JP3197611B2 - 多端子光スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空間を伝搬する複数の光
ビームの光路の順序を任意に変換する機能を持った光ス
イッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】多数の入力端子と多数の出力端子との間
を配線するスイッチとして、２入力２出力の単位スイッ
チを多段に接続し、２n 個の入力端子と２n 個の出力端
子との間を１対１で接続する全ての組み合わせを実現す
ることのできるスイッチ網の構成法が提案されている。
図７は、この構成法に基づく16入力16出力のスイッチ回
路網の配線例を示す図である。図７において、23−１〜
23−16は信号入力端子、24−１〜24−16は信号出力端
子、25−１〜25−７はスイッチ段、26−１〜26−６は配
線段をそれぞれ表している。スイッチ段を構成する複数
の長方形は２入力２出力の単位スイッチであり、外部か
らの制御によって入力１−出力１、入力２−出力２の接
続形態（スルー）と、入力１−出力２、入力２−出力１
の接続形態（クロス）のいずれか一方の形態をとる。配
線段26−１〜26−６は上記単位スイッチ間を配線するも
のであり、上記スイッチ段と交互に配置される。

【０００３】図７のスイッチ網において、互いに直交す
る偏光面を持った空間伝搬光ビームを配線の媒体とし、
通過する光の偏光状態をスイッチングする素子を単位ス
イッチとして用いることにより上記スイッチ網を実現す
る多端子空間光スイッチの構成法が提案されている。

【０００４】図８には、このような多端子空間光スイッ
チの構成を示す。この構成は、ケイ・ノグチ等（K. Nog
uchi et.al）の文献、「偏光多重化技術を使用する再配
置可能な多チャネル自由空間光スイッチ（Rearrangeabl
e multichannel free-spaceoptical switch using pola
rization multiplexing technique）」、エレクトロニ
クス・レターズ（Electronics Letters ）、第26巻、第
17号、1325頁）において開示されているものと同様な構
成である。図８において27はコリメート信号光ビーム入
力ポートアレイ、28はコリメート光ビーム出力ポートア
レイをそれぞれ表している。29−１〜29−７は偏光面制
御素子アレイであり、アレイ上の素子に入射した光ビー
ムは、素子がオンの場合、偏光面が90度回転し、通過す
るＰ波とＳ波が互いに交換される。一方、対応する素子
がオフの場合、偏光面は何の影響も受けず、通過するＰ
波とＳ波はそのままの状態を保つ。このような機能を持
った偏光面制御素子アレイとして、例えば液晶ディスプ
レイを使用することができる。また30−１〜30−６は光
路変換素子であり、入射光ビームの偏光面によってその
光路を切り替える機能を有する。このような機能を持っ
た光路変換素子として、例えば偏光ビームスプリッタを
積層した素子を使用することができる。

【０００５】ここで偏光面制御素子アレイのそれぞれ
は、図７に示したスイッチ網の単位スイッチの１段分に
相当し、光路変換素子のそれぞれは各スイッチ段間の配
線網に相当する。図８の31, 32は偏光ビームスプリッタ
であり、それぞれ互いに直交する偏光成分を有する２つ
の入射光ビームを合成、偏光多重された状態で出力され
たビームを偏光成分毎に分離するための素子である。

【０００６】通常、本多端子光スイッチは個別のスイッ
チ段、ルーチング段を交互に並べて構成される。その
際、入出力信号光がずれないようにスイッチ段、ルーチ
ング段はミクロンオーダーの位置精度で並べられる必要
がある。入出力チャネル数が増加すると、これらのスイ
ッチ段、ルーチング段の数も増加する。２n 個の入出力
チャネルを有するスイッチを構成するためには２ｎ−１
段のスイッチ段と２ｎ−２段のルーチング段が必要とな
る。従って、本多端子光スイッチではスイッチ規模が大
きくなるにつれて全ての素子を正確に位置合わせするこ
とが困難になるという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、自由空間を
伝搬する複数の光ビームを、光の偏光を利用してスイッ
チングする多端子光スイッチにおいて、所望の入出力の
チャネル数を得るためのスイッチ段、ルーチング段の数
を減らすことにより装置作成を容易にすること、および
該多端子光スイッチの入出力光信号の光路を一致させる
ことにより光ファイバ等の配線の輻輳を低減することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、偏光面制御素
子アレイと光路変換素子とを交互に配置し、光ビームの
偏光状態を制御してスイッチングを行う多端子光スイッ
チにおいて、該多端子光スイッチの出力端に反射素子を
配置し、該多端子光スイッチに入射された信号光が装置
内を往復する構造とすることにより、スイッチ段、ルー
チング段の段数を減少し、かつ装置の入出力光信号の光
路を一致させることを特徴としている。

