特開 2017-97194 空間光結合器及び空間光結合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-97194(P2017-97194A)

(43)【公開日】2017年6月1日

(54)【発明の名称】空間光結合器及び空間光結合装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/31 20060101AFI20170428BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/31

【審査請求】未請求

【請求項の数】23

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2015-229871(P2015-229871)

(22)【出願日】2015年11月25日

(71)【出願人】

【識別番号】000002820

【氏名又は名称】大日精化工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 教雄

(72)【発明者】

【氏名】宝田 茂

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA28

2K102BA08

2K102BC02

2K102BD01

2K102CA20

2K102DA00

2K102DD01

2K102EB10

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】大規模演算素子に搭載されたメモリ群のデータを回線切替方式で光バースト転送する。
【解決手段】第１の波長は透過し第２の波長を吸収する色素溶液セルに接して設置された第１の波長のＬＤ出射光をデジタル変調した信号光ビームとして収束透過させ、このビームウエスト近傍に第２の波長のＬＤ出射ビームを制御光として収束させて照射し信号光ビームの光路を偏向させ、光源ＬＤの対面に複数設置された受光ＰＤ群の特定の一つに入射させる。１基につき信号光ＬＤ１個、制御光ＬＤ６個及び受光ＰＤ２５個を搭載した空間光結合器５０の２４基と演算素子基板２４基を交互にリンクさせたノードを上位の空間光結合器５１へ接続し、５７６チャンネルの演算素子間・回線切替式空間光結合を実現する。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

垂直貫通孔、及び垂直貫通孔を囲むように形成された斜め貫通孔を備え、垂直貫通孔に第１の波長の信号光を出射する信号光レーザダイオードが配置され、斜め貫通孔に第２の波長の制御光を出射する制御光レーザダイオードが配置されるヒートシンクと、
第１の波長の信号光を透過し第２の波長の制御光を吸収する色素溶液が充填された色素溶液セルであり、第２の波長の制御光の吸収により色素溶液に生じる屈折率分布により第１の波長の信号光の光路を偏向する色素溶液セルと、
色素溶液セルを透過した第１の波長の信号光を受光する受光フォトダイオードを備える受光ユニットと、
を備える空間光結合器。

【請求項2】

受光ユニットは、少なくとも、制御光が照射されず直進する信号光を受光する受光フォトダイオードと、制御光が照射され偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードを備え、色素溶液セルの後方に信号光をコリメートするためのコリメートレンズを備える、
請求項１に記載の空間光結合器。

【請求項3】

受光ユニットは、制御光が第１の強度で照射され第１の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードと、制御光が第２の強度で照射され第２の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードを備える、
請求項２に記載の空間光結合器。

【請求項4】

信号光レーザダイオードから出射された信号光を整形及び収束するロッドレンズが垂直孔に配置され、
制御光レーザダイオードから出射された制御光を整形及び収束するロッドレンズが斜め貫通孔に配置される、
請求項１〜３のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項5】

色素溶液セルは、信号光の入射面、信号光の色素溶液に接する内壁入射面及び内壁出射面、信号光の出射面は互いに平行であり、
ヒートシンクの端面は、色素溶液セルの信号光の入射面と平行である、
請求項１〜４のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項6】

斜め貫通孔は、垂直貫通孔の周囲に等間隔に６本配置され、
信号光のビームは色素溶液内に位置し、
６本の制御光のビームは色素溶液内の信号光のビーム近傍に位置し、
色素溶液セルは、６本の制御光のいずれか１本の照射により色素溶液内の信号光のビーム近傍に生じる屈折率分布により信号光の光路を偏向する、
請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項7】

斜め貫通孔は、垂直貫通孔の周囲に等間隔に６本配置され、
信号光のビームは色素溶液内に位置し、
６本の制御光のビームは色素溶液内の信号光のビーム近傍に位置し、
色素溶液セルは、６本の制御光の内隣接するいずれか２本の照射により色素溶液内の信号光のビーム近傍に生じる屈折率分布により信号光の光路を偏向する、
請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項8】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射によって信号光ビームが偏向されて到着する位置に配置される６個の受光フォトダイオード
を備え、１本の制御光が７方向に切り替えられ７チャンネルを有する請求項６に記載の空間光結合器。

【請求項9】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射のときと互いに隣接する２本の同時照射のときで同一の偏向角で信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオード
を備え、１本の制御光が１３方向に切り替えられ１３チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項10】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が１３方向に切り替えられ１３チャンネルを有する請求項６に記載の空間光結合器。

【請求項11】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射パワーが３水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が１９方向に切り替えられ１９チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項12】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項13】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、中位の制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｍで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項14】

受光ユニットは、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される２４個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項15】

受光ユニットは、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される２４個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が３７方向に切り替えられ３７チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項16】

受光ユニットは、
制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光の互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、中位の制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｍで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、
６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される２４個の受光フォトダイオードと、
を備え、１本の制御光が４９方向に切り替えられ４９チャンネルを有する請求項１〜５のいずれかに記載の空間光結合器。

【請求項17】

ｍ個（ｍは２以上の自然数）の演算素子基板と、
ｍ個の演算素子基板に導線でそれぞれ接続され、演算素子基板間でデータを光バースト転送する請求項１〜１６のいずれかに記載のｍ個の空間光結合器と、
ｍ個の空間光結合器に導線で接続される、請求項１〜１６のいずれかに記載の上位の空間光結合器と、
上位の空間光結合器に接続され、上位の空間光結合器に対して動作命令を送信する上位の制御装置と、
を備える空間光結合装置。

【請求項18】

空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、７個の受光フォトダイオードを備えて７チャンネルを有し、
ｍは６であり、
３６チャンネルを有する請求項１７に記載の空間光結合装置。

【請求項19】

空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、１３個の受光フォトダイオードを備えて１３チャンネルを有し、
ｍは１２であり、
１４４チャンネルを有する請求項１７に記載の空間光結合装置。

【請求項20】

空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、１９個の受光フォトダイオードを備えて１９チャンネルを有し、
ｍは１８であり、
３２４チャンネルを有する請求項１７に記載の空間光結合装置。

【請求項21】

空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、２５個の受光フォトダイオードを備えて２５チャンネルを有し、
ｍは２４であり、
５７６チャンネルを有する請求項１７に記載の空間光結合装置。

【請求項22】

空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、３７個の受光フォトダイオードを備えて３７チャンネルを有し、
ｍは３６であり、
１２９６チャンネルを有する請求項１７に記載の空間光結合装置。

【請求項23】

空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、４９個の受光フォトダイオードを備えて４９チャンネルを有し、
ｍは４８であり、
２３０４チャンネルを有する請求項１７に記載の空間光結合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空間光結合器及び空間光結合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

スーパーコンピュータ等の大規模演算素子に搭載されたメモリ群のデータを隣接する演算素子のメモリや外部へ転送する場合、高速変調されたデジタル信号は導線周辺に誘起される電磁場の影響を受けて波形が乱れる。これを避けるため１対の導線をねじり合わせたツイストペア線が広く用いられている。又、これを更にシールド網線で電磁誘導から保護したシールド線も用いられている。

【0003】

しかしながら、信号伝送速度が１０Ｇｂｐｓ（１秒間に10×10^９ビット）以上になると、その伝達距離は数メートル程度が限界となる。これよりも長距離を伝達させる場合、演算素子基板の近傍でデジタル信号を光信号に変換し、光ファイバを用いて伝送し、送信先でデジタル信号に戻す方式が用いられる。この場合、光ファイバは導線の代替として用いられている。更に、光ファイバの接続先を空間光結合器で切り替えることで、デジタル信号の伝送先を変更することが可能となる。

【0004】

機械式空間光結合器として、空間を伝搬する光ビームの光路にミラー又はプリズムを挿入する方式が古くから使用されている。その動作には１０秒を要するものがある。

【0005】

特許文献１及び２には可動式ミラーを定められた方式で精密に駆動することによって光路を切り替えるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）方式の空間光結合器が開示されている。

【0006】

特許文献３には透明電極に挟まれたポリマーと液晶の混合物に電圧を印加したときの屈折率変化を用いる方式の空間光結合器が開示されている。

【0007】

特許文献４には「熱レンズ効果」を用いる光路切替装置として、信号光と制御光とを入射面が重力の方向に対して垂直に設置された熱レンズ形成光素子へ縮小光学系にて重力方向に入射させ、各々収束点を光軸に対して垂直方向で異ならせて収束させ、前記制御光が照射されない場合の直進信号光と、前記制御光が照射され光路切替された信号光とが、同一の光学系手段によって収束又は集光される受光手段を備え、更に、光路切替された前記信号光の通過位置にくさび型プリズムを設けて光路変更信号光と直進信号光の光軸間距離を広げる方式の空間光結合器が開示されている。特許文献４には前記くさび型プリズムとして６角錐台プリズムを用い、受光素子として７芯バンドル光ファイバを用いることを特徴とする７方向空間光結合型光路切替器が開示されている。

【0008】

特許文献５には「熱レンズ効果」を用いる光路切替装置として、照射側端面近接７芯バンドル光ファイバの端面の内、中心に載置された光ファイバ端面から出射する信号光及び６つの周辺光ファイバ端面の１つから単独又は隣接する２つから同時に出射される制御光がコリメートレンズ及び集光レンズを介して熱レンズ形成素子に収束・照射され、前記熱レンズ形成素子を通過した信号光はコリメートする受光レンズと、くさび型プリズム部分を含む１２角錐台プリズムと、結合レンズとを介して、結合レンズから出射した直進信号光又は光路切替された信号光として、受光素子である１３芯バンドル光ファイバの光ファイバ端面のいずれかに、制御光照射の有無と制御光の組合せに応じて選択的に入射する方式の１３方向空間光結合型光路切替器が開示されている。特許文献５には又、前記１２角錐台プリズムを２４角錐台プリズムに変え、隣接する２つの端面から同時に出射される制御光のパワーの組み合わせを３通りに変化させることを特徴とする２５方向空間光結合型光路切替器も開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許４０２３５８４号公報

