JPH0743656A

JPH0743656A - 空間光ビーム接続器

Info

Publication number: JPH0743656A
Application number: JP19113493A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Hirabayashi; 克彦平林; Yasushi Yamazaki; 裕史山崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-08-02
Filing date: 1993-08-02
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】任意の素子間の配線が可能であり、光ビーム
と素子との位置合せを高精度になし得るとともに、ビー
ムスポットサイズを調節可能な空間光ビーム接続器を提
供する。【構成】一の面上に透明電極１３及び配向膜１５を形
成した第１の透明基板１１と、一の面上に光ビームの通
過位置を除いた電極１４及び配向膜１６を形成した第２
の透明基板１２を、その一の面同士が略平行に対向する
如く配置し、該一の面同士間に形成される空間内に液晶
２１を充填し、前記電極１３，１４間に電源２２，２３
から駆動電圧を供給することにより、入力光ビーム群２
４に対する通過領域の液晶の屈折率を徐々に変化させ、
これによって出力光ビーム群２５の方向を偏向させると
ともに集光又は拡散させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光交換機の光スイッチ
間や情報処理装置のボード間等で用いられる空間光ビー
ム接続器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像情報通信や大容量データ通信等の高
速・広帯域な通信サービスを実現するためには、伝送路
を光ファイバ化するだけでなく、交換機として通信情報
を光のままで交換する光交換機を適用することが効果的
である。光交換機における光通話路として大規模な光ス
イッチ網を構成する場合、従来の電気信号をスイッチす
るクロスバスイッチの場合と同様に、小規模の光スイッ
チを多数組み合わせた構成を採るのが一般的である。

【０００３】図２は小規模な光スイッチ、例えば入線数
及び出線数が２乃至４程度の小規模な光スイッチを複数
個用いた従来の並列光スイッチを示すものである。図
中、１は入線群、２は２×３光マトリクススイッチ群、
３，５は光ファイバ配線群、４は４×４光マトリクスス
イッチ群、６は３×２光マトリクススイッチ群、７は出
線群である。入線群１から２×３光マトリクススイッチ
群２、４×４光マトリクススイッチ群４、３×２光マト
リクススイッチ群６の順に多段に配置し、２×３光マト
リクススイッチ群２と４×４光マトリクススイッチ群４
とを光ファイバ配線群３により接続し、４×４光マトリ
クススイッチ群４と３×２光マトリクススイッチ群６と
を光ファイバ配線群５により接続することによって、非
閉塞な８×８並列光スイッチを構成している（Clos型ス
イッチ）。

【０００４】しかしながら、小規模な光スイッチを前述
した如く組み合わせて大規模な光スイッチ網を構成した
場合、光スイッチ自体の寸法は小さくても各段の光スイ
ッチ間を結ぶ光ファイバ配線群３，５の配線量が膨大と
なり、さらに互いに入り組んでいるため、光スイッチ網
全体の寸法が大きくなるという問題があった。

【０００５】前述した光ファイバや光導波路を用いた光
接続における問題を解決するため、自由空間内に光ビー
ムを飛ばすことによって接続する自由空間光接続（Free
Space Optical Interconection ）が提案されている。
この自由空間光接続の利点は、(1) 電気に比べて高速な
信号を送ることができ、(2) 光ファイバや光導波路を用
いた場合に比べて結線に要する体積を小さくできる等で
ある。

【０００６】自由空間光接続を用いた例としては、光デ
ィテクタアレイとＭＱＷ型の光変調器アレイと電気的ロ
ジックアレイとを備えた２次元面型半導体光スイッチア
レイ（例えば、IEEE J. QE, Vol.29, 1993, A.L.Lentin
e and D.A.B.Miller, Evolution of the SEED Technolo
gy : Bistable Logic Gates to Optoelectronics Smart
Pixels, pp.655-669 ［文献１］、又は特願平４−２８
３２６７号［文献２］参照）や、光ディテクタアレイと
面発光レーザアレイとを一体化した面型光スイッチ（例
えば、Jpn. J. Appl. Phys., Vol.26, 1987, Y.Tashir
o, K.Kasahara,H.Hamao, M.Sugimoto and T.Yanase, Hi
gh speed response in optoelectronicsgated thyristo
r, p.L1014 ［文献３］参照）があり、多段に配置した
面型半導体光スイッチの間を複数の光ビームにより自由
空間光接続している。

