(57)【要約】　　　（修正有）【目的】少ない素子数で多チャンネルに対応できる光スイッチを提供する。【構成】光の入射面と出射面を有する第一の強誘電体結晶基板１０、１／２波長板１５、光の入射面と出射面を有する第二の強誘電体結晶基板１１の順に配置され、第一および第二の強誘電体結晶基板はビームウオークオフを生じるように入射光に対して結晶軸が傾いており、それぞれ強誘電体結晶基板中の自発分極方向が平行または直交している。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射面と出射面を有する第一の強誘電体結晶基板、１／２波長板、光の入射面と出射面を有する第二の強誘電体結晶基板の順に配置された光制御素子であり、第一および第二の強誘電体結晶基板はビームウオークオフを生じるように入射光に対して結晶軸が傾いており、それぞれ強誘電体結晶基板中の自発分極方向が平行または直交していることを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記第一および第二の強誘電体結晶基板の入射光に平行な方向の厚さが互いに等しく、かつ両強誘電体結晶基板の自発分極の分極方向が互いに平行で、外部から電圧を印加することで自発分極の分極方向を転換することにより、第二の強誘電体結晶基板の前記出射面での光の出力箇所を転換可能とした請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
前記第一および第二の強誘電体結晶基板の自発分極の方向が互いに直交していることを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光制御素子を複数個光の進行方向に対して直列に配置したことを特徴とする光制御素子。
【請求項５】
前記強誘電体結晶基板の対称性が斜方晶であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項６】
前記強誘電体結晶基板としてＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４を使用したことを特徴とする請求項５に記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気光学素子に関し、複屈折性を有する強誘電体基板の９０度分極反転を利用した光制御素子に関するものである。
更に詳しくは、光通信における光スイッチ、光交換器、光情報処理におけるインターコネクション等に用いられる光制御素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバや導波路などの光伝送路を伝搬する光信号のオン，オフ、あるいは伝送方向の切り換え等に用いるデバイスとして光スイッチが知られており、光通信における光スイッチ、光交換器、光情報処理におけるインターコネクション等に用いられている。また、近年では多チャンネルに対応できる光スイッチが提案されている（Ｒ．Ｅ．Ｗａｇｎｅｒ　ａｎｄ　Ｊ．Ｃｈｅｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１７，２９２１−２９２５（１９８０））。
【０００３】
ここで図７は上記文献記載の光スイッチの説明図であって、図７において、光ビームは左側からプリズムＰ１に入射される。プリズムＰ１は前記の入射光を２つの直交した偏光成分に分割し、そして垂直偏光の光は引き続いて右側に伝送され、水平偏光の光はミラー・プリズムＭ１に向かって上方に反射される。次に、両偏光成分は液晶セルＲを通過する。
【０００４】
ここで、図示されないが前記液晶セルＲが電源によりオン状態にあれば（図７（ａ））、両偏光成分はセル内を透過しても方向を変更しない。そしてそれらはプリズムＰ２で再結合され、ミラー・プリズムＭ１からのビームは反射され、またＭ２からのビームは透過される。その結果、両偏光成分は出力Ａに送りだされる。
【０００５】
次に電源がオフのとき（図７（ｂ））、両偏光成分は液晶セルＲを透過するときに９０゜回転される。そのため、Ｍ１からのビームはＰ２を透過し、そしてＭ２からのビームは反射される。その結果、両偏光成分は出力口Ｂに送り出される。すなわち、両出力口における光学的出力を切り換えることにより、どちらの出力口においてもその光学的出力パワーを零近傍から１００％近傍まで変化させることができる。
【０００６】
