JPWO2016175071A1 - 光ビーム偏向素子およびそれを用いた波長選択クロスコネクト装置、光クロスコネクト装置 - Google Patents
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Abstract
従来の光スイッチングエンジン技術では、（i）プログラム的にスイッチする領域を変化でき、（ii）波長依存性損失を生じず、（iii）Walk-offが小さく、また（iv）小さい光ビームから大きな光ビームまで使用できる汎用性のある多ポート用光スイッチングエンジンを作製するのは困難だった。透過型の可変半波長液晶プレートを矩形状の極めて小さなピクセルに分割してX、Y軸方向にそれぞれ多数のN個, M個マトリクス状として配列して形成したNxM透過型複屈折変調器の上に、光の波長幅に応じて周期ΛがX’軸方向（複屈折軸が回転している方向）に変化する偏光グレーティングを平行に装荷した光ビーム偏向素子を作製した。
Description
本特許は、次世代の光通信システムに必要となるROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing)用のスイッチングエンジンとして用いられる。
図１は、メッシュネットワークにおける、あるROADMノード装置の一構成例を示している。
一般に光ネットワークにおいては、光ファイバの断線や伝送装置の障害が生じても、光通信が断絶しないように、光ファイバはペア光ファイバ１による二重化が施されている。
例えば、１＋１プロテクションと呼ばれる方式では、ペア光ファイバ１の一方はWest→Eastへ、他方はEast→Westへ同時伝送され、メインの光ファイバ（West→East）が断線した場合は、瞬時に他方の光信号（East→West）に切り替えることで障害を回避している。
本ノードは３つの方向のペア光ファイバ１を持つ構成であり（３Degreeと言われる）、すなわち、West 、East 、North 方向に位置する３つの各ノードへ向かってペア光ファイバ１がそれぞれ敷設されている。
以下、本ノードの動作について説明する。本ノードはExpress Traffic装置２とAdd/Drop Traffic装置３より構成されている。
今、West→ Eastに伝送されているペア光ファイバ１の光ファイバには、約１００波程度の波長信号が多重化されており、1xN WSS(Wavelength Selective Switch)を用いて分波される。1xN WSSの出力ポートのうち、２つはそれぞれEastとNorthに向かい、対向するように配置されている１xN WSSに接続される。残りの出力ポートはAdd/Drop Traffic装置３にある２つのトランスポンダーバンク（トランスポンダーバンク＃A４、トランスポンダーバンク＃B５）に接続される。
これにより任意の波長の光信号を取り出したり、新たな波長の光信号を挿入したりすることができる。
一般に光ネットワークにおいては、光ファイバの断線や伝送装置の障害が生じても、光通信が断絶しないように、光ファイバはペア光ファイバ１による二重化が施されている。
例えば、１＋１プロテクションと呼ばれる方式では、ペア光ファイバ１の一方はWest→Eastへ、他方はEast→Westへ同時伝送され、メインの光ファイバ（West→East）が断線した場合は、瞬時に他方の光信号（East→West）に切り替えることで障害を回避している。
本ノードは３つの方向のペア光ファイバ１を持つ構成であり（３Degreeと言われる）、すなわち、West 、East 、North 方向に位置する３つの各ノードへ向かってペア光ファイバ１がそれぞれ敷設されている。
以下、本ノードの動作について説明する。本ノードはExpress Traffic装置２とAdd/Drop Traffic装置３より構成されている。
今、West→ Eastに伝送されているペア光ファイバ１の光ファイバには、約１００波程度の波長信号が多重化されており、1xN WSS(Wavelength Selective Switch)を用いて分波される。1xN WSSの出力ポートのうち、２つはそれぞれEastとNorthに向かい、対向するように配置されている１xN WSSに接続される。残りの出力ポートはAdd/Drop Traffic装置３にある２つのトランスポンダーバンク（トランスポンダーバンク＃A４、トランスポンダーバンク＃B５）に接続される。
これにより任意の波長の光信号を取り出したり、新たな波長の光信号を挿入したりすることができる。
このように、Express Traffic装置２では、1xN WSS装置を対向して配置し、それらのポートを接続している。
今後の光ネットワークの進展に伴い、degree数は増加する傾向にあり、多くの1xN WSSが必要になる。
また、Degreeを増設する場合、新たに1xN WSSを配置し、既存の1xN WSS間の光パッチファイバーは人手を介して接続することが必要となる。
今後の光ネットワークの進展に伴い、degree数は増加する傾向にあり、多くの1xN WSSが必要になる。
また、Degreeを増設する場合、新たに1xN WSSを配置し、既存の1xN WSS間の光パッチファイバーは人手を介して接続することが必要となる。
図２にAdd/Drop Traffic装置の構成の一例を示す。
本例では、便宜上トランスポンダーバンクは受信機（RX）バンク２１と送信機（TX）バンク２２に分けているが、実際は各TXとRXが一緒になったトランスポンダーのバンクから構成されている。
先ず、受信機バンク２１から説明する。
Express Traffic装置１からの光信号（多重化された波長信号）は光アンプ２３で増幅された後１ｘ８光スプリッター２４で８分岐され、各受信機（RX）に接続された１ｘ８光スイッチ２５に入力される。
１ｘ８光スイッチ２５では、各degreeから来る光信号の内から、１つのdegreeを選択し、さらに波長可変フィルタ２６を用いて、多重化された光信号の中から一波長を取り出す方式となっている。
一方、送信機（TX）バンク２２においては、送信機（TX）からの光信号は１ｘ８光スイッチ２５を用いて所望のdegreeに送信する。
このように、各degreeと各受信機（RX）と各送信機（TX）をmulticast and selectという方式でクロスコネクトする構成になっている。
なお、受信機（RX）は波長可変フィルタ２６を含むため波長クロスコネクト構成であり、送信機（TX）は波長可変フィルタ２６を含まないため単なる光クロスコネクト構成と等価である。
本例では、便宜上トランスポンダーバンクは受信機（RX）バンク２１と送信機（TX）バンク２２に分けているが、実際は各TXとRXが一緒になったトランスポンダーのバンクから構成されている。
先ず、受信機バンク２１から説明する。
Express Traffic装置１からの光信号（多重化された波長信号）は光アンプ２３で増幅された後１ｘ８光スプリッター２４で８分岐され、各受信機（RX）に接続された１ｘ８光スイッチ２５に入力される。
１ｘ８光スイッチ２５では、各degreeから来る光信号の内から、１つのdegreeを選択し、さらに波長可変フィルタ２６を用いて、多重化された光信号の中から一波長を取り出す方式となっている。
一方、送信機（TX）バンク２２においては、送信機（TX）からの光信号は１ｘ８光スイッチ２５を用いて所望のdegreeに送信する。
このように、各degreeと各受信機（RX）と各送信機（TX）をmulticast and selectという方式でクロスコネクトする構成になっている。
なお、受信機（RX）は波長可変フィルタ２６を含むため波長クロスコネクト構成であり、送信機（TX）は波長可変フィルタ２６を含まないため単なる光クロスコネクト構成と等価である。
本例では、８台の受信機（RX）と８台の送信機（TX）をクロスコネクトする方式であるが、この数はほぼ光アンプの増幅性能で決定されている。
一般に光ファイバ１本あたり数十波〜100波程度の光信号が多重化されている。
従って３degreeの場合、二重化を考慮すると、全部で最大600波程度の光信号が存在することになる。
このうちノードで分岐挿入する光信号数を５０％と仮定すると、約３００波長の光信号をトランスポンダーバンクでハンドリングする必要がある。
一般に光ファイバ１本あたり数十波〜100波程度の光信号が多重化されている。
従って３degreeの場合、二重化を考慮すると、全部で最大600波程度の光信号が存在することになる。
このうちノードで分岐挿入する光信号数を５０％と仮定すると、約３００波長の光信号をトランスポンダーバンクでハンドリングする必要がある。
本例では、１つのトランスポンダーバンクの受信機（RX）および送信機（TX）が８台であるため、トランスポンダーバンクあたり８波しかハンドリングできないことになる。
３００波長の光信号をすべて扱うためには、３８台のトランスポンダーバンクが必要になり、装置の大型化や煩雑さが増加する。
また、高価な光アンプ２３や多くの１ｘ８光スイッチ２５や１ｘ８光スプリッター２４、さらには光フィルタ２６の部品が必要となり、全体として装置の大型化やコストが高くなるという問題があった。
３００波長の光信号をすべて扱うためには、３８台のトランスポンダーバンクが必要になり、装置の大型化や煩雑さが増加する。
また、高価な光アンプ２３や多くの１ｘ８光スイッチ２５や１ｘ８光スプリッター２４、さらには光フィルタ２６の部品が必要となり、全体として装置の大型化やコストが高くなるという問題があった。
このため、図３に示すNxM波長クロスコネクト（WXC）装置や図５に示す光クロスコネクト（OXC）装置が提案されている。
先ず、図３のNxM波長クロスコネクト（WXC）装置から説明する（非特許文献１）。
図３(a)は上面図、図３(b)は側面図である。
一方向に配列された入力ポート３４と出力ポート３５、レンズ３３、グレーティング３２、スイッチングエンジン３１およびフーリエレンズ３６から構成され、２つのスイッチングエンジン３１（この場合はLiquid Crystal on Silicon(LCOS）)を用いて、波長毎に光信号をクロスコネクトする。
この例は複雑であるが、スイッチする面（図３(a)）においては、２つのスイッチングエンジン３１の間の光学系は基本的にフーリエ光学系であり、ハンドリングできるポート数Mは（３）式で与えられる。
先ず、図３のNxM波長クロスコネクト（WXC）装置から説明する（非特許文献１）。
図３(a)は上面図、図３(b)は側面図である。
一方向に配列された入力ポート３４と出力ポート３５、レンズ３３、グレーティング３２、スイッチングエンジン３１およびフーリエレンズ３６から構成され、２つのスイッチングエンジン３１（この場合はLiquid Crystal on Silicon(LCOS）)を用いて、波長毎に光信号をクロスコネクトする。
この例は複雑であるが、スイッチする面（図３(a)）においては、２つのスイッチングエンジン３１の間の光学系は基本的にフーリエ光学系であり、ハンドリングできるポート数Mは（３）式で与えられる。
ここで、fはフーリエ光学系の等価的な焦点距離、Δθは光ビームの偏向角、aはフィルファクター（a=R/w、ここでRはLCOS上の光ビームの半分のピッチ、wはLCOS上の光ビームのスポット半径である ）、λは波長である。
なお、aは1.5〜2.0程度である。
