JP2006011200A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】制御光のパワーを低減でき、かつ光ファイバループを構成する光ファイバの長さが短いコンパクトな光スイッチを提供する。
【解決手段】この光スイッチは、光分波合成器10と、第1光ファイバ16と、第2光ファイバ18と、光非線形制御部20とを具えている。第1光ファイバは、光分波合成器の第2ポート10-2に一端が接続され、制御光を入力する光カプラ12を具えている。第2光ファイバは、光分波合成器の第3ポート10-3に一端が接続されている。光非線形制御部は、偏波分離合成モジュール14と、第3光ファイバ22と、第4光ファイバ24と、偏波面回転部26とを具えている。偏波分離合成モジュールは、第1入出力端14−1、第2入出力端14−2、第3入出力端14−3及び第4入出力端14−4を具えている。第3光ファイバ22は、偏波分離合成モジュールの第3入出力端に一端が結合されている。第4光ファイバ24は、偏波分離合成モジュールの第2入出力端に一端が結合されている。偏波面回転部は、第3光ファイバの他端と第4光ファイバの他端とを接続している。
【選択図】図1

Description

この発明は、長距離大容量光ファイバ通信等に利用される、制御光によって被制御光をスイッチする光スイッチに関する。

限られた通信線路資源を有効に利用して、大容量光ファイバ通信を実現するには、送受信可能なチャンネル数を増やし、かつ通信速度を高速化する手段が必要である。

チャンネル数を増やす手段として、時分割多重通信（TDM: Time Division Multiplexing）等の多重通信方法が検討されている。TDMは、複数チャンネルを時間多重して時分割多重信号として送信し、受信側でクロック信号から生成されるゲート信号によって時分割多重信号から個々のチャンネルを分離することにより、個々のチャンネルの情報を個別に取り出して受信する方法を採用した通信である。

上述したTDMの通信速度を高速化するためには、多重分離手段を全て光学的な手段で実現するのが望ましい。すなわち、光パルス信号を構成する光パルスを遮断/透過させるスイッチング動作を、電気的な手段を介することなく光制御信号のみで実行できる光スイッチを実現するのが望ましい。

光ファイバにおいて発現する光カー効果は、光ファイバを強い強度の光が伝播することにより光ファイバの屈折率が変化する現象である。光カー効果の応答速度は数フェムト秒（fs）である。すなわち、光カー効果を利用して光スイッチを構成すれば、数百Gbit/s以上の光パルス信号のスイッチングが可能な光スイッチを実現できる可能性がある。因みに、光パルス信号を一旦電気信号である電気パルス信号に変換し、その電気パルス信号を電子デバイスでスイッチングした後に再び光パルス信号に戻すという、従来のスイッチでは、40 Gbit/s程度のビットレートの光パルス信号をスイッチングすることが限界であった。

光カー効果を利用した光スイッチとして、非線形光ループミラー（NOLM：Nonlinear Optical Loop Mirror）が研究されてきた（例えば、非特許文献1及び特許文献1参照）。非特許文献1及び特許文献1に開示されているNOLMの基本構成は、光分波合成器、光カプラ及び光ファイバループを具えている。これらNOLMの基本動作を要約すると次のようになる。

スイッチングの対象である、時分割多重光パルス信号は、光分波合成器によってその光強度を均等に二分割される。二分割された時分割多重光パルス信号は、それぞれが光ファイバループ内を時計回り及び反時計回りに伝播し、再び光分波合成器に入力されて両者が結合される。このとき、光カプラから制御光が入力されなければ、光ファイバループ内を時計回りに伝播する時分割多重光パルスと反時計回りに伝播する時分割多重光パルスとは、光分波合成器において同位相で合波される。その結果、NOLMに入力された時分割多重光パルス信号は、光分波合成器へ入力された入出力端と同一の入出力端に出力される。この入出力端に出力される時分割多重光パルス信号(光)は、ループ反射光と呼ばれることもある。

一方、光カプラから制御光が入力されると光ファイバループ内で光カー効果が発現し屈折率が変化する。そのため、二分割された時分割多重光パルス信号は、それぞれが光ファイバループ内を時計回り及び反時計回りに伝播し、再び光分波合成器に入力されて両者が結合されたときには両者の位相がずれている。この位相ずれ量がπとなるように、光ファイバループの長さや制御光の強度を調整すれば、NOLMに入力された時分割多重光パルス信号は、光分波合成器へ入力された入出力端と対になるもう一方の入出力端に出力される。このもう一方の入出力端に出力される時分割多重光パルス信号(光)は、ループ透過光と呼ばれることもある。

以上説明したように、制御光によって、時分割多重光パルス信号が光分波合成器へ入力された入出力端と同一の入出力端に出力されたり、光分波合成器へ入力された入出力端と対になるもう一方の入出力端に出力されたりといった、スイッチング動作が実現する。

また、NOLMにおいては、光ファイバループを時計回りに伝播する光パルス信号と反時計回りに伝播する光パルス信号とを、光分波合成器で合波させて干渉させるためには、これら両者の光パルス信号の偏光方向を合致させる必要がある。そのための方法として上述の光ファイバループを偏波面保存光ファイバで構成する方法が研究されている（例えば非特許文献2参照）。
"Modelling of NOLM Demultiplexers Employing Optical Soliton Control Pulse," Z. Ghassemlooy, C. Y. Cheung ＆ A. K. Ray, Microwave and Optical Technology Letters, vol. 21, No. 3 pp. 205-208, 1999. European Patent Application EP 0 892 516 A2. "Ultrafast polarisation-independent all-optical switching using a polarisation diversity scheme in the nonlinear optical loop mirror," K. Uchiyama, H. Takara, S. Kawanishi, T. Morioka and M. Saruwatari, Electronics. Letters. vol. 28, No. 20,pp. 1864-1866, 1992.

光カー効果により光ファイバにおいて発現する屈折率の変化の大きさはその光ファイバ長さ等の寸法的要件と、素材と、伝播する光の強度とによって決まる。すなわち、光スイッチの光ファイバループを構成する光ファイバの種類が選択されれば、スイッチングに必要とされる上述の位相ずれ量を得るために必要とされる、光ファイバループの長さ及び制御光の強度が決まる。光ファイバループを構成する光ファイバは、その光スイッチの用途によってその種類等が決められる。すなわち光通信の光搬送波の波長等によって決定される事項である。

上述のスイッチングに必要とされる位相ずれ量φは次式(1)で与えられる。
φ＝２γPL (1)
ここで、P(W)は制御光のパワー、L(km)は光ファイバループを構成している光ファイバの長さである。γ(W^-1km^-1)は光カー効果に基づく非線形光学定数であり、光ファイバの有効断面積などで規格化された値が使われる。

γ(W^-1km^-1)は通常の光ファイバに対しては、1〜2 W^-1km^-1程度の値であるが、数十〜数百 W^-1km^-1程度の値をとる有効断面積を小さくした高非線形光ファイバと呼ばれる特殊な光ファイバも開発されている。

そこで、この発明の目的は、光ファイバループに利用する光ファイバの種類及び制御光の強度が設計パラメータとして確定しているという条件下で、制御光のパワーを低減でき、かつ光ファイバループを構成する光ファイバの長さを短くすることができる、コンパクトな光スイッチを提供することにある。一般に光スイッチを時間多重光通信において採用する場合、光搬送波の波長やその強度等の諸条件によって、利用できる光ファイバの素材あるいは制御光の強度は設計の前提条件としてあらかじめ確定している場合が多い。

上述の目的を達成するため、第1の発明の光スイッチは、光分波合成器と、第1光ファイバと、第2光ファイバと、光非線形制御部とを具えている。光分波合成器は、被制御光である信号光を入力する第1ポート、第1光ファイバを接続する第2ポート、第2光ファイバを接続する第3ポート及びスイッチングされた信号光を出力する第4ポートを具え、光強度の分岐比が1対1となるように調整されている。第1光ファイバは、光分波合成器の第2ポートに一端が接続され、制御光を入力する光カプラを具えている。第2光ファイバは、光分波合成器の第3ポートに一端が接続されている。

