JP2978237B2 - 光スイッチ - Google Patents
光スイッチInfo
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- JP2978237B2 JP2978237B2 JP2325002A JP32500290A JP2978237B2 JP 2978237 B2 JP2978237 B2 JP 2978237B2 JP 2325002 A JP2325002 A JP 2325002A JP 32500290 A JP32500290 A JP 32500290A JP 2978237 B2 JP2978237 B2 JP 2978237B2
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- Use Of Switch Circuits For Exchanges And Methods Of Control Of Multiplex Exchanges (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、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
光スイッチに関する。
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
光スイッチに関する。
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.1
7,2921−2925（1980））。
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.1
7,2921−2925（1980））。
ここで第24図は上記文献記載の光スイッチの説明図で
あって、第24図において、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。
あって、第24図において、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。
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（同図（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、両偏光成分は出力口Ａに送りだされる。
オン状態にあれば（同図（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、両偏光成分は出力口Ａに送りだされる。
次に電源がオフのとき（同図（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。
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。
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、第25図に示
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。このスイッチを用いて多チャンネル化する場合の配
線例を第26図に示す。ここで、第26図（ａ）は３×３構
成の光スイッチの場合で、２×２光スイッチは３つ必要
になる。また同図（ｂ）の場合は４×４構成の光スイッ
チで、２×２光スイッチを６個必要とする。従って、一
般にＮ×Ｎ構成の光スイッチの場合は、２×２光スイッ
チが｛Ｎ（Ｎ−１）/2｝個も必要となる。
光スイッチを構成することができる。即ち、第25図に示
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。このスイッチを用いて多チャンネル化する場合の配
線例を第26図に示す。ここで、第26図（ａ）は３×３構
成の光スイッチの場合で、２×２光スイッチは３つ必要
になる。また同図（ｂ）の場合は４×４構成の光スイッ
チで、２×２光スイッチを６個必要とする。従って、一
般にＮ×Ｎ構成の光スイッチの場合は、２×２光スイッ
チが｛Ｎ（Ｎ−１）/2｝個も必要となる。
ところで、前述の２×２光スイッチは、直交する２方
向に光を出力する。よって、前述したように多チャンネ
ルに対応するには多くの２×２光スイッチが必要とな
る。
向に光を出力する。よって、前述したように多チャンネ
ルに対応するには多くの２×２光スイッチが必要とな
る。
しかしながら、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。
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。
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。
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。
本願請求項１記載の光スイッチは、光透過型の素子か
らなり入力光を偏光方向が異なる２つの偏光に平行位置
分離して同方向に出力するビームディスプレイシングエ
レメント（BDEと略記する）と、上記２つの偏光に対応
して２個並列され偏光の回転を制御する偏光回転素子
と、光透過型の素子からなり偏光方向が異なる偏光を平
行位置分離もしくは角度分離して出力する偏光分離素子
