JP3814129B2 - マトリクス光スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測などの分野において、光路切り換えを行うための光スイッチに関するものである。更に詳しく述べると本発明は、一対の偏光ビームスプリッタの間に可変偏波回転部を配置した光スイッチユニットをマトリクス（格子状）に配列したＭ×Ｎ型のマトリクス光スイッチに関するものである。この光デバイスは、例えば光通信システムなどで用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
光サーキュレータは第１ポートからの入力光を第２ポートへ出力し、第２ポートからの入力光を第３ポートへ出力するというように、あるポートからの入力光を特定の他のポートのみに出力する光分離機能を有する光デバイスである。また光スイッチは第１入力ポートからの入力光を第１出力ポート又は第２出力ポートのいずれかに出力し、第２入力入力ポートからの入力光を第２出力ポート又は第１出力ポートのいずれかに出力するというような光路切り換え機能を有する光デバイスである。
【０００３】
通常、光サーキュレータは永久磁石により固定磁界を印加する４５度ファラデー回転子を用いて、偏波面を予め決められている方向に４５度回転させることで光線の非相反性を実現し、光スイッチは電磁石により印加磁界方向を変化させる可変ファラデー回転子を用いることで光路の切り換えを実現しているが、基本的な部分はほぼ同様に構成できる。
【０００４】
従来、様々な構成の光サーキュレータが開発されているが、その一例として、反射型偏光分離素子として複合偏光ビームスプリッタを用いる形式がある。これは、全反射ミラーを付随し、偏光分離膜（通常、誘電体多層膜）を組み込んだ一対の複合偏光ビームスプリッタを配置し、それらの間にファラデー回転子と１／２波長板からなる非相反部を配置した構成である（特開昭５６−１３７３２９号公報参照）。この構成は、各ポートにランダム偏光を入出射することで４ポート光サーキュレータとして機能する。光スイッチの場合には、ファラデー素子への印加磁界方向を電磁石により切り替えることができる可変ファラデー回転子を用いればよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の光サーキュレータあるいは光スイッチでは、全反射ミラーを含むために光路が複雑となる。ミラーの研磨精度、加工精度が低いと、大きなパワー損失が生じたりアイソレーション特性が劣化するため、ミラーには高い加工精度が求められ、光軸などの調整も非常に面倒である。
【０００６】
また、反射型偏光分離素子として誘電体多層膜による複合偏光ビームスプリッタを用いた従来タイプでは、本質的に高アイソレーション特性が得られない。主な原因の一つとして消光比不足（偏光分離能力の不足）が挙げられる。これは偏光分離素子の種類に依存するもので、誘電体多層膜による複合偏光ビームスプリッタにより分離した光は、透過すべきＰ偏光中にＳ偏光が漏れ込み、反射すべきＳ偏光にＰ偏光が漏れ込むため、消光比は２０ｄＢ程度にとどまるからである。
【０００７】
ところで光スイッチとしては、従来、２×２型までが一般的であり、それ以上の大規模なマトリクス光スイッチは実用化されていない。偏光分離素子として複屈折結晶を用いた光スイッチもあるが、多段化しようとすると偏光分離に長い距離を必要とし高価で大型化するほか、光軸調整が非常に困難となるなどの問題が生じる。
【０００８】
