JP2001505668A

JP2001505668A - 誤り耐性の高い光学的ルート切換えスイッチ

Info

Publication number: JP2001505668A
Application number: JP50694898A
Authority: JP
Inventors: クァンイーウー
Original assignee: コラムテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2001-04-24
Also published as: WO1998004056A1; AU3512997A; CA2257805C; CN1230313A; CA2257805A1; US5724165A; AU724019B2; EP0916198A4; EP0916198A1; IL128158A0

Abstract

(57)【要約】複数の光入力（１０１）を有する電磁的に制御可能な光スイッチ（１００）。各入力（１０１）における光偏号を、複屈折素子（１３０）によって２つの平行な互いに直交する偏光に空間的に分離する。これら分離された光ビームの光路中に配置された電磁界によって制御可能な偏光旋光子アレイ（１４０）を、互いに直交する状態の内の一方の状態（即ち双方のビームが共に垂直偏光となるか、共に水平偏光となる）に設定する。これらの光ビーム対を、その後段に配置された複屈折素子（１５０）によってそれらの偏光状態に応じて空間的にルートの切換えを行う。この第２の複屈折素子（１５０）の後段に第２の偏光旋光子アレイ（１６０）を配置し、第１のアレイ（１４０）とは反対の状態に設定し、出射ビームが、第１の偏光旋光子（１４０）に入射する以前の偏光状態と直交する偏光状態となるようする。これらのビームを複屈折素子（１７０）によって再合成し出力ポート（１０２、１０３）に結合される複数の合成ビームを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】誤り耐性の高い光学的ルート切換えスイッチ発明の背景１．発明の分野本発明は、一般に光信号スイッチング技術に関するものであり、特に光通信ネットワークや光信号処理において伝搬する光信号の進行ルートを空間的に切換える技術に関するものである。２．問題点の説明種々の用途において光信号を伝搬するために光ファイバが使用されている。光ファイバのデータ帯域は高いので光ファイバの重要性は益々高くなっている。しかしながら、光ファイバ伝送を採用するためには、光ファイバ間で光信号の進行ルートを切換える必要がある。通常のディジタル回路とのインターフェイスを取るには、この切換えは電気的な信号によって制御することが望ましい。光ファイバの相互接続ネットワークにおいては、光信号を例えば時分割多重（ＴＤＭ）、波長分割多重（ＷＤＭ）、空間分割多重（ＳＤＭ）によって多重化することができる。ＳＤＭは光ファイバでのルート切換えの目的に対して最も重要であると考えられる。ＳＤＭフォトニックスイッチの主要な用途としては、光ファイバ通信、光学式ジャイロスコープ、光信号処理、位相アレイレーダーシステムにおけるマイクロ波／ミリ波信号の分布などである。これらの多重技術のそれぞれにおいては、複数チャネルからの複数の光信号を１つのチャネル又は複数の多重化されたチャネルに制御された態様で切換える必要がある。このような切換えを行う１つの方法として、光信号を電気信号に変換し、通常の電子デバイスを用いてスイッチングを行うものがある。情報データレートは上昇し続けているので、光ファイバによる高い帯域を処理するのに通常の電子デバイスを用いることは益々困難となってきている。更に、光信号と電気信号との間で変換をする必要があるため、データフォーマットが制限されてしまうと共に複雑かつ高価となる。或いはまた、「全光学式」のルート設定／切換技術も提案されている。この方法は、高い「データの透明性」と、光信号を光の形態としたままで或る伝送チャネルから別の伝送チャネルへ伝搬できるという特長がある。全光学式技術の１つにおいては、偏光フィルタを偏光旋光素子と組み合わせ用いて信号ルートの切換えを行っている。このようなシステムでは、偏光面の回転の不正確さによって信号チャネル間のクロストークの影響を一般に受けるものである。クロストークとは、或るチャネルから別のチャネルへの信号の不所望な漏洩を意味するものである。広い動作波長帯域や広い動作温度範囲が必要な場合には、クロストークによる品質の劣化は特に重大なものとなる。クロストークを最少とするために、従来の全ての光スイッチは極めて高い品質の材料が要求されると共に許容公差の小さい部品が要求されている。このような材料や部品によって切換機構全体のコストが著しく上昇してしまう。現在利用できるローコスト技術によって実現できると共に高いパフォーマンスを有し、安定に動作するスイッチが必要とされている。電磁気的に制御可能な光スイッチとしては種々のものが市販されている。これらは、機械的、電子−光学的、熱−光学的、音響−光学的、磁気−光学的及び半導体技術を基礎としている。ルート切換部品として最も広く使用されている機械的なスイッチは挿入損失が極めて小さく、クロストークも低いものであるが、スイッチング時間がミリセコンドのオーダに制限されている。一方、ＬｉＮｂＯ₃ 集積光スイッチの切換え時間はナノセカンドであるが、挿入損失が大きく（５ｄＢ）、クロストークも大きく（２ＯｄＢ）、しかも偏光依存性を有している。従って、チャネル間のクロストークが小さく、偏光依存性が少なく、比較的速い再接続（即ちスイッチング）速度を有し、電磁界によって制御可能な光スイッチが必要とされている。３．問題の解決法従来技術の上述した問題及びその他の問題は、偏光依存性がなく、複数の光入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート間で低いクロストークで光学的なルート切換えが可能なスイッチによって解決できる。