また、光非線形制御部は、偏波分離合成モジュールと、第3光ファイバと、第4光ファイバと、偏波面回転部とを具えている。偏波分離合成モジュールは、第1乃至第4入出力端を具えている。第3光ファイバは、偏波分離合成モジュールの第1光ファイバの他端が結合されている第1入出力端と対向する側の第3入出力端に一端が結合されている。第4光ファイバは、偏波分離合成モジュールの第2光ファイバの他端が結合されている第4入出力端と対向する側の第2入出力端に一端が結合されている。偏波面回転部は、第3光ファイバの他端と第4光ファイバの他端とを接続している。

好ましくは、光分波合成器の第4ポートに第5光ファイバの一端を接続し、この第5光ファイバの他端に光バンドパスフィルタを接続して、スイッチングされた信号光を取り出す構造とするのがよい。また、好ましくは第1乃至第4光ファイバを偏波面保存光ファイバとするのがよい。

第2の発明の光スイッチは、光分波合成器と、第1光ファイバと、第2光ファイバと、光非線形制御部とを具えている。光分波合成器は、信号光を入力する第1ポート、第1光ファイバを接続する第2ポート、第2光ファイバを接続する第3ポート及びスイッチングされた信号光を出力する第4ポートを具え、光強度の分岐比が1対1に調整されている。第1光ファイバは、光分波合成器の第2ポートにその一端が接続され、制御光を入力する光カプラを具えている。第2光ファイバは、光分波合成器の第3ポートにその一端が接続され、偏波面を90°回転させる第1偏波面回転部を具えている。

光非線形制御部は、第1光ファイバと第2光ファイバとが結合されており、第1乃至第3入出力端を具える第1偏波分離合成モジュールと、第1乃至第3入出力端を具える第2偏波分離合成モジュールと、第3光ファイバと、第4光ファイバとを具えている。第3光ファイバは、第1偏波分離合成モジュールの第1入出力端に対向する側の第2入出力端にその一端が結合され、第2偏波分離合成モジュールの第3入出力端に対向する側の第1入出力端にその他端が結合されている。第4光ファイバは、偏波面を90°回転させる第2偏波面回転部を具え、第1偏波分離合成モジュールの第3入出力端にその一端が結合され、第2偏波分離合成モジュールの第1入出力端に対向する側の第3入出力端にその一端が結合されている。

そして、第1偏波分離合成モジュールの第1入出力端には第1光ファイバの他端が結合されており、第2偏波分離合成モジュールの第2入出力端には第2光ファイバの他端が結合されている。

好ましくは、光分波合成器の第4ポートに第5光ファイバの一端を接続し、この第5光ファイバの他端に光バンドパスフィルタを接続して、スイッチングされた信号光を取り出す構造とするのがよい。また、好ましくは第1乃至第4光ファイバを偏波面保存光ファイバとするのがよい。

第1の発明の光スイッチによれば、被制御光である信号光が第1ポートから光分波合成器に入力されて第1信号光と第2信号光とに分岐され、第1信号光は第2ポートから出力されて第1光ファイバに入力され、第2信号光は第3ポートから出力されて第2光ファイバに入力される。

第1信号光は、第1光ファイバを伝播した後、光非線形制御部に入力される。すなわち、偏波分離合成モジュールの第1入出力端から入力されて第1入出力端と対向する側の第3入出力端から出力され、第3光ファイバに入力されて第3光ファイバを伝播し、偏波面回転部で偏波面が90°回転されて、第4光ファイバを伝播して偏波分離合成モジュールの第2入出力端に入力される。そして、偏波分離合成モジュールの第3入出力端から出力されて再び第3光ファイバを伝播し、偏波面回転部で再び偏波面が90°回転されて、第4光ファイバを伝播して偏波分離合成モジュールの第2入出力端に入力される。そして、第2入出力端に対向する側の第4入出力端から出力されて、第2光ファイバを伝播して、光分波合成器の第3ポートに戻る。

一方、第2信号光は、第2光ファイバを伝播した後、光非線形制御部に入力される。すなわち、偏波分離合成モジュールの第4入出力端に入力されて第4入出力端に対向する側の第2入出力端から出力され、第4光ファイバに入力されて第4光ファイバを伝播し、偏波面回転部で偏波面が90°回転されて、第3光ファイバを伝播して偏波分離合成モジュールの第3入出力端に入力される。そして、偏波分離合成モジュールの第2入出力端から出力されて再び第4光ファイバを伝播し、偏波面回転部で再び偏波面が90°回転されて第3光ファイバを伝播して、偏波分離合成モジュールの第3入出力端から入力されて第3入出力端に対向する側の第1入出力端から出力されて、第1光ファイバに入力されて第1光ファイバを伝播して光分波合成器の第2ポートに戻る。

制御光は、第1光ファイバの途中に設置された光カプラを介して第1光ファイバに入力される。また、光分波合成器の第4ポートから出力光が外部に出力される。第1光ファイバに入力される制御光によって、第1乃至第4光ファイバにおいて光カー効果が発現し、第1乃至第4光ファイバを伝播する信号光に対する屈折率が変化する。第3及び第4光ファイバの長さが第1及び第2光ファイバの長さに比べてはるかに長いので、信号光の位相変化への寄与は、主に第3及び第4光ファイバによってもたらされる。すなわち、信号光の位相変化は第3及び第4光ファイバの長さが長いほど、顕著となる。

上述の信号光の位相変化量がπとなるように、制御光の強度に応じて第3及び第4光ファイバの長さを調整すれば、第1の発明の光スイッチに入力された信号光は、制御光が、第1光ファイバが具える光カプラから入力されたときに限り、光分波合成器へ入力された第1ポートと対になる第4ポートにループ透過光として出力される。一方、制御光が入力されないとき、信号光は、ループ反射光として第1ポートに反射される。

上述したように、第1及び第2信号光は、第3及び第4光ファイバをそれぞれ2回伝播することになる。詳細は後述するが、このようなことが実現するのは、偏波面回転部で偏波面が90°回転されることと、偏波分離合成モジュールの偏波面選択性に起因する。

第1及び第2信号光が、第3及び第4光ファイバをそれぞれ2回伝播することになると、実質的に第3及び第4光ファイバの長さを2倍に設定したのと同一の効果がある。すなわち、第3及び第4光ファイバとして利用する光ファイバ材料及び制御光の強度が設計パラメータとして確定しているという条件下であれば、光スイッチ動作を実現するために必要とされる信号光の位相変化を得るための第2及び第3光ファイバの長さを短くすることができることにつながる。

すなわち、光スイッチを構成する第3及び第4光ファイバの長さを短くできることは、光スイッチのコンパクト化に有効である。また、第3及び第4光ファイバの長さを短くできることにより、周囲温度等の影響を受けにくくなるため、光スイッチの動作状態の安定化にも有効である。

また、第2の発明の光スイッチによれば、信号光が第1ポートから光分波合成器に入力されて第1信号光と第2信号光とに分岐され、第1信号光は第2ポートから出力されて第1光ファイバに入力され、第2信号光は第3ポートから出力されて第2光ファイバに入力される。

第1信号光は、第1光ファイバを伝播した後、光非線形制御部に入力される。すなわち、第1偏波分離合成モジュールの第1入出力端から入力されて第1入出力端と対向する側の第2入出力端から出力されて第3光ファイバに入力されてその第3光ファイバを伝播し、第2偏波分離合成モジュールの第1入出力端から入力されて第1入出力端と対向する側の第3入出力端から出力されて第4光ファイバに入力される。そして、第4光ファイバを伝播して第4光ファイバの途中位置に設けられている第2偏波面回転部で偏波面が90°回転されて、第１偏波分離合成モジュールの第3入出力端に入力される。そして、第１偏波分離合成モジュールの第2入出力端から出力されて再び第3光ファイバを伝播し、第2偏波分離合成モジュールの第１入出力端に入力されて、第2入出力端から出力されて第2光ファイバを伝播して第2光ファイバの途中の位置に設けられている第1偏波面回転部で偏波面が90°回転されて、光分波合成器の第3ポートに戻る。

一方、第2信号光は、第2光ファイバを伝播して第2光ファイバの途中の位置に設けられている第1偏波面回転部で偏波面が90°回転された後、光非線形制御部に入力される。すなわち、第2偏波分離合成モジュールの第2入出力端から入力されて第1入出力端から出力され第3光ファイバに入力されて第3光ファイバを伝播して第１偏波分離合成モジュールの第2入出力端から入力されて第3入出力端から出力されて第4光ファイバに入力される。そして、第4光ファイバを伝播して第4光ファイバの途中位置に設けられている第2偏波面回転部で偏波面が90°回転されて、第2偏波分離合成モジュールの第3入出力端に入力される。そして、第2偏波分離合成モジュールの第3入出力端に対向する側の第1入出力端から出力されて再び第3光ファイバを伝播し、第1偏波分離合成モジュールの第2入出力端に入力されて、第2入出力端に対向する側の第1入出力端から出力されて第1光ファイバを伝播して光分波合成器の第2ポートに戻る。

