[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP7101954B2 - Optical matrix switch - Google Patents

Optical matrix switch Download PDF

Info

Publication number
JP7101954B2
JP7101954B2 JP2017208837A JP2017208837A JP7101954B2 JP 7101954 B2 JP7101954 B2 JP 7101954B2 JP 2017208837 A JP2017208837 A JP 2017208837A JP 2017208837 A JP2017208837 A JP 2017208837A JP 7101954 B2 JP7101954 B2 JP 7101954B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stage
polarization separation
light
optical
incident
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017208837A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019082518A (en
Inventor
彰二郎 川上
貴之 川嶋
俊和 居城
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Photonic Lattice Inc
Original Assignee
Photonic Lattice Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Photonic Lattice Inc filed Critical Photonic Lattice Inc
Priority to JP2017208837A priority Critical patent/JP7101954B2/en
Publication of JP2019082518A publication Critical patent/JP2019082518A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7101954B2 publication Critical patent/JP7101954B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Liquid Crystal (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、フォトニック結晶により構成された光スイッチ素子や、それを用いた光スイッチ回路、2次元又は3次元の光ビーム形多段スイッチ回路、可変光減衰器に関する。 The present invention relates to an optical switch element composed of a photonic crystal, an optical switch circuit using the same, a two-dimensional or three-dimensional optical beam type multi-stage switch circuit, and a variable optical attenuator.

光通信において複数個の光信号の経路を切り替える光スイッチ回路は重要な部品である。図1は、光スイッチ回路の代表的な構造を示す原理図であり、平面状に導波路で結合された4入力4出力の熱光学効果スイッチ回路を示している。 An optical switch circuit that switches the paths of a plurality of optical signals is an important component in optical communication. FIG. 1 is a principle diagram showing a typical structure of an optical switch circuit, and shows a 4-input 4-output thermo-optical effect switch circuit connected in a planar manner by a waveguide.

光通信に用いられる他の重要な光スイッチ回路としては、波長選択スイッチ(WSS:Wavelength Selective Switch)やMEMS形スイッチなどが知られている。MEMS形の光スイッチ回路には、図2のような3次元形のものがある。ズ2に示した3次元形のMEMSでは、入力側の光ファイバ群201から出力側の光ファイバ群204へと結合される信号路の選択自由度を高めるためには、MEMSのマイクロミラーアレイ202,203の該当するミラーの2次元傾きを多階調アナログ制御することが必要であり大きな困難が伴う。 As other important optical switch circuits used for optical communication, a wavelength selection switch (WSS: Wavelength Selective Switch), a MEMS type switch, and the like are known. The MEMS type optical switch circuit includes a three-dimensional type as shown in FIG. In the three-dimensional MEMS shown in Section 2, in order to increase the degree of freedom in selecting the signal path coupled from the optical fiber group 201 on the input side to the optical fiber group 204 on the output side, the MEMS micromirror array 202 , 203 It is necessary to control the two-dimensional tilt of the corresponding mirror in multi-gradation analog control, which is accompanied by great difficulty.

K. Suzuki、 K. Tanizawa、 S. Suda、 H. Matsuura、 T. Inoue、 K. Ikeda、 S. Namiki、 and H. Kawashima、 “Broadband silicon photonics 8 × 8 switch based on double-Mach-Zehnder element switches、” Opt. Express 25、 7538-7546 (2017)K. Suzuki, K. Tanizawa, S. Suda, H. Matsuura, T. Inoue, K. Ikeda, S. Namiki, and H. Kawashima, “Broadband silicon photonics 8 × 8 switch based on double-Mach-Zehnder element switches , ”Opt. Express 25, 7538-7546 (2017) Ming C. Wu、 Olav Solgaard、 and Joseph E. Ford、 “Optical MEMS for Lightwave Communication、”Journal of Lightwave Technology、 vol. 24、 No. 12、 December 2006.Ming C. Wu, Olav Solgaard, and Joseph E. Ford, “Optical MEMS for Lightwave Communication,” Journal of Lightwave Technology, vol. 24, No. 12, December 2006.

特開2006-292872号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-292872 米国特許第7092599号公報US Pat. No. 7,092,599 特許第3325825号公報Japanese Patent No. 3325825

平面上の経路スイッチとしては、PLC(Planar Lightwave Circuit:平面光回路)上のスイッチやシリコン光回路スイッチが知られている。それらの多入力多出力の光経路スイッチは、図1のように網目構造をなしていて、信号の入れ替えは隣接光線路間で行われる。 As a path switch on a plane, a switch on a PLC (Planar Lightwave Circuit) and a silicon optical circuit switch are known. These multi-input, multi-output optical path switches have a network structure as shown in FIG. 1, and signals are exchanged between adjacent optical lines.

図1において、2入力×2出力単位スイッチ素子101は、長方形で表される熱光学部分の加熱オン・オフにともなって、アンチクロス状態(左上→右上または左下→右下)とクロス状態(左上→右下または左下→右上)が切り替えられる。一つのスイッチ素子の入力から見て、信号の行き先は隣接する二つの線路のいずれか一方だけであって、経路変化はゼロかプラスマイナス1、つまり信号の跳躍はたかだか1段である。回路内で信号線路同士はほぼ直角で交叉していて漏話(クロストーク)を最小にしているがそれでも信号同士の漏話を避けるのは困難である。さらに複雑な回路、例えば8×8スイッチ回路(又は16×16スイッチ回路)では、信号は入力端から出力端に達する前に8個(又は16個)のスイッチ素子を通過する必要があり、通過ごとの信号損失や漏話が8回(16回)累積されているため、信号品質を維持するのがさらに困難である。 In FIG. 1, the 2-input × 2-output unit switch element 101 is in an anti-cross state (upper left → upper right or lower left → lower right) and a cross state (upper left) as the heating on / off of the thermooptical portion represented by the rectangle is performed. → Lower right or lower left → upper right) can be switched. Seen from the input of one switch element, the destination of the signal is only one of the two adjacent lines, and the path change is zero or plus or minus 1, that is, the jump of the signal is at most one stage. In the circuit, the signal lines intersect at almost right angles to minimize crosstalk, but it is still difficult to avoid crosstalk between signals. In more complex circuits, such as 8x8 switch circuits (or 16x16 switch circuits), the signal must pass through 8 (or 16) switch elements before reaching the output end. It is even more difficult to maintain signal quality because each signal loss or crosstalk is accumulated 8 times (16 times).

このように、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路では、信号損失や信号線路間の漏話が問題であるとされていた。そこで、本発明は、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制することを目的とする。 In this way, in an optical switch circuit having a large number of input / output ports, signal loss and crosstalk between signal lines have been considered to be problems. Therefore, an object of the present invention is to effectively suppress signal loss and crosstalk between signal lines even in an optical switch circuit having a large number of input / output ports.

[1.光スイッチ素子]
本発明の第1の側面は、光スイッチ素子に関する。本発明の光スイッチ素子は、3次元空間xyzにおいて、z軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がxz面内を伝搬するものである。光スイッチ素子は、z軸方向に、第1の偏光分離プリズムと、第2の偏光分離プリズムと、これら第1および第2の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備える。第1および第2の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムである。液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも入射光に対する等方的状態と、位相差180度をもつ複屈折状態とを遷移することができる。このような液晶セルの遷移により、本発明に係る光スイッチ素子は、入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるように構成されている。
[1. Optical switch element]
The first aspect of the present invention relates to an optical switch element. In the three-dimensional space xyz, the optical switch element of the present invention propagates incident light, which is a clockwise or counterclockwise circularly polarized light having a traveling direction inclined by a predetermined angle θ with respect to the z-axis, in the xz plane. .. The optical switch element includes a first polarization separation prism, a second polarization separation prism, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization separation prisms in the z-axis direction. The first and second polarization separation prisms are photonic crystal polarization separation prisms, respectively. The liquid crystal cell can transition from at least an isotropic state with respect to incident light and a birefringent state having a phase difference of 180 degrees by voltage driving. Due to such a transition of the liquid crystal cell, the optical switch element according to the present invention emits incident light as circularly polarized light having the same traveling direction and the same or opposite rotation direction, or z. It has a traveling direction tilted by an angle −θ with respect to the axis, and is configured so that it can be selected whether to emit as circularly polarized light in the same or opposite rotation direction.

[1-1.フォトニック結晶偏光分離プリズムの第1の具体例]
光スイッチ素子を構成するフォトニック結晶偏光分離プリズムは、「分割型」のものであってもよい。分割型のフォトニック結晶偏光分離プリズムは、3次元空間xyzにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶の半波長板を備え、x軸方向に単一、もしくは、繰り返される一又は複数の領域を有し、この領域は、x軸方向に、複数の帯状のサブ領域に区分されている。フォトニック結晶の溝方向は、領域の中では、y軸方向に対する角度が0°から180°の範囲で段階的に変化し、かつ、サブ領域の中では、y軸方向に対する角度が一様である。このようなフォトニック結晶偏光分離プリズムは、z軸方向に入射する光を、z軸からある角度だけx軸に向かう方向の右回り円偏光と、z軸から同一の角度だけ-x軸に向かう方向の左回り円偏光とに、分離および変換して出射する。
[1-1. First Specific Example of Photonic Crystal Polarization Separation Prism]
The photonic crystal polarization separation prism constituting the optical switch element may be a “split type”. The split-type photonic crystal polarization separation prism includes a half-wave plate of photonic crystals formed on the xy plane and laminated in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz, and is single or repeated in the x-axis direction. It has one or more regions, and this region is divided into a plurality of strip-shaped sub-regions in the x-axis direction. The groove direction of the photonic crystal changes stepwise in the region with respect to the y-axis direction in the range of 0 ° to 180 °, and the angle with respect to the y-axis direction is uniform in the sub-region. be. In such a photonic crystal polarization separation prism, light incident in the z-axis direction is directed clockwise by a certain angle from the z-axis toward the x-axis and toward the -x-axis by the same angle from the z-axis. It is separated and converted into counterclockwise circular polarization in the direction and emitted.

[1-2.フォトニック結晶偏光分離プリズムの第2の具体例]
光スイッチ素子を構成するフォトニック結晶偏光分離プリズムは、「曲線型」のものであってもよい。曲線型のフォトニック結晶偏光分離プリズムは、3次元空間xyzにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶の半波長板を備え、x軸方向に単一、もしくは、繰り返される一又は複数の領域を有する。フォトニック結晶の溝方向は、Dを定数として、溝の平均的周期の近似範囲で y=(D/π)log(|cos(πx/D)|)+定数 で表される曲線である。このようなフォトニック結晶偏光分離プリズムは、z軸からある角度だけx軸に向かう方向の右回り円偏光と、z軸から同一の角度だけ-x軸に向かう方向の左回り円偏光とに、分離および変換して出射する。
[1-2. Second Specific Example of Photonic Crystal Polarization Separation Prism]
The photonic crystal polarization separation prism constituting the optical switch element may be of a “curve type”. The curved photonic crystal polarization separation prism includes a half-wave plate of photonic crystals formed on the xy plane and laminated in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz, and is single or repeated in the x-axis direction. Has one or more regions. The groove direction of the photonic crystal is a curve represented by y = (D / π) log (| cos (πx / D) |) + constant in the approximate range of the average period of the groove, where D is a constant. Such a photonic crystal polarization separation prism can be used for clockwise circular polarization in the direction from the z-axis toward the x-axis by a certain angle and counterclockwise circular polarization in the same angle from the z-axis toward the -x-axis. Separate and convert and emit.

[2.光スイッチ回路]
本発明の第2の側面は、光スイッチ回路に関する。本発明の光スイッチ回路は、上記した第1の側面に係る光スイッチ素子が2次元的または3次元的に複数個配置されている。光スイッチ回路の具体例は、2次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路と、3次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路である。
[2. Optical switch circuit]
A second aspect of the present invention relates to an optical switch circuit. In the optical switch circuit of the present invention, a plurality of optical switch elements according to the first side surface described above are arranged two-dimensionally or three-dimensionally. Specific examples of the optical switch circuit are a two-dimensional structure optical beam type multi-stage switch circuit and a three-dimensional structure optical beam type multi-stage switch circuit.

