JP2001013471A

JP2001013471A - 光導素子

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Publication number: JP2001013471A
Application number: JP2000176992A
Authority: JP
Inventors: V Sorin Wayne; ウェーン・ブイ・ソーリン; Douglas M Baney; ダグラス・エム・ベイニー
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2001-01-19
Also published as: EP1061406A3; US6208774B1; EP1061406B1; DE60018849T2; DE60018849D1; EP1061406A2

Abstract

(57)【要約】【課題】偏光依存導波路に固有の光損失を生じること
なく、光信号の偏光状態に依存せずに光信号を操作す
る。【解決手段】偏光ビームスプリッタを用いて、入力信
号を第１の光信号と、第１の偏光信号と直交する第２の
偏光信号とに分離する。第１の偏光回転子によって、第
１の偏光信号を第２の偏光信号と平行にする。第１の導
波路は第１の偏光信号に作用し、第１の状態で所定の光
路に第１の偏光信号を導き、第２の状態で第１の偏光信
号を導かない。同様に、第２の導波路は第２の偏光信号
に作用する。次に、偏光ビーム結合器によって第１の偏
光信号と第２の偏光信号とを結合する。第１及び第２の
導波路は、電界の有無によって第１の屈折率及び第２の
屈折率を示す光導材料による光導層を備えて構成され
る。電極によって光導領域に隣接する領域の光導層の屈
折率よりも大きい屈折率を備える光導層の光導領域を規
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導素子に係り、
特に、液晶をベースにしたプログラマブル光導素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバをベースにしたデータ通信シ
ステムは、電気システムをベースにしたシステムと比較
してかなり高い(higher)帯域幅を得ることができる。し
かし、入力ファイバと複数の出力ファイバとの間の光信
号をスイッチするためのスイッチング装置のために伝送
速度が遅れてしまう。そのため、一般に、光信号は、ス
イッチング前に電気信号に変換される。次に、電気信号
は、従来技術であるパケット・スイッチング技術を用い
てスイッチされ、出力ファイバに入る前に光信号に再変
換される。電気スイッチング・システムの限界によっ
て、ファイバの全データ帯域幅(full data bandwidth o
f the fibers)を実現することができない。そのため、
光信号を電気信号に変換する必要のない光スイッチの開
発の研究が行われてきた。

【０００３】光路間において光信号をスイッチする有効
な方法の１つは、その位置が電気的に制御される導波路
によるものである。所望の光路の屈折率を周囲の媒体の
屈折率よりも高くなるように、光が進行する光路に沿っ
た媒体の屈折率を変化させることによって導波路を生成
することが可能である。液晶をベースにしたデバイス
は、液晶層の両端に低周波数ＡＣ電界を印加することに
よって、液晶層に屈折率の大きい変化を誘発(induce)す
ることができるので特に有効である。単純なスイッチン
グ装置は、液晶層の表面における１組の電極に付勢(ene
rgize)し、もう１組の電極は非付勢状態のままにするよ
うに構成することが可能である。これによって、付勢電
極間の領域は、光信号が液晶層内を伝搬する方向を指定
する導波路になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液晶ベ
ースの光導体は、１つの直線偏光だけしか導かない。直
交する偏光は、異なる屈折率に遭遇するために導かれな
い。このようなシステムにおける光信号は、一般に、偏
光状態がランダムに変化するので、予測不可能な伝送が
生じる可能性がある。

