JP4122755B2

JP4122755B2 - 光スイッチ及びｄｅｍｕｘ装置

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Publication number: JP4122755B2
Application number: JP2001350614A
Authority: JP
Inventors: 真古木; 智辰浦; 康郊佐藤; 民権田; 泉岩佐; 龍淳夫
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: JP2003149693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチ、及びＤＥＭＵＸ装置に係わり、特に、時間多重された信号光に含まれる特定時間成分を取出すＤＥＭＵＸ装置、このＤＥＭＵＸ装置に適用可能な光スイッチ、及びこのＤＥＭＵＸ装置に適用可能な光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネット等の情報通信の普及により通信による情報量は増大しており、膨大な情報量を高速伝送できる大容量通信システムが求められている。高速伝送技術として、光通信システムは光の超短パルス性、伝送に用いる光ファイバの広帯域特性、長距離伝送を可能とする点から注目されており、特に時間多重方式の通信においては、光ファイバを伝送してくる多重化された信号光から特定時間間隔成分毎に分離して取り出すＤＥＭＵＸ（Demultiplexer）装置が重要な役割を果たす。
【０００３】
現在実用化されている光通信システムにおいては、ＤＥＭＵＸ装置で時間多重された信号光から特定時間間隔成分を抽出する光スイッチング素子として電気的な制御による光スイッチが用いられているが、将来より一層の大容量化が進展すると、例えば、増大する情報量に対応した単位としてテラビット／秒（Tbit/s）以上の超高速通信の実現のためには、光パルスにより光学的に信号光をオン／オフする光スイッチが必要になる。このような光で制御する光スイッチとしては、非線形光学媒質の光照射に伴う吸収変化や屈折率変化を利用するものが主に研究されている。
【０００４】
特に発明者らは特開平１１−１５０３１号公報に開示されているように、吸収変化型の二次元光スイッチによりテラビット／秒の超高速時分割多重信号光を一括して各信号に分割（脱多重）する素子を実現している。このような一括変換型光スイッチは光でのみ制御可能な超高速光通信システム（テラビット／秒）と電気で制御可能な中速光通信システム（〜４０ギガビット／秒）を組み合わせた将来のシステムに必須の光スイッチとなる。さらに、特願平２０００−２４５７０２号で示したように、非線形光学媒質の光照射に伴う誘導複屈折性を利用したカー効果型光スイッチを実現し、光スイッチングにおけるオン／オフ比を飛躍的に向上させた。
【０００５】
ところで、光で制御する光スイッチには、非線形光学媒質の偏光特性、制御光の偏光性あるいは動作原理における偏光依存性のために、信号光の偏光状態が変化すると出力強度が変動するという問題があった。例えば、非線形光学媒質による導波路を用いた光スイッチでは、導波路そのものに偏光依存性があり、面型光スイッチにおいても制御光と信号光の偏光状態の関係によりスイッチング効率は大きく変動してしまう。また、カー効果など偏光を利用した動作原理では、信号光が特定の直線偏光であることが前提となる。これらの問題は、もし送られてくる信号光の偏光状態が一定あるいは変化するとしても既知であれば、光スイッチ素子の構成の追加により対応することが可能であるが、実際に送られてくる信号光では時々刻々偏光状態が変化するため、光スイッチそのもののスイッチング特性を偏光無依存にする必要がある。かかる事情から、これまでもいくつか光スイッチとして偏光依存性を回避する方法が提案されている。
【０００６】
例えば、特開平５−１８８４１１号公報に記載の技術では、非線形カー媒質に信号光を２回通過させ２回目の通過時には偏光が９０度回転しているような構成を採ることにより、スイッチング効率の信号光の偏光依存性を解消させている。また、特開平１１−１１９２６８号公報及び特開平１１−２６４９５８号公報には、直列に導波路デバイスを配置し、あるいは一つの導波路デバイスを進行方向に二分割し、その中間に偏光回転素子を配置することにより直交する信号光成分を連続的にスイッチする技術が提案されている。
【０００７】
また、特開平２０００−２９０８０号公報には、面型の光スイッチにおいても偏光無依存のスイッチングに関する技術が提案されている。すなわち、半導体量子井戸の円偏光制御光照射による吸収飽和の偏光特性を利用し、オン／オフ比の高いスイッチングを可能としている。さらに偏光ビームスプリッタやウォラストンプリズムを用い、一旦信号光を２つの直交偏光成分に分け、これを１点に集光してスイッチングした後、再度同一の偏光素子を透過させることにより、スイッチングされた光を取り出すことが可能とされている。
【０００８】
また、光スイッチではなく、波長変換素子としては、特開平１０−２３２４１５号公報には、信号光を第１及び第２の偏波成分に分け、それぞれの偏波成分をＤＦＢレーザダイオードによって位相共役光ビームに変換した後で偏波合成することで偏光依存性を解消する技術が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−１８８４１１に記載の技術では、信号光の非線形カー媒質の一回目の通過時と２回目の通過時とでは、その光強度は素子全体での透過損失のため必然的に変化しており、２つの偏光成分を同等にスイッチングすることは極めて困難であるという問題があった。
【００１０】
また、特開平１１−１１９２６８号公報及び特開平１１−２６４９５８公報に記載の技術では、前半でのスイッチングと後半でのスイッチングにおける制御光強度が伝播ロスにより変化し、均等にスイッチングを行うためには極めて高精度な制御が必要であるという問題があった。
【００１１】
また、特開平２０００−２９０８０号公報に記載の技術は、同一の制御光を同時に使用するため、均等に２つの直交偏光成分をスイッチングすることが可能であるが、一点のスイッチングに少なくとも２つの信号光と１つの制御光を集光する必要があり、偏光分離前の信号光１本当たりに１つの偏光素子が必要になる。このため面型光スイッチの最大の特徴である、一素子で多点のスイッチングを一括して行うことができる、という構成を取ることが極めて困難であるという問題があった。さらに空間的にこれら複数のビームを一点に集光させるためには複雑で高精度なアライメント調整が必須であった。
【００１２】
また、特開平１０−２３２４１５号公報に記載の技術は、信号光の波長をシフトさせるものであり、信号光の光強度変換による光スイッチには適用できなかった。
【００１３】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で且つ偏光状態に係わらずに安定に動作する光スイッチを提供することを第一の目的とし、さらに複雑で高精度なアライメント調整を必要とせずに多点一括スイッチングを実現することができる光スイッチ、ＤＥＭＵＸ装置、及び該ＤＥＭＵＸ装置に適用可能な光学素子を提供することを第二の目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光スイッチは、入射された信号光を偏光方向が互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分割する信号光分割手段と、入射された制御光を前記第１の直線偏光と偏光方向が同じ第３の直線偏光と前記第２の直線偏光と偏光方向が同じ第４の直線偏光とに分割する制御光分割手段と、前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第３の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる光スイッチ膜を備えた第１のスイッチング手段と、前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第４の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる光スイッチ膜を備えた第２のスイッチング手段と、透過率変化に応じて前記第１のスイッチング手段を透過して出力した前記第１の直線偏光と前記第２のスイッチング手段を透過して出力した前記第２の直線偏光とを合波する信号光合波手段と、を有することを特徴としている。また、本発明の光スイッチは、入射された信号光を偏光方向が互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分割すると共に、入射された前記第１の直線偏光と第２の直線偏光とを合波して出力する信号光分割・合波手段と、入射された制御光を前記第１の直線偏光と偏光方向が同じ第３の直線偏光と前記第２の直線偏光と偏光方向が同じ第４の直線偏光とに分割する制御光分割手段と、
