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WO2023136089A1 - 波長選択スイッチ、および、それを用いた光クロスコネクト装置 - Google Patents

波長選択スイッチ、および、それを用いた光クロスコネクト装置 Download PDF

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WO2023136089A1
WO2023136089A1 PCT/JP2022/047530 JP2022047530W WO2023136089A1 WO 2023136089 A1 WO2023136089 A1 WO 2023136089A1 JP 2022047530 W JP2022047530 W JP 2022047530W WO 2023136089 A1 WO2023136089 A1 WO 2023136089A1
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WO
WIPO (PCT)
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wavelength
liquid crystal
light
optical
selective switch
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/047530
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
誠 加茂
之人 齊藤
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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Publication date
Application filed by 富士フイルム株式会社 filed Critical 富士フイルム株式会社
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Priority to CN202280089033.0A priority patent/CN118575113A/zh
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Definitions

  • the present invention relates to a wavelength selective switch and an optical cross-connect device using the same.
  • a wavelength cross-connect device is connected as a relay node of optical signals to an optical fiber of a route (optical transmission line) in which a plurality of optical fibers of an optical network are grouped together.
  • an optical signal from an input-side route is output to a predetermined output-side route via a plurality of wavelength selective switches (WSS).
  • WSS wavelength selective switches
  • a wavelength selective switch has the function of separating each wavelength component contained in an optical signal transmitted over an optical fiber in wavelength multiplexing mode communication and distributing it to each predetermined route.
  • a dispersive element is used to separate the wavelength components, and by spatially separating the wavelength differences, it is possible to distribute them to different paths.
  • Prisms, surface relief gratings (SRG), arrayed waveguide gratings (AWG), etc. have been used as dispersive elements.
  • an optical cross-connect device arranged at an optical node includes a plurality of optical fibers. It has an inter-node connection input port and an inter-node connection output port connected to inter-node connection optical fibers, and an internal connection input port and an internal connection output port, respectively.
  • a plurality of optical cross-connect units interconnected in a ring or series via connection output ports the plurality of optical cross-connect units having the number of inter-node connection input ports and internal connection input ports and multiple outputs corresponding to the number of inter-node connection output ports and internal connection output ports.
  • the wavelength multiplex mode is only used mainly in the C band (1530 nm to 1565 nm), and the utilization of other bands is expected to be the source of improvement in communication speed.
  • an object of the present invention is to provide a wavelength selective switch capable of supporting a wide band and reducing crosstalk, and an optical cross-connect device using the same.
  • the incident light is spatially separated for each wavelength and emitted from the optical input port, the optical output port, and the incident light from the optical input port so that the emission angle of the light is different for each predetermined wavelength band.
  • a wavelength selective switch including a wavelength dispersing section and a deflection section for coupling light to an optical output port by variably deflecting the reflection angle or transmission angle of light incident from the wavelength dispersing section for each wavelength,
  • a wavelength selective switch, wherein the wavelength dispersion unit includes a wavelength dispersion element and a position control mechanism for reversibly changing the position and/or the angle of the wavelength dispersion element with respect to the optical input port.
  • the wavelength selective switch according to [1] which has a multiplexing section that multiplexes two or more of the lights of each wavelength that have been deflected by the deflection section.
  • the wavelength dispersion element includes an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optic axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating in at least one in-plane direction.
  • An optical cross-connect device including the wavelength selective switch according to any one of [1] to [5].
  • the present invention it is possible to provide a wavelength selective switch capable of operating a wide wavelength band and reducing crosstalk. Further, according to the present invention, an optical cross-connect device using this wavelength selective switch can be provided.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an example of a wavelength selective switch of the present invention
  • FIG. 2a is a conceptual diagram of an example of a conventional wavelength selective switch.
  • FIG. 2b is a conceptual diagram of an example of the wavelength selective switch of the present invention.
  • 1 is a conceptual diagram of an example of a liquid crystal diffraction element used in the present invention
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an example of a liquid crystal diffraction element used in a wavelength selective switch of the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual plan view of the liquid crystal diffraction element shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of an example of an exposure device for exposing the alignment film of the liquid crystal diffraction element shown in FIG. 3.
  • FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram of another example of the liquid crystal diffraction element used in the wavelength selective switch of the present invention;
  • the light input port, the light output port, and the light input from the light input port are spatially arranged for each wavelength so that the light output angle differs for each predetermined wavelength band.
  • a wavelength selection unit including a wavelength dispersing part that separates and emits light, and a deflection part that couples light to an optical output port by variably deflecting the reflection angle or transmission angle of light incident from the wavelength dispersing part for each wavelength. It is a switch, and the chromatic dispersion unit comprises a chromatic dispersion element and a position control mechanism for reversibly changing the position and/or angle of the chromatic dispersion element with respect to the optical input port.
  • FIG. 1 shows the configuration of a wavelength selective switch according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an example of a drop-type wavelength selective switch having one optical input port 1 and multiple optical output ports 2 . Since only the input and output directions of light are reversed and many descriptions are redundant, the add-type wavelength selective switch is omitted, but the present invention is an add-type switch having a plurality of optical input ports and one optical output port. can also be applied to a wavelength selective switch. Although not described in detail, it may be an add-drop type wavelength selective switch having a plurality of optical input ports and a plurality of optical output ports.
  • the spatial optical wavelength selective switch having an optical input port 1 and a plurality of optical output ports 2 shown in FIG. It also has a wavelength dispersing section that spatially separates the incident light for each wavelength and emits the light.
  • the wavelength dispersing section also has a function of combining the incident light beams that have been deflected by the deflecting section and coupling them to the optical output port 2 .
  • the wavelength dispersing section includes a wavelength dispersing element 4 such as a prism or a diffraction grating for demultiplexing and combining incident light, and a wavelength dispersing element 4 reversibly reversible in position and/or angle with respect to the optical input port 1. and a position control mechanism 7 for changing.
  • the position control mechanism 7 reversibly changes the angle of the main surface of the wavelength dispersion element 4 with respect to the optical axis direction of the light input port 1 (light emission direction). That is, the position control mechanism 7 reversibly changes the incident angle when the light incident from the light input port 1 enters the wavelength dispersion element 4 .
  • the chromatic dispersing section may be a front-end optical system 3 between the optical input port 1 and the chromatic dispersing element 4, and/or the chromatic dispersing element 4 and the deflection section 6, if necessary. It may further have a back-end optical system 5 between.
  • light incident from an optical input port 1 passes through a front-end optical system 3, a wavelength dispersion element 4, and a back-end optical system 5, and is reflected by a deflection section 6. , again passes through the back-end optics 5 , the wavelength dispersive element 4 , and the front-end optics 3 to be coupled to the plurality of optical output ports 2 .
  • the wavelength selective switch shown in FIG. 1 separates each wavelength component contained in an incident optical signal in wavelength multiplexing mode communication, and distributes the separated light of each wavelength component to each predetermined route. be.
  • the light incident from the optical input port 1 is adjusted in the polarization state, traveling direction, etc. by the front-end optical system 3 and enters the wavelength dispersion element 4 .
  • the wavelength dispersion element 4 separates the incident wavelength into respective wavelength components and reflects the light toward the deflection section 6 .
  • the light separated into each wavelength component by the wavelength dispersive element 4 is adjusted in the polarization state, traveling direction, etc. by the back-end optical system 5 and enters the deflection unit 6 .
  • the deflection unit 6 deflects the incident light of each wavelength component in a desired direction for each wavelength.
  • the light of each wavelength component deflected by the deflection unit 6 is incident on the wavelength dispersion element 4 after being adjusted in the polarization state, traveling direction, etc. by the back-end optical system 5 .
  • the wavelength dispersive element 4 reflects the light of each wavelength component toward the desired optical output port 2 .
  • the wavelength dispersive element 4 multiplexes light of a desired wavelength component out of the light of each wavelength component. That is, in the illustrated example, the wavelength dispersion element 4 (wavelength dispersion section) also serves as a multiplexing section.
  • the light reflected by the wavelength dispersion element 4 is adjusted in polarization state, traveling direction, etc. by the front-end optical system 3 and is coupled to one of the plurality of optical output ports 2 .
  • the wavelength dispersive element 4 is configured to also serve as a multiplexing unit for multiplexing light of desired wavelength components among the light of each wavelength component deflected by the deflection unit 6.
  • the wavelength selective switch of the present invention does not have the function of multiplexing the light of each wavelength component deflected by the deflection unit 6, and is configured to couple the light of each wavelength component to each different optical output port. good.
  • the wavelength selective switch of the present invention may be configured to have a multiplexing section separate from the wavelength dispersive element 4 .
  • a plurality of light output ports 2 are arranged substantially vertically in the figure, and the wavelength dispersive element 4 separates the light incident from the light input port 1 substantially horizontally in the figure, and the deflection unit 6 deflects the light of each wavelength component substantially in the vertical direction in the figure in order to couple the light of each wavelength component to the desired optical output port 2 . That is, when viewed from the light traveling direction, the direction in which the light is deflected by the deflection unit 6 is the direction in which the plurality of light output ports 2 are arranged, and the direction in which the wavelength dispersion element 4 separates light is the direction in which the light is polarized. This direction is substantially orthogonal to the direction in which the portion 6 deflects the light.
  • the light incident from the optical input port 1 has five wavelength components with different signals, and the first and second wavelength components of these five signals are sent to the first optical output port
  • the wavelength dispersive element 4 divides the incident light into five separated into two wavelength components.
  • the deflection unit 6 also deflects the first and second wavelength components of the five wavelength components toward the first optical output port, and deflects the third and fourth wavelength components toward the second optical output port. direction to deflect the fifth wavelength component in a direction toward the third optical output port.
  • the wavelength dispersive element 4 multiplexes the first and second wavelength components deflected by the deflection section 6 and couples them to the first optical output port, and multiplexes the third and fourth wavelength components to produce the second wavelength component.
  • an optical output port and a fifth wavelength component is coupled to a third optical output port.
  • the wavelength selective switch separates each wavelength component contained in an incident optical signal in wavelength multiplexing mode communication in which different signals are superimposed on each wavelength, and separates the light of each separated wavelength component. Distribute to a predetermined route.
