JP3672093B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路を切り替える光スイッチに関し、特に、液晶分子の配列状態の変化を利用して光路切替を行うスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野において光ファイバを用いて光ネットワークを構成するには、入射光と出射光との間を切り替える光スイッチが必要となる。この光ファイバ通信では、例えば、長距離伝送用としては１．５５μｍ帯や１．３μｍ帯が用いられ、短距離伝送用としては８５０ｎｍ帯が用いられている。
このような光スイッチとして、従来、直線方向に光の入出端が設けられる構成のクロスバ型２×２光切替スイッチ（例えば、特開平２−１０００２５号公報）や、直交する方向に光の入出端が設けられる構成の２×２光切替スイッチが知られている。
【０００３】
クロスバ型２×２光切替スイッチは、一対の光ファイバがコリメートレンズを介して接続された偏光ビームスプリッタを二組用い、この偏光ビームスプリッタの間に液晶セルを挟んだ構成である。このクロスバ型２×２光切替スイッチは、液晶セルに印加する電圧の有無によって、一方の偏光ビームスプリッタ側の光ファイバから入射した光を、他方の偏光ビームスプリッタ側の光ファイバから選択的に切り替えて出射している。
【０００４】
また、直交する方向に光の入出端が設けられる構成の２×２光切替スイッチの例として図２５に示す構成がある。
図２５（ａ）において、２×２光切替スイッチは、偏光ビームスプリッタ１０１に対して直交する２つの各側に、液晶セル１０３と反射板１０５とを組み合わせた光学素子、及び液晶セル１０４と反射板１０６とを組み合わせた光学素子を配置し、偏光ビームスプリッタ１０１を挟んで液晶セル１０３と対向する側にコリメータ１０７を介して光ファイバ１０９を接続し、偏光ビームスプリッタ１０１を挟んで液晶セル１０５と対向する側にコリメータ１０８を介して光ファイバ１０１０を接続する。この光ファイバ１０９，１１０は入射と出射とを兼ねているため、光ファイバ１０９，１１０にサーキュレータ１１１，１１２を接続することによって入射光と出射光を分離している。液晶セル１０３，１０４は、電圧の印加によって、入射した光の偏光状態をλ／４波長変化させる。この構成では、反射板と組み合わせることで、入射と出射で合わせて偏光状態がλ／２波長変化することになる。
【０００５】
この構成による２×２光切替スイッチでは、スイッチ動作として入射端と出射端を異なる側とする状態（Exchanging state）と入射端と出射端を同じ側とする状態（Straight state）の二つの動作をとることができる。なお、偏光ビームスプリッタ１０１は、偏光分離合成膜１０２を備えている。
図２５（ｂ）はExchanging stateを説明するための図である。この動作状態では、液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧を印加しない。光ファイバ１０９から入射した光は偏光面が直交する２つの偏光成分ｐと偏光成分ｓから成り、コリメータ１０７で平行ビームとなった後、偏光ビームスプリッタ１０１に入って偏光分離合成膜１０２により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【０００６】
液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧が印加されていない場合には、液晶セル１０３及び液晶セル１０４により偏光状態の変換が行われる。なお、図２５（ｂ）では、偏光状態の変換が行われる状態をＯＮで表している。直進する偏光成分ｐは、λ／４波長だけ偏光状態が変化して液晶セル１０３を通過した後、反射板１０５で反射し再び液晶セル１０３を通過する。このとき、さらに偏光状態はλ／４波長変化し入射した偏光成分ｐは偏光成分ｓに変換される。変換された偏光成分ｓは、偏光分離合成膜１０２で反射され、コリメータ１０８を介して光ファイバ１１０に出射される。一方、偏光分離合成膜１０２で反射した偏光成分ｓは、λ／４波長だけ偏光状態が変化して液晶セル１０４を通過した後、反射板１０６で反射し再び液晶セル１０４を通過する。このとき、さらに偏光状態はλ／４波長変化し入射した偏光成分ｓは偏光成分ｐに変換される。変換された偏光成分ｐは、偏光分離合成膜１０２を通過し、コリメータ１０９を介して光ファイバ１１０に出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【０００７】
また、図２５（ｃ）はStraight stateを説明するための図である。この動作状態では、液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧を印加する。液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧が印加されている場合には、液晶セル１０３及び液晶セル１０４により偏光状態の変換が行われない。なお、図２５（ｃ）では、偏光状態の変換が行われない状態をＯＦＦで表している。
【０００８】
直進する偏光成分ｐは、λ／４波長だけそのままの偏光状態で液晶セル１０３を通過した後、反射板１０５で反射し再びそのままの偏光状態で液晶セル１０３を通過する。反射後、液晶セル１０３を通過した偏光成分ｐは、偏光分離合成膜１０２を直進し、コリメータ１０７を介して光ファイバ１０９に出射される。一方、偏光分離合成膜１０２で反射した偏光成分ｓは、そのままの偏光状態で液晶セル１０４を通過した後、反射板１０６で反射し再びそのままの偏光状態で液晶セル１０４を通過する。反射後、液晶セル１０４を通過した偏光成分ｓは、偏光分離合成膜１０２で反射し、コリメータ１０７を介して光ファイバ１０９に出射される。これによって、入射した光は入射端と同じ端部から出射することになる。
【０００９】
なお、上記２×２光切替スイッチの構成及び２×２光切替スイッチを用いたアドドロップマルチプレクサの構成は、例えば、Optical Engineering,Vol.40 No.8, 1521-1528,August 2001 (Sarun Sumriddetchakajorn, Nabeel A.Riza, Deepak K.Sengupta)
に記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
光スイッチでは、入射と出射の入れ替えに対して機能が対称であることが求められる。上記した２×２光切替スイッチの構成では、入射と出射とを入れ替えた場合、光スイッチ内において偏光成分によって光路や通過する液晶セルや光学系が異なるため、必ずしも機能が対称とならない。入射と出射の入れ替えに対して機能を対称するには、光路長を合わせたり、液晶セルや光学系の特性を調整する必要があるという問題がある。この点は、構成に要する部品点数が多ければそれだけ調整箇所が増えるため、より大きな問題となり、また、製造コストにも影響することになる。
【００１１】
また、光信号に生じる損失として偏波依存性損失（ＰＤＬ：Polarization Dependent Loss）や偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization Mode Dispesion）が知られている。偏波依存性損失は、例えば、液晶セルが備える電極の透過に伴う信号強度の低下によるものがあり、液晶セルを通過する回数が多い構成ではこの偏波依存性損失が大きくなるという問題がある。また、偏波モード分散は、直交する偏波モードによって光パルスの分散の程度が異なるため、光路長が異なればこの光分散による信号劣化が大きくなるという問題がある。
【００１２】
また、液晶セルによって偏光状態を切り替える構成では、切替速度はこの液晶セルの切替速度に依存する。この液晶セルの切替速度は液晶セルの厚みの２乗に比例する特性があるため薄い液晶セルが求められるが、液晶セルの厚みは変換する偏光角度と光の波長によって定まるため、高速動作化が難しいという問題もある。
【００１３】
そこで、本発明は、従来の課題を解決して、異なる経路を通る偏光に対して光路長や光学特性を同一とすることで、光路長や光学特性の調整を不要とし、また、偏波モード分散による信号劣化を低減することを目的とし、液晶セルの電極を通過する回数を低減することで偏波依存性損失を低減し、部品点数や調整箇所を低減あるいは削減する構成としてコストを低減すること目的とし、また、液晶セルの応答を速めて光スイッチを高動作化することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチは、偏光分離合成手段と、少なくとも２つの反射手段と、偏光方向を制御する偏光制御手段とを備えた構成とし、偏光分離合成手段で分離された二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段に再入射され合成されるように、偏光分離合成手段及び反射手段を配置すると共に、この光路上に偏光制御手段を配置し、偏光制御手段により各偏光成分の偏光方向を制御する。
【００１５】
ここで、光路上に配置される偏光制御手段は、この光路上において全体でλ／２波長の偏光制御を行う。また、反射手段及び偏光分離合成手段が形成する光路は多角形を形成し、この多角形は、偏光分離合成手段における内角を直角とし、反射手段の個数から１を引いた個数に１８０度を乗じた角度を多角形の内角の和とするよう配置する。
【００１６】
本発明の光スイッチによれば、偏光分離合成手段と少なくとも２つの反射手段、及び偏光制御手段の配置構成により、偏光分離合成手段で分離された二つの偏光成分は、同一光路をそれぞれ進行方向を異にして進み、偏光分離合成手段に再入射して合成される。また、二つの偏光成分は、同一光路上で同一の偏光制御手段を通過する。これによって、異なる経路であっても同一光路を通るため、光路長及び通過する光路上の光学特性が同一となる。従って、光路長や光学特性の調整が不要となり、偏波モード分散による信号劣化も低減することができる。
【００１７】
また、従来の構成では、偏光成分に応じて異なる経路毎に偏光分離合成手段を設ける必要があるが、本発明の光スイッチによれば、同一光路上に配置した一つの偏光制御手段によって偏光状態を変換する構成であるため、偏光成分が偏光制御手段を通過する回数が低減されるため、偏波依存性損失を低減することができる。また、同一光路上に配置した一つの偏光制御手段を用いるため、部品点数や調整箇所を低減あるいは削減し、延いてはコストを低減することができる。
【００１８】
また、液晶セルにより偏光制御手段を構成する場合には、液晶セルを反射手段に設ける等の光路上に配置する液晶セルの個数を増加させる構成とすることによって、各液晶セルの厚みを薄くすることができ、光スイッチの動作速度を高めることができる。
【００１９】
本発明の光スイッチは、二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段に再入射し、光路上に偏光制御手段を配置する構成として種々の態様とすることができる。
反射手段の配置の一態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角が２２．５度となるように配置する。これによって、異なる経路であっても同一経路が形成される。
【００２０】
この反射板の配置構成において、偏光制御手段の一配置態様は、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、二つの反射板の内の一方の反射板の光路上の前方位置に配置する。また、偏光制御手段の一配置態様は、λ／８波長の偏光制御を行う偏光制御手段を反射手段の両反射板の光路上の前方位置に配置する。
この偏光制御手段の配置により、異なる経路であっても同一経路を通ることで、何れの偏光成分についても同一の偏光制御を行うことができる。
【００２１】
また、反射手段の配置の他の態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置し、さらに、１つの反射板を２つの反射板を結ぶ光路上であってこれらの反射板に対して垂直方向に配置する。
【００２２】
この反射板の配置構成において、偏光制御手段の配置態様は、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、垂直方向に配置した１つの反射板や平行配置される２つの反射板等の光路上の反射板の前方位置に配置する。また、偏光制御手段の他の配置態様は、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、３つの各反射板の光路上の前方位置に配置する。
【００２３】
また、反射手段及び偏光制御手段の配置の別の態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を２つの反射板間の光路上に配置する。反射手段及び偏光制御手段の配置のさらに別の態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、２つの偏光制御手段の光路上の前方位置、及び２つの反射板間の光路上に配置する。
【００２４】
これらの各反射手段及び偏光制御手段の配置により、異なる経路であっても同一経路を通ることで、何れの偏光成分についても同一の偏光制御を行うことができる。
また、本発明の光スイッチにおいて、偏光制御手段は、液晶セルで構成することができる。液晶セルは、偏光する角度により、ｓ偏光とｐ偏光の偏光状態を９０度変換して、偏光分離合成手段における通過と反射を制御するスイッチング用液晶セルとして用いる他、液晶や光路上に配置した偏光板に残留する残留複屈折によって生じる経路による偏光状態のずれを補償する残留複屈折補償用液晶セルとして用いることができる。残留複屈折の補償は、スイッチング用液晶セルと残留複屈折補償用液晶セルのダイレクタ方向を直交させ、両液晶セルの複屈折量が打ち消されるように電圧を印加する他、光路上に複屈折結晶あるいは異方性フィルムを配置することで行うことができる。
【００２５】
また、液晶セルは、種々の構成とすることができる。一つの構成では、液晶セルに反射板を設けることにより反射手段を構成することができる。
この反射板を備える液晶セル構成において、一態様では、液晶セルの内部に反射板を配置する構成とすることができ、この構成において、液晶セルが備える二つの電極の一方の電極を反射板とすることができる。他の態様では、液晶セルの外部に反射板を配置する構成とすることができる。
【００２６】
また、本発明の光スイッチにより２入力２出力スイッチを構成する態様として、一態様では、本発明の光スイッチの光路の両端に光軸を合わせて入出力ポートを配置し、この入出力ポートにサーキュレータを接続する構成とする。
また、他の態様では、本発明の光スイッチの光路の両端において、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせてそれぞれ２つの入出力ポートを配置する。この構成によれば、本発明の光スイッチはサーキュレータを要すること無く２入力２出力スイッチを構成することができ、また、本発明の光スイッチによってサーキュレータを構成こともできる。
また、本発明の光スイッチは、Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ装置の構成要素としても用いることができ、また、偏光状態を制御することで、前記したスイッチングや残留複屈折補償の他、温度補償や減衰器として用いることもできる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の光スイッチの基本構成を説明するための概略図である。図１において、本発明の光スイッチは、偏光分離合成手段１と、少なくとも２つの反射手段２と、偏光方向を制御する偏光制御手段３とを備える。偏光分離合成手段１は、入射した光に含まれるｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離し、ｐ偏光成分についてはそのまま直進させ、ｓ偏光成分については反射させる。
【００２８】
反射手段２（２Ａ，２Ｂ）は、偏光分離合成手段１で分離された二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段１に再入射するように配置する。図中に示すＡで示される３角形は、偏光分離合成手段１及び反射手段２，３によって形成される光路を示し、図中のａで示す方向から入射した光についてみると、偏光分離合成手段１を直進し、反射手段２Ａ及び反射手段２Ｂの順で反射された後、再び偏光分離合成手段１に戻る経路ｃと、偏光分離合成手段１で反射し、反射手段２Ｂ及び反射手段２Ａの順で反射された後、再び偏光分離合成手段１に戻る経路ｄとが形成され、２つの経路ｃ，ｄは同一の光路となる。なお、図中のｂで示す方向から入射した光についてみても、偏光分離合成手段１，反射手段２Ａ，２Ｂの配置は光学的に対称となるため、同様に２つの経路ｃ，ｄは同一の光路となる。
【００２９】
また、この光路上に偏光状態を制御する偏光制御手段３を配置する。なお、偏光制御手段３の配置位置は、光路上において種々の態様とすることができる。 この構成により、異なる経路であっても、同一光路長を有し、光路上において通過する反射手段や偏光制御手段等の光学素子も同一とすることができる。
