(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光信号を受ける第１の入力ポートと、
光ポンプ信号を受ける第２の入力ポートであって、該ポンプ信号が前記第２の入力ポートに選択的に存在したり、存在しなかったりするものである第２の入力ポートと、
第１の出力ポートと、
第２の出力ポートと、
を備えている偏光維持ファイバと、
前記光信号と光通信して前記偏光維持ファイバ上に形成された、前記光信号を各々がほぼ等しい光出力を有している第１および第２の互いに直交する偏光状態に分離する第１の偏光クロス・カプラと、
前記第１の偏光クロス・カプラと直列に接続され、前記光信号と光通信している第２の偏光クロス・カプラであって、前記の第１および第２の偏光状態を、前記光ポンプ信号の有無に応じて第１の好ましい偏光状態または第２の好ましい偏光状態を有する合成光信号へ再合成する第２の偏光クロス・カプラと、
前記偏光維持ファイバに接続されており、前記合成光信号が前記第１の好ましい偏光状態を有している場合には、前記合成信号を前記第１の出力ポートに結合し、前記合成信号が前記第２の好ましい偏光状態を有している場合には、前記合成信号を前記第２の出力ポートに結合する偏光分割カプラとを備えている、全ファイバ偏光分割スイッチ。
【請求項２】
前記偏光維持ファイバが前記光信号の偏光状態を維持するように構成されている光ファイバである、請求項１に記載の全ファイバ偏光分割スイッチ。
【請求項３】
前記第１の光信号が第１の方向へ伝播し、前記光ポンプ信号が前記第１の方向と反対の方向へ伝播する、請求項１に記載の全ファイバ偏光分割スイッチ。
【請求項４】
前記第１および／または第２の偏光クロス・カプラが、前記偏光維持ファイバに周期的に機械的応力をかけることによって形成されるコーム構造によって形成されている、請求項１に記載の全ファイバ偏光分割スイッチ。
【請求項５】
前記第１および／または第２の偏光クロス・カプラが光格子によって形成されている、請求項１に記載の全ファイバ偏光分割スイッチ。
【請求項６】
偏光出力信号を第１の入力ポートを有する偏光維持ファイバへ入力するステップと、
光ポンプ信号を前記偏光維持ファイバの第２の入力ポートへ選択的に入力するステップと、
第１の偏光状態を有する第１の信号部分と第２の偏光状態を有する第２の信号部分とに前記光信号を分割するステップであって、前記第１の信号部分が前記第２の偏光状態を有する前記第２の信号分とほぼ等しい光出力を有する前記第１の偏光状態を有しているステップと、
前記光信号が存在している場合に、前記第２の信号部分に関して前記第１の信号部分に選択的に位相変化を引き起こすステップと、
前記位相変化によって決まる合成偏光状態を有している合成光信号に、前記第１および第２の信号部分を合成するステップと、
前記合成光信号を、前記光ポンプ信号が存在している場合に前記合成偏光状態が前記位相変化から生じたときに第１の出力ポートへ、また前記光ポンプ信号が存在していない場合に前記合成偏光状態が前記位相変化から生じないときに第２の出力ポートへ結合するステップとを備える、光信号切換え方法。
【請求項７】
前記光信号を分割するステップでは、偏光維持ファイバに周期的に機械的応力をかけることによって形成される前記偏光クロス・カプラが用いられる、請求項６に記載の光信号切換え方法。
【請求項８】
前記光信号を分割するステップでは、レーザからの紫外線によって前記偏光維持ファイバに周期的に書き込まれる光格子である前記偏光クロス・カプラが用いられる、請求項６に記載の光信号切換え方法。
【請求項９】
前記光信号を結合するステップでは、偏光分割カプラが使用される、請求項６に記載の光信号切換え方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチに関し、詳細にいえば、偏光分割スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光スイッチの用途には、集積光学機器、光ファイバ通信および検出システムがある。機械的機構、電気的機構、熱的機構などではなく、スイッチング機構として光を利用する光学的スイッチは全光スイッチとして知られている。全光スイッチは１つの出力ポートからの光信号を他のポートへ切り換える。これはポンプ光源からの入力ポンプ信号を印加して、光信号が選択的に切り換えられるようにすることによって達成される。このスイッチはポンプ信号に応答して、光信号の光をいずれかの出力ポートへ選択的に切り換える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