本発明の目的は、簡単な構成の光スイッチユニットを用いて実現できるＭ×Ｎ型のマトリクス光スイッチを提供することである。本発明の他の目的は、一体型の偏光分離膜アレイを用い、偏光分離膜の消光比不足に起因する漏れ光の遮断機能を付与することにより、低クロストーク特性を呈し、且つ光軸調整を容易にして製作しやすくしたマトリクス光スイッチを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、互いに平行の関係にある一対の偏光分離膜と、両偏光分離膜間に配置した可変偏波回転部を具備している光スイッチユニットを、Ｍ×Ｎ個（但し、Ｍ、Ｎは４以上の整数）のマトリクスに配列した構成であって、前記可変偏波回転部は、±４５度可変ファラデー回転子と１／２波長板とからなり、少なくとも前記マトリクスの一部は、偏光分離膜２層毎に不要光を遮断し且つ光学的に分離するための遮光体を設けた偏光分離膜アレイを複数個、可変偏波回転部を介して配列することにより形成されており、マトリクス外周の１辺に沿い偏光分離膜アレイの配列方向にＭ個の入力ポートを、またそれに隣接する１辺に沿いＮ個の出力ポートを配設しＭ×Ｎ型としたマトリクス光スイッチである。偏光ビームスプリッタとポートとの間に、それぞれ光路分離合成用複屈折素子とその一方の光路に挿入された１／２波長板からなる偏光制御部を配置し、該偏光制御部でランダム偏光をＰ偏光又はＳ偏光に変換し、あるいはＰ偏光又はＳ偏光をランダム偏光に戻すようにすると偏光無依存化できる。
【００１６】
このようなマトリクス光スイッチを構成するには、一体型の偏光分離膜アレイを用いるのがよい。偏光分離膜アレイは、断面形状が平行四辺形である柱状体が複数個偏光分離膜を介して接着され、更にその両端に断面形状が直角二等辺三角形である柱状体が偏光分離膜を介して接着されて全体が直方体状をなし、偏光分離膜２層毎に光学的に分離するための遮光体が設けられ、且つ少なくとも光の入出射面に反射防止膜が形成されている構成とする。偏光分離膜アレイを複数個、可変偏波回転部を介して配列することにより少なくともマトリクスの一部が形成できる。
【００１７】
【実施例】
図１は光サーキュレータの一例を示す説明図であり、Ａは偏光分離膜を互いに平行の関係に配置した例、Ｂは平行分離膜を互いに直交の関係に配置した例を示している。これらの４ポート光サーキュレータの本体部分は、偏光分離膜１０，１２が互いに平行又は直交の関係となるように設置した一対の偏光ビームスプリッタ１４，１６と、両偏光ビームスプリッタ間に配置した非相反部１８（４５度ファラデー回転子２０及び１／２波長板２２）とを具備している。ここで両方の偏光ビームスプリッタ１４，１６は、断面が直角二等辺三角形の柱状体を、間に偏光分離膜１０，１２を介して貼り合わせたような６面体形状である。偏光分離膜１０，１２は、例えば誘電体多層膜からなる。両方の偏光分離膜１０，１２と４５度ファラデー回転子２０と１／２波長板２２は１列に配列され、各偏光ビームスプリッタ１４，１６の隣接する２面に対向して入出力ポートが位置している。図示のようにポート１〜ポート４を設定する。４５度ファラデー回転子２０は、ファラデー素子（磁気光学結晶）と永久磁石などからなり、永久磁石によってファラデー素子に常に一定の飽和磁界が印加されて、入射する光の偏波面を４５度回転させる構成である。１／２波長板は、入射する光の偏波面をその光学軸に対して対称的に回転させる機能を有するから、ここでは入射する光の偏波面を丁度４５度回転させるような向きに光学軸が設定されている。
【００１８】
４５度ファラデー回転子による光の偏波面回転方向は進行方向に無依存であるのに対して１／２波長板のそれは進行方向に依存するため、それらを組み合わせた非相反部１８では光の偏波面方向が合計９０度回転してＰ偏光とＳ偏光とで入れ替わったり、合計０度回転するために不変であったりする。ここで非相反部１８は、例えば、順方向（図面左手側から右手側へ向かう方向を順方向とする）に進行するＰ偏光とＳ偏光に対してはその偏光状態を入れ替え、逆方向（図面右手側から左手側へ向かう方向を逆方向とする）に進行するＰ偏光とＳ偏光に対してはいずれの偏光状態にも変化が無いようにファラデー回転子の印加磁界方向を設定する。
【００１９】
両偏光ビームスプリッタ１４，１６と各入出力ポートとの間にそれぞれ偏光子２４，２５，２６，２７を配置し、各偏光ビームスプリッタ１４，１６に対向する２個の入出力ポートのうちの一方（ポート１とポート３）にはＳ偏光を、他方（ポート２とポート４）にはＰ偏光を入出力させる。従って、ポート１とポート３の偏光子２４，２６はＳ偏光を透過しＰ偏光をカットする方向に、ポート２とポート４の偏光子２５，２７はＰ偏光を透過しＳ偏光をカットする方向に、それぞれ偏光子の方向を定める。