制御光が第1光ファイバの途中に設置された光カプラを介して第1光ファイバに入力されると、光分波合成器の第4ポートからループ透過光として出力光が外部に出力される点は第1の発明の光スイッチと共通する。そして、第2の発明の光スイッチにおいては、第1及び第2信号光が第3光ファイバをそれぞれ2回伝播する構成となっている。ここでも、実質的に第3光ファイバの長さを2倍に設定したのと同一の効果があり、コンパクトな光スイッチを提供することができる点は、第1の発明の光スイッチと共通する。また、第3光ファイバの長さを短くできることにより、周囲温度等の影響を受けにくくなるため、光スイッチの動作状態の安定化にも有効である点も、第1の発明の光スイッチと共通する。

第2の発明の光スイッチが第1の発明のスイッチと相違するのは、次の点である。すなわち、偏波分離合成モジュールを、第1及び第2偏波分離合成モジュールとして2箇所に設定する構成であるので、スイッチングされる信号光の偏波面の選択性が2倍高まる。すなわち、信号光の伝送経路である第1乃至第4光ファイバにおいて、偏波クロストークが発生した場合、偏波分離合成モジュールを一箇所のみに設定して構成されている第1の発明の光スイッチに比べ、偏波クロストーク成分の除去がより効果的に行なわれる。また、偏波分離合成モジュールの偏波面選択性が不完全である場合でも、偏波分離合成モジュールを2箇所に設定することによって、実質的に偏波分離合成モジュールによる偏波面選択性が向上するという効果もある。これによって、より一層効果的に光スイッチング動作が実現できる。

第1及び第2の発明の光スイッチにおいて、第1及び第2信号光を光分波合成器において合波させて干渉させることによってスイッチングが行なわれるので、光分波合成器において第1及び第2信号光の偏波面が揃っている必要がある。コア及びクラッドの構造の中心対称性が完全に保証されている光ファイバによれば、この光ファイバを伝播する光の偏波面は保存される。しかし、一般にコア及びクラッドの構造の中心対称性が完全に保証されることは稀である。そこで、第1乃至第4光ファイバとして偏波面保存光ファイバを利用すれば、光分波合成器において第1及び第2信号光の偏波面を確実にそろえることができる。

また、スイッチングされた信号光が出力される光分波合成器の第4ポートからは、制御光も出力される。そこで、制御光が一緒に出力されては不都合である用途に光スイッチを利用する場合には、光分波合成器の第4ポートに第5光ファイバの一端を接続し、この第5光ファイバの他端に光バンドパスフィルタを接続すれば、制御光を除去して、スイッチングされた信号光のみを取り出すことができる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の機器及び条件等を用いることがあるが、これら材料及び条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、その重複する説明を省略することもある。

＜第1の実施の形態＞
図1を参照して第1の実施の形態の光スイッチの構造と動作について説明する。

（構造）
この光スイッチは、光分波合成器10と、第1光ファイバ16と、第2光ファイバ18と、光非線形制御部20とを具えている。

既に説明したとおり、この発明の光スイッチにおける上述の第1光ファイバ16や第2光ファイバ18等は、制御光及び被制御光である信号光の偏光面がこれらの光ファイバを伝播中に不規則に変動することがないように、偏波面保存光ファイバを利用するのが望ましい。偏波面保存光ファイバとしては、図2に示すパンダ（PANDA：Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）型光ファイバが代表的である。この光ファイバは、コアの近傍に応力付与部を形成し，コアに強い応力を加えることにより偏波保持性を得ている。

図2は、偏波面保存光ファイバである、PANDA型光ファイバの光の伝播方向に対して垂直に切断した断面の概略的構造を示す図である。光が導波されるコア42を取り囲むクラッド40に、コア42を挟む形で応力付与部44が形成されている。例えば、クラッド40はSiO₂、コア42はGeO₂がドープされたSiO₂で形成され、応力付与部はB₂O₃がドープされたSiO₂から形成される。

このように形成することによって、図2中で、PANDA型光ファイバの光の伝播方向に対して垂直な面内に設定されたスロー（slow）軸との方向と、slow軸と直交するファスト（fast）軸の方向では、コア42を導波される光に対する等価屈折率が異なる。すなわち、コア42の近くにクラッド40の屈折率より高い屈折率を有する応力付与部がおかれているために、光の電場ベクトルの振動方向がslow軸の方向に平行な光に対する等価屈折率が、光の電場ベクトルの振動方向がfast軸の方向に平行な光に対する等価屈折率よりも高くなる。このような等価屈折率の非対称性があるために、PANDA型光ファイバに入力される光の偏光面は保存されて伝播されるようになる。

すなわち、PANDA型光ファイバでは、直線偏波の光の偏波面を、図2に示すslow軸（もしくはfast軸）に合わせて入力すると、偏波状態が保たれたままPANDA型光ファイバ中を伝搬し、出射端においても、偏波面が、slow軸（もしくはfast軸）に一致した直線偏波の光のみを得ることが可能である。

光分波合成器10は、方向性光結合器等を利用することができる。特にこの発明の光スイッチを構成するには、光の偏波面が一定の方向に確定されたまま光経路を切り替えることができる方向性光結合器を利用するのが望ましい。このような偏波面が保存される方向性光結合器として、図3に示す偏波面保存光カプラが開発されている。図3は、代表的な偏波面保存光カプラの概略的構成図である。この偏波面保存光カプラは、2本のPANDA型光ファイバのslow軸（もしくはfast軸）同士を精密にあわせて平行に整列させた上で、融着延伸して作製される。所望の方向性光結合器としての特性（光強度の分岐比が1対1となる等）が得られることが確認できた時点で、延伸を終了して補強のための基板に固定されて完成される。

図3において、融着延伸部58は、2本のPANDA型光ファイバのslow軸（もしくはfast軸）同士を精密にあわせて融着延伸して作製された部分である。図3に示す偏波面保存光カプラは、この発明の光スイッチの光分波合成器10として利用することが可能である。すなわち、波長λsの信号光を入力する第1ポート10-1として入出力端面50を利用できるように光ファイバと偏波面保存光カプラとを結合する機構を構成すればよい。第2ポート、第3ポート及び第4ポートとして同様に入出力端面52、54及び56を利用できるように光ファイバと偏波面保存光カプラとを結合する機構を構成すればよい。

また、偏波面保存光カプラとして、光強度の分岐比が1対1となるように設計された製品を利用すれば、光分波合成器10に求められる光強度の分岐比が1対1であるという条件を満足させることができる。

以下の説明では、便宜のために、図１に示す光スイッチの概略的構成図において、光ファイバ等の光伝送路や光分波合成器等の光素子を伝播する光の偏光方向を次のように規定しておく。光の電場ベクトルの振動方向が紙面に対して垂直な偏光をTE (Transverse-Electric Modes)偏波と呼び、紙面に垂直な方向をTE方向という。また、光の電場ベクトルの振動方向が紙面に対して平行な偏光をTM (Transverse-Magnetic Modes)偏波と呼び、紙面に平行な方向をTM方向という。もちろん、この発明の光スイッチの利用の可能性は上記の場合に限定されるものではない。

第1光ファイバ16は、光分波合成器10の第2ポート10-2に一端が接続され、波長λpの制御光を入力する光カプラ12を具えている。第2光ファイバ18は、光分波合成器10の第3ポート10-3に一端が接続されている。光カプラ12は、偏波面が保存されるタイプの光カプラを利用するのが望ましい。例えば、図3を参照して後述する偏波面保存光カプラの入出力端のうちの3箇所の入出力端を利用する形で設定すればよい。

