JP2002148435A - 偏光分離合成素子及びそれを用いる光デバイス - Google Patents

偏光分離合成素子及びそれを用いる光デバイス

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JP2002148435A JP2000344087A JP2000344087A JP2002148435A JP 2002148435 A JP2002148435 A JP 2002148435A JP 2000344087 A JP2000344087 A JP 2000344087A JP 2000344087 A JP2000344087 A JP 2000344087A JP 2002148435 A JP2002148435 A JP 2002148435A
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雅春 星川
Hiromitsu Umezawa
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光線方向のずれ（角度誤差）を抑え、ビーム
結合損失を低減でき、消光比を改善できる偏光分離合成
素子を得る。光デバイス（光サーキュレータや光スイッ
チ）の小型化、低損失化を図り、安価に容易に製造でき
るようにする。 【解決手段】 互いに平行な平面を有する透明体１２の
前記平行な両面に、それぞれ偏光分離合成膜１４が形成
され、それら両方の偏光分離合成膜がともに空気に面し
ている偏光分離合成素子１０である。この偏光分離合成
素子を用いることで、各種の光デバイス（光サーキュレ
ータや光スイッチ）を構成する。特に、マトリクス光ス
イッチの低クロストーク特性を実現するのに有効であ
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、透明体の平行平面
に形成した偏光分離合成膜を有し、該偏光分離合成膜が
空気に対する界面となっている偏光分離合成素子、及び
それを用いた光サーキュレータあるいは光スイッチなど
の光デバイスに関するものである。この技術は、特に光
通信システムで用いるマトリクス光スイッチに有用であ
る。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムなどでは、光路を制御す
る光デバイスとして光サーキュレータや光スイッチが用
いられている。光サーキュレータは、例えば第１ポート
Ｐ1 からの入力光を第２ポートＰ2 へ出力し、第２ポー
トＰ2 からの入力光を第３ポートＰ3 へ出力するという
ように、あるポートからの入力光を特定の他のポートの
みに出力する光分離機能を有し循環的な光路を形成する
する光デバイスである。また光スイッチは、第１ポート
Ｐ1 からの入力光を第３ポートＰ3 又は第４ポートＰ4
のいずれかに出力し、第２ポートＰ2 からの入力光を第
４ポートＰ4 又は第３ポートＰ3 のいずれかに出力する
というような光路切り替え機能を有する光デバイスであ
る。
【０００３】光サーキュレータには永久磁石により固定
磁界を印加する４５度ファラデー回転子を用い、偏波面
を予め決められている方向に４５度回転させることで光
線の非相反性を実現し、光スイッチは電磁石により印加
磁界方向を変化させる可変ファラデー回転子を用いるこ
とで光路の切り替えを実現しているが、基本的な部分は
ほぼ同様に構成できる。
【０００４】従来、様々な構成の光サーキュレータ、光
スイッチが開発されている。その一例として、偏光分離
合成膜を有する偏光分離合成素子を間隔をおいて配設
し、それらの間にファラデー回転子と１／２波長板から
なる旋光器を挿入する構成がある。従来の偏光分離合成
素子としては、２個のガラス製の三角プリズムを、間に
偏光分離合成膜（誘電体多層膜）を介して貼り合わせた
構造の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が一般的であ
る。その他、偏光分離合成膜を２面有する偏光分離合成