[2-1.2次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路]
2次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、3次元空間xyzにおいて、z軸方向にN段のスイッチサブ回路を備える。各段のスイッチサブ回路内において、第1の側面に係る光スイッチ素子がx軸方向に複数個並んでいる。光ビーム全体の平均的進行方向はz軸方向であり、光ビームはxz平面で2次元網をつくる。この回路では、入力面における所定偏光の2個の入力ポート列と、出力面における所定偏光の2個の出力ポート列が、x軸方向に並ぶ。光スイッチ素子のぞれぞれは、そこに入射する光ビームを次段のx軸方向の位置が異なる他の二つの光スイッチ素子のいずれか一方に導くように、光ビームの射出方向を選択するものである。スイッチ回路の第M段(M<N)では、その中にx方向に並ぶポートのうち第m番目が次の(M+1)段の第m番目ポートに結合するか、またはmから2(N-M)だけ跳躍したポートと結合するかを選択できる。各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える。フォトニック結晶偏光分離プリズムの具体例は前述したとおりである。2次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、全体の効果として、入射面上における2N個のポートに入射した光信号列を、出射面上における2N個のポートから出射するとともに、入力と異なる光信号列に変換することができる。この2次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、第1段、第2段、・・、第N段の順序を任意に置換することもできる。
[Light beam type multi-stage switch circuit with 2-1.2 dimensional structure]
The light beam type multi-stage switch circuit having a two-dimensional structure includes an N-stage switch sub-circuit in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz. In the switch subcircuit of each stage, a plurality of optical switch elements related to the first side surface are arranged in the x-axis direction. The average traveling direction of the entire light beam is the z-axis direction, and the light beam forms a two-dimensional network in the xz plane. In this circuit, a sequence of 2N input ports having a predetermined polarization on the input surface and a sequence of 2N output ports having a predetermined polarization on the output surface are arranged in the x - axis direction. Each optical switch element selects the emission direction of the optical beam so that the optical beam incident on it is guided to one of the other two optical switch elements having different positions in the x-axis direction of the next stage. Is what you do. In the Mth stage (M <N) of the switch circuit, the mth of the ports arranged in the x direction is connected to the mth port of the next (M + 1) stage, or m to 2 (N-). You can choose whether to combine with the port that jumped only by M). The port surface or intermediate port surface forming the boundary between each stage and the regions before and after the stage includes a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that adjusts the polarization and bends the light in a desired direction. Specific examples of the photonic crystal polarization separation prism are as described above. The light beam type multi-stage switch circuit having a two-dimensional structure emits a sequence of optical signals incident on 2N ports on the incident surface from 2N ports on the emitting surface as an overall effect, and at the same time, light different from the input. It can be converted into a signal sequence. In this two-dimensional structure light beam type multi-stage switch circuit, the order of the first stage, the second stage, ..., And the Nth stage can be arbitrarily replaced.

上記した2次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路を別の表現で表すと次のとおりである。本発明は、3次元空間xyz内の光ビーム形多段スイッチ回路であって、光ビーム全体の平均的進行方向はz方向であり、光ビームはxz平面で2次元網をつくる。第1n側面に係るスイッチ素子がx方向に複数個配置されて一つの段をなし、この段がz方向に複数個配置されてスイッチ回路を形成する。第A段における第m番のスイッチ素子の結合先は、次段である第(A+1)段の第p番または第q番目(q>p)のスイッチ素子のいずれかであり、跳躍の幅q-pの値は一つの段Aに関してはmによらず一様で、段Aと異なる段にはそれと異なる跳躍の幅を付与できる。各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える。フォトニック結晶偏光分離プリズムの具体例は前述したとおりである。 The light beam type multi-stage switch circuit having the above-mentioned two-dimensional structure is expressed in another expression as follows. The present invention is a light beam type multi-stage switch circuit in a three-dimensional space xyz, in which the average traveling direction of the entire light beam is the z direction, and the light beam forms a two-dimensional network in the xz plane. A plurality of switch elements related to the first n side surface are arranged in the x direction to form one stage, and a plurality of these stages are arranged in the z direction to form a switch circuit. The coupling destination of the mth switch element in the Ath stage is either the pth or the qth (q> p) switch element of the next (A + 1) stage, and the jump width q. The value of −p is uniform for one stage A regardless of m, and a different jump width can be given to a stage different from the stage A. The port surface or intermediate port surface forming the boundary between each stage and the regions before and after the stage includes a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that adjusts the polarization and bends the light in a desired direction. Specific examples of the photonic crystal polarization separation prism are as described above.

[2-2.3次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路]
3次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、3次元空間xyzにおいて、z軸方向に2N段のスイッチサブ回路を備える。各段のスイッチサブ回路内において、第1の側面に係る光スイッチ素子がxy平面に平行に並んでx方向に2行、y方向に2列をなしている。光ビームはxyz空間で3次元網をつくり、光ビーム全体の平均的進行方向はz方向である。入力面における所定偏光の入力ポート群と出力面における所定偏光の出力ポート群は、xy平面内に並び、それぞれの前記光スイッチ素子に入射する光ビームを、次の中間ポート面上のx軸方向の位置が異なる他の二つの中間ポートのいずれか一方に導くか、または、次の中間ポート面上の値の異なる他の二つのポートのいずれか一方に導くかを選択可能である。また、Mを1、2、..、N-1の任意の一つとした場合に、第(2M-1)番の中間ポート面上では、光ビームの第m行を第2M番の中間ポート面上の第m行に結ぶか、または第m+2(N-M)行に結ぶかを選択可能であり、第2M番の中間ポート面上では、光ビームの第n列を第(2M+1)番の中間ポート面上の第n列に結ぶか、または第n+2(N-M)列に結ぶかを選択可能である。さらに、全2N段の効果として、入射面上における2×2個のポートに入射した光信号を列を、出射面上における2×2個の所定偏光のポートの別の光信号列に変換することができる。この3次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、第1段、第2段、・・、第2N段の順序を任意に置換することもできる。
[2-2.3 light beam type multi-stage switch circuit with three-dimensional structure]
The light beam type multi-stage switch circuit having a three-dimensional structure includes a 2N-stage switch sub-circuit in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz. In the switch subcircuit of each stage, the optical switch elements related to the first side surface are arranged parallel to the xy plane to form 2 N rows in the x direction and 2 N columns in the y direction. The light beam forms a three-dimensional network in xyz space, and the average traveling direction of the entire light beam is the z direction. The input port group of predetermined polarization on the input surface and the output port group of predetermined polarization on the output surface are arranged in the xy plane, and the light beam incident on each of the optical switch elements is directed in the x-axis direction on the next intermediate port surface. You can choose to lead to one of the other two intermediate ports with different positions, or to one of the other two intermediate ports with different values on the next intermediate port plane. Also, M is 1, 2, ... .. , N-1, on the intermediate port surface of No. (2M-1), the mth row of the light beam is connected to the mth row on the intermediate port surface of No. 2M. Alternatively, it is possible to select whether to connect to the m + 2 (NM) row, and on the 2M intermediate port surface, the nth column of the light beam is changed to the nth column on the (2M + 1) intermediate port surface. You can choose to tie or tie in the n + 2 (NM) column. Furthermore, as an effect of all 2N stages, a row of optical signals incident on 2N × 2N ports on the incident surface and another optical signal of 2N × 2N predetermined polarized ports on the emitting surface Can be converted to columns. In this three-dimensional structure optical beam type multi-stage switch circuit, the order of the first stage, the second stage, ..., And the second N stage can be arbitrarily replaced.

上記した3次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路を別の表現で表すと次のとおりである。本発明は、3次元空間xyz内の光ビーム形多段スイッチ回路であって、光ビーム全体の平均的進行方向はz方向であり、光ビームはxyz平面で3次元網をつくる。第1の側面に係るスイッチ素子がx方向に複数行、y方向に複数列配置されて一つの面をなしている。前記の面は、面上の信号点はそれに続く面のy値が等しくx値が跳躍幅Cxだけ異なる2点と結合可能であるようなx形スイッチ面であるか、または、前記の面は、面上の信号点はそれに続く面のx値が等しくy値が跳躍幅Cyだけ異なる2点と結合可能であるようなy形スイッチ面である。複数のx形スイッチ面ごとの跳躍幅Cxは一定でなく、かつ、複数のy形スイッチ面ごとの跳躍幅Cyも一定でないようにx形スイッチ面とy形スイッチ面から構成される。各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える。フォトニック結晶偏光分離プリズムの具体例は前述したとおりである。 The light beam type multi-stage switch circuit having the above-mentioned three-dimensional structure is expressed in another expression as follows. The present invention is a light beam type multi-stage switch circuit in a three-dimensional space xyz, in which the average traveling direction of the entire light beam is the z direction, and the light beam forms a three-dimensional network in the xyz plane. The switch elements related to the first side surface are arranged in a plurality of rows in the x direction and in a plurality of columns in the y direction to form one surface. The surface is an x-shaped switch surface such that the signal points on the surface can be combined with two points that have the same y-value and x-values of the subsequent surfaces that differ by the jump width Cx, or the surface is The signal point on the surface is a y-shaped switch surface that can be combined with two points that have the same x value on the subsequent surface and different y values by the jump width Cy. It is composed of an x-type switch surface and a y-type switch surface so that the jump width Cx for each of the plurality of x-type switch surfaces is not constant and the jump width Cy for each of the plurality of y-type switch surfaces is not constant. The port surface or intermediate port surface forming the boundary between each stage and the regions before and after the stage includes a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that adjusts the polarization and bends the light in a desired direction. Specific examples of the photonic crystal polarization separation prism are as described above.

[3.可変光減衰器]
本発明の第3の側面は、可変光減衰器(VOA:Variable Optical Attenuator)に関する。本発明の可変光減衰器は、3次元空間xyzにおいて、z軸方向に、第1の偏光分離プリズム対と、第2の偏光分離プリズム対と、これら第1及び第2の偏光分離プリズム対の間に介在する液晶セルとを備える。第1及び第2の偏光分離プリズム対は、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムがz軸方向に重なって対をなしたものである。第1の偏光分離プリズム対は、z軸に沿って進む、左回り及び右回りの円偏光が混合された偏光状態の一本の光を、左回り及び右回りの円偏光の2本の平行光に分離する。液晶セルは、電圧駆動により、2本の平行光のそれぞれを主軸方向を一定に保ちつつ位相差θの複屈折状態に変換する。第2の偏光プリズム対は、液晶セルを通過した入射ビームを、電力比(sinθ)あるいは(cosθ)をもつ入射ビームと同じ偏光状態の光と、残余の電力をもつ不要波たる2本の平行ビームとに分離する。
[3. Variable optical attenuator]
A third aspect of the present invention relates to a Variable Optical Attenuator (VOA). The variable optical attenuator of the present invention has a first polarization separation prism pair, a second polarization separation prism pair, and these first and second polarization separation prism pairs in the three-dimensional space xyz in the z-axis direction. It is provided with a liquid crystal cell intervening between them. The first and second polarization separation prism pairs are pairs in which photonic crystal polarization separation prisms are overlapped in the z-axis direction, respectively. The first polarization separation prism pair is a single light in a polarized state in which left-handed and right-handed circularly polarized light travels along the z-axis, and two parallels of left-handed and right-handed circularly polarized light. Separate into light. The liquid crystal cell is voltage-driven to convert each of the two parallel lights into a birefringent state with a phase difference θ while keeping the principal axis direction constant. The second pair of polarizing prisms makes the incident beam passing through the liquid crystal cell light in the same polarization state as the incident beam having a power ratio (sinθ) 2 or (cosθ) 2 , and two unnecessary waves having residual power. Separate into parallel beams.

本発明によれば、多数の入出力ポートを持つ光スイッチ回路においても、信号損失や信号線路間の漏話を効果的に抑制することができる。 According to the present invention, signal loss and crosstalk between signal lines can be effectively suppressed even in an optical switch circuit having a large number of input / output ports.

従来技術である平面光回路を用いた光スイッチの原理図である。It is a principle diagram of the optical switch using the plane optical circuit which is a prior art. 従来技術であるMEMS技術を用いた光スイッチの概略図である。It is the schematic of the optical switch using the MEMS technique which is a prior art. 本発明の光スイッチとそれを2次元的に配列させた際の構成図である。It is a block diagram when the optical switch of this invention and it are arranged two-dimensionally. 本発明の光スイッチを3次元的に配列させた際の構成図である。It is a block diagram when the optical switches of this invention are arranged three-dimensionally. 第1の実施形態に係る偏光分離プリズム(分割型)及び第2の実施形態に係る偏光分離プリズム(曲線型)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the polarization separation prism (divided type) which concerns on 1st Embodiment and the polarization separation prism (curve type) which concerns on 2nd Embodiment. 第1の実施形態に係る偏光分離プリズムの垂直入射時の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation at the time of the vertical incident of the polarization separation prism which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る偏光分離プリズムの斜め入射時の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation at the time of oblique incident of the polarization separation prism which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る光スイッチの構成と動作を説明する図である。It is a figure explaining the structure and operation of the optical switch which concerns on 1st Embodiment. 第4の実施形態に係る8X8のポートを持つ光スイッチの入力ポート面を説明する図である。It is a figure explaining the input port surface of the optical switch which has the port of 8X8 which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る8X8のポートを持つ光スイッチを4つの4X4ブロックに階層化することを説明する図である。It is a figure explaining that the optical switch having an 8X8 port which concerns on 4th Embodiment is hierarchized into four 4X4 blocks. 第4の実施形態に係る8X8のポートを持つ光スイッチを4つの4X4ブロックに階層化し、各区間でブロックが入れ替わることを説明する図である。It is a figure explaining that the optical switch having an 8X8 port which concerns on 4th Embodiment is hierarchized into four 4X4 blocks, and the blocks are exchanged in each section. 第5の実施形態に係る液晶を用いた可変光減衰器を説明する図である。It is a figure explaining the variable optical attenuator using the liquid crystal which concerns on 5th Embodiment.

