(57)【要約】【課題】偏向制御に用いる素子と強度制御に用いる素子を個別にし、偏向制御に反射型液晶位相変調器を用い、強度制御に透過型の液晶素子を用いた波長選択スイッチを提供すること。【解決手段】波長選択スイッチは、光ビームの偏向を制御するための偏向制御用液晶１５０と、光ビームの強度を制御するための強度制御用液晶１４０と、入力光の偏向を適当な向きに調整するための偏波調整器１２１と、波長多重された入射光を分波して偏向制御用液晶１５０に入射し、かつ、偏向制御用液晶１５０で操作された反射光を合波するための空間光学系１３０とから構成される。強度制御用液晶１４０の偏光角を偏向制御液晶１５０の配向方向に対して制御することで、強度制御用液晶１４０を透過する光の強度を制御する。これにより、スイッチング中にクロストークの劣化を生じさせることなく、高速なスイッチングが行える。【選択図】図１
2017054004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の入力ポートと、１つ以上の出力ポートとを有する、波長選択スイッチであって、
前記入力ポートから入射した波長多重された光を分波し、入射した異なる波長の光を合波して前記出力ポートの１つに出力する、分散素子を含む空間光学系と、
透過もしくは反射可能な光の偏光方向を制御する強度制御用偏光制御素子と、
印加された電圧により入射した光の位相を変化させ、前記入射した光の偏向を制御する偏向制御用位相変調器と、
前記入力ポートから入射した光を前記偏向制御用位相変調器の配向に合う偏波に調整する偏波調整器と、
を備え、
前記強度制御用偏光制御素子は、前記空間光学系と前記偏向制御用位相変調器との間に配置され、前記偏向制御用位相変調器の配向方向に対して前記透過もしくは反射可能な光の偏光方向を変えることより、前記空間光学系から出射され、前記偏向制御用位相変調器で反射されて前記空間光学系に入射する光の減衰率を制御することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記偏向制御用位相変調器は、反射型偏向制御用液晶であり、
前記強度制御用偏光制御素子は、透過型強度制御用液晶である、
ことを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項３】
前記反射型偏向制御用液晶と前記透過型強度制御用液晶とは、単一のガラス基板を介して積層されていることを特徴とする請求項２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記透過型強度制御用液晶の画素数は、ポート配列方向には４画素以下であり、前記分散素子の分散方向には波長ｃｈ数から前記反射型偏向制御用液晶と略同数であり、
電極印加用の配線が交差しないことにより前記分散方向の開口率が９０％よりも大きい、
ことを特徴とする請求項２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記空間光学系は、前記入力ポートに１枚以上のレンズから構成される第１の光学系と、１枚以上のレンズから構成される第２の光学系とを含み、前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に前記分散素子が配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
【請求項６】
前記強度制御用偏光制御素子と前記偏向制御用位相変調器との間に配置され、前記強度制御用偏光制御素子と前記偏向制御用位相変調器とのそれぞれに焦点を有する第３の光学系をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の波長選択スイッチ。
【請求項７】
前記偏向制御用位相変調器は、出力先である前記出力ポートの１つとは異なる方向に光強度の一部を分けることによる減衰率制御を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
【請求項８】
スイッチ元の第１の出力ポートからスイッチ先の第２の出力ポートに切り替える際、
前記強度制御用偏光制御素子を、予め定められた閾値以上の減衰率になるよう前記透過もしくは反射可能な光の偏光方向を変化させ、
前記偏向制御用位相変調器を、入射した光の偏向角を前記第１の出力ポートに向かう方向から前記第２の出力ポートに向かう方向に変化させ、
前記強度制御用偏光制御素子を、前記閾値未満の減衰率になるよう前記透過もしくは反射可能な光の偏光方向を変化させる、
制御を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
【請求項９】
スイッチ元の第１の出力ポートからスイッチ先の第２の出力ポートに切り替える際、
前記透過型強度制御用液晶を、予め定められた閾値以上の減衰率になるよう前記透過可能な光の偏光方向を変化させ、
前記偏向制御用液晶の対象とする光が前記第１の出力ポートに向かう偏向パタンが表示された対象とする光Ｃｈの画素全体に一律の電圧を与え、
前記偏向制御用液晶の前記対象とする光Ｃｈの画素に前記対象とする光が前記第２の出力ポートに向かう偏向パタンを表示させ、