典型的な全光スイッチの基本構成は、マッハ−ツェンダ干渉計であり、これは入力光信号を受け取るための第１の光ファイバ・アームと、スイッチング・ポンプ信号を受け取るための第２の光ファイバ・アームとを含んでいる。入力アームは融着されて、第１のカプラを形成し、このカプラはその後２つの中間アームへ分岐する。第１のカプラは入力光信号を等分割し、これが２つの中間アームに入る。２つの中間アームを再度融着して、２つの出力ポートに分岐する第２のカプラを形成する。２つの中間アームを通過した後、２つの信号は第２のカプラによって再合成される。２つの信号が第２のカプラにおいて位相が合っている場合には、すべての光が２つの出力ポートの第１のものに結合される。２つの信号の位相が完全にずれている場合には、光が２つの出力ポートの他方のものに結合される。
【０００４】
このような全光スイッチの開発および実装では、いくつかの問題が生じていた。たとえば、上述のスイッチでの問題の一つは、ポンプ入力が存在していない場合に、２つのアームの長さの違いによる位相バイアスをきわめて精密な値（たとえば、０）にセットしなければならないことである。このことは２つのアームの相対長さを波長の数分の一に慎重に制御することを必要とする。数センチメートル以上という典型的なアーム長さの場合、これはきわめて困難であることが判明している。この問題は通常、マッハ−ツェンダ・ファイバ・アームの一方におかれた位相変調器を使用して外部の定常位相シフトを印加し、それ故位相バイアスを希望する値にセットすることによって軽減される。この技法は当分野において周知である。
【０００５】
これまでに生じていた第２の問題は、位相変調器によって導入されるバイアスが外部温度の変動にきわめて敏感だということである。アームのファイバ長さが数百波長だけでも等しくなく、装置の平均温度が変化した場合には、２つのファイバの指数と長さが両方とも異なる量だけ変化し、これによって伝播路の長さの違いによる位相差も変化する。この相違は温度変動による、ファイバの長さに比例した伸縮によって引き起こされるものであるから、長いファイバの伸びは短いファイバよりも大きく、それ故位相の不平衡を引き起こす。この位相の不平衡はマッハ−ツェンダ干渉計の出力ポートにおける信号出力分割比を変動させる。通常、このような変化は干渉計の環境の周囲温度が華氏で数度変化するのにかかる時間に匹敵するタイム・スケールで示されることとなる。
【０００６】
干渉計は温度勾配に対しても敏感である。たとえば、２つのアームの温度が２つのアームの間の温度勾配によって異なる量変化した場合、出力ポートにおける信号出力分割比も変化するが、この変化はより迅速なものである。
【０００７】
マッハ−ツェンダ干渉計がポンプされているかポンプされていないかにか関わりなく存在している上述の温度依存効果は両方とも望ましくない。実際問題として、これらの効果はファイバ・アームを物理的にできる限り互いに近接させ、ファイバ・アームの長さをできる限り等しくすることによって軽減される。しかしながら、一般に、これらの測定値はマッハ−ツェンダ干渉計の出力を（ポンプ信号がない場合に）多くの用途に必要な程度に安定させておくのに十分なものではない。
【０００８】
したがって、干渉計の出力結合比を能動的に安定化させるために用いられている他の方法は、出力ポートの一つにおける信号を検出し、基準値と比較して、基準値と検出した出力信号との間の差に比例した誤差信号を生成する制御ループを使用することである。この誤差信号は次いで増幅され、誤差信号を動的にゼロとするのに十分な層を印加するようにバイアスを設定する同位相変調器に給送される。
【０００９】
バイアスの能動安定化は適切な働きをするものであるが、これは扱いにくいものであり、装置コストを増加させ、光信号にアクセスする必要があり、また信号を動的に切り換える場合に技術的な難点につながるものである。最も重要なのは、能動安定化にはスイッチを動作させる電子回路が必要なことであり、これはセンサ・アレイや、電子的接続を小型化することが望ましいその他の用途には通常受け入れられないものである。
【００１０】
マッハ−ツェンダ干渉スイッチにおける他の望ましくない効果は、入力ポンプ出力の効果によって引き起こされる。具体的にいうと、ポンプ信号が一方のアームだけに印加されるため、熱がそのアーム内に発生するが、ポンプ出力を搬送していないアームに発生しない。この温度の変化はポンプ誘導熱位相シフトを生じさせ、これがポンプをオンとしたときにマッハ−ツェンダ干渉計に対する結合比に不平衡を引き起こす。この効果は熱的なものであるため、通常遅いものであり、ポンプがオフとされた後に不平衡が消えるまでに数マイクロ秒以上が必要となる。用途によっては、この効果は重大な問題となる。
【００１１】
マッハ・ツェンダ・スイッチにおいては、全体的な温度変化の効果を最小限とするために、２つのファイバ・アームがほぼ同一の長さを有していることが、熱安定性によって規定される。スイッチが広い温度範囲（たとえば、華氏数十度程度の）で動作するものである場合、マッハ−ツェンダ干渉スイッチを形成する２つのカプラの分割比は温度によって変動するものであってはならない。さらに、上記で検討したように、温度勾配を最小限としなければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