【特許文献2】特許４３１３９８７号公報

【特許文献3】特許５５０８６７７号公報

【特許文献4】特許５４９３１２６号公報

【特許文献5】特許５７８７２５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、例えば５００基を超える多数の大規模演算素子の各々に搭載されたメモリ群のデータを隣接する演算素子等へ電磁波誘導及び干渉、並びに電磁ノイズの影響なしに回線切替方式で光バースト転送することが可能な空間光結合器及び空間光結合装置を提供することにある。又、本発明の他の目的は、光学ユニット（調整済の光部品群）の総数を削減し、装置を小型化することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、垂直貫通孔、及び垂直貫通孔を囲むように形成された斜め貫通孔を備え、垂直貫通孔に第１の波長の信号光を出射する信号光レーザダイオードが配置され、斜め貫通孔に第２の波長の制御光を出射する制御光レーザダイオードが配置されるヒートシンクと、第１の波長の信号光を透過し第２の波長の制御光を吸収する色素溶液が充填された色素溶液セルであり、第２の波長の制御光の吸収により色素溶液に生じる屈折率分布により第１の波長の信号光の光路を偏向する色素溶液セルと、色素溶液セルを透過した第１の波長の信号光を受光する受光フォトダイオードを備える受光ユニットとを備える空間光結合器である。

【0012】

本発明の１つの実施形態では、受光ユニットは、少なくとも、制御光が照射されず直進する信号光を受光する受光フォトダイオードと、制御光が照射され偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードを備え、色素溶液セルの後方に信号光ビームをコリメートするためのコリメートレンズを備える。

【0013】

本発明の更に他の実施形態では、受光ユニットは、制御光が第１の強度で照射され第１の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードと、制御光が第２の強度で照射され第２の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードを備える。

【0014】

本発明の更に他の実施形態では、受光ユニットは、制御光が第１の強度で照射され第１の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードと、制御光が第２の強度で照射され第２の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードと、制御光が第３の強度で照射され第３の角度で偏向された信号光を受光する受光フォトダイオードを備える。

【0015】

本発明の更に他の実施形態では、信号光レーザダイオードから出射された信号光を整形及び収束するロッドレンズが垂直孔に配置され、制御光レーザダイオードから出射された制御光を整形及び収束するロッドレンズが斜め貫通孔に配置される。

【0016】

本発明の更に他の実施形態では、色素溶液セルは、信号光の入射面、信号光の色素溶液に接する内壁入射面及び内壁出射面、信号光の出射面は互いに平行であり、前記斜め孔ヒートシンクの端面は、色素溶液セルの信号光の入射面と平行である。

【0017】

本発明の更に他の実施形態では、斜め貫通孔は、垂直貫通孔の周囲に等間隔に６本配置され、信号光のビームは色素溶液内に位置し、６本の制御光のビームは色素溶液内の信号光のビーム近傍に位置し、色素溶液セルは、６本の制御光のいずれか１本の照射により色素溶液内の信号光のビーム近傍に生じる屈折率分布により信号光の光路を偏向する。

【0018】

本発明の更に他の実施形態では、斜め貫通孔は、垂直貫通孔の周囲に等間隔に６本配置され、信号光のビームは色素溶液内に位置し、６本の制御光のビームは色素溶液内の信号光のビーム近傍に位置し、色素溶液セルは、６本の制御光の内、隣接するいずれか２本の照射により色素溶液内の信号光のビーム近傍に生じる屈折率分布により信号光の光路を偏向する。

【0019】

本発明の更に他の実施形態では、受光ユニットは、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、強度が強弱２段階に切り替え可能に設定される制御光の強度が弱の場合に、６本の制御光のいずれか１本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光フォトダイオードと、制御光の強度が強の場合に、６本の制御光ビームのいずれか１本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光フォトダイオードとを備え、１本の制御光が１３方向に切り替えられ１３チャンネルを有する。

【0020】

本発明のさらの他の実施形態では、受光ユニットは、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、強度が強弱２段階に切り替え可能に設定される制御光の強度が弱の場合に、６本の制御光の内、いずれか１本又は隣接するいずれか２本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、制御光の強度が強の場合に、６本の制御光の内、いずれか１本又は隣接するいずれか２本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードを備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する。

【0021】

本発明のさらの他の実施形態では、受光ユニットは、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光フォトダイオードと、強度が強中弱の３準位に切り替え可能に設定される制御光の強度が弱の場合に、６本の制御光の内、いずれか１本又は隣接するいずれか２本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、制御光の強度が中位の場合に、６本の制御光の内、いずれか１本又は隣接するいずれか２本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光フォトダイオードと、制御光の強度が強の場合に、６本の制御光ビームの内、いずれか１本又は隣接するいずれか２本の照射によって信号光が偏向されて到着する位置に配置される２４個の受光フォトダイオードを備え、１本の制御光が「１＋１２＋１２＋２４」すなわち４９方向に切り替えられ４９チャンネルを有する。

【0022】

又、本発明は、ｍ個（ｍは２以上の自然数）の演算素子基板と、ｍ個の演算素子基板に導線でそれぞれ接続され、演算素子基板間でデータを光バースト転送する請求項１〜１６のいずれかに記載のｍ個の空間光結合器と、ｍ個の空間光結合器に導線で接続される、請求項１〜１６のいずれかに記載の上位の空間光結合器と、上位の空間光結合器に接続され、上位の空間光結合器に対して動作命令を送信する上位の制御装置とを備える空間光結合装置である。

【0023】

本発明の１つの実施形態では、空間光結合器は、１個の信号光レーザダイオードと、６個の制御光レーザダイオードと、２５個の受光フォトダイオードを備えて２５チャンネルを有し、ｍは２４であり、合計５７６チャンネルを有する。

【0024】

本発明は、例えばスーパーコンピュータ等に適用され得るが、必ずしもこれに限定されない。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、多数の大規模演算素子の各々に搭載されたメモリ群のデータを隣接する演算素子等へ電磁波誘導及び干渉、並びに電磁ノイズの影響なしに回線切替方式で光バースト転送できる。

【0026】

又、本発明によれば、光学ユニット（調整済の光部品群）の総数を削減して装置を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】第１実施形態に例示した空間光結合器の概念を示す平面図である。

【図2】空間光結合器に用いられる色素溶液の吸収スペクトルを例示する図である。

【図3】第１実施形態に例示した空間光結合器の動作を例示する斜視図である。

【図4】斜め孔ヒートシンクのＡ−Ａ’断面における信号光ＬＤ及び制御光ＬＤの配置を表す断面図である。

【図5】第１実施形態の受光ユニットの端面における受光ＰＤの受光面を表す図である。

【図6】制御光パワーと信号光の偏向角の関係を例示する図である。

【図7】収束信号光のビームウエスト近傍を通過する収束制御光ビームの熱レンズ形成領域の位置に応じた信号光ビーム断面の形状を表す概略図であり、（ａ）ビームウエスト９と接触する場合、（ｂ）１０〜２０μｍ程度まで近づいている場合、（ｃ）２５μｍ以上離れている場合の信号光ビーム断面の形状を各々表す概略図である。

【図8】第２実施形態の受光ユニットの端面における受光ＰＤの受光面を表す図である。

【図9】第３実施形態の空間光結合装置を例示する概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下では便宜上、レーザダイオードをＬＤ、フォトダイオードをＰＤと略記して説明する。

【0029】

＜第１実施形態＞
＜構成＞
図１に、第１実施形態として例示する空間光結合器１の概念図を示す。又、図３に、空間光結合器１の動作を例示する斜視図を示す。

【0030】

図１に示すように、空間光結合器１は、斜め孔ヒートシンク２と、色素溶液セル３と、コリメートレンズ３０と受光ＰＤユニット４を備える。

【0031】

斜め孔ヒートシンク２は、垂直貫通孔、及びこの垂直貫通孔を囲むような斜め貫通孔を備え、垂直貫通孔には信号光ＬＤ１０及びロッドレンズ２０が挿入・固定されて配置され、斜め貫通孔には制御光ＬＤ１１〜１６及びロッドレンズ２１〜２６が挿入・固定されて配置される。受光ＰＤユニット４には受光ＰＤ４００〜４２４が配置される。コリメートレンズ３０は色素溶液５内部の信号光ビームウエスト９から拡散しながら直進、又は、偏向されて出射する信号光ビーム２００又は２０１〜２２０を近似平行光ビームにコリメートし受光ＰＤの受光面４００〜４２４へ入射させるため設けられる。

【0032】

コリメートレンズ３０としてはゲルマニウムをドープして屈折率を高めた石英ガラスからなる片面平面・他面非球面のレンズを好適に使用することができる。
［ａ］図１に表すような光学要素を空間結合させない構成の場合、コリメートレンズ３０は色素溶液セル３の内部に埋め込まれた形で使用される。このような構造は、後に述べるように色素溶液セル３の内部に内部セル３３を埋め込むための製造工程の一部として形成することができる。
［ｂ］図３の斜視図は斜め孔ヒートシンク２と、色素溶液セル３と、コリメートレンズ３０と受光ＰＤユニット４を空間結合させた場合の概念図でもある。この場合、コリメートレンズ３０は色素溶液５の後方の空気中に設置される。