【０００５】本発明は、上記事情にかんがみてなされた
ものであり、改良された光スイッチング素子を提供する
ことを目的とする。

【０００６】また、本発明は、偏光依存導波路(polariz
ation dependent waveguide)固有の光損失を生じさせる
ことなく、光信号の偏光状態と無関係に光信号を操作す
る光スイッチング素子を提供することも目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、光導素子(lig
ht guiding element)の状態に従って、入力ポートと出
力ポートとの間において光信号の経路を指定する、又は
入力ポートと出力ポートとの間における光信号の伝搬を
阻止するための光導素子である。この光導素子は、偏光
ビームスプリッタを利用して、入力信号を物理的に独立
した第１及び第２の光信号に分離する。なお、第１の光
信号の偏り(polarization)と第２の光信号の偏りとは直
交している。第１の偏光回転子によって、第１の光信号
の偏りが回転し、第１の光信号の偏りと第２の光信号の
偏りとが平行になる。第１の状態及び第２の状態を備え
る第１の導波路が第１の光信号に作用する。第1の導波
路は、第１の状態において所定の光路に沿って第１の光
信号を導き、第２の状態において第１の光信号を導かな
い。第１の状態及び第２の状態を備える第２の導波路が
第２の光信号に作用する。第２の導波路は、第１の状態
において所定の光路に沿って第２の光信号を導き、第２
の状態において第２の光信号を導かない。第２の偏光回
転子によって、第２の光信号の偏りが回転し、第２の光
信号の偏りが第１の光信号の偏りと直交する。次に、偏
光ビーム結合器によって、第１の光信号と第２の光信号
とが結合され、これらを出力光ポートに結合する。第１
及び第２の導波路は、好適には、電界が存在しない場合
は第１の屈折率を示し、電界が存在する場合は第２の屈
折率を示す光導材料による光導層を備えて構成される。
第１の電極及び第２の電極によって、光導層の一部に電
界が印加される。電極は、光導領域に隣接する領域にお
ける光導層の屈折率よりも大きい屈折率を備える光導層
の光導領域を規定する。光導材料は液晶媒体が望まし
い。

【０００８】

【発明の実施の形態】図４（ａ）は、電極１０５によっ
て規定される入力導波路から、電極１０６及び１０７に
よって規定される２つの出力導波路のいずれかの導波路
に、光信号をスイッチする従来技術のスイッチング装置
１００を示す平面図である。図４（ａ）を参照すること
によってより容易に本発明を理解することができるであ
ろう。図４（ａ）を参照すると、液晶層の表面の一方に
電極が配置されており、液晶層のもう一方の表面には対
応する電極が配置されている。図４（ｂ）は、図４
（ａ）に示すスイッチング装置構成を一点鎖線１１１−
１１２に沿って切断した面を示す断面図である。電極の
配置については、図４（ｂ）を参照することによって、
より容易に理解することができる。液晶導波路は、付勢
された電極の下に、屈折率が周囲の液晶媒体における屈
折率より大きい領域を形成することによって機能する。
液晶層１１０の一部の両端にＡＣ電界を印加することに
よって、破線１４で示すように、印加電界内における液
晶分子の配向が変化する。電極１０７と電極１１４との
間に適切な信号発生器を結合することによって、この電
界が発生する。電界が存在しなければ、破線１１３で示
すように、液晶のアライメントがとれるようにする液晶
アライメント層がチャンバの壁面に取り付けられてい
る。電界が印加されると、壁面の液晶と接触していない
液晶は、電界の方向に再配向する。電界を除去すると、
その液晶とチャンバの壁面に接触している液晶との再配
向が生じる。ＤＣ電界は、時間の経過につれて電極の１
つに向かってドリフトするイオンが液晶内に生じるの
で、ＡＣ電界を利用して、配向方向のスイッチングが行
われる。

【０００９】液晶のアライメント方向に平行な直線偏光
(light of one linear polarization)は、液晶のアライ
メント方向に対して直交する偏光(light of the orthog
onalpolarization)よりも屈折率が大きくなる。したが
って、図４（ｂ）に示す構成によって導かれるのは、１
つの直線偏光だけである。

【００１０】液晶アライメント層の生成は、当該技術に
おいて周知のところであり、従って、ここでは詳細な説
明は省略する。本発明のためには、チャンバの壁面にテ
クスチャを付与して、液晶の分子が壁面において特定の
配向をとることが可能である点に言及すれば十分であ
る。例えば、分子が、壁表面に対して平行な配向をとる
場合、壁表面にある材料によるコーティングを施し、次
に、これを擦って(rubbing)、小さいグルーブを生じさ
せることによって、テクスチャを出すことが可能であ
る。液晶によって壁表面が湿る(wet)ように材料の選択
を行えば、液晶分子はグルーブ内においてアライメント
がとれる。非湿潤コーティング材料(non-wetting coati
ng material)を利用する場合には、液晶分子は、壁面に
対して直交するようにアライメントをとるので、壁との
相互作用が最小限に抑えられる。

