JP2003511717A - 光スイッチ - Google Patents

光スイッチ

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JP2003511717A
JP2003511717A JP2001528743A JP2001528743A JP2003511717A JP 2003511717 A JP2003511717 A JP 2003511717A JP 2001528743 A JP2001528743 A JP 2001528743A JP 2001528743 A JP2001528743 A JP 2001528743A JP 2003511717 A JP2003511717 A JP 2003511717A
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JP
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liquid crystal
spatial light
switch
light
optical
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Application number
JP2001528743A
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English (en)
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ウィリアム、クロスランド
メラニー、ホームズ
イリアス、マノリス
ティモシー、ウィルキンソン
マウラ、レッドモンド
ブライアン、ロバートソン
Original Assignee
トーマス・スワン・アンド・カンパニー・リミテツド
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 光スイッチは液晶セルを介して二重通路により作動する偏光に感応しない空間光変調器を使用する。本スイッチはクロスバー配置構成された２つのこの種変調器を含む。混線減少する技法を用いる種々異なる実施形態について記述される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の属する技術分野 本発明は光スイッチングの一般分野に関し、更に詳細には多相または連続相ホ
ログラムデバイスを使用する光スイッチに関する。
【０００２】 発明の背景 光ファイバスイッチング構成要素（コンポーネント）は現代大域情報システム
に不可欠である。光ビットレート及び変調フォーマットに無関係に作動し、かつ
Ｎ個の光入力をＭ個の光出力に再構成可能に相互接続することが可能な（ここに
Ｎ及びＭは一般的に、ただし必ずしも必要条件としてではなく同じ数値である）
単段マトリックススイッチは特に魅力的である。必要とされるスイッチング（切
換え）を達成する多くのスイッチは機能的サイズにおいて６４ｘ６４未満に限定
され、かつ／または、比較的ノイズ性能が低いことが問題である。ノイズ性能が
良好であり、かつ潜在的に他の光スイッチ技術よりも基準化可能性が更に大きい
方法は光入力と光出力の配列体（アレイ）の間で光ビームを屈折させるエレメン
トとして再構成可能なホログラムを使用する方法である。
【０００３】 光シャッフルとしても知られている周知のホログラフィ光スイッチを図１に示
す。
【０００４】 図１においては、光源１の配列体および光レシーバ（受け取り体）７の配列体
がホログラフィ入力および出力として配列されている。多くの用途において、光
源およびレシーバには裂かれた又は端部研磨されたファイバが含まれることもあ
る。別の用途においては、入力は例えばレーザ又はＬＥＤのような発光光源であ
り、出力は光電検出器であっても差し支えない。各入力１は異なる１つのデジタ
ル又はアナログ光信号をスイッチを介して１つの（又は、おそらく幾つかの）出
力７へ伝達する。従って、任意の瞬間に、最大Ｎ個までの異なる入力がスイッチ
を介して同時に通過可能である。各入力はデータによって変調された単一波長、
又は、異なる波長において作動する（例えば、波長多重化システム）種々異なる
幾つかのデータ源、又は、連続した波長によって構成される。図１にはスイッチ
の断面図を示すが、入力および出力配列体１、７は一般に２次元配列体であり、
ホログラフィスイッチは３次元容積を占有する。
【０００５】 スイッチング（切換え）を達成するには、入力配列体１は第１レンズ配列体２
の背後に配置される。入力配列体によって放出された各光信号は自由空間に入る
。この場合、信号は第１レンズ配列体２におけるレンズの１つによって視準（平
行化）される。次に、視準済み光ビームは第１ホログラムディスプレイデバイス
３を通過する。第１ホログラムディスプレイデバイス３は位相、及び／又は、強
度、及び／又は、当該デバイスに入射する光ビームの光伝播方向が特定屈折する
ように設計された複屈折のホログラフィパターンをディスプレイする。また、各
光ビームが異なる屈折角度を作るようにホログラムパターンを設計しても差し支
えない。また、第１ホログラムディスプレイデバイス３は１つの個別光ビームを
幾つかの異なる角度または回折次数（オーダ）に分割する機能を有する。このパ
ワー分割効果の一利用方法は１つの入力ポートを複数の出力ポートへ経路指定す
ることである。
【０００６】 屈折された光信号は自由空間内を相互接続領域４を横断して第２ホログラムデ
バイス５に到達するまで伝播する。第２ホログラムデバイス５におけるホログラ
ムパターンは出て来る信号光ビームがシステム光軸と再び平行であるように第１
ホログラムディスプレイデバイス３において導入された屈折を逆にたどるように
設計されている。
【０００７】 次に、光信号は第２レンズ配列体６を通過し、ここで、各レンズはその関連す
る光信号をレシーバ配列体７の出力ポート内に焦点合わせする。従って、第１ホ
ログラムディスプレイデバイス３上にディスプレイされるホログラムパターン及
び第２ホログラムディスプレイデバイス５上にディスプレイされる関連「逆」ホ
ログラムパターンは、どの入力ファイバ１から出た光データをどの出力ファイバ
７が受け取るかを決定する。相互接続領域４は、第１および第２ホログラムディ
スプレイデバイス（３、５）上にディスプレイされる特定のホログラムパターン
によって決定される仕方において信号光ビームが空間的に順序付けし直されるこ
とを可能にする。また、スイッチは出力７が光信号を入力１へ送り返すように逆
作動する。
【０００８】 図１に示すシステム（および、光ファイバ内の対称平面を利用する機能的に等
価な構成）は、第１（３）および第２（５）ホログラムディスプレイデバイスと
して固定ホログラム記録体を使用し、それによって、入力信号が特定の出力に「
結線（ハードワイヤード）」される静的光シャッフルとしてよく知られている。
【０００９】 空間光モジュレータ（ＳＬＭ）にホログラムパターンをディスプレイすること
によって再構成可能スイッチを提供するために図１に示す光シャッフルを拡張す
ることが提案された。ただし、静的な光シャッフルから再構成可能スイッチへの
移行に関連する多数の実際的な設計上の問題がある。これらの問題の幾つかを次
に示す。
【００１０】 １）鉄電気的液晶を用いる既知のＳＬＭは２進位相変調を提供し、この種位相
変調は偏光に感応しない。 ２）ただし、２進位相デバイスに関する理論的最大回折効率は僅かに４０．５
％である。例えば、図１に示すアーキテクチャは２つのＳＬＭデバイスを使用す
る。従って、このシステムの最大正味回折効率は１６．４％である。ホログラフ
ィシステムの回折効率は多位相変調を用いることによって大幅に改良されるはず
である。多くの用途において、本多位相変調は偏光に無感応でなければならない
。位相は０と少なくとも２πの間で連続的に変化可能であることが望ましい。
【００１１】 ３）２つのＳＬＭを用いてホログラフィスイッチを実現するためには、ホログ
ラムパターンの適切な集合が選択されなければならない。このホログラム集合は
、クロストークを規定値内に保持した状態で、あらゆる入力チャネルを任意の入
力チャネルに経路指定可能でなければならない。詳細には、このホログラム集合
は不必要な回折次数と関連する光ビームが誤ったチャネルを下方に通過すること
を防止するように最適化されなければならない。位相レベルの個数を増大すると
不必要な回折次数の強度を低下させる傾向がある。