【００２０】
しかし、通常は偏光ビームスプリッタの偏光分離能が低いため理想状態とはならず、透過ポートではＰ偏光の中に１／１０００程度のＳ偏光が、反射ポートにはＳ偏光中に２／１００程度のＰ偏光が混入することは避けられない。これを偏光毎に考えると、１００％Ｐ偏光入射時、Ｐ偏光の殆どは偏光分離膜を透過するが、ごく僅かがＰ偏光のまま反射してしまい、１００％Ｓ偏光入射時、Ｓ偏光の殆どは偏光分離膜により反射するが、ごく僅かがＳ偏光のまま透過してしまう。このごく僅か反射、又は透過してしまった偏光状態がそのままの光を、以下、「漏れ光」と呼んでいる。
【００２１】
ポート１から偏光子２４を通った入射Ｓ偏光は、偏光分離膜１０で反射し非相反部１８に向かう。偏光分離膜１０を透過してしまった漏れ成分（Ｓ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。非相反部１８に向かったＳ偏光は、４５度ファラデー回転子２０と１／２波長板２２とにより９０度の偏波面回転を受けてＰ偏光となり、偏光分離膜１２を透過し偏光子２７を通りポート４へと出射する。このようにして、ポート１からの入射光はポート４から出射する。なお偏光分離膜１２で反射したＰ偏光漏れ成分はポート３へ向かうが、偏光子２６によってカットされるため、高アイソレーション特性が得られる。
【００２２】
ポート４から偏光子２７を通った入射Ｐ偏光は、偏光分離膜１２を透過し、非相反部１８では偏波面の回転を受けずＰ偏光のままであり、偏光分離膜１０を透過し偏光子２５を通りポート２へと出射する。ポート２から偏光子２５を通った入射Ｐ偏光は、偏光分離膜１０を透過し、非相反部１８で９０度の偏波面回転を受けてＳ偏光となり、偏光分離膜１２で反射して偏光子２６を通りポート３へと出射する。ポート３から偏光子２６を通った入射Ｓ偏光は、偏光分離膜１２で反射し、非相反部１８では偏波面の回転を受けずＳ偏光のままであり、偏光分離膜１０で反射し偏光子２４を通りポート１へと出射する。つまり、ポート４からの入射光はポート２から出射し、ポート２からの入射光はポート３から出射し、ポート３からの入射光はポート１から出射する。いずれの方向についても、漏れ光は、ポートが存在しないか、あるいは偏光板によってカットされるため、高アイソレーション特性が得られる。従って、この構成によって、完全循環４ポート光サーキュレータとして動作することになる。
【００２３】
図１のＡのように偏光分離膜１０，１２を平行となる関係に配置した場合は、ポート１とポート３を互いに逆の方向に引き出すことができ、図１のＢのように偏光分離膜１０，１２を直交となる関係に配置した場合は、ポート１とポート３を同じ方向に引き出すことができる。機能及び性能は同じであるので、外部のファイバの引き回し状態に応じて使い分ければよい。
【００２４】
これらにおいて４５度ファラデー回転子の印加磁界方向を逆にすると、順方向に進行するＰ偏光とＳ偏光に対してはいずれの偏光状態にも変化が無く、逆方向に進行するＰ偏光とＳ偏光に対してはその偏光状態を入れ替える構成となる。その場合には、ポート１→ポート３→ポート２→ポート４→ポート１の完全循環４ポート光サーキュレータが得られる。
【００２５】
図２は光サーキュレータの他の例を示す説明図であり、偏光分離膜を互いに平行の関係に配置した例を示している。この４ポート光サーキュレータの本体部分は図１のＡと同様であってよいことから、説明を簡略化するために対応する部分には同一符号を付す。偏光分離膜１０，１２が互いに平行の関係に設置した一対の偏光ビームスプリッタ１４，１６と、両偏光ビームスプリッタ間に配置した非相反部１８（４５度ファラデー回転子２０及び１／２波長板２２）とを具備している。ここで非相反部１８は、順方向に進行するＰ偏光とＳ偏光に対してはその偏光状態を入れ替え、逆方向に進行するＰ偏光とＳ偏光に対してはいずれの偏光状態にも変化が無いようにファラデー回転子の印加磁界方向を設定している。