切換中も光信号は光信号のままであるので、システム構成は簡単となり、コストを低減することができ、しかも信号の光学的な特性はそのまま維持される。光信号の分割及び再合成のために低価格の部品で構成しても、安定な設計であるのでクロストークは最少となり、スイッチを通過する間も偏光の純度は維持される。更にこの設計によれば、広い動作温度範囲及び広い波長範囲にわたって高いパフォーマンス（即ち低クロストーク、低偏光依存性）が保たれ、ＳＤＭ用途における理想的なデバイスを提供するものである。発明の概要簡単にいうと、本発明は複数の光入力を有する電磁的に制御可能な光スイッチを提供するものである。各入力において、複屈折素子により光信号は互いに直交する方向に偏光された２本の平行なビームに分割される。これらの分割された光ビームの光路内に電磁場による制御が可能な偏光旋光素子のアレイを配置し、それから出射される一対の光ビームの偏光面が直交状態の一方となる（即ち両方の光ビームが垂直偏光か又は水平偏光となる）ようにする。その後方に配置された複屈折素子によって、光ビーム対はその偏光の状態に応じて空間的に分離された方向に進む。この第２の複屈折素子の後方に第２の偏光旋光素子アレイを配置し、これを第１のアレイとは反対の状態に設定してそれから出射される光ビームが、第１の偏光旋光素子に入射する前の入力状態とは直交するようにする。これらの光ビームを第３の複屈折素子によって再び合成して複数の合成光ビームを生成し、これらを出力ポートに結合する。或いはまた、本発明は直角プリズムのような逆反射器を用いる反射型のスイッチとして実現することもでき、この場合には光ビームを入力ポートに向けて折り返すことによって部品点数を減らすと共にコストを低減し、サイズを小さくすることができる。図面の簡単な説明図１は本発明による二次元単極双投（ＳＰＤＴ）型の光スイッチの平面図；図２は本発明による三次元ＳＰＤＴ光スイッチを示す図；図３は本発明による双極双投（ＤＰＤＴ）型の光スイッチの平面図；図４はＳＰＤＴ型の光スイッチを二次元的に組み込んだ装置の２つのルート切換え状態を示す平面図；図５はＳＰＤＴ型の光スイッチを三次元的に組み込んだ装置の２つのルート切換え状態を示す平面図；図６はＤＰＤＴ型の光スイッチを二次元的に組み込んだ装置の２つのルート切換え状態を示す平面図；図７は１×２構造をカスケード接続した１×３光スイッチを示す図である。好適な実施例の詳細な説明１．全体本発明では入力ポートと出力ポートとの間に複数の光学素子を直列に配置し、選択した出力を選択した入力に結合するように変更できる光路を規定するものである。図面を明瞭とすると共に説明を簡単とするために、本発明を単極双投（ＳＰＤＴ）型（即ち単一の入力を２つの出力の一方に結合する）及び双極双投（ＤＰＤＴ）型（即ち２つの入力ポートを２つの出力ポートに選択的に結合する）の簡単なスイッチとして説明する。しかし、ここで説明する基本的な構成を並列及び又は直列的に結合して任意の数及びタイプのスイッチング機構を実現できることは勿論である。本発明による低損失及び高速という特長と、ハードウエアの構成が本質的に簡単になるという特長との組み合わせにより、基本構造を並列的及び直列的に組み合わせることにより、一層複雑な構造とすることもできる。本発明によるスイッチでは、偏光に依存してビームを所定の方向に指向することができる性質を有する複屈折素子と、偏光変換器即ち偏光旋光素子とを組み合わせることによって所望の光結合を行うことができる。この偏光変換器はツイステッドネマチック液晶旋光素子、強誘電体液晶旋光素子、パイセルをベースとした液晶旋光素子、磁気−光学現象に基づくファラディローテータ、電子−光学現象に基づく偏光旋光子のような既知の１種又は２種以上の素子を含むものである。これらの素子のスイッチング速度は数ミリ秒からナノ秒の範囲であり、従って種々の用途における要求を満たすことができ、広範囲のシステムに適用することができる。これらの素子及びそれらと同様の基本素子は等価なものと見做すことができ、本発明の精神を逸脱することなく相互に置換可能なものである。本発明によるスイッチの１つの特徴は、各光信号を２つの直交偏光成分に分割し、これらのルートを偏光旋光素子によって切換えることである。本発明では各偏光成分を、互いに反対の動作状態にある２つの偏光旋光素子に通すようにした相補的な設計、即ち一方の旋光素子は光信号に９０度の回転を与えるが、他方の旋光素子は光信号に何ら回転を与えないような設計を採用する。このように構成すると、光スイッチのチャネル間のクロストークは偏光旋光素子のそれぞれの動作状態での消光比の積に比例したものとなる。ここで消光比とは、所望の出力偏光状態における光エネルギの反対の偏光状態における光エネルギに対する比として定義されるものである。各偏光旋光素子はそれぞれ２つの動作状態（オン及びオフ）に対応した２つの消光比を有している。従って、一方の動作モードでの消光比が低い旋光素子を用いても、他方のモードでの消光比が高ければスイッチのチャネル間クロストークは低いままとなる。本発明の基本的な利点は、現在利用できる技術を採用して上述したように光学部品を組み立てることによって、比較的安価なスイッチが得られることである。勿論、高機能で高価な部品を用いることもできるが、低コストの部品を用いることによって特別なパフォーマンスが得られる。光学素子の安定した設計及び配置によって不適切な偏光旋光又は個々の素子の低い消光比によって導入されるチャネル間のクロストークの多くを相殺することができる。偏光旋光素子及び複屈折素子（後述する）は将来新たな素子が実現されることが予想されるが、それらの新たな素子によっても本発明を実施することができる。２．ＳＰＤＴスイッチ図１ａ及び図１ｂは本発明による二次元単極−双投（ＳＰＤＴ又は１×２）光スイッチ１００を示す平面図であり、この場合の光路は同じ動作面内にある。スイッチ１００は例えば光ファイバ（図示せず）からの光信号を受ける光学的な入出力ポート１０１を備えている。光信号のルートは光出力１０２、１０３の一方に選択的に切換えられ、これらの光出力は切換えられた光信号を他の光ファイバ（図示せず）に入射させる。