とを具備し、これらを直列に配設してなることを特徴と
する。
らなり入力光を偏光方向が異なる２つの偏光に平行位置
分離して同方向に出力するビームディスプレイシングエ
レメント（BDEと略記する）と、上記２つの偏光に対応
して２個並列され偏光の回転を制御する偏光回転素子
と、光透過型の素子からなり偏光方向が異なる偏光を平
行位置分離もしくは角度分離して出力する偏光分離素子
とを具備し、これらを直列に配設してなることを特徴と
する。
請求項２記載の光スイッチは、上記請求項１記載の光
スイッチにおいて、BDEにはビームディスプレイシング
プリズム（BDPと略記する）もしくはデュアルグレーテ
ィング（DGと略記する）を用いることを特徴とする。
スイッチにおいて、BDEにはビームディスプレイシング
プリズム（BDPと略記する）もしくはデュアルグレーテ
ィング（DGと略記する）を用いることを特徴とする。
請求項３記載の光スイッチは、上記請求項１または２
記載の光スイッチにおいて、偏光分離素子は角度分離素
子であり、ウォラストンプリズムもしくはDGを用いるこ
とを特徴とする。
記載の光スイッチにおいて、偏光分離素子は角度分離素
子であり、ウォラストンプリズムもしくはDGを用いるこ
とを特徴とする。
請求項４記載の光スイッチは、上記請求項１または２
または３記載の光スイッチにおいて、偏光回転素子と偏
光分離素子の対を少なくとも１対直列に加設し、出力側
にレンズを配設してなることを特徴とする。
または３記載の光スイッチにおいて、偏光回転素子と偏
光分離素子の対を少なくとも１対直列に加設し、出力側
にレンズを配設してなることを特徴とする。
請求項５記載の光スイッチは、上記請求項４記載の光
スイッチを並列もしくは少なくとも一部を共有して並列
し、Ｎ×Ｎ（N:整数）構成としたことを特徴とする。
スイッチを並列もしくは少なくとも一部を共有して並列
し、Ｎ×Ｎ（N:整数）構成としたことを特徴とする。
請求項６記載の光スイッチは、上記請求項１〜５のい
ずれかに記載の光スイッチにおいて、偏光分離素子用の
DGは表裏面の格子を角度を持たせて設定したことを特徴
とする。
ずれかに記載の光スイッチにおいて、偏光分離素子用の
DGは表裏面の格子を角度を持たせて設定したことを特徴
とする。
請求項７記載の光スイッチは、上記請求項１〜５のい
ずれかに記載の光スイッチにおいて、偏光分離素子用の
ウォラストンプリンズムは少なくとも一部を90゜回転さ
せてなることを特徴とする。
ずれかに記載の光スイッチにおいて、偏光分離素子用の
ウォラストンプリンズムは少なくとも一部を90゜回転さ
せてなることを特徴とする。
請求項８記載の光スイッチは、上記請求項１〜７のい
ずれかに記載の光スイッチにおいて、偏光回転素子は液
晶乃至PLZTで構成されることを特徴とする。
ずれかに記載の光スイッチにおいて、偏光回転素子は液
晶乃至PLZTで構成されることを特徴とする。
〔作用〕 請求項１記載の光スイッチにおいては、入力光を２つ
の偏光に分離する素子として光透過型の素子からなるBD
Eを用い、出力側には、偏光方向が異なる偏光を平行位
置分離もしくは角度分離して出力する光透過型の偏光分
離素子を用いているので、従来の偏光分離／合成用のプ
リズム（偏光ビームスプリッタ）と反射プリズムを組み
合わせたものを光の入力側と出力側の両方に配置した構
成と比べて、少ない要素で構成することができ、小型
化、低コスト化が可能となる。
の偏光に分離する素子として光透過型の素子からなるBD
Eを用い、出力側には、偏光方向が異なる偏光を平行位
置分離もしくは角度分離して出力する光透過型の偏光分
離素子を用いているので、従来の偏光分離／合成用のプ
リズム（偏光ビームスプリッタ）と反射プリズムを組み
合わせたものを光の入力側と出力側の両方に配置した構
成と比べて、少ない要素で構成することができ、小型
化、低コスト化が可能となる。
請求項２記載の光スイッチにおいては、BDEにビーム
ディスプレイシングプリズム（BDP）もしくはデュアル
グレーティング（DG）を用いることにより、小型で且つ
安価な構成となる。
ディスプレイシングプリズム（BDP）もしくはデュアル
グレーティング（DG）を用いることにより、小型で且つ
安価な構成となる。
請求項３記載の光スイッチにおいては、偏光分離素子
は角度分離素子であり、ウォラストンプリズムもしくは
DGを用いることにより、小型で且つ安価な構成となる。
は角度分離素子であり、ウォラストンプリズムもしくは
DGを用いることにより、小型で且つ安価な構成となる。
請求項４記載の光スイッチにおいては、一対の素子を
直列に加えていくだけで１×Ｎ素子を構成できるので、
小型となる。
直列に加えていくだけで１×Ｎ素子を構成できるので、
小型となる。
請求項５記載の光スイッチにおいては、１×Ｎ構成の
光スイッチを並列するだけでＮ×Ｎ構成の光スイッチを
構成できるので、作製が容易となり、小型で且つ安価と
なる。
光スイッチを並列するだけでＮ×Ｎ構成の光スイッチを
構成できるので、作製が容易となり、小型で且つ安価と
なる。
また請求項６記載の光スイッチにおいては、偏光分離
素子用のDGの表裏面格子に角度を持たせて設定すればよ
いので、作製が容易となる。
素子用のDGの表裏面格子に角度を持たせて設定すればよ
いので、作製が容易となる。
また請求項７記載の光スイッチにおいては、偏光分離
素子用のウォラストンプリズムは少なくとも一部を90゜