[1.光スイッチ素子及び光スイッチ回路の基本原理]
図3は、本発明のスイッチ回路のうち2次元形のものの原理図である。中心的な役割を演ずるのは楕円形で示される光スイッチ素子304である。光スイッチ素子304は、3次元空間xyzにおいて、z軸方向に、第1の偏光分離プリズム301と、第2の偏光分離プリズム303と、これら第1および第2の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セル302とを備える。第1および第2の偏光分離プリズム301、303は、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムで構成されている。このような構造の光スイッチ素子304に対して、z軸方向に向かって入射光が入射する。入射光は、z軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光であり、光スイッチ素子304のxz面内を伝搬する。液晶セル302は、電圧駆動により、少なくとも入射光に対する等方的状態(第1の状態)と、位相差180度をもつ複屈折状態(第2の状態)とを遷移することができる。光スイッチ素子304は、このような液晶セルの遷移により、入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一の回転方向の円偏光として出射させるか、または、入射光を、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、逆の回転方向の円偏光として出射させるかを選択することができる。また、光スイッチ素子304は、液晶セルの遷移により、入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、逆の回転方向の円偏光として出射させるか、または、入射光を、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一の回転方向の円偏光として出射させるかを選択することもできる。
[1. Basic Principles of Optical Switch Elements and Optical Switch Circuits]
FIG. 3 is a principle diagram of a two-dimensional switch circuit of the present invention. It is the optical switch element 304 shown in ellipse that plays a central role. The optical switch element 304 is interposed between the first polarization separation prism 301, the second polarization separation prism 303, and the first and second polarization separation prisms in the three-dimensional space xyz in the z-axis direction. It includes a liquid crystal cell 302. The first and second polarization separation prisms 301 and 303 are each composed of a photonic crystal polarization separation prism. Incident light is incident on the optical switch element 304 having such a structure in the z-axis direction. The incident light is circularly polarized light clockwise or counterclockwise having a traveling direction inclined by a predetermined angle θ with respect to the z-axis, and propagates in the xz plane of the optical switch element 304. The liquid crystal cell 302 can transition from at least an isotropic state (first state) with respect to incident light and a birefringent state (second state) having a phase difference of 180 degrees by voltage driving. The optical switch element 304 emits incident light as circularly polarized light having the same traveling direction and the same rotational direction by such a transition of the liquid crystal cell, or emits the incident light with respect to the z-axis. It is possible to select whether to emit as circularly polarized light having a traveling direction tilted by an angle −θ and in the opposite rotation direction. Further, the optical switch element 304 emits the incident light as circularly polarized light having the same traveling direction and the opposite rotation direction by the transition of the liquid crystal cell, or emits the incident light at an angle with respect to the z-axis. It is also possible to select whether to emit as circularly polarized light having a traveling direction inclined by −θ and in the same rotation direction.

上記のように光スイッチ素子304は、液晶セル302に加えられる電圧によって入射する光ビームの偏光状態を切り替える。液晶セル302を挟むフォトニック結晶プリズム対301,303は、入射ビームの方向を調整する機能、出射する光線を所望の方向に屈曲する機能のいずれか又は両方を果たす。 As described above, the optical switch element 304 switches the polarization state of the incident light beam by the voltage applied to the liquid crystal cell 302. The photonic crystal prism pairs 301 and 303 sandwiching the liquid crystal cell 302 perform either or both of a function of adjusting the direction of the incident beam and a function of bending the emitted light ray in a desired direction.

接続を切り替えられる複数の光ビームは、入力面(入力ポート面)Pから光スイッチ回路に入り、複数の中間ポート面R、Tや、複数の光スイッチ素子Q、Uを経由して出力面(出力ポート面)Vにいたる。図3に示した光スイッチ回路において、光ビームは、入力ポート面P、第1の光スイッチ素子Q、第1の中間ポート面R、第2の光スイッチ素子S、第2の中間ポート面T、第3の光スイッチ素子U、出力ポート面Vを、この順で通過するように構成されている。一つ一つの段は、二つのポート面と、その間に位置する光スイッチ素子で区切られるスイッチサブ回路であって、光ビームの入力側から順に第1段、第2段、・・と呼ばれる。光の進行方向に関し、各段の中央には複数のスイッチ素子が平面方向(y方向又はxy方向の)に並べて配置され、スイッチ素子面あるいはスイッチ素子列面をなす。図3の点305を通る光線は、光スイッチ素子304の状態(第1の状態か第2の状態か)により、点306または点307に導かれる。点305から点307までの跳躍の量は4である。すなわち、入力ポート面Pにおいて、y方向の最上位に位置する点305に入射した光ビームは、第1の中間ポート面Rにおいて、y方向の最上位から4番目に位置する点307に導かれる。このような入力ポート面から次のポート面への信号経路の跳躍を、本願明細書では“跳躍”と表現している。この跳躍の大きさは第1段内で共通である。同様に、前後する段同士の間で跳躍の量は2倍(あるいは1/2倍)である。 A plurality of optical beams whose connection can be switched enter the optical switch circuit from the input surface (input port surface) P, and pass through the plurality of intermediate port surfaces R and T and the plurality of optical switch elements Q and U to the output surface (the output surface (input port surface). Output port surface) reaches V. In the optical switch circuit shown in FIG. 3, the optical beam is an input port surface P, a first optical switch element Q, a first intermediate port surface R, a second optical switch element S, and a second intermediate port surface T. , The third optical switch element U and the output port surface V are configured to pass in this order. Each stage is a switch subcircuit divided by two port surfaces and an optical switch element located between them, and is called a first stage, a second stage, and so on in order from the input side of the optical beam. With respect to the traveling direction of light, a plurality of switch elements are arranged side by side in the plane direction (y direction or xy direction) in the center of each stage to form a switch element surface or a switch element row surface. The light beam passing through the point 305 in FIG. 3 is guided to the point 306 or the point 307 depending on the state of the optical switch element 304 (whether it is the first state or the second state). The amount of jump from point 305 to point 307 is 4. That is, the light beam incident on the point 305 located at the highest position in the y direction on the input port surface P is guided to the point 307 located at the fourth highest position in the y direction on the first intermediate port surface R. .. Such a jump of the signal path from the input port surface to the next port surface is expressed as "jump" in the present specification. The magnitude of this jump is common within the first stage. Similarly, the amount of jump between the front and back stages is doubled (or halved).

入力ポート面P、出力ポート面V、中間ポート面R、Tはフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを有し、取り扱う光ビームの偏光状態を所望の状態に整え、所望の進行方向に屈曲させる機能をもつ。また、図4は、本発明のスイッチ回路のうちの3次元形のものの原理を簡略化して示した図である。 The input port surface P, the output port surface V, the intermediate port surfaces R, and T have a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism, adjust the polarization state of the light beam to be handled to a desired state, and perform a desired traveling direction. Has the function of bending to. Further, FIG. 4 is a diagram showing a simplified principle of the three-dimensional type of the switch circuit of the present invention.

入力ポート面Pと第1の中間ポート面Rとの距離、あるいは第1の中間ポート面Rと第2の中間ポート面Tとの距離を選ぶことによって、前記の信号経路の跳躍量を4にも2にも1にも設定できるので必要なスイッチ段数が小さい。また光ビームは自由空間または一様媒質内を伝搬するので信号経路間での漏話(クロストーク)は発生しない。また、実際にはガラス板上に作成されたフォトニック結晶、ガラス板に挟まれた液晶セルを重ね合わせ貼り合わせて作成するので、実装が容易である。 By selecting the distance between the input port surface P and the first intermediate port surface R, or the distance between the first intermediate port surface R and the second intermediate port surface T, the jump amount of the signal path is set to 4. Since it can be set to 2 or 1, the number of switch stages required is small. Moreover, since the light beam propagates in free space or in a uniform medium, no crosstalk occurs between signal paths. Further, in reality, the photonic crystal created on the glass plate and the liquid crystal cell sandwiched between the glass plates are overlapped and bonded to each other, so that the mounting is easy.

[2.フォトニック結晶偏光分離プリズム]
フォトニック結晶偏光分離プリズムを用いた光スイッチ回路について説明する。
フォトニック結晶は、公知であるが、例えば自己クローニング法(特許文献3参照)によって形成すればよい。フォトニック結晶は、導波する光の動作波長よりも短い周期で屈折率が周期的に変化する構造体である。特に、波長板は、自己クローニング作用により形成されたフォトニック結晶であることが好ましい。フォトニック結晶は、光学素子(例えば偏光分離プリズムや波長板)として機能する微小周期構造体である。具体的なフォトニック結晶の製造方法としては、特許文献3に開示されているように、1次元的または2次元的に周期的な凹凸をもつ基板の上に、2種類以上の屈折率の異なる物質(透明体)を周期的に順次積層し、その積層の中の少なくとも一部分にスパッタエッチングを単独で、または成膜と同時に用いることにより、光学素子を製造する方法があげられる。この方法は、自己クローニング法ともよばれる。そして、この自己クローニング法により形成されたフォトニック結晶は、自己クローニング型フォトニック結晶とよばれる。なお、自己クローニング型フォトニック結晶を用いて波長板を構成する技術は公知である。例えばフォトニック結晶の別の作製方法として、フェムト秒レーザをガラスに照射することで周期的な空隙を作製する方法が挙げられる。
[2. Photonic crystal polarization separation prism]
An optical switch circuit using a photonic crystal polarization separation prism will be described.
Although the photonic crystal is known, it may be formed by, for example, a self-cloning method (see Patent Document 3). A photonic crystal is a structure in which the refractive index changes periodically in a period shorter than the operating wavelength of the guided light. In particular, the wave plate is preferably a photonic crystal formed by a self-cloning action. A photonic crystal is a microperiodic structure that functions as an optical element (for example, a polarization separation prism or a wave plate). As a specific method for producing a photonic crystal, as disclosed in Patent Document 3, two or more kinds of different refractive indexes are used on a substrate having one-dimensional or two-dimensional periodic irregularities. An example is a method in which an optical element is manufactured by periodically and sequentially laminating substances (transparent bodies) and using spatter etching alone or at the same time as film formation on at least a part of the laminated material. This method is also called the self-cloning method. The photonic crystal formed by this self-cloning method is called a self-cloning photonic crystal. A technique for constructing a wave plate using a self-cloning photonic crystal is known. For example, as another method for producing a photonic crystal, there is a method for producing periodic voids by irradiating glass with a femtosecond laser.

なお、自己クローニング型フォトニック結晶を形成する複数種類の透明体は、アモルファスシリコン、5酸化ニオブ、5酸化タンタル、酸化チタン、酸化ハフニウム、2酸化ケイ素、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウムなどのフッ化物のいずれかであることが好ましい。これらの中から屈折率の異なる2ないし複数種を選択しフォトニック結晶に用いることができる。例えばアモルファスシリコンと二酸化ケイ素、5酸化ニオブと二酸化ケイ素、五酸化タンタルと二酸化ケイ素の組み合わせが望ましいが、それ以外の組み合わせでも可能である。具体的には、自己クローニング型フォトニック結晶は、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層した構造を有する。高屈折率材料は、5酸化タンタル、5酸化ニオブ、アモルファスシリコン、酸化チタン、酸化ハフニウムまたはこれら2種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。低屈折率材料は、2酸化ケイ素、酸化アルミ、フッ化マグネシウムを含むフッ化物またはこれら2種以上の材料を組み合わせたものであることが好ましい。 The plurality of types of transparent substances forming the self-cloning photonic crystal are fluorides such as amorphous silicon, niobium pentoxide, tantalum pentaoxide, titanium oxide, hafnium oxide, silicon dioxide, aluminum oxide, and magnesium fluoride. It is preferably either. Two or more kinds having different refractive indexes can be selected from these and used for photonic crystals. For example, a combination of amorphous silicon and silicon dioxide, niobium pentoxide and silicon dioxide, and tantalum pentoxide and silicon dioxide is desirable, but other combinations are also possible. Specifically, the self-cloning photonic crystal has a structure in which a high refractive index material and a low refractive index material are alternately laminated. The high refractive index material is preferably tantalum pentoxide, niobium pentoxide, amorphous silicon, titanium oxide, hafnium oxide, or a combination of two or more of these materials. The low refractive index material is preferably a fluoride containing silicon dioxide, aluminum oxide, magnesium fluoride, or a combination of two or more of these materials.

さらに具体的に説明すると、本発明で用いるフォトニック結晶偏光分離プリズム(光学素子)は、主軸方位が領域ごとに異なった波長板(分割型)、または、主軸方位が連続的に変化する波長板(曲線型)であり、それぞれの領域の波長板が、面内に周期構造を持ち当該周期構造が厚さ方向に積層されたフォトニック結晶で構成されている。フォトニック結晶は、自己クローニング法によって形成すればよい。 More specifically, the photonic crystal polarization separation prism (optical element) used in the present invention is a wave plate (divided type) in which the principal axis orientation is different for each region, or a wave plate in which the spindle orientation is continuously changed. It is (curved), and the wave plate in each region is composed of a photonic crystal having a periodic structure in the plane and the periodic structure is laminated in the thickness direction. Photonic crystals may be formed by a self-cloning method.

