By placing the lens 2003 and the spatial light modulator 2004 at the distance f illustrated in FIG. 2, the input / output ports 2001a and 2001b can be arranged in parallel, thereby simplifying the layout of the optical system. (2) limiting the area of the beam incident on the spatial light modulator 2004 by suppressing the spread of the beam to some extent. Alternatively, the lens 2003 may be omitted. An optical switch configured without the lens 2003 is shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the optical path in the switching direction in the optical switch according to the second embodiment.
  • the input port 4001a and the output port 4001b are arranged at arbitrary positions and do not include the lens 2003 described above.
  • the distance between the input / output ports 4001a and 4001b and the spatial light modulator 4004 is s.
  • the input / output ports 4001a and 4001b are optical waveguides formed on the substrate because positioning can be performed with accuracy by photolithography and the light output direction can be arbitrarily set. It is suitable for realizing an optical switch.
  • the optical signal output from the input port 4001a propagates to the spatial light modulator 4004 while diverging.
  • the principal ray of the optical signal is as indicated by reference numeral 4002a, and the beam has a spread as indicated by reference numerals 4002b and 4002c.
  • a deflection function necessary for port selection and a phase on which a concave mirror function necessary for beam shaping is superimposed are set.
  • the principal ray of the optical signal reflected by the spatial light modulator 4004 is as indicated by reference numeral 4005a, and the beam shape propagates to the output port 4001b while converging as indicated by reference numerals 4005b and 4005c.
  • the output port 4001b is arranged so that the waveguide and the principal ray 4005a are in the same straight line so that the coupling efficiency to the output port 4001b is maximized.
  • the angle to be deflected by the spatial light modulator 4004 is expressed by the following formula ( 8). ⁇ d / s (8)
  • s is the distance from the input / output ports 4001a and 4001b to the spatial light modulator 4004 and at the same time the radius of curvature of the wavefront of the optical signal on the spatial light modulator.
  • the waveguide constituting the output port 4001b is expressed by the equation P from the intersection P between the spatial light modulator 4004 and the optical axis. It is preferable to arrange in a straight line obtained by subtracting the angle ⁇ represented by (8). This is shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of an optical waveguide 5001 including an input waveguide 4001a and output waveguides 4001a, 4001b, and 4001c.
  • an optical waveguide 5001 includes three output waveguides (output ports) 4001c, 4001d, and 4001e in addition to an input waveguide 4001a as an input port and an output waveguide 4001b as an output port.
  • output ports output ports
  • FIG. 6 for example, four output waveguides are shown in total, but five or more output waveguides may be arranged.
  • the point P is the same as the point P shown in FIG. 5, that is, the intersection point P between the spatial light modulator 4004 and the optical axis, and the input / output waveguides 4001a to 4001e are respectively centered on the point P. Placed on the radiation.
  • the input / output fibers 5001a to 5001e are installed corresponding to the input / output waveguides 4001a to 4001e, respectively.
  • the effect of Snell's law associated with emission from the optical waveguide into space is ignored, but the essence is not changed.
  • optical switch shown in FIG. 5 does not include a lens
  • a lens may be provided, and the lens may be arranged at an arbitrary position.
  • a configuration example of such an optical switch is shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an optical path in a switching direction in the optical switch according to the third embodiment.
  • the lens 6003 may be arranged at a position of a distance s1 from the input port 6001a and the output port 6001b and a distance s2 from the spatial light modulator 6004.
  • the principal ray of the optical signal output from the input port 6001a is as indicated by reference numeral 6002a, and the beam propagates to the lens 6003 with a spread as indicated by reference numerals 6002b and 6002c.
  • the optical switch has been described above, it may be applied to a wavelength selective switch.
  • the optical system of the first embodiment is applied to a wavelength selective switch.
  • the optical systems of the second embodiment and the third embodiment are applied, substantially the same effect is obtained. It is done.
  • FIG. 8A and 8B are diagrams showing a configuration example of the wavelength selective switch of the fourth embodiment.
  • FIG. 8A shows a configuration in the switch axis direction
  • FIG. 8B shows a configuration in the wavelength axis direction.
  • x represents the x axis shown in FIG. 3
  • y represents the axis orthogonal to the x axis.
  • an input port 7001a an output port 7001b, microlenses 7001c and 7001d, a lens 7003, a collimator lens 7010, a dispersive element 7011, a condenser lens 7012, and a spatial light modulator. 7004.
  • the input / output ports 7001a and 7001b correspond to the input / output ports 2001a and 2001b of the first embodiment
  • the microlenses 7001c and 7001d correspond to the microlenses 2001c and 2001d of the first embodiment.
  • the lens 7003 of this embodiment is a cylindrical lens having optical power only in the switch axis direction.
  • the collimator lens 7010 has, for example, a cylindrical shape, and is installed at a position f1 (WL) from the beam waist of the microlens 7001d as shown in FIG. 8B.
  • the collimating lens 7010 converts incident light into parallel light in the wavelength axis direction shown in FIG. 8B.
  • the dispersive element 7011 can be a transmission type diffraction grating, a reflection type diffraction grating, or a prism.
  • a transmission type diffraction grating will be described as an example.
  • the condenser lens 7012 is disposed at a position where the distance between the dispersive element 7011 and the spatial light modulator 7004 is f2 (WL).
  • the focal length of the condenser lens 7012 is, for example, f2 (WL).
  • WL is an abbreviation for wave length.
  • the spatial light modulator 7004 is, for example, an LCOS having a large number of fine pixels, like the spatial light modulator 2004 of the first embodiment, and can shift the phase of incident light for each incident position on the LCOS. It is like that. As will be described later, since the incident position of the optical signal to the LCOS 7004 differs depending on the wavelength, the spatial light modulator 7004 can perform phase shift for each wavelength, and can be optically coupled to different output ports for each wavelength. .
  • the optical signal from the input port 7001a passes through the micro lens 7001d and is output to free space.
  • the optical signal propagates to the lens 7003 while diffusing in the same manner as in the first embodiment.
  • the optical signal is converted into parallel light by the collimating lens 7010 and propagates to the lens 7003.
  • the lens 7003 is a cylindrical lens having optical power only in the switch axis direction, and the optical signal that has passed through the lens 7003 enters the dispersion element 7011.
  • the optical signal output from the dispersive element 7011 is diffracted in different directions depending on the wavelength.
  • the situation at this time is represented by a broken line 7013a, a solid line 7013b, and an alternate long and short dash line 7013c.
  • the optical signal that has passed through the dispersion element 7011 is condensed in the wavelength axis direction by the condensing lens 7012 in the wavelength axis direction shown in FIG. 8B and is input to the spatial light modulator 7004.
  • the condensing lens 7012 of this embodiment is a cylindrical lens having optical power only in the wavelength axis direction.
  • the optical signal spatially phase-modulated by the spatial light modulator 7004 is reflected by the spatial light modulator 7004 and coupled at the output port 7001b as in the first embodiment.
  • the optical signal incident on the spatial light modulator 7004 is reflected at different positions depending on the wavelength. This enables coupling at different output ports for each wavelength.
  • the dispersive element 7011 is provided between the lens 7003 and the condenser lens 7012 is illustrated. This is because the beam divergence in the switch axis direction shown in FIG. 8A is relatively gentle and the performance of the dispersive element 7011 can be easily utilized.
  • the dispersive element 7011 may be provided between the lens 7003 and the collimating lens 7010, for example.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the optical switch according to the fifth embodiment. This optical switch is shown when a function is added to the input optical system of the first embodiment.
  • variable optical attenuators 8001a to 8001e are installed in the input / output waveguides 3502a to 3502e, respectively.
  • variable optical attenuators 8001a to 8001e those using a Mach-Zehnder interferometer to which variability is given by a thermo-optic effect are applied.
  • variable optical attenuators 8001a to 8001e can turn off propagation of an optical signal when a failure occurs in the optical switch itself when light is not passed through in a non-powered state, that is, in a normally-off state. . For this reason, problems such as optical surge can be solved.
  • the light receiving element 8003c can monitor the power of the input signal, and the light receiving element 8003a.
  • 8003b, 8003e, and 8003d can monitor the intensity of output light.
  • optical taps 8002a to 8002e various optical waveguides such as a wavelength-independent coupler using a directional coupler, a multimode interferometer, or a Mach-Zehnder interferometer can be applied.
  • the optical taps 8002a to 8002e and the light receiving elements 8003a to 8003e can monitor the attenuation when the optical switch is applied as a variable optical attenuator.
  • optical switch when the optical switch according to this embodiment and the wavelength selective switch according to the fourth embodiment are combined, in such a configuration, the intensity is selectively monitored for each wavelength, thereby allowing an optical channel monitor (OCM).
  • OCM optical channel monitor
  • OPM optical performance monitor
  • various functions can be configured by appropriately changing the direction of the monitor circuit.
  • an optical switch, an optical tap, an optical VOA, an optical monitor, or a composite part thereof can be integrated.
  • FIG. 10A and 10B are diagrams showing an example of the optical system of the conventional optical switch and the optical system of the optical switch of the sixth embodiment.
  • FIG. 10A is a schematic configuration of the optical system of the conventional optical switch, and FIG. The schematic structure of the optical system of the optical switch of 6th Embodiment is shown. Note that FIG. 10A is the same as FIG. 1 and FIG. 10B is the same as FIG.
  • the phase distribution shown in FIGS. 11A and 11B is set in the LCOS element.
  • the wavefront incident on the LCOS element has a finite curvature. That is, it is not a plane wave.
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams for explaining an example of phase setting in the optical system of the conventional optical switch and phase setting in the optical system of the optical switch of the sixth embodiment.
  • FIG. 11A is a diagram of the conventional optical switch. Phase Setting in Optical System
  • FIG. 11B shows phase setting in the optical system of the optical switch of the sixth embodiment.
  • a spatial phase modulation element such as LCOS has a phase modulation index limited to about 2 ⁇ .
  • a method having an equivalent linear phase distribution by periodically folding back the phase by 2 ⁇ is a method having an equivalent linear phase distribution by periodically folding back the phase by 2 ⁇ .
  • a discontinuous phase change is required in the region where the phase changes from 2 ⁇ to 0 indicated by the point P.
  • a spatial phase modulation element such as an LCOS element cannot realize a discontinuous phase change at the point P. This is due to the electric field interference between adjacent pixels of the LCOS element and the continuity of the liquid crystal element.