回転させて設定すればよいので、作製が容易となる。
素子用のウォラストンプリズムは少なくとも一部を90゜
回転させて設定すればよいので、作製が容易となる。
また請求項８記載の光スイッチにおいては、偏光回転
素子を液晶で構成することにより、高性能で安価、小型
となり、偏光回転素子をPLZTで構成すれば、高速な動作
が期待できる。
素子を液晶で構成することにより、高性能で安価、小型
となり、偏光回転素子をPLZTで構成すれば、高速な動作
が期待できる。
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。
説明する。
第１図に本発明による光スイッチの基本単位である１
×２光スイッチの概略構成を示し、先ず、この１×２光
スイッチの動作について説明する。
×２光スイッチの概略構成を示し、先ず、この１×２光
スイッチの動作について説明する。
第１図において、１×２光スイッチは、光透過型の素
子からなるビームディスプレイシングエレメント（BD
E）と、２個並列され偏光の回転を制御する偏光回転素
子と、光透過型の素子からなる偏光分離素子とを具備
し、これらを直列に配設した構成からなっており、無偏
光の入力光は、BDEにより偏光方向が相直交する２つの
偏光、Ｐ偏光とＳ偏光に分けられる。次に、並列する２
つの偏光回転素子a,bに入力され、ＰもしくはＳのどち
らかの偏光に揃えられる。そして最後に、偏光分離素子
により分離される。尚、最後の分離は平行位置分離（出
力方向が平行で出力位置が分離される）もしくは角度分
離であり、第１図は角度分離の場合を示している。
子からなるビームディスプレイシングエレメント（BD
E）と、２個並列され偏光の回転を制御する偏光回転素
子と、光透過型の素子からなる偏光分離素子とを具備
し、これらを直列に配設した構成からなっており、無偏
光の入力光は、BDEにより偏光方向が相直交する２つの
偏光、Ｐ偏光とＳ偏光に分けられる。次に、並列する２
つの偏光回転素子a,bに入力され、ＰもしくはＳのどち
らかの偏光に揃えられる。そして最後に、偏光分離素子
により分離される。尚、最後の分離は平行位置分離（出
力方向が平行で出力位置が分離される）もしくは角度分
離であり、第１図は角度分離の場合を示している。
ここで、上記分離の制御は２個の偏光回転素子におけ
る回転の行い方で達成され、例えば第１図において、偏
光回転素子ａで回転させず、偏光回転素子ｂで回転させ
ると、出力光はＰ偏光となり、偏光分離素子を経て受光
器１に出力される。逆に、偏光回転素子ａとｂの位相を
90゜変えると、偏光回転素子ａではＰ→S,偏光回転素子
ｂではＳ→Ｓとなり、出力光はＳ偏光となり、偏光分離
素子を経て受光器２に出力される。
る回転の行い方で達成され、例えば第１図において、偏
光回転素子ａで回転させず、偏光回転素子ｂで回転させ
ると、出力光はＰ偏光となり、偏光分離素子を経て受光
器１に出力される。逆に、偏光回転素子ａとｂの位相を
90゜変えると、偏光回転素子ａではＰ→S,偏光回転素子
ｂではＳ→Ｓとなり、出力光はＳ偏光となり、偏光分離
素子を経て受光器２に出力される。
以上が本発明の光スイッチの基本単位である１×２光
スイッチの動作である。
スイッチの動作である。
次に、上記BDEの具体例としては、ビームディスプレ
イシングプリズム（BDP）やデュアルグレーティング（D
G）がある。
イシングプリズム（BDP）やデュアルグレーティング（D
G）がある。
先ず、BDPについて説明する。このBDPの代表的なもの
は、一軸性の光学的異方性結晶であり、方解石や水晶が
ある。第２図においてその動作を説明する。
は、一軸性の光学的異方性結晶であり、方解石や水晶が
ある。第２図においてその動作を説明する。
第２図において、光学軸を紙面内に入力方向からθだ
け傾けて設定する。すると、常光線ｏは直進し、異常光
線ｅはエネルギー伝搬方向がγだけ角度が傾く。このた
め、再び空気中に出力されると、２つの光線は平行とな
る。尚、γは下記の（１）式のように表される（例え
ば、末田正著「光エレクトロニクス」P.143〜P.144,昭
和60年４月15日初版１刷，昭晃堂、参照）。
け傾けて設定する。すると、常光線ｏは直進し、異常光
線ｅはエネルギー伝搬方向がγだけ角度が傾く。このた
め、再び空気中に出力されると、２つの光線は平行とな
る。尚、γは下記の（１）式のように表される（例え
ば、末田正著「光エレクトロニクス」P.143〜P.144,昭
和60年４月15日初版１刷，昭晃堂、参照）。
γ＝θ−tan-1｛（no/ne）2tanθ｝ …（１） ここで、noは常光線ｏの感じる屈折率、neは異常光線
ｅの感じる屈折率である。方解石を例にとり、no＝1.65
95、ne＝1.4863、θ＝45゜とすれば、γ＝−６゜16′と
なる。従って、結晶長を10mmとすれば、1.1mm分離され
る。
ｅの感じる屈折率である。方解石を例にとり、no＝1.65
95、ne＝1.4863、θ＝45゜とすれば、γ＝−６゜16′と
なる。従って、結晶長を10mmとすれば、1.1mm分離され
る。
次に、DGについて説明する。第３図はDGの概略構造を
示す概念図である。
示す概念図である。
第３図に示すように、DGは透明基板の両面に２つの同
じグレーティングを一体的に形成してなる透過型の二重
回折格子であり、各グレーティングの格子ピッチΛは波
長λに比べて十分に小さく、下記（２）式のような範囲
にある。
