JP2019082518A - Optical matrix switch - Google Patents
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Abstract
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 formed of a photonic crystal, an optical switch circuit using the same, a two-dimensional or three-dimensional light beam multistage 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 in optical communication is an important component. FIG. 1 is a principle diagram showing a typical structure of an optical switch circuit, and shows a four-input four-output thermo-optical effect switch circuit coupled by a waveguide in a planar manner.
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 selective switch (WSS) and a MEMS type switch are known. There is a three-dimensional type as shown in FIG. 2 in the MEMS type optical switch circuit. In the three-dimensional MEMS shown in FIG. 2, in order to increase the freedom of selection of 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 are required to perform multi-gradation analog control of the two-dimensional inclination of the corresponding mirror, which is accompanied by great difficulty.
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) or a silicon optical circuit switch is known. Those multi-input and multi-output optical path switches have a mesh structure as shown in FIG. 1, and signal interchange is performed 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 the anti-cross state (upper left → upper right or lower left → lower right) and the cross state (upper left) along with heating on / off of the thermo-optical portion represented by a rectangle. → The lower right or lower left → upper right) is switched. As seen from the input of one switch element, the signal destination is only one of two adjacent lines, and the path change is zero or plus or minus 1, that is, the signal jump is at most one stage. In the circuit, the signal lines cross at substantially right angles to minimize crosstalk, but it is still difficult to avoid crosstalk between the signals. In more complex circuits, such as an 8x8 switch circuit (or 16x16 switch circuit), the signal needs to pass through eight (or 16) switch elements before reaching the output end from the input end. It is even more difficult to maintain signal quality, since each signal loss and crosstalk is accumulated eight 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。 Thus, in an optical switch circuit having a large number of input / output ports, signal loss and crosstalk between signal lines have been considered as 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]
A first aspect of the present invention relates to an optical switch element. In the optical switch element of the present invention, in the three-dimensional space xyz, circularly polarized incident light that is clockwise or counterclockwise with a traveling direction inclined at a predetermined angle θ with respect to the z axis propagates in the xz plane . The optical switch element includes a first polarization splitting prism, a second polarization splitting prism, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization splitting prisms in the z-axis direction. The first and second polarization splitting prisms are respectively photonic crystal polarization splitting prisms. The liquid crystal cell can transition between an isotropic state with respect to at least incident light and a birefringent state with a phase difference of 180 degrees by voltage driving. Due to such 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 inclined at an angle -θ with respect to the axis, and can be selected to be emitted as circularly polarized light in the same or opposite other 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 Splitting Prism]
The photonic crystal polarization splitting prism that constitutes the optical switch element may be of the "split type". The split-type photonic crystal polarization splitting prism includes a half-wave plate of a photonic crystal formed in the xy plane in the three-dimensional space xyz and stacked in the z-axis direction, and single or repeated in the x-axis direction The region is divided into a plurality of strip-like sub-regions in the x-axis direction. In the region, the groove direction of the photonic crystal changes stepwise in the range of 0 ° to 180 ° with respect to the y-axis direction, and in the sub-region, the angle with the y-axis direction is uniform. is there. Such a photonic crystal polarization splitting prism directs light incident in the z-axis direction to the right-handed circularly polarized light in the direction toward the x-axis by an angle from the z-axis and to the −x axis by the same angle from the z-axis It separates and converts into left-handed circularly polarized light and emits it.
[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 Splitting Prism]
The photonic crystal polarization splitting prism that constitutes the optical switch element may be of a "curved type". A curved photonic crystal polarization separation prism is provided in the xy plane in the three-dimensional space xyz, and includes a half-wave plate of the photonic crystal stacked in the z-axis direction, and single or repeated in the x-axis direction Have 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. In such a photonic crystal polarization splitting prism, right-handed circularly polarized light in the direction toward the x-axis by an angle from the z-axis and left-handed circularly polarized light in the direction toward the -x-axis by the same angle from the z-axis Separate, 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 aspect described above are two-dimensionally or three-dimensionally arranged. Specific examples of the optical switch circuit are a light beam type multistage switch circuit of a two-dimensional structure and a light beam type multistage switch circuit of a three dimensional structure.
[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2N個の入力ポート列と、出力面における所定偏光の2N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。
[2-1. 2-dimensional structure of light beam type multistage switch circuit]
The light beam type multistage switch circuit of the two-dimensional structure includes N stages of switch subcircuits in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz. In the switch sub-circuit of each stage, a plurality of optical switch elements according 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, 2 N input port arrays of predetermined polarization in the input plane and 2 N output port arrays of predetermined polarization in the output plane are arranged in the x-axis direction. Each of the optical switch elements selects the emission direction of the light beam so as to direct the light beam incident thereon to one of the other two optical switch elements different in position in the x-axis direction of the next stage It is In the M-th stage (M <N) of the switch circuit, the m-th port of the ports aligned in the x-direction is coupled to the m-th port of the next (M + 1) -th stage, or M) You can choose to combine with the leaped port. A port surface or an intermediate port surface that forms a boundary between each step and a region leading to or behind it comprises a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization splitting prism that adjusts polarization and bends light in a desired direction. Specific examples of the photonic crystal polarization separation prism are as described above. As a whole effect, the light beam type multistage switch circuit of the two-dimensional structure emits an optical signal train incident on 2N ports on the incident surface from 2N ports on the outgoing surface, and also light different from the light It can be converted into a signal sequence. The light beam type multistage switch circuit of this two-dimensional structure can arbitrarily replace the order of the first stage, the second stage,..., And the Nth stage.