従来技術で用いられているスイッチングエンジンであるLCOS（Liquid Crystal On Silicon）を図４(a)に示す。
このLCOSは、電子回路基板４１上に形成された金属電極４２と上部のガラス基板４３下面に形成された透明電極４４間に液晶４５を挿入し、各金属電極４２に電圧を印加させることで複屈折をもつ液晶４５の分子を回転させ、階段型のパターンの屈折率分布を与える。
これにより入射する光の位相を制御することで光ビームを偏向する。
図４(c)は、LCOSのピクセル(各金属電極４２に対応)Blaze period N（0〜2πとなる１周期のピクセル数）と損失の関係を示す。
Nが５程度以下になると、損失が急激に増加する。一方、LCOSの偏向角は（４）式によってあらわされる。
なお、aは1.5〜2.0程度である。
従来技術で用いられているスイッチングエンジンであるLCOS（Liquid Crystal On Silicon）を図４(a)に示す。
このLCOSは、電子回路基板４１上に形成された金属電極４２と上部のガラス基板４３下面に形成された透明電極４４間に液晶４５を挿入し、各金属電極４２に電圧を印加させることで複屈折をもつ液晶４５の分子を回転させ、階段型のパターンの屈折率分布を与える。
これにより入射する光の位相を制御することで光ビームを偏向する。
図４(c)は、LCOSのピクセル(各金属電極４２に対応)Blaze period N（0〜2πとなる１周期のピクセル数）と損失の関係を示す。
Nが５程度以下になると、損失が急激に増加する。一方、LCOSの偏向角は（４）式によってあらわされる。
ここで、θは偏向角、λは波長、NはBlaze period、Δはピクセルピッチである。
図４(c)から、低損失で光ビームを偏向させるためには、N=5程度以上必要であることを考えると、大きな偏向を得るためには、ピクセルピッチΔを小さくする必要がある。
しかしピクセルピッチΔ、すなわち金属電極４２のピッチを狭くすると、図４(b)に示すように電界の回り込み（フリンジング効果）により、損失が急激に劣化する。
このため、現状では、ピクセルピッチΔは8μm程度である。（４）式より偏向角θは、２°程度と小さく、偏向角θを大きくできない。
図４(c)から、低損失で光ビームを偏向させるためには、N=5程度以上必要であることを考えると、大きな偏向を得るためには、ピクセルピッチΔを小さくする必要がある。
しかしピクセルピッチΔ、すなわち金属電極４２のピッチを狭くすると、図４(b)に示すように電界の回り込み（フリンジング効果）により、損失が急激に劣化する。
このため、現状では、ピクセルピッチΔは8μm程度である。（４）式より偏向角θは、２°程度と小さく、偏向角θを大きくできない。
図５（a)は、従来の光クロスコネクト（OXC）装置の一例である（非特許文献２）。
この例では、２次元のMEMSミラーを用いて２次元で光ビームの偏向を制御している。
光ファイバアレイ５１、コリメートするマイクロレンズアレイ５２、二次元MEMSミラー５３から構成される。
２つの二次元MEMSミラー５３のミラー角度を調整して入力ポートと出力ポート間の光ビームを光クロスコネクトする。
ハンドリングできるポート数は、（５）式で与えられる。
この例では、２次元のMEMSミラーを用いて２次元で光ビームの偏向を制御している。
光ファイバアレイ５１、コリメートするマイクロレンズアレイ５２、二次元MEMSミラー５３から構成される。
２つの二次元MEMSミラー５３のミラー角度を調整して入力ポートと出力ポート間の光ビームを光クロスコネクトする。
ハンドリングできるポート数は、（５）式で与えられる。
ここで、fはフーリエ光学系の焦点距離、Δθは光ビームの偏向角、aはフィルファクター（a=R/w、ここでRはMEMSミラーの半径、wはMEMSミラー上の光ビームのスポット半径である）、λは波長である。
なお、aは1.5〜2.0程度である。
図５(b)にMEMSミラーの一例として断面構造を示す。階段状に形成された駆動電極５５に電圧を印加することでミラー５４がヒンジ５６を中心に傾斜する。
角度を大きくするとミラー５４が戻らなくなるPull-inを引き起こすため傾斜角度は±１°程度となり、本MEMSミラーの偏向角は傾斜角度の２倍程度の約±２°である。
なお、aは1.5〜2.0程度である。
図５(b)にMEMSミラーの一例として断面構造を示す。階段状に形成された駆動電極５５に電圧を印加することでミラー５４がヒンジ５６を中心に傾斜する。
角度を大きくするとミラー５４が戻らなくなるPull-inを引き起こすため傾斜角度は±１°程度となり、本MEMSミラーの偏向角は傾斜角度の２倍程度の約±２°である。
以上より、従来技術のLCOSやMEMSミラーによる偏向角は高々数度であり、波長クロスコネクト装置のポート数を表す（３）式で見積もると高々,十数ポート程度となり、ポート数を増加する場合は、極めて大きな寸法（fの増加）となる。
また光クロスコネクト装置のポート数を表す（５）式の場合も、２次元のMEMSミラーを使用した場合でも、２５６ｘ２５６のポート規模を実現するためには、約１ｍ程度の焦点距離が必要になり装置の大型化と共に、光ビームのスポットが回折して大きくなるためスイッチングエンジンのサイズの増大を招き、高コスト化となる。
また光クロスコネクト装置のポート数を表す（５）式の場合も、２次元のMEMSミラーを使用した場合でも、２５６ｘ２５６のポート規模を実現するためには、約１ｍ程度の焦点距離が必要になり装置の大型化と共に、光ビームのスポットが回折して大きくなるためスイッチングエンジンのサイズの増大を招き、高コスト化となる。
偏向角を大きくとれるステアリング素子として、液晶の半波長プレートとポリマーの偏光グレーティングを積層したものが報告されている（特許文献１）。
図６にその一例を示す。本スイッチングエンジンは、液晶の半波長プレート６１とポリマーの偏光グレーティング６２を積層したものである。
偏光グレーティング６２とは図７に示すように、膜面内（x-y面）に配列して複屈折分子の方向が、x軸方向に周期Λで変化しているものである。
偏光グレーティング６２を通過後の円偏光状態は、入射する前と逆転した円偏光状態となる（右回りは左周り、左周りは右回りに変化する）。
この膜に垂直（z軸方向）に入射する光は、円偏光の右回り、左周りかに依存して、左右に（＋X方向、−X方向）偏向する。偏向角は、次式によって与えられる。
図６にその一例を示す。本スイッチングエンジンは、液晶の半波長プレート６１とポリマーの偏光グレーティング６２を積層したものである。
偏光グレーティング６２とは図７に示すように、膜面内（x-y面）に配列して複屈折分子の方向が、x軸方向に周期Λで変化しているものである。
偏光グレーティング６２を通過後の円偏光状態は、入射する前と逆転した円偏光状態となる（右回りは左周り、左周りは右回りに変化する）。
この膜に垂直（z軸方向）に入射する光は、円偏光の右回り、左周りかに依存して、左右に（＋X方向、−X方向）偏向する。偏向角は、次式によって与えられる。
ここで、λは波長、Λは偏光グレーティング６２の周期、θinは入射角度、θは出射偏光角度、ｍは次数であり偏光角度に応じた±１の値をとる。
偏光グレーティング６２には、液晶型とポリマー型の２つがあり、ポリマー型はパッシブエレメントであり、液晶型は電圧を変化することで、偏光グレーティングを消したり、偏光グレーティングを再現させたりすることができる。
偏光グレーティング６２には、液晶型とポリマー型の２つがあり、ポリマー型はパッシブエレメントであり、液晶型は電圧を変化することで、偏光グレーティングを消したり、偏光グレーティングを再現させたりすることができる。
図６に戻って説明する。
ここでは、パッシブ型の偏光グレーティング６２を用いている。
(a)は全体図を、(b)は動作図が示されている。
入射する光の円偏光の向き（右回りか、あるいは、左周りか）変化させることで、１段毎に１ｘ２のスイッチを行う方式である。
積層させることで多くスイッチング角度を実現でき、例えばN枚積層数すると、２Nの角度を実現できる。
また、積層する偏光グレーティング６２の周期を変えることで最大偏向できる角度も制御できる。
しかし、この従来例では、液晶の半波長プレート６１は１つのあるいは多くの電極を含んでも良いと、記述されているが、本方式をNxNの波長クロスコネクト装置やNxN光クロスコネクト装置に適用する場合、下記の問題が生じ実用システムへの導入が困難である。
ここでは、パッシブ型の偏光グレーティング６２を用いている。
(a)は全体図を、(b)は動作図が示されている。
入射する光の円偏光の向き（右回りか、あるいは、左周りか）変化させることで、１段毎に１ｘ２のスイッチを行う方式である。
積層させることで多くスイッチング角度を実現でき、例えばN枚積層数すると、２Nの角度を実現できる。
また、積層する偏光グレーティング６２の周期を変えることで最大偏向できる角度も制御できる。
しかし、この従来例では、液晶の半波長プレート６１は１つのあるいは多くの電極を含んでも良いと、記述されているが、本方式をNxNの波長クロスコネクト装置やNxN光クロスコネクト装置に適用する場合、下記の問題が生じ実用システムへの導入が困難である。
（１）NxNの波長クロスコネクト装置の場合
（ｉ）従来例では１つの光ビームを偏向させている場合を報告しているが、本方式をNxNの波長クロスコネクト装置に適用する場合、多くの入力ポートから入射された（例えば１００ポート）、多くの波長の異なった光（例えば１００波長）をそれぞれ独立にスイッチングする必要がある。また、多くの波長の異なった光は、その波長数と波長幅が時間的に変化するためプログラム的にスイッチする領域を変化させる必要がある。
（ｉｉ）NxN波長クロスコネクト装置の場合、本スイッチングエンジンには、上で述べたように種々の波長の光が入射し、それらを波長毎にスイッチする必要がある。しかし、従来方法では、x軸方向に周期Λが一定であるため、波長毎に偏光角が異なり、波長依存性損失を生じることになる。
（ｉｉｉ）本方法は１段毎に１ｘ２のスイッチをタンデムに行う方式である。スイッチングの角度はアナログ的ではなく２p（pは積層数）で変化する。この方式を多くのポートにスイッチするためには、pの数を増やす必要があるが、各液晶の半波長プレートの厚さにより最終的な面では、各光ビームの出発点がばらけ（Walk-off）てしまう。このWalk-offは、波長クロスコネクト装置においては、本来平行となるべき各ビームがそれぞれ異なった角度を持つことになり損失が大幅に増加する。
（ｉｖ）種々の大きさの光ビーム、かつ種々の光ビーム数を１つのスイッチングエンジンで実現することが困難であり、汎用性のあるスイッチングエンジンを実現することはできない。
（ｉ）従来例では１つの光ビームを偏向させている場合を報告しているが、本方式をNxNの波長クロスコネクト装置に適用する場合、多くの入力ポートから入射された（例えば１００ポート）、多くの波長の異なった光（例えば１００波長）をそれぞれ独立にスイッチングする必要がある。また、多くの波長の異なった光は、その波長数と波長幅が時間的に変化するためプログラム的にスイッチする領域を変化させる必要がある。
（ｉｉ）NxN波長クロスコネクト装置の場合、本スイッチングエンジンには、上で述べたように種々の波長の光が入射し、それらを波長毎にスイッチする必要がある。しかし、従来方法では、x軸方向に周期Λが一定であるため、波長毎に偏光角が異なり、波長依存性損失を生じることになる。