  • the chromatic dispersion section has a position control mechanism 7 for reversibly changing the position and/or the angle of the chromatic dispersion element 4 with respect to the optical input port 1 .
  • the wavelength selective switch of the present invention can change the wavelength band of light separated by the wavelength dispersive element 4 by changing the position and/or angle of the wavelength dispersive element 4 .
  • the wavelength selective switch of the present invention can operate in a wide wavelength band and can suppress the occurrence of crosstalk that accompanies the widening of the band.
  • the position control mechanism 7 changes the position and/or angle of the wavelength dispersive element 4 to change the wavelength band of light separated by the wavelength dispersive element 4 to the T band (238 THz ⁇ 300 THz), O band (220 THz ⁇ 238 THz), E band (205 THz ⁇ 220 THz), S band (196 THz ⁇ 205 THz), C band (191.5 THz ⁇ 196 THz), L band (184.5 THz ⁇ 191.5 THz), And it can change from any band in the U-band (179 THz to 184.5 THz) to another band.
  • changing the position of the wavelength dispersion element 4 means changing the emission direction of the light of each wavelength component separated by the wavelength dispersion element 4 with respect to the deflection unit 6 .
  • the wavelength dispersive element 4 may be configured to move in parallel.
  • Wavelength dispersion element A known element can be used as the wavelength dispersion element, and examples thereof include a prism, a surface relief diffraction grating, a liquid crystal diffraction element, a dielectric multilayer film, and a cholesteric reflective layer. A combination of these may be used, for example, a combination of a prism and a surface relief diffraction grating, a prism and a liquid crystal diffraction element, a surface relief diffraction grating and a liquid crystal diffraction grating, etc., and integrated by pasting or lamination. good too.
  • a surface relief diffraction grating, a liquid crystal diffraction element, a dielectric multilayer film, and a cholesteric reflective layer are preferable because they are excellent in separating near-infrared light, which is mainly used in optical wired communication.
  • the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound, which will be described later changes while continuously rotating in at least one direction in the plane. It is more preferable to apply either a liquid crystal diffraction element including an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern or a cholesteric reflective layer.
  • the orientation of the optic axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating in at least one direction in the plane. It is preferably either a liquid crystal diffraction element including an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern, or a cholesteric reflective layer.
  • the position control mechanism for reversibly changing the position and/or the angle of the wavelength dispersive element with respect to the optical input port may be one that rotates the wavelength dispersive element about one axis, or one that rotates the wavelength dispersive element linearly. It may be something that gives a movement. Known means such as stepping motors and linear motors can be used to control these movements.
  • FIGS. 2a and 2b The function of the position control mechanism will be conceptually explained using FIGS. 2a and 2b.
  • 2a and 2b will be described using an example of a drop-type wavelength selective switch having one optical input port and a plurality of optical output ports. The same applies to an add type wavelength selective switch having an output port and an add/drop type wavelength selective switch having a plurality of optical input ports and optical output ports.
  • 2a and 2b a wavelength dispersive element 4 that spatially separates incident light by wavelength, and a multiplexing unit that multiplexes two or more of the lights of each wavelength deflected by the deflection unit 6.
  • the wavelength dispersive element 4 may also serve as the multiplexing section.
  • FIGS. 2a and 2b three wavelength dispersive elements 4 as multiplexing sections are illustrated, but actually, different positions within the plane of one wavelength dispersion element 4 serve as multiplexing sections. It works.
  • the wavelength dispersive element 4 is movable by the position control mechanism 7, it is possible to change the corresponding wavelength band of the device according to the input and output wavelength bands. can. By being reversibly movable, even when it is desired to widen the wavelength band to be operated, it is possible to respond flexibly by operating each wavelength band by time division.
  • the movement of the wavelength dispersion element 4 is represented only by linear movement in FIG. , as previously described, may control angle or position, or both.
  • the angle and positional latitude and resolution in control are appropriately designed in consideration of the spatial resolution of the wavelength dispersive element used, the optical distance from the wavelength dispersive element to the deflection unit, the size of the deflection unit, and the pixel pitch width. be able to.
  • the deflection section includes a spatial phase modulator.
  • a spatial phase modulator is a device that can change the phase of reflected light (transmitted in the case of a transmissive type) according to the spatial position on the spatial phase modulator where the light is reflected. By spatially controlling the phase of the light, the direction (deflection) of the light can also be controlled.
  • a micromirror device and a liquid crystal optical element represented by LCOS can be used as the spatial phase modulator.
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • a spatial phase modulator using LCOS is preferable because it is easy to provide three or more paths. By providing three or more routes, the degree of freedom in the network topology (connection form) that can be formed is dramatically increased, which can contribute to the sophistication of the network within the data center.
  • LCOS is a configuration in which fine phase modulation electrodes that reflect light with high efficiency are formed on a silicon substrate, and a glass substrate is mounted on top of this with a spacer in between.
  • a liquid crystal material for deflection control is sealed in a space surrounded by a glass substrate, a spacer, and a silicon substrate.
  • the liquid crystal material to be enclosed and the thickness of the spacer are selected so that the phase of light in the communication wavelength band (184.5 to 238 THz) can be changed by 2 ⁇ or more.
  • transparent thin film electrodes for grounding (GND) are provided in advance on both sides of the glass substrate. ITO is often used as a transparent electrode material.
  • a back-end optical system that can be included in the present invention can be configured by appropriately combining various optical elements such as lenses, prisms, microlens arrays, apertures, filters, and retardation plates.
  • the light incident on the polarizing section from the wavelength dispersing section is preferably polarized light, particularly linearly polarized light, because the LCOS has polarization dependence.
  • the back-end optical system described above preferably includes an optical element that controls the polarization state.
  • the optical element that controls the polarization state may transmit only a specific polarized component and remove the other polarized component by absorbing or reflecting it.
  • an absorptive linear polarizer, a reflective linear polarizer, a reflective circular polarizer, or the like can be applied.
  • the absorbing linear polarizer include a material in which iodine or a dichroic dye is oriented and contained in an organic material, and an absorbing wire grid polarizer.
  • Examples of reflective linear polarizers include reflective wire grid polarizers and stretched polymer multilayer films (for example, those available from 3M as DBEF (trade name) and APF (trade name)).
  • DBEF trade name
  • APF trade name
  • the optical element for controlling the polarization state may be one that spatially separates the incident light according to each polarization component.
  • Such optical elements include a Wollaston prism, a Rochon prism, a Brewster window, a polarizing beam splitter, and a liquid crystal diffraction element containing an optical functional layer having a liquid crystal orientation pattern in which the optical axis changes in the plane derived from a liquid crystal compound. can be used.
  • the front-end optical system that can be included in the present invention can be configured by appropriately combining various optical elements such as lenses, prisms, microlens arrays, apertures, filters, and retardation plates, like the back-end optical system described above.
  • various optical elements such as lenses, prisms, microlens arrays, apertures, filters, and retardation plates, like the back-end optical system described above.
  • an optical element having polarization selectivity it is preferable that the light incident on the polarization wavelength dispersion section from the light input port be polarized light.
  • the front-end optical system described above preferably includes an optical element that controls the polarization state.
  • Optical elements that control the polarization state include those that transmit only a specific polarization component and remove other polarization components by absorbing or reflecting them, and those that spatially separate incident light according to each polarization component. can be used, and examples thereof are the same as those described in the back-end optical system.
  • the front-end optical system if there is a difference in optical path length between each wavelength channel from the optical input port to the optical output port, a time mismatch occurs between the channels, resulting in signal regeneration. It may cause trouble at times. Therefore, it is preferable to design the front-end optical system so that no optical path difference occurs between the wavelength channels. It is particularly preferable that the front-end optical system compensates for the optical path difference that occurs in the optical path from the wavelength dispersion element to the back-end optical system and the deflection unit.
  • a liquid crystal diffraction element (liquid crystal optical element) including an optically anisotropic layer (optical function layer) having a liquid crystal orientation pattern in which the optical axis derived from a liquid crystal compound changes in the plane.
  • a liquid crystal diffraction element include a transmissive liquid crystal diffraction element shown in FIG. 2 of JP-A-2017-522601 and a reflective liquid crystal diffraction element shown in FIG. .
  • Such a liquid crystal diffraction element is a thin sheet-like element in which liquid crystal compounds (compounds containing mesogens) are fixed in a predetermined orientation state.
  • the liquid crystal diffraction element can be combined with a retardation layer, a prism layer, and a microlens layer, if necessary.
  • a liquid crystal diffraction element as a wavelength dispersion element, the wavelength selective switch of the present invention is thinner and more compact than conventionally known prisms and surface relief gratings (SRG), while spatially dispersing wavelength channels. Crosstalk between channels can be reduced in that the separation width can be increased. Moreover, it is preferable in that the diffraction efficiency is high and the insertion loss can be reduced.
  • a liquid crystal diffraction element (optically anisotropic layer) having a liquid crystal orientation pattern that changes in-plane can be obtained by fixing a liquid crystal compound in a predetermined orientation state.
  • the alignment state may be fixed by using an electric field, a magnetic field, or the like, or by using phase transition, cross-linking, polymerization, or the like of a liquid crystal compound.
  • an electric field, a magnetic field, or the like is used to fix the orientation state, the applied electric field or magnetic field may be controlled to adjust on/off switching and spatial separation of each beam.
  • phase transition, cross-linking, polymerization, etc. of a liquid crystal compound to fix the alignment state, various compounds exhibiting liquid crystallinity can be used as the liquid crystal compound.
  • the liquid crystal diffraction element used in the present invention is an element in which a composition containing a polymerizable liquid crystal compound is brought into a predetermined alignment state and then polymerized or crosslinked to fix the alignment state.
  • these elements can be manufactured by the methods described in Japanese Patent Publication No. 2017-522601 and International Publication No. 2019/189852.
  • FIG. 3 shows a conceptual diagram of a liquid crystal diffraction element in which the orientation state is fixed and which has a liquid crystal orientation pattern in which the optic axis of the liquid crystal compound changes within the plane.
  • an optically anisotropic layer 26 which is an optical functional layer, is provided on a transparent substrate (support) 20 provided as necessary.