前記透過型強度制御用液晶を、前記閾値未満の減衰率になるよう前記透過可能な光の偏光方向を変化させる、
制御を行うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか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、通信用光伝送装置、波長ルーティング装置などに使用される波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信では、光信号を電気信号に変換することなく、光のままで通信先に送ることにより、通信速度を落とさない高速通信を実現している。また、１つの波長に１つの光信号を対応させた波長多重信号を用いた通信を可能にするＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術により、一本の光ファイバを使って大容量の光伝送が行えるようになっている。このような光通信技術の発展に伴い、光信号のままで経路を切り替える光スイッチの役割が重要性を増している。
【０００３】
光通信ネットワークの大規模化に伴い、光信号の波長数も増え、数十もの波長から任意の波長を選択し、複数の出力ファイバのいずれかから出力する波長選択スイッチの小型化、高機能化が求められている。
【０００４】
そのような中で、このような高機能な波長選択スイッチをコンパクトに実現できるとして、液晶素子を空間位相変調器として用いた空間光学系光スイッチが注目されている。
【０００５】
図８に、空間位相変調器を偏向制御兼光強度制御素子として使った、従来の波長選択スイッチの構造を示す（非特許文献１参照）。この波長選択スイッチでは、空間位相変調器１０４０として、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）が用いられている。
【０００６】
入力ポート１０１１から入力された光は、偏波ダイバーシチなどの偏波調整器１０２１を通って、空間位相変調器１０４０が位相を制御できる偏波に状態を合わせる。例えば、液晶を使った空間位相変調器１０４０などは、液晶の複屈折性により発現した遅相軸を電圧制御可能なことにより、遅相軸と一致した偏波を有する光の位相を変化させることができる。よって液晶の遅相軸に一致するように入力光の偏波を、偏波調整器１０２１を使って調整する。
【０００７】
適当な偏波に調整された入力光はフロントエンド光学系１０３１を介して整形されたのち分散素子１０３２に当てられる。分散素子１０３２により波長分解された入力光は、バックエンド光学系１０３３を介して整形されたのち、空間位相変調器１０４０に入射される。
【０００８】
なお、フロントエンド光学系１０３１、分散素子１０３２、バックエンド光学系１０３３を合わせて、分散空間光学系１０３０と呼んでいる。
【０００９】
空間位相変調器１０４０は、入射光の位相に所望の偏向角が生じるような位相差を画素単位で与える。この結果、入射光は所望の偏光角で反射されて、偏波調整器１０２２、出力ポート１０１２まで入射光と反対の経路を辿って出力される。空間位相変調器１０４０の偏向角を調整すれば、複数の出力ポート１０１２の内、所望の出力ポートにスイッチすることができる。
【００１０】
図９（ａ）、（ｂ）に、従来の波長選択スイッチの側面図および上面図を示し、光学系部分について詳説を行う。ここでは説明を簡単にするために、偏波はあらかじめ適当に調整されているとして図８に示す偏波調整器１０２１、１０２２に相当する構成は省いている。また、図８では反射型分散素子１０３２を使ったが、ここでは透過型分散素子１１３０を用いて説明する。機能的には反射型と透過型とに差はない。
【００１１】
入力ポート１１１１から入った光は、図９（ａ）に示す入力ポート１１１１、出力ポート１１１２の入射端が並んだポート配列方向から、レンズ１１２１を通してレンズ１１２２に向かう。入力ポート１１１１からレンズ１１２１までの距離は、レンズ１１２１の焦点距離：ｆ１とし、レンズ１１２１からレンズ１１２２までの距離は、レンズ１１２１とレンズ１１２２の焦点距離の和：ｆ１＋ｆ２とする。
【００１２】
レンズ１１２２から出射された光は、光軸と平行して進み、レンズ１１２２からｆ２離れた距離に置かれた分散素子１１３０に当たる。分散素子１１３０は、ポート配列方向と直行する波長分散方向上で光を分波するが、ポート配列方向に注目して見る限り、光は分散素子１１３０を透過して、分散素子１１３０からレンズ１１２３の焦点距離ｆ３だけ離れたところに位置するレンズ１１２３に向かう。
【００１３】
レンズ１１２３を通った光は、レンズ１１２３からｆ３だけ離れたところに置かれた空間位相変調器１１４０に入射される。レンズ１１２３に入射する前には光軸に対して平行な光だったので、空間位相変調器１１４０上で焦点を結ぶことになる。空間位相変調器１１４０によって所望の方向に向きを変えられた反射光は、往路とは逆の順を辿って出力ポートに出力される。
【００１４】