前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第３の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる第１の光スイッチ膜、及び前記第１の光スイッチ膜の前記第１の直線偏光の入射面の裏面に設けられ、前記第１の光スイッチ膜を透過した前記第１の直線偏光を前記第１の光スイッチ膜を再度透過して前記信号光分割・合波手段へ入射する方向に反射する反射膜を備えた第１のスイッチング手段と、前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第４の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる第２の光スイッチ膜、及び前記第２の光スイッチ膜の前記第２の直線偏光の入射面の裏面に設けられ、前記第１の光スイッチ膜を透過した前記第２の直線偏光を前記第２の光スイッチ膜を再度透過して前記信号光分割・合波手段へ入射する方向に反射する反射膜とを備えた第２のスイッチング手段と、を有することを特徴としている。
【００１５】
本発明によれば、信号光分割手段もしくは信号光分割・合波手段によってあらかじめ信号光の偏光成分を２つに分け、等価なスイッチング手段によりそれぞれの偏光成分を同時にスイッチングし（出力強度切換え）、それぞれの偏光成分の強度に依存した出力が得られる。このスイッチング手段の出力を信号光合波手段もしくは信号光分割・合波手段により１つに合波するので、光スイッチは如何なる偏光の信号光が入射しても光スイッチング効率を変動させることなく動作可能となる。また、従来技術のように１つの信号光を２回順次スイッチングさせなくてもよいので、光量損失の心配がなく安定して動作可能である。これにより、従来よりも著しく信号のオン／オフ比を改善することができる。
【００１６】
なお、前記光スイッチは、前記信号光分割手段により分割された前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との前記信号光合波手段までの径路が互いに光学的に対称であるようにすれば、互いに等価なスイッチング手段を容易に実現できる。
【００１７】
また、前記光スイッチは、前記信号光分割・合波手段により分割され、前記信号光分割・合波手段により合波されるまでの前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との径路が互いに光学的に対称であるようにすれば、互いに等価なスイッチング手段を容易に実現できる。
【００１８】
また、前記光スイッチは、第１の直線偏光と第３の直線偏光とを集光して前記第１のスイッチング手段へ入射させるための第１の集光手段と、第２の直線偏光と第４の直線偏光とを集光して前記第２のスイッチング手段へ入射させるための第２の集光手段と、を更に有する、ことを特徴とする。
【００１９】
また、前記光スイッチは、前記制御光分割手段から前記第１のスイッチング手段までの前記第３の直線偏光の経路と、前記制御光分割手段から前記第２のスイッチング手段までの前記第４の直線偏光の経路とを等価であるようにすれば、同時に制御光をスイッチング膜に照射でき、同時スイッチングを容易に行うことができると共に、単一の偏光の信号光を単一の制御光でスイッチングするので、ビームのアライメント調整が容易であり、面上の多点でスイッチングする構成にも容易に拡張できる。
【００２０】
また、前記信号光合波手段の出力光から前記信号光の成分と前記制御光の成分とを分離する信号光・制御光分離手段を更に有するようにすれば、該光スイッチの出力から不要光を除去することができより高精度な信号出力を得ることができる。
【００２１】
ところで、信号光や制御光を単一で利用するときは集光手段も単一のもので良いが、複数の光を用いた場合、単一の集光手段ではその透過部位により特性が変化することがあるので、前記第１の集光手段及び前記第２の集光手段にアレイレンズを用いれば、該アレイレンズにより複数の信号光と対応する制御光との合波光を各々集光してスイッチング膜の複数の位置に入射でき、該スイッチング膜の複数の位置各々において出力を切換え可能する、すなわち多点スイッチングが可能となる。
【００２２】
前記信号光・制御光分離手段には、信号光及び制御光の波長が既知であれば例えばダイクロイックミラーを用いることができるが、前記信号光・制御光分離手段は、前記制御光のみを反射する反射部と前記信号光のみを透過する少なくとも１つの透過部を有するようにすれば、信号光及び制御光の波長に係わらず動作可能とすることができる。
【００２３】
前記光スイッチは、光学素子を空間的に離間させて配置して構成することが可能であるが、例えば板状のハーフミラー等を用いた場合、光学調整が必須になる。このため、前記信号光分割手段、前記制御光分割手段、前記第一のスイッチング手段、前記第２のスイッチング手段、及び信号光合波手段の各々は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段同士を前記法線面で互いに密着して形成するとよい。このようにすることで、法線面を密着させる工程の作業のみで光学調整は不要となる。また、光スイッチ全体を１つのモジュールとして形成することができる。
【００２４】
また、前記光スイッチは、前記信号光合波手段の出力光から前記信号光の成分と前記制御光の成分とを分離する信号光・制御光分離手段を更に有し、前記信号光・制御光分離手段は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段と前記法線面で互いに密着して形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
また、前記光スイッチは、前記信号光分割・合波手段、前記制御光分割手段、前記第１のスイッチング手段、及び前記第２のスイッチング手段の各々は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段同士を前記法線面で互いに密着して形成するとよい。さらに、前記光スイッチは、前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とを集光して前記第１のスイッチング手段へ入射させるための第１の集光手段と、前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とを集光して前記第２のスイッチング手段へ入射させるための第２の集光手段とを更に有し、前記第１の集光手段及び前記第２の集光手段は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段と前記法線面で互いに密着して形成することにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
このように、各手段を入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段と互いに密着して形成して所謂密着型とすることで、極めて高い精度で組み立て可能である。また、環境変化や振動・衝撃などに対する耐久性を向上させる効果もある。
【００２７】
本発明のＤＥＭＵＸ装置は、前記光スイッチを備え、前記光スイッチにより時間多重された信号光に含まれる特定時間成分を取出すことを特徴としている。本発明によれば、時間多重された信号光の偏光に依存せずに、特定時間成分を取出すことができる。
【００２８】
この場合、前記時間多重された信号光及び前記制御光をそれぞれ複数に分割する分割手段と、前記分割手段より分割された信号光及び制御光の少なくとも一方に異なる遅延時間を与える遅延手段と、を備え、前記分割手段により複数に分割され、且つ前記遅延手段により少なくとも一方に遅延時間が付加された信号光及び制御光を前記光スイッチに入力するようにすれば、同時に複数の特定時間成分（複数チャンネル）の信号光を分離して取出すことができる。