なお、偏光分離合成手段１は偏光分離合成膜により形成することができ、また、偏光制御手段は液晶セルで形成することができる。
【００３０】
次に、本発明の光スイッチの基本構成に基づく構成例、及びその構成例における動作状態について、図２，３、６〜１０を用いて説明する。
第１の構成例を図２を用いて説明する。第１の構成例は、偏光分離合成手段１に対して対称な位置において、二つの反射板２Ａ，２Ｂを偏光成分の入射角及び出射角が２２．５度となるように配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ａを２つの反射板２ａ，２ｂの内の一方の反射板（図では反射板２ａの例を示しいるが、反射板２ｂとすることもできる）の光路上の前方位置に配置する。
【００３１】
図２（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は偏光面が直交する２つの偏光成分ｐと偏光成分ｓから成り、図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００３２】
この動作状態では偏光制御手段３ａは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ａを通過した後、反射板２ａで反射されて再び偏光制御手段３ａを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｐのままである。偏光成分ｐは、さらに反射板２ｂで反射され、再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００３３】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは反射板２ｂで反射され、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ａを通過した後、反射板２ａで反射されて再び偏光制御手段３ａを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｓのままである。偏光成分ｓは再び偏光分離合成手段１に達し反射される。このときの反射方向は、入射方向と直交する方向となり、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００３４】
図２（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００３５】
この動作状態では偏光制御手段３ａは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ａで反射し、再び偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換されて偏光成分ｓに変換される。偏光成分ｓは、さらに反射板２ｂで反射し、再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｓの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００３６】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは反射板２ｂで反射され、次に偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ａで反射し、再び偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換されて偏光成分ｐに変換される。偏光成分ｐは再び偏光分離合成手段１に達し直進する。このときの進行方向は、入射方向と逆方向となり、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
【００３７】
第２の構成例を図３を用いて説明する。第２の構成例は、偏光分離合成手段１に対して対称な位置において、二つの反射板２ａ，２ｂを偏光成分の入射角及び出射角が２２．５度となるように配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｂ，３ｃを２つの反射板２ａ，２ｂの光路上の前方位置に配置する。
【００３８】
図３（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００３９】
この動作状態では偏光制御手段３ｂは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｂを通過した後、反射板２ａで反射されて再び偏光制御手段３ｂを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｐのままである。偏光成分ｐは、さらに反射板２ｂで反射されると共に偏光制御手段３ｃを２回通過するが、偏光制御手段３ｃは偏光変換を行わないため偏光成分ｐのままである。反射板２ｂで反射された偏光成分ｐは再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００４０】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｃは偏光変換を行わないため、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｃを通過した後、反射板２ｂで反射されて再び偏光制御手段３ｃを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｓのままである。偏光成分ｓは、さらに反射板２ａで反射されると共に偏光制御手段３ｂを２回通過するが、偏光制御手段３ｂは偏光変換を行わないため偏光成分ｓのままである。反射板２ａで反射された偏光成分ｓは再び偏光分離合成手段１に達し反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００４１】
図３（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００４２】
この動作状態では偏光制御手段３ｂは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは偏光制御手段３ｂを通過することでλ／８波長変換された後反射板２ａで反射し、再び偏光制御手段３ｂを通過することでλ／８波長変換されて、λ／４波長変換される。λ／４波長変換された偏光成分は、さらに反射板２ｂに反射において、偏光制御手段３ｃを２回通過する間にλ／８の変換を２回受けてλ／４波長変換される。これによって、偏光成分ｐは偏光成分ｓに変換される。変換された偏光成分ｓは、再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００４３】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射される間に偏光制御手段３ｃを２回通過することでλ／４波長の変換を受け、さらに、反射板２ａで反射される間に偏光制御手段３ｂを２回通過することでλ／４波長の変換を受けて偏光成分ｐに変換される。偏光成分ｐは再び偏光分離合成手段１に達し直進する。このときの進行方向は、入射方向と逆方向となり、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
【００４４】
前記した第１，２の構成例は、図４に示す構成によって偏光分離合成手段、反射板、及び偏光制御手段の配置を行うことができる。
図４（ａ）は配置構成の一例である。この配置構成では、偏光分離合成膜１０をプリズム１１ａ，１１ｂで挟むことによって偏光分離合成手段１を構成し、図示しないフレームに固定する。一方、反射板２ａ，２ｂについても、図示しないフレームに固定部材を設置し、この固定部材により位置決めを行う。偏光分離合成手段及び反射板の角度関係は、フレームに設けた固定部材により定めることができる。なお、この構成例では、反射板間は空気環境となる。
【００４５】
図４（ｂ）は配置構成の他の例である。この配置構成では、偏光分離合成膜１０をプリズム１１ａ，１１ｂで挟むことによって偏光分離合成手段１を構成すると共に、反射板２ａ，２ｂについても台形のプリズム１１ｃを挟む構成とし、プリズム１１ａ，１１ｂとプリズム１１ｃとを接合して構成する。
この構成によれば、偏光分離合成手段及び反射板の角度関係は、プリズムにより設定することができ、さらに、光路はすべてプリズム内で形成することができるため、空気中を伝わる際に減衰や散乱を減少させることができる。
【００４６】
第３の構成例を図５を用いて説明する。第３の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板２ａ，２ｂを偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置し、さらに、１つの反射板２ｃを２つの反射板２ａ，２ｂを結ぶ光路上であってこれらの反射板２ａ，２ｂに対して垂直方向に配置する。 なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｄを反射板２ｃの光路上の前方位置に配置する。
【００４７】
図５（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００４８】
この動作状態では偏光制御手段３ｄは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｄを通過した後、反射板２ｃで反射されて再び偏光制御手段３ｄを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｐのままである。偏光成分ｐは、さらに反射板２ｂで反射され、再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００４９】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｄは偏光変換を行わないため、偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｄを通過した後、反射板２ｃで反射されて再び偏光制御手段３ｄを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｓのままである。偏光成分ｓは、さらに反射板２ａで反射され、再び偏光分離合成手段１に達して反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００５０】
図５（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００５１】
この動作状態では偏光制御手段３ｄは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ｃで反射し、再び偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換されて、偏光成分ｓに変換される。偏光成分ｓは反射板２ｂで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００５２】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ｃで反射し、再び偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換されて、偏光成分ｐに変換される。変換された偏光成分ｐは反射板２ａで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
なお、第４の構成例において、偏光制御手段３ｄの配置位置は上記構成例に示す反射板２ｃに位置に限らず、反射板２ａあるいは反射板２ｂ等の任意の位置とすることができる。
【００５３】
第４の構成例を図６を用いて説明する。第４の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置し、さらに、１つの反射板を２つの反射板を結ぶ光路上であってこれらの反射板に対して垂直方向に配置する。偏光制御手段の他の配置態様は、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、３つの各反射板の光路上の前方位置に配置する。
なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇを各反射板２ａ，２ｂ，２ｃに配置する。
【００５４】
図６（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００５５】
この動作状態では偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、各反射板２ａ，２ｂ，２ｃで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。偏光成分ｐは、この各反射板２ａ，２ｂ，２ｃに設けた偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇを通過する際に偏光変換されないため、そのままの偏光状態で偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００５６】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇは偏光変換を行わないため、反射された偏光成分ｓは、各反射板２ａ，２ｂ，２ｃで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。偏光成分ｓは、この各反射板２ａ，２ｂ，２ｃに設けた偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇを通過する際に偏光変換されないため、そのままの偏光状態で偏光分離合成手段１に戻って反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００５７】
図６（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００５８】
この動作状態では偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、各反射板で反射されるたびにλ／１２波長の偏光変換を２回受けてλ／６波長の偏光変換が行われる。このλ／６波長の偏光変換を３つの反射板２ａ，２ｂ，２ｃで行うことにより、λ／２波長の偏光変換を受けて偏光成分ｓに変換される。偏光成分ｓは反射板２ｂで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００５９】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、偏光成分ｐと同様に、逆の経路を通って各反射板で反射されるたびにλ／１２波長の偏光変換を２回受けてλ／６波長の偏光変換が行われる。このλ／６波長の偏光変換を３つの反射板２ａ，２ｂ，２ｃで行うことにより、λ／２波長の偏光変換を受けて偏光成分ｐに変換される。変換された偏光成分ｐは反射板２ａで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
【００６０】
第５の構成例を図７を用いて説明する。第５の構成例は、第３，４の構成例と同様に、３つの反射板を互いに直交に配置する構成であり、偏光分離合成手段１と隣接する何れか一方の反射板をプリズム等の全反射ミラーとし、残りの２つの反射板の光路上の前方位置にλ／８波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置する。
図７では、反射板２ｂをプリズムとし、反射板２ａ，２ｃの光路上の前方位置にλ／８波長２ｂ偏光制御を行う偏光制御手段を配置する構成を示している。なお、図７では偏光制御手段を省略して示している。
【００６１】
第６の構成例を図８を用いて説明する。第６の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を２つの反射板間の光路上に配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｈを反射板２ａ，２ｂの間の光路上に配置する。
【００６２】
図８（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００６３】
この動作状態では偏光制御手段３ｈは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、そのままの状態で偏光制御手段３ｈを通り、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００６４】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｈは偏光変換を行わないため、反射された偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、そのままの状態で偏光制御手段３ｈを通り、反射板２ａで反射されて偏光分離合成手段１に戻って反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００６５】