【００１１】本発明は、各偏光毎に独立したスイッチン
グが可能な導波路を提供する。次に図１及び図２を参照
する。図１は、本発明に係る光スイッチ３００を示す平
面図である。図２は、図１に示す光スイッチ３００を一
点鎖線３２１−３２２に沿って切断した面を示す断面図
である。光スイッチ３００は、一方の状態において、入
力ファイバ３０１と出力ファイバ３０２との間で光を伝
送し、他方の状態時において、ファイバ間における光の
伝送を阻止する。入力光信号は、まず、ウォーク・オフ
結晶３１０によって、偏光成分が直交する２つの偏光ビ
ーム３０８及び３０９に分離される。この説明のため、
光ビーム３０８の偏りは、図面に対して垂直であると仮
定する。偏光ビーム３０９の偏りは、ビーム回転子３１
２によって９０度回転させられる。この時点で、２つの
光ビーム３０８及び３０９は、両方とも、偏光方向が同
じである。

【００１２】２つの光ビームが、上記１対のスイッチ可
能導波路に入射される。本実施形態では、導波路は単一
液晶層３１４を備えて構成されている。導波路の上部電
極は、３１５及び３１６で示されている。ＡＣ電界がこ
れらの電極及び対応する底部電極３２３及び３２４の両
端に印加されると、光ビームは液晶層内に導かれる。こ
のような電界がなければ、光ビームは分散し、信号の損
失が生じる。

【００１３】スイッチ可能導波路から出射されると、光
路３０８上の光信号は、偏光回転子３１７によって９０
度回転させられる。次に、２つの光ビームが、ウォーク
・オフ結晶３１８によって再結合させられる。留意すべ
きは、２つの分離された偏光ビームが通る光路は、同じ
であることが望ましいという点である。この構成によっ
て、光信号間における位相差の発生が回避される。図１
及び図２に示す実施形態の場合、各ビームを９０゜回転
させて、各ビームに対し、ビームが一方のウォーク・オ
フ結晶においては「ウォーク・オフ」し、もう一方のウ
ォーク・オフ結晶においてはウォーク・オフしない光路
を通るようにすることによって実現される。したがっ
て、各ビームは、もう一方のビームが通る光路と同じ長
さ及び光学材料の光路を通ることになる。

【００１４】本実施形態では、ウォーク・オフ結晶を利
用して、入射光を直交偏光成分を備える２つの偏光ビー
ムに分離する。しかし、以上の説明から当業者にとって
明らかなように、この目的のために、他の光学素子を利
用することによって、ビームを直交偏光成分を有する２
つの成分ビームに分離することも可能である。例えば、
一方の偏光を反射するが、もう一方の偏光を通過させる
材料を備えて構成された偏光依存ビームスプリッタ(pol
arization dependent beam splitter)を利用して、光信
号を２つのビームに分離することも可能である。

【００１５】本実施形態では、液晶層から独立したビー
ム回転子が利用されている。このような回転子は、二分
の一波長板を備えて構成することが可能である。しか
し、留意すべきは、ビーム回転子は、導波路の入力及び
出力に液晶境界層を利用して実現することもできるとい
う点である。例えば、回転させるためのビームの入射ウ
ィンドウが、入力光ビームの偏光方向に対して平行な配
向層を備える場合、液晶配向の漸変領域(region of gra
dual change)が、入射ウィンドウと液晶層の残りの部分
との間に形成されることになる。この領域によって、光
の入射偏光ベクトルが回転し、導波路内における所望の
偏光と整合することになる。このプロセスを利用して、
光ビームが出射ウィンドウから出射する際に光ビームの
偏光角を回転させることが可能である。

【００１６】図１及び図２に示す本実施形態は、単一液
晶層を利用して、両光路が構成されている。しかし、本
実施形態は、独立した液晶層にスイッチ可能導波路を構
成することも可能である。このような実施形態は、スイ
ッチ・アレイを構成するのにとくに有効である。次に、
交差接続スイッチ４００を示す図３（ａ）、図３（ｂ）
及び図３（ｃ）を参照する。図３（ａ）は、スイッチ４
００を示す平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に
示すスイッチ４００の破線４４３−４４４に沿って切断
した面を示す断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）
に示すスイッチ４００の破線４４１−４４２に沿って切
断した面を示す断面図である。スイッチ４００は、入力
ファイバ４０１及び４０２から出力ファイバ４１１、４
１２及び４１９への光信号の経路指定を行う。