素子もあり、その場合には、平行四辺形断面をもつプリ
ズムの両側に、偏光分離合成膜（誘電体多層膜）を介し
て三角プリズムを貼り合わせて長方形状とした構造とな
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の偏光
分離合成素子では、理想的には光は入力光に対して平行
に出力することになっているが、実際には出力光は入力
光に対して僅かな角度を有する。この角度ずれは、各プ
リズムの寸法誤差及び角度誤差と、プリズムの貼り合わ
せ精度に起因するのであるが、そのためにビームの結合
損失が大きくなる欠点がある。
【０００６】また従来の偏光分離合成素子は、偏光の消
光比が低いため、光デバイスに組み込んだときにクロス
トーク特性が悪い問題もある。
【０００７】本発明の目的は、光線方向のずれ（角度誤
差）を極力抑えることができ、ビーム結合損失を低減で
きる偏光分離合成素子を提供することである。本発明の
他の目的は、消光比を改善できる偏光分離合成素子を提
供することである。本発明の更に他の目的は、このよう
な偏光分離合成素子を用いることにより、小型で、低損
失で、しかも安価な光デバイス（光サーキュレータや光
スイッチ）を提供することである。また本発明の他の目
的は、小型で、低損失で、しかも安価な磁気光学式マト
リクス光スイッチを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、互いに平行な
平面を有する透明体の前記平行な両面に、それぞれ偏光
分離合成膜が形成され、それら両方の偏光分離合成膜が
ともに空気に面している偏光分離合成素子である。つま
り、本発明の偏光分離合成素子では、偏光分離合成膜は
透明材料と空気との界面に位置している。
【０００９】入力光に対する出力光の角度ずれを抑える
ためには、部品点数を少なくし、貼り合わせ構造を無く
すことが非常に有効である。本発明の偏光分離合成膜を
２面有する偏光分離合成素子は、平行平面をもつ透明体
（典型的にはガラス）に偏光分離合成膜を成膜しただけ
の構成である。この偏光分離合成膜は、空気−ガラス界
面に適した設計とし、２面の偏光分離合成膜の偏光に関
する方位は一致している。
【００１０】この偏光分離合成素子は、両方の偏光分離
合成膜が光線方向に対して斜め向き（例えば４５度など
適当な角度）で光路中に設置する。偏光分離合成膜とし
ては、例えば誘電体多層膜が用いられる。
【００１１】また本発明は、２個の偏光分離合成素子の
間に、４５度ファラデー素子、該４５度ファラデー素子
に磁界を印加する永久磁石、１／２波長板よりなる旋光
器を配置した光サーキュレータにおいて、２個の偏光分
離合成素子の一方もしくは両方に上記の偏光分離合成素
子を用いる光サーキュレータである。
【００１２】更に本発明は、０度と９０度に旋光角度を
切り替えることが可能な可変旋光器の前後に偏光分離合
成素子を配置した光スイッチにおいて、偏光分離合成素
子の少なくとも一方に上記の偏光分離合成素子を用いる
２×２光スイッチである。ここで可変旋光器は、例え
ば、ファラデー素子、該ファラデー素子に可変磁界を印
加する電磁石、１／２波長板よりなる。
【００１３】マトリクス光スイッチの２×２光スイッチ
ユニットとしては、可変旋光器の前後の両方に上記の偏
光分離合成素子を用いる。このような２×２光スイッチ
ユニットを縦横に多段に配置することでマトリクス光ス
イッチを構成できる。ファラデー素子に可変磁界を印加
する電磁石には中空コイルを用い、その内部にファラデ
ー素子を収容するのが小型化の上でも有効である。
【００１４】特にマトリクス光スイッチの場合には、透
明部材に形成した複数の平行光ビームが入射可能な広面
積の偏光分離合成膜を有する一体化された偏光分離合成
素子を用い、隣り合う偏光分離合成素子の間のそれぞれ
の平行光ビームの光路に０度と９０度に旋光角度を切り
替え可能な可変旋光器を配置する構造が好ましい。
【００１５】
【実施例】図１は本発明に係る偏光分離合成素子の一実
施例を示す説明図である。図１のＡに示すように、偏光