図８（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００６６】
この動作状態では偏光制御手段３ｈは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、偏光制御手段３ｈを通る間に偏光成分ｓに変換され、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｓの進行方向は入射方向と直交する方向となり、偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００６７】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、偏光制御手段３ｈを通る間に偏光成分ｐに変換され、反射板２ａで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は入射方向と逆方向となり、偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端と同じ端部から出射することになる。
【００６８】
第７の構成例を図９を用いて説明する。第７の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、２つの反射板の光路上の前方位置、及び２つの反射板間の光路上に配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｉ，３ｊを反射板２ａ，２ｂに配置し、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｋを反射板２ａと反射板２ｂとの間の光路上に配置する。
【００６９】
図９（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００７０】
この動作状態では偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、各反射板２ａ、２ｂで反射される経路上において、そのままの状態で偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋを通り、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００７１】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋは偏光変換を行わないため、反射された偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、そのままの状態で偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋを通り、反射板２ａで反射されて偏光分離合成手段１に戻って反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００７２】
図９（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００７３】
この動作状態では偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射される際に偏光制御手段３ｉによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、偏光制御手段３ｋの通過によりλ／１０波長の偏光変換され、さらに、反射板２ａで反射される際に偏光制御手段３ｊによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、最終的にλ／２波長の偏光変換により偏光成分ｓに偏光変換される。偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｓの進行方向は入射方向と直交する方向となり、偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００７４】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射される際に偏光制御手段３ｊによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、偏光制御手段３ｋの通過によりλ／１０波長の偏光変換され、さらに、反射板２ａで反射される際に偏光制御手段３ｉによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、最終的にλ／２波長の偏光変換により偏光成分ｐに偏光変換され、偏光分離合成手段１に戻る。偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端と同じ端部から出射することになる。
【００７５】
図１０は、第１〜７の構成例を用いた２×２光スイッチの構成例である。図１０において、本発明の光スイッチ１００に対してコリメータ１０７，１０８を介して光ファイバ１０９，１１０を接続し、この光ファイバ１０９，１１０にサーキュレータ１０７，１０８を取り付けることにより、２×２光スイッチを構成することができる。ここで、サーキュレータ１０７，１０８は、同光ファイバを通る光信号の分離に用いられる。
【００７６】
次に、本発明の光スイッチの基本構成に基づく他の構成例、及びその構成例における偏光状態を図１１〜１３を用いて説明する。
この構成例は、図１で示した光スイッチの基本構成において、入射端及び出射端において、２つの入出力ポートを光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせて配置する。
【００７７】
図１１（ａ）において、２つの入出力ポート４ａ，４ｂ、及び２つの入出力ポート５ａ，５ｂを備え、入出力ポート４ａ，４ｂは光路ｏの光学的な中心ｐに対して光軸を合わせて設定され、また、入出力ポート５ａ，５ｂについても光路ｏの光学的な中心ｐに対して光軸を合わせて設定される。この構成により、光スイッチにおいてサーキュレータを不要とすることができる。
【００７８】
図１１（ｂ）は、光スイッチの動作を説明するものである。例えば、入出力ポート４ｂから入力した信号は、サーキュレータを要することなく入出力ポート５ａあるいは入出力ポート４ａから切り替えて出力することができ、また、入出力ポート５ｂから入力した信号は、サーキュレータを要することなく入出力ポート４ａあるいは入出力ポート５ａから切り替えて出力することができる。
【００７９】
図１２は、上記構成による動作を説明するために図である。図１２（ａ）は、入出力ポート４ａから入射した光を入出力ポート５ｂから出射する場合の動作である。この動作においては、図示しない偏光制御手段による偏光変換を行わない。入出力ポート４ａから入射した光の偏光成分ｐと偏光成分ｓは、偏光分離合成手段１で分離された後、反射手段２Ａ，２Ｂで反射されて入出力ポート５ｂに達する。このとき、各入出力ポートは、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせて配置されているため、前記図１１（ｂ）に示すように、交差した状態で他方の入出力ポート５ｂから出射される。
【００８０】
一方、図１２（ｂ）は、入出力ポート４ａから入射した光を同じ側の入出力ポート４ｂから出射する場合の動作である。この動作においては、図示しない偏光制御手段による偏光変換を行うことによって行う。入出力ポート４ｂから入射した光の偏光成分ｐと偏光成分ｓは、偏光分離合成手段１で分離された後、反射手段２Ａ，２Ｂで反射されと共に光路上で偏光変換され、入出力ポート５ｂに達する。このとき、各入出力ポートは、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせて配置されているため、交差した状態で同じ側の入出力ポート４ｂから出射される。
この構成による光スイッチに光ファイバを接続するコリメータは、図１３に示すように、２芯のコリメータを適用することができる。２芯のコリメータ６は、図１１，１２中の４ａ，４ｂあるいは５ａ，５ｂに対応して配置される。
【００８１】
次に、本発明の光スイッチにおいて、片偏光を用いた光スイッチ構成例について図１４〜図１８を用いて説明する。
図１４は、前記図７に示した構成において、片偏光のみを用いて光スイッチを構成する例であり、図１４（ａ）は１×２光スイッチであり、図１４（ｂ）は２×２光スイッチである。
【００８２】
図１４（ａ）に示す１×２光スイッチは、本発明の光スイッチＡが備える偏光分離合成手段１の一端に偏光分離合成手段１ａを配置し、偏光分離合成手段１ａの一端を入力端（ＩＮ）とし、偏光分離合成手段１ａの他端及び偏光分離合成手段１の他端を出力端（それぞれ、ＯＵＴ２，ＯＵＴ１）とする。
この構成によれば、例えば入力端ＩＮから入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態では出力端ＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態では出力端ＯＵＴ２から出力する。
【００８３】
また、図１４（ｂ）に示す２×２光スイッチは、本発明の光スイッチＡが備える偏光分離合成手段１の一端に偏光分離合成手段１ａを配置し、他端に偏光分離合成手段１ｂを配置し、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの一端を入力端（ＩＮ１，ＩＮ２）とし、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの他端を出力端（それぞれ、ＯＵＴ２，ＯＵＴ１）とする。なお、図１４（ｂ）の構成例では、出力の偏光状態を合わせるために、入力端ＩＮ２と出力端ＯＵＴ２にλ／２の波長板を配置している。
【００８４】
この構成によれば、例えば入力端ＩＮ１に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。
【００８５】
また、図１５は片偏光のみを用いた２×２光スイッチの別の構成例である。この構成例は、前記図４に示した構成において、光スイッチＢが備える偏光分離合成手段１の一端に偏光分離合成手段１ａを配置し、他端に偏光分離合成手段１ｂを配置し、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの一端を入力端（ＩＮ１，ＩＮ２）とし、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの他端を出力端（それぞれ、ＯＵＴ２，ＯＵＴ１）とする。なお、図１５の構成例では、出力の偏光状態を合わせるために、入力端ＩＮ２と出力端ＯＵＴ２にλ／２の波長板を配置している。
【００８６】
この構成においても、例えば入力端ＩＮ１に入力した場合には、光スイッチＢによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、光スイッチＢによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。 この片偏光のみを用いた２×２光スイッチは、光切替の機能の他にアッテネータ（減衰器）としても用いることができる。
【００８７】
図１６〜図１８は、２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせ構成例であり、図１５に示した構成例を組み合わせることにより構成することができる。図１６〜図１８に示す２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせ構成は、それぞれ３つの光スイッチＣ１，Ｃ２，Ｃ３を組合わせ、この内の光スイッチＣ１を光切り替え手段として使用し、残りの光スイッチＣ２，Ｃ３をアッテネータとして使用する。
【００８８】
アッテネータを構成する光スイッチＣ２，Ｃ３の端部の内、光スイッチＣ１と接続する側の端部には偏光分離合成手段が配置され、この端部に例えばマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を接続することにより、アッテネータで減衰された偏光成分を外部に排出することができる。アッテネータで減衰した偏光成分をＭＭＦから外部に排出することにより、この構成ではアッテネータから熱源を除くことができ、冷却手段を設ける必要がないという効果がある。
【００８９】
この構成によれば、例えば図１６の構成では、例えば入力端ＩＮ１に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。
【００９０】
このとき、例えば、ＯＵＴ１から出力する場合には、光スイッチＣ２によるアッテネータで減衰された偏光成分はＭＭＦ１から排出され、また、ＯＵＴ２から出力する場合には、光スイッチＣ３によるアッテネータで減衰された偏光成分はＭＭＦ２から排出される。なお、図１７、図１８については同様であるため省略する。
【００９１】
この構成によれば、図１６〜図１８に示すように、２×２光スイッチとアッテネータとの種々の配置で組み合わせることにより、入力端や出力端の配置位置を必要に応じた構成とすることができる。
さらに、この構成によれば、前記した二次元配置に限らず、三次元配置とすることもできる。図１９（ａ），（ｂ）は三次元配置による２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせの一構成例である。なお、図１９（ｂ）は図１９（ａ）に示す構成におけるλ／２波長板の配置位置を示している。
【００９２】
片偏光を用いた構成では配置によって偏光方向が変化するため、光スイッチとして適用させるために所定位置にλ／２波長板を配置する。図１９に示す構成例は、入射直線偏光としてｐ偏光（片偏光）を用いた場合であり、この構成例では図１９（ｂ）に示す位置にλ／２波長板を配置することにより光スイッチを構成することができる。
【００９３】
図１９において、前記光スイッチＣ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する光スイッチブロックＤ１，Ｄ２，Ｄ３を重ねて配置し、各光スイッチブロックＤ１，Ｄ２，Ｄ３に偏光分離合成ブロックＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を隣接して配置することにより三次元で配置する。ここで、光スイッチブロックＤ１は光切り替え手段として使用し、残りの光スイッチブロックＤ２，Ｄ３がアッテネータとして使用する。
【００９４】
この三次元配置の構成においても、前記二次元配置と同様に、入力端ＩＮ１に入力した場合には、偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。また、光スイッチブロックＤ２，Ｄ３のアッテネータからは図示しないＭＭＦを介して減衰による偏光成分を排出することができる。なお、図１９（ｂ）は、λ／２波長板を配置した構成例を示している。
【００９５】
なお、図１９では、光スイッチブロックＤ１，Ｄ２，Ｄ３を分けて示しているが、柱状の一つの偏光分離合成手段による構成することができる。
この三次元配置によれば、二次元配置と比較して部品点数を減らすことができる。また、各部材の入出力端の干渉を最小限とする構成をとることができ、装置構成の小型化を図ることができる。
【００９６】
図２０は、本発明の光スイッチに用いる偏光制御手段に適用することができる液晶セルの構成例である。
ここでは、液晶セルと反射板とを組み合わせた構成について説明する。液晶セルと反射板との組み合わせにおいて、光入射側から見たとき、反射板を液晶セルの外側に配置する構成と、反射板を液晶セルの内側に配置する構成がある。図２０（ａ）は反射板を液晶セルの外側に配置する構成例を示し、図２０（ｂ），２０（ｃ）は反射板を液晶セルの内側に配置する構成例を示している。
【００９７】
図２０（ａ）において、液晶セル２０は、光入射側から順に、ガラス等の基板２１ａ、ＩＴＯ等の透明電極膜２２ａ、配向膜２３ａ、液晶層２４、配向膜２３ｂ、透明電極膜２２ｂ、基板２１ｂ、外部反射板２５を配置して構成される。ここで、外部反射板２５は、誘電体多層膜、アルミや金等の高反射性材料からなる金属膜とすることができる。
【００９８】
また、図２０（ｂ）において、液晶セル２０は、光入射側から順に、ガラス等の基板２１ａ、ＩＴＯ等の透明電極膜２２ａ、配向膜２３ａ、液晶層２４、配向膜２３ｂ、内在反射板２６、導電膜２７、基板２１ｂを配置して構成される。ここで、内在反射板２６は、導電膜２７による電場印加を行うために誘電体多層膜とする。また、導電膜２７はＩＴＯによる透明電極膜を用いることができ、基板２１ｂはガラス等の透明な材料に限らず不透明な材料を用いることもできる。
【００９９】
