(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶セルと、
前記液晶セルに隣接する切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルと
を備える光スイッチであって、
該ＳＰＧは、
第１のガラス基板と、
前記第１のガラス基板を覆う第１の電極層と、
前記第１の電極層を覆う第１の光配向層と、
前記第１の光配向層を覆う液晶材料と、
前記液晶材料を覆う第２の光配向層と、
前記第２の光配向層を覆う第２の電極層と、
前記第２の電極層を覆う第２のガラス基板と
を含み、
前記第１の光配向層および前記第２の光配向層は、円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化した感光性ポリマーを含み、
第２の液晶セルおよび偏光板を含む可変光減衰器（ＶＯＡ）と、
前記ＶＯＡと前記液晶セルとの間に配置される１／４波長板と、
前記ＳＰＧセルの隣に、かつ前記液晶セルの反対側に配置されるプリズムまたはミラーと、
前記ＳＰＧセルと前記プリズムまたはミラーとの間に配置される更に別の液晶セルおよび更に別の対応するＳＰＧセルの一以上のペアと
を更に備え、
前記光スイッチは、１つの共通ポートを３Ｎ個の個別ポートに光接続するように構成される１×３Ｎ型光スイッチであり、
ここでＮは前記光スイッチの液晶セルおよび対応するＳＰＧセルのペアの数であり、
前記光スイッチは、前記共通ポートに入射する光ビームが３Ｎ個の個別ポートを通って出射する出射光ビームにスイッチされ、出射光ビームは入射する光ビームに対して平行であり、任意の隣接する出射光ビーム間の距離は等しいように構成される、
光スイッチ。
【請求項２】
液晶セルと、
前記液晶セルに隣接する切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルと
を備える光スイッチであって、
該ＳＰＧは、
第１のガラス基板と、
前記第１のガラス基板を覆う第１の電極層と、
前記第１の電極層を覆う第１の光配向層と、
前記第１の光配向層を覆う液晶材料と、
前記液晶材料を覆う第２の光配向層と、
前記第２の光配向層を覆う第２の電極層と、
前記第２の電極層を覆う第２のガラス基板と
を含み、
前記第１の光配向層および前記第２の光配向層は、円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化した感光性ポリマーを含み、
第２の液晶セルおよび偏光板を含む可変光減衰器（ＶＯＡ）と、
前記ＳＰＧセルの隣に、かつ前記液晶セルの反対側に配置されるプリズムまたはミラーと、
前記ＳＰＧセルと前記プリズムまたはミラーとの間に配置される１つ以上の更に別のＳＰＧセルと
を更に備え、
前記光スイッチは、１つの共通ポートを２Ｎ＋１−１個の個別ポートに光接続するように構成される１×（２Ｎ＋１−１）型光スイッチであり、
ここでＮは前記光スイッチのＳＰＧセルの数であり、
前記光スイッチは、前記共通ポートに入射する光ビームが２Ｎ＋１−１個の個別ポートを通って出射する出射光ビームにスイッチされ、出射光ビームは入射する光ビームに対して平行であり、任意の隣接する出射光ビーム間の距離は等しいように構成される、
光スイッチ。
【請求項３】
前記液晶セルは、入射光偏光を直線偏光から右円偏光または左円偏光に変換する切り替え可能な１／４波長板として構成される、請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
液晶セルと、
前記液晶セルに隣接する切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルと
を備える光スイッチであって、
該ＳＰＧは、
第１のガラス基板と、
前記第１のガラス基板を覆う第１の電極層と、
前記第１の電極層を覆う第１の光配向層と、
前記第１の光配向層を覆う液晶材料と、
前記液晶材料を覆う第２の光配向層と、
前記第２の光配向層を覆う第２の電極層と、
前記第２の電極層を覆う第２のガラス基板と
を含み、
前記第１の光配向層および前記第２の光配向層は、円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化した感光性ポリマーを含み、
前記液晶セルおよび偏光板を含む可変光減衰器（ＶＯＡ）と、
前記ＶＯＡと前記ＳＰＧセルとの間に配置される１／４波長板と、
前記ＳＰＧセルの隣に、かつ前記ＶＯＡの反対側に配置されるプリズムまたはミラーと、
前記ＳＰＧセルと前記プリズムまたはミラーとの間に配置される１つ以上の更に別のＳＰＧセルと
を更に備え、
前記光スイッチは、１つの共通ポートを２Ｎ個の個別ポートに光接続するように構成される１×２Ｎ型光スイッチであり、
ここでＮは前記光スイッチのＳＰＧセルの数であり、
前記光スイッチは、前記共通ポートに入射する光ビームが２Ｎ個の個別ポートを通って出射する出射光ビームにスイッチされ、出射光ビームは入射する光ビームに対して平行であり、任意の隣接する出射光ビーム間の距離は等しいように構成される、
光スイッチ。
【請求項５】
前記液晶セルおよび前記ＳＰＧセルは共に、波長チャネル数に対応する複数の画素を含み、
該複数の画素は、かつ光スイッチポートに対応する光スイッチを通過する複数の平行ビーム光路の方向に対して垂直に配列され、
前記光スイッチは、前記光スイッチから複数の平行出力光ビームの各々までの距離がそれぞれ等しくなるように設計される、
請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項６】
１つ以上の入射光ビームを前記液晶セルおよび前記ＳＰＧセルに送信するとともに前記液晶セルおよび前記ＳＰＧセルから受信するファイバアレイと、
光路上にあって、前記ファイバアレイの後段側に配置されるマイクロレンズアレイと、