  • the optically anisotropic layer 26 contains a liquid crystal compound 30 whose orientation state is fixed with the optic axis (long axis direction of the rod in FIG. 3) changing in any plane 615 across the optically anisotropic layer 26.
  • An alignment film 24 (not shown) is provided between the support 20 and the optically anisotropic layer 26 .
  • the alignment of the liquid crystal compound 30 whose orientation is fixed in this manner forms a distribution of refractive index anisotropy within the optically anisotropic layer 26, and a polarization-selective diffraction action on the signal light 103 from the optical fiber.
  • the incident signal light 103 is spatially separated into ⁇ 1st-order light 105 and 1st-order light 107 at an angle corresponding to the wavelength.
  • the liquid crystal diffraction element 104 in FIG. 3 is typically an optically anisotropic layer that separates the incident signal light 103 into two circularly polarized light beams with different rotation directions.
  • the optically anisotropic layer 26 is formed using a composition containing a liquid crystal compound, and the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound is It may have a liquid crystal orientation pattern that changes while continuously rotating in at least one direction in the plane, and the liquid crystal compound (optical axis) may also change while rotating in the thickness direction. .
  • the support 20 supports the alignment film 24 and the optically anisotropic layer 26 .
  • Various sheet-like materials can be used as the support 20 as long as they can support the alignment film 24 and the optically anisotropic layer 26 .
  • a transparent support is preferable, and a polyacrylic resin film such as polymethyl methacrylate, a cellulose resin film such as cellulose triacetate, or a cycloolefin polymer film (for example, the product name "Arton” manufactured by JSR Corporation, Trade name “Zeonor”, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, and polyvinyl chloride.
  • the support is not limited to a flexible film, and may be a non-flexible substrate such as a glass substrate.
  • the thickness of the support 20 is not limited, and the thickness capable of holding the alignment film and the optically anisotropic layer can be appropriately set according to the application of the liquid crystal diffraction element 104, the material for forming the support 20, and the like. Just do it.
  • the thickness of the support 20 is preferably 1-1000 ⁇ m, more preferably 3-250 ⁇ m, even more preferably 5-150 ⁇ m.
  • An alignment film 24 may be formed on the surface of the support 20 in the liquid crystal diffraction element 104 .
  • the alignment film 24 is an alignment film for aligning the liquid crystal compound 30 in a predetermined liquid crystal alignment pattern when forming the optically anisotropic layer 26 of the liquid crystal diffraction element 104 .
  • a rod-shaped liquid crystal compound is illustrated as the liquid crystal compound 30 .
  • the optically anisotropic layer 26 is such that the optical axis 30A (see FIG. 5) derived from the liquid crystal compound 30 is oriented in one in-plane direction (see FIG. 5). It has a liquid crystal orientation pattern that changes while continuously rotating along the arrow A direction in the middle). Therefore, the alignment film of the liquid crystal diffraction element 104 is formed so that the optically anisotropic layer 26 can form this liquid crystal alignment pattern.
  • the optic axis 30A of the liquid crystal compound 30 is intended to be the long molecular axis of the rod-like liquid crystal compound.
  • the optic axis 30A of the liquid crystal compound 30 is intended to be an axis parallel to the normal direction (perpendicular direction) to the disc surface of the discotic liquid crystal compound.
  • rotation of the direction of the optical axis 30A is also simply referred to as “rotation of the optical axis 30A”.
  • Various known alignment films are available. For example, rubbed films made of organic compounds such as polymers, oblique deposition films of inorganic compounds, films with microgrooves, and Langmuir films of organic compounds such as ⁇ -tricosanoic acid, dioctadecylmethylammonium chloride and methyl stearate.
  • LB Liquinuir-Blodgett
  • the alignment film by rubbing treatment can be formed by rubbing the surface of the polymer layer with paper or cloth several times in one direction.
  • Materials used for the alignment film include polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and Materials used for forming an alignment film, etc., described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-128503 are preferably exemplified.
  • a so-called photo-alignment film formed by irradiating a photo-orientation material with polarized or non-polarized light is preferably used as the alignment film. That is, in the liquid crystal diffraction element 104, a photo-alignment film formed by coating a photo-alignment material on the support 20 is preferably used as the alignment film 24.
  • FIG. Irradiation with polarized light can be performed in a direction perpendicular to or oblique to the photo-alignment film, and irradiation with non-polarized light can be performed in a direction oblique to the photo-alignment film.
  • the thickness of the alignment film is not limited, and the thickness may be appropriately set according to the material for forming the alignment film so that the required alignment function can be obtained.
  • the thickness of the alignment film is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
  • the method for forming the alignment film is not limited, and various known methods can be used depending on the material for forming the alignment film. As an example, there is a method in which an alignment film is applied to the surface of the support 20 and dried, and then the alignment film is exposed to laser light to form an alignment pattern.
  • FIG. 6 conceptually shows an example of an exposure apparatus that exposes the alignment film 24 to form the alignment pattern described above.
  • the exposure device 60 shown in FIG. 6 includes a light source 64 having a laser 62, a ⁇ /2 plate 65 that changes the polarization direction of the laser beam M emitted by the laser 62, and a beam MA and a beam MA. It includes a polarizing beam control element 68 that splits the beam MB into two, mirrors 70A and 70B placed on the optical paths of the two split beams MA and MB, respectively, and ⁇ /4 plates 72A and 72B.
  • the light source 64 emits linearly polarized light P 0 .
  • the ⁇ /4 plate 72A converts the linearly polarized light P 0 (light ray MA) into right circularly polarized light PR
  • the ⁇ /4 plate 72B converts the linearly polarized light P 0 (light ray MB) into left circularly polarized light P L .
  • a support 20 having an alignment film 24 before an alignment pattern is formed is placed in an exposure area, and two light beams MA and MB cross each other on the alignment film 24 and interfere with each other. exposed to light. Due to the interference at this time, the polarization state of the light with which the alignment film 24 is irradiated changes periodically in the form of interference fringes. As a result, an alignment film having an alignment pattern in which the alignment state changes periodically (hereinafter also referred to as a patterned alignment film) is obtained.
  • the period of the alignment pattern can be adjusted by changing the crossing angle ⁇ of the two light beams MA and MB.
  • the exposure device 60 by adjusting the intersection angle ⁇ , in the orientation pattern in which the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 rotates continuously along one direction, , the length of one cycle (one cycle .LAMBDA. to be described later) in which the optical axis 30A rotates by 180.degree. can be adjusted.
  • the optically anisotropic layer 26 By forming the optically anisotropic layer 26 on the alignment film 24 having such an alignment pattern in which the alignment state changes periodically, the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30, which will be described later, is oriented along one direction.
  • An optically anisotropic layer 26 can be formed having a liquid crystal alignment pattern that continuously rotates with the Further, by rotating the optical axes of the ⁇ /4 plates 72A and 72B by 90°, the direction of rotation of the optical axis 30A can be reversed.
  • the orientation of the optical axis of the liquid crystal compound of the optically anisotropic layer 26 formed on the patterned alignment film changes while continuously rotating along at least one in-plane direction. It has an alignment pattern for aligning the liquid crystal compound so that a liquid crystal alignment pattern is obtained. Assuming that the orientation axis of the patterned orientation film is along the direction in which the liquid crystal compound is oriented, the direction of the orientation axis of the patterned orientation film changes while continuously rotating along at least one in-plane direction. It can be said that it has an orientation pattern.
  • the orientation axis of the patterned orientation film can be detected by measuring the absorption anisotropy.
  • a patterned alignment film is irradiated with linearly polarized light while being rotated and the amount of light transmitted through the patterned alignment film is measured, the direction in which the light amount becomes maximum or minimum gradually changes along one direction in the plane. Observed to change.
  • the alignment film 24 is provided as a preferred embodiment, and is not an essential component, as described above.
  • the optically anisotropic layer 26 or the like is attached to the liquid crystal compound 30. It is also possible to have a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the derived optical axis 30A changes while continuously rotating along one direction.
  • an optically anisotropic layer 26 is formed on the surface of the alignment film 24 .
  • the optically anisotropic layer 26 is formed using a composition containing a liquid crystal compound.
  • the optically anisotropic layer 26 functions as a general ⁇ /2 plate when the in-plane retardation value is set to ⁇ /2. It has a function of giving a phase difference of half a wavelength, that is, 180° to two linearly polarized light components.
  • Such a liquid crystal diffraction element 104 bends incident circularly polarized light and changes the rotation direction of the circularly polarized light.
  • the liquid crystal diffraction element 104 (optically anisotropic layer 26) bends the incident light in the opposite azimuth direction according to the rotating direction of the incident circularly polarized light.
  • the optically anisotropic layer 26 is a liquid crystal in which the direction of the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 changes while continuously rotating in one direction (arrow A direction in FIG. 5) in the plane of the optically anisotropic layer. It has an orientation pattern.
  • the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is the axis with the highest refractive index in the liquid crystal compound 30, that is, the so-called slow axis.
  • the optic axis 30A is along the long axis direction of the rod shape.
  • the optic axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is also referred to as "the optic axis 30A of the liquid crystal compound 30" or "the optic axis 30A".
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the alignment state of the liquid crystal compound 30 in the plane of the main surface of the optically anisotropic layer 26.
  • the main surface is the maximum surface of the sheet-like material (film, plate-like material, layer).
  • the optically anisotropic layer 26 has a liquid crystal orientation pattern that changes while the optic axis 30A continuously rotates in one direction indicated by the arrow A in the plane.
  • the liquid crystal compound 30 is two-dimensionally aligned in a plane parallel to one direction indicated by the arrow A and the Y direction perpendicular to the arrow A direction. 5 and 6, which will be described later, the Y direction is a direction perpendicular to the plane of the paper. In the following description, "one direction indicated by arrow A” is also simply referred to as "arrow A direction”.
  • it is a diagram of the optically anisotropic layer 26 viewed from a direction orthogonal to the main surface.
  • FIG. 5 shows only the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film 24 in order to clearly show the structure of the liquid crystal diffraction element 104 .
  • this optically anisotropic layer 26 also has a structure in which liquid crystal compounds 30 are stacked from the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film in the thickness direction, as shown in FIG.