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 multistage switch circuit of the two-dimensional structure described above is expressed as follows. The present invention is a light beam type multistage switch circuit in a three dimensional space xyz, wherein the average traveling direction of the whole light beam is the z direction, and the light beam forms a two dimensional network in the xz plane. A plurality of switch elements according to the first n side surface are arranged in the x direction to form one stage, and a plurality of stages are arranged in the z direction to form a switch circuit. The coupling destination of the mth switching element in the A-th stage is either the p-th or q-th (q> p) switching element of the (A + 1) -th stage which is the next stage, and the jump width q The value of -p is uniform regardless of m for one stage A, and stages different from stage A can be given different jumping widths. A port surface or an intermediate port surface that forms a boundary between each step and a region leading to or behind it comprises a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization splitting prism that adjusts polarization and bends 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2N行、y方向に2N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2N×2N個のポートに入射した光信号を列を、出射面上における2N×2N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-. 3-dimensional light beam type multistage switch circuit]
The light beam type multistage switch circuit of the three-dimensional structure includes 2N switch subcircuits in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz. In the switch sub-circuits of each stage, the optical switch elements according to the first side face 2 N rows in the x direction and 2 N columns in the y direction, arranged in parallel to the xy plane. The light beam forms a three-dimensional network in xyz space, and the average travel direction of the entire light beam is the z direction. The input port group of the predetermined polarization in the input plane and the output port group of the predetermined polarization in the output plane are aligned in the xy plane, and the light beam incident on each of the optical switch elements is in the x-axis direction on the next intermediate port plane It is possible to select whether to lead to one of the other two intermediate ports different in the position of or to one of the other two ports with different values on the next intermediate port surface. Also, let M, 1, 2,. . , N−1, or on the (2M−1) th intermediate port surface, connect the mth row of light beams to the mth row on the 2Mth intermediate port surface, or Alternatively, it is possible to select whether to connect to the m + 2 (N−M) th row, and on the 2nd Mth intermediate port surface, the nth column of the light beam is made the nth column on the (2M + 1) th intermediate port surface It is possible to select the connection or the connection to the (n + 2) th (NM) column. Furthermore, as an effect of all 2N stages, a row of optical signals incident on 2 N × 2 N ports on the incident surface, and another optical signal of 2 N × 2 N predetermined polarization ports on the output surface It can be converted to a column. The light beam type multistage switch circuit of this three-dimensional structure can arbitrarily replace the order of the first stage, the second stage, ..., and the second N stages.
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 multistage switch circuit of the above-described three-dimensional structure can be expressed as follows. The present invention is a light beam type multistage switch circuit in a three-dimensional space xyz, wherein 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 according to the first aspect are arranged in a plurality of rows in the x direction and a plurality of columns in the y direction to form one surface. Said face is an x-switched face such that the signal points on the face can be combined with two points whose y-values of the subsequent face are equal and x-values differ by the jump width Cx, or said faces are The signal point on the surface is a y-shaped switch surface such that the x-values of the subsequent surfaces are equal and can be combined with two points whose y-values differ by a jump width Cy. The jump width Cx for each of the plurality of x-type switch faces is not constant, and the jump width Cy for each of the plurality of y-type switch faces is not constant, and is configured from the x-type switch face and the y-type switch face. A port surface or an intermediate port surface that forms a boundary between each step and a region leading to or behind it comprises a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization splitting prism that adjusts polarization and bends 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)2あるいは(cosθ)2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 according to the present invention comprises a first polarization splitting prism pair, a second polarization splitting prism pair, and a pair of the first and second polarization splitting prisms in the z-axis direction in a three-dimensional space xyz. And a liquid crystal cell interposed therebetween. Each of the first and second polarization splitting prism pairs is a pair in which the photonic crystal polarization splitting prisms overlap in the z-axis direction. The first pair of polarization splitting prisms is a pair of left-handed and right-handed circularly polarized light traveling along the z-axis and two parallel lights of left-handed and right-handed circularly polarized light. Separating into light. The liquid crystal cell converts each of the two parallel lights into a birefringent state of phase difference θ while keeping the principal axis direction constant by voltage driving. The second polarizing prism pair, two serving unnecessary wave with an incident beam which has passed through the liquid crystal cell, and the same polarization state as the incident beam with the power ratio (sin [theta) 2 or (cos [theta]) 2 light, the power of the residual Split 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.
[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 principle of optical switch element and optical switch circuit]
FIG. 3 is a principle view of a two-dimensional switch circuit of the present invention. It is the optical switch element 304 shown as an oval 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 z-axis direction in the three-dimensional space xyz. And a liquid crystal cell 302. The first and second polarization splitting prisms 301 and 303 are each formed of a photonic crystal polarization splitting 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 rightward or leftward with a traveling direction inclined at 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 between at least an isotropic state (first state) to incident light and a birefringence 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 rotation direction due to such transition of the liquid crystal cell, or the incident light with respect to the z axis It is possible to select whether the light is emitted as circularly polarized light having a traveling direction inclined at an angle -θ and having a reverse rotational direction. In addition, the optical switch element 304 emits the incident light as circularly polarized light having the same traveling direction and the opposite rotation direction due to the transition of the liquid crystal cell, or the incident light is angled with respect to the z axis It is also possible to select whether the light is emitted as circularly polarized light having the same direction of rotation and a traveling direction inclined by -θ.