分割型のフォトニック結晶偏光分離プリズムは、自己クローニング法を用いて、図5の501に示すようなパターンの基板の上にフォトニック結晶を形成する。xy面内では、少なくともx軸方向に向かって複数の領域Dが周期的に繰り返して形成されている。複数の領域Dのx軸方向の長さは等しいことが好ましい。また、各領域Dは、さらにx方向に複数のサブ領域に区分されている。各領域Dの分割数は、3~21とすることができ、例えば5、7、9、11、13、15、17、19などの奇数とすることが好ましい。各領域Dに含まれるサブ領域は、それぞれx方向に実質的に等しい幅を有していることが好ましい。「実質的に等しい幅」とは、x方向の中心に位置するサブ領域の幅dを基準として、±2%の誤差を許容することを意味する。 The split-type photonic crystal polarization separation prism uses a self-cloning method to form a photonic crystal on a substrate having a pattern as shown in 501 of FIG. In the xy plane, a plurality of regions D are periodically and repeatedly formed at least in the x-axis direction. It is preferable that the lengths of the plurality of regions D in the x-axis direction are equal. Further, each region D is further divided into a plurality of sub-regions in the x direction. The number of divisions of each region D can be 3 to 21, and is preferably an odd number such as 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, or 19. It is preferable that the sub-regions included in each region D have substantially the same width in the x-direction. The "substantially equal width" means that an error of ± 2% is allowed with respect to the width d of the sub-region located in the center in the x direction.

また、各サブ領域には、複数の溝が周期的に形成されている。溝の幅は実質的に全て等しい。また、溝は、各サブ領域において、x方向の端から端まで形成されている。領域Dにおいて、x方向の中心に位置するサブ領域では、x軸方向に平行に延びる溝が、y方向に周期的に繰り返し形成されている。他方で、領域Dにおいて、x方向の左右両端に位置するサブ領域では、y方向に平行に延びる溝が形成されている。このため、中心のサブ領域に形成された溝に対して、左右両端のサブ領域に形成された溝のなす角度θは90度となる。このようなサブ領域において溝の長さは最も大きく、素子全体のy方向の有効寸法と一致する。 Further, a plurality of grooves are periodically formed in each sub-region. The widths of the grooves are virtually all equal. Further, the groove is formed from end to end in the x direction in each sub region. In the sub-region located at the center of the x-direction in the region D, grooves extending parallel to the x-axis direction are periodically and repeatedly formed in the y-direction. On the other hand, in the region D, in the sub-regions located at the left and right ends in the x direction, grooves extending parallel to the y direction are formed. Therefore, the angle θ formed by the grooves formed in the left and right sub-regions is 90 degrees with respect to the groove formed in the central sub-region. In such a sub-region, the groove length is the largest and coincides with the effective dimension of the entire element in the y direction.

また、中心のサブ領域と左右両端のサブ領域の間には、左右それぞれに、複数のサブ領域が位置している。そして、これら間に位置する各サブ領域にも複数の溝がy方向に周期的に繰り返して形成されている。また、あるサブ領域に形成された溝の角度は全て等しい。ただし、間に位置する各サブ領域の溝の角度θは、中心のサブ領域から左右両端のサブ領域に近づくに連れて、徐々に90度に近づくように設定されている。例えば、中心のサブ領域と左右両端のサブ領域の間にはそれぞれ4つのサブ領域が設けられており、中心のサブ領域の溝の角度を0度とし左右両端のサブ領域の溝の角度を90度とすると、中心のサブ領域に近い領域から順に、22.5度ずつ傾斜角θが急になっていく。このように、各領域Dでは、x方向の幅が等しい複数のサブ領域に区分され、各サブ領域には角度の等しい溝が周期的に形成され、x方向の中心に位置するサブ領域から左右両端に位置するサブ領域に向かって、溝の角度が単調増加するようになっている。 Further, a plurality of sub-regions are located on each of the left and right sides between the central sub-region and the sub-regions at both left and right ends. Then, a plurality of grooves are periodically and repeatedly formed in the y direction in each of the sub-regions located between them. Also, the angles of the grooves formed in a certain sub-region are all equal. However, the angle θ of the groove of each sub-region located between them is set so as to gradually approach 90 degrees as it approaches the sub-regions at both the left and right ends from the central sub-region. For example, four sub-regions are provided between the central sub-region and the sub-regions on the left and right ends, and the angle of the groove in the central sub-region is 0 degrees and the angle of the groove in the sub-regions on the left and right ends is 90. In terms of degrees, the inclination angle θ becomes steeper by 22.5 degrees in order from the region closest to the central sub-region. In this way, each region D is divided into a plurality of sub-regions having the same width in the x-direction, and grooves having the same angle are periodically formed in each sub-region, and left and right from the sub-region located at the center in the x-direction. The angle of the groove increases monotonically toward the sub-regions located at both ends.

このような前提の下で、各サブ領域において、周期構造の溝間単位周期p(図5参照)は、入射する光の波長(例えば400nm~1800nmの間から選ばれる)の4分の1以下となる。なお、溝間単位周期pの下限値は40nmである。また、厚み方向(z方向)において、屈折率の異なる2種類の透明媒質の単位周期も光の波長の4分の1以下となる。なお、厚み方向の単位周期の下限値は40nmである。そして、複数の領域D全体のうち、溝の長さの面内最小値d(図5参照)が、前述した溝間単位周期pの1倍以上となる。なお、溝の長さの面内最小値dの上限値は前述した溝間単位周期pの50倍と考えられる。ここで図5に示されるように、ある領域D内に形成された複数のサブ領域のx方向の幅は全て等しいため、領域Dにおける溝の長さの面内最小値dは、基本的に、この領域Dの中心に位置するサブ領域に形成された溝の長さとなる。なお、溝の長さは、x方向の左右両側の領域の溝ほど長くなる傾向にある。 Under these assumptions, in each sub-region, the inter-groove unit period p of the periodic structure (see FIG. 5) is less than a quarter of the wavelength of the incident light (eg selected from between 400 nm and 1800 nm). It becomes. The lower limit of the inter-groove unit period p is 40 nm. Further, in the thickness direction (z direction), the unit period of the two types of transparent media having different refractive indexes is also one-fourth or less of the wavelength of light. The lower limit of the unit period in the thickness direction is 40 nm. Then, among the entire plurality of regions D, the in-plane minimum value d (see FIG. 5) of the groove length becomes one or more times the above-mentioned inter-groove unit period p. The upper limit of the in-plane minimum value d of the groove length is considered to be 50 times the above-mentioned inter-groove unit period p. Here, as shown in FIG. 5, since the widths of the plurality of sub-regions formed in a certain region D in the x-direction are all equal, the in-plane minimum value d of the groove length in the region D is basically. , The length of the groove formed in the sub-region located at the center of this region D. The length of the groove tends to be longer as the groove is in the region on both the left and right sides in the x direction.

3次元空間xyzにおいて光の進行方向をz軸とする。周期Dを持つ光学素子(偏光分離プリズム)をxy面内に設置し、その遅軸方位のx軸からの傾きをθとし、右回りの偏光を入射した際に射出される光は次の式で表される。

Figure 0007101954000001
光学素子(偏光分離プリズム)が持つ位相差φがπの時、上記の式を整理すると、
Figure 0007101954000002
となる。したがって射出される光は左回りの円偏光へ変換される。また、θはxにだけ依存しているため、xに依存した位相差が生じる。1周期Dの間でθがxに比例して0~πまで比例して変化するとき、出力波第1項、第2項の位相の傾きはx=Dのところで、x=0のところと2πだけ変化する。したがってz軸に対してψ=sin-1(λ/D)だけ屈曲して射出される。同様に左回りの円偏光が入射した際、光は右回り円偏光に変換され、z軸に対して-ψ=-sin-1(λ/D)だけ屈曲して射出される。 In the three-dimensional space xyz, the traveling direction of light is defined as the z-axis. An optical element (polarization separation prism) having a period D is installed in the xy plane, the inclination of the slow axis direction from the x axis is θ, and the light emitted when the right-handed polarization is incident is as follows. It is represented by.
Figure 0007101954000001
When the phase difference φ of the optical element (polarization separation prism) is π, the above equation can be summarized as follows.
Figure 0007101954000002
Will be. Therefore, the emitted light is converted into counterclockwise circular polarization. Further, since θ depends only on x, a phase difference depending on x occurs. When θ changes proportionally from 0 to π in proportion to x during one period D, the slopes of the phases of the first and second output waves are at x = D and at x = 0. It changes by 2π. Therefore, it is bent and ejected by ψ = sin -1 (λ / D) with respect to the z-axis. Similarly, when counterclockwise circular polarization is incident, the light is converted to clockwise circular polarization and is emitted by bending by −ψ = −sin -1 (λ / D) with respect to the z-axis.

図6を用いて、光線が垂直に入射した場合の作用を説明する。x軸に平行なy方向の高さが等しい直線L、Lがあり、L上の点Pから光学素子601上の一点Qを通って、L上の点Rに至る直線PQRを定義する。この場合PQは素子601に対して垂直である。説明の便宜上、光学素子の両側の媒質の屈折率は等しいとする。直線L上にRをはさんでR、Rをとり、光線QRはx方向の波数2π/Dを持ち、QRは同じく-2π/Dを持つようにする。右回り円偏光がPQに沿って入射される場合は、左回り円偏光となってQRに屈曲される(図6(a)参照)。一方、入射偏光が左回り円偏光の場合について図6(b)を用いて説明する。素子602に対して垂直に左回り円偏光が入射する場合は右回り円偏光となってQRに屈曲される(図6(b)参照)。 The operation when the light beam is vertically incident will be described with reference to FIG. There are straight lines L 1 and L 2 parallel to the x-axis and equal in height in the y direction, and a straight line PQR from a point P on L 1 through a point Q on the optical element 601 to a point R on L 2 . Define. In this case, the PQ is perpendicular to the element 601. For convenience of explanation, it is assumed that the refractive indexes of the media on both sides of the optical element are equal. R and R + are taken on the straight line L 2 with R in between, and the ray QR + has a wave number of 2π / D in the x direction, and QR also has -2π / D. When the clockwise circular polarization is incident along the PQ, it becomes a counterclockwise circular polarization and is bent to QR + (see FIG. 6A). On the other hand, the case where the incident polarization is counterclockwise circular polarization will be described with reference to FIG. 6 (b). When counterclockwise circular polarization is incident perpendicularly to the element 602, it becomes clockwise circular polarization and is bent to QR− (see FIG. 6B).

上記の説明は便宜上、y方向の波数はすべて0としているが、共通の波数を持つ場合も同様である。また、光学素子601、602の両側の空間を満たす媒質の屈折率が共通でない(例えば空気とガラス)場合も、光線同士は空間的形状でなく波数によって対応付けられている。また、複数の光学素子を用いる場合、周期を定義する方向は素子ごとに別の方向に選んでもよく、1枚の素子の中で複数の領域に分かれ、それぞれが別の周期方向、周期を持っていてもよい。 In the above description, for convenience, the wave numbers in the y direction are all set to 0, but the same applies when they have a common wave number. Further, even when the refractive indexes of the media filling the spaces on both sides of the optical elements 601 and 602 are not common (for example, air and glass), the light rays are associated with each other not by the spatial shape but by the wave number. When using a plurality of optical elements, the direction for defining the period may be selected in a different direction for each element, and the element is divided into a plurality of regions, each of which has a different period direction and period. You may be.

さらに、図7を用いて、光線が斜めに入射した場合の作用を説明する。x軸に平行なy方向の高さが等しい直線L、Lがあり、L上の点Pから光学素子701上の一点Qを通って、L上の点Rに至る直線PQRを定義する。説明の便宜上、光学素子の両側の媒質の屈折率は等しいとする。伝搬媒質内波長λの光に対し、光線PQ、QRは等しいx方向の波数を持つ。直線L上にPをはさんでP、Pをとり、光線PQはx方向の波数+2π/Dを持ち、光線PQは同じく-2π/Dを持つようにする。光線P+Qが左回り円偏光である場合、出射される光は右回り円偏光となり、屈曲されQR方向に進む。一方で、光線P-Qが右回り円偏光である場合、出射される光は左回り円偏光となり、屈曲されやはりQR方向に進む。なおこの場合、QR方向は素子701、702に対して垂直である。 Further, with reference to FIG. 7, the operation when the light beam is obliquely incident will be described. There are straight lines L 1 and L 2 parallel to the x-axis and equal in height in the y direction, and a straight line PQR from a point P on L 1 through a point Q on the optical element 701 to a point R on L 2 . Define. For convenience of explanation, it is assumed that the refractive indexes of the media on both sides of the optical element are equal. The light rays PQ and QR have the same wave number in the x direction with respect to light having a wavelength λ in the propagation medium. P and P + are taken on the straight line L 1 with P in between, the ray P + Q has the wave number + 2π / D in the x direction, and the ray P Q also has -2π / D. When the light rays P + Q are counterclockwise circularly polarized, the emitted light becomes clockwise circularly polarized, is bent, and travels in the QR direction. On the other hand, when the light ray PQ is clockwise circularly polarized light, the emitted light becomes counterclockwise circularly polarized light, is bent, and also travels in the QR direction. In this case, the QR direction is perpendicular to the elements 701 and 702.