  • the optically anisotropic layer 26 has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 changes while continuously rotating along the direction of the arrow A in the plane of the optically anisotropic layer 26. have. That the direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 changes while continuously rotating in the direction of the arrow A (predetermined one direction) specifically means that the liquid crystal compounds arranged along the direction of the arrow A.
  • the angle formed by the optical axis 30A of 30 and the direction of the arrow A varies depending on the position in the direction of the arrow A. This means that the angle changes sequentially up to ⁇ 180°.
  • the difference in angle between the optical axes 30A of the liquid crystal compounds 30 adjacent to each other in the direction of the arrow A is preferably 45° or less, more preferably 15° or less, and even more preferably a smaller angle. .
  • the direction of the optic axis 30A is oriented in the Y direction perpendicular to the arrow A direction, that is, in the Y direction perpendicular to one direction in which the optic axis 30A rotates continuously.
  • Equivalent liquid crystal compounds 30 are arranged at regular intervals. In other words, in the liquid crystal compounds 30 forming the optically anisotropic layer 26, the angle between the direction of the optical axis 30A and the direction of the arrow A is the same between the liquid crystal compounds 30 arranged in the Y direction.
  • the length (distance) of the 180° rotation of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is defined as the length ⁇ of one cycle in the liquid crystal alignment pattern. do. That is, in the case of the optically anisotropic layer 26 shown in FIGS. 3 and 5, the optic axis 30A of the liquid crystal compound 30 is 180° in the direction of the arrow A in which the direction of the optic axis 30A rotates continuously within the plane.
  • the length (distance) of degree rotation is defined as the length ⁇ of one cycle in the liquid crystal alignment pattern.
  • the length of one cycle in the liquid crystal alignment pattern is defined by the distance from ⁇ to ⁇ +180° formed by the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 and the direction of the arrow A. That is, the distance between the centers in the direction of arrow A of two liquid crystal compounds 30 having the same angle with respect to the direction of arrow A is defined as the length of one cycle ⁇ . Specifically, as shown in FIG. 5, the distance between the centers of the two liquid crystal compounds 30 in the direction of the arrow A and the direction of the optical axis 30A in the direction of the arrow A is defined as the length of one period ⁇ . . In the following description, the length ⁇ of one period is also referred to as "one period ⁇ ".
  • the liquid crystal orientation pattern of the optically anisotropic layer 26 repeats this one cycle ⁇ in the direction of the arrow A, that is, in one direction in which the direction of the optical axis 30A rotates continuously and changes.
  • the liquid crystal diffraction element 104 (optically anisotropic layer 26) is also a liquid crystal diffraction element, and this one period ⁇ is the period (one period) of the diffraction structure.
  • the liquid crystal compounds arranged in the Y direction perpendicular to the direction of arrow A are aligned in the direction of the optic axis 30A and the direction of arrow A, that is, the direction in which the optic axis of the liquid crystal compound 30 rotates. are equal.
  • a region R is defined as a region where the liquid crystal compound 30 having the same angle formed by the optical axis 30A and the arrow A direction is arranged in the Y direction.
  • the value of the in-plane retardation (Re) in each region R is preferably half the wavelength, ie, ⁇ /2.
  • the refractive index difference associated with the refractive index anisotropy of the region R in the optically anisotropic layer is the refractive index in the direction of the slow axis in the plane of the region R and the direction orthogonal to the direction of the slow axis is the refractive index difference defined by the difference from the refractive index of That is, the refractive index difference ⁇ n associated with the refractive index anisotropy of the region R is the difference between the refractive index of the liquid crystal compound 30 in the direction of the optical axis 30A and the refractive index of the liquid crystal compound 30 in the direction perpendicular to the optical axis 30A in the plane of the region R. Equal to the difference in refractive index. That is, the refractive index difference ⁇ n is equal to the refractive index
  • the optically anisotropic layer 26 can adjust the angle of refraction of transmitted light and its wavelength selectivity by changing one period ⁇ of the formed liquid crystal alignment pattern. Specifically, the shorter the period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern, the stronger the interference between the lights passing through the liquid crystal compounds 30 adjacent to each other, so that the transmitted light can be greatly refracted.
  • the angle of refraction of light by such an optically anisotropic layer 26 differs according to the wavelength of incident light, and the shorter the wavelength, the smaller the angle of refraction.
  • the angle of refraction with respect to the incident wavelength can be controlled by the period ⁇ and the variation of the liquid crystal orientation pattern inside the optically anisotropic layer, adjusting these to exhibit the desired properties allows the spatial separation can be taken large.
  • ⁇ Cholesteric reflective layer As the wavelength dispersion element of the wavelength selective switch of the present invention, a cholesteric reflective layer having a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating in at least one direction in the plane. Reflective liquid crystal diffraction elements containing (cholesteric liquid crystal layers) are available.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing an example of a reflective liquid crystal diffraction element.
  • the plan view of the reflective liquid crystal diffraction element shown in FIG. 7 has the same configuration as that shown in FIG.
  • the cholesteric liquid crystal phase is fixed, and the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. It has a cholesteric liquid crystal layer 34 with a liquid crystal alignment pattern.
  • the cholesteric liquid crystal layer reflects one of the selectively reflected wavelengths of circularly polarized light and transmits light of other wavelength ranges and the other circularly polarized light. Therefore, a diffractive element having a cholesteric liquid crystal layer is a reflective diffractive element.
  • the reflective liquid crystal diffraction element has a support 20, an alignment film 24, and a cholesteric liquid crystal layer .
  • the support 20 and the alignment film 24 are the same as those of the transmissive liquid crystal diffraction element.
  • the reflective liquid crystal diffraction element of the example shown in FIG. 7 has the support 20, the alignment film 24, and the cholesteric liquid crystal layer 34, the present invention is not limited to this.
  • the reflective liquid crystal diffraction element may have, for example, only the alignment film 24 and the cholesteric liquid crystal layer 34 from which the support 20 is removed.
  • the reflective liquid crystal diffraction element may have only the cholesteric liquid crystal layer 34 from which the support 20 and the alignment film 24 are separated, for example.
  • the cholesteric liquid crystal layer 34 has a helical structure in which the liquid crystal compound 30 is spirally rotated and stacked in the same manner as a cholesteric liquid crystal layer in which a normal cholesteric liquid crystal phase is fixed.
  • the structure in which the liquid crystal compounds 30 are stacked one helically (rotated by 360°) is defined as one helical pitch, and the helically rotating liquid crystal compounds 30 have a structure in which a plurality of pitches are stacked.
  • a cholesteric liquid crystal layer in which a cholesteric liquid crystal phase is fixed has a wavelength-selective reflectivity, and the selective reflection wavelength range of the cholesteric liquid crystal layer is the length of the above-described helical pitch in the thickness direction. depends on Therefore, when the cholesteric liquid crystal layer is made to have wavelength selectivity and diffracts light of different wavelengths for each cholesteric liquid crystal layer, the helical pitch P of the cholesteric liquid crystal layer is adjusted for each cholesteric liquid crystal layer. , the selective reflection wavelength range of the cholesteric liquid crystal layer may be appropriately set.
  • the orientation of the optic axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating in at least one direction in the plane, as in the above-described transmissive liquid crystal diffraction element. It has a liquid crystal alignment pattern.
  • the cholesteric liquid crystal layer 34 having such a liquid crystal alignment pattern reflects incident light in a direction different from specular reflection.
  • the light incident on the cholesteric liquid crystal layer 34 from a direction perpendicular to it is tilted in the arrow A direction and reflected.
  • the cholesteric liquid crystal layer 34 is a cholesteric liquid crystal layer that selectively reflects right-handed circularly polarized light of red light
  • the cholesteric liquid crystal layer 34 reflects right-handed circularly polarized light of red light. Reflects only polarized light and transmits other light.
  • the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 changes while rotating along the arrow A direction (one direction).
  • the liquid crystal alignment pattern formed in the cholesteric liquid crystal layer 34 is a periodic pattern in the arrow A direction. Therefore, the right-handed circularly polarized red light R R incident perpendicularly to the cholesteric liquid crystal layer 34 is reflected and diffracted in the azimuth direction according to the period of the liquid crystal alignment pattern, and the reflected right-handed circularly polarized red light R R is The light is reflected and diffracted in a direction inclined in the azimuth direction of the alignment axis D with respect to the XY plane (main surface of the cholesteric liquid crystal layer).
  • the light reflection direction (reflection azimuth) can be adjusted.
  • the reflection direction is reversed depending on the turning direction of the spiral of the liquid crystal compound 30, that is, the turning direction of the reflected circularly polarized light.
  • the direction of rotation of the spiral when the direction of rotation of the spiral is right-handed, it selectively reflects right-handed circularly polarized light. Polarized light is tilted in the direction of arrow A and reflected.
  • the liquid crystal layer when the direction of rotation of the spiral is left-handed, the liquid crystal layer selectively reflects left-handed circularly polarized light and has a liquid crystal orientation pattern in which the optical axis 30A rotates clockwise along the direction of arrow A. , reflects the left-handed circularly polarized light by tilting it in the direction opposite to the arrow A direction.
  • the shorter the period ⁇ the greater the angle of the reflected light with respect to the incident light. That is, the shorter the period ⁇ , the greater the inclination of the reflected light with respect to the incident light.
  • the angle of diffraction by the cholesteric liquid crystal layer 34 having such a liquid crystal orientation pattern varies depending on the wavelength of light. Specifically, the longer the wavelength of the light, the larger the angle of the reflected light with respect to the incident light. Therefore, the cholesteric liquid crystal layer 34 can separate light by diffracting (reflecting) incident light at different angles depending on the wavelength. Further, when the cholesteric liquid crystal layer 34 is used as the wavelength dispersion element 4, as shown in FIG. changes the wavelength of light directed toward Thereby, the wavelength band of the light separated by the wavelength dispersive element 4 can be changed.
  • the cholesteric liquid crystal layer reflects and diffracts incident light at different angles for each wavelength. That is, the cholesteric liquid crystal layer must have a somewhat broad reflection wavelength band.
  • a general cholesteric liquid crystal layer has wavelength selective reflectivity and reflects light in a narrow band.