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 light 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 one or both of the function of adjusting the direction of the incident beam and the function of bending the outgoing light beam 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 light beams whose connection can be switched enter the optical switch circuit from the input surface (input port surface) P, and output surfaces (a plurality of intermediate port surfaces R and T, and a plurality of optical switch elements Q and U). Output port surface) V is reached. In the optical switch circuit shown in FIG. 3, the light beam has 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. , And the third optical switch element U and the output port surface V in this order. Each stage is a switch sub-circuit divided by two port surfaces and an optical switch element located therebetween, and is referred to as a first stage, a second stage,... Sequentially from the light beam input side. A plurality of switch elements are arranged side by side in a plane direction (y direction or xy direction) at the center of each stage with respect to the traveling direction of light, and form a switch element surface or a switch element array surface. A light beam passing through the point 305 in FIG. 3 is led to the point 306 or 307 depending on the state of the optical switch 304 (whether it is the first state or the second state). The amount of jump from point 305 to point 307 is four. That is, in the input port plane P, the light beam incident on the uppermost point 305 in the y direction is guided to the fourth uppermost point 307 in the y direction on the first intermediate port plane R. . Such jumping of the signal path from the input port surface to the next port surface is referred to as "jumping" in the present specification. The magnitude of this jump is common in the first stage. Similarly, the amount of jumping 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 plane P, output port plane V, and intermediate port planes R and T have photonic crystal wave plates or photonic crystal polarization splitting prisms, and adjust the polarization state of the light beam to be handled to a desired state, and the desired traveling direction It has a function to make it bend. FIG. 4 is a diagram schematically showing the principle of the three-dimensional 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 above signal path is set to 4. Since it can be set to 2 or 1, the required number of switch stages is small. Also, since the light beam propagates in free space or uniform medium, crosstalk does not occur between signal paths. In addition, since the photonic crystal formed on the glass plate and the liquid crystal cell sandwiched between the glass plates are actually laminated and bonded, 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 splitting prism]
An optical switch circuit using a photonic crystal polarization separation prism will be described.
Photonic crystals are known, but may be formed, for example, by an auto cloning method (see Patent Document 3). A photonic crystal is a structure whose refractive index changes periodically at a cycle shorter than the operating wavelength of light to be guided. In particular, the wave plate is preferably a photonic crystal formed by an autocloning action. A photonic crystal is a minute periodic structure that functions as an optical element (for example, a polarization separation prism or a wavelength plate). As a specific method of manufacturing a photonic crystal, as disclosed in Patent Document 3, two or more types of different refractive indexes are different on a substrate having a one-dimensionally or two-dimensionally periodic unevenness. There is a method of manufacturing an optical element by sequentially and sequentially laminating a substance (transparent body) and using sputter etching alone or simultaneously with film formation on at least a part of the lamination. This method is also called a self cloning method. And the photonic crystal formed by this auto cloning method is called a self cloning type photonic crystal. In addition, the technique which comprises a wavelength plate using a self-cloning type | mold photonic crystal is well-known. For example, as another method of producing a photonic crystal, there is a method of 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 transparent bodies forming the self-cloning type photonic crystal are fluorides such as amorphous silicon, niobium pentoxide, tantalum pentoxide, titanium oxide, hafnium oxide, silicon dioxide, aluminum oxide, magnesium fluoride and the like. It is preferable that it is either. From among these, two or more species having different refractive indices can be selected and used as a photonic crystal. For example, combinations of amorphous silicon and silicon dioxide, niobium pentoxide and silicon dioxide, and tantalum pentoxide and silicon dioxide are desirable, but other combinations are also possible. Specifically, the self-cloning type photonic crystal has a structure in which high refractive index materials and low refractive index materials are alternately stacked. 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 silicon dioxide, aluminum oxide, a fluoride containing 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 splitting prism (optical element) used in the present invention is a wave plate (split type) in which the principal axis orientation is different for each region, or a wave plate in which the principal axis orientation changes continuously. (Waveform type), and the wave plate of each area | region is comprised with the photonic crystal which has a periodic structure in surface, and the said periodic structure was laminated | stacked in the thickness direction. The photonic crystal may be formed by an autocloning 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 forms a photonic crystal on a substrate having a pattern as shown in 501 of FIG. 5 using a self-cloning method. In the xy plane, a plurality of regions D are periodically and repeatedly formed in at least the x-axis direction. The lengths in the x-axis direction of the plurality of regions D are preferably equal. Each region D is further divided into a plurality of subregions in the x direction. The number of divisions of each area D can be set to 3 to 21 and is preferably an odd number such as 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 or the like. The subregions included in each region D preferably have substantially the same width in the x direction. "Substantially equal width" means to allow an error of ± 2% based on the width d of the subregion located at 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 substantially all equal. Also, the grooves are formed from end to end in the x direction in each sub region. In the region D, in the subregion located at the center in the x direction, 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 both left and right ends in the x direction, grooves extending in parallel to the y direction are formed. Therefore, the angle θ between the grooves formed in the left and right subregions is 90 degrees with respect to the groove formed in the central subregion. In such a subregion, the length of the groove is the largest and corresponds to the effective dimension in the y direction of the entire element.