前記光路上であって前記マイクロレンズアレイの後段側に配置されるビーム偏向器と、
前記光路上であって前記ビーム偏向器の後段側に配置される１／２波長板アレイと、
前記光路上であって前記１／２波長板アレイと前記ＳＰＧセルを有する前記液晶セルとの間に配置されるシリンドリカルレンズと、
前記光路上で前記シリンドリカルレンズの後方に位置する前記液晶セルおよび前記ＳＰＧセルに対向し、かつ前記シリンドリカルレンズを通過する光ビームを反対方向に反射して前記シリンドリカルレンズを通過させるように配置されるシリンドリカル反射ミラーと、
前記光路上で前記シリンドリカルレンズの後方に位置する前記シリンドリカル反射ミラーに対向し、かつ前記シリンドリカルレンズを通過する光ビームを前記シリンドリカルレンズへ戻るように回折させるように配置される回折格子と
を更に備える、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記ＳＰＧセルは、電圧が印加されていない状態または第１の電圧が前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に印加されている状態で、円偏光を所定方向に有する入射光ビームを回折させ、かつ回折された前記入射光ビームの円偏光の回転方向を反転させるように構成される、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記ＳＰＧセルは、第２の電圧が前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に印加されている状態で、回折も偏光の変化も起こすことなく入射光ビームに前記ＳＰＧセルを通過させるように構成される、請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項９】
前記液晶セルは、電圧が印加されていない状態または第１の電圧が前記液晶セルの両端に印加されている状態で、円偏光の回転方向を反転させた後に、前記円偏光を有する入射光ビームを通過させて前記ＳＰＧセルに到達させるか、あるいはそのかわりに、第２の電圧が前記液晶セルの両端に印加されている状態で、前記円偏光の回転方向を変化させることなく前記入射光ビームを通過させるように構成される、請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
液晶セルと、
前記液晶セルに隣接するポリマー偏光回折格子（ＰＰＧ）セルと
を備える光スイッチであって、
該ＰＰＧセルは、
ガラス基板と、
前記ガラス基板を覆い、かつ円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化している感光性ポリマーを含む光配向層と、
前記光配向層を前記ガラス基板の反対側で覆い、かつ均一光ビームを用いる照射により物理的に変化した重合液晶層と
を含み、
第２の液晶セルおよび偏光板を含む可変光減衰器（ＶＯＡ）と、
前記ＰＰＧセルの隣に、かつ前記液晶セルの反対側に配置されるプリズムまたはミラーと、
前記ＰＰＧセルと前記プリズムまたはミラーとの間に配置される更に別の液晶セルおよび更に別の対応するＰＰＧセルの一以上のペアと
を更に備え、
前記光スイッチは、１つの共通ポートを２Ｎ個の個別ポートに光接続するように構成される１×２Ｎ型光スイッチであり、
ここでＮは前記光スイッチの液晶セルおよび対応するＰＰＧセルのペアの数であり、
前記光スイッチは、前記共通ポートに入射する光ビームが２Ｎ個の個別ポートを通って出射する出射光ビームにスイッチされ、出射光ビームは入射する光ビームに対して平行であり、任意の隣接する出射光ビーム間の距離は等しいように構成される、
光スイッチ。
【請求項１１】
前記液晶セルおよび前記ＰＰＧセルは共に、波長チャネル数に対応する複数の画素を含み、
該複数の画素は、光スイッチポートに対応する前記光スイッチを通過する複数の平行ビーム光路の方向に対して垂直に配列され、
前記光スイッチは、前記光スイッチから前記複数の平行出力光ビームまでの距離がそれぞれ等しくなるように設計される、請求項１０に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
１つ以上の入射光ビームを前記液晶セルおよび前記ＰＰＧセルに送信するとともに、前記液晶セルおよび前記ＰＰＧセルから受信するファイバアレイと、
光路上であって前記ファイバアレイの後段に配置されるマイクロレンズアレイと、
前記光路上であって前記マイクロレンズアレイの後段側に配置されるビーム偏向器と、
前記光路上であって前記ビーム偏向器の後段側に配置される１／２波長板アレイと、
前記光路上であって前記１／２波長板アレイと前記ＰＰＧセルを有する前記液晶セルとの間に配置されるシリンドリカルレンズと、
前記光路上で前記シリンドリカルレンズの後方に位置する前記液晶セルおよび前記ＳＰＧセルに対向し、かつ前記シリンドリカルレンズを通過する光ビームを反対方向に反射して前記シリンドリカルレンズを通過させるように配置されるシリンドリカル反射ミラーと、
前記光路上で前記シリンドリカルレンズの後方に位置する前記シリンドリカル反射ミラーに対向し、かつ前記シリンドリカルレンズを通過する光ビームを前記シリンドリカルレンズへ戻るように回折させるように配置される回折格子と
を更に備える、請求項１０に記載の光スイッチ。
【請求項１３】