好ましい実施の形態の目的は、１本の光ファイバだけを利用する全光マッハ−ツェンダ型スイッチを改善することである。単一のファイバは偏光維持（ＰＭ）ファイバであることが好ましい。単一のファイバ内に干渉計の両方のアームがある、単一のファイバだけを使用する設計には、機械適応力や熱変動などの環境的影響に対する感度が低いという利点がある。本発明の用途の一つは全ファイバ音響センサ・アレイに使用される偏光分割スイッチである。
【００１３】
本発明の一態様は、偏光維持ファイバを備えている全ファイバ偏光分割スイッチである。偏光維持ファイバは第１の光信号を受ける信号入力ポートと、光ポンプ信号を受けるポンプ入力ポートであって、ポンプ信号がポンプ入力ポートにおいて選択的に存在していたり、存在していなかったりするポンプ入力ポートと、第１の信号出力ポートと、第２の信号出力ポートとを備えている。（ポンプ入力ポートは信号入力ポートと同一のものであってもよい。ポンプ入力ポートは信号出力ポートの一つと同一のものであってもよい。）第１の偏光クロス・カプラが偏光維持ファイバ上に形成され、光信号と光通信を行う。第１の偏光クロス・カプラは光信号を第１および第２の互いに直交する偏光状態に分離し、各偏光状態はほぼ等しい光出力を有している。第２の偏光クロス・カプラは第１の偏光クロス・カプラと直列に接続され、光信号と光通信を行う。第２の偏光クロス・カプラは光ポンプ信号の有無に応じて、第１および第２の偏光状態を、第１の好ましい偏光状態または第２の好ましい偏光状態を有している合成光信号に選択的に再合成する。偏光分割カプラは偏光維持ファイバに接続されている。偏光分割カプラは、結合光信号が第１の好ましい偏光状態を有している場合には、合成光信号を第１の出力ポートに結合し、合成光信号が第２の好ましい偏光状態を有している場合には、合成光信号を第２の出力ポートへ結合する。
【００１４】
偏光維持ファイバは、光信号の偏光状態を維持するように構成された光ファイバであることが好ましい。また、第１の光信号が第１の方向へ伝播し、光ポンプ信号が第１の方向と反対の方向へ伝播することも好ましい。偏光クロス・カプラがコーム構造によって形成されることが好ましい。好ましい実施の形態において、偏光クロス・カプラは光格子によって形成される。特に好ましい実施の形態において、偏光分割カプラは光信号の偏光状態に応じて光信号を、第１および第２出力ポートの一方へ結合する。ポンプ信号は切り換えられる信号とは異なる光波長であり、偏光分割カプラはポンプ信号を結合しない。
【００１５】
本発明がポンプ信号の未使用部分がスイッチから伝播することを可能とするポンプ出力ポートをさらに含んでいることが好ましい。
本発明の他の態様は光信号の切換え方法である。この方法は第１の入力ポートを有している偏光維持ファイバへ偏光光信号を入力するステップと、偏光維持ファイバの第２の入力ポートへ光ポンプ信号を選択的に入力するステップと、第１の偏光状態を有している第１の信号部分と第２の偏光状態を有している第２の信号部分に光信号を分割し、第１の偏光状態を有している第１の信号部分が第２の偏光状態を有している第２の偏光状態に対してほぼ等しい光出力を有しているステップと、光信号が存在している場合に、第２の信号部分に関して第１の信号部分に位相変化を選択的に引き起こすステップと、第１および第２の信号部分を、前記位相変化によって左右される合成偏光状態を有している合成光信号に合成するステップと、合成光信号を結合するステップとを備えている。合成光信号は光ポンプ信号が存在しているときに、合成偏光状態が位相変化によって生じる場合に、第１の出力ポートへ結合され、光ポンプ信号が存在していないときに、合成偏光状態が位相変化から生じた場合に、第２の出力ポートへ結合される。好ましい方法の一つにおいて、偏光クロス・カプラは偏光維持ファイバに機械的応力を周期的にかけることによって形成される。他の好ましい方法において、偏光クロス・カプラはレーザからの紫外線によって偏光維持ファイバ内に周期的に書き込まれる光格子である。偏光分割カプラを使用して、光信号の偏光状態に応じて、光信号を第１または第２の出力ポートの一方へ結合する。
【００１６】
本発明はその実施の形態についての以下の詳細な説明ならびに添付図面から完全に理解されよう。
【発明の実施の形態】
典型的な全光スイッチの基本構成を図１に示す。
図１の構成を通常、マッハ−ツェンダ干渉計と呼ぶ。
図１に示すように、マッハ−ツェンダ・ファイバ干渉スイッチ１００は入力光信号を受ける第１の入力アーム１０５を含んでおり、またスイッチング・ポンプ信号を受ける第２の入力アーム１１０を含んでいる。入力アーム１０５、１１０を融着して、２つの出力アーム１２５、１３０へ分岐するカプラ１２０を形成する。いくつかの構成において、アーム１２５、１３０それぞれの部分１３５、１４０を処理して、非線形領域を形成する。アーム１２５、１３０を再度融着して、出力ポート１５５、１６０に分岐するカプラ要素１５０を形成する。
【００１７】