【００１７】特定の経路指定は、個々の電極に印加され
る電圧によって決定する。スイッチ４００は、４２１及
び４２２で示された２つの液晶層に製作されている。ス
イッチ４００の動作については、入力ファイバ４０１か
ら出力ファイバ４１１又は出力ファイバ４１９のいずれ
かへの信号の経路指定に関連して説明する。経路指定
は、液晶層のそれぞれに導波路を形成することによって
実施される。導波路は、液晶層の表面の電極に信号を印
加することによって形成される。図３（ａ）には、液晶
層４２１における電極パターンが示されている。液晶層
４２２は液晶層４２１と同じパターンを備えている。液
晶層４２１はある偏光成分を備えた光信号の一部を経路
指定し、液晶層４２２は直交する偏光成分を備えた光信
号の一部を経路指定する。成分の一方を液晶層４２１に
経路指定し、もう一方の成分を液晶層４２２に経路指定
するウォーク・オフ結晶４０４によって、入力光信号は
２つの直交成分に分離される。液晶層４２２に経路指定
された成分は、上記の方法と同様に、二分の一波長板４
０５によって９０゜回転させられる。

【００１８】入力ファイバ４０１からの光信号が出力フ
ァイバ４１１に経路指定される場合、電極４０９及び液
晶層４２２における対応する電極が付勢される。この構
成の場合、電極４３１及び液晶層４２２における対応す
る電極は付勢されない状態のままである。これによっ
て、入力ファイバ４０１を出力ファイバ４１１に接続す
る、各層ごとに１つずつ、２つの導波路が形成される。
２つの導波路からの信号は、液晶層４２１の信号が二分
の一波長板４０６によって９０゜回転した後、ウォーク
・オフ結晶４０７によって再結合される。

【００１９】入力ファイバ４０１からの光信号が出力フ
ァイバ４１９に経路指定される場合、電極４０９及び液
晶層４２２における対応する電極は付勢されない状態の
ままである。この構成の場合、電極４３１、４３３、４
１５及び液晶層４２２の対応する電極が付勢される。こ
れによって、入力ファイバ４０１を出力ファイバ４１９
に接続する、各層ごとに１つずつある、２つの導波路が
形成される。２つの導波路からの信号は、液晶層４２１
の信号が二分の一波長板４１６によって９０゜回転した
後、ウォーク・オフ結晶４１７によって再結合される。

【００２０】入力ファイバ４０２と出力ファイバ４１２
及び４１９との間において、信号が同様のやり方で経路
指定される。スイッチ４００は、２×１の交差接続だけ
であるが、以上の説明から当業者には明らかなように、
本発明を利用して、Ｎ×Ｍの汎用交差接続スイッチを構
成することが可能である。

【００２１】以上の説明及び添付の図面から、当業者に
は本発明に対するさまざまな修正が可能であろう。した
がって、本発明は特許請求の範囲による制限だけしか受
けないものとする。

【００２２】以下に、本発明の実施の形態を要約する。

【００２３】１．入力光信号を受信するための入力ポー
ト（３０１）と、前記入力光信号を物理的に独立した第
１の偏光信号と、前記第１の偏光信号の偏りと直交する
偏りを備える第２の偏光信号と、に分離するビームスプ
リッタ（３１０）と、前記第１の偏光信号の前記偏り
が、前記第２の偏光信号の偏りと平行になるように前記
第１の偏光信号の前記偏りを回転させる第１の偏光回転
子（３０９）と、所定の経路に沿って前記第１の偏光信
号を導く第１の状態と、前記第１の偏光信号を導かない
第２の状態と、を備える第１の導波路（３３１）と、所
定の経路に沿って前記第２の偏光信号を導く第１の状態
と、前記第２の偏光信号を導かない第２の状態と、を備
える第２の導波路（３３２）と、前記第１の偏光信号の
前記偏りが前記第２の偏光信号の前記偏りに対して直交
するように前記第１の偏光信号の前記偏りを回転させる
第２の偏光回転子（３１７）と、前記第１の偏光信号と
第２の偏光信号とを結合するビーム結合器（３１８）
と、を備える光導素子（３００）。