次にポート配列方向と直交し、ポートが重なって見える波長分散方向における光の進み方を、図９（ｂ）を参照しながら説明する。光は、波長分散方向に関しては、レンズ１１２１、１１２２のほぼ中央を通るので光軸と一致して分散素子１１３０まで進む。分散素子１１３０を通ると、光は分波されて波長分散方向に広がる。
【００１５】
広がった光は、レンズ１１２３を通って光軸と平行な分波光となり、位相変調器１１４０に入射される。位相変調器１１４０上で分波された光が線状に当たることになる。位相変調器１１４０の画素を光Ｃｈ毎に割り当てておくことで、光Ｃｈ毎に偏向を制御して所望の出力ポートを選択できるようになっている。
【００１６】
図１０（ａ）〜（ｃ）に、図９に示す空間位相変調器の偏向原理を説明する図を示す。空間位相変調器１２１０は、反射する（透過型の場合は透過する）光の位相に、光が反射する空間位相変調器上の空間的な位置に応じて変化を与えることができるデバイスである。そして、光の位相を空間的に制御すると、光の向き（偏向）も制御することができる。
【００１７】
光の偏向デバイスとして良く用いられるミラーについて、光の位相を空間的に変えることで偏向できることを示す。光線光学（幾何光学）から、ミラー１２２０を傾けた角度θの２倍：２θが光線の偏向角となる（図１０（ｂ））。ミラー１２２０による反射を波動光学的に見ると、ミラー１２２０を傾けることにより、ミラー１２２０に照射された光に照射位置に応じた空間的な位相変化を与えていると考えられる。つまり、ミラー１２２０は、照射位置に対する光の位相の傾きがθとなるように、入射光に直線的な位相変化を与える空間位相変調器として働いたと解釈できる（図１０（ｃ）の破線）。
【００１８】
液晶などの空間位相変調器を使えば、空間的に光の位相変化を生じさせることができるので、ミラー１２２０のように傾けることをしなくても光を偏向させることができる。しかし、液晶等を使った一般的な位相変調器の場合、電圧等で変化させられる位相範囲が有限なので、図１０（ｃ）の破線のように直線的に位相を変え続けることはできない。この場合、変調器により制御できる位相範囲が光の位相周期２π以上であれば、直線的な位相変化（図１０（ｃ）の破線）を２πで折り返すことにより、破線と等価な位相変調を光に与えることが出来る。つまり、図１０（ｃ）の太線で表した鋸波が破線と等価な偏向パタンとなる。この偏向パタンを表示した空間位相変調器に入射された光は、角度θだけ傾けたミラー１２２０に入射された場合と同様に、２θだけ偏向して反射される。
【００１９】
但し、ミラー１２２０を使った場合と比べて、空間位相変調器にはデメリットがある。図１１（ａ）、（ｂ）に、空間位相変調器画面の位置対する位相を示し、空間位相変調器のデメリットを説明する。空間位相変調器１２１０ではミラー１２２０と異なり周期的な偏向パタンを使用するが、位相が２πから０に戻るところで、液晶構造の物理的な限界から不連続点が現れる。この不連続点では光の回折や散乱が生じる（図１１（ａ））。この不連続点は画面上で周期的に現れるが、周期的な位置で発生する散乱光は特定角度方向に強度分布を持つため、これが高次光となる。別の見方をすれば、２πで折り返す周期で波面を変調していることになるので、変調成分に相当する高次光が現れるとも言える。この高次光が結合状態にないポートに戻るとクロストーク（接続していないポートに対するＳ／Ｎ）が劣化する原因となる。
【００２０】
さらに、強度制御パタンを偏向パタンに加えると、その分の回折、散乱光が発生するため、よりクロストークが劣化しやすくなる（図１１（ｂ））。
【００２１】
これに対してミラー１２２０を使った場合、出力ポートの選択をミラー１２２０の偏向角で行うのはもちろん、強度制御もミラーの偏向角を微調することで行うため、回折、散乱光が発生せず、強度制御してもクロストークの劣化にはならない。
【００２２】
このように強度制御については、ミラーを用いた場合と比べて、ＬＣＯＳなどの空間位相変調器を用いた場合、光ビームを主信号のパワーと高次回折光に分けることで行うため、分かれた高次光ビームが想定外の出力ポートと結合しないように注意を払う必要がある。
【００２３】
加えて、空間位相変調器は画素に分割されたデジタル画像で回折パタンを表現するので、少なくとも量子化する分、理想的な回折パタンからずれてしまう。このずれも光ビームの散乱の一因となる。このように空間位相変調器を用いた場合、高次回折光を含む散乱光がミラーに比べて多くなるため、目的外の出力ポートに光が漏れてしまうクロストークも大きくなりがちになる。
【００２４】
しかし、このようなデメリットがあるにも関わらず、ミラーを使った波長選択スイッチに比べて空間位相変調器を使った波長選択スイッチは、次世代機として有望視されている。それは、微小な画素で任意サイズの反射面を構成できるため、次世代波長選択スイッチに必要とされる、光の透過帯域を任意に設定することが可能な帯域可変機能を有することができるためである。
【００２５】
さらに、実装する際、ミラーの場合、非常に高精度に光学系とミラーとの位置関係を合わせなければならないのに対して、空間位相変調器の場合、実装後にソフト的に画像表示位置を合わせることで光学系との位置合わせが可能である。このような点も空間位相変調器の優れた特徴である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２６】