じグレーティングを一体的に形成してなる透過型の二重
回折格子であり、各グレーティングの格子ピッチΛは波
長λに比べて十分に小さく、下記（２）式のような範囲
にある。
0.6λ＜Λ＜0.9λ …（２） このため、DGの回折特性は偏光分離性を示す（K.Yoko
mori:“Dielectric surface−reliefgratings with hig
h diffraction efficiency",Appl.Opt.,23（1984）230
3）。
mori:“Dielectric surface−reliefgratings with hig
h diffraction efficiency",Appl.Opt.,23（1984）230
3）。
従って、DGへの入力光は、先ず入力光に対して表面側
のグレーティングにて回折するＳ偏光と透過するＰ偏光
に分離される。次に、裏面側のグレーティングは表面側
のグレーティングと同ピッチなので、Ｓ偏光は再び回折
され、Ｐ偏光は再び透過される。このように、第３図に
示す構成のDGへの入力光は、両偏光に平行位置分離され
る。尚、平行に出力される様子は次式で理解される。
のグレーティングにて回折するＳ偏光と透過するＰ偏光
に分離される。次に、裏面側のグレーティングは表面側
のグレーティングと同ピッチなので、Ｓ偏光は再び回折
され、Ｐ偏光は再び透過される。このように、第３図に
示す構成のDGへの入力光は、両偏光に平行位置分離され
る。尚、平行に出力される様子は次式で理解される。
sinθｉ−sinθｏ＝λ［（1/Λ）−（1/Λ）］＝０ →θｉ＝θｏ …（３） ここで、λは波長、θｉは入射角、θｏは２回目の回
折角である。また、このことは第４図に示す回折ダイヤ
グラムによっても理解される。
折角である。また、このことは第４図に示す回折ダイヤ
グラムによっても理解される。
次に偏光分離素子について説明する。偏光分離素子の
具体例としては、ウオラストンプリズム、トムソンプリ
ズム、偏光ビームスプリッタ（PBS）、DG、ビームディ
スプレイシングプリズム（BDP）などがある。この中
で、DGとBDPは平行位置分離素子として用いることがで
き、DGとウオラストンプリズム、トムソンプリズム、PB
Sは角度分離素子として用いることができる。
具体例としては、ウオラストンプリズム、トムソンプリ
ズム、偏光ビームスプリッタ（PBS）、DG、ビームディ
スプレイシングプリズム（BDP）などがある。この中
で、DGとBDPは平行位置分離素子として用いることがで
き、DGとウオラストンプリズム、トムソンプリズム、PB
Sは角度分離素子として用いることができる。
第５図はこれらの偏光分離素子の分離時の様子を示し
ているが、この中で（ｃ）のPBSはＰ偏光とＳ偏光を直
交する２方向に空間的に分離する素子であり、光スイッ
チに適用するには従来技術のように反射プリズムと組み
合わせて用いる必要があるため、課題のところで述べた
ような不具合があり、本発明の光スイッチには不適であ
る。従って本発明の光スイッチでは、偏光分離素子とし
て第５図中のPBS以外の素子が適用可能であるが、特に
光透過型で小型、安価に作製可能なDGもしくはウォラス
トンプリズムを用いるのが好適である。そして、この中
で、角度分離素子としてのDGについて説明する。DGによ
る回折条件式は（４）式で表わされる。
ているが、この中で（ｃ）のPBSはＰ偏光とＳ偏光を直
交する２方向に空間的に分離する素子であり、光スイッ
チに適用するには従来技術のように反射プリズムと組み
合わせて用いる必要があるため、課題のところで述べた
ような不具合があり、本発明の光スイッチには不適であ
る。従って本発明の光スイッチでは、偏光分離素子とし
て第５図中のPBS以外の素子が適用可能であるが、特に
光透過型で小型、安価に作製可能なDGもしくはウォラス
トンプリズムを用いるのが好適である。そして、この中
で、角度分離素子としてのDGについて説明する。DGによ
る回折条件式は（４）式で表わされる。
sinθｉ−sinθｏ＝λ［（1/Λ１）−（1/Λ２）］ …（４） ここで、Λ1,Λ２は夫々表面グレーティング及び裏面
グレーティングのピッチ、その他の変数は（３）式にお
けるものと同じである。
グレーティングのピッチ、その他の変数は（３）式にお
けるものと同じである。
DGにおいては、前述のようにＳ偏光が回折し、Ｐ偏光
が透過する。回折光と透過光のなす角を分離角Δθと定
義する。すなわち、（５）式のようになる。
が透過する。回折光と透過光のなす角を分離角Δθと定
義する。すなわち、（５）式のようになる。
Δθ＝θｉ−θｏ …（５） ここで、（４）式よりθｏを求め、（５）式に代入す
ると、Δθは（６）式のようになる。
ると、Δθは（６）式のようになる。
Δθ＝θｉ−sin-1｛sinθｉ−λ［（1/Λ１）−（1/
Λ２）］｝ …（６） （６）式より、θi,λ，Λ1,Λ２を適当に設定すること
で、所望のΔθが得られることがわかる。ただし、偏光
分離を消光比より得るためには、λとΛ1,Λ２は夫々
（２）式を満足することが必要である。
Λ２）］｝ …（６） （６）式より、θi,λ，Λ1,Λ２を適当に設定すること
で、所望のΔθが得られることがわかる。ただし、偏光
分離を消光比より得るためには、λとΛ1,Λ２は夫々
（２）式を満足することが必要である。
また、Λ１＝Λ２とすると、前述のように回折光と透
過光、すなわち、Ｓ偏光とＰ偏光は平行となり、平行位