  • this region in the vicinity of the point P, a region where the phase setting changes steeply and continuously from 2 ⁇ to 0 occurs.
  • the optical signal in this region causes a slope phase change from 2 ⁇ to 0. Therefore, as shown in FIG. 11A, this region also appears with the same periodicity as the linear slope that realizes the switching operation. Therefore, the optical signal resulting from this region generates high-order diffracted light and generates crosstalk.
  • FIG. 12A is a plot diagram showing the intensity of an optical signal coupled to each output port when a phase distribution is set in an optical system of a conventional optical switch.
  • FIG. 12B is a plot diagram showing the intensity of the optical signal coupled to each output port when the phase distribution is set in the optical system of the optical switch of the sixth embodiment.
  • the horizontal axis represents the deflection angle when the beam is deflected by the LCOS element, and the vertical axis represents the light intensity.
  • the number of output ports is 23, and the respective light intensities are plotted with different lines.
  • the thick line in FIG. 12A indicates the deflection angle dependency of the optical signal of the 22nd port (second from the outermost angle).
  • FIG. 12A shows crosstalk that occurs at the 22nd port (deflection angle ⁇ 0.8 °) when the output is set to the 11th port (deflection angle ⁇ 0.4 °) (thick line).
  • the deflection angle by LCOS is increased, the deflection angle is about 0.8 °, and most of the optical signal is coupled to the 22nd port.
  • light of about ⁇ 15 dB is coupled to the twenty-second port. This is because the second-order diffracted light is coupled to the 22nd port when the light is coupled to the 11th port.
  • the third-order diffracted light is coupled to the 22nd port with an intensity of about -30 dB.
  • the region where such higher-order diffracted light is not coupled is from the 12th port to the 23rd port, as shown in FIG. 12A. That is, it can be seen that in order to avoid the deterioration of the crosstalk due to the higher-order diffracted light, the output port cannot be arranged in the inner angle region where the deflection angle is about 0 to 0.4 °.
  • FIG. 11B shows an example of the phase distribution set in the optical system of the present embodiment.
  • the optical signal incident on the LCOS which is an optical deflecting element is incident as a spherical wave having a phase distribution curved in the switch axis direction (a cylinder surface having a curvature only on the switch axis).
  • switching is realized by superimposing a phase distribution for correcting the spherical surface and a linear phase distribution contributing to deflection.
  • the phase distribution given to the LCOS element needs to be folded back by 2 ⁇ as in the conventional optical system.
  • FIG. 11B there is no periodicity at the position where folding from 2 ⁇ to 0 occurs. Therefore, the reflected light caused by the incompleteness (continuity) of the folding is diffused to different areas.
  • FIG. 12B is a plot of the intensity of the optical signal coupled to each output port of the optical switch in the optical system of the present embodiment.
  • the horizontal axis of FIG. 12B represents the deflection angle when the beam is deflected by the LCOS element
  • the vertical axis represents the light intensity of each output.
  • the 2 ⁇ folding is aperiodic, high-order diffracted light is dissipated and the above-described crosstalk does not occur.
  • the output is set from the first port to the eleventh port, it is understood that the high-order diffracted light generated at the output port existing at the position of the double angle and the triple angle is not generated. .
  • a port could not be arranged in an inner angle region where the deflection angle is about 0 ° to 0.4 ° in order to avoid high-order light.
  • the number of output ports can be ensured twice that of the conventional optical switch, and a large-scale switch can be realized. According to this embodiment, since the number of ports that are not used due to crosstalk is reduced, it is possible to obtain an effect that the beam deflection angle of LCOS necessary for securing the same number of ports can be halved.
  • the beam deflection angle by LCOS can be halved when the same number of ports is secured. That is, since the height of the optical system can be halved, it contributes to a reduction in the height of the optical system, and the optical switch module can be reduced in size.
  • the secondary phase is set in the LCOS which is a spatial phase modulation element (equation (2) of the first embodiment).
  • the cylinder surface has a curvature only on the switch shaft.
  • the wavefront of the optical signal incident on the LCOS is precisely a spherical surface, and is preferably expressed by Expression (10).
  • the curvature of the wavefront when entering the LCOS has a finite value. That is, it is not a plane wave.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining phase setting on the spatial phase modulation element according to the seventh embodiment.
  • FIG. 13A shows the light intensity when the primary phase distribution and the secondary phase distribution are superimposed.
  • Distribution (b) shows the light intensity distribution when a phase offset is set in the light intensity distribution of (a).
  • the phase distribution of the quadratic curve in the first embodiment is described instead of the phase of the perfect spherical wave in the seventh embodiment, but the same applies to the case of a perfect spherical wave.
  • the phase distribution set in the LCOS includes a second-order phase distribution for wavefront compensation and a first-order phase distribution for deflection. Is set as a phase distribution.
  • a curve in which a quadratic curve and a primary curve are superimposed is a quadratic curve.
  • the slope of the quadratic curve component is a
  • the slope b of the primary curve component is a quadratic curve whose axis is shifted by ⁇ b / 2a.
  • This superimposed phase distribution takes a distribution structure that turns back at the upper limit value (for example, 2 ⁇ ) of the phase that can be set by LCOS.
  • a folding structure may occur at a position where the light intensity distribution Y3003 on the LCOS is maximized. This is because the center of the intensity distribution of the beam incident on the LCOS is determined by the optical system and is constant regardless of the phase setting of the LCOS.
  • FIG. 13A shows the above case. This shows a case where the 2 ⁇ folding position of the superimposed phase distribution coincides with the coordinate center Q when an optical signal having a maximum intensity is incident on the coordinate center Q of the LCOS. In this case, the imperfection of phase folding due to 2 ⁇ folding is greatly affected.
  • the folding position can be shifted by adding an appropriate phase offset to the superimposed phase distribution. That is, as shown in the following formula (12), in addition to the quadratic distribution of the inclination a and the primary distribution of the inclination b, a distribution to which a constant c is added is assumed, and the phase setting is turned back every 2 ⁇ .
  • FIG. 13B shows an example in which the constant c is set to an arbitrary value and the 2 ⁇ folding is shifted from the point where the light intensity becomes maximum.
  • the constant c is set as follows. That is, since the width dt of the region where the 2 ⁇ folding occurs is considered to be the same across all the regions on the LCOS, the constant c is determined so that the sum of the integrated values of the incident optical signals in that region is minimized. That's fine.
  • phase setting it becomes possible to reduce stray light caused by 2 ⁇ folding, and to reduce deterioration of crosstalk.
  • FIG. 14A and 14B are diagrams for explaining a configuration example of the optical system of the ninth embodiment.
  • FIG. 14A is an arrangement example of the LCOS 4001 and the cylinder lens 4002
  • FIG. 14B is an optical signal in the optical system of FIG. 14A. Shows a state in which the light enters the LCOS 4001.
  • a cylinder lens 4002 is installed in front of the LCOS 4001 as a light deflection element.
  • a concave cylinder lens is used as the cylinder lens 4002.
  • a convex cylinder lens can be applied. Even if it does in this way, the effect similar to the case of a concave cylinder lens can be acquired.
  • the input / output port 4008 is installed in parallel along the X-axis direction.
  • the wavefront of the optical signal incident through the cylinder lens 4002 becomes a curved surface, and thereby the same effect as that of the sixth embodiment is obtained. That is, even when a plane wave shown in FIG. 14B is incident, the wavefront of the optical signal incident on the LCOS 4001 via the cylinder lens 4002 is a spherical surface (a cylinder surface having a curvature only on the switch axis).
  • the phase distribution to be set in the LCOS 4001 is a superposition of the phase distribution that compensates the spherical surface represented by this wavefront and the primary phase distribution that contributes to switching (similar to that of the sixth embodiment). Effect). Therefore, crosstalk due to higher order light is reduced. In other words, the number of ports can be doubled.
  • the dispersive element 7011 is arranged on the input side of the lens 7003.
  • the arrangement of the diffraction grating (wavelength demultiplexing means) 7011 as the dispersive element and the lens 7003 is reversed. Also good.
  • the wavelength selective switch in this case is characterized in that a transmission spectrum having good wavelength characteristics without ripple is obtained by dispersing the light intensity distribution on the LCOS 7004.
  • a diffraction grating is used as the dispersive element will be described, but a prism or the like can also be applied.
  • FIG. 15A and 15B are diagrams showing a configuration example of the wavelength selective switch of the present embodiment, in which FIG. 15A shows a configuration in the switch axis direction, and FIG. 15B shows a configuration in the wavelength axis direction.
  • x represents the x axis shown in FIG. 3
  • y represents the axis orthogonal to the x axis.
  • the wavelength selective switch of the present embodiment is similar to the fourth embodiment (FIG. 8), and differs in that the disposition of the dispersive element 7011 and the lens 7003 is reversed.
  • the configuration other than this point is the same as that of the fourth embodiment. That is, the wavelength selective switch of this embodiment is similar to the fourth embodiment in that the input port 7001a, the output port 7001b, the microlenses 7001c and 7001d, the lens 7003, the collimator lens 7010, and the diffraction as a dispersive element.
  • a grating 7011, a condenser lens 7012, and a spatial light modulator 7004 are provided.
  • the spatial light modulator 7004 is described as, for example, LCOS, but, for example, a Grafting Light Valve type MEMS or the like can be applied.
  • a reflective LCOS will be described as an example, but a transmissive spatial light modulator such as a transmissive LCOS may be used.
  • the optical signal from the input port 7001a passes through the micro lens 7001d and is output to free space.
  • the optical signal propagates to the lens 7003 via the diffraction grating 7011 in the switch axis direction shown in FIG. 15A.
  • the optical signal is converted into parallel light by the collimator lens 7010 and then propagates to the lens 7003 via the diffraction grating 7011.
  • the optical signal output from the input port 7001 is input to the dispersive element 7011 as divergent light. This is shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a state of light rays incident on the diffraction grating 7011.
  • the optical signal input to the diffraction grating 7011 has its central ray (principal ray) d161 and outer rays (marginal rays) d162 and d163 incident at different angles.
  • Light rays between the central light ray d161 and the outer light rays d162 and d163 are incident at an intermediate angle between the incident angles.