さて、このような光スイッチによって、２×２構成の光スイッチを構成することができる。即ち図８に示すように、入射光Ａと入射光ＢをプリズムＰ１に入射し、液晶セルをオン状態にすれば、入射光Ａ、入射光Ｂは出力Ｂへ結合し、オフ状態にすれば出力方向が入れ換わる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の２×２光スイッチは、プリズムＰ１、Ｐ２は実際にはキューブ状の偏光プリズムと三角プリズムを張り合わせて作製される。また偏光プリズムは２つの三角プリズムの一方に光学多層膜コーテイングを施し、接着材で張り合わせたものであるため生産コストも高いのが実情である。三角状研磨を行う必要が無く平面研磨のみで構成される部品を用いて、少ない部品点数で光スイッチを実現できることが要求される。素子数が多くなれば、挿入損失、クロストークが悪化するので信号のＣ／Ｎが悪くなる。また部品コスト、組立調整コストが高くなり、製品としての価格が大幅に上昇してしまう。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、少ない素子数で多チャンネルに対応できる光スイッチを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは自発分極を有する斜方晶の強誘電体結晶に電界を印加することにより自発分極の方向を１８０°だけでなく９０°回転させることができることを見出した。本発明はこの現象を利用して光の進行方向を制御して光スイッチもしくは光シャッタを実現するものである。
【００１０】
すなわち本発明は、光の入射面と出射面を有する第一の強誘電体結晶基板、１／２波長板、光の入射面と出射面を有する第二の強誘電体結晶基板の順に配置された光制御素子であり、第一および第二の強誘電体結晶基板はビームウオークオフを生じるように入射光に対して結晶軸が傾いており、それぞれ強誘電体結晶基板中の自発分極方向が平行または直交していることを特徴とする光制御素子である。
【００１１】
本発明において、前記第一および第二の強誘電体結晶基板の入射光に平行な方向の厚さが互いに等しく、かつ両強誘電体結晶基板の自発分極の分極方向が互いに平行で、外部から電圧を印加することで自発分極の分極方向を転換することがにより、第二の強誘電体結晶基板の前記出射面での光の出力箇所を転換可能とした光スイッチが得られる。転換する出力箇所で、それぞれ光ファイバーと結合させれば、外部からの電圧印加による分極方向の転換により、光を出力する光ファイバーを選択することができる。
【００１２】
またこの光スイッチ機能を有する光制御素子を複数直列に配置することで、出力箇所が多数得られる。たとえばｎ個を直列に配置すれば２のｎ乗箇所となる。
【００１３】
また、本発明における別の態様として前記第一および第二の強誘電体結晶基板の自発分極の方向が互いに直交したものを利用することができる。これにより光は偏光方向により誘電体結晶基板内の異なる方向に進行し、異なる偏光方向の光はそれぞれ出力面の異なる箇所に出力される。この位置に光ファイバーを結合させておけば、異なる偏光を異なる光ファイバーに導くことができる。
【００１４】
これらの強誘電体結晶基板の対称性は斜方晶であることが好ましく、その中でＫＮｂＯ３またはＫＴｉＯＰＯ４を使用することがより好ましい。この対称性により分極の制御がしやすく、またこれらの材料は電気光学効果を有効に用いることができる。
【００１５】
本発明の原理図を図１に示した。複屈折結晶１０の自発分極方向が光軸１に対して４５度となるように主面２５，２６を切り出す（以下、図面で分極は白抜き矢印で示す）。光軸と垂直な主面には電極３０、３１を形成する。同様に複屈折結晶１１も同じ構成にして、この２つの複屈折結晶を間に１／２波長板１５を挿入して光の進路に沿って配置する。光軸１に沿って第一の複屈折結晶１０に入射した光の常光成分は光軸１から直進して結晶内の光軸４０に沿って直進する。異常光はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角＋ρ°（図中では下方向）ずれた方向の光軸４１に沿って伝搬する。常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００１６】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角＋ρ°ずれた方向の光軸５１に沿って伝搬する。一方常光成分は光軸５０に沿って直進して出射面２６から出射し、出射面で異常光成分と合波されて光軸４上のポートＡへ向かう。
【００１７】
ここで電極３０，３１間と電極３２，３３間にそれぞれ電界を印加すると、図１（ｂ）に示すようにある閾値電界で自発分極方向が９０度回転する。このときの光の伝播を説明する。光軸１に沿って第一の複屈折結晶１０に入射した光の常光成分は結晶内の光軸４０に沿って直進する。異常光はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角−ρ°（図中で上方向）ずれた光軸４２に沿って伝搬する。複屈折結晶１０を出射した後の常光成分、異常光成分はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向がそれぞれ９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００１８】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオークオフ角−ρ°ずれた光軸５３に沿って伝搬する。一方常光成分は光軸５２を直進して出射面２６から出射されるときは異常光成分と合波されて光軸５上のポートＢから出射される。このように電界の印加操作により分極方向を９０°スイッチすることによりポートＡとポートＢとの間で光をスイッチすることが可能となることがわかる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
斜方晶系に属するネオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）を例にとり説明する。ＫＮｂＯ３の室温における点群はｍｍ２で、格子定数はａ＝５．６８８、ｂ＝３．９７１、ｃ＝５．７１４、波長６３３ｎｍでの主屈折率ｎａ＝２．２８０１、ｎｂ＝２．３２９６、ｎｃ＝２．１６８７である。
【００２０】
次にこのような９０度ドメインの形成法について説明する。例としてＫＮｂＯ３結晶を図２（ａ）のようにａ、−ｃ４５度方向が主面となるように矩形体に切り出し、入射面２５、出射面２６を光学研磨する。主面上に長手方向がｂ軸方向となる周期的な電極３０，３１を金属蒸着等の手段で形成する。電極３０と電極３１間に分極が倒れる方向に電界を加える。
【００２１】
図２（ｂ）のように電極下部分の自発分極方向がｂ軸を回転中心として図２（ａ）の状態から９０度回転を生じる。このため互いに直交した分極方向となる電界で制御することができる。図２（ａ），図２（ｂ）中では分極軸方向を矢印で、屈折率楕円体を楕円で示している。
第一の実施形態である１×２光スイッチを図３（ａ）に示す。
第一の複屈折結晶１０と第二の複屈折結晶１１の間に波長１．５５μｍでの１／２波長板１５をはさんで配置する。第一と第二の複屈折結晶はＫＮ結晶からなり伝搬方向の厚みは２．８ｍｍとなるよう切り出す。
【００２２】
それぞれの部品の入射出射面には戻り光を低減するために波長１．５５μｍでの無反射コーテイングを施してある。第一、第二の複屈折結晶の上下面には電極対となる電極３０、３１が装着され、図示されていない電源により電界を印加することが可能となっている。第二の複屈折結晶の出射面にはＧＲＩＮレンズからなるコリメータレンズ２２，２３がそれぞれ近接して取り付けられ、これにより外部のファイバー２，３に集光されるようになっている。ファイバ２，３の相互の距離は２５０μｍとなるように配置される。前述の結晶厚みはビームウオークオフによる光軸ずれ量が１２５／２＝１２５μｍとなるように設計されている。
【００２３】
まず最初に第一と第二の複屈折結晶の分極方向は白の矢印で示されたとおり、光の進行方向に対して右４５度方向を向いている。光ファイバ１から出射した光はＧＲＩＮレンズ等のコリメータレンズ２１により平行光束にされ第一の複屈折結晶１０に入射される。第一の複屈折結晶で２つの偏光成分に分離され、常光成分は光軸４０に沿って直進し、異常光成分は図面下方向にビームウオークオフ角＋ρ（２．５度）で光軸４１に沿って伝搬する。
【００２４】
常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００２５】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角＋ρ°ずれた方向にの光軸５１に伝搬する。一方常光成分は結晶内の光軸５０を直進して出射面６から出射されるときは異常光成分と合波されてファイバ３に結合される。
【００２６】
ここで電極３０，３１間に電界を印加すると、ある閾値電界で自発分極方向が９０度回転を生じさせる。このときの光の伝播を図３（ｂ）で説明する。ファイバ１からの出射光はコリメータ２１で平行光束にされた後、第一の複屈折結晶１０に入射する。第一の複屈折結晶に入射した光の常光成分は光軸４０に沿って直進する。異常光はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角−ρ°（図中で上方向）ずれた方向の光軸４２に伝搬する。常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００２７】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角−ρ°ずれた方向の光軸５３に沿って伝搬する。一方常光成分は直進して出射面６から出射されるときは異常光成分と合波されてファイバ２に結合される。このように分極方向を電界印加によって９０°スイッチすることによりファイバ３とファイバ２の間で光をスイッチすることが可能となることがわかる。
【００２８】
第二の実施形態として偏光分離器として利用した例を図４に示す。
構成は電極部を除いて実施形態１と同様であり、重複した部分の説明は省略する。第一の複屈折結晶と第二の複屈折結晶はそれぞれ電極３０，３１からなる電極対と電極３２、３３からなる別の電極対を備えており、第一と第二の複屈折結晶の分極方向を独立に制御できる構成となっている。
【００２９】
光ファイバ１から出射した光はＧＲＩＮレンズ等のコリメータレンズ２１により平行光束にされ第一の複屈折結晶１０に入射される。第一の複屈折結晶で２つの偏光成分に分離され、常光成分は直進し結晶内の光軸４０に沿って伝播し、異常光成分は図面下方向にビームウオークオフ角＋ρで光軸４１を伝搬する。
【００３０】
常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後、進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００３１】
第二の複屈折結晶１１の分極方向は第一の複屈折結晶１０の分極方向と９０度になるように電極対３２，３３に予め電界が印加されている。
常光成分、異常光成分は複屈折結晶１０を出射した後はその進行方向は互いに平行となり、１／２波長板１５を通過する。１／２波長板１５を通過した後偏向方向が９０°回転し、常光は異常光に、異常光は常光成分に変換され第二の複屈折結晶１１に入射される。
【００３２】
第二の複屈折結晶１１に入射した異常光成分はビームウオークオフ効果によりウオーククフ角−ρ°ずれた方向の光軸５３に沿って伝搬する。一方常光成分は光軸５０を直進し、両成分の光は出射面６から出射されるときは、異常光成分はファイバ２へ常光成分はファイバ３へ結合される。
【００３３】
一方、第一と第二の複屈折結晶の分極方向を図４と逆方向にスイッチさせた場合は図５に示すように、それぞれの偏光の出力ファイバが反対になる。すなわち異常光偏光はファイバ２へ常光成分はファイバ３へ結合されることになる。このようにして偏光分離器として機能することがわかる。
【００３４】
次に第三の実施形態として１×４のスイッチへ拡張した実施形態を図６に示した。これは第一の実施形態の１×２光スイッチを２対直列に配置したものである。ただし初段の１×２光スイッチ７０を構成する各結晶６０，６１の長さは２段目の１×２光スイッチ７１を構成する各複屈折結晶１０，１１の長さ（２．８ｍｍ）に比べて約２倍の長さ（５．７ｍｍ）になっている。初段の光スイッチの電極６６，６７の間と、二段の光スイッチの電極３０，３１の間の電界印加方向の組み合わせにより出力結合するファイバをファイバー２，３，７２，７３から選ぶことができる。これにより１×４の光スイッチが実現できる。
【００３５】
以上の説明は主にＫＮｂＯ３結晶を例に説明したが、２軸性結晶で斜方晶結晶であるＫＴｉＯＰＯ４、ＫＬｉＮｂＯ３，ＴｉＢａＯ３，ＲｂＴｉＯＰＯ４などにも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図である。
【図２】本発明で用いる９０度分極の作成法を説明する図である。
【図３】本発明による光スイッチの動作を説明する図である。
【図４】本発明による偏光分離器の動作を説明する図である。
【図５】本発明による偏光分離器の動作を説明する図である。
【図６】本発明による１×４光スイッチの動作を説明する図である。
【図７】従来の光スイッチの動作を説明する図である。
【図８】従来の他の光スイッチの動作を説明する図である。
【符号の説明】
１，２，３、７２，７３　・・光ファイバー
１０，１１，６０，６１　・・結晶
５，２５　・・入射面　　　　　　　　　　６，２６　・・出射面
１５、６５　・・１／２波長板
３０，３１，３２，３３、６６、６７　・・電極
４，５、４０，４１，５０，５１，５２，５３　・・光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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