【００２４】２．前記第１の導波路（３３１）が、電界
が印加されていないと第１の屈折率を有し、前記電界が
印加されていると第２の屈折率を有する光導材料による
第１の光導層（３１４，４２１）と、前記第１の光導層
（３１４，４２１）の第１の部分に前記電界を印加する
第１及び第２の電極（３１６，３２３）と、を備え、前
記電極によって、前記第１の光導層（３１４，４２１）
の第１の光導領域が形成され、前記第１の光導領域の屈
折率が、前記第１の光導領域に隣接した領域における前
記第１の光導層（３１４，４２１）の屈折率より大きい
上記１に記載の光導素子（３００）。

【００２５】３．前記第２の導波路（３３２）が、前記
第１の光導層（３１４，４２１）の第２の部分に前記電
界を印加する第３及び第４の電極（３１５，３２４）を
備える上記２に記載の光導素子（３００）。

【００２６】４．前記第２の導波路（３３２）が、電界
が印加されていないと第１の屈折率を有し、前記電界が
印加されていると第２の屈折率を有する光導材料の第２
の光導層と、前記第２の光導層の一部に前記電界を印加
する第３及び第４の電極と、を備え、前記電極によっ
て、前記第２の光導層の第２の光導領域が形成され、前
記第２の光導領域の屈折率が、前記第２の光導領域に隣
接した領域における前記第２の光導層の屈折率より大き
い上記２に記載の光導素子（３００）。

【００２７】５．前記光導材料が液晶を含む上記２に記
載の光導素子。

【００２８】６．前記ビームスプリッタ（３１０）がウ
ォーク・オフ結晶を含む上記１に記載の光導素子。

【００２９】７．前記ビームスプリッタ（３１０）が、
偏光依存ビームスプリッタ（３１０）を含む上記１に記
載の光導素子。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、偏光依存導波路に固有の光損
失を生じさせることなく、かつ、光信号の偏光状態に依
存せずに光信号を操作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光スイッチ３００を示す平面図で
ある。

【図２】図１に示す光スイッチ３００を一点鎖線３２１
−３２２に沿って切断した面を示す断面図である。

【図３】（ａ）は、本発明に係るスイッチ４００を示す
平面図である。（ｂ）は、図３（ａ）に示すスイッチ４
００の破線４４３−４４４に沿って切断した面を示す断
面図である。（ｃ）は、図３（ａ）に示すスイッチ４０
０の破線４４１−４４２に沿って切断した面を示す断面
図である。

【図４】（ａ）は、電極１０５によって規定される入力
導波路から電極１０６及び１０７によって規定される２
つの出力導波路のいずれかの導波路に光信号をスイッチ
する従来技術であるスイッチング装置１００を示す平面
図である。（ｂ）は、図４（ａ）に示すスイッチング装
置の構成を一点鎖線１１１−１１２に沿って切断した面
を示す断面図である。

【符号の説明】

３００光スイッチ３０１入力ファイバ３０９第１の偏光回転子３１０ウォーク・オフ結晶３１４液晶層第１の光導層３１５，３１６電極３１７第２の偏光回転子３１８ウォーク・オフ結晶３２３，３２４電極３３１第１の導波路３３２第２の導波路４２１液晶層

フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 ＰａｇｅＭｉｌｌＲｏａｄＰａｌｏＡｌｔｏ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＵ．Ｓ．Ａ. (72)発明者ダグラス・エム・ベイニーアメリカ合衆国カリフォルニア州，ロス・アルト（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力光信号を受信するための入力ポート
（３０１）と、前記入力光信号を物理的に独立した第１の偏光信号と、
前記第１の偏光信号の偏りと直交する偏りを備える第２
の偏光信号と、に分離するビームスプリッタ（３１０）
と、前記第１の偏光信号の前記偏りが、前記第２の偏光信号
の偏りと平行になるように前記第１の偏光信号の前記偏
りを回転させる第１の偏光回転子（３０９）と、所定の経路に沿って前記第１の偏光信号を導く第１の状
態と、前記第１の偏光信号を導かない第２の状態と、を
備える第１の導波路（３３１）と、所定の経路に沿って前記第２の偏光信号を導く第１の状
態と、前記第２の偏光信号を導かない第２の状態と、を
備える第２の導波路（３３２）と、前記第１の偏光信号の前記偏りが前記第２の偏光信号の
前記偏りに対して直交するように前記第１の偏光信号の
前記偏りを回転させる第２の偏光回転子（３１７）と、前記第１の偏光信号と第２の偏光信号とを結合するビー
ム結合器（３１８）と、を備えることを特徴とする光導素子（３００）。