【０００７】なお、以下、本発明では、２次元光スイッ
チアレイ、２次元光源アレイ、２次元光ディテクタアレ
イ、２次元光ファイバアレイ等を総称して２次元光素子
アレイというものとする。

【０００８】前記自由空間光接続で重要となるのは、複
数の光ビームの空間配列を、例えば図２に示したように
入れ替えて配線し、２次元光素子アレイ同士を正確に光
ビームで接続する技術であり、各素子を接続するには複
数の光ビームをクロスして配線する必要がある。

【０００９】図３は前述した文献２における空間光ビー
ム接続のようすを示すものである。図中、ＩＢ１は入力
光ビーム群、ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３，ＢＰ４は複屈折
板、ＰＬ１，ＰＬ２は分割１／２波長（λ／２）板、Ｏ
Ｃ１，ＯＣ２は光接続回路、ＬＮ１，ＬＮ２はレンズア
レイ、ＳＷ１は２次元光スイッチアレイ（ＥＡＲＳ）、
ＱＬ１，ＱＬ２は１／４波長（λ／４）板、ＰＢ１は偏
光ビームスプリッタ、ＯＢ１は出力光ビーム群、ＲＢ１
は読出光ビーム群である。

【００１０】ここでは、複数の円偏光の光ビームを複屈
折板に通すことによりｐ偏光及びｓ偏光に分解し、これ
らの偏光成分によって光の進行方向が異なることを利用
して光ビームの方向を変え、光配線を行っている。な
お、分割λ／２板ＰＬ１，ＰＬ２とは、ｐ偏光にλ／２
板（ハッチング部分）が、また、ｓ偏光に透明板が対応
する如く分割されたものである。

【００１１】また、前述した文献１においては、コンピ
ュータホログラムを用いることにより光ビームの方向を
変えて光配線を行っている。また、前述した文献３にお
いては、複数のレンズを用い、光学系を結像系とするこ
とにより、光の配線を行っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た自由空間光接続では光の配線が固定されており、それ
ぞれの光配線毎に専用の回路を設計、作製しなければな
らないという問題があった。また、自由空間光接続で
は、数〜数10μｍ径の素子を数100 μピッチでアレイ状
に配列した光源やディテクタの間を、複数の光ビーム
（ビーム径：100 μｍ程度）を数μｍ以下の精度で位置
合せする必要があり、従来、これらの位置合せは微動台
と接着剤で行っていたが、数μｍの精度を出すのは非常
に困難であるという問題があった。

【００１３】さらにまた、光ビームは回折の影響でその
ビームスポットサイズが伝搬距離ととも広がるが、光デ
ィテクタアレイや光ファイバアレイに入射する際の光ビ
ームのビームスポットサイズが、該光ディテクタの径や
光ファイバのコア径よりも大きくなると、ロスやクロス
トークが大きくなるという問題があった。このため、従
来はマクロレンズやマイクロレンズを用いてビームスポ
ットサイズを小さくしていたが、該マクロレンズやマイ
クロレンズと光ビームとを精度良く位置合せしなければ
ならないという問題があった。

【００１４】本発明は前記従来の問題点に鑑み、任意の
素子間の配線が可能であり、光ビームと素子との位置合
せを高精度になし得るとともに、ビームスポットサイズ
を調節可能な空間光ビーム接続器を提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明では前記目的を達
成するため、２次元光素子アレイ同士をその間に形成さ
れる自由空間を伝播する複数の光ビームにより接続する
空間光ビーム接続器において、一の面上に電極及び配向
膜が形成された第１の透明基板と、一の面上に電極及び
配向膜が形成され且つ該一の面が前記第１の透明基板の
一の面に対し略平行に対向する如く配置された第２の透
明基板と、前記一の面同士間に形成される空間内に充填
された液晶と、前記電極間に駆動電圧を供給する電源と
を備え、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方の電
極は光ビームの通過位置を除いて形成され、他方の電極
も光ビームを通過させ得る如く形成された空間光ビーム
接続器を提案する。