（ｉｉｉ）本方法は１段毎に１ｘ２のスイッチをタンデムに行う方式である。スイッチングの角度はアナログ的ではなく２p（pは積層数）で変化する。この方式を多くのポートにスイッチするためには、pの数を増やす必要があるが、各液晶の半波長プレートの厚さにより最終的な面では、各光ビームの出発点がばらけ（Walk-off）てしまう。このWalk-offは、波長クロスコネクト装置においては、本来平行となるべき各ビームがそれぞれ異なった角度を持つことになり損失が大幅に増加する。
（ｉｖ）種々の大きさの光ビーム、かつ種々の光ビーム数を１つのスイッチングエンジンで実現することが困難であり、汎用性のあるスイッチングエンジンを実現することはできない。
（２）NxN光クロスコネクト装置に適用する場合
（ｉ）本方法は１段毎に１ｘ２のスイッチをタンデムに行う方式である。スイッチングの角度はアナログ的ではなく２N（Nは積層数）で変化する。この方式を多くのポートにスイッチするためには、Nの数を増やす必要があるが、各液晶の半波長プレートの厚さにより最終的な面では、各光ビームの出発点がばらけて（Walk-off）しまう。このWalk-offは、光クロスコネクト装置においては、本来平行となるべき各ビームがそれぞれ異なった角度を持つことになり損失が大幅に増加する。
（ｉｉ）種々の大きさの光ビーム、かつ種々の光ビーム数を１つのスイッチングエンジンで実現することが困難であり、汎用性のあるスイッチングエンジンを実現することはできない。
（ｉ）本方法は１段毎に１ｘ２のスイッチをタンデムに行う方式である。スイッチングの角度はアナログ的ではなく２N（Nは積層数）で変化する。この方式を多くのポートにスイッチするためには、Nの数を増やす必要があるが、各液晶の半波長プレートの厚さにより最終的な面では、各光ビームの出発点がばらけて（Walk-off）しまう。このWalk-offは、光クロスコネクト装置においては、本来平行となるべき各ビームがそれぞれ異なった角度を持つことになり損失が大幅に増加する。
（ｉｉ）種々の大きさの光ビーム、かつ種々の光ビーム数を１つのスイッチングエンジンで実現することが困難であり、汎用性のあるスイッチングエンジンを実現することはできない。
"NxM Wavelength Selective Crossconnect with Flexible Passbands; Nicolas K. Fontaine, Roland Ryf, David T. Neilson, PdP5B.2 OFC/NFOEC Postdeadline Papers, 2012
"光スイッチ用MEMSチルトミラーアレイ"NTT技術ジャーナル、2007年7月、p24-p27
従来のスイッチングエンジンでは、困難であった（i）プログラム的にスイッチする領域を変化でき、（ii）波長依存性損失を生じず、（iii）Walk-offが小さく、また（iv）小さい光ビームから大きな光ビームまで使用できる汎用性のある多ポート用スイッチングエンジンを提供することにある。
本発明の手段は、図６に示した従来技術である透過型の可変半波長液晶プレートを矩形状の極めて小さなピクセルに分割してX、Y軸方向にそれぞれ多数のN個, M個マトリクス状として配列して形成したNxM透過型複屈折変調器を用い、その上に、用いる波長幅に応じて周期ΛがX’軸方向（複屈折軸が回転している方向）に変化する偏光グレーティングを装荷したことにある。
装荷するにあたり、偏光グレーティングの複屈折軸が回転しているX’軸を前記NxM透過型複屈折変調器のX軸あるいはY軸とほぼ平行となるように装荷する。
こうして作製した一対のNxM透過型複屈折変調器と偏光グレーティングを、光の伝搬するZ方向から見てピクセルが重なるように数層、高精度に積層したことにある。
こうして作製した一対のNxM透過型複屈折変調器と偏光グレーティングを、光の伝搬するZ方向から見てピクセルが重なるように数層、高精度に積層したことにある。
また、Walk-offを小さくするため、NxM透過型複屈折変調器の材料として屈折率が大きく、光通信の波長領域で透明な材料であるSiあるいはGeを基板として用いたことにある。
これ以外の材料として従来例ではガラスが一例として用いられているが、Walk-offが大きくなり、用途が限定される。
さらに、本特許においては、前記したピクセルの寸法を使用する光ビームのスポットサイズより小さくし、２個以上のピクセルをグループ化し、あたかも一つのエレメントのようにして、１つの光ビームを偏向したことにある。
これにより、多くのスポットサイズに対応でき汎用性のあるスイッチングエンジンを実現できる。
これ以外の材料として従来例ではガラスが一例として用いられているが、Walk-offが大きくなり、用途が限定される。
さらに、本特許においては、前記したピクセルの寸法を使用する光ビームのスポットサイズより小さくし、２個以上のピクセルをグループ化し、あたかも一つのエレメントのようにして、１つの光ビームを偏向したことにある。
これにより、多くのスポットサイズに対応でき汎用性のあるスイッチングエンジンを実現できる。
本特許は具体的には次の手段を提供できる。
（１）
Si基板あるいはGe基板上に電子回路９１と透明電極９５からなるほぼ矩形状のピクセル９０を直交したX、Y軸方向にそれぞれN個,M個マトリクス状に形成した基板A９３と、
Si基板あるいはGe基板上に一面に透明電極９４が形成された基板B９６との間に複屈折をもつ液晶９２を挿入して構成したアクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に、
直交２軸（X’軸、Y’軸）から構成され波長に応じた漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）で一軸X’軸方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング８２を、
X軸とX’軸あるいはY軸とX’軸がほぼ平行となるように装荷したことを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（２）
その背面から光が入射する１/４波長フィルム１１１の表面と、
その背面から光が出射する１/４波長フィルム１１１の表面との間に、
Si基板あるいはGe基板の表面にX軸方向にライン状の電極をN個配置し、
Si基板あるいはGe基板の表面に前記X軸方向と直交するY軸方向にライン状の電極をM個配置し、
その間に強誘電性液晶１０２を挿入してその２つのライン状の電極によりMxN個の交差点（以下ピクセルと呼ぶ）を構成し、
前記ピクセルの電極の操作により半波長板として動作するパッシブマトリクス型NxM透過型複屈折変調器８１に配置し、
さらに前記光が出射する１/４波長フィルム１１１の表面側に、直交２軸（X’軸、Y’軸）から構成され波長に応じた漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）で一軸（X’軸）方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング８２を、X軸とX’軸あるいはY軸とX’軸がほぼ平行となるように装荷したことを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（１）
Si基板あるいはGe基板上に電子回路９１と透明電極９５からなるほぼ矩形状のピクセル９０を直交したX、Y軸方向にそれぞれN個,M個マトリクス状に形成した基板A９３と、
Si基板あるいはGe基板上に一面に透明電極９４が形成された基板B９６との間に複屈折をもつ液晶９２を挿入して構成したアクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に、
直交２軸（X’軸、Y’軸）から構成され波長に応じた漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）で一軸X’軸方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング８２を、
X軸とX’軸あるいはY軸とX’軸がほぼ平行となるように装荷したことを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（２）
その背面から光が入射する１/４波長フィルム１１１の表面と、
その背面から光が出射する１/４波長フィルム１１１の表面との間に、
Si基板あるいはGe基板の表面にX軸方向にライン状の電極をN個配置し、
Si基板あるいはGe基板の表面に前記X軸方向と直交するY軸方向にライン状の電極をM個配置し、
その間に強誘電性液晶１０２を挿入してその２つのライン状の電極によりMxN個の交差点（以下ピクセルと呼ぶ）を構成し、
前記ピクセルの電極の操作により半波長板として動作するパッシブマトリクス型NxM透過型複屈折変調器８１に配置し、
さらに前記光が出射する１/４波長フィルム１１１の表面側に、直交２軸（X’軸、Y’軸）から構成され波長に応じた漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）で一軸（X’軸）方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング８２を、X軸とX’軸あるいはY軸とX’軸がほぼ平行となるように装荷したことを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（３）
（１）、（２）に記載の光ビーム偏向素子１１において、装荷する偏光グレーティング８２は数μmのフィルム状であり、前記フィルム状の偏光グレーティング８２を直接（１）に記載のアクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に、または直接（２）に記載の前記光が出射する１/４波長フィルム１１１の表面に張り付けたことを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（４）
（１）、（２）の光ビーム偏向素子１１において、前記漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）でX’軸方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング８２の周期Λが、X’軸方向に徐々に数％変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（１）、（２）に記載の光ビーム偏向素子１１において、装荷する偏光グレーティング８２は数μmのフィルム状であり、前記フィルム状の偏光グレーティング８２を直接（１）に記載のアクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に、または直接（２）に記載の前記光が出射する１/４波長フィルム１１１の表面に張り付けたことを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（４）
（１）、（２）の光ビーム偏向素子１１において、前記漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）でX’軸方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング８２の周期Λが、X’軸方向に徐々に数％変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（５）