受動形態（すなわち、非線形領域１３５、１４０を含んでいない、または利用しない形態）において、波長λs の入力信号が入力アーム１０５へ供給され、第１のカプラ１２０によって、２つのアーム１２５、１３０へ入る第１および第２の部分に等分される。それぞれのアームを通過した後、２つの信号部分が第２のカプラ１５０によって再合成される。第２のカプラ１５０において２つの部分の位相が合っている（すなわち、これらの位相差がゼロであるか、２πの倍数に等しい）場合、これらは上部出力ポート１５５で構成上再合成される。すなわち、すべての信号が出力ポート１５５から出る。しかしながら、アーム１２５、１３０を通過する２つの信号が第２のカプラ１５０に到達したときに、これらの信号の位相が完全にずれている場合（すなわち、これらの位相差がπ、３πなどである場合）、信号が下部出力ポート１６０において構成上再合成され、ほとんどすべての信号が下部ポートから出る。位相差が中間値である（０超で、π未満であるか、π超で、２π未満である）場合、信号の第１の部分が上部出力ポート１５５から出、信号の第２の部分が下部出力ポート１６０から出る。この場合、出力信号の強さの比はカプラ１５０に入る２つの信号の間の位相差によって決定される。この原理は周知のものであり、特定の融着または研磨ファイバ・カプラを使用してマッハ−ツェンダ干渉ファイバ・スイッチを形成するマッハ−ツェンダ・ファイバ装置の多くの用途が文献で報告されている。たとえば、マッハ−ツェンダ型の光スイッチとその用途が米国特許５２９７２２４号で説明されている。
【００１８】
上記で簡単に検討したように、マッハ−ツェンダ干渉ファイバ・スイッチの現行の用途の一つは、全光スイッチングである。本願によれば、領域１３５、１４０は非線形効果を示すファイバ製である。たとえば、構成の中には標準のシリカ・ファイバ（固有のカー効果を有する）または非線形カー効果を向上させたり、これを強めるドーパント濃度を有する他のドープ・ファイバを使用するものもある。当分野において周知のように、カー効果は光信号を搬送するファイバの屈折率（たとえば、λs という波長における）が信号自体の強さにより、またファイバ中を伝播するほかの光強さによって若干変更された場合に生じる現象である。全光スイッチングを達成するために、ポンプ信号（波長λs とは異なる波長λp の）を第２のポーと１１０へ注入する。第１のカプラ１２０は波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）であって、波長λs の信号が両方のアームの間で等分されている（すなわち、５０％という結合比を示している）際に、異なる波長λp を有するポンプが上部出力アーム１２５に結合されない（すなわち、０％という結合比を示す）ように設計されている。すべてのポンプ出力がそれ故、マッハ−ツェンダ干渉計の下部出力アーム１３０に結合される。
【００１９】
干渉計１００の領域１４０の非線形特性のため、ポンプ出力は下部アーム１３０の領域１４０におけるファイバ・コアの屈折率を改変する。ポンプ光からのエネルギーはファイバ領域１４０に吸収され、ファイバ内の電子が高エネルギー・ビームとなるようにする。これによって、ファイバの伝播特性が変化するので、ファイバ・コアの屈折率が信号波長λs を含む波長の光に対して変動する。下部アーム１３０内の信号が伝播する領域における屈折率を変化させることにより、信号の波長の有効な変化が生じる（すなわち、λs からλs ±Δλへ）が生じる。波長のこの変化は非線形領域１４０に対してだけ有効であり、信号はλs へ戻ってから、カプラ１５０へ入る。非線形領域１４０の長さを採用した場合、波長の変化は下部アーム１３０において非線形位相シフトδφを受ける波長λs における入力信号と等価である。
【００２０】
下部アーム１３０内の信号が、位相シフトδφと等価なカー誘導波長変化を受けるとともに、上部アーム１２５内の信号が位相シフトを受けないため（ポンプ出力が上部アームに入らないので、上部アームの屈折率が実質的に変化しないままであるため）、相対位相シフトが上部アーム１２５内の信号と下部アーム１３０内の信号との間に誘導される。さらに、２つのアーム１２５、１３０の長さの違いのため、カプラ１５０内で再合成された２つの信号の間に、相対位相差が認められる。したがって、２つの信号が第２のカプラ１５０によって再合成された場合、これらの相対位相差はδφに、上部アーム１２５と下部アーム１３０の間の伝播路の長さの相違による若干の定位相シフトを加えたものとなる。δφとこの定位相差の合計を以下でΔφと呼ぶ。
【００２１】
ポンプ入力がないときに、アーム１２５、１３０を通る伝播路の相違による位相差がゼロになるように較正されている（すなわち、ほぼすべての入力信号が上部出力ポート１５５から出るようになる）と想定すると、ポンプ出力をδφ＝πとなるように選択した場合、ポンプの存在下に、ほぼすべての信号出力が下部ポート１６０から出るので、入力信号が上部ポート１５５から下部ポート１６０へ効果的に切り換えられる。ポンプ出力がオンになっている限りにおいてだけ、入力信号が切り換えられるのであるため、このタイプのスイッチがラッチ・スイッチではないことに留意すべきである。ポンプ出力がオフとなった場合、下部アーム１３０に含まれている非線形が要因とならなくなるため、信号出力は上部ポート１５５へ戻る。
