JP3583775B2 - 光スイッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信や光情報処理などに使用される低損失の光スイッチ装置に関するものであり、特に、入力された不明な偏光をもつ光（または光子）に対して、その偏光状態を保存したまま、また強度を減衰させることなく、高速でスイッチングできる光スイッチ装置を実現できるため、光変調器やルーティング回路、単一光子源、量子暗号等への適用が期待できる。

従来、ランダムな偏光をもつ入力光を高速にスイッチングするには、入力光中の決められたひとつの方位の直線偏光成分だけを透過あるいは非透過に制御する方法がとられていた。図３は、そのような光スイッチ装置の従来例を示す。

図３において、偏光板５１と５３は同じ直線偏光、ここでは縦偏光の光だけを透過するものである。また偏光板５１と５３の中間に設けられている電気光学素子（Ｅ／Ｏ）５２は、制御信号ＳによりＯＮ／ＯＦＦ制御されて、透過する光の偏光を０度あるいは９０度回転する。なお各図において、縦偏光を垂直の双矢線で表わし、横偏光を水平の双矢線で表わしている。

動作において、偏光板５１を透過した縦偏光の光は、制御信号ＳがＯＮのとき、電気光学素子（Ｅ／Ｏ）５２では回転されないので、縦偏光のまま偏光板５３を透過して出力される。他方、制御信号ＳがＯＦＦのときには、偏光板５１からの縦偏光の光は電気光学素子（Ｅ／Ｏ）５２で９０度回転される。したがって光は縦偏光から横偏光に変わるから、縦偏光のみを通す偏光板５３を透過できず、出力されない。このようにして、入力光は、制御信号ＳによりＯＮ／ＯＦＦスイッチングされる。

図３に示した従来の光スイッチ装置では、ランダムな偏光をもつ入力光を偏光板に通し、選択した直線偏光のみを使用してＯＮ／ＯＦＦスイッチングを行なっている。そのため、選択した直線偏光以外の偏光成分の約半分の光を失い、信号損失が大きくなるとともに、出力光は決められた直線偏光しかとることができないため、入力光の偏光状態が出力光に反映されない等の問題があった。この問題を解決するため、従来、入力光のすべての偏光成分を使用してスイッチングを行なう方式がとられていた（〔特許文献１〕参照）。すなわち、ランダムな偏光をもつ入力光の偏光を縦偏光と横偏光などの直交する２つの直線偏光の光に分離し、分離した各直線偏光の光を、それぞれ電気光学素子（Ｅ／Ｏ）を用いてＯＮ／ＯＦＦスイッチングし、それぞれからＯＮ時に出力される異なる２つの直線偏光の光を合成して出力する方式である。図４にそのような方式の光スイッチ装置の１例を示す。

図４の（ａ）はＯＮ時の動作状態、（ｂ）はＯＦＦ時の動作状態を示す。図中、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１、１４は、２つの直角プリズムの斜面を多層誘電体膜を介して張り合わせたもので、斜面に平行な直線偏光の光を直角に反射し、斜面に交わるような直線偏光の光を透過させる働きをもつ。

電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２，１３は、たとえばポッケルスセルであり、印加される制御信号がＯＮの時、入射光の偏光を回転させずにそのまま透過させ、また制御信号がＯＦＦの時、入射光の偏光を９０度回転させて透過させる。またミラー１５，１６は、光路を折り曲げるために用いられている。

電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２と電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１３をそれぞれ経由する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１から偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４までの光路長は、入力光の偏光状態と出力光の偏光状態とが一致するように、たとえば波長の整数倍に等しくなるように、適切に調節される。

入力光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１の図左方から入射され、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４の図下方へ出射される光を出力光として取り出す。

次に、図４の（ａ）に示すＯＮ時の動作について説明する。ランダム偏光の入力光が偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１に入射されると、縦偏光成分と横偏光成分の光が右方と下方へ分離される。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１では、左方からの縦偏光成分の光は右方に透過させ、同じく左方からの横偏光成分の光は下方に直角に反射させる。これに対して、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４の場合は、上方からの縦偏光成分の光を下方へ透過させ、左方からの横偏光成分の光を下方へ反射させる。

ここで電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２、１３は、いずれもＯＮに制御されているので、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１からこれらへ入射される縦偏光成分と横偏光成分の光は、回転されずにそのまま出射される。電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２から出射された縦偏光の光は、ミラー１６で折り曲げられて偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４へ上方から入射する。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４は、上方からの縦偏光を下方へ透過させる。また電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１３から出射された横偏光成分の光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４へ左方から入射されが、そこで下方へ反射される。この結果、ＯＮ時に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４からは、縦偏光成分の光と横偏光成分の光が合成されて下方へ出力される。このＯＮ時の出力光の偏光状態は、入力光のそれにほぼ一致する。