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。 In addition, a plurality of sub-regions are located on the left and right, respectively, 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 also in each sub region located between them. Also, the angles of the grooves formed in certain sub-regions are all equal. However, the angle θ of the groove of each sub-region located between the two sub-regions is set so as to gradually approach 90 degrees as it approaches the sub-regions at both left and right ends from the central sub-region. For example, four subregions are provided between the central subregion and the left and right subregions, respectively. The angle of the groove in the central subregion is 0 degrees, and the angle of the grooves in the left and right subregions is 90. In this case, the inclination angle θ becomes steeper by 22.5 degrees in order from the area closer to the central sub-area. Thus, each region D is divided into a plurality of sub-regions having equal widths in the x-direction, grooves having equal angles are periodically formed in each sub-region, and sub-regions located at the center in the x-direction The angle of the groove monotonously increases 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 such premise, in each sub-region, the inter-groove unit period p (see FIG. 5) of the periodic structure is a quarter or less of the wavelength of the incident light (for example, selected from 400 nm to 1800 nm) It becomes. The lower limit value of the inter-groove unit period p is 40 nm. Moreover, in the thickness direction (z direction), the unit period of the two types of transparent media having different refractive indexes is also 1⁄4 or less of the wavelength of light. The lower limit value of the unit cycle in the thickness direction is 40 nm. Then, the in-plane minimum value d (see FIG. 5) of the groove length among the plurality of regions D is 1 or more times the inter-groove unit period p described above. The upper limit of the in-plane minimum value d of the groove length is considered to be 50 times the inter-groove unit period p described above. Here, as shown in FIG. 5, since the widths in the x direction of a plurality of sub-regions formed in a certain region D 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 is obtained. The length of the groove tends to be longer as the groove in the region on 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。
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、
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 taken as the z axis. An optical element (polarization separation prism) having a period D is disposed in the xy plane, the inclination from the x axis of its slow axis direction is θ, and light emitted upon entering clockwise polarized light has the following formula Is represented by
When the phase difference φ of the optical element (polarization separation prism) is π, the above equation can be arranged as follows:
It becomes. Thus, the emitted light is converted to counterclockwise circularly polarized light. Further, since θ depends only on x, a phase difference depending on x is generated. When θ changes in proportion to x in proportion to 0 during one period D, the slope of the phase of the first term and the second term of the output wave at x = D, x = 0, It changes by 2π. Therefore, the light is bent by ψ = sin −1 (λ / D) with respect to the z axis and the light is emitted. Similarly, when left-handed circularly polarized light is incident, light is converted to right-handed circularly polarized light, bent by −ψ = −sin −1 (λ / D) with respect to the z-axis, and emitted.
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L1、L2があり、L1上の点Pから光学素子601上の一点Qを通って、L2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L2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 in the case where the light beam is vertically incident will be described with reference to FIG. A straight line PQR having straight lines L 1 and L 2 equal in height in the y direction parallel to the x axis, passing 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 PQ is perpendicular to the element 601. For the convenience of description, it is assumed that the refractive indices of the media on both sides of the optical element are equal. The light ray QR + has a wave number 2π / D in the x direction, and QR − has the same −2π / D, with R − and R + taken on the straight line L 2 across R. When clockwise circularly polarized light is incident along PQ, it becomes left-handed circularly polarized light and is bent to QR + (see FIG. 6A). On the other hand, the case where the incident polarization is left-handed circular polarization will be described using FIG. 6 (b). When left-handed circularly polarized light is incident perpendicularly to the element 602, it becomes right-handed circularly polarized light and is bent into 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, the wave numbers in the y direction are all 0 for the sake of convenience, but the same applies to the case where they have a common wave number. Further, also in the case where the refractive index of the medium that fills the space on both sides of the optical elements 601 and 602 is not common (for example, air and glass), the light rays are associated not by the spatial shape but by the wave number. When a plurality of optical elements are used, the direction defining the cycle may be selected in a different direction for each element, and divided into a plurality of regions in one element, each having a different cycle direction and cycle. It 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L1、L2があり、L1上の点Pから光学素子701上の一点Qを通って、L2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L1上にPをはさんでP−、P+をとり、光線P+Qはx方向の波数+2π/Dを持ち、光線P−Q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, the operation in the case where a ray of light is obliquely incident will be described with reference to FIG. A straight line PQR having straight lines L 1 and L 2 equal in height in the y direction parallel to the x axis, passing 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 the convenience of description, it is assumed that the refractive indices of the media on both sides of the optical element are equal. For light of wavelength λ in the propagation medium, the light rays PQ, QR have equal wave numbers in the x direction. P across the P on the straight line L 1 -, take P +, light P + Q has a wave number + 2 [pi / D in the x direction, beams P - Q is also made to have -2.pi. / D. When the light ray P + Q is left-handed circularly polarized light, the emitted light becomes right-handed circularly polarized light, is bent and travels in the QR direction. On the other hand, when the light ray P-Q is right-handed circularly polarized light, the emitted light becomes left-handed 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, the wave numbers in the y direction are all 0 for the sake of convenience, but the same applies to the case where they have a common wave number. Further, also in the case where the refractive index of the medium filling the space on both sides of the optical elements 701 and 702 is not common (for example, air and glass), the light rays are associated not by the spatial shape but by the wave number. When a plurality of optical elements are used, the direction defining the cycle may be selected in a different direction for each element, and divided into a plurality of regions in one element, each having a different cycle direction and cycle. You may