【０００９】

【実施例】

実施例１ 図１には本発明の第１の実施例の網構成を示す。図１は
４入力４出力スイッチング網の場合を網構成に即して概
念的に示している。１−１〜１−４は信号入力ポート、
２−１〜２−４は第１のスイッチ段を構成するスイッチ
ング素子、３−１〜３−４は第２のスイッチ段を構成す
るスイッチング素子、４−１〜４−４は第３のスイッチ
段を構成するスイッチング素子、５−１〜５−４は反射
素子、６−１〜６−３はルーチング段、７−１〜７−４
は信号出力ポートをそれぞれ表している。本実施例では
入力信号が全てＰ偏光の場合について考える。各スイッ
チ素子は論理的には２入力２出力ポートを有している
が、構造的には１入力１出力の光入出力端子を有してお
り、通過する光の偏光面を90度変化させるか、させない
かを切り替えることによりスイッチング動作を行う。

【００１０】ルーチング段６−１〜６−３には、Ｐ偏光
に対してはスルーの結線、Ｓ偏光に対しては６−１では
２段上方のポートに、６−２では１段下方のポートに、
６−３では２段下方のポートに入力するようなクロス結
線となるようなルーチング素子が用いられる。信号入力
ポート１−１〜１−４からはＰ偏光を有するコリメート
光がそれぞれスイッチング網へ入射される。第１のスイ
ッチ段中、スイッチング素子２−１、２−２はスルー状
態、すなわち入出力ポートで偏光が変わらない状態に、
２−３、２−４はクロス状態、すなわち入出力ポートで
偏光面が90度変化する状態にそれぞれ固定される。従っ
て、信号入力ポート１−１〜１−４へそれぞれ入力され
た信号光は第２のスイッチ段のスイッチング素子３−
１、あるいは３−２へ入力される。反射素子５−１〜５
−４では、入射した光を反射すると共にその偏光面を90
度回転させる機能を有する。これは、反射素子に入射し
たＳ偏光（Ｐ偏光）はＰ偏光（Ｓ偏光）に変換されて反
射されることを意味する。従ってスイッチング素子４−
１、４−２から出力された信号光は反射素子５−１〜５
−４を介して、スイッチング素子４−３、４−４へこれ
までとは逆方向に入力され、スイッチング素子２−１〜
２−４を介して信号光は出力ポート７−１〜７−４から
Ｓ偏光として出力される。

【００１１】図１において、第２、第３のスイッチ段の
各スイッチング素子３−１〜３−４および４−１〜４−
４を通過する互いに直交する偏光成分を有する２つの入
力信号光が同一方向へ進行する。すなわち、スイッチン
グ素子３−１、３−２、４−１、４−２では全ての信号
光は左から右へ通過し、スイッチング素子３−３、３−
４、４−３、４−４では全ての信号光は右から左へ通過
する。

【００１２】図１には信号入力ポート１−１から信号出
力ポート７−１へ、および信号入力ポート１−３から信
号出力ポート７−４へそれぞれ光信号が伝送される場合
について、その経路をＰ偏光を矢印付き太線、Ｓ偏光を
矢印付き破線としてそれぞれ示している。１−１に入力
されたＰ偏光の信号光はＰ偏光のまま反射素子５−１に
入力されてＳ偏光として出力され、スイッチング素子４
−３、３−３でそれぞれ偏光状態の変更を受けた後、７
−１よりＳ偏光として出力する。１−３に入力されたＰ
偏光の信号光はスイッチング素子２−３によりＳ偏光に
変換されて出力した後、Ｓ偏光のまま反射素子５−４に
入力し、Ｐ偏光として出力され、Ｐ偏光のまま各素子内
を通過してスイッチング素子２−４に入力してＳ偏光に
変換されて７−４から出力される。

【００１３】図２には本発明に用いる反射素子の構成を
示す。８−１〜８−Ｎは直交する２つの偏光成分（Ｓ偏
光、Ｐ偏光）の内いずれか一方のみを有する信号光、９
は１／４波長板、10はミラーをそれぞれ表している。本
反射素子に入射された信号光８−１〜８−Ｎはミラー10
により反射されると共に、１／４波長板９を２回通過す
ることによりその偏光面が90度回転される。つまり本反
射素子にＰ偏光（Ｓ偏光）が入射された場合にその反射
光はＳ偏光（Ｐ偏光）となる。これは図１に示した反射
素子の機能そのものである。