置分離素子として働く。尚、第６図（ａ）にDGを角度分
離素子として用いた場合、同図（ｂ）にDGを平行位置分
離素子として用いた場合の１×２光スイッチの構成図を
示す。
過光、すなわち、Ｓ偏光とＰ偏光は平行となり、平行位
置分離素子として働く。尚、第６図（ａ）にDGを角度分
離素子として用いた場合、同図（ｂ）にDGを平行位置分
離素子として用いた場合の１×２光スイッチの構成図を
示す。
次に、偏光回転素子について説明する。
偏光回転素子を外部から容易に制御するためには、エ
レクトロオプティカル（電気により光学特性を変化させ
る;EO）な素子が有用であり、液晶偏光スイッチ、電気
光学材料を用いた偏光スイッチがある。
レクトロオプティカル（電気により光学特性を変化させ
る;EO）な素子が有用であり、液晶偏光スイッチ、電気
光学材料を用いた偏光スイッチがある。
液晶偏光スイッチに用いられる液晶には、ネマティッ
ク液晶や強誘電液晶がある。これらの液晶を用いた偏光
スイッチでは、第７図に示すように、電圧無印加時はＳ
→P,P→Ｓへの偏光回転が行われ、適当な電圧（半波長
電圧:Vπ）印加時には、偏光はそのまま保持される。
ク液晶や強誘電液晶がある。これらの液晶を用いた偏光
スイッチでは、第７図に示すように、電圧無印加時はＳ
→P,P→Ｓへの偏光回転が行われ、適当な電圧（半波長
電圧:Vπ）印加時には、偏光はそのまま保持される。
この電圧の印加方法は、ネマティック液晶、強誘電液
晶の場合で異なり、ネマティック液晶では偏光回転に比
例する電圧を印加するが、強誘電液晶では、閾値を超え
る電圧を一度加えてやれば、偏光回転させるか否かの状
態を保持させることができる。これを表わすのが第８図
である。ここで、第８図のONとOFFは回転するか否かを
示すものである。また、ONとOFFが電圧に対し入れ換わ
ったとしても一般性は失われない。
晶の場合で異なり、ネマティック液晶では偏光回転に比
例する電圧を印加するが、強誘電液晶では、閾値を超え
る電圧を一度加えてやれば、偏光回転させるか否かの状
態を保持させることができる。これを表わすのが第８図
である。ここで、第８図のONとOFFは回転するか否かを
示すものである。また、ONとOFFが電圧に対し入れ換わ
ったとしても一般性は失われない。
尚、本発明の光スイッチにおいては、偏光回転素子は
２つ並列に設定されるので、液晶偏光スイッチの構造は
第９図に示すようになる。ここで、E1,E2,E3は透明電極
である。電圧はD1とD2の領域に印加される。
２つ並列に設定されるので、液晶偏光スイッチの構造は
第９図に示すようになる。ここで、E1,E2,E3は透明電極
である。電圧はD1とD2の領域に印加される。
次に、電気光学材料を用いた偏光スイッチについて説
明する。
明する。
一次の電気光学効果を示す材料にはLiNbO3,LiTaO3等
の3m結晶、そして、KDP,ADPなどの42m結晶がある。ま
た、二次の電気光学効果を示す材料には、PLZTなどのセ
ラミックスがある。
の3m結晶、そして、KDP,ADPなどの42m結晶がある。ま
た、二次の電気光学効果を示す材料には、PLZTなどのセ
ラミックスがある。
これらの材料の中では、効果の大きさでPLZTが重要で
ある。PLZTを用いる場合の電極構成の具体例を第10図に
示す。この第10図に示す例では、PLZTの表面に櫛状電極
を並列して設定し、電界の向きに対し、S,P両偏光を45
゜傾けて入射させる。すると、半波長電圧Ｖπの電圧印
加時に、Ｓ→P,P→Ｓへの偏光回転が達成される。尚、
第11図に示すようにレンズを用いれば、一対の櫛状電極
でもよい。
ある。PLZTを用いる場合の電極構成の具体例を第10図に
示す。この第10図に示す例では、PLZTの表面に櫛状電極
を並列して設定し、電界の向きに対し、S,P両偏光を45
゜傾けて入射させる。すると、半波長電圧Ｖπの電圧印
加時に、Ｓ→P,P→Ｓへの偏光回転が達成される。尚、
第11図に示すようにレンズを用いれば、一対の櫛状電極
でもよい。
さて、以上が１×２光スイッチの詳細であるが、偏光
分離素子が角度分離素子である場合は、さらに偏光分離
素子の出力側にレンズを用いると少ない距離で両偏光を
分離できる。尚、偏光分離素子にウォラストンプリズム
を用い、ウォラストンプリズムの出力側にレンズを配置
した場合の偏光分離の様子を第12図に示す。
分離素子が角度分離素子である場合は、さらに偏光分離
素子の出力側にレンズを用いると少ない距離で両偏光を
分離できる。尚、偏光分離素子にウォラストンプリズム
を用い、ウォラストンプリズムの出力側にレンズを配置
した場合の偏光分離の様子を第12図に示す。
次に、上述の１×２光スイッチを用いたＮ×Ｎ光スイ
ッチについて説明する。
ッチについて説明する。
先ず初めに２×２光スイッチを取り上げる。第13図に
２×２光スイッチの概略構成の概念図を示す。
２×２光スイッチの概略構成の概念図を示す。
この２×２光スイッチは、基本的には１×２光スイッ
チを２個並列した構成となるが、偏光分離素子としては
角度分離素子を用いる必要がある。
チを２個並列した構成となるが、偏光分離素子としては
角度分離素子を用いる必要がある。
第13図に示す構成において偏光分離素子の出力側にレ
ンズを配置し、第14図に示すような構成とすると、少な
い距離で光を分離し、小さい面積に集めることができ
る。
ンズを配置し、第14図に示すような構成とすると、少な
い距離で光を分離し、小さい面積に集めることができ