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。 Here, although the split type photonic crystal polarization separation prism has been described, 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 splitting prism. That is, the basic configuration of the curved photonic crystal polarization splitting prism (optical element) is a wavelength plate formed of an xy plane in the three-dimensional space x, y, z, and made of a photonic crystal stacked in the z-axis direction (More specifically, a half wave plate). In the wave plate, a band-like width D area parallel to the y-axis direction is repeated in the x-axis direction. The groove direction of the photonic crystal is a curve which coincides with the curve 503 y = (D / π) log (| cos (πx / D) |) + constant in the range of the 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p0とする。p0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2p0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0.5p0とすると、ピッチの変化範囲は0.5p0〜2.0p0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p0とすると0.5・p0≦p≦2・p0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 λ0 1.55μm
・高屈折率材料 a−Si
・低屈折率材料 SiO2
・プリズム周期D 10μm
・遅軸屈折率ns 2.713
・速軸屈折率nf 2.486
・積層全体の厚さ λ0/(ns−nf)×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。
In addition, as shown in 502 of FIG. 5, by making the pattern (convex part or concave part) of the photonic crystal into a curved shape, the pattern becomes sparse in the central part within one cycle, and denser as it gets closer to the end This makes it difficult to make patterns. Therefore, the pitch between patterns in the central portion is taken as a reference as in 504, and it is set as p 0 . The two patterns are merged at a position where p 0 falls below a certain threshold pitch. Although the pitch immediately after merging is 2p 0, it becomes denser as it gets closer to the end, so it merges again when it becomes smaller than the threshold length. By repeating the above operation, an ideal optical axis distribution can be realized while changing within a certain range of the pitch. Assuming that the threshold pitch is 0.5 p 0 , the change range of the pitch is between 0.5 p 0 and 2.0 p 0 . That is, they are geometrically arranged such that the ratio of the maximum value to the minimum value of one of the intervals between adjacent projections and depressions is within 4 times, preferably within 2 times, and the other is branched and merged. . In the example shown in 504, the white part is a recess and the black part is a protrusion. That is, in the case of a wavelength plate (curved type) in which the main axis orientation changes continuously, assuming that the pitch p of the convex portion (pitch when the pattern is a straight line) is p 0 , 0.5 · p 0 ≦ p ≦ 2 The projections or recesses are geometrically arranged so as to branch and merge so as to be within p 0 .
By continuously changing the axial orientation in this manner, higher efficiency can be realized as compared with the divided ones.
Photonic crystal polarization separation prisms have, 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 stack λ 0 / (ns s −n f ) × φ / (2π)
If the medium is quartz, the separation angle 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 separating prisms 801 and 803 are disposed so that the directions of the curves are opposite to each other, and a glass substrate is interposed therebetween. It is also possible to arrange a liquid crystal cell 802 across nematic liquid crystal molecules. A transparent electrode is formed on the glass substrate, and 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 when an electric field is not applied, birefringence depending on the orientation can be given.
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 if the appropriate voltage is selected, the phase difference becomes (2n + 1) π (n = 0, 1, 2,...) When the voltage is off. Functions as a variable birefringence plate with zero retardation. When the phase difference is zero, when clockwise circularly polarized light is incident, it is clockwise, and when left circularly polarized light is incident, it is emitted counterclockwise. Therefore, as in the optical switch element 804 shown in the dotted-lined ellipse in FIG. 8, when the phase difference is zero, the light coming from above travels upward and the light coming from below travels downward. On the other hand, when the phase difference of the liquid crystal cell is π, clockwise circularly polarized light is emitted as left-handed circularly polarized light, and left-handed circularly polarized light is emitted as right-handed circularly polarized light. As a result, the light coming from the top goes down and the light coming from the bottom goes up. As described above, the light path can be switched by turning on and off the voltage applied to the liquid crystal cell 803.
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. 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. It only reverses the light path when the voltage is on and off. In addition, the liquid crystal cell may have a phase difference (2n + 1) π (n = 0, 1, 2,...) When a voltage is applied, and may have no phase difference when the liquid crystal cell is off. It only changes the output direction when on or 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。
[3.2-dimensional optical switch circuit]
The configuration for reducing the interference and crosstalk between adjacent lines of signal light by making the optical switch circuit into a two-dimensional type (planar arrangement type) 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 8 input × 8 output optical switch circuit. Light having a predetermined free space wavelength and a predetermined polarization (for example, right-handed circularly polarized light) is incident on the input port surface P at the left end. The input port P is configured by a polarization separation prism row, and the first to fourth ports 308 are arranged so that the light to be output is left-handed circularly polarized light and emitted obliquely downward; The eight ports 309 are arranged so that the light to be output becomes right-handed circularly polarized light and is emitted obliquely upward. In the optical switching element column Q, whether voltage is applied to the liquid crystal cell 302 and the liquid crystal cell becomes isotropic, or whether the voltage applied to the liquid crystal cell 302 becomes zero and the liquid crystal cell becomes a wave plate with a phase difference of 180 °. select. Thereby, the light from P column m port is
When m = <4, it is input to the m-th port or the (m + 4) -th port of R column,
When m> = 5, it is input to the m-th port or the (m-4) -th port of R column,
Combined. In contrast to coupling between adjacent lines only as shown in FIG. 1, in the optical switch circuit of the present invention, destinations selected by on / off of voltage are separated by four ports. That is, the jump width of the switch is four.