【００１４】図３には図１の原理に基づく光スイッチを
光学的に実現した多端子光スイッチの構成を示す。11−
１〜11−Ｎはスイッチ段として用いる偏光面制御素子
（例えば液晶ディスプレイ）、12−１〜12−Ｎはルーチ
ング素子、13は１／４波長板、14はミラー、15は入力信
号光、16は出力信号光、17は偏光ビームスプリッタをそ
れぞれ表している。第１のスイッチ段11−１に入力され
た入力信号光15はスイッチ本体を通過し、１／４波長板
13、ミラー14から構成される反射素子で反射されて再び
スイッチ本体を通過して第１のスイッチ段から出力され
る。入力信号光および出力信号光は偏光ビームスプリッ
タによりそれぞれ分離される。

【００１５】従来の多端子光スイッチでは２n ×２n の
スイッチを構成するのに２ｎ−１段のスイッチ段と２
（ｎ−１）段のルーチング段を必要とする。一方、本発
明の光スイッチ段では、ｎ段のスイッチ段とｎ＋１段の
ルーチング段で同規模のスイッチを構成できる。但しこ
こでは反射素子およびスイッチ入出力段の固定スイッチ
段の分は除いてある。

【００１６】図４にはチャネル数とスイッチ段、ルーチ
ング段を合わせた段数の関係を従来の多端子光スイッチ
と本発明の多端子光スイッチについて計算した結果を示
す。例えば1024入出力チャネルを有するスイッチを実現
するためには、従来の多端子光スイッチではスイッチ段
19、ルーチング段18段の計37段を必要としてのに対し、
本発明の多端子光スイッチではスイッチ段10段、ルーチ
ング段11段の計21段と、従来の多端子光スイッチに較べ
６割程度の段数で同規模のスイッチを実現できる。本発
明の多端子スイッチではスイッチ段、ルーチング段の段
数が減少した分、各スイッチ段のスイッチ素子の数を２
倍にする必要があるが、液晶ディスプレイ等のスイッチ
素子は半導体製造技術を用いて一体化して作成されるの
で、素子数が増加してもその製造は比較的容易である。
従って、本発明の光スイッチは従来の多端子光スイッチ
と比較してスイッチ規模が大きくなるほど段数の点で有
利となる。入力信号光が全てＳ偏光の場合は初段のスイ
ッチング素子で全てＰ偏光に変換してもよいし、装置内
のルーチング素子やスイッチング素子でのＰ偏光と役割
を入れ換えてもよい。入力信号光にＰ偏光とＳ偏光とが
混在する場合には初段のスイッチング素子で全入力信号
をＰ偏光あるいはＳ偏光に変換することにより同様の機
能が実現できる。

【００１７】実施例２ 図５は本発明の第１の実施例の中で入出力チャネルを分
離するための偏光分離素子の別の例である。18−１〜18
−Ｎは多端子光スイッチへの入力信号光であり、図１に
対応させればＰ偏光である。19は方解石等の複屈折性結
晶、20−１〜20−Ｎは多端子光スイッチからの出力信号
光をそれぞれ表している。図５に示す通り、多端子スイ
ッチ入力端で同一の光路を占める入出力信号光は複屈折
性結晶を通すことにより分離できる。このような偏光分
離素子の構成によれば信号入力ポート、信号出力ポート
を同一の面に形成することが可能である。そのため同一
基板上に並べられた発光、受光素子アレイ間の結線をバ
ンドル光ファイバ等の光導波路を用いることなく行える
という利点を有し、配線の輻輳を低減することができ
る。

【００１８】実施例３ 図６は本発明の第１の実施例の中で入出力チャネルを分
離するための偏光分離素子の別の例を表している。21−
１〜21−Ｎは偏光を分離するための光導波路型カプラ、
22−１〜22−Ｎは偏光保存ファイバをそれぞれ表してい
る。入力信号光18−１〜18−Ｎはそれぞれ光ファイバ22
−１〜22−Ｎにより多端子光スイッチの入力端まで導か
れて多端子光スイッチへ入力される。一方、入力信号光
と同一の光路を有する出力信号光は光ファイバ22−１〜
22−Ｎを介して偏光分離素子に導かれ、それぞれ入力信
号光とは異なるポートから出力される。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、偏
光面制御素子アレイと光路変換素子とを交互に配置し、
光ビームの偏光状態を制御してスイッチングを行う多端
子光スイッチにおいて、該多端子光スイッチの出力端に
反射素子を配置し、該多端子光スイッチに入射された信
号光が装置内を往復する構造とすることにより、スイッ
チ段、ルーチング段の段数を減少し、装置作成を容易に
するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施例の網構成を示す図
である。

