【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気光学素子に関し、複屈折性を有する強誘電体基板の９０度分極反転を利用した光制御素子に関するものである。
更に詳しくは、光通信における光スイッチ、光交換器、光情報処理におけるインターコネクション等に用いられる光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバや導波路などの光伝送路を伝搬する光信号のオン，オフ、あるいは伝送方向の切り換え等に用いるデバイスとして光スイッチが知られており、光通信における光スイッチ、光交換器、光情報処理におけるインターコネクション等に用いられている。また、近年では多チャンネルに対応できる光スイッチが提案されている（Ｒ．Ｅ．Ｗａｇｎｅｒ ａｎｄ Ｊ．Ｃｈｅｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１７，２９２１−２９２５（１９８０））。
【０００３】
ここで図７は上記文献記載の光スイッチの説明図であって、図７において、光ビームは左側からプリズムＰ１に入射される。プリズムＰ１は前記の入射光を２つの直交した偏光成分に分割し、そして垂直偏光の光は引き続いて右側に伝送され、水平偏光の光はミラー・プリズムＭ１に向かって上方に反射される。次に、両偏光成分は液晶セルＲを通過する。
【０００４】
ここで、図示されないが前記液晶セルＲが電源によりオン状態にあれば（図７（ａ））、両偏光成分はセル内を透過しても方向を変更しない。そしてそれらはプリズムＰ２で再結合され、ミラー・プリズムＭ１からのビームは反射され、またＭ２からのビームは透過される。その結果、両偏光成分は出力Ａに送りだされる。
【０００５】
次に電源がオフのとき（図７（ｂ））、両偏光成分は液晶セルＲを透過するときに９０゜回転される。そのため、Ｍ１からのビームはＰ２を透過し、そしてＭ２からのビームは反射される。その結果、両偏光成分は出力口Ｂに送り出される。すなわち、両出力口における光学的出力を切り換えることにより、どちらの出力口においてもその光学的出力パワーを零近傍から１００％近傍まで変化させることができる。
【０００６】
さて、このような光スイッチによって、２×２構成の光スイッチを構成することができる。即ち図８に示すように、入射光Ａと入射光ＢをプリズムＰ１に入射し、液晶セルをオン状態にすれば、入射光Ａ、入射光Ｂは出力Ｂへ結合し、オフ状態にすれば出力方向が入れ換わる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の２×２光スイッチは、プリズムＰ１、Ｐ２は実際にはキューブ状の偏光プリズムと三角プリズムを張り合わせて作製される。また偏光プリズムは２つの三角プリズムの一方に光学多層膜コーテイングを施し、接着材で張り合わせたものであるため生産コストも高いのが実情である。三角状研磨を行う必要が無く平面研磨のみで構成される部品を用いて、少ない部品点数で光スイッチを実現できることが要求される。素子数が多くなれば、挿入損失、クロストークが悪化するので信号のＣ／Ｎが悪くなる。また部品コスト、組立調整コストが高くなり、製品としての価格が大幅に上昇してしまう。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、少ない素子数で多チャンネルに対応できる光スイッチを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは自発分極を有する斜方晶の強誘電体結晶に電界を印加することにより自発分極の方向を１８０°だけでなく９０°回転させることができることを見出した。本発明はこの現象を利用して光の進行方向を制御して光スイッチもしくは光シャッタを実現するものである。
【００１０】
すなわち本発明は、光の入射面と出射面を有する第一の強誘電体結晶基板、１／２波長板、光の入射面と出射面を有する第二の強誘電体結晶基板の順に配置された光制御素子であり、第一および第二の強誘電体結晶基板はビームウオークオフを生じるように入射光に対して結晶軸が傾いており、それぞれ強誘電体結晶基板中の自発分極方向が平行または直交していることを特徴とする光制御素子である。
【００１１】
本発明において、前記第一および第二の強誘電体結晶基板の入射光に平行な方向の厚さが互いに等しく、かつ両強誘電体結晶基板の自発分極の分極方向が互いに平行で、外部から電圧を印加することで自発分極の分極方向を転換することがにより、第二の強誘電体結晶基板の前記出射面での光の出力箇所を転換可能とした光スイッチが得られる。転換する出力箇所で、それぞれ光ファイバーと結合させれば、外部からの電圧印加による分極方向の転換により、光を出力する光ファイバーを選択することができる。
【００１２】
またこの光スイッチ機能を有する光制御素子を複数直列に配置することで、出力箇所が多数得られる。たとえばｎ個を直列に配置すれば２のｎ乗箇所となる。
【００１３】
また、本発明における別の態様として前記第一および第二の強誘電体結晶基板の自発分極の方向が互いに直交したものを利用することができる。これにより光は偏光方向により誘電体結晶基板内の異なる方向に進行し、異なる偏光方向の光はそれぞれ出力面の異なる箇所に出力される。この位置に光ファイバーを結合させておけば、異なる偏光を異なる光ファイバーに導くことができる。
【００１４】
これらの強誘電体結晶基板の対称性は斜方晶であることが好ましく、その中でＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４を使用することがより好ましい。この対称性により分極の制御がしやすく、またこれらの材料は電気光学効果を有効に用いることができる。
【００１５】
本発明の原理図を図１に示した。複屈折結晶１０の自発分極方向が光軸１に対して４５度となるように主面２５，２６を切り出す（以下、図面で分極は白抜き矢印で示す）。光軸と垂直な主面には電極３０、３１を形成する。同様に複屈折結晶１１も同じ構成にして、この２つの複屈折結晶を間に１／２波長板１５を挿入して光の進路に沿って配置する。光軸１に沿って第一の複屈折結晶１０に入射した光の常光成分は光軸１から直進して結晶内の光軸４０に沿って直進する。異常光はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角＋ρ°（図中では下方向）ずれた方向の光軸４１に沿って伝搬する。常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００１６】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角＋ρ°ずれた方向の光軸５１に沿って伝搬する。一方常光成分は光軸５０に沿って直進して出射面２６から出射し、出射面で異常光成分と合波されて光軸４上のポートＡへ向かう。
【００１７】
ここで電極３０，３１間と電極３２，３３間にそれぞれ電界を印加すると、図１（ｂ）に示すようにある閾値電界で自発分極方向が９０度回転する。このときの光の伝播を説明する。光軸１に沿って第一の複屈折結晶１０に入射した光の常光成分は結晶内の光軸４０に沿って直進する。異常光はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角−ρ°（図中で上方向）ずれた光軸４２に沿って伝搬する。複屈折結晶１０を出射した後の常光成分、異常光成分はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向がそれぞれ９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００１８】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角−ρ°ずれた光軸５３に沿って伝搬する。一方常光成分は光軸５２を直進して出射面２６から出射されるときは異常光成分と合波されて光軸５上のポートＢから出射される。このように電界の印加操作により分極方向を９０°スイッチすることによりポートＡとポートＢとの間で光をスイッチすることが可能となることがわかる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
斜方晶系に属するネオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）を例にとり説明する。ＫＮｂＯ３の室温における点群はｍｍ２で、格子定数はａ＝５．６８８、ｂ＝３．９７１、ｃ＝５．７１４、波長６３３ｎｍでの主屈折率ｎａ＝２．２８０１、ｎｂ＝２．３２９６、ｎｃ＝２．１６８７である。
【００２０】
次にこのような９０度ドメインの形成法について説明する。例としてＫＮｂＯ３結晶を図２（ａ）のようにａ、−ｃ４５度方向が主面となるように矩形体に切り出し、入射面２５、出射面２６を光学研磨する。主面上に長手方向がｂ軸方向となる周期的な電極３０，３１を金属蒸着等の手段で形成する。電極３０と電極３１間に分極が倒れる方向に電界を加える。
【００２１】
図２（ｂ）のように電極下部分の自発分極方向がｂ軸を回転中心として図２（ａ）の状態から９０度回転を生じる。このため互いに直交した分極方向となる電界で制御することができる。図２（ａ），図２（ｂ）中では分極軸方向を矢印で、屈折率楕円体を楕円で示している。
第一の実施形態である１×２光スイッチを図３（ａ）に示す。
第一の複屈折結晶１０と第二の複屈折結晶１１の間に波長１．５５μｍでの１／２波長板１５をはさんで配置する。第一と第二の複屈折結晶はＫＮ結晶からなり伝搬方向の厚みは２．８ｍｍとなるよう切り出す。
【００２２】
それぞれの部品の入射出射面には戻り光を低減するために波長１．５５μｍでの無反射コーテイングを施してある。第一、第二の複屈折結晶の上下面には電極対となる電極３０、３１が装着され、図示されていない電源により電界を印加することが可能となっている。第二の複屈折結晶の出射面にはＧＲＩＮレンズからなるコリメータレンズ２２，２３がそれぞれ近接して取り付けられ、これにより外部のファイバー２，３に集光されるようになっている。ファイバ２，３の相互の距離は２５０μｍとなるように配置される。前述の結晶厚みはビームウオークオフによる光軸ずれ量が１２５／２＝１２５μｍとなるように設計されている。
【００２３】
まず最初に第一と第二の複屈折結晶の分極方向は白の矢印で示されたとおり、光の進行方向に対して右４５度方向を向いている。光ファイバ１から出射した光はＧＲＩＮレンズ等のコリメータレンズ２１により平行光束にされ第一の複屈折結晶１０に入射される。第一の複屈折結晶で２つの偏光成分に分離され、常光成分は光軸４０に沿って直進し、異常光成分は図面下方向にビームウオークオフ角＋ρ（２．５度）で光軸４１に沿って伝搬する。
【００２４】
常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００２５】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角＋ρ°ずれた方向にの光軸５１に伝搬する。一方常光成分は結晶内の光軸５０を直進して出射面６から出射されるときは異常光成分と合波されてファイバ３に結合される。
【００２６】
ここで電極３０，３１間に電界を印加すると、ある閾値電界で自発分極方向が９０度回転を生じさせる。このときの光の伝播を図３（ｂ）で説明する。ファイバ１からの出射光はコリメータ２１で平行光束にされた後、第一の複屈折結晶１０に入射する。第一の複屈折結晶に入射した光の常光成分は光軸４０に沿って直進する。異常光はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角−ρ°（図中で上方向）ずれた方向の光軸４２に伝搬する。常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００２７】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角−ρ°ずれた方向の光軸５３に沿って伝搬する。一方常光成分は直進して出射面６から出射されるときは異常光成分と合波されてファイバ２に結合される。このように分極方向を電界印加によって９０°スイッチすることによりファイバ３とファイバ２の間で光をスイッチすることが可能となることがわかる。
【００２８】
第二の実施形態として偏光分離器として利用した例を図４に示す。
構成は電極部を除いて実施形態１と同様であり、重複した部分の説明は省略する。第一の複屈折結晶と第二の複屈折結晶はそれぞれ電極３０，３１からなる電極対と電極３２、３３からなる別の電極対を備えており、第一と第二の複屈折結晶の分極方向を独立に制御できる構成となっている。
【００２９】
光ファイバ１から出射した光はＧＲＩＮレンズ等のコリメータレンズ２１により平行光束にされ第一の複屈折結晶１０に入射される。第一の複屈折結晶で２つの偏光成分に分離され、常光成分は直進し結晶内の光軸４０に沿って伝播し、異常光成分は図面下方向にビームウオークオフ角＋ρで光軸４１を伝搬する。
【００３０】
常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後、進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００３１】
第二の複屈折結晶１１の分極方向は第一の複屈折結晶１０の分極方向と９０度になるように電極対３２，３３に予め電界が印加されている。
常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００３２】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角−ρ°ずれた方向の光軸５３に沿って伝搬する。一方常光成分は光軸５０を直進し、両成分の光は出射面６から出射されるときは、異常光成分はファイバ２へ常光成分はファイバ３へ結合される。
【００３３】
一方、第一と第二の複屈折結晶の分極方向を図４と逆方向にスイッチさせた場合は図５に示すように、それぞれの偏光の出力ファイバが反対になる。すなわち異常光偏光はファイバ２へ常光成分はファイバ３へ結合されることになる。このようにして偏光分離器として機能することがわかる。
【００３４】
次に第三の実施形態として１×４のスイッチへ拡張した実施形態を図６に示した。これは第一の実施形態の１×２光スイッチを２対直列に配置したものである。ただし初段の１×２光スイッチ７０を構成する各結晶６０，６１の長さは２段目の１×２光スイッチ７１を構成する各複屈折結晶１０，１１の長さ（２．８ｍｍ）に比べて約２倍の長さ（５．７ｍｍ）になっている。初段の光スイッチの電極６６，６７の間と、二段の光スイッチの電極３０，３１の間の電界印加方向の組み合わせにより出力結合するファイバをファイバー２，３，７２，７３から選ぶことができる。これにより１×４の光スイッチが実現できる。
【００３５】
以上の説明は主にＫＮｂＯ３結晶を例に説明したが、２軸性結晶で斜方晶結晶であるＫＴｉＯＰＯ４、ＫＬｉＮｂＯ３，ＴｉＢａＯ３，ＲｂＴｉＯＰＯ４などにも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図である。
【図２】本発明で用いる９０度分極の作成法を説明する図である。
【図３】本発明による光スイッチの動作を説明する図である。
【図４】本発明による偏光分離器の動作を説明する図である。
【図５】本発明による偏光分離器の動作を説明する図である。
【図６】本発明による１×４光スイッチの動作を説明する図である。
【図７】従来の光スイッチの動作を説明する図である。
【図８】従来の他の光スイッチの動作を説明する図である。
【符号の説明】
１，２，３、７２，７３ ・・光ファイバー
１０，１１，６０，６１ ・・結晶
５，２５ ・・入射面 ６，２６ ・・出射面
１５、６５ ・・１／２波長板
３０，３１，３２，３３、６６、６７ ・・電極
４，５、４０，４１，５０，５１，５２，５３ ・・光軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electro-optical element, and more particularly to a light control element using a 90-degree polarization reversal of a ferroelectric substrate having birefringence.
More specifically, the present invention relates to an optical switch used in optical communication, an optical switch, an optical control element used for interconnection in optical information processing, and the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an optical switch is known as a device used for turning on / off an optical signal propagating through an optical transmission line such as an optical fiber or a waveguide, or switching a transmission direction, and the like. It is used for interconnection and the like in optical information processing. In recent years, an optical switch that can cope with multiple channels has been proposed (RE Wagner and J. Cheng, Appl. Opt., Vol. 19, No. 17, 2921-2925 (1980)).
[0003]
Here, FIG. 7 is an explanatory view of the optical switch described in the above document. In FIG. 7, a light beam enters the prism P1 from the left side. Prism P1 splits the incident light into two orthogonal polarization components, and vertically polarized light is subsequently transmitted to the right, while horizontally polarized light is reflected upward toward mirror prism M1. Next, both polarization components pass through the liquid crystal cell R.
[0004]
Here, although not shown, if the liquid crystal cell R is turned on by a power supply (FIG. 7A), both polarization components do not change direction even if they pass through the cell. They are then recombined at prism P2, the beam from mirror prism M1 is reflected, and the beam from M2 is transmitted. As a result, both polarization components are sent to output A.
[0005]
Next, when the power is turned off (FIG. 7 (b)), both polarization components are rotated by 90 ° when passing through the liquid crystal cell R. Thus, the beam from M1 is transmitted through P2, and the beam from M2 is reflected. As a result, both polarization components are sent to the output port B. That is, by switching the optical output at both output ports, the optical output power at both output ports can be changed from near zero to near 100%.
[0006]
Now, such an optical switch can constitute an optical switch having a 2 × 2 configuration. That is, as shown in FIG. 8, when the incident light A and the incident light B are incident on the prism P1 and the liquid crystal cell is turned on, the incident light A and the incident light B are coupled to the output B and turned off. The output direction switches.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the 2 × 2 optical switch, the prisms P1 and P2 are actually manufactured by laminating a cube-shaped polarizing prism and a triangular prism. Further, the polarizing prism is formed by applying an optical multilayer film coating to one of two triangular prisms and bonding them together with an adhesive, so that the production cost is high in practice. It is required that an optical switch can be realized with a small number of components by using a component configured only by plane polishing without performing triangular polishing. When the number of elements increases, the insertion loss and crosstalk deteriorate, so that the C / N of the signal deteriorates. In addition, parts costs and assembly adjustment costs are increased, and the price as a product is significantly increased.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical switch that can cope with many channels with a small number of elements.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that the direction of spontaneous polarization can be rotated not only by 180 ° but also by 90 ° by applying an electric field to the orthorhombic ferroelectric crystal having spontaneous polarization. The present invention realizes an optical switch or an optical shutter by controlling the traveling direction of light using this phenomenon.
[0010]
That is, in the present invention, a first ferroelectric crystal substrate having a light incident surface and a light emitting surface, a half-wave plate, and a second ferroelectric crystal substrate having a light incident surface and a light emitting surface are arranged in this order. The first and second ferroelectric crystal substrates have tilted crystal axes with respect to incident light so as to cause beam walk-off, and the spontaneous polarization direction in each of the ferroelectric crystal substrates is The light control element is characterized by being parallel or orthogonal.
[0011]
In the present invention, the thickness of the first and second ferroelectric crystal substrates in the direction parallel to the incident light is equal to each other, and the polarization directions of the spontaneous polarization of the two ferroelectric crystal substrates are parallel to each other, and from the outside. By changing the polarization direction of the spontaneous polarization by applying a voltage, an optical switch that can change the light output portion on the emission surface of the second ferroelectric crystal substrate can be obtained. By coupling to the optical fiber at each output point to be converted, an optical fiber that outputs light can be selected by changing the polarization direction by applying an external voltage.
[0012]
By arranging a plurality of light control elements having the optical switch function in series, a large number of output locations can be obtained. For example, if n pieces are arranged in series, 2 n places are obtained.
[0013]
In another embodiment of the present invention, the first and second ferroelectric crystal substrates whose spontaneous polarization directions are orthogonal to each other can be used. Accordingly, the light travels in different directions in the dielectric crystal substrate depending on the polarization direction, and the light in different polarization directions is output to different portions of the output surface. If an optical fiber is coupled to this position, different polarizations can be guided to different optical fibers.
[0014]
The symmetry of these ferroelectric crystal substrates is preferably orthorhombic, and among them, KNbO 3 or KTiOPO 4 is more preferably used. Due to this symmetry, the polarization can be easily controlled, and these materials can effectively use the electro-optic effect.
[0015]
FIG. 1 shows the principle of the present invention. The principal surfaces 25 and 26 are cut out such that the spontaneous polarization direction of the birefringent crystal 10 is at 45 degrees with respect to the optical axis 1 (hereinafter, the polarization is indicated by a white arrow in the drawings). Electrodes 30 and 31 are formed on the main surface perpendicular to the optical axis. Similarly, the birefringent crystal 11 has the same configuration, and the two birefringent crystals are arranged along the path of light with a half-wave plate 15 inserted between them. The ordinary light component of the light incident on the first birefringent crystal 10 along the optical axis 1 goes straight from the optical axis 1 and goes straight along the optical axis 40 in the crystal. The extraordinary light propagates along the optical axis 41 in a direction shifted by a walk-off angle + ρ ° (downward in the figure) due to a beam walk-off effect. After exiting the birefringent crystal 10, the ordinary light component and the extraordinary light component travel in parallel to each other and pass through the half-wave plate 15. After passing through the half-wave plate 15, the deflection direction is rotated by 90 °, the ordinary light is converted into the extraordinary light, and the extraordinary light is converted into the ordinary light component, and is incident on the second birefringent crystal 11.
[0016]
The extraordinary light component incident on the second birefringent crystal 11 propagates along the optical axis 51 in a direction shifted by a walk-off angle + ρ ° due to a beam walk-off effect. On the other hand, the ordinary light component travels straight along the optical axis 50 and exits from the exit surface 26, is combined with the extraordinary light component on the exit surface, and travels toward the port A on the optical axis 4.
[0017]
When an electric field is applied between the electrodes 30 and 31 and between the electrodes 32 and 33, the spontaneous polarization direction is rotated by 90 degrees with a certain threshold electric field as shown in FIG. The light propagation at this time will be described. The ordinary light component of the light incident on the first birefringent crystal 10 along the optical axis 1 goes straight along the optical axis 40 in the crystal. The extraordinary light propagates along the optical axis 42 shifted by a walk-off angle −ρ ° (upward in the figure) due to the beam walk-off effect. The ordinary light component and the extraordinary light component after exiting the birefringent crystal 10 have their traveling directions parallel to each other and pass through the half-wave plate 15. After passing through the half-wave plate 15, the deflection directions are rotated by 90 °, and the ordinary light is converted into the extraordinary light, and the extraordinary light is converted into the ordinary light component, and is incident on the second birefringent crystal 11.
[0018]
The extraordinary light component incident on the second birefringent crystal 11 propagates along the optical axis 53 shifted by a walk-off angle −ρ ° due to the beam walk-off effect. On the other hand, when the ordinary light component travels straight along the optical axis 52 and exits from the exit surface 26, it is combined with the extraordinary light component and exits from the port B on the optical axis 5. It can be seen that by switching the polarization direction by 90 ° by applying the electric field, light can be switched between the port A and the port B.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Description will be made taking potassium neobate (KNbO 3 ) belonging to the orthorhombic system as an example. The point group of KNbO 3 at room temperature is mm 2, the lattice constants are a = 5.688, b = 3.971, c = 5.714, the main refractive indices na = 2.2801 and nb = 2.3296 at a wavelength of 633 nm. , Nc = 2.1687.
[0020]
Next, a method for forming such a 90-degree domain will be described. As an example, a KNbO 3 crystal is cut into a rectangular body so that the a- and −c 45 ° directions are the main surfaces as shown in FIG. 2A, and the incident surface 25 and the output surface 26 are optically polished. Periodic electrodes 30, 31 whose longitudinal direction is the b-axis direction are formed on the main surface by means such as metal evaporation. An electric field is applied between the electrode 30 and the electrode 31 in the direction in which the polarization falls.
[0021]
As shown in FIG. 2B, the spontaneous polarization direction of the lower portion of the electrode is rotated by 90 degrees from the state of FIG. For this reason, it can be controlled by electric fields having polarization directions orthogonal to each other. 2A and 2B, the polarization axis direction is indicated by an arrow, and the refractive index ellipsoid is indicated by an ellipse.
FIG. 3A shows a 1 × 2 optical switch according to the first embodiment.
A half-wave plate 15 having a wavelength of 1.55 μm is arranged between the first birefringent crystal 10 and the second birefringent crystal 11. The first and second birefringent crystals are made of a KN crystal and cut out to have a thickness in the propagation direction of 2.8 mm.
[0022]
The entrance and exit surfaces of each component are coated with a non-reflective coating at a wavelength of 1.55 μm to reduce return light. Electrodes 30, 31 serving as an electrode pair are mounted on the upper and lower surfaces of the first and second birefringent crystals, and an electric field can be applied by a power source (not shown). Collimator lenses 22 and 23 each composed of a GRIN lens are attached to the exit surface of the second birefringent crystal in close proximity to each other, so that light is condensed on external fibers 2 and 3. The fibers 2 and 3 are arranged so that the distance between them is 250 μm. The above-mentioned crystal thickness is designed so that the optical axis shift amount due to the beam walk-off is 125/2 = 125 μm.
[0023]
First, the polarization directions of the first and second birefringent crystals are oriented at 45 degrees to the right with respect to the traveling direction of light, as indicated by white arrows. Light emitted from the optical fiber 1 is converted into a parallel light beam by a collimator lens 21 such as a GRIN lens, and is incident on the first birefringent crystal 10. The first birefringent crystal separates the light into two polarized light components. The ordinary light component travels straight along the optical axis 40, and the extraordinary light component travels downward at a beam walk-off angle + ρ (2.5 degrees) in the optical axis 41. Propagate along.
[0024]
After exiting the birefringent crystal 10, the ordinary light component and the extraordinary light component travel in parallel to each other and pass through the half-wave plate 15. After passing through the half-wave plate 15, the deflection direction is rotated by 90 °, the ordinary light is converted into the extraordinary light, and the extraordinary light is converted into the ordinary light component, and is incident on the second birefringent crystal 11.
[0025]
The extraordinary light component incident on the second birefringent crystal 11 is propagated to the optical axis 51 in a direction shifted by the walk angle + ρ ° due to the beam walk-off effect. On the other hand, when the ordinary light component travels straight along the optical axis 50 in the crystal and exits from the exit surface 6, it is combined with the extraordinary light component and coupled to the fiber 3.
[0026]
When an electric field is applied between the electrodes 30 and 31, the spontaneous polarization direction is rotated by 90 degrees at a certain threshold electric field. The propagation of light at this time will be described with reference to FIG. The light emitted from the fiber 1 is converted into a parallel light beam by the collimator 21 and then enters the first birefringent crystal 10. The ordinary light component of the light incident on the first birefringent crystal travels straight along the optical axis 40. The extraordinary light propagates to the optical axis 42 in a direction shifted by a walk angle −ρ ° (upward in the figure) due to a beam walk-off effect. After exiting the birefringent crystal 10, the ordinary light component and the extraordinary light component travel in parallel to each other and pass through the half-wave plate 15. After passing through the half-wave plate 15, the deflection direction is rotated by 90 °, the ordinary light is converted into the extraordinary light, and the extraordinary light is converted into the ordinary light component, and is incident on the second birefringent crystal 11.
[0027]
The extraordinary light component that has entered the second birefringent crystal 11 propagates along the optical axis 53 in a direction shifted by the Walkow angle −ρ ° due to the beam walk-off effect. On the other hand, when the ordinary light component goes straight and exits from the exit surface 6, it is combined with the extraordinary light component and coupled to the fiber 2. It can be seen that by switching the polarization direction by 90 ° by applying an electric field, light can be switched between the fiber 3 and the fiber 2.
[0028]
FIG. 4 shows an example in which the second embodiment is used as a polarization separator.
The configuration is the same as that of the first embodiment except for the electrode section, and the description of the overlapping portions will be omitted. The first birefringent crystal and the second birefringent crystal have an electrode pair composed of electrodes 30 and 31 and another electrode pair composed of electrodes 32 and 33, respectively. The direction can be controlled independently.
[0029]
Light emitted from the optical fiber 1 is converted into a parallel light beam by a collimator lens 21 such as a GRIN lens, and is incident on the first birefringent crystal 10. The first birefringent crystal separates the light into two polarized light components, the ordinary light component travels straight and propagates along the optical axis 40 in the crystal, and the extraordinary light component passes through the optical axis 41 at a beam walk-off angle + ρ downward in the drawing. Propagate.
[0030]
After exiting the birefringent crystal 10, the ordinary light component and the extraordinary light component travel in parallel to each other and pass through the half-wave plate 15. After passing through the half-wave plate 15, the deflection direction is rotated by 90 °, the ordinary light is converted into the extraordinary light, and the extraordinary light is converted into the ordinary light component, and is incident on the second birefringent crystal 11.
[0031]
An electric field is applied to the electrode pairs 32 and 33 in advance so that the polarization direction of the second birefringent crystal 11 is 90 degrees with respect to the polarization direction of the first birefringent crystal 10.
After exiting the birefringent crystal 10, the ordinary light component and the extraordinary light component travel in parallel to each other and pass through the half-wave plate 15. After passing through the half-wave plate 15, the deflection direction is rotated by 90 °, the ordinary light is converted into the extraordinary light, and the extraordinary light is converted into the ordinary light component, and is incident on the second birefringent crystal 11.
[0032]
The extraordinary light component that has entered the second birefringent crystal 11 propagates along the optical axis 53 in a direction shifted by the Walkow angle −ρ ° due to the beam walk-off effect. On the other hand, the ordinary light component travels straight along the optical axis 50, and when the light of both components is emitted from the emission surface 6, the extraordinary light component is coupled to the fiber 2 and the ordinary light component is coupled to the fiber 3.
[0033]
On the other hand, when the polarization directions of the first and second birefringent crystals are switched in the directions opposite to those in FIG. 4, the output fibers of the respective polarizations are reversed as shown in FIG. That is, the extraordinary light polarization is coupled to the fiber 2 and the ordinary light component is coupled to the fiber 3. Thus, it can be seen that it functions as a polarization separator.
[0034]
Next, FIG. 6 shows an embodiment in which a third embodiment is extended to a 1 × 4 switch. This is one in which two pairs of 1 × 2 optical switches of the first embodiment are arranged in series. However, the length of each crystal 60, 61 constituting the first stage 1 × 2 optical switch 70 is the same as the length (2.8 mm) of each birefringent crystal 10, 11 constituting the second stage 1 × 2 optical switch 71. The length is about twice as long (5.7 mm). The fibers to be output-coupled can be selected from the fibers 2, 3, 72, and 73 according to the combination of the electric field application direction between the electrodes 66 and 67 of the first-stage optical switch and the electrodes 30 and 31 of the two-stage optical switch. . Thereby, a 1 × 4 optical switch can be realized.
[0035]
Although the above description has mainly been given of an example of a KNbO 3 crystal, it goes without saying that the present invention can also be applied to KTiOPO 4 , KLiNbO 3 , TiBaO 3 , RbTiOPO 4 which are biaxial crystals and orthorhombic crystals.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method of creating 90-degree polarization used in the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the optical switch according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the polarization separator according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the operation of the polarization separator according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of a 1 × 4 optical switch according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of a conventional optical switch.
FIG. 8 is a diagram illustrating the operation of another conventional optical switch.
[Explanation of symbols]
1,2,3,72,73 ··· Optical fiber 10,11,60,61 ··· Crystal 5,25 ··· Incoming surface 6,26 ··· Outgoing surface 15,65 ··· 1/2 wavelength plate 30,31, 32, 33, 66, 67... Electrodes 4, 5, 40, 41, 50, 51, 52, 53.