【００２２】
上述したように、マッハ−ツェンダ・スイッチはこれまで２本の独立した単一モードファイバを利用して設計されてきている。本発明の好ましい実施の形態において、マッハ−ツェンダ・スイッチは偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）を１本だけ備えている。図２はマッハ−ツェンダ偏光分割スイッチ（ＰＳＳ）２００の構成を示す。ＰＳＳ２００は２つの偏光クロス・カプラ（ＰＣＣ）２１０、２１５を有しているＰＭＦ２０５と、中間領域２１８と、偏光分割カプラ（ＰＳＣ）２２０とを備えている。ＰＭＦ２０５はＰＭＦ２０５の偏光軸に沿ってラッチされたときに、光信号λs ２０３の線形偏光状態を維持する。光信号２０３が直交偏光状態と平行偏光状態の両方を有しており、かつＰＭＦ２０５へ放出される場合、それぞれの偏光状態が維持される。ＰＳＳ２００における光信号２０３は単一偏光状態で放出されるのが理想的である。ＰＳＳ２００は光信号を通すようにバイアスされ、光ポンプ信号λp ２０４が存在しておらず、また光信号が切り換えられていない場合に、光信号を元の偏光状態に完全に残す。光信号２０３は第１のＰＣＣ２１０へ入ると、λSp1 およびλSp2 で表され、各々がほぼ半分の光出力を有している互いに直角な偏光状態に分離する。２つの偏光状態の信号は、図１の非線形領域１３５、１４０と類似した非線形領域であるファイバ２０５の中間領域２１８を通過する。信号は次いで第２のＰＣＣ２１５へ入り、このカプラは光出力を合成光信号２２２へ再合成する。ポンプ信号が存在していない場合、合成光信号２２２は元の偏光状態であり、第１の出力ポート２３０へ結合され、このポートから第１の出力信号２３２として放出される。光ポンプ信号が存在している場合、合成光信号２２２は第１の偏光状態に直交する第２の偏光状態であり、ＰＳＣ２２０の第２の出力ポート２２５へ切り換えられ、このポートから第２の出力信号２３４として放出される。
以下の検討は光出力がＰＣＣ２１０、２１５によりどのように転送されるかを簡単に説明するものである。
【００２３】
ＰＣＣ２１０による２つの偏光への光出力の転送は周期的にファイバ２０５に応力を帰るコーム構造を使用して達成するのが有利である。このようなコーム構造は、たとえば参照することにより本明細書の一部となる米国特許第４８７２７３８号に示されている。応力はファイバ２０５にある光信号２０３の正規の偏光状態を変化させる。ファイバに長い部分にわたって応力をかけた場合、２つの偏光のビート長さの半分に等しい長さの間に、出力は一つの偏光から他の偏光へ転送される。次の半分のビート長さにわたり、出力は元の偏光へ転送され、戻される。それ故、全ビート長さにわたって、正味出力は転送されない。コーム構造は半分のビート長さの間ファイバに応力をかけ、次の半分のビート長さの間ファイバに応力をかけないように構成される。応力部分および無応力部分は１ビート長さの周期で反復される。各応力位置における偏光の間の結合は累積して、一つの偏光から他の偏光までの全体的な正味の結合をもたらす。コームはいくつかの周期的な応力位置を有していて、入力偏光状態の約５０％の光出力の、信号波長λs の第２の偏光状態への全体的な公称結合をもたらすように設計される。光信号２０３およびポンプ信号２０４は異なる波長を有している。したがって、ビート長さはポンプと信号とでは異なっている。各応力位置の長さは、ポンプがほぼゼロの正味結合を有するように選択される。ＰＭＦ２０５の場合、コームは効率を最大とするため主偏光軸に対して４５°の角度で接続されるのが好ましい。
【００２４】
２つの偏光の間に光を結合する他の方法は、感光性ファイバへＵＶレーザによって書き込まれた永続光格子を使用することである。たとえば、K. O. Hill他の「Bragg Gratings Fabricated in Monomode Photosensitive Optical Fiber by UV Exposure Through a Phase Mask」、Applied Physics Letters Vol. 62、No. 10. March 8, 1993, pp. 1035-1037を参照されたい。また、R Kashyap他の「Wideband Gain Flattened Erbium Fiber Amplifier Using a Photosensitive Fiber Blazed Grating」、Electronic Letters January 21, 1993, Vol. 29, No. 2, pp. 154-156も参照されたい。その効果はコーム構造のものと同様である。格子の周期は光信号２０３の波長λs における２つの偏光での光出力の約５０％を結合するように選択される。結合長さは波長によって決まり、格子の周期はポンプ信号が正味ゼロの結合を有するように選択される。ＰＭＦ２００の場合、格子は効率を最大とするためファイバの偏光軸に対して４５°の角度で書き込まれることが好ましい。