【００１６】

【作用】電源より光ビームの通過位置を除いて形成され
た電極に駆動電圧が印加されると、該電極が形成された
部分と形成されない部分との間で液晶の屈折率が徐々に
変化する。この屈折率が徐々に変化する領域に光ビーム
が入射されると、その進路が偏向されるとともに集光又
は拡散される。このため、電極間に供給する電圧によっ
て任意の方向に光ビームを偏向させることができるとと
もにビームスポットサイズを変更できる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の空間光ビーム接続器の第１の
実施例を示すものである。図中、１１，１２は第１，第
２の透明基板（例えば、ガラス板）であり、その一の面
上には電極１３，１４及び配向膜１５，１６がそれぞれ
形成され、また、他の面上には反射防止膜１７，１８が
それぞれ形成されている。また、１９，２０はスペーサ
であり、第１及び第２の透明基板１１及び１２は該スペ
ーサ１９，２０を挟んで、前記一の面同士が略平行に対
向する如く配置される。また、２１は液晶であり、前記
一の面同士間に形成される空間内に充填される。また、
２２，２３は電源であり、前記電極１３，１４間に液晶
２１を駆動するための駆動電圧を供給する。また、２４
は入力光ビーム群、２５は出力光ビーム群である。

【００１８】前記電極１３は透明基板１１の一の面上に
一様に形成された透明電極からなっており、接地されて
いる。また、電極１４は図４に示すように、入力光ビー
ム群２４の一定の方向、ここでは水平方向の複数の光ビ
ームの通過位置をそれぞれ挟むように形成された複数の
２本１組のストライプ状の電極１４ａ，１４ｂからなっ
ており、複数の電極１４ａは電源２２に、また、複数の
電極１４ｂは電源２３にそれぞれ共通に接続されてい
る。なお、該電極１４は透明電極、非透明電極のいずれ
でも良い。

【００１９】図５は本実施例における動作のようすを屈
折率分布とともに示すものである。ここで、液晶２１は
正のネマチック液晶をホメオトロピック配向させてお
り、電圧を印加しない状態では、液晶分子は基板に対し
て垂直に立っている。同図(a)は電極１４ａ，１４ｂの
いずれにも電圧を印加しない状態を示すもので、入射光
は直進する。また、同図(b) は一方の電極、ここでは１
４ｂのみに電圧を印加した状態を示すもので、電圧を印
加した部分の液晶分子が基板と平行になる。電極が形成
されていない部分では液晶分子が徐々に垂直から平行に
変化する。従って屈折率分布は図示の如く徐々に変化す
る。

【００２０】このように屈折率が徐々に変化する領域に
光が入射すると、光の進路が曲げられる。その偏向角を
φとすると、 φ＝Ｌ・ｄｎ／ｄｘと表される。ここで、Ｌは液晶２１の厚さ、ｎは液晶２
１の屈折率、ｘは距離である。

【００２１】従って、液晶２１の基板方向の屈折率変化
に厚さを掛けた分、光ビームは偏向する。例えば、厚さ
100μｍ、光が通過する窓の径、即ち電極１４ａ，１４
ｂ間の間隔を 100μｍとし、液晶２１の屈折率変化を２
５％程度と仮定すると、約１５°の偏向角が期待でき
る。この角度は最大の角度であって、印加電圧を調整す
ることにより任意に設定できる。また、同図(c) は電極
１４ａのみに電圧を印加した状態を示すもので、光ビー
ムは同図(b) の場合と反対方向に偏向される（例えば、
Electronics Lett., Vol.15, 1979, 佐々木、石橋、Li
quid Crystal Light Deflector, pp.293-294［参考文献
１］参照）。

【００２２】図６は電極間隔を１mmとし、液晶の厚さを
パラメータとした場合の偏向角の印加電圧に対する依存
性の一例を示す。約 100Ｖの電圧を印加すると、液晶２
１の厚さＬに応じて数〜１０°程度まで光ビームを偏向
することが可能である。ここで、印加電圧が高いのは電
極間隔を１mmとしているからであり、 100μｍ程度とし
た場合には１０Ｖ程度の電圧で良い。

【００２３】図５(d) は電極１４ａ，１４ｂの両方に電
圧を印加した状態を示すもので、光ビームの通過位置の
屈折率は一旦、増加して減少する。従って、この場合は
レンズの働きをし、平行光ビームが入射すると、その光
は集光されたり、拡散されたりする（例えば、電子情報
通信学会論文誌、Vol.J75-C-I 、1992、能勢、佐藤、液
晶マイクロレンズの光ファイバスイッチへの応用、pp.1
55-163［参考文献２］参照）。

【００２４】図７は電極間隔をパラメータとして、前述
したレンズ動作を行わせた場合の焦点距離の印加電圧に
対する依存性の一例を示す。約１０Ｖ程度の電圧の印加
で焦点距離を無限大から数mmまで変化させることが可能
である。なお、ここで、光ビームの波長λは 633ｎｍ、
液晶の厚さＬは５０μｍとした。