分離合成素子１０は、断面が平行四辺形をなすガラス製
のプリズム（透明体）１２の互いに平行な両面（第１面
と第２面）に、それぞれ偏光分離合成膜１４を形成した
だけの構造である。つまり、偏光分離合成膜１４は空気
に面した状態になっている。ここでは、偏光分離合成膜
として、空気−ガラス界面に適した設計の誘電体多層膜
を用いている。また、平行四辺形プリズム１２の相対向
する２面に形成されている偏光分離合成膜１４の偏光に
関わる方位（両向き矢印で示す）は一致している（図１
のＢ参照）。
【００１６】図１のＣに示すように、偏光分離合成素子
１０は、両方の偏光分離合成膜１４が光線方向に対して
斜め４５度となる向きで光路中に設置される。入力光の
うちのＳ偏光は、第１の偏光分離合成膜１４ａで９０度
異なる向きに反射する。入力光のうちのＰ偏光は、第１
の偏光分離合成膜９０ａを透過しプリズム入射面で屈折
してプリズム内部を透過し、更にプリズム出射面で屈折
し第２の偏光分離合成膜１４ｂを透過して出力する。従
って、Ｐ偏光は第１及び第２の２段の偏光分離合成膜１
４ａ，１４ｂの両方を透過するため、消光比は非常に高
くなる。
【００１７】ガラス製の平行四辺形プリズム１２の対向
する２面に、片側が空気、片側がガラスで、且つ４５度
入射に対して最適設計した偏光分離合成膜１４を誘電体
多層膜で作製した。この誘電体多層膜は、片側が対空気
の膜であること以外は通常のＰＢＳ（偏光ビームスプリ
ッタ）と同様である。また偏光分離合成膜１２を作製し
た面以外の面には、プリズム内の迷光をできるだけプリ
ズム外に出すために反射率０．１％の反射防止膜を施し
た。得られた偏光分離合成膜は、透過成分に対しては−
６０ｄＢ以下、反射成分に対しては−２０ｄＢ以下の消
光比特性が得られた。透過光の主成分はＰ偏光で、反射
光の主成分はＳ偏光である。
【００１８】なお、図１のＣからも分かるように、本発
明では、空気とガラスとの間の屈折率差により光路が屈
折するために、入射位置と出射位置との間でビームシフ
トが生じる。因みに、従来構成においては、偏光分離合
成膜の両面は等屈折率のガラスが接し、入力光は一方の
三角プリズムの面に垂直に入射し、出力光は他方の三角
プリズムの面から垂直に出力するために、原理的には入
力光と出力光との間でビームシフトは無い。
【００１９】しかし、光デバイスにとって重要なこと
は、ビームシフトの有無よりも、むしろ入力光と出力光
との間の光線方向のずれ（角度誤差）の大小である。従
来構造では個々のプリズムの寸法誤差が積算されるため
に合計の光線角度ずれは大きくなってしまう。それに対
して本発明では、１個のプリズムあるいは１枚の平行平
板でよいために光線方向の角度ずれを小さく抑えること
ができる。
【００２０】このことは、特に、マトリクス光スイッチ
のように、偏光分離合成素子を多段に配置する場合に、
効果が大きい。マトリクス光スイッチは、コリメータ間
距離が大きいため、コリメート光のビーム径を大きくす
る必要がある。他方、コリメート光の特性として、ビー
ム径が大きくなるほどビームの角度ずれに対する結合損
失は大きくなる。また、マトリクス光スイッチは多入力
多出力であり、特定の入力ポートと特定の出力ポートの
組み合わせのみに結合状態が良好なだけでは不十分であ
り、ポートを切り替えても（全ての入力、全ての出力経
路の組み合わせに対して）挿入損失などの特性を劣化す
ることがあってはならない。従って、本発明の偏光分離
合成素子のように本質的にビームの角度ずれを小さく抑
えることができることは、結合損失を著しく低減でき、
しかも組立調整を容易化できる利点が生じることにな
る。
【００２１】図２は、本発明に係る４ポート光サーキュ
レータの一実施例を示す説明図である。図１に関連して
説明した構造の２個の偏光分離合成素子１０ａ，１０ｂ
の間に、４５度ファラデー素子２０、該４５度ファラデ
ー素子に磁界を印加する永久磁石（図示するのを省
略）、１／２波長板２２よりなる旋光器２４を配置した
構成である。永久磁石は、例えば円環状とし、その貫通