（４）の光ビーム偏向素子１１において、偏光グレーティング８２の周期ΛがX’軸に対して所定の範囲の波長に対して一定の偏向角となるようにX’軸に対して徐々に変化し、その変化がほぼ直線的に変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（６）
（４）、（５）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子１１において、偏光グレーティング８２の周期Λが±10％以下の変化0.99Λc〜1.01Λc、あるいは、0.98Λc〜1.02Λc、あるいは、0.97Λc〜1.03Λc、・・・・ 、Λcは中心の周期で変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（４）の光ビーム偏向素子１１において、偏光グレーティング８２の周期ΛがX’軸に対して所定の範囲の波長に対して一定の偏向角となるようにX’軸に対して徐々に変化し、その変化がほぼ直線的に変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（６）
（４）、（５）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子１１において、偏光グレーティング８２の周期Λが±10％以下の変化0.99Λc〜1.01Λc、あるいは、0.98Λc〜1.02Λc、あるいは、0.97Λc〜1.03Λc、・・・・ 、Λcは中心の周期で変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（７）
（１）の光ビーム偏向素子１１において、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１の基板A９３の透明電極９５と基板B９６の透明電極９４に印加する電圧を変化させ、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に対してほぼ垂直Z方向に通過する光に対して、１／２波長板あるいは１／４波長板と同様な異方性複屈折状態から複屈折の生じない等方性状態まで変化させることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（８）
（１）乃至（７）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子１１を複数用い、各光ビーム偏向素子１１のピクセルが光の通過するZ方向から見て、ほぼ重なるように各光ビーム偏向素子１１を２枚以上積層させことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（９）
（８）に記載の光ビーム偏向素子８０において、積層する各光ビーム偏向素子１１の偏光グレーティング８２の周期Λが、積層する方向Z方向に対して、それぞれ異なっていることを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１）の光ビーム偏向素子１１において、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１の基板A９３の透明電極９５と基板B９６の透明電極９４に印加する電圧を変化させ、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に対してほぼ垂直Z方向に通過する光に対して、１／２波長板あるいは１／４波長板と同様な異方性複屈折状態から複屈折の生じない等方性状態まで変化させることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（８）
（１）乃至（７）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子１１を複数用い、各光ビーム偏向素子１１のピクセルが光の通過するZ方向から見て、ほぼ重なるように各光ビーム偏向素子１１を２枚以上積層させことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（９）
（８）に記載の光ビーム偏向素子８０において、積層する各光ビーム偏向素子１１の偏光グレーティング８２の周期Λが、積層する方向Z方向に対して、それぞれ異なっていることを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１０）
（９）の光ビーム偏向素子８０において、積層する各光ビーム偏向素子１１の偏光グレーティング８２の周期Λがそれぞれほぼ1/2倍ずつ小さくなっていることを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１１）
（９）の光ビーム偏向素子８０において、積層する各光ビーム偏向素子１１の偏光グレーティング１１の周期Λが、一方から徐々に小さくなるように積層させたことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１２）
（８）乃至（１１）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子８０において、各光ビーム偏向素子１１の厚さを１ｍｍ以下として積層したことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（９）の光ビーム偏向素子８０において、積層する各光ビーム偏向素子１１の偏光グレーティング８２の周期Λがそれぞれほぼ1/2倍ずつ小さくなっていることを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１１）
（９）の光ビーム偏向素子８０において、積層する各光ビーム偏向素子１１の偏光グレーティング１１の周期Λが、一方から徐々に小さくなるように積層させたことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１２）
（８）乃至（１１）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子８０において、各光ビーム偏向素子１１の厚さを１ｍｍ以下として積層したことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１３）
（８）乃至（１１）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子８０において、入射する光ビーム９７のスポットの中に少なくとも２つ以上のピクセル９０を含むように構成されたことを特徴とする光ビーム偏向素子８０の使用方法。
（１４）
（８）乃至（１１）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子８０において、積層する光ビーム偏向素子１１のうち、少なくとも１枚の光ビーム偏向素子１１を構成する偏光グレーティング８２のX’軸が他の光ビーム偏向素子１１のX’軸と直交するように積層したことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（８）乃至（１１）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子８０において、入射する光ビーム９７のスポットの中に少なくとも２つ以上のピクセル９０を含むように構成されたことを特徴とする光ビーム偏向素子８０の使用方法。
（１４）
（８）乃至（１１）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子８０において、積層する光ビーム偏向素子１１のうち、少なくとも１枚の光ビーム偏向素子１１を構成する偏光グレーティング８２のX’軸が他の光ビーム偏向素子１１のX’軸と直交するように積層したことを特徴とする光ビーム偏向素子８０。
（１５）
（１）乃至（６）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子１１において、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１を構成する電子回路９１がTFT（Thin Film Transistor）であることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（１６）
（１）乃至（１２）、（１４）乃至（１５）のいずれかに記載の同一の光ビーム偏向素子１１，８０を２つ対向して用い、そのほぼ中間に焦点距離FのシリンドリカルレンズA１４１ｄの曲面パワーのある面すなわち光が屈折する面をスイッチングする面と平行に配置し、さらに前記シリンドリカルレンズA１４１ｄと２つの光ビーム偏向素子１１，８０の中間にシリンドリカルレンズA１４１ｄと曲面が直交するように焦点距離F’を持つ２つのシリンドリカルレンズB１４１ｃを配置し、焦点距離Fと焦点距離F’の間には数式（８）の関係が成り立つことを特徴とする波長クロスコネクト光学系１４３。
（１）乃至（６）のいずれかに記載の光ビーム偏向素子１１において、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１を構成する電子回路９１がTFT（Thin Film Transistor）であることを特徴とする光ビーム偏向素子１１。
（１６）
（１）乃至（１２）、（１４）乃至（１５）のいずれかに記載の同一の光ビーム偏向素子１１，８０を２つ対向して用い、そのほぼ中間に焦点距離FのシリンドリカルレンズA１４１ｄの曲面パワーのある面すなわち光が屈折する面をスイッチングする面と平行に配置し、さらに前記シリンドリカルレンズA１４１ｄと２つの光ビーム偏向素子１１，８０の中間にシリンドリカルレンズA１４１ｄと曲面が直交するように焦点距離F’を持つ２つのシリンドリカルレンズB１４１ｃを配置し、焦点距離Fと焦点距離F’の間には数式（８）の関係が成り立つことを特徴とする波長クロスコネクト光学系１４３。
（１７）
（１６）に記載の波長クロスコネクト光学系１４３とグレーティング１４２、ファイバアレイ１４０およびレンズ１４１ａ、１４１ｂを組み合わせて構成した波長クロスコネクト装置。
（１８）
（１）乃至（１２）、（１４）乃至（１５）のいずれかに記載の同一の光ビーム偏向素子１１，８０を２つ用いて、間隔がLとなるように対向して配置し、そのほぼ中間に焦点距離Fのレンズ１５０を配置した光学系において、数式（９）の関係が成り立つことを特徴とするクロスコネクト光学系１５２。
（１６）に記載の波長クロスコネクト光学系１４３とグレーティング１４２、ファイバアレイ１４０およびレンズ１４１ａ、１４１ｂを組み合わせて構成した波長クロスコネクト装置。
（１８）
（１）乃至（１２）、（１４）乃至（１５）のいずれかに記載の同一の光ビーム偏向素子１１，８０を２つ用いて、間隔がLとなるように対向して配置し、そのほぼ中間に焦点距離Fのレンズ１５０を配置した光学系において、数式（９）の関係が成り立つことを特徴とするクロスコネクト光学系１５２。
従来のスイッチングエンジンでは、困難であった多ポート波長クロスコネクト装置や光クロスコネクト装置のスイッチングエンジンを提供することにある。