  • the cholesteric liquid crystal layer preferably has a structure in which the helical pitch changes in the thickness direction in order to widen the reflection wavelength band. Since the cholesteric liquid crystal layer has a structure in which the helical pitch changes in the thickness direction, the reflection wavelength band of the cholesteric liquid crystal layer can be widened. In order to widen the reflection wavelength band, it is also preferable to increase the birefringence ( ⁇ n) of the liquid crystal.
  • the cholesteric liquid crystal layer in which the helical pitch changes in the thickness direction, is bright in the thickness direction in the striped pattern of bright and dark areas that can be seen when the cross section is observed using a scanning electron microscope (SEM). The distance between black and dark areas will be different.
  • the reflective liquid crystal diffraction element may be configured to have a plurality of cholesteric liquid crystal layers with different helical pitches.
  • each of the plurality of cholesteric liquid crystal layers has a liquid crystal orientation pattern, and reflects and diffracts the light of the selective reflection wavelength among the incident light.
  • each cholesteric liquid crystal layer reflects light at a different angle (direction) by making the diffraction angle of each cholesteric liquid crystal layer different.
  • the reflective diffraction element may have a cholesteric liquid crystal layer that reflects right-handed circularly polarized light and a cholesteric liquid crystal layer that reflects left-handed circularly polarized light with the same selective reflection wavelength for each selective reflection wavelength.
  • a cholesteric liquid crystal layer having a liquid crystal alignment pattern can be produced by the method described in International Publication No. 2019/131966, International Publication No. 2019/189852, and the like.
  • the optical cross-connect device of the present invention can be configured by including one or more of the wavelength selective switches of the present invention described above, and further by combining with a multicast switch and a driving electronic circuit.
  • Such an optical cross-connect device of the present invention can provide a useful optical cross-connect device that can flexibly handle a wide wavelength band and that has little crosstalk and little insertion loss.
  • the wavelength selective switch of the present invention is mounted as a drop type on the optical input side of an optical cross-connect device, and after each separated beam is controlled by a multicast switch, the optical output side of the optical cross-connect device is , the wavelength selective switch of the present invention can be implemented as an add type. Since the wavelength selective switch of the present invention can change the corresponding wavelength band, even if the wavelength band is flexibly operated according to the traffic situation, it is preferable because it can always exhibit the optimum performance.

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Abstract

広帯域の対応が可能で、かつ、クロストークが低減された波長選択スイッチ、およびそれを用いた光クロスコネクト装置を提供する。光入力ポートと、光出力ポートと、光入力ポートから入射した光の出射角度が、所定の波長帯域ごとに異なるように、入射した光を波長ごとに空間的に分離して出射する波長分散部と、波長分散部から入射した光の反射角度又は透過角度を波長ごとに可変に偏向させることにより、光を光出力ポートに結合させる偏向部と、を含む波長選択スイッチであり、波長分散部は、波長分散素子と、波長分散素子を、光入力ポートに対する位置または角度、もしくは、その両方を可逆的に変化させる位置制御機構とを備える。

Description

波長選択スイッチ、および、それを用いた光クロスコネクト装置
　本発明は、波長選択スイッチ、および、それを用いた光クロスコネクト装置に関する。
　従来、波長クロスコネクト装置は、光ネットワークの複数の光ファイバを一纏めにした方路（光伝送路）の光ファイバに、光信号の中継ノードとして接続される。この波長クロスコネクト装置においては、入力側の方路からの光信号が、複数の波長選択スイッチ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ：ＷＳＳ）を経由して所定の出力側の方路へ出力される。
　波長選択スイッチは、波長多重モード通信において光ファイバ上を伝送される光信号に含まれる各波長成分を分離し、かつ、それぞれ所定の方路へ分配する機能を有している。波長成分の分離には分散素子が利用され、波長の違いを空間的に分離することによって、方路への分配を可能にしている。分散素子としては、プリズム、表面レリーフ回折素子（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｒｅｌｉｅｆ　Ｇｒａｔｉｎｇｓ：ＳＲＧ）、および、アレイ導波路回折素子（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ：ＡＷＧ）等が利用されていた。
　例えば、特許文献１には、複数本のノード間接続用光ファイバをそれぞれ介して光ノードが相互いに接続された光ネットワークにおいて、光ノードに配置された光クロスコネクト装置であって、複数本のノード間接続用光ファイバにそれぞれ接続されたノード間接続用入力ポートおよびノード間接続用出力ポートと、内部接続用入力ポートおよび内部接続用出力ポートとをそれぞれ有し、内部接続用入力ポートおよび内部接続用出力ポートを介して環状に或いは直列的に相互接続された複数個の光クロスコネクト部を含み、複数個の光クロスコネクト部は、ノード間接続用入力ポートおよび内部接続用入力ポートの数に対応する複数入力と、ノード間接続用出力ポートおよび内部接続用出力ポートの数に対応する複数出力とを有する単一の波長選択スイッチからそれぞれ構成されている光クロスコネクト装置が記載されている。
特開２０１７－１５２７４９号公報
　多重通信モードは各種検討されているが、波長多重モードに関してはＣバンド（１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍ）を中心に利用されているにすぎず、その他の帯域の活用は、通信速度向上の原資として期待されている。
　波長帯域が広帯域化すると、光クロスコネクト装置に利用される波長選択スイッチも広帯域の対応が必要になるが、スイッチングに用いる空間変調器の物理的なサイズには上限があることから、全帯域を１つの波長選択スイッチでカバーしようとすると空間的な分離が不足し、クロストークが悪化するおそれがある。
　よって、本発明では、広帯域の対応が可能で、かつ、クロストークが低減された波長選択スイッチ、およびそれを用いた光クロスコネクト装置の提供を目的とする。
　本発明者らは、以下の構成により上記課題が解決できることを見出した。
　［１］　光入力ポートと、光出力ポートと、光入力ポートから入射した光の出射角度が、所定の波長帯域ごとに異なるように、入射した光を波長ごとに空間的に分離して出射する波長分散部と、波長分散部から入射した光の反射角度又は透過角度を波長ごとに可変に偏向させることにより、光を光出力ポートに結合させる偏向部と、を含む波長選択スイッチであり、
　波長分散部は、波長分散素子と、波長分散素子を、光入力ポートに対する位置または角度、もしくは、その両方を可逆的に変化させる位置制御機構とを備えた、波長選択スイッチ。
　［２］　偏向部で偏向された各波長の光のうち２以上を合波する合波部を有する、［１］に記載の波長選択スイッチ。
　［３］　波長分散部が合波部を兼ねる、［２］に記載の波長選択スイッチ。
　［４］　波長分散素子が、プリズム、表面レリーフ回折格子、液晶回折素子の少なくともいずれかを含む、［１］に記載の波長選択スイッチ。
　［５］　波長分散素子が、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層を含む液晶回折素子である、［４］に記載の波長選択スイッチ。
　［６］　［１］～［５］のいずれかに記載の波長選択スイッチを含む、光クロスコネクト装置。
　本発明によれば、広帯域な波長帯域の運用が可能で、かつ、クロストークが低減された波長選択スイッチを提供できる。
　また、本発明によれば、この波長選択スイッチを用いた光クロスコネクト装置を提供できる。
本発明の波長選択スイッチの一例の概念図である。 図２ａは、従来の波長選択スイッチの一例の概念図である。 図２ｂは、本発明の波長選択スイッチの一例の概念図である。 本発明に用いられる液晶回折素子の一例の概念図である。 本発明の波長選択スイッチに用いられる液晶回折素子の一例の概念図である。 図３に示す液晶回折素子の平面の概念図である。 図３に示す液晶回折素子の配向膜を露光する露光装置の一例の概念図である。 本発明の波長選択スイッチに用いられる液晶回折素子の他の一例の概念図である。
　以下、本発明について詳細に説明する。
　以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
　なお、本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
　＜波長選択スイッチ＞