【００２６】
両側の偏光ビームスプリッタ１４，１６の２面に対向して入出力ポート（ポート１〜ポート４）を設け、偏光ビームスプリッタと入出力ポートとの間に、それぞれ偏光制御部３０，３１，３２，３３を配置する。偏光制御部３０は、光路分離合成用複屈折素子３４とその一方の光路に挿入される１／２波長板３５とからなる。他の偏光制御部３１，…，３３も同様の構成である。これら偏光制御部３０，…，３３は、ランダム偏光をＰ偏光又はＳ偏光に変換し、あるいはＰ偏光又はＳ偏光をランダム偏光に戻す機能を果たす。
【００２７】
ポート１から入射するランダム偏光は、偏光制御部３０の複屈折素子によってＰ偏光とＳ偏光に分離し、Ｐ偏光は１／２波長板によってＳ偏光に変換されて、両方ともＳ偏光に揃えられる。両方のＳ偏光は、偏光分離膜１０で反射し、非相反部１８に向かう。偏光分離膜１０を透過してしまった漏れ成分（Ｓ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。非相反部１８に向かったＳ偏光は、４５度ファラデー回転子２０と１／２波長板２２とにより９０度の偏波面回転を受けてＰ偏光となり、偏光分離膜１２を透過する。偏光制御部３３では、一方のＰ偏光は１／２波長板をバイパスし、他方のＰ偏光は１／２波長板によってＳ偏光に変換され、Ｓ偏光とＰ偏光は複屈折素子によって合成されランダム偏光となってポート４へと出射する。このようにしてポート１からの入射光はポート４から出射することになる。なお、偏光分離膜１２で反射したＰ偏光漏れ成分はポート３へ向かうが、偏光制御部３２において一方は１／２波長板によって偏波回転を受け、複屈折素子により信号光とは異なる光路をとるため結合することはなく、偏波無依存化と高アイソレーション特性が得られる。
【００２８】
ポート４から入射するランダム偏光は偏波制御部３３を通ってＰ偏光となり、偏光分離膜１２を透過し、非相反部１８では偏波面の回転を受けずＰ偏光のままであり、偏光分離膜１０を透過し偏波制御部３１を通りランダム偏光となってポート２へと出射する。ポート２から入射するランダム偏光は偏波制御部３１を通ってＰ偏光となり、偏光分離膜１０を透過し、非相反部１８で９０度の偏波面回転を受けてＳ偏光となり、偏光分離膜１２で反射して偏波制御部３２を通りランダム偏光となってポート３へと出射する。ポート３から入射するランダム偏光は偏波制御部３２を通ってＳ偏光となり、偏光分離膜１２で反射し、非相反部１８では偏波面の回転を受けずＳ偏光のままであり、偏光分離膜１０で反射し偏波制御部３０を通りランダム偏光となってポート１へと出射する。このようにしてポート１→ポート４→ポート２→ポート３→ポート１の偏波無依存の完全循環４ポート光サーキュレータとして動作し、いずれの方向についても結合するポートが無いか、あるいは偏波制御部によって漏れ光がカットされ、高アイソレーション特性が得られる。
【００２９】
なお、偏波制御部における偏波分離の方向には２通り考えられるが、偏光ビームスプリッタや非相反部などの配列面（紙面に平行な面）に対して平行な平面内で偏光分離を行うと、続いて配置するべき偏光ビームスプリッタを光路方向に大きくする必要が生じる。そこで、本実施例では、偏光分離方向をそれとは垂直な方向（紙面に垂直な面内）とし、偏光ビームスプリッタをそれに合致した寸法とすることで、偏光ビームスプリッタが大型化するのを抑制している。
【００３０】