前記液晶セルは、電圧が印加されていない状態、または第１の電圧が前記液晶セルの両端に印加されている状態で、前記円偏光の回転方向を反転させた後に、円偏光を有する入射光ビームを通過させて前記ＰＰＧセルに到達させるか、あるいはその代わりに、第２の電圧が前記液晶セルの両端に印加されている状態で、前記円偏光の回転方向を反転させることなく前記入射光ビームを通過させるように構成される、請求項１０に記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチに関するものであり、特に波長を選択的に切り替える装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光伝送ネットワーク機器の場合、再構築可能な光挿入／分岐マルチプレクサ（ＲＯＡＤＭ）を使用すると、ネットワーク能力を柔軟に拡張することができ、運用コストを低減することができる。波長選択スイッチ（ＷＳＳ）は、現在のＲＯＡＤＭ技術を用いる場合の１つの選択肢である。１×Ｎ型ＷＳＳ（波長選択スイッチ）の場合、１は共通（ＣＯＭ）ポートであり、Ｎは分岐ポート数を表している。ＷＳＳ（波長選択スイッチ）が動作すると、ＷＤＭ信号群がＣＯＭポートから入力されると、これらの信号は光波長ごとに分離され、次いで、システム要件に従って、各波長はＮ個の分岐ポートのうちの１つの分岐ポートにルーティングされる。逆に、これらの光信号は、Ｎ個の分岐ポートからの入力として受信することができ、ＣＯＭポートからの出力として送信することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＲＯＡＤＭは、コストが高く付き、かつサービスを中断する「フォークリフト）」アップグレードに頼ることなく、容量を必要に応じて柔軟に増加させる自動機構を提供する。ＲＯＡＤＭネットワークの利点は、ＲＯＡＤＭネットワークが、必要なときにどの場所でも、かつ如何なるときでも、下層ネットワークが、増大したトラフィックを自動的に補償する状態を確保しながら、容量を動的に増加させることができることである。これにより、手動調整または大規模なアップグレードが不要となる。ＲＯＡＤＭは、挿入／分岐機能を複数の方向に複数の波長チャネルについて提供することができるので、ネットワークリング群間の多方向相互接続を実現し、メッシュ型ネットワークを構築するのに適している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの実施形態によれば、光スイッチは、液晶セルと、前記液晶セルに隣接する切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルとを含む。前記ＳＰＧは、第１のガラス基板と、前記第１のガラス基板を覆う第１の電極層と、前記第１の電極層を覆う光配向層と、前記光配向層を覆う液晶材料と、前記液晶材料を覆う第２の光配向層とを含む。前記第１の光配向層および前記第２の光配向層は、円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化した感光性ポリマーを含む。前記ＳＰＧは更に、前記第２の光配向層を覆う第２の電極層と、前記第２の電極層を覆う第２のガラス基板とを含む。
【０００５】
別の実施形態によれば、光スイッチは、液晶セルと、前記液晶セルに隣接するポリマー液晶偏光回折格子（ＰＰＧ）セルとを含む。前記ＰＰＧは、ガラス基板と、前記ガラス基板を覆い、かつ円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉光ビームを使用して露光されることにより物理的に変化している感光性ポリマーを含む光配向層と、前記光配向層を前記ガラス基板の反対側で覆い、かつ均一光ビームを用いる照射により物理的に変化した重合液晶層とを含む。
【０００６】
更に別の実施形態によれば、偏光回折格子を含む光スイッチを動作させる方法は、入射光ビームを円偏光に偏光させる工程と、前記偏光光ビームを前記偏光回折格子に誘導する工程と、前記偏光回折格子で、前記偏光入射光ビームを、前記入射光ビームの前記円偏光に応じた回折次数及び２つの干渉光ビームを用いて形成される、前記偏光回折格子の内部に形成されるホログラムパターン方向に対応する所定の角度で、回折させる工程とを含む。
【０００７】
本発明および本発明の利点を更に完全に理解するために、次に以下の説明を添付の図面と併せて参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１ａ】切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルの形成プロセスを示している。
【図１ｂ】切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルの形成プロセスを示している。
【図２ａ】電圧が印加されていない状態のＳＰＧセルを示している。
【図２ｂ】電圧が印加されている状態のＳＰＧセルを示している。
【図３ａ】ＳＰＧセルの異なる動作モードを示している。
【図３ｂ】ＳＰＧセルの異なる動作モードを示している。
【図３ｃ】ＳＰＧセルの異なる動作モードを示している。
【図４ａ】ポリマー液晶偏光回折格子（ＰＰＧ）セルの形成プロセスを示している。
【図４ｂ】ポリマー液晶偏光回折格子（ＰＰＧ）セルの形成プロセスを示している。
【図４ｃ】ポリマー液晶偏光回折格子（ＰＰＧ）セルの形成プロセスを示している。
【図４ｄ】ポリマー液晶偏光回折格子（ＰＰＧ）セルの形成プロセスを示している。
【図５ａ】ＰＰＧセルの異なる動作モードを示している。
【図５ｂ】ＰＰＧセルの異なる動作モードを示している。
【図６】波長選択スイッチ（ＷＳＳ）の具体的な光学系を示している。