　本発明の波長選択スイッチは、光入力ポートと、光出力ポートと、光入力ポートから入射した光の出射角度が、所定の波長帯域ごとに異なるように、入射した光を波長ごとに空間的に分離して出射する波長分散部と、波長分散部から入射した光の反射角度又は透過角度を波長ごとに可変に偏向させることにより、光を光出力ポートに結合させる偏向部と、を含む波長選択スイッチであり、波長分散部は、波長分散素子と、波長分散素子を、光入力ポートに対する位置または角度、もしくは、その両方を可逆的に変化させる位置制御機構とを備える。
　図１に、本発明の好ましい一実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す。図１は、１つの光入力ポート１と複数の光出力ポート２を持つドロップ型の波長選択スイッチの例を示している。光の入出力方向が逆になるだけであり、多くの説明が重複するのでアド型の波長選択スイッチについては省略するが、本発明は複数の光入力ポートと１つの光出力ポートを持つアド型の波長選択スイッチにも適用可能である。また、詳述しないが、複数の光入力ポートと、複数の光出力ポートを備えたアド・ドロップ型の波長選択スイッチとしてもよい。
　図１に示す光入力ポート１と複数の光出力ポート２を有する空間光学型の波長選択スイッチは、偏向部６と、光入力ポート１から入射した光の出射角度が、所定の波長帯域ごとに異なるように、入射した光を波長ごとに空間的に分離して出射する波長分散部とを備えている。波長分散部は、偏向部で偏向され入射してくる光を合波して、光出力ポート２へ結合させる機能も有している。
　波長分散部は、入射光を分波、合波するためのプリズムまたは回折格子等の波長分散素子４と、波長分散素子４を、光入力ポート１に対する位置または角度、またはその両方を可逆的に変化させる位置制御機構７とを備えている。図１に示す例では、位置制御機構７は、光入力ポート１の光軸方向（光の出射方向）に対する波長分散素子４の主面の角度を可逆的に変化させる。すなわち、位置制御機構７は、光入力ポート１から入射した光が波長分散素子４に入射する際の入射角を可逆的に変化させる。また、図示例のように、波長分散部は、必要に応じて、光入力ポート１と波長分散素子４の間にあるフロントエンド光学系３、および／または、波長分散素子４と偏向部６との間にあるバックエンド光学系５をさらに有しても良い。
　図１に示す波長選択スイッチにおいては、光入力ポート１から入射した光は、フロントエンド光学系３、波長分散素子４、および、バックエンド光学系５を通過して、偏向部６で反射されて、再度、バックエンド光学系５、波長分散素子４、および、フロントエンド光学系３を通過して複数の光出力ポート２に結合される。
　図１に示す波長選択スイッチは、波長多重モード通信において、入射される光信号に含まれる各波長成分を分離し、かつ、分離した各波長成分の光をそれぞれ所定の方路へ分配するものである。
　図１に示す波長選択スイッチにおいては、光入力ポート１から入射した光は、フロントエンド光学系３で偏光状態、進行方向等を調整されて波長分散素子４に入射する。波長分散素子４は、入射した波長を各波長成分に分離するとともに、光を偏向部６に向けて反射する。波長分散素子４で各波長成分に分離された光はそれぞれバックエンド光学系５で偏光状態、進行方向等を調整されて偏向部６に入射する。偏向部６は、入射した各波長成分の光を、波長ごとに所望の方向に偏向させる。偏向部６で偏向された各波長成分の光は、バックエンド光学系５で偏光状態、進行方向等を調整されて波長分散素子４に入射する。波長分散素子４は、各波長成分の光をそれぞれ所望の光出力ポート２に向けて反射する。その際、波長分散素子４は、各波長成分の光のうち、所望の波長成分の光を合波する。すなわち、図示例においては、波長分散素子４（波長分散部）は、合波部を兼ねている。波長分散素子４で反射された光は、フロントエンド光学系３で偏光状態、進行方向等を調整されて複数の光出力ポート２のいずれかに結合される。
　なお、図１に示す例では、波長分散素子４は、偏向部６で偏向された各波長成分の光のうち、所望の波長成分の光を合波する合波部を兼ねている構成としたが、これに限定はされない。本発明の波長選択スイッチは、偏向部６で偏向された各波長成分の光を合波する機能を有さず、各波長成分の光をそれぞれ別の光出力ポートに結合する構成であってもよい。あるいは、本発明の波長選択スイッチは、波長分散素子４とは別に合波部を有する構成としてもよい。
　図１に示す例では、複数の光出力ポート２は、図中略上下方向に配列されており、波長分散素子４は、光入力ポート１から入射した光を図中略左右方向に分離し、偏向部６は、各波長成分の光を所望の光出力ポート２に結合させるために図中略上下方向に偏向する。すなわち、光の進行方向から見て、偏向部６が光を偏向させる方向は、複数の光出力ポート２が配列された方向であり、また、波長分散素子４が光を分離する方向は、偏向部６が光を偏向させる方向とは略直交する方向である。
　一例として、光入力ポート１から入射する光が、５つの波長成分それぞれに異なる信号を乗せたものであり、これら５つの信号のうち、第１および第２の波長成分を第１光出力ポートに出力し、第３および第４の波長成分を第２光出力ポートに出力し、第５の波長成分を第３光出力ポートに出力する場合には、波長分散素子４は、入射した光を５つの波長成分に分離する。また、偏向部６は、５つの波長成分のうち第１および第２の波長成分を第１光出力ポートに向かう方向に偏向し、第３および第４の波長成分を第２光出力ポートに向かう方向に偏向し、第５の波長成分を第３光出力ポートに向かう方向に偏向する。波長分散素子４は、偏向部６で偏向された第１および第２の波長成分を合波して第１光出力ポートに結合させ、第３および第４の波長成分を合波して第２光出力ポートに結合させ、第５の波長成分を第３光出力ポートに結合させる。
　このようにして、波長選択スイッチは、波長ごとに異なる信号を乗せた波長多重モード通信において、入射される光信号に含まれる各波長成分を分離し、かつ、分離した各波長成分の光をそれぞれ所定の方路へ分配する。
　ここで、本発明においては、波長分散部は、波長分散素子４を光入力ポート１に対する位置または角度、もしくは、その両方を可逆的に変化させる位置制御機構７を有している。本発明の波長選択スイッチは、波長分散素子４の位置および／または角度を変化させることで、波長分散素子４が分離する光の波長帯域を変更することができる。これにより、本発明の波長選択スイッチは、広帯域な波長帯域の運用が可能で、かつ、広帯域化に伴うクロストークの発生を抑制できる。例えば、位置制御機構７が、波長分散素子４の位置および／または角度を変化させることで、波長分散素子４が分離する光の波長帯域を、光通信に用いられる波長帯域の、Ｔ帯（２３８ＴＨｚ～３００ＴＨｚ）、Ｏ帯（２２０ＴＨｚ～２３８ＴＨｚ）、Ｅ帯（２０５ＴＨｚ～２２０ＴＨｚ）、Ｓ帯（１９６ＴＨｚ～２０５ＴＨｚ）、Ｃ帯（１９１．５ＴＨｚ～１９６ＴＨｚ）、Ｌ帯（１８４．５ＴＨｚ～１９１．５ＴＨｚ）、および、Ｕ帯（１７９ＴＨｚ～１８４．５ＴＨｚ）のいずれかの帯域から別の帯域に、変更することができる。
　また、波長分散素子４の位置を変化させるとは、波長分散素子４が分離した各波長成分の光の出射方向を偏向部６に対して変化させることを意味する。例えば、波長分散素子４が面内で回折角度が変化する構成の場合には、波長分散素子４を平行移動させる構成としてもよい。
〔波長分散素子〕
　波長分散素子としては公知のものを利用することができ、プリズム、表面レリーフ回折格子、液晶回折素子、誘電体多層膜、コレステリック反射層などが例示される。これらを組み合わせたものであっても良く、例えばプリズムと表面レリーフ回折格子、プリズムと液晶回折素子、表面レリーフ回折格子と液晶回折格子などの組合せで、貼合または積層により一体化したものであってもよい。主に光有線通信で用いられる近赤外光に対して分離能に優れる点で、表面レリーフ回折格子、液晶回折素子、誘電体多層膜、コレステリック反射層が好ましい。また、高次光が少なく、回折効率の波長依存性が低い点で、後述するような、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層を含む液晶回折素子、あるいは、コレステリック反射層のいずれかを適用することがより好ましい。波長チャンネル間の空間分離距離が大きく、チャンネル間のクロストークが低減できる観点でも、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層を含む液晶回折素子、あるいは、コレステリック反射層のいずれかであることが好ましい。
〔位置制御機構〕
　波長分散素子を、光入力ポートに対する位置または角度、またはその両方を可逆的に変化させる位置制御機構としては、波長分散素子を１つの軸を中心に回転させるものであってもよいし、直線的な動きを付与するものであってもよい。これらの動きを制御するものとしては、ステッピングモータ、リニアモータなど、公知の手段を採用することができる。
　図２ａおよび図２ｂを用いて、位置制御機構の機能を概念的に説明する。なお、図２ａおよび図２ｂは、１つの光入力ポートと複数の光出力ポートを持つドロップ型の波長選択スイッチの例を用いて説明するが、その効果は、複数の光入力ポートと１つの光出力ポートを持つアド型の波長選択スイッチ、および複数の光入力ポート、光出力ポートとをそれぞれ備えるアド・ドロップ型の波長選択スイッチにおいても同様である。また、図２ａおよび図２ｂにおいては、入射した光を波長ごとに空間的に分離する波長分散素子４と、偏向部６で偏向された各波長の光のうち２以上を合波する合波部としての波長分散素子４とをそれぞれ図示しているが、波長分散素子４が合波部を兼ねるものであってもよい。また、図２ａおよび図２ｂにおいては、合波部としての波長分散素子４を３つ図示しているが、実際には、１つの波長分散素子４の面内の異なる位置で合波部としての作用を発揮するものである。
　図２ａに示すような従来の波長選択スイッチにおいては、波長分散素子４が偏向部６に対して固定である。後述する偏向部６の物理的なサイズは上限があるため、所望の波長チャンネル数を対応させるためには、偏向部６に入射する波長チャンネルの物理的距離を狭める必要がある。しかし、偏向部６として画素を有する空間変調器を用いる場合、画素のピッチ幅にも下限があるため、チャンネル間隔が画素ピッチに近くなると、チャンネル間のクロストークが懸念される。
　これに対して図２ｂに示すような本発明の構成では、波長分散素子４が位置制御機構７によって可動であるため、入力および出力する波長帯域に合わせて装置の対応波長帯域を変化させることができる。可逆的に可動であることにより、運用される波長帯域を広帯域としたい場合でも、時間分割で各波長域を運用することで柔軟に対応することができる。なお、図２ｂでは波長分散素子４の動きを直線的な動きのみで表しているが、これは概念的なものであって、実際に位置制御機構７によって制御される波長分散素子４の動きは、先述したように、角度または位置、あるいはその両方を制御するものであってよい。
　制御における角度、および位置のラチチュードおよび分解能については、用いる波長分散素子の空間分離能、波長分散素子から偏向部までの光学距離、偏向部のサイズおよび画素ピッチ幅などを考慮して、適宜設計することができる。
〔偏向部〕
　偏向部は、空間位相変調器を含む。空間位相変調器は、反射する（透過型の場合は透過する）光の位相に、光が反射する空間位相変調器上の空間的な位置に応じて変化を与えることができるデバイスである。そして、光の位相を空間的に制御すると、光の向き（偏向）も制御することができる。
　空間位相変調器としては、マイクロミラーデバイス、および、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）などに代表される液晶光学素子を利用することができる。方路を３以上の複数にすることが容易な点で、ＬＣＯＳを利用した空間位相変調器が好ましい。方路を３以上の複数にすることで、形成できるネットワークトポロジー（接続形態）の自由度が劇的に上がるため、データセンター内ネットワークの高度化に寄与することができる。
　ＬＣＯＳの一例としては、シリコン基板上に光を高効率に反射する微細な位相変調用電極を形成し、その上にスペーサを挟んでガラス基板を実装した構成が挙げられる。ガラス基板、スペーサ、シリコン基板で囲まれた空間に偏向制御用の液晶材料が封入されている。封入する液晶材料およびスペーサの厚み等は、通信波長帯（１８４．５～２３８ＴＨｚ）の光の位相を２π以上変化させることができるように選択する。また、ガラス基板には、予め両面にグランド（ＧＮＤ）用の透明薄膜電極を設ける。透明電極材としてＩＴＯがよく利用されている。
〔バックエンド光学系〕
　本発明に含むことができるバックエンド光学系は、レンズ、プリズム、マイクロレンズアレイ、アパーチャ、フィルタ、位相差板などの各種光学素子を適宜組み合わせて構成することができる。
　空間位相変調器としてＬＣＯＳを利用する場合、ＬＣＯＳは偏光依存性があるため、波長分散部から偏向部に入射する光は、偏光であることが好ましく、特に直線偏光であることが好ましい。この観点において、前述したバックエンド光学系は、偏光状態を制御する光学素子を含んで構成されていることが好ましい。