【００２５】これまではホメオトロピック配向について
説明したが、ホモジニアス配向、ツイストネマチック配
向、さらにホメオトロピック配向とホモジニアス配向と
を混合したものでも良い。また、液晶２１の厚さは 100
μｍから数 100μｍ、光ビームが通過する窓の径は 100
μｍから数 100μｍであり、２次元光素子アレイ同士の
間を、自由空間を伝播する複数の光ビームで光接続する
場合の光ビームの径及び間隔とほぼ一致しており、これ
に用いるのに適している。

【００２６】図８は本発明の空間光ビーム接続器の第２
の実施例を示すもので、ここでは形状の異なった電極を
絶縁層を介して多層積層した例を示す。即ち、図中、２
６，２７は図９(a) 又は(b) に示すようなストライプ状
又は円窓状のパターンを有する電極であり、また、２８
は薄膜絶縁層（例えば、誘電率の高い材料として薄膜の
Ｔａ₂Ｏ₅）である。第１の実施例では光ビームを上下
方向に偏向できるのみであるが、本実施例によれば、４
つの電極に異なる電圧を印加することにより、光ビーム
を上下左右のいずれの方向にも偏向させることが可能と
なる。なお、その他の構成・作用は第１の実施例と同様
である。

【００２７】本実施例では１つの光ビームに対応する部
分のみについて示したが、これらの電極をアレイ状に並
べ、それぞれの電極に印加する電圧を制御することによ
り、個々の光ビームを任意の方向に偏向でき、さらにそ
の焦点距離を任意に変えられる。また、この際、それぞ
れの電極に対応する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を基板
上に形成し、該薄膜トランジスタより電圧を供給するよ
うにすれば、個別制御を簡単に行うことができる。

【００２８】また、第１及び第２の実施例では、透明基
板１１側の電極１３はその一の面上に一様に形成した
が、前記電極１４又は２６，２７と同様に形成しても良
く、この場合も同様な効果が得られる。

【００２９】また、本発明では入射光の偏光方向は液晶
と平行に揃っている必要がある。液晶に垂直な偏光は、
前述した偏向やレンズの効果を全く受けず、単なるガラ
ス板を通過する場合と同様となる。また、第１及び第２
の実施例の回路を複数、縦続接続すれば、その効果がよ
り大きくなり、例えば最大５°の偏向角を有する回路を
２段縦続接続すれば、最大１０°の偏向角を有する回路
を構成できる。

【００３０】図１０は本発明の第３の実施例を示すもの
で、ここでは本発明の空間光ビーム接続器を２次元光ス
イッチアレイ（ＥＡＲＳ）間の接続に適用した例を示
す。即ち、図中、ＯＣ１１，１２は空間光ビーム接続器
であり、第１の実施例に示した空間光ビーム接続器と同
様であるが、ストライプ状の電極のそれぞれに印加する
電圧を個別に制御可能となしたものである。また、ＩＢ
１は入力光ビーム群、ＬＮ１，ＬＮ２はレンズアレイ、
ＳＷ１は２次元光スイッチアレイ、ＱＬ１，ＱＬ２はλ
／４板、ＰＢ１は偏光ビームスプリッタ、ＲＴ１は偏光
ビームスプリッタＰＢ１の反射面、ＰＬ２は分割λ／２
板、ＢＰ４は複屈折板、ＲＢ１は読出光ビーム群、ＯＢ
１は出力光ビーム群である。

【００３１】入力光ビーム群ＩＢ１は２次元的に配列さ
れた複数の独立した光ビームの束（但し、ここでは図面
を簡単にするため、１次元の光ビームで示している。）
であり、各光ビームは全て円偏光である。入力光ビーム
群ＩＢ１は空間光ビーム接続器ＯＣ１１に入力される。
空間光ビーム接続器ＯＣ１１のストライプ状の電極のピ
ッチと各光ビームのピッチとは一致しており、各光ビー
ムは電極のない部分に入力される。この際、液晶に垂直
な偏光（ここではｓ偏光）はそのまま直進するが、液晶
に平行な偏光（ここではｐ偏光）は交流電圧を印加する
と、その方向が曲げられる。該電圧（０〜７Ｖ程度）を
調整することにより、任意の位置に光を出力することが
できるが、ここでは直進するｓ偏光の間に来るように調
整した。