る。
尚、第13図、第14図の両構成のどちらにおいても、BD
Eと偏光分離素子を共有することができる。第14図の構
成でBDEと偏光分離素子を共有した場合の２×２光スイ
ッチの例を第15図に示す。
Eと偏光分離素子を共有することができる。第14図の構
成でBDEと偏光分離素子を共有した場合の２×２光スイ
ッチの例を第15図に示す。
ここで、第13図〜第15図での偏光回転素子における
a1,b1,a2,b2の動作と光スイッチの動作をまとめたもの
が表１である。尚、表１において、入射光がI1から受光
器１へ、I2から受光器２へ至る場合をバー状態、入射光
がI1から受光器２へ、I2から受光器１へ至る場合をクロ
ス状態とし、偏光回転素子では電圧印加時（ON）に偏光
は回転せず、電圧無印加時（OFF）に偏光は90゜回転す
ると仮定する。
a1,b1,a2,b2の動作と光スイッチの動作をまとめたもの
が表１である。尚、表１において、入射光がI1から受光
器１へ、I2から受光器２へ至る場合をバー状態、入射光
がI1から受光器２へ、I2から受光器１へ至る場合をクロ
ス状態とし、偏光回転素子では電圧印加時（ON）に偏光
は回転せず、電圧無印加時（OFF）に偏光は90゜回転す
ると仮定する。
表１より、b1とa2は同じ動作をさせる必要があること
がわかる。従って、第16図に示すように、b1とa2を一つ
にまとめることができる。
がわかる。従って、第16図に示すように、b1とa2を一つ
にまとめることができる。
このような偏光回転素子は、前述の液晶偏光スイッチ
や電気光学材料を用いた偏光スイッチを用いて容易に実
現することができる。また、BDEや偏光分離素子には前
述のものが使える（ただし、偏光分離素子は角度分離素
子を使う）。代表的な例として、BDEと偏光分離素子にD
G、偏光回転素子に液晶偏光スイッチを用いた例を第17
図に示す。尚、PLZTを用いても第10図に示した櫛状電極
や第11図に示した方法で容易に実現できる。
や電気光学材料を用いた偏光スイッチを用いて容易に実
現することができる。また、BDEや偏光分離素子には前
述のものが使える（ただし、偏光分離素子は角度分離素
子を使う）。代表的な例として、BDEと偏光分離素子にD
G、偏光回転素子に液晶偏光スイッチを用いた例を第17
図に示す。尚、PLZTを用いても第10図に示した櫛状電極
や第11図に示した方法で容易に実現できる。
次に３×３以上の光スイッチについて説明する。
前述の２×２光スイッチが１×２光スイッチを並列し
たものであるのと同じく、Ｎ×Ｎ光スイッチは１×Ｎ光
スイッチを並列したものである。
たものであるのと同じく、Ｎ×Ｎ光スイッチは１×Ｎ光
スイッチを並列したものである。
１×Ｎ光スイッチは１×２光スイッチにＮが１つ増す
毎に偏光回転素子・偏光分離素子（角度分離素子）のペ
アを加設して実現される。ここで１×４光スイッチの場
合の概略構成の概念図と偏光回転素子の動作時出力角模
式図を第18図に示す。
毎に偏光回転素子・偏光分離素子（角度分離素子）のペ
アを加設して実現される。ここで１×４光スイッチの場
合の概略構成の概念図と偏光回転素子の動作時出力角模
式図を第18図に示す。
本１×Ｎ光スイッチ方式は、2n＝Ｎとなるｎ個の偏光
回転素子・偏光分離素子ペアを用意することで実現され
る（但し、ｎ＝１の場合は、前述の１×２光スイッチの
偏光回転素子の如く２つの並列した偏光回転素子を要す
る）。尚、出力部に前述の第14図の如くレンズを配設す
れば、近傍に、小面積に出力光を集めることができる。
回転素子・偏光分離素子ペアを用意することで実現され
る（但し、ｎ＝１の場合は、前述の１×２光スイッチの
偏光回転素子の如く２つの並列した偏光回転素子を要す
る）。尚、出力部に前述の第14図の如くレンズを配設す
れば、近傍に、小面積に出力光を集めることができる。
次に、Ｎ×Ｎ光スイッチは、この１×Ｎ光スイッチを
並列することで実現される。バー状態の４×４光スイッ
チの場合を第19図に、その際の偏光回転素子の動作状態
を表２に示す。このようにしてＮ×Ｎ光スイッチの場合
も容易に実現される。
並列することで実現される。バー状態の４×４光スイッ
チの場合を第19図に、その際の偏光回転素子の動作状態
を表２に示す。このようにしてＮ×Ｎ光スイッチの場合
も容易に実現される。
ところで、BDEと偏光分離素子は一つのもので共用す
ることができる。
ることができる。
また、偏光回転素子も一体化されたものを使うことが
できる。
できる。
ここで、DGと液晶偏光スイッチを用いた具体例を第20
図、その際のDGのピッチを表３、液晶偏光スイッチの動
作と出力受光器を第ｎ段についてまとめたものを表４に
示す。
図、その際のDGのピッチを表３、液晶偏光スイッチの動
作と出力受光器を第ｎ段についてまとめたものを表４に
示す。
第20図の例では、入力光は一次元的に配列されてある
が、本光スイッチにおいて出力部にレンズを用いるので
あれば、入力光は第21図に示すように二次元的でもよ
い。これは、レンズを用いると出力位置は出力光の方向
ベクトルのみに決定されるからである。また、出力光も
二次元的に出力することができる。この場合は、偏光分
離素子はDG,ウォラストンプリズムを用いる。
が、本光スイッチにおいて出力部にレンズを用いるので
あれば、入力光は第21図に示すように二次元的でもよ
い。これは、レンズを用いると出力位置は出力光の方向
ベクトルのみに決定されるからである。また、出力光も