次に、図４の（ｂ）に示すＯＦＦ時の動作について説明する。このとき、電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２、１３はいずれもＯＦＦに制御されているので、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１で分離されて電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２、１３にそれぞれ入射される縦偏光成分と横偏光成分の光は、いずれも９０度回転されて、横偏光の光と縦偏光の光として出射される。電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２から出射された横偏光の光は、ミラー１６で折り曲げられて偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４へ上方から入射する。しかし、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４は上方からの横偏光を右方へ反射させ、下方へは透過させない。また電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１３から出射された縦偏光の光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４へ左方から入射する。しかし、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４は左方からの縦偏光を右方へ透過させ、下方へは反射させない。したがって、ＯＦＦ時に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４から下方への出力光は生じない。このようにして、図４の構成は、入力光を制御信号のＯＮ／ＯＦＦでゲーティングする光スイッチとして機能することができる。

なお、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４の右方へは、下方の出力に対する反転出力が生じるので、この反転出力を使用することにより、インバータスイッチとして機能させることができる。さらに、制御信号のＯＮ／ＯＦＦにより偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４の出力を下方と右方へ切り分けあるいは分配するルーティングスイッチあるいはデマルチプレクサとして機能させることも可能である。

このようにして、図４に示した光スイッチ装置の場合、入力光から分離した直交する２つの直線偏光の光を全て利用してＯＮ／ＯＦＦスイッチングし、合成するため、ＯＮ時の出力光の偏光状態が入力光のそれにほぼ一致する低損失の光スイッチとして機能することができる。
特開昭６０−０３９６３０号公報

図４に示した構成の従来の光スイッチ装置では、入力光から分離した直交する二つの直線偏光の光を全て利用してＯＮ／ＯＦＦスイッチングすることで、低損失の入力光の偏光状態がそのまま出力光に反映される光スイッチを実現しているが、直交する二つの直線偏光の光それぞれについてＯＮ／ＯＦＦスイッチングする必要から、二つの電気光学素子（Ｅ／Ｏ）が使用されており、装置が高価格となる欠点があった。

本発明の課題は、入力光から分離した直交する二つの直線偏光の光を全て利用してＯＮ／ＯＦＦスイッチングし、低損失で入力光の偏光状態がそのまま出力光に反映されるような光スイッチ装置を低コストで実現することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、入力光パルスから分離した直交する二つの直線偏光の光パルスをそれぞれＯＮ／ＯＦＦスイッチングするのに使用する電気光学素子（Ｅ／Ｏ）を一つで済ますようにして、低コスト化を図るものである。

そのため本発明の光スイッチ装置では、分離した各直線偏光の光パルスの一方を遅延させて時間軸上で重ならないようにずらしてから１本の光路に合成し、電気光学素子（Ｅ／Ｏ）を一つだけ使用して、各直線偏光の光パルスをそれぞれのタイミング位置でＯＮ／ＯＦＦスイッチング制御する。

それにより、入力された光パルスを直交する第１の直線偏光の光パルスと第２の直線偏光の光パルスとに分離し、分離した第２の直線偏光の光パルスを、第１の直線偏光の光パルスとはタイミング位置が重ならないように所定の時間遅延させてずらし、第１の直線偏光の光パルスと合成して出力する第１の偏光遅延手段と、
第１の偏光遅延手段から出力された光パルスの偏光を制御信号にしたがって９０度回転あるいは非回転にする偏光制御手段と、
偏光制御手段から出力された光パルスを上記直交する第１の直線偏光の光パルスと第２の直線偏光の光パルスとに分離し、分離した第１の直線偏光の光パルスを第２の直線偏光の光パルスよりも上記所定の時間遅延させて、第２の直線偏光の光パルスと合成して出力する第２の偏光遅延手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の光スイッチ装置によれば、ランダムな偏光をもつ入力光は、直交する直線偏光成分に分けられて別々にスイッチングされ、それぞれの結果が合成されて出力されるため、入力光の光エネルギーの利用に無駄がなく、さらに、使用する電気光学素子（Ｅ／Ｏ）は一個でよいため、低損失の光スイッチ装置を低コストで実現することができる。

本発明による単一の電気光学素子（Ｅ／Ｏ）を用いた光スイッチ装置の好適な実施の形態の１実施例について、図１および図２を用いて説明する。

図１は、図４に示した従来例の光スイッチ装置における二つの電気光学素子（Ｅ／Ｏ）１２、１３の代わりに電気光学素子（Ｅ／Ｏ）を一つだけ用いた本発明の１実施例による光スイッチ装置の構成を示し、図２はその動作タイミング波形を示す。図１の実施例構成は、一つの電気光学素子（Ｅ／Ｏ）３３と、その前後に置かれた第１偏光遅延部３１および第２偏光遅延部３２からなる。第１偏光遅延部３１は、縦偏光をそのまま出力し、横偏光をτ時間遅延させて出力する。第２偏光遅延部３２は、その反対に、横偏光をそのまま出力し、縦偏光をτ時間遅延させて出力する。遅延時間τは入力光のパルス幅よりも十分に長く設定する必要がある。