【００２９】
本発明の光スイッチは、前記信号光の前記信号光分割手段への入射側、及び前記制御光の前記制御光分割手段への入射側の各々に、入射光を分割するための少なくとも１つのハーフミラーと、光の進行方向を変更するための複数の全反射ミラーとを各分割光の光路長が略同等で、且つ分割光が一次元又は二次元に整列して出力されるように設けた光学素子を更に有する、ことを特徴としており、入射光を同期した複数の平行光束に分割することができる。
【００３０】
前記光学素子では、前記ハーフミラー及び全反射ミラーの後段に設けられ、光の進行方向と交差する伝搬面の異なる部位を伝搬する光に対して光学的厚みが異なるように形成されたプリズムを更に有し、前記ハーフミラー及び全反射ミラーにより整列されて出力された各分割光に対して異なる遅延時間を与えるようにすれば、時間差を設けて、複数の信号光や制御光を光スイッチに入射することができる。
【００３１】
また、本発明の光スイッチは、前記信号光の前記信号光分割手段への入射側、及び前記制御光の前記制御光分割手段への入射側の各々に、入射光を分割するための少なくとも１つのハーフミラーと、光の進行方向を変更するための複数の全反射ミラーとを各分割光の光路長が異なり、且つ分割光が一次元又は二次元に整列して出力されるように設けた光学素子を更に有することを特徴としており、入射光を時間差を設けた複数の平行光束に分割することができる。
【００３２】
なお、上記光学素子は、前記入射光と出射光とを略平行にするための角度調整ミラーを更に有するようにしてもよい。また、光の入射面及び出射面を入射光及び出射光各々の光軸に対して法線面とし、密着型にしてもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明するのに先だって、本発明を適用することで実現を目指すＤＥＭＵＸ装置の動作原理を説明する。
【００３４】
図１に、ＤＥＭＵＸ装置の動作の概念図を示す。図１に示すＤＥＭＵＸ装置１００では、複数チャンネル（図１では４チャンネル）の信号が時間多重された信号光を分割手段１０２及び遅延手段１０４を介することにより複数に分割し、且つ各分割された信号光（分割信号光）に対して異なる遅延時間を与えてから、面型の光スイッチ１０６に入力される。なお、この遅延時間は、信号光による信号伝送速度（bit/s）に応じて設定され、各分割信号光に与えられる遅延時間はそれぞれ１bit分に相当する時間だけ異なる。
【００３５】
一方、読出しタイミング制御に用いる制御光は、分割手段１０２を介することにより複数に分割されて、各分割信号光に対応させて光スイッチ１０６に入力される。光スイッチ１０６では、各分割信号光から制御信号と同期した時間分割成分のみを選択して、すなわち各分割信号光から各々異なるチャンネルの信号を選択して出力する。これにより、チャネル毎に信号光を取出すことができる。
【００３６】
なお、図１では、信号光の方に遅延手段１０４を設けて遅延時間を与える場合を示したが、図２のように、制御光の方に遅延手段１０４を設けて、分割した制御光各々に同様に異なる遅延時間を与えて光スイッチ１０６に入力しても、チャネル毎に信号光を取出すことができる。また、図示は省略するが、信号光と制御光との両方に遅延手段を設けて、例えば、1/2bit分ずつずらすようにしてもよい。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００３８】
＜第１の実施の形態＞
図３を参照して、第１の実施の形態として、スイッチング機構として光スイッチ膜の透過率（反射率）変化を用い、光スイッチ膜を透過する信号光出力をオンオフ制御する光スイッチ（透過率変化利用・透過型）を説明する。
【００３９】
図３（Ａ）に示す光スイッチ１０６では、信号光１はまず信号光分割手段としての偏光ビームスプリッタ２に入射されるようになっており、偏光ビームスプリッタ２により互いに直交する２つの偏光成分（図３では紙面に対して垂直な偏光成分と、それに直交する紙面に対して上下方向の偏光成分）に分割されて、互いに異なる方向に出力される。すなわち、信号光１は、偏光ビームスプリッタ２により２方向に分岐される。
【００４０】
偏光ビームスプリッタ２により分割された各信号光１ａ、１ｂ（以下、特に区別しない場合は末尾のアルファベットは省略して示す）の進行方向には、それぞれ全反射ミラー３、制御光のみを反射し信号光は透過するミラー８、集光レンズ４Ａ、光スイッチ膜５、及び集光レンズ４Ｂが配置され、且つ信号光合波手段として、各集光レンズ４Ｂの後段には共通の偏光ビームスプリッタ９が配置されて、各分割された信号光の径路は互いに光学的に対称とされている。これにより、各分割された信号光は等価な径路を経るようになっており、偏光ビームスプリッタ２により分割された信号光は、それぞれ対応する全反射ミラー３で反射され、ミラー８を透過して集光レンズ４Ａにより集光されて光スイッチ膜５に入射する。
【００４１】
一方、制御光６は、まず制御光分割手段としての偏光ビームスプリッタ７に入射されるようになっている。この偏光ビームスプリッタ７は、各ミラー８の制御光を反射する面に対して等価な位置に配置され、入射された制御光６を互いに直交する２つの偏光成分に分割して、各ミラー８へと案内するようになっている。なお、制御光６は、図３の紙面において４５度の直線偏光で入射するようになっており、偏光ビームスプリッタ７により略同等の強度で分割されるようになっている。制御光６を右回りあるいは左回りの円偏光で入射しても同様の効果が得られる。
【００４２】
偏光ビームスプリッタ７により分割された各制御光６ａ，６ｂ（以下、特に区別しない場合は末尾のアルファベットを省略して示す）は、それぞれ対応するミラー８で反射され、該ミラー８を透過した信号光１ａ、１ｂとそれぞれ合わせられ、信号光と合波された状態で集光レンズ４Ａに入射することで、光スイッチ膜５の信号光と同一スポットに集光されるようになっている。
【００４３】
上記の如く各部材を配置することにより、分割された信号光１ａ，１ｂは等価な径路を経て各々対応する光スイッチ膜５に同時に到達する。また、分割された制御光６ａ，６ｂも等価な径路を経て各々対応する光スイッチ膜５に同時に到達する。
【００４４】
光スイッチ膜５は、制御光６により誘起される非線形透過率変化により選択された信号光１のみを透過させる。すなわち光スイッチ膜５に入射された信号光１のうち、制御光６と同一タイミングで入射した信号光１（以下、「制御光と同期した信号光」と称す）のみが選択されて透過される。このとき光スイッチ膜５に入射される制御光と信号光は、同一方向の直線偏光であり最も効率的な光スイッチングが可能になる。また、集光レンズ４Ａにより集光して光スイッチ膜５に入射させているので、光スイッチングを安定して効率的に行うことができる。
【００４５】
各光スイッチ膜５を透過した信号光１は、それぞれ該光スイッチ膜５後方の集光レンズ４Ｂにより平行光束に戻され、偏光ビームスプリッタ９に入射されて合波され、もともとの信号光１の偏光特性に等しい信号として出力される。偏光ビームスプリッタ９の後段には、信号光・制御光分離手段として、制御光を反射し信号光は透過するミラー１０が設けられており、光スイッチ膜５を透過してきた制御光６はこのミラー１０により分離され、制御光６と同期した信号光１のみを出力光１１として取出すことができる。
【００４６】
ここで、光スイッチ膜５として利用できるものは、例えば、半導体量子井戸や色素薄膜の吸収飽和等が使用できる。制御光照射に伴う吸光度変化により所望の光パルスのみを透過させることができる。さらに、スイッチング薄膜の表面と裏面での反射光の干渉を利用することにより、透過率の変化を強調したり、透明波長領域における屈折率変化によりスイッチングしたりする構成でも良い（特開平１１−１５０３１号公報参照）。なお、光スイッチ膜５は、透明基板１８に非線型光学材料を薄膜形成することにより形成されており（図８参照）、当然ながら、集光レンズ４Ａは透明基板１８の光学的厚さを考慮して光スイッチ膜５の表面に焦点が結ばれるように設計される。
【００４７】
制御光を反射し信号光を透過するミラー８、１０としては、例えば、誘電体多層膜などによるダイクロイックミラーを使用することができる。ただし、ダイクロイックミラーを使用するためには、制御光波長λ１と信号光波長λ２が異なり、且つその関係が既知である必要がある。より詳しくは、制御光波長λ１が信号光波長λ２よりも長波長の場合には図４（Ａ）に示すような分光特性を有するミラー、逆に制御光波長λ１が信号光波長λ２よりも短波長の場合には図４（Ｂ）に示すような分光特性を有するミラーを使用する。