また、図２０（ｃ）において、液晶セル２０は、光入射側から順に、ガラス等の基板２１ａ、ＩＴＯ等の透明電極膜２２ａ、配向膜２３ａ、液晶層２４、配向膜２３ｂ、内在反射板２８、基板２１ｂを配置して構成される。ここで、内在反射板２８は、下部電極を兼ねるため金属膜とする。基板２１ｂはガラス等の透明な材料に限らず不透明な材料を用いることもできる。
【０１００】
上記各構成の液晶セルにおいて、配向膜の下部（あるいは電極の上部）に上下の基板の短絡防止用絶縁膜を形成することもできる。また、液晶セルとプリズムとの間に空気層が介在する構成では、液晶セルの表面において不要な反射を防止するために、誘電体多層膜による反射防止膜（ＡＲ：Antireflection Coating）を形成することが望ましい。
また、液晶素子の配向は、アンチパラレル配向又はパラレル配向とすることができる。また、液晶は強誘電体液晶やツイストネマチック液晶等を使用することができる。
【０１０１】
液晶セルにおいて、本発明の光スイッチは、入射直線偏光の方位角を９０度回転と、そのままの状態による０度回転の２つの状態で制御するスイッチ動作を行うことができる。また、階調制御を行うことができる液晶を用いることで、中間状態の偏光によって可変光減衰器を構成することもできる。
また、本発明の光スイッチの複数の液晶セルを用いた構成において、偏光変換を行う液晶セルを選択することで、偏光成分ｓのみあるいは偏光成分ｐのみを取り出すことができ、これによって、可変光減衰器を構成することもできる。
【０１０２】
また、液晶セルのスイッチ動作を利用して光の切替を行う場合には、この液晶セルの応答速度は液晶セルの厚みに依存する。本発明の光スイッチでは、前記した第２，４，６の構成例に示すように、λ／２波長の偏光変換を行うために複数の液晶セルを用いる構成とすることで各液晶の厚みを薄くして応答速度を速めることができる。
【０１０３】
例えば、第２の構成例では、同一の反射型の液晶セルで比較したとき、各液晶セルの厚みは１／２となり、応答速度は２乗で反映されるため４倍となり、第４の構成例では、同様に、各液晶セルの厚みは１／３となって応答速度は９倍となり、第６の構成例では、同様に、各液晶セルの厚みは２／５となって応答速度は約６倍となる。
【０１０４】
また、本発明の光スイッチに用いる液晶セルは、その液晶セルの残留複屈折補償に用いることができる。以下、図２１〜図２３を用いて液晶セルによる光の残留複屈折補償について説明する。
図２１（ａ）に示す本発明の光スイッチの基本構成において、光路は反射板に対して鏡面対称であるため、光路は図２１（ｂ）に示すように、等価的に光路に沿って展開して示すことができる。なお、ａ，ｂは液晶セルを示している。ここで、光は液晶セルに対して角度（図ではθ）を有して入射しているため、図２１（ｂ）に示すように、光路は液晶セルａ，ｂの法線方向ｎに対してθの角度を有する。
【０１０５】
図２２（ａ），（ｂ）は、液晶セルａに対する入射光線ベクトルと、この入射光線ベクトルの液晶セルａ表面への射影ベクトルｍの関係を示している。なお、図２２（ｂ）は、法線方向ｎ（図２２（ａ）中の白抜きの矢印方向）から見た図である。ここで、射影ベクトルｍと液晶セルのダイレクト方向とのなす角をφとすると、このときの液晶の残留複屈折（リターデーション）は、
Γ＝（２πｄ／λ）・［ｎe・√（１−（sin２θ・sin２φ／ｎe２）−（sin２θ・cos２φ／ｎo２））−√（１−（sin２θ／ｎo２））］
で表される。なお、ここで、Γは残留複屈折、ｄはセルギャップ、ｎeは異常光屈折率、ｎoは常光屈折率である。上記した残留複屈折Γの式は、Pochi Yeh and Claire Gu.“Optics of Liquid Crystal Displays”, p.155,(1999),John Wiley £ Sons, Inc. を参照するものである。
【０１０６】
上記式において、垂直入射の場合にはθ＝０であるので、
Γ＝２π／λ・ｄ（ｎe−ｎo）
となる。
したがって、本発明のスイッチング用液晶セルにおいては、斜め入射条件でのΓが所定のλ／４（又は、所定のλ／８，λ／１０など）の値となるようにセルギャップｄを定める。
また、本発明の残留複屈折補償用液晶セルにおいては、図２２（ｃ）に示すように、スイッチング用液晶セルの液晶ダイレクタ方向と９０度の関係とすることで残留複屈折を補償する。
【０１０７】
以下、本発明の残留複屈折補償用液晶セルによる残留複屈折補償について、図２３の液晶セルの印加電圧と残留複屈折特性との概念図を用いて説明する。
図２３に示す液晶セルの印加電圧と残留複屈折特性において、残留複屈折Γを０に近づけるには、液晶セルに通常百数十［Ｖ］以上の電圧が必要となる。
そこで、本発明では、スイッチング用液晶セルの液晶ダイレクタ方向と残留複屈折補償用液晶セルの液晶ダイレクタ方向とを直交するように設定する。なお、図２２ではＸ−Ｚ軸面内でｐ偏光が振動すると仮定している。
【０１０８】
以下、残留複屈折を補償する３つの方法について説明する。
第１の方法では、残留複屈折補償用液晶セルに常時電圧Ｖｒを印加する。このとき残留複屈折補償用液晶セルの残留複屈折はΓ＝Γｒとなる。ここで、スイッチング用液晶セルに同じ電圧Ｖｒを印加すると複屈折量はΓｒとなり、２つの液晶セルのダイレクタ方向方向が直交しているため、複屈折は打ち消しあって残留複屈折は０となる。なお、このとき、スイッチング用液晶セル及び残留複屈折補償用液晶セルを反射した光はトータルで変調を受けないため、例えば入射ｐ偏光はｐ偏光のままである。
【０１０９】
次に、スイッチング用液晶セルにのみ小電圧Ｖｏを印加すると、スイッチング用液晶セル及び残留複屈折補償用液晶セルの合成残留複屈折は
Γo−Γr＝Γsw
となる。このΓswをλ／２とすれば、ｐ偏光をｓ偏光に変換できるため、光路を変えることができる。
【０１１０】
第２の方法では、残留複屈折補償用液晶セルに常時Ｖoを印加し、スイッチング用液晶セルにＶoを印加することによりΓoをキャンセルする。また、スイッチング用液晶セルにＶrを印加すると、二つの液晶セルを通過した後の合成残留複屈折は
Γo−Γr＝Γsw
となる。このΓswをλ／２とすれば、ｐ偏光をｓ偏光に変換できるため、光路を変えることができる。
【０１１１】
また、第３の方法では、残留複屈折補償用液晶セルを用いる代りに、光路上の任意の箇所に複屈折結晶あるいは異方性フィルムを配置し、これにより常時Γr（又はΓo）を形成して残留複屈折を補償する。光の切替はスイッチング用液晶セルによって行う。
【０１１２】
図２４は、本発明の光スイッチに用いた、アド・ドロップ（Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ）を含む構成例である。
図２４に示す構成例は、サーキュレータ３１，分波合成器３２，本発明の光スイッチ３３（ＳＷ１〜ＳＷｎ），分波合成器３４，及びサーキュレータ３５を接続して構成する。図２４（ａ）は、例えば、サーキュレータ３１の分波合成器３２に接続されない一端を入力端、他の一端をドロップ端とし、サーキュレータ３５の分波合成器３４に接続されない一端を入力端、他の一端をドロップ端としている。
【０１１３】
ここで、例えば、光スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをそれぞれλ１〜λｎに対応させ、入力端からλ１〜λｎに信号を入力した場合について説明する。入力端から入力したλ１〜λｎの信号は分波合成器３２で各波長に分波される。ここで、図２４（ｂ）に示すように、光スイッチ３３のＳＷ２のみを切り替えると、波長λ２の信号はサーキュレータ３１のドロップ端から出力され、残りの波長λ１，λ３〜λｎはサーキュレータ３５のスルー端から出力される。また、このとき図２４（ｃ）に示すようにＡＮＤ端からλ２を入力すると、入力した波長λ２の信号はサーキュレータ３１のスルー端から出力される。
【０１１４】
なお、この構成例における、サーキュレータ，分波合成器，及び光スイッチの配置は、前記したOptical Engineering,Vol.40 No.8, 1521-1528,August 2001 (Sarun Sumriddetchakajorn, Nabeel A.Riza, Deepak K.Sengupta)に記載される構成例の配置と同様である。
また、本発明の光スイッチは、この他に光クロスコネクトの構成部品としても用いることができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光スイッチによれば、異なる経路を通る偏光に対して光路長や光学特性を同一とすることで、光路長や光学特性を調整を不要とすることができ、また、偏波モード分散による信号劣化を低減することができる。
【０１１６】
また、液晶セルの電極を通過する回数を低減することで偏波依存性損失を低減し、部品点数や調整箇所を低減あるいは削減する構成としてコストを低減することができる。
また、液晶セルの応答を速めて光スイッチを高動作化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光スイッチの基本構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第１の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図３】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第２の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図４】本発明の第１，２の構成例の配置を説明するための図である。
【図５】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第３の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図６】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第４の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図７】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第５の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図８】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第６の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図９】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第７の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図１０】本発明の第１〜７の構成例を用いた２×２光スイッチの構成例である。
【図１１】本発明の光スイッチの基本構成に基づく他の構成例を説明するための図である。
【図１２】本発明の光スイッチの基本構成に基づく他の構成例の偏光状態を説明するための図である。
【図１３】本発明の光スイッチに２芯のコリメータを適用した構成例を説明するための図である。
【図１４】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いた光スイッチ構成例を説明するための図である。
【図１５】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いた光スイッチ構成例を説明するための図である。
【図１６】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いて２×２スイッチとアッテネータとの組み合わせた構成例を説明するための図である。
【図１７】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いて２×２スイッチとアッテネータとの組み合わせた構成例を説明するための図である。
【図１８】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いて２×２スイッチとアッテネータとの組み合わせた構成例を説明するための図である。
【図１９】本発明の光スイッチを用いて三次元配置による２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせの一構成例である。
【図２０】本発明の光スイッチに用いる偏光制御手段に適用することができる液晶セルの構成例である。
【図２１】液晶セルによる光の残留複屈折補償を説明するための等価光路図である。
【図２２】液晶セルによる光の残留複屈折補償を説明するための図である。
【図２３】液晶セルによる光の残留複屈折補償を説明するための残留複屈折の特性図である。
【図２４】本発明の光スイッチに用いた構成例である。
【図２５】直交する方向に光の入出端が設けられる従来構成の２×２光切替スイッチの例である。
【符号の説明】
１ 偏光分離合成手段
２，２Ａ，２Ｂ 反射手段
２ａ，２ｂ，２ｃ 反射板
３，３ａ〜３ｋ 偏光制御手段
４ａ，４ｂ 入出力ポート
５ａ，５ｂ 入出力ポート
１０ 偏光分離合成膜
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ プリズム
２０ 液晶セル
２１ａ，２１ｂ 基板
２２ａ，２２ｂ 透明導電極
２３ａ，２３ｂ 配向膜
２４ 液晶層
２５ 外部反射板
２６，２８ 内在反射板
２７ 導電膜
３１，３５ サーキュレータ
３２、３４ 分波合波器
３３ 光スイッチ
１００ 光スイッチ
１０１ 偏光分離合成手段
１０２ 偏光分離合成膜
１０３，１０４ 液晶セル
１０５，１０６ 反射板
１０７，１０８ コリメータ
１０９，１１０ 光ファイバ
１１１、１１２ サーキュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路を切り替える光スイッチに関し、特に、液晶分子の配列状態の変化を利用して光路切替を行うスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野において光ファイバを用いて光ネットワークを構成するには、入射光と出射光との間を切り替える光スイッチが必要となる。この光ファイバ通信では、例えば、長距離伝送用としては１．５５μｍ帯や１．３μｍ帯が用いられ、短距離伝送用としては８５０ｎｍ帯が用いられている。
このような光スイッチとして、従来、直線方向に光の入出端が設けられる構成のクロスバ型２×２光切替スイッチ（例えば、特開平２−１０００２５号公報）や、直交する方向に光の入出端が設けられる構成の２×２光切替スイッチが知られている。
【０００３】
クロスバ型２×２光切替スイッチは、一対の光ファイバがコリメートレンズを介して接続された偏光ビームスプリッタを二組用い、この偏光ビームスプリッタの間に液晶セルを挟んだ構成である。このクロスバ型２×２光切替スイッチは、液晶セルに印加する電圧の有無によって、一方の偏光ビームスプリッタ側の光ファイバから入射した光を、他方の偏光ビームスプリッタ側の光ファイバから選択的に切り替えて出射している。
【０００４】
また、直交する方向に光の入出端が設けられる構成の２×２光切替スイッチの例として図２５に示す構成がある。
図２５（ａ）において、２×２光切替スイッチは、偏光ビームスプリッタ１０１に対して直交する２つの各側に、液晶セル１０３と反射板１０５とを組み合わせた光学素子、及び液晶セル１０４と反射板１０６とを組み合わせた光学素子を配置し、偏光ビームスプリッタ１０１を挟んで液晶セル１０３と対向する側にコリメータ１０７を介して光ファイバ１０９を接続し、偏光ビームスプリッタ１０１を挟んで液晶セル１０５と対向する側にコリメータ１０８を介して光ファイバ１０１０を接続する。この光ファイバ１０９，１１０は入射と出射とを兼ねているため、光ファイバ１０９，１１０にサーキュレータ１１１，１１２を接続することによって入射光と出射光を分離している。液晶セル１０３，１０４は、電圧の印加によって、入射した光の偏光状態をλ／４波長変化させる。この構成では、反射板と組み合わせることで、入射と出射で合わせて偏光状態がλ／２波長変化することになる。
【０００５】
この構成による２×２光切替スイッチでは、スイッチ動作として入射端と出射端を異なる側とする状態（Exchanging state）と入射端と出射端を同じ側とする状態（Straight state）の二つの動作をとることができる。なお、偏光ビームスプリッタ１０１は、偏光分離合成膜１０２を備えている。
図２５（ｂ）はExchanging stateを説明するための図である。この動作状態では、液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧を印加しない。光ファイバ１０９から入射した光は偏光面が直交する２つの偏光成分ｐと偏光成分ｓから成り、コリメータ１０７で平行ビームとなった後、偏光ビームスプリッタ１０１に入って偏光分離合成膜１０２により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【０００６】