光非線形制御部20は、偏波分離合成モジュール14と、第3光ファイバ22と、第4光ファイバ24と、偏波面回転部26とを具えている。偏波分離合成モジュール14は、第1入出力端14−1、第2入出力端14−2、第3入出力端14−3及び第4入出力端14−4を具えている。第3光ファイバ22は、偏波分離合成モジュール14の第1光ファイバ16の他端が結合されている第1入出力端14-1と対向する側の第3入出力端14-3に一端が結合されている。第4光ファイバ24は、偏波分離合成モジュール14の第2光ファイバ18の他端が結合されている第4入出力端14-4と対向する側の第2入出力端14-2に一端が結合されている。偏波面回転部26は、第3光ファイバ22の他端と第4光ファイバ24の他端とを接続している。

偏波分離合成モジュール14には、例えば市販されている偏光ビームスプリッタの中から好適なものを選んで利用することができる。第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24は、偏光面保存光ファイバを用いるのが望ましいが、偏光面保存という性質のほかに、非線形光学効果が大きいことも望ましい。非線形光学効果を大きくするため、光ファイバのコア（図2に示すコア42に相当）にGeO₂を高濃度ドープして光カー効果に基づく非線形光学定数γ(W^-1km^-1)を増大させたり、あるいは、光ファイバの導波モード断面積であるモードフィールド径（MFD：Mode Field Diameter）を小さくして、光ファイバ内での光エネルギー密度を高くする工夫がなされている。例えば、MFDが8μmの通常の光ファイバはγ＝2 km^-1W^-1程度であるのに対して、MFDを3.6μmとしてγ＝20 km^-1W^-1と一桁大きくした光ファイバも市販されている。また、ホーリーファイバ（Holey fiber）と呼ばれるクラッドに空洞を形成したファイバや、フォトニックバンドギャップファイバといった、光非線形性の高い光ファイバも開発されている。将来、偏波面保存光ファイバにも上述の工夫が取り入れられ、偏波面保存という性質を備えつつ高い光非線形性を有する光ファイバが開発されることが当然に予想される。

偏波分離合成モジュール14においては、第1入出力端14−1から入力されたTM偏波成分は、第3入出力端14−3に出力され、第1入出力端14−1から入力されたTE偏波成分は、第4入出力端14−4に出力される。同様に第3入出力端14−3、第2入出力端14−2、第4入出力端14−4、から入力されたTM偏波成分は、それぞれ第1入出力端14−1、第4入出力端14−4、第2入出力端14−2に出力され、TE偏波成分は、それぞれ第2入出力端14−2、第3入出力端14−3、第1入出力端14−1に出力される。

光分波合成器10の第2ポート10−2から偏波分離合成モジュール14の第1入出力端14−1に至る経路の長さ、すなわち第1光ファイバ16の長さをl₁（経路L₁ということもある。）、光分波合成器10の第3ポート10−3から偏波分離合成モジュール14の第4入出力端14−4に至る経路の長さ、すなわち第2光ファイバ18の長さをl₂（経路L₂ということもある。）、偏波分離合成モジュール14の第3入出力端14−3から偏波面回転部26に至る経路、すなわち第3光ファイバ22の長さをl₃（経路L₃ということもある。）、偏波分離合成モジュール14の第2入出力端14−2から偏波面回転部26に至る経路、すなわち第4光ファイバ24の長さをl₄（経路L₄ということもある。）とする。

偏波面回転部26は、いわゆる1/2波長板を用いて構成することもできるし、また、図4を参照して説明する構造でも実現できる。図4は、偏波面回転部の構造の説明に供する図であり、光ファイバ70及び光ファイバ72はPANDA型光ファイバである。図4において、断面74及び76は光の伝播方向に対して垂直に切断したPANDA型光ファイバ70及び72の断面の概略的構造を示している。この断面構造は、先に図2を参照して説明したPANDA型光ファイバと同一である。

PANDA型光ファイバ70及び72のそれぞれの切断面は、図4の上部に示すように、それらのslow軸が直交する関係に配置されている。偏波面回転部26はPANDA型光ファイバを一端、光の伝播方向に対して垂直に切断した後、それぞれのslow軸（fast軸）が直交するように対向させコアが合致するように密着させて融着することで形成されている。

（動作）
図1を参照して、第1の実施の形態の光スイッチの動作原理を説明する。以下の説明において、信号光はTM偏波であるものとして説明する。もちろん信号光をTE偏波として光スイッチを構成することも可能であるが、この場合も偏波分離合成モジュール14において、第1乃至4入出力端からの入力に対する出力光の得られる入出力端の関係をTM偏波の場合とTE偏波の場合とを逆にするだけで、同様の説明となるので、その説明を省略する。

第1の実施の形態の光スイッチによれば、信号光が光分波合成器10の第1ポート10−1から入力されて第1信号光と第2信号光とに分岐される。第1信号光は光分波合成器10の第2ポート10−2からから出力されて第1光ファイバ16に入力され、第2信号光は光分波合成器10の第3ポート10−3からから出力されて第2光ファイバ18に入力される。すなわち、第1信号光は第1光ファイバ16を時計回り（CW方向ということもある。）に伝播し、第2信号光は第2光ファイバ18を反時計回り（CCW方向ということもある。）を伝播する。

第1信号光は、第1光ファイバ16を伝播した後、光非線形制御部20に入力される。すなわち、偏波分離合成モジュール14の第1入出力端14-1から入力されて第1入出力端14-1と対向する側の第3入出力端14-3から出力され、第3光ファイバ22に入力されて第3光ファイバ22を伝播し、偏波面回転部26で偏波面が90°回転されて、第4光ファイバ24を伝播して偏波分離合成モジュール14の第2入出力端14-2に入力される。そして、偏波分離合成モジュール14の第3入出力端14-3から出力されて再び第3光ファイバ22を伝播し、偏波面回転部26で再び偏波面が90°回転されて、第4光ファイバ24を伝播して偏波分離合成モジュール14の第2入出力端14-2に入力される。そして、第2入出力端14-2に対向する側の第4入出力端14-4から出力されて、第2光ファイバを18伝播して、光分波合成器10の第3ポート10-3に戻る。

一方、第2信号光は、第2光ファイバ18を伝播した後、光非線形制御部20に入力される。すなわち、偏波分離合成モジュール14の第4入出力端14-4に入力されて第4入出力端14-4に対向する側の第2入出力端14-2から出力され、第4光ファイバ24に入力されて第4光ファイバ24を伝播し、偏波面回転部26で偏波面が90°回転されて、第3光ファイバ22を伝播して偏波分離合成モジュール14の第3入出力端14-3に入力される。そして、偏波分離合成モジュールの14第2入出力端14-2から出力されて再び第4光ファイバ24を伝播し、偏波面回転部26で再び偏波面が90°回転されて第3光ファイバ22を伝播して、偏波分離合成モジュール14の第3入出力端14-3から入力されて第3入出力端14-3に対向する側の第1入出力端14-1から出力されて、第1光ファイバ16に入力されて第1光ファイバ16を伝播して光分波合成器10の第2ポート10-2に戻る。

制御光は、第1光ファイバ16の途中に設置された光カプラ12を介して第1光ファイバ16に入力される。また、光分波合成器10の第4ポート10-4から出力光が外部に出力される。第1光ファイバ16に入力される制御光によって、第1光ファイバ16、第2光ファイバ18、第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24において光カー効果が発現し、これらの光ファイバを伝播する信号光に対する屈折率が変化する。第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24の長さが第1光ファイバ16及び第2光ファイバ18の長さに比べてはるかに長いので、信号光の位相変化への寄与は、主に第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24によってもたらされる。すなわち、信号光の位相変化は第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24の長さが長いほど、顕著となる。

上述の信号光の位相変化量がπとなるように、制御光の強度に応じて第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24の長さを調整すれば、第1の実施の形態の光スイッチに入力された信号光は、制御光が、第1光ファイバ16が具える光カプラ12から入力されたときに限り、光分波合成器10の第1ポート10-1と対になる第4ポート10-4にループ透過光として出力される。一方、制御光が入力されないとき、信号光は、ループ反射光として光分波合成器10の第1ポート10-1に反射される。

上述したように、第1及び第2信号光は、第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24をそれぞれ2回伝播することになる。このようなことが実現するのは、偏波面回転部26で偏波面が90°回転されることと、偏波分離合成モジュールの偏波面選択性に起因する。この理由は次のとおりである。