【００４８】
また、空間的に信号光１と制御光６の光軸をずらすことにより、同じく制御光のみを反射するミラー８、１０を構築することもできる。例えば、図５（Ａ）のように、信号光１がミラー８の集光レンズ４Ａの光軸の中心に対応する領域に入射され、制御光６は信号光１と光軸位置がずらされてミラー８に入射する場合は、信号光１が入射する領域は透過部１２Ａとし、且つ制御光６が入射される領域（図５では透過部の周辺領域）は透過部１２Ａを透過した信号光１の光軸と略平行となるように入射した光を反射する反射部１２Ｂとするような空間パターン１２を透明ガラスの表面などに設けてミラー８として用いれば、制御光６のみを反射し信号光１は透過される。このミラー８を用いた場合、図５（Ｂ）のように制御光６が信号光１に対して対称にずれてミラー１０に入射されるので、該ミラー１０にも同様に空間パターン１２を用いれば、制御光６のみを反射することができる。ミラー８、１０にこのような空間パターン１２を有するミラーを用いれば、制御光６及び信号光１の波長に係わらず、たとえ両者が同一波長であっても制御光６と信号光１を効率よく導くことができる。
【００４９】
ところで、上記のように分割された各信号光について光学系を対称に形成する場合には、両方の光路長を等しくするために各光学部品の位置制御を非常に精密に行う必要がある。特に、扱う信号光が１ピコ秒間隔のテラヘルツ信号である場合、分割された各信号光の光路長がサブミリレベルで一致していることが必要とされる。このような問題を解決するためには、図３（Ａ）で用いた各光学部品を図３（Ｂ）のように光の進行方向に直交する面で精密に工作して密着させて構成することが有効になる。このような密着型の構成では、各部品の工作精度が光路長を決定することになり、サブミリレベルの工作精度は比較的容易に達成できる。また、各部品の位置関係は入射面、出射面の精度があれば用意に高精度で組立可能である。また、密着型に構成することにより、環境変化や振動・衝撃に対する耐久性を向上を図ることができ、且つ全体の素子サイズを小さくすることができる。
【００５０】
ここで図３（Ａ）に示したように各光学部品を空間配置した光スイッチ１０６の場合は、集光レンズ４Ａ、４Ｂとして通常の凸レンズ、好ましくは片凸レンズが使用されるが、図３（Ｂ）に示すような密着型の光スイッチの場合は、密着型の平板レンズを使用することがその組立精度の点からも望ましい。
【００５１】
密着型の平板レンズとしては、具体的には、図６（Ａ）に示すような中心から周辺部に向けて屈折率が低くなるように設計された屈折率分布型レンズ（セルフォックレンズ）１３や、図６（Ｂ）に示すような屈折率の高い透明媒質による片凸レンズ１５と屈折率の低い媒質による曲率の等しい片凹レンズ１６を組み合わせた両平面レンズを使用することができる。特に後者の両平面レンズは、サイズの制限が無く、低コストで製造できるというメリットがある。なお、何れのレンズを使用した場合にも平行光束入射によるその焦点が光スイッチ面になるように設計されなくてはならない。
【００５２】
次に、図７を参照して、本実施の形態の作用を説明する。図７は、光スイッチの要部のみを簡略化して示した光スイッチの動作を示す概念図である。
【００５３】
図７に示すように、光スイッチ１０６に入力された信号光１は、まず偏光ビームスプリッタ２によって２つの互いに直交する偏光成分（例えば垂直偏光成分、水平偏光成分）に分割され、各分割された信号光１ａ、１ｂはそれぞれ対応する光スイッチ膜５に同時に入射される。
【００５４】
一方、制御光６は、偏光ビームスプリッタ７により同一強度に２分割され、分割された制御光６ａ，６ｂもそれぞれ対応する光スイッチ膜５に同時に入射される。より詳しくは、制御光６ａ，６ｂは、ミラー８により信号光１ａ，１ｂとそれぞれ合波され、集光レンズ４Ａで集光されて光スイッチ膜５に入射され、光スイッチ膜５の面上において信号光と同一スポットに入射される。
【００５５】
したがって、各光スイッチ膜５には、同一タイミングで制御光が供給され、それぞれの光スイッチ膜５において、光スイッチ１０６に入力された信号光１から同一タイミングの各偏光成分（信号光１ａ，１ｂの）のみが選択されて出力されるの。すなわち、スイッチ膜５からは、制御光が光スイッチ膜５に照射されたときに対応する特定時間成分の各偏光成分に依存した出力がそれぞれ得られる。この選択された信号光１ａ、１ｂは、同時に偏光ビームスプリッタ９に入射して１つに合波される。制御光が光スイッチ膜５に照射されたときに対応する特定時間成分の各偏光成分の強度の総和に依存した出力が得られる。なお、このとき不要な制御光６は、後段のミラー１０で分離されてから出力される。
【００５６】
このように光スイッチ１０６では、入力された信号光を２つの互いに直交する偏光成分に分割してそれぞれを同時にスイッチングした後再び１つに合波することで、もともとの信号光１の偏光特性に等しい信号として出力することができ、入射された信号光の偏光状態に係わらず動作可能である。また、従来技術のように１つの信号光を２回スイッチングさせなくてもよいので、光量損失の心配がなく安定して動作可能である。すなわち透過率変化を利用した光スイッチにより、従来よりも著しく信号のオン／オフ比を改善することができる。
【００５７】
また、単一の偏光の信号光を単一の制御光でスイッチングするので、ビームのアライメント調整が容易であり、面上の多点でスイッチングする構成にも容易に拡張できる。詳しくは、光スイッチ膜５は、制御光が照射された部分（及びその周辺）に入射した信号光のみに非線型光学効果を生じさせるので、制御光及び信号光の少なくとも一方を光スイッチ膜５の異なる複数の位置に照射又は入射させることにより、１つの光スイッチ膜５においてスイッチングする動作点を複数設けられるという特徴があり、面型の光スイッチとして使用可能である。この場合、安定したスイッチングを実現するには各動作点に略同一強度の制御光や信号光が照射・入射されることが求められ、このためには、光スイッチ膜５全面に光ビームを照射又は入射させるよりも、複数の光ビームに分けて各動作点に照射又は入射する方が好ましい。
【００５８】
複数の光束を扱うためには、ミラー８、１０に空間パターン１２を有するミラーを用いるのであれば、例えば、図５（Ｃ）のように複数の信号光１が入射される領域各々を透過部１２Ａとし、その他の領域を反射部１２Ｂとした空間パターン１２を有するミラーを使用すればよい。この空間パターンを有するミラー以外の他の光学部品については複数の光束を扱うために取り立てて変更の必要は無いが、扱う光束の数だけ集光レンズ４Ａ、４Ｂをアレイ化したものが必要である。図８に示すように、透過型の光スイッチの場合は基板１８上に光スイッチ膜５が薄膜形成されており、例えば、空間配置の場合は（Ａ）に示すように片凸型レンズが複数配列された１対のマイクロアレイレンズ１７を基板１８及び光スイッチ膜５を挟むように配置し、密着型の場合は（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、セルフォックレンズ型の１対のアレイレンズ１９或いは組み合わせ平板レンズ型の１対のアレイレンズ２０を基板１８及び光スイッチ膜５を挟むように基板及び光スイッチ膜５の各面上に貼り合わて使用すればよい。
【００６５】
＜第２の実施の形態＞
次に図９を参照して、第２の実施の形態として、スイッチング機構として光スイッチ膜の反射率（透過率）変化を用い、光スイッチ膜を反射する信号光出力をオンオフ制御する光スイッチ（透過率変化利用・反射型）を説明する。なお、第１実施の形態と同一の部材については同一の符号を付与して、詳細な説明を省略する。
【００６６】
図９（Ａ）に示すように、第２の実施の形態の光スイッチ１０６では、偏光ビームスプリッタ２よりも信号光１の進行方向手前側に光サーキュレータ２３が配置されており、信号光１は光サーキュレータ２３を通過した後、偏光ビームスプリッタ２に入射されて、互いに直交する偏光成分の２本のビーム（信号光１ａ，１ｂ）に分割されて２方向に分岐される。偏光ビームスプリッタ２により分割された各信号光１ａ，１ｂの進行方向には、それぞれ制御光のみを反射し信号光は透過するミラー８、集光レンズ４、光スイッチ膜５が配置されており、各信号光の径路は互いに光学的に対称となっている。偏光ビームスプリッタ２にて分割された各信号光１は、それぞれ対応するミラー８を透過して、集光レンズ４により集光されて光スイッチ膜５に照射される。
