(57)【要約】【課題】ファラデー回転子を用いた光スイッチで双方向スイッチングを可能にする。【解決手段】前方から順方向に第１光ポートＰ１、第１複屈折素子１０ａ、第１ファラデー回転子２０ａ、第１の１／２波長板３０ａ、第２複屈折素子１０ｂ、第２の１／２波長板３０ｂ、第２ファラデー回転子２０ｂ、第３複屈折素子１０ｃ、第２光ポートＰ２が配置されて、第１複屈折素子は第１光ポートからの順方向の光ビームＢ１を第１光路Ｌ１上に出射する常光Ｂ１１と第２光路Ｌ２上に出射する異常光Ｂ２１とに分離し、第１と第２の１／２波長板は、それぞれ第１と第２の光路上にのみ介在し、第１と第２ファラデー回転子は左右方向の永久磁界２３とオン状態における前後方向の外部磁界２４とがファラデー素子２１に印加されて、オフ状態では第１および第２の光ポート間に双方向の光路が形成され、オン状態では当該光路が切断される光スイッチ１としている。【選択図】図３
2015094853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光ポートと第２の光ポート間に形成された光路を再接続可能に遮断する光スイッチであって、
前方から後方に向かう順方向の光路を辿る途上に、光の入出射面を前後に有する、第１の複屈折素子、第１のファラデー回転子、第１の１／２波長板、第２の複屈折素子、第２の１／２波長板、第２のファラデー回転子、および第３の複屈折素子がこの順に配置されているとともに、前記第１の複屈折素子の前方に第１の光ポートが配置され、前記第３の複屈折素子の後方に第２の光ポートが配置され、
前後方向と直交する相対的な上下および左右の各方向を規定すると、第１および第３の複屈折素子の光学軸は左前方から右後方に向かい、前記第２の複屈折素子の光学軸は上前方から下後方に向かい、
前記第１および第２のファラデー回転子は、磁気光学材料からなるファラデー素子と二つの永久磁石と電磁石とを備え、
前記二つの永久磁石は、平板板状で、異なる磁極同士が対面するように前記ファラデー素子の左右のそれぞれの側面に取り付けられて、当該ファラデー素子に対して左右一方向に永久磁界を印加し、前記電磁石は前記ファラデー素子に対して前後一方向の磁界を印加するように構成され、
前記第１の複屈折素子は、前記第１の光ポートからの順方向の光ビームが前端面の第１の位置から入射されると、常光と異常光を左右方向に分離するとともに、常光に対応する光ビームを第１の光路上に出射し、異常光に対応する光ビームを第２の光路上に出射し、
前記第３の複屈折素子は前記第２の光ポートからの逆方向の光ビームが後端面の第２の位置から入射されると、常光と異常光を左右方向に分離するとともに、常光に対応する光ビームを前記第２の光路上に出射し、異常光に対応する光ビームを前記第１の光路上に出射し、
前記第１の１／２波長板は、前記第１の光路上に配置され、
前記第２の１／２波長板は、前記第２の光路上に配置され、
前記第１および第２のファラデー回転子は、前記電磁石による前後一方向の外部磁界が前記ファラデー素子に印加されていないオフ状態では、順方向および逆方向から入射した光ビームの偏波面を回転させずに出射するとともに、前記前後一方向の磁界が前記ファラデー素子に印加されているオン状態では、順方向および逆方向から入射した光ビームの偏波面を前後方向を軸として左右一方向に９０°回転させて出射し、
前記オフ状態では、前記第１の光路と前記第２の光路を順方向に辿るそれぞれの光ビームが前記第２の位置にて結合して前記第２の光ポートに入射するとともに、前記第１の光路と前記第２の光路を逆方向に辿るそれぞれの光ビームが前記第１の位置にて結合して前記第１の光ポートに入射することで前記第１の光ポートと第２の光ポート間で双方向の光路が形成され、
前記オン状態では、前記第１の光路と前記第２の光路を順方向に辿るそれぞれの光ビームが前記第２の位置とは異なる第３の位置に結合して前記第１ポートと前記第２ポート間の光路が切断される、
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、前記第３の複屈折素子の前記第３の位置の後方に第３の光ポートが配置されて、前記オン状態では、前記第１の光ポートからの順方向の光ビームが当該第３の光ポートに入射するとともに、前記第３の光ポートからの逆方向の光ビームが前記第１の光ポートに入射することで、前記オン状態では前記第１の光ポートと第３の光ポート間に双方向の光路が形成されることを特徴とする光スイッチ。  
【請求項３】
請求項１または２に記載の光スイッチにおいて、前記ファラデー素子は、磁気光学材料からなる磁気光学結晶膜が前後方向に偶数枚積層されてなるとともに、前後で隣接し合う前記磁気光学結晶膜は、結晶面が互いに１８０°となることを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光スイッチに関し、具体的にはファラデー回転子を用いて光路の接続と切断を行える光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光スイッチは、光ビームの入出力口となる二つの光ポート間に形成された光路を切断したり光路を他の光ポートに切り替えたりする動作を行う光デバイスである。ところで、光スイッチには、光路の両端に配置された光ポート間で双方向に光の透過と遮断ができる双方向スイッチング機能を備えたものがある。双方向スイッチング機能は、例えば、互いに対向する二つの光ポートがあった場合、一方の光ポートから他方の光ポートへの光路が形成されている状態で、反対の光路である他の光ポートから出射した光も一方の光ポートに入射させることができる機能である。