【非特許文献１】Glenn Baxter, Steven Frisken, Dmitri Abakoumov, Hao Zhou, Ian Clarke, Andrew Bartos, and Simon Poole, “Highly programmable Wavelength Selective Switch based on Liquid Crystal on Silicon switching elements”, Optical Fiber Communication Conference and Exposition and The National Fiber Optic Engineers Conference, Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2006), paper OTuF2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ＬＣＯＳ等の液晶素子を位相変調型偏向素子として用いた従来の波長選択スイッチは、既述したように高機能である反面、クロストークが多いという課題がある。図１２（ａ）、（ｂ）に、液晶素子を位相変調型偏向素子として用いた場合の出力特性を示す。偏向制御のみの場合もクロストークは生じるが（図１２（ａ））、特に減衰率を上げると、主信号の光ビーム強度が下がる一方、減衰用に重畳した変調パタンにより回折光が増加するため、クロストークが多くなる（図１２（ｂ））。
【００２８】
このクロストークの増加は、単に静的にあるポートと結合状態を保っている時だけでなく、出力ポートを切り替える時にも課題となっている。光スイッチのスイッチ速度と液晶の応答速度はサブミリ秒オーダでほぼ同じなので、スイッチのために電圧を変えてから液晶がその電圧に応じた静的な状態に達するまでの挙動把握が困難である。このことがスイッチする際に目標以外の出力ポートに光を漏らさないように管理するヒットレススイッチの実現を難しくしていた。
【００２９】
その他に、ＬＣＯＳには応答速度が遅いという課題がある。位相変調器として用いる場合、位相を２π(波長相当)以上に変化させることが必要だが、通信で用いられる赤外光領域は波長が長いため、液晶の厚みを大きくする必要があり、その分応答速度が遅い。先ほど述べたヒットレススイッチの実現のため、いくつもの偏向パタンを使ってクロストークを発生させないよう注意する必要があるが、応答速度が遅いと、いくつものパタンを発生させるだけでも非常に時間がかかってしまう。
【００３０】
このように、ＬＣＯＳ等の位相変調型偏向子を用いた光スイッチは、高い機能を有することが可能な反面、クロストーク性能や応答時間性能が良くないことが課題である。
【００３１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、偏向制御に用いる液晶素子と強度制御に用いる液晶素子を個別にした波長選択スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記の課題を解決するために、本発明は、１つ以上の入力ポートと、１つ以上の出力ポートとを有する、波長選択スイッチであって、前記入力ポートから入射した波長多重された光を分波し、入射した異なる波長の光を合波して前記出力ポートの１つに出力する、分散素子を含む空間光学系と、透過もしくは反射可能な光の偏光方向を制御する強度制御用偏光制御素子と、印加された電圧により入射した光の位相を変化させ、前記入射した光の偏向を制御する偏向制御用位相変調器と、前記入力ポートから入射した光を前記偏向制御用位相変調器の配向に合う偏波に調整する偏波調整器と、を備え、前記強度制御用偏光制御素子は、前記空間光学系と前記偏向制御用位相変調器との間に配置され、前記偏向制御用位相変調器の配向方向に対して前記透過もしくは反射可能な光の偏光方向を変えることより、前記空間光学系から出射され、前記偏向制御用位相変調器で反射されて前記空間光学系に入射する光の減衰率を制御することを特徴とする。
【００３３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、前記偏向制御用位相変調器は、反射型偏向制御用液晶であり、前記強度制御用偏光制御素子は、透過型強度制御用液晶である、ことを特徴とする。
【００３４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の波長選択スイッチにおいて、前記反射型偏向制御用液晶と前記透過型強度制御用液晶とは、単一のガラス基板を介して積層されていることを特徴とする。
【００３５】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の波長選択スイッチにおいて、前記透過型強度制御用液晶の画素数は、ポート配列方向には４画素以下であり、前記分散素子の分散方向には波長ｃｈ数から前記反射型偏向制御用液晶と略同数であり、電極印加用の配線が交差しないことにより前記分散方向の開口率が９０％よりも大きい、ことを特徴とする。
