JPH03141326A - 光スイッチアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光を媒介として通信網や計算機等の信号線の接
続を行う際、有用な光スイッチアレイに関するものであ
る。

（従来の技術） 従来よりスイッチアレイは通信及び計算機の分野では必
須の装置であり、特にクロスバ−スイッチはその特性を
生かした非常に有用なものである。しかしながら、前記
クロスバ−スイッチアレイは接続端子が多くなると製造
が難しく、現在の半導体技術を駆使しても大規校なスイ
ッチアレイを作るのは容易ではない。このため最近、光
技術を導入して接続を行う光スイッチアレイが注目され
ている。

但し、光スイッチアレイといってもただ単に従来の電気
的なものを光に置き換えれば良いというものではなく、
シャッターアレイの数を低減するといった１失が要求さ
れる。発明者は接続する信号の対応性に着目して特開昭
６４−４９０１９に示すような光スイッチアレイを提案
している。

第７図は従来知られている光スイッヂアレイを示す斜視
図である。Ｉｏｔａ、１０ｆｂ。

１０１ｃｍ・−，１０４ｃ、１０４ｄは！ｉ７ｉ型発光
光発光光源５はシャッターアレイ、１０６は開「Ｊマス
ク、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、−−１１０ｃ、１
ｊ−Ｏｄは面型光検出器である。固型光源１０１ａ〜ｄ
は送信側の第１のターミナルの４本の信号線に接続され
ている。同様にｆ０２ａ　〜ｄ、１０３ａ　〜ｄ、１０
４ａ〜ｄはそれぞれ送信側の第２．第３及び第４のター
ミナルの各４本の信号線に対して接続されている。

固型光＠　１０１　ａ〜１０４ｄの発光は人力信号に応
じてｆｉｉ（制御される。シャッター１０５は送信側に
人力された信号を受信側のどのターミナルに送るか決定
するものである。送信側のｉ番目のターミナルの信号を
受信側のｊ番目のターミナルへ送るときには、ｉ行ｊ列
にあるシャッターが透過状態になる。開口マスク１０６
は１つのシャッターに対してほぼ対角線上に並ぶ開［」
部を持っており、送信側と受信側の信号線同志の接続の
相関性を表わしたものである。即ち、開［１マスク１０
６による光束の規制により、送信側のターミナルのに番
［１の信号線は受信ｆｉｌのターミナルにおいてもに番
Ｌ１の信号線に対応して接続されるようになる。

方、面型検出器１０７ａ〜１１０ｄには４つずつ順に受
信側の第１から第４のターミナルが接続されている。１
つのターミナルには４木の信号線が接続され、それぞれ
が順に面型検出器１０７ａ〜１１０ｄに対応する構成と
なっている。

第７図において、シャッターアレイ１０５及び開口マス
クｉｏａの斜線部は透過状態にある事を示すようになっ
ている。例えば送信側の第４ターミナルの第３番Ｈの信
号線がらの信号を例にとって考えてみる。この信号線は
固型光源１０４ｃに接続されている。固型光源１０４ｃ
からの光束はシャッターアレイの対向している縦長の領
域全体を照明する。第７図ではシャッターアレイ１０５
は第２行第４列目が透過状態にある。このため１０４ｃ
からの光束はこの部分を透過して、次いて開Ｌ１マスク
１０６を透過し、この開口部に対向している筒型光検出
器１０８Ｃで受光される。

１０８Ｃは受光側の第２ターミナルの３番目の信号線に
接続されている。この結果、送信側の第４ターミナルの
３番目の信月線からの１３号が受信側の第２ターミナル
の３番目の信号線に送られたことになる。このような対
応は他の信号線についても同様に成立している。

第７図に示した光スイッチアレイと同じ原理で作動する
他の構成例も、本出願人による特開昭６４−４９１０９
に示されている。この中には光源とシャッターアレイと
の間にアナモルフィック光学系を配置して、光源からの
光束を１方向に広げてシャッターアレイに入射させる方
法や、光源からの光束を光ファイバーで分岐し、開Ｌ１
マスクの開口部に対応するシャッターアレイの位置にそ
の光ファイバーの射出端を置く方法などが示されている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記従来例では筒型光源やアナモルフィッ
ク光学系の使用によって１方向に細長い光束を得ていた
ため、開口マスクを透過する光束は全体の掻く１部であ
り５先の利用効率が悪いという欠点があった。この結果
Ｓ／Ｎ比が悪くなり、受信信号の増幅回路に高性能なも
のが要求されることになって、光スイッチアレイが複雑
化しコスト高になるといった問題点があフた。