図１ａ及び図１ｂにおいて、垂直偏光を光学素子間（例えば素子１３０と１４０との間）に記載した黒丸で示し、水平偏光を光学素子間に記載した実線で示した。これらの黒丸及び実線は本発明の物理的な構成要素ではなく、理解を助けるために示したものである。光信号は入力ポート１０１を経てスイッチ１００に入射し、複屈折素子１３０によって２つの直交偏光に分割される。この複屈折素子１３０の光学軸を光ビームの進行方向に対して傾斜させ、光信号が複屈折素子１３０から出射するときに、互いに直交する方向に偏光された一対の平行なビームに分割されるようにする。複屈折結晶の平面は光ビームの進行方向に対して垂直とするが、このことは必ずしも必要ではない。複屈折素子１３０の材料は光信号の垂直偏光成分が素子１３０においては常光線となり、その進路を変更することなく進むようなものであるとする。これに対し、水平偏光は複屈折による分裂効果によって或る角度で曲げられる。この複屈折角度は個々の選択された材料の既知の関数となっている。図１ａ及び図１ｂに示すように、偏光変換器１４０は上側及び下側半部のように２つのサブエレメントに分割されている。これらの２つのサブエレメントは、一方がオン（ハッチングで示す）のときは他方がオフとなるように構成されている。このように構成することによって、２つのビームは垂直偏光（図１ａに示す）か水平偏光（図１ｂに示す）の何れかとなって偏光変換器１４０を出射する。図１ａ及び図１ｂに示す実施例では、複屈折素子１５０は複屈折素子１３０と同様の材料で形成されている。従って、複屈折素子１５０に入射する２つの光ビームは、共にそのまま通過するか（図１ａに示す）又は共に曲げられる（図１ｂに示す）ことになる。素子１５０の大きさによって進行方向の変移の大きさが決まる。複屈折素子１５０を出射した２つの光ビームは偏光旋光子アレイ１６０に入射する。この偏光旋光子アレイ１６０は上述した旋光子アレイ１４０と同様の素子を４個備えている。これら４個の素子は図１ａ及び図１ｂと比較すると明らかなように、複屈折素子１５０の４つの可能な出射光路に対応するものである。旋光子アレイ１６０は旋光子アレイ１４０のオン／オフ状態とは反対の状態、即ち相補的な状態となるように駆動する。このような相補的な配置によって旋光子アレイ１６０を出射する光信号の各部分は、旋光子アレイ１４０に入射する以前の偏光状態とは反対の偏光状態となる。複屈折素子１７０は上述した素子１３０及び１５０と同様な材料で同様に構成されている。素子１７０は２つの光信号部分を再合成し、出力ポート１０３と整列された１つの光信号に変換するか（図１ａ）、出力ポート１０２と整列された１つの光信号に変換する（図１ｂ）。上述した素子１３０、１４０、１５０、１６０及び１７０のそれぞれは双方向性のデバイスであるので、スイッチ１００は双方向において全く同じように機能する。換言すると、ポート１０２及び１０３を入力ポートとして用いて信号をポート１０１へ伝搬することができ、この場合にはスイッチ１００はどちらの信号をポート１０１へ結合するかを選択するように機能する。図２ａ及び図２ｂは１×２スイッチ２００の他の構成例を示すものであり、光路を図１ａ及び図１ｂに示した二次元的な配置に対して三次元的な配置としたものである。複屈折素子２５０はその偏光固有面が複屈折素子２３０及び２７０の偏光固有面に対して垂直となるように９０度の角度に指向されている。また、偏光旋光子２４０及び２６０は同様のものであり、それぞれ２つの偏光サブエレメントを有している。光信号は入力ポート２０１を介してスイッチ２００に入射し、複屈折素子２３０によって、２つの直交偏光（図２ａ及び図２ｂにおいて垂直及び水平の棒で示す）に分割される。偏光変換器２４０は図２ａ及び図２ｂに示すように２つのサブエレメントに分割されている。これら２つのサブエレメントは一方がオン（ハッチングで示す）のときは他方がオフとなるように構成する。このように構成することによって、双方のビームは偏光変換器２４０を出射するときには共に垂直偏光（図２ａに示す）となるか、共に水平偏光（図２ｂに示す）となる。複屈折素子２５０は図１ａ及び図１ｂに示す実施例の複屈折素子１３０、１５０及び１７０と同様の材料で形成されているが、上述したように方位が相違している。複屈折素子２５０に入射する２つのビームは同じ偏光であるので、これらのビームは共にそのまま進むか（図２ａに示す）、共に曲げられる（図２ｂに示す）。素子２５０の物理的な寸法によって曲げられる程度は決まる。複屈折素子２５０を出射した２つのビームは偏光旋光子アレイ２６０に入射する。この偏光旋光子アレイ２６０は２つの素子を有しており、上述した旋光子アレイ２４０とほぼ同様のものである。スイッチ２００は三次元的に動作するものであるから２つの素子を必要とするだけである。旋光子アレイ２６０は旋光子アレイ２４０のオン／オフ状態とは反対、即ち相補的なオン／オフ状態となるように駆動される。このような相補的な動作によって旋光子アレイ２６０を出射する光信号部分のそれぞれは、旋光子アレイ２４０に入射する以前の偏光状態とは反対の偏光状態を有することになる。複屈折素子２７０は上述した他の複屈折素子と同様の材料で同様に構成されている。素子２７０は２つの光信号部分を再合成して、出力ポート２０３（図１ａ）又は出力ポート２０２（図１ｂ）と整列する１つの信号とするものである。３．ＤＰＤＴスイッチ図３ａ及び３ｂは本発明による双極−双投（ＤＰＤＴ又は２×２）スイッチを示す平面図である。図３ａ及び図３ｂに示す双極−双投スイッチ３００は、図１に示したＳＰＤＴスイッチ１００を拡張したものである。本例のスイッチ３００の各素子を表す符号の下２桁の数字が上述したスイッチ１００の素子と同じものは、それらと同じ構成及び機能を有するものである。複屈折素子３５０と偏光旋光子３６０との間に、偏光ビームスプリッタ３５５と、直角プリズム３５６とが配置されている。更に、偏光旋光子アレイ３４０及び３６０のそれぞれは４つのサブエレメントを備えており、スイッチ３００において４つの光ビームを変調するようにしている。