JP7101954B2 - 光マトリクススイッチ - Google Patents

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。

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。

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。

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

特開２００６－２９２８７２号公報 米国特許第７０９２５９９号公報 特許第３３２５８２５号公報

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。

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。

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。

［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。

［１－１．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。

［１－２．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。

［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。

［２－１．２次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路］
２次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸方向にＮ段のスイッチサブ回路を備える。各段のスイッチサブ回路内において、第１の側面に係る光スイッチ素子がｘ軸方向に複数個並んでいる。光ビーム全体の平均的進行方向はｚ軸方向であり、光ビームはｘｚ平面で２次元網をつくる。この回路では、入力面における所定偏光の２^Ｎ個の入力ポート列と、出力面における所定偏光の２^Ｎ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。

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。

［２－２．３次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路］
３次元構造の光ビーム形多段スイッチ回路は、３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸方向に２Ｎ段のスイッチサブ回路を備える。各段のスイッチサブ回路内において、第１の側面に係る光スイッチ素子がｘｙ平面に平行に並んでｘ方向に２^Ｎ行、ｙ方向に２^Ｎ列をなしている。光ビームはｘｙｚ空間で３次元網をつくり、光ビーム全体の平均的進行方向はｚ方向である。入力面における所定偏光の入力ポート群と出力面における所定偏光の出力ポート群は、ｘｙ平面内に並び、それぞれの前記光スイッチ素子に入射する光ビームを、次の中間ポート面上のｘ軸方向の位置が異なる他の二つの中間ポートのいずれか一方に導くか、または、次の中間ポート面上の値の異なる他の二つのポートのいずれか一方に導くかを選択可能である。また、Ｍを１、２、．．、Ｎ－１の任意の一つとした場合に、第（２Ｍ－１）番の中間ポート面上では、光ビームの第ｍ行を第２Ｍ番の中間ポート面上の第ｍ行に結ぶか、または第ｍ＋２（Ｎ－Ｍ）行に結ぶかを選択可能であり、第２Ｍ番の中間ポート面上では、光ビームの第ｎ列を第（２Ｍ＋１）番の中間ポート面上の第ｎ列に結ぶか、または第ｎ＋２（Ｎ－Ｍ）列に結ぶかを選択可能である。さらに、全２Ｎ段の効果として、入射面上における２^Ｎ×２^Ｎ個のポートに入射した光信号を列を、出射面上における２^Ｎ×２^Ｎ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。

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。

［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。

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。

従来技術である平面光回路を用いた光スイッチの原理図である。 従来技術であるＭＥＭＳ技術を用いた光スイッチの概略図である。 本発明の光スイッチとそれを２次元的に配列させた際の構成図である。 本発明の光スイッチを３次元的に配列させた際の構成図である。 第１の実施形態に係る偏光分離プリズム（分割型）及び第２の実施形態に係る偏光分離プリズム（曲線型）の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る偏光分離プリズムの垂直入射時の動作を説明する図である。 第１の実施形態に係る偏光分離プリズムの斜め入射時の動作を説明する図である。 第１の実施形態に係る光スイッチの構成と動作を説明する図である。 第４の実施形態に係る８Ｘ８のポートを持つ光スイッチの入力ポート面を説明する図である。 第４の実施形態に係る８Ｘ８のポートを持つ光スイッチを４つの４Ｘ４ブロックに階層化することを説明する図である。 第４の実施形態に係る８Ｘ８のポートを持つ光スイッチを４つの４Ｘ４ブロックに階層化し、各区間でブロックが入れ替わることを説明する図である。 第５の実施形態に係る液晶を用いた可変光減衰器を説明する図である。

［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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図６を用いて、光線が垂直に入射した場合の作用を説明する。ｘ軸に平行なｙ方向の高さが等しい直線Ｌ_１、Ｌ_２があり、Ｌ_１上の点Ｐから光学素子６０１上の一点Ｑを通って、Ｌ_２上の点Ｒに至る直線ＰＱＲを定義する。この場合ＰＱは素子６０１に対して垂直である。説明の便宜上、光学素子の両側の媒質の屈折率は等しいとする。直線Ｌ_２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）。

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。

さらに、図７を用いて、光線が斜めに入射した場合の作用を説明する。ｘ軸に平行なｙ方向の高さが等しい直線Ｌ_１、Ｌ_２があり、Ｌ_１上の点Ｐから光学素子７０１上の一点Ｑを通って、Ｌ_２上の点Ｒに至る直線ＰＱＲを定義する。説明の便宜上、光学素子の両側の媒質の屈折率は等しいとする。伝搬媒質内波長λの光に対し、光線ＰＱ、ＱＲは等しいｘ方向の波数を持つ。直線Ｌ_１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。