液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧が印加されていない場合には、液晶セル１０３及び液晶セル１０４により偏光状態の変換が行われる。なお、図２５（ｂ）では、偏光状態の変換が行われる状態をＯＮで表している。直進する偏光成分ｐは、λ／４波長だけ偏光状態が変化して液晶セル１０３を通過した後、反射板１０５で反射し再び液晶セル１０３を通過する。このとき、さらに偏光状態はλ／４波長変化し入射した偏光成分ｐは偏光成分ｓに変換される。変換された偏光成分ｓは、偏光分離合成膜１０２で反射され、コリメータ１０８を介して光ファイバ１１０に出射される。一方、偏光分離合成膜１０２で反射した偏光成分ｓは、λ／４波長だけ偏光状態が変化して液晶セル１０４を通過した後、反射板１０６で反射し再び液晶セル１０４を通過する。このとき、さらに偏光状態はλ／４波長変化し入射した偏光成分ｓは偏光成分ｐに変換される。変換された偏光成分ｐは、偏光分離合成膜１０２を通過し、コリメータ１０９を介して光ファイバ１１０に出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【０００７】
また、図２５（ｃ）はStraight stateを説明するための図である。この動作状態では、液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧を印加する。液晶セル１０３及び液晶セル１０４に電圧が印加されている場合には、液晶セル１０３及び液晶セル１０４により偏光状態の変換が行われない。なお、図２５（ｃ）では、偏光状態の変換が行われない状態をＯＦＦで表している。
【０００８】
直進する偏光成分ｐは、λ／４波長だけそのままの偏光状態で液晶セル１０３を通過した後、反射板１０５で反射し再びそのままの偏光状態で液晶セル１０３を通過する。反射後、液晶セル１０３を通過した偏光成分ｐは、偏光分離合成膜１０２を直進し、コリメータ１０７を介して光ファイバ１０９に出射される。一方、偏光分離合成膜１０２で反射した偏光成分ｓは、そのままの偏光状態で液晶セル１０４を通過した後、反射板１０６で反射し再びそのままの偏光状態で液晶セル１０４を通過する。反射後、液晶セル１０４を通過した偏光成分ｓは、偏光分離合成膜１０２で反射し、コリメータ１０７を介して光ファイバ１０９に出射される。これによって、入射した光は入射端と同じ端部から出射することになる。
【０００９】
なお、上記２×２光切替スイッチの構成及び２×２光切替スイッチを用いたアドドロップマルチプレクサの構成は、例えば、Optical Engineering,Vol.40 No.8, 1521-1528,August 2001 (Sarun Sumriddetchakajorn, Nabeel A.Riza, Deepak K.Sengupta)
に記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
光スイッチでは、入射と出射の入れ替えに対して機能が対称であることが求められる。上記した２×２光切替スイッチの構成では、入射と出射とを入れ替えた場合、光スイッチ内において偏光成分によって光路や通過する液晶セルや光学系が異なるため、必ずしも機能が対称とならない。入射と出射の入れ替えに対して機能を対称するには、光路長を合わせたり、液晶セルや光学系の特性を調整する必要があるという問題がある。この点は、構成に要する部品点数が多ければそれだけ調整箇所が増えるため、より大きな問題となり、また、製造コストにも影響することになる。
【００１１】
また、光信号に生じる損失として偏波依存性損失（ＰＤＬ：Polarization Dependent Loss）や偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization Mode Dispesion）が知られている。偏波依存性損失は、例えば、液晶セルが備える電極の透過に伴う信号強度の低下によるものがあり、液晶セルを通過する回数が多い構成ではこの偏波依存性損失が大きくなるという問題がある。また、偏波モード分散は、直交する偏波モードによって光パルスの分散の程度が異なるため、光路長が異なればこの光分散による信号劣化が大きくなるという問題がある。
【００１２】
また、液晶セルによって偏光状態を切り替える構成では、切替速度はこの液晶セルの切替速度に依存する。この液晶セルの切替速度は液晶セルの厚みの２乗に比例する特性があるため薄い液晶セルが求められるが、液晶セルの厚みは変換する偏光角度と光の波長によって定まるため、高速動作化が難しいという問題もある。
【００１３】
そこで、本発明は、従来の課題を解決して、異なる経路を通る偏光に対して光路長や光学特性を同一とすることで、光路長や光学特性の調整を不要とし、また、偏波モード分散による信号劣化を低減することを目的とし、液晶セルの電極を通過する回数を低減することで偏波依存性損失を低減し、部品点数や調整箇所を低減あるいは削減する構成としてコストを低減すること目的とし、また、液晶セルの応答を速めて光スイッチを高動作化することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチは、偏光分離合成手段と、少なくとも２つの反射手段と、偏光方向を制御する偏光制御手段とを備えた構成とし、偏光分離合成手段で分離された二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段に再入射され合成されるように、偏光分離合成手段及び反射手段を配置すると共に、この光路上に偏光制御手段を配置し、偏光制御手段により各偏光成分の偏光方向を制御する。
【００１５】
ここで、光路上に配置される偏光制御手段は、この光路上において全体でλ／２波長の偏光制御を行う。また、反射手段及び偏光分離合成手段が形成する光路は多角形を形成し、この多角形は、偏光分離合成手段における内角を直角とし、反射手段の個数から１を引いた個数に１８０度を乗じた角度を多角形の内角の和とするよう配置する。
【００１６】
本発明の光スイッチによれば、偏光分離合成手段と少なくとも２つの反射手段、及び偏光制御手段の配置構成により、偏光分離合成手段で分離された二つの偏光成分は、同一光路をそれぞれ進行方向を異にして進み、偏光分離合成手段に再入射して合成される。また、二つの偏光成分は、同一光路上で同一の偏光制御手段を通過する。これによって、異なる経路であっても同一光路を通るため、光路長及び通過する光路上の光学特性が同一となる。従って、光路長や光学特性の調整が不要となり、偏波モード分散による信号劣化も低減することができる。
【００１７】
また、従来の構成では、偏光成分に応じて異なる経路毎に偏光分離合成手段を設ける必要があるが、本発明の光スイッチによれば、同一光路上に配置した一つの偏光制御手段によって偏光状態を変換する構成であるため、偏光成分が偏光制御手段を通過する回数が低減されるため、偏波依存性損失を低減することができる。また、同一光路上に配置した一つの偏光制御手段を用いるため、部品点数や調整箇所を低減あるいは削減し、延いてはコストを低減することができる。
【００１８】
また、液晶セルにより偏光制御手段を構成する場合には、液晶セルを反射手段に設ける等の光路上に配置する液晶セルの個数を増加させる構成とすることによって、各液晶セルの厚みを薄くすることができ、光スイッチの動作速度を高めることができる。
【００１９】
本発明の光スイッチは、二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段に再入射し、光路上に偏光制御手段を配置する構成として種々の態様とすることができる。
反射手段の配置の一態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角が２２．５度となるように配置する。これによって、異なる経路であっても同一経路が形成される。
【００２０】
この反射板の配置構成において、偏光制御手段の一配置態様は、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、二つの反射板の内の一方の反射板の光路上の前方位置に配置する。また、偏光制御手段の一配置態様は、λ／８波長の偏光制御を行う偏光制御手段を反射手段の両反射板の光路上の前方位置に配置する。
この偏光制御手段の配置により、異なる経路であっても同一経路を通ることで、何れの偏光成分についても同一の偏光制御を行うことができる。
【００２１】
また、反射手段の配置の他の態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置し、さらに、１つの反射板を２つの反射板を結ぶ光路上であってこれらの反射板に対して垂直方向に配置する。
【００２２】
この反射板の配置構成において、偏光制御手段の配置態様は、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、垂直方向に配置した１つの反射板や平行配置される２つの反射板等の光路上の反射板の前方位置に配置する。また、偏光制御手段の他の配置態様は、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、３つの各反射板の光路上の前方位置に配置する。
【００２３】
また、反射手段及び偏光制御手段の配置の別の態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を２つの反射板間の光路上に配置する。反射手段及び偏光制御手段の配置のさらに別の態様において、反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、２つの偏光制御手段の光路上の前方位置、及び２つの反射板間の光路上に配置する。
【００２４】
これらの各反射手段及び偏光制御手段の配置により、異なる経路であっても同一経路を通ることで、何れの偏光成分についても同一の偏光制御を行うことができる。
また、本発明の光スイッチにおいて、偏光制御手段は、液晶セルで構成することができる。液晶セルは、偏光する角度により、ｓ偏光とｐ偏光の偏光状態を９０度変換して、偏光分離合成手段における通過と反射を制御するスイッチング用液晶セルとして用いる他、液晶や光路上に配置した偏光板に残留する残留複屈折によって生じる経路による偏光状態のずれを補償する残留複屈折補償用液晶セルとして用いることができる。残留複屈折の補償は、スイッチング用液晶セルと残留複屈折補償用液晶セルのダイレクタ方向を直交させ、両液晶セルの複屈折量が打ち消されるように電圧を印加する他、光路上に複屈折結晶あるいは異方性フィルムを配置することで行うことができる。
【００２５】
また、液晶セルは、種々の構成とすることができる。一つの構成では、液晶セルに反射板を設けることにより反射手段を構成することができる。
この反射板を備える液晶セル構成において、一態様では、液晶セルの内部に反射板を配置する構成とすることができ、この構成において、液晶セルが備える二つの電極の一方の電極を反射板とすることができる。他の態様では、液晶セルの外部に反射板を配置する構成とすることができる。
【００２６】
また、本発明の光スイッチにより２入力２出力スイッチを構成する態様として、一態様では、本発明の光スイッチの光路の両端に光軸を合わせて入出力ポートを配置し、この入出力ポートにサーキュレータを接続する構成とする。
また、他の態様では、本発明の光スイッチの光路の両端において、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせてそれぞれ２つの入出力ポートを配置する。この構成によれば、本発明の光スイッチはサーキュレータを要すること無く２入力２出力スイッチを構成することができ、また、本発明の光スイッチによってサーキュレータを構成こともできる。
また、本発明の光スイッチは、Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ装置の構成要素としても用いることができ、また、偏光状態を制御することで、前記したスイッチングや残留複屈折補償の他、温度補償や減衰器として用いることもできる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の光スイッチの基本構成を説明するための概略図である。図１において、本発明の光スイッチは、偏光分離合成手段１と、少なくとも２つの反射手段２と、偏光方向を制御する偏光制御手段３とを備える。偏光分離合成手段１は、入射した光に含まれるｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離し、ｐ偏光成分についてはそのまま直進させ、ｓ偏光成分については反射させる。
【００２８】
反射手段２（２Ａ，２Ｂ）は、偏光分離合成手段１で分離された二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段１に再入射するように配置する。図中に示すＡで示される３角形は、偏光分離合成手段１及び反射手段２，３によって形成される光路を示し、図中のａで示す方向から入射した光についてみると、偏光分離合成手段１を直進し、反射手段２Ａ及び反射手段２Ｂの順で反射された後、再び偏光分離合成手段１に戻る経路ｃと、偏光分離合成手段１で反射し、反射手段２Ｂ及び反射手段２Ａの順で反射された後、再び偏光分離合成手段１に戻る経路ｄとが形成され、２つの経路ｃ，ｄは同一の光路となる。なお、図中のｂで示す方向から入射した光についてみても、偏光分離合成手段１，反射手段２Ａ，２Ｂの配置は光学的に対称となるため、同様に２つの経路ｃ，ｄは同一の光路となる。
【００２９】
また、この光路上に偏光状態を制御する偏光制御手段３を配置する。なお、偏光制御手段３の配置位置は、光路上において種々の態様とすることができる。 この構成により、異なる経路であっても、同一光路長を有し、光路上において通過する反射手段や偏光制御手段等の光学素子も同一とすることができる。
なお、偏光分離合成手段１は偏光分離合成膜により形成することができ、また、偏光制御手段は液晶セルで形成することができる。
【００３０】
次に、本発明の光スイッチの基本構成に基づく構成例、及びその構成例における動作状態について、図２，３、６〜１０を用いて説明する。
第１の構成例を図２を用いて説明する。第１の構成例は、偏光分離合成手段１に対して対称な位置において、二つの反射板２Ａ，２Ｂを偏光成分の入射角及び出射角が２２．５度となるように配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ａを２つの反射板２ａ，２ｂの内の一方の反射板（図では反射板２ａの例を示しいるが、反射板２ｂとすることもできる）の光路上の前方位置に配置する。
【００３１】
図２（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は偏光面が直交する２つの偏光成分ｐと偏光成分ｓから成り、図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００３２】
この動作状態では偏光制御手段３ａは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ａを通過した後、反射板２ａで反射されて再び偏光制御手段３ａを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｐのままである。偏光成分ｐは、さらに反射板２ｂで反射され、再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００３３】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは反射板２ｂで反射され、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ａを通過した後、反射板２ａで反射されて再び偏光制御手段３ａを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｓのままである。偏光成分ｓは再び偏光分離合成手段１に達し反射される。このときの反射方向は、入射方向と直交する方向となり、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００３４】
図２（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００３５】
この動作状態では偏光制御手段３ａは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ａで反射し、再び偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換されて偏光成分ｓに変換される。偏光成分ｓは、さらに反射板２ｂで反射し、再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｓの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００３６】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは反射板２ｂで反射され、次に偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ａで反射し、再び偏光制御手段３ａを通過することでλ／４波長変換されて偏光成分ｐに変換される。偏光成分ｐは再び偏光分離合成手段１に達し直進する。このときの進行方向は、入射方向と逆方向となり、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