【００２５】
図２に示すように、第１のＰＣＣ２１０（コームまたは格子）は元の偏光からの光信号を、λSp1 およびλSp2 で示す２つの互いに直交した偏光に分離する。次いで、第２のＰＣＣ２１５は２つの偏光を合成信号２２２へ再合成する。適切にバイアスをかけると、ポンプ信号２０４が存在していない場合に、光出力はすべてもとの偏光に戻る。出力を第２の偏光状態に切り換えるために、カー効果またはその他の非線形効果をポンプ信号２０４によって生成して、光信号２０３の２つの偏光の間に１８０°（π）の微分位相シフトを作り出す。この微分位相シフトが完了すると、すべての光出力が第２のＰＣＣ２１５によって第２の偏光状態に結合される。
【００２６】
ＰＳＳ２００の最後の要素は偏光分割カプラＰＳＣ２２０であり、これはＰＣＣ２１５からのすべての光信号２０３を２つの出力ポート２２５、２３０の一方へ結合する。２つの出力ポート２２５、２３０のどちらへ光信号が進むのかの選択は、合成光信号２２２の偏光状態によって制御される。ポンプが存在しておらず、かつ光信号２０３が元の偏光状態である場合には、光信号２０３は第１の出力ポート２３０へ結合され、かつこのポートから第１の出力信号２３２として放出される。ポンプが存在しており、かつ光信号が第２の偏光状態である場合には、光信号は第２の出力ポート２２５へ結合される。ＰＳＣ２２０はポンプ波長において低損失である。ＰＳＣ２２０カプラは偏光を良好に弁別し、ポンプ出力を保存する。その後、すべての入力ポンプ出力（スイッチング・プロセスで消費されたポンプ光を差し引いた）がポンプ出力ポート２４０（図２）へ結合され、このポートからポンプ出力信号２３６として放出される。ポンプ出力信号２３６におけるポンプ出力をセンサ・アレイの後続のスイッチ（図示せず）への入力ポンプ信号として与えるのが有利なこともある。直交偏光の光を結合し、平行偏光の光を通過させ、必要な波長依存性を有している偏光分割カプラは、たとえば、カナダ国オンタリオ、バーリントンのCanadian Instrumentation and Research Limited が部品番号９１８Ｐとして市販しているものである。
【００２７】
図３および図４は、偏光分割スイッチの動作を詳細に示すものである。図３は、光ポンプ信号２０４が存在していないときの、例示的な全光ファイバ・マッハ−ツェンダＰＳＳ２００の動作を示す。ＰＳＳ２００は単一偏光３１０の入力光源（図示せず）から波長λs の光信号２０３を受け取る。信号はＰＭＦ２０５およびカプラＰＣＣ２１０へ入る。第１のＰＣＣ２１０は光信号を２つの互いに直角な偏光３１２、３１４へ分離する。出力も偏光状態の各々においてほぼ等分される。個々の偏光は信号が第２のＰＣＣ２１５へ達するまで維持される。第２のＰＣＣ２１５は光信号３１０を元の偏光状態へ再合成する。光信号２０３は、光信号が結合されないＰＳＣ２２０へ進み、ＰＳＣ２２０によって第１の出力ポート２３０へ完全に伝送され、このポートから第１の出力信号２３２として放出される。正常なスイッチングに対する偏光状態は、光信号２０３の元の偏光状態によって決定される。
【００２８】
図４は光ポンプ信号２０４が活動化されたときのマッハ−ツェンダＰＳＳ２００の動作を示す。光信号２０３は、第１のＰＣＣ２１０へ入り、このカプラは光信号３１０を以前と同様２つの互いに直交する偏光状態３１２、３１４に分離する。光ポンプ信号２０４が存在している場合、２つの偏光状態の一方（たとえば、状態３１４）は、得られる状態３１５によって示されるように、１８０°（π）位相シフトされる。光信号が第２のＰＣＣ２１５に達すると、ポンプ誘導相対位相シフトのある光信号の２つの部分３１２、３１５がＰＣＣ２１５によって回転偏光状態３１６へ再構成される。回転偏光状態３１６は非スイッチ偏光状態３１８に対して直交している。信号の偏光が直交状態へ回転されているため、光信号２０３はＰＳＣ２２０によって第２の出力ポート２２５へ結合され、このポートが光信号２０３のスイッチングを完了する。
【００２９】
図５は各々が各横木で受動多重化されている１つまたは複数のセンサを有している複数のラダー横木５１０に接続された分散スイッチ２００のラダー構造を有するネットワーク５００を示す。各横木５１０のセンサはスター・マルチプレクサを使用して受動多重化されていることが好ましい。図５には３つのアレイ５１０Ａ、Ｂ、Ｃが示されているだけであるが、かなり多くの数のアレイ５１０を含めることができる。アレイ５１０はそれぞれの入力を有しており、これらの入力は本発明によるそれぞれの偏光分割スイッチ２００Ａ、Ｂ、Ｃによって光分配バス５１２へ結合されている。アレイ５１０は、それぞれの偏光分割スイッチ２００Ｄ、Ｅ、Ｆによって光戻りバス５１４に結合されたそれぞれの出力を有している。偏光分割スイッチ２００の各々はそれぞれのＰＣＣ２１０、２１５、およびそれぞれの中間領域２１８を有している。光信号２０３は、第１のＰＳＳ２００Ａへ入る。光ポンプ信号２０４が存在している場合、光信号２０３は、第１のカプラ２２０を介して受動センサ・アレイ５１０Ａに切り換えられる。光信号２０４が存在していない場合、光信号は第１のカプラ２２０Ａを介してつぎのＰＳＳ２００Ｂへ続く。遅延線５０５が各ＰＳＳ２００の間に挿置されて、光信号２０３に関して光ポンプ信号２０４の適切なタイミングを与える。このようなタイミングは、たとえば、Ｈ.Ｊ.Ｓｈａｗの米国特許第５２６７２４４号に記載され
ている。光ポンプ信号２０４をパルス化して、任意の時点で一つのＰＳＳ２００だけが活動状態であるようにする。したがって、任意のパッシブ・センサ・アレイ５１０は任意の時点で入力信号２０３を受ける。光信号５０３がパッシブ・センサ・アレイ５１０の一つを通過すると、光信号５０３はそれぞれのスイッチ２００Ｄ、Ｅ、Ｆを介して光戻りバス５１４へ出る。
【００３０】
光ポンプ信号２０４は、図６に示すように、一連の入力ポンプ・パルス２０４として分配バス５１２へ、また一連の同期出力ポンプ・パルス５２０として光戻りバス５１４へ送られる。入力ポンプ・パルス２０４は入力ポンプ幅（ＩＰＷ）を有しており、出力ポンプ・パルス５２０は出力ポンプ幅（ＯＰＷ）を有している。入力ポンプ・パルス２０４および出力ポンプ・パルス５２０はそれぞれのバスを伝播するときに遅延されて、異なった時間でそれぞれのスイッチ２００に到達するようになる。詳細にいうと、入力ポンプ・パルス２０４は遅延５０５によって決定される遅延（ＤＥＬＡＹ）の後スイッチ２００Ｃに到達する。上記したように、パルス５３０により、スイッチ２００Ｃは入力信号をＲＵＮＧ  １  ＳＩＧＮＡＬ  ＩＮ５３０として横木１  ５１０Ｃへ送る。それぞれの後続の遅延の後、入力ポンプ・パルスはスイッチ２００Ｂに到達して、入力信号がＲＵＮＧ２  ＳＩＧＮＡＬ  ＩＮ５３１として横木２  ５１０Ｂへ送られる。その後、ポンプ・パルスがスイッチ５００Ａに到達し、入力信号をＲＵＮＧ  ３  ＳＩＧＮＡＬ  ＩＮ５３２として横木３  ５１０Ａへ送る。短いセンサ遅延（図６にＳＤで示す）の後、信号が横木１  ５１０Ｃから一連の出力パルス（ＲＵＮＧ  １ＳＩＧＮＡＬ  ＯＵＴ）５４０として出力される。出力パルス５４０の各々は横木１  ５１０Ｃのそれぞれのセンサによって生成される。各パルスは入力パルス５３０とほぼ同じ継続期間を有しており、各パルスはガードバンド（ＧＢ）と呼ばれる短い遅延によって前のパルスから分離されている。ガードバンドは横木１  ５１０Ｃの各センサを通る経路超の相違を、経路超がもっとも短いセンサによって生成されるパルスが完全に出力され、ガードバンド（ＧＢ）が経過してから、経路長が次の長さのセンサによってパルスが生成されるようにすることによってもたらされる。図６において、横木５１０Ａ、５１０Ｂおよび５１０Ｃの各々からの５つの出力パルスが示されており、これらは各横木における５つのセンサを表している。もっと多くのあるいはもっと少ないセンサを各横木に設けられることを理解すべきである。
【００３１】
出力ポンプ信号は、出力信号が横木５１０Ｃ、５１０Ｂおよび５１０Ａに到達したときにそれぞれの出力スイッチ２００Ｆ、２００Ｅ、２００Ｄに到達するようにタイミングが取られている。これはポンプを対応する遅延線５０５に通すことによって達成される。さらに、ポンプ信号を短時間遅らせて、各横木でもっとも短いセンサ経路を通る伝播遅延に適応させてもよい。図６に示すように、これは第１の戻りバス・スイッチ２００Ｆの前の遅延線５０５に余分の遅延を含めるか、あるいは出力パルスをセンサ遅延（ＳＤ）の量だけ遅延させることによって達成される。各出力ポンプ・パルス５２０は、少なくとも長さが横木５１０Ａ、５１０Ｂ、５１０Ｃからの信号出力パルスの総継続期間になるように選択された継続期間（すなわち、ＯＰＷ）を有している。３本の横木と横木あたり５つのセンサという図示の例において、ポンプ・パルス５２０の継続期間（ＯＰＷ）は、入力パルス継続期間（ＩＰＷ）とガードバンド（ＧＢ）の和の５倍よりも若干大きくなる（すなわち、ＯＰＷ＞５×（ＩＰＷ＋ＧＢ））。
【００３２】
第１の遅延線５０５は、信号出力パルス５４０が横木１  ５１０Ｃから出力されるのと同時に、出力ポンプ・パルス５２０がスイッチ２００ＦにＥＮＡＢＬＥＲＵＮＧ  １  ＯＵＴパルス５５０として到着するように選択される。それ故、スイッチ２００Ｆによって、パルス５４０を戻りバス５１４へ送ることが可能となる。同様に、付加遅延の後、ポンプ・パルス５２０はスイッチ２００ＥにＥＮＡＢＬＥ  ＲＵＮＧ  ２  ＯＵＴパルス５５１として到達し、ついで、スイッチ２００ＤにＥＮＡＢＬＥ  ＲＵＮＧ  ３  ＯＵＴパルス５５２として到達する。
【００３３】