長い線の破線は入力ポート３０１からの光信号から由来する光ビームを示し、短い線の破線は入力ポート３０２からの光ビームを示している。太線及び太丸はそれぞれ水平偏光及び垂直偏光を示している。偏光素子３３０は入力ポート３０１及び３０２からの２つの光ビームのそれぞれを、２つの空間的に分散された直交偏光に分割する。図３ａは入力ポート３０１を出力ポート３０４に結合し、入力ポート３０２を出力ポート３０３に結合するように動作するスイッチ３００を示すものである。この図３ａに示す状態では、４つの光ビームは複屈折素子３５０に入射するときに垂直偏光となるように旋光子３４０はセットされている。これらの垂直偏光された光ビームは複屈折素子３５０においては常光線となり、複屈折素子３５０を直進する。偏光ビームスプリッタ３５５及び直角プリズム３５６の組み合わせによって、ポート３０２からの光ビームをポート３０３のレベルに変更する。直角プリズム３５６の傾斜反射面３５７を、図３ａに示す下側の２本の光ビームと整列させるように配置する。この好適な実施例においては、これらの下側の２本の光ビームは傾斜面で９０度の角度で反射された後に、偏光ビームスプリッタ３５５によって再び反射されて出力ポート３０３のレベルとなる。これに対し、入力ポート３０１からの光ビームは光路が変化されることなく、即ち反射されることなく素子３５６を通過する。素子３５５及び３５６から射出するときも、４つの光ビームのそれぞれは図３ａに示すように垂直偏光のままである。４つのサブエレメントを有する旋光子３６０は、旋光子３４０とは反対の状態となるように設定されている。従って、旋光子３６０の出力は旋光子３４０に入射するときの偏光状態とは直交する偏光状態を有する４つの光ビーム部分を含んでいる。複屈折素子３７０は上側の一対の光ビーム部分を出力ポート３０３に結合される１つの信号に合成するものである。下側の一対の光ビーム部分は出力ポート３０４に結合される１つの信号に合成される。図３ｂは入力ポート３０１を出力ポート３０３に結合し、入力ポート３０２を出力ポート３０４に結合するように動作するスイッチ３００を示すものである。図３ｂの状態では、旋光子３４０は４つの光ビームのそれぞれが複屈折素子３５０に入射する際に水平偏光状態を有するように設定されている。これらの水平方向に偏光された光ビームは複屈折素子３５０においては異常光線と見做すことができ、従って複屈折素子３５０を通過する間に、複屈折素子３５０の厚さによって決まる量だけ変移することになる。この空間的な変移を適切に選択して光ビームが出力ポート３０３及び３０４と同じレベルとなるようにする。これらの変移された４つの信号部分が旋光子３６０（旋光子３４０とは相補的な状態となっている）を通過する間に、偏光は旋光子３４０に入射するときの状態に対して直交する状態となり、これらは出力ポート３０３及び３０４に結合される。図３ａ及び図３ｂに示すＤＰＤＴスイッチ３００は交差−２重路構造であるので、クロストークは小さく、動作上の公差も大きなものである。４．折り返し反射構造これまでの実施例は透過型のものであり、光ビームに対する素子の透過特性を基本的に利用して信号を所定のルートに振り分けている。図４ａ及び図４ｂは本発明によるスイッチ４００の他の実施例を示すものである。このスイッチ４００は、折り返しによるルート振り分け構造を有するものであり、少数の光学素子によって小さなサイズに構成できるものである。図４ａ及び図４ｂは本発明による折り返し型の二次元ＳＰＤＴスイッチ４００を示す平面図である。このスイッチ４００のキーとなる素子は、直角反射プリズム４２０のような逆反射器であり、透過型のスイッチ１００に比べて１つの複屈折素子と１つの旋光子を省くことができるものである。偏光旋光子４４０は光信号部分の偏光状態を変調する６個のサブエレメントを有している。従って、スイッチ４００の旋光子サブエレメントの総数はスイッチ１００と同じであるが、コンパクトとなる利点がある。更に、旋光素子４４０として液晶型の偏光旋光子のような空間光変調器を用いることによってフォトリソグラフプロセスが簡単となり、スイッチ４４０のコストを相当程度低減することができる。旋光子４４０のサブエレメントは、隣り合うサブエレメント同士が相補的な状態となるように設定されている。旋光子４４０の右側では偏光状態は全て垂直偏光（図４ａ）となるか、全て水平偏光（図４ｂ）となる。何れの偏光を選択するかに応じて、複屈折素子４５０内においては、光路は変移されないか（図４ａ）、全て変移された（図４ｂ）ものとなる。光ビームは複屈折素子４５０を出射し、直角プリズム反射器４２０によって反射されてプリズム反射器４２０の幾何学的な構造によって決まる位置において複屈折素子４５０に戻される。複屈折素子４５０を２回目に透過した後に、光ビームは再び旋光子４４０に指向され、最初に旋光子４４０に入射するときの元の偏光状態とは直交した偏光状態で出射される。次に、光ビームは複屈折素子４３０で再び合成され、ポート４０１〜４０３の内の選択されたポートに出射される。図４ａにおいてはポート４０１と４０２とが結合しており、図４ｂにおいてはポート４０１と４０３とが結合している。勿論、これらの結合は双方向性のものであり、従って何れのポートも入力ポートとなり得ると共に出力ポートとなり得るものである。このスイッチ４００のクロストークは小さい。その理由はクロストークは偏光旋光子のオン／オフ消光比の積に依存するが、一方の状態の消光比は極めて高いからである。スイッチ４００で示した折り返しの構造は、図５に示す三次元ＳＰＤＴスイッチ５００に適用することができる。このスイッチでは、複屈折素子５３０及び５５０はそれらの偏光固有面が互いに直交するように配置されている。折り返しは逆反射器５２５によって行われるが、折り返し中に光信号部分が公差するように構成されている。偏光旋光子５４０のサブエレメントの個数は、図４ａ及び図４ｂのスイッチ４００の６個と比較して２個に減っている。図５ａにおいて、旋光子５４０を出射する光ビームは水平偏光となっている。