【００１２】 ４）ＮｘＮスイッチ内で使用するために再構成可能なホログラムを作成する便
利な方法はシリコン回路上に液晶材料層を集積実装することである。このタイプ
のＳＬＭスイッチは一般に伝達機能的よりも屈折機能的に作動するので、図１に
示すスイッチレイアウトは適切でない。
【００１３】 従って、本発明はこれらの問題の少なくとも幾つかを取り扱うことを目的とす
る。
【００１４】 発明の概要 本発明の第１態様によれば、所定の波長の光を受け取るために集積実装された
空間光変調器（モジュレータ）を有するスイッチが提供される。本変調器は波長
の４分の１波の奇整数光リターダンスを有する層によって第２層から間隔を保た
れている液晶層を有し、ここに、第２層は波長の前記光を反射する。
【００１５】 一実施形態において液晶層はネマチック水晶層である。 別の液晶層はπセルである。 第２層は金属層であることが好ましい。 金属層はアルミニウムであることが有利である。 この波長は１．５７μｍであることが好都合である。
【００１６】 本発明の第２の態様によれば、所定の波長の光を受け取る集積空間光変調器を
有するスイッチが装備されている。本変調器は対向しかつ相互に実質的に平行で
あって、軸平面に実質的に平行に配置され、軸平面に実質的に直交する傾斜平面
内に導波器傾斜角度を提供する液晶層によって間隔が保たれる１対のエンドプレ
ートを備える液晶セルを有する。液晶は波長の４分の１波の奇整数光リターダン
スを有する光層によって第２層から間隔が保たれ、この場合、第２層は波長の光
を反射し、光層は、傾斜平面内で偏光された光が実質的に直交するように偏光さ
れた液晶層を介して傾斜平面に戻るように傾斜平面に対して配置される。
【００１７】 液晶層はネマチック水晶層であることが好ましい。 その代りに、液晶層はπセルである。 第２層は金属層であることが好ましい。 金属層はアルミニウムであることが好都合である。
【００１８】 変調器は液晶層上に配置されたガラスカバーを有し、金属層は変調器をスイッ
チングするための駆動回路に接続されていることが有利である。
【００１９】 本発明の他の態様に従って、第１方向に偏光された第１成分と、第１方向に直
交する第２方向に偏光された第２成分とを有する光ビームをスイッチングする方
法が提供され、この方法は液晶層および光リターダンスを有するデバイスを提供
するステップを含み、本液晶は導波器角度の傾斜の変動に対応する変化を提供す
るように可変駆動電圧に応答し、更に、本方法は液晶デバイスに可変駆動電圧を
供給するステップと、第１成分に供給される可変位相遅延および第２成分へ供給
される少なくとも実質的に固定した位相遅延を有する中間光ビームを提供するた
めに液晶デバイスへ光ビームを供給するステップと、中間光ビームの偏光をリタ
ーダンスだけ回転させるステップと、合成光を液晶デバイスへ供給するステップ
とを含み、これによって、第１方向に偏光された合成光の成分が可変位相遅延を
受け、第２方向に偏光された合成光の成分が少なくとも実質的に固定された可変
位相遅延を受ける。
【００２０】 回転させるステップは偏光を９０度回転させるステップを含み、それによって
可変位相遅延と少なくとも実質的に等量の遅延が第１および第２成分の各々に供
給されることが好ましい。
【００２１】 回転させるステップが中間光ビームをその入力経路に沿って反射して戻すステ
ップを含むことが好ましい。
【００２２】 本発明の更に他の態様によれば、複数の入力光ビームを供給するための複数の
入力光ファイバ、出力光ビームを受け取る複数の光レシーバ、第１および第２反
射空間光変調器、及び、各空間光変調器において複数のスイッチングホログラム
を形成する駆動回路を有する光スイッチが装備されている。ホログラムは各光レ
シーバを結合するように選択される。ここに、各空間光変調器は液晶デバイスを
介して移動する光の位相を変調するための液晶デバイス、液晶デバイスを介して
光を戻すための反射デバイス、及び、偏光を９０度回転させるために液晶デバイ
スと反射デバイスとの間に配置されたデバイスを内蔵する。ここに、光スイッチ
は対称軸を持ち、空間光変調器は軸の反対側に配置され、第１空間光変調器上の
ホログラムのスイッチングは入力光ビームを第２空間光変調器上のスイッチング
ホログラムへ偏向させるように作動し、第２空間光変調器上の各スイッチングホ
ログラムは光ビームをそれぞれの光レシーバへ偏向させるように作動する。
【００２３】 好ましくは、各入力光ファイバは、第１空間光変調器上のそれぞれのスイッチ
ングホログラムに向けられ、各光レシーバは出力光ファイバを有し、ここに、各
出力光ファイバは第２空間光変調器上のそれぞれのスイッチングホログラムに向
けられる。
【００２４】 一実施形態において、第１および第２空間光変調器は第１空間光変調器上の各
スイッチングホログラムから反射されたそれぞれのゼロ次数光ビームが第２空間
光変調器上のそれぞれのスイッチングホログラム入射するように配置される。
【００２５】 半波プレートは第１と第２空間光変調器との間に配置されることが好ましい。
【００２６】 その代りに、スイッチングホログラムは第１および第２空光変調器上で間隔が
保たれ、第１および第２空間光変調器は、第１空間光変調器上の各スイッチング
ホログラムから反射されたそれぞれゼロ次数の光ビームが第２空間光変調器上の
２つの隣接するスイッチングホログラムの間の間隔に入射するように配置される
。
【００２７】 半波プレートは第１と第２空間光変調器との間に配置されることが有利である
。
【００２８】 更に、スイッチは入力ファイバと第１空間光変調器との間および出力ファイバ
と第２空間光変調器との間に配置されるそれぞれの光システムを有することが好
都合である。この場合、各光学システムは２つの焦点共有レンズを有し、入力お
よび出力ファイバはそれぞれの平面内に配置され、各光システムの第１レンズの
焦点共有面は関連ファイバの平面と合致する。
【００２９】 入力および出力ファイバはそれぞれの平面内に配置され、光スイッチは更にマ
イクロレンズのそれぞれの配列体を有し、マイクロレンズは各マイクロレンズが
それぞれのファイバに対応するように各ファイバ平面の正面に配置され、それぞ
れの光システムは入力ファイバと第１空間光変調器との間および出力ファイバと
第２空間光変調器器との間に配置され、ここに、各光システムと各光システムの
第１レンズ焦点平面は関連マイクロレンズ配列体の出力焦点面と合致する。
【００３０】 光学ファイバは熱的に膨張したコア（ＴＥＣ）ファイバであることが有利であ
る。
【００３１】 他の一実施形態において、第１空間光変調器からのゼロ次数光ビームは第２空
間光変調器上に一切入射しないように第１および第２空間光変調器は相互にずれ
て（食い違って）配置される。
【００３２】 少なくとも１つの受け取りエレメントは第１空間光変調器からのゼロ次数光ビ
ームを受け取る領域内に配置され、ここに、入力信号は監視されても差し支えな
い。
【００３３】 各エレメントはファイバであることが好ましい。その代わりに、例えばレシー
バダイオードのような他のエレメントが用いられることも可能なはずである。
【００３４】 各スイッチングホログラムはその空間光変調器上に繰り返しパターンを提供す
ることが好ましく、それによって、２つのＳＬＭ上の繰り返しパターンは次に示
す関係式を満足させる： θ2（ｕ）＝θ1（−ｕ） ここに、θ2（ｕ）は第２ＳＬＭ上の繰り返しパターンであり、θ1（−ｕ）は第
１ＳＬＭ上の繰り返しパターンであり、入射角度は第１ＳＬＭに入射する入力光
ビームのポインティング（Ｐｏｙｎｔｉｎｇ）ベクトルの入射角度であり、第２
ＳＬＭを出る光ビームは導波器の傾斜平面内に含まれる。
【００３５】 好ましい実施形態において、出力ファイバは位置合わせされていない光を減衰
させるための黒色顔料を含むことによって配列体（アレイ）内に固定される。
【００３６】 他の好ましい一実施形態において、出力ファイバは配列体を形成するように一
緒に固定され、配列体のファイバ間の間隔はスイッチングゾーンからのクロスト
ークを受け入れて案内するために役立つ間隙ファイバによって占有される。
【００３７】 好ましい実施形態の説明 様々な図において同等の参照番号は同等の部分を表す。
【００３８】 図２は均一配置された単一軸性液晶セル１０１の層を貫いてｚ方向に移動する
平らな波面１００の伝播を示す。セルは液晶１０４を挟む前平面１０２と後平面
１０３とを有する。ここでは後で単一軸性媒体の導波器軸とも呼ばれる光軸１０
５は一般的な場合として平面ｘＯｚ上でｘ方向から角度θだけ離れて傾斜するも
のとして示される。傾斜角度θは液晶セル１０１の両端に印加される電圧によっ
て電気的に制御可能である。２つの伝播モード（態様）はｚ方向に沿って異なる
速度で移動する。これらの速度は導波器に平行な長さｎｅの長軸を持つ楕円がそ
の中に描かれる幾何学構成を用いて算定可能である。単一軸性媒体に関しては、
楕円面の他の２つの軸は長さ（ｎ０）が等しい。一平面がポインティングベクト
ルに垂直に構成される（この場合、この平面はｘＯｙ平面に平行である）。この
平面と楕円面の交差が楕円１１０を画定する。この楕円の主軸１１１及び副軸１
１２の方向は２つの直交偏光モードを定義し、他方、これらの２つの軸の長さは
対応するモードにおける屈折率を定義する。ｘＯｚ平面の傾斜に関しては、この
楕円の副軸はｙ方向に平行であり、従って、主軸は全てのθの値に関してｘ方向
に平行である。従って、あらゆるθに関して，ｘ及びｙ方向は偏光モードに平行
であるので、これらの方向に偏光した入射光の成分は液晶を貫いて伝播する方向
を維持する。傾斜角度θが媒体内で変化している場合であっても、これは真の状
態を維持する。
【００３９】 副軸１１２の長さは全てのθの値に関してｎ０である。従って、傾斜角度θに
拘わらず、ｙ軸に平行な場の成分は屈折率ｎ０を持つので、セルに起因する位相
遅延はセルの両端にかかる電圧には無関係である（正常波）。これとは対照的に
、主軸の長さは傾斜角度θに依存し、従って、場のｘ成分（異常波）は値の異な
る傾斜角度に関して異なる屈折率ｎを持つ。
【００４０】 主軸１１１の長さはｎ（θ）であり、方程式（１）によって与えられる：
【数１】 この場合、条件
【数２】 が適用される。２つの成分の間の相対位相遅延は方程式（２）によって与えられ
る： Δφ＝ｋ0ｄΔｎ （２） 方程式（２）において、ｄは液晶セルの厚さであり、ｋ０は自由空間における場
の波番号であり、ΔｎはΔｎ＝ｎ（θ）−ｎ0 によって与えられる。Δｎはセル
の両端電圧の関数であるので、方程式（２）は、印加電圧がセルの横断方向にお
ける２つの成分間の位相差を連続的に制御可能であることを示す。
【００４１】 偏光に感応しない位相変調を提供することが望ましいことは、当該技術分野に
おける当業者によって理解されるはずである。次に、これを達成するための装置
および方法について、通常入射光の状況に関して説明することとする。式（３）
は２つの直交する線形偏光波を重複させた随意偏光状態の数学的表現を示す：
【数３】 ここに、振幅Ｅ０ｙ（ｔ）とＥ０ｘ（ｔ）及び位相εｘ（ｔ）とεｙ（ｔ）は低
速変動し、多数の振動に亙って実質的に一定状態を維持する。単偏光光ビームに
冠しては、相対振幅Ｅｏｙ（ｔ）／Ｅｏｘ（ｔ）及び相対εｙ（ｔ）−εｇ（ｔ
）は各線形偏光成分の干渉時間に比較して急速に変化する。即ち、２つの波は相
互に非干渉的である。無作為偏光光ビームに関しては、相対振幅および位相は干
渉時間に対して低速変化する。即ち、２つの波は相互に干渉的である。従って、
前述の表現はあらゆる光波に関して有効である。
【００４２】 この種の光はこれら両成分に同じ位相遅延を適用することによって変調可能で
ある。ただし、図２に示す構成（コンフィギュレーション）においては、ｙ成分
には常に同じ位相遅延が与えられるので、２つの成分（ｘ成分）のただ１つだけ
が適切に位相変調されることが可能である。
【００４３】 図３は両成分が変調されることを可能にする構成（コンフィギュレーション）
の回路図を示す。図３を参照して、光は液晶セル３２を通過した後で鏡３０から
反射され、二重通過（ダブルパス）構成を作動可能化する。２つの経路の間に両
成分を９０度だけ回転させる適当な回転子３１が導入される。当該技術分野にお
ける当業者に知られているように、４分の１波プレートは、光の一偏光成分をこ
れと直交するように偏光される成分に対して遅延させるように作用し、従って、
４分の１波プレート（Ｏｘｚ平面外に４５度だけ傾斜した光軸を持つ）と鏡との
組合わせは９０度回転子として作用する。勿論、３／４、５／４等々の波プレー
トを使用することも可能であるはずであり、この場合の判定基準は、結果的にダ
ブルパスが全体で９０度回転を生成するような４分の１波の奇整数である。図３
に示す構成を貫いて通過するように法線入射する随意偏光状態（式３と同様）に
ある光について考察することとする。法線以外の入射に関する差については後で
考察する事とする。
【００４４】 ４分の１波プレート及び鏡に向かう第１経路に関して、ｘ方向に偏光した偏光
成分Ｅｏ ｘ （ｔ） ｅｘｐ ｊεｘ（ｔ）は屈折率ｎ（θ）を持つ。ここに、θ
は印加電圧に依存するが、ｙ方向における成分◇（Ｅ０ｙ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｙ （ｔ））はその代わりに屈折率ｎ０を持つ。即ち、印加電圧に無関係である。４
分の１波プレートはこれら２つの偏光成分が交換される方位を持つ。液晶経を貫
いて戻る第２経路に関しては、ここに成分（Ｅｏｘ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｘ（ｔ）
）はｙ方向に偏光され、従って、屈折率ｎ０を持ち、他方、成分Ｅｏｙ（ｔ）ｅ
ｘｐ ｊεｙ（ｔ）はｘ方向に偏光され、屈折率ｎ（θ）を持つ。このように、
両成分はシステム全体を通じて同じ位相遅延量を獲得する。両成分にとって一方
の経路は屈折率ｎ（θ）であり、もう一方の経路は屈折率ｎ０である。
【００４５】 詳細には（方程式４及び５）： Ｅｏｘ成分：ΔφOX＝ΔφIST-PASS＋Δφ2ND-PASS＝ｋｎ（θ）ｄ＋ｋｎ0ｄ （４） Ｅｏｙ成分：ΔφOY＝ΔφIST-PASS＋Δφ2ND-PASS＝ｋｎ0ｄ＋ｋｎ（θ）ｄ （５） 本システムはジョーンズマトリックスに関して数学的に（方程式６）表現可能
であり、その結果を次に示す（予測）：
【数４】
【００４６】 ただし、光は反対の直交状態においてシステムを出ることに留意されたい。こ
のジョーンズマトリックスの結果は、鏡からの反射に関してｙ軸は逆転するとい
う規定を使用する。数学的結果は出力光の両成分は同一位相変化を持つことを確
認し（方程式４と５に関する合意）、従って、偏光に感応しない位相変調が実現
可能である。
【００４７】 一般にθはｚと共に変化し、この場合、（６）における屈折率ｎ（θ）は式７
によって置き換えられなければならない：
【数５】
【００４８】 前述の原理は変調エレメントの配列体に適用可能である。この種画素の配列体
に法線的に衝突し、各々が傾斜角度の特定値によって特性付けられる（それを横
断して異なる電圧を印加することによる）随意に偏光された光の平らな波面、又
は、傾斜角度の特定配分は空間的に位相変調され得る。
【００４９】 次に、図４を参照し、本発明にかかる統合空間光変調器の第１実施形態につい
て説明することとする。
【００５０】 図４に見られるように、画素配列体を形成するＳＬＭはアルミニウムパッド１
２０によって構成され、１２６において図面的に示される接続部によって画素ド
ライブ回路に接続される。画素配列体１２０上には、４分の１―プレート１２１
が配置される。４分の１波プレート上には、介在配置構成層（図示せず）を覆っ
て液晶層１２２が配置される。ここではネマティック液晶が用いられているが、
本発明はこれによって制限されない。実際の必要条件は平面外傾斜を提供する能
力である。当該技術分野における当業者には周知であるように、液晶層上に位置
合わせ層１２３が配置され、位置合わせ層の上には例えば共通電極平面を形成す
るＩＴＯ（インジウム錫酸化物）層のような透明導電性層１２４および上側ガラ
ス層１２５が配置される。
【００５１】 ４分の１波プレートは適切なアクティブモノマをスピン被覆することによって
画素配列体上にデポジット可能であり、紫外線への露出によって重合体化され得
る。図４のセルにおいて、アルミニウムパッドは鏡として作用し、液晶１２２を
スイッチするためにセルの両端に必要な電力電圧を供給する。
【００５２】 第２実施形態を図５に示す。
【００５３】 図５を参照することとし、画素配列体１３０はシリコン−１．５μｍ−透明背
平面構造体１３１に集積され、背平面構造体と液晶層１３２の１面との間に挟ま
れる。液晶層１３２のもう一方の側は位置合わせ層１３３と接触し、次に、ＩＴ
Ｏ層１３４によって覆われる。４分の１波プレート１３５は正面アルミニウム鏡
１３６とＩＴＯ電極１３４との間に配置される。４分の１波プレートの厚さは、
反射に際してλ＝１．５７μｍにおける半波プレートとして機能するようにスピ
ン被覆技法によって調節可能である。
【００５４】 図５にしたがった空間光変調器の一実施形態が作成された。画素は従来型２μ
ｍＣＭＯＳプロセスのポリシリコン層を用いて作成された。図６はシリコン背平
面のレイアウトの概観を示す。
【００５５】 図７を参照することとし、再び４分の１波プレートを用いた本発明の更なる一
実施形態ではπセル構成のねじれネマティック液晶混合物が使用される。この種
デバイスは液晶応答時間の短縮を可能にする。この種セルにおいて、ネマティッ
ク液晶の導波器（ディレクタ）はセルの厚さに沿って或る角度だけ捩れている。
図７Ａには、バイアスされない状態のセルを用いた場合において、セルの厚さを
横断する一連の例示的な線５０−５６として導波器角度を示す。図８Ｂは前部プ
レートと後部プレートとの間で直線を形成する導波器を用いた最大バイアスされ
た極端な状態を示す。πセルにおいて、スイッチングプロセスに際して当該セル
内の物質の流れは最小限化され、応答時間が短くなる。セルの厚さが十分に大き
いと仮定すると、場（フィールド）は厚さを貫いて実際に導波されることが可能
であり、図２の場合と同じ原理が適用され、セルは迅速で偏光に感応しないスイ
ッチングを提供することが可能である。
【００５６】 前述の討論は積分遅延子（リターダ）の文脈に従ったが、例えば非積分４分の
１波プレートのような非積分遅延子（リターダ）をしようすることも可能である
。次の記述は、従って必須の４分の１の波プレート板に制限されない。
【００５７】 図８を参照することとし、反射スイッチの一実施形態の第１部分図においては
、第１または入力ＳＬＭ１４０、及び、第２または出力ＳＬＭ１４１が使用され
、各々は１組のブロック（又はホログラム）に分割され、間隔を保って、全体的
にに平行に、かつ対称軸１４２の反対側に配置される。２つのＳＬＭは軸１４２
に対面し、それに沿って間隔が保たれる。入力ファイバＦＣを備える入力ファイ
バアレイ１４３は第１ＳＬＭ１４０に向けられ、アレイ内のファイバからの光が
ＳＬＭの平面に垂直な平面に対して角度θｉｎで入力ＳＬＭに入射するように配
置される。出力ファイバｆＥを備えた出力ファイバアレイ１４４は出力ＳＬＭ１
４１に対して同様に向けられる。従って、光は、入力アレイの入力ファイバから
第１ＳＬＭ１４０まで、次に、対向する第２出力ＳＬＭ１４１まで、最終的に出
力アレイ１４４のファイバまで全体的にジグザグ経路を描く。既に検討したよう
に、各ＳＬＭは複数のホログラムをディスプレイし、一方において入力ＳＬＭ１
４０に関しては各ホログラムが特定の入力ファイバと関連し、他方において出力
ＳＬＭ１４１に関しては各ホログラムが特定のファイバと関連するようにシステ
ムが配置される。
【００５８】 入力ファイバｆＣから出力ファイバｆＢまでの経路指定は、入力ビームを出力
ホログラムｈＢに偏向させるように入力ホログラムｈＣを構成することによって
達成されるので、反射角度は一般に入射各度θｉｎと異なる。出力ホログラムｈ
Ｂはそれに入射するビームを出力ファイバｆＢに偏向する。各ホログラムとその
対応ファイバとの間には該当する直径のビームをホログラムに呈示する機能を持
つ光システムが所在する。その諸実施形態については後で示す。
【００５９】 システム損失を最小限化するために、光システムにおいては出来る限り少数の
レンズを使用することが望ましい。図９のスイッチの使用に関しては、第１光シ
ステムを図９に示す。図９を参照することとし、光システムは望遠鏡的配された
第１（１５０）および第２（１５１）共有焦点レンズを有する。図に示すように
、本システムは第１レンズ１５０の左にファイバアレイ１４３、第２レンズ１５
１の右にＳＬＭ１４０を有する。第１レンズ１５０の焦点距離ｆ1は第２レンズ
１５１の焦点距離ｆ２より短い。ファイバアレイ１４３は第１レンズ１５０の入
力焦点面に配置され、第２レンズ１５１の出力焦点面はホログラムデバイス１４
０、１４１の間の概略中間に位置する（図８参照）。スイッチへの入力および出
力の両方に同一システムが使用される。或る情況の下では、当該技術分野におけ
る当業者にとって明瞭であるように、フィールド平坦化レンズが必要とされるこ
とがあり得る。
【００６０】 同時係属特許出願において反射ＳＬＭを使用する一実施形態においては、ＳＬ
Ｍの直前に配置されたレンズ（軸とずれた）を２度通過するビームが用いられる
。
【００６１】 図９のシステムは比較的低い波長範囲を持つ。ただし、波長範囲を改良するた
めに多数の対策が使用され得る。それらの対策を次に示す： 例えばＴＥＣ（熱膨張コア）ファイバのような、更に大きいスポットサイズを
持つファイバの使用： 更に密着したパッキング（実装）を可能にするために更に小さい直径を持つフ
ァイバの使用： ファイバアレイの後におけるマイクロレンズアレイの使用：これにより、マイ
クロレンズアレイから離れる焦点合わせされたスポットは更に短い焦点距離のレ
ンズの入力焦点面内に位置することになる。（図１０参照。この図において、焦
点距離ｆｍのマイクロレンズアレイ１５３はレンズ１５０と入力ファイバアレイ
１４３との間に所在する。入力マイクロレンズアレイ１５３は入力ファイバに対
して、これらのファイバからの光をレンズ１５０の焦点面に焦点合わせするよう
に配置される。）
【００６２】 有利なオプションは、マイクロレンズアレイ及び更に大きいスポットサイズの
ファイバを含むファイバアレイの両方を使用することである。
【００６３】 当該技術分野における当業者にとっては明瞭であるように、ホログラムの各列
内に必要な画素の個数Ｍはホログラムのビームスポットサイズ及び最大ビーム操
作（ステアリング）角度、及び、コロストーク（混線）に関する必要条件を用い
て算定可能である。
【００６４】 最適性能に関する必要条件は、マイクロレンズアレイを備えた標準ファイバ、
又は、標準よりも大きいスポットサイズのファイバのいずれかを使用することを
提案している。
【００６５】 当該技術分野における当業者にとって周知されているように、４分の１波プレ
ートは１つの特定波長に関してのみ完全に作用するはずであり、他の波長におい
ては誤差を引き起こすことになる。理論からの偏りは、４分の１波プレートの厚
さ及び複屈折の観点からは製作許容差、及び、プレートの向き（オリエンテーシ
ョン）と液晶の傾斜面との間の不正位置合わせに起因する。
【００６６】 これらの効果は、スイッチ構成においてｙ偏光方向への入射光の成分に起因す
るゼロ次数（即ち回折無し）偏光に依存するクロッストーク（混線）を生じるこ
とを示すことができる。
【００６７】 ｘ方向に偏光された入射光に関しては、誤差の結果が意図した主回折次数の２
倍の角度における回折次数を生じることを示すことが出来る。このダブル次数混
線の振幅は入力光の偏光状態と共に変化し、従って、その影響は偏光に依存する
混線を生じることである。
【００６８】 図８は入力および出力ホログラムは反対方向にビームを偏向することを示す。
知られているように、最大波長範囲は角偏向が等しいか反対であるときに達成さ
れる。結果として、図に示すようにＳＬＭが平行である場合には、入力ファイバ
から入力ホログラムまで移動するビームは出力ホログラムから出力ファイバまで
移動するビームに平行である。
【００６９】 ホログラムアレイは規則的であるので、傾斜角度の集合はＭｐ／Ｌの単位に量
子化される。ここに、Ｍはホログラムの各列における画素の個数であり、ｐは画
素ピッチであり、Ｌはホログラム間の距離である。従って、ｘ方向に沿ってファ
イバｎｘへ経路指定し、ｙ方向に沿ってファイバｎｙへ経路指定するためには、
入力ホログラムにおけるビーム偏向は方程式８によって与えられる：
【数６】
【００７０】 同様に、出力ホログラムにおけるビーム偏向は方程式９によって与えられる：
【数７】
【００７１】 次に、図１１を参照することとし、出力ＳＬＭ１４１は入力ＳＬＭ１４０上の
任意のホログラムの中央から反射されたゼロ次数ビームが出力ＳＬＭ１４１の出
力ホログラムの中央に入射するように配置構成される。これは波長範囲を最大限
化する構成である。例えば、ホログラムｈＡからのゼロ次数反射はホログラムｈ
Ｂの中央に入射する。
【００７２】 ４分の１波プレート許容差の影響は入力ＳＬＭ１４０上のホログラムｈＡから
の振幅ａｙｙのビーム１４５を出力ＳＬＭ１４１上のホログラムｈＢへ経路指定
することである。ここに、ａｙｙは第１ＳＬＭ１４０を通って移動した後も状態
を維持するｙ方向に偏光された入射光の部分である。第２ＳＬＭ１４１における
類似の影響は正味振幅が（ａｙｙ）２までの振幅のビーム１４６をホログラムｈ
Ｂからのゼロ次数出力に通過させることである。システムジオメトリの結果とし
て、ゼロ次数ビーム１４６は出力ファイバｆＣに到達する。従って、この偏光状
態に留まるｙ偏光された光の影響はファイバｆＡにおいてスイッチに入る信号か
らの最大振幅（ａｙｙ）2のファイバｆＣに混線を起こさせることである。ホロ
グラムｈＢに向けられたホログラムｈＡからの光の残りの部分の振幅はａｙｙ（
１−ａｙｙ）である。この光はホログラムｈＢによって導入される意図した偏向
角度を持ち、光ビーム１４７を形成するはずである。第１入力ＳＬＭ１４０上の
ホログラムｈＡとｈＣとの間のホログラム単位における距離（ｄｘ、ｄｙ）とす
る。次に起こる事柄はシステムの設計に依存する。基礎システム（マイクロレン
ズ無しシステム）に関しては、ビームは傾斜角度で出力ファイバｆＣに入る。 出力ファイバの限定された角度に関する受入れ（または、光学的アーキテクチャ
に依存するオフセットの受入れ）によってこの光（最大振幅ａｙｙ（１−ａｙｙ ））が部分的に減衰されるようにシステムを設計することが可能である。この傾
斜に起因する減衰αＴＩＬＴは方程式１０によって与えられる：
【数８】 ここに、ＣはホログラムにおけるＭｐ＝Ｃ.ωＨＯＬのようなクリッピングパラ
メータであり、ここに、ωＨＯＬはホログラムにおけるビームスポットサイズで
ある。最大波長範囲に関して構成されたスイッチを用いると、ｄｘ ２＋ｄｙ ２の
最悪値は１（単位数）である。混線抑制を改良するために、αＴＩＬＴはできる
限り高くなくてはならない。従って、性能は、ファイバ分離に対するスポットサ
イズの比率の値を増大することによって改良される。
【００７３】 図１２を参照することとし、光スイッチの第２実施形態は２つの空間光変調器
１４０、１４１の間に半波プレート１５０が配置されることが図８に示すスイッ
チと異なる。第１ＳＬＭ１４０からの残留ゼロ次数ビーム１５１（最大振幅ａｙ
ｙ）が第２ＳＬＭ１４１への到達に際してｘ偏光されるように半波プレートは２
回目にｘおよびｙ偏光成分と交換される。第１出力ビーム１５２は意図した偏向
角の２倍だけ偏向されることによりこの光の一部分ａｘｘから得られる。従って
、出力ファイバｆＣに正確に向けられた混線は存在しない。実際、このビームは
、傾斜が２倍になるように（又は、アーキテクチャに応じてオフセットが２倍に
なるように）偏向され、減衰は係数４によって拡大される。この偏光依存ゼロ次
数光の残りの部分は再び意図した偏向角度だけ偏向され、中央半波プレートなし
のシステムの場合と同じ減衰を生じる。
【００７４】 図１３を参照することとし、本発明に従った光スイッチの第３実施形態は１つ
の平面内（例えばｘ方向）においてホログラムの幅の半分だけ位置がずれた（オ
フセットした）第２ＳＬＭ１４１を有する。従って、偏光依存ゼロ次数を含むゼ
ロ次数クロストーク（混線）１４５は、出力ファイバ間の中点１４９に向けられ
る。この場合、ゼロ次数混線は、オフセット（ずれ）に応じて対応する追加減衰
を伴ったｓ／２のオフセットを生じる。
【００７５】 第３実施形態はＳＬＭ上に良好な表面平坦度が存在する場合に最適である。オ
フセット損失のある場合には、ファイバ分離対スポットサイズの比率が増すにつ
れて、損失は減少する。あらゆる最終設計において、全体としての所要システム
性能を獲得するためのこの比率最適値が存在する。
【００７６】 次に図１４を参照することとし、更なる一実施形態において、入射平面に対す
る法線方向においてＳＬＭ全体の高さ（またはそれ以上）だけ入力ＳＬＭ１４０
に対して出力ＳＬＭ１４１をずらせることによりゼロ次数の更なる減少が達成さ
れる。この図はそれぞれ第１ＳＬＭ１４０に入射し、入射平面を画定するために
当該ＳＬＭからゼロ次数反射する２つの光ビーム７０ａ、７０ｂを示す。各入射
平面は水平ｘ−ｚ平面である。出力ＳＬＭ１４１は下方に向かってオフセットさ
れているのでゼロ次数がそれに衝突しない。その代りに、上向きのシフトが用い
られる。この実施形態は曲げ効果又はＳＬＭの内側反射表面の広範囲に亙る表面
歪みに回復力を提供する。この場合、ゼロ次数は出力ファイバアレイの外側に所
在し、例えば、監視用として便利に使用可能である。
【００７７】 次に、２−Ｄシステムにおける偏光依存２倍次数について考察することとする
。これらの次数は偏向角度において出力ホログラムに接近するものとする（方程
式１１）：
【数９】 ゼロ次数位置合わせされたシステム（図８）においては、ｃｘ及びｃｙのとり得
る値は常に偶数であるが、ｎｘおよびｎｙは任意の整数値をとり得る。従って、
入力ＳＬＭ１４０からの２倍次数に関しては、出力ホログラムの中央に到着し、
その後で直接または傾斜して出力ファイバ内へ焦点あわせされることが可能であ
る。ただし、ゼロ次数インタリーブドシステム（図１０）においては、ｃｘの可
能な値は常に奇整数であり、ｎｘのとり得る値は半（１／２）整数値に限られる
。従って、入力ＳＬＭ１４０からの２倍次数は出力ホログラムの間に到着するは
ずであり、直接、又は、傾斜して出力ファイバ間の中点に焦点合わせされるはず
である。従って、ゼロ次数がインタリーブすることは同様に２倍された次数がイ
ンターブすることを生成する。
【００７８】 好ましい実施形態において、ファイバアレイの内側においてファイバをまとめ
て保持する接着剤に黒色塗料を加えることにより、出力ファイバの間に到着する
ビームの減衰は増大する。他の吸収剤も同様に使用できるはずであることを理解
されたい。他の一実施形態において、アレイのファイバ間の間隔は、混線を受け
入れて、スイッチング帯域外へ導くために役立つ質間ファイバによって占有され
る。
【００７９】 ２倍次数ビームの振幅は殆どがａｘｘである。中央半波プレートが在る場合に
は、方程式１２によって与えられる偏向角度で現れる最大振幅ａｘｘ ２のビーム
が存在するはずである（出力ファイバに直接焦点合わせされるビーム参照）。
【数１０】 最悪シナリオはｃｘ＝２ｎｘおよびｃｙ＝２ｎｙである。この場合、ゼロ次数位
置合わせされたシステム（図１１）において、最大振幅ａｘｘ ２のビームは出力
ファイバ内に直接焦点合わせされるはずである。他方、ゼロ次数インタリーブさ
れたシステム（図１３）において、このビームは出力ファイバ間に焦点合わせさ
れるはずであり、従って、オフセット損失を生じる筈である。
【００８０】 中央半波プレートが存在する場合には、最大振幅がａｘｘａｙｙの弱いビーム
がゼロ次数反射としての反射されるはずであり、従って、方程式１３によって与
えられる偏向角度において現れるはずである：
【数１１】 先ず、ゼロ次数位置合わせされたシステム（図１１）において起きることについ
て考察することとする。角度受入れ条件が制限されているので、このビームは出
力ファイバにおいて減衰される。ｃｘ又はｃｙのいずれかがゼロであるならば、
該当する場合において、出力ファイバにおける傾斜損失の最小値は４αＴである
。
【００８１】 次に、ゼロ次数インタリーブされたシステム（図１３）において起きることに
ついて考察することとする。最悪の場合には、ｃｙ＝０及びｃｋ＝１である。ビ
ームは傾斜損失αＴおよび前述のオフセット損失だけ減衰するはずである。更に
、出力ＳＬＭが垂直にずれている場合には、ｎｙの最小値は１であり、ビームは
傾斜損失４αＴだけ追加的に減衰するはずである。
【００８２】 次に、入射２倍次数における光の残りの部分について考察することとする。中
央半波プレート無しでは、このビームの最大振幅はａｘｘ（ｌ−ａｘｘ）であり
るはずであり、中央半波が存在する場合には、このビームの最大振幅はａｘｘ（
１−ａｙｙ）であるはずである中央半波プレートが在るか無いいずれの場合にも
、このビームは意図された偏向角度だけ偏向され、その結果、方程式１４によっ
て与えられる偏向角度において出力ホログラムを離れる。
【数１２】 ゼロ次数位置合わせされたシステムに関しては、最悪の場合はｃｘ＝ｎｘ又はｃ ｙ ＝ｎｙのいずれかの場合であるが、両方の場合ではない。これらの１つが真で
あると仮定する。最小減衰は｜ｃｘ−ｎｘ｜＝１の時または｜ｃｙ−ｎｙ｜＝１
の時であり、従って、ビームは傾斜損失αＴだけ減衰する。ゼロ次数インタリー
ブされたシステムに関しては、最小減衰は｜ｃｘ−ｎｘ｜＝１／２、及び、｜ｃ ｙ −ｎｙ｜＝０の時であり、従って、最小減衰はオフセット損失に加えられた０
．２５αＴである。更に、追加的に、出力ＳＬＭ１４１はホログラムの高さの奇
整数だけオフセットされ、従って、オフセット損失は以前に定義された値から２
倍され、｜ｃｙ−ｎｙ｜の最小値は１／２になり従って、傾斜減衰は０．５αＴ まで増加する。
【００８３】 所要の後方反射状態を維持するために、法線から外れた入射が望ましい。シス
テムの幾何学的拘束に起因するあらゆる事象（イベント）が起こり得るはずであ
る。ただし、法線入射に近付けば近付く程、性能が良くなる。
【００８４】 ビームが法線から外れた入射である場合には、ＳＬＭの鏡からの反射係数の位
相は金属鏡におけるプラズマ的共振に起因して偏光依存となる。効果は、４分の
１波プレートを貫いて後方に通過した後でその状態に留まるような各偏光状態に
おいて光の一部分を増大させることである。４分の１波プレートを貫いて法線外
れ入射する効果は実効厚さおよび複屈折も変えることである。従って、法線外れ
入射の結果は偏光依存混線の強度をゼロおよび２倍次数に強化することである。
【００８５】 法線外れ入射であるものと仮定すれば、次に入射平面の選択が必要になる。こ
のセクションにおいて、依然としてｘ−ｚ平面内ではあるが、法線外れ入射の効
果が調査される。
【００８６】 ｙ方向における偏光成分Ｅｏｙ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｙ（ｔ）およびｘＯｚ平面
内偏光成分Ｅｏｘｚ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｘｚ（ｔ）を有する入射光のポインティ
ングベクトルが（ｙ及びポインティングベクトルに対して相互に直角な方向の）
ｘＯｚ平面内に在るものと仮定する。
【００８７】 図１５に示すように、光は角度θＩＮＣにおいて鏡に入射するものとし、指標
楕円面の長軸はｘ軸に対する角度θＤにおいてｘ０ｚ平面内に在るものとする。
既に検討済みの幾何学的方法は伝播を分析するために使用可能である。以前と同
様に、指標楕円はポインティングベクトルに垂直な平面と指標楕円面との交差に
よって画定される。ポインティングベクトルがｘＯｚ平面内に留まる限り、ｙ方
向に偏光され、鏡に向かって移動する光成分（Ｅ０ｙ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｙ（ｔ
）の屈折率はｎ０である。即ち、傾斜角度から独立している。これは、傾斜角度
がｚ方向において変化しているとしても、ｙ偏光成分は依然として一定の屈折率
を持つことを意味する。この指標も入射角度とは無関係である。直交成分（Ｅｏ ｘｚ （ｔ）ｅｘｐ ｊεｘｚ（ｔ）の指標はこの楕円の主軸の長さである。鏡へ
向かっての伝播に関しては、主軸はｘＯｚ平面内の導波器に対して角度θＤ−θ ＩＮＣ を作る。この軸の長さ及び方向は図上の線ＡＢによって示される。数学的
には、直交成分（Ｅｏｘｚ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｘｙ（ｔ））の指標は方程式（１
）にθ＝θＤ−θＩＮＣを代入することによって与えられる。鏡からの反射し、
４分の１波プレートを貫いて後方に通過した後で、ｘＯｚプ平面内で偏光される
のは成分Ｅ０ｙ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｙ（ｔ）である。この第２通過に関して、指
標楕円の主軸はこの段階においてｘＯｚ平面内の導波器に対して角度θＤ＋θＩ ＮＣ を作る。この軸の長さ及び方向は図上の線ＡＣによって示される。数学的に
は、直交成分（Ｅ０ｘｚ（ｔ）ｅｘｐ ｊεｘｚ（ｔ））の指標は方程式（１）
にθ＝θＤ＋θＩＮＣを代入することによって与えられる。従って、この段階に
おける２つの成分に関する位相遅延は方程式１５、及び、１６によって与えられ
る。 Ｅｏｘｚ成分： ΔφOXZ＝ΔφIST-PASS＋Δφ2ND-PASS＝ｋｎ（θD−θINC）ｄ＋ｋｎ0ｄ （１５） Ｅｏｙ成分：ΔφIST-PASS＋Δφ2ND-PASS＝ｋｎ0ｄ＋ｋｎ（θD＋θINC）ｄ （１６）
【００８８】 従って、この段階における位相変調は入射角と共に増加する弱い偏光依存を持
ち、方程式１７によって概略（第２次数まで）求められる。
【数１３】
【００８９】 傾斜角度が変化する（７と同様に）セルにおいて、位相変調の偏光依存は方程
式１８によって与えられる：
【数１４】
【００９０】 導波器角度に対するｎの変化レートは容易に示される（方程式１９）。
【数１５】 ０からπ／２までの範囲内の傾斜角度に関して、この導関数は常に負であり、π
／２からπまでの範囲内の傾斜角度に関しては、この導関数は常に正である。π
セルに関しては、傾斜角度θは０とπの間で変化する。従って、偏光依存位相変
調は部分的にキャンセルされ得る。
【００９１】 この入射平面の重要な特質は２つの偏光モードの方向の特質である。これらの
方向はポインティングベクトルに対する垂直平面の交差によって形成される楕円
の副軸および主軸の方向によって与えられることに留意されたい。指標楕円面に
関しては、ポインティングベクトルがｘＯｚ平面内に在る場合には、副軸は常に ｙ 方向にあり、主軸は常にｘＯｚプ平面内にある（勿論、入射光のｘＯｚ成分に
平行である）。従って、入射光のｙ偏光および直交成分は液晶内で変更されない
ので、適切な偏光成分交換が依然として４分の１波プレート及び鏡において実施
されなければならない。
【００９２】 偏光依存性の検討に戻ることとし、ビーム操作デバイスへの影響は各回折次数
（オーダ）の振幅（ただし、出力角度ではない）へ偏光依存性を導入することで
ある。ここに、偏光依存性は入射角の関数である。次に、２つのこの種デバイス
を用いたＮｘＮスイッチについて考察することとし、図１５に示すＳＬＭが入力
ＳＬＭであるものとする。数学的に簡単にするために、１−Ｄ ＳＬＭ、従って
１次元ビーム操作に関して分析することとする。この分析の結果は２次元ＳＬＭ
にも良好に適用される。フーリェ係数ａＬ１及びｂＬ１を方程式２０および２１
のように定義する：
【数１６】 ここに、ｕは各画素の位置座標であり、φ（ｕ）は直ぐ前に記載された方程式（
１３）によって定義済みの意図された位相変調である。従って、入力ＳＬＭに関
して、入射フィールドのｙ偏光成分は振幅ｂＬ1の次数に回折させられ、他方、
直交成分は振幅ａＬ１の次数に回折させられる。良好に設計されたホログラムに
関しては、電力の大部分は単一回折次数に消費されることになる。
【００９３】 ここに、入力および出力ＳＬＭは同じ方法で作成されるものと仮定する。次に
、同じ名目位相変調（一般に入射ビーム）を適用する、従って、同じ傾斜角度θ Ｄ を持つ２つのＳＬＭにおける画素について考察することとする。ＳＬＭ等々の
配置構成の幾何学性に起因して、図１６に示すように、第１ＳＬＭに入るビーム
は第２ＳＬＭを離れるビームに平行である。この場合にも、２つのＳＬＭの間に
半波プレートが配置されるものとする。
【００９４】 第１ＳＬＭに入射する場のｙ偏光成分は第１ＳＬＭを離れる際にｘＯｚ平面内
で偏光され、第２ＳＬＭへ入る際に半波プレートによって再びｙ偏光される。こ
の成分は鏡へ向かう伝播に関して通常の指標ｎ０を有する。鏡から離れる伝播に
関して、その伝播の指標は実行傾斜角度θ＝θＤ―θＩＮＣによって与えられる
。従って、この成分に関する全位相遅延は（方程式２２）によって与えられる：
ＥOY成分：ΔφOY＝ΔφIST-PASS＋Δφ2ND-PASS＝ｋｎ（θD−θINC）ｄ＋ｋｎ o ｄ （２２）
【００９５】 同様に、第１ＳＬＭへ入射するビームの（ｘＯｚ平面内において）偏光される
直交成分に関しては、第２ＳＬＭにおける位相変調は（方程式２３）によって与
えられる： Ｅｏｘｚ成分：ΔφOXZ＝ΔφIST-PASS＋Δφ2ND-PASS＝ｋｎ0ｄ+kn(θD+θINC)
ｄ （２３）
【００９６】 第２ＳＬＭにおいて、実質的に平らなＳＬＭであるものと仮定すると、ホログ
ラムは第１ＳＬＭにおけるホログラムにとって実質的に相補である。第２ＳＬＭ
における意図された位相変調がΦｃ（ｕ）であるものとし、導波器角度がθｃ（
ｕ）であるものとする。入力ＳＬＭにおいて、ホログラムは出力を第Ｌ’回折次
数に最大限化するように設計されているならば、出力ＳＬＭにおいて、ホログラ
ムは出力を第−Ｌ’回折次数に最大限化しなければならない。従って、この出力
ＳＬＭに関して、第１ＳＬＭ上の入射場（フィールド）のｙ偏光成分に関する主
回折次数（オーダ）の振幅を画定するフーリェ係数ｂ-Ｌ２は（方程式２４）に
よって与えられる：
【数１７】 他方において、第１ＳＬＭ上の入射場の直交成分に関する出力ＳＬＭからの主回
折次数に関するフーリエ係数は（方程式２５）によって与えられる：
【数１８】
【００９７】 第１ＳＬＭ上の入射場のｙ偏光成分に関する全ホログラフスイッチング効率は
（方程式２６）によって与えられる： ηOY｜ｂL1｜2｜ｂ-L2｜2 （２６） 他方において、第１ＳＬＭ上の入射場の直交成分に関する全ホログラフスイッチ
ング効率は（方程式２７）によって与えられる： ηOXZ｜ａL1｜2｜ａ-L2｜2 （２７） 次に、ホログラムパターンについて考察することとし、ローカル導波器角度θＤ （ｕ）が幾らかの基本的反復パターンθ１（ｕ）（方程式２８）に関して表現さ
れるものとする：
【数１９】
【００９８】 第１ＳＬＭ上の意図された又は通常の位相変調Φ（ｕ）がローカル導波器角度（
方程式１及び７）に依存するものとすれば、当位相変調はθＤ（ｕ）（方程式１
９）に関するあらゆる導関数がそうでなくてはならないと同様に同一周期Ωを持
つ周期性を示さなければならない。従って、方程式２０、２１等々と同様に、法
線外れ入射の影響を考慮すると、正味の位相変調は同じ周期の周期性を持つはず
である。従って、Ｈ−（ｕ）を（方程式２９）として定義しても差し支えない。
【数２０】 ここに、ｕ０は或る種の（随意の）起点である。この起点は、回折次数の、大き
さではなく、位相に影響する。ａＬ１の大きさはフーリェ級数分析（方程式３０
）を用いてＨ（ｕ）に関して求めることが可能である。
【数２１】
【００９９】 同様に、θｃ（ｕ）を第２ホログラム上の導波器角度であるものとし、他の基
本的な反復パターンθ２（ｕ）（方程式３１）に関して表現するものとする：
【数２２】
【０１００】 従って、上述と同じアーギュメント（仮数）を用いると、第２ＳＬＭに関する
位相変調も周期Ωの周期性を持たねばならず、Ｇ−（ｕ）を（方程式３２）とし
て定義しても差し支えない。
【数２３】 ここに、ｕ１は他の随意起点である。従って、ｂＬ２（方程式３３）の大きさが
算定可能である。
【数２４】
【０１０１】 Ｇ-（ｕ）＝Ｈ-（−ｕ）であるものとし、ｕ’＝−ｕを代置するならば、（方
程式３４）であることが明瞭である。 ｜ａL1｜＝｜ｂ-L2｜ （３４）
【０１０２】 第２ＳＬＭ上の反復パターンθ２（ｕ）を第１ＳＬＭ上のθ１（−ｕ）に等し
くすることによって物理的にこれが達成可能である。この場合（方程式（１）か
ら）、Φｃ（ｕ）＝Φｃ（―ｕ）であることが必要とされる。次に、他の２つの
振幅係数について考察することとする。第１ＳＬＭにおいて、周期的位相調Ｈ+
（ｕ）を定義し、同じ起点（方程式３５）を使用する：
【数２５】 従って、ｂＬ1（方程式３６）が得られる：
【数２６】
【０１０３】 次に、第２ＳＬＭにおいて、（ａ_Ｌ２（方程式３７、３８）を求めるために
、周期定位相変調Ｇ+（ｕ）を定義する：
【数２７】
【０１０４】 再び、（方程式３９）が選定される： θ2（ｕ）＝θ1（−ｕ） （３９） 次に、自動的に、Φｃ（ｕ）＝Φ（−ｕ）はこの場合Ｇ+（ｕ）＝Ｈ+（−ｕ）
であり、従って（方程式４０）が得られる： ｜ｂL1｜＝｜ａ-L2｜ （４０） （３６）と（４０）を組み合わせ、（方程式４1）が得られる： ｜ａL1｜｜ａ−L２｜＝｜ｂL1｜｜ｂ−L２｜ （４１）
【０１０５】 従って、（３９）を満足させるために２つのＳＬＭ上の周期的な基礎パターンが
選定され、第１ＳＬＭへの入射および第２ＳＬＭから離れる光のポインティング
ベクトルが導波器の傾斜平面（この場合のｘ０ｚ平面）内に在る場合には、スイ
ッチ全体の効率は偏光依存（方程式４２）となり得る： ηOY＝ηOXZ （４２）
【０１０６】 この分析は回折によって導入されるビーム操作に起因するホログラム間のビー
ム方向の変化を無視することに留意されたい。これは何等かの偏光依存損失を生
じさせることがあり得るが、入射角に起因するシステムの偏光依存性が全体的に
キャンセルされるので、ここに述べられる構成は依然として最適であるというこ
とが予測される。
【０１０７】 ２つの直交成分が各平面毎に異なって位相変調されるものとすれば、ホログラ
ムは、最悪の場合における不必要な回折次数によって受容し難い混線を生じるこ
とのないように設計されなければならない。
【０１０８】 以上のように、偏光に感応しない光スイッチングを実施するデバイス及びシス
テムについて記述した。記述された本発明の実施形態は混線に関して高性能を発
揮可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を理解する際に有用な従来の技術による光スイッチを示す図である。
【図２】 単一軸性液晶デバイスを貫く平坦な波面の伝播を示す概略図である。
【図３】 ４分の１波プレートの用途を示し、かつ二重反射システムにおける入力場の偏
光状態を示す図である。
【図４】 積分４分の１波プレートを備えたＳＬＭの第１実施形態の概略横断面図である
。
【図５】 積分４分の１波プレートを備えたＳＬＭの第２実施形態の概略横断面図である
。
【図６】 図５のデバイスに関する典型的ケイ素バックプレートのレイアウトの概観図で
ある。
【図７】 本発明で使用するπセルの概略図である。
【図８】 本発明に従って２つの反射ＳＬＭを用いる光スイッチの第１実施形態の部分的
概略図である。
【図９】 図８のスイッチにおいて使用可能な第１光システムの一部の概略図である。
【図１０】 図８のスイッチに使用可能なマイクロレンズ配列体を含む第２光システムの一
部の概略図である。
【図１１】 図８のデバイスにおけるゼロ次数混線の影響を示す図である。
【図１２】 ２つにＳＬＭの間の光通路内に半波プレートを含むように図８を改造した本発
明に従う光スイッチの第２実施形態の部分的レイアウト概略図である。
【図１３】 混線を減少するために横方向にずらせた出力ＳＬＭを備えるように図８を改造
した本発明に従う光スイッチの第３実施形態の部分的レイアウト概略図である。
【図１４】 混線を防止するために出力ＳＬＭが横方向にずらされた第４実施形態を示す図
である。
【図１５】 液晶内伝播状態を示す図である。
【図１６】 入力および出力ＳＬＭ内における異なる伝播状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源配列体 ２ 第１レンズ配列体 ３ 第１ホログラムディスプレイデバイス ４ 相互接続領域 ５ 第２ホログラムデバイス ７ 光レシーバ １４０ 入力ＳＬＭ（空間光変調器） １４１ 出力ＳＬＭ（空間光変調器） １４２ 対称軸 １４３ 入力ファイバ配列体 １４４ 出力ファイバ配列体
【手続補正書】
【提出日】平成１４年４月１５日（２００２．４．１５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 イリアス、マノリス ギリシャ国ジーアール‐27056オリンピア、 フレイアス、ネア、フィガリア (72)発明者 ティモシー、ウィルキンソン イギリス国ケンブリッジ、ジーサス、カレ ッジ (72)発明者 マウラ、レッドモンド イギリス国ケンブリッジ、ガートン、ソー ントン、ロード、24 (72)発明者 ブライアン、ロバートソン イギリス国イースト、サセックス、ホー ブ、ポプラー、アベニュー、75、ケア、オ ブ、レイモンド、ロバートソン Ｆターム(参考） 2H088 EA37 EA48 GA02 HA14 HA17 HA21 HA30 JA04 KA11 MA20

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スイッチであって、所定の波長の光を受け取る集積された空間光変調器を有し
    、前記変調器が、前記波長の４分の１波の奇整数の光リターダンスを有する層に
    よって第２層から間隔が保たれた液晶層を有し、前記第２層が前記波長の前記光
    を反射するスイッチ。
  2. 【請求項２】 前記液晶層がネマティック液晶層である請求項１に記載のスイッチ。
  3. 【請求項３】 前記液晶層がπセルである請求項１に記載のスイッチ。
  4. 【請求項４】 前記第２層が金属層である請求項１または２に記載のスイッチ。
  5. 【請求項５】 前記金属層がアルミニウムである請求項３に記載のスイッチ。
  6. 【請求項６】 前記波長が１．５７μｍである請求項１から５までのいずれかに記載のスイッ
    チ。
  7. 【請求項７】 所定の波長の光を受け取る集積された空間光変調器を備えたスイッチであって
    、前記変調器は、軸平面に実質的に平行に配置され、対向かつ実質的に相互に平
    行したエンドプレートを有する液晶セルを有し、かつ前記軸平面に実質的に直交
    する傾斜面において導波器角度傾斜を提供する液晶層によって隔てられ、前記液
    晶が、前記波長の４分の１波の奇整数のリターダンスを有する光層によって第２
    層から隔てられ、前記第２層が前記波長を有する前記光を反射し、前記傾斜平面
    内において偏光された光が前記傾斜平面に実質的に直交するように偏光された前
    記液晶層を介して戻るように前記光層が前記傾斜平面に対して配置されるスイッ
    チ。
  8. 【請求項８】 前記液晶層がネマティック液晶層である請求項７に記載のスイッチ。
  9. 【請求項９】 前記液晶層がπセルである請求項７に記載のスイッチ。
  10. 【請求項１０】 前記第２層が金属層である請求項７から９のいずれかに記載のスイッチ。
  11. 【請求項１１】 前記金属層がアルミニウムである請求項１０に記載のスイッチ。
  12. 【請求項１２】 前記変調器が前記液晶層上に配置されたガラスカバーを有し、前記金属層が前
    記変調器をスイッチングする駆動回路への接続部を有する請求項１から１１のい
    ずれかに記載のスイッチ。
  13. 【請求項１３】 第１方向に偏光された第１成分と、第１方向に直交する第２方向に偏光された
    第２成分とを有する光ビームをスイッチングする方法であって、液晶層および集
    積光リターダンスを有するデバイスを提供するステップを含み、前記液晶が導波
    器角度傾斜の対応する変動を提供するために可変駆動電圧に応答し、更に、前記
    液晶デバイスへ可変駆動電圧を供給するステップと、前記第１成分へ供給される
    可変位相遅延および前記第２成分へ供給される少なくとも実質的に固定した位相
    遅延を有する中間ビームを供給するために前記ビームを前記液晶デバイスへ供給
    するステップと、前記中間ビームの偏光を前記リターダンスだけ回転させるステ
    ップと、合成光を前記液晶デバイスへ供給するステップとを含み、これによって
    、前記第１方向に偏光された前記合成光の一成分が可変位相遅延を受け取り、前
    記第２方向に偏光された前記合成光の一成分が少なくとも実質的に固定した前記
    位相遅延を受け取る方法。
  14. 【請求項１４】 前記回転ステップが前記偏光を９０度だけ回転させるステップを含み、これに
    よって、変位相遅延に少なくとも実質的に等しい量の遅延が前記第１および第２
    成分の各々に供給される請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記回転ステップが、前記中間ビームをその入力経路に沿って反射して戻すス
    テップを含む請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 光スイッチであって、複数の入力光ビームを供給する複数の入力光学ファイバ
    と、出力光ビームを受け取る複数の光レシーバと、第１および第２反射性空間光
    変調器と、各空間光変調器上にそれぞれ複数のスイッチングホログラムを形成す
    る駆動回路とを有し、前記ホログラムが各前記入力光源をそれぞれ所要光レシー
    バに結合するように選択され、各空間光変調器が前記液晶デバイスを介して移動
    する光の位相を変調する液晶デバイスを含み、前記液晶デバイスを介して光を戻
    す反射器デバイスと、偏光を９０度だけ回転させるために前記液晶デバイスと前
    記反射器デバイスとの間に配置されたデバイスとを有し、前記光スイッチが対称
    軸を有し、前記空間光変調器が前記軸の反対側に配置され、前記第１空間光変調
    器上の前記各スイッチングホログラムが前記入力光ビームを前記光変調器へ偏向
    するように作動可能であり、前記第１空間光変調器上の前記各スイッチングホロ
    グラムが前記光ビームをそれぞれの光レシーバへ偏向するように作動可能である
    スイッチ。
  17. 【請求項１７】 各前記入力光ファイバが、前記第１空間光変調器上のそれぞれのスイッチング
    ホログラムに向けられ、前記各々の光レシーバが出力光ファイバを有し、各出力
    光ファイバが前記第２空間光変調器上のそれぞれのスイッチングホログラムに向
    けられる請求項１６に記載のスイッチ。
  18. 【請求項１８】 前記第１および第２空間光変調器器が前記第１空間光変調器上の各スイッチン
    グホログラムから反射されたそれぞれのゼロ次ビームが前記第２空間光変調器上
    のそれぞれのスイッチングホログラムに入射するように配置される請求項１６ま
    たは１７に記載のスイッチ。
  19. 【請求項１９】 半波プレートが前記第１と第２空間光変調器との間に配置される請求項１６か
    ら１８のいずれかに記載のスイッチ。
  20. 【請求項２０】 前記スイッチングホログラムが、前記第１および第２空間光変調器上において
    間隔が保たれ、前記第１および第２空間光変調器器が、前記第１空間光変調器上
    の各スイッチングホログラムから反射されるそれぞれのゼロ次ビームが前記第２
    空間光変調器上の隣接する２つのスイッチングホログラムの間の間隔に入射する
    ように配置される請求項１６に記載のスイッチ。
  21. 【請求項２１】 更に、前記入力ファイバと前記第１空間光変調器との間、および前記出力ファ
    イバと前記第２空間光変調器との間に配置されたそれぞれの光学システムを有し
    、各前記光システムが２つの焦点共有レンズを有し、前記入力および出力ファイ
    バがそれぞれの平面内に配置され、各光システムの第１レンズの焦点面が関連フ
    ァイバ面と合致する請求項１６から２０のいずれかに記載のスイッチ。
  22. 【請求項２２】 前記入力および出力ファイバがそれぞれの平面内に配置され、前記光学スイッ
    チが更にマイクロレンズのそれぞれの配列体を有し、前記マイクロレンズが、各
    マイクロレンズがそれぞれのファイバに対応するように各ファイバ平面の正面に
    配置され、それぞれの光システムが前記入力ファイバと前記第１空間光変調器と
    の間および前記出力ファイバと前記第２空間光変調器との間に配置され、各前記
    光システムが２つの共焦点レンズを有し、各光システムの第１レンズの焦点面が
    前記関連マイクロレンズ配列体の出力焦点面と合致する請求項１６から２１のい
    ずれかに記載のスイッチ。
  23. 【請求項２３】 前記光ファイバが熱膨張コア（ＴＥＣ）ファイバである請求項２１または２２
    に記載のスイッチ。
  24. 【請求項２４】 前記第１空間光変調器からのゼロ次ビームが前記第２空間光変調器に一切入射
    しないように、前記第１と第２空間光変調器が相互にずれて配置された請求項１
    ６に記載のスイッチ。
  25. 【請求項２５】 更に、前記第１空間光変調器から前記ゼロ次ビームを受け取る領域内に配置さ
    れた少なくとも１つの光受け取りエレメントを有し、それによって入力信号が監
    視可能である請求項２４に記載のスイッチ。
  26. 【請求項２６】 前記各エレメントがファイバである請求項２５に記載のスイッチ。
  27. 【請求項２７】 各スイッチングホログラムが、その空間光変調器上に繰り返しパターンを提供
    し、それによって、２つのＳＬＭ上における繰り返しパターンが次に示す関係を
    満足させ： θ2（ｕ）＝θ1（−ｕ） ここに、θ2（ｕ）は第２ＳＬＭ上の繰り返しパターンであり、θ1（−ｕ）は第
    １ＳＬＭ上の繰り返しパターンであり、第１ＳＬＭに入射する前記入力光ビーム
    及び前記第２ＳＬＭを離れる光ビームのポインティングベクトルが導波器の傾斜
    面内に存在するような入射角度である請求項１６から２６のいずれかに記載のス
    イッチ。
  28. 【請求項２８】 誤って位置合わせされた光を減衰させるために、黒色顔料を含む接着剤により
    前記出力ファイバが一緒に配列体内に固定される請求項１６から２７のいずれか
    に記載のスイッチ。
  29. 【請求項２９】 前記出力ファイバが配列体を形成するように一緒に固定され、前記配列体の前
    記ファイバの間の間隔が、前記スイッチング帯域からのクロストークを受け入れ
    て導出するために役立つ間隙性ファイバによって占有される請求項１６から２８
    のいずれかに記載のスイッチ。
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