  • the diffraction grating pitch (grating period) and grating depth for the principal ray d161 are different from the diffraction grating pitch and grating depth for the marginal rays d162 and d163. Furthermore, the principal ray d161 and the marginal rays d162 and d163 have different diffraction (dispersion) angles. As a result, the beam pattern reaching via the diffraction grating 7011 is different in the LCOS 7004 of this embodiment.
  • the central ray of the divergent light that has entered the diffraction grating 7011 propagates along the path Y2-1 indicated by the broken line and enters the LCOS 7004.
  • the outer ray is diffracted in a different direction from the central ray because it has different dispersion depending on the diffraction grating 7011.
  • the outer ray propagates along a path Y2-2 indicated by a solid line and enters the LCOS 7004.
  • a crescent-like intensity profile (intensity distribution), which will be described later, is formed on the LCOS 7004 by such propagation paths of the central ray and the outer ray.
  • FIGS. 17A to 17C are light intensity distributions of monochromatic light incident on the LCOS 7004.
  • FIG. 17A shows a case where the monochromatic light is a circular beam
  • FIG. 17B shows a case where two monochromatic lights having different wavelengths are elliptical beams.
  • FIG. 17C shows the case where the monochromatic light is a crescent moon beam.
  • 18A to 18C are diagrams showing the transmission characteristics of the selected wavelengths obtained in the case of the incident light in FIGS. 17A to 17C.
  • the resolution of the wavelength is deteriorated, when a port switch pattern or an attenuation pattern is given by LCOS 7004, the resolution of the transmission spectrum is degraded corresponding to the bad wavelength resolution.
  • the transmission characteristic of the selected wavelength is a dull characteristic as shown in FIG. 18A and does not become an ideal transmission spectrum.
  • FIG. 19 is a diagram for explaining the positional relationship between the pixel structure of the LCOS 7004 and the input beam.
  • the transparent electrode 1912 is configured under the glass substrate 1911, and a liquid crystal layer 1913 is formed between the transparent electrode 1912 and the reflective electrode 1914.
  • a voltage is applied to the liquid crystal layer 1913 by the transparent electrode 1912 and the reflective electrode 1914. By applying this voltage, the LCOS 7004 gives a predetermined phase to the incident light.
  • the gap (gap) portion between the adjacent reflective electrodes 1914 has a smaller amount of reflected light than the reflective electrode 1914 portion.
  • the optical signal transmitted through the diffraction grating 7011 is diffracted in different directions by the optical signal having different wavelengths, different wavelength components are incident on different parts on the LCOS 7004.
  • d191 indicates the intensity distribution of light incident on the LCOS
  • ridge lines d192 and 193 indicate ridge lines of the intensity distribution of monochromatic light having different wavelengths.
  • the pixel boundary of the LCOS 7004 and the position where the maximum intensity of the beam coincides For example, when an optical signal is incident on the position A, the pixel boundary of the LCOS 7004 and the position where the maximum intensity of the beam coincides. In this case, most of the incident light is not effectively subjected to phase modulation by the LCOS 7004. Furthermore, in this case, the light returning from the reflective electrode is reduced.
  • an optical signal having a wavelength different from that of the optical signal incident on the position A is incident on the LCOS 7004.
  • the optical signal is incident on the position B, the light intensity becomes maximum at the center position of the reflective electrode of the LCOS pixel. The light intensity is maximized.
  • the effect of phase modulation is effectively received.
  • the transmission spectrum Due to the effect of the phase modulation, the transmission spectrum produces a wavelength-dependent ripple as shown in FIG. 18B.
  • the ripple of the transmission characteristic affects the phase characteristic as well as the intensity characteristic of the optical signal because of the Klamath-Kronig relationship.
  • ⁇ is the angular frequency of the optical signal
  • H R ( ⁇ ) is the amplitude characteristic of the output electric field
  • H I ( ⁇ ) is the phase characteristic
  • FIG. 17C since the crescent-shaped beam enters the LCOS 7004, the beam end in the switch axis direction shifts in the wavelength axis direction.
  • the transmission characteristic in this case has a value as shown in FIG. 18C.
  • FIG. 20 shows the positional relationship between the input beam on the LCOS 7004 and the pixel structure of the LCOS 7004 in this case.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the positional relationship between the pixel structure of the LCOS 7004 and the input beam.
  • a glass substrate 2011, a transparent electrode 2012, a liquid crystal layer 2013, and a reflective electrode 2014 are shown.
  • the ridgelines d202 and d203 shown in FIG. 20 are formed by connecting the maximum beam intensity corresponding to the position in the switch axis direction.