又、従来例で知られている他の実施例である光フアイバ
ー分岐器を用いた場合には、光の利用効率は良いものの
、多数のファイバーの射出端を開口マスクの位置に合わ
せて配列するのは手間のかかる仕事であり、全体として
光スイッチアレイを複雑往つ高価なものにするという欠
点があった。

（問題点を解決するための１段） 本発明は従来の光の利用効率の悪さやシステム全体の複
雑化を考慮して行われたもので、光の分配あるいは合流
を行うのに回折格子を利用したことを特徴としている。

即ち、本発明では入射側を例に取ると挿入した回折格子
によって生じる複数個の回折光が開［−１マスクの対応
する位置に行くように系を構成するとともに、それに適
合するように光の入射部及び射出部を構成したことを特
徴としており、これによって簡便な構成で効率の良いシ
ステムを実現したものである。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例を示す斜視図である。ｌａ
、ｌｂ、ｌｃ、　　・・　、４ｄは光源でＬＥＤあるい
は゛ト導体レーザーなとが用いられる。光源！ａ〜１ｄ
、２ａ〜２ｄ　３ａ〜３ｄ４ａ〜４ｄはそれぞれ送イ３
側の第１〜４のターミナルに接続されており、その各々
が１つの信号線としての機能をもって発光する。

次に５は第１のレンズであり、６は第１の回折格子であ
る。回折格子自体は銀塩感材やフォトレジストに格子パ
ターンを露光投影したり、コヒーレント光で２光束干渉
パターンを形成させ露光するなど公知の手段で作製する
ことができる。又、インジェクションなどの手法でプラ
スチック基板を成形して作製することも可能である。回
折効率が良い点などを考えると、位相透過率の分布をも
ち、振幅透過率か−・定のいわゆる位相型の回折格子を
用いると効率の良いシステムを構成することかできる。

７は第２のレンズである。８はシャッターアレイで、液
晶、Ｐ　Ｌ　ＺＴ、　Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　０３等の電気光
学材料を用いた空間光変調器、或はＢｉ置換ＹＩＧの様
な磁気光学材料を用いたもの、または透過率を制御する
タイプのデイスプレー、例えばエレクトロクロミーなど
が用いられる。シャッターアレイ８はその反射光を利用
するような構成とすれば、反射率を変化させる反射型の
空間光変調器も用いることができる。

９は開口マスクで開口部か全面に多数設けられている。

開口部のパターンは金属に機械的な加工を加えて穴を開
けたり、或はＡＩやＣｒをガラスＪ、（板に蒸着してフ
ォトリングラフィによりエツチングするなとの方法で作
製される。又、第１図でシャッターアレイ８、開Ｌ１マ
スク９の斜線部は光束を透過させる部分を示している。

次にシャッターアレイ８と開口マスク９の関係であるが
第２図は両者の相対的な関係を示したものである。第２
図（Ａ）はシャッターアレイ８の部分拡大図、第２図（
Ｂ）は開口マスク９の部分拡大図で、夫々対応する部分
が示されている。

又、これまでの図と同じように斜線部は光束を透過する
部分を示す。シャッターアレイ８の１つのシャッター８
ａに対応する開口マスク９の１区画９ａの中には４ｘ４
＝１６個のセグメントがある。第１図の実施例では１区
画の中で対角の４個のセグメントが開口部（透過部）と
して固定されており、該４Ｘ４＝１６個のセグメントパ
ターンか全体にわたって繰り返されて開口マスク９が構
成されている。

第１図で光源！ａ〜４ｄは送信信号に応じて発光を行う
。第３図は第１図に示した本発明の第１実施例の光学系
の作用を示す図である。説明を簡単にするため光源側は
光源１ａ〜４ｄの中から３ｄを代表として示しである。

図中１１は光源３ｄより射出される光束である。１２は
０次の回折光、１３．１４はそれぞれ＋１次、＋２次の
回折光、１５．１６はまた一１次、−２次の回折光であ
る。

光源３ｄからの射出光束１１は第１のレンズ５によって
平行にされた後、第１の回折格子６に入射する。第２の
レンズ７は第１の回折格子６を射出した光束を集光する
役割をするもので、この結果光＠３ｄからの光はシャッ
ターアレイ８及び開口マスク９の上にスポットとして結
像される。このとき本発明では第１の回折格子６の働き
により入射した光束が回折の次数に従って複数個に別れ
、シャッターアレイ８及び開口マスク９の位置で広がる
事が大きな特徴となっている。即ち０次の回折光１２、
＋１次、＋２次、−１次の光束１３．１４．１５はそれ
ぞれシャッターアレイ８及び開１１マスク９上の炭なる
位置にスポットを結ふ。この１ｔは光源３ｄからの光束
か異なる４つの場所に分配されたことを意味している。