【００３２】次に、空間光ビーム接続器ＯＣ１１の出力
光ビームはレンズアレイＬＮ１に達する。レンズアレイ
ＬＮ１は２次元的に配列された複数の微小なレンズで構
成され、入射した光ビームをそれぞれの焦点面に集光す
る。ここで、該焦点面には２次元光スイッチアレイＳＷ
１が配置してあり、各光ビームが２次元的に配列された
複数のスイッチセルにそれぞれ入射するように、空間光
ビーム接続器ＯＣ１１の電圧をさらに調整し、固定す
る。

【００３３】図１１は２次元光スイッチアレイＳＷ１の
一例、ここではIEEE Photonics Technology Letters, V
ol.3, No.4, April 1991, S.Matsuo, C.Amano and Kuro
kawa, Operation Characteristics of Three-Terminal
Hybrid Structure with Multi-Quantum-Well Reflectio
n Modulator and Heterojunction Phototransisitor,p
p.330-332 に開示された２次元光スイッチアレイを示す
ものである。図１１(a) は全体の構成を示すもので、単
位セルＣＬが複数、２次元的に配列されてなっている。
また、ＩＮ１は入力光、ＲＯ１は読出光、ＯＴ１は出力
光である。図１１(b) は単位セルの構成を示すもので、
ＨＰＴはフォトトランジスタ、ＭＯＤはＭＱＷ反射型光
強度変調器である。図１１(c) は単位セルの等価回路を
示すものである。

【００３４】前記２次元光スイッチアレイの単位セルＣ
Ｌでは、入力光ＩＮ１の光量に応じてフォトトランジス
タＨＰＴの端子電圧が変化し、これにより光強度変調器
ＭＯＤの端子電圧を制御してその反射率を変化させる。
これによって、該光強度変調器ＭＯＤに入射する読出光
ＲＯ１の光強度を変調し、出力光ＯＴ１を生成する。読
出光ＲＯ１として一定強度の光を加えた場合には、出力
光ＯＴ１は入力光ＩＮ１を増幅したものと等しくなる。
また、読出光ＲＯ１を遮断すると出力光ＯＴ１の出力も
ゼロとなる。従って、各単位セルＣＬは読出光ＲＯ１を
オン・オフすることにより、出力光ＯＴ１をスイッチす
ることができ、１入力１出力の光スイッチ素子として利
用できる。

【００３５】図１０において、２次元光スイッチアレイ
ＳＷ１への読出光ビーム群ＲＢ１は、該２次元光スイッ
チアレイＳＷ１の右側から入射する。即ち、偏光ビーム
スプリッタＰＢ１の下方から入射した読出光ビーム群Ｒ
Ｂ１（ｓ偏光）は、反射面ＲＴ１で左側に反射され、λ
／４板ＱＬ１を通過し円偏光に変換された後、レンズア
レイＬＮ２により２次元光スイッチアレイＳＷ１の各単
位セルの光強度変調器上に集光される。

【００３６】これらの光ビームのうち、各単位セルの光
強度変調器の状態により反射されたものは右側方向に進
み、レンズアレイＬＮ２により光ビームに変換され、再
びλ／４板ＱＬ１を通過しｐ偏光に変換され、偏光ビー
ムスプリッタＰＢ１を直進し、分割λ／２板ＰＬ２及び
複屈折板ＢＰ４によって、空間光ビーム接続器ＯＣ１１
で分離されたｓ偏光とそれぞれ合成され、その後、空間
光ビーム接続器ＯＣ１２に入射される。空間光ビーム接
続器ＯＣ１２のストライプ状の電極のピッチと各光ビー
ムのピッチとは一致しており、各光ビームは電極のない
部分に入力される。

【００３７】空間光ビーム接続器ＯＣ１２に入射された
光ビームは交流電圧が印加されると、その方向が上下方
向に曲げられる。この際、各ストライプ状の電極に印加
する電圧を調整することにより、各光ビームを任意の位
置に出力することができる。例えば、ストライプ状の電
極の電圧を１つ置きに制御すると、図示の如く２本の光
ビームを１本にすることが可能である。また、ここでは
１つ置きの２本の光ビームを１本としたが、２つ置き以
上の２本の光ビームを１本にすることも可能である。ま
た、空間光ビーム接続器ＯＣ１２に印加する電圧を調整
することにより、バンヤン網、シャフル網、クロスオー
バ網等、どのような光結線も可能となる。従って、従来
のスイッチの結線（図２）を自由に空間光結線で実現で
きる。

【００３８】図１０の構成は２×２スイッチ（図中の破
線で囲んだ部分）をベースとしてバンヤン網１段分と等
しい動作をする。これらを多段に接続するとバンヤン網
を構成できる。