【００３７】
第２の構成例を図３を用いて説明する。第２の構成例は、偏光分離合成手段１に対して対称な位置において、二つの反射板２ａ，２ｂを偏光成分の入射角及び出射角が２２．５度となるように配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｂ，３ｃを２つの反射板２ａ，２ｂの光路上の前方位置に配置する。
【００３８】
図３（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００３９】
この動作状態では偏光制御手段３ｂは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｂを通過した後、反射板２ａで反射されて再び偏光制御手段３ｂを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｐのままである。偏光成分ｐは、さらに反射板２ｂで反射されると共に偏光制御手段３ｃを２回通過するが、偏光制御手段３ｃは偏光変換を行わないため偏光成分ｐのままである。反射板２ｂで反射された偏光成分ｐは再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００４０】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｃは偏光変換を行わないため、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｃを通過した後、反射板２ｂで反射されて再び偏光制御手段３ｃを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｓのままである。偏光成分ｓは、さらに反射板２ａで反射されると共に偏光制御手段３ｂを２回通過するが、偏光制御手段３ｂは偏光変換を行わないため偏光成分ｓのままである。反射板２ａで反射された偏光成分ｓは再び偏光分離合成手段１に達し反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００４１】
図３（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００４２】
この動作状態では偏光制御手段３ｂは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは偏光制御手段３ｂを通過することでλ／８波長変換された後反射板２ａで反射し、再び偏光制御手段３ｂを通過することでλ／８波長変換されて、λ／４波長変換される。λ／４波長変換された偏光成分は、さらに反射板２ｂに反射において、偏光制御手段３ｃを２回通過する間にλ／８の変換を２回受けてλ／４波長変換される。これによって、偏光成分ｐは偏光成分ｓに変換される。変換された偏光成分ｓは、再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００４３】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射される間に偏光制御手段３ｃを２回通過することでλ／４波長の変換を受け、さらに、反射板２ａで反射される間に偏光制御手段３ｂを２回通過することでλ／４波長の変換を受けて偏光成分ｐに変換される。偏光成分ｐは再び偏光分離合成手段１に達し直進する。このときの進行方向は、入射方向と逆方向となり、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
【００４４】
前記した第１，２の構成例は、図４に示す構成によって偏光分離合成手段、反射板、及び偏光制御手段の配置を行うことができる。
図４（ａ）は配置構成の一例である。この配置構成では、偏光分離合成膜１０をプリズム１１ａ，１１ｂで挟むことによって偏光分離合成手段１を構成し、図示しないフレームに固定する。一方、反射板２ａ，２ｂについても、図示しないフレームに固定部材を設置し、この固定部材により位置決めを行う。偏光分離合成手段及び反射板の角度関係は、フレームに設けた固定部材により定めることができる。なお、この構成例では、反射板間は空気環境となる。
【００４５】
図４（ｂ）は配置構成の他の例である。この配置構成では、偏光分離合成膜１０をプリズム１１ａ，１１ｂで挟むことによって偏光分離合成手段１を構成すると共に、反射板２ａ，２ｂについても台形のプリズム１１ｃを挟む構成とし、プリズム１１ａ，１１ｂとプリズム１１ｃとを接合して構成する。
この構成によれば、偏光分離合成手段及び反射板の角度関係は、プリズムにより設定することができ、さらに、光路はすべてプリズム内で形成することができるため、空気中を伝わる際に減衰や散乱を減少させることができる。
【００４６】
第３の構成例を図５を用いて説明する。第３の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板２ａ，２ｂを偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置し、さらに、１つの反射板２ｃを２つの反射板２ａ，２ｂを結ぶ光路上であってこれらの反射板２ａ，２ｂに対して垂直方向に配置する。 なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｄを反射板２ｃの光路上の前方位置に配置する。
【００４７】
図５（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００４８】
この動作状態では偏光制御手段３ｄは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｄを通過した後、反射板２ｃで反射されて再び偏光制御手段３ｄを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｐのままである。偏光成分ｐは、さらに反射板２ｂで反射され、再び偏光分離合成手段１に達する。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００４９】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｄは偏光変換を行わないため、偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、そのままの偏光状態で偏光制御手段３ｄを通過した後、反射板２ｃで反射されて再び偏光制御手段３ｄを通過する。このとき、偏光状態は変化せずに偏光成分ｓのままである。偏光成分ｓは、さらに反射板２ａで反射され、再び偏光分離合成手段１に達して反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００５０】
図５（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００５１】
この動作状態では偏光制御手段３ｄは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ｃで反射し、再び偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換されて、偏光成分ｓに変換される。偏光成分ｓは反射板２ｂで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００５２】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換された後反射板２ｃで反射し、再び偏光制御手段３ｄを通過することでλ／４波長変換されて、偏光成分ｐに変換される。変換された偏光成分ｐは反射板２ａで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
なお、第４の構成例において、偏光制御手段３ｄの配置位置は上記構成例に示す反射板２ｃに位置に限らず、反射板２ａあるいは反射板２ｂ等の任意の位置とすることができる。
【００５３】
第４の構成例を図６を用いて説明する。第４の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置し、さらに、１つの反射板を２つの反射板を結ぶ光路上であってこれらの反射板に対して垂直方向に配置する。偏光制御手段の他の配置態様は、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、３つの各反射板の光路上の前方位置に配置する。
なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇを各反射板２ａ，２ｂ，２ｃに配置する。
【００５４】
図６（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００５５】
この動作状態では偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、各反射板２ａ，２ｂ，２ｃで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。偏光成分ｐは、この各反射板２ａ，２ｂ，２ｃに設けた偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇを通過する際に偏光変換されないため、そのままの偏光状態で偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００５６】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇは偏光変換を行わないため、反射された偏光成分ｓは、各反射板２ａ，２ｂ，２ｃで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。偏光成分ｓは、この各反射板２ａ，２ｂ，２ｃに設けた偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇを通過する際に偏光変換されないため、そのままの偏光状態で偏光分離合成手段１に戻って反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００５７】
図６（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００５８】
この動作状態では偏光制御手段３ｅ，３ｆ，３ｇは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、各反射板で反射されるたびにλ／１２波長の偏光変換を２回受けてλ／６波長の偏光変換が行われる。このλ／６波長の偏光変換を３つの反射板２ａ，２ｂ，２ｃで行うことにより、λ／２波長の偏光変換を受けて偏光成分ｓに変換される。偏光成分ｓは反射板２ｂで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｓは偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００５９】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、偏光成分ｐと同様に、逆の経路を通って各反射板で反射されるたびにλ／１２波長の偏光変換を２回受けてλ／６波長の偏光変換が行われる。このλ／６波長の偏光変換を３つの反射板２ａ，２ｂ，２ｃで行うことにより、λ／２波長の偏光変換を受けて偏光成分ｐに変換される。変換された偏光成分ｐは反射板２ａで反射されて再び偏光分離合成手段１に達する。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端とは同じ端部から出射することになる。
【００６０】
第５の構成例を図７を用いて説明する。第５の構成例は、第３，４の構成例と同様に、３つの反射板を互いに直交に配置する構成であり、偏光分離合成手段１と隣接する何れか一方の反射板をプリズム等の全反射ミラーとし、残りの２つの反射板の光路上の前方位置にλ／８波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置する。
図７では、反射板２ｂをプリズムとし、反射板２ａ，２ｃの光路上の前方位置にλ／８波長２ｂ偏光制御を行う偏光制御手段を配置する構成を示している。なお、図７では偏光制御手段を省略して示している。
【００６１】
第６の構成例を図８を用いて説明する。第６の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を２つの反射板間の光路上に配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｈを反射板２ａ，２ｂの間の光路上に配置する。
【００６２】
図８（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００６３】
この動作状態では偏光制御手段３ｈは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、そのままの状態で偏光制御手段３ｈを通り、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００６４】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、この動作状態では偏光制御手段３ｈは偏光変換を行わないため、反射された偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、そのままの状態で偏光制御手段３ｈを通り、反射板２ａで反射されて偏光分離合成手段１に戻って反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００６５】
図８（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００６６】
この動作状態では偏光制御手段３ｈは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射された後、偏光制御手段３ｈを通る間に偏光成分ｓに変換され、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｓの進行方向は入射方向と直交する方向となり、偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００６７】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、偏光制御手段３ｈを通る間に偏光成分ｐに変換され、反射板２ａで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は入射方向と逆方向となり、偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端と同じ端部から出射することになる。
【００６８】
第７の構成例を図９を用いて説明する。第７の構成例は、偏光分離合成手段に対して対称な位置において、２つの反射板を偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置し、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段を、２つの反射板の光路上の前方位置、及び２つの反射板間の光路上に配置する。なお、入射角及び出射角は図中においてθで示している。この構成例では、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｉ，３ｊを反射板２ａ，２ｂに配置し、λ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段３ｋを反射板２ａと反射板２ｂとの間の光路上に配置する。
【００６９】
図９（ａ）は前記したExchanging stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行わない。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加することでこの動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＦＦで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとされて後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００７０】