【００６７】
一方、光スイッチ膜５を駆動する制御光６は偏光ビームスプリッタ７に対して４５度の直線偏光で入射し、強度の等しい直交する２つのビーム（制御光６ａ，６ｂ）にそれぞれ分けられてミラー８に入射され、ミラー８により信号光１と制御光６は平行に合波される。このとき、合波された信号光１と制御光６はそれぞれ同一の直線偏光となる。
【００６８】
光スイッチ膜５は、制御光が照射されていないときは、信号光波長における反射率が略０％であり、制御光が照射されると実部あるいは虚部の屈折率変化に伴い反射率が大きくなるものを使用している。光スイッチ膜５の光入射面の裏面には反射膜２１が設けられており、信号光１及び制御光６は光スイッチ膜５内部を往復する。各光スイッチ膜５では、制御光６によって引き起こされた光スイッチ膜５の反射率変化によりに制御光６と同期した信号光１を反射し、反射された光は光スイッチ膜５に入射するときに通った光路（往路）を逆方向に伝播する。
【００６９】
それぞれの光スイッチ膜５により反射されて逆方向に伝搬された信号光１は、往路を逆進してミラー８を透過して偏光ビームスプリッタ２に入射し、偏光ビームスプリッタ２で合波される。すなわち、偏光ビームスプリッタ２が偏光ビームスプリッタ９の機能を有し、共通化されている。このとき、ミラー８は信号光１から制御光６を分離するためにも使用され、信号光１と共に光スイッチ膜５に反射された制御光６はミラー８により反射されるので、偏光ビームスプリッタ２に入射される光に混在することはない。
【００７０】
偏光ビームスプリッタ２で合波された信号光１は、光サーキュレータ２３に入射し、光サーキュレータ２３において往路で信号光１が入射してきた方向とは異なる方向に出力され、出力光１１として取出すことができる。なお、光サーキュレータ２３の代りに例えばハーフミラー等を使用することができるが、その場合は２回強度が半分になるという損失が発生するため、上記のように光サーキュレータ２３を用いることが好ましい。
【００７１】
また、光スイッチ１０６が複数の光束を扱う場合は、反射型の構成では、図１０に示すように、基板１８に光スイッチ膜５及び反射膜２１が順に薄膜形成されており、空間配置の場合は（Ａ）に示すようにマイクロアレイレンズ１７を平面側を光スイッチ膜５に向けて基板１８側に配置し、密着型の場合は（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、セルフォックレンズ型のアレイレンズ１９、或いは組み合わせ平板レンズ型のアレイレンズ２０を基板１８の面上に貼り合わせて使用すればよい。
【００７２】
上記のように構成することにより反射型の光スイッチでも、偏光性無依存を実現でき、第１の実施の形態と同様に、従来よりも著しく信号のオン／オフ比を改善することができる。また、第２の実施の形態では、偏光ビームスプリッタや集光レンズを往復路で共用することができ、第１の実施の形態に比べて必要な部品点数を減らすことができるという利点がある。また、この第２の実施の形態においても、図９（Ｂ）に示すように密着型の光スイッチとして構成することでもより高精度化・小型化することができる。
【００８０】
上記をまとめると、第１または第２の実施の形態で説明したように、信号光１を互いに直交する２つの偏光成分に分割し、且つ分割した各々の信号光に対して互いに光学的に対称となるように光スイッチ膜５を設け、各々の光スイッチ膜５により同時にスイッチングすると共に、各光スイッチ膜５でスイッチングした信号光を合波して出力光１１として取出すことで、偏光状態に依存しないスイッチングを達成することができる。また、制御光６を２つに分割し、上記第１または第２の実施の形態のように光学的に対称な径路を構成することで、分割した各々を等しい光路長を経て光スイッチ膜５に入射させることができ、簡単な構成で両方の光スイッチ膜５の同時スイッチングを実現することができる。
【００８１】
また、密着型のプリズムなどの光学部品を用いて、光スイッチを構成する各光学部品を入射光及び反射光の進行方向に対する法線面でそれぞれ密着して構成することにより小型化を図ることができる。特に第２の実施の形態で示したような反射型の構成は、第１の実施の形態で示したような透過型の構成よりも必要とする光学部品点数を減らすことができ、密着型においてさらに素子サイズを小さくすることができる。さらに反射型の構成は、光スイッチ膜５が素子の外面にあり、このことは温度変化が大きいと予想される光スイッチ膜５をペルチェ素子で冷却する場合に有利となる。
【００８２】
ところで、前述のように面型の光スイッチで多点でスイッチング動作を行うためには、信号光と制御光とを複数の光束に分割することが必要である。すなわち、１つの光束を複数の光束に分割する分割手段が必要とされ、このような目的は、通常ハーフミラーなどを空間的に配置して簡易に実現することは可能であるが、安定性が低く、調整が複雑になり、ビームの数が多くなると調整が困難になる。さらに、繰り返しの速い例えばテラビット／秒などの信号光を扱うときには、サブミリレベルで光路長が正確に調整されていなければならず、空間的にミラーを配置することはさらに困難になる。
【００８３】
また、ＤＥＭＵＸ装置の動作原理で説明したように、面型の光スイッチで時間多重された信号光、特に連続的なテラヘルツ信号を空間的に振り分けるためには、信号光と制御光の何れか一方に、複数に分割した光束の光スイッチ膜５への到達時間差を付加させる遅延手段が必要である。すなわち、制御光が各集光スポットにおいて時間的にタイミングの異なる信号光パルスと出会うことによりはじめて、連続するパルスの空間的なＤＥＭＵＸが可能になる。
【００８４】
以下、第３〜第５の実施の形態に、光スイッチ１０６に光を案内するための光学素子を示す。
【００８５】
＜第３の実施の形態＞
まず、図１１〜図１５を参照して、第３の実施の形態として、一つの平行光束を複数の平行光束に変換するための光学素子を説明する。
【００８６】
図１１〜図１５に示すように、この光学素子２４は、光の入射面及び出射面が入射光及び出射光に対してそれぞれ直交するように形成され、且つ該光学素子２４を構成する各光学部品は、ガラスなどの透明媒質によるプリズムとハーフミラー２５や全反射ミラー２６との組み合わせにより構成されている。なお、プリズムとハーフミラーや全反射ミラーの組合せの他にも、平行平板に部分的にハーフミラーや全反射ミラーをコーティングしたものも有効に利用できる。また、各図において各光学部品の境界線を便宜的に記載したが、ハーフミラー２５および全反射ミラー２６の位置関係が重要であり、これを達成する構成であればどのような切断面の構成でも構わない。
【００８７】
図１１（Ａ）では、入射面２７から光学素子２４内に入力された平行光束の進行方向にハーフミラー２５が配置されており、入力された平行光束は、まずハーフミラー２５により互いにハーフミラー２５に対して同一角度をなす２つの光束に分割される。分割された一方の光束の進行方向には、ハーフミラー２５と平行に全反射ミラー２６Ａが設けられており、該一方の光束はこの全反射ミラー２６Ａに反射されることにより、他方の光束と平行にされる。
【００８８】
このようにして平行にされた各々の平行光束の進行方向には、ハーフミラー２５により分割された後の互いの光路長が等しい位置に、平行にそれぞれ全反射ミラー２６Ｂが配置されており、各平行光束は各々対応する全反射ミラー２６Ｂに反射された後、反射後の平行光束の光軸と直交するように形成された出射面２８から出射される。すなわち、全反射ミラー２６Ｂは、ハーフミラー２５により分割された各平行光束の光路長を同一にすると共に、出射角度を調整する役目を担っている。出射された各光束は、ハーフミラー２５で分かれてからそれぞれ全反射ミラー２６Ｂに入射されるまでの光路長が等しいことから、進行方向に対する法線面で同時刻に伝播する。
【００８９】
図１１（Ａ）では、ハーフミラー２５を１つ用いて２つの光束に分割したが、ハーフミラー２５の個数を増やして同様の構成を繰り返すことにより、所望の分割数にすることができる。例えば図１１（Ｂ）のようにハーフミラー２５を３つ用い、１つ目（１段目）のハーフミラー２５Ａで２分割された各光束の進行方向にそれぞれ２段目のハーフミラー２５Ｂを配置して、１段目で２分割された光束を２段目で更に２分割することにより４つの光束に分割することができる。また、図１１（Ｃ）のように２段目の各ハーフミラー２５Ｂで２分割された各光束の進行方向にそれぞれ３段目のハーフミラー２５Ｃを更に配置して、計７つのハーフミラー２５を用いることにより、８つの光束に分割することができる。