【００３９】図１２は本発明の第４の実施例を示すもの
で、ここでは本発明の空間光ビーム接続器を用いてバン
ヤン網を構成した例を示す。図中、ＳＷ２１〜ＳＷ２５
は２次元光スイッチアレイ、ＯＣ２１〜ＯＣ２５は空間
光ビーム接続器であり、これらは多段に接続され、バン
ヤン網を構成している。

【００４０】図１３は本発明の第５の実施例を示すもの
で、ここでは本発明の空間光ビーム接続器を用いて１６
×１６の光スイッチを構成した例を示す。図中、ＯＣ３
１，ＯＣ３２は空間光ビーム接続器であり、第１の実施
例に示した空間光ビーム接続器において一方の電極を図
８，９に示したような多層積層した４つの電極を各光ビ
ーム毎に対応させて設けてなるもので、各光ビームを上
下左右のいずれの方向にも偏向できるようになしたもの
である。また、ＩＦ１はコリメートレンズ付きの入力光
ファイバアレイ、ＯＦ１はコリメートレンズ付きの出力
光ファイバアレイである。

【００４１】また、ＣＳ１，ＣＳ２は電源であり、各光
ビーム対応の電極に印加する電圧を制御する。電源ＣＳ
１，ＣＳ２には予め光のスイッチングをするための最適
電圧がメモリに蓄えられており、スイッチングが要求さ
れた時、メモリから情報を読み出し、最適な電圧を空間
光ビーム接続器ＯＣ３１，３２の各電極に印加する。こ
のようにして、入力光ファイバアレイＩＦ１からの各入
力光ビームは所望の出力光ファイバアレイＯＦ１の位置
に出射される。この際、光ビームが出力光ファイバアレ
イＯＦ１に対して、角度をもって入射するとロスが増え
る。このため、入力側と同様の空間光ビーム接続器ＯＣ
３２を通して各光ファイバに対し角度０°で入射するよ
うにする。これによって、低ロスの１６×１６の光スイ
ッチを実現できる。

【００４２】ここでは１６×１６の光スイッチについて
示したが、１６本の光ファイバアレイ同士を自由空間を
介して光カップリングさせる場合にも有効である。即
ち、コリメートレンズアレイを設けた光ファイバアレイ
の出力光ビーム群は、光ファイバアレイ及びレンズアレ
イの位置合せ精度の不足から通常、完全に平行とはなら
ない。このため、この光ビーム群を入力側と同様の光フ
ァイバアレイでそのまま受けた場合、カップリングロス
は２０ｄＢ以上となってしまう。この際、入力側と出力
側の光ファイバアレイ間に、図１３に示した空間光ビー
ム接続器を挿入することにより、光ビームの位置及び角
度を個々に調整可能となるため、光のカップリングロス
は１ｄＢ程度まで改善される。

【００４３】図１４は本発明の第６の実施例を示すもの
で、ここでは本発明の空間光ビーム接続器をボード間光
インタコネクションに適用した例を示す。図中、Ｂ１，
Ｂ２はボードであり、該ボードＢ１，Ｂ２上にはＬＳＩ
が複数搭載されている。各ボードＢ１，Ｂ２はバックプ
レーンＢＰ上のスロットＳＬ１，ＳＬ２に差し込まれて
固定される。各ボード間の間隔は１インチ（２５mm程
度）であり、自由空間でボード間の光インタコネクショ
ンを行う場合、互いのボードの位置合せの精度を数１０
μｍ以下で行う必要があり、従来、この精度を実現する
ことは不可能であった。

【００４４】また、ＳＥＬは面発光レーザアレイであ
り、ボードＢ１，Ｂ２上のＬＳＩによって電気的に処理
された結果は各レーザを高速に変調することにより光に
変換される。なお、面発光レーザの代りに光源及びＭＱ
Ｗ面型光強度変調器を用いても良い。ＤＳＥＬは位置検
出用に設けた面発光レーザであり、連続光が出力され
る。面発光レーザＳＥＬ，ＤＳＥＬからの光はマイクロ
レンズアレイ（図示せず）を介して、空間光ビーム接続
器ＯＣ４１に入力される。面発光レーザＳＥＬ，ＤＳＥ
Ｌからの光の偏波は一方向であり、空間光ビーム接続器
ＯＣ４１における液晶の配向方向と一致している。空間
光ビーム接続器ＯＣ４１は、第１の実施例に示した空間
光ビーム接続器において一方の電極を図８，９に示した
ような多層積層した４つの電極を各光ビーム毎に対応さ
せて設けてなるもので、各光ビームを上下左右のいずれ
の方向にも偏向できるようになしたものであるが、各光
ビーム対応の４つの電極はそれぞれ共通に接続されてお
り、各ビームＩＢは個々には制御されず、一括して上下
左右に偏向される。