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。

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。

なお、図５の５０２に示されるように、フォトニック結晶のパターン（凸部または凹部）を曲線状にしたことで、１周期内部で中央部ではパターンが疎になり、端に近いほど密になりパターン作製が困難になる。そこで、５０４のように中央部でのパターン間ピッチを基準に取り、それをｐ_０とする。ｐ_０がある閾値ピッチ以下になった位置で２本のパターンを合流させる。合流直後のピッチは２ｐ_０になるが、端にいくにほど密になるため、閾値長さ以下になったところで再度合流させる。以上の操作を繰り返すことでピッチがある範囲内で変化しながら理想的な光学軸分布を実現できる。閾値ピッチを０．５ｐ_０とすると、ピッチの変化範囲は０．５ｐ_０～２．０ｐ_０の間になる。すなわち、隣り合う凸部と凹部の一方の間隔の最大値と最小値の比が４倍以内、好ましくは２倍以内になるように、他方が分岐・合流するよう幾何学的に配置されている。５０４に示した例では、白色の部分が凹部となり、黒色の部分が凸部となっている。すなわち、主軸方位が連続的に変化する波長板（曲線型）の場合、凸部のピッチｐが（パターンが直線であるときのピッチ）をｐ_０とすると０．５・ｐ_０≦ｐ≦２・ｐ_０以内になるよう、凸部または凹部が分岐・合流するよう幾何学的に配置される。
このように連続的に軸方位を変化させることにより、分割したものに比べ高い効率を実現することができる。
フォトニック結晶偏光分離プリズムは例えば
・自由空間波長 λ_０ １．５５μｍ
・高屈折率材料 ａ－Ｓｉ
・低屈折率材料 ＳｉＯ_２
・プリズム周期Ｄ １０μｍ
・遅軸屈折率ｎ_ｓ ２．７１３
・速軸屈折率ｎ_ｆ ２．４８６
・積層全体の厚さ λ_０／（ｎ_ｓ－ｎ_ｆ）×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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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２^Ｎ－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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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。

以上を要約すると、入力面、出力面でそれぞれ２^Ｎ×２^Ｎ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。

［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。

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。

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。

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。

Claims (7)

1. ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸方向にＮ段のスイッチサブ回路を備え、各段のスイッチサブ回路内において光スイッチ素子がｘ軸方向に複数個並んだ、光ビーム形多段スイッチ回路であって、
   前記光スイッチ素子は、
   ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がｘｚ面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
   ｚ軸方向に、第１の偏光分離プリズムと、第２の偏光分離プリズムと、前記第１および第２の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
   前記第１および第２の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
   前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差１８０度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
   前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、ｚ軸に対し角－θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
   前記光ビーム形多段スイッチ回路において、
   光ビーム全体の平均的進行方向はｚ軸方向であり、
   光ビームはｘｚ平面で２次元網をつくり、
   入力面における所定偏光の２^Ｎ個の入力ポート列と出力面における所定偏光の２^Ｎ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それぞれは、そこに入射する光ビームを次段のｘ軸方向の位置が異なる他の二つの光スイッチ素子のいずれか一方に導くように、光ビームの射出方向を選択するものであり、
   スイッチ回路の第Ｍ段（Ｍ＜Ｎ）では、その中にｘ方向に並ぶポートのうち第ｍ番目が次の（Ｍ＋１）段の第ｍ番目ポートに結合するか、またはｍから２^{（Ｎ－Ｍ）}だけ跳躍したポートと結合するかであり、
   各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備え、
   入射面上における２^Ｎ個のポートに入射した光信号列を、出射面上における２^Ｎ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。
2. 請求項１に記載の光ビーム形多段スイッチ回路において、第１段、第２段、・・、第Ｎ段の順序が任意に置換された
   光ビーム形多段スイッチ回路。
3. ３次元空間ｘｙｚにおいて、光ビーム全体の平均的進行方向はｚ方向であり、光ビームはｘｚ平面で２次元網をつくり、光スイッチ素子がｘ方向に複数個配置されて一つの段をなし、前記の段がｚ方向に複数個配置されてスイッチ回路を形成する、光ビーム形多段スイッチ回路であって、
   前記光スイッチ素子は、
   ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がｘｚ面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
   ｚ軸方向に、第１の偏光分離プリズムと、第２の偏光分離プリズムと、前記第１および第２の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
   前記第１および第２の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
   前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差１８０度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
   前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、ｚ軸に対し角－θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
   前記光ビーム形多段スイッチ回路において、
   第Ａ段における第ｍ番のスイッチ素子の結合先は、次段である第（Ａ＋１）段の第ｐ番または第ｑ番目（ｑ＞ｐ）のスイッチ素子のいずれかであり、跳躍の幅ｑ－ｐの値は一つの段Ａに関してはｍによらず一様で、段Ａと異なる段にはそれと異なる跳躍の幅を付与でき、
   各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える
   光ビーム形多段スイッチ回路。
4. ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸方向に２Ｎ段のスイッチサブ回路を備え、各段のスイッチサブ回路内において光スイッチ素子がｘｙ平面に平行に並んでｘ方向に２^Ｎ行、ｙ方向に２^Ｎ列をなす光ビーム形３次元多段スイッチ回路であって、
   前記光スイッチ素子は、
   ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がｘｚ面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
   ｚ軸方向に、第１の偏光分離プリズムと、第２の偏光分離プリズムと、前記第１および第２の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
   前記第１および第２の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
   前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差１８０度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
   前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、ｚ軸に対し角－θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
   前記光ビーム形３次元多段スイッチ回路において、
   光ビームはｘｙｚ空間で３次元網をつくり、
   光ビーム全体の平均的進行方向はｚ方向であり、
   入力面における所定偏光の入力ポート群と出力面における所定偏光の出力ポート群は、ｘｙ平面内に並び、それぞれの前記光スイッチ素子に入射する光ビームを、次の中間ポート面上のｘ軸方向の位置が異なる他の二つの中間ポートのいずれか一方に導くか、または、次の中間ポート面上の値の異なる他の二つのポートのいずれか一方に導くかを選択可能であって、
   Ｍを１、２、．．、Ｎ－１の任意の一つとした場合に、
   第（２Ｍ－１）番の中間ポート面上では、光ビームの第ｍ行を第２Ｍ番の中間ポート面上の第ｍ行に結ぶか、または第ｍ＋２^{（Ｎ－Ｍ）}行に結ぶかを選択可能であり、
   第２Ｍ番の中間ポート面上では、光ビームの第ｎ列を第（２Ｍ＋１）番の中間ポート面上の第ｎ列に結ぶか、または第ｎ＋２^{（Ｎ－Ｍ）}列に結ぶかを選択可能であり、
   全２Ｎ段の効果として、入射面上における２^Ｎ×２^Ｎ個のポートに入射した光信号を列を、出射面上における２^Ｎ×２^Ｎ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。
5. 請求項４に記載の光ビーム形多段スイッチ回路において第１段、第２段、・・、第２Ｎ段の順序が任意に置換された
   光ビーム形多段スイッチ回路。
6. ３次元空間ｘｙｚにおいて、光ビーム全体の平均的進行方向はｚ方向であり、光ビームはｘｙｚ平面で３次元網をつくり、光スイッチ素子がｘ方向に複数行、ｙ方向に複数列配置されて一つの面をなす、光ビーム形多段スイッチ回路であって、
   前記光スイッチ素子は、
   ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸に対して所定の角θ傾いた進行方向をもつ右廻りまたは左廻りの円偏光たる入射光がｘｚ面内を伝搬する、光スイッチ素子であって、
   ｚ軸方向に、第１の偏光分離プリズムと、第２の偏光分離プリズムと、前記第１および第２の偏光分離プリズムの間に介在する液晶セルとを備え、
   前記第１および第２の偏光分離プリズムは、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムであり、
   前記液晶セルは、電圧駆動により、少なくとも前記入射光に対する等方的状態と、位相差１８０度をもつ複屈折状態とを遷移することができ、
   前記液晶セルの遷移により、前記入射光を、同一の進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の一方の回転方向の円偏光として出射させるか、または、ｚ軸に対し角－θ傾いた進行方向をもち、かつ、同一もしくは逆の他方の回転方向の円偏光として出射させるか選択できるものであり、
   前記光ビーム形多段スイッチ回路において、
   前記の面は、面上の信号点はそれに続く面のｙ値が等しくｘ値が跳躍幅Ｃｘだけ異なる２点と結合可能であるようなｘ形スイッチ面であるか、または
   前記の面は、面上の信号点はそれに続く面のｘ値が等しくｙ値が跳躍幅Ｃｙだけ異なる２点と結合可能であるようなｙ形スイッチ面であって、
   複数のｘ形スイッチ面ごとの跳躍幅Ｃｘは一定でなく、かつ、複数のｙ形スイッチ面ごとの跳躍幅Ｃｙも一定でないようにｘ形スイッチ面とｙ形スイッチ面から構成され、
   各段とそれに前後する領域との境界をなすポート面または中間ポート面は、偏光を整え光を所望の方向に屈曲させるフォトニック結晶波長板またはフォトニック結晶偏光分離プリズムを備える
   光ビーム形多段スイッチ回路。
7. ３次元空間ｘｙｚにおいて、ｚ軸方向に、第１の偏光分離プリズム対と、第２の偏光分離プリズム対と、前記第１及び第２の偏光分離プリズム対の間に介在する液晶セルとを備え、
   前記第１及び第２の偏光分離プリズム対は、それぞれフォトニック結晶偏光分離プリズムがｚ軸方向に重なって対をなしたものであり、
   前記第１の偏光分離プリズム対は、ｚ軸に沿って進む、左回り及び右回りの円偏光が混合された偏光状態の一本の光を、左回り及び右回りの円偏光の２本の平行光に分離し、
   前記液晶セルは、電圧駆動により、前記２本の平行光のそれぞれを主軸方向を一定に保ちつつ位相差θの複屈折状態に変換し、
   前記第２の偏光分離プリズム対は、前記液晶セルを通過した入射ビームを、電力比（ｓｉｎθ）^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。

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