上記の説明は便宜上、y方向の波数はすべて0としているが、共通の波数を持つ場合も同様である。また、光学素子701、702の両側の空間を満たす媒質の屈折率が共通でない(例えば空気とガラス)場合も、光線同士は空間的形状でなく波数によって対応付けられている。また、複数の光学素子を用いる場合、周期を定義する方向は素子ごとに別の方向に選んでもよく、1枚の素子の中で複数の領域に分かれ、それぞれが別の周期方向、周期を持ってよい。 In the above description, for convenience, the wave numbers in the y direction are all set to 0, but the same applies when they have a common wave number. Further, even when the refractive indexes of the media filling the spaces on both sides of the optical elements 701 and 702 are not common (for example, air and glass), the light rays are associated with each other not by the spatial shape but by the wave number. When using a plurality of optical elements, the direction for defining the period may be selected in a different direction for each element, and the element is divided into a plurality of regions, each of which has a different period direction and period. You can.

ここでは、分割型のフォトニック結晶偏光分離プリズムについて説明したが、図5の501のパターンは、図5の502のパターンに置き換えることもできる。図5の502のパターンは、いわゆる曲線型のフォトニック結晶偏光分離プリズムを示している。すなわち、曲線型のフォトニック結晶偏光分離プリズム(光学素子)の基本構成は、3次元空間x、y、zにおいて、xy面に形成され、z軸方向に積層されたフォトニック結晶からなる波長板(より具体的には、半波長板)ある。波長板は、y軸方向に平行な帯状の幅Dの領域が、x軸方向に複数繰り返されている。フォトニック結晶の溝方向は、曲線503y=(D/π)log(|cos(πx/D)|)+定数 と離散化誤差の範囲で一致する曲線である。 Although the split-type photonic crystal polarization separation prism has been described here, the pattern 501 in FIG. 5 can be replaced with the pattern 502 in FIG. The pattern 502 in FIG. 5 shows a so-called curved photonic crystal polarization separation prism. That is, the basic configuration of the curved photonic crystal polarization separation prism (optical element) is a wave plate formed of photonic crystals formed on the xy plane in the three-dimensional spaces x, y, and z and laminated in the z-axis direction. (More specifically, a half-wave plate). In the wave plate, a plurality of strip-shaped width D regions parallel to the y-axis direction are repeated in the x-axis direction. The groove direction of the photonic crystal is a curve that matches the curve 503y = (D / π) log (| cos (πx / D) |) + constant within the range of discretization error.

なお、図5の502に示されるように、フォトニック結晶のパターン(凸部または凹部)を曲線状にしたことで、1周期内部で中央部ではパターンが疎になり、端に近いほど密になりパターン作製が困難になる。そこで、504のように中央部でのパターン間ピッチを基準に取り、それをpとする。pがある閾値ピッチ以下になった位置で2本のパターンを合流させる。合流直後のピッチは2pになるが、端にいくにほど密になるため、閾値長さ以下になったところで再度合流させる。以上の操作を繰り返すことでピッチがある範囲内で変化しながら理想的な光学軸分布を実現できる。閾値ピッチを0.5pとすると、ピッチの変化範囲は0.5p~2.0pの間になる。すなわち、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の最大値と最小値の比が4倍以内、好ましくは2倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されている。504に示した例では、白色の部分が凹部となり、黒色の部分が凸部となっている。すなわち、主軸方位が連続的に変化する波長板(曲線型)の場合、凸部のピッチpが(パターンが直線であるときのピッチ)をpとすると0.5・p≦p≦2・p以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置される。
このように連続的に軸方位を変化させることにより、分割したものに比べ高い効率を実現することができる。
フォトニック結晶偏光分離プリズムは例えば
・自由空間波長 λ 1.55μm
・高屈折率材料 a-Si
・低屈折率材料 SiO
・プリズム周期D 10μm
・遅軸屈折率n 2.713
・速軸屈折率n 2.486
・積層全体の厚さ λ/(n-n)×φ/(2π)
を想定すると、媒質が石英の場合分離角Φ=6.1度となる。
As shown in 502 of FIG. 5, by making the pattern (convex or concave) of the photonic crystal curved, the pattern becomes sparse in the central part within one cycle, and the closer to the edge, the denser the pattern. It becomes difficult to make a pattern. Therefore, as in 504, the pitch between patterns at the center is taken as a reference, and that is set as p0 . The two patterns are merged at a position where p 0 is below a certain threshold pitch. The pitch immediately after merging becomes 2p 0 , but since it becomes denser toward the end, it is rejoined when it becomes less than the threshold length. By repeating the above operation, the ideal optical axis distribution can be realized while the pitch changes within a certain range. Assuming that the threshold pitch is 0.5p 0 , the pitch change range is between 0.5p 0 and 2.0p 0 . That is, they are geometrically arranged so that the ratio of the maximum value and the minimum value of the distance between one of the adjacent convex portions and the concave portions is within 4 times, preferably within 2 times, and the other branches and merges. .. In the example shown in 504, the white portion is a concave portion and the black portion is a convex portion. That is, in the case of a wave plate (curve type) in which the principal axis direction changes continuously, if the pitch p of the convex portion (pitch when the pattern is a straight line) is p 0 , then 0.5 · p 0 ≦ p ≦ 2 -The convex or concave parts are geometrically arranged so as to branch or merge so as to be within p 0 .
By continuously changing the axial direction in this way, higher efficiency can be realized as compared with the divided one.
Photonic crystal polarization separation prisms are, for example: ・ Free space wavelength λ 0 1.55 μm
・ High refractive index material a-Si
・ Low refractive index material SiO 2
・ Prism period D 10 μm
・ Slow-axis refractive index n s 2.713
・ Fast-axis refractive index n f 2.486
・ Thickness of the entire laminate λ 0 / ( ns − n f ) × φ / (2π)
Assuming that, when the medium is quartz, the separation angle is Φ = 6.1 degrees.

また、図8に示された光スイッチ素子804のように、2枚の曲線型のフォトニック結晶分離プリズム801、803を、互いに曲線の向きが逆になるように配置し、その間にガラス基板でネマティック液晶分子をはさんだ液晶セル802を配置することもできる。ガラス基板には透明電極が形成され、ガラスに垂直に電界が印加されるようになっている。例えば複屈折制御型液晶を用いると、電界が印加される場合は等方的となり、電界が印加されないと配向に応じた複屈折を持たせることができる。 Further, as in the optical switch element 804 shown in FIG. 8, two curved photonic crystal separation prisms 801 and 803 are arranged so that the directions of the curves are opposite to each other, and a glass substrate is placed between them. A liquid crystal cell 802 sandwiching a nematic liquid crystal molecule can also be arranged. A transparent electrode is formed on the glass substrate so that an electric field is applied perpendicularly to the glass. For example, when a birefringence control type liquid crystal is used, it becomes isotropic when an electric field is applied, and birefringence can be provided according to the orientation when an electric field is not applied.

その結果、液晶セル802は、位相差のオン・オフが可能となり、適当な電圧を選ぶと電圧オフの場合は位相差(2n+1)π(n=0、1、2、…)となり、電圧オンの場合は位相差ゼロの可変複屈折板として機能する。位相差がゼロのときは、右回り円偏光が入射すると右回り、左回り円偏光が入射すると左回りのまま出射される。したがって、図8の中点線楕円内に示した光スイッチ素子804のように、位相差ゼロの場合には、上から来た光は上へ、下から来た光は下へ進む。一方で、液晶セルの位相差がπの場合、右回りの円偏光が入射すると左回り円偏光として出射され、左回り円偏光が入射すると右回り円偏光として出射される。その結果、上から来た光は下へ、下から来た光は上へ進む。このように、液晶セル803に印加する電圧のオン、オフで光路を切り替えることができる。 As a result, the liquid crystal cell 802 can turn on / off the phase difference, and when an appropriate voltage is selected, the phase difference (2n + 1) π (n = 0, 1, 2, ...) When the voltage is off, and the voltage is turned on. In the case of, it functions as a variable birefringence plate with zero phase difference. When the phase difference is zero, when clockwise circular polarization is incident, it is emitted clockwise, and when counterclockwise circular polarization is incident, it is emitted counterclockwise. Therefore, as in the optical switch element 804 shown in the middot ellipse of FIG. 8, when the phase difference is zero, the light coming from the top goes up and the light coming from the bottom goes down. On the other hand, when the phase difference of the liquid crystal cell is π, when the clockwise circular polarization is incident, it is emitted as counterclockwise circular polarization, and when the counterclockwise circular polarization is incident, it is emitted as clockwise circular polarization. As a result, the light coming from above goes down and the light coming from below goes up. In this way, the optical path can be switched by turning the voltage applied to the liquid crystal cell 803 on and off.

なお、液晶セル802の基板は、フォトニック結晶の基板と共有しても良いし、独立でも良い。また、液晶セルの機能は位相差を切り替えることであり、液晶の種類、電界の印加方法については適宜公知のものを採用すれば良い。もちろん、入力側と出力側の偏光プリズムのパターンの向きが同じであっても構わない。電圧オン、オフ時の光路が逆になるだけである。また、液晶セルが電圧印加時に位相差(2n+1)π(n=0、1、2、…)でオフ時に位相差無しでも構わない。オン、オフ時の出力方向が変わるだけである。 The substrate of the liquid crystal cell 802 may be shared with the substrate of the photonic crystal, or may be independent. Further, the function of the liquid crystal cell is to switch the phase difference, and the type of liquid crystal and the method of applying an electric field may be appropriately known. Of course, the directions of the patterns of the polarizing prisms on the input side and the output side may be the same. Only the optical path when the voltage is on and off is reversed. Further, when the liquid crystal cell is off with a phase difference (2n + 1) π (n = 0, 1, 2, ...) When a voltage is applied, there may be no phase difference. It only changes the output direction when it is on and off.

[3.2次元形の光スイッチ回路]
光スイッチ回路を2次元形(平面配置形)とし、信号光の隣接線路間の干渉や漏話を低減させるための構成を以下に示す。
[3. Two-dimensional optical switch circuit]
The optical switch circuit is a two-dimensional type (planar arrangement type), and the configuration for reducing interference and crosstalk between adjacent lines of signal light is shown below.

図3は、8入力×8出力の光スイッチ回路を示している。左端の入力ポート面Pには、所定の自由空間波長、所定の偏光(例えば右旋円偏光)をもつ光が入射する。入力ポートPは、偏光分離プリズム列で構成されており、第1~第4ポート308は、出力される光が左旋の円偏光となり、斜め下向きに射出されるように配置され、第5~第8ポート309は、出力される光が右旋の円偏光となり、斜め上向きに射出されるように配置されている。光スイッチ素子列Qにおいて、液晶セル302に電圧が印加され液晶セルが等方的になるか、液晶セル302に印加される電圧がゼロで液晶セルが位相差180°の波長板になるかを選択する。これにより、P列第mポートからの光が、
m=<4 のときは、R列の第mポートまたは第(m+4)ポートに入力され、
m>=5 のときは、R列の第mポートまたは第(m-4)ポートに入力されて、
結合される。図1に示したような隣接線路間のみの結合と基本的に異なり、本発明の光スイッチ回路では、電圧のオン、オフによって選択される行き先が4ポート分離れている。即ちスイッチの跳躍幅は4となる。
FIG. 3 shows an optical switch circuit having 8 inputs and 8 outputs. Light having a predetermined free space wavelength and a predetermined polarization (for example, right-handed circular polarization) is incident on the leftmost input port surface P. The input port P is composed of a row of polarization separation prisms, and the first to fourth ports 308 are arranged so that the output light becomes left-handed circularly polarized light and is emitted diagonally downward, and the fifth to fourth ports 308 are arranged. The 8-port 309 is arranged so that the output light becomes right-handed circularly polarized light and is emitted diagonally upward. In the optical switch element row Q, whether a voltage is applied to the liquid crystal cell 302 to make the liquid crystal cell isotropic, or whether the voltage applied to the liquid crystal cell 302 is zero and the liquid crystal cell becomes a wave plate having a phase difference of 180 °. select. As a result, the light from the mth port in row P is
When m = <4, it is input to the mth port or the (m + 4) th port of the R column.
When m> = 5, it is input to the mth port or the (m-4) port of the R column.
Be combined. Unlike the coupling only between adjacent lines as shown in FIG. 1, in the optical switch circuit of the present invention, the destinations selected by turning the voltage on and off are separated by 4 ports. That is, the jump width of the switch is 4.

図3に示されているように、中間ポート面R以後の光スイッチ素子列Sでは、2だけ離れた線路間のスイッチングが選択される。また、中間ポート面T以後の光スイッチ素子列Uでは隣接ポート間(1つだけ離れた線路間)のスイッチングが行われる。 As shown in FIG. 3, in the optical switch element train S after the intermediate port surface R, switching between lines separated by 2 is selected. Further, in the optical switch element train U after the intermediate port surface T, switching between adjacent ports (between lines separated by one) is performed.