方、光源３ｄは光軸上にないため、−２次の回折光１６
は系の外部に外れていく。光源の位置と回折次数によっ
てはシャッターアレイ８及び開［−１マスク９から外れ
た所にスポットを形成するような回折光も存在している
。このような光は信号の伝達に何等寄Ｉｇ−シないで光
１ｊ１の損失となるため、なるへく減らす事が望ましい
。各回折次数の光の強さは第１の回折格子６の複素透過
率分布で定まる。従って分配したい数、イア７置及び所
望の回折効率さえ決まれば、その仕様に対して最適化し
た回折格子６の設計が可能である。

今、ここで第１の回折格子６のピッチをｐ、第２のレン
ズ７の焦点距離なｆ、光束の波長をλとすると、シャッ
ターアレイ８及び開［１マスク９上に生じるスポットの
間隔ｄは近似的に次の式で表わされる。

ｄ＝ｆλ／ｐ シャッターアレイ８のサイズを１インチ角とし、信号を
分配する数を１６とするとスポットの間隔ｄとしては１
．６ｍｍ程度の値が適当である。波長λを０．８７１ｍ
、焦点比７１１ｆを１０ｍｍとすると、第１の回折格子
のピッチｐは上式より５μｍとなる。即ちＩｍｒｎ当り
２００本の回折格子を用意すればこのような系を構成で
きることになる。

０次の回折光がスポットを作る位置は、第１の回折路ｆ
″６がないとき第１のレンズ５と第２のレンズ７で光源
３ｄの像を作る位置である。他の回折光のスポットはこ
の０次光の位置を基準とし゛〔、先の式で与えられる間
隔ｄずつ離れて形成される。

第１図に示したように光源１ａ〜４ｄは４個ずつ組にな
って斜めに配置されている。従ってシャッターアレイ８
及び開口マスク９上に生じる回折光のスポット群は、こ
の光源１ａ〜４ｄがその形を保ったまま回折が生じる方
向に繰り返されたものになる。

第４図はシャッターアレイ８及び開口マスク９十に生じ
た回折光スポットの分布を示す図である。２１は回折光
スポット群を代表し、２２ａ〜２２ｄはそれらの回折光
スポットの中で光源３ｄによって作られたものを示して
いる。結像に伴う像の反転のためスポットの位置が光源
側と１８０°回転していることに注意が必要である。

第２図（Ｂ）と比較すれば分かるように、この回折光ス
ポットの分布は開口マスク９の開［７１部のパターンと
同一であり、光の分配か効率良く行われているＪＴか分
かる。殊に従来例ではアナモルフィック光学系などで対
応しない所にまで一様に広げていた光を、開口部の所に
集中できたことで効率は飛躍的に向上している。

回折光スポット２１で同一の光源によ）て生じたスポッ
ト群は、回折格子６の方向性に従い縦１列に並ぶ。光源
３ｄによって作られる回折光スポットはシャッタ−アレ
イ８Ｑ〕２列目の左端の列に生じる。第３図との比較よ
り、光源３ｄによって角られる回折光スポット２２ａ〜
２２ｄはそれぞれ一１次、０次、＋１次、＋２次の回折
光１５．１２，１３．１４に対応している。開口マスク
９は回折光スポット２１の分布が開口部のパターンと同
一のため必ずしも必要ないが、迷光などによって生じる
クロストークを低減させるため挿入しておくことが好ま
しい。

以上が入射光を分配する側の光学配置の概略である。従
来例で示した光スイッチアレイの面型光源による実施例
と同じ動作が、回折格子の利用で簡単に、しかも効率良
く達成されていることが分かる。

第５図は本発明の第１実施例の光分配部に続く光合流部
を示す斜視図である。図中３１は第３レンズ、３２は第
２の回折格子を示す。第５図の３２で用いられている回
折格子は第１の回折格子６と同一のものとしであるが、
ただ格子の方向は６と直交するように配置されている。