【００９０】
また、図１１で示した光学素子２４は光の入射方向及び出射方向が異なるが、入射方向及び出射方向を揃えてもよい。これは、例えば図１２に示すように、本発明の角度調整ミラーとして、光の入射側に角度調整用の全反射ミラー２６Ｃを更に設けることで対応可能である。これにより、光学素子２４の入射面２７と出射面２８を平行とすることができる。
【００９１】
なお、ハーフミラー２５、全反射ミラー２６、２９の配置は上記に限定されるものではなく、ハーフミラーで光を分割し、全反射ミラーで光路長及び角度を調整することで、入射光を複数に分割して互いに平行にして、且つ互いに等しい光路長を経て出力させることにより時間的に同期させて出力することができればよい。例えば、図１３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）で示すような配置にしても、図１２（Ｃ）と同等の入射光を８分割した光出力を得ることができる。
【００９２】
また、図１１〜図１３では、複数に分割された光が所定方向に互いに位置をずらして出射される、すなわち１次元に光を分割して出射する光学素子を示したが、このような光学素子を２つ組合せて用いることで簡単に２次元に分割することもできる。例えば、図１４（Ａ）に示す入射光を４つに分割する光学素子２４を２つ用い、一方の光学素子２４Ａを（Ｂ）に示すように厚みを有するように形成したら他方の光学素子２４Ｂをその４倍の厚みとする。そして図１４（Ｃ）に示すように、光学素子２４Ａ、２４Ｂを互いに９０度回転させて配置し、且つ光学素子２４Ａの出射面２８を光学素子２４Ｂの入射面２７と密着させれば、１段目の光学素子２４Ａで所定方向（図１４における縦方向に）４分割され、分割された各光束が２段目の光学素子２４Ｂでそれぞれ所定方向と直交する方向に４分割される。この構成により入射光を４×４の合わせて１６本の光束に分割し、且つ二次元に配列することができる。また、光の入射方向と出射方向が揃えられた図１５（Ａ）の光学素子２４を同様に２つ用いれば、光の入射方向と出射方向を同一にして、入力された光を二次元に分割して出力することができる。
【００９３】
このように図１１〜図１５で示した光学素子２４は、１つの光束を分割して、時間的に同期した複数の平行光束を生成することができ、光スイッチに入射する信号光及び制御光を分割する分割手段として利用することができる。また、本例で示した光学素子２４は、入射面２７及び出射面２８がそれぞれ光の伝播方向の法線面になっているので密着型の光スイッチに簡単に適用することができる。このような光学素子を利用して信号光ならびに制御光を複数の平行光束に分割して、第１または第２の実施の形態で説明したような光スイッチ１０６に入射させれば、多点で同時に光スイッチングが可能になる。なお、当然ながら、この場合の光スイッチ１０６は、前述した複数の光束を扱う場合の構成としておく。
【００９４】
＜第４の実施の形態＞
次に、図１６を参照して、第４の実施の形態として、複数の平行光束に対して異なる遅延時間を与えて時間差を設けるための光学素子を説明する。
【００９５】
複数の平行光束に対して異なる遅延時間を与えて時間差を設けるためには、例えば図１６（Ａ）に示す階段状に形成されたプリズム３２が使用できる。例えば一次元方向に１ピコ秒ごとの時間差をそれぞれのビームに付加する場合には、プリズムを形成する透明媒質（例えばガラス）の屈折率が１．５０である場合、各面での厚みの違いが０．６ｍｍになるようにすると、１ピコ秒ごとの信号を空間的に取り出すことが可能になる。すなわち空気と媒質の屈折率差に厚みを掛けた値が１ピコ秒の間に光が伝播する距離に等しければ１ピコ秒の時間差が付加される。
【００９６】
また、このような階段状のプリズムを２つ組合せて用いることで簡単に２次元方向に時間差を設けることもできる。すなわち、階段状のプリズム３２の段差形成方向に対して、直交する方向に段差が形成されたプリズム３３を組み合わせて用いれば二次元的にも時間差を付加することができ、より多数のパルスに対して一定間隔の時間差を付加することができる。この場合、２つ目の階段状プリズム３３の段差は、（第一の段差）×（階段数＋１）となる。これにより、時間差としては、前段最終パルスの一段後のパルスが、次の段の先頭になる。
【００９７】
また、図１６（Ｂ）のように２種類の透明媒質３４Ａ、３４Ｂを組み合わせて接合して直方体に形成すると共に、この透明媒質３４Ａ、３４Ｂの接合部に階段状の段差をつけると、階段状のプリズム３２と同様の効果を有するプリズムとして、光の入射面及び出射面が入射光及び出射光に対してそれぞれ直交するように形成された密着型の遅延付加光学素子３４を構成することができる。
【００９８】
この場合の段差の大きさは、２つの透明媒質の屈折率差によって決定し、たとえば１．５０の透明媒質と１．３０の透明媒質を組み合わせるときには、１．０ｍｍの段差が１ピコ秒に相当する。このように２種の透明媒質を組み合わせることにより、これまで述べた密着型の光スイッチ１０６に重ね合わせて使用することができる。また、同様に、２種類の透明媒質３５Ａ，３５Ｂを組合せて直方体に形成し、且つこの透明媒質３５Ａ、３５Ｂの接合部に、遅延付加光学素子３４の段差方向と直交する方向に段差を付ければ、階段状のプリズム３３と同様の効果を有する密着型の遅延付加光学素子３５を構成することができる。
【００９９】
上記第３及び第４の実施の形態で示した、１つの光束を分割して時間的に同期した複数の平行光束を生成する光学素子２４と、複数の平行光束に対して異なる遅延時間を与えて時間差を付加する光学素子３４、３５（又はプリズム３２、３３）を組合せて使用することで、図１９（Ａ）に一例を示す如く１つの光束を複数に分割してそれぞれ異なる遅延時間を付加した複数の分割光束を得ることができる。また、図１９（Ａ）からも分かるように、この組合せ光学素子は、光の入射面及び出射面が光の伝搬方向の法線面になっているので、密着型素子として光スイッチ１０６に簡単に適用することができる。
【０１００】
＜第５の実施の形態＞
次に図１７を参照して、第５の実施の形態として、光束の分割と共に遅延時間を付加する光学素子を説明する。
【０１０１】
図１７に示すように、ハーフミラー３７と全反射ミラー３８の組み合わせで形成される光学素子３６によっても、分割する各光束の光路長に差を設けることにより、第４の実施の形態で説明した階段状プリズムと同様の作用を持たせることができる。この光学素子３６も、光の入射面及び出射面が入射光及び出射光に対してそれぞれ直交するように形成され、所謂密着型の素子として構成されている。
【０１０２】
すなわち、図１７（Ａ）では、光学素子３６では、入射された光束をハーフミラー３７により２分割し、分割した一方の光束の進行方向に全反射ミラー３８を設け、この全反射ミラー３８により一方の光束を反射して他方の光束と平行にして出力し、ハーフミラー３７と全反射ミラー３８間の光路長分だけ、分割された光束に光路長差Ｌを設けることができる。分割数を増やす場合には、例えば図１７（Ｂ）、（Ｃ）のようにハーフミラー３７及び全反射ミラー３８を配置すれば、それぞれ光束を４分割、８分割し、且つ光路長差を設けることができる。
【０１０３】
例えば、使用する透明媒質の屈折率が１．５０の場合には、分けられた光束の光路長差Ｌが０．２ｍｍになるようにすれば、１ピコ秒の時間差をつけることができ、前述した２段目の階段状プリズム３３のように大きな時間差、例えば５ピコ秒の差をつけるときには、光路長差Ｌが１ｍｍになるようにすればよい。応用例として、光の出射位置をずらさずに時間差を変化させる構成を図１８に示す。
【０１０４】
また、このような光束の分割と共に遅延時間を付加する光学素子３６も同様に９０度回転させて組み合わせることにより、二次元分割と共に二次元遅延付加を同時に達成することができる。そのときには、付加させる遅延の大きさは先の階段状プリズムと同様に大きな遅延を与える方の部品が（小さな遅延を与える方の光路長差）×（分割数＋１）になるように設計される。
【０１０５】
また、２次元遅延付加の場合には、第３、第４の実施の形態で示した光学素子と組合せて使用してもよく、例えば図１９（Ｂ）のように、光束の分割と共に遅延時間を付加する光学素子３６と、該光学素子３６による分割方向と直交する方向に光束を分割する光学素子２４Ｂと、遅延時間を与えて時間差を付加する光学素子３４とを用いることにより、前述の図２１（Ａ）と同様の機能を達成することができる。また、図１９（Ｂ）からも分かるように、この組合せ光学素子は、光の入射面及び出射面が光の伝搬方向の法線面になっているので、密着型素子として光スイッチ１０６に簡単に適用することができる。