以上の説明で明らかなように、N段の光スイッチ素子では、ポート間の差が最大2N-1であるような経路選択(スイッチング)が可能であり、図1に示したような隣接線路間のみのスイッチと比して、スイッチ数の大幅な削減が可能となり、また挿入損失と漏話を大幅に減少させることが可能となる。 As is clear from the above description, in the N-stage optical switch element, it is possible to select a route (switching) such that the difference between the ports is 2 N-1 at the maximum, and the adjacent line as shown in FIG. Compared to a switch with only a pause, the number of switches can be significantly reduced, and insertion loss and crosstalk can be significantly reduced.

光スイッチ回路の構造や特性の具体的な例を示す。N=3(8×8)スイッチでチャネル間隔を0.5mm、プリズムのパターン周期を5um、伝搬空間を石英ガラス、光波長を1550nm、媒質内屈曲角度を12.3度とし、光スイッチ回路の伝搬後の光ビームの裾の重なりが最少になるよう入力ビームの半径を選ぶと、伝搬距離は18.4mmで、信号間漏話は-87.2dBとなる。損失と漏話を極めて小さくすることができる。 A concrete example of the structure and characteristics of the optical switch circuit is shown. With an N = 3 (8 × 8) switch, the channel spacing is 0.5 mm, the prism pattern period is 5 um, the propagation space is quartz glass, the light wavelength is 1550 nm, and the bending angle in the medium is 12.3 degrees. If the radius of the input beam is selected so that the overlap of the hem of the light beam after propagation is minimized, the propagation distance is 18.4 mm and the inter-signal crosstalk is -87.2 dB. Losses and crosstalk can be extremely small.

[4.3次元形の光スイッチ回路]
本発明に係る光スイッチ素子を用いて、3次元形(空間配線形)の光スイッチ回路を構成する例を示す。
[4.3-dimensional optical switch circuit]
An example of configuring a three-dimensional (spatial wiring type) optical switch circuit using the optical switch element according to the present invention is shown.

図4は、16入力×16出力(各4行4列)の光スイッチ回路を示している。左端の入力ポート面P部分には、所定の自由空間波長、所定の偏光(例えば右旋円偏光)をもつ光が入射する。各ポート面P、R、T、V、Xに配置された偏光分離プリズム列同士の中間に、光スイッチ素子列Q、S、U、Wが設置されている。図4に示した例において、入力ポート面Pに入射した光線は、xz面に平行に進み、第1の光スイッチ素子列Qによりx方向のポート間の経路選択が行われて、x方向に跳躍幅2で次の段の第1の中間ポート面Rと結合される。なお、入力ポート面Pと第1の中間ポート面Rの間にある縦の点列(第1の光スイッチ素子列Q)は、y方向最上層の光スイッチ素子がy方向のより下の層にも同様に設けられることを表している。以下の第2~第4の光スイッチ素子列S、U、Wも同様である。続いて、第1の中間ポート面Rと第2の中間ポート面Tの間の区間では、光線は、yz面に平行に進み、第2の光スイッチ素子列Sによりy方向のポート間の経路選択が行われて、y方向に跳躍幅2で次の段の第2の中間ポート面Tと結合される。以降は同様に、第2の中間ポート面Tと第3の中間ポート面Vの間の区間では、光線はxz面に平行に進み、x方向に隣接するポート間でスイッチングが行われ、第3の中間ポート面Vと出力ポート面Xの間の区間では、光線はyz面に平行に進み、y方向に隣接するポート間でスイッチングが行われる。
光スイッチ回路の構造や特性の具体的な例を示す。図4の16入力×16出力スイッチにおいて、チャネル間隔を0.25mm、プリズムのパターン周期を10um、伝搬空間を石英ガラス、光波長を1550nm、媒質内屈曲角度を6.1度とし、光スイッチ回路の伝搬後の光ビームの裾の重なりが最少になるよう入力ビームの半径を選ぶと、伝搬距離は14.1mmで、信号間漏話は-56.8dBとなる。損失と漏話を極めて小さくすることができる。
FIG. 4 shows an optical switch circuit having 16 inputs and 16 outputs (4 rows and 4 columns each). Light having a predetermined free space wavelength and a predetermined polarization (for example, right-handed circular polarization) is incident on the leftmost input port surface P portion. Optical switch element rows Q, S, U, and W are installed between the polarization separation prism rows arranged on the port surfaces P, R, T, V, and X. In the example shown in FIG. 4, the light beam incident on the input port surface P travels parallel to the xz surface, and the path is selected between the ports in the x direction by the first optical switch element sequence Q, and the light beam is selected in the x direction. With a jump width of 2, it is coupled to the first intermediate port surface R of the next stage. In the vertical dot array (first optical switch element array Q) between the input port surface P and the first intermediate port surface R, the uppermost optical switch element in the y direction is the layer below the y direction. It means that it is also provided in the same manner. The same applies to the following second to fourth optical switch element trains S, U, and W. Subsequently, in the section between the first intermediate port surface R and the second intermediate port surface T, the light beam travels parallel to the yz surface, and the path between the ports in the y direction by the second optical switch element sequence S. The selection is made and coupled with the second intermediate port surface T of the next stage with a jump width of 2 in the y direction. After that, similarly, in the section between the second intermediate port surface T and the third intermediate port surface V, the light beam travels parallel to the xz surface, switching is performed between the ports adjacent to each other in the x direction, and the third intermediate port surface T is used. In the section between the intermediate port surface V and the output port surface X, the light beam travels parallel to the yz surface, and switching is performed between adjacent ports in the y direction.
A concrete example of the structure and characteristics of the optical switch circuit is shown. In the 16-input x 16-output switch shown in FIG. 4, the channel spacing is 0.25 mm, the prism pattern period is 10 um, the propagation space is quartz glass, the light wavelength is 1550 nm, the bending angle in the medium is 6.1 degrees, and the optical switch circuit. If the radius of the input beam is selected so that the overlap of the hem of the optical beam after propagation is minimized, the propagation distance is 14.1 mm and the inter-signal crosstalk is -56.8 dB. Losses and crosstalk can be extremely small.

なお、図4に示した実施例では入力ポート、出力ポートの数がそれぞれ4×4=16である。同じ考え方で入出力ポートの数をそれぞれ8×8=64に大型化することができる。そのペナルティ、即ち必要な段数の増加はわずか2に過ぎない。 In the embodiment shown in FIG. 4, the number of input ports and output ports is 4 × 4 = 16, respectively. With the same idea, the number of input / output ports can be increased to 8 × 8 = 64, respectively. The penalty, that is, the increase in the number of steps required, is only two.

[5.多重ブロック方式]
入力面にある信号ポートと出力面にある信号ポートとを自由度高く可変接続するための一実施形態として、多重ブロック方式がある。多重ブロック方式では、同じサイズのブロック間で自由な互換性をもたせることができる。発明の効果を分かりやすくするため、図4の構造の原理はそのまま、サイズを4×4から8×8に大型化して説明する。図9は、入力面と出力面の両方とも8×8のポートをもつスイッチ回路の入出力面である。入力面を4つの4×4ブロックに分ける。さらに個々の4×4ブロックを4つの2×2ブロックに分けるなど階層化ができる。もとに戻り、図10に示すように4つに分かれた4×4ブロックを自由に並べ替えるには以下の構成によればよい。
[5. Multiple block method]
There is a multiple block system as an embodiment for variably connecting a signal port on the input surface and a signal port on the output surface with a high degree of freedom. In the multiple block method, it is possible to have free compatibility between blocks of the same size. In order to make the effect of the invention easy to understand, the structural principle of FIG. 4 will be maintained as it is, and the size will be increased from 4 × 4 to 8 × 8. FIG. 9 is an input / output surface of a switch circuit having 8 × 8 ports on both the input surface and the output surface. Divide the input surface into four 4x4 blocks. Furthermore, individual 4x4 blocks can be hierarchized by dividing them into four 2x2 blocks. To return to the original state and freely rearrange the 4 × 4 blocks divided into four as shown in FIG. 10, the following configuration may be used.

図11は、図4の回路のPR部を4×4から8×8に大型化したもの(区間A)、RT部の同様なもの(区間B)、再度PR部を4×4から8×8にしたもの(区間C)の3区間分を示している。3次元空間を水平にあるいは垂直に移動する光線を表示するため,図11の区間Aでは水平移動を表し、この区間ではp軸はx軸を表す。区間Cも同じである。区間Bでは光線の垂直面の移動を表し、ここではp軸はy軸を表す。言い換えると、入力ポート面と第1の中間ポート面の間の区間Aでは、光線のyの値は一定でxの値のみ変化する。区間Cも同様である。区間Bでは光線のxの値は一定でyの値のみ変化する。即ち、区間Aと区間Cでは、図10の(1+3)と(2+4)が、区間Bでは図10の(1+2)と(2+4)が、内部構成はそのままで入れ替わりうる。図11の3区間構成において、図10に示す。区間Aの入力面におけるサイズ4×4のブロック1、2、3、4は、区間Cの出力面において内部構成はそのままで任意の入れ替えをすることができる。 In FIG. 11, the PR section of the circuit of FIG. 4 is enlarged from 4 × 4 to 8 × 8 (section A), the RT section is similar (section B), and the PR section is again changed from 4 × 4 to 8 ×. It shows three sections of the one set to 8 (section C). In order to display a light ray moving horizontally or vertically in a three-dimensional space, the section A in FIG. 11 represents the horizontal movement, and the p-axis represents the x-axis in this section. The same applies to section C. The section B represents the movement of the vertical plane of the light beam, and here the p-axis represents the y-axis. In other words, in the section A between the input port surface and the first intermediate port surface, the y value of the light ray is constant and only the value of x changes. The same applies to section C. In the section B, the value of x of the light ray is constant and only the value of y changes. That is, in section A and section C, (1 + 3) and (2 + 4) in FIG. 10 can be replaced, and in section B, (1 + 2) and (2 + 4) in FIG. 10 can be replaced without changing the internal configuration. In the three-section configuration of FIG. 11, it is shown in FIG. The blocks 1, 2, 3, and 4 having a size of 4 × 4 on the input surface of the section A can be arbitrarily replaced on the output surface of the section C without changing the internal configuration.

おなじ考え方によって、サイズ4×4のブロックの内部にあるサイズ2×2のサブのブロックも三つの区間で任意の入れ替えを行うことができる。サイズ2×2のサブブロックに関しては上と同じ操作も可能である。あるいは、サイズ2×2のサブブロックには、2本の光ファイバからのそれぞれ二つずつの偏光自由度の信号合わせて4信号を配置するならば、入れ替えはファイバ間の入れ替えに相当して1区間のみで十分である。 According to the same idea, the sub-block of size 2 × 2 inside the block of size 4 × 4 can also be arbitrarily replaced in three sections. The same operation as above is possible for sub-blocks of size 2x2. Alternatively, if four signals are arranged in the size 2 × 2 subblock, two signals each having two degrees of freedom of polarization from the two optical fibers, the replacement corresponds to the replacement between the fibers. Only the section is sufficient.

以上を要約すると、入力面、出力面でそれぞれ2×2個の信号ポートがあり、それを4つずつの階層に分けて同位のブロック間では自由な置き換えを実現するのに3(N-1)+1個のスイッチ面で足りることになり、Nが大きいほど利点が顕著である。 To summarize the above, there are 2 N x 2 N signal ports on the input side and output side, respectively, and it is possible to divide them into 4 layers and realize free replacement between blocks of the same size (N). -1) + 1 switch surface is sufficient, and the larger N is, the more remarkable the advantage is.

[6.可変光減衰器]
続いて、光スイッチ素子の原理を応用した可変光減衰器について説明する。
図12に可変光減衰器の一例を示している。可変光減衰器は、3次元空間xyzにおいて、z軸方向に、第1の偏光分離プリズム対1201・1202と、第2の偏光分離プリズム対1204・1205と、これらの第1及び第2の偏光分離プリズム対の間に介在する液晶セル1203とを備える。第1及び第2の偏光分離プリズム対1201・1202、1204・1205は、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムがz軸方向に重なって対をなしたものである。第1の偏光分離プリズム対1204・1205は、z軸に沿って進む、左回り及び右回りの円偏光が混合された偏光状態の一本の光を、左回り及び右回りの円偏光の2本の平行光に分離する。液晶セル1203は、電圧駆動により、2本の平行光のそれぞれを主軸方向を一定に保ちつつ位相差θの複屈折状態に変換する。第2の偏光プリズム対1204・1205は、液晶セル1203を通過した入射ビームを、電力比(sinθ)あるいは(cosθ)をもつ入射ビームと同じ偏光状態の光と、残余の電力をもつ不要波たる2本の平行ビームとに分離する。
[6. Variable optical attenuator]
Next, a variable optical attenuator that applies the principle of the optical switch element will be described.
FIG. 12 shows an example of a variable optical attenuator. The variable optical attenuator has a first polarization separation prism pair 1201 and 1202, a second polarization separation prism pair 1204.1205, and their first and second polarizations in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz. It includes a liquid crystal cell 1203 interposed between the separation prism pairs. The first and second polarization separation prism pairs 1201, 1202, 1204, and 1205 are paired with photonic crystal polarization separation prisms overlapping in the z-axis direction, respectively. The first polarization separation prism pair 1204.1205 travels along the z-axis and transmits a single light in a polarized state in which counterclockwise and clockwise circular polarizations are mixed, and counterclockwise and clockwise circularly polarized light 2 Separate into parallel light of the book. The liquid crystal cell 1203 converts each of the two parallel lights into a birefringent state with a phase difference θ while keeping the principal axis direction constant by voltage driving. The second polarizing prism pair 1204-1205 uses light having the same polarization state as the incident beam having a power ratio (sinθ) 2 or (cosθ) 2 of the incident beam passing through the liquid crystal cell 1203, and unnecessary power having residual power. Separate into two undulating parallel beams.