【００４５】また、ＰＤは光ディテクタアレイであり、
光信号を電気信号に変換し、ボードＢ２上の各ＬＳＩに
送る。ＳＰＤはビーム位置検出用に設けた光ディテクタ
であり、位置検出用の面発光レーザＤＳＥＬから送られ
た光ビームの位置を常に検出している。本光ディテクタ
ＳＰＤの出力が最大になるように、光出力コントローラ
ＥＣで電源ＬＣＳを制御し、空間光ビーム接続器ＯＣ４
１に供給する駆動電圧を調整する。各光ビームの位置関
係は面発光レーザアレイの各セルの位置関係を正確に反
映しているので、１つの光ビームの位置を正確に制御す
ることにより、光ビーム群ＩＢ全体の位置を正確に制御
できる。

【００４６】本実施例によれば、ボードＢ１，Ｂ２の位
置関係が、抜き差し、振動、歪等によって変化しても、
常に光ビーム群を所望の光ディテクタアレイの位置に光
結合することが可能となり、ボードＢ１からボードＢ２
へ、自由空間光ビームによりデータを高速に送ることが
できる。

【００４７】図１５は本発明の第７の実施例を示すもの
で、ここでは図１０の実施例において偏光ビームスプリ
ッタＰＢ１とλ／４板ＱＬ１との間にも空間光ビーム接
続器、例えばＯＣ１３を設けた例を示す。また、図１６
(a)(b)は該空間光ビーム接続器ＯＣ１３を設けない場合
及び設けた場合における光ビームの進むようすを示す。

【００４８】空間光ビーム接続器ＯＣ１３を設けない場
合、読出光ビーム群ＲＢ１が偏光ビームスプリッタＰＢ
１に対して傾いて入射すると、反射ビームも傾いて出射
される。また、２次元光スイッチアレイＳＷ１が傾いて
いる場合にも同様の問題が生じる。従って、２次元光ス
イッチアレイＳＷ１、偏光ビームスプリッタＰＢ１、読
出光ビーム群ＲＢ１の角度を正確に調整する必要があ
る。

【００４９】これに対して、空間光ビーム接続器ＯＣ１
３を設けた場合、読出光ビーム群ＲＢ１の偏光方向を、
空間光ビーム接続器ＯＣ１３の液晶の配向方向に対して
垂直にしておくと、読出光ビーム群ＲＢ１は該空間光ビ
ーム接続器ＯＣ１３を直進し、２次元光スイッチアレイ
ＳＷ１に入射する。２次元光スイッチアレイＳＷ１で反
射された光はλ／４板ＱＬ１を通過し、液晶の配向方向
に対して平行な偏波に変換されるので、空間光ビーム接
続器ＯＣ１３に電圧を印加しておくとその方向に偏向す
ることができる。

【００５０】従って、２次元光スイッチアレイや読出光
ビームが傾いていても、空間光ビーム接続器の電圧を調
整することにより、偏光ビームスプリッタに対して垂直
に入射する光ビームを作ることが可能となる。

【００５１】また、図１７(a)(b)は該空間光ビーム接続
器ＯＣ１３を設けない場合及び設けた場合における光ビ
ームの広がりのようすを示す。

【００５２】一般に、光ビームは平行光ではなく、伝搬
距離とともにそのビームスポットサイズが広がる。図１
０に示すように、２次元光スイッチアレイ、偏光ビーム
スプリッタ、複屈折板等を多段に接続した場合、最大の
伝搬距離は２０ｍｍ程度になり、ビームスポットサイズ
は数 100μｍまで広がってしまう。レンズアレイのマイ
クロレンズでこれを絞り、次段の２次元光スイッチアレ
イに入射させているが、マイクロレンズの径以上に広が
った光ビームを絞っても、ロスやクロストークが増加す
る。