【０１０６】
このような第１または第２の実施の形態で示した光スイッチ１０６と共に、選択手段１０２、分割手段１０４として第３〜第５の実施の形態で示した光学素子２４、３４、３５、３６から何れかを選択して用いることにより、偏光依存性の無い光スイッチを用いたＤＥＭＵＸ装置１００を実現することができる。
【０１０７】
特に密着型の光スイッチは、信頼性の面で優れており、例えば、第２の実施の形態の光スイッチ１０６に、光束を分割する光学素子２４Ａ、２４Ｂ及び遅延時間を与えて時間差を付加する光学素子３４、３５を組み合わせて構成すると、図２０に一例を示すような一体化した素子を簡単に形成することができる。すなわち、偏光ビームスプリッター、ハーフミラー、ダイクロイックミラーなどを直角二等辺三角形のプリズムを張り合わせたキューブとして構成し、集光レンズ、二次元時間遅延プリズムにおいて屈折率の異なる透明媒質を組み合わせることにより構成し、多点スイッチングのための平行光束生成部などもハーフミラーと全反射ミラーの組み合わせにより入射側と出射側それぞれで、光束に対して直交する面で工作した部品を使用する。このような入射面および出射面でそれぞれの光学部品を張り合わせることにより構成することができる。
【０１０８】
当然ながら他の実施の形態の光スイッチや光学素子を組合せても同様に一体化した素子を形成することができ、本発明はいずれの組み合わせについても有効である。
【０１０９】
なお、第３〜第５の実施の形態では、密着型の光スイッチに適用が有利な光学素子を説明したが、分割手段や遅延手段はこれらの光学素子の代りに従来公知の技術を用いることによっても実現できる。例えば、１つの光束を複数の平行光束に分割（分岐）するには、分岐に偏光依存性がなければ、従来公知のシート状光伝送媒体を用いた方向性分岐型の導波路などを用いることもできる。このような導波路には、自由に曲げることができるという利点がある。なお、現在のところ一般的な導波路は１次元の分割を実現するものだが、将来２次元分割が可能となれば２次元分割にも利用できる。また、複数の平行光束に対して異なる遅延時間を与えて時間差を設けるためには、一般的な光変調器を用いて電気的制御により遅延時間を付加するようにしてもよい。
【０１１０】
なお、上記で説明した何れの光スイッチ及び光学素子においても光学部品を多く利用しているが、光スイッチや光学素子の素子全体のスループットを良くするために光学部品間の屈折率マッチングや無反射コーティングなどを適宜施すことが有効となる。さらに本発明ではほとんどの光学部品が透明であるが、フェムト秒レベルの超短パルス光を用いる場合には素子内での屈折率波長依存性による分散が問題となる。この意味で素子は光路長を短くするために、なるべく小さく作ることが望ましいが、さらに動作を効率化するために、光スイッチ膜５に信号光・制御光が到達するときに最もパルス時間幅が短くなるように、予め逆分散を加えたパルスを入射させても良い。この場合逆分散を与えるためにプリズムやグレーティングあるいはこれに相当する光学部品が利用される。
【０１１１】
上記をまとめると、制御光照射により誘起される光スイッチ膜の透過率・反射率あるいは屈折率異方性を利用し、このスイッチングに必要な光学部品を対称に２組組み合わせることにより偏光無依存な光スイッチングを達成している。この光スイッチング素子において、密着型の光学部品を使用することが、素子の信頼性向上に大きく寄与している。
【０１１２】
なお、上記で説明した密着型の光学素子において遅延付加する光学素子や平板型アレイレンズなどは汎用性が高く、さらにプリズムを組み合わせた光束分を分割する光学部品についても並列に光を扱う能動型さらには受動型の素子に広く利用される可能性がある。すなわち本発明の光学素子は、本発明の偏光無依存の光スイッチのみに利用が限定されるものではない。さらにこれらの光学素子と光スイッチ膜の組み合わせは、偏光無依存性を求めないならば、光スイッチ膜一つの構成により達成することができる。本発明はこのような光スイッチをも包含するものである。
【０１１３】
【発明の効果】
上記に示したように、本発明は、簡単な構成で且つ偏光状態に係わらずに安定に動作するができるという優れた効果を有する。また、複雑で高精度なアライメント調整を必要とせずに多点一括スイッチングを実現することができるという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＤＥＭＵＸ装置の原理を説明するための概念図である。
【図２】本発明のＤＥＭＵＸ装置の原理を説明するための概念図である。
【図３】第１の実施の形態に係わる空間配置型（Ａ）及び密着型（Ｂ）の光スイッチの構成図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、ダイクロイックミラーの反射率分光特性を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は合波側、（Ｂ）は分波側、（Ｃ）はマルチビーム用の空間パターンを有するミラーの一例を示す図である。
【図６】（Ａ）はセルフォックレンズ、（Ｂ）は張り合わせ型平板レンズによる密着型レンズの一例を示す図である。
【図７】光スイッチの動作を説明するための概念図である。
【図８】透過型の光スイッチに用いられる（Ａ）は空間配置用、（Ｂ）はセルフォックアレイレンズ型、（Ｃ）はセルフォックアレイレンズ型の複数光束用アレイレンズの一例である。
【図９】第２の実施の形態に係わる空間配置型（Ａ）及び密着型（Ｂ）の光スイッチの構成図である。
【図１０】反射型の光スイッチに用いられる（Ａ）は空間配置用、（Ｂ）はセルフォックアレイレンズ型、（Ｃ）はセルフォックアレイレンズ型の複数光束用アレイレンズの一例である。
【図１１】第３の実施の形態に係わる１つの平行光束を（Ａ）は２分割、（Ｂ）は４分割、（Ｃ）は８分割して、複数の平行光束に変換するための光学素子の構成図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１１の（Ａ）〜（Ｃ）の光学素子に光の入射方向と出射方向を揃えるミラーを設けた光学素子の構成図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１２（Ｃ）の光学素子と同等の作用を有する別の構成図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、１つの平行光束を複数に分割する光学素子を組合せて、二次元分割を行う光学素子を説明するための図である。
【図１５】（Ａ）〜（Ｃ）は、１つの平行光束を複数に分割する光学素子を組合せて、光の入射方向と出射方向を揃えて二次元分割を行う光学素子を説明するための図である。
【図１６】第４の実施の形態に係わる複数の平行光束に対して異なる遅延時間を与えて時間差を設けるための（Ａ）はプリズム、（Ｂ）は（Ａ）と同様の作用を有する光学素子の構成図である。
【図１７】第５の実施の形態に係わる１つの平行光束を（Ａ）は２分割、（Ｂ）は４分割、（Ｃ）は８分割すると共に遅延時間を付加するための光学素子の構成図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｆ）は１つの平行光束を複数に分割すると共に遅延時間を付加するための光学素子の別の構成図である。
【図１９】（Ａ）、（Ｂ）は、第３〜第５の実施の形態に係わる光学素子の組合せ使用例である。
【図２０】光スイッチと、第３〜第５の実施の形態に係わる光学素子との組合せ使用例である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ信号光
２偏光ビームスプリッタ
４、４Ａ、４Ｂ集光レンズ
５光スイッチ膜
６、６ａ、６ｂ制御光
７偏光ビームスプリッタ
８、１０ミラー
９偏光ビームスプリッタ
１１出力光
１２空間パターン
２１反射膜
２２ハーフミラー
２３光サーキュレータ
２４、３４、３５、３６光学素子
３２、３３プリズム
１００ＤＥＭＵＸ装置
１０６光スイッチ

Claims

入射された信号光を偏光方向が互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分割する信号光分割手段と、