この動作状態では偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋは偏光変換を行わないため、直進する偏光成分ｐは、各反射板２ａ、２ｂで反射される経路上において、そのままの状態で偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋを通り、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｐの進行方向は、入射方向と直交する方向となる。この偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。
【００７１】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋは偏光変換を行わないため、反射された偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射された後、そのままの状態で偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋを通り、反射板２ａで反射されて偏光分離合成手段１に戻って反射され、図示しないコリメータを介して図中でＯＵＴで示される出射端から出射される。これによって、入射した光は入射端とは異なる端部から出射することになる。
【００７２】
図９（ｂ）は前記したStraight stateに対応する動作を説明するための図である。この動作状態では、偏光制御手段による偏光変換を行う。偏光制御手段として液晶セルを用いる場合には、液晶セルに電圧を印加しないことで動作状態とすることができる。図ではこの動作状態をＯＮで示している。
入射端（図中のＩＮ）から入射した光は図示しないコリメータで平行ビームとなった後、偏光分離合成手段１により直進する偏光成分ｐと反射する偏光成分ｓに分離される。
【００７３】
この動作状態では偏光制御手段３ｉ，３ｊ，３ｋは偏光変換を行うため、直進する偏光成分ｐは、反射板２ａで反射される際に偏光制御手段３ｉによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、偏光制御手段３ｋの通過によりλ／１０波長の偏光変換され、さらに、反射板２ａで反射される際に偏光制御手段３ｊによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、最終的にλ／２波長の偏光変換により偏光成分ｓに偏光変換される。偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射されて偏光分離合成手段１に戻る。このときの偏光成分ｓの進行方向は入射方向と直交する方向となり、偏光分離合成手段１で反射され、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。
【００７４】
一方、偏光分離合成手段１で反射した偏光成分ｓは、反射板２ｂで反射される際に偏光制御手段３ｊによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、偏光制御手段３ｋの通過によりλ／１０波長の偏光変換され、さらに、反射板２ａで反射される際に偏光制御手段３ｉによりλ／１０波長の偏光変換を２回受けてλ／５波長の偏光変換され、最終的にλ／２波長の偏光変換により偏光成分ｐに偏光変換され、偏光分離合成手段１に戻る。偏光成分ｐは偏光分離合成手段１を直進し、図示しないコリメータを介して図示しないコリメータを介して入射端と同じ出射端ＯＵＴから出射される。これによって、入射した光は入射端と同じ端部から出射することになる。
【００７５】
図１０は、第１〜７の構成例を用いた２×２光スイッチの構成例である。図１０において、本発明の光スイッチ１００に対してコリメータ１０７，１０８を介して光ファイバ１０９，１１０を接続し、この光ファイバ１０９，１１０にサーキュレータ１０７，１０８を取り付けることにより、２×２光スイッチを構成することができる。ここで、サーキュレータ１０７，１０８は、同光ファイバを通る光信号の分離に用いられる。
【００７６】
次に、本発明の光スイッチの基本構成に基づく他の構成例、及びその構成例における偏光状態を図１１〜１３を用いて説明する。
この構成例は、図１で示した光スイッチの基本構成において、入射端及び出射端において、２つの入出力ポートを光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせて配置する。
【００７７】
図１１（ａ）において、２つの入出力ポート４ａ，４ｂ、及び２つの入出力ポート５ａ，５ｂを備え、入出力ポート４ａ，４ｂは光路ｏの光学的な中心ｐに対して光軸を合わせて設定され、また、入出力ポート５ａ，５ｂについても光路ｏの光学的な中心ｐに対して光軸を合わせて設定される。この構成により、光スイッチにおいてサーキュレータを不要とすることができる。
【００７８】
図１１（ｂ）は、光スイッチの動作を説明するものである。例えば、入出力ポート４ｂから入力した信号は、サーキュレータを要することなく入出力ポート５ａあるいは入出力ポート４ａから切り替えて出力することができ、また、入出力ポート５ｂから入力した信号は、サーキュレータを要することなく入出力ポート４ａあるいは入出力ポート５ａから切り替えて出力することができる。
【００７９】
図１２は、上記構成による動作を説明するために図である。図１２（ａ）は、入出力ポート４ａから入射した光を入出力ポート５ｂから出射する場合の動作である。この動作においては、図示しない偏光制御手段による偏光変換を行わない。入出力ポート４ａから入射した光の偏光成分ｐと偏光成分ｓは、偏光分離合成手段１で分離された後、反射手段２Ａ，２Ｂで反射されて入出力ポート５ｂに達する。このとき、各入出力ポートは、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせて配置されているため、前記図１１（ｂ）に示すように、交差した状態で他方の入出力ポート５ｂから出射される。
【００８０】
一方、図１２（ｂ）は、入出力ポート４ａから入射した光を同じ側の入出力ポート４ｂから出射する場合の動作である。この動作においては、図示しない偏光制御手段による偏光変換を行うことによって行う。入出力ポート４ｂから入射した光の偏光成分ｐと偏光成分ｓは、偏光分離合成手段１で分離された後、反射手段２Ａ，２Ｂで反射されと共に光路上で偏光変換され、入出力ポート５ｂに達する。このとき、各入出力ポートは、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせて配置されているため、交差した状態で同じ側の入出力ポート４ｂから出射される。
この構成による光スイッチに光ファイバを接続するコリメータは、図１３に示すように、２芯のコリメータを適用することができる。２芯のコリメータ６は、図１１，１２中の４ａ，４ｂあるいは５ａ，５ｂに対応して配置される。
【００８１】
次に、本発明の光スイッチにおいて、片偏光を用いた光スイッチ構成例について図１４〜図１８を用いて説明する。
図１４は、前記図７に示した構成において、片偏光のみを用いて光スイッチを構成する例であり、図１４（ａ）は１×２光スイッチであり、図１４（ｂ）は２×２光スイッチである。
【００８２】
図１４（ａ）に示す１×２光スイッチは、本発明の光スイッチＡが備える偏光分離合成手段１の一端に偏光分離合成手段１ａを配置し、偏光分離合成手段１ａの一端を入力端（ＩＮ）とし、偏光分離合成手段１ａの他端及び偏光分離合成手段１の他端を出力端（それぞれ、ＯＵＴ２，ＯＵＴ１）とする。
この構成によれば、例えば入力端ＩＮから入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態では出力端ＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態では出力端ＯＵＴ２から出力する。
【００８３】
また、図１４（ｂ）に示す２×２光スイッチは、本発明の光スイッチＡが備える偏光分離合成手段１の一端に偏光分離合成手段１ａを配置し、他端に偏光分離合成手段１ｂを配置し、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの一端を入力端（ＩＮ１，ＩＮ２）とし、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの他端を出力端（それぞれ、ＯＵＴ２，ＯＵＴ１）とする。なお、図１４（ｂ）の構成例では、出力の偏光状態を合わせるために、入力端ＩＮ２と出力端ＯＵＴ２にλ／２の波長板を配置している。
【００８４】
この構成によれば、例えば入力端ＩＮ１に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。
【００８５】
また、図１５は片偏光のみを用いた２×２光スイッチの別の構成例である。この構成例は、前記図４に示した構成において、光スイッチＢが備える偏光分離合成手段１の一端に偏光分離合成手段１ａを配置し、他端に偏光分離合成手段１ｂを配置し、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの一端を入力端（ＩＮ１，ＩＮ２）とし、偏光分離合成手段１ａ，１ｂの他端を出力端（それぞれ、ＯＵＴ２，ＯＵＴ１）とする。なお、図１５の構成例では、出力の偏光状態を合わせるために、入力端ＩＮ２と出力端ＯＵＴ２にλ／２の波長板を配置している。
【００８６】
この構成においても、例えば入力端ＩＮ１に入力した場合には、光スイッチＢによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、光スイッチＢによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。 この片偏光のみを用いた２×２光スイッチは、光切替の機能の他にアッテネータ（減衰器）としても用いることができる。
【００８７】
図１６〜図１８は、２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせ構成例であり、図１５に示した構成例を組み合わせることにより構成することができる。図１６〜図１８に示す２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせ構成は、それぞれ３つの光スイッチＣ１，Ｃ２，Ｃ３を組合わせ、この内の光スイッチＣ１を光切り替え手段として使用し、残りの光スイッチＣ２，Ｃ３をアッテネータとして使用する。
【００８８】
アッテネータを構成する光スイッチＣ２，Ｃ３の端部の内、光スイッチＣ１と接続する側の端部には偏光分離合成手段が配置され、この端部に例えばマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を接続することにより、アッテネータで減衰された偏光成分を外部に排出することができる。アッテネータで減衰した偏光成分をＭＭＦから外部に排出することにより、この構成ではアッテネータから熱源を除くことができ、冷却手段を設ける必要がないという効果がある。
【００８９】
この構成によれば、例えば図１６の構成では、例えば入力端ＩＮ１に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、光スイッチＡによる偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、光スイッチＡによる偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。
【００９０】
このとき、例えば、ＯＵＴ１から出力する場合には、光スイッチＣ２によるアッテネータで減衰された偏光成分はＭＭＦ１から排出され、また、ＯＵＴ２から出力する場合には、光スイッチＣ３によるアッテネータで減衰された偏光成分はＭＭＦ２から排出される。なお、図１７、図１８については同様であるため省略する。
【００９１】
この構成によれば、図１６〜図１８に示すように、２×２光スイッチとアッテネータとの種々の配置で組み合わせることにより、入力端や出力端の配置位置を必要に応じた構成とすることができる。
さらに、この構成によれば、前記した二次元配置に限らず、三次元配置とすることもできる。図１９（ａ），（ｂ）は三次元配置による２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせの一構成例である。なお、図１９（ｂ）は図１９（ａ）に示す構成におけるλ／２波長板の配置位置を示している。
【００９２】
片偏光を用いた構成では配置によって偏光方向が変化するため、光スイッチとして適用させるために所定位置にλ／２波長板を配置する。図１９に示す構成例は、入射直線偏光としてｐ偏光（片偏光）を用いた場合であり、この構成例では図１９（ｂ）に示す位置にλ／２波長板を配置することにより光スイッチを構成することができる。
【００９３】
図１９において、前記光スイッチＣ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する光スイッチブロックＤ１，Ｄ２，Ｄ３を重ねて配置し、各光スイッチブロックＤ１，Ｄ２，Ｄ３に偏光分離合成ブロックＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を隣接して配置することにより三次元で配置する。ここで、光スイッチブロックＤ１は光切り替え手段として使用し、残りの光スイッチブロックＤ２，Ｄ３がアッテネータとして使用する。
【００９４】
この三次元配置の構成においても、前記二次元配置と同様に、入力端ＩＮ１に入力した場合には、偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ１から出力し、偏光変換を行う状態ではＯＵＴ２から出力する。また、同様に、入力端ＩＮ２に入力した場合には、偏光変換を行わない状態ではＯＵＴ２から出力し、偏光変換を行う状態ではＯＵＴ１から出力する。また、光スイッチブロックＤ２，Ｄ３のアッテネータからは図示しないＭＭＦを介して減衰による偏光成分を排出することができる。なお、図１９（ｂ）は、λ／２波長板を配置した構成例を示している。
【００９５】
なお、図１９では、光スイッチブロックＤ１，Ｄ２，Ｄ３を分けて示しているが、柱状の一つの偏光分離合成手段による構成することができる。
この三次元配置によれば、二次元配置と比較して部品点数を減らすことができる。また、各部材の入出力端の干渉を最小限とする構成をとることができ、装置構成の小型化を図ることができる。
【００９６】
図２０は、本発明の光スイッチに用いる偏光制御手段に適用することができる液晶セルの構成例である。
ここでは、液晶セルと反射板とを組み合わせた構成について説明する。液晶セルと反射板との組み合わせにおいて、光入射側から見たとき、反射板を液晶セルの外側に配置する構成と、反射板を液晶セルの内側に配置する構成がある。図２０（ａ）は反射板を液晶セルの外側に配置する構成例を示し、図２０（ｂ），２０（ｃ）は反射板を液晶セルの内側に配置する構成例を示している。
【００９７】
図２０（ａ）において、液晶セル２０は、光入射側から順に、ガラス等の基板２１ａ、ＩＴＯ等の透明電極膜２２ａ、配向膜２３ａ、液晶層２４、配向膜２３ｂ、透明電極膜２２ｂ、基板２１ｂ、外部反射板２５を配置して構成される。ここで、外部反射板２５は、誘電体多層膜、アルミや金等の高反射性材料からなる金属膜とすることができる。
【００９８】
また、図２０（ｂ）において、液晶セル２０は、光入射側から順に、ガラス等の基板２１ａ、ＩＴＯ等の透明電極膜２２ａ、配向膜２３ａ、液晶層２４、配向膜２３ｂ、内在反射板２６、導電膜２７、基板２１ｂを配置して構成される。ここで、内在反射板２６は、導電膜２７による電場印加を行うために誘電体多層膜とする。また、導電膜２７はＩＴＯによる透明電極膜を用いることができ、基板２１ｂはガラス等の透明な材料に限らず不透明な材料を用いることもできる。
【００９９】
また、図２０（ｃ）において、液晶セル２０は、光入射側から順に、ガラス等の基板２１ａ、ＩＴＯ等の透明電極膜２２ａ、配向膜２３ａ、液晶層２４、配向膜２３ｂ、内在反射板２８、基板２１ｂを配置して構成される。ここで、内在反射板２８は、下部電極を兼ねるため金属膜とする。基板２１ｂはガラス等の透明な材料に限らず不透明な材料を用いることもできる。
【０１００】
上記各構成の液晶セルにおいて、配向膜の下部（あるいは電極の上部）に上下の基板の短絡防止用絶縁膜を形成することもできる。また、液晶セルとプリズムとの間に空気層が介在する構成では、液晶セルの表面において不要な反射を防止するために、誘電体多層膜による反射防止膜（ＡＲ：Antireflection Coating）を形成することが望ましい。
また、液晶素子の配向は、アンチパラレル配向又はパラレル配向とすることができる。また、液晶は強誘電体液晶やツイストネマチック液晶等を使用することができる。
【０１０１】
液晶セルにおいて、本発明の光スイッチは、入射直線偏光の方位角を９０度回転と、そのままの状態による０度回転の２つの状態で制御するスイッチ動作を行うことができる。また、階調制御を行うことができる液晶を用いることで、中間状態の偏光によって可変光減衰器を構成することもできる。
また、本発明の光スイッチの複数の液晶セルを用いた構成において、偏光変換を行う液晶セルを選択することで、偏光成分ｓのみあるいは偏光成分ｐのみを取り出すことができ、これによって、可変光減衰器を構成することもできる。