【００３６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記空間光学系は、前記入力ポートに１枚以上のレンズから構成される第１の光学系と、１枚以上のレンズから構成される第２の光学系とを含み、前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に前記分散素子が配置されていることを特徴とする。
【００３７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の波長選択スイッチにおいて、前記強度制御用偏光制御素子と前記偏向制御用位相変調器との間に配置され、前記強度制御用偏光制御素子と前記偏向制御用位相変調器とのそれぞれに焦点を有する第３の光学系をさらに備えたことを特徴とする。
【００３８】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記偏向制御用位相変調器は、出力先である前記出力ポートの１つとは異なる方向に光強度の一部を分けることによる減衰率制御を行うことを特徴とする。
【００３９】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、スイッチ元の第１の出力ポートからスイッチ先の第２の出力ポートに切り替える際、前記強度制御用偏光制御素子を、予め定められた閾値以上の減衰率になるよう前記透過もしくは反射可能な光の偏光方向を変化させ、前記偏向制御用位相変調器を、入射した光の偏向角を前記第１の出力ポートに向かう方向から前記第２の出力ポートに向かう方向に変化させ、前記強度制御用偏光制御素子を、前記閾値未満の減衰率になるよう前記透過もしくは反射可能な光の偏光方向を変化させる、制御を行うことを特徴とする。
【００４０】
請求項９に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれかに記載の光スイッチにおいて、スイッチ元の第１の出力ポートからスイッチ先の第２の出力ポートに切り替える際、前記透過型強度制御用液晶を、予め定められた閾値以上の減衰率になるよう前記透過可能な光の偏光方向を変化させ、前記偏向制御用液晶の対象とする光が前記第１の出力ポートに向かう偏向パタンが表示された対象とする光Ｃｈの画素全体に一律の電圧を与え、前記偏向制御用液晶の前記対象とする光Ｃｈの画素に前記対象とする光が前記第２の出力ポートに向かう偏向パタンを表示させ、前記透過型強度制御用液晶を、前記閾値未満の減衰率になるよう前記透過可能な光の偏光方向を変化させる、制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
本発明は、従来のように空間位相変調器を偏向兼強度制御素子として用いた波長選択スイッチに比べて、高次光を含む散乱光によるクロストークの劣化が少ないという効果がある。さらに従来よりも少ない処理で、従来の方法に比べて、他ポートへのクロストークが少なく、かつ、スイッチ速度も速いヒットレススイッチを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）に、本発明における偏向制御方法と強度制御方法について説明する図である。
【図３】本発明の強度制御方法の原理を説明する図であり、（ａ）は光強度を減衰させていない状態を示し、（ｂ）は光強度をｃｏｓ2φ倍に減衰させた状態を示し、（ｃ）は光を遮断した状態を示す。
【図４】本発明における第１の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の波長選択スイッチに用いる液晶素子の構成を示す図である。
【図６】本発明の波長選択スイッチで用いる強度制御用液晶２４０および偏向制御用液晶２５０を含む一体型液晶素子を示す図である。
【図７】本発明における第２の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。
【図８】空間位相変調器を偏向制御兼光強度制御素子として使った、従来の波長選択スイッチの構造を示す図である。
【図９】従来の波長選択スイッチの構成を示す図であり、（ａ）側面図であり、（ｂ）は上面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、図９に示す空間位相変調器の偏向原理を説明する図である。
【図１１】空間位相変調器画面の位置対する位相を示す図であり、（ａ）は偏向パタンのみの場合であり、（ｂ）は偏向パタンに強度制御パタンを重畳した場合である。
【図１２】液晶素子を位相変調型偏向素子として用いた場合の出力特性を示す図であり、（ａ）は偏向制御のみの場合であり、（ｂ）は偏向制御に強度制御を加えた場合である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００４４】
図１に、本発明の一実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す。図１は、１つの入力ポートと複数の出力ポートを持つドロップ型の波長選択スイッチの例を示している。光の入出力方向が逆になるだけなので多くの説明が重複するのでアド型の波長選択スイッチについては省略するが、本発明は複数の入力ポートと１つの出力ポートを持つアド型の波長選択スイッチにも適用可能である。