図８に本発明光ビーム偏向素子８０の一実施例を示す。
NxM透過型複屈折変調器８１とその片面に配置あるいは装荷した偏光グレーティング８２を基本構造としたスイッチエレメント１（１１）１〜スイッチエレメント６（１６）を積層したものである。
NxM透過型複屈折変調器８１のマトリクス方向であるX軸（あるいはY軸）と偏光グレーティング８２の偏光回転軸X‘が平行となるように配置している。
NxM透過型複屈折変調器の一例を図９に示す。
図９(a)は正面図、図９(b)は断面図である。
NxM透過型複屈折変調器８１とその片面に配置あるいは装荷した偏光グレーティング８２を基本構造としたスイッチエレメント１（１１）１〜スイッチエレメント６（１６）を積層したものである。
NxM透過型複屈折変調器８１のマトリクス方向であるX軸（あるいはY軸）と偏光グレーティング８２の偏光回転軸X‘が平行となるように配置している。
NxM透過型複屈折変調器の一例を図９に示す。
図９(a)は正面図、図９(b)は断面図である。
この例では、X軸方向にN個のピクセル、Y軸方向にM個のピクセルが構成されている場合を示している。
各ピクセル９０は、寸法が8μmｘ16μmの矩形状のパターンを持った透明電極とその一部に形成されたTFT（Thin Film Transistor）９１より構成されている。
また、各ピクセルは本一例以外にも種々の寸法をもつことが可能である。
なお、ピクセルは厳密に矩形状ではなくとも、製造プロセスで実現できる程度に、ほぼ矩形状（あるいは楕円形状）であればよい。
各ピクセル９０は、寸法が8μmｘ16μmの矩形状のパターンを持った透明電極とその一部に形成されたTFT（Thin Film Transistor）９１より構成されている。
また、各ピクセルは本一例以外にも種々の寸法をもつことが可能である。
なお、ピクセルは厳密に矩形状ではなくとも、製造プロセスで実現できる程度に、ほぼ矩形状（あるいは楕円形状）であればよい。
しかし、本発明光ビーム偏向素子８０を波長クロスコネクト装置や光クロスコネクト装置に適用する場合は、低損失、低クロストークとなるように各ピクセル間のギャップはできるだけ小さいことが望ましい。
各ピクセル９０はシリコン基板９３上に形成され、透明電極９４が形成されたシリコン基板を対向して配置し、その間に液晶９２を挿入した構造である。なお、実際は液晶９２の配向のためアライメント層が用いられるが、ここでは簡単化するため記述していない。
各ピクセル９０への印加電の有無で、複屈折の無い等方性プレートとしたり、複屈折のある半波長プレートとしたりすることができる。
液晶としては、ネマチック液晶やブルー層液晶などを用いることができる。
なお、入射端で直線偏光を入射する場合は、左あるいは右の円偏光となるように１／４波長プレートとして動作させる場合もある。
さらに、各ピクセル９０および透明電極９４と液晶９２の間の屈折率の違いによるフレネル反射を小さくするためにこれらの間に無反射コートを形成してもよい。また、各ピクセル９０とシリコン基板９３の間や透明電極９４とシリコン基板９６の間の屈折率の違いによるフレネル反射を小さくするためにこれらの間に無反射コートを形成してもよい。
本例では、基板材料に屈折率の大きなSi（n=3.5）を用いているが、Ge（n=4.2）を用いても良い。
各ピクセル９０はシリコン基板９３上に形成され、透明電極９４が形成されたシリコン基板を対向して配置し、その間に液晶９２を挿入した構造である。なお、実際は液晶９２の配向のためアライメント層が用いられるが、ここでは簡単化するため記述していない。
各ピクセル９０への印加電の有無で、複屈折の無い等方性プレートとしたり、複屈折のある半波長プレートとしたりすることができる。
液晶としては、ネマチック液晶やブルー層液晶などを用いることができる。
なお、入射端で直線偏光を入射する場合は、左あるいは右の円偏光となるように１／４波長プレートとして動作させる場合もある。
さらに、各ピクセル９０および透明電極９４と液晶９２の間の屈折率の違いによるフレネル反射を小さくするためにこれらの間に無反射コートを形成してもよい。また、各ピクセル９０とシリコン基板９３の間や透明電極９４とシリコン基板９６の間の屈折率の違いによるフレネル反射を小さくするためにこれらの間に無反射コートを形成してもよい。
本例では、基板材料に屈折率の大きなSi（n=3.5）を用いているが、Ge（n=4.2）を用いても良い。
積層するにあたっては、図１０に示すようにNxM透過型複屈折変調器８１の各ピクセル９０が光ビーム９７の伝搬方向に対して、重なるように積層している。
またこの場合は、Y方向には約５個のピクセル９０がグループとなって１つの光ビームを偏向させるようにしている。
このため、各入射する光ビームのスポットサイズが用途により変化しても、ピクセル９０のグループ化を変更することで柔軟に対応できる。
また、積層された偏光グレーティング８２の周期Λは、光の伝搬方向に対して、32Λ、16Λ、8Λ、4Λ、2Λ、Λと周期の大きいものから周期の小さいものとなるように積層した場合を示しているが、その順番は変化させても良い。
また、本発明光ビーム偏向素子８０を構成する各NxM透過型複屈折変調器８１と偏光グレーティング８２の間、また入出力部の空気との間には屈折率差によるフレネル反射を小さくするため無反射コートを施しても良い。
またこの場合は、Y方向には約５個のピクセル９０がグループとなって１つの光ビームを偏向させるようにしている。
このため、各入射する光ビームのスポットサイズが用途により変化しても、ピクセル９０のグループ化を変更することで柔軟に対応できる。
また、積層された偏光グレーティング８２の周期Λは、光の伝搬方向に対して、32Λ、16Λ、8Λ、4Λ、2Λ、Λと周期の大きいものから周期の小さいものとなるように積層した場合を示しているが、その順番は変化させても良い。
また、本発明光ビーム偏向素子８０を構成する各NxM透過型複屈折変調器８１と偏光グレーティング８２の間、また入出力部の空気との間には屈折率差によるフレネル反射を小さくするため無反射コートを施しても良い。
さらに。本例の場合、光が最後に通過するΛ周期をもつ光ビーム偏向素子８０には大きな偏向角で光が入射するスイッチング状態が生じる。
大きな偏向角で光が入射する場合、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する液晶９２を光が斜めに通過することになるため、偏向角が小さい場合と比較し、完全な円偏光からずれ楕円偏光となる。
これを補正するためNxM透過型複屈折変調器８１と偏光グレーティング８２の間に位相補正板を挿入してもよい。
なお、本例では、偏光グレーティング８２の周期が32Λ、16Λ、8Λ、4Λ、2Λ、Λの６種類の偏光グレーティングを用いた６つのスイッチエレメント１１〜スイッチエレメント１６を積層した場合を示しているが、所望の目的に合わせ、何枚のスイッチエレメントを用いてもよい。
大きな偏向角で光が入射する場合、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する液晶９２を光が斜めに通過することになるため、偏向角が小さい場合と比較し、完全な円偏光からずれ楕円偏光となる。
これを補正するためNxM透過型複屈折変調器８１と偏光グレーティング８２の間に位相補正板を挿入してもよい。
なお、本例では、偏光グレーティング８２の周期が32Λ、16Λ、8Λ、4Λ、2Λ、Λの６種類の偏光グレーティングを用いた６つのスイッチエレメント１１〜スイッチエレメント１６を積層した場合を示しているが、所望の目的に合わせ、何枚のスイッチエレメントを用いてもよい。
再び図８に戻り、本発明光ビーム偏向素子８０を波長クロスコネクト装置に用いる場合を例に取り、その動作を説明する。
図８(a)は上面から見た場合の動作であり、X方向に異なった波長の光ビームが入射し、X方向には偏向しない。
一方、側面から見た動作である図８(b)に示すように、Y方向には同じ波長の光ビームはそれぞれ独立に上下方向に偏向する。
ここでは、ある波長のみの動作を示しているが、他の波長も同様に独立に上下方向に偏向する。
図８(a)は上面から見た場合の動作であり、X方向に異なった波長の光ビームが入射し、X方向には偏向しない。
一方、側面から見た動作である図８(b)に示すように、Y方向には同じ波長の光ビームはそれぞれ独立に上下方向に偏向する。
ここでは、ある波長のみの動作を示しているが、他の波長も同様に独立に上下方向に偏向する。
前述した（６）式に示すように、偏向角θは波長の関数であるため、波長クロスコネクト装置のようにそれぞれ異なった波長を入射させる場合（C-bandと呼ばれるWDM光通信では、1530nm〜1570nm程度の波長を扱う）、図１１に示すように、波長により偏向角θが異なりC-bandの端付近の波長では大きな損失となる。
このため本特許においては、波長に応じて偏向角θが変化しないように、X方向にグレーティングの周期Λを徐々に数％変化させている（周期Λのチャープ化）。
これにより波長が変化しても偏向角θは一定となり、実用システムに対応できる。
このため本特許においては、波長に応じて偏向角θが変化しないように、X方向にグレーティングの周期Λを徐々に数％変化させている（周期Λのチャープ化）。
これにより波長が変化しても偏向角θは一定となり、実用システムに対応できる。
図１２は、本発明のような積層型の光ビーム偏向素子８０を波長クロスコネクト装置（あるいは光クロスコネクト装置）に用いる場合に問題の一つとなるwalk-offの説明図である。
図１２(a)では３段積層した場合を示している。なお、図１２(b)は理想的な光ビームの偏向を示している。理想的な光ビームの偏向は、同じ始点を中心に偏向している。
しかし、実際は図１２(a)に示すように、積層した光ビーム偏向素子の最後のエレメントから出射する光ビームは散け、異なった位置から偏向する。この散けたビーム間の距離をwalk-offと定義する。
このwalk-offの最悪値は、次式で与えられる。
図１２(a)では３段積層した場合を示している。なお、図１２(b)は理想的な光ビームの偏向を示している。理想的な光ビームの偏向は、同じ始点を中心に偏向している。
しかし、実際は図１２(a)に示すように、積層した光ビーム偏向素子の最後のエレメントから出射する光ビームは散け、異なった位置から偏向する。この散けたビーム間の距離をwalk-offと定義する。
このwalk-offの最悪値は、次式で与えられる。
ここで、Tは各NxM透過型複屈折変調器８１とパッシブ偏光グレーティング８２の厚さ、θiはスイッチングエンジンの各エレメントの偏向角（半角）（iは積層番号）、nは、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する基板の屈折率である。
本発明においては、偏光グレーティング８２の厚さは数μmであり、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する基板に直接貼り付けている。
このため、実際のTは、NxM透過型複屈折変調器８１の厚さと見なしてよい。
さらに、NxM透過型複屈折変調器８１上に形成されたピクセル９０や透明電極９４の厚さ、また液晶９２の厚さは、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する基板９３厚と比較して薄いため、実質的にTは、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する２枚の基板厚で決定される。