【図７ａ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｂ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｃ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｄ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｅ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｆ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｇ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図７ｈ】液晶（ＬＣ）セルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図８】ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる具体的な光スイッチエンジンを示している。
【図９】ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる別の具体的な光スイッチエンジンを示している。
【図１０】ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる更に別の具体的な光スイッチエンジンを示している。
【図１１ａ】ＬＣセルおよびＰＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図１１ｂ】ＬＣセルおよびＰＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図１１ｃ】ＬＣセルおよびＰＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図１１ｄ】ＬＣセルおよびＰＰＧセルの複合素子の異なる動作モードを示している。
【図１２】ＬＣセルおよびＰＰＧセルの複合素子を用いる具体的な光スイッチエンジンを示している。
【図１３】光スイッチエンジンを、ＬＣセルおよびＳＰＧセルを用いて動作させる具体的な方法を示している。
【図１４】光スイッチエンジンを、ＬＣセルおよびＰＰＧセルを用いて動作させる具体的な方法を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
現時点で好適な実施形態を構成し、使用する手法について以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明は、非常に多岐に亘る特定の状況で具体化することができる多くの適用可能な革新的なコンセプトを提供することを理解されたい。説明する特定の実施形態は、本発明を構成し、使用するための特定のやり方を単に例示しているに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１０】
波長選択スイッチ（ＷＳＳ）製品に現在使用されている技術として、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）、くさび型結晶を備える液晶（ＬＣ）、およびデジタルマイクロミラー素子（ＤＭＤ）を挙げることができる。これらの技術の場合、これらの光学系は、光スイッチエンジンが異なる以外は、互いに同様とすることができる。
【００１１】
ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）では、これらの波長は、回折格子によりそれぞれ異なるチャネルへ向かうように回折されて、次いで、各波長は、対応するＭＥＭＳ反射ミラーに入射する。各ＭＥＭＳ反射ミラーに加わる電圧を制御することにより、ミラーの回転角を制御して、光反射角を制御することができる。ネットワークの要件に従って、各波長を所定の角度に反射することができる。複数のチャネルから同じ角度に反射される波長ビームは、回折格子を２回目に通過した後に、回折されて１つのビームになることができ、次いで、出力ポートへ入射して結合することができる。切り替え時に光減衰量を制御し、かつヒットレス機能を実現するために、各ＭＥＭＳミラーは、２つの回転方向を有し、一の回転でポート切り替えを行い、他の回転で減衰量およびヒットレス機能を制御する。ＭＥＭＳ系ＷＳＳは、光学系が単純であり、性能が良好であるという利点を有する。しかしながら、ＭＥＭＳ系ＷＳＳは、比較的低い歩留まりに起因するＭＥＭＳチップ形成に要する高コスト、ＭＥＭＳミラーに対する高電圧駆動要件に起因する電子素子に要する高コスト、非常に多くのポートを実現する難しさ、および柔軟なグリッド（Ｆｌｅｘｇｒｉｄ）機能を設計する難しさといった幾つかの不具合を有する。
【００１２】
ＬＣＯＳは、ＷＳＳ（波長選択スイッチ）システムに使用される別の技術である。ＬＣＯＳは、ガラス基板とシリコン背面との間に配置されるＬＣ層から成る。ＬＣＯＳ系ＷＳＳでは、回折格子により分離される各波長光は、Ｍ×Ｎ画素を網羅するＬＣＯＳパネルに入射する。これらの画素に加わる電圧を制御することにより、入射光ビームが所定の角度に回折されるようなＬＣ（液晶）位相回折格子を形成することができる。ＬＣ（液晶）回折格子ピッチを変えることにより、異なる回折角度が得られる。従って、ある波長光についてＬＣ（液晶）位相回折格子ピッチを制御することにより、光ビームを所定の出力ポートにルーティングすることができる。ＬＣＯＳ系ＷＳＳは、光学系が単純である、多くのポート数が容易に実現される、柔軟なグリッド機能が容易に実現されるといった幾つかの利点を有する。不具合としては、電子駆動方式が複雑であること、制御ソフトウェアが極めて複雑であること、低クロストークを実現することが困難であること、および温度に対する感度が非常に高いことを挙げることができる。
【００１３】