二次元的に出力することができる。この場合は、偏光分
離素子はDG,ウォラストンプリズムを用いる。
尚、二次元に出力するためには、出力角に仰角成分を
持たせる必要がある。DGでは、表裏面のグレーティング
の格子方向をやや傾けることで回折角に仰角成分を持た
せることができる。ここで、第22図に示すように、表面
側グレーティングは傾けず、裏面側グレーティングのみ
をθｏ傾けるとすると、仰角φｏは次式で表される。
持たせる必要がある。DGでは、表裏面のグレーティング
の格子方向をやや傾けることで回折角に仰角成分を持た
せることができる。ここで、第22図に示すように、表面
側グレーティングは傾けず、裏面側グレーティングのみ
をθｏ傾けるとすると、仰角φｏは次式で表される。
φｏ≒（λ／Λ２）θｏ …（７） ここで、Λ２は裏面側グレーティングのピッチであ
る。
る。
第20図で示した構成中の分離角を持たせるためには、
DG2乃至DG3の裏面側グレーティングをおおよそ0.63゜傾
ければよいことがわかる。こうすると、出力は正方形の
頂点の位置然となる（図示省略）。尚、第21図に示した
ようにｎ×ｎの出力とするためには、仰角方向に分離す
るDGをｎ個設定すればよい。
DG2乃至DG3の裏面側グレーティングをおおよそ0.63゜傾
ければよいことがわかる。こうすると、出力は正方形の
頂点の位置然となる（図示省略）。尚、第21図に示した
ようにｎ×ｎの出力とするためには、仰角方向に分離す
るDGをｎ個設定すればよい。
また、ウォラストンプリズムを用いて仰角をつけさせ
るためには、第23図に示すようにウォラストンプリズム
を90゜回して配置すればよい。こうすることで、DGの格
子方向をずらすことと同様の効果が得られる。
るためには、第23図に示すようにウォラストンプリズム
を90゜回して配置すればよい。こうすることで、DGの格
子方向をずらすことと同様の効果が得られる。
以上、実施例に基づいて説明したように、本願請求項
１記載の光スイッチにおいては、入力光を２つの偏光に
分離する素子として光透過型の素子からなるBDEを用
い、出力側には、偏光方向が異なる偏光を平行位置分離
もしくは角度分離して出力する光透過型の偏光分離素子
を用いているので、従来の光スイッチと比べて、少ない
要素で構成することができ、小型化及び低コスト化が可
能となる。
１記載の光スイッチにおいては、入力光を２つの偏光に
分離する素子として光透過型の素子からなるBDEを用
い、出力側には、偏光方向が異なる偏光を平行位置分離
もしくは角度分離して出力する光透過型の偏光分離素子
を用いているので、従来の光スイッチと比べて、少ない
要素で構成することができ、小型化及び低コスト化が可
能となる。
請求項２記載の光スイッチにおいては、BDEにビーム
ディスプレイシングプリズム（BDP）もしくはデュアル
グレーティング（DG）を用いたことにより、小型で且つ
安価に構成することができる。
ディスプレイシングプリズム（BDP）もしくはデュアル
グレーティング（DG）を用いたことにより、小型で且つ
安価に構成することができる。
請求項３記載の光スイッチにおいては、偏光分離素子
は角度分離素子であり、ウォラストンプリズムもしくは
DGを用いたことにより、小型で且つ安価に構成すること
ができる。
は角度分離素子であり、ウォラストンプリズムもしくは
DGを用いたことにより、小型で且つ安価に構成すること
ができる。
請求項４記載の光スイッチにおいては、一対の素子を
直列に加えていくだけで１×Ｎ素子を構成できるので、
小型となる。
直列に加えていくだけで１×Ｎ素子を構成できるので、
小型となる。
請求項５記載の光スイッチにおいては、１×Ｎ構成の
光スイッチを並列するだけでＮ×Ｎ構成の光スイッチを
構成できるので、Ｎ×Ｎ光スイッチの作製が容易とな
り、しかも小型で且つ安価となる。
光スイッチを並列するだけでＮ×Ｎ構成の光スイッチを
構成できるので、Ｎ×Ｎ光スイッチの作製が容易とな
り、しかも小型で且つ安価となる。
また、請求項６記載の光スイッチにおいては、偏光分
離素子用のDGの表裏面格子に角度を持たせて設定すれば
よいので、作製が容易となる。
離素子用のDGの表裏面格子に角度を持たせて設定すれば
よいので、作製が容易となる。
また、請求項７記載の光スイッチにおいては、偏光分
離素子用のウォラストンプリズムは少なくとも一部を90
゜回転させて設定すればよいので、作製が容易となる。
離素子用のウォラストンプリズムは少なくとも一部を90
゜回転させて設定すればよいので、作製が容易となる。
また、請求項８記載の光スイッチにおいては、偏光回
転素子を液晶で構成することにより、高性能で安価、小
型となり、偏光回転素子をPLZTで構成すれば、高速な動
作が期待できる。
転素子を液晶で構成することにより、高性能で安価、小
型となり、偏光回転素子をPLZTで構成すれば、高速な動
作が期待できる。
従って、本発明によれば、少ない素子数で多チャンネ
ルに対応でき、且つ、小型で安価な光スイッチを提供す
ることができる。
ルに対応でき、且つ、小型で安価な光スイッチを提供す
ることができる。
第１図は本発明の光スイッチの基本単位である１×２光
スイッチの概略構成図、第２図はBDPの説明図、第３図
はDGの概略構造を示す概念図、第４図は第３図に示すDG
による回折の説明図、第５図は偏光分離素子として用い
られる素子の説明図、第６図はDGを偏光分離素子として