ところでファラデー回転子による偏波回転角度は材料特性に起因する温度特性と波長特性があり、温度や波長が変化すると回転角度も変わる。回転角度が設計値からずれると直交偏光成分を持つことになり、アイソレーション特性の劣化につながる。そこで、温度特性、波長特性の符号が異なり、その絶対値の比に相当する光路長比のファラデー素子を複数個組み合わせることで、回転角度の温度依存、波長依存をなくすことができる。他方、１／２波長板は、見掛け上４５度の偏波回転を与えるが、実際には直交する偏光成分間の位相差が半波長ずれることにより回転しているように振る舞う。波長板の温度特性、波長特性はファラデー回転子とは異なり、位相差として与えられるため信号光の偏光状態が変わり、やはりアイソレーション特性が劣化する。従って、与えられる位相差の温度特性、波長特性の符号が異なる複数枚の位相板を組み合わせて用いることで位相差の温度特性、波長特性を無くすことができる。
【００３１】
図３は本発明で用いる光スイッチユニットの一例を示す説明図である。光スイッチユニット３８は、偏光分離膜４０，４２が互いに平行の関係となるように設置した一対の偏光ビームスプリッタ４４，４６と、両偏光ビームスプリッタ間に配置した可変偏波回転部４８（±４５度可変ファラデー回転子５０と１／２波長板５２）を具備している。ここで、両方の偏光ビームスプリッタ４４，４６は、断面が直角二等辺三角形の柱状体を、間に偏光分離膜４０，４２を介して貼り合わせたような６面体形状である。両方の偏光分離膜４０，４２と±４５度可変ファラデー回転子５０と１／２波長板５２は１列に配列され、一方の偏光ビームスプリッタ４４の隣接する２面に対向して入力側のポート１とポート２が、他方の偏光ビームスプリッタ４６の隣接する２面に対向して出力側のポート３とポート４が位置している。図示のようにポート１〜ポート４を設定する。±４５度可変ファラデー回転子５０は、ファラデー素子（磁気光学結晶）と電磁石からなり、電磁石への通電電流の向きを切り換えることで入力する光の偏波面を＋４５度あるいは−４５度回転させる構成である。１／２波長板５２は、入力する光の偏波面をその光学軸に対して対称的に回転させる機能を有するから、ここでは入射する光の偏波面を丁度４５度回転させるような向きに光学軸が設定されている。
【００３２】
このように±４５度可変ファラデー回転子５０による光の偏波面回転方向は、電磁石による印加磁界の方向によって決まるのに対して１／２波長板５２による光の偏波面回転方向は一定方向であるため、それらを組み合わせた可変偏波回転部４８では、電磁石への通電電流の向きによって、光の偏波面方向が合計で回転しなかったり９０度回転したりし、Ｐ偏光とＳ偏光とで入れ替わったり不変であったりする。
【００３３】
電磁石の通電電流の向きを可変偏波回転部４８における偏波面の回転角が０度となるように設定する。ポート１から入射したＳ偏光は、偏光分離膜４０で反射し、可変偏波回転部４８に向かう。偏光分離膜４０を透過してしまった漏れ成分（Ｓ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。可変偏波回転部４８に向かったＳ偏光は、可変偏波回転部４８により０度の偏波面回転を受けて（即ち、偏波面が回転せず）Ｓ偏光のままであり、偏光分離膜４２で反射してポート３へと出射する。ポート２から入射したＰ偏光は、偏光分離膜４０を透過し、可変偏波回転部４８に向かう。偏光分離膜４０で反射してしまった漏れ成分（Ｐ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。可変偏波回転部４８に向かったＰ偏光は、可変偏波回転部４８により０度の偏波面回転を受けて（即ち、偏波面が回転せず）Ｐ偏光のままであり、偏光分離膜４２を透過してポート４へと出射する。即ち、ポート１→ポート３及びポート２→ポート４の光路が成立する。
【００３４】
電磁石の通電電流の向きを逆にしてファラデー素子への印加磁界方向を反対にし、可変偏波回転部４８における偏波面の回転角が９０度となるように切り替える。ポート１から入射したＳ偏光は、偏光分離膜４０で反射し、可変偏波回転部４８に向かう。偏光分離膜４０を透過してしまった漏れ成分（Ｓ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。可変偏波回転部４８に向かったＳ偏光は、可変偏波回転部４８により９０度の偏波面回転を受けてＰ偏光となり、偏光分離膜４２を透過してポート４へと出射する。ポート２から入射したＰ偏光は、偏光分離膜４０を透過し、可変偏波回転部４８に向かう。偏光分離膜４０で反射してしまった漏れ成分（Ｐ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。可変偏波回転部４８に向かったＰ偏光は、可変偏波回転部４８により９０度の偏波面回転を受けてＳ偏光となり、偏光分離膜４２で反射してポート３へと出射する。即ち、ポート１→ポート４及びポート２→ポート３の光路が成立する。
【００３５】
従って、この光スイッチユニットは、電磁石への通電電流の切り替え動作によって、ポート１→ポート３及びポート２→ポート４という光路と、ポート１→ポート４及びポート２→ポート３という光路とに切り替えることができ、それ単独で２×２型光スイッチとして動作する。また入出力の幾何学的伝播方向と伝播する偏光状態が一致するために、多段化に適する基本ユニットとなりうる。
【００３６】
２×２型の光スイッチの構成例を図４に示す。これは、図３に示す光スイッチユニット３８の両偏光ビームスプリッタ４０，４２と各ポート（ポート１〜ポート４）との間に、それぞれ偏光制御部５４，５５，５６，５７を配置した構成である。偏光制御部５４は、光路分離合成用複屈折素子５８とその一方の光路に挿入された１／２波長板５９からなる。他の偏光制御部５５，…，５７も同様の構成である。これら偏光制御部５４，…，５７は、ランダム偏光をＰ偏光又はＳ偏光に変換し、あるいはＰ偏光又はＳ偏光をランダム偏光に戻す機能を果たす。
【００３７】
電磁石の通電電流の向きを可変偏波回転部４８における偏波面の回転角が０度となるように設定する。ポート１から入射するランダム偏光は、偏光制御部５４の複屈折素子５８によってＰ偏光とＳ偏光に分離し、１／２波長板５９によってＰ偏光がＳ偏光に変換されて、両方ともＳ偏光に揃えられる。両方のＳ偏光は偏光分離膜４０で反射し、可変偏波回転部４８に向かう。偏光分離膜４０を透過してしまった漏れ成分（Ｓ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。可変偏波回転部４８に向かったＳ偏光は０度の偏波面回転を受けるため（即ち、偏波面が回転せず）Ｓ偏光のままであり、偏光分離膜４２で反射し、偏光制御部４２では一方のＳ偏光は１／２波長板をバイパスし他方のＳ偏光は１／２波長板によってＰ偏光に変換され、Ｓ偏光とＰ偏光は複屈折素子によって合成されランダム偏光となってポート３へと出射する。このようにしてポート１からの入射光はポート３から出射することになる。なお、偏光分離膜４２を透過したＳ偏光漏れ成分はポート４へ向かうが、一方は偏光制御部５７の１／２波長板によって偏波回転を受け、複屈折素子により信号光とは異なる光路をとるため結合することはなく、低クロストーク特性が得られる。ポート２から入射したランダム偏光は、偏光制御部５５の複屈折素子によってＰ偏光とＳ偏光に分離し、１／２波長板によってＳ偏光がＰ偏光に変換されて、両方ともＰ偏光に揃えられる。両方のＰ偏光は、偏光分離膜４０を透過し、可変偏波回転部４８に向かう。偏光分離膜４０で反射してしまった漏れ成分（Ｐ偏光）は、その方向にはポートがないため何ら問題は生じない。可変偏波回転部４８に向かったＰ偏光は０度の偏波面回転を受けるため（即ち、偏波面が回転せず）Ｐ偏光のままであり、偏光分離膜４２を透過して、偏光制御部５７で一方のＰ偏光は１／２波長板によってＳ偏光に変換され、Ｐ偏光とＳ偏光は複屈折素子によって合成されランダム偏光となってポート４へと出射する。このようにしてポート２からの入射光はポート４から出射することになる。なお、偏光分離膜４２で反射したＰ偏光漏れ成分はポート３へ向かうが、偏光制御部５６で一方は１／２波長板によって偏波回転を受け、複屈折素子により信号光とは異なる光路をとるため結合することはなく、低クロストーク特性が得られる。
【００３８】