これらの光ビームは複屈折素子５５０の下側を通り、逆反射器５２５によって光路が交差した状態で反射されて戻される。これら２つの水平偏光は複屈折素子５５０においては常光線となり、空間的な変移を受けることなく通過する。次に、これら２つの光ビームは旋光子５４０を２度目に通過し、出射光ビームの偏光状態は元の状態に対して直交したものとなる。これらの光ビームは複屈折素子５３０で再合成され、ポート５０２から出射される。図５ｂに示す状態では、旋光子５４０を最初に通過した後の光ビームの出力偏光状態は垂直である。逆反射器５２５で反射された後の光ビームは複屈折素子５５０においては異常光線となり、図５ｂに示すように変移される。旋光子５４０を２回目に通過した後の光ビームの偏光状態は元の状態に対して直交したものとなる。これらの光ビームは複屈折素子５３０によって再合成され、ポート５０３から出射される。三次元折り返し型ＳＰＤＴスイッチの変形例においては、複屈折素子５５０の長さを長くして、往路及び復路の双方が通過するようにする。この場合には、図５ａに示す水平偏光は、素子５５０の延長された部分を何ら変移せずに通過するので、図５ａと同じ光路を辿ることになる。しかしながら、図５ｂに示す垂直偏光はその往路に，おいて、図５ｂに示すように複屈折素子５５０の下側を通過するのではないので下方に変移される。逆反射器５２５によって折り返された後の復路は図５ｂに示すものと同じである。このように延長された複屈折素子を用いることによって２つの光ビームは一層大きく変移され、その結果として出力ポート５０２と５０３との間の距離を一層長くすることができる。このことは最終的な製品とするときのパッキングの点で有利である。その理由は２つのポートの間の厳しい寸法精度が緩和されるためである。５．折り返し型ＤＰＤＴスイッチ図６ａ及び図６ｂは、図５ａ及び５ｂに示した実施例に、図４に示したと同様に偏光旋光子６４０と複屈折素子６５０との間に偏光ビームスプリッタ６５５及びプリズム６５６を追加したものである。旋光子６４０は８個のサブエレメントを有しており、これらは相補的な状態を有するように設定されている（即ち、隣接するサブエレメントが互いに反対のオン／オフ状態を有する）。図６ａの状態では、旋光子６４０を最初に通過した光ビームは垂直偏光となる。ポート６０２からの２つの光ビームは偏光ビームスプリッタ６５５及びプリズム６５６によって偏向され、図６ａに示すようにスイッチ６００の下端を通過する。４つの光ビームは複屈折索子６５０においては常光線となるので空間的な変移を受けずに直進する。直角プリズム６２０のような逆反射器によって光ビームは折り返され、複屈折素子６５０に戻される。復路においては、光ビームは複屈折素子６５０を変移することなく通過する。４つの光ビームは旋光子６４０を２回目に通過するが、そのときの偏光状態は最初に旋光子６４０に入射するときの状態に対して垂直となっている。ポート６０１及び６０２からの光信号部分は複屈折素子６３０で再合成されて、それぞれポート６０３及び６０４から図６ａのポート６０１〜６０４の近くに両矢印で示すようにそれぞれ出射する。図６ｂの状態では、偏光旋光子６４０は相補的な状態に切換えられ、旋光子６４０を最初に透過したときの偏光状態は水平偏光となっている。４本の光ビームは偏光ビームスプリッタ６５５及びプリズム６５６を通過して複屈折素子６５０に入射され、ここでこれらの光ビームは変移を受ける。その理由は、これらの光ビームは水平偏光であるためである。直角プリズムより成る逆反射器６２０で折り返された後に、光ビームは複屈折素子６５０へ戻され、ここで再び空間的な変移を受ける。旋光子６４０は往路において旋光子６４０に入射する以前の偏光状態に対して、直交する偏光状態になるように設定されている。次に、これらの信号は複屈折素子６３０で再合成されてポート６０４と整列された単一のビームとなり、ポート６０２からの光ビームはポート６０３と整列された単一のビームとなる。６．規模拡張のアーキテクチャ上述したスイッチ１００、２００、３００、４００、５００及び６００の規模は容易に拡張することができ、任意の個数の入力ポート及び出力ポートを設けることができる。図７はこのようなコンセプトに基づいて２つのＳＰＤＴスイッチ１００を一体的に組み合わせて１×３スイッチ７００を構成したものである。スイッチ７００はスイッチ１００と同じ個数の素子を用いているが、各偏光変換器７４０及び７６０のサブエレメントの個数は光ビームの増加した本数に合わせて多くなっている。ポート７０２からの光信号は旋光子７４０及び７６０の状態に応じてポート７０５及び７０６の何れかから出射する。更に、ポート７０５はポート７０１に結合されているので、光信号はポート７０３又は７０４にルートの切換えが行われる。好適な実施例においては、偏光旋光子７４０及び７６０は液晶型の偏光旋光子を備えている。このような液晶型を使用すると、周知のフォトリソグラフ技術を利用してセグメントにパターニングすることができる利点がある。この場合に、１つの基板を多数のサブエレメントにパターニングすることができ、本発明で説明した基本的なＳＰＤＴやＤＰＤＴと同じ個数の素子を設けた多重スイッチを構成することができる。７．結論上述した本発明による各実施例においては、クロストークの低い動作が可能となる。その理由は各光信号は２つの直交偏光に分割され、そのそれぞれは偏光旋光子を少なくとも２度通過し、各通過時での旋光子の状態は相補的になっているためである。従来のものでは１つの偏光旋光子のみを用いるか、スイッチを通過する間に少なくとも１回の旋光を必要とする相補的な配置を利用していないものである。本発明の二重光路アーキテクチャでは、チャネル間のクロストークは少なくとも２個の旋光子のそれぞれの偏光消光比の積によって主として決まる。従って、本発明の装置では旋光子のオン又はオフ状態における偏光消光比が高いままであれば極めて高い消光動作が達成できる。従って、偏光旋光子が小さな消光比を有する状態（オン又はオフの何れか）のときにも他方の状態（オフ又はオンの何れか）の消光比は高いので、本発明によるスイッチの消光比は高く維持される。