液晶セル1203に印加する電圧を連続的に変化させると、与える位相差も連続的に変化させることができる。フォトニック結晶偏光分離プリズム1201、1202、1204、1205はすべて同じ方向である。第1の偏光分離プリズム対1201・1202に入射する混合偏波光は、任意の右回り円偏光と左回り円偏光の割合を変えて合成させたものということができる。したがって、どのような偏光が入射しても、第1の偏光分離プリズム対1201・1202では、1枚目のプリズム1201で右回りと左回りの円偏光に分離され、2枚目のプリズム1202で向きを平行に修正し、液晶セル1203に入射される。液晶セル1203では、与えられる位相差によって偏光状態が変化する。例えば右回り円偏光が入射された場合、位相差が大きくなるに従い楕円偏光になり、位相差がπ/2の際に直線偏光となる。さらに位相差が大きくなり位相差がπとなると、左回りの円偏光となる。このように液晶セル1203では印加された電圧にしたがって偏光状態が変化し出射される。したがって、3枚目の偏光プリズム1204では入射した光の偏光状態によってさらに上下に分離される。この分離比は液晶セルで与えられる位相差に依存する。そして、必要な光は4枚目の偏光プリズム1205で合成され、出力ポート1206から出力される。不要な光は、偏光分離プリズム1204で上下に分離された後、偏光プリズム1205で平行光に戻され、出力ポート1206以外から出射される。これらの不要光は、は例えば黒い物体に吸収させればよい。 By continuously changing the voltage applied to the liquid crystal cell 1203, the given phase difference can also be continuously changed. The photonic crystal polarization separation prisms 1201, 1202, 1204 and 1205 are all in the same direction. It can be said that the mixed polarized light incident on the first polarization separation prism pair 1201 and 1202 is synthesized by changing the ratio of arbitrary clockwise circular polarization and counterclockwise circular polarization. Therefore, no matter what kind of polarization is incident, the first polarization separation prism pairs 1201 and 1202 are separated into clockwise and counterclockwise circular polarization by the first prism 1201 and are separated by the second prism 1202. The orientation is corrected to be parallel, and the light is incident on the liquid crystal cell 1203. In the liquid crystal cell 1203, the polarization state changes depending on the given phase difference. For example, when clockwise circular polarization is incident, it becomes elliptically polarized as the phase difference increases, and becomes linearly polarized when the phase difference is π / 2. When the phase difference becomes larger and the phase difference becomes π, counterclockwise circular polarization occurs. In this way, in the liquid crystal cell 1203, the polarization state changes according to the applied voltage and is emitted. Therefore, the third polarizing prism 1204 is further separated into upper and lower parts depending on the polarization state of the incident light. This separation ratio depends on the phase difference given by the liquid crystal cell. Then, the required light is combined by the fourth polarizing prism 1205 and output from the output port 1206. Unnecessary light is separated vertically by the polarization separation prism 1204, then returned to parallel light by the polarization prism 1205, and emitted from other than the output port 1206. These unnecessary lights may be absorbed by, for example, a black object.

このように出力される光量は液晶セルで与えられる位相差によって制御することができる。したがって、図12の構成は、液晶セルに印加する電圧によって透過光量を制御できる可変減衰器として機能する。なお、出射する光の偏光状態は入射光と同じ偏光状態となる。本可変減衰器は、各素子間の位置合わせは不要であり、工業性に優れた特徴を持つ。 The amount of light output in this way can be controlled by the phase difference given by the liquid crystal cell. Therefore, the configuration of FIG. 12 functions as a variable attenuator capable of controlling the amount of transmitted light by the voltage applied to the liquid crystal cell. The polarization state of the emitted light is the same as that of the incident light. This variable attenuator does not require alignment between each element and has excellent industrial characteristics.

多数の入出力ポートをもつ光スイッチでは、挿入損失や漏話で優れた特性を持つものは実現困難であったが、フォトニック結晶プリズムと液晶セルのシンプルな複合構造により、大きな入出力ポート数を実現でき光通信システムにおいて有効である。 It was difficult to realize an optical switch with a large number of I / O ports that had excellent characteristics due to insertion loss and leakage, but the simple composite structure of the photonic crystal prism and liquid crystal cell made it possible to increase the number of I / O ports. It can be realized and is effective in optical communication systems.

Claims (7)

3次元空間xyzにおいて、z軸方向にN段のスイッチサブ回路を備え、各段のスイッチサブ回路内において光スイッチ素子がx軸方向に複数個並んだ、光ビーム形多段スイッチ回路であって、
前記光スイッチ素子は、
3次元空間xyzにおいて、z軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がxz面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
z軸方向に、第1の偏光分離プリズムと、第2の偏光分離プリズムと、前記第1および第2の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
前記第1および第2の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差180度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
前記光ビーム形多段スイッチ回路において、
光ビーム全体の平均的進行方向はz軸方向であり、
光ビームはxz平面で2次元網をつくり、
入力面における所定偏光の2個の入力ポート列と出力面における所定偏光の2個の出力ポート列は、x軸方向に並び、
前記光スイッチ素子のれぞれは、そこに入射する光ビームを次段のx軸方向の位置が異なる他の二つの光スイッチ素子のいずれか一方に導くように、光ビームの射出方向を選択するものであり、
スイッチ回路の第M段(M<N)では、その中にx方向に並ぶポートのうち第m番目が次の(M+1)段の第m番目ポートに結合するか、またはmから2(N-M)だけ跳躍したポートと結合するかであり、
各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備え、
入射面上における2個のポートに入射した光信号列を、出射面上における2個のポートから出射する、入力と異なる光信号列に変換することができる
光ビーム形多段スイッチ回路。
An optical beam type multi-stage switch circuit having N stages of switch subcircuits in the z-axis direction in a three-dimensional space xyz, and a plurality of optical switch elements arranged in the x-axis direction in the switch subcircuits of each stage.
The optical switch element is
An optical switch element in which incident light, which is a right-handed or left-handed circularly polarized light having a traveling direction tilted by a predetermined angle θ with respect to the z-axis in a three-dimensional space xyz, propagates in the xz plane.
In the z-axis direction, a first polarization separation prism, a second polarization separation prism, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization separation prisms are provided.
The first and second polarization separation prisms are photonic crystal polarization separation prisms, respectively.
The liquid crystal cell can transition from at least an isotropic state with respect to the incident light and a birefringent state having a phase difference of 180 degrees by voltage driving.
Due to the transition of the liquid crystal cell, the incident light is emitted as circularly polarized light having the same traveling direction and one of the same or opposite rotation directions, or the traveling direction tilted by an angle −θ with respect to the z-axis. And can be selected to be emitted as circularly polarized light in the same or opposite rotation direction.
In the light beam type multi-stage switch circuit
The average traveling direction of the entire light beam is the z-axis direction.
The light beam creates a two-dimensional network in the xz plane,
The 2N input port trains with predetermined polarization on the input surface and the 2N output port rows with predetermined polarization on the output surface are arranged in the x - axis direction.
Each of the optical switch elements sets the emission direction of the light beam so as to guide the light beam incident therein to one of the other two optical switch elements having different positions in the x-axis direction of the next stage. It ’s a choice,
In the Mth stage (M <N) of the switch circuit, the mth of the ports arranged in the x direction is connected to the mth port of the next (M + 1) stage, or m to 2 (N-) . Whether to combine with the port that jumped only M) ,
The port surface or intermediate port surface that forms the boundary between each stage and the regions before and after it is provided with a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that regulates polarization and bends light in a desired direction.
An optical beam type multi-stage switch circuit capable of converting an optical signal train incident on 2 N ports on an incident surface into an optical signal train emitted from 2 N ports on an exit surface, which is different from the input.
請求項1に記載の光ビーム形多段スイッチ回路において、第1段、第2段、・・、第N段の順序が任意に置換された
光ビーム形多段スイッチ回路。
In the optical beam type multi-stage switch circuit according to claim 1, the optical beam type multi-stage switch circuit in which the order of the first stage, the second stage, ..., And the Nth stage is arbitrarily replaced.
3次元空間xyzにおいて、光ビーム全体の平均的進行方向はz方向であり、光ビームはxz平面で2次元網をつくり、光スイッチ素子がx方向に複数個配置されて一つの段をなし、前記の段がz方向に複数個配置されてスイッチ回路を形成する、光ビーム形多段スイッチ回路であって、
前記光スイッチ素子は、
3次元空間xyzにおいて、z軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がxz面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
z軸方向に、第1の偏光分離プリズムと、第2の偏光分離プリズムと、前記第1および第2の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
前記第1および第2の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差180度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
前記ビーム形多段スイッチ回路において、
第A段における第m番のスイッチ素子の結合先は、次段である第(A+1)段の第p番または第q番目(q>p)のスイッチ素子のいずれかであり、跳躍の幅q-pの値は一つの段Aに関してはmによらず一様で、段Aと異なる段にはそれと異なる跳躍の幅を付与でき、
各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える
光ビーム形多段スイッチ回路。
In the three-dimensional space xyz, the average traveling direction of the entire light beam is the z direction, the light beam forms a two-dimensional network on the xz plane, and a plurality of optical switch elements are arranged in the x direction to form one stage. A light beam type multi-stage switch circuit in which a plurality of the above stages are arranged in the z direction to form a switch circuit.
The optical switch element is
An optical switch element in which incident light, which is a clockwise or counterclockwise circularly polarized light having a traveling direction tilted by a predetermined angle θ with respect to the z-axis in a three-dimensional space xyz, propagates in the xz plane.
In the z-axis direction, a first polarization separation prism, a second polarization separation prism, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization separation prisms are provided.
The first and second polarization separation prisms are photonic crystal polarization separation prisms, respectively.
The liquid crystal cell can transition from at least an isotropic state with respect to the incident light and a birefringent state having a phase difference of 180 degrees by voltage driving.
Due to the transition of the liquid crystal cell, the incident light is emitted as circularly polarized light having the same traveling direction and one of the same or opposite rotation directions, or the traveling direction tilted by an angle −θ with respect to the z-axis. And can be selected to be emitted as circularly polarized light in the same or opposite rotation direction.
In the light beam type multi-stage switch circuit
The coupling destination of the mth switch element in the Ath stage is either the pth or the qth (q> p) switch element of the next (A + 1) stage, and the jump width q. The value of -p is uniform for one stage A regardless of m, and a different jump width can be given to a stage different from the stage A.
The port surface or intermediate port surface that forms the boundary between each stage and the regions before and after it is an optical beam type multi-stage switch equipped with a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that regulates polarization and bends light in a desired direction. circuit.
3次元空間xyzにおいて、z軸方向に2N段のスイッチサブ回路を備え、各段のスイッチサブ回路内において光スイッチ素子がxy平面に平行に並んでx方向に2行、y方向に2列をなす光ビーム形3次元多段スイッチ回路であって、
前記光スイッチ素子は、
3次元空間xyzにおいて、z軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がxz面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
z軸方向に、第1の偏光分離プリズムと、第2の偏光分離プリズムと、前記第1および第2の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
前記第1および第2の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差180度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
前記光ビーム形3次元多段スイッチ回路において、
光ビームはxyz空間で3次元網をつくり、
光ビーム全体の平均的進行方向はz方向であり、
入力面における所定偏光の入力ポート群と出力面における所定偏光の出力ポート群は、xy平面内に並び、それぞれの前記光スイッチ素子に入射する光ビームを、次の中間ポート面上のx軸方向の位置が異なる他の二つの中間ポートのいずれか一方に導くか、または、次の中間ポート面上の値の異なる他の二つのポートのいずれか一方に導くかを選択可能であって、
Mを1、2、..、N-1の任意の一つとした場合に、
第(2M-1)番の中間ポート面上では、光ビームの第m行を第2M番の中間ポート面上の第m行に結ぶか、または第m+2(N-M)行に結ぶかを選択可能であり、
第2M番の中間ポート面上では、光ビームの第n列を第(2M+1)番の中間ポート面上の第n列に結ぶか、または第n+2(N-M)列に結ぶかを選択可能であり、
全2N段の効果として、入射面上における2×2個のポートに入射した光信号を列を、出射面上における2×2個の所定偏光のポートの別の光信号列に変換することができる
光ビーム形多段スイッチ回路。
In the three-dimensional space xyz, a 2N stage switch sub circuit is provided in the z axis direction, and optical switch elements are arranged parallel to the xy plane in the switch sub circuit of each stage, 2 N rows in the x direction, and 2 N in the y direction. A row of light beam type three-dimensional multi-stage switch circuits
The optical switch element is
An optical switch element in which incident light, which is a right-handed or left-handed circularly polarized light having a traveling direction tilted by a predetermined angle θ with respect to the z-axis in a three-dimensional space xyz, propagates in the xz plane.
In the z-axis direction, a first polarization separation prism, a second polarization separation prism, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization separation prisms are provided.
The first and second polarization separation prisms are photonic crystal polarization separation prisms, respectively.
The liquid crystal cell can transition from at least an isotropic state with respect to the incident light and a birefringent state having a phase difference of 180 degrees by voltage driving.
Due to the transition of the liquid crystal cell, the incident light is emitted as circularly polarized light having the same traveling direction and one of the same or opposite rotation directions, or the traveling direction tilted by an angle −θ with respect to the z-axis. And can be selected to be emitted as circularly polarized light in the same or opposite rotation direction.
In the light beam type three-dimensional multi-stage switch circuit,
The light beam creates a three-dimensional network in xyz space,
The average traveling direction of the entire light beam is the z direction.
The input port group of predetermined polarization on the input surface and the output port group of predetermined polarization on the output surface are arranged in the xy plane, and the light beam incident on each of the optical switch elements is directed in the x-axis direction on the next intermediate port surface. You can choose to lead to one of the other two intermediate ports with different positions, or to one of the other two intermediate ports with different values on the next intermediate port plane.
M is 1, 2, ... .. , N-1 any one
On the intermediate port surface of No. (2M-1), whether to connect the mth row of the light beam to the mth row on the intermediate port surface of No. 2M or to the m + 2 (NM) row. Selectable and
On the 2M intermediate port surface, it is possible to select whether to connect the nth row of the light beam to the nth row on the (2M + 1) intermediate port surface or to the n + 2 (NM) row. And
As an effect of all 2N stages, the optical signal incident on the 2N × 2N ports on the incident surface is transferred to another optical signal sequence of the 2N × 2N ports of predetermined polarization on the emitting surface. Optical beam type multi-stage switch circuit that can be converted.
請求項4に記載の光ビーム形多段スイッチ回路において第1段、第2段、・・、第2N段の順序が任意に置換された
光ビーム形多段スイッチ回路。
The optical beam type multistage switch circuit according to claim 4, wherein the order of the first stage, the second stage, ..., And the second N stage is arbitrarily replaced.
3次元空間xyzにおいて、光ビーム全体の平均的進行方向はz方向であり、光ビームはxyz平面で3次元網をつくり、光スイッチ素子がx方向に複数行、y方向に複数列配置されて一つの面をなす、光ビーム形多段スイッチ回路であって、
前記光スイッチ素子は、
3次元空間xyzにおいて、z軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がxz面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
z軸方向に、第1の偏光分離プリズムと、第2の偏光分離プリズムと、前記第1および第2の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
前記第1および第2の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差180度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、z軸に対し角-θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
前記光ビーム形多段スイッチ回路において、
前記の面は、面上の信号点はそれに続く面のy値が等しくx値が跳躍幅Cxだけ異なる2点と結合可能であるようなx形スイッチ面であるか、または
前記の面は、面上の信号点はそれに続く面のx値が等しくy値が跳躍幅Cyだけ異なる2点と結合可能であるようなy形スイッチ面であって、
複数のx形スイッチ面ごとの跳躍幅Cxは一定でなく、かつ、複数のy形スイッチ面ごとの跳躍幅Cyも一定でないようにx形スイッチ面とy形スイッチ面から構成され、
各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える
光ビーム形多段スイッチ回路。
In the three-dimensional space xyz, the average traveling direction of the entire light beam is in the z direction, the light beam forms a three-dimensional network in the xyz plane, and the optical switch elements are arranged in multiple rows in the x direction and in multiple columns in the y direction. It is a light beam type multi-stage switch circuit that forms one surface.
The optical switch element is
An optical switch element in which incident light, which is a right-handed or left-handed circularly polarized light having a traveling direction tilted by a predetermined angle θ with respect to the z-axis in a three-dimensional space xyz, propagates in the xz plane.
In the z-axis direction, a first polarization separation prism, a second polarization separation prism, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization separation prisms are provided.
The first and second polarization separation prisms are photonic crystal polarization separation prisms, respectively.
The liquid crystal cell can transition from at least an isotropic state with respect to the incident light and a birefringent state having a phase difference of 180 degrees by voltage driving.
Due to the transition of the liquid crystal cell, the incident light is emitted as circularly polarized light having the same traveling direction and one of the same or opposite rotation directions, or the traveling direction tilted by an angle −θ with respect to the z-axis. And can be selected to be emitted as circularly polarized light in the same or opposite rotation direction.
In the light beam type multi-stage switch circuit
The surface is an x-shaped switch surface such that the signal points on the surface can be combined with two points that have the same y-value and x-values of the subsequent surfaces that differ by the jump width Cx, or the surface is The signal point on the surface is a y-shaped switch surface that can be combined with two points where the x value of the subsequent surface is the same and the y value is different by the jump width Cy.
It is composed of an x-type switch surface and a y-type switch surface so that the jump width Cx for each of the plurality of x-type switch surfaces is not constant and the jump width Cy for each of the plurality of y-type switch surfaces is also not constant.
The port surface or intermediate port surface that forms the boundary between each stage and the regions before and after it is an optical beam type multi-stage switch equipped with a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that regulates polarization and bends light in a desired direction. circuit.
3次元空間xyzにおいて、z軸方向に、第1の偏光分離プリズム対と、第2の偏光分離プリズム対と、前記第1及び第2の偏光分離プリズム対の間に介在する液晶セルとを備え、
前記第1及び第2の偏光分離プリズム対は、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムがz軸方向に重なって対をなしたものであり、
前記第1の偏光分離プリズム対は、z軸に沿って進む、左回り及び右回りの円偏光が混合された偏光状態の一本の光を、左回り及び右回りの円偏光の2本の平行光に分離し、
前記液晶セルは、電圧駆動により、前記2本の平行光のそれぞれを主軸方向を一定に保ちつつ位相差θの複屈折状態に変換し、
前記第2の偏光分離プリズム対は、前記液晶セルを通過した入射ビームを、電力比(sinθ)あるいは(cosθ)をもつ、入射ビームと同じ偏光状態の光と、残余の電力をもつ不要波たる2本の平行ビームとに分離する
可変光減衰器。
In the three-dimensional space xyz, a first polarization separation prism pair, a second polarization separation prism pair, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization separation prism pairs are provided in the z-axis direction. ,
The first and second polarization separation prism pairs are pairs of photonic crystal polarization separation prisms overlapping in the z-axis direction.
The first polarization separation prism pair is a single light in a polarized state in which left-handed and right-handed circularly polarized light travels along the z-axis, and two left-handed and right-handed circularly polarized light. Separated into parallel light,
The liquid crystal cell is driven by a voltage to convert each of the two parallel lights into a birefringent state with a phase difference θ while keeping the principal axis direction constant.
In the second polarization separation prism pair, the incident beam that has passed through the liquid crystal cell has a power ratio (sinθ) 2 or (cosθ) 2 , and is in the same polarization state as the incident beam. A variable optical attenuator that separates into two parallel beams that undulate.
JP2017208837A 2017-10-30 2017-10-30 Optical matrix switch Active JP7101954B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017208837A JP7101954B2 (en) 2017-10-30 2017-10-30 Optical matrix switch