横木５１０Ａ、５１０Ｂ、５１０Ｃの各々からの信号は第２の偏光状態である。出力ポンプ・パルスが特定の出力スイッチ２００（たとえば、出力スイッチ２００Ｄ）に存在している場合には、それぞれのアレイ（たとえば横木３  ５１０Ａ）から出力信号が第２の偏光状態から、出力スイッチ２００Ｄの第１の偏光に結合される。それ以外の場合、出力ポンプ・パルスが存在していなければ、信号は第２の偏光状態のままである。
【００３４】
ポンプ・パルスがスイッチ２００Ｄに存在している場合には、信号は第１の偏光状態に結合され、第１の偏光状態で戻りバス５１４を伝播する。信号がスイッチ２００Ｅに到達し、ついでスイッチ２００Ｆに到達した場合には、ポンプ・パルスは存在しておらず、結合は行われない。それ故、信号はスイッチを通って、戻りバス５１２の出力へ伝播するようになる。一方、信号が横木３から出力されたときに、ポンプがスイッチ２００Ｄに存在していない場合、信号は第２の偏光のままである。それ故、信号は第２の伝播でスイッチ２００Ｅに到達した場合、未使用の出力ポートに結合され、これによって廃棄されて、戻りバス５１４の出力へ伝播しないようになる。戻りバス５１４の出力に達する第２の偏光状態の信号は偏光フィルタ５９０によってブロックされるのが有利である。あるいは、第２の偏光状態の光を検出しない検出器（図示せず）を選択する。
【００３５】
横木１の出力パルス５２０は戻りバス５１４の一つの遅延線５０５を通って伝播し、約１つのＤＥＬＡＹ時間後に一連の出力パルス５６０として与えられる。横木２の出力パルス５２１は戻りバス５１４の遅延の一つ５０５を通って伝播し、約２つのＤＥＬＡＹ時間後に一連の出力パルス５６１として与えられる。横木３の出力パルス５２２は戻りバス５１４の遅延の一つ５０５を通って伝播し、約３つのＤＥＬＡＹ時間後に一連の出力パルス５６２として与えられる。パルス５４０、５４１および５４２は生成された場合に時間的に重なり合っているが、横木２の出力パルス５２１と横木３の出力パルス５２２の生成時の遅延の累積効果、および戻りバス５１４を通る出力パルスの伝播時の遅延により、パルスが戻りバス５１４の出力に到達したときに、出力パルスが分離される。逆に、出力パルスは戻りバス５１４の出力に、短い遅延だけ分離されたパルスの連続ストリームとして与えられ、パルスが重なり合わないようにする。
【００３６】
出力信号の継続期間がポンプ・パルス２０４よりも長いため、入力ポンプ・パルス２０４を選択したＰＵＭＰ  ＰＥＲＩＯＤだけ離隔させて、第２の入力ポンプ・パルス２０４によって引き起こされる第１の出力信号パルスが、第１の入力ポンプ・パルス２０４によって引き起こされる最後の出力信号パルスに重なり合わないようにしなければならない。それ故、入力ポンプ・パルス２０４は２×ＤＥＬＡＹ×Ｎ（ただし、Ｎは横木の数である）に等しいＰＵＭＰ  ＰＥＲＩＯＤだけ離隔させる。上記したように、ＤＥＬＡＹはある横木からの信号が次の横木からの信号が出力され始める前に、生成され、出力されるのに十分な長さとなるように選択される。それ故、ＤＥＬＡＹは各一連のポンプ・パルスの継続期間の半分よりも若干長くなるように選択される。この基準に従ってＰＵＭＰ  ＰＥＲＩＯＤを選択することによって、第２の入力ポンプ・パルス２０４によって引き起こされるＲＵＮＧ  １  ５１０Ｃからの信号が、直前の入力ポンプ・パルスによって引き起こされた出力パルス５６２の直後になる一連のパルス５６３として出力される。
【００３７】
上記の態様により、光信号を各パッシブ・センサ・アレイによって選択的に分配し、データ分析のためにこれから復元することができる。同時に活動状態となるのが一つだけの入力スイッチ２００と対応する一つだけの出力スイッチ２００であるようにポンプ・パルスのタイミングを取ることによって、各アレイ５１０からの信号を別々に分析することができる。
【００３８】
本発明の特定の実施の形態に関して上記で説明したが、実施の形態の説明が本発明を例示するものであって、限定を目的とするものではないことを理解すべきである。各種の変形および用途が特許請求の範囲に規定した本発明の新の精神および範囲から逸脱することなく、当分野の技術者に想起されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】例示的な非線形マッハ−ツェンダ・ファイバ干渉スイッチの略図である。
【図２】本発明によるマッハ−ツェンダ偏光分割スイッチの構成を示す図である。
【図３】ポンプ・パルスが存在していない偏光維持ファイバ内での図２の全光マッハ−ツェンダ・スイッチの動作を示す図である。
【図４】ポンプ・パルスが存在している偏光維持ファイバ内での全光マッハ−ツェンダ・スイッチの動作を示す図である。
【図５】偏光維持ファイバ内のマッハ−ツェンダ型の全光スイッチの分散ネットワークを示す図である。
【図６】図５の分散ネットワークに対する入力ポンプ信号と出力ポンプ信号の間の関係を示す図である。
【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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