【0033】

図４に、斜め孔ヒートシンク２のＡ−Ａ’断面における信号光ＬＤ１０及び制御光ＬＤ１１〜１６の配置を表す断面図を示す。中央に信号光ＬＤ１０が配置され、信号光ＬＤ１０を囲むようにその周囲に等間隔に６個の制御光ＬＤ１１〜１６が配置される。

【0034】

図５に、受光ＰＤユニット４の端面における受光ＰＤの配置を示す。中央に１個の受光ＰＤが配置され、その周囲に１２個の受光ＰＤが配置され、更にその周囲に１２個の受光ＰＤが配置される。中央の受光ＰＤが受光ＰＤ４００に対応し、その周囲の１２個の受光ＰＤが受光ＰＤ４０１〜４１２に対応し、更にその周囲の１２個の受光ＰＤが受光ＰＤ４１３〜４２４に対応する。後述するが、中央の受光ＰＤ（受光ＰＤ４００）で偏向せずに直進する信号光ビームを受光し、周囲の受光ＰＤ（受光ＰＤ４０１〜４２４）で偏向された信号光ビームを受光する。

【0035】

再び図１に戻り、信号光ＬＤ１０のロッドレンズ２０の端面は色素溶液セル３の端面（外壁）に密着し、ロッドレンズ２１〜２６の端面は色素溶液セル３の端面（外壁）に斜めに接する。又、色素溶液セル３内には色素溶液５及びコリメートレンズ３０が配置される。すなわち、色素溶液セル３内のキャビティに色素溶液５が充填される。空間光結合器１の色素溶液セル３内はワイヤレスであり、電線及び光ファイバは用いられない。

【0036】

空間光結合器１の信号光ＬＤ１０、制御光ＬＤ１１〜１６及び受光ＰＤ４００〜４２４は、それぞれ導線により公知の電磁波遮蔽手段と併せて大規模演算素子の基板にできる限り最短距離で接続される。信号光ＬＤ１０、制御光ＬＤ１１〜１６及び受光ＰＤ４００〜４２４の接続端子がコンパクトなフレキシブル基板配線である場合、適合したコネクタを有するフレキシブル基板配線によって大規模演算素子の基板に接続され得る。このフレキシブル基板配線に絶縁膜を介して金属箔を積層し、更に電磁波遮蔽手段としての電磁波吸収フィルムを積層することで、高周波数のデジタル信号を電磁波障害無しに伝送できる。

【0037】

空間光結合器１の信号光ＬＤ１０の波長（第１の波長λ１）は、組み合わせて使用される制御光ＬＤ１１〜１６の波長（第２の波長λ２）及び色素溶液５の色素の吸収スペクトル（図２に例示）との関係を考慮して選択される。すなわち、色素溶液５の第２の波長の制御光吸収による温度上昇及び体積膨張とそれに伴う屈折率の低下により、色素溶液５内部の制御光ビームウエスト近傍において屈折率の分布が過渡的に形成され、この熱レンズ効果によって第１の波長λ１の信号光ビームの光路が偏向される。

【0038】

又、装置設計上の制約として、信号光ＬＤ１０及び制御光ＬＤ１１〜１６の光照射部分は円筒形であって、直径が数ｍｍ以下であることが好ましい。これは、図３に示すように、斜め孔ヒートシンク２の端面７において、信号光ＬＤ１０のロッドレンズ出射面１１０と制御光ＬＤ１１〜１６のロッドレンズ出射面１１１〜１１６のいずれも共通の中心間距離Ｌ０をできる限り小さくすることで、収束信号光１００と収束制御光１０１〜１０６のいずれも共通の交差角度θからｔａｎθで算出される信号光ＬＤ１０のロッドレンズ出射面１１０から収束信号光１００のビームウエスト９までの距離Ｌｗをできる限り短くし、その結果、ビームウエスト９のビーム径を極力小さくすることで、信号光ビームの光路偏向に必要な熱レンズのサイズを小さくするためである。信号光ビームの光路偏向に必要な熱レンズのサイズを小さくことで制御光パワーを小さくし、かつ、信号光ビームの光路偏向に要する時間を短縮することが可能となる。ここで、Ｌ０とＬｗの関係は三角関数の定義から式〔１〕で表される。
［数１］
Ｌｗ ＝ Ｌ０／ｔａｎθ …〔１〕

【0039】

容易に理解できるように、収束信号光１００と収束制御光１０１〜１０６のいずれも共通の交差角度θが大きいと、収束制御光１０１〜１０６の形成する熱レンズ６と信号光ビームウエスト９の作用長さが短くなる。制御光の強度及び前記中心間距離Ｌ０を一定とし、交差角度θ及び前記距離Ｌｗを変化させて信号光の偏向角度を実験で求めたところ、交差角度θの値は５度乃至２０度が好ましく、更に好ましくは１０乃至１５度が好適であることが確認された。なお、交差角度θを５度よりも小さくすると距離Ｌｗが長くなり、信号光ビームウエスト径が大きくなって熱レンズ６のサイズが不足し、偏向角度が小さくなってしまう。

【0040】

なお、信号光のビームウエスト直径Ｄｗは、信号光ＬＤ１０のロッドレンズ出射面１１０における信号光ビームの直径Ｄ０、信号光の波長λ及び信号光ロッドレンズの焦点距離に相応する前記Ｌｗからガウシャンビームに関する位相光学解析に基づく式〔２〕で近似計算することができる。
［数２］
Ｄｗ ＝ （４／π）×λ×（Ｌｗ／Ｄ０） …〔２〕

【0041】

例えば、斜め孔ヒートシンク端面７において、ロッドレンズの直径を１ｍｍかつＬ０を１ｍｍとした場合、ロッドレンズの７つの孔は端面７において接触した形になるが、Ｌ０を１ｍｍ、又、θを１０度とした場合、幾何光学的に求めたロッドレンズ出射面１１０からビームウエスト９までの距離Ｌｗは５．６７ｍｍであり、ロッドレンズ２０に入射する信号光の直径Ｄ０をロッドレンズ径と同一の１ｍｍ、又、信号光の波長を１．３１μｍとした場合、信号光のビームウエスト直径Ｄｗは９．４６μｍと計算される。ここで、ロッドレンズの直径を０．２ｍｍ、又、Ｌ０を０．２ｍｍに変えても、Ｄ０は０．２ｍｍとなるため、Ｄｗの計算値は変わらない。そこで、θを１５度と大きくすると、Ｄｗは６．２３μｍまで小さくなる。このとき、ロッドレンズ２０〜２６の直径１ｍｍを細密に配置した場合、信号光及び制御光のロッドレンズ間距離Ｌ０は１ｍｍであり、これに対する、進行光出射面からビームウエスト９までの距離Ｌｗは「１ｍｍ／（ｔａｎ１５度）」すなわち３．７３ｍｍである。

【0042】

一方、制御光の出射端面から制御光のビームウエストまでの距離をＬｃｗとすると、Ｌ０とＬｃｗの関係は式〔３〕で表される。
［数３］
Ｌｃｗ ＝ Ｌ０／ｓｉｎθ …〔３〕

【0043】

従って、斜め孔ヒートシンク端面７において、ロッドレンズの直径を１ｍｍかつＬ０を１ｍｍ、又、θを１０度とした場合、幾何光学的に求めたロッドレンズ２１〜２６の出射面１１１〜１１６から制御光ビームウエストまでの距離Ｌｃｗは５．７６ｍｍであり、ロッドレンズ２１〜２６に入射する信号光の直径をロッドレンズ径と同一の１ｍｍ、又、制御光の波長を０．９８μｍとした場合、制御光のビームウエスト直径Ｄｃｗは７．１９μｍと計算される。θを１５度とするとＤｃｗは４．８２μｍと計算される。なお、実験的には、収束制御光の照射時間を数ミリ秒以上とした場合、制御光の光吸収で形成される熱レンズのサイズは、以下に記述するように制御光のビームウエストからの距離２５μｍよりも大きくなることが確認されている。

【0044】

偏向された信号光ビームの断面形状を受光ＰＤユニット４の位置に設置したビームプロファイラーで観察すると、以下の通りである。すなわち、収束信号光のビームウエスト９近傍を通過する収束制御光ビームの熱レンズ形成領域が、
（ａ）ビームウエスト９と接触する場合
（ｂ）１０〜２０μｍ程度まで近づいている場合
（ｃ）２５μｍ以上離れている場合
の偏向された信号光ビーム断面の形状は、各々、図７の（ａ），（ｂ）及び（ｃ）に概略を示す通り、
（ａ）ゆがんだドーナツ形
（ｂ）三日月形
（ｃ）概ねガウス分布の丸ビーム
である。これらのビーム断面の形状の相違は、
（ａ）の場合、信号光と制御光を同軸で色素溶液５に収束入射させたとき信号光断面はドーナツ形となるが、制御光と信号光のビーム中心が角度θだけ傾いているためドーナツ形が崩れること
（ｂ）の場合、熱レンズによる屈折率変化の大きい領域を信号光ビームウエストが通過するため、丸ビームが崩れること
（ｃ）熱レンズによる屈折率変化が緩やかな領域を信号光ビームウエストが通過するため丸ビームを保つことができること
で説明できる。なお、収束信号光のビームウエスト９近傍を通過する収束制御光ビームの熱レンズ形成領域が４０μｍを超えて離れた場合、信号光の偏向は極めて小さくなる。ここで、熱レンズのサイズを大きくするため、制御光のパワーを強くすると、色素溶液の温度上昇によって、熱レンズ領域の温度が溶剤の沸点に到達し、信号光ビームは遮断される。実験的に求めた信号光ビーム偏向角の最大値は諸条件によって１６〜２０度の範囲であった。