【００４５】
図１に示す入力ポート１１１と複数の出力ポート１１２を有する空間光学型の波長選択スイッチは、光ビームの偏向を制御するための偏向制御用液晶１５０と、光ビームの強度を制御するための強度制御用液晶１４０と、入力光の偏光を適当な向きに調整するための偏波調整器１２１と、波長多重された入射光を分波して偏向制御用液晶１５０に入射し、かつ、偏向制御用液晶１５０で操作された反射光を合波するための空間光学系１３０とから構成される。
【００４６】
空間光学系１３０は、入射光を分波、合波するための回折格子等の分散素子１３２と、入出力ポート１１１と分散素子１３２の間にあり、１枚以上のレンズから構成されるフロントエンド光学系１３１と、分散素子１３２と強度制御用液晶１４０との間にあり、１枚以上のレンズから構成されるバックエンド光学系１３３とから構成される。
【００４７】
偏波調整器１２１は、入力光の偏波状態を、偏向制御用液晶１５０に印加する電圧により入射光の位相を変化させることが出来る偏光方向に合わせることを目的としている。このための技術として偏波ダイバーシチがよく知られている。本発明でも偏波の調整には偏波ダイバーシチを用いる。
【００４８】
図１と従来の構成を示した図８を比較すれば分かるように、本発明における基本的な構成は、従来の構成に対して空間位相変調器を偏向制御用液晶１５０と強度制御用液晶１４０に分けた点に特徴がある。
【００４９】
図２（ａ）、（ｂ）に、本発明における偏向制御方法と強度制御方法について説明する図を示す。光線の偏向を制御するのは、ＬＣＯＳなどを想定した偏向制御液晶１５０である。偏向原理については、図１０を使って先述した内容と同じなので省略する。光強度を制御するのは、透過型液晶などを用いた強度制御用液晶１４０である。この強度制御用液晶１４０を使って、強度制御用液晶１４０を透過する光の強度を後述するように制御する。
【００５０】
図３（ａ）〜（ｃ）に、本発明の強度制御方法の原理を説明する図を示す。光線の偏光は、偏向制御液晶１５０の配向方向（この方向と同じ直線偏光の位相を制御可能な方向）と一致している。この偏光方向の光が最も透過するように強度制御用液晶１４０を調整した状態が、光強度を減衰させていない状態になる（図３（ａ））。強度制御用液晶１４０を通過する光の偏光方向を図３（ａ）の状態からφだけ回すと、透過できる光の振幅はｃｏｓφ倍に減少する。減少した光は後段の偏向制御用液晶１５０により偏向されて戻ってくる。再び強度制御用液晶を通過するため、光の振幅はｃｏｓφ倍される。その結果、入射した光に対して強度制御用液晶１４０から戻ってくる光の振幅はｃｏｓ2φ倍になる（図３（ｂ））。さらに、偏光回転角φを大きくして強度制御用液晶１４０をπ／４（９０°）回すと、理想的には入力した光は強度制御用液晶１４０で遮断されて偏向制御用液晶に届かなくなる。この状態が最も減衰させた状態となる（図３（ｃ））。
【００５１】
この説明で分かるように本発明の波長選択スイッチは、光の強度制御に液晶による光の吸収効果を用いている。先述したように、主信号から高次光に光エネルギーを分けることにより強度制御していた従来技術では、配分先の高次光がクロストークの劣化につながる恐れがあったが、吸収効果を利用している本発明では、高次光が生じないのでそのような心配はない。
【００５２】
本発明は、高次光によるクロストークの劣化を気にする必要がないので、強度制御用液晶１４０を通過する光の偏光状態を一気に変えて強度制御することが可能である。このため、従来の技術では、スイッチング中にクロストークの劣化を生じさせないために複数枚の偏向パタンを使ってスイッチしていたが、本発明は一気にスイッチしてもクロストークの劣化が小さいので、高速なスイッチングが行える。
【００５３】
さらに強度制御用液晶１４０は、最大と最小の減衰を作るためにπ／４の位相変化を実現できればよく、位相変調器を使った減衰方法のように２πまでの位相変化は不要である。そのため、液晶の厚みを薄くすることができるので、強度制御用液晶１４０の応答速度を上げて、高速な減衰制御を行うことができる。
【００５４】
本発明は、スイッチ元の出力ポートからスイッチ先の出力ポートに切り替える際のポート間のクロストークを従来技術より抑えたヒットレススイッチも提供する。具体的な方法は以下の通りである。
【００５５】
始めに、対象とする光ｃｈについて、強度制御用液晶１４０の偏光方向を大きく変えて、予め定めた閾値以上の大きな減衰率を発生させる。次に、偏向制御用液晶１５０の画面に、スイッチ先の出力ポート１１２の１つに光線の偏向角を合わせた偏向パタンを表示する。最後に、強度制御用液晶１４０の偏光状態を、予め定めた閾値未満の所望の減衰率を与える状態にする。この方法により、スイッチング中でも他のポートに光がほとんど漏れない、理想的なヒットレススイッチを実現する。
【００５６】
また、偏向制御用液晶１５０は、偏向パタンの表示を変える際、対象とする光Ｃｈの画素全体に一律の電圧を与えた後に次の偏向パタンを表示することで、前の偏向パタンの影響で生じたチルトリバース(液晶が本来の向きとは逆に傾いてしまう現象)を抑制するように制御されても良い。
