(57)【要約】入力光ファイバ（１０）からの入射光を複屈折結晶板（１６）においてＰ偏光とＳ偏光にし、それぞれの偏光軸に対応する電極を有する液晶素子（２６）の電圧を制御して、Ｐ偏光をＳ偏光に変換してＳ偏光のみとするか、Ｓ偏光をＰ偏光に変換してＰ偏光のみとする。液晶素子（２６）の背後に設けられた偏波分離膜（３０）はＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する。液晶素子（２６）においてＳ偏光のみとすると、偏波分離膜（３０）で反射された光は全反射膜３２で反射され、再度偏波分離膜（３０）で反射されて、液晶素子（２６）を経て再度複屈折結晶板（１６）へ入射し、複屈折結晶板（１６）において無偏光に戻って第１の出力光ファイバ（１２）へ入射する。液晶素子（２６）においてＰ偏光のみとすると、偏波分離膜（３０）を透過して液晶素子（２８）を経て複屈折結晶板（１８）へ入射し、無偏光に戻って第２の出力光ファイバ（１４）へ入射する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面から入射する無偏光を第１の方向の偏光に変換し第１の面に対向する第２の面から入射する第１の方向の偏光を無偏光に変換する第１の状態、および第１の面から入射する無偏光を第２の方向の偏光に変換する第２の状態の間で制御信号に従って切換可能な偏光制御部と、
偏光制御部からの第１の方向の偏光を反射し、第２の方向の偏光を透過する偏光分離部と、
偏光分離部で反射された光を反射して再度偏光分離部へ入射する反射部とを具備し、
偏光分離部および反射部は、反射部で反射され偏光分離部で再度反射された第１の方向の偏光が前記偏光制御部の第２の面へ入射するように配置される光スイッチデバイス。
【請求項２】
前記偏光分離部を透過した第２の方向の偏光を無偏光に戻す偏光状態回復部をさらに具備する請求項１記載の光スイッチデバイス。
【請求項３】
前記偏光制御部は、無偏光を第１の方向の偏光と第２の方向の偏光に分離する第１の複屈折結晶と、
複屈折結晶からの第２の方向の偏光の偏波方向を回転して第１の方向の偏光とする第１の状態、および複屈折結晶からの第１の方向の偏光の偏波方向を回転して第２の方向の偏光とする第２の状態の間で制御信号に従って切換可能な第１の液晶素子とを含む請求項２記載の光スイッチデバイス。
【請求項４】
前記偏光分離部は、プリズムの第１の面に設けられた偏光分離膜を含み、
前記反射部は、該プリズムの第２の面に設けられた反射膜を含む請求項２または３記載の光スイッチデバイス。
【請求項５】
前記偏光状態回復部は、偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の一部であって、前記第１の複屈折結晶における第２の方向の偏光を起源とする部分を第１の方向の偏光に変換する第２の液晶素子と、
偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の残りの部分と該液晶素子で変換された第１の方向の偏光を合成して無偏光とする第２の複屈折結晶を含む請求項３記載の光スイッチデバイス。
【請求項６】
前記偏光状態回復部は、偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の一部であって、前記第１の複屈折結晶における第２の方向の偏光を起源とする部分を第１の方向の偏光に変換する二分の一波長板と、
偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の残りの部分と該二分の一波長板で変換された第１の方向の偏光を合成して無偏光とする第２の複屈折結晶を含む請求項３記載の光スイッチデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、光スイッチデバイスに関する。
【背景技術】  近年、インターネットトラフィックの増大に伴い光通信容量の増大化が急務である。通信容量の増大策には、ビットレートの増大と波長多重（ＷＤＭ）による増大があり、これらシステムを構成する光デバイスの実現が急がれている。
ＷＤＭ伝送とは多数の波長を一本の光ファイバ中を伝送させる手法であり、個々の波長に情報を載せ容量を増大させる。これらＷＤＭ伝送システムでは、例えばポート切り替えにより冗長構成をとる、ポートを切り換えてモニタする等、必ずと言っていいほど小チャネルの光スイッチが用いられている。
また、光ファイバ中を伝送する場合、個々の波長での伝播損失が異なり、長距離伝送後の光レベルが個々の波長で変わってしまう現象が起きる。伝送路に分岐用デバイスやＥＤＦアンプが用いられた場合はこの現象がより顕著となる。
このため、光伝送する前や受信する前に個々の波長における光レベルを一定にする必要がある。この解決策として、個々の波長のレベルを制御する可変アッテネータデバイスと光スイッチ等を用い、伝信時の光出力や受信時の光出力が一定となるように制御する工夫が行われている。
但し、ＷＤＭ伝送を想定する場合、個々の波長（チャネル）毎に光レベルを設定する為に、チャネル毎に光可変できるアッテネータや光スイッチを設ける必要がある。現状では、個々のデバイスを装置内実装しているのが実情であり、装置の大型化、コストアップとなっている。これらの小型化策として、導波路（ＰＬＣ）を用いた手法などが開発されてきているが、コスト、サイズ面では不十分な構成である。
【特許文献１】  特開平５−１１３５８２号公報（図３（ａ））
【特許文献２】  特許第３００８９６４号公報
【特許文献３】  特開平５−２０４０００号公報
【発明の開示】
本発明は上述する課題を解決する手段の一つとして、小チャネルながら光路切り換えと光出力可変を両立させたデバイスを提案するものである。
本発明によれば、第１の面から入射する無偏光を第１の方向の偏光に変換し第１の面に対向する第２の面から入射する第１の方向の偏光を無偏光に変換する第１の状態、および第１の面から入射する無偏光を第２の方向の偏光に変換する第２の状態の間で制御信号に従って切換可能な偏光制御部と、偏光制御部からの第１の方向の偏光を反射し、第２の方向の偏光を透過する偏光分離部と、偏光分離部で反射された光を反射して再度偏光分離部へ入射する反射部とを具備し、偏光分離部および反射部は、反射部で反射され偏光分離部で再度反射された第１の方向の偏光が前記偏光制御部の第２の面へ入射するように配置される光スイッチデバイスが提供される。
この光スイッチデバイスは、前記偏光分離部を透過した第２の方向の偏光を無偏光に戻す偏光状態回復部をさらに具備することが望ましい。
前記偏光制御部は、例えば無偏光を第１の方向の偏光と第２の方向の偏光に分離する第１の複屈折結晶と、複屈折結晶からの第２の方向の偏光の偏波方向を回転して第１の方向の偏光とする第１の状態、および複屈折結晶からの第１の方向の偏光の偏波方向を回転して第２の方向の偏光とする第２の状態の間で制御信号に従って切換可能な第１の液晶素子とを含む。
前記偏光分離部は、例えば、プリズムの第１の面に設けられた偏光分離膜を含み、前記反射部は、該プリズムの第２の面に設けられた反射膜を含む。
前記偏光状態回復部は、例えば、偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の一部であって、前記第１の複屈折結晶における第２の方向の偏光を起源とする部分を第１の方向の偏光に変換する第２の液晶素子と、偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の残りの部分と該液晶素子で変換された第１の方向の偏光を合成して無偏光とする第２の複屈折結晶を含む。
前記偏光状態回復部は、他の例として、偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の一部であって、前記第１の複屈折結晶における第２の方向の偏光を起源とする部分を第１の方向の偏光に変換する二分の一波長板と、偏光分離部を透過した第２の方向の偏光の残りの部分と該二分の一波長板で変換された第１の方向の偏光を合成して無偏光とする第２の複屈折結晶を含む。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の光スイッチデバイスの一実施形態の側面図；
図２は図１のデバイスの平面図；
図３はプリズム３４の図；
図４は偏波分離膜３０の特性を示すグラフ；
図５は出力光としてＯＵＴ１を選択したときの光の経路を模式的に示す平面図；
図６は図５の側面図；
図７は出力光としてＯＵＴ２を選択したときの光の経路を模式的に示す平面図；
図８は図７の側面図；
図９は液晶素子２８の電圧制御による光出力可変を説明するグラフ；および
図１０はレベルモニタ機能を備えた光スイッチデバイスの側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の一実施形態に係る光出力可変スイッチデバイスを図１（側面図）および図２（平面図）に示す。本デバイスは、光ファイバ１０，１２，１４、複屈折結晶板１６，１８、レンズ２０，２２，２４、液晶２６，２８、偏波分離膜３０と反射膜３２を施したプリズム３４にて構成されており非常に小型なデバイス構成を実現している。３６，３８は光ファイバの心線を保持するファイバブロック、４０はプリズム３４と同サイズのガラスなどの透明媒体である。全体構成としては、２本のファイバ１０，１２の一方を入力として、もう一方をＯＵＴ１、透過方向の反対側ポートをＯＵＴ２とする１×２スイッチとなっている。液晶２６の電圧制御により、ＯＵＴ１またはＯＵＴ２のポートが選択でき、更に、ＯＵＴ２については液晶２８の電圧制御により光出力可変も可能である。
基本的な原理を以下に説明する。２芯ファイバの片側１０より入射した光はレンズ２０を介して複屈折結晶板１６に入射する。複屈折結晶板１６に入射した光は常光（Ｐ偏光）と異常光（Ｓ偏光）に分離され結晶内部を進行する。ここで、複屈折結晶１６の出口にＰ偏光軸とＳ偏光軸の各々に対応する電極を持つ液晶２６を構成する。更に、液晶素子２６の後部に偏波分離膜３０と全反射膜３２を施したキューブ状のプリズム３４（図３参照）を配置し、液晶２６のＯＮ，ＯＦＦにより反射および透過を選択できる構成としている。ここで、偏波分離膜３０の特性は図４で示す特性を持ち、反射膜３２は通常の全反射する膜特性である。入力光は複屈折結晶板１６により常光（Ｐ偏光）、異常光（Ｓ偏光）に分かれ、複屈折板１６を抜けた直後に液晶素子２６へ入射する。液晶素子２６で偏波方向を制御された光は偏波分離膜３０に入射し、Ｓ偏光であれば上部方向に反射され、上部に構成されている全反射膜３２により折り返され元の光軸へ戻る事となる。Ｐ偏光であれば偏波分離膜３０を透過する。ここで、液晶素子２６の、Ｐ偏光に対応する電極の電圧をＯＮ／ＯＦＦすることにより複屈折結晶板１６からの常光（Ｐ偏光）の偏波方向を９０°回転させたりそのまま通過させたりすることで、偏波分離膜３０の反射、透過を選択する事が出来る。更に、プリズム３４の先に液晶素子２８を設け、次の複屈折結晶板１８に入射する偏波方向を制御する事によりＯＵＴ２方向への出力が可能となる。一方、異常光（Ｓ偏光）についても同様で、液晶素子２６の、Ｓ偏光に対応する電極のＯＮ／ＯＦＦ制御により偏波分離膜３０に入射する光を変化させることにより、透過および反射を選択し、透過の場合にはプリズム後部に設けられた液晶２８によりＯＵＴ２ポートへの出力が可能となる。
具体的には、出力先としてＯＵＴ１を選択するときは、図５（平面図）および図６（側面図）に模式的に示すように、液晶２６において、複屈折結晶１６からのＰ偏光（実線）の偏光軸に対応する電極（Ａ電極）をＯＮに、Ｓ偏光（破線）の偏光軸に対応する電極（Ｂ電極）をＯＦＦにする。これにより、複屈折結晶１６からのＰ偏光が液晶を抜けた時点でＳ偏光に変わってすべてがＳ偏光となり、偏光分離膜３０で反射される。偏光分離膜３０で反射されたＳ偏光は全反射膜３２で反射され、偏光分離膜３０で再度反射されて再度液晶２６へ入射する。液晶２６において、Ａ電極部では偏光分離膜３０により反射し戻ってきたＳ偏光（複屈折結晶１６からのＰ偏光がＳ偏光に変換されたもの）が液晶２６を抜けた時点でＰ偏光に変わり、もう一方のＳ偏光（複屈折結晶１６からのＳ偏光）は、Ｂ電極（ＯＦＦ状態）に入射しＳ偏光のまま複屈折結晶１６に入射し合成されてＯＵＴ１から出力される。
出力先としてＯＵＴ２を選択するときは、図７（平面図）および図８（側面図）に模式的に示すように、上記とは逆に、Ａ電極をＯＦＦにＢ電極をＯＮにする。これにより、Ｓ偏光がＰ偏光に変わるので、偏光分離膜３０を透過する。液晶２８のＡ電極をＯＮにＢ電極をＯＦＦにすることにより、透過したＰ偏光の一部（複屈折結晶１６からのＰ偏光）がＳ偏光に変わり、複屈折結晶１８で残りのＰ偏光（複屈折結晶１６からのＳ偏光がＰ偏光に変換されたもの）と合成されＯＵＴ２から出力される。
ここで、液晶素子２８に加える電圧を微小制御することによりＯＵＴ２に出力される光出力を可変することが出来る。具体的には、液晶２８の後方に設けられている複屈折結晶板を介してＯＵＴ２ポートへ結合できる光成分とは異なる光成分を持つようにする事により、それがＯＵＴ２ポートへ結合できずロスとなる。すなわち、液晶素子２８の電圧の微小制御により細かな光出力可変が実現できる（図９参照）。
以上により、小型で且つ安価な光出力可変スイッチデバイスを実現する事ができる。
光ファイバ１０，１２としては、例えば２芯のファイバアセンブリもしくは、１芯ファイバアセンブリを二つ並べたものを用い、光ファイバ１０，１２の間隔は例えば約３００μｍとする。レンズ２０，２２，２４はコリメートレンズとし、光ファイバ１０から入射し膜３０，３２で反射された光が光ファイバ１２へ入射するように折り返し反射光学系を構成すべくレンズ中心より外周に外れた位置に光軸を構成する。反射型光軸の折り返し点としては、図１，２に示すように、プリズム３４の後部（液晶板２８との界面）とする。複屈折結晶板１６としては例えばルチル（１ｍｍ□×３ｍｍ長、分離ピッチ：３００μｍ）を用い、レンズ２０および液晶２６との固定は光学系接着剤により行う。各部品をベースとなる部材上に光学系が確立できる様に構成してもよい。液晶素子２６には例えば約２５０μｍ角の電極がＰ偏光ポートおよびＳ偏光ポートに各々形成されている。偏波分離膜３０と全反射膜３２を施したプリズム３４は例えば石英もしくはガラスで構成し、各々の膜は誘電体多層膜もしくは金属膜にて形成する。プリズムサイズは２ｍｍ角程度とする。ＯＵＴ２ポートの側に構成する液晶２８は前述した液晶２６と同様のものでよく、その後部に構成する複屈折結晶板１８も前述したルチル（１ｍｍ角×３ｍｍ長、分離ピッチ：３００μｍ）を用いる。ＯＵＴファイバ１４は１芯のものとしレンズ２４も一つである。例えば、レンズとファイバが一体のものを用いても良い。
これら各エレメントは光学系接着剤により固定し、全体をプリモールドパッケージ内に収納固定する。これにより、約幅５ｍｍ×長さ２０ｍｍ×高さ３ｍｍの光出力可変が可能な光スイッチ（１×２）を構成する事ができる。
光出力可変後の光レベルをモニタするレベルモニタを設けることもできる。レベルモニタにはＰＤ（フォトダイオード）素子を用い、本デバイスの外部に出力されるＰＤ電流を使用したフィードバック回路により液晶へ印加する電圧を制御する。図１０に示すように、モニタ手法としては、ＯＵＴ２ポート前にカプラ膜５０を構成し、ＰＤ素子５２へ光を導く。ここで用いるＰＤ素子５２には、デバイス全体をコンパクトにすべく裏面入射ＰＤを用い、カプラ膜５０の下部において光学系接着剤によりカプラープリズムに直接接着固定する。図１０にはさらに、ＯＵＴ１側の光レベルをモニタするためのカプラ膜５４およびＰＤ素子５６が示されている。
ＯＵＴ２の光出力を可変としない場合には液晶２８の代わりに二分の一波長板をＡポートに対応する領域のみに設けても良い。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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