次いで３３は第４レンズ、３４ａ〜３７ｄは光検出器で
ある。光検出器としてはビンフォトダイオード、アバラ
ンシェフォトダイオードなど′が用いられる。３４ａ〜
３７ｄは第５図に示しである様に斜めに並んだ４個が１
つの組となって縦方向に配置されている。３４ａ〜３４
ｄ、３５ａ〜３５ｄ、３６ａ　〜３６ｄ、３７ａ〜３７
ｄは４個ずつそれぞれ受イに側の第１から第４のターミ
ナルに接続されており、その各々は対応する信号線に１
本ずつ受光仁−号を送るようになっている。

第５図に示す光合流部は第１図に示す光分配部と接続さ
れることにより、全体として光スイッチアレイを構成す
る。第５図に示した開「１マスクの番号か９となってい
るのは第１図との関係を明白に示すためのもので、両者
が同じものであることを意味している。

次に第５図の系の作用について説明を行う。開１−１マ
スク９から射出する光束は第３レンズ３１で平行にされ
た後、第２の回折格子３２で第１の回折格子６の場合と
同しように回折格子固有の回折光に分解される。分解さ
れた光は第４レンズ３３て集光される。第５図と第１図
の類似点、及び第３図より明らかな様に、第３のレンズ
３１から第４のレンズ３３に至る系は開口マスク９の１
つの開口部から射出してくる光束を光検出器３４ａ〜３
７ｄの置かれている面で横力向１列の回折光のスポット
列に分配する。このスポット列のピッチは回折格子３２
のピッチとレンズ系の焦点距離によって決定される。

第６図は受光部で回折光スポット列を検出する部分の拡
大図である。３８ａ〜３８ｃは開口マスク９−トの回折
光スポット２２ａによって作られる回折光スポット列で
ある。また３９ａ〜３９ｃ。

４０ａ〜４０ｅは開Ｌ１マスク９上の他の回折光スポッ
トによって作られる回折光スポット列である。３８ａ〜
３８ｃはそれぞれ第２の回折ｊＰｒｆ３２により生じた
一２次、−１次、０次の回折によって作られる回折光ス
ポットで、そのなかで３８ｂか光検出器３７ｄで受光さ
れる。

このほかに光検出３３７ｄで検出されるスポット光とし
ては第６図に示すように３９ｂ、４０ｂなどがある。回
折格子３２の方向性より回折光は横一線に広がる。従っ
て第４図に示される開ロマスクトでの回折光スポットの
分布で２２ａの右隣りにある回折光スポットが第６図上
ではスポット３９ａ〜３９ｃを形成し、２２ａの左隣り
にある回折光スポットが第６図でスポット４０ａ〜４０
ｃを形成する。回折の次数で言えばスポット３９ａ〜３
９ｃは第２の回折格子による回折の一１次、０次、＋１
次に対応し、又スポット４０ａ〜４０ｃは一３次、−２
次、−１次に対応している。

このように光検出器３７ｄが３８ｂ、３９ｂ。

４０ｂといった回折スポット光を受光することかできる
ということは、本実施例で構成された系に光合成作用が
あるということを意味している。光検出：≦３７ａ〜３
７ｃについても同様のことか成つ−する。第１図に示し
た光分配部が人力信号の光を開「ｌマスク９上で縦方向
に広げたのに対して、第５図に示す光合流部では開口マ
スク９で選択された信号光が横方向に合流され、対応す
る光検出３３４　ｃ〜３７ｄに導かれる。この２次元的
な接続の選択を行っているのがシャッターアレイ８であ
る。

この例として再び第１図に戻り、光源３ｄからの光束が
どのようにして光検出器に導かれるかを考えてみる。３
ｄからの光束は回折格子６の作用でシャッターアレイ８
及び開口マスク９−トで複数のスポットとなるが、その
なかで斜線を引いた透過部に相当する２２ａというスポ
ットだけがシャッター及び開口マスク部を通過する。開
口マスクを通過して第５図に示される系に入った光は回
折格子３２の作用で横方向に複数個のスポットを形成し
、第６図で示したように光検出器３７ｄに導かれる。こ
れは送信側の第３ターミナルの第４信号線からの信号が
、受信側の第４ターミナルの第４信号線に送られたこと
を意味している。

光源３ｄからの光を受信側の別のターミナルに伝達する
際には、シャッターアレイ８の２列Ｌｔのシャッターの
透過部を変えてやれば良い。その場合は第４図の回折光
スポットの２２ｂや２２ｃあるいは２２ｄがシャッター
８で選択されて開［１部９を透過し、対応する光検出器
３６ｄ、３５ｄ。