ＷＳＳ（波長選択スイッチ）に使用される別の技術が、結晶ウェッジを備えるＬＣである。結晶ウェッジを備えるＬＣを用いたＷＳＳ設計は、２００９年３月３日に発行され、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ  Ａｎｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ  Ｗｅｄｇｅｓ（液晶および複屈折結晶ウェッジを用いた光スイッチング装置および方法）」と題する米国特許第７，４９９，６０８号明細書に記載されている。このようなＷＳＳのスイッチエンジンは、出力ポートの必要数によって異なるが、数段のＬＣセルおよびウェッジプレート複合素子から成る。各段では、ＬＣセルは、偏光を切り替えるのに使用され、またウェッジプレートは、光を、入射光の偏光によって異なるように２つの方向に屈折させるのに用いられる。その結果、１×２型光スイッチが得られる。従って、Ｎ段を積層すると、１×２Ｎ型光スイッチが得られる。使用するＬＣセルは、必要な光チャネル数によって定義されるＭ個の画素に分離される。ＬＣ画素に印加される電圧を制御することにより、対応する波長光を所定の出力ポート群にルーティングすることができる。このようなＷＳＳは、駆動用電子素子が簡単であり、高い耐振動性を示し、高い信頼性を示すという利点を有する。不具合として、高い材料コストに起因する高コスト、複雑な素子組み立てプロセスに起因する比較的低い歩留まり、および非常に多いポート数を実現する難しさを挙げることができる。
【００１４】
ＤＭＤ（デジタルマイクロミラー素子）技術も、ＷＳＳシステムに使用される。このようなシステムでは、各波長光は、幾つかのＤＭＤ／ＭＥＭＳミラーに入射する。これらのミラーの回転角を制御することにより、光ビームを所定の角度に誘導することができる。これらのミラーは、２つしか偏向位置を有しないので、１つのＤＭＤチップ系ＷＳＳは、１×２型スイッチしか実現できない。ＷＳＳのスイッチポート数を増やすためには、より多くのＤＭＤチップが必要になり、光学系設計が高コストになり、かつ非常に難しくなる。
【００１５】
上に説明したように、既存の技術を用いるＷＳＳシステムは、駆動用電子素子が複雑なソフトウェアを備えること、材料が高コストであること、振動耐性が低いこと、および非常に多くのポートに拡張することが困難であることを含む不具合を有している。本明細書において記載されるのは、ＷＳＳ（波長選択スイッチ）を実現する具体的なシステムおよび方法である。異なる実施形態では、切り替え可能な偏光回折格子（ＳＰＧ）セルおよびＬＣセルの複合素子、ならびにポリマー液晶偏光回折格子（ＰＰＧ）セルおよびＬＣセルの複合素子を用いて、上に挙げたシステムの不具合のうちの少なくとも幾つかの不具合を解決する１×Ｎ型ＷＳＳシステムを実現する。
【００１６】
図１ａおよび図１ｂは、ＳＰＧセルの形成プロセス１００を示している。従来のＬＣセルを形成する際、ＬＣ配向層は、当該ＬＣを挟み込むために使用される２枚の基板上に堆積される２つのポリマー層をラビングまたは露光することにより形成される。ＳＰＧセルの形成プロセス１００は、ＬＣ配向層を形成する工程に関して異なっている。ＳＰＧセルの形成プロセス１００の第１の工程（図１ａ）では、２つの感光性ポリマー層１０２が２つのガラス基板１０６上にそれぞれ堆積され、次いで、２枚のガラス基板を合体させて、ＬＣを充填するためのギャップを残す。電極（導体）層１０４が更に、各感光性ポリマー層１０２と各感光性ポリマー層１０２に対応するガラス基板１０６との間に付加される。次に（図１ｂ）、円偏光の回転方向が互いに反対である（それぞれ、右円偏光および左円偏光を有する）２つの干渉紫外（ＵＶ）光ビーム１９２が、（適切な入射角で）２つのポリマー層１０２を露光するのに用いられ（例えば、これらのガラス基板１０６を介して）、ホログラフィックパターンがこれらのポリマー層１０２に形成される。この干渉ビーム露光がＳＰＧセルの各面に対して行われることで、配向層が感光性ポリマー層１０２から形成される。ＬＣ１０８がギャップに充填され、２枚のガラス基板の間に挟み込まれる場合、ＬＣ１０８の分子は、この段階でＬＣ配向層として機能するこれらの感光性ポリマー層１０２の上に形成されたホログラムパターンと位置合わせされるように配向される。
【００１７】
図２ａおよび図２ｂはそれぞれ、電圧が印加されている状態および電圧が印加されていない状態のＳＰＧセル２００を示している。ＳＰＧセル２００は、形成プロセス１００を使用して形成することができる。電圧が電極層２０４に印加されていない状態（図２ａ）では、ＳＰＧセル２００のＬＣ２０８は回折格子を形成し、この回折格子によって、ガラス基板２０６のいずれの部分への入射光も、これらの配向層２０２を形成するための２本の露光ビームの角度で決まる方向（形成プロセス１００中に決まる方向）に回折される。ゼロではない電圧がこれらの電極層２０４に電圧が印加されると（図２ｂ）、ＬＣ２０８分子は、印加電圧によって生じる電界に位置合わせされるように配向するようになるので、ＬＣ回折格子の影響（配向層２０２によって生じる）が打ち消されてなくなり、ガラス基板２０６のいずれの部分への入射光も、回折されなくなる。ＬＣ回折格子の影響を打ち消すためには、十分大きな電圧が、例えば閾値電圧（Ｖｔｈ）を超える電圧が必要になる。
【００１８】
上に説明したＳＰＧセルは、普通の回折格子とは異なる０次および±１次の３つの回折次数を有する。図３ａ〜図３ｃは、ＳＰＧセルのそれぞれ異なる動作モード３００を示している。各動作モードは、１つの回折次数に対応し、各次数の光は、異なる角度に回折される。十分大きな電圧がＳＰＧセルに印加されている状態（図３ａ）では、光は、入射光の偏光が如何なる状態であっても回折されて０次数光となる。電圧が印加されていない状態、または低い電圧が印加されている状態（図３ｂおよび図３ｃ）では、回折光方向は、入射光の偏光によって異なる。右円偏光された入射光ビームは、回折されて＋１次数光（図３ａ）となるのに対し、左円偏光された入射光ビームは、回折されて−１次数光（図３ｃ）となる。ＳＰＧセルによって回折された後、光の円偏光が、図３ｂおよび図３ｃに示すように反転する（右円偏光と左円偏光との間で切り替わる）。