【０１０２】
また、液晶セルのスイッチ動作を利用して光の切替を行う場合には、この液晶セルの応答速度は液晶セルの厚みに依存する。本発明の光スイッチでは、前記した第２，４，６の構成例に示すように、λ／２波長の偏光変換を行うために複数の液晶セルを用いる構成とすることで各液晶の厚みを薄くして応答速度を速めることができる。
【０１０３】
例えば、第２の構成例では、同一の反射型の液晶セルで比較したとき、各液晶セルの厚みは１／２となり、応答速度は２乗で反映されるため４倍となり、第４の構成例では、同様に、各液晶セルの厚みは１／３となって応答速度は９倍となり、第６の構成例では、同様に、各液晶セルの厚みは２／５となって応答速度は約６倍となる。
【０１０４】
また、本発明の光スイッチに用いる液晶セルは、その液晶セルの残留複屈折補償に用いることができる。以下、図２１〜図２３を用いて液晶セルによる光の残留複屈折補償について説明する。
図２１（ａ）に示す本発明の光スイッチの基本構成において、光路は反射板に対して鏡面対称であるため、光路は図２１（ｂ）に示すように、等価的に光路に沿って展開して示すことができる。なお、ａ，ｂは液晶セルを示している。ここで、光は液晶セルに対して角度（図ではθ）を有して入射しているため、図２１（ｂ）に示すように、光路は液晶セルａ，ｂの法線方向ｎに対してθの角度を有する。
【０１０５】
図２２（ａ），（ｂ）は、液晶セルａに対する入射光線ベクトルと、この入射光線ベクトルの液晶セルａ表面への射影ベクトルｍの関係を示している。なお、図２２（ｂ）は、法線方向ｎ（図２２（ａ）中の白抜きの矢印方向）から見た図である。ここで、射影ベクトルｍと液晶セルのダイレクト方向とのなす角をφとすると、このときの液晶の残留複屈折（リターデーション）は、
Γ＝（２πｄ／λ）・［ｎe・√（１−（sin２θ・sin２φ／ｎe２）−（sin２θ・cos２φ／ｎo２））−√（１−（sin２θ／ｎo２））］
で表される。なお、ここで、Γは残留複屈折、ｄはセルギャップ、ｎeは異常光屈折率、ｎoは常光屈折率である。上記した残留複屈折Γの式は、Pochi Yeh and Claire Gu.“Optics of Liquid Crystal Displays”, p.155,(1999),John Wiley £ Sons, Inc. を参照するものである。
【０１０６】
上記式において、垂直入射の場合にはθ＝０であるので、
Γ＝２π／λ・ｄ（ｎe−ｎo）
となる。
したがって、本発明のスイッチング用液晶セルにおいては、斜め入射条件でのΓが所定のλ／４（又は、所定のλ／８，λ／１０など）の値となるようにセルギャップｄを定める。
また、本発明の残留複屈折補償用液晶セルにおいては、図２２（ｃ）に示すように、スイッチング用液晶セルの液晶ダイレクタ方向と９０度の関係とすることで残留複屈折を補償する。
【０１０７】
以下、本発明の残留複屈折補償用液晶セルによる残留複屈折補償について、図２３の液晶セルの印加電圧と残留複屈折特性との概念図を用いて説明する。
図２３に示す液晶セルの印加電圧と残留複屈折特性において、残留複屈折Γを０に近づけるには、液晶セルに通常百数十［Ｖ］以上の電圧が必要となる。
そこで、本発明では、スイッチング用液晶セルの液晶ダイレクタ方向と残留複屈折補償用液晶セルの液晶ダイレクタ方向とを直交するように設定する。なお、図２２ではＸ−Ｚ軸面内でｐ偏光が振動すると仮定している。
【０１０８】
以下、残留複屈折を補償する３つの方法について説明する。
第１の方法では、残留複屈折補償用液晶セルに常時電圧Ｖｒを印加する。このとき残留複屈折補償用液晶セルの残留複屈折はΓ＝Γｒとなる。ここで、スイッチング用液晶セルに同じ電圧Ｖｒを印加すると複屈折量はΓｒとなり、２つの液晶セルのダイレクタ方向方向が直交しているため、複屈折は打ち消しあって残留複屈折は０となる。なお、このとき、スイッチング用液晶セル及び残留複屈折補償用液晶セルを反射した光はトータルで変調を受けないため、例えば入射ｐ偏光はｐ偏光のままである。
【０１０９】
次に、スイッチング用液晶セルにのみ小電圧Ｖｏを印加すると、スイッチング用液晶セル及び残留複屈折補償用液晶セルの合成残留複屈折は
Γo−Γr＝Γsw
となる。このΓswをλ／２とすれば、ｐ偏光をｓ偏光に変換できるため、光路を変えることができる。
【０１１０】
第２の方法では、残留複屈折補償用液晶セルに常時Ｖoを印加し、スイッチング用液晶セルにＶoを印加することによりΓoをキャンセルする。また、スイッチング用液晶セルにＶrを印加すると、二つの液晶セルを通過した後の合成残留複屈折は
Γo−Γr＝Γsw
となる。このΓswをλ／２とすれば、ｐ偏光をｓ偏光に変換できるため、光路を変えることができる。
【０１１１】
また、第３の方法では、残留複屈折補償用液晶セルを用いる代りに、光路上の任意の箇所に複屈折結晶あるいは異方性フィルムを配置し、これにより常時Γr（又はΓo）を形成して残留複屈折を補償する。光の切替はスイッチング用液晶セルによって行う。
【０１１２】
図２４は、本発明の光スイッチに用いた、アド・ドロップ（Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ）を含む構成例である。
図２４に示す構成例は、サーキュレータ３１，分波合成器３２，本発明の光スイッチ３３（ＳＷ１〜ＳＷｎ），分波合成器３４，及びサーキュレータ３５を接続して構成する。図２４（ａ）は、例えば、サーキュレータ３１の分波合成器３２に接続されない一端を入力端、他の一端をドロップ端とし、サーキュレータ３５の分波合成器３４に接続されない一端を入力端、他の一端をドロップ端としている。
【０１１３】
ここで、例えば、光スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをそれぞれλ１〜λｎに対応させ、入力端からλ１〜λｎに信号を入力した場合について説明する。入力端から入力したλ１〜λｎの信号は分波合成器３２で各波長に分波される。ここで、図２４（ｂ）に示すように、光スイッチ３３のＳＷ２のみを切り替えると、波長λ２の信号はサーキュレータ３１のドロップ端から出力され、残りの波長λ１，λ３〜λｎはサーキュレータ３５のスルー端から出力される。また、このとき図２４（ｃ）に示すようにＡＮＤ端からλ２を入力すると、入力した波長λ２の信号はサーキュレータ３１のスルー端から出力される。
【０１１４】
なお、この構成例における、サーキュレータ，分波合成器，及び光スイッチの配置は、前記したOptical Engineering,Vol.40 No.8, 1521-1528,August 2001 (Sarun Sumriddetchakajorn, Nabeel A.Riza, Deepak K.Sengupta)に記載される構成例の配置と同様である。
また、本発明の光スイッチは、この他に光クロスコネクトの構成部品としても用いることができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光スイッチによれば、異なる経路を通る偏光に対して光路長や光学特性を同一とすることで、光路長や光学特性を調整を不要とすることができ、また、偏波モード分散による信号劣化を低減することができる。
【０１１６】
また、液晶セルの電極を通過する回数を低減することで偏波依存性損失を低減し、部品点数や調整箇所を低減あるいは削減する構成としてコストを低減することができる。
また、液晶セルの応答を速めて光スイッチを高動作化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光スイッチの基本構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第１の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図３】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第２の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図４】本発明の第１，２の構成例の配置を説明するための図である。
【図５】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第３の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図６】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第４の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図７】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第５の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図８】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第６の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図９】本発明の光スイッチの基本構成に基づく第７の構成例及び動作状態を説明するための図である。
【図１０】本発明の第１〜７の構成例を用いた２×２光スイッチの構成例である。
【図１１】本発明の光スイッチの基本構成に基づく他の構成例を説明するための図である。
【図１２】本発明の光スイッチの基本構成に基づく他の構成例の偏光状態を説明するための図である。
【図１３】本発明の光スイッチに２芯のコリメータを適用した構成例を説明するための図である。
【図１４】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いた光スイッチ構成例を説明するための図である。
【図１５】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いた光スイッチ構成例を説明するための図である。
【図１６】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いて２×２スイッチとアッテネータとの組み合わせた構成例を説明するための図である。
【図１７】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いて２×２スイッチとアッテネータとの組み合わせた構成例を説明するための図である。
【図１８】本発明の光スイッチにおいて片偏光を用いて２×２スイッチとアッテネータとの組み合わせた構成例を説明するための図である。
【図１９】本発明の光スイッチを用いて三次元配置による２×２光スイッチとアッテネータとの組み合わせの一構成例である。
【図２０】本発明の光スイッチに用いる偏光制御手段に適用することができる液晶セルの構成例である。
【図２１】液晶セルによる光の残留複屈折補償を説明するための等価光路図である。
【図２２】液晶セルによる光の残留複屈折補償を説明するための図である。
【図２３】液晶セルによる光の残留複屈折補償を説明するための残留複屈折の特性図である。
【図２４】本発明の光スイッチに用いた構成例である。
【図２５】直交する方向に光の入出端が設けられる従来構成の２×２光切替スイッチの例である。
【符号の説明】
１ 偏光分離合成手段
２，２Ａ，２Ｂ 反射手段
２ａ，２ｂ，２ｃ 反射板
３，３ａ〜３ｋ 偏光制御手段
４ａ，４ｂ 入出力ポート
５ａ，５ｂ 入出力ポート
１０ 偏光分離合成膜
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ プリズム
２０ 液晶セル
２１ａ，２１ｂ 基板
２２ａ，２２ｂ 透明導電極
２３ａ，２３ｂ 配向膜
２４ 液晶層
２５ 外部反射板
２６，２８ 内在反射板
２７ 導電膜
３１，３５ サーキュレータ
３２、３４ 分波合波器
３３ 光スイッチ
１００ 光スイッチ
１０１ 偏光分離合成手段
１０２ 偏光分離合成膜
１０３，１０４ 液晶セル
１０５，１０６ 反射板
１０７，１０８ コリメータ
１０９，１１０ 光ファイバ
１１１、１１２ サーキュレータ
Claims (21)
- 偏光分離合成手段と、少なくとも２つの反射手段と、偏光方向を制御する偏光制御手段とを備え、
偏光分離合成手段で分離された二つの偏光成分が同一光路を互いに進行方向を異にして偏光分離合成手段に再入射され合成されるように、前記偏光分離合成手段及び反射手段を配置すると共に、当該光路上に前記偏光制御手段を配置し、
前記偏光制御手段により各偏光成分の偏光方向を制御することを特徴とする、光スイッチ。 - 前記光路上に配置される偏光制御手段は、当該光路上において全体でλ／２波長の偏光制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
- 前記反射手段及び偏光分離合成手段が形成する光路が形成する多角形は、偏光分離合成手段における内角を直角とし、反射手段の個数から１を引いた個数に１８０度を乗じた角度を多角形の内角の和とすることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
- 前記反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置した二つの反射板を備えることを特徴とする、請求項３に記載の光スイッチ。
- 前記反射手段の一方の反射板の光路上の前方位置に、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。
- 前記反射手段の両反射板の光路上の前方位置に、λ／８波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。
- 前記反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、偏光成分の入射角及び出射角を４５度に配置した２つの反射板と、当該２つの反射板を結ぶ光路上であって当該反射板に対して垂直方向に配置した１つの反射板とを備えることを特徴とする、請求項３に記載の光スイッチ。
- 前記３つの反射板の何れか１つの反射板の光路上の前方位置に、λ／４波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項７に記載の光スイッチ。
- 前記３つの反射板の何れか２つの反射板の光路上の前方位置に、λ／８波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項７に記載の光スイッチ。
- 前記３つの各反射板の光路上の前方位置に、λ／１２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項７に記載の光スイッチ。
- 前記反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置した２つの反射板を備え、
前記２つの反射板間の光路上にλ／２波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。 - 前記反射手段は偏光分離合成手段に対して対称な位置において、偏光成分の入射角及び出射角を２２．５度に配置した２つの反射板を備え、
前記２つの反射板の光路上の前方位置にλ／１０波長の偏光制御を行う偏光制御手段を配置し、前記２つの偏光制御手段間の光路上にλ／１０波長の偏光制御を行う他の偏光制御手段を配置することを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。 - 前記偏光制御手段は、液晶セルで構成されることを特徴とする、請求項１乃至１２の何れか一つに記載の光スイッチ。
- 前記液晶セルは、スイッチング用液晶セル及び残留複屈折補償用液晶セルを含むことを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。
- 前記残留複屈折補償用液晶セルは、当該液晶セルのダイレクタ方向をスイッチング用液晶セルのダイレクタ方向と直交し、スイッチング用液晶セルの残留複屈折を補償する電圧を印加することを特徴とする、請求項１４に記載の光スイッチ。
- 前記液晶セルは反射板を備え、前記反射手段を構成することを特徴とする、請求項１２乃至１５の何れか一つに記載の光スイッチ。
- 前記反射板は、液晶セルの内部に配置されることを特徴とする、請求項１６に記載の光スイッチ。
- 前記反射板は、液晶セルが備える二つの電極の一方の電極を構成することを特徴とする、請求項１７に記載の光スイッチ。
- 前記反射板は、液晶セルの外部に配置されることを特徴とする、請求項１６に記載の光スイッチ。
- 前記請求項１乃至１９の何れか一つに記載の光スイッチの光路の両端に光軸を合わせて入出力ポートを配置し、当該入出力ポートにサーキュレータを接続し２入力２出力スイッチを構成することを特徴とする、光スイッチ。
- 前記請求項１乃至１９の何れか一つに記載の光スイッチの光路の両端において、光路の光学的な中心に対して対称に、かつ光軸を合わせてそれぞれ２つの入出力ポートを配置し２入力２出力スイッチを構成することを特徴とする、光スイッチ。
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