３４ｄで出力が検出される。入力信号はこのようにシャ
ッター８の選択に応じて第３、第２及び第１のターミナ
ルへ送られる。他のターミナルや信号線同志の信−号伝
達についても同様であり、この系トータルとしてクロス
バ−スイッチが構成されていることが分かる。

又、第６図の検出面でのスポットの市なり具合より分か
るように、光源部及び検出部の個々のターミナル内での
斜め配置は接続される信号同志の対応に基ついて最適化
されている。一方、第６図に示す回折スポット光の集光
する位置は回折光の次数に応じて複数個ある。回折格子
はＰめ使用する次数が分かっているので、どこでもほぼ
同等の受光イ１）号が得られる様に特性を定めることが
できる。

以上の説明においては光の分配部及び合流部の両方に回
折路ｆを利用した系を採用した。回折格子による効率の
向上は著しいので、系の一方、例えば光合流部を従来の
アナモルフィック系で代用することも勿論可能である。

又、光源や光検出器の位置に光ファイバーの列を置いて
系を構成することも可能である。この場合には光ファイ
バーの射出端及び入射端が光源１８〜４ｄ、光検出器３
４ａ〜３７ｄの配置と同じように並べられる。

（発明の効果） 以ト説明したように本発明においては回折格子を用いて
光の分配や合流を行うとともに、回折光スポットの特性
と人出力の信号の対応の特性に着目して光の入力部及び
検出部の配列を最適化し、簡単な構成で光スイッチアレ
イを実現することを可能とした。この系は本発明者の先
願にあるようなシャッターアレイの個数の低減という特
徴を維持するとともに、回折格子以外に特殊な素Ｙ−を
使わずに系を構成したということで安価に系を実現でき
る。

また本発明では光学系の効率が向トしたことて光量ロス
が低減し、その結果Ｓ／Ｎ比の向−トが実現できる。そ
の結果として電気系が簡単となり、やはり安価に系を構
成できるというメリットも生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光分配部を示す斜視図、
第２図（Ａ）はシャッターアレイ８、第２図（Ｂ）は開
口マスク９と両者の相対関係を示す図、第３図は本発明
の第１実施例の光学系の作用を示す図、第４図はシャッ
ターアレイ８上の回折光スポットの分布を示す図、第５
図は本発明の第１実施例の光合流部を示す斜視図、第６
図は本発明の第１実施例の受光部の部分拡大図、第７図
は従来の光スイッチアレイを示す斜視図である。 図中、１ａ〜４ｄ：光源、６：第１の回折路ｒ−１８：
シャッターアレイ、９：開口マスク、１２：０次の回折
光、１３：＋１次の回折光、１４：＋２次の回折光、１
５ニ一１次の回折光、１６　ニー２次の回折光、２１：
回折光スポット、２２ａ〜２２ｄ：光源３ｄによフてシ
ャッターアレイトに作られる回折光スポット、３２：第
２の回折路ｆ−５３４ａ　〜３７ｄ：光検出器、３８ａ
〜３８Ｃ：回折光スポット２２ａによって受光面に作ら
れるスポット、１０１ａ〜１０４ｄ：面型光源、１０１
ａ〜１０４ｄ：面型光検出器を示す。 第 １ 図 第 図 第 図 第 図 （Ｂ） 第 図 逸 第 ６ 図 ９ｄ Ｕｃ１ ９ｂ Ｕｂ ：５υＣ ＵＣ 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の繰り返しパターンで配列された光束射出部
   と、所定の繰り返しパターンで配列された光検出部と、
   前記光束射出部と前記光検出部の間にスイッチ作用をも
   つシャッターアレイを有する光スイッチアレイにおいて
   、前記光束射出部と前記シャッターアレイとの間に回折
   格子が配されており、該回折格子により前記光束射出部
   から出た光が複数個に分割され、前記シャッターアレイ
   に入射することを特徴とする光スイッチアレイ。
2. （２）前記シャッターアレイと前記光検出部との間に第
   ２の回折格子が配されており、前記第２の回折格子によ
   り前記シャッターアレイ部から出た光が複数個に分割さ
   れ、前記光検出部で受光されることを特徴とする請求項
   １記載の光スイッチアレイ。
3. （３）前記第１の回折格子と、前記第２の回折格子の格
   子の方向がほぼ直交することを特徴とする請求項２記載
   の光スイッチアレイ。