穴にファラデー素子を挿入した構造でよい。第１ポート
Ｐ1 〜Ｐ4 を図示のように規定したときに、第１ポート
Ｐ1 及び第３ポートＰ3 にそれぞれＰ偏光を遮断しＳ偏
光を透過する偏光子２６，２８を組み込む。
【００２２】第１ポートＰ1 からのＳ偏光は、偏光子２
６を通過して、第１の偏光分離合成素子１０ａの第２面
（偏光分離合成膜）で反射し、旋光器２４に向かう。旋
光器２４では４５度ファラデー素子２０で偏光面が４５
度回転し、１／２波長板２２で逆向きに４５度回転する
ように組み合わされているため、旋光器２４での合計の
偏光面の回転角度は０度でＳ偏光のままであり、第２の
偏光分離合成素子１０ｂの第１面（偏光分離合成膜）で
反射して偏光子２８を通過し、第３ポートＰ3に達す
る。第３ポートＰ3 からのＳ偏光は、偏光子２８を通過
して、第２の偏光分離合成素子１０ｂの第１面（偏光分
離合成膜）で反射し旋光器２４に向かう。旋光器２４で
の合計の偏光面の回転角度は９０度でＰ偏光に切り替わ
り、第１の偏光分離合成素子１０ａの第２面及び第１面
（偏光分離合成膜）を透過して第２ポートＰ2 に達す
る。以下同様にして、第２ポートＰ2 からのＰ偏光は第
４ポートＰ4 に、第４ポートＰ4 からのＰ偏光は第１ポ
ートＰ1 にそれぞれ結合する。これによって、第１ポー
トＰ1 →第３ポートＰ3 →第２ポートＰ2 →第４ポート
Ｐ4 →第１ポートＰ1 という４ポート光サーキュレータ
が実現できる。
【００２３】ここで、第２ポートＰ2 への出力光（Ｐ偏
光）は第１の偏光分離合成素子１０ａの第２面と第１面
の両方を通過し、また第４ポートＰ4 への出力光（Ｐ偏
光）も第２の偏光分離合成素子１０ｂの第２面と第１面
の両方を通過するため、偏光分離合成膜を２段で通過す
ることになり、消光比は高い。それに対して、第１ポー
トＰ1 への出力光（Ｓ偏光）は第１の偏光分離合成素子
１０ａの第２面で反射され、また第３ポートＰ3 への出
力光（Ｓ偏光）も第２の偏光分離合成素子１０ｂの第１
面で反射されるため、偏光分離合成膜を１段で反射する
だけのため、消光比は低い。そこでＳ偏光については、
偏光子２６，２８を設けてＰ偏光を遮断することで消光
比を高くしている。
【００２４】図３は、本発明に係る２×２光スイッチの
一実施例を示す説明図である。０度と９０度に旋光角度
を切り替えることが可能な可変旋光器３４の前後に、図
１に関連して説明した構造の偏光分離合成素子１０ａ，
１０ｂを配置する。ここで可変旋光器３４は、ファラデ
ー素子３０、該ファラデー素子３０に可変磁界を印加す
る電磁石（図示するのを省略）、１／２波長板３２より
なる。電磁石は、例えば円環状にコイルを巻線したもの
でよく、その中にファラデー素子３０を収容する。電磁
石による可変磁界によってファラデー素子３０による偏
光面の回転角度を±４５度に切り替えるものとし、１／
２波長板３２による偏光面の回転角度が＋４５度とする
と、可変旋光器３４の偏光面の回転角は０度と９０度に
切り替わる。第１ポートＰ1 〜第４ポートＰ4 を図示の
ように規定したときには、第３ポートＰ3 側にＰ偏光を
遮断しＳ偏光を透過する偏光子３８を組み込む。前述し
た光サーキュレータの場合と異なり、第１ポートＰ1 へ
戻る光は無いために、第１ポートＰ1 側には偏光子を設
ける必要はない。
【００２５】この光スイッチの動作は次の通りである。
まず、電磁石による可変磁界によって可変旋光器３４の
偏光面の回転角を０度とする。第１ポートＰ1 からのＳ
偏光は、第１の偏光分離合成素子１０ａの第２面（偏光
分離合成膜）で反射し、可変旋光器３４に向かう。可変
旋光器３４では偏光面の回転角度は０度でＳ偏光のまま
であるので、第２の偏光分離合成素子１０ｂの第１面
（偏光分離合成膜）で反射して偏光子３８を通過し、第
３ポートＰ3 に達する。第２ポートＰ2 からのＰ偏光
は、第１の偏光分離合成素子１０ａの第１面及び第２面
（偏光分離合成膜）を透過し、可変旋光器３４に向か
う。可変旋光器３４では偏光面の回転角度は０度でＰ偏
光のままであるので、第２の偏光分離合成素子１０ｂの
第１面及び第２面（偏光分離合成膜）を透過して第４ポ
ートＰ4 に達する。
【００２６】次に、電磁石による可変磁界によって可変
旋光器３４の偏光面の回転角を９０度に切り替えるとす
る。第１ポートＰ1 からのＳ偏光は、第１の偏光分離合
成素子１０ａの第２面（偏光分離合成膜）で反射し、可
変旋光器３４に向かう。可変旋光器３４は偏光面を９０
度回転するためＰ偏光に変わり、第２の偏光分離合成素
子１０ｂの第１面及び第２面（偏光分離合成膜）を通過
し、第４ポートＰ4 に達する。第２ポートＰ2 からのＰ
偏光は、第１の偏光分離合成素子１０ａの第１面及び第
２面（偏光分離合成膜）を透過し、可変旋光器３４に向
かう。可変旋光器３４では偏光面の回転角度は９０度で
あるのでＳ偏光に変換され、第２の偏光分離合成素子１
０ｂの第１面（偏光分離合成膜）で反射し、偏光子３８
を透過して第３ポートＰ3 に達する。
【００２７】このようにして、可変旋光器３４による合
計回転角が０度の時には、第１ポートＰ1 →第３ポート
Ｐ3 且つ第２ポートＰ2 →第４ポートＰ4 という状態が
えられ、可変旋光器３４による合計回転角が９０度の時
には、第１ポートＰ1 →第４ポートＰ4 且つ第２ポート
Ｐ2 →第３ポートＰ3 という状態が得られることにな
る。従って、電磁石により磁界を切り替えることによっ
て、クロス・バー型の２×２光スイッチとして動作する
ことになる。光路の詳細を図４に示す。
【００２８】このような構成の２×２光スイッチを縦横
に多段に配置することでマトリクス光スイッチが実現で
きる。基本ユニットは、２入力２出力のクロス・バー型
スイッチであり、前段の出力が後段の入力位置となるよ
うな位置関係に合わせる。従って、第３ポートＰ3 は後
段のスイッチユニットの第１ポートＰ1 となり、第４ポ
ートＰ4 は別の後段スイッチユニットの第２ポートＰ2
となるように多段化を行う。Ｍ×Ｎ個（Ｍ、Ｎは２以上
の整数）のスイッチユニットにより、Ｍ入力Ｎ出力のＭ
×Ｎマトリクス光スイッチが構成できる。
【００２９】８入力８出力マトリクス光スイッチの実施
例を図５に示す。このマトリクス光スイッチは、偏光分
離合成素子４０と、可変旋光器４２と、消光比補償用の
偏光子４４と、偏波制御部４６，４８とにより構成す
る。偏光分離合成素子４０は、細長い角棒状（但し、少
なくとも１組の対向する面は平行平板の関係にある）の
ガラス部材の対向する２面に、偏光分離合成膜（ここで
は誘電体多層膜）を形成した構造である。光スイッチ本
体部は、偏光分離合成素子４０を、２行９列配置し、隣
接する列間にそれぞれ４個の可変旋光器４２を配置し、
隣り合う可変旋光器４２の間に偏光子４４を配置した構
成である。その光スイッチ本体部の一辺側（ここでは図
面の下方）を入力側として入力ポートＰ11〜Ｐ18を設
け、それと直角方向の一辺側（ここでは図面の右側）を
出力側として出力ポートＰ21〜Ｐ28を設ける。光スイッ
チ本体部（偏光分離合成素子４０と、可変旋光器４２
と、偏光子４４から構成される部分）の入力側にはＳ偏
光が入射し、光スイッチ本体部の出力側からはＰ偏光が
出射する。
【００３０】この実施例では、偏光分離合成素子４０
は、図６に示すように、細長い断面四角形の棒状のガラ
ス部材５０の相対向する２面に、片側空気、片側ガラ
ス、且つ４５度入射に対して最適設計した誘電体多層膜
を偏光分離合成膜５２として作製したものである。この
誘電体多層膜は、片側が対空気の膜であること以外は通
常のＰＢＳと同様であり、対向する両面で偏光分離合成
に関わる方位は一致している。また偏光分離合成膜を作
製した面以外の面には、ガラス部材内の迷光をできるだ
けガラス部材外に出すために反射率０．１％の反射防止
膜を施した。このようにして偏光分離合成膜５２を２面
持つ細長い偏光分離合成素子４０を得た。また、多重反
射光の光線角度が信号光の進行方向と一致しないよう
に、ガラス部材５０の両端のカット角度を誘電体多層膜
面に対して７０度に選択した。図５の実施例では、各偏
光分離合成素子は、スイッチユニット４個分の個別偏光
分離合成素子を一体化した構造になっている。誘電体多
層膜からなる偏光分離合成膜５２の消光比特性は、透過
成分に対しては−６０ｄＢ以下、反射成分に対しては−
２０ｄＢ以下であった。透過光の主成分はＰ偏光で、反
射光の主成分はＳ偏光である。
【００３１】可変旋光器４２は、ここではファラデー素
子と、該ファラデー素子に可変磁界を印加するための電
磁石となる積層コイルと、水晶製の１／２波長板により
構成する。積層コイルは、例えば環状（円環状でもよい
し、多角形の環状でもよい）をなし、その貫通穴にファ
ラデー素子を収容した構造とする。積層コイルを用いる
ことで小型化を図っている。積層コイルの通電電流を切
り替えることで、ファラデー素子への印加磁界を可変
し、偏光面を±４５度に切り替える。これによって、可
変旋光器４２における合計偏光角度を０度と９０度に切
り替え可能としている。
【００３２】前記のように、光スイッチ本体部の入力側
にはＳ偏光が入射し、光スイッチ本体部の出力側からは
Ｐ偏光が出射する。偏波制御部４６，４８は、偏波無依
存とするためのもので、入力側の偏波制御部４６は入力
光をＳ偏光にし、出力側の偏波制御部４８は平行なＰ偏
光を合成して出力する。それらの例を図７に示す。この
図７は、図５における偏波制御部４６，４８を横方向か
ら（紙面に平行な向きに）見た図であり、Ａは入力側の
偏波制御部４６を、Ｂは出力側の偏波制御部４８を示し
ている。この例では、いずれもＰＢＳ５４と１／２波長
板５６と１／２波長板５７の組み合わせからなる。偏波
モード分散を生じさせないために、偏光分離と偏光合成
の際のＰ偏光Ｓ偏光の関係を逆転させ、更に通過する波
長板数を揃え、２つのビームの経る光路長を等しくして
いる。例えば、１／２波長板５６の光学軸は水平方向に
対して４５度、１／２波長板５７の光学軸は水平方向に
対して０度又は９０度にすればよい。１／２波長板５７
はダミー（通過しても偏光方向を変えない）で光路長を
揃える機能を果たしている。このような偏波制御部を付
設することで、偏波無依存のマトリクス光スイッチを構
成することが可能となる。
【００３３】マトリクス光スイッチでは、多段化による
光信号の漏れが問題となる。意図しないポートへの光信
号漏れはクロストークと呼ばれ、これを信号光強度に対
して−４５ｄＢ程度に抑えることが理想である。一般に
ＰＢＳを用いた光スイッチではクロストークが十分では
ないが、本構成では多段化していることと偏光子を用い
ることによりこの問題を解決している。本発明におい
て、クロストーク成分には４種類あり、それらについて
は以下に説明する。大まかに言って、誘電体多層膜（偏
光分離合成膜）により反射してしまうＰ偏光は−２０ｄ
Ｂ、誘電体多層膜を透過してしまうＳ偏光は−３０ｄＢ
程度である。
【００３４】（１）第３ポートＰ3 方向へ反射してしま
うＰ偏光（図８参照） 第３ポートＰ3 へはＳ偏光が正規信号であるが、誘電体
多層膜により第４ポートＰ4 へ行くべき信号であるＰ偏
光の一部が反射して第３ポートＰ3 方向へと進む。この
強度比は、−２０ｄＢ程度であるので、反射後の位置に
Ｐ偏光を吸収する方位に配置した吸収型偏光子４４によ
りこのＰ偏光成分をカットする。また、この偏光子４４
の消光比が−４０ｄＢ程度のものであっても（言い替え
れば、−４０ｄＢ程度のＰ偏光を生じてしまったとして
も）、続くユニットの始めの誘電体多層膜に当たる偏光
分離合成素子においてＰ偏光の大部分は透過し、反射す
るＰ偏光成分はさらに−２０ｄＢの減衰を受けるために
問題とならない。なお、透過したＰ偏光成分は偏光分離
合成素子の次の面も透過するが、これは後の項で述べる
ビームの位置ずれにより問題とはならない。
【００３５】（２）第４ポートＰ4 へ透過してしまうＳ
偏光（図９参照） 第４ポートＰ4 へはＰ偏光が正規信号であるが、第３ポ
ートＰ3 へ行くべきＳ偏光のうち−３０ｄＢのＳ偏光が
誘電体多層膜を透過してしまう。このＳ偏光は続くユニ
ットの始めの誘電体多層膜上の点Ｘ0 によりさらに−３
０ｄＢの減衰を受けて透過するため、続くユニットの第