上述した好適実施例の複屈折素子を形成する材料の例としては、カルサイト、ルチル、ニオブ酸リチウム、ＹＶＯ₄系結晶などがある。特に、液晶技術を利用した市販の旋光子が好適であるが、他の種類の旋光子も一方の状態の消光比が高いものであれば、個々の用途に要求される条件を満たすものとして使用することができる。更に、請求の範囲に記載された発明は上述した実施例のみに限定されるものではなく、上述した構造及び材料と等価な他の変形や変更も本発明の範囲及び概念に含まれるものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年２月１０日（１９９８．２．１０）【補正内容】請求の範囲１．（補正）光信号を２つの制御状態のそれぞれの間で切換える方法であって、第１の入力/出力（Ｉ／Ｏ）ポートを設ける工程と、第２のＩ／Ｏポートを設ける工程と、第３のＩ／Ｏポートを設ける工程と、第４のＩ／Ｏポートを設ける工程と、前記第１のＩ／Ｏポートから受けた光信号を互いに直交偏光を有する２つの部分に空間的に分割する工程と、前記第４のＩ／Ｏポートから受けた光信号を互いに直交偏光を有する第３及び第４の部分に空間的に分割する工程と、制御状態に応じて前記第１及び第２の部分の内の一方の偏光を回転させてこれら第１及び第２の部分の他方の偏光と整合させる工程と、制御状態に応じて前記第３及び第４の部分の内の一方の偏光を回転させてこれら第３及び第４の部分の他方の偏光と整合させる工程と、前記第１及び第２の部分の進行ルートをそれらの偏光に基づいて空間的に切換える工程と、前記第３及び第４の部分の進行ルートをそれらの偏光に基づいて空間的に切換え、前記第１、第２、第３及び第４の部分の偏光を、空間的なルートの切換えを行う以前の状態と同じとする工程と、前記第３及び第４の部分の一方の偏光を、これら第３及び第４の部分の他方の偏光に対して直交するように回転する工程と、前記第１及び第２の部分を複屈折素子に通して、これらの部分を前記第２及び第３のＩ／Ｏポートの１つと整列された単一の光信号に再合成する工程と、前記第３及び第４の部分を前記複屈折素子に通して、これらの部分を前記第２及び第３のＩ／Ｏポートの１つと整列された単一の光信号に再合成する工程と、を備える方法。２．（補正）請求項１の方法において、前記第１のＩ／Ｏポートから受けた光信号を空間的に分割する工程が、光信号を複屈折素子に通す工程を含む方法。３．請求頂１の方法において、前記第１の部分を回転させる工程が、更に前記２つの部分を設定可能な旋光子アレイに通す工程と、前記第１の部分を回転し、第２の部分を通過させるように旋光子アレイを設定することによって２つの部分から第１の部分を選択する工程と、を含む方法。４．請求項３の方法において、前記旋光子アレイに設定信号を送って第１の部分を選択する工程を更に備える方法。５．請求項１の方法において、前記第２の部分を回転させて第１の部分と直交させる工程以前に第１及び第２の部分を反射する工程を備える方法。６．削除７．（訂正）請求項１に記載の方法において、前記第１、第２、第３及び第４の部分の進行ルートを空間的に切換える工程が、これらの第１、第２、第３及び第４の部分をそれらの偏光に基づいて変移させる工程と、この変移工程の後に、前記第３及び第４の部分をそれらの状態に基づいて反射する工程とを備える方法。８．（補正）第１の入力/出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、一方の側面が前記第１のＩ／Ｏポートに結合され、他方の側面が第１及び第２の光路を規定する第１の複屈折素子と、この第１の複屈折素子の他方の側面に結合され、２つの制御可能な状態の内の第１の状態を有し、前記第１の光路と整列された第１の偏光旋光子と、前記第１の複屈折素子の他方の側面と結合され、２つの可能な状態の内の第２の状態を有し、前記第２の光路と整列された第２の偏光旋光子と、前記第１及び第２の偏光旋光子と結合された一方の側面を有する第２の複屈折素子と、この第２の複屈折素子の他方の側面と結合され、前記第２の状態を有し、前記第１の光路と整列された第３の偏光旋光子と、前記第２の複屈折素子の他方の側面と結合され、前記第１の状態を有し、前記第２の光路と整列された第３の偏光旋光子と、前記第２の複屈折素子の他方の側面と結合され、前記第１の状態を有し、前記第２の光路と整列された第４の偏光旋光子と、一方の側面が前記第３及び第４の偏光旋光子と結合され、他方の側面が前記第２のＩ／Ｏポートと結合された第３の複屈折素子と、を備える光スイッチ。９．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第１の偏光旋光子が前記第２の状態に設定され、第２の偏光旋光子が前記第１の状態に設定されるときに、前記第２の複屈折素子が前記第１及び第２の光路の変移に応じた偏光を与えて第３及び第４の光路を規定するように構成し、スイッチは更に、前記第３の複屈折素子に結合された第３のＩ／Ｏポートと、前記第２の複屈折素子と第３の複屈折素子との間に結合され、前記第１の状態を有し、前記第３の光路と整列された第５の偏光旋光子と、前記第２の複屈折素子と第３の複屈折素子との間に結合され、前記第２の状態を有し、前記第４の光路と整列された第６の偏光旋光子とを備えるもの。１０．請求項９に記載のスイッチにおいて、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６の旋光子を、第１及び第２の状態の何れかに設定できるように構成したもの。１１．請求項１０に記載のスイッチにおいて、前記第１のＩ／Ｏポートを、第１及び第２の光路を経て前記第２のＩ／Ｏポートへ結合する設定と、前記第１のＩ／Ｏポートを、第３及び第４の光路を経て前記第３のＩ／Ｏポートへ結合する設定とを有するもの。１２．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第２の複屈折素子を、前記第１及び第３の複屈折素子に対して９０度回転させてその偏光固有面が第１及び第２の複屈折素子の偏光固有面に対して垂直となるようにしたもの。１３．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第１、第２、第３及び第４の偏光旋光子が電磁界によって制御可能な液晶旋光子を備えるもの。１４．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第１及び第２の光路を反射して前記第３の複屈折素子へ戻す逆反射器を設け、前記第２及び第３の複屈折素子を一体的に形成し、前記第２の複屈折素子の他方の側面を反射された第１及び第２の光路によって規定したもの。１５．（補正）２つの制御可能な状態を有する双極双投（ＤＰＤＴ）スイッチにおいて、第１の入力と、第２の入力と、前記第１及び第２の入力と結合され、第１及び第２の入力のそれぞれに現れる光信号を空間的に分布された水平方向に偏光された成分と垂直方向に偏光された成分とに分割する第１の複屈折素子と、この第１の複屈折素子からの信号成分を制御状態によって決まる１つの選択された偏光に変換する第１の偏光旋光子と、前記光信号をぞれらの偏光に依存してルートの切換えを行う第２の偏光旋光子と、この第２の複屈折素予から射出される光信号の一部分だけを反射するように配置された反射面を有するビームスプリッタと、このビームスプリッタから反射される信号を受けて更に反射するように位置決めされたプリズムと、前記反射された信号と、前記プリズムからの信号と、前記ビームスプリッタからの反射されていない信号とを受け、それぞれ前記第１の偏光旋光子アレイに入射するときの偏光状態に対して直交する偏光状態となるように設定された第２の偏光旋光子アレイと、この第２の偏光旋光子アレイからの信号を受け、これらの信号を第１及び第２の出力信号に合成する第３の複屈折素子と、前記第１の出力信号を受ける第１の出力ポートと、前記第２の出力信号を受ける第２の出力ポートと、を備えるもの。１６．請求項１５に記載のスイッチにおいて、前記第２の複屈折素子を、前記第１及び第３の複屈折素子に対して９０度回転させ、その偏光固有面を前記第１及び第３の複屈折素子の偏光固有面に対して垂直としたもの。１７．請求項１５に記載のスイッチにおいて、前記第１及び第２の偏光アレイによって選択された偏光により、１）第１の入力ポートを第１の出力ポートに結合し、第２の入力ポートを第２の出力ポートへ結合するか、２）第１の入力ポートを第２の出力ポートに結合し、第２の入カポートを第１の出力ポートに結合するかを選択的に行うもの。１８．請求項１５に記載のスイッチにおいて、更に、前記第２の複屈折素子によってルートが切換えられた光信号を前記第３の複屈折素子へ向かうように反射して変移させるように整列された逆反射器を備え、前記第２及び第３の複屈折素子を一体的に形成したもの。１９．請求項１８に記載のスイッチにおいて、前記第１及び第２の旋光子アレイを一体的に形成したもの。２０．複数の光スイッチを備えるスイッチマトリックスにおいて、各スイッチが、複数のＩ／Ｏポートと、これら複数のＩ／Ｏポートのそれぞれに結合され、各Ｉ／Ｏポートに結合された複数の光路を規定する第１の複屈折素子と、これら複屈折素子によって規定される光路のそれぞれに結合され、一方の側面において各光路のそれぞれの信号をほぼ同一の偏光状態となるように設定された電磁界制御型の偏光旋光子と、これら電磁界制御型の複屈折素子を、或るＩ／Ｏポートから他のＩ／Ｏポートへ至る光路のそれぞれが２つの相補的に設定された偏光旋光子を含むように結合する第２の複屈折素子とを備えるもの。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．光信号を切換える方法であって、第１の入力/出力（Ｉ／Ｏ）ポートを設ける工程と、第２のＩ／Ｏポートを設ける工程と、第３のＩ／Ｏポートを設ける工程と、前記第１のＩ／Ｏポートから受けた光信号を互いに直交偏光を有する２つの部分に空間的に分割する工程と、これらの部分の第１の部分の偏光を回転させてこれらの部分の第２の部分の偏光と整合させる工程と、これらの第１及び第２の部分の進行ルートをそれらの偏光に基づいて空間的に切換える工程と、前記第２の部分を第１の部分に対して直交するように回転する工程と、前記第１及び第２の部分を複屈折素子に通して、これらの部分を前記第２及び第３のＩ／Ｏポートの１つと整列された単一の光信号に再合成する工程と、を備える方法。２．請求項１の方法において、前記空間的に分割する工程が光信号を複屈折素子に通す工程を含む方法。３．請求項１の方法において、前記第１の部分を回転させる工程が、更に前記２つの部分を設定可能な旋光子アレイに通す工程と、前記第１の部分を回転し、第２の部分を通過させるように旋光子アレイを設定することによって２つの部分から第１の部分を選択する工程と、を含む方法。４．請求項３の方法において、前記旋光子アレイに設定信号を送って第１の部分を選択する工程を更に備える方法。５．請求項１の方法において、前記第２の部分を回転させて第１の部分と直交させる工程以前に第１及び第２の部分を反射する工程を備える方法。６．請求項１の方法において、更に、第４のＩ／Ｏポートを設ける工程と、この第４のＩ／Ｏポートから受けた光信号を、互いに直交する偏光を有する第３及び第４の部分に空間的に分割する工程と、前記第３の部分の偏光を回転させて第４の部分の偏光と整合させる工程と、これらの第３及び第４の部分を、それらの偏光に応じて空間的にルートの切換えを行う工程であって、前記第１、第２、第３及び第４の部分の偏光状態がこの工程以前の状態と同じとする工程と、前記第４の部分を第３の部分に対して直交するように回転させる工程と、これらの第３及び第４の部分を複屈折素子に通して第３及び第４の部分を、前記第２及び第３のＩ／Ｏポートの１つと整列された単一の光信号に再合成する工程とを備える方法。７．