【００１９】
図４ａ〜図４ｄは、ＰＰＧセルの形成プロセス４００を示している。ＰＰＧセルの形成プロセス４００の第１の工程（図４ａ）では、光配向層４０２がガラス基板４０６上に堆積される。第２の工程（図４ｂ）では、ポリマー層４０２が、円偏光の回転方向が互いに反対である２つの干渉ＵＶビーム（４９２）で露光される。第３の工程（図４ｃ）では、重合性ＬＣ層４０３が光配向層４０２の上面に堆積される。第４の工程（図４ｄ）では、均一なＵＶビーム４９４を用いて、重合性ＬＣ層４０３を照射して、当該層のＬＣ組成物（分子）を重合させる。このようにして、ポリマー回折格子がガラス基板４０６に形成される。
【００２０】
結果として得られるＰＰＧセルは、当該ＰＰＧセルの回折特性を、電圧を印加することによって変化させる（上に説明したＳＰＧセルの場合におけるように）ことができないという点で、特性が一定の回折格子である。図５ａおよび図５ｂは、ＰＰＧセルの異なる動作モード５００を示している。各動作モードは、１つの回折次数に対応し、各次数光は、異なる角度に回折される。入射光ビームは、２つの方向のうちの一方の方向に回折される。詳細には、右円偏光を有する入射光ビームは、回折されて＋１次光（図５ａ）となるのに対し、左円偏光を有する入射光ビームは、回折されて−１次光（図５ｂ）となる。いずれの場合においても、回折後、ビームの偏光の回転方向が、反対の回転方向に変化、すなわち切り替わる。
【００２１】
図６は、ＷＳＳ（波長選択スイッチ）の具体的な光学系６００を示している。ＷＳＳ光学系６００は、ファイバアレイ６０１と、マイクロレンズアレイ６０２と、ビーム偏向アレイ６０３と、１／２波長板アレイ６０４と、シリンドリカルレンズ６０５と、シリンドリカル反射ミラー６０６と、回折格子６０７と、光スイッチエンジン６０８とを含む。ＷＳＳ光学系６００のこれらの構成素子は、図６に示す通りに配置することができる、または同じ機能または同様の機能を実現する任意の他の適切な配置となるように配置することができる。他の実施形態では、上に説明した構成素子と同様であって良いし、または上に説明した構成素子とは異なる更に別の構成素子を用いることもできる。これらの構成素子のうちの幾つかの構成素子の代わりに、同じ機能を実現する同じ構成素子、または他の構成素子の組み合わせを用いることもできる。
【００２２】
ファイバアレイ６０１は、入力ポートおよび出力ポートに使用される。１つのファイバ６０１からの入力光ビームまたは入射光ビームは、マイクロレンズアレイ６０２、ビーム偏向アレイ６０３、および１／２波長板アレイ６０４を通過すると、当該ビームは、同じ直線偏光を有する２本の平行ビームに分離される。次に、２本の光ビームは、シリンドリカルレンズ６０５およびシリンドリカル反射ミラー６０６を通過した後にコリメートされたビームになる。次に、これらの光ビームは、回折格子６０７によって回折されて、複数の波長に分離される。次いで、各波長光は、光スイッチエンジン６０８に集光される。光スイッチエンジン６０８は、各波長光を所定のポートにルーティングする。対応する光ビームは、光学系６００を（複数の構成素子を逆の順番で）再び通過し、所定の出力ファイバに入射して結合される。
【００２３】
ＷＳＳ光学系６００の光スイッチエンジン６０８は、以下に説明するＳＰＧセルおよびＬＣセルの複合素子、またはＰＰＧセルおよびＬＣセルの複合素子を含む適切なＷＳＳ（波長選択スイッチ）システムを用いて実現することができる。使用されている他のＷＳＳ（波長選択スイッチ）技術（例えば、ＭＥＭＳ，ＬＣＯＳ，ＬＣ，ウェッジプレート、ＤＭＤ）と比較すると、ＳＰＧまたはＰＰＧを用いるＷＳＳシステムは、光学系が単純である、電子駆動回路が簡単である、信頼性が高い、高性能である、多くのポート数を容易に実現できる、また製品コストを低く抑えることができるといった利点を有する。
【００２４】
図７ａ〜図７ｈは、ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子のそれぞれ異なる動作モード７００を示している。ＬＣセル７１０は、ＳＰＧセル７２０の手前に配置される（入射光から見た場合）。ＬＣセル７１０は、光の偏光を制御すなわち切り替えるのに用いられる。またＳＰＧセル７２０は、光ビームを所定の方向に回折させるのに用いられる。
【００２５】
図７ａ，７ｃ，７ｅ，および図７ｈに示すように、比較的大きな電圧（ＶＨ）（例えば、閾値を上回る電圧）をＬＣセル７１０に印加すると、入射光ビームの偏光は、ＬＣセルを通過しても変化しない。図７ｂ，７ｄ，７ｆ，および図７ｇに示すように、電圧をＬＣセル７１０に印加しない状態、または比較的小さな電圧（ＶＬ）（例えば、閾値を下回る電圧）をＬＣセル７１０に印加した状態では、入射光ビームの偏光の回転方向が切り替わる。図７ａ，７ｂ，７ｅ，および図７ｆに示すように、比較的大きな電圧（ＶＨ）（例えば、閾値を上回る電圧）をＳＰＧセル７２０に印加すると、入力光の偏光が如何なる状態であっても、光ビームは回折されて０次光となる。図７ｃ，７ｄ，７ｇ、および図７ｈに示すように、電圧をＳＰＧセル７２０に印加しない状態、または比較的小さな電圧（ＶＬ）（例えば、閾値を下回る電圧）をＳＰＧセル７２０に印加した状態では、ＬＣセル７１０によって制御される入射光の偏光によって異なるが、光ビームは、＋１次光または−１次光のいずれかとなるように回折されうる。入力光が右円偏光または左円偏光であるか否かに関係なく、ＬＣセル７１０およびＳＰＧセル７２０の複合素子は、光ビームを３つの方向にルーティングして、１×３型光スイッチを形成する。Ｎ個のグループのＬＣセルおよびＳＰＧセルは、１×３Ｎ型光スイッチを実現することができる。
【００２６】
図８は、ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる具体的な光スイッチエンジン８００の断面を示している。光スイッチエンジン８００は、ＷＳＳ光学系６００の光スイッチエンジン６０８として使用することができる。光スイッチエンジン８００は、偏光板８１５に接続されるＬＣセル８１０を含む可変光減衰器（ＶＯＡ）８０５と、１／４波長板（ＱＷＰ）８４０と、２つの連続するＬＣセル８１０およびＳＰＧセル８２０からなる対を含む１×９型光スイッチ８３０と、プリズムまたはミラー８９０とを備える。これらの構成素子は、図８に示す通りに、または別の適切な順番で配置することができる。ＬＣセル８１０およびＳＰＧセル８２０は、Ｍ個の画素を、Ｎ＝９本のビームと直交する方向（図８の紙面に垂直な方向）に有することができる。図８では、Ｎはポート数に対応するビームの本数であり、Ｍは波長チャネル数に対応する画素の個数である。光エンジン８００に使用されるＬＣセルは、電気制御複屈折（ＥＣＢ）セル、ツイステッドネマチック（ＴＮ）セル、および垂直配向（ＶＡ）セルであって良い。
【００２７】
簡潔性を期して、スイッチエンジンの動作原理は、図８のエンジン８００の断面に図示されているように１つの波長について説明される。しかしながら、同じ動作原理は全てのＭ個の画素に適用される。
【００２８】
入力光は最初に、光出力の減衰を制御するために使用されるＶＯＡ８０５を通過する。ＬＣセル８１０に加わる電圧を制御することにより、ＶＯＡ８０５の光出力量を制御することができる。ＱＷＰ８４０を使用して、光の直線偏光を円偏光に変化させる。次に、光ビームは、２グループのＬＣセル８１０およびＳＰＧセル８２０（１×９型光スイッチ８３０）を通過する。従って、出力ビームは、光軸に対して９通りの角度をとりうる。次に、当該ビームは、プリズムまたはミラー８９０で反射され、スイッチ８３０を通過した後に、光軸に平行になる。光スイッチエンジン８００は、適正に設計されて、任意の２つの隣接光路（９通りの切り替え角度）間の距離をほぼ等しくすることができる。従って、基準ファイバアレイは、光出力ポート（例えば、９個の出力ポートを備える）として使用することができる。
【００２９】
図９は、ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる具体的な別の光スイッチエンジン９００の断面を示している。光スイッチエンジン９００は、ＷＳＳ光学系６００の光スイッチエンジン６０８として使用することができる。光スイッチエンジン９００は、偏光板９１５に接続されるＬＣセル９１０を含むＶＯＡ９０５と、１対のＬＣセル９１０およびＳＰＧセル９２０、および後段の第２のＳＰＧセル９２０を含む１×７型光スイッチ９３０と、プリズムまたはミラー８９０とを備える。これらの構成素子は、図９に示す通りに、または別の適切な順番で配置することができる。ＬＣセル９１０およびＳＰＧセル９２０は更に、Ｍ個の画素を、Ｎ＝７本のビームと直交する方向（図９の紙面に垂直な方向）に有することができる。光スイッチエンジン９００と光スイッチエンジン８００との１つの違いは、光スイッチエンジン９００が、１つのＬＣセル９１０および２つのＳＰＧセル９２０を使用して、１×７型光スイッチを実現していることである。１×７型光スイッチでは、ＬＣセル９１０を使用して、光の偏光を制御し、２つのＳＰＧセル９２０を使用して、光を所定の角度に回折させる。更に、光スイッチエンジン９００はＱＷＰを含んでいない。その代わり、ＶＯＡ９０５のＬＣセル９１０が、切り替え可能な１／４波長板（λ／４と３λ／４との間で切り替わる）として設計されて、入射光の直線偏光を円偏光に変化させる。光出力ポート数を増やすために、更に多くのＳＰＧセル９２０を光スイッチエンジン９００に、例えばミラーまたはプリズム９９０の前方に追加することができる。例えば、ＳＰＧセル９２０がＮ個の場合、１×（２Ｎ＋１−１）型光スイッチエンジンが実装されて良い。
【００３０】
図１０は、ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる具体的な更に別の光スイッチエンジン１０００の断面を示している。光スイッチエンジン１０００は、ＷＳＳ光学系６００の光スイッチエンジン６０８として使用することができる。光スイッチエンジン１０００は、偏光板１０１５に接続されるＬＣセル１０１０を含むＶＯＡ１００５と、ＱＷＰ１０４０と、３つのＳＰＧセル１０２０を含む１×８型光スイッチ１０３０と、プリズムまたはミラー１０９０とを備える。これらの構成素子は、図１０に示す通りに、または別の適切な順番で配置することができる。これらのＳＰＧセル１０２０は更に、Ｍ個の画素を、Ｎ＝８本のビームと直交する方向（図１０の紙面に垂直な方向）に有することができる。上に説明した光スイッチエンジン８００および９００とは異なり、光スイッチエンジン１０００は、ＬＣセルを用いることなくＳＰＧセル群１０２０のみを使用して光回折角を制御する。光ビームがＶＯＡ１００５およびＱＷＰ１０４０を通過した後、入力ビームの直線偏光は円偏光に変化する。各ＳＰＧセル１０２０は、光ビームを２通りの角度に回折させることができる。従って、ＳＰＧセルがＮ個ある場合、１×２Ｎ型光スイッチエンジンを形成することができる。
【００３１】
図１１ａ〜図１１ｄは、ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子の異なる動作モード１１００を示している。ＬＣセル１１１０は、ＳＰＧセル１１５０の手前に配置される（入射光から見た場合）。ＬＣセル１１１０を用いて、光の偏光を制御する、または切り替え、またＰＰＧセル１１５０を用いて光ビームを、入力光の偏光によって異なるが、２通りの方向のうちの一方の方向に回折させる。従って、ＬＣセルおよびＰＰＧセルからなるＮ個の群は、１×２Ｎ型光スイッチを構成することができる。
【００３２】