用いた光スイッチの説明図、第７図乃至第９図は偏光回
転素子として用いられる液晶偏光スイッチの説明図、第
10図及び第11図は偏光回転素子として用いられるPLZT偏
光スイッチの説明図、第12図は偏光分離素子にウォラス
トンプリズムを用いた光スイッチの説明図、第13図乃至
第17図は本発明による２×２光スイッチの説明図、第８
図乃至23図は本発明によるＮ×Ｎ光スイッチの説明図、
第24図乃至第26図は従来技術による光スイッチの説明図
である。
スイッチの概略構成図、第２図はBDPの説明図、第３図
はDGの概略構造を示す概念図、第４図は第３図に示すDG
による回折の説明図、第５図は偏光分離素子として用い
られる素子の説明図、第６図はDGを偏光分離素子として
用いた光スイッチの説明図、第７図乃至第９図は偏光回
転素子として用いられる液晶偏光スイッチの説明図、第
10図及び第11図は偏光回転素子として用いられるPLZT偏
光スイッチの説明図、第12図は偏光分離素子にウォラス
トンプリズムを用いた光スイッチの説明図、第13図乃至
第17図は本発明による２×２光スイッチの説明図、第８
図乃至23図は本発明によるＮ×Ｎ光スイッチの説明図、
第24図乃至第26図は従来技術による光スイッチの説明図
である。
Claims (8)
- 【請求項１】光透過型の素子からなり入力光を偏光方向
が異なる２つの偏光に平行位置分離して同方向に出力す
るビームディスプレイシングエレメント（BDEと略記す
る）と、上記２つの偏光に対応して２個並列され偏光の
回転を制御する偏光回転素子と、光透過型の素子からな
り偏光方向が異なる偏光を平行位置分離もしくは角度分
離して出力する偏光分離素子とを具備し、これらを直列
に配設してなることを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項２】請求項１記載の光スイッチにおいて、BDE
にはビームディスプレイシングプリズム（BDPと略記す
る）もしくはデュアルグレーティング（DGと略記する）
を用いることを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項３】請求項１または２記載の光スイッチにおい
て、偏光分離素子は角度分離素子であり、ウォラストン
プリズムもしくはDGを用いることを特徴とする光スイッ
チ。 - 【請求項４】請求項１または２または３記載の光スイッ
チにおいて、偏光回転素子と偏光分離素子の対を少なく
とも１対直列に加設し、出力側にレンズを配設してなる
ことを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項５】請求項４記載の光スイッチを並列もしくは
少なくとも一部を共有して並列し、Ｎ×Ｎ（N:整数）構
成としたことを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の光スイッ
チにおいて、偏光分離素子用のDGは表裏面の格子を角度
を持たせて設定したことを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項７】請求項１〜５のいずれかに記載の光スイッ
チにおいて、偏光分離素子用のウォラストンプリンズム
は少なくとも一部を90゜回転させてなることを特徴とす
る光スイッチ。 - 【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の光スイッ
チにおいて、偏光回転素子は液晶乃至PLZTで構成される
ことを特徴とする光スイッチ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2325002A JP2978237B2 (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | 光スイッチ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2325002A JP2978237B2 (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | 光スイッチ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04191824A JPH04191824A (ja) | 1992-07-10 |
| JP2978237B2 true JP2978237B2 (ja) | 1999-11-15 |
Family
ID=18172038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2325002A Expired - Fee Related JP2978237B2 (ja) | 1990-11-27 | 1990-11-27 | 光スイッチ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2978237B2 (ja) |
-
1990
- 1990-11-27 JP JP2325002A patent/JP2978237B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04191824A (ja) | 1992-07-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |