JPH0341809B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフアイバを伝わる光ビームの光路を切
換える光フアイバスイツチ、とくに機械的可動部
をもたない、電子式の光スイツチに関する。

光フアイバ通信システムにおいては、回線の信
頼性を高め、保守を容易にするために、常用・予
備の回線の切換や光部分の切換え、また測定用な
どに広く光スイツチが用いられている。また遠地
間の通信システムのみならず限定された地域内で
の情報処理機器間を結んだデータの伝送システ
ム、いわゆる光データハイウエイにおける、ハイ
ウエイと端末との接続ノードなどにも光スイツチ
が利用されている。すなわち、特定の端末を回避
する必要がある場合、たとえば端末の故障、保守
点検、無使用時などには光スイツチによつて経路
をバイパスする。

このような目的に合つた光スイツチとして開発
されてきているものの１つは、プリズムやミラー
を電磁的に変位させるものである。すなわち、光
フアイバ出射光を平行ビームに変換し、この光路
中にプリズムやミラーを挿入することによつて光
路を空間的に変化させて、再び集光される光フア
イバを選択するものである。この方式の光スイツ
チは高いクロストークと低い光挿入損の特性を有
し、利用しやすいものであるが、機械的可動機構
を有するため、速い切換速度を得ることが困難で
あり、切換回数にたいする寿命や、極く間隔の長
い動作に対する信頼性に不安がある。たとえば、
長期間にわたつてほとんど固定的に或状態を保持
し、或時突然スイツチ動作を行なわせたときに正
しく動作をしないという不安定さが存在する。し
たがつて容易に素子の交換や点検が困難な光海底
中継器などへの利用は困難である。

機械的な可動部を有すことなく、電子的にフア
イバ光をスイツチする素子としては次のようなも
のも知られている。透過光の偏光方向を電圧また
は電流の印加によつて90゜回転させる機能をもつ
た偏光変換素子に入射光を透過させ、この後、光
の偏光方向によつて光路の方向を異ならしめる偏
光素子を透過医させることによつて異なる光フア
イバに光を導びくものである。偏光変換素子とし
ては、電気光学結晶や液晶などの電気光学材料。
鉄ガーネツト結晶や高濃度鉛ガラスなどのような
磁気光学材料が用いられている。従来のこの種の
光学スイツチには難点がいくつかある。そのひと
つは、構成する偏光素子が高価であるかもしくは
特性が不十分である点である。上に述べた光の偏
光方向によつて光路を変える偏光素子としては、
古くから知られている複屈折の大きな材料である
方解石を使つた偏光プリズムや、やはり複屈折の
大きな材料であるルチル結晶をプリズム状に成形
研磨したもの、ガラスで作つた全反射プリズムの
反射面上に誘電体の三層膜を形成し偏光素子とす
るものなどがある。方解石は自然石であつて高価
であること、ルチルプリズムも結晶材料自体が高
価であるとともに、高い屈折率を有するためにプ
リズム入射面には良好な無反射膜を形成する必要
があること、ガラス材料に誘電体多層膜を設けた
偏光素子では、多層膜の入射光にたいする波長特
性が敏感であるため、設計波長よりずれた波長の
光の入射にたいして偏光特性が劣化するなどの難
点を有する。

また従来の光スイツチの有する難点の２つ目
は、偏光変換素子の光透過断面が大であることを
必要とするか、又は円筒レンズを必要としてお
り、印加する外場の大なることまたは円筒レンズ
の収差による光透過損失の増加をまぬがれない点
にある。

すなわち、光学系の配置は入射フアイバに光を
コリメートするコリメートレンズとこのコリメー
ト光を出射フアイバに集束する集束レンズを設
け、これらレンズ間の光路中に前述の偏光変換素
子や偏光素子を設けるものである。コリメート光
は断面１mmφ程度であるため偏光変換素子の断面
は数mm角又は数mmφ以上を必要とする。このため
偏光変換素子に磁気光学材料を用いた場合には反
磁界係数が大となり、磁化を違法和させるに要す
る外部磁場が大きくなり、この磁場を発生させる
ための電流値も大きくなつている。電気光学材料
を用いた場合には、電気光学効果の小さい縦型素
子を利用しており、印加電圧が数百Ｖと高い。偏
光変換素子を板状のものを用いれば反磁界係数の
低下や横型電気光学素子を用いることができる。
このためコリメート光を一次元方向にビーム幅を
縮小する円筒レンズを偏光変換素子の前後に設け
ている。数mmの焦点距離を有する円筒レンズは高
性能のものは得にくく、吸収が大きいために、素
子の光挿入損失を悪くしている。

本発明の目的は上記難点を除去した、フアイバ
光スイツチを提供することにある。

本発明によれば、高い屈折率を有し両面に光学
研磨を施こした結晶板と、該結晶板にブリユスタ
ー角で入射し、該結晶板を透過した光ビームの光
軸と反射した光ビームの光軸とを平行化するレン
ズと、該レンズによつて平行化された前記２つの
光ビームが透過し、印加される外傷によつて該光
ビームの偏光を90度回転させる偏光変換素子と、
該偏光変換素子を透過した光ビームの光軸を焦点
面上で交又せしめるレンズと、光軸を交又せしめ
た位置に、該レンズを透過した光ビームをブルー
スター角で入射せしめるように配置した前記結晶
板と同一の結晶板とによつて安価で高性能な光ス
イツチが得られる。

古来シリコン結晶のような高屈折率の結晶板に
ブルースター角で光を入射させ透過光の直線偏光
度を向上させる偏光フイルタは知られている。し
かしここでは偏光フイルタで反射される光は利用
されていない。高屈折率の結晶板による透過光及
び反射光相方をその後に配置する適切なパラメー
タを有するレンズによつて光学的に無理なく集光
する簡便な構成およびこの光学系と偏光変換素子
とを組合せた工業的に益ある光スイツチの構成は
本発明者によつて初めてなされるものである。

本発明の詳細を更に実施例を用いて説明する。
第１図は本発明の第一の実施例で１は入射光フア
イバ、２はコリメートレンズ、３は入射側の偏光
素子、４，６は集光レンズ、５は偏光変換素子、
７は出射側の偏光素子、８，９は集束レンズ、１
０，１１は出射光フアイバである。入射光フアイ
バ１を出射した光はコリメートレンズ２によつて
平行光束１２となり、偏光子３に入射される。該
偏光子３の原理は後述するがその機能は入射光１
２をＰ波１４とＳ波１３に分離させる。レンズ４
はその焦点位置を偏光子３における反射位置とな
るように設ける。そして該レンズは高いNA値た
とえば0.5程度の値を有するレンズとする。前記
偏光子３を出射するＰ波１４、Ｓ波１３のなす角
度は後述の如く32度程度と狭いため高NA値を有
し前記焦点位置の配置を有するレンズ４によつて
それらの光軸は平行化されＰ偏光１６、Ｓ偏光１
５となる。そしてレンズ４の後側焦点位置でのビ
ーム径はレンズ２とレンズ４との焦点距離比の拡
大率を光フアイバ１の出射端面でのビーム径に乗
じた大きさに集束される。たとえばコア径50μｍ
の光フアイバを１に用い、レンズ２とレンズ４と
の焦点距離を等しいものに選べば、等倍結像であ
るためレンズ４の後側焦点位置における光ビーム
径は50μｍ程度となる。したがつてこのビームを
透過させ偏光を90℃回転させる機能を有する偏光
変換子５の第１図における紙面垂直方向の幅は小
さいすなわち薄い板状の形状を有するものでよ
い。該偏光変換子５に入射された２つの直線偏光
光１５、及び１６は、該偏光変換子に印加される
電圧や電流等の外場の状態に応じて同一の偏光状
態かまたはそれに直交する偏光へと偏光状態が定
められる。今、偏光変換子５によつて偏光が90℃
回転せしめられたとすると入射Ｓ偏光１５はＰ偏
光、Ｐ偏光１６はＳ偏光へと偏光変換され偏光変
換素子５を出射する。これらの光波が透過するレ
ンズ６出射偏光子７は前述のレンズ４、入射偏光
子３とそれぞれ同一のものとし、レンズ４の焦点
位置を挟んで対象となるように配置する。すなわ
ちレンズ６の焦点位置の一方はレンズ４の焦点位
置、他方は偏光子７の光反射位置とする。レンズ
６を透過する２つの偏光は、光軸はレンズ６の焦
点位置に向つて集束し、それぞれの光束光は平行
束となる。レンズ６は前述のようにレンズ４と同
一の特性のレンズであるため、２つの偏光１７，
１８の光軸の集束角度は入射の偏光子３を出射し
レンズ４に向う２つの偏光１３，１４のなす角度
と同一である。前述の如くＳ偏光である光ビーム
１５は偏光変換されているため、光ビーム１７は
Ｐ偏光である。出射偏光子７に入射したＰ偏光で
ある光ビーム１７は偏光子７を透過し光ビーム２
０となつてレンズ９を介して出射フアイバ１１に
結合される。またＰ偏光である光ビーム１６は偏
光変換されると、Ｓ偏光である１８となりこの光
ビームは偏光子７で反射され先の光ビーム２０と
合流し出射フアイバ１１に結合される。すなわ
ち、光フアイバ１を出射した光ビームは偏光子３
によつて偏光分離され、偏光変換子５によつて偏
光回転を受け出射側偏光子 によつて合波されて
出射フアイバ１１に結合される。一方偏光変換子
５に印加する電圧や電流等の外場の状態を、偏光
の回転が生じないように設定すると、前述の光ビ
ーム１７は光ビーム１３の偏光状態と同一のＳ偏
光であり、この光ビームは偏光子７によつて反射
され光ビーム１９となつてレンズ８を介して１１
とは別なる光ビーム１０に結合される。また光ビ
ーム１８はＰ偏光であるため偏光子７を透過し、
先の光ビーム１９に合流してやはり光フアイバ１
０に結合される。この場合には光フアイバ１を出
射する光は、出射光フアイバ１０へ結合される。
すなわち偏光変換子の状態の切換えによつて光フ
アイバ１の出力光を２つの出射光フアイバ１０ま
たは１１のいずれかへ結合させることができる、
いわゆる１×２光スイツチの動作が実現される。

次に偏光子の動作を説明する。第２図は偏光子
の原理を示す図で１００はシリコン、ガリウム砒
素、インジウムリン等の薄い単結晶板である。こ
れらの結晶は光波長1μｍから2μｍ程度にわたつ
て透明な結晶である。たとえばＮ型のシリコン単
結晶でキヤリア密度1.4×10¹⁶cm^-3のものは光波長
1.3μｍ〜2μｍの領域での吸収係数は0.1cm^-1以下
と極めて良好な光透過特性を示す。また屈折率は
3.5程度と非常に高くブリユスタ角φは74度と大
きい。光ビーム１０１をφ＝74度（Θ＝16度）の
ブリユスタ角で入射させると薄い結晶板の上下面
での反射が加え合さつて、反射光１０２はＳ偏光
成分だけとなりその反射率は８４％となる。透過
光１０３はＰ偏光成分が大部分でその透過率は前
述の吸収の効果が低いため非常に高い。この透過
光１０３に含まれるＳ偏光成分は13％である。第
２図に示す薄い結晶板を空間を介して３枚重ねる
とＳ偏光成分は0.2％となり充分な偏光特性を有
する偏光素子が得られる。また前述の如くにΘ＝
16度と非常に浅い角度で光ビームを入射させるこ
とになるため、第１図に示す如くにNA値の高い
レンズを用いることによつてＰ偏光Ｓ偏光の光軸
を平行化することができる。

第１図における偏光変換子５は従来知られてい
る種類のものを使うことができる。例えば
LiTaQ₃結晶の電気光学効果を使つた偏光変換子
やYIGのような磁気光学結晶のフアラデ効果を用
いた偏光変換子を利用した場合には前述の如く、
偏光変換子が置かれる位置での光ビーム径は50μ
ｍと非常に小さいため、いずれも厚さの薄い結晶
板でよく、印加電圧や印加磁場強度は低くくて済
むという特長をもつ。

第１図においては１入力フアイバ光を２つのい
ずれかの出力フアイバに結合する謂ゆる１×２光
スイツチの実施例について示した。入力側光フア
イバを２本としその配置を第１図における出力フ
アイバと同様とすることで２×２光スイツチを実
現することは容易である。

また偏光素子から出射するＳ偏光光Ｐ偏光光の
光軸を平行化するレンズは１つのレンズで同機能
を実現する場合を述べたが、それぞれレンズを１
つづつ合せて２つ用いてもよい。このことは偏光
変換素子から出射した光軸が平行となつている光
ビームをコリメートし出射側偏光素子に導びくレ
ンズについても同様にすることは可能である。

以上述べた如く本発明によれば安価で高性能の
光スイツチを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す図で１
は入力光フアイバ、３は入力側偏光素子、４と６
は高NA値を有するレンズ、５は偏光変換素子、
７は出力側偏光素子、１０，１１は出力光フアイ
バである。第２図は偏光素子の動作を示す原理図
で１００は高屈折率結晶板である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 高い屈折率を有し、両面に光学研磨を施こし
   た結晶板と、該結晶板にブルースター角で入射し
   該結晶板を透過する光ビームの光軸と反射する光
   ビームの光軸とを平行化するレンズと、該レンズ
   によつて平行化された前記２つの光ビームが透過
   し印加される外場によつて該光ビームの偏光を90
   度回転せしめる偏光変換素子と、該偏光変換素子
   を透過した光ビームの光軸を焦点面上で交又せし
   めるレンズと、光軸を交又せしめた位置に該レン
   ズを透過した光ビームをブルースター角で入射せ
   しめるように配置した前記結晶板と同一の結晶板
   とを有することを特徴とする光スイツチ。