図１１ａおよび図１１ｄに示すように、ＶＨ（例えば、閾値を上回る電圧）をＬＣセル１１１０に印加すると、入射光ビームの偏光は、ＬＣセルを通過することにより変化することはない。図１１ｂおよび図１１ｃに示すように、電圧をＬＣセル１１１０に印加しない状態、またはＶＬ（例えば、閾値を下回る電圧）をＬＣセル１１１０に印加した状態では、入射光ビームの偏光の左右が切り替わる。図１１ａおよび図１１ｃに示すように、ＰＰＧセル１１５０への入射光が、右円偏光を有する場合、光ビームは回折されて＋１次数光となる。図１１ｂおよび図１１ｄに示すように、ＰＰＧセル１１５０への入射光が、左円偏光されている場合、光ビームは回折されて−１次数光となる。
【００３３】
図１２は、ＬＣセルおよびＳＰＧセルの複合素子を用いる具体的な光スイッチエンジン１２００の断面を示している。光スイッチエンジン１２００は、ＷＳＳ光学系６００の光スイッチエンジン６０８として使用することができる。光スイッチエンジン１２００は、偏光板１２１５に接続されるＬＣセル１２１０を含むＶＯＡ１２０５と、２つの連続するＬＣセル１２１０およびＰＰＧセル１２５０からなる対を含む１×４型光スイッチ１２３０と、プリズムまたはミラー１２９０とを備える。これらの構成素子は、図１２に示す通りに、または別の適切な順番で配置することができる。これらのＬＣセル１２１０およびＰＰＧセル１２５０は、Ｍ個の画素を、Ｎ＝４本のビームと直交する方向（図１２の紙面に垂直な方向）に有することができる。同様の光スイッチは、必要数のＬＣおよびＰＰＧペアを積層して合体させることにより、任意の数の出力ポートを有するように設計することができる。
【００３４】
図１３は、光スイッチエンジンを、ＬＣセルおよびＳＰＧセルを用いて動作させる具体的な方法１３００を示している。例えば、方法１３００は、光スイッチエンジン８００，９００，および１０００のうちのいずれかの光スイッチエンジンを用いて実施される。工程１３１０では、入射光ビームを、左円偏光または右円偏光に偏光させる。例えば、ＱＷＰ８４０または１０４０、或いは電気的に切り替え可能な（電圧を印加することにより）ＬＣを用いて、直線偏光する入射光ビームを円偏光する光に変換する。工程１３２０では、円偏光する光ビームが、少なくとも１つのＳＰＧセルを用いて回折される。回折光ビームの偏光の回転方向が更に切り替えられる。例えば、円偏光する光が、左回り方向と右回り方向との間で、１×９型光スイッチ８３０の電気的に切り替え可能な第１のＬＣ８１０（または、１×７型光スイッチ９３０のＬＣ９１０）を用いて切り替えられ、続いて、電気的に切り替え可能な次段のＳＰＧ８２０（または、９２０）により、対応する角度に回折される。別の例では、円偏光する光が、１×８型光スイッチ１０３０の電気的に切り替え可能な第１のＳＰＧ１０２０により、対応する角度に直接回折される。
【００３５】
図１４は、ＬＣセルおよびＰＰＧセルを用いて光スイッチエンジンを動作させる具体的な方法１４００を示している。例えば、方法１４００は、光スイッチエンジン１２００を用いて実施される。工程１４１０では、入射光ビームが、左円偏光または右円偏光に偏光される。例えば、電気的に切り替え可能なＬＣを用いて、直線偏光する入射光ビームが円偏光する光に変換される。工程１４２０では、円偏光する光ビームが、少なくとも１対のＬＣセルおよびＰＰＧセルを用いて回折される。回折光ビームの偏光の回転方向が更に切り替えられる。例えば、円偏光光は、左回り方向と右回り方向との間で、１×４型光スイッチ１２３０の電気的に切り替え可能な第１のＬＣ１２１０を用いて切り替えられ、続いて、電気的に切り替え可能な次段のＳＰＧ１２５０により、対応する角度に回折される。
【００３６】
本発明について、例示的な実施形態を参照して説明してきたが、この説明は、限定的な意味に解釈されてはならない。例示の実施形態の種々の変形および組み合わせ、ならびに本発明の他の実施形態は、当業者には、説明を参照することにより明らかになる。従って、添付の請求項は、このような変形または実施形態の全てを包含する。
【図１ａ】
0006027628.tif 000002
【図１ｂ】
0006027628.tif 000003
【図２ａ】
0006027628.tif 000004
【図２ｂ】
0006027628.tif 000005
【図３ａ】
0006027628.tif 000006
【図３ｂ】
0006027628.tif 000007
【図３ｃ】
0006027628.tif 000008
【図４ａ】
0006027628.tif 000009
【図４ｂ】
0006027628.tif 000010
【図４ｃ】
0006027628.tif 000011
【図４ｄ】
0006027628.tif 000012
【図５ａ】
0006027628.tif 000013
【図５ｂ】
0006027628.tif 000014
【図６】
0006027628.tif 000015
【図７ａ】
0006027628.tif 000016
【図７ｂ】
0006027628.tif 000017
【図７ｃ】
0006027628.tif 000018
【図７ｄ】
0006027628.tif 000019
【図７ｅ】
0006027628.tif 000020
【図７ｆ】
0006027628.tif 000021
【図７ｇ】
0006027628.tif 000022
【図７ｈ】
0006027628.tif 000023
【図８】
0006027628.tif 000024
【図９】
0006027628.tif 000025
【図１０】
0006027628.tif 000026
【図１１ａ−１１ｄ】
0006027628.tif 000027
【図１２】
0006027628.tif 000028
【図１３】
0006027628.tif 000029
【図１４】
0006027628.tif 000030