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017208837A JP7101954B2 (en) 2017-10-30 2017-10-30 Optical matrix switch

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019082518A JP2019082518A (en) 2019-05-30
JP7101954B2 true JP7101954B2 (en) 2022-07-19

Family

ID=66671136

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017208837A Active JP7101954B2 (en) 2017-10-30 2017-10-30 Optical matrix switch

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7101954B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113671770B (en) * 2020-05-15 2024-04-09 华为技术有限公司 Optical selector switch and node device
WO2022025009A1 (en) * 2020-07-27 2022-02-03 日本碍子株式会社 Photonic crystal device
CN118103744A (en) * 2021-10-15 2024-05-28 富士胶片株式会社 Optical coupling system and optical communication device

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007240744A (en) 2006-03-07 2007-09-20 Tecdia Kk Optical switch and optical add/drop multiplexer
US20120188467A1 (en) 2009-07-31 2012-07-26 Boulder Nonlinear Systems, Inc. Beam steering devices including stacked liquid crystal polarization gratings and related methods of operation
JP5196971B2 (en) 2007-11-27 2013-05-15 三菱電機株式会社 Target tracking device
JP2015505995A (en) 2012-01-30 2015-02-26 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. Method and apparatus for selectively switching wavelengths
JP6003606B2 (en) 2012-12-12 2016-10-05 株式会社豊田中央研究所 Chemical heat storage reactor, chemical heat storage system
WO2016175071A1 (en) 2015-04-27 2016-11-03 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Light beam deflecting element, wavelength-selective cross-connect device using same, and optical cross-connect device
WO2017119362A1 (en) 2016-01-07 2017-07-13 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Circularly-polarized-light input/output device
JP2017520787A (en) 2014-05-27 2017-07-27 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. Variable optical attenuator
WO2017150568A1 (en) 2016-03-02 2017-09-08 有限会社オートクローニング・テクノロジー Optical element

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03204621A (en) * 1990-01-08 1991-09-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical matrix switch
JP3235741B2 (en) * 1991-07-17 2001-12-04 富士通株式会社 Spatial light switch device
JPH063606A (en) * 1992-06-24 1994-01-14 Fujitsu Ltd Spatial light switch device
JP3273583B2 (en) * 1993-07-28 2002-04-08 日本電信電話株式会社 Liquid crystal microprism array and spatial light beam connector and optical switch using the same
JP3325825B2 (en) * 1997-03-29 2002-09-17 彰二郎 川上 Three-dimensional periodic structure, method for producing the same, and method for producing film

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007240744A (en) 2006-03-07 2007-09-20 Tecdia Kk Optical switch and optical add/drop multiplexer
JP5196971B2 (en) 2007-11-27 2013-05-15 三菱電機株式会社 Target tracking device
US20120188467A1 (en) 2009-07-31 2012-07-26 Boulder Nonlinear Systems, Inc. Beam steering devices including stacked liquid crystal polarization gratings and related methods of operation
JP2015505995A (en) 2012-01-30 2015-02-26 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. Method and apparatus for selectively switching wavelengths
JP6003606B2 (en) 2012-12-12 2016-10-05 株式会社豊田中央研究所 Chemical heat storage reactor, chemical heat storage system
JP2017520787A (en) 2014-05-27 2017-07-27 華為技術有限公司Huawei Technologies Co.,Ltd. Variable optical attenuator
WO2016175071A1 (en) 2015-04-27 2016-11-03 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Light beam deflecting element, wavelength-selective cross-connect device using same, and optical cross-connect device
WO2017119362A1 (en) 2016-01-07 2017-07-13 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Circularly-polarized-light input/output device
WO2017150568A1 (en) 2016-03-02 2017-09-08 有限会社オートクローニング・テクノロジー Optical element

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019082518A (en) 2019-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2018264080B2 (en) Multiple depth plane three-dimensional display using a wave guide reflector array projector
CN104597572B (en) A kind of wavelength-selective switches based on liquid crystal on silicon
JP7101954B2 (en) Optical matrix switch
US8797638B2 (en) Wavelength selective optical switch device and method of controlling characteristics thereof
KR101594547B1 (en) Switchable single-multiview mode display device
US6823097B2 (en) Optical switching apparatus with divergence correction
EP1967900A1 (en) High extinction ratio liquid crystal optical switch
TW201232035A (en) Holografisches display
KR20100016569A (en) Beam-shaping device
KR20150131383A (en) Wavelength Selective Switch Employing a LCoS Device and Having Reduced Crosstalk
JP4023584B2 (en) Light switch
CN105739026B (en) High port number wavelength selective switch
JP2006126721A (en) Liquid crystal optical element array and liquid crystal device
JP5823970B2 (en) Beam manipulation device
KR102715143B1 (en) 3-dimensional optical switch
EP4020456A1 (en) Voltage control method for liquid crystal on silicon two-dimensional array, and related devices
US7027670B2 (en) Cascaded deflectors for multi-channel optical switches, and optical switching modules and methods having cascaded deflectors
CN110869836A (en) High-speed optical switch engine
JP5642132B2 (en) Waveguide type optical interferometer circuit
JP2020144165A (en) Foldable integrated optical circuit
CN101510015A (en) Laminated electro-optic space phase modulator
JP3224585B2 (en) Light switch
US6947627B2 (en) Compact optical switches
JPH05249507A (en) Optical switch and optical path switching method
JPH0750284B2 (en) Optical path switch

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201008

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20201116

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210820

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210831

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20211029

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211110

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220308

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220314

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220607

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220629

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7101954

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150