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 array S after the intermediate port plane R, switching between lines separated by 2 is selected. Further, in the optical switch element array U after the intermediate port surface T, switching between adjacent ports (between lines separated by only 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 apparent from the above description, in the optical switch element of N stages, path selection (switching) is possible such that the difference between ports is at most 2 N -1 , and adjacent lines as shown in FIG. Compared to switches only between them, 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。 Specific examples of the structure and characteristics of the optical switch circuit are shown. N = 3 (8 x 8) switch with channel spacing of 0.5 mm, prism pattern period of 5 um, propagation space of silica glass, light wavelength of 1550 nm, in-medium bending angle of 12.3 degrees, optical switch circuit If the radius of the input beam is chosen to minimize the overlap of the tails of the light beam after propagation, the propagation distance is 18.4 mm and the inter-signal crosstalk is -87.2 dB. Losses and crosstalk can be made very 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]
The example which comprises the optical switch circuit of a three-dimensional type (space wiring type | mold) using the optical switch element which concerns on this 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 of 16 inputs × 16 outputs (4 rows and 4 columns each). Light having a predetermined free space wavelength and a predetermined polarization (for example, right-handed circularly polarized light) is incident on the left end input port surface P portion. Optical switch element arrays Q, S, U, and W are disposed between the polarization separation prism arrays disposed on the port surfaces P, R, T, V, and X, respectively. In the example shown in FIG. 4, a ray incident on the input port plane P proceeds parallel to the xz plane, and path selection between ports in the x direction is performed by the first optical switch element array Q, so that The jump width 2 is coupled to the first intermediate port surface R of the next stage. The vertical point row (first optical switch element row Q) between the input port surface P and the first intermediate port surface R is a layer lower than the optical switch element in the y direction in the y direction. Also indicate that they are similarly provided. The same applies to the following second to fourth optical switch element arrays 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 plane, and the path between the ports in the y direction by the second optical switch element array S A selection is made and coupled with the second intermediate port face T of the next stage with a jump width 2 in the y-direction. 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 plane, and switching is performed between the ports adjacent in the x direction. In the section between the intermediate port plane V and the output port plane X, the light beam travels parallel to the yz plane, and switching is performed between adjacent ports in the y direction.
Specific examples of the structure and characteristics of the optical switch circuit are shown. In the 16 input × 16 output switch of FIG. 4, the channel spacing is 0.25 mm, the prism pattern period is 10 μm, the propagation space is silica glass, the light wavelength is 1550 nm, the in-medium bending angle is 6.1 degrees, and the optical switch circuit If the radius of the input beam is chosen so as to minimize the overlap of the tails of the light beam after propagation of S., the propagation distance is 14.1 mm and the inter-signal crosstalk is -56.8 dB. Losses and crosstalk can be made very 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. The number of input / output ports can be increased to 8 × 8 = 64, respectively, in the same way. The penalty, that is, the increase in the number of stages 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 method as an embodiment for variably connecting the signal port on the input side and the signal port on the output side with a high degree of freedom. In the multiple block method, free compatibility can be provided between blocks of the same size. In order to make the effects of the invention easy to understand, the principle of the structure of FIG. 4 will be described as it is by enlarging the size 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, hierarchy can be realized such as dividing each 4 × 4 block into four 2 × 2 blocks. Returning to the original, as shown in FIG. 10, the 4 × 4 block divided into four may be freely rearranged according to the following configuration.
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。 FIG. 11 shows that the PR part of the circuit of FIG. 4 is increased in size from 4 × 4 to 8 × 8 (section A), the same as the RT section (section B), and the PR part is again 4 × 4 to 8 × It shows three sections of what is 8 (section C). In order to display a ray moving horizontally or vertically in a three-dimensional space, section A in FIG. 11 represents horizontal movement, and in this section, the p-axis represents the x-axis. Section C is also the same. Section B represents the movement of the vertical plane of the ray, where 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 value of y of the 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 ray is constant and only the value of y changes. That is, in the sections A and C, (1 + 3) and (2 + 4) in FIG. 10 can be interchanged, and in the section B, (1 + 2) and (2 + 4) in FIG. It is shown in FIG. 10 in the 3-section structure of FIG. The blocks 1, 2, 3, 4 of size 4 × 4 on the input surface of section A can be arbitrarily replaced without changing the internal configuration on the output surface of section C.
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 concept, subblocks of size 2 × 2 that are inside blocks of size 4 × 4 can also be arbitrarily replaced in three sections. The same operation as above is also possible for subblocks of size 2 × 2. Alternatively, if sub-blocks of size 2 × 2 are arranged with 4 signals each including two signals each having two polarization degrees of freedom from two optical fibers, swapping corresponds to swapping between fibers. Only the section is enough.
以上を要約すると、入力面、出力面でそれぞれ2N×2N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。 Summarizing the above, there are 2 N × 2 N signal ports each on the input and output planes, which are divided into four layers to realize free replacement between blocks of the same size. -1) One switch face will be sufficient, and the advantage is more remarkable as N is larger.
[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)2あるいは(cosθ)2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]
Subsequently, a variable optical attenuator to which the principle of the optical switch element is applied will be described.