請求項６に記載の方法において、前記第１、第２、第３及び第４の部分の進行ルートを空間的に切換える工程が、これらの第１、第２、第３及び第４の部分をそれらの偏光に基づいて変移させる工程と、この変移工程の後に、前記第３及び第４の部分をそれらの状態に基づいて反射する工程とを備える方法。８．第１の入力/出力（Ｉ／Ｏ）ポートと、一方の側面が前記第１のＩ／Ｏポートに結合され、他方の側面が第１及び第２の光路を規定する第１の複屈折素子と、この第１の複屈折索子の他方の側面に結合され、第１の状態を有し、第１の光路と整列された第１の偏光旋光子と、前記第１の複屈折素子の他方の側面と結合され、第２の状態を有し、第２の光路と整列された第２の偏光旋光子と、前記第１及び第２の偏光旋光子と結合された第１の側面を有する第２の複屈折素子と、この第２の複屈折素子の他方の側面と結合され、前記第２の状態を有し、前記第１の光路と整列された第３の偏光旋光子と、前記第２の複屈折素子の他方の側面と結合され、前記第１の状態を有し、前記第２の光路と整列された第３の偏光旋光子と、前記第２の複屈折素子の他方の側面と結合され、前記第１の状態を有し、前記第２の光路と整列された第４の偏光旋光子と、一方の側面が前記第３及び第４の偏光旋光子と結合され、他方の側面が前記第２のＩ／Ｏポートと結合された第３の複屈折素子と、を備える光スイッチ。９．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第１の偏光旋光子が前記第２の状態に設定され、第２の偏光旋光子が前記第１の状態に設定されるときに、前記第２の複屈折素子が前記第１及び第２の光路の変移に応じた偏光を与えて第３及び第４の光路を規定するように構成し、スイッチは更に、前記第３の複屈折素子に結合された第３のＩ／Ｏポートと、前記第２の複屈折素子と第３の複屈折素子との間に結合され、前記第１の状態を有し、第３の光路と整列された第５の偏光旋光子と、前記第２の複屈折素子と第３の複屈折素子との間に結合され、前記第２の状態を有し、前記第４の光路と整列された第６の偏光旋光子とを備えるもの。１０．請求項９に記載のスイッチにおいて、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第６の旋光子を、第１及び第２の状態の何れかに設定できるように構成したもの。１１．請求項１０に記載のスイッチにおいて、前記第１のＩ／Ｏポートを、第１及び第２の光路を経て前記第２のＩ／Ｏポートへ結合する設定と、前記第１のＩ／Ｏポートを、第３及び第４の光路を経て前記第３のＩ／Ｏポートへ結合する設定とを有するもの。１２．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第２の複屈折素子を、前記第１及び第３の複屈折素子に対して９０度回転させてその偏光固有面が第１及び第２の複屈折素子の偏光固有面に対して垂直となるようにしたもの。１３．請求頂８に記載のスイッチにおいて、前記第１、第２、第３及び第４の偏光旋光子が電磁界によって制御可能な液晶旋光子を備えるもの。１４．請求項８に記載のスイッチにおいて、前記第１及び第２の光路を反射して前記第３の複屈折素子へ戻す逆反射器を設け、前記第２及び第３の複屈折素子を一体的に形成し、前記第２の複屈折素子の他方の側面を反射された第１及び第２の光路によって規定したもの。１５．双極双投（DPDT）スイッチにおいて、第１の入力と、第２の入力と、前記第１及び第２の入力と結合され、第１及び第２の入力の各々に現れる光信号を空間的に分布された水平方向に偏光された成分と垂直方向に偏光された成分とに分割する第１の複屈折素子と、この第１の複屈折素子からの信号成分を１つの選択された偏光に変換する第１の偏光旋光子と、前記光信号をそれらの偏光に依存してルートの切換えを行う第２の偏光旋光子と、この第２の複屈折素子から射出される光信号の一部分だけを反射するように配置された反射面を有するビームスプリッタと、このビームスプリッタから反射される信号を受けて更に反射するように位置決めされたプリズムと、前記反射された信号と、前記プリズムからの信号と、前記ビームスプリッタからの反射されていない信号とを受け、それぞれ前記第１の偏光旋光子アレイに入射するときの偏光に対して直交するように偏光するように設定された第２の偏光旋光子アレイと、この第２の偏光旋光子アレイからの信号を受け、これらの信号を第１及び第２の出力信号に合成する第３の複屈折素子と、前記第１の出力信号を受ける第１の出力ポートと、前記第２の出力信号を受ける第２の出力ポートと、を備えるもの。１６．請求項１５に記載のスイッチにおいて、前記第２の複屈折素子を、前記第１及び第３の複屈折素子に対して９０度回転させ、その偏光固有面を前記第１及び第３の複屈折素子の偏光固有面に対して垂直としたもの。１７．請求項１５に記載のスイッチにおいて、前記第１及び第２の偏光アレイによって選択された偏光により、１）第１の入力ポートを第１の出力ポートへ結合し、第２の入力ポートを第２の出力ポートへ結合するか、２）第１の入力ポートを第２の出力ポートへ結合し、第２の入力ポートを第１の出力ポートへ結合するかを選択的に行うもの。１８．請求項１５に記載のスイッチにおいて、更に、前記第２の複屈折素子によってルートが切換えられた光信号を前記第３の複屈折素子へ向かうように反射して変移させるように整列された逆反射器を備え、前記第２及び第３の複屈折素子を一体的に形成したもの。１９．請求項１８に記載のスイッチにおいて、前記第１及び第２の旋光子アレイを一体的に形成したもの。２０．複数の光スイッチを備えるスイッチマトリックスにおいて、各スイッチが、複数のＩ／Ｏポートと、これらの複数のＩ／Ｏポートの各々に結合され、各Ｉ／Ｏポートに結合された複数の光路を規定する第１の複屈折素子と、これらの複屈折素子によって規定される光路の各々に結合され、一方の側面において各光路のそれぞれの信号をほぼ同一の偏光状態となるように設定された電磁界制御型の偏光旋光子と、これらの電磁界制御型の複屈折素子を、或るＩ／Ｏポートから他のＩ／Ｏポートへ至る光路のそれぞれが２つの相補的に設定された偏光旋光子を含むように結合する第２の複屈折素子とを備えるもの。