【００５７】
なお、強度制御用液晶１４０などの強度制御用偏光制御素子を使った光強度の制御は、主信号のパワー調整が目的であり、パワーを調整した結果、帯域特性が変わってしまったということもありうる。そのような場合、画素数が多い偏向制御用液晶１５０などの偏向用位相変調器を使って、主信号の帯域特性をも考慮して細かくパワー調整した方が好ましい場合もありうる。よって、本発明では強度制御の全てを強度制御用偏光制御素子に任せるのではなく、強度制御用偏光制御素子を使っておおまかな強度制御を行い、偏向用位相変調器を使って、クロストークの劣化が許容できる範囲で、帯域特性を考慮した微細な強度制御を行うことも可能である。
【００５８】
ここまで説明したように、本発明による光スイッチは光強度の制御に偏光を制御する透過型の強度制御用液晶１４０を用いるため、この液晶を透過できなかった光はどのポートにも結合することはない。そのため、従来のように空間位相変調器を偏向兼強度制御素子として用いた波長選択スイッチに比べて、高次光を含む散乱光によるクロストークの劣化が少ないという効果がある。
【００５９】
さらに別ポートへヒットレススイッチする場合は、強度制御用液晶１４０により光を透過させない状態を作ってから、偏向制御用液晶１５０の位相パタンをスイッチ先の偏向角に合わせたパタンに更新し、そののち、強度制御用液晶１４０を元の透過する状態に戻すだけの３段階の処理で実現できる。そのため、他ポートへの漏れ込みを回避するために何通りもの遷移パタンを使って時間をかけてスイッチする従来の方法に比べて、他ポートへのクロストークが少なく、かつ、スイッチ速度も速いヒットレススイッチを提供することが可能である。
【００６０】
（第１の実施形態）
図４（ａ）、（ｂ）に、本発明における第１の実施形態に係る波長選択スイッチの側面図および上面図を示す。本図は従来の波長選択スイッチに本発明の強度制御用液晶２４０および偏向制御用液晶２５０を適用した例である。従来の光学系を示した図９と比較すれば分かるように、空間位相変調器である偏向制御用液晶２５０の直前に、強度制御用液晶２４０を配置している。また、図９と同様に、偏波はあらかじめ適当に調整されているとして偏波調整器１２１、１２２に相当する構成は省いている。
【００６１】
図５（ａ）〜（ｃ）に、本発明の波長選択スイッチに用いる液晶素子の構成を示す。図４で用いるための強度制御用液晶２４０と偏向制御用液晶２５０との構成を示している。第１の実施形態では、同サイズの画面サイズを有する２枚の液晶を重ねて配置する（図５（ａ））。２枚の液晶の間隔はポート数に依存した最大偏向角で制限される設計事項であるが、偏向制御用液晶で偏向された光線が強度制御用液晶の透過幅でケラレが生じることがないような位置まで近づける。
【００６２】
図５（ｂ）、（ｃ）に強度制御用液晶２４０と偏向制御用液晶２５０を示す。図５（ｃ）に示す偏向制御用液晶２５０は、従来の波長選択スイッチと同様の画素数を持つ液晶を用いることができる。偏向制御用液晶２５０がＬＣＯＳの場合、プロジェクタ用途で開発されたハイビジョン対応の画素数のものをベースにすることが多いので、画素数は（１０００〜２０００）×（１０００〜２０００）、画素ピッチは５〜１５μｍのものが多い。
【００６３】
図５（ｂ）に示す強度制御用液晶２４０は、プロジェクタで使われる透過型液晶と同等の構造を有する液晶を使うことができる。透過型液晶の開口率が低いことに起因する損失を気にしない場合は、プロジェクタで使用する液晶を使うことも可能である。しかし、より低損失のものが必要な場合は、画素の形状や数について、専用の液晶を用いることが望ましい。
【００６４】
強度制御用液晶２４０の場合、ポートスイッチ方向には１画素以上あればよい。また、波長分散方向には光Ｃｈ数以上あればよい。帯域制御機能実現するためには、全Ｃｈをカバーする帯域を最小帯域幅で割った数の画素数以上あればよい。帯域も含めた細かい制御を必要とする場合は、偏向制御用液晶２５０とほぼ同数の画素数があればよい。強度制御用液晶２４０において重要なのは開口率である。
【００６５】
プロジェクタで用いられる透過型液晶の場合、マトリクス状の配線を通すための枠を取る必要があり、開口率は約５０％と小さい。そのため、光が透過するとそれだけで−３ｄＢの損失を生じる。本発明の波長選択スイッチの場合、２回、強度制御用液晶２４０を透過するので、最大で−６ｄＢの大きな損失を生じてしまう。
【００６６】
そこで本発明における強度制御用液晶２４０として用いる専用の透過型液晶は、ポートスイッチ方向の画素を１つか２つに抑え、マトリクス状の配線構造なしに、電極の端から全ての画素の電極に電圧を印加できる構造とする。
【００６７】
また、波長分散方向については、マトリクス配線のための枠を設ける必要がないので、製作上の制約で決まる値まで開口率を大きくすることが可能である。一般的なＬＣＯＳの反射型液晶の開口率は９０％を超えるが、強度制御用液晶の開口率もこれと同等の開口率とする。
【００６８】
図６に、本発明の波長選択スイッチで用いる強度制御用液晶２４０および偏向制御用液晶２５０を含む一体型液晶素子を示す。これは、図４で用いるための偏向制御用液晶２５０と強度制御用液晶２４０を一体で製作する場合の構成を示している。