  • the optical signal is arranged so as to be given to a plurality of pixels over the wavelength axis direction. Since the edge line d202 continuously changes in the wavelength direction, the pixel boundary given to the light beam also changes continuously. Thereby, the influence which the light intensity dispersion
  • control pattern of the LCOS 7004 according to the shape of the crescent moon shown in FIG.
  • the pixel region d212 of the LCOS 7004 to which the crescent moon beam d211 that forms monochromatic light at the wavelength of the WDM channel boundary is given may be set to have a crescent shape (represented by the hatched portion in FIG. 21). By controlling in this way, it is possible to realize a steep roll-off characteristic at the channel boundary.
  • the shape of the optical signal is within the LCOS 7004 plane orthogonal to the wavelength axis of the diffraction grating 7011.
  • a diffraction grating 7011 is arranged in advance so as to be asymmetric with respect to the axis. As a result, excellent wavelength characteristics without ripples can be obtained, and a wavelength selective switch with high flatness of the transmission spectrum can be realized without narrowing the band. For example, even if the optical switch of this embodiment is introduced into, for example, an optical transmission system, the transmission characteristics do not deteriorate.
  • the diffraction grating 7011 is arranged so that the principal ray d161 and the marginal rays d162 and d163 included in the optical signal are incident at different angles (FIG. 16). Thereby, the beam pattern given to the LCOS 7004 can be set as shown in FIG. 21, for example.
  • two or more input ports and / or output ports may be provided.

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Abstract

　透過特性の平坦な光スイッチを提供すること。光スイッチは、入力ポートと、出力ポートと、入力ポートからの光信号を波長分波させる回折格子と、波長分波された光信号を、出力ポートに偏向するＬＣＯＳとを含む。光信号がＬＣＯＳに入射するときの光信号の形状が、回折格子の波長軸と直交するＬＣＯＳ面内の軸に対して非対称となるように、回折格子が予め配置される。

Description

光スイッチ
　本発明は、光通信ネットワークに用いられる波長選択スイッチに関するものである。
　インターネットなどのデータ通信ネットワークの爆発的な普及により、光通信ネットワークの大容量化の要求がますます強くなっている。このようなネットワーク需要の拡大に対応するため波長多重通信が実用化されているが、近年は波長ごとの方路スイッチングを可能にする波長選択スイッチ（WSS: Wavelength Selective Switch）の需要も高まりつつある。従来の波長選択スイッチとして、特許文献１に開示されたものがある。
　図２２は、特許文献１に開示された波長選択スイッチの一例を示す図である。図２２において、入出力光ファイバ１～１０のうちのいずれか１本から入力された波長多重信号は、実線で示す往路の光路２８に沿って発散しつつ伝搬し、凹面ミラー１２により平行光に変換されて、往路の光路２７に沿って回折格子１４に入射する。回折格子１４に入射した波長多重信号は、回折格子１４により角度分散され、波長ごとに異なる方向に回折して、光路２３の実線の方向へ伝搬する。伝搬した光信号は、シリンダレンズ１３により図２２の紙面垂直方向では集光ビームとなり、それが凹面ミラー１２に入射する。この際、波長分波方向（図２２の紙面水平方向）では平行光として入射し、スイッチ軸方向（図２２の紙面垂直方向）では収束ビームとして入射し、凹面レンズ１２上にビームウェストを結ぶことになる。
　そして、凹面ミラー１２から反射された光信号は次に、図２２の紙面垂直方向では発散ビームとなって伝搬し、再度シリンダレンズ１３に入射して平行光に変換され、空間偏向素子１５に入射する。一方、波長分波方向（図２２の紙面水平方向）では集光ビームとなって凹面ミラー１２により反射され、そのまま空間偏向素子１５方向に伝搬する。
　近年では波長制御性を向上させるために、空間偏向素子１５として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）のような多数のピクセルを使った空間偏向素子が用いられている。
米国特許第７０９２５９９号明細書
　空間偏向素子としてＬＣＯＳを用いる場合には、そのピクセル間の間隙が有限となるので、その領域に入射した光が損失することになる。
　本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたもので、良好な波長特性を有する光スイッチを提供することをその目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明は、少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも１つの出力ポートと、前記入力ポートからの光信号を波長分波させる波長分波手段と、前記波長分波された光信号を、前記出力ポートに偏向する空間光変調部と、を含み、前記光信号が前記空間光変調部に入射するときの光信号の形状が、前記波長分波手段の波長軸と直交する前記空間光変調部面内の軸に対して非対称となるように、前記波長分波手段が予め配置される。
　ここで、前記空間光変調部は、複数のピクセルからなる空間位相変調素子としてもよい。
　前記空間光変調器上に入射される前記光信号を構成する単色の成分に相当する強度分布は、この強度分布の最大値を結んで形成される稜線が、前記波長軸に対して分散するように設定されるようにしてもよい。
　本発明によれば、帯域を狭窄化することなく、透過スペクトルの平坦性の高い波長選択スイッチの提供が可能になる。
従来の一般的な光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。 第１実施形態の光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。 図２の空間光変調部としてのＬＣＯＳ上の位相分布を説明するための図である。 光導波路基板上に形成された入出力ポートを利用する例を説明するための図である。 第２実施形態の光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。 第２実施形態の光スイッチにおいて、入力ポートおよび出力ポートを含む光導波路の構成例を示す図である。 第３実施形態の光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。 第４実施形態の光波長選択スイッチの構成例を示す図である。 第４実施形態の光波長選択スイッチの構成例を示す図である。 第５実施形態の光スイッチの構成例を示す図である。 従来の光スイッチの光学系および第６実施形態の光スイッチの光学系の一例を示す図である。 従来の光スイッチの光学系および第６実施形態の光スイッチの光学系の一例を示す図である。 従来の光スイッチの光学系における位相設定および第６実施形態の光スイッチの光学系における位相設定の一例を説明するための図である。 従来の光スイッチの光学系における位相設定および第６実施形態の光スイッチの光学系における位相設定の一例を説明するための図である。 従来の光スイッチの光学系において位相分布が設定される場合の各出力ポートに結合する光信号の強度を示すプロット図である。 第６実施形態の光スイッチの光学系において位相分布が設定される場合の各出力ポートに結合する光信号の強度を示すプロット図である。 第７実施形態の空間位相変調素子上での位相設定を説明するための図である。 第９実施形態の光学系の構成例を説明するための図である。 第９実施形態の光学系の構成例を説明するための図である。 第１０実施形態の波長選択スイッチの構成例を示す図である。 第１０実施形態の波長選択スイッチの構成例を示す図である。 回折格子に入射する光線の様子を説明するための図である。 ＬＣＯＳ上に入射される単色光による光強度分布を示す図である。 ＬＣＯＳ上に入射される単色光による光強度分布を示す図である。 ＬＣＯＳ上に入射される単色光による光強度分布を示す図である。 異なる入射光の場合にそれぞれ得られる選択波長の各透過特性を示す図である。 異なる入射光の場合にそれぞれ得られる選択波長の各透過特性を示す図である。 異なる入射光の場合にそれぞれ得られる選択波長の各透過特性を示す図である。 ＬＣＯＳのピクセル構造と入力ビームとの位置関係を説明するための図である。 ＬＣＯＳのピクセル構造と入力ビームとの位置関係を説明するための図である。 ＬＣＯＳの制御パターンを説明するための図である。 従来の波長選択スイッチの一例を示す図である。
　以下、本発明の第１ないし第５実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
　本実施形態の光スイッチの構成例について、従来の一般的な光スイッチのものと異なり、小型化が可能な構成となっている。以下では、本実施形態の光スイッチの構成例について、従来の一般的な光スイッチとの差異が明確になるように図１および図２を参照して説明する。図１は従来の一般的な光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。図２は第１実施形態の光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。
　先ず、従来の一般的な２ｆ光学系の光スイッチの構成について図１を参照して説明する。図１に示す２ｆ光学系では、レンズ１００３の焦点距離はｆで設定されており、レンズ１００３から、入力ポート１００１ａおよび出力ポート１００１ｂ（以下、「入出力ポート１００１ａ、１００１ｂ」ともいう。）までの距離もｆで設定されている。
　入出力ポート１００１ａ、１００１ｂは、レンズ１００３の前側焦点位置（物面側）に配置され、入出力ポート１００１ａ、１００１ｂには、それぞれ、マイクロレンズ１００１ｃ、１００１ｄが対応して設置される。各マイクロレンズ１００１ｃ、１００１ｄによって、出射ビームの開口数を調整することが可能となっている。
　この光学系では、入力ポート１００１ａから出力された光信号は、レンズ１００３に至るまでは、符号１００２ａ、１００２ｂで示すような発散光として伝搬される。そして、レンズ１００３を通過した光信号は、平行光として空間光変調部１００４に入射する。空間光変調部１００４では、ポート選択に必要な光偏向を行い、光信号を反射する。空間光変調部１００４としては、例えば、ＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)上に液晶が設置されるＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)などが用いられる。ＬＣＯＳは、多数の微細ピクセルを有する光位相変調器であり、入射光に任意の波長依存で位相シフトを与えることができる。
　空間光変調部１００４で光信号を出力ポート１００１ｂに結合させるために必要な偏向角は、下記式（１）で表わされる。
　θ＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／ｆ）　　（１）
　なお、式（１）において、ｄは入出力ポート１００１ａ、１００１ｂ間の距離、ｆはレンズ１００３の焦点距離、を示す。
　図１に示す入力ポート１００１ａから出力された光信号の主光線と、空間光変調部１００４で出力ポート１００２ｂ側に反射する光信号の主光線とは平行となる。そのため、入出力ポート１００１ａ、１００１ｂは、図１に示したように平行に配置される。したがって、この光学系では、入出力ポートのレイアウトや実装が簡便になる。
　図１に示した２ｆ光学系では、光学系の全長は、例えば２ｆに設定される。この例では、レンズ１００３から入出力ポート１００１ａ、１００１ｂまでの距離がレンズ１００３の焦点距離ｆと同じであるため、入出力ポート１００１ａ、１００１ｂと空間光変調器１００４との間の距離が２ｆとなる。そのため、光スイッチの小型化が制限される。
　一方、図１に示した光学系と異なり、図２に示す光学系の光スイッチの例では、光学系の全長が例えば（ｓ＋ｆ）に設定される。レンズ２００３の焦点距離ｆは、図１に示したレンズ２００３の焦点距離と同様であるが、レンズ２００３から、入力ポート２００１ａおよび出力ポート２００１ｂ（以下、「入出力ポート２００１ａ、２００１ｂ」ともいう。）までの距離が図１の光スイッチのものと異なる。すなわち、入出力ポート２００１ａ、２００１ｂとレンズ２００３との間の距離は、例えばｓ（＜ｆ）に設定される。これにより、光学系の全長が図１に示した２ｆよりも短くなる。したがって、この光スイッチでは、小型化が実現できる。
　図２に示した光学系について詳述する。図２に示すように、この光学系では、入出力ポート２００１ａ、２００１ｂは、レンズ２００３側に近接して配置される。この場合においても、入力ポート２００１ａからの光信号は、符号２００２ｂ、２００２ｃで示すような発散光としてレンズ２００３に向かって出射する。そして、レンズ２００３を通過した光信号は、発散ビームとして空間光変調部２００４に入射する。以下の説明において、空間光変調部２００４は、例えばＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)として説明する（第１～第５実施形態）が、例えばＧｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅ型のＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)などを適用することもできる。また、この実施形態では、反射型のＬＣＯＳを例にとって説明するが、透過型ＬＣＯＳなどの透過タイプの空間光変調素子を使ってもよい。
　この実施形態では、ＬＣＯＳ上の位相空間の分布を柔軟に設定することができることに着目し、空間光変調部２００４が以下のような位相分布を持つようにしている。具体的には、ＬＣＯＳに入射する曲率半径を持つ波面が、これと同様の曲率半径を持って反射するように、２次元の空間分布を持つ位相を与えて、等価的に凹面ミラーを形成するようにしている。この点は、本実施形態の光スイッチの特徴の一つである。
　空間光変調部２００４としてのＬＣＯＳに与えられる位相の空間分布の曲率半径は、例えば、空間光変調部２００４に入射する光信号の波面の曲率半径と等しくなるようにすることが好ましい。
　さらに、図１に示した光学系と同様に、空間光変調部２００４に対しては、ポート選択に必要なビーム偏向を与える必要があるため、空間光変調部２００４に与えられる位相分布φ（ｘ）は、図３に示すφ１（ｘ）、φ２（ｘ）を重畳して与えることによって、下記式（２）で表される。
　φ（ｘ）=ａｘ2＋ｂｘ　　（２）
　なお、式（２）において、ａは光信号の波面の曲率半径に対応する２次の成分、ｂはポート選択に必要な１次の成分、を示す。
　図３は空間光変調部２００４の位相分布を説明するための図であって、（ａ）は位相分布、（ｂ）は位相シフトの様子を表す。
　図３（ａ）に示すφ１は光信号の波面の曲率補償の成分、φ２はビーム偏向に必要な成分を示してある。この例では、φ１（ｘ）＝ａｘ2、φ２（ｘ）＝ｂｘが設定される。
　式（２）に示すφ（ｘ）は、φ１（ｘ）＝ａｘ2を、例えば－ｂ／２ａだけｘ軸方向にシフトしてある。
　空間光変調部２００４では、式（２）に示される位相分布φ（ｘ）が設定されることによって、出力ポート２００１ｂに向かう光信号の主光線２００２ａは、図２に示す符号２００５ａで示した光路となる。これは、式（２）の右辺の第二項の（ｂｘ）に依存する。
　図２では、光信号のビーム形状は、図２に示す符号２００５ｂ、２００５ｃで示すように収束しつつ、光信号が出力ポート２００１ｂに伝搬されることになる。そして、光信号は最終的に、出力ポート２００１ｂに集光する。
　ここで、上述した式（２）の右辺の第一項の係数ａは、入出力ポート２００１ａ、２００１ｂからレンズ２００３までの距離ｓによって、最適な値が変化する。また、図２に示した光学系において、入力ポート２００１ａからの光信号は、ガウスビームとして形成される。これにより、ガウスビームがレンズ２００３に入射するときの状況から、空間光変調部２００４へ入射するビーム波面の曲率半径を求めることができる。
　一般に、レンズ２００３の焦点距離をｆ、レンズ２００３から物体までの距離をｄ１、レンズ２００３から像までの距離をｄ２とすると、この光線のＡＢＣＤ行列は、下記式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、レンズ２００３からの距離がｄ１の位置にレンズ通過前のビームウェストが存在すると仮定し、レンズ２００３からの距離がｄ２の位置に、再度ビームウェストが存在する場合、一般に、ガウスビームのレンズ通過前後のウェスト位置の間には、下記式（４）に示すような関係があることが知られている（例えば、光デバイスのための光結合系の基礎と応用－（河野健治著、現代工学社発行）の２３～２８ページを参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　この関係から、レンズ通過後のビームウェストの位置は、下記式（５）で表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、式（５）において、γは下記式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　なお、式（６）において、λは光信号の波長、ω0は入力ポートにおけるビームウェストのサイズ、を示す。
　上記の観点から、空間光変調部２００４上に入射する光信号の波面の曲率半径は、以下のようにして求められる。すなわち、式（５）においてｄ１＝ｓとしてｄ２を求めると、これがレンズ通過後の光信号の仮想的なビームウェストを指す。
　図２に示した光学系の例では、上述したｄ２はマイナスの値となり、レンズ２００３よりも紙面左側、すなわち物側に仮想的なビームウェストが存在する。したがって、空間光変調部２００４に入射する光信号の波面の曲率半径Ｒは、下記式（７）で表される。
　Ｒ＝ｆ－ｄ２　　（７）
　なお、式（７）において、ｄ２はマイナスの値を示す。
　ＬＣＯＳなどの空間位相変調器は、設定できる位相に上限値があり、一般に、光信号の位相は２π程度である。必要となる位相シフト量がこの上限値を超える場合には、位相シフト量は、図３（ｂ）に示すように上限値よりも小さい位相量となるように、例えば２πごとに折り返す。なお、図３（ｂ）では、２πで折り返す場合について説明しているが、必ずしも２πとする必要はなく、符号３００１で示した位相の折り返しの段差（φ）が２πの整数倍であればよい。
　なお、図３（ｂ）に示すような位相の折り返しは、光の回折に起因する損失の増加の要因となる。図３（ｂ）の符号３００１で示された位相２πの折り返しは、その折り返し付近では、離散的に２πで折り返しが行われるのではなく、位相が０と２πとにおける電界の干渉と液晶素子の追従との程度によって、アナログ的に位相が変化する有限幅の領域がある。この領域が損失を引き起こし得るので、このような折り返しは少なくするのが好ましい。
　位相が２πで折り返す数は、式（７）に示した曲率半径Ｒが小さいほど、多くなる。換言すると、ガウスビームの波面の曲率半径が最小となるのは好ましくない。このような条件としては、ガウスビームのレーリ長の位置に空間位相変調器２００４がある場合である。このため、空間位相変調器２００４としてのＬＣＯＳは、このレーリ長の位置に設置しないようにする必要がある。
　なお、この実施形態では、出力ポート数を１つの場合を例にとって説明したが、２つ以上（複数）設けるようにすることもできる。複数の出力ポートを設ける場合のポート選択は、式（２）のｂを適宜変更することで実現される。
　さらに、入出力ポートを基板上に作製された光導波路を用いて実現することも可能である。図４は光導波路基板３５００上に形成された入出力ポートを利用する例を説明するための図である。光導波路基板３５００には、光ファイバ３５０１ａ～３５０１ｅが接続されており、各光ファイバ３５０１ａ～３５０１ｅからの光信号は、光導波路基板３５００上に形成された入出力ポート３５０２ａ～３５０２ｅに結合する。入出力ポート３５０２ａ～３５０２ｅに接続された曲げ導波路３５０３によって、入出力ポート３５０２ａ～３５０２ｅ間の間隔（ピッチ）は狭められ、入出力ポート３５０２ａ～３５０２ｅの光出力が空間に出力される。
　一般に、光ファイバの外径は１２５μｍであるため、入出力導波路の間隔がこの光ファイバの外径の大きさの影響を受けることになって、入出力導波路の間隔が制限される。一方、図４に示した光導波路では、曲げ導波路３５０３によって出力ポート側のピッチを任意に設定することができるという利点がある。
　以上説明したように、本実施形態の光スイッチによれば、空間光変調器２００４の位相分布は、入射光の波面の曲率半径と同じ曲率半径の位相分布と、反射光の主光線の位相分布とが重畳するように設定される。したがって、入力ポート２００１ａからの光がレンズ２００３を介して空間光変調器２００４で反射し、この反射光が出力ポート２００１ｂで集光されるため、光学系の全長が従来の２ｆより短くなる。よって、光スイッチの小型化を実現することができる。
　＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態の光スイッチについて説明する。
　図２に示した光スイッチでは、レンズ２００３を備える場合について説明した。このレンズ２００３によって、次のような効果が得られる。すなわち、（１）レンズ２００３と空間光変調器２００４とを図２に例示したｆの距離に置くことによって、入出力ポート２００１ａ、２００１ｂの平行配置が可能になり、これによって光学系のレイアウトを簡易化すること、（２）ビームの広がりをある程度抑えることによって、空間光変調器２００４に入射するビームの面積を制限することである。これとは別に、レンズ２００３を備えずに構成するようにしてもよい。レンズ２００３を備えずに構成した光スイッチを図５に示す。
　図５は第２実施形態における光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。
　図５に示した光スイッチにおいて、入力ポート４００１ａおよび出力ポート４００１ｂ（以下、「入出力ポート４００１ａ、４００１ｂ」という。）は、任意の位置に配置し、前述したレンズ２００３を備えていない。この実施形態では、入出力ポート４００１ａ、４００１ｂと空間光変調器４００４との間の距離は、ｓとなる。この場合、入出力ポート４００１ａ、４００１ｂを基板上に形成された光導波路とするのは、フォトリソグラフィによる精度で位置決めが行え、光の出力方向も任意に設定することができるので、本実施形態の光スイッチを実現するのに好適である。
　図５において入力ポート４００１ａから出力された光信号は、発散しつつ空間光変調器４００４に伝搬する。この場合、その光信号の主光線は符号４００２ａに示すようになり、ビームは符号４００２ｂ、４００２ｃに示すような広がりを有する。
　空間光変調器４００４上には、第１実施形態１の場合と同様に、ポート選択に必要な偏向機能と、ビーム整形に必要な凹面ミラーの機能が重畳された位相とが設定される。この場合、空間光変調器４００４で反射される光信号の主光線は符号４００５ａに示すようになり、かつ、ビームの形状は符号４００５ｂ、４００５ｃに示すように収束しながら、出力ポート４００１ｂに伝搬する。この場合、出力ポート４００１ｂは、出力ポート４００１ｂへの結合効率が最大となるよう導波路と主光線４００５ａとが同一直線状になるように配置される。
　ここで、入出力ポート４００１ａ、４００１ｂから空間光変調器４００４までの距離をｓ、入出力ポート４００１ａ、４００１ｂ間の距離をｄとすると、空間光変調器４００４で偏向すべき角度は、下記式（８）で表される。
　θ≒ｄ／ｓ　　（８）
　なお、式（８）において、ｓは入出力ポート４００１ａ、４００１ｂから空間光変調器４００４までの距離であると同時に、空間光変調器上での光信号の波面の曲率半径でもある。
　入力ポート４００１ａから出力される光信号の主光線が光軸と一致するように配置される場合、出力ポート４００１ｂを構成する導波路は、空間光変調器４００４と光軸との交点Ｐから、式（８）で表される角度θを差し引いた直線状に配置するのが好ましい。その様子を、図５に示してある。
　次に、この実施形態における導波路の構成例について図６を参照して説明する。図６は入力導波路４００１ａおよび出力導波路４００１ａ、４００１ｂ、４００１ｃを含む光導波路５００１の構成例を示す図である。
　この図６に示すように、光導波路５００１には、入力ポートとしての入力導波路４００１ａおよび出力ポートとしての出力導波路４００１ｂに加え、３つの出力導波路（出力ポート）４００１ｃ、４００１ｄ、４００１ｅが配置されている。図６では、出力導波路は全部で例えば４つの例が示されているが、５つ以上配置するようにしてもよい。
　図６において、点Ｐは、図５に示した点Ｐ、すなわち空間光変調器４００４と光軸との交点Ｐと同じであり、入出力導波路４００１ａ～４００１ｅは、それぞれ点Ｐを中心とした放射線上に配置される。また、入出力ファイバ５００１ａ～５００１ｅは、それぞれ、入出力導波路４００１ａ～４００１ｅに対応して設置される。図６では、光導波路から空間への出射にともなうスネルの法則の効果は無視して示してあるが、本質は変わらない。
　＜第３実施形態＞
　次に、第３実施形態の光スイッチについて説明する。
　図５に示した光スイッチでは、レンズを備えない場合について説明した。しかしながら、レンズを備え、さらには、このレンズを任意の位置に配置するようにしてもよい。このような光スイッチの構成例を図７に示す。
　図７は、第３実施形態における光スイッチにおけるスイッチング方向の光路を説明するための図である。
　図７に示した光スイッチでは、レンズ６００３は、入力ポート６００１ａおよび出力ポート６００１ｂからの距離ｓ１、および、空間光変調器６００４からの距離ｓ２の位置に配置するようにすればよい。
　この場合、入力ポート６００１ａから出力された光信号は、その主光線が符号６００２ａで示されるようになり、ビームは符号６００２ｂ、６００２ｃで示されるような広がりを有してレンズ６００３に伝搬する。
　レンズ６００３を通過した光信号は、その後、ビーム幅が狭められて、空間光変調部６００４に伝搬する。このため、空間光変調部６００４で補償する必要がある波面の曲率半径は第２実施形態の場合よりも小さくなる。すなわち、式（５）において、ｄ１＝ｓ１としたときの空間光変調部６００４に入射する光信号のビームの曲率半径は、下記式（９）で表される。
　Ｒ＝ｓ２－ｄ２　　（９）
　なお、式（９）において、ｄ２はマイナスの値を示す。
　例えば、レンズの焦点距離ｆ＝１００ｍｍ、ｓ＝１００ｍｍ、ｓ１＝５０ｍｍ、ｓ２＝５０ｍｍが与えられる場合には、この実施形態の光学系全長はｓ１＋ｓ２＝１００ｍｍとなり、第２実施形態の光学系の全長もｓ＝１００ｍｍとなるので、全長がともに１００ｍｍで等しくなる。一方、空間光変調部により補償されるべき波面の曲率半径Ｒは、この実施形態ではＲ＝ｓ＝１００ｍｍであるのに対し、第３実施形態では式（５）および式（９）からＲ＝１４９．９ｍｍとなる。したがって、この実施形態では、波面の曲率半径Ｒは第２実施形態のものよりも小さくなり、波面のカーブは緩やかとなる。
　＜第４実施形態＞
　以上では、光スイッチについて説明したが、波長選択スイッチに適用するようにしてもよい。この実施形態の説明では、一例として、第１実施形態の光学系を波長選択スイッチに適用するが、第２実施形態および第３実施形態の光学系を適用しても、ほぼ同様の効果が得られる。
　図８Ａおよび図８Ｂは第４実施形態の波長選択スイッチの構成例を示す図であって、図８Ａはスイッチ軸方向の構成、図８Ｂは波長軸方向の構成を示す。なお、図８Ａにおいてｘは図３に示したｘ軸、図８Ｂにおいてｙはｘ軸と直交する軸を表してある。
　図８に示す波長選択スイッチは、入力ポート７００１ａと、出力ポート７００１ｂと、マイクロレンズ７００１ｃ、７００１ｄと、レンズ７００３と、コリメートレンズ７０１０と、分散素子７０１１と、集光レンズ７０１２と、空間光変調器７００４とを備える。
　なお、入出力ポート７００１ａ、７００１ｂは第１実施形態の入出力ポート２００１ａ、２００１ｂに相当し、マイクロレンズ７００１ｃ、７００１ｄは第１実施形態のマイクロレンズ２００１ｃ、２００１ｄに相当する。
　一方、この実施形態のレンズ７００３は、第１実施形態のレンズ２００３と異なり、スイッチ軸方向にのみ光学パワーを有する円筒レンズである。
　コリメートレンズ７０１０は、例えば円筒状であり、図８Ｂに示すように、マイクロレンズ７００１ｄのビームウェストからｆ１（ＷＬ）の位置に設置される。コリメートレンズ７０１０によって、図８Ｂに示す波長軸方向においては入射光が平行光に変換される。
　分散素子７０１１は、透過型の回折格子、反射型の回折格子またはプリズム等を用いることが可能であるが、この実施形態では、透過型の回折格子を例にとって説明する。
　集光レンズ７０１２は、図８Ｂに示すように、分散素子７０１１および空間光変調器７００４との間の距離がｆ２（ＷＬ）の位置に配置される。この実施形態では、集光レンズ７０１２の焦点距離を例えばｆ２（ＷＬ）とする。なお、ＷＬはwave lengthの略である。
　空間光変調部７００４は、第１実施形態の空間光変調部２００４と同様に、例えば、多数の微細ピクセルを有するＬＣＯＳであり、入射光の位相をＬＣＯＳへの入射位置ごとにシフトすることができるようになっている。後述するように、ＬＣＯＳ７００４への光信号の入射位置は波長により異なるので、空間光変調部７００４によって、波長ごとの位相シフトが可能となり、これにより波長ごとに異なる出力ポートに光結合させることができる。
　入力ポート７００１ａからの光信号は、マイクロレンズ７００１ｄを通過して自由空間に出力される。この場合、図８Ａに示したスイッチ軸方向においては、光信号は、第１実施形態の場合と同様に拡散しつつレンズ７００３に伝搬する。一方、図８Ｂに示した波長軸方向においては、光信号は、コリメートレンズ７０１０によって平行光に変換されてレンズ７００３に伝搬する。
　この実施形態では、レンズ７００３はスイッチ軸方向にのみ光学パワーを有する円筒レンズであり、レンズ７００３を通過した光信号は、分散素子７０１１に入射する。
　図８Ｂにおいて、分散素子７０１１から出力される光信号は、その波長に応じて異なる方向に回折される。このときの様子を、破線７０１３ａ、実線７０１３ｂおよび一点鎖線７０１３ｃで表してある。
　そして、分散素子７０１１を経由した光信号は、図８Ｂに示した波長軸方向の集光レンズ７０１２によって波長軸方向に集光されて、空間光変調部７００４に入力する。この実施形態の集光レンズ７０１２は、波長軸方向にのみ光学パワーを有する円筒レンズである。
　その後、空間光変調部７００４によって空間的に位相変調を受けた光信号は、空間光変調部７００４で反射して、第１実施形態と同様に出力ポート７００１ｂで結合する。この場合、図８Ａおよび図８Ｂに示したように、空間光変調部７００４に入射する光信号は、その波長に応じて異なる位置で反射する。これにより、波長ごとに異なる出力ポートでの結合が可能になる。
　なお、この実施形態では、分散素子７０１１は、レンズ７００３と集光レンズ７０１２との間に設ける場合について例示している。これは、図８Ａに示すスイッチ軸方向のビーム広がりが比較的緩やかで、分散素子７０１１の性能を活用しやすいためである。しかしながら、分散素子７０１１は、例えば、レンズ７００３とコリメートレンズ７０１０との間に設けるようにしてもよい。
　＜第５実施形態＞
　図４および図６では、光導波路を入出力ポートとして利用し、入出力ポートの間隔を狭めるようにして、有利な効果が得られる場合について説明した。これとは別に、光導波路に各種回路を集積して光導波路を利用するようにしてもよい。
　図９は第５実施形態の光スイッチの構成例を示す図である。この光スイッチは、第１実施形態の入力光学系に機能が付加される場合について示してある。
　図９において、入出力導波路３５０２ａ～３５０２ｅの各々には、可変光減衰器８００１ａ～８００１ｅが設置される。
　可変光減衰器８００１ａ～８００１ｅは、熱光学効果により可変性が与えられたマッハツェンダ干渉計を用いたものが適用される。
　可変光減衰器８００１ａ～８００１ｅは、無給電の状態で光が通らない状態、すなわち、ノーマリオフの状態に設定する場合に光スイッチ自体に障害が発生したとき、光信号の伝搬をオフすることができる。このため、光サージ等の問題を解決することができる。
　図９において、入出力導波路３５０２ａ～３５０２ｅに接続される各光タップ８００２ａ～８００２ｅは、入出力導波路３５０２ａ～３５０２ｅからの各光信号の一部を分岐し、結果として、各受光素子８００３ａ～８００３ｅに出力させる。この実施形態では、光ファイバ３５０１ｃに入力信号が与えられ、光ファイバ３５０１ａ、３５０１ｂ、３５０１ｄ、３５０１ｅに出力信号が与えられるので、受光素子８００３ｃでは入力信号のパワーをモニタすることができ、受光素子８００３ａ、８００３ｂ、８００３ｅ、８００３ｄでは出力光の強度をモニタすることができるようになっている。
　なお、光タップ８００２ａ～８００２ｅとしては、方向性結合器、マルチモード干渉計またはマッハツェンダ干渉計による波長無依存カプラなどの各種光導波路を適用することができる。
　光タップ８００２ａ～８００２ｅおよび受光素子８００３ａ～８００３ｅによって、光スイッチを可変光減衰器として適用する場合に、減衰量をモニタすることができるようになる。
　さらに、この実施形態の光スイッチと第４実施形態の波長選択スイッチとを組み合わせて構成する場合、このような構成では、波長ごとに選択的に強度をモニタすることで、光チャネルモニタ（ＯＣＭ）または光パフォーマンスモニタ（ＯＰＭ）の機能も実現できる。さらには、上述した減衰量モニタやＯＣＭ、ＯＰＭの機能の他にも、モニタ回路の向きを適宜変更することで各種機能を有するように構成することができる。
　上記各実施形態の入力ポートおよび出力ポートにおいて、マッハツェンダ干渉計や方向性結合器を配置することで、光スイッチ、光タップ、光VOA、光モニタまたはそれらの複合部品が集積され得る。
＜第６実施形態＞
　図１０Ａおよび図１０Ｂは従来の光スイッチの光学系および第６実施形態の光スイッチの光学系の一例を示す図であって、図１０Ａは従来の光スイッチの光学系の概略構成、図１０Ｂは第６実施形態の光スイッチの光学系の概略構成を示す。なお、図１０Ａは図１、図１０Ｂは図２と同じであるので、ここではその説明を省略する。
　図１０Ａおよび図１０Ｂそれぞれの光学系には、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す位相分布が、ＬＣＯＳ素子に設定される。この実施形態では、ＬＣＯＳ素子に入射する波面が有限の曲率を有する。つまり、平面波ではない。
　図１１Ａおよび図１１Ｂは従来の光スイッチの光学系における位相設定および第６実施形態の光スイッチの光学系における位相設定の一例を説明するための図であって、図１１Ａは従来の光スイッチの光学系における位相設定、図１１Ｂは第６実施形態の光スイッチの光学系における位相設定を示す。
　一般に、ＬＣＯＳ等の空間位相変調素子は、その位相変調指数が２π程度に制限されている。この場合、光スイッチングを実現するために線形な位相分布を付与するために、図１１Ａに示されるように、その位相を周期的に２πで折り返すことにより等価的に線形の位相分布を有する手法が一般に用いられる。例えば図１１Ａの例では、点Ｐに示される２πから０へと位相が変化する領域において、不連続な位相変化が要求されることになる。しかしながら、ＬＣＯＳ素子等の空間位相変調素子では、点Ｐにおける不連続な位相変化を実現することは不可能である。これは、ＬＣＯＳ素子の隣接するピクセル間の電界の干渉および液晶素子の連続性に起因する。すなわち、点Ｐの近傍では、位相設定が２πから０へ急峻に連続的に変化する領域が発生する。この領域における光信号は、２πから０へ変化するスロープの位相変化を生じる。したがって、図１１Ａに示される通り、この領域もスイッチング動作を実現する線形なスロープと同じ周期性を持って現れる。したがって、この領域に起因する光信号は高次回折光を生成し、クロストークを発生する。
　図１２Ａは従来の光スイッチの光学系において位相分布が設定される場合の各出力ポートに結合する光信号の強度を示すプロット図である。図１２Ｂは第６実施形態の光スイッチの光学系において位相分布が設定される場合の各出力ポートに結合する光信号の強度を示すプロット図である。
　図１２Ａにおいて、横軸はＬＣＯＳ素子でビームを偏向した際の偏向角、縦軸は光強度を表してある。また、図１２Ａでは出力ポート数は２３ポートであり、それぞれの光強度を異なる線でプロットしてある。図１２Ａの太線は第２２ポート（最外角から２番目）の光信号の偏向角依存性を示してある。
　図１２Ａでは、第１１ポート（偏向角－０．４°）に出力を設定した場合に、第２２ポート（偏向角－０．８°）に発生するクロストークが示されている（太線）。ＬＣＯＳによる偏向角を大きくしていくと、偏向角が０．８°程度で第２２ポートに光信号の大部分が結合することになる。しかし、偏向角を０．４°程度に設定して第１１ポートに光信号をルーティングした場合でも、－１５ｄＢ程度の光が第２２ポートに結合することがわかる。これは、第１１ポートに光を結合した際にその２次回折光が第２２ポートに結合するためである。
　さらに、第７ポートに光をルーティングする場合（偏向角－０．２６°）には、その３次回折光が－３０ｄＢ程度の強度で第２２ポートに結合する様子がわかる。このような高次回折光が結合しない領域は、図１２Ａに示すように、第１２ポートから第２３ポートまでである。すなわち、高次回折光に起因するクロストークの劣化を避けるためには、偏向角が０から０．４°程度の内角の領域には出力ポートを配置することができないことがわかる。
　一方、図１１Ｂは、本実施形態の光学系において設定される位相分布の一例が示してある。図１０Ｂの本実施形態の光学系では、光偏向素子であるＬＣＯＳに入射する光信号は、スイッチ軸方向に湾曲した位相分布を持った球面波（スイッチ軸のみに曲率をもつシリンダ面）として入射する。ＬＣＯＳ素子では、この球面を補正する位相分布と、偏向に寄与する線形な位相分布を重畳して与えることでスイッチングを実現する。
　ここで、本実施形態の光学系においても、従来の光学系と同様に、ＬＣＯＳ素子に与えられる位相分布は２πで折り返す必要がある。しかしながら、図１１Ｂで明らかなように、２πから０への折り返しが発生する位置には周期性がない。したがって、折り返しの不完全性（連続性）に起因する反射光は、各々異なる領域へ拡散されることになる。
　図１２Ｂは、本実施形態の光学系において光スイッチの各出力ポートに結合する光信号の強度をプロットしたものである。図１２Ａと同様に、図１２Ｂの横軸はＬＣＯＳ素子でビームを偏向した際の偏向角、縦軸は各出力の光強度を表してある。図１２Ｂでは、２π折り返しが非周期的であるので、高次の回折光は散逸して上述のクロストークは生じない。例えば従来の光学系においては第１ポートから第１１ポートに出力を設定した際に、その倍角、３倍角の位置に存在する出力ポートに発生していた高次回折光が発生していないことがわかる。これは、図１１Ｂの位相設定において２πから０への折り返しが周期性を持たず、特定の位置に高次光が発生しないからである。高次光に寄与していた光エネルギーは拡散され、光エネルギーは様々な偏向角方向に一様に分布する。したがって、クロストークは－３５ｄＢで一様に上がっている様子がわかる。
　従来の光学系では高次光を避けるため偏向角が０°から０．４°程度の内角の領域にはポートを配置することができなかった。しかし、本実施形態の光学系では、内角にポートを配置することが可能になる。換言すれば、本実施形態の光学系では、従来の光スイッチに比べて２倍の出力ポート数を確保することができ、大規模スイッチの実現が可能になる。この実施形態によれば、クロストークにより使用されないポートが減少するので、同じ数のポートを確保するために必要なＬＣＯＳのビーム偏向角を半分にすることができるという効果を得ることができる。
　本実施形態の光学系ではさらに、同じ数のポート数を確保する際には、ＬＣＯＳによるビームの偏向角を半分にすることができる。すなわち、光学系の高さを半分にすることが可能になるため、光学系の低背化に寄与し、光スイッチモジュールの小型化が可能になる。
＜第７実施形態＞
　第１実施形態では、説明の容易のため、空間位相変調素子であるＬＣＯＳには２次の位相設定をする場合を説明したが（第１実施形態の式（２））、厳密には球面（スイッチ軸のみに曲率をもつシリンダ面）とするのが好ましい。すなわち、ＬＣＯＳに入射する光信号の波面は、正確には球面であり、式（１０）で表すのが好ましい。ＬＣＯＳに入射する際の波面の曲率は有限の値を有する。つまり、平面波ではない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、Ｒは波面の曲率半径である。この場合、スイッチング時のビーム偏向に起因する線形な位相分布は、式（１１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
＜第８実施形態＞
　図１３は第７実施形態の空間位相変調素子上での位相設定を説明するための図であって、（ａ）は１次の位相分布と２次の位相分布とが重畳する場合の光強度分布、（ｂ）は（ａ）の光強度分布において位相オフセットが設定されている場合の光強度分布を示す。以下では、説明の容易のため、第７実施形態における完全な球面波の位相ではなく、第１実施形態における２次曲線の位相分布として説明するが、完全な球面波の場合でも同様である。
　第１実施形態ですでに説明したとおり、本実施形態の光学系においては、ＬＣＯＳに設定する位相分布は、波面補償のための２次の位相分布と、偏向のための１次の位相分布とを重畳した位相分布が設定される。２次および１次の曲線が重畳された曲線は２次曲線である。ここで、２次の曲線成分の傾きをａ、１次の曲線成分の傾きｂとすると、その軸が－ｂ／２ａだけシフトした２次曲線となる。この重畳された位相分布は、ＬＣＯＳで設定可能な位相の上限値（たとえば２π）で折り返す分布構造をとる。この場合、スイッチングされる出力によっては、ＬＣＯＳ上の光強度分布Ｙ３００３が最大となる位置に折り返し構造が発生する場合があり得る。ＬＣＯＳに入射するビームの強度分布の中心は、ＬＣＯＳの位相設定によらず、光学系で決まり一定であるからである。図１３（ａ）は上述のケースを示したものである。ＬＣＯＳの座標中心Ｑに最大強度をもつ分布の光信号が入射したときに、上記の重畳された位相分布の２π折り返しの位置が座標中心Ｑと一致する場合を示している。この場合では、２π折り返しに起因する位相折り返しの不完全性が大きく影響する。
　これに対して、図１３（ｂ）に示すように、重畳された位相分布に適当な位相オフセットを足すことで、折り返し位置をシフトすることができる。すなわち、下記式（１２）に示すように、傾きａの２次分布、傾きｂの一次分布に加えて、定数ｃを付加した分布を想定し、それを２πごとに折り返す位相設定である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　図１３（ｂ）では、定数ｃを任意の値に設定し、２π折り返しを、光強度が最大となる点からずらした例を示してある。
　定数ｃの設定方法としては、以下のようにするのが好ましい。すなわち、２π折り返しが発生する領域の幅ｄｔは、ＬＣＯＳ上の全領域にわたって同じ幅であると考えられるので、その領域における入射光信号の積分値の和が最小となるように定数ｃを決定すればよい。
　上述の位相設定を施すことで、２π折り返しに起因する迷光を低減することが可能になり、クロストークの劣化を低減することが可能になる。
＜第９実施形態＞
　図１４Ａおよび図１４Ｂは第９実施形態の光学系の構成例を説明するための図であって、図１４ＡはＬＣＯＳ４００１とシリンダレンズ４００２との配置例、図１４Ｂは図１４Ａの光学系において光信号がＬＣＯＳ４００１に入射する様子を示す。
　図１４Ａにおいて、光偏向素子としてのＬＣＯＳ４００１の前面には、シリンダレンズ４００２が設置される。この実施形態では、シリンダレンズ４００２として、例えば凹面状のシリンダレンズを用いるが、例えば凸面状のシリンダレンズを適用することができる。このようにしても、凹面状のシリンダレンズの場合と同様の効果を得ることができる。
　図１４Ａにおいて、入出力ポート４００８は、Ｘ軸方向に沿って平行に設置される。この場合、シリンダレンズ４００２を介して入射した光信号の波面は、曲面となり、これにより、第６実施形態と同様の効果を得る。すなわち、図１４Ｂに示す平面波が入射した場合でも、シリンダレンズ４００２を介してＬＣＯＳ４００１に入射する光信号の波面は、球面（スイッチ軸のみに曲率をもつシリンダ面）となる。この波面によって、ＬＣＯＳ４００１に設定すべき位相分布が、この波面が表す球面を補償する位相分布と、スイッチングに寄与する１次の位相分布とを重畳したものとなる（第６実施形態のものと同様の効果）。したがって、高次光に起因するクロストークが低減する。換言すれば、ポート数を倍増させることができる。
＜第１０実施形態＞
　以下、光スイッチの第１０実施形態について説明する。
　図１５に示した波長選択スイッチにおいて、分散素子７０１１は、レンズ７００３の入力側に配置しているが、分散素子としての回折格子（波長分波手段）７０１１とレンズ７００３との配置を逆にしてもよい。この場合の波長選択スイッチは、ＬＣＯＳ７００４上の光強度分布を分散させるようにすることで、リプルのない良好な波長特性を有する透過スペクトルを得る点に特徴がある。なお、この実施形態では、分散素子として、例えば回折格子を用いる場合について説明するが、プリズムなどを適用することもできる。
　図１５Ａおよび図１５Ｂは本実施形態の波長選択スイッチの構成例を示す図であって、図１５Ａはスイッチ軸方向の構成、図１５Ｂは波長軸方向の構成を示す。なお、図１５Ａにおいてｘは図３に示したｘ軸、図１５Ｂにおいてｙはｘ軸と直交する軸を表してある。
　本実施形態の波長選択スイッチでは、第４実施形態（図８）と類似であり、分散素子７０１１とレンズ７００３との配置を逆にした点で異なる。この点以外の構成は、第４実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の波長選択スイッチは、第４実施形態と同様に、入力ポート７００１ａと、出力ポート７００１ｂと、マイクロレンズ７００１ｃ、７００１ｄと、レンズ７００３と、コリメートレンズ７０１０と、分散素子としての回折格子７０１１と、集光レンズ７０１２と、空間光変調器７００４とを備える。この実施形態では、空間光変調器７００４は、例えばＬＣＯＳとして説明するが、例えばＧｒａｔｉｎｇ　Ｌｉｇｈｔ　Ｖａｌｖｅ型のＭＥＭＳなどを適用することもできる。また、この実施形態では、反射型のＬＣＯＳを例にとって説明するが、透過型ＬＣＯＳなどの透過タイプの空間光変調素子を使ってもよい。
　入力ポート７００１ａからの光信号は、マイクロレンズ７００１ｄを通過して自由空間に出力される。この場合、図１５Ａに示したスイッチ軸方向においては、光信号は、回折格子７０１１を介してレンズ７００３に伝搬する。一方、図１５Ｂに示した波長軸方向においては、光信号は、コリメートレンズ７０１０によって平行光に変換された後、回折格子７０１１を介してレンズ７００３に伝搬する。
　図１５において、入力ポート７００１から出力した光信号は、発散光として、分散素子７０１１に入力される。この様子を図１６に示す。
　図１６は回折格子７０１１に入射する光線の様子を説明するための図である。図１６において、回折格子７０１１に入力する光信号は、その中心光線（主光線）ｄ１６１と外郭光線（マージナル光線）ｄ１６２、ｄ１６３とが異なる角度で入射する。中心光線ｄ１６１と各外郭光線ｄ１６２、ｄ１６３との間の光線は、それぞれの入射角度の中間となる角度で入射する。
　この場合、主光線ｄ１６１に対する回折格子ピッチ（格子周期）および格子深さは、マージナル光線ｄ１６２、ｄ１６３に対する回折格子ピッチおよび格子深さとは異なる。さらには、主光線ｄ１６１とマージナル光線ｄ１６２、ｄ１６３とは、回折（分散）角度が異なる。その結果、この実施形態のＬＣＯＳ７００４では、回折格子７０１１を介して到達するビームパターンが異なる。
　図１５Ｂにおいて、回折格子７０１１に入射した発散光のうち中心光線は、破線で示される経路Ｙ２－１を伝搬してＬＣＯＳ７００４に入射する。一方、外郭光線の場合は、回折格子７０１１によって異なる分散となるので、中心光線とは異なる方向に回折される。図１５Ｂの例では、外郭光線は、実線で示される経路Ｙ２－２を伝搬してＬＣＯＳ７００４に入射する。
　このような中心光線および外郭光線の伝搬経路により、ＬＣＯＳ７００４上には、後述する三日月状の強度プロファイル（強度分布）が形成される。
　次に、異なる形状のビームがＬＣＯＳ７００４に入射される場合に得られる選択波長の透過特性について、図１７および図１８を参照して説明する。
　図１７Ａ～図１７Ｃは、ＬＣＯＳ７００４上に入射される単色光による光強度分布であって、図１７Ａは単色光が円形ビームの場合、図１７Ｂは波長の異なる２つの単色光が楕円ビームの場合、図１７Ｃは単色光が三日月状ビームの場合を示している。図１８Ａ～図１８Ｃは、図１７Ａ～図１７Ｃの入射光の場合にそれぞれ得られる選択波長の各透過特性を示す図である。
　図１７Ａの場合、波長の分解能が悪くなるため、ＬＣＯＳ７００４によってポートスイッチパターンまたは減衰パターンが与えられたとき、その悪い波長分解能に対応して透過スペクトルの分解能が劣化する。この場合の選択波長の透過特性は、図１８Ａに示すように、鈍った特性となり、理想的な透過スペクトルとならない。
　図１７Ｂの場合、波長軸方向に楕円ビームが入射するため、図１８Ｂに示すように、波長分解能が優れた透過スペクトルを得る。この場合には、同じ波長をもつ光が入射するピクセルの数が少なくなるので、同一のピクセルでは、異なる波長をもつ光が重なりにくくなり、これにより、波長分解能が大きくなり、図１８Ｂに示すような透過スペクトルを有するように光信号が操作できるようになるからである。
　ところが、図１７Ｂの場合、ＬＣＯＳ７００４の周期構造に起因する透過特性のリプルが生じる。リプルが生じるのは、ＬＣＯＳ７００４のピクセル間の間隙が有限の幅を有することが原因である。
　ここで、図１７Ｂの場合のＬＣＯＳ７００４のピクセル構造と入力ビームとの位置関係について図１９を参照して説明する。図１９はＬＣＯＳ７００４のピクセル構造と入力ビームとの位置関係を説明するための図である。
　図１９において、透明電極１９１２は、ガラス基板１９１１の下に構成されており、透明電極１９１２と反射電極１９１４との間には、液晶層１９１３が形成される。この液晶層１９１３は、透明電極１９１２と反射電極１９１４とによって、電圧が印加される。この電圧の印加により、ＬＣＯＳ７００４では、入射光に対して所定の位相を与えるようになっている。
　一般に、隣接する反射電極１９１４間の隙間（ギャップ）部分は、反射電極１９１４部分に比べて反射光の量が少なくなる。
　ここで、回折格子７０１１を透過した光信号は、異なる波長を有する光信号が異なる方向に回折されるので、異なる波長成分は、ＬＣＯＳ７００４上の異なる部分に入射される。
　図１９において、ｄ１９１はＬＣＯＳに入射する光の強度分布を示しており、稜線ｄ１９２および１９３は、それぞれ波長の異なる単色光の強度分布の稜線を示すものである。
　たとえば、光信号が位置Ａに入射する場合には、ＬＣＯＳ７００４のピクセル境界とビームの最大強度となる位置が一致する。この場合、入射光の大部分は、ＬＣＯＳ７００４による位相変調を効果的に受けない。さらにこの場合は、反射電極から戻る光は減少する。
　一方、位置Ａに入射する光信号とは異なる波長の光信号がＬＣＯＳ７００４に入射し、たとえば位置Ｂに入射する場合には、光強度がＬＣＯＳピクセルの反射電極の中心位置で最大となるので、反射光の強度が最大となる。さらに、反射電極２０１４上に着弾するため、位相変調の作用を効果的に受けることになる。
　位相変調の作用によって、透過スペクトルは、図１８Ｂに示すように、波長依存性のリプルを生じる。それに加えて、クラマス・クロニッヒの関係から、透過特性のリプルは、光信号の強度特性とともに位相特性にも影響を与えることになる。ここで、透過スペクトル特性の伝達関数をH(ω)＝HR(ω)+ｉ HI(ω)とすると、下記式（１３）のような関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　なお、上記式（１３）において、ω：光信号の角周波数、ＨＲ(ω)：出力電界の振幅特性、ＨＩ(ω)：位相特性、を示す。
　上記式（１３）から、振幅特性が波長によって変化する場合は、位相特性も変化することがわかる。したがって、光信号の位相特性すなわち分散特性にも影響が出る。
　図１７Ｃの場合、三日月状の形状のビームがＬＣＯＳ７００４に入射するため、スイッチ軸方向のビーム端が波長軸方向にシフトする。この場合の透過特性は、図１８Ｃに示すような値を得る。この場合のＬＣＯＳ７００４上の入力ビームとＬＣＯＳ７００４のピクセル構造の位置関係を図２０に示す。
　図２０は、ＬＣＯＳ７００４のピクセル構造と入力ビームとの位置関係を説明するための図である。なお、図２０において、ガラス基板２０１１、透明電極２０１２、液晶層２０１３および反射電極２０１４が表してある。
　図２０に示す稜線ｄ２０２、ｄ２０３は、スイッチ軸方向の位置に対応するビームの最大強度を結んで形成してある。
　図２０に示すように、ある単色光としての入力ビームｄ２０１ａが与えられる場合でも、光信号は、波長軸方向にわたって複数のピクセルに与えられるように配置される。稜線ｄ２０２は波長方向に連続的に変化するため、光ビームに対して与えられるピクセル境界も連続的に変化する。これにより、ピクセル境界での光強度のばらつきが与える影響が平均化される。つまり、図２０に示すように、稜線ｄ２０２は、波長軸(分波軸)の方向（すなわちＬＣＯＳ７００４の面と分波面がＬＣＯＳ７００４上に形成される直線方向）に対して、分布するように設定される。これにより、ピクセル境界において光強度が与える影響が平均化されることがわかる。
　また、図２０において、光信号の波長が変化し、ＬＣＯＳ７００４の入射位置が位置Ｂに変わったとしても、上述の平均化効果は低下することになるものの消滅することはない。
　さらに、透過スペクトルの急峻性を実現するために、ＬＣＯＳ７００４の制御パターンを、図２１に示す三日月の形状に従って設定するのが好ましい。
　図２１において、ＷＤＭチャネルの境界の波長における単色光を形成する三日月ビームｄ２１１が与えられるＬＣＯＳ７００４のピクセル領域ｄ２１２が、三日月形状となるように設定すればよい（図２１の斜線部分で表す）。このように制御することによって、チャネル境界で急峻なロールオフ特性を実現することが可能になる。
　以上説明したように、本実施形態の光学系では、回折格子７０１１を介してＬＣＯＳ７００４に光信号が入射するときに、その光信号の形状が、回折格子７０１１の波長軸と直交するＬＣＯＳ７００４面内の軸に対して非対称となるように、回折格子７０１１が予め配置される。これにより、リプルのない優れた波長特性を得ることとなり、帯域が狭窄化することがなく、透過スペクトルの平坦性の高い波長選択スイッチを実現することが可能になる。例えば、本実施形態の光スイッチを例えば光伝送システムに導入したとしても、伝送特性が劣化しない。
　この場合、複数のピクセルからなるＬＣＯＳ（空間位相変調素子）７００４のピクセル境界（反射電極のギャップ間）が大きい場合においても、ピクセル境界が光信号に与える影響を小さくすることができる。
　回折格子７０１１は、光信号に含まれる主光線ｄ１６１とマージナル光線ｄ１６２、ｄ１６３とを、それぞれ異なる角度で入射するように配置される（図１６）。これにより、ＬＣＯＳ７００４に与えるビームパターンを、例えば図２１のように設定することができる。
　＜変形例＞
　上記各実施形態では、入力ポートから出力される光信号の主光線は、光学系の光軸上に現れる場合について示しているが、入出力ポートの配置を入れ替えても光スイッチが動作することから、光学系の光軸上に現れない場合も同様の構成をとることが可能である。
　上記各実施形態において、入力ポートまたは／および出力ポートは、２つ以上設けるようにしてもよい。
　２００１ａ、４００１ａ、６００１ａ、７００１ａ　入力ポート
　２００１ｂ、４００１ｂ、６００１ｂ、７００１ｂ　出力ポート
　２００３　レンズ
　２００４、４００４、６００４、７００４ａ　空間光変調器
　７０１１　回折格子

Claims (6)

  1. 　少なくとも１つの入力ポートと、
    　少なくとも１つの出力ポートと、
    　前記入力ポートからの光信号を波長分波させる波長分波手段と、
    　前記波長分波された光信号を、前記出力ポートに偏向する空間光変調部と、
    　を含み、
    　前記光信号が前記空間光変調部に入射するときの光信号の形状が、前記波長分波手段の波長軸と直交する前記空間光変調部面内の軸に対して非対称となるように、前記波長分波手段が予め配置される
    　ことを特徴とする光スイッチ。
  2. 　前記空間光変調部は、複数のピクセルからなる空間位相変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
  3. 　前記空間光変調器上に入射される前記光信号を構成する単色の成分に相当する強度分布は、この強度分布の最大値を結んで形成される稜線が、前記波長軸に対して分散するように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
  4. 　前記光信号は、主光線と、マージナル光線とを含み、
    　前記波長分波手段は、前記主光線と前記マージナル光線とを、それぞれ異なる角度で入射するように配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光スイッチ。
  5. 　前記光スイッチは、前記波長軸と直交する空間光変調器面内の軸であるスイッチ軸方向にのみ光学パワーを有するレンズを有し、
    　前記レンズは、前記波長分波手段と前記空間光変調器との間に設けられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
  6. 　前記空間光変調部は、波長多重信号のチャネル境界に応じて、制御パターンが設定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光スイッチ。
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