次に、電磁石の通電電流の向きを逆にして可変偏波回転部４８における偏波面の回転角が９０度となるように切り替える。ポート１から入射するランダム偏光は、偏光制御部５４によってＳ偏光に揃えられる。両方のＳ偏光は、偏光分離膜４０で反射し、可変偏波回転部４８に向かい９０度の偏波面回転を受けてＰ偏光となり、偏光分離膜４２を透過して、偏光制御部５７でランダム偏光となってポート４へと出射する。ポート２から入射したランダム偏光は、偏光制御部５５によってＰ偏光に揃えられる。両方のＰ偏光は、偏光分離膜４０を透過し、可変偏波回転部４８に向い９０度の偏波面回転を受けてＳ偏光となり、偏光分離膜４２で反射して、偏光制御部５６によってランダム偏光となってポート３へと出射する。このようにしてポート２からの入射光はポート３から出射することになる。これらの光路の場合も、不要偏波が除去される機能は、前記光路の場合と同様である。
【００３９】
図５は本発明に係るマトリクス光スイッチの一例を示す説明図である。原理的には、図３に示すような光スイッチユニット３８をＭ×Ｎ個（但し、Ｍ、Ｎのうちどちらか一方は１以上の整数、他方は２以上の整数：ここではＭ＝Ｎ＝４）のマトリクス（格子状）に配列し、光スイッチユニット間に遮光体５０を設け、マトリクスの隣接する２辺に沿ってそれぞれＭ個の入力ポートとＮ個の出力ポートを配設して構成する。ここでは各ポートに、光路分離合成用複屈折素子５２とその一方の光路に挿入された１／２波長板５４からなる偏光制御部５６を配置し、該偏光制御部５６でランダム偏光をＰ偏光又はＳ偏光に変換し、あるいはＰ偏光又はＳ偏光をランダム偏光に戻すようにして偏光無依存化している。
【００４０】
マトリクス光スイッチの製作には、図６のＢ、Ｃに示すような光遮断機能を有する偏光ビームスプリッタアレイ６０、６２を用いるのがよい。図６のＡに示すように、４枚の偏光分離膜６４をもつ一体型の偏光ビームスプリッタアレイ６６を複数用意する。ここでは、断面形状が平行四辺形である柱状体を３個、偏光分離膜６４を介して接着し、更にその両端に断面形状が直角二等辺三角形である柱状体を偏光分離膜６４を介して接着して、全体が直方体状をなしている構造である。そして、偏光分離膜２層毎に、中央１箇所（図６のＢ）及び両側２箇所（図６のＣ）に溝６８を形成し、該溝６８内に遮光体７０（例えば、通信波長に応じた赤外線吸収ガラスなど）を挿入したものである。寸法的には、偏光ビームスプリッタアレイ６６の幅ｌに対して偏光分離膜６４同士の間隔はｌ＋ｄ（ｄは溝の幅）とする。偏光ビームスプリッタアレイの高さ（紙面に垂直方向の長さ）は３ｄ程度、溝の深さは２ｄ程度とするのがよい。
【００４１】
図６のＢに示す偏光ビームスプリッタアレイ６０を３個と、図６のＣに示す偏光ビームスプリッタアレイ６２を２個と、偏光分離膜を順次１ずつ少なくした偏光ビームスプリッタアレイをそれぞれ２個ずつ作製し、各偏光ビームスプリッタアレイを一定間隔だけ離して並べ、間に±４５度可変ファラデー回転子７２と１／２波長板７４とからなる可変偏光回転部７６を配置する。各ポートに付設する偏波制御部５６は、光路分離合成用複屈折素子（ルチル単結晶）５２とその一方の光路に挿入された１／２波長板５４からなる。ルチルと１／２波長板の結晶軸方位は、入力ポートでは無偏波入射光がＰ偏光とＳ偏光とに偏光分離され、偏波制御部通過直後で両ビームの偏光面がＳ偏光となるように、また出力ポートではＰ偏光である２本のビームのうち片方がＳ偏光となり、更にそのＰ偏光とＳ偏光とが合成するように設定されている。
【００４２】
このような構成によって偏波無依存の４×４（Ｍ×Ｎ：ここではＭ＝Ｎ＝４）型のマトリクス光スイッチが得られる。入力ポート１から入射したランダム偏光は、それぞれの可変偏波回転部による偏波面回転角によって出力ポート１〜出力ポート４のいずれかにランダム偏光として結合する。入力ポート２〜入力ポート４についても同様である。試作結果によれば−４５ｄＢの遮断特性が得られた。
【００４３】