【００６９】
偏向制御用液晶２５０の構造はＬＣＯＳの構造と同一である。Ｓｉ基板２６１上に光を高効率に反射する微細な位相変調用電極２５１を形成し、その上にスペーサ２６２を挟んでガラス基板２６３を実装する。ガラス基板２６３、スペーサ２６２、Ｓｉ基板２６１で囲まれた空間に偏向制御用の液晶材料を封入する。封入する液晶材料やスペーサ２６２の厚みは、通信波長帯（１５００〜１６００ｎｍ）の光の位相を２π以上変化させることができるように選択する。また、ガラス基板２６３には、予め両面にグランド（ＧＮＤ）用の透明薄膜電極２５２を設けておく。透明電極材としてＩＴＯがよく使われる。Ｓｉ基板２６１に近い透明電極は偏向制御用液晶２５０のＧＮＤ用透明電極２５２である。また、ガラス基板２６３上面の透明電極は、次に説明する強度制御用液晶２４０のＧＮＤ用透明電極２４１となる。
【００７０】
強度制御用液晶２４０は、ガラス基板２６３の上に作られる。ガラス基板２６３にスペーサ２６４を挟んでガラス基板２６５を実装する。ガラス基板２６５、スペーサ２６４、ガラス基板２６３で囲まれた空間に強度制御用の液晶材料を封入する。ガラス基板２６５の下面には、図５（ｂ）等で説明したような、ポートスイッチ方向の電極数が１つ、もしくは２つ、波長分散方向の電極数が光Ｃｈ数以上、偏向制御用液晶２５０の分散方向の画素数以下であり、波長分散方向の開口率が９０％以上になる強度制御用透明電極２４２を予め設けておく。
【００７１】
偏向制御用液晶２５０の配向方向（遅相軸の向き）と強度制御用液晶２４０の配向方向は、図２で説明した偏光方向に合うように設計する。尚、配向の設計によって、電圧を印加していない時の強度制御用液晶２４０の偏光状態を、電源を切っている時にも入力光を通すＮｏｒｍａｌｌｙ  Ｗｈｉｔｅとするか、逆に遮断するＮｏｒｍａｌｌｙ  Ｂｌａｃｋにするか、設定することができる。本発明ではこの設定は要求仕様に応じて設定するものとして規定しない。
【００７２】
（第２の実施形態）
図７（ａ）、（ｂ）に、本発明における第２の実施形態に係る波長選択スイッチの側面図および上面図を示す。第１の実施形態では、強度制御用液晶１４０を偏向制御用液晶１５０の直前に配置していたが、本実施形態では、強度制御用液晶３４０と偏向制御用液晶３５０との間に光学系を配置している。
【００７３】
図７に示す本実施形態は、図２に示す本発明第１の実施形態における波長選択スイッチに対して、入力ポート３１１、出力ポート３１２、レンズ３２１〜３２３、分散素子３３０は、第１の実施形態と同じであるが、強度制御用液晶２４０および偏向制御用液晶２５０を配置していたところに、透過型の強度制御用液晶３４０のみを配置する。強度制御用液晶３４０を透過した光は、その後ろに続くレンズ３２４、３２５を通って、再度、ポート配列方向には集光され、波長分散方向には光軸に平行に進む。この集光点に偏向制御用液晶３５０を配置する。すなわち、第２の実施形態では、第１の実施形態と比べて、ポート配列方向に関して分散素子を通過後に焦点が２つあることが特徴である。
【００７４】
この２つの焦点位置に、強度制御用液晶３４０と偏向制御用液晶３５０とを順に配置することで、強度制御用液晶３４０と偏向制御用液晶３５０のどちらも偏向角が変化しても画面上の集光点位置が変わらない構造を実現している。集光点が変化しないので、偏向角によって光線が強度制御用液晶３４０の透過幅で制限されることはなく、逆に透過幅を、偏向角を考慮して大き目にとる必要もない。また、レンズ３２４、３２５の焦点距離ｆ４、ｆ５を選ぶことにより、強度制御用液晶３４０の分散方向の幅と偏向制御用液晶３５０の分散方向の幅を個別に設計できるので、設計への自由度が高くなるという利点がある。
【符号の説明】
【００７５】
１１１  入力ポート
１１２  出力ポート
１２１、１２２  偏波調整器
１３０  空間光学系
１３１、１３３、２２１〜２２３、３２１〜３２５  レンズ
１３２、２３０、３３０  分散素子
１４０、２４０、３４０  強度制御用液晶
１５０、２５０、３５０  偏向制御用液晶
２４１、２５２  ＧＮＤ用透明電極
２４２  強度制御用透明電極
２５１  位相変調用電極
２６１  Ｓｉ基板
２６２、２６４  スペーサ
２６３、２６５  ガラス基板
１０１１、１１１１  入力ポート
１０１２、１１１２  出力ポート
１０２１、１０２２  偏波調整器
１０３０  空間光学系
１０３１、１０３３、１１２１〜１１２３  レンズ
１０３２、１１３０  分散素子
１０４０、１１４０、１２１０  空間位相変調器
１２２０  ミラー
【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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【図１１】
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【図１２】
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