本発明においては、偏光グレーティング８２の厚さは数μmであり、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する基板に直接貼り付けている。
このため、実際のTは、NxM透過型複屈折変調器８１の厚さと見なしてよい。
さらに、NxM透過型複屈折変調器８１上に形成されたピクセル９０や透明電極９４の厚さ、また液晶９２の厚さは、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する基板９３厚と比較して薄いため、実質的にTは、NxM透過型複屈折変調器８１を構成する２枚の基板厚で決定される。
式（７）より、walk-offを小さくするためには、T/nを小さくしてやればよい。
従来技術では一例として基板材料をガラスとした場合を示しているが、64x64程度の多ポート波長クロスコネクトや光クロスコネクト装置へ適用を考えると、2枚の基板厚であるTを約200μm程度まで薄くしないと実用的な損失を実現できない（損失はwalk-off に対して指数関数的に増加する）。
100μmの薄い基板は、強度がきわめて弱くなり、製造プロセスで扱うことは困難であり、製作後に基板を研磨する必要がある。
このため製作および価格の面においても実現が困難である。
このため、本特許では、屈折率の大きなSi（n＝3.5）およびGe（n＝4.2）を材料として用いている。
これらの材料は、光通信で使用される1.55μm帯では透明であり、Tが約600μm程度でもwalk-offが小さく低損失なスイッチングエンジンを実現できる。
なお、市販のSi基板は300μm程度から市販されており、強度の点でも、価格の点でも問題ない。
Si基板であれば、厚さ1mm以下であれば、実用的にwalk-offが小さく低損失なスイッチングエンジンを実現できる。
従来技術では一例として基板材料をガラスとした場合を示しているが、64x64程度の多ポート波長クロスコネクトや光クロスコネクト装置へ適用を考えると、2枚の基板厚であるTを約200μm程度まで薄くしないと実用的な損失を実現できない（損失はwalk-off に対して指数関数的に増加する）。
100μmの薄い基板は、強度がきわめて弱くなり、製造プロセスで扱うことは困難であり、製作後に基板を研磨する必要がある。
このため製作および価格の面においても実現が困難である。
このため、本特許では、屈折率の大きなSi（n＝3.5）およびGe（n＝4.2）を材料として用いている。
これらの材料は、光通信で使用される1.55μm帯では透明であり、Tが約600μm程度でもwalk-offが小さく低損失なスイッチングエンジンを実現できる。
なお、市販のSi基板は300μm程度から市販されており、強度の点でも、価格の点でも問題ない。
Si基板であれば、厚さ1mm以下であれば、実用的にwalk-offが小さく低損失なスイッチングエンジンを実現できる。
図１３に本発明の他の実施例を示す。
本発明においては、積層した最後のスイッチエレメント１６を構成する偏光グレーティング８２aの偏光軸X‘を９０°回転させ、他のスイッチエレメント１１〜１５の偏光グレーティング８２に対して直交させている。
図１３(a)、図１３(b)は、上面図、側面図である。直交させることで、これまでY-Z面内でのみ偏向していたものを、X-Z面内においても偏向できるようになり、二次元の偏向駆動が可能となる。
本発明においては、積層した最後のスイッチエレメント１６を構成する偏光グレーティング８２aの偏光軸X‘を９０°回転させ、他のスイッチエレメント１１〜１５の偏光グレーティング８２に対して直交させている。
図１３(a)、図１３(b)は、上面図、側面図である。直交させることで、これまでY-Z面内でのみ偏向していたものを、X-Z面内においても偏向できるようになり、二次元の偏向駆動が可能となる。
図１４に本発明光ビーム偏向素子を用いた波長クロスコネクト装置の一例を示す。図１４(a)は上面図(X-Z面)であり、光が分散する面を示している。
一方、図１４(b)は側面図(Y-Z面)であり、各波長の光がスイッチングする面を示している。
本波長クロスコネクト装置は、入力部１４４a、出力部１４４bおよび点線で囲んだ部分の波長クロスコネクト部１４３から構成される。
光学系は、シリンドリカルレンズA（１４１ｄ）を中心にした対称光学系となっている。
一方、図１４(b)は側面図(Y-Z面)であり、各波長の光がスイッチングする面を示している。
本波長クロスコネクト装置は、入力部１４４a、出力部１４４bおよび点線で囲んだ部分の波長クロスコネクト部１４３から構成される。
光学系は、シリンドリカルレンズA（１４１ｄ）を中心にした対称光学系となっている。
便宜上、入力部１４４aと出力部１４４bに分けているが、入れ替えても問題ない。
波長クロスコネクト部１４３は動作の核心であり、本特許で述べている同一の光ビーム偏向素子８０を２つ対向して用い、そのほぼ中間に焦点距離FのシリンドリカルレンズA（１４１ｄ）の曲面（パワーのある面すなわち光が屈折する面））をスイッチングする面と平行に配置し、さらに前記シリンドリカルレンズA（１４１ｄ）と２つの光ビーム偏向素子８０の中間にシリンドリカルレンズAと曲面が直交するように焦点距離F’を持つ２つのシリンドリカルレンズB（１４１C）を配置し、焦点距離Fと焦点距離F’の間には上述の（８）式の関係が成り立つような波長クロスコネクト部１４３となっている。
波長クロスコネクト部１４３は動作の核心であり、本特許で述べている同一の光ビーム偏向素子８０を２つ対向して用い、そのほぼ中間に焦点距離FのシリンドリカルレンズA（１４１ｄ）の曲面（パワーのある面すなわち光が屈折する面））をスイッチングする面と平行に配置し、さらに前記シリンドリカルレンズA（１４１ｄ）と２つの光ビーム偏向素子８０の中間にシリンドリカルレンズAと曲面が直交するように焦点距離F’を持つ２つのシリンドリカルレンズB（１４１C）を配置し、焦点距離Fと焦点距離F’の間には上述の（８）式の関係が成り立つような波長クロスコネクト部１４３となっている。
この光学系により、図１４(a)の光が分散する面と図１４(b)の各波長の光がスイッチングする面で異なった動作が可能となる。すなわち、図１４(a)の光が分散する面では４F’の光学系となり、スイッチングなどのアクティブな動作は行わず、像反転はするが入力側の光ビーム偏向素子８０の像が出力側の光ビーム偏向素子８０の上に再現する。
一方、図１４(b)の各波長の光がスイッチングする面では、２Fのフーリエ光学系となり、光ビームは角度が位置に、位置が角度に変換される。
入力側の光ビーム偏向素子８０で角度を変換することで、対向する出力側の光ビーム偏向素子８０に入射する光ビーム位置を変化させることができる。
出力側の光ビーム偏向素子８０は、傾いて入射してきた光ビームをZ方向に平行とし、出力部１４２bに伝搬させる。
入力側の光ビーム偏向素子８０で角度を変換することで、対向する出力側の光ビーム偏向素子８０に入射する光ビーム位置を変化させることができる。
出力側の光ビーム偏向素子８０は、傾いて入射してきた光ビームをZ方向に平行とし、出力部１４２bに伝搬させる。
次に、入力部１４４aと出力部１４４bについて説明する。
ここでは、分かりやすいように透過する光学系で説明するが、実際、用いられるグレーティング１４２は、斜め入射、斜め出射するため、それに応じて配置される。
入力部１４４aと出力部１４４bは、同じ構造であり、波長クロスコネクト光学系１４３を挟んで互いに対向して配置されている。
ここでは、分かりやすいように透過する光学系で説明するが、実際、用いられるグレーティング１４２は、斜め入射、斜め出射するため、それに応じて配置される。
入力部１４４aと出力部１４４bは、同じ構造であり、波長クロスコネクト光学系１４３を挟んで互いに対向して配置されている。
入力部１４４aおよび出力部１４４bを構成する方法としては種々考えられるが、ここではその一例を示しており、コリメータ付ファイバアレイ１４０、シリンドリカルレンズ１４１a、グレーティング１４２およびシリンドリカルレンズ１４１ｂより構成される。
重要な点は、図１４(a)の光が分散する面では、グレーティング１４２の刻線が紙面に対し垂直となるように配置されているため、光は波長毎に回折する。
重要な点は、図１４(a)の光が分散する面では、グレーティング１４２の刻線が紙面に対し垂直となるように配置されているため、光は波長毎に回折する。
このため、シリンドリカルレンズ１４１ｂを用いて回折した光を平行光とした後、波長クロスコネクト部１４３に入射させている。
必要な波長分解能に応じてコリメータ付ファイバアレイ１４０とシリンドリカルレンズ１４１aを用いてグレーティング１４２に入射する光ビームのスポットサイズを制御する。
必要な波長分解能に応じてコリメータ付ファイバアレイ１４０とシリンドリカルレンズ１４１aを用いてグレーティング１４２に入射する光ビームのスポットサイズを制御する。
一方、図１４(b)の各波長の光がスイッチングする面では、グレーティング１４２の刻線が紙面に対し平行であるため光は回折せず、コリメータ付ファイバアレイ１４０からの光ビームは直進し、波長クロスコネクト部１４３に入射する。
波長クロスコネクト部１４３に入射させる光ビームのスポットサイズを制御したい場合は、コリメータ付ファイバアレイ１４０とグレーティング１４２の間に別のシリンドリカルレンズを挿入してもよい。
波長クロスコネクト部１４３に入射させる光ビームのスポットサイズを制御したい場合は、コリメータ付ファイバアレイ１４０とグレーティング１４２の間に別のシリンドリカルレンズを挿入してもよい。
本発明光ビーム偏向素子を用いることで、多くのピクセルの中から数個あるいは数十個のピクセルグループ化することで１つの仮想偏向面を形成でき、これを種々の波長数およびポート数のビームに対応できるため、汎用性のある光ビーム偏向素子となる。
また、偏光角を大きくとれるため、多ポートNxN波長クロスコネクト装置が実現でき、従来のROADMノード装置を大幅に小型化、低コスト化、単純化が可能となる。
また、偏光角を大きくとれるため、多ポートNxN波長クロスコネクト装置が実現でき、従来のROADMノード装置を大幅に小型化、低コスト化、単純化が可能となる。
図１５に本発明光ビーム偏向素子を用いた光クロスコネクト装置の一例を示す。
入出力コリメータ付二次元ファイバアレイ１５１、光ビーム偏向素子８０、焦点距離Fを持つフーリエレンズ１５０より構成される。
本例における光ビーム偏向素子８０は、図１３に示した二次元の偏向駆動できるものを用いている。
同一の２つの光ビーム偏向素子８０を間隔がLとなるように対向して配置し、そのほぼ中間に焦点距離Fのフーリエレンズ１５０を配置した光学系において、上述の（９）式の関係が成り立つことを特徴とするクロスコネクト光学系である。
入出力コリメータ付二次元ファイバアレイ１５１、光ビーム偏向素子８０、焦点距離Fを持つフーリエレンズ１５０より構成される。
本例における光ビーム偏向素子８０は、図１３に示した二次元の偏向駆動できるものを用いている。
同一の２つの光ビーム偏向素子８０を間隔がLとなるように対向して配置し、そのほぼ中間に焦点距離Fのフーリエレンズ１５０を配置した光学系において、上述の（９）式の関係が成り立つことを特徴とするクロスコネクト光学系である。
フーリエ光学系であるため、入射する光ビームは角度が位置に、位置が角度に変換される。
入力側の光ビーム偏向素子８０で角度を変換することで、対向する出力側の光ビーム偏向素子８０にあたる光ビーム位置を変化させることができる。
本発明光ビーム偏向素子を用いることで、多くのピクセルの中から数個あるいは数十個のピクセルグループ化することで１つの仮想偏向面を形成でき、これを種々の波長数およびポート数のビームに対応できるため、汎用性のある光ビーム偏向素子となる。
また、偏光角を大きくとれるため、多ポート光クロスコネクト装置が実現でき、従来のROADMノード装置を大幅に小型化、低コスト化、単純化が可能となる。
入力側の光ビーム偏向素子８０で角度を変換することで、対向する出力側の光ビーム偏向素子８０にあたる光ビーム位置を変化させることができる。
本発明光ビーム偏向素子を用いることで、多くのピクセルの中から数個あるいは数十個のピクセルグループ化することで１つの仮想偏向面を形成でき、これを種々の波長数およびポート数のビームに対応できるため、汎用性のある光ビーム偏向素子となる。
また、偏光角を大きくとれるため、多ポート光クロスコネクト装置が実現でき、従来のROADMノード装置を大幅に小型化、低コスト化、単純化が可能となる。
図１６にNxM透過型複屈折変調器８１の別の実施例を示す。
図１６(a)は正面図、図１６(b)は断面図である。
図１６(a)は正面図、図１６(b)は断面図である。
この例は、実施例１において光ビーム偏向素子１１を構成するアクティブ型NxM透過型複屈折変調器８１に代わって、パッシブマトリクスのNxM透過型複屈折変調器８１とそれを挟む２枚の１/４波長フィルム１１１を使用する場合を示している。
２枚のシリコン基板９３とシリコン基板９６には、それぞれX軸方向にN本のライン状の電極１０１と、Y軸方向にM本のライン状の電極１００が構成されており、その間に強誘電性液晶１０２が挿入されている。
電極１０１と電極１００の交差する部分が各ピクセル９０として動作する。
２枚のシリコン基板９３とシリコン基板９６には、それぞれX軸方向にN本のライン状の電極１０１と、Y軸方向にM本のライン状の電極１００が構成されており、その間に強誘電性液晶１０２が挿入されている。
電極１０１と電極１００の交差する部分が各ピクセル９０として動作する。
強誘電性液晶１０２は、メモリー性を持つため、図９に示した例と比較し、TFT（Thin Film Transistor）９１は必要でなく、単純な２組の電極１０１と電極１００のみで動作する。
例えば、電極１０１の一つにVx＝＋５（V）の電圧を、電極１００の一つにVy＝−５（V）の電圧を印加すると、そのクロスするピクセル９０においては液晶のダイレクターはX,Y平面内で角度＋θに傾き、その後電圧を０（V）としても、その状態を保持する（＋Stateと定義する）。
一方、別のクロスするピクセル９０には、逆の電圧、Vx＝−５（V）とVy＝＋５（V）を与えると液晶のダイレクターはX,Y平面内で角度−θに傾きその状態を保持する（−Stateと定義する）。
このように、変化させたいピクセル９０のみに電圧をかけ、液晶に印加する電界の方向を変えることで、＋Stateと−Stateのように液晶のダイレクターの向きを制御できる。
また、通常は無電圧０（V）としておくことで、液晶のダイレクターはラッチング機能を持たせることができる。
液晶のダイレクターは、複屈折を持つため、強誘電性液晶１０２の厚さを適正化することで、半波長板として動作させることができる。
また、次に述べるように、θを２２.５°となる強誘電性液晶１０２と１/４波長フィルム１１１を用いることで、各ピクセル９０への印加電圧の状態（＋Stateと−State）で、出射する円偏光の回転の向きを制御することができる。
その説明を、図１７と図１８を用いて説明する。
先ず、図１７を用いて１/４波長フィルム１１１に右回りの円偏光が入射する場合を考える。
(a)は正面図、(b)は側面図を示している。
先ず、図１７を用いて１/４波長フィルム１１１に右回りの円偏光が入射する場合を考える。
(a)は正面図、(b)は側面図を示している。
今、NxM透過型複屈折変調器８１は印加電圧の状態（＋Stateと−State）で、θ＝±２２.５で液晶のSlow軸（Fast軸）が傾く場合を考える。
また、Slow軸とFast軸のリターデーション（位相差）がπ、すなわち半波長板として動作している場合を考える。
＋Stateの状態となるように印加電圧を制御する（Vx＝＋５（V）とVy＝−５（V））。
１/４波長フィルム１１１のSlow軸を座標Y軸から２２.５°傾けて配置すると、液晶のSlow軸（＋Stateの場合）との角度は４５°となる。
１/４波長フィルム１１１のSlow軸を座標Y軸から２２.５°傾けて配置すると、液晶のSlow軸（＋Stateの場合）との角度は４５°となる。
ここで便宜上、座標系（XとY）から座標系（X’とY’）変更して考える。
１/４波長フィルム１１１の座標系（X’とY’）におけるジョーンズ行列は（１０）式で与えられる。
１/４波長フィルム１１１の座標系（X’とY’）におけるジョーンズ行列は（１０）式で与えられる。
出力する偏光は（１１）式のように座標系（X’とY’）の第一象限と第三象限において、X’軸から４５°の角度で振動する直線偏光となる。
今、＋Stateの状態を考えているので、NxM透過型複屈折変調器８１の液晶のダイレクターのSlow軸は、X’軸から４５°傾いている。
このため、入射する直線偏光の向きと一致し、直線偏光は保存され、NxM透過型複屈折変調器８１より出射する。
このため、入射する直線偏光の向きと一致し、直線偏光は保存され、NxM透過型複屈折変調器８１より出射する。
その後、１/４波長フィルム１１１に入射すると、（１２）式のように左回りの円偏光に変換される。
次に、−Stateの状態となるように印加電圧を制御する（Vx＝−５（V）とVy＝＋５（V））。NxM透過型複屈折変調器８１に入射するまでは、上記の議論と同じであるため、NxM透過型複屈折変調器８１に入射する偏光は、X’軸から４５°の角度で振動する直線偏光である。
−Stateの状態であるため、NxM透過型複屈折変調器８１の液晶のダイレクターのSlow軸は＋Stateから４５°、すなわちY’軸に平行となる。強誘電性液晶１０２は、半波長板として動作しているため、出射後の偏光状態は、（１３）式のようにの第二象限と第四象限において、Y’軸から４５°の角度で振動する直線偏光となる。
その後、１/４波長フィルム１１１に入射すると、次式のように右回りの円偏光に変換される。
以上のように、各クロスピクセルへの印加電圧の状態（＋Stateと−State）で、出射する円偏光の回転の向きを制御することができる。
次に、図１８を用いて１/４波長フィルム１１１に左回りの円偏光が入射する場合を考える。
(a)は正面図、(b)は側面図を示している。NxM透過型複屈折変調器８１は半波長板として動作している。
(a)は正面図、(b)は側面図を示している。NxM透過型複屈折変調器８１は半波長板として動作している。
＋Stateの状態となるように印加電圧を制御する（Vx＝＋５（V）とVy＝−５（V））。
１/４波長フィルム１１１のSlow軸を座標Y軸から２２.５°傾けて配置すると、液晶のSlow軸（＋Stateの場合）との角度は４５°となる。
１/４波長フィルム１１１のSlow軸を座標Y軸から２２.５°傾けて配置すると、液晶のSlow軸（＋Stateの場合）との角度は４５°となる。
ここで便宜上、座標系（XとY）から座標系（X’とY’）変更して考える。前回の議論と同様に、１/４波長フィルム１１１の座標系（X’とY’）におけるジョーンズ行列は（１０）式で与えられる。
今回は、入射光は左回りの円偏光であるため、出力する偏光は次式のように座標系（X’とY’）の第二象限と第四象限において、Y’軸から４５°の角度で振動する直線偏光となる。
今、＋Stateの状態を考えているので、NxM透過型複屈折変調器８１の液晶のダイレクターのSlow軸はX’軸から４５°傾いている、すなわち、液晶のダイレクターのFast軸（Slow軸と直交）は、Y’軸から４５°傾いている。
このため、Fast軸は入射する直線偏光の向きと一致し、直線偏光は保存され、NxM透過型複屈折変調器８１より出射する。
その後、１/４波長フィルム１１１に入射すると、次式のように右回りの円偏光に変換される。
その後、１/４波長フィルム１１１に入射すると、次式のように右回りの円偏光に変換される。
次に、−Stateの状態となるように印加電圧を制御する（Vx＝−５（V）とVy＝＋５（V））。
NxM透過型複屈折変調器８１に入射するまでは、上記の議論と同じであるため、NxM透過型複屈折変調器８１に入射する偏光は、Y’軸から４５°の角度で振動する直線偏光である。
NxM透過型複屈折変調器８１に入射するまでは、上記の議論と同じであるため、NxM透過型複屈折変調器８１に入射する偏光は、Y’軸から４５°の角度で振動する直線偏光である。
−Stateの状態であるため、NxM透過型複屈折変調器８１の液晶のダイレクターのSlow軸は＋Stateから４５°、すなわちY’軸に平行となる。
強誘電性液晶１０２は、半波長板として動作しているため、出射後の偏光状態は、次式のように第一象限と第三象限において、Y’軸から４５°の角度で振動する直線偏光となる。
強誘電性液晶１０２は、半波長板として動作しているため、出射後の偏光状態は、次式のように第一象限と第三象限において、Y’軸から４５°の角度で振動する直線偏光となる。
その後、１/４波長フィルム１１１に入射すると、次式のように左回りの円偏光に変換される。
以上のように、入射光が左回りの円偏光の場合においても、各クロスピクセルへの印加電圧の状態（＋Stateと−State）で、出射する円偏光の回転の向きを制御することができる。
次世代の光通信システムに必要となるROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing)ノード装置に用いられる。
１ ペア光ファイバ
２ Express Traffic装置
３ Add/Drop Traffic装置
４ トランスポンダーバンク＃A
５ トランスポンダーバンク＃B
１１ スイッチエレメント１（光ビーム偏向素子）
１２ スイッチエレメント２
１３ スイッチエレメント３
１４ スイッチエレメント４
１５ スイッチエレメント５
１６ スイッチエレメント６
２１ 受信機（RX）バンク
２２ 送信機（TX）バンク
２３ 光アンプ
２４ １ｘ８光スプリッター
２５ １ｘ８光スイッチ
２６ 波長可変フィルタ(光フィルタ)
３１ スイッチングエンジン
３２ グレーティング
３３ レンズ
３４ 入力ポート
３５ 出力ポート
３６ フーリエレンズ
４１ 電子回路基板
４２ 金属電極
４３ ガラス基板
４４ 透明電極
４５ 液晶
５１ 光ファイバアレイ
５２ マイクロレンズアレイ
５３ 二次元MEMSミラー
５４ ミラー
５５ 駆動電極
５６ ヒンジ
６１ 半波長プレート
６２ 偏光グレーティング
８０ 光ビーム偏向素子
８１ NxM透過型複屈折変調器
８２ 偏光グレーティング
８２a 偏光グレーティング（の偏光軸を９０°回転）
９０ ピクセル
９１ 電子回路（TFT（Thin Film Transistor））
９２ 液晶
９３ シリコン基板