第１偏光遅延部３１は、縦偏光を透過させ横偏光を直角に反射させる二つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４ａ，３４ｂと横偏光の遅延路を形成するミラー３６，３７で構成され、第２偏光遅延部３２は、横偏光を透過させ縦偏光を直角に反射させる二つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ａ，３５ｂと横偏光の遅延路を形成するミラー３８，３９で構成される。次に、図２のタイミング波形（１）〜（８）’を参照して動作を説明する。

第１偏光遅延部３１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４ａは、ランダム偏光をもつ入力光（１）を縦偏光と横偏光の成分に分離する。分離された縦偏光成分は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４ｂを右方へ透過し（２）、また横偏光成分はτだけ遅延されて（３）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４ｂへ下方から入射し、右方へ反射される。こうして偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４ｂからは、縦偏光とτ時間遅れの横偏光が合成されて右方へ出力され、電気光学素子（Ｅ／Ｏ）３３へ入力される（４）。

電気光学素子（Ｅ／Ｏ）３３では、制御信号ＳがＯＮのとき入力の偏光状態を回転させずにそのまま出力し（５）、制御信号ＳがＯＦＦのときは入力偏光状態を９０度回転させて出力する（５）’。

ＯＮ時の場合には、第２偏光遅延部３２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ａは、（５）中の縦偏光とτ時間遅れの横偏光を下方と右方へ分離する。下方へ分離された先行の縦偏光はτだけ遅延されて（７）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂへ下方から入射し、右方へ反射される。また（５）中のτ時間遅れの横偏光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂへ左方から直接入力され、右方へ透過する（６）。こうして偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂから右方へは、縦偏光とτ時間遅れの横偏光とが合成されて出力される（８）。

次に、ＯＦＦ時の場合には、第２偏光遅延部３２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ａは、（５）’中の横偏光とτ時間遅れの縦偏光を右方と下方へ分離する。右方へ分離された先行の横偏光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂへ左方から直接入力され、右方へ透過する（６）’。また（５）’中のτ時間遅れの縦偏光は、さらにτだけ遅延されて（７）’、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂへ下方から入射し、右方へ反射される。この結果、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂから右方へは、横偏光と２τ時間遅れの縦偏光とが合成されて出力される（８）’。

このように、図１の構成では、ＯＮ時とＯＦＦ時とで異なる特有の出力パターンを生じる光スイッチとして機能することができる。

なお、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５ｂの上方へは、右方への出力に対する反転出力が生じるので、この反転出力を使用することにより、インバータスイッチやルーティングスイッチあるいはデマルチプレクサとして機能させることも可能である。

電気光学素子を一つだけ用いる本発明の光スイッチ装置の１実施の形態を示す構成図である。 電気光学素子を一つだけ用いる本発明の光スイッチ装置の１実施の形態のタイミング波形図である。 光スイッチ装置の従来例の構成図である。 電気光学素子を二つ用いる光スイッチ装置の従来例の構成図である。

符号の説明

１１：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１２：電気光学素子（Ｅ／Ｏ）
１３：電気光学素子（Ｅ／Ｏ）
１４：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１５：ミラー
１６：ミラー
３１：第１偏光遅延部
３２：第２偏光遅延部
３３：電気光学素子（Ｅ／Ｏ）
３４ａ，３４ｂ：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３５ａ，３５ｂ：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３６，３７：ミラー
３８，３９：ミラー

Claims (1)

1. 入力された光パルスを直交する第１の直線偏光の光パルスと第２の直線偏光の光パルスとに分離し、分離した第２の直線偏光の光パルスを、第１の直線偏光の光パルスとはタイミング位置が重ならないように所定の時間遅延させてずらし、第１の直線偏光の光パルスと合成して出力する第１の偏光遅延手段と、
   第１の偏光遅延手段から出力された光パルスの偏光を制御信号にしたがって９０度回転あるいは非回転にする偏光制御手段と、
   偏光制御手段から出力された光パルスを上記直交する第１の直線偏光の光パルスと第２の直線偏光の光パルスとに分離し、分離した第１の直線偏光の光パルスを第２の直線偏光の光パルスよりも上記所定の時間遅延させて、第２の直線偏光の光パルスと合成して出力する第２の偏光遅延手段と、
   を備えることを特徴とする光スイッチ装置。

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