信号光をTM偏波（光の電場ベクトルの振動方向が紙面に対して平行な偏光）として偏波面保存光ファイバに入力させて光分波合成器10の第1ポート10-1に入力させる。光分波合成器10の第1ポート10-1に接続されている第6光ファイバである光ファイバ34をはじめ、光スイッチを構成する光分波合成器10等の構成要素は全て偏波面保存を担保されて動作する素子である。すなわち、第1光ファイバ16等の光ファイバは、全てPANDA型光ファイバを利用し、光分波合成器10は、図3に示す偏波面保存光カプラが用いられる。

CW方向に伝播する第1信号光を考える。第1信号光は、第1光ファイバ16によって構成される経路L₁をTM偏波として伝播して偏波分離合成モジュール14の第1入出力端14-1に入力され、第3入出力端14-3から出力される。これは、既に説明したように、TM偏波として偏波分離合成モジュール14の第1入出力端14-1に入力されたので、偏波分離合成モジュール14の内部を直進し第1入出力端14-1と対向する側の第3入出力端14-3に出力されることとなる。

既に説明したように、TM偏波として偏波分離合成モジュール14に入力された場合には、偏波分離合成モジュール14の内部を直進し入力側とは対向する側の入出力端に出力される。一方、TE偏波として偏波分離合成モジュール14に入力された場合には、偏波分離合成モジュール14の内部に存在する偏波面選択性を有する反射面14Rで反射され、反射光の向かう側の側面の入出力端から出力される。偏波面選択性を有する反射面14Rは、偏光ビームスプリッタ等において、誘電体多層膜等によって形成されており、偏波面選択性を持つ反射特性を発現させている。

第1信号光は、偏波分離合成モジュール14の第3入出力端14-3に出力され、第3光ファイバ22によって構成される経路L₃をTM偏波で伝播する。その後、偏波面回転部26でTE偏波に変換される。このようなことが起こるのは、既に図4を参照して説明したように偏波面回転部26が、PANDA型光ファイバのslow軸（fast軸）が直交するように対向させコアが合致するように密着させて融着されて形成されていることに起因する。例えば、光の電場ベクトルの振動方向がslow軸に平行になる直線偏波として導波されてきた場合、偏波面回転部26において、slow軸が90°回転された方向に変化するので、光の電場ベクトルの振動方向もこれに追随して90°回転される。すなわち、偏波面回転部26をTM偏波が通過すればTE偏波に変換され、TE偏波が通過すればTM偏波に変換されるように設定することができることを意味している。

偏波面回転部26を通過することでTM偏波からTE偏波に変換された第1信号光は、第4光ファイバで構成される経路L₄を伝播して、偏波分離合成モジュール14の第2入出力端14-2にTE偏波として入力されるので、第3入出力端14-3から出力される。その後、経路L₃をTE偏波として伝播し偏波面回転部26を通過することでTE偏波からTM偏波に変換されて、経路L₄を伝播して偏波分離合成モジュール14の第2入出力端14-2にTM偏波として入力されるので、第4入出力端14-4から出力される。第4入出力端14-4からTM偏波として出力された第1信号光は、第2光ファイバ18で構成される経路L₂を伝播して、光分波合成器10の第3ポート10-3に入力されて第2信号光と合波される。

第1乃至第4の光ファイバであるPANDA型光ファイバのslow軸の実効屈折率をn_s、fast軸の実効屈折率をn_fとし、slow軸の方向がTE偏波の偏波面と合致するとしたとき、第1信号光が、光分波合成器10で分波されて光分波合成器10の第2ポート10-2を出て再び光分波合成器10の第3ポート10-3に戻り、光分波合成器10で合波されるまでの光路長は、第1信号光が伝播する経路順に加算して、次式(2)で与えられる。
n_fl₁+n_fl₃+n_sl₄+n_sl₃+n_fl₄+n_fl₂ (2)
ここで、l₁、l₂、l₃、l₄はそれぞれ経路L₁、L₂、L₃、L₄の長さである。

すなわち、第1光ファイバで形成される経路L₁はTM偏波として伝播するので光路長は、n_fl₁であり、第2光ファイバで形成される経路L₂もTM偏波として伝播するので光路長は、n_fl₂である。また、第1信号光が、偏波分離合成モジュール14の第3入出力端14-3から出力され、経路L₃をTM偏波として伝播（光路長＝n_fl₃）し、経路L₄をTE偏波として伝播（光路長＝n_sl₄）し、経路L₃をTE偏波として伝播（光路長＝n_sl₃）し、経路L₄をTM偏波として伝播（光路長＝n_fl₄）する合計の光路長は、n_fl₃+n_sl₄+n_sl₃+n_fl₄で与えられる。このことから、経路L₃（第3光ファイバ）と経路L₄（第4光ファイバ）をTM偏波及びTE偏波としてそれぞれ一回ずつ、合計2回伝播していることが分かる。

CCW方向に伝播する第2信号光についても、CW方向に伝播する第1信号光と同様に考えることができ、第2信号光が、光分波合成器10で分波されて光分波合成器10の第3ポート10-3を出て再び光分波合成器10の第2ポート10-2に戻り、光分波合成器10で合波されるまでの光路長も同様に、第2信号光の伝播する経路順に加算して、次式(3)で与えられる。
n_fl₂+n_fl₄+n_sl₃+n_sl₄+n_fl₃+n_fl₁ (3)
なお、制御光は、第1信号光と同一の経路であるCW方向に伝播する経路をたどる。

上式(2)と(3)とを比較すると、式(2)の第1項、2項、3項、4項、5項、6項と式(3)の第6項、5項、4項、3項、2項、1項とは、それぞれ等しいことが分かる。すなわち、第1信号光と第2信号光とは同一の光路長を伝播していることが分かる。

すなわち、制御光が入力されない場合には、第1信号光と第2信号光とは、光分波合成器10において同位相で合波される。その結果、光分波合成器10の第1ポート10-1に入力された信号光は、光分波合成器10の第1ポート10-1にループ反射光として出力される。一方、光カプラ12から制御光が入力されると光ファイバループ内で光カー効果が発現し屈折率が変化する。そのため、第1信号光と第2信号光とは、それぞれが経路L₁乃至L₄から構成される光ファイバループ内をそれぞれ時計回り及び反時計回りに伝播し、再び光分波合成器10に入力されて両者が結合されたときには両者の位相がずれている。

この位相ずれ量φがπに等しくなるように、制御光の強度を調整するか、あるいは第1乃至第4光ファイバ（特に第3及び第4光ファイバ）の長さを調整すれば、光分波合成器10の第1ポート10-1に入力された信号光は、光分波合成器10の第4ポート10-4にループ透過光として出力される。位相ずれ量φは上述の式(1)で与えられるように、経路L₁乃至L₄から構成される光ファイバループの合計の長さに比例する。すなわち、この発明の光スイッチは、経路L₃（第3光ファイバ）と経路L₄（第4光ファイバ）をTM偏波及びTE偏波としてそれぞれ一回ずつ、合計2回伝播する構成とされているので、実質的に経路L₃（第3光ファイバ）と経路L₄（第4光ファイバ）の長さ分だけ、光カー効果が発現する経路を長く取られていることに等しい。

第3及び第4光ファイバの長さは第1及び第2光ファイバに比べてはるかに長く設定されているので、光カー効果に基づく位相ずれ量φの発現に主に寄与しているのは第3及び第4光ファイバである。式(1)によれば、位相ずれ量φは、光ファイバループを構成している光ファイバの長さと制御光の強度との積に比例するので、この発明の光スイッチによれば、従来の光スイッチに比べて、光カー効果に基づく位相ずれ量φの発現に主に寄与する第3及び第4光ファイバに相当する光ファイバの長さは半分で済むことになる。

すなわち、光スイッチを構成する第3及び第4光ファイバの長さを短くできることは、光スイッチのコンパクト化に有効である。また、第3及び第4光ファイバの長さを短くできることにより、周囲温度等の影響を受けにくくなるため、光スイッチの動作状態の安定化にも有効である。

この発明の第1の実施の形態の光スイッチの動作を、時分割多重光パルス信号をスイッチングする場合を例にとり、図1を参照して具体的に説明する。図1において、光パルス信号である信号光、制御光及び光パルス信号がスイッチングされた結果としての透過光及び反射光の概略的時間波形を、横軸を時間軸として示してある。光パルスの存在及び不存在に対応させて「0」あるいは「1」を対応させる2値デジタル信号を想定する。規則正しく波長λsの光パルスが並ぶ信号光を、［1 1 0 1］を表現する波長λpの光パルス列からなる制御光で制御（スイッチング）する場合を考える。