入射された制御光を前記第１の直線偏光と偏光方向が同じ第３の直線偏光と前記第２の直線偏光と偏光方向が同じ第４の直線偏光とに分割する制御光分割手段と、
前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第３の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる光スイッチ膜を備えた第１のスイッチング手段と、
前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第４の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる光スイッチ膜を備えた第２のスイッチング手段と、
透過率変化に応じて前記第１のスイッチング手段を透過して出力した前記第１の直線偏光と前記第２のスイッチング手段を透過して出力した前記第２の直線偏光とを合波する信号光合波手段と、
を有することを特徴とする光スイッチ。
前記信号光分割手段により分割された前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との前記信号光合波手段までの径路が互いに光学的に対称である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記信号光合波手段の出力光から前記信号光の成分と前記制御光の成分とを分離する信号光・制御光分離手段を更に有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スイッチ。
入射された信号光を偏光方向が互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分割すると共に、入射された前記第１の直線偏光と第２の直線偏光とを合波して出力する信号光分割・合波手段と、
入射された制御光を前記第１の直線偏光と偏光方向が同じ第３の直線偏光と前記第２の直線偏光と偏光方向が同じ第４の直線偏光とに分割する制御光分割手段と、
前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第３の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる第１の光スイッチ膜、及び前記第１の光スイッチ膜の前記第１の直線偏光の入射面の裏面に設けられ、前記第１の光スイッチ膜を透過した前記第１の直線偏光を前記第１の光スイッチ膜を再度透過して前記信号光分割・合波手段へ入射する方向に反射する反射膜を備えた第１のスイッチング手段と、
前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とが入射されるように設けられ、前記第４の直線偏光が入射されることにより透過率変化を生じる第２の光スイッチ膜、及び前記第２の光スイッチ膜の前記第２の直線偏光の入射面の裏面に設けられ、前記第１の光スイッチ膜を透過した前記第２の直線偏光を前記第２の光スイッチ膜を再度透過して前記信号光分割・合波手段へ入射する方向に反射する反射膜とを備えた第２のスイッチング手段と、
を有することを特徴とする光スイッチ。
前記信号光分割・合波手段により分割され、前記信号光分割・合波手段により合波されるまでの前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との径路が互いに光学的に対称である、
ことを特徴とする請求項４に記載の光スイッチ。
前記制御光分割手段から前記第１のスイッチング手段までの前記第３の直線偏光の経路と、前記制御光分割手段から前記第２のスイッチング手段までの前記第４の直線偏光の経路とを等価とした、
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の光スイッチ。
前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とを集光して前記第１のスイッチング手段へ入射させるための第１の集光手段と、前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とを集光して前記第２のスイッチング手段へ入射させるための第２の集光手段と、を更に有する、
ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の光スイッチ。
前記第１の集光手段及び前記第２の集光手段がアレイレンズである、
ことを特徴とする請求項７に記載の光スイッチ。
前記信号光分割手段、前記制御光分割手段、前記第１のスイッチング手段、前記第２のスイッチング手段、及び前記信号光合波手段の各々は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段同士を前記法線面で互いに密着して形成された、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スイッチ。
前記信号光合波手段の出力光から前記信号光の成分と前記制御光の成分とを分離する信号光・制御光分離手段を更に有し、
前記信号光・制御光分離手段は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段と前記法線面で互いに密着して形成された、
ことを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。
前記信号光分割・合波手段、前記制御光分割手段、前記第１のスイッチング手段、及び前記第２のスイッチング手段の各々は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段同士を前記法線面で互いに密着して形成された、
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光スイッチ。
前記第１の直線偏光と前記第３の直線偏光とを集光して前記第１のスイッチング手段へ入射させるための第１の集光手段と、前記第２の直線偏光と前記第４の直線偏光とを集光して前記第２のスイッチング手段へ入射させるための第２の集光手段とを更に有し、前記第１の集光手段及び前記第２の集光手段は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段と前記法線面で互いに密着して形成された、
ことを特徴とする請求項９〜請求項１１の何れか１項に記載の光スイッチ。
前記信号光の前記信号光分割手段への入射側、及び前記制御光の前記制御光分割手段への入射側の各々に、入射光を分割するための少なくとも１つのハーフミラーと、光の進行方向を変更するための複数の全反射ミラーとを各分割光の光路長が略同等で、且つ分割光が一次元又は二次元に整列して出力されるように設けた光学素子を更に有する、
ことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載の光スイッチ。
前記光学素子は、前記ハーフミラー及び全反射ミラーの後段に設けられ、光の進行方向と交差する伝搬面の異なる部位を伝搬する光に対して光学的厚みが異なるように形成されたプリズムを更に有し、前記ハーフミラー及び全反射ミラーにより整列されて出力された各分割光に対して異なる遅延時間を与える、
ことを特徴とする請求項１３に記載の光スイッチ。
前記信号光の前記信号光分割手段への入射側、及び前記制御光の前記制御光分割手段への入射側の各々に、入射光を分割するための少なくとも１つのハーフミラーと、光の進行方向を変更するための複数の全反射ミラーとを各分割光の光路長が異なり、且つ分割光が一次元又は二次元に整列して出力されるように設けた光学素子を更に有する、
ことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載の光スイッチ。
前記光学素子は、入射光と出射光とを略平行にするための角度調整ミラーを更に有する、
ことを特徴とする請求項１３〜請求項１５の何れか１項に記載の光スイッチ。
前記光学素子は、入射光及び出射光の光軸と直交する法線面を有し、隣り合う手段同士と前記法線面で互いに密着して形成された、
ことを特徴とする請求項１３〜請求項１６の何れか１項に記載の光スイッチ。
請求項１〜請求項１７の何れか１項に記載の光スイッチを備え、前記光スイッチにより時間多重された信号光に含まれる特定時間成分を取出すＤＥＭＵＸ装置。