【０００３】
この双方向スイッチング機能を備えた光スイッチの方式として機械式がある。機械式の光スイッチは、二つの光ポート間の光路の接続と切断を行うために、例えば、一方の光ポートの光ファイバ自体を電磁アクチュエータなどを用いて駆動したり、光ポート間にプリズムを出し入れしたりするものが知られている。また、機械式の一種として、周知のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて微少なミラーの角度を変えて光路を切り替えたりする方式もある。なお、以下の特許文献１と２には、プリズムを用いた光スイッチについて記載されている。また、本発明に関連する技術が以下の特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２３６７８４号公報
【特許文献２】特開平６−５１２５５号公報
【特許文献３】特開２００１−１１７０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
双方向スイッチング機能を備えた光スイッチは、今後、一方の光ポートから他方の光ポートへの一方向と他方の光ポートから一方の光ポートへの反対方向とで異なる波長の光を用いた光通信などに用いられる可能性がある。そして光通信網に設置される光スイッチには、高速応答性とともに、故障や経年劣化が少ない信頼性や耐久性が求められる。
【０００６】
上述した機械式の光スイッチは、可動部品を含むため、異物の混入などによる故障や動作不良、あるいは摩耗などによる経年劣化など、信頼性や耐久性に関わる問題がある。周知のごとく、ＭＥＭＳ以外の方式ではスイッチングに要する応答時間が数ｍｓ程度であり、高速応答性にも問題がある。ＭＥＭＳについても一般的に０．５ｍｓ程度であり、極めて応答速度が速いとは言い難い。
【０００７】
そこで、ファラデー回転子を用いた磁気光学方式による光スイッチが考えられる。周知のごとく、ファラデー回転子は永久磁石あるいは電磁石による磁界をＹ３ Ｆｅ５ Ｏ１２ （ＹＩＧ）などの磁気光学材料からなるファラデー素子に印加し、この磁界方向に進行する光の偏波面を回転させる光学部品である。磁気光学方式は、例えば、上記特許文献３に記載の光サーキュレータを構成することで特定の光ポート間での光路の接続や切断、あるいは切り替えを行うことができる。ファラデー回転子は可動部品や可動機構がなく、故障や摩擦などによる機械的な経年劣化などの問題が原理的に発生しない。応答時間も１０μｓ〜１００μｓ程度であり、ファラデー回転子を用いた様々な光デバイスが実際に光通信用途として提供されている。
【０００８】
しかしながら、ファラデー回転子は非相反素子であり、ファラデー回転子を用いた光スイッチで双方向スイッチング機能を備えたものが現存しない。
【０００９】
そこで本発明は、高速応答性と信頼性や耐久性を有するファラデー回転子を用いて双方向スイッチングが可能な光スイッチを提供することを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明は、第１の光ポートと第２の光ポート間に形成された光路を再接続可能に遮断する光スイッチであって、
前方から後方に向かう順方向の光路を辿る途上に、光の入出射面を前後に有する、第１の複屈折素子、第１のファラデー回転子、第１の１／２波長板、第２の複屈折素子、第２の１／２波長板、第２のファラデー回転子、および第３の複屈折素子がこの順に配置されているとともに、前記第１の複屈折素子の前方に第１の光ポートが配置され、前記第３の複屈折素子の後方に第２の光ポートが配置され、
前後方向と直交する相対的な上下および左右の各方向を規定すると、第１および第３の複屈折素子の光学軸は左前方から右後方に向かい、前記第２の複屈折素子の光学軸は上前方から下後方に向かい、
前記第１および第２のファラデー回転子は、磁気光学材料からなるファラデー素子と二つの永久磁石と電磁石とを備え、
前記二つの永久磁石は、平板板状で、異なる磁極同士が対面するように前記ファラデー素子の左右のそれぞれの側面に取り付けられて、当該ファラデー素子に対して左右一方向に永久磁界を印加し、前記電磁石は前記ファラデー素子に対して前後一方向の磁界を印加するように構成され、
前記第１の複屈折素子は、前記第１の光ポートからの順方向の光ビームが前端面の第１の位置から入射されると、常光と異常光を左右方向に分離するとともに、常光に対応する光ビームを第１の光路上に出射し、異常光に対応する光ビームを第２の光路上に出射し、
前記第３の複屈折素子は前記第２の光ポートからの逆方向の光ビームが後端面の第２の位置から入射されると、常光と異常光を左右方向に分離するとともに、常光に対応する光ビームを前記第２の光路上に出射し、異常光に対応する光ビームを前記第１の光路上に出射し、
前記第１の１／２波長板は、前記第１の光路上に配置され、
前記第２の１／２波長板は、前記第２の光路上に配置され、
前記第１および第２のファラデー回転子は、前記電磁石による前後一方向の外部磁界が前記ファラデー素子に印加されていないオフ状態では、順方向および逆方向から入射した光ビームの偏波面を回転させずに出射するとともに、前記前後一方向の磁界が前記ファラデー素子に印加されているオン状態では、順方向および逆方向から入射した光ビームの偏波面を前後方向を軸として左右一方向に９０°回転させて出射し、
前記オフ状態では、前記第１の光路と前記第２の光路を順方向に辿るそれぞれの光ビームが前記第２の位置にて結合して前記第２の光ポートに入射するとともに、前記第１の光路と前記第２の光路を逆方向に辿るそれぞれの光ビームが前記第１の位置にて結合して前記第１の光ポートに入射することで前記第１の光ポートと第２の光ポート間で双方向の光路が形成され、
前記オン状態では、前記第１の光路と前記第２の光路を順方向に辿るそれぞれの光ビームが前記第２の位置とは異なる第３の位置に結合して前記第１ポートと前記第２ポート間の光路が切断される、
ことを特徴とする光スイッチとしている。
【００１１】
上記光スイッチにおいて、前記第３の複屈折素子の前記第３の位置の後方に第３の光ポートが配置されて、前記オン状態では、前記第１の光ポートからの順方向の光ビームが当該第３の光ポートに入射するとともに、前記第３の光ポートからの逆方向の光ビームが前記第１の光ポートに入射することで、前記オン状態では前記第１の光ポートと第３の光ポート間に双方向の光路が形成される光スイッチとすることもできる。  
前記ファラデー素子は、磁気光学材料からなる磁気光学結晶膜が前後方向に偶数枚積層されてなるとともに、前後で隣接し合う前記磁気光学結晶膜は、結晶面が互いに１８０°となる光スイッチとしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光スイッチによれば、信頼性、耐久性、および高速応答性を備えつつ、双方向でのスイッチングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例に係る光スイッチの概略構造を示す図である。
【図２】上記実施例に係る光スイッチを構成するファラデー回転子の構造を示す図である。
【図３】上記実施例に係る光スイッチのオフ状態での動作を示す図である。
【図４】上記実施例に係る光スイッチのオン状態での動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。
【００１５】
＝＝＝光スイッチの構成＝＝＝
本発明の実施例に係る光スイッチは、非相反素子であるファラデー回転子を用いつつ、双方向スイッチング機能を備えている。図１に本実施例に係る光スイッチ１の構造を示した。図１（Ａ）は当該光スイッチ１の外観を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は当該光スイッチ１に対して光信号を入出力する第１〜第３の光ポート（Ｐ１〜Ｐ３）の位置を示している。図１（Ｃ）は当該光スイッチ１を構成する１／２波長板（３０ａ、３０ｂ）の光学軸（３１ａ、３２ｂ）方向を示している。
【００１６】
当該光スイッチ１は、光ビームの進行方向を前後方向とすると、図１（Ａ）に示したように、前方から後方に向かって順に、第１の複屈折素子１０ａ、第１のファラデー回転子２０ａ、第１のλ／２板３０ａ、第２の複屈折素子１０ｂ、第２のλ／２板３０ｂ、第２のファラデー回転子２０ｂ、第３の複屈折素子１０ｃが配置された構成である。この光スイッチ１を構成する各光学部品（１０ａ、２０ａ、３０ａ、１０ｂ、３０ｂ、２０ａ、１０ｃ）は前面と後面を光ビームの入出射面としている。
【００１７】
第１〜第３の複屈折素子（１０ａ〜１０ｃ）は、実質的に同じものであり、ルチル単結晶などからなる。第１と第３の複屈折素子（１０ａ、１０ｃ）については光学軸（１１ａ、１１ｃ）方向も同じである。ここで、前方から見たときの第１および第３の複屈折素子（１０ａ、１０ｃ）の光学軸（１１ａ、１１ｃ）の方向を左右方向とするとともに、この左右方向と前後方向とに直交する方向を上下方向とする。なお左と右の各方向については前方から見たときの方向によって規定することとする。
【００１８】
第１および第３の複屈折素子（１０ａ、１０ｃ）の光学軸（１１ａ、１１ｃ）は、左右方向から見ると前後方向に一致しており、上下方向から見ると、左前方から右後方に延長する方向となっている。第２の複屈折素子１０ｂの光学軸１１ｂは、前後方向を軸として第１または第３の複屈折素子（１０ａ、１０ｃ）を右へ９０゜回転させた方向に一致している。ここで、第２の複屈折素子１０ｂの光学軸１１ｂを左右方向から見たときに、当該光学軸１１ｂが上前方から下後方に向かって延長するものとして上と下の各方向を規定することとする。さらに前後方向をｚ軸とした左手系のｘｙｚ座標を規定することとし、左右方向にｘ軸、上下方向にｙ軸を設定する。
【００１９】
ｘ、ｙ、ｚの各軸の設定に際しては、第１〜第３の光ポート（Ｐ１〜Ｐ３）の位置を基準としている。具体的には、図１（Ａ）に示したように、光ファイバコリメータなどによって構成される三つの光ポート（Ｐ１〜Ｐ３）のうち、第１の光ポートＰ１は光スイッチ１の前端側に配置され、第２の光ポートＰ２と第３の光ポートＰ３は後端側に配置されるものとし、さらに図１（Ｂ）に示したように、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２は前方から見たときに、第１の光ポートＰ１を上側としてｙ軸に対して互いに対称となる位置に配置されていることとしている。第２の光ポートＰ２と第３の光ポートＰ３は、ｘ軸に対して互いに対称となる位置に配置されていることとしている。このように各光ポート（Ｐ１〜Ｐ３）の位置を基準としてｘ軸とｙ軸を規定している。
【００２０】
ｚ軸、すなわちｘｙ平面における原点ｏについては、前方から見たときに第１の光ポートＰ１と第３の光ポートＰ３を結ぶ直線５１がｘ軸およびｙ軸と４５゜の角度方向にあり、さらに第１の光ポートＰ１と第３の光ポートＰ３が原点ｏに対して対称となる位置に配置されているものとして規定している。つぎに、複屈折素子（１０ａ〜１０ｃ）以外の各光学部品（２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂ）について説明する。
【００２１】
第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、実質的に同じものであり、磁気光学材料からなるファラデー素子２１にｘ軸と平行な方向（左右方向）に永久磁界２３を印加するための永久磁石２２とファラデー素子２１にｚ軸方向（前後方向）の磁界（以下、外部磁界とも言う）２４を印加するための電磁石とから構成されている。また、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）のそれぞれには同じ強度の永久磁界２３と、同じ強度の外部磁界２４が印加されることとしている。図２にファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）の一実施形態について、その概略構造を示した。図２（Ａ）はファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）の外観図であり、図２（Ｂ）はファラデー素子２１に印加される永久磁界２３と外部磁界２４の方向を示す図である。図２（Ｃ）は、ファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）を構成するファラデー素子２１の構造の一例を示す図である。図２（Ａ）に示したように、本実施例におけるファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、磁気光学材料からなる直方体形状のファラデー素子２１と、当該ファラデー素子２１に永久磁界を印加するための永久磁石２２と、外部の駆動回路（図示せず）により駆動されてファラデー素子２１に外部磁界の印加を可能とするためコイル２５とを含んで構成されている。
【００２２】
具体的には、ファラデー素子２１の左右それぞれの側面に、異なる磁極同士が対面するように平板状の永久磁石２２が配置されており、この二つの永久磁石２２によりファラデー素子２１には左右一方向の永久磁界２３がファラデー素子２１を磁気飽和させるためのバイアス磁界として印加される。本実施例では、平板状の永久磁石２２の左右の各面は、ファラデー素子２１に左方から右方に向かって永久磁界を印加するように着磁されている。また永久磁石２２は、実際には、接着剤などを用いてファラデー素子２１の側面に取り付けられている。
【００２３】
ファラデー素子２１の周囲にはｚ軸方向を軸として導線が巻回されてコイル２５が形成されている。本実施例では、このコイル２５に通電することで、ファラデー素子２１に後方から前方に外部磁界２４が印加されるようになっている。そしてファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、外部磁界が印加されている状態では、前方および後方から入射される直線偏光を前方から見て時計回りに回転させるように動作する。もちろん、ファラデー素子２１自体を巻軸としてコイル２５を形成せず、ｚ軸方向を軸としたコイルをファラデー素子２１の前後に配置しても、ファラデー素子２１に前後方向の外部磁界２４を印加することができる。
【００２４】
本実施例において、ファラデー素子２１は単一の磁気光学材料で構成されているのではなく、図２（Ｃ）に示したように、平板状の磁気光学結晶膜２６を前後方向に偶数枚積層させたものであり、前後で隣り合う磁気光学結晶膜２６同士では結晶方位が互いに反対方向を向いている。それによって、薄い板状の永久磁石２２で強大な磁界を発生させることができなくても、各磁気光学結晶膜２６を磁気飽和に近い状態にさせることができる。また、個々の磁気光学結晶膜２６が完全に磁気飽和されていなくても、前後の磁気光学結晶膜２６によって磁気光学特性が相殺され、ファラデー素子２１全体としては、実質的に磁気飽和された状態となる。もちろん、強大な磁界を発生できる板状の永久磁石２２やヴェルデ常数が極めて大きな磁気光学材料を用いれば、ファラデー素子２１を一体的に形成することも可能である。いずれにしても、永久磁石２２によってｘ軸方向に永久磁界が印加され、ｚ軸方向の外部磁界によって入射した直線偏光の偏波面を回転させるように構成されていればよい。
【００２５】
第１および第２のλ／２板（３０ａ、３０ｂ）は、図１（Ｃ）に示したように、光学軸（３１ａ、３１ｂ）の方向がｘｙ面内でｘ軸（ｙ軸）に対して４５゜の角度となるように配置されている。また第１のλ／２板３０ａと第２のλ／２板３０ｂは、ｙ軸に対して左右対象となるように配置されている。この例では、ｙ軸に対し、第１のλ／２板３０ａが左方に配置され、第２のλ／２板３０ｂが右方に配置されている。本実施例の光スイッチ１は、上述した構成を備えて、前後に配置されている第１〜第３の光ポートＰ１〜Ｐ３間に光路を形成したりその光路を遮断したりする動作を行う。
【００２６】
＝＝＝光スイッチの動作＝＝＝
＜オフ状態＞
図３は、本実施例の光スイッチ１において、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間を光路で接続するための動作を示している。図３（Ａ−１）は、光スイッチ１を上方から見たときの第１の光ポートＰ１から第２の光ポートＰ２に至る順方向の光路を示している。図３（Ａ−２）は、（Ａ−１）に示した光路を前方から見たときの図であり、光ビーム（以下、ビームあるいは光ともいう）の位置と偏光状態を示している。具体的には、前方から見たときの第１の複屈折素子１０ａ、第１のファラデー回転子２０ａ、第１のλ／２板３０ａ、第２の複屈折素子１０ｂ、第２のλ／２板３０ｂ、第２のファラデー回転子２０ｂ、および第３の複屈折素子１０ｃのそれぞれの前面（ｆ１〜ｆ７）におけるビーム（Ｂ１、Ｂ１２〜Ｂ１４、Ｂ１６、Ｂ１７、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２５〜Ｂ２７）の入射位置、および第３の複屈折素子の後面ｓ８におけるビームＢ２の出射位置と振動方向の変移を、その順（ｓ１〜ｓ８）を追って示している。
【００２７】
また、図３（Ｂ−１）と（Ｂ−２）は、光スイッチ１を上方から見たときの第２の光ポートＰ２から第１の光ポートＰ１に至る逆方向の光路と、その光路を前方から見たときの上記各面（ｆ１〜ｆ８）における光ビーム（Ｂ３、Ｂ３２〜Ｂ３４、Ｂ３６、Ｂ３７、Ｂ４２、Ｂ４３、Ｂ４５〜Ｂ４７、Ｂ４）の位置と偏光状態をその順（ｓ１１〜ｓ１８）を追って示している。
【００２８】
本実施例の光スイッチ１では、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）には外部磁界が印加されていない状態（以下、オフ状態とも言う）において第１の光ポートＰ１からの出射光Ｂ１が第２の光ポートＰ２に出射光Ｂ２として入射し、第１の光ポートＰ１から第２の光ポートＰ２に至る順方向の光路が形成される。同時に第２の光ポートＰ２からの出射光Ｂ３が第１の光ポートＰ１に出射光Ｂ４として入射し、第２の光ポートＰ２から第１の光ポートＰ１に至る逆方向の光路も形成され、双方向で光路が接続される状態となる。
【００２９】
まず、図３（Ａ−１）、（Ａ−２）に示したように、オフ状態における順方向の光路を辿ると、第１の光ポートＰ１から出射した光ビームＢ１（ｓ１）は、第１の複屈折素子１０ａにより常光Ｂ１１と異常光Ｂ２１に分離する。常光Ｂ１１は前方から見たときに、第１の複屈折素子１０ａの光学軸１１ａに対して直交する上下（ｙ軸）方向に振動し、異常光Ｂ２１は光学軸１１ａと平行となるようにｘ軸方向に振動している。また異常光Ｂ２１は、光学軸１１ａに沿って屈折して常光Ｂ１１とは異なる位置から出射する。本実施例では、第１の複屈折素子１０ａは、異常光Ｂ２１がｙ軸に対して常光Ｂ１１と対称となる位置から出射するように、その光学軸１１ａの方向や前後の長さなどが設定されている。なお以下では、第１の複屈折素子１０ａにおける常光Ｂ１１が以後に辿る光路を第１の光路Ｌ１、異常光Ｂ２１が辿る光路を第２の光路Ｌ２とする。
【００３０】
第１の複屈折素子１０ａから出射したビーム（Ｂ１２、Ｂ２２）は、それぞれ第１のファラデー回転子２０ａに入射する（ｓ２）。第１のファラデー回転子２０ａはオフ状態であり、左右方向の永久磁界２３によって磁気飽和している。すなわち、前後方向に入射する直線偏光についてはその偏波面（以下、振動方向とも言う）を回転させずに出射し、第１の複屈折素子１０ａからの出射光（Ｂ１２、Ｂ２２）はその振動方向を維持したまま第１のλ／２板３０ａの位置に至る（ｓ３）。第１のλ／２板３０ａは、ｙ軸に対して左方にのみ配置されて、第１の光路Ｌ１上にのみ介在する。したがって、第１のファラデー回転子２０ａから第１の光路Ｌ１上に出射した光Ｂ１３はその振動方向が９０゜回転し、ｘ軸方向に振動する光Ｂ１４として第１のλ／２板３０ａから出射する。一方、第２の光路Ｌ２を進行する光Ｂ２３上には第１のλ／２板３０ａが介在せず、振動方向を維持したまま第２の複屈折素子１０ｂに入射する（ｓ４）。
【００３１】
第２の複屈折素子１０ｂの光学軸１１ｂは前方から見たときにｙ軸方向を向いており、第１および第２の光路（Ｌ１、Ｌ２）を辿ってこの第２の複屈折素子１０ｂに入射する光（Ｂ１４、Ｂ２３）はともにｘ軸方向に振動している。そのため、第２の複屈折素子１０ｂを透過する二つの光路（Ｌ１、Ｌ２）を辿る光（Ｂ１５、Ｂ２４）は、前方から見ると、振動方向を維持しつつ入射光（Ｂ１４、Ｂ２３）と同じ位置を通る。すなわち、第２の複屈折素子１０ｂからの出射光（Ｂ１５、Ｂ２４）は、入射光（Ｂ１４、Ｂ２３）と同じ位置と振動方向を維持しながら第２のλ／２板３０ｂの位置に至る（ｓ５）。
【００３２】
第２のλ／２板３０ｂは、ｙ軸に対して右方にのみ配置されて、第２の光路Ｌ２上にのみ介在する。したがって、第２の複屈折素子１０ｂから出射した光（Ｂ１６、Ｂ２５）のうち、この第２の光路Ｌ２を辿る光Ｂ２５のみがその振動方向を９０゜回転させ、ｙ軸方向に振動する光Ｂ２６として第２のλ／２板３０ｂから出射し、この光Ｂ２６と第２の複屈折素子１０ｂから出射した光Ｂ１６が第２のファラデー回転子２０ｂに入射する（ｓ６）。この第２のファラデー回転子２０ｂもオフ状態にあるので、入射した光（Ｂ１６、Ｂ２６）の振動方向を変えずにｘｙ面における入射位置と同じ位置から出射する。そして、その出射光（Ｂ１７、Ｂ２７）が第３の複屈折素子１０ｃに入射する（ｓ７）。
【００３３】
第３の複屈折素子１０ｃの光学軸１１ｃの方向は第１の複屈折素子１０ａと同じであり、前方から見たときにｘ軸と平行で、ｚｘ平面では左前方から右後方に向かっている。したがって、ｘ軸方向に振動する第１の光路Ｌ１上の光Ｂ１７が異常光Ｂ１８として右後方に向かって屈折し、ｙ軸方向に振動する第２の光路Ｌ２上の光Ｂ２７は常光Ｂ２８としてそのまま直進する。それによって、第３の複屈折素子１０ｃに入射した二つの光（Ｂ１７、Ｂ２７）は、当該第３の複屈折素子１０ｃの後端面ｆ８にて常光Ｂ２８と異常光Ｂ１８とが結合した光Ｂ２として出射する（ｓ８）。そして、この結合位置の後方に第２の光ポートＰ２が配置されており、第１の光ポートＰ１から第２の光ポートＰ２に至る順方向の光路が形成される。
【００３４】
一方、逆方向の光路については、図３（Ｂ−１）、（Ｂ−２）に示したように、第２の光ポートＰ２から前方に向けて出射した光Ｂ３が第３の複屈折素子１０ｃに入射すると（ｓ１１）、この複屈折素子１０ｃにより光Ｂ３が常光Ｂ３１と異常光Ｂ４１とに分離される。常光Ｂ３１は、前方から見たときに第３の複屈折素子１０ｃの光学軸１１ｃに対して直交するｙ軸方向に振動し、異常光Ｂ４１は光学軸１１ｃと平行となるようにｘ軸方向に振動している。そして異常光Ｂ４１は、光学軸１１ｃに沿って屈折して常光Ｂ３１とは異なる位置から出射する（ｓ１２）。そして、この常光Ｂ３１および異常光Ｂ４１の出射位置は、それぞれ、順方向を第２の光路Ｌ２および第１の光路Ｌ１を辿って当該第３の複屈折素子１０ｂに入射したビームと同じ位置となる。
【００３５】
以下、第３の複屈折素子における常光Ｂ３１が以後に辿る光路を第３の光路Ｌ３、異常光Ｂ４１が辿る光路を第４の光路Ｌ４とすると、第３の光路Ｌ３上には、後方から前方に向かって順に第２のファラデー回転子２０ｂ、第２のλ／２板３０ｂ、第２の複屈折素子１０ｂ、第１のファラデー回転子２０ａ、および第１の複屈折素子１０ａがある。第４の光路Ｌ４上には、後方から前方に向かって順に第２のファラデー回転子２０ｂ、第２の複屈折素子１０ｂ、第１のλ／２板３０ａ、第１のファラデー回転子２０ａ、および第１の複屈折素子１０ａがある。
【００３６】
上述したように、オフ状態では第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、逆方向に透過する光（Ｂ３２→Ｂ３３、Ｂ４２→Ｂ４３、Ｂ３６→Ｂ３７、Ｂ４６→Ｂ４７）の振動方向を変化させない。したがって、第３および第４の光路（Ｌ３、Ｌ４）は、それぞれ、順方向における第２および第１の光路（Ｌ２、Ｌ１）を逆に辿ることになる。すなわち、第２の光ポートＰ２から出射した光Ｂ３は、第３の光路Ｌ３により各光Ｂ３１〜Ｂ３７を経て第１の複屈折素子１０ａに入射するとともに、第４の光路Ｌ４により各光Ｂ４１〜Ｂ４７を経由し（ｓ１１〜ｓ１７）、第１の複屈折素子１０ａに入射する。そして、このとき第３の光路Ｌ３を辿ってきたｘ軸方向に振動する光Ｂ３７が異常光Ｂ３８として第１の光ポートＰ１側へ屈折する。第４の光路Ｌ４を辿ってきたｙ軸方向に振動する光Ｂ４７はそのまま直進する。したがって、第１の複屈折素子１０ａの前端面ｆ１にて常光Ｂ４８と異常光Ｂ３８が結合する（ｓ１８）。そして、その結合した光Ｂ４が第１の光ポートＰ１に入射し、第２の光ポートＰ２と第１の光ポートＰ１間に逆方向の光路が形成される。すなわち、オフ状態において、光スイッチ１は、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間が順方向と逆方向の双方向で光路を接続するように動作する。次に、この第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間の光路を切断する動作について説明する。
【００３７】
＜オン状態＞
本実施例の光スイッチ１は、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）のファラデー素子２１に外部磁界が印加された状態（以下、オン状態とも言う）になると、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間の光路が切断される。さらにオン状態では、第１の光ポートＰ１と第３の光ポートＰ３間に双方向の光路が形成されるようになっている。
【００３８】
図４はオン状態における光スイッチ１の動作を示しており、図４（Ａ−１）は、光スイッチ１を上方から見たときに第１の光ポートＰ１から第３の光ポートＰ３に至る順方向の光路を示している。図４（Ａ−２）は、（Ａ−１）に示した光路を前方から見たときの図であり、各光学部品（１０ａ〜１０ｃ、２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂ）における前面あるいは後面（ｆ１〜ｆ８）におけるビーム（Ｂ５、Ｂ６、Ｂ５１〜Ｂ５８、Ｂ６１〜Ｂ６８）の位置と振動方向の変移（ｓ２１〜ｓ２８）を示している。また図４（Ｂ−１）と（Ｂ−２）は、光スイッチ１を上方から見たときの第３の光ポートＰ３から第１の光ポートＰ１に至る逆方向の光路と、その光路を前方から見たときの各面（ｆ１〜ｆ８）におけるビーム（Ｂ７、Ｂ８、Ｂ７１〜Ｂ７８、Ｂ８１〜Ｂ８８）の位置と振動方向の変移（ｓ３１〜ｓ３８）とを示している。
【００３９】
まず、オン状態における順方向の光路を説明する。図４（Ａ−１）、（Ａ−２）に示したように、第１の光ポートＰ１から出射した光ビームＢ５は、第１の複屈折素子１０ａに入射し（ｓ２１）、常光Ｂ５１と異常光Ｂ６１に分離する。常光Ｂ５１は前方から見たときに、第１の複屈折素子１０ａの光学軸１１ａに対して直交するようにｙ軸方向に振動し、異常光Ｂ６１は光学軸１１ａと平行となるようにｘ軸方向に振動している。異常光Ｂ６１は、光学軸１１ａに沿って屈折して常光Ｂ５１とは異なる位置から出射する。以下、第１の複屈折素子における常光Ｂ５１が順方向に辿る光路を第５の光路Ｌ５とし、異常光Ｂ６１が辿る光路を第６の光路Ｌ６とする。
【００４０】
第５の光路Ｌ５上には、第１のファラデー回転子２０ａ、第１のλ／２板３０ａ、第２の複屈折素子１０ｂ、第２のファラデー回転子２０ｂ、および第３の複屈折素子１０ｃがこの順に介在する。第６の光路Ｌ６上には、第１のファラデー回転子２０ａ、第２の複屈折素子１０ｂ、第２のλ／２板３０ｂ、第２のファラデー回転子２０ｂ、および第３の複屈折素子１０ｃがこの順に介在する。
【００４１】
第１の複屈折素子１０ａから出射した二本のビーム（Ｂ５２、Ｂ６２）は、それぞれ第１のファラデー回転子２０ａに入射する（ｓ２２）。第１のファラデー回転子２０ａはオン状態であり、ｚ軸方向に外部磁界２４が印加されている。この例では、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、ｚ軸方向の磁界２４により、前後のいずれから直線偏光が入射しても、その直線偏光を前方から見て時計回りに９０゜回転させるように動作するように設定されている。そして本実施例では、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）に入射する直線偏光がいずれもｘ軸方向あるいはｙ軸方向に振動しているため、ｘ軸方向に振動する入射光はｙ軸方向に振動する光として出射し、ｙ軸方向に振動する入射光はｘ軸方向に振動する光として出射する。したがって、第１のファラデー回転子２０ａに入射した二つの光（Ｂ５２、Ｂ６２）は、その振動方向が入れ替わった光（Ｂ５３、Ｂ６３）として後方に出射し、第１のλ／２板３０ａの位置に至る（ｓ２３）。
【００４２】
第１のλ／２板３０ａは、第５の光路Ｌ５上にのみ介在するため、この第５の光路Ｌ５を辿って第１のファラデー回転子２０ａから出射した光Ｂ５３は、その振動方向が９０゜回転し、ｙ軸方向に振動する光Ｂ５４として第１のλ／２板３０ａから出射し、第２の複屈折素子１０ｂに入射する。一方、第６の光路Ｌ６を辿る光Ｂ６３は、ｙ軸方向の振動状態を維持して第２の複屈折素子１０ｂに入射する（ｓ２４）。
【００４３】
第２の複屈折素子１０ｂの光学軸１１ｂは、ｘｙ平面への投射方向がｙ軸方向であり、第５および第６の光路（Ｌ５、Ｌ６）を辿ってきたｙ軸方向に振動する光（Ｂ５４、Ｂ６３）は、この第２の複屈折素子１０ｂに入射すると、ともに異常光（Ｂ５５、Ｂ６４）として振る舞う。さらに、第２の複屈折素子１０ｂの光学軸は、ｙｚ平面への投射方向が上前方から下後方に向かう方向であるため、第５および第６の光路（Ｌ５、Ｌ６）を辿ってきた入射光（Ｂ５４、Ｂ６３）は、下方にシフトした位置から出射し、第２のλ／２板３０ｂの位置に至る（ｓ２５）。
【００４４】
第２のλ／２板３０ｂは、第６の光路Ｌ６にのみ介在し、第２の複屈折素子１０ｂからの二つの出射光（Ｂ５６、Ｂ６５）のうち、その第６の光路Ｌ６を辿る光Ｂ６５のみがその振動方向を９０゜回転させて第２のファラデー回転子２０ｂに入射する。すなわち、第２のファラデー回転子２０ｂには、第５の光路Ｌ５を辿るｘ軸方向に振動する光Ｂ５６と、第６の光路Ｌ６を辿るｘ軸方向に振動する光Ｂ６６が入射する（ｓ２６）。
【００４５】
第２のファラデー回転子２０ｂは、第１のファラデー回転子２０ａと同様に、第５および第６の光路（Ｌ５、Ｌ６）を辿って入射してきた光（Ｂ５６、Ｂ６６）の振動方向を入れ替えて、第３の複屈折素子１０ｃに入射させる（ｓ２７）。
【００４６】
第３の複屈折素子１０ｃには、第５の光路Ｌ５上を辿ってｘ軸方向に振動する光Ｂ５７と、第６の光路を辿ってｙ軸方向に振動する光Ｂ６７が入射する。第３の複屈折素子１０ｃの光学軸１１ｃの方向は、第１の複屈折素子１０ａと同じであるため、ｘ軸方向に振動する入射光Ｂ５７が異常光Ｂ５８として右方に屈折する。ｙ軸方向に振動する入射光Ｂ６７は常光Ｂ６８としてそのまま直進する。それによって、第３の複屈折素子１０ｃに入射した二つの光（Ｂ５７、Ｂ６７）は、ｘ軸に対して第２の光ポートＰ２と線対称となる位置にて結合する。そして、この結合位置の後方に第３の光ポートＰ３が配置されて、第１の光ポートＰ１から第３の光ポートＰ３に至る順方向の光路が形成される。
【００４７】
一方、逆方向の光路については、図４（Ｂ−１）、（Ｂ−２）に示したように、第３の光ポートＰ３から前方に向けて出射した光Ｂ７が第３の複屈折素子１０ｃにより常光Ｂ７１と異常光Ｂ８１とに分離される。常光Ｂ７１は前方から見たときに、第３の複屈折素子１０ｃの光学軸１１ｃに対して直交するｙ軸方向に振動し、異常光Ｂ８１は光学軸１１ｃと平行となるようにｘ軸方向に振動している。そして異常光Ｂ８１は、光学軸１１ｃに沿って屈折して常光とは異なる位置から出射する（ｓ３１、ｓ３２）。
【００４８】
以下、第１の複屈折素子における常光Ｂ７１が以後に辿る光路を第７の光路Ｌ７、異常光Ｂ８１が辿る光路を第８の光路Ｌ８とすると、第７の光路Ｌ７上には、後方から前方に向かって順に第２のファラデー回転子２０ｂ、第２のλ／２板３０ｂ、第２の複屈折素子１０ｂ、第１のファラデー回転子２０ａ、および第１の複屈折素子１０ａがある。第８の光路Ｌ８上には、後方から前方に向かって順に第２のファラデー回転子２０ｂ、第２の複屈折素子１０ｂ、第１のλ／２板３０ａ、第１のファラデー回転子２０ａ、および第１の複屈折素子１０ａがある。
【００４９】