FIG. 12 shows an example of the variable optical attenuator. The variable optical attenuator includes a first polarization splitting prism pair 1201 and 1202, a second polarization splitting prism pair 1204 and 1205, and their first and second polarizations in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz. And a liquid crystal cell 1203 interposed between the separation prism pair. The first and second polarization splitting prism pairs 1201 and 1202 and 1204 and 1205 are pairs of photonic crystal polarization splitting prisms overlapping in the z-axis direction. The first polarization splitting prism pair 1204 and 1205 is a pair of left-handed and right-handed circularly polarized light, which travels along the z-axis and is a single light of a mixed state of left-handed and right-handed circularly polarized light. Separates into parallel lights of books. The liquid crystal cell 1203 converts each of the two parallel lights into a birefringent state of phase difference θ while keeping the principal axis direction constant by voltage driving. The second pair of polarizing prisms 1204 and 1205 is not required to have the remaining power and the light of the same polarization state as the incident beam having the power ratio (sin θ) 2 or (cos θ) 2 for the incident beam having passed through the liquid crystal cell 1203 Split into two 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。 When the voltage applied to the liquid crystal cell 1203 is continuously changed, the phase difference to be applied can also be continuously changed. The photonic crystal polarization splitting prisms 1201, 1202, 1204, 1205 are all in the same direction. It can be said that mixed polarized light incident on the first polarization splitting prism pair 1201 and 1202 is synthesized by changing the ratio of arbitrary right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light. Therefore, the first polarized light separating prism pair 1201 and 1202 separates the light into clockwise and counterclockwise circularly polarized light by the first prism 1201 and the second prism 1202 no matter what polarized light is incident. The direction is corrected in parallel, and the liquid crystal cell 1203 is made incident. In the liquid crystal cell 1203, the polarization state changes according to the given phase difference. For example, when right-handed circularly polarized light is incident, it becomes elliptically polarized light as the phase difference increases, and linearly polarized light when the phase difference is π / 2. When the phase difference further increases and the phase difference becomes π, it becomes counterclockwise circularly polarized light. Thus, in the liquid crystal cell 1203, the polarization state is changed and emitted according to the applied voltage. Therefore, the third polarizing prism 1204 further separates the light into the upper and lower portions depending on the polarization state of the incident light. This separation ratio depends on the phase difference given by the liquid crystal cell. The necessary light is combined by the fourth polarizing prism 1205 and output from the output port 1206. Unwanted light is separated into upper and lower parts by the polarization separation prism 1204, then converted back into parallel light by the polarization prism 1205, and emitted from other than the output port 1206. These unnecessary light 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 manner can be controlled by the phase difference given by the liquid crystal cell. Therefore, the configuration of FIG. 12 functions as a variable attenuator that can control 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. The present variable attenuator does not require alignment between elements, and has an industrially excellent feature.
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。 In optical switches with a large number of input / output ports, those with excellent characteristics due to insertion loss and crosstalk have been difficult to realize, but a large number of input / output ports can be realized by the simple composite structure of the photonic crystal prism and liquid crystal cell. It can be realized and is effective in an optical communication system.
Claims (11)
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
光スイッチ素子。 An optical switch element in which incident light that is circularly polarized clockwise or counterclockwise with a traveling direction inclined at a predetermined angle θ with respect to the z axis in the three-dimensional space xyz propagates in the xz plane,
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,
Each of the first and second polarization splitting prisms is a photonic crystal polarization splitting prism,
The liquid crystal cell can transition between an isotropic state with respect to at least the incident light and a birefringence state having a phase difference of 180 degrees by voltage driving.
By the transition of the liquid crystal cell, the incident light is emitted as circularly polarized light having the same traveling direction and one rotation direction of the same or the opposite, or a traveling direction inclined at an angle -θ with respect to the z axis An optical switch element that can be selected to be emitted as circularly polarized light in the same or the other opposite rotational direction.
前記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、
前記領域は、x軸方向に、複数の帯状のサブ領域に区分され、
フォトニック結晶の溝方向は、
前記領域の中では、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、
前記サブ領域の中では、y軸方向に対する角度が一様であり、
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ものである
光スイッチ素子。 In the optical switch element according to claim 1,
The photonic crystal polarization splitting prism
A photonic crystal half-wave plate formed in the xy plane and stacked in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz;
have one or more regions that are single or repeated in the x-axis direction,
The area is divided into a plurality of band-like sub-areas in the x-axis direction,
The groove direction of the photonic crystal is
In the region, the angle with respect to the y-axis direction changes stepwise in the range of 0 ° to 180 °, and
In the sub-regions, the angles with respect to the y-axis direction are uniform,
light incident in the z-axis direction,
clockwise circularly polarized light in a direction from the z axis toward the x axis,
left-handed circularly polarized light in the direction from the z axis towards the -x axis by the same angle,
An optical switch element that emits light separated and converted.
前記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、
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り、かつ、
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ものである
光スイッチ素子。 In the optical switch element according to claim 1,
The photonic crystal polarization splitting prism
A photonic crystal half-wave plate formed in the xy plane and stacked in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz;
have one or more regions that are single or repeated in the x-axis direction,
The groove direction of the photonic crystal is a curve represented by y = (D / π) log (| cos (πx / D) |) + constant, where D is a constant, in the approximate range of the average period of the groove, And,
light incident in the z-axis direction,
clockwise circularly polarized light in a direction from the z axis toward the x axis,
left-handed circularly polarized light in the direction from the z axis towards the -x axis by the same angle,
An optical switch element that emits light separated and converted.
光スイッチ回路。 An optical switch circuit comprising a plurality of the optical switch elements according to claim 1 arranged two-dimensionally or three-dimensionally.