信号光は光サーキュレータ28を介して第6光ファイバである光ファイバ34を伝播して光分波合成器10の第1ポート10-1に入力される。ここで、光ファイバ32はPANDA型光ファイバ等偏波面保存光ファイバを利用するのが好ましい。なぜならば、信号光をTM偏波として光分波合成器10の第1ポート10-1に入力する必要があるためである。

信号光は上述したように、光分波合成器10で第1信号光及び第2信号光に分波されて、第1信号光は、光分波合成器10の第2ポート10-2から第1光ファイバ16を伝播する。信号光の最初の光パルスである第1光パルス（図1では、時間軸上で最も右に位置する光パルス）が光カプラ12を通過する時に丁度、制御光の最初の光パルスである第1光パルス（図1では、時間軸上で最も右に位置する光パルス）が光カプラ12から入力されたと仮定する。もちろん、制御光もTM偏波として第1光ファイバに入力されるものとする。

第1信号光の光パルス（波長λs）と制御光の光パルス（波長λp）とは、並走しながら、第1乃至第4光ファイバを伝播することになる。そのため、第1信号光の光パルスに対する光ファイバの実効屈折率が制御光の光パルスによって発現する光カー効果により変化する。つまり、第1信号光の光パルスと制御光の光パルスとが並走することによって、制御光の光パルスの存在に起因して、常に実効屈折率が変化している光路を第1信号光の光パルスが伝播することになる。一方第2信号光の光パルス（波長λs）は、制御光の光パルスの影響を受けることなく第1信号光の光パルスとは逆向きに第1乃至第4光ファイバを伝播することになる。

この結果上式(2)に現れる実効屈折率n_s及びn_fの値は、上式(3)に現れる実効屈折率n_s及びn_fの値とは異なることになる。すなわち、上式(2)に現れる実効屈折率の値は、n_s'及びn_f'となる。

そこで、経路L₃（第3光ファイバ）及び経路L₄（第4光ファイバ）の長さを、
(n_f'l₁+n_f'l₃+n_s'l₄+n_s'l₃+n_f'l₄+n_f'l₂)−(n_fl₂+n_fl₄+n_sl₃+n_sl₄+n_fl₃+n_fl₁)＝λs/2
となるように調整すれば、第1信号光の光パルスと第2信号光の光パルスが光分波合成器10において合波されるときの位相差をπとすることができる。ただし、光分波合成器10の第2ポート10-2から光カプラ12までの長さは、第3光ファイバ及び第4光ファイバの長さと比べて十分に短いので、この部分の長さを無視して上述の式は表現してある。

制御光の強度に応じて第3光ファイバ22及び第4光ファイバ24の長さを上述のように調整すれば、第1信号光の光パルスは、制御光の光パルスが、光カプラ12から第1光ファイバ16に入力されたときに限り、光分波合成器10の第4ポート10-4にループ透過光として出力される。

厳密には、制御光と信号光の波長はそれぞれλp及びλsであるので、波長が異なる。そのため、第2光ファイバ22及び第3光ファイバ24で生じる群速度分散による制御光と信号光との間の群遅延時間差が、信号光の光パルスの時間軸上での出現の間隔、すなわち信号光の1ビット（１光パルス）が占める時間間隔よりも短いことが必要である。しかしこの条件は、制御光の波長λpと信号光の波長λsとの差異はほとんどなく、容易に満足させることができる。制御光の波長λpと信号光の波長λsとの差異は、後述するようにスイッチングされた信号光のみを光スイッチから出力させるためには、光スイッチの出力側に設定される光バンドパスフィルタによって、制御光が遮断でき信号光を透過させることができる程度離れていればよい。

次に、第1信号光の第1光パルスの次の第2光パルスが光カプラ12を通過する時にも丁度、制御光の次の光パルスである第2光パルスが存在するが、第1信号光の第2光パルスの次の第3光パルスが光カプラ12を通過する時には、制御光の第2光パルスの次の光パルスである第3光パルスが存在しない。この場合には、第1信号光の第3光パルスは、制御光の光パルスが存在しない状態、つまり、第1信号光の光パルスは、制御光の光パルスと並走することなく、経路L₁乃至L₄から構成される光路を伝播することとなる。そのため、光分波合成器10において第1信号光の光パルスと第2信号光の光パルスとは同位相で合波される。第1信号光の光パルスは、光分波合成器10の第1ポート10-1にループ反射光として出力され、第6光ファイバである光ファイバ34を伝播して光サーキュレータ28を介して、信号光が伝播してきた伝送路とは異なる伝送路に向けて出力される。

この結果、光分波合成器10の第4ポート10-4から出力される透過光を構成する光パルス列は、図１に示すように、制御光を構成する光パルス列を反映させたものとなる。また、反射光は、制御光の光パルスの存在しない時間帯に、信号光の光パルスが存在する場合に限り、ループ反射光として光サーキュレータ28を介して外部に出力されるので、図１に示すようなパルス列となる。

また、光分波合成器10の第4ポート10-4からは、波長λpの制御光も出力されるので、スイッチングされた波長λsの信号光だけを外部に取り出すには、光分波合成器10の第4ポート10-4に第5光ファイバである光ファイバ32の一端を接続し、光ファイバ32の他端に、透過波長の中心がλsに設定されておりかつ波長λpを遮断できる特性を有する光バンドパスフィルタ30を接続する必要がある。

ループ反射光として光分波合成器10の第1ポート10-1に出力される第1信号光の光パルスは、光サーキュレータ28が配置されていなければ、伝送されてきた伝送路を逆に進み、送信側に返送されることになる。一般に時間多重光通信において、受信側から送信側に向けて、送信信号の一部が逆送されることは、好ましくないので、光サーキュレータ28を利用して、ループ反射光として光分波合成器10の第1ポート10-1に出力される第1信号光の光パルスを、信号光が伝播してきた伝送路とは異なる伝送路に向けて出力させる構成とするのが望ましい。

＜第2の実施の形態＞
図5を参照して第2の実施の形態の光スイッチの構造と動作について説明する。

（構造）
この発明の第2の実施の形態の光スイッチは、光分波合成器100と、第1光ファイバ116と、第2光ファイバ118と、光非線形制御部120とを具えている。光分波合成器100は、被制御光である信号光を入力する第1ポート100-1、第1光ファイバ116を接続する第2ポート100-2、第2光ファイバ118を接続する第3ポート100-3及びスイッチングされた信号光を出力する第4ポート100-4を具え、光強度の分岐比が1対1に調整されている。第1光ファイバ116は、光分波合成器100の第2ポート100-2にその一端が接続され、制御光を入力する光カプラ112を具えている。第2光ファイバ118は、光分波合成器100の第3ポート100-3にその一端が接続され、偏波面を90°回転させる第1偏波面回転部132を具えている。

光非線形制御部120は、第1光ファイバ116と第2光ファイバ118とが結合されており、第1入出力端122-1、第2入出力端122-2及び第3入出力端122-3を具える第1偏波分離合成モジュール122と、第1入出力端124-1、第2入出力端124-2及び第3入出力端124-3を具える第2偏波分離合成モジュール124と、第3光ファイバ126と、第4光ファイバ128とを具えている。第3光ファイバ126は、第1偏波分離合成モジュール122の第1入出力端122-1に対向する側の第2入出力端122-2にその一端が結合され、第2偏波分離合成モジュール124の第3入出力端124-3に対向する側の第1入出力端124-1にその他端が結合されている。第4光ファイバ128は、偏波面を90°回転させる第2偏波面回転部130を具え、第1偏波分離合成モジュール122の第3入出力端122-3にその一端が結合され、第2偏波分離合成モジュール124の第1入出力端124-1に対向する側の第3入出力端124-3にその一端が結合されている。

そして、第1偏波分離合成モジュール122の第1入出力端122-1には第1光ファイバ116の他端が結合されており、第2偏波分離合成モジュール124の第2入出力端124-2には第2光ファイバ118の他端が結合されている。