ところで、空間伝播型のマトリクス光スイッチを構成する場合、入力ポートから出力ポートへの異なる全ての光路に対して軸ずれ、角度ずれをできるだけ起こさないように製作する必要がある。本実施例では偏光ビームスプリッタアレイを用いることで、光学的な軸調整をできるだけ減らしている。また、多段構成のマトリクス光スイッチを作製する場合、ある光スイッチユニットの外に逃がした漏れ光が別の光スイッチユニットに漏れ込むとマトリクス光スイッチ全体としての遮断特性が不足する。本実施例では遮光体を設けることで、ある光スイッチユニットの外に逃がした漏れ光は遮光体で吸収されるため、別の光スイッチユニットに漏れ込むのを防止することができる。溝側面を粗面としておけば、漏れ光は無秩序な方向に散乱されてしまうために、漏れ光が最終的に出力ポートに結合するのを防止できる。溝の形成方向を傾けておくと（例えば１０度程度）、溝及び遮光体を通過した後の漏れ光の光路は元の光路と平行にはならないために、漏れ光が最終的に出力ポートに結合するのを防止できる。従って、溝側面を粗面にしたり、溝の形成方向を傾けることも有効である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、互いに平行の関係にある一対の偏光分離膜と、両偏光分離膜間に配置した可変偏波回転部を具備している簡単な構成の光スイッチユニットを用いているため、Ｍ×Ｎ型のマトリクス光スイッチが実現できる。偏光分離膜の消光比不足に起因する漏れ光は、遮光体や偏光子で遮断されるために、多段化しても他の光スイッチユニットに悪影響を及ぼす恐れは生じない。特に、多数の偏光分離膜をアレイ化しておくことで、マトリクス光スイッチ製造時の光軸調整などの手間を減らすことができる利点が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光サーキュレータの一例を示す説明図。
【図２】 光サーキュレータの他の例を示す説明図。
【図３】 本発明で用いる光スイッチユニットの一例を示す説明図。
【図４】 光スイッチの一例を示す説明図。
【図５】 本発明に係るマトリクス光スイッチの一実施例を示す説明図。
【図６】 それに用いる偏光ビームスプリッタアレイの一例を示す説明図。

Claims (4)

1. 互いに平行の関係にある一対の偏光分離膜と、両偏光分離膜間に配置した可変偏波回転部を具備している光スイッチユニットを、Ｍ×Ｎ個（但し、Ｍ、Ｎは４以上の整数）のマトリクスに配列した構成であって、前記可変偏波回転部は、±４５度可変ファラデー回転子と１／２波長板とからなり、少なくとも前記マトリクスの一部は、偏光分離膜２層毎に不要光を遮断し且つ光学的に分離するための遮光体を設けた偏光分離膜アレイを複数個、可変偏波回転部を介して配列することにより形成されており、マトリクス外周の１辺に沿い偏光分離膜アレイの配列方向にＭ個の入力ポートを、またそれに隣接する１辺に沿いＮ個の出力ポートを配設しＭ×Ｎ型としたマトリクス光スイッチ。
2. １／２波長板は、位相差の温度特性と波長特性とを互いに打ち消し合う２枚の１／４波長板の組み合わせからなり、±４５度可変ファラデー回転子は、ファラデー回転角の温度特性と波長特性とを互いに打ち消し合う２枚の２２．５度ファラデー素子を組み合わせて構成されている請求項１記載のマトリクス光スイッチ。
3. 偏光ビームスプリッタとポートとの間に、それぞれ光路分離合成用複屈折素子とその一方の光路に挿入された１／２波長板からなる偏光制御部を配置し、該偏光制御部でランダム偏光をＰ偏光又はＳ偏光に変換し、あるいはＰ偏光又はＳ偏光をランダム偏光に戻すようにして偏光無依存化した請求項１又は２記載のマトリクス光スイッチ。
4. 偏光分離膜アレイは、断面形状が平行四辺形である柱状体が複数個偏光分離膜を介して接着され、更にその両端に断面形状が直角二等辺三角形である柱状体が偏光分離膜を介して接着されて全体が直方体状をなし、偏光分離膜２層毎に遮光体が設けられ、且つ少なくとも光の入出射面に反射防止膜を形成した構造をなしている請求項３記載のマトリクス光スイッチ。

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