【図２】図２は本発明に用いる反射素子の構成を示す図
である。

【図３】図３は本発明の多端子光スイッチの構成を示す
図である。

【図４】図４は本発明および従来の多端子光スイッチの
チャネル数とスイッチ段、ルーチング段を合わせた段数
の関係を示す図である。

【図５】図５は本発明の第２の実施例を示す図である。

【図６】図６は本発明の第３の実施例を示す図である。

【図７】図７はスイッチ回路網の配線例を示す図であ
る。

【図８】図８は従来の多端子空間光スイッチの構成を示
す図である。

【符号の説明】

１−１〜１−４ 信号入力ポート ２−１〜２−４ 第１のスイッチ段を構成するスイッチ
ング素子 ３−１〜３−４ 第２のスイッチ段を構成するスイッチ
ング素子 ４−１〜４−４ 第３のスイッチ段を構成するスイッチ
ング素子 ５−１〜５−４ 反射素子 ６−１〜６−３ ルーチング段 ７−１〜７−４ 信号出力ポート ８−１〜８−Ｎ 直交する２つの偏光成分（Ｓ偏光、Ｐ
偏光）のうちいずれか一方のみを有する信号光 ９ １／４波長板 10 ミラー 11−１〜11−Ｎ 偏光面制御素子 12−１〜12−Ｎ ルーチング素子 13 １／４波長板 14 ミラー 15 入力信号光 16 出力信号光 17 偏光ビームスプリッタ 18−１〜18−Ｎ 多端子光スイッチへの入力信号光 19 複屈折性結晶 20−１〜20−Ｎ 多端子光スイッチからの出力信号光 21−１〜21−Ｎ 偏光を分離する光導波路型カプラ 22−１〜22−Ｎ 偏光保存ファイバ 23−１〜23−16 信号入力端子 24−１〜24−16 信号出力端子 25−１〜25−７ スイッチ段 26−１〜26−６ ルーチング段 27 コリメート信号光ビーム入力ポートアレイ 28 コリメート信号光ビーム出力ポートアレイ 29−１〜29−７ 偏光面制御素子アレイ 30−１〜30−６ 光路変換素子 31 偏光ビームスプリッタ 32 偏光ビームスプリッタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/095 G02F 1/29 - 1/31 G02F 1/13 - 1/13363 H04Q 3/52 - 3/52 101

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光状態の複数のコリメート入射信
   号光の光路を等間隔の格子状または一列状に配置して互
   いに平行に装置内に入射する手段と、 通過する光ビームの互いに直交する２つの直線偏光成分
   をそのまま通過させるか、またはこれらの直線偏光成分
   を互いに交換するか、のいずれか一方に制御される偏光
   面制御素子を複数個配置した偏光面制御素子アレイと、 複数の光ビームの全てに対し、該光ビームを直交する２
   つの直線偏光成分に分離し、その一方の直線偏光成分の
   光路を変更して、これを互いに直交する２つの直線偏光
   成分に分離された他の光ビームの、光路変換されない直
   線偏光成分と合成し、同一光路上に伝搬させる機能を有
   する光路変換素子とを有し、 装置内に入射された、前記複数のコリメート光の光路上
   に、前記偏光面制御素子アレイと光路変換素子とを交互
   に配置した多端子光スイッチにおいて、 前記の多端子光スイッチを通過した前記複数のコリメー
   ト光の進行方向を180度回転し、前記の入射したコリメ
   ート光の進行方向とは逆方向に前記多端子光スイッチ中
   を通過せしめかつ直線偏光成分を互いに交換する手段
   と、 装置内から出射する複数のコリメート光ビームのおのお
   のを、同一の光路より入射する光ビームと分離して装置
   外に出射させる手段とを備えてなることを特徴とする多
   端子光スイッチ。
2. 【請求項２】複屈折媒質を用いて装置内から出射する複
   数のコリメート光ビームのおのおのを、同一の光路より
   入射するコリメート光ビームと分離して装置外に出射さ
   せることを特徴とする請求項１に記載の多端子光スイッ
   チ。
3. 【請求項３】偏波保存ファイバおよび偏光ビームスプリ
   ッタを用いて装置内から出射する複数のコリメート光ビ
   ームのおのおのを、同一の光路より入射するコリメート
   光ビームと分離して装置外に出射させることを特徴とす
   る請求項１に記載の多端子光スイッチ。