第1光ファイバ116、第2光ファイバ118、第3光ファイバ126及び第4光ファイバ128には、第1の実施の形態の光スイッチで利用されたPANDA型光ファイバ等の偏波面保存光ファイバを用いて構成するのが好ましい。また、光分波合成器100も、第1の実施の形態の光スイッチで利用されたものと同一の方向性光結合器等を利用でき、光カプラ112も第1の実施の形態の光スイッチで利用されたものと同一の光カプラを利用できる。また、偏波分離合成モジュール122、124も第1の実施の形態の光スイッチで利用された偏光ビームスプリッタ等を利用できる。

第1偏波分離合成モジュール122及び第2偏波分離合成モジュール124は、第1の実施の形態で利用した偏波分離合成モジュール14とは入出力端が1つ少なく、3つの入出力端を有した構成である。第1偏波分離合成モジュール122及び第2偏波分離合成モジュール124の特性は、構造が同一であるので、第1偏波分離合成モジュール122について説明する。

TM偏波として偏波分離合成モジュール122に入力された場合には、偏波分離合成モジュール122の内部を直進し入力側とは対向する側の入出力端に出力される。一方、TE偏波として偏波分離合成モジュール122に入力された場合には、偏波分離合成モジュール122の内部に存在する偏波面選択性を有する反射面122Rで反射され、反射光の向かう側の側面の入出力端から出力される。

また、光サーキュレータ134及び光バンドパスフィルタ136の役割についても、第1の実施の形態の光スイッチの場合と共通するので、その説明を省略する。

（動作）
図5を参照して、第2の実施の形態の光スイッチの動作原理を説明する。ここでも、信号光はTM偏波であるものとして説明する。第2の実施の形態の光スイッチによれば、信号光が第1ポート100-1から光分波合成器100に入力されて第1信号光と第2信号光とに分岐され、第1信号光は第2ポート100-2から出力されて第1光ファイバ116に入力され、第2信号光は第3ポート100-3から出力されて第2光ファイバに118入力される。

第1信号光は、第1光ファイバ116を伝播した後、光非線形制御部120に入力される。すなわち、第1偏波分離合成モジュール122の第1入出力端122-1から入力されて第2入出力端122-2から出力されて第3光ファイバ126に入力されてその第3光ファイバ126を伝播し、第2偏波分離合成モジュール124の第1入出力端124-1から入力され第3入出力端124-3から出力されて第4光ファイバ128に入力される。

そして、第4光ファイバ128を伝播して第4光ファイバ128の途中位置に設けられている第2偏波面回転部130で偏波面が90°回転されて、第１偏波分離合成モジュール122の第3入出力端122-3に入力される。そして、第１偏波分離合成モジュール122の第2入出力端122-2から出力されて再び第3光ファイバ126を伝播し、第2偏波分離合成モジュール124の第１入出力端124-1に入力されて、第2入出力端124-2から出力されて第2光ファイバ118を伝播して、第2光ファイバ118の途中の位置に設けられている第1偏波面回転部132で偏波面が90°回転され光分波合成器100の第3ポート100-3に戻る。

一方、第2信号光は、第2光ファイバ118を伝播して、第2光ファイバ118の途中の位置に設けられている第1偏波面回転部132で偏波面が90°回転された後、光非線形制御部120に入力される。すなわち、第2偏波分離合成モジュール124の第2入出力端124-2から入力されて第1入出力端124-1から出力され第3光ファイバ126に入力されて第3光ファイバ126を伝播して第１偏波分離合成モジュール122の第2入出力端122-2から入力されて第3入出力端122-3から出力されて第4光ファイバ128に入力される。そして、第4光ファイバ128を伝播して第4光ファイバの途中位置に設けられている第2偏波面回転部130で偏波面が90°回転されて、第2偏波分離合成モジュール124の第3入出力端124-3に入力される。そして、第2偏波分離合成モジュール124の第1入出力端124-1から出力されて再び第3光ファイバ126を伝播し、第1偏波分離合成モジュール122の第2入出力端122-2に入力されて、第1入出力端122-1から出力されて第1光ファイバ116を伝播して光分波合成器100の第2ポート100-2に戻る。

制御光が第1光ファイバ116の途中に設置された光カプラ112を介して第1光ファイバ116に入力されると、光分波合成器100の第4ポート100-4からループ透過光として出力光が外部に出力される点は第1の実施の形態の光スイッチと共通する。そして、第2の実施の形態の光スイッチにおいては、第1及び第2信号光が第3光ファイバをそれぞれ2回伝播する構成となっている。このことによって、第3光ファイバの長さを実質的に2倍にしたのと同等の効果がある。

第2の実施の形態の光スイッチが第1の実施の形態の光スイッチと相違するのは、次の点である。すなわち、偏波分離合成モジュールを、第1偏波分離合成モジュール122及び第2偏波分離合成モジュール124として2箇所に設定する構成であるので、スイッチングされる信号光の偏波面の選択性が2倍高まり、第1の実施の形態の光スイッチに比べ、偏波クロストーク成分の除去がより効果的に行なわれる。また、偏波分離合成モジュールの偏波面選択性が不完全である場合でも、実質的に偏波分離合成モジュールによる偏波面選択性が向上する。

第1及び第2信号光が第3光ファイバをそれぞれ2回伝播する構成となっている。このようなことが実現するのは、第1偏波面回転部132及び第2偏波面回転部130で偏波面が90°回転されることと、第1偏波分離合成モジュール122及び第2偏波分離合成モジュール124の偏波面選択性に起因する。この理由は次のとおりである。

信号光を、TM偏波（光の電場ベクトルの振動方向が紙面に対して平行な偏光）として偏波面保存光ファイバ140に入力させて光分波合成器100の第1ポート100-1に入力させる。ここで、CW方向に伝播する第1信号光を考える。第1信号光は、第1光ファイバ116によって構成される経路L₁をTM偏波として伝播して第1偏波分離合成モジュール122の第1入出力端122-1に入力され、第2入出力端122-2から出力される。これは、TM偏波として第1偏波分離合成モジュール122の第1入出力端122-1に入力されたので、第1偏波分離合成モジュール122の内部を直進し第1入出力端122-1と対向する側の第2入出力端122-2に出力されることとなる。

既に説明したように、TM偏波として第1偏波分離合成モジュール122に入力された場合には、第1偏波分離合成モジュール122の内部を直進し入力側とは対向する側の入出力端に出力される。一方、TE偏波として第1偏波分離合成モジュール122に入力された場合には、第1偏波分離合成モジュール122の内部に存在する偏波面選択性を有する反射面122Rで反射され、反射光の向かう側の側面の入出力端から出力される。第2偏波分離合成モジュール124についても同様である。

第1信号光は、第1偏波分離合成モジュール122の第2入出力端122-2に出力され、第3光ファイバ126をTM偏波で伝播する。その後、第2偏波分離合成モジュール124の第1入出力端124-1に入力されて、第3入出力端124-3から出力され第4光ファイバ128をTM偏波で伝播する。第4光ファイバ128の途中に設置されている第2偏波面回転部130を通過することでTM偏波からTE偏波に変換され、第1偏波分離合成モジュール122の第3入出力端122-3に入力され、TE偏波であることから、第2入出力端122-2から出力される。

第2入出力端122-2からTE偏波として出力された第1信号光は、再び第3光ファイバ126を伝播して、第2偏波分離合成モジュール124の第1入出力端124-1に入力され、TE偏波であることから、第2入出力端124-2から出力されて、第2光ファイバ118を伝播する。そして第2光ファイバ118の途中に設置されている第1偏波面回転部132を通過することによって、TE偏波からTM偏波に変換されて、光分波合成器100の第3ポート10-3に入力されて第2信号光と合波される。

第1の実施の形態の光スイッチの場合と同様に、第1乃至第4の光ファイバであるPANDA型光ファイバのslow軸の実効屈折率をn_s、fast軸の実効屈折率をn_fとし、slow軸の方向がTE偏波の偏波面と合致するとしたとき、CW方向に伝播する第1信号光が、光分波合成器100で分波されて光分波合成器100の第2ポート100-2を出て再び光分波合成器100の第3ポート100-3に戻り、光分波合成器100で合波されるまでの光路長は、次のように求められる。

第1光ファイバ116の長さをl₁、第3光ファイバ126の長さをl₂、第2偏波分離合成モジュール124の第3入出力端124-3から第2偏波面回転部130までの第4光ファイバ128の長さをl₃、第2偏波面回転部130から、第1偏波分離合成モジュール122の第3入出力端122-3までの第4光ファイバ128の長さをl₄、第2偏波分離合成モジュール124の第2入出力端124-2から第1偏波面回転部132までの第2光ファイバ118の長さをl₅、第1偏波面回転部132から光分波合成器100の第3ポート100-3までの長さをl₆とすれば、光路長は、第1信号光が伝播する経路順に加算して、次式(4)
n_fl₁+n_fl₂+n_fl₃+n_sl₄+n_sl₂+n_sl₅+n_fl₆ (4)
で与えられる。

すなわち、第1信号光は、第1光ファイバ116をTM偏波として伝播するので光路長は、n_fl₁であり、第3光ファイバ126もTM偏波として伝播するので光路長は、n_fl₂である。また、第1信号光が、第2偏波分離合成モジュール124の第3入出力端124-3から第2偏波面回転部130までの第4光ファイバ128をTM偏波として伝播するので光路長は、n_fl₃である。次に、第2偏波面回転部130から、第1偏波分離合成モジュール122の第3入出力端122-3までの第4光ファイバ128をTE偏波として伝播するので、光路長は、n_sl₄である。次に、再び第3光ファイバ126をTE偏波として伝播するので光路長はn_sl₂である。次に第2偏波分離合成モジュール124の第2入出力端124-2から第1偏波面回転部132までの第2光ファイバ118をTE偏波として伝播するので光路長は、n_sl₅である。そして、第1偏波面回転部132から光分波合成器100の第3ポート100-3までをTM偏波として伝播するので光路長は、n_fl₆である。

このことから、第3光ファイバ126をTM偏波及びTE偏波としてそれぞれ一回ずつ、合計2回伝播していることが分かる。

CCW方向に伝播する第2信号光についても、CW方向に伝播する第1信号光と同様に考えることができ、第2信号光が、光分波合成器100で分波されて光分波合成器100の第3ポート100-3を出て再び光分波合成器100の第2ポート10-02ポートに戻り、光分波合成器100で合波されるまでの光路長は、第2信号光が伝播する経路順に加算して、次式(5)
n_fl₆+n_sl₅+n_sl₂+n_sl₄+n_fl₃+n_fl₂+n_fl₁ (5)
で与えられる。

なお、第2の実施の形態の光スイッチにおいても、制御光は第1信号光と同一の経路であるCW方向に伝播する経路をたどる。

上式(4)と(5)とを比較すると、式(4)の第1項、2項、3項、4項、5項、6項、7項と式(5)の第7項、6項、5項、4項、3項、2項、1項とは、それぞれ等しいことが分かる。すなわち、第1信号光と第2信号光とは同一の光路長を伝播していることが分かる。

第1の実施の形態の光スイッチと同様に、制御光が入力されない場合には、光分波合成器100の第1ポート100-1入力された信号光は、光分波合成器100の第1ポート100-1にループ反射光として出力される。一方、光カプラ112から制御光が入力されると光ファイバループ内で光カー効果が発現し屈折率が変化する。そのため、第1信号光と第2信号光とは、再び光分波合成器100に入力されて両者が結合されたときには両者の位相がずれている。

この位相ずれ量φがπに等しくなるように、制御光の強度を調整するか、あるいは第1乃至第4光ファイバ（特に第3光ファイバ）の長さを調整すれば、光分波合成器100の第1ポート100-1に入力された信号光は、光分波合成器100の第4ポート100-4にループ透過光として出力される。この発明の第2の実施の形態の光スイッチは、第3光ファイバ126をTM偏波及びTE偏波としてそれぞれ一回ずつ、合計2回伝播する構成とされているので、第3光ファイバ126の長さ分だけ、光カー効果が発現する経路を長く取られていることに等しい。

第1の実施の形態の光スイッチの概略的構成図である。 偏波面保存光ファイバの概略的断面図である。 光分波合成器の概略的構成図である。 偏波面回転部の構造の説明に供する図である。 第2の実施の形態の光スイッチの概略的構成図である。

符号の説明

10、100：光分波合成器
12、112：光カプラ
14、122、124：偏波分離合成モジュール
16、116：第1光ファイバ
18、118：第2光ファイバ
20、120：光非線形制御部
22、126：第3光ファイバ
24、128：第4光ファイバ
26、130、132：偏波面回転部
28、134：光サーキュレータ
30、136：光バンドパスフィルタ
32、138：第5光ファイバ
34、140：第6光ファイバ
40：クラッド
42：コア
44：応力付与部
50：第1ポート
52：第2ポート
54：第3ポート
56：第4ポート
58：融着延伸部
70、72：偏波面保存光ファイバ

Claims (8)

1. 信号光を入力する第1ポート、第1光ファイバを接続する第2ポート、第2光ファイバを接続する第3ポート及びスイッチングされた信号光を出力する第4ポートを具える、光強度の分岐比が1対1である光分波合成器と、
   該光分波合成器の第2ポートに一端が接続され、制御光を入力する光カプラを具える前記第1光ファイバと、
   前記光分波合成器の前記第3ポートに一端が接続された前記第2光ファイバと、
   前記第1光ファイバと前記第2光ファイバとを結合する光非線形制御部とを具え、
   該光非線形制御部は、第1乃至第4入出力端を具える偏波分離合成モジュールと、
   該偏波分離合成モジュールの前記第1光ファイバの他端が結合されている第1入出力端と対向する側の第3入出力端に一端が結合されている第3光ファイバと、
   該偏波分離合成モジュールの前記第2光ファイバの他端が結合されている第4入出力端と対向する側の第2入出力端に一端が結合されている第4光ファイバと、
   第3光ファイバの他端と第4光ファイバの他端とを接続する、偏波面を90°回転させる偏波面回転部と
   を具えることを特徴とする光スイッチ。
2. 請求項１に記載の光スイッチであって、前記光分波合成器の前記第4ポートに第5光ファイバの一端が接続されており、該第5光ファイバの他端に光バンドパスフィルタが接続されていることを特徴とする光スイッチ。
3. 請求項１に記載の光スイッチであって、前記光分波合成器の前記第1ポートに第6光ファイバの一端が接続されており、該第6光ファイバの他端に光サーキュレータが接続されていることを特徴とする光スイッチ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光スイッチであって、前記第1乃至第4光ファイバが偏波面保存光ファイバであることを特徴とする光スイッチ。
5. 信号光を入力する第1ポート、第1光ファイバを接続する第2ポート、第2光ファイバを接続する第3ポート及びスイッチングされた信号光を出力する第4ポートを具える、光強度の分岐比が1対1である光分波合成器と、
   該光分波合成器の前記第2ポートに一端が接続され、制御光を入力する光カプラを具える第1光ファイバと、
   前記光分波合成器の前記第3ポートに一端が接続され、偏波面を90°回転させる第1偏波面回転部を具える第2光ファイバと、
   前記第1光ファイバと前記第2光ファイバとを結合する光非線形制御部とを具え、
   該光非線形制御部は、第1乃至第3入出力端を具える第1偏波分離合成モジュールと、第1乃至第3入出力端を具える第2偏波分離合成モジュールと、
   前記第1偏波分離合成モジュールの第1入出力端に対向する側の第2入出力端に一端が結合され、前記第2偏波分離合成モジュールの第3入出力端に対向する側の第1入出力端に他端が結合された第3光ファイバと、
   偏波面を90°回転させる第2偏波面回転部を具え、前記第1偏波分離合成モジュールの第3入出力端に一端が結合され、前記第2偏波分離合成モジュールの第1入出力端に対向する側の第3入出力端に他端が結合された第4光ファイバとを具え、
   前記第1偏波分離合成モジュールの第1入出力端には前記第1光ファイバの他端が結合されており、前記第2偏波分離合成モジュールの第2入出力端には前記第2光ファイバの他端が結合されていること
   を特徴とする光スイッチ。
6. 請求項５に記載の光スイッチであって、前記光分波合成器の前記第4ポートに第5光ファイバの一端が接続されており、該第5光ファイバの他端に光バンドパスフィルタが接続されていることを特徴とする光スイッチ。
7. 請求項５に記載の光スイッチであって、前記光分波合成器の前記第1ポートに第6光ファイバの一端が接続されており、該第6光ファイバの他端に光サーキュレータが接続されていることを特徴とする光スイッチ。
8. 請求項５乃至７のいずれか一項に記載の光スイッチであって、前記第1乃至第4光ファイバが偏波面保存光ファイバであることを特徴とする光スイッチ。

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