【0045】

熱レンズの影響を受ける大きさによって、制御光のｏｎ／ｏｆｆに対応する信号光ビームの偏向速度は、言うまでも無く、（ｃ）＜（ｂ）＜（ａ）の順に速い。偏向された信号光ビームを仮に光ファイバで受光する場合、その結合効率はガウス分布からの乖離が小さい（ａ）＜（ｂ）＜（ｃ）の順に高くなる。本実施形態の場合、制御光ビームを直接受光ＰＤの受光面における光強度の合算値として検出するため、ビーム断面がＰＤ受光面のサイズを超えなければ、その形状が円でなくとも問題は無く、図７（ｂ）のような三日月形であっても良い。しかしながら、図７（ａ）のような崩れたドーナツ形の場合、信号光ビームの一部が隣接するチャンネルのＰＤ受光面に漏れ、クロストーク性能が悪化する可能性が高くなるので好ましくない。

【0046】

偏向信号光ビームの形状が熱レンズの影響を強く受けた図７（ｂ）のような三日月形であっても良いことから、本実施形態によって、照射側バンドルファイバを用いる場合の丸ビームの場合の１ミリ秒よりも速い速度で信号光の偏向が可能となる。

【0047】

信号光の第１の波長（これをλ１とする）として、高速変調が可能なＬＤの発振波長である１３１０ｎｍ、１４９０ｎｍ又は１５５０ｎｍ等の赤外線を用いる場合、制御光の第２の波長（これをλ２とする）として光ファイバーアンプ用に広く用いられている発振波長９８０ｎｍのＬＤを制御光の光源として好適に使用することができる。

【0048】

これらの信号光の波長λ１及び制御光の波長λ２に適合する色素、つまり波長λ１を透過し波長λ２を吸収する色素としては、例えば、図２に示すような吸収スペクトル特性の赤外線吸収色素を好適に用いることができる。

【0049】

なお、熱レンズ素子として好適な色素及び溶剤の組み合わせ、及び、色素溶液セル３の断面における色素溶液５の厚さＬｓの好適な値については、特許５３７０７１１号公報に詳しく記載されている。

【0050】

具体的には、色素は以下のような要件を満足する必要がある。
（Ａ）制御光の吸収波長帯域の収束レーザーの照射に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
（Ｂ）制御光の吸収波長帯域の収束レーザーの収束位置における２００℃を超える温度上昇に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
（Ｃ）制御光吸収波長帯域の収束レーザーの照射及び温度上昇によって分解物、反応生成物、あるいは会合体などの固体粒子を形成しないこと。
（Ｄ）信号光の波長帯域において光吸収や光散乱を起こさないこと。

【0051】

色素の具体例としては、信号光波長９８０〜２０００ｎｍの場合、制御光波長の帯域に応じて、以下のような溶剤可溶性フタロシアニン誘導体を好適に用いることができる。
６５０〜６７０ｎｍ：１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチル銅フタロシアニン
６８５〜７１５ｎｍ：１，５，９，１３−テトラ−tert−ブチルオキシバナジウムフタロシアニン
７３０〜８３０ｎｍ：２，１１，２０，２９−テトラ−tert−ブチルオキシバナジウムナフタロシアニン
８４０〜８９０ｎｍ：５，９，１４，１８，２３，２７，３２，３６−オクタ−ｎ−ブトキシ−２，３−ナフタロシアニン

【0052】

又、溶剤は以下のような要件を満足する必要がある。
［１］色素を適切な濃度で安定に溶解すること。
［２］信号光及び制御光レーザーの照射に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
［３］信号光及び制御光レーザーの収束位置における２００℃を超える温度上昇に２千時間以上、可能であれば数万時間以上耐えること。
［４］信号光及び制御光レーザーの照射及び温度上昇によって分解物、反応生成物、あるいは会合体などの固体粒子を形成しないこと。
［５］信号光の波長帯域において光吸収や光散乱を起こさないこと。
［６］制御光レーザーの収束位置における光吸収に伴う発熱・温度上昇に敏感に応答し、温度１℃の変化当たりの屈折率変化として０．０００４以上を示すこと。

【0053】

好適に用いられる溶剤として、次に示す構造異性体４成分（分子量は同一）の混合溶剤が推奨される。
・第１成分：１−フェニル−１−（２，５−キシリル）エタン
・第２成分：１−フェニル−１−（２，４−キシリル）エタン
・第３成分：１−フェニル−１−（３，４−キシリル）エタン
・第４成分：１−フェニル−１−（４−エチルフェニル）エタン

【0054】

この溶剤の諸物性は以下の通りである。
・外観：無色透明液体
・臭気：弱い芳香臭
・沸点：２９０〜３０５℃
・融点：−４７．５℃
・蒸気圧：０．０６７Ｐａ (２５℃)
・蒸気密度：７．２ (空気＝１)
・比重（水＝１）：０．９８７
・水溶解度(２０℃)：水に溶けない。

【0055】

一方、沸点が３００℃以上であって、前記フタロシアニン誘導体を良く溶解する溶剤として、アルキルナフタレン系の油拡散ポンプ用オイル「ライオンＳ（登録商標）」（ライオン株式会社）を挙げることができる。但し、この溶剤は室温域で液体であり沸点が高い点は優れているが、粘度の温度依存性が高く、熱レンズの形成には不向きである。粘度の温度依存性が高いと、室温から高温まで低粘度である溶剤と比較すると、同じ偏向角とする場合の制御光パワーを大きくする必要があるだけでなく、制御光のｏｎ／ｏｆｆに対する応答速度特性が悪化する。この現象は制御光を吸収して温度が上昇し、密度が低下する際に熱レンズを取り囲む室温の溶剤を押しのけて体積が増大する必要があり、粘度の温度依存性が高いと、この課程で必要となるエネルギーが大きくなること、及び、押しのけるのに時間を要することとして理解される。

【0056】

以下の説明において、色素溶液セル３の材質は石英ガラスである。

【0057】

色素溶液５の厚さＬｓについては、２００μｍよりも薄くすると、制御光パワーを大きくしても、熱の拡散による損失が支配的となって、大きな熱レンズ効果は得られない。又、厚さを５００μｍよりも厚くしても熱レンズ効果の大きさは変わらなくなり、反面、出射後に広がりながら進行する信号光ビームが色素溶液−石英ガラス界面の屈折率差の影響を受け、形状劣化する度合いが大きくなり、好ましくない。従って、２００μｍ〜５００μｍが好ましく、例えば色素溶液５の厚さＬｓは５００μｍ（０．５ｍｍ）程度が最も好適である。

【0058】

色素溶液セル３（後述の内部セル３３）の断面における色素溶液５の制御光及び制御光入射側端面からビームウエスト９までの「深さ」Ｌｈは、色素溶液５の中を光吸収されながら進行する収束制御光ビームが形成する熱レンズ６の「深さ」との関係から最適値が求められ、物理変数が３元以上の現象をシミュレーションするソフトエアを用いる計算科学又は実験による試行錯誤で決定される。色素溶液の濃度や制御光照射レンズの焦点距離にもよるが、経験的にＬｈの値は０．１ｍｍ以内である。

【0059】

色素溶液セル３（及び内部セル３３）の信号光入射端面から信号光及び制御光入射側の色素溶液５界面までの厚さＬｆは、焦点距離に相当するビームウエストまでの距離Ｌｗから、石英ガラスと色素溶液の屈折率差を補正した前記Ｌｈを差し引いた値として設計される。

【0060】

色素溶液セル３（及び内部セル３３）の信号光出射側の厚さＬｒは偏向されて進行する信号光のビーム到達点が、互いに重なり合わないよう配置された受光ＰＤ４００〜４２４の受光面の中心に一致するよう設計される。なお、後で詳しく説明するように色素溶液５の後方に配置されるコリメートレンズによって、拡散出射する信号光ビームは平行光線にコリメートされて受光ＰＤの受光面に入射する。

【0061】

ところで、色素溶液セル３の信号光進行方向の奥行きＬｃ、前記Ｌｆ、Ｌｓ、Ｌｒ、Ｌｈ、及び、ビームウエスト９から受光ユニット端面８までの距離Ｌｔは式〔４〕、〔５〕及び〔６〕の関係にある。
［数４］
Ｌｃ ＝ Ｌｆ ＋ Ｌｓ ＋ Ｌｒ …〔４〕
Ｌｃ ＝ Ｌｗ ＋ Ｌｔ …〔５〕
Ｌｈ ＋ Ｌｔ ＝ Ｌｓ ＋ Ｌｒ …〔６〕

【0062】

色素溶液セル３の材質は寸法精度高く溶融加工が可能であること、化学的に極めて安定であって酸素及び水の浸透をほぼ完全に防御できることから、石英ガラスが好適に用いられる。石英ガラスの成分によって種々の銘柄があるが、色素溶液セル３の材質としては特に制約は無い。

【0063】

色素溶液セル３の内部セル３３のキャビティに色素溶液５を充填した後、例えば特許５４５３６５６号公報に記載の方法に準拠して石英ガラスを溶融加工して封止する。なお、色素溶液５への水分及び酸素の悪影響を避けるため、色素溶液５の調整及び充填工程は、次のような条件を満足するグローブボックス内で実施することが好ましい。
・酸素濃度０．５ｐｐｍ未満
・水分濃度０．５ｐｐｍ未満（露点温度−８０℃以下）

【0064】

又、特許５４５３６５６号公報に記載に準拠した内部セル３３の断面における厚さＬ１及びＬ２は例えば０．２５ｍｍ、色素溶液５の液厚Ｌｓは例えば０．５０ｍｍである。

【0065】

ところで、特許５４５３６５６号公報に記載の方法に準拠して石英ガラスを溶融加工して封止する場合、前述のように封止する石英ガラス管の外径サイズは１．０〜１．２ｍｍ角であることが好ましい。これに対して、信号光及び制御光のロッドレンズ２０〜２６の寸法及び信号光と制御光の角度θの要求から色素溶液セル３の信号光及び制御光の入射側の厚さＬｆ（ＬｗからＬｈを引いた値）は３〜６ｍｍ程度である。又、信号光偏向角の最大値θｔ及び受光ＰＤの受光面のサイズ１〜数ｍｍから計算されるＬｒ（ＬｈにＬｔを加えＬｓを引いた値）は３０〜４０ｍｍ程度である。このような色素溶液セル３の寸法に関する課題を解決するには、次の２つの方法がある。
［Ａ］色素溶液セル３を信号光入射側の前部ユニット３４、内部セル３３、及び、制御光出射側の後部ユニット３５からなる３重構造とする。前部ユニット３４には、内部セル３３をはめ込むための溝を光学研磨・真空融着法で設け、これに内部セル３３を透明接着剤で固定する。一方、後部ユニット３５については設計上の所定の位置にコリメートレンズ３０を装着するための凹みを切削加工で設け、これにコリメートレンズ３０を透明接着剤で固定する。内部界面３１で接する前部ユニット３４と後部ユニット３５の接合面を必要に応じて研磨して平坦化した後、前部ユニット３４と後部ユニット３５を透明接着剤で接合する。この製造方法によって、斜め孔ヒートシンク２又は受光ＰＤユニット４の外寸の大きい方よりも大きな値を石英ガラス直方体の２辺の長さ（例えば１０ｍｍ角）とし、残る１辺の長さＬｃが例えば３０〜４０ｍｍの色素溶液セル３を作成することができる。なお、色素溶液セル３中に配置されるコリメートレンズ３０の埋め込み加工の精度は±１０μｍ程度で問題無い。
［Ｂ］斜め孔ヒートシンク２，色素溶液セル３、コリメートレンズ３０及び受光ＰＤユニット４を密着させる代わりに、これらの部品要素を空間に配置する。空気と石英ガラスなどの屈折率差に起因する反射ロスを低減させるため、ロッドレンズ２０〜２６の端面、色素溶液セル３の外壁の要所、コリメートレンズ３０の表面、及び、受光ＰＤの受光部端面に無反射コート（ＡＲコートとも言う）を施す。この方法の場合、後述の制御光ロッドレンズの斜め加工は不要である。なお、図３は光学部品を空気中に設置した場合の斜視図でもある。

【0066】

色素溶液セル３の外壁に垂直に入射する信号光のロッドレンズ２０の端面は、色素溶液セル３の外壁に密着させることができる。他方、斜め孔ヒートシンク２の斜め孔に挿入される制御光ロッドレンズ２１〜２６の端面は、色素溶液セル３の外壁に角度θで斜めに接する。ここに形成される空傍に屈折率マッチングオイルや屈折率が制御された光学部品用透明接着剤を充填することで、空気との屈折率差に起因する反射を低減することができる。

【0067】

このように屈折率マッチングオイルや透明接着剤を用いる代わりに、斜め孔ヒートシンク２へ斜めに挿入されたロッドレンズ２１〜２６の端面を、斜め孔ヒートシンク２の端面と同一平面になるよう角度θ（例、１０〜１５度）で斜め研磨することもできる。この場合、ロッドレンズ２１〜２６の全長、収束信号光のビームウエスト９とロッドレンズ２１〜２６から出射する収束制御光ビームが色素溶液５内部で形成する熱レンズの位置、などを精密に光学設計し、設計通りに製造することが必須である。

【0068】

ところで、本実施形態において、組み立て調整が必要な光学部品点数を削減するためには、以下に概要を述べる２つの方法を採用することが好適である。
〔１〕特許文献４及び５に記載の光路切替装置に用いられる照射側の７芯バンドルファイバ、１つのコリメートレンズ、及び、１つの集光レンズに替えて、ロッドレンズ２０〜２６、信号光ＬＤ１０、及び、制御光ＬＤ１１〜１６を挿入した斜め孔ヒートシンク２を用いる。
〔２〕１つの受光レンズ、６，１２又は２４角錐台プリズム、１つの集光レンズ、及び、受光側７，１３又は２５芯バンドルファイバに替えて、受光ＰＤ４００〜４２４を挿入した受光ＰＤユニット４を用いる。

【0069】

合計７個のＬＤと２５個のＰＤを大規模演算素子へ接続するための配線は電気配線であるため、電磁波遮蔽対策を施したフレキシブルプリント配線などによって、特に調整を必要とせず、容易に結線が可能である。

【0070】

一方、照射側及び受光側バンドルファイバを用いる場合、受光面がシングルモード光ファイバの端面であるため、光学部品の配置を極めて精巧に微調整して組み立てる必要があり、多くの工程時間を要する。また、照射側バンドルファイバの組み立て誤差の影響が極めて大きいため、製造の歩留まりを高くするためにも多大の労力が必要となる。

【0071】

本実施形態を実施する上で重要なのは斜め孔ヒートシンク２の信号光ＬＤ１０用の1本の垂直孔及び制御光ＬＤ１１〜１６用の６本の斜め孔の加工精度、及び、ロッドレンズ２０〜２６の円柱状外形の加工精度である。通常の光ファイバ用フェルールの場合に相当する精度が要求され、これは実現可能である。

【0072】

例えば、ロッドレンズ２０〜２６の直径が１ｍｍの場合、孔の内径及びロッドレンズ２０〜２６の外径の公差は好ましくは０〜２μｍ、より好ましくは０〜１μｍである。

【0073】

このような加工精度の斜め孔ヒートシンク２の製造方法は、次の２つから選択することができる。
〔ａ〕斜め孔ヒートシンク２の外形を整えた後、孔を後加工で形成する。
〔ｂ〕ロッドレンズ及びＬＤを挿入した管を接合加工する。

【0074】

製造方法〔ａ〕の場合、斜め孔ヒートシンク２の材質は、孔の掘削作業性の点ではアルミニウム及びアルミニウム合金が好適である。しかしながら、石英ガラス製の色素溶液セル３とは熱膨張係数が大きく異なるため、組み立て方法に工夫が必要である。例えば、斜め孔ヒートシンク２及び受光ＰＤユニット４（材質は斜め孔ヒートシンク２と同一とする）は色素溶液セル３に接着せず、屈折率マッチングオイルを介して密着させ、斜め孔ヒートシンク２及び受光ＰＤユニット４を同一のＶ字溝付き架台及び極細ピアノ線製バネ状ベルトで熱膨張を考慮して保持し、色素溶液セル３は前記架台に接着すれば良い。留意すべきは室温よりも温度を下げたときの熱収縮であり、ガラス製ロッドレンズが締め付けられて破損する恐れがある。対策として、使用温度域を例えば０℃から６０℃に定め、この温度域における斜め孔ヒートシンク２の孔の内径が、ロッドレンズ２０〜２６の外径よりも小さくならないよう設計し、この内外径の差が前記公差を超える場合は、ロッドレンズ２０〜２６の外周に柔らかいプラスチック膜（例えば接着剤層）を高い膜厚精度で形成する方法を採用することができる。

【0075】

上記のような金属材質の熱膨張・収縮の影響を根本から避けるためには、斜め孔ヒートシンク２の材質を熱膨張係数が石英ガラスに近いセラミックあるいは石英ガラスそのものとすれば良い。ただし、無垢の石英ガラスやセラミックにロッドレンズ２０〜２６及びＬＤ１０〜１６を挿入する孔を切削加工する方法は推奨しづらい。加工に適したサイズ及び強度を有する多孔質石英ガラスや多孔質セラミックを選定し、使用することが可能である。

【0076】

多孔質材料はむしろ断熱材であるため、斜め孔ヒートシンク２に挿入した信号光ＬＤ１０、及び、制御光ＬＤ１１〜１６の冷却を考慮すると、これらのＬＤの先端部分数ｍｍのみ斜め孔ヒートシンク２に挿入し、ＬＤの残りの部分はアルミニウム製斜め孔シートシンク２を多孔質材料に積層して設け、その孔に挿入する構造が推奨される。信号光ＬＤ１０、及び、制御光ＬＤ１１〜１６の孔への挿入の公差は±１０μｍ程度であっても許容できるので、熱膨張及び収縮の影響は考慮しなくても良い。

【0077】

製造方法〔ｂ〕の場合、ロッドレンズ２０〜２６を挿入するための前記公差を満足する加工精度の金属管、例えばステンレス管について、管を相互に固定するための金属フランジをＹＡＧレーザー溶接で固定し、このフランジを、信号光と制御光のなす角θ及びロッドレンズ２０〜２６の出射面の位置関係を満足するように、金属架台へＹＡＧレーザー溶接で固定する。前記金属管の熱収縮によるロッドレンズの破損を防ぐには、前述のようにロッドレンズ２０〜２６の外周に柔らかいプラスチック膜（例えば接着剤層）を高い膜厚精度で形成する方法を採用することができる。

【0078】

この製造方法による斜め孔ヒートシンク２に挿入されるロッドレンズ２０〜２６の端面にＡＲコートを設けたものは、斜め孔ヒートシンク２、色素溶液セル３及び受光ＰＤユニット４の３要素を空間に配置する構成に適している。

【0079】

斜め孔ヒートシンク２の孔に挿入されるロッドレンズ２０〜２６は、信号光用と制御光とで波長特性が異なるものの、同じ設計思想で設計することができる。ロッドレンズの原理は屈折率分布型光ファイバの直径を太くしたもので、石英ガラス母材にゲルマニウムなどのドーパントを分布させ、長軸に対して直径方向に屈折率分布を設けたものである。本実施形態で好適に用いられるロッドレンズ２０〜２６は、ビーム整形機能及びビーム収束機能を備えており、次の２種類のロッドレンズをつなぎ合わせたものである。
〔Ａ〕通常、ＬＤの出射端面から出射するレーザビームの断面は形の乱れた矩形であり、これを擬似的なガウス分布に近づけるためのコリメートレンズ。
〔Ｂ〕コリメートレンズの出射光を収束ビームとして出射する集光レンズ

【0080】

コリメートレンズの直径はＬＤの出射端面における発光部分のサイズよりも大きい必要がある。これに接続する集光レンズの直径はコリメートレンズと等しくなるよう設定される。集光レンズの焦点距離は前述の通りである（ロッドレンズから出射する信号光と制御光のなす角度が１５度のとき、３．７３ｍｍ）。

【0081】

信号光ＬＤ１０、及び、制御光ＬＤ１１〜１６の出射端を斜め孔ヒートシンク２の孔への挿入する深さは、孔の直径以上であれば取り付け精度を満足することができる。コリメートレンズ部分の長さを導波路のように長くすることで、信号光ＬＤ１０、及び、制御光ＬＤ１１〜１６の出射端の直径をロッドレンズ２０〜２６の直径よりも大きくした、内径が２段式に異なる形状にすることもできる。斜め孔ヒートシンク２の孔のサイズとして、例えばＬＤ出射面挿入部分で内径３ｍｍ×深さ３ｍｍ、その先のロッドレンズ挿入孔で内径１ｍｍ×長さ９ｍｍ以下とすることができる。

【0082】

一方、受光ＰＤ４００〜４２４は受光部分の直径３ｍｍのものが市販されており、全長にわたって直径３ｍｍのものも製造可能である。仮に、受光部分よりも後部の直径が大きい場合は、受光ＰＤユニット４も斜め孔シートシンク２と類似の構造とし、受光面をロッドレンズとし、斜め孔の間隔が広がった位置にＰＤを取り付けることもできる。ただし、１つのユニットに２４本の斜め孔を設けることになり、加工が複雑になる。受光部分が直径３ｍｍの場合、孔の公差は＋２〜１０μｍ程度を許容できるため、垂直の孔を２５本設けて受光ＰＤを挿入する構造が好ましい。孔が垂直の場合、受光ＰＤの受光面に偏向された信号光ビームが例えば１５度程度傾いて入射することになるが、大きな入射ロスにはならない。入射ロスを低減したい場合は、受光面と石英ガラスの両方に屈折率が近い透明接着剤を充填すれば良い。マッチングオイルで解消するには空傍サイズが大きい。

【0083】

制御光パワーと信号光偏向角の関係は図６に示す通りで、制御光パワーを「弱」に相当するパワーレベル＃１、「中位」に相当するパワーレベル＃２、及び、「強」に相当するパワーレベル＃３の３水準で変えた場合、偏向角はパワーレベル＃１のときθｎ、パワーレベル＃２のときθｍ、パワーレベル＃３のときθｔに変化し、０＜θｎ＜θｍ＜θｔの順に大きい。

【0084】

詳細は後述するが、制御光がｏｎでその照射パワーがパワーレベル＃１のときには信号光は偏向角θｎで偏向されて、受光ＰＤユニット４の端面８において内周円４００１（その半径をＲｎとする）上の受光ＰＤの受光面番号０１〜１２で受光され、制御光がｏｎでその照射パワーがパワーレベル＃３場合には信号光は偏向角θｔ（θｎ＜θｔ）で偏向されて、受光ＰＤユニット４の端面８において外周円４００２（その半径をＲｔとする）上の受光ＰＤの受光面番号１３〜２４で受光される（図５参照）。

【0085】

内周円４００１上に到達する偏向信号光ビームの平均的直径をＢｎとし、又、外周円４００２上到着にする偏向信号光ビームの平均的直径をＢｔとすると、以下の式〔７〕及び〔８〕が成り立つ。
［数５］
Ｒｎ ＝ Ｌｔ×ｔａｎ（θｎ） ≧ （６／π）×Ｂｎ …〔７〕
Ｒｔ ＝ Ｌｔ×ｔａｎ（θｔ） ≧ （６／π）×Ｂｔ …〔８〕

【0086】

本実施形態の空間光結合器１を設計する上で重要な１つの要請は式〔７〕を満足させることである。図５から明らかなように受光ＰＤユニット４の内周円４００１上に偏向された信号光ビームが１２個、互いに重ならないよう、円４００１の半径Ｒｎ及び距離Ｌｔを設定する必要がある。例えば、θｎを８度、Ｂｎを２．０ｍｍとすると、Ｌｔは３１．１ｍｍ以上、又、Ｒｎは３．８２ｍｍ以上と計算される。一方、受光ＰＤユニット４の外周円４００２の半径Ｒｔは、距離Ｌｔを前の計算で定められる３１．１ｍｍと同一とすると、７．７５ｍｍと計算され、直径Ｂｔの最大値は４．０６ｍｍまで許容される。従って、受光ＰＤの受光面の外形（直径）ＢｔがＢｎと同一の２．０ｍｍである場合、受光ＰＤユニット４の外周円４００２上において２４箇所へ偏向信号光ビームを到達させ、外周円４００２上に等間隔で設けられた２４個のＰＤで受光することも可能である。この場合、合計３７チャンネルの空間光結合器を提供できる。この詳細については第２実施形態において記述する。

【0087】

ところで、前述のように偏向信号光ビームの平均的直径Ｂｎ及びＢｔを式〔７〕又は式〔８〕を各々満足させるためには、色素溶液５の中のビームウエストから、直進のまま、又は、偏向されて出射して来る信号光ビームをコリメートレンズ３０によって拡散ビームから平行ビームへコリメートすることが必須である。

【0088】

本実施形態では、信号光ＬＤ１０又は受光ＰＤ４００〜４２４として、１つの波長で１０Ｇｂｐｓのデジタル信号送信又は受信が可能なものが好適に使用される。これらはすでに市販されている。更に１つのＬＤ筐体及びＰＤ筐体の内部に複数の異なる波長特性の素子と合波器又は分波器を作り込むことができれば、波長多重による伝送容量の増大も可能となる。これらのＬＤ又はＰＤの電気配線がフレキシブルプラスチックシートであれば、簡単な差し込み式コネクタを用いて大規模演算素子の電子回路基板へ接続可能である。

【0089】

本実施形態で用いられる信号光ＬＤ１０及び制御光ＬＤ１１〜１６はいずれもシングルモードで発振するものが好適に用いられる。マルチモードの場合、ビームウエスト径を数十μｍ程度までしか収束できず、偏向するための熱レンズのサイズを大きくする必要があり、色素溶液の温度上昇のよる信号光の偏向に要する時間が１０ミリ秒よりも長くなることが実験的に確認されている。これに対してシングルモードの場合、信号光及び制御光のビームウエストを２５μｍ程度に接近させ、制御光をｏｎして形成される熱レンズによって信号光を丸ビームのまま偏向させるのに要する時間は１ミリ秒程度、制御光をｏｆｆし、熱レンズが消失して制御光が直進するのに要する時間は数ミリ秒である。

【0090】

信号光ＬＤ１０の出射パワーは１ｍＷ程度あれば好適に使用できる。一方、制御光の出射パワーは制御光ロッドレンズの出射面１１１〜１１６の位置で最大４０ｍＷ程度が好ましい。

【0091】

本実施形態の空間光結合器１は、斜め孔ヒートシンク２、色素溶液セル３（コリメートレンズ３０を内蔵）、及び受光ＰＤユニット４の３ユニットを密着させて組み立てることで製造される。又、特に図示していないが、受光ＰＤに信号光以外の光が入射することを避けるため、斜め孔ヒートシンク２、色素溶液セル３、及び受光ＰＤユニット４は遮光性ケーシングで覆うことが好ましい。前記遮光性ケーシングが金属製の場合、斜め孔ヒートシンク２、色素溶液セル３、及び受光ＰＤユニット４を精密に保持する架台を兼ねることができ、より好ましい。

【0092】

＜製造手順のまとめ＞
［Ａ］空間を介さず、光学部品ユニットを密接させて結合する場合の製造手順は以下の通りである。

【0093】

斜め孔ヒートシンク２は、多孔質石英ガラスの部材に１つの垂直孔と６つの斜め孔を精密切削加工で形成し、これにロッドレンズ２０〜２６の合計７式を挿入し、色素溶液セル３との接触面を研磨し、ロッドレンズ２０〜２６に密着するように信号光ＬＤ１０及び制御光ＬＤ１１〜１６を挿入し固定し、電気配線を取り付けて製造される。

【0094】

色素溶液５を充填し密閉封止した内部セル３３及びコリメートレンズ３０を組み入れた石英ガラス製色素溶液セル３を作成し、これを前記架台へ取り付ける。

【0095】

受光ＰＤユニット４へ合計２５個のＰＤ４００〜４２４を挿入し、色素溶液セル３との接触面を整え固定し、電気配線を取り付ける。

【0096】

色素溶液セル３を取り付けた架台に、色素溶液セルの面に密着させて斜め孔ヒートシンク２を取り付け、その位置を固定し、信号光を２４方向に光路偏向して出射させながら、受光ＰＤユニット４の位置を微調整し、色素溶液セルの面に密着させて、前記架台に固定する。

【0097】

［Ｂ］空気を介在させ、光学部品ユニットを組み立てる場合の製造手順に関しては特に特記事項は無い。

【0098】

＜動作＞
本実施形態の空間光結合器１の動作を、図６の制御光パワーと偏向角との関係、及び表１を用いて説明する。図６に示すように、制御光パワーと偏向角は略比例関係にある。制御光ＬＤ６基の内、いずれか１基のみがｏｎの場合、その照射パワーは、強中弱の３段階に切り替え可能とし、弱の照射パワーをパワーレベル＃１とし、中位の照射パワーをパワーレベル＃２とし、強の照射パワーをパワーレベル＃３とする。制御光１基のみがｏｎの場合、一般的な動作原理は、制御光がｏｆｆの場合には熱レンズ６が形成されず信号光は直進するので中央に配置された受光ＰＤ４００の受光面番号００で受光され、制御光がｏｎでその照射パワーが弱の場合のパワーレベル＃１のときには信号光は第１の角度（θｎとする）で偏向されて内周円４００１上の受光ＰＤの受光面番号０１，０３，０５，０７，０９，１１のいずれかで受光され、制御光がｏｎでそのパワーレベルが強の場合のパワーレベル＃３のときには信号光は第２の角度（θｔとする。θｎ＜θｔ）で偏向されて外周円４００２上の受光ＰＤの受光面番号１３、１５，１７，１９，２１，２３のいずれかで受光される（図５参照）。

【0099】

制御光ＬＤ６基の内、隣接する２基が同時にｏｎの場合、その照射パワーをパワーレベル＃１に近い範囲で微調整しパワーレベル＃１ａとすることで、信号光の偏向角をθｎとすることができ、更に、内周円４００１上の受光ＰＤの受光面番号０２，０４，０６，０８，１０，１２のいずれかで受光することが可能となる。同様に隣接２基の照射パワーをパワーレベル＃３に近い範囲で微調整しパワーレベル＃３ａとすることで、信号光の偏向角をθｔとすることができ、更に、外周円４００２上の受光ＰＤの受光面番号１４，１６，１８，２０，２２，２４のいずれかで受光することができる。

【0100】

上記の説明を整理すると、以下の通りである。

【0101】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６がいずれもｏｆｆで制御光パワーレベルが０のとき、信号光は偏向されずに直進して受光ＰＤ４００の受光面番号００に入射し、信号が受信される。

【0102】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６のいずれか１つがｏｎで照射パワーがパワーレベル＃１のとき、信号光は偏向角θｎ（例えば８度）で偏向して受光ＰＤユニット４の内周円４００１上に配置された受光ＰＤの受光面番号０７，０９，１１，０１，０３，０５のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0103】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６の隣接するいずれか２つがｏｎで照射パワーがともにパワーレベル＃１ａのとき、信号光は例えば偏向角θｎ（例えば８度）で偏向して受光ＰＤユニット４の内周円４００１上に配置された受光ＰＤの受光面番号０８，１０，１２，０２，０４，０６のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0104】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６のいずれか１つがｏｎで照射パワーがパワーレベル＃３のとき、信号光は偏向角θｔ（例えば１５度）で偏向して受光ＰＤユニット４の外周円４００２上に配置された受光ＰＤの受光面番号１９，２１，２３，１３，１５，１７のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0105】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６の隣接するいずれか２つがｏｎで照射パワーがともにパワーレベル＃３ａのとき信号光は偏向角θｔ（例えば１５度）で偏向して受光ＰＤユニット４の外周円上４００２に配置された受光ＰＤの受光面番号２０，２２，２４，１４，１６，１８のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0106】

【表1】

（注１）制御光ＬＤのＣｈ．１〜６は制御光ＬＤ１１〜１６に対応。
（注２）受光ＰＤ受光面の番号と配置は図５参照。

【0107】

なお、表２及び表３に、本実施形態と既存技術とを比較した表を示す。これらの表より、本実施形態における空間光結合器の優位性は明らかであろう。

【表2】

【0108】

【表3】

【0109】

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、第１実施形態の図５に表される、受光ＰＤユニット４の端面８における受光ＰＤの数を２５個から１２個単位で追加し、図８に表すように最大４９個まで増加させ、１対４９チャンネルの空間光結合器を提供するものである。なお、チャンネル数の上限は第１に、図６に表される制御光パワーと偏向角の関係は色素溶液５の溶剤が沸点に到達するよりも大きい制御光パワーを供給することはできず偏向角には上限があること、第２に、前記偏向角から幾何学計算で求められる受光ＰＤユニット４の受光面面積には上限があり、又、受光ＰＤの受光面には有限のサイズがあること、第３に受光ＰＤの設置位置は、パワーを変えた制御光ｏｎ／ｏｆｆの組み合わせによる制限があること、第４にコリメートレンズで近似平行ビームにコリメートした直進又は偏向信号光のビーム径は伝搬距離が伸びると位相光学の要請で拡散することが避けられないこと、によって決定される。

【0110】

本実施形態は前記の諸制約の中で実施可能な最上限のものであると判断される。

【0111】

受光ＰＤユニット４の内周円４００１（半径Ｒｖ）上に設けるＰＤ受光面番号０１〜１２及び外周円４００２（半径Ｒｔ）上に設けるＰＤ受光面番号１３〜２４に関しては配置及び制御光ＬＤのパワーとｏｎ／ｏｆｆの関係ともに第１実施形態と同一である。

【0112】

先に記述したようにＰＤ受光面のサイズが内周円４００１上に１２個並べることができる場合、外周円４００２上には１２個の受光面（受光面番号１４〜３６）を追加し合計２４個の受光面を設けることができる。これで直進信号光を加え、合計３７チャンネルの空間結合器を提供することができる。

【0113】

寸法を正確に拡大し受光面の配置を確認すると、図８に示すように更に中周円４００３（半径Ｒｍ）上に１２個の受光面（受光面番号３７〜４８）を追加することが可能であることが解る。これによって１対４９チャンネルの空間結合器が実現する。

【0114】

ＰＤ受光面のサイズを直径２ｍｍの円に設定した場合の寸法及び必要な偏向角は図８に例示する通りである。信号光のビームウエスト９から、直進光の受光面番号００までの距離を３２ｍｍとすることで、更に、偏向角８度、１１．３度、及び、１５度とすることで、内周円４００１上に１２個、中周円４００３上に１２個、及び、外周円４００２上に２４個の直径２ｍｍの受光面を役０．１ｍｍの間隔で並べて配置することができる。信号光のビームウエスト９から、直進光の受光面番号００までの距離Ｌｔは３２ｍｍであり、これは、前述の試算（θが１５度）の場合の信号光の出射面からビームウエスト９までの距離３．７３ｍｍの８．５７倍である。コリメートレンズ３０を用いない場合、信号光ビームの直径は８．６ｍｍとなり受光面の設計値を超過してしまう。一方、コリメートレンズ３０を用いた場合、以下のように計算される。すなわち、ビームウエスト９からコリメートレンズ３０の入射面までの距離（「Ｌｓ−Ｌｈ＋Ｌ２」で計算される；Ｌｈは０．１ｍｍ未満）は、内部セル３３の液厚Ｌｓを０．５０ｍｍ、Ｌ２を０．２５ｍｍとしたとき、約０．７５ｍｍであり、入射信号光ビームの収束と出射信号光ビームの広がりは石英ガラスと色素送液の屈折率の差が無視できると仮定すると、ビーム径はロッドレンズ２０出射のときの１ｍｍに対して０．２ｍｍ程度である。これを近似平行ビームとして３２ｍｍの距離を伝搬させた場合、受光面の直径は２ｍｍあれば充分であり、受光ＰＤユニット４の組み立て精度も特に高くする必要は無い。ＰＤ受光面のサイズを直径２ｍｍから３ｍｍの円に代えた場合、信号光のビームウエスト９から、直進光の受光面番号００までの距離Ｌｔは１．５倍の４８ｍｍに伸びるが、コリメートされた前記信号光ビームであれば、問題無く受光可能である。

【0115】

信号光の進行方向を４８方向に偏向するための制御光パワー及び隣接制御光のｏｎ／ｏｆｆの組み合わせを表４及び表５に掲げる。なお、表４の内容は表１と同一である。

【表4】

（注１）制御光ＬＤのＣｈ．１〜６は制御光ＬＤ１１〜１６に対応。
（注２）受光ＰＤ受光面の番号と配置は図８参照。

【0116】

【表5】

（注１）制御光ＬＤのＣｈ．１〜６は制御光ＬＤ１１〜１６に対応。
（注２）受光ＰＤ受光面の番号と配置は図８参照。

【0117】

＜動作＞
６個の制御光Ｃｈ．１〜６がいずれもｏｆｆで制御光パワーレベルが０のとき、信号光は偏向されずに直進して受光ＰＤ４００の受光面番号００に入射し、信号が受信される。

【0118】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６のいずれか１つがｏｎで照射パワーがパワーレベル＃１のとき、信号光は偏向角θｎ（例えば８度）で偏向して受光ＰＤユニット４の内周円４００１上に配置された受光ＰＤの受光面番号０７，０９，１１，０１，０３，０５のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0119】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６の隣接するいずれか２つがｏｎで照射パワーがともにパワーレベル＃１ａのとき、信号光は例えば偏向角θｎ（例えば８度）で偏向して受光ＰＤユニット４の内周円４００１上に配置された受光ＰＤの受光面番号０８，１０，１２，０２，０４，０６のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0120】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６のいずれか１つがｏｎで照射パワーがパワーレベル＃３のとき、信号光は偏向角θｔ（例えば１５度）で偏向して受光ＰＤユニット４の外周円４００２上に配置された受光ＰＤの受光面番号１９，２１，２３，１３，１５，１７のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0121】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６の隣接するいずれか２つがｏｎで照射パワーがともにパワーレベル＃３ａのとき信号光は偏向角θｔ（例えば１５度）で偏向して受光ＰＤユニット４の外周円上４００２に配置された受光ＰＤの受光面番号２０，２２，２４，１４，１６，１８のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0122】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６のいずれか１つがｏｎで照射パワーがパワーレベル＃３ｃ又は＃３ｄのとき、信号光は偏向角θｔ（例えば１５．０度）で偏向して受光ＰＤユニット４の外周円４００２上に配置された受光ＰＤの受光面番号３１，３２，３３，３４，３５，３６，２５，２６，２７，２８，２９，３０のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0123】

６個の制御光Ｃｈ．１〜６のいずれか１つがｏｎで照射パワーがパワーレベル＃２ｃ又は＃２ｄのとき、信号光は偏向角θｍ（例えば１１．３度）で偏向して受光ＰＤユニット４の外周円４００２上に配置された受光ＰＤの受光面番号４３，４４，４５，４６，４７，４８，３７，３８，３９，４０，４１，４２のいずれか１つに入射し、信号が受信される。

【0124】

第１及び第２実施形態に記載した合計４９個の受光ユニットの内、制御光の照射パワーの組み合わせを選択することによって、７、１３，１９及び３７チャンネルの空間光結合器を提供することができる。具体的には、以下の通りである。

【0125】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射によって信号光ビームが偏向されて到着する位置に配置される６個の受光ＰＤ、例えば、前記偏向角θｎに対応する内周円４００１上の受光面番号０１，０３，０５，０７，０９，１１、又は、前記偏向角θｔに対応する外周円４００２上の受光面番号１３，１５，１７，１９，２１，２３の受光ＰＤを備え、１本の制御光が７方向に切り替えられ７チャンネルを有する空間光結合器を提供する。なお、この配置の場合、受光ＰＤの受光面の間隔が比較的広くなり、前記偏向角θｔが１５度の場合、Ｌｔを３２ｍｍとしたとき外周円上には受光面直径８．７ｍｍの受光ＰＤを６個並べることができ、コリメートレンズ無しで信号光（ビーム直径８．６ｍｍと計算される）をほぼ１００％受光することが可能である。

【0126】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射のときと互いに隣接する２本の同時照射のときで同一の偏向角で信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、例えば、前記偏向角θｎに対応する内周円４００１上の受光面番号０１〜１２、又は、前記偏向角θｔに対応する外周円４００２上の受光面番号１３〜２４の受光ＰＤを備え、１本の制御光が１３方向に切り替えられ１３チャンネルを有する空間光結合器を提供する。

【0127】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光ＰＤ、すなわち、内周円４００１上の受光面番号０１，０３，０５，０７，０９，１１の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光ＰＤ、すなわち、外周円４００２上の受光面番号１３，１５，１７，１９，２１，２３の受光ＰＤを備え、１本の制御光が１３方向に切り替えられ１３チャンネルを有する空間光結合器を提供する。

【0128】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射パワーが３水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される６個の受光ＰＤ、すなわち、内周円４００１上の受光面番号０１，０３，０５，０７，０９，１１の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、すなわち、外周円４００２上の受光面番号１３〜２４の受光ＰＤを備え、１本の制御光が１９方向に切り替えられ１９チャンネルを有する空間光結合器を提供する。

【0129】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、すなわち、内周円４００１上の受光面番号０１〜１２の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、すなわち、外周円４００２上の受光面番号１３〜２４の受光ＰＤを備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する、第１実施形態の空間光結合器を提供する。

【0130】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、すなわち、内周円４００１上の受光面番号０１〜１２の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが３水準の制御光パワーの内、中位の制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｍで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、すなわち、中周円４００３上の受光面番号３７〜４８の受光ＰＤを備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する空間光結合器を提供する。

【0131】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される２４個の受光ＰＤ、すなわち、外周円４００２上の受光面番号１３〜２４及び２５〜３６の受光ＰＤを備え、１本の制御光が２５方向に切り替えられ２５チャンネルを有する空間光結合器を提供する。

【0132】

受光ＰＤユニット４は、制御光が照射されず信号光が直進して到着する位置に配置される１個の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、弱い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｎで信号光が偏向されて到着する位置に配置される１２個の受光ＰＤ、すなわち、内周円４００１上の受光面番号０１〜１２の受光ＰＤと、６本の制御光のいずれか１本の照射又は互いに隣接する２本の同時照射のパワーが２水準の制御光パワーの内、強い制御光パワーのときの信号光ビームの偏向角θｔで信号光が偏向されて到着する位置に配置される２４個の受光ＰＤすなわち、外周円４００２上の受光面番号１３〜２４及び２５〜３６の受光ＰＤを備え、１本の制御光が３７方向に切り替えられ３７チャンネルを有する空間光結合器を提供する。

【0133】

＜第３実施形態＞
図９に、第３実施形態として例示する空間光結合装置７０の概念図を示す。

【0134】

第１実施形態で説明した空間光結合器１を、図９に示すようにｍ個（ｍは２以上の自然数）、例えばｍ＝２４の大規模演算素子基板４０の周辺にｍ個、すなわち２４基実装し、演算素子基板４０の交互のリンクを空間光結合器１により形成した演算素子ノードを上位の空間光結合器５１へ接続する。これにより、極めてコンパクトに２４×２４，すなわち５７６チャンネルの空間光結合が実現する。全部で２５基の光回線切替を同期させることで、２４基の大規模演算素子基板４０からなる演算素子ノード内の演算素子基板相互接続におけるタイムスロット（割り当てられた時間帯域）を１／２５（実時間１秒をタイムシェアする場合１基当たりタイムスロットは切替時間１ミリ秒として３９ミリ秒）とすることができる。

【0135】

上位空間光結合器５１への動作命令は、電気信号として上位制御装置６０から発せられる。又、上位空間光結合器５１に集約されたデジタルデータは、電気信号として上位制御装置６０へ伝送される。上位空間光結合器５１と上位制御装置６０の距離は数ｍｍ以下まで接近させることができ、１枚の基板上に上位空間光結合器５１と上位制御装置６０を合わせて実装することも可能である。

【0136】

２４基の大規模演算素子４０と２４基の空間光結合器５０は、２４×２４本の導線により電気的に結合されるが、電気信号の伝送はタイムスロットの時間幅において行われ、この期間、２４基の空間光結合器５０によって絶縁されているため、電磁波障害の発生の危険は小さく、又、その防御も容易である。

【0137】

なお、２５方向空間光結合器を単純に２段分岐型で組み合わせると見かけは６２５方向切り替えが可能であるが、個々に割り当てられるタイムスロット幅は１／６２５と極端に短くなる。

【0138】

２５チャンネル空間光結合器を活用した大規模演算素子ノードのアルゴリズムとして、例えば、１基の上位制御装置６０から１基の上位空間結合器５１の２５チャンネルの光路を１／２５間隔のタイムスロットで開くことで、個々のチャンネルに１：１に接続された２４基の大規模演算素子４０のＩＤに対応した動作命令を与え、大規模演算素子４０の個々は与えられたタイムスロット毎に、相互に連動し、各々の有するメモリ領域のデータを演算し、空間光結合器５０を用いて素子間でバースト転送する。こうすることで従来、デジタル信号伝送のＩＤ確認に用いられてきた「パケット」の概念を捨てた、「時間分割データ転送型アルゴリズム」を構築することが可能となる。

【0139】

パケットを廃することで、デジタル信号にパケットを付与する手順及びパケットを再構築して元のデジタル信号に戻す手順が無用となる。その代償として大規模演算素子のメモリデータの素子間転送には、時間分割による「待ち時間」が必要となる。このデメリットについては、計算アルゴリズムを「タイムスロット単位」に完結するものに特化させ、更にその結果をバースト転送させることである程度解消される。観点をメモリ間データ転送に要するエネルギーの削減に転ずると、大規模演算素子４０のメモリデータの素子間転送を常時高速で行うための既存の方式よりも、本実施形態で実現される時間分割バースト転送方式の方が、極めて大きい「待機電力削減」というメリットを与えることができる。

【0140】

第３実施形態の記述に基づき、チャンネル数が７，１３，１９，３７及び４９の空間結合器を必要個数用いることによって、６×６，１２×１２，１８×１８，３６×３６及び４８×４８、すなわち、３６，１４４，３２４，１２９６及び２３０４チャンネルの空間光結合装置を提供することができる。

【符号の説明】

【0141】

１ 空間光結合器、２ 斜め孔ヒートシンク、３ 色素溶液セル、
４ 受光ＰＤユニット、５ 色素溶液、６ 熱レンズ、７ 斜め孔ヒートシンク端面、
８ 受光ユニット端面、９ 収束信号光のビームウエスト、
１０ 信号光ＬＤ、１１〜１６ 制御光ＬＤ、２０〜２６ ロッドレンズ、
３０ コリメートレンズ、３１ 内部界面、３３ 内部セル、３４ 前部ユニット、３５ 後部ユニット、
１００ 収束信号光、１０１〜１０６ 収束制御光、
１１０ 信号光ロッドレンズ出射面、１１１〜１１６ 制御光ロッドレンズ出射面、
２００ 直進信号光、２０１〜２１２ 偏向信号光（偏向角θｎ）、
２１３〜２２４偏向信号光（偏向角θｔ）、
４０ 大規模演算素子（２４基）、４１ 24×24導線接続（一方向）、
４２ 24×1導線接続（上り下り双方向）、４３ 1×1導線接続（上り下り双方向）、
４００〜４２４ 受光ＰＤ、
４００１ 受光ＰＤユニット４の内周円（半径Ｒｎ）、
４００２ 受光ＰＤユニット４の外周円（半径Ｒｔ）、
４００３ 受光ＰＤユニット４の内周円（半径Ｒｍ）、
５０ 空間光結合器（２４基）、５１ 上記空間光結合器、
６０ 上位制御装置、
７０ 空間光結合装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】