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2N個の入力ポート列と出力面における所定偏光の2N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、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。 A light beam type multistage comprising switch sub-circuits of N stages in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz, and a plurality of optical switch elements according to claim 1 arranged in the x-axis direction in the switch sub-circuits of each stage A switch circuit,
The average direction of travel of the entire light beam is the z-axis direction,
The light beam creates a two-dimensional network in the xz plane,
2 N output ports sequence of a predetermined polarization in the 2 N input ports columns and output surface of the predetermined polarized light at input plane are aligned in the x-axis direction,
Each of the optical switch elements directs the emission direction of the light beam so as to direct the light beam incident thereon to one of the other two optical switch elements having different positions in the x-axis direction of the next stage. You choose
In the M-stage switch circuit (M <N), or the m-th of the ports arranged in the x direction therein binds to the m-th port of the next (M + 1) stages, or 2 to m (N- M) Do you combine with the port that only jumped,
A port surface or an intermediate port surface that forms a boundary between each step and a region leading to or behind it comprises a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization separation prism that adjusts polarization and bends light in a desired direction,
An optical beam type multistage switch circuit capable of converting an optical signal train incident on 2 N ports on an incident surface to an optical signal train different from an input, which is emitted from 2 N ports on an outgoing surface.
光ビーム形多段スイッチ回路。 The light beam type multistage switch circuit according to claim 5, wherein the order of the first stage, the second stage, ..., and the Nth stage is arbitrarily replaced.
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、
請求項1に記載のスイッチ素子が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し、
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。 A light beam type multistage switch circuit in a three-dimensional space xyz,
The average direction of travel of the entire light beam is the z-direction,
The light beam creates a two-dimensional network in the xz plane,
A plurality of switch elements according to claim 1 are arranged in the x direction to form one stage,
A plurality of the stages are arranged in the z direction to form a switch circuit,
The coupling destination of the mth switching element in the A-th stage is either the p-th or q-th (q> p) switching element of the (A + 1) -th stage which is the next stage, and the jump width q The value of -p is uniform regardless of m for one stage A, and different stages from stage A can be given different jump widths,
A port face or an intermediate port face forming a boundary between each step and a region leading to or behind it is provided with a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization splitting prism for adjusting polarization and bending light in a desired direction. circuit.
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2N×2N個のポートに入射した光信号を列を、出射面上における2N×2N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 three-dimensional space xyz, a switch sub-circuits of 2N stages in the z-axis direction, 2 N rows in the x direction aligned parallel to the optical switch element xy plane according to claim 1 in the switch sub-circuits at the respective stages , Light beam type three-dimensional multistage switch circuit forming 2 N rows in the y direction,
The light beam creates a three-dimensional network in xyz space,
The average direction of travel of the entire light beam is the z-direction,
The input port group of the predetermined polarization in the input plane and the output port group of the predetermined polarization in the output plane are aligned in the xy plane, and the light beam incident on each of the optical switch elements is in the x-axis direction on the next intermediate port plane It is possible to select whether to lead to one of the other two intermediate ports different in the position of or to one of the other two ports with different values on the next intermediate port surface,
M 1, 2. . , N-1 if any one
On the (2M-1) th intermediate port surface, it is determined whether the mth row of light beams is connected to the mth row on the 2Mth intermediate port surface or the m + 2th (NM) row. It is selectable,
On the second M intermediate port surface, it is possible to select whether the nth column of light beams is to be connected to the nth column on the (2M + 1) th intermediate port surface or to be connected to the n + 2 (NM) column And
As an effect of all 2N stages, a row of optical signals incident on 2 N × 2 N ports on the entrance plane is divided into another optical signal series of 2 N × 2 N predetermined polarization ports on the exit plane. A light beam type multistage switch circuit that can be converted.
光ビーム形多段スイッチ回路。 The light beam type multistage switch circuit according to claim 8, wherein the order of the first stage, the second stage,... And the second N stages is arbitrarily replaced.
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、
請求項1に記載のスイッチ素子が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、
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。 A light beam type multistage switch circuit in a three-dimensional space xyz,
The average direction of travel of the entire light beam is the z-direction,
The light beam forms a three-dimensional network in the xyz plane,
The switch elements according to claim 1 are arranged in a plurality of rows in the x direction and a plurality of columns in the y direction to form one surface.
Said face is an x-switched face such that the signal points on the face can be combined with two points whose y-values of the subsequent face are equal and x-values differ by the jump width Cx, or The signal point on the surface is a y-shaped switch surface such that the x-values of the subsequent surfaces can be combined with two points that are equal and y-values differ by a jump width Cy,
The jump width Cx for each of the plurality of x-type switch faces is not constant, and the jump width Cy for each of the plurality of y-type switch faces is not constant, and is composed of the x-type switch face and the y-type switch face,
A port face or an intermediate port face forming a boundary between each step and a region leading to or behind it is provided with a photonic crystal wave plate or a photonic crystal polarization splitting prism for adjusting polarization and bending light in a desired direction. circuit.
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)2あるいは(cosθ)2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。 A first polarization splitting prism pair, a second polarization splitting prism pair, and a liquid crystal cell interposed between the first and second polarization splitting prism pairs in the z-axis direction in the three-dimensional space xyz ,
Each of the first and second polarization splitting prism pairs is a pair in which the photonic crystal polarization splitting prisms overlap in the z-axis direction,
The first pair of polarization separation prisms is a pair of left-handed and right-handed circularly polarized light, which travels along the z-axis and is a single light of a mixed state of left-handed and right-handed circularly polarized light. Split into parallel light,
The liquid crystal cell converts each of the two parallel beams into a birefringence state of phase difference θ by voltage driving while keeping the principal axis direction constant.
It said second polarizing prism pairs, the incident beam that has passed through the liquid crystal cell, having a power ratio (sin [theta) 2 or (cos [theta]) 2, unnecessary wave with the light of the same polarization state as the incident beam, the power of the residual Variable optical attenuator that splits into two parallel beams.
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