９４ 透明電極（一面）
９５ 透明電極（矩形状）
９６ シリコン基板
９７ 光ビーム
１００ 電極
１０１ 電極
１０２ 強誘電性液晶
１１１ １／４波長フィルム
１４０ コリメータ付ファイバアレイ
１４１a シリンドリカルレンズA
１４１b シリンドリカルレンズB
１４１c シリンドリカルレンズC
１４１d シリンドリカルレンズD
１４２ グレーティング
１４３ 波長クロスコネクト光学系
１４４a 入力部
１４４b 出力部
１５０ フーリエレンズ
１５１ 入出力コリメータ付二次元ファイバアレイ
１５２ クロスコネクト光学系
２ Express Traffic装置
３ Add/Drop Traffic装置
４ トランスポンダーバンク＃A
５ トランスポンダーバンク＃B
１１ スイッチエレメント１（光ビーム偏向素子）
１２ スイッチエレメント２
１３ スイッチエレメント３
１４ スイッチエレメント４
１５ スイッチエレメント５
１６ スイッチエレメント６
２１ 受信機（RX）バンク
２２ 送信機（TX）バンク
２３ 光アンプ
２４ １ｘ８光スプリッター
２５ １ｘ８光スイッチ
２６ 波長可変フィルタ(光フィルタ)
３１ スイッチングエンジン
３２ グレーティング
３３ レンズ
３４ 入力ポート
３５ 出力ポート
３６ フーリエレンズ
４１ 電子回路基板
４２ 金属電極
４３ ガラス基板
４４ 透明電極
４５ 液晶
５１ 光ファイバアレイ
５２ マイクロレンズアレイ
５３ 二次元MEMSミラー
５４ ミラー
５５ 駆動電極
５６ ヒンジ
６１ 半波長プレート
６２ 偏光グレーティング
８０ 光ビーム偏向素子
８１ NxM透過型複屈折変調器
８２ 偏光グレーティング
８２a 偏光グレーティング（の偏光軸を９０°回転）
９０ ピクセル
９１ 電子回路（TFT（Thin Film Transistor））
９２ 液晶
９３ シリコン基板
９４ 透明電極（一面）
９５ 透明電極（矩形状）
９６ シリコン基板
９７ 光ビーム
１００ 電極
１０１ 電極
１０２ 強誘電性液晶
１１１ １／４波長フィルム
１４０ コリメータ付ファイバアレイ
１４１a シリンドリカルレンズA
１４１b シリンドリカルレンズB
１４１c シリンドリカルレンズC
１４１d シリンドリカルレンズD
１４２ グレーティング
１４３ 波長クロスコネクト光学系
１４４a 入力部
１４４b 出力部
１５０ フーリエレンズ
１５１ 入出力コリメータ付二次元ファイバアレイ
１５２ クロスコネクト光学系
Claims (18)
- Si基板あるいはGe基板上に電子回路（９１）と透明電極（９５）からなるほぼ矩形状のピクセル（９０）を直交したX、Y軸方向にそれぞれN個,M個マトリクス状に形成した基板A（９３）と、
Si基板あるいはGe基板上に一面に透明電極（９４）が形成された基板B（９６）との間に複屈折をもつ液晶（９２）を挿入して構成したアクティブ型NxM透過型複屈折変調器（８１）に、
直交２軸（X’軸、Y’軸）から構成され波長に応じた漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）で一軸（X’軸）方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング（８２）を、
X軸とX’軸あるいはY軸とX’軸がほぼ平行となるように装荷したことを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。 - その背面から光が入射する１/４波長フィルム（１１１）の表面と、
その背面から光が出射する１/４波長フィルム（１１１）の表面との間に、
Si基板あるいはGe基板の表面にX軸方向にライン状の電極をN個配置し、
Si基板あるいはGe基板の表面に前記X軸方向と直交するY軸方向にライン状の電極をM個配置し、
その間に強誘電性液晶（１０２）を挿入してその２つのライン状の電極によりMxN個の交差点（以下ピクセルと呼ぶ）を構成し、
前記ピクセルの電極の操作により半波長板として動作するパッシブマトリクス型NxM透過型複屈折変調器（８１）に配置し、
さらに前記光が出射する１/４波長フィルム（１１１）の表面側に、直交２軸（X’軸、Y’軸）から構成され波長に応じた漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）で一軸（X’軸）方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング（８２）を、X軸とX’軸あるいはY軸とX’軸がほぼ平行となるように装荷したことを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。 - 請求項１または請求項２に記載の光ビーム偏向素子（１１）において、装荷する偏光グレーティング（８２）は数μmのフィルム状であり、前記フィルム状の偏光グレーティング（８２）を直接請求項１に記載のアクティブ型NxM透過型複屈折変調器（８１）に、または直接請求項２に記載の前記光が出射する１/４波長フィルム（１１１）の表面に張り付けたことを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。
- 請求項１または請求項２に記載の光ビーム偏向素子（１１）において、前記漸次変化する周期Λ（一定の周期を除く）でX’軸方向に複屈折軸が回転している偏光グレーティング（８２）の周期Λが、X’軸方向に徐々に数％変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。
- 請求項４に記載の光ビーム偏向素子（１１）において、偏光グレーティング（８２）の周期ΛがX’軸に対して所定の範囲の波長に対して一定の偏向角となるようにX’軸に対して徐々に変化し、その変化がほぼ直線的に変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。
- 請求項４、請求項５のいずれか１項に記載の光ビーム偏向素子（１１）において、偏光グレーティング（８２）の周期Λが±10％以下の変化（0.99Λc〜1.01Λc、あるいは、0.98Λc〜1.02Λc、あるいは、0.97Λc〜1.03Λc、・・・・ 、Λcは中心の周期)で変化していることを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。
- 請求項１に記載の光ビーム偏向素子（１１）において、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器（８１）の基板A（９３）の透明電極（９５）と基板B（９６）の透明電極（９４）に印加する電圧を変化させ、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器（８１）に対してほぼ垂直（Z方向）に通過する光に対して、１／２波長板あるいは１／４波長板と同様な異方性複屈折状態から複屈折の生じない等方性状態まで変化させることを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光ビーム偏向素子（１１）を複数用い、各光ビーム偏向素子（１１）のピクセルが光の通過するZ方向から見て、ほぼ重なるように各光ビーム偏向素子（１１）を２枚以上積層させことを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）。
- 請求項８に記載の光ビーム偏向素子（８０）において、積層する各光ビーム偏向素子（１１）の偏光グレーティング（８２）の周期Λが、積層する方向（Z方向）に対して、それぞれ異なっていることを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）。
- 請求項９に記載の光ビーム偏向素子（８０）において、積層する各光ビーム偏向素子（１１）の偏光グレーティング（８２）の周期Λがそれぞれほぼ1/2倍ずつ小さくなっていることを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）。
- 請求項９に記載の光ビーム偏向素子（８０）において、積層する各光ビーム偏向素子（１１）の偏光グレーティング（１１）の周期Λが、一方から徐々に小さくなるように積層させたことを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）。
- 請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の光ビーム偏向素子（８０）において、各光ビーム偏向素子（１１）の厚さを１ｍｍ以下として積層したことを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）。
- 請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の光ビーム偏向素子（８０）において、入射する光ビーム（９７）のスポットの中に少なくとも２つ以上のピクセル（９０）を含むように構成されたことを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）の使用方法。
- 請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の光ビーム偏向素子（８０）において、積層する光ビーム偏向素子（１１）のうち、少なくとも１枚の光ビーム偏向素子（１１）を構成する偏光グレーティング（８２）のX’軸が他の光ビーム偏向素子（１１）のX’軸と直交するように積層したことを特徴とする光ビーム偏向素子（８０）。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の光ビーム偏向素子（１１）において、アクティブ型NxM透過型複屈折変調器（８１）を構成する電子回路（９１）がTFT（Thin Film Transistor）であることを特徴とする光ビーム偏向素子（１１）。
- 請求項１乃至請求項１２、請求項１４乃至請求項１５のいずれか１項に記載の同一の光ビーム偏向素子（１１，８０）を２つ対向して用い、そのほぼ中間に焦点距離FのシリンドリカルレンズA（１４１ｄ）の曲面（パワーのある面すなわち光が屈折する面）をスイッチングする面と平行に配置し、さらに前記シリンドリカルレンズA（１４１ｄ）と２つの光ビーム偏向素子（１１，８０）の中間にシリンドリカルレンズA（１４１ｄ）と曲面が直交するように焦点距離F’を持つ２つのシリンドリカルレンズB（１４１ｃ）を配置し、焦点距離Fと焦点距離F’の間には下記の（１）式の関係が成り立つことを特徴とする波長クロスコネクト光学系（１４３）。
- 請求項１６に記載の波長クロスコネクト光学系（１４３）とグレーティング（１４２）、ファイバアレイ（１４０）およびレンズ（１４１ａ、１４１ｂ）を組み合わせて構成した波長クロスコネクト装置。
- 請求項１乃至請求項１２、請求項１４乃至請求項１５のいずれか１項に記載の同一の光ビーム偏向素子（１１，８０）を２つ用いて、間隔がLとなるように対向して配置し、そのほぼ中間に焦点距離Fのレンズ（１５０）を配置した光学系において、下記の（２）式の関係が成り立つことを特徴とするクロスコネクト光学系（１５２）。
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