上述したように、オン状態では、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、ｘ軸あるいはｙ軸方向に振動する光が入射されると、その振動方向を９０゜回転させた上で出射する。したがって、オフ状態における第３および第４の光路（Ｌ３、Ｌ４）と、第２および第１の光路（Ｌ２、Ｌ１）の関係と同様に、第７および第８の光路（Ｌ７、Ｌ８）は、それぞれ、順方向における第６および第５の光路（Ｌ６、Ｌ５）を逆に辿ることになる。すなわち、第３の光ポートＰ３から出射した光Ｂ７は、各光（Ｂ７１〜Ｂ７７）を経由する第７の光路Ｌ７と、各光（Ｂ８１〜Ｂ８７）を経由する光路Ｌ８とによって第１の複屈折素子１０ａに至る（ｓ３１〜ｓ３７）。
【００５０】
そして、第７の光路Ｌ７を辿ってきたｘ軸方向に振動する光Ｂ７７が異常光Ｂ７８として第１の光ポートＰ１側へ屈折する。第８の光路Ｌ８を辿ってきたｙ軸方向に振動する光Ｂ８７はそのまま常光Ｂ８８として直進する。それによって第１の複屈折素子１０ａの前端面ｆ１にて常光Ｂ８８と異常光Ｂ７８とが結合し、その結合した光Ｂ８が第１の光ポートＰ１に入射し、第３の光ポートＰ３と第１の光ポートＰ１間に逆方向の光路が形成される。すなわち、光スイッチ１は、オン状態において、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間の光路を切断するとともに、第１の光ポートＰ１と第３の光ポートＰ３間を順方向と逆方向の双方向で光路を接続するように動作する。もちろん、第３の光ポートＰ３を設けなければ、この光スイッチ１は、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間の双方向の光路の接続と切断のみを行う。
【００５１】
以上のように本実施例に係る光スイッチ１では、第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）を光路に対して直交するｘ軸方向に磁気飽和させている。それによって、オフ状態では第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）を直線偏光が通過してもその偏光面が回転せず、非相反素子である二つのファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）が、見かけの上では非相反素子として動作しなくなる。そのため、光路の途上にある第２の複屈折素子１０ｂに入射する光は、順方向と逆方向の双方で常光として入射し、その入射光のｘｙ平面における位置と振動方向を維持した状態で出射する。結果として、第１の光ポートＰ１と第２の光ポートＰ２間に順方向と逆方向で同じ経路を通る光路（Ｌ１とＬ４、Ｌ２とＬ３）が形成されて、双方向でのスイッチング動作を可能としている。
【００５２】
一方、第１と第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）は、光路に沿うｚ軸方向の外部磁界２４がファラデー素子２１に印加されると、自身を透過する直線偏光の偏波面を９０°回転させるため、第２の複屈折素子１０ｂに入射する光は、順方向と逆方向の双方で異常光として入射する。それによって、順方向ではｙ軸に沿って下方に光路がシフトし、逆方向では光路が上方にシフトする。結果として、第１の光ポートＰ１から出射した順方向の光Ｂ５は第２の光ポートＰ２とｘ軸に対して対称となる位置に配置された第３の光ポートＰ３に入射し、第３の光ポートＰ３から出射した逆方向の光Ｂ７は、順方向と同じ光路を辿って第１の光ポートＰ１に入射する。これにより、前後に配置されている光ポートの組（Ｐ１−Ｐ２、Ｐ１−Ｐ３）を切り替えつつ双方向通信が可能となる。
【００５３】
このように本実施例の光スイッチ１によれば、双方向光通信用途において今まで主流だった機械式の光スイッチを可動部がないファラデー回転子を用いた磁気光学式の光スイッチに代替することができる。それによって、故障や劣化が少なく信頼性の高い双方向の光スイッチを実現することができる。また、ファラデー回転子の高速応答性により、瞬時に光路の接続と切断、あるいは切り替えも可能となり、光通信網全体の信頼性も向上させることができる。
【００５４】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
当然のことながら、上記実施例に係る光スイッチ１において、前後上下左右の各方向、ｘｙｚの各軸を規定していたが、これらの方向や光学部品同士の相対的な位置関係を便宜的に規定したものであり、その相対的な位置関係が一致していれば、光スイッチは空間上にどのように配置されていてもよい。
【００５５】
上記実施例に係る光スイッチ１は、自身を構成する各種光学部品が個別に空間に配置された所謂フリースペース型であってもよいし、光ファイバコリメータが接続された一体的な筐体内に各種光学部品を収納した所謂ピグテイル型であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
この発明は、例えば、光通信技術に利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１  光スイッチ  １０ａ〜１０ｃ  複屈折素子、１１ａ〜１１ｃ  複屈折素子の光学軸、２０ａ，２０ｂ  ファラデー回転子、２１  ファラデー素子、２２  永久磁石、
２３  永久磁界、２４  外部磁界、２５  コイル（電磁石）、
３０ａ，３０ｂ  １／２波長板、３１ａ，３１ｂ  １／２波長板の光学軸、
Ｌ１〜Ｌ８  光路、Ｐ１〜Ｐ３  光ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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