１ポートＰ1 へ漏れる成分は２つの誘電体多層膜により
−６０ｄＢとなり殆ど問題とならない。しかしＳ偏光は
反射偏光なので殆ど反射し、偏光分離合成素子中を約−
３０ｄＢの強度比で多重反射することになる。しかし、
Ｓ偏光が再び偏光分離合成素子の外に出てくるときに
は、さらに−３０ｄＢの減衰を受けるために、この成分
は殆ど問題とならない。
【００３６】（３）第２ポートＰ2 へ出力するＰ偏光の
漏れ（図１０参照） 第２ポートＰ2 へ入射するＰ偏光は、点Ｘ0 でその一部
が反射するが、その強度比は−２０ｄＢである。これは
偏光分離合成素子中を多重反射する。その反射点を
Ｘ1 ，Ｘ2 ，・・・とすると、反射する毎に−２０ｄＢ
の減衰を受けて反射し、ほぼその強度でＸn から透過す
る。つまり、Ｘ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 ではそれぞれ−２０ｄ
Ｂ、−４０ｄＢ、−６０ｄＢの強度比のＰ偏光が透過す
ることになる。従って、Ｘ3 以降の多重反射光はほぼ問
題にならない。Ｘ1 ，Ｘ2 からの透過光は強度比が大き
く、この光が正規の信号ルートに入る問題になるが、そ
の透過位置が正規のルートから大きくずれれば問題とな
ならない。Ｘ1 ，Ｘ2 の位置は偏光分離合成素子の板
厚、材料の屈折率、信号光入射角度により決まり、正規
の信号ルートは偏光分離合成素子同士の間の距離、信号
入射角度により決まり、この２つは独立して決定でき
る。この幾何学的な相対位置を考え、漏れ光が正規の信
号ルートに結合しないような設計をすれば、この漏れ光
は問題とならない。
【００３７】本実施例において、例えば厚さ２mm、屈折
率１．４６のガラスを選択し、偏光分離合成素子間の距
離を５mmとし、信号光入射角度を誘電体多層膜に対して
４５度とすると、上記の問題を解決できる。例えばＸ1
からの透過Ｐ偏光ビームは、正規信号に対して約１．５
mmシフトした位置に出力し、正規信号光に影響を与えな
い十分な漏れ光遮断特性（低クロストーク特性）が得ら
れる。
【００３８】（４）第１ポートＰ1 へ入力するＳ偏光の
漏れ（図１１参照） これは、上記（２）と殆ど同じであり、問題とはならな
い。
【００３９】本実施例では偏光分離合成素子は偏光分離
合成膜として誘電体多層膜を用いている。しかし偏光分
離合成膜としてフォトニック結晶製の偏光分離合成膜を
用いてもよい。フォトニック結晶の場合には消光比（偏
光分離能力）が高いため、前述の光の漏れが少なく、上
記（１）で述べた吸収型偏光子４４が無くても十分な低
クロストークが期待できる。即ち、図５の実施例中で、
偏光分離合成素子として２面フォトニック結晶を用いれ
ば、第３ポートＰ3 側にある偏光子を省略可能である。
また、図２の光サーキュレータと図３の光スイッチで
は、２つの２面ＰＢＳの代わりに２つの１面フォトニッ
ク結晶を用いれば偏光子は省略できる。
【００４０】スイッチユニットの位置を調整すること
で、予め複数光路で一体化した偏光分離合成素子を用い
ることができる。前記のように本実施例では４ユニット
分に相当する偏光分離合成素子を予め作製しておき、こ
れを用いることによって位置合わせ（アライメント）の
手間を省くことができる。挿入損失８ｄＢ、クロストー
ク−４５ｄＢ以下の、ノンブロッキングな８×８型マト
リクス光スイッチが得られた。 勿論、図１２に示すよ
うな８ユニット分に相当する一体化した偏光分離合成素
子を用いることもできるし、図１３に示すような２ユニ
ット分に相当する一体化した偏光分離合成素子を用いる
こともできる。
【００４１】
【発明の効果】本発明は上記のように、互いに平行な平
面を有する透明体の両面に、それぞれ偏光分離合成膜を
形成し、それら両方の偏光分離合成膜がともに空気に面
している偏光分離合成素子であるから、貼り合わせ構造
がないため、光線方向のずれ（角度誤差）を極力抑える
ことができ、ビーム結合損失を低減できるし、また消光
比を改善できる。
【００４２】本発明は、このような偏光分離合成素子を
用いることにより、小型で、低損失の光デバイス（光サ
ーキュレータや光スイッチ）を安価に且つ容易に組み立
てることができる。更に、小型で、低クロストーク特性
を呈する磁気光学式マトリクス光スイッチを安価に、容
易に組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏波分離合成素子の説明図。
【図２】本発明に係る光サーキュレータの一実施例を示
す説明図。
【図３】本発明に係る光スイッチの一実施例を示す説明
図。
【図４】その光路説明図。
【図５】本発明に係るマトリクス光スイッチの一実施例
を示す説明図。
【図６】それに用いる偏波分離合成素子の一例を示す説
明図。
【図７】偏波制御部の例を示す説明図。
【図８】第３ポートＰ3 へ反射してしまうＰ偏光の説明
図。
【図９】第４ポートＰ4 へ透過してしまうＳ偏光の説明
図。
【図１０】第２ポートＰ2 へ入射するＰ偏光の漏れ説明
図。
【図１１】第１ポートＰ1 へ入射するＳ偏光の漏れ説明
図。
【図１２】本発明に係るマトリクス光スイッチの他の実
施例を示す説明図。
【図１３】本発明に係るマトリクス光スイッチの更に他
の実施例を示す説明図。
【符号の説明】
１０ 偏光分離合成素子 １２ プリズム（透明体） １４ 偏光分離合成膜

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに平行な平面を有する透明体の前記
    平行な両面に、それぞれ偏光分離合成膜が形成され、そ
    れら両方の偏光分離合成膜がともに空気に面しているこ
    とを特徴とする偏光分離合成素子。
  2. 【請求項２】 両方の偏光分離合成膜が光線方向に対し
    て斜め向きで光路中に設置されている請求項１記載の偏
    光分離合成素子。
  3. 【請求項３】 偏光分離合成膜として誘電体多層膜が用
    いられている請求項１又は２記載の偏光分離合成素子。
  4. 【請求項４】 ２個の偏光分離合成素子の間に、４５度
    ファラデー素子、該４５度ファラデー素子に磁界を印加
    する永久磁石、１／２波長板よりなる旋光器を配置した
    光サーキュレータにおいて、 前記２個の偏光分離合成素子の一方もしくは両方に請求
    項１乃至３のいずれかに記載の偏光分離合成素子を用い
    ることを特徴とする光サーキュレータ。
  5. 【請求項５】 ０度と９０度に旋光角度を切り替えるこ
    とが可能な可変旋光器の前後に偏光分離合成素子を配置
    した光スイッチにおいて、 前記偏光分離合成素子の少なくとも一方に請求項１乃至
    ３のいずれかに記載の偏光分離合成素子を用いることを
    特徴とする２×２光スイッチ。
  6. 【請求項６】 ０度と９０度に旋光角度を切り替えるこ
    とが可能な可変旋光器の前後に偏光分離合成素子を配置
    した光スイッチにおいて、 前記偏光分離合成素子の両方に請求項１乃至３のいずれ
    かに記載の偏光分離合成素子を用いることを特徴とする
    ２×２光スイッチ。
  7. 【請求項７】 可変旋光器が、ファラデー素子、該ファ
    ラデー素子に可変磁界を印加する電磁石、１／２波長板
    よりなる請求項５又は６記載の２×２光スイッチ。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の２×２光スイッチを縦横
    に多段に配置したマトリクス光スイッチ。
  9. 【請求項９】 電磁石に中空コイルを用いた請求項８記
    載のマトリクス光スイッチ。
  10. 【請求項１０】 偏光分離合成素子は、透明部材に形成
    した複数の平行光ビームが入射可能な広面積の偏光分離
    合成膜を有し、隣り合う偏光分離合成素子の間のそれぞ
    れの平行光ビームの光路に０度と９０度に旋光角度を切
    り替え可能な可変旋光器を配置した請求項８又は９記載
    のマトリクス光スイッチ。
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