【００５３】光ビームの広がりは前段の２次元光スイッ
チアレイとレンズアレイとの位置関係に大きく依存し、
正確にこの位置関係を決めることによってビームの広が
りを最小限に抑えることができる。しかしながら、この
位置合せが不正確であると、前述したが生じる。そこ
で、図１７(b) のように空間光ビーム接続器ＯＣ１３を
設けると、そのレンズ効果によって反射した光ビームが
絞られ、光ビームの広がりを抑えることが可能となる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、少
なくとも一方の電極は光ビームの通過位置を除いて形成
され、他方の電極も光ビームを通過させ得る如く形成さ
れた電極及び配向膜をそれぞれ一の面上に備えた第１，
第２の透明基板を、その一の面同士が略平行に対向する
如く配置し、該一の面同士間に形成される空間内に液晶
を充填し、前記電極間に電源から駆動電圧を供給するこ
とにより、入力光ビームに対する通過領域の液晶の屈折
率を徐々に変化させ、これによって出力光ビームの方向
を偏向させるとともに集光又は拡散させるため、２次元
光素子アレイ同士の任意の素子間を接続することができ
るとともにビームスポットサイズを変更できる。また、
電圧値という制御の容易な要素により光ビームの方向及
びビームスポットサイズを調整することができるため、
高精度な位置合せ及びサイズ合せが可能となり、大規模
光スイッチ等も実現可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空間光ビーム接続器の第１の実施例を
示す構成図

【図２】従来の並列光スイッチを示す構成図

【図３】従来の空間光ビーム接続のようすを示す構成図

【図４】図１の空間光ビーム接続器における電極の一例
を示す構成図

【図５】図１の空間光ビーム接続器における動作のよう
すを示す図

【図６】偏向角の印加電圧依存性の一例を示す図

【図７】焦点距離の印加電圧依存性の一例を示す図

【図８】本発明の空間光ビーム接続器の第２の実施例を
示す構成図

【図９】図８の空間光ビーム接続器における電極の一例
を示す構成図

【図１０】本発明の第３の実施例を示す構成図

【図１１】２次元光スイッチアレイＳＷ１の一例を示す
構成図

【図１２】本発明の第４の実施例を示す構成図

【図１３】本発明の第５の実施例を示す構成図

【図１４】本発明の第６の実施例を示す構成図

【図１５】本発明の第７の実施例を示す構成図

【図１６】図１５の実施例の効果を説明するための図

【図１７】図１５の実施例の効果を説明するための図

【符号の説明】

１１，１２…透明基板、１３，１４，２６，２７…電
極、１５，１６…配向膜、２１…液晶、２２，２３，Ｃ
Ｓ１，ＣＳ２，ＬＣＳ…電源、ＥＣ…光出力コントロー
ラ、ＯＣ１１〜ＯＣ１３，ＯＣ２１〜ＯＣ２５，ＯＣ３
１，ＯＣ３２，ＯＣ４１…空間光ビーム接続器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元光素子アレイ同士をその間に形成
される自由空間を伝播する複数の光ビームにより接続す
る空間光ビーム接続器において、一の面上に電極及び配向膜が形成された第１の透明基板
と、一の面上に電極及び配向膜が形成され且つ該一の面が前
記第１の透明基板の一の面に対し略平行に対向する如く
配置された第２の透明基板と、前記一の面同士間に形成される空間内に充填された液晶
と、前記電極間に駆動電圧を供給する電源とを備え、第１及び第２の透明基板の少なくとも一方の電極は光ビ
ームの通過位置を除いて形成され、他方の電極も光ビー
ムを通過させ得る如く形成されたことを特徴とする空間
光ビーム接続器。
【請求項２】第１及び第２の透明基板の少なくとも一
方の電極は光ビームの通過位置を挟むように配置された
少なくとも一組のストライプ状もしくはドット状の電極
からなることを特徴とする請求項１記載の空間光ビーム
接続器。
【請求項３】少なくとも一組のストライプ状もしくは
ドット状の電極のそれぞれに対応する薄膜トランジスタ
を透明基板上に形成し、該薄膜トランジスタにより前記
少なくとも一組のストライプ状もしくはドット状の電極
のそれぞれに別々に制御された駆動電圧を印加するよう
になしたことを特徴とする請求項２記載の空間光ビーム
接続器。
【請求項４】第１及び第２の透明基板の少なくとも一
方の電極は薄膜絶縁層を介して多層積層された電極から
なることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の空
間光ビーム接続器。
【請求項５】請求項１乃至４いずれか記載の空間光ビ
ーム接続器を複数、縦続接続したことを特徴とする空間
光ビーム接続器。
【請求項６】出射側に配置される２次元光素子アレイ
への光強度が最大となるよう駆動電圧を調整するフィー
ドバック制御系を備えたことを特徴とする請求項１乃至
５いずれか記載の空間光ビーム接続器。