　偏光状態を制御する光学素子としては、特定の偏光成分のみを透過し、他方の偏光成分を吸収または反射することによって除去するものであってもよい。このような光学素子としては、吸収型直線偏光子、反射型直線偏光子、反射型円偏光子などを適用することができる。吸収型直線偏光子としては、ヨウ素や二色性色素を配向させて有機材料中に含有させた材料や、吸収型のワイヤグリッド偏光子が例示される。反射型の直線偏光子としては、反射型のワイヤグリッド偏光子、ポリマー多層膜の延伸物（例えば３Ｍ社からＤＢＥＦ（商品名）、ＡＰＦ（商品名）として入手可能なもの）などが例示される。反射型円偏光子としては、コレステリック配向した液晶材料が例示される。
　また、偏光状態を制御する光学素子としては、入射した光を、それぞれの偏光成分に応じて空間的に分離するものであってもよい。このような光学素子としては、ウォラストンプリズム、ロションプリズム、ブリュースターウィンド、偏光ビームスプリッタ、液晶化合物に由来する光学軸が面内で変化する液晶配向パターンを有する光学機能層を含む液晶回折素子を利用することができる。
　光入力ポートから光出力ポートまでにおいて、各波長チャンネル間で光路長に差があると、チャンネル間の時間的な不整合が生じて信号再生時に不具合をきたす恐れがある。このため、バックエンド光学系は、各波長チャンネル間で光路差を生じないように設計することが好ましい。
〔フロントエンド光学系〕
　本発明に含まれうるフロントエンド光学系は、前述したバックエンド光学系同様、レンズ、プリズム、マイクロレンズアレイ、アパーチャ、フィルタ、位相差板などの各種光学素子を適宜組み合わせて構成することができる。
　波長分散素子として、偏光選択性を有する光学素子を用いる場合、光入力ポートから偏波長分散部に入射する光は、偏光であることが好ましい。この観点において、前述したフロントエンド光学系は、偏光状態を制御する光学素子を含んで構成されていることが好ましい。
　偏光状態を制御する光学素子としては、特定の偏光成分のみを透過し、他方の偏光成分を吸収または反射することによって除去するもの、入射した光をそれぞれの偏光成分に応じて空間的に分離するものなどが利用でき、これらはバックエンド光学系で述べたものと同様のものが例示される。
　また、バックエンド光学系で述べたのと同様に、光入力ポートから光出力ポートまでにおいて、各波長チャンネル間で光路長に差があると、チャンネル間の時間的な不整合が生じて信号再生時に不具合をきたす恐れがある。このため、フロントエンド光学系は、各波長チャンネル間で光路差を生じないように設計することが好ましい。
　波長分散素子からバックエンド光学系、偏向部までの光路で生じる光路差を、フロントエンド光学系が補償するような構成であることが、特に好ましい。
　＜液晶回折素子＞
　本発明の波長選択スイッチの波長分散素子として、液晶化合物に由来する光学軸が面内で変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層（光学機能層）を含む液晶回折素子（液晶光学素子）が利用できる。このような液晶回折素子としては、例えば、特表２０１７－５２２６０１号公報の図２に示される透過型の液晶回折素子、および、同公報の図４に示される反射型の液晶回折素子を例示できる。
　このような液晶回折素子は、液晶化合物（メソゲンを含む化合物）が所定の配向状態で固定された薄いシート状の素子である。なお、液晶回折素子には、必要に応じて、さらに、位相差層、プリズム層、および、マイクロレンズ層を組み合わせることができる。
　本発明の波長選択スイッチは、波長分散素子として、液晶回折素子を用いることで、従来知られたプリズム、表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ）に比べ、薄型小型の素子でありながら、波長チャンネルの空間的な分離幅を大きくすることができる点で、チャンネル間のクロストークを低減させることができる。また、回折効率が大きく、挿入損失を小さくできる点でも好ましい。
　面内で変化する液晶配向パターンを有する液晶回折素子（光学異方性層）は、液晶化合物を所定の配向状態で固定することにより得ることができる。
　配向状態の固定は、電場および磁場等を利用してもよく、液晶化合物の相転移、架橋および重合等を利用したものであってもよい。
　配向状態の固定に電場および磁場等を利用する場合は、印加する電場または磁場を制御することで、オン／オフの切り替え並びに各ビームの空間的な分離を調節させるようにしてもよい。配向状態の固定に液晶化合物の相転移、架橋および重合等を利用する場合は、液晶化合物としては液晶性を示す種々の化合物を用いることができるが、長期間にわたり安定した光学特性を維持できる点から、重合性液晶化合物を用いることが好ましい。特に好ましくは、本発明に用いる液晶回折素子は、重合性液晶化合物を含む組成物を所定の配向状態にした後、重合または架橋により配向状態を固定した素子である。これらの素子の作製方法については、特表２０１７－５２２６０１号公報、国際公開第２０１９／１８９８５２号に記載の方法で作製することができる。
　図３に、液晶化合物の光学軸が面内で変化する液晶配向パターンを有する配向状態を固定した液晶回折素子の概念図を示す。
　図３に示す液晶回折素子１０４は、必要に応じて設けられる透明基材（支持体）２０上に、光学機能層である光学異方性層２６が設けられている。光学異方性層２６には、光学異方性層２６を横切る任意の面６１５内で変化する光学軸（図３中における棒の長軸方向）で配向状態が固定された液晶化合物３０が含まれる。また、支持体２０と光学異方性層２６との間には、図示しない配向膜２４を有している。
　このように配向が固定された液晶化合物３０の配列は、光学異方性層２６内で屈折率異方性の分布を形成し、光ファイバからの信号光１０３に対して偏光選択的な回折作用を示して、入射した信号光１０３を波長に応じた角度で－１次光１０５および１次光１０７へと空間的に分離する。
　図３の液晶回折素子１０４では、典型的には、入射した信号光１０３を、それぞれ回転方向が異なる２つの円偏光に分離する光学異方性層であるが、偏光多重モードが直交する直線偏光の多重モードである場合は、図示しない入射側λ／４波長板および出射側λ／４波長板を加えることで、多重された２つの直線偏光成分をそれぞれ空間的に分離して取り出すことが可能である。この点に関しては、後述する図３に示す例も同様である。
　どのような配向状態が、－１次光および１次光（あるいは０次光を利用しても良い）を、どのような偏光状態で、どのように空間的に分離するかは、特開２００４－３４１０２４号公報に記載されたジョーンズ法（Ｒ． Ｃ． Ｊｏｎｅｓ， Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． ３１， ４８８， １９４１）により解析することができ、配向状態を適宜設計することによって、－１次光または１次光のみを利用することができる。波長分散素子としては、１次光のみを用いる様態が好ましい。
　また、図４に示すように、液晶回折素子１０４において、光学異方性層２６は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されるものであり、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、厚み方向にも液晶化合物（光学軸）が回転しながら変化しているものであってもよい。
　（支持体）
　液晶回折素子１０４において、支持体２０は、配向膜２４、および、光学異方性層２６を支持するものである。
　支持体２０は、配向膜２４および光学異方性層２６を支持できるものであれば、各種のシート状物（フィルム、板状物）が利用可能である。
　支持体２０としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム（例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
　支持体２０の厚さには、制限はなく、液晶回折素子１０４の用途および支持体２０の形成材料等に応じて、配向膜および光学異方性層を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
　支持体２０の厚さは、１～１０００μｍが好ましく、３～２５０μｍがより好ましく、５～１５０μｍがさらに好ましい。
　（配向膜）
　液晶回折素子１０４において、支持体２０の表面には配向膜２４が形成してもよい。
　配向膜２４は、液晶回折素子１０４の光学異方性層２６を形成する際に、液晶化合物３０を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
　なお、図３等においては、液晶化合物３０として、棒状液晶化合物を例示している。
　上述のように、図示例の透過型の液晶回折素子１０４において、光学異方性層２６は、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａ（図５参照）の向きが、面内の一方向（図中の矢印Ａ方向）に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。
　従って、液晶回折素子１０４の配向膜は、光学異方性層２６が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
　なお、本発明において、液晶化合物３０が棒状液晶化合物である場合、液晶化合物３０の光学軸３０Ａは、棒状液晶化合物の分子長軸を意図する。一方、液晶化合物３０が円盤状液晶化合物である場合、液晶化合物３０の光学軸３０Ａは、円盤状液晶化合物の円盤面に対する法線方向（直交方向）に平行な軸を意図する。
　以下の説明では、『光学軸３０Ａの向きが回転』を単に『光学軸３０Ａが回転』とも言う。
　配向膜は、公知の各種のものが利用可能である。
　例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω－トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ（Langmuir-Blodgett：ラングミュア・ブロジェット）膜を累積させた膜、等が例示される。
　ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
　配向膜に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平９－１５２５０９号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開２００５－９７３７７号公報、特開２００５－９９２２８号公報、および、特開２００５－１２８５０３号公報記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
　液晶回折素子１０４においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、液晶回折素子１０４においては、配向膜２４として、支持体２０上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
　偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
　配向膜の厚さには制限はなく、配向膜の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
　配向膜の厚さは、０．０１～５μｍが好ましく、０．０５～２μｍがより好ましい。
　配向膜の形成方法には、制限はなく、配向膜の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜を支持体２０の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。
　図６に、配向膜２４を露光して、上述した配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
　図６に示す露光装置６０は、レーザ６２を備えた光源６４と、レーザ６２が出射したレーザ光Ｍの偏光方向を変えるλ／２板６５と、レーザ６２が出射したレーザ光Ｍを光線ＭＡおよびＭＢの２つに分離する偏光ビーム制御素子６８と、分離された２つの光線ＭＡおよびＭＢの光路上にそれぞれ配置されたミラー７０Ａおよび７０Ｂと、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂと、を備える。
　なお、光源６４は直線偏光Ｐ0を出射する。λ／４板７２Ａは、直線偏光Ｐ0（光線ＭＡ）を右円偏光ＰRに、λ／４板７２Ｂは直線偏光Ｐ0（光線ＭＢ）を左円偏光ＰLに、それぞれ変換する。
　配向パターンを形成される前の配向膜２４を有する支持体２０が露光部に配置され、２つの光線ＭＡと光線ＭＢとを配向膜２４上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜２４に照射して露光する。
　この際の干渉により、配向膜２４に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜（以下、パターン配向膜ともいう）が得られる。
　露光装置６０においては、２つの光線ＭＡおよびＭＢの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置６０においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸３０Ａが回転する１方向における、光学軸３０Ａが１８０°回転する１周期の長さ（後述する１周期Λ）を調節できる。
　このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜２４上に、光学異方性層２６を形成することにより、後述する、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する、光学異方性層２６を形成できる。
　また、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂの光学軸を、それぞれ、９０°回転することにより、光学軸３０Ａの回転方向を逆にすることができる。
　上述のとおり、パターン配向膜は、パターン配向膜の上に形成される光学異方性層２６の液晶化合物の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンとなるように、液晶化合物を配向させる配向パターンを有する。
　パターン配向膜が、液晶化合物を配向させる向きに沿った軸を配向軸とすると、パターン配向膜は、配向軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している配向パターンを有するといえる。
　パターン配向膜の配向軸は、吸収異方性を測定することで検出することができる。例えば、パターン配向膜に直線偏光を回転させながら照射して、パターン配向膜を透過する光の光量を測定した際に、光量が最大または最小となる向きが、面内の一方向に沿って漸次変化して観測される。
　なお、液晶回折素子１０４において、配向膜２４は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではないのは、上述のとおりである。
　例えば、支持体２０をラビング処理する方法、支持体２０をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体２０に配向パターンを形成することにより、光学異方性層２６等が、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。
　（光学異方性層）
　図３に示す液晶回折素子１０４において、配向膜２４の表面には、光学異方性層２６が形成される。
　前述のように、液晶回折素子１０４において、光学異方性層２６は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されたものである。
　光学異方性層２６は、面内レタデーションの値をλ／２に設定した場合に、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、光学異方性層に入射した光に含まれる互いに直交する２つの直線偏光成分に半波長すなわち１８０°の位相差を与える機能を有している。このような液晶回折素子１０４（光学異方性層２６）は、入射した円偏光を屈曲させ、かつ、円偏光の旋回方向を変換する。また、液晶回折素子１０４（光学異方性層２６）は、入射する円偏光の旋回方向に応じて、入射した光を逆の方位方向に屈曲させる。
　光学異方性層２６は、光学異方性層の面内において、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが一方向（図５の矢印Ａ方向）に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
　なお、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａとは、液晶化合物３０において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物３０が棒状液晶化合物である場合には、光学軸３０Ａは、棒形状の長軸方向に沿っている。
　以下の説明では、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａを、『液晶化合物３０の光学軸３０Ａ』または『光学軸３０Ａ』とも言う。
　図５は、光学異方性層２６の主面の面内における液晶化合物３０の配向状態を示す模式図である。なお、主面とは、シート状物（フィルム、板状物、層）の最大面である。
　上述のように、光学異方性層２６は、面内において、光学軸３０Ａが矢印Ａで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有するものである。
　光学異方性層２６において、液晶化合物３０は、矢印Ａで示す一方向と、この矢印Ａ方向と直交するＹ方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、後述する図５および図６では、Ｙ方向は、紙面に直交する方向となる。
　以下の説明では、『矢印Ａで示す一方向』を単に『矢印Ａ方向』とも言う。
　なお、平面図とは、光学異方性層２６を厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。言い換えれば、光学異方性層２６を主面と直交する方向から見た図である。
　また、図５では、液晶回折素子１０４の構成を明確に示すために、液晶化合物３０は配向膜２４の表面の液晶化合物３０のみを示している。しかしながら、この光学異方性層２６も、厚さ方向には、図３に示されるように、この配向膜の表面の液晶化合物３０から、液晶化合物３０が積み重ねられた構造を有する。
　光学異方性層２６は、光学異方性層２６の面内において、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、矢印Ａ方向に沿って連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
　液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きが矢印Ａ方向（所定の一方向）に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、矢印Ａ方向に沿って配列されている液晶化合物３０の光学軸３０Ａと、矢印Ａ方向とが成す角度が、矢印Ａ方向の位置によって異なっており、矢印Ａ方向に沿って、光学軸３０Ａと矢印Ａ方向とが成す角度がθからθ＋１８０°あるいはθ－１８０°まで、順次、変化していることを意味する。
　なお、矢印Ａ方向に互いに隣接する液晶化合物３０の光学軸３０Ａの角度の差は、４５°以下であるのが好ましく、１５°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
　一方、光学異方性層２６を形成する液晶化合物３０は、矢印Ａ方向と直交するＹ方向、すなわち光学軸３０Ａが連続的に回転する一方向と直交するＹ方向では、光学軸３０Ａの向きが等しい液晶化合物３０が等間隔で配列されている。
　言い換えれば、光学異方性層２６を形成する液晶化合物３０において、Ｙ方向に配列される液晶化合物３０同士では、光学軸３０Ａの向きと矢印Ａ方向とが成す角度が等しい。
　光学軸３０Ａが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンにおいては、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。
　すなわち、図３および図５に示す光学異方性層２６であれば、面内で光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する矢印Ａ方向において、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。言い換えれば、液晶配向パターンにおける１周期の長さは、液晶化合物３０の光学軸３０Ａと矢印Ａ方向とのなす角度がθからθ＋１８０°となるまでの距離により定義される。
　すなわち、矢印Ａ方向に対する角度が等しい２つの液晶化合物３０の、矢印Ａ方向の中心間の距離を、１周期の長さΛとする。具体的には、図５に示すように、矢印Ａ方向と光学軸３０Ａの方向とが一致する２つの液晶化合物３０の、矢印Ａ方向の中心間の距離を、１周期の長さΛとする。
　以下の説明では、この１周期の長さΛを『１周期Λ』とも言う。
　液晶回折素子１０４において、光学異方性層２６の液晶配向パターンは、この１周期Λを、矢印Ａ方向すなわち光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。また、液晶回折素子１０４（光学異方性層２６）は、液晶回折素子でもあり、この１周期Λが、回折構造の周期（１周期）となる。
　前述のように光学異方性層２６において、矢印Ａ方向と直交するＹ方向に配列される液晶化合物は、光学軸３０Ａと矢印Ａ方向すなわち液晶化合物３０の光学軸の向きが回転する１方向とが成す角度が等しい。この光学軸３０Ａと矢印Ａ方向とが成す角度が等しい液晶化合物３０が、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。
　この場合に、それぞれの領域Ｒにおける面内レタデーション（Ｒｅ）の値は、半波長すなわちλ／２であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Ｒの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎは、光学軸３０Ａの方向の液晶化合物３０の屈折率と、領域Ｒの面内において光学軸３０Ａに垂直な方向の液晶化合物３０の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δｎは、液晶化合物の屈折率差に等しい。
　光学異方性層２６は、形成された液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、透過光の屈折の角度およびその波長選択性を調節できる。具体的には、液晶配向パターンの１周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物３０を通過した光同士が強く干渉するため、透過光を大きく屈折させることができる。また、このような光学異方性層２６による光の屈折角度は、入射する光の波長に応じて異なり、波長が短いほど屈折角度が小さくなる。入射する波長に対する屈折の角度は、周期Λと、光学異方性層内部の液晶配向パターンの変化とによって制御することでき、所望の特性を示すようにこれらを調節することで、空間的な分離を大きく取ることができる。
　＜コレステリック反射層＞
　本発明の波長選択スイッチの波長分散素子として、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有するコレステリック反射層（コレステリック液晶層）を含む反射型の液晶回折素子が利用できる。
　図７は、反射型液晶回折素子の一例を模式的に示す図である。また、図７に示す反射型液晶回折素子の平面図は、図５に示す構成と同様の構成を有する。
　図７および図７に示す反射型液晶回折素子は、コレステリック液晶相を固定してなり、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層３４を有する。コレステリック液晶層は、選択反射波長の一方の円偏光を反射し、他の波長域の光および他方の円偏光を透過するものである。したがって、コレステリック液晶層を有する回折素子は、反射型の回折素子である。
　図７に示す例では、反射型液晶回折素子は、支持体２０と、配向膜２４と、コレステリック液晶層３４と、を有する。支持体２０および配向膜２４については、透過型の液晶回折素子と同様である。
　なお、図７に示す例の反射型液晶回折素子は、支持体２０と、配向膜２４と、コレステリック液晶層３４とを有するが、本発明は、これに制限はされない。反射型液晶回折素子は、例えば、支持体２０を剥離した、配向膜２４およびコレステリック液晶層３４のみを有するものでもよい。または、反射型液晶回折素子は、例えば、支持体２０および配向膜２４を剥離した、コレステリック液晶層３４のみを有するものでもよい。
　コレステリック液晶層３４は、図７に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様に、液晶化合物３０が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、液晶化合物３０が螺旋状に１回転（３６０°回転）して積み重ねられた構成を螺旋１ピッチとして、螺旋状に旋回する液晶化合物３０が、複数ピッチ、積層された構造を有する。
　周知のように、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層は、波長選択反射性を有し、コレステリック液晶層の選択的な反射波長域は、上述した螺旋１ピッチの厚さ方向の長さに依存する。従って、コレステリック液晶層に波長選択性を持たせ、コレステリック液晶層ごとに異なる波長の光を回折する構成とする場合には、各コレステリック液晶層ごとに、コレステリック液晶層の螺旋ピッチＰを調整して、コレステリック液晶層の選択的な反射波長域を適宜設定すればよい。
　また、コレステリック液晶層３４は、上述した透過型の液晶回折素子と同様に、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有している。
　このような液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層３４は、入射した光を鏡面反射とは異なる方向に反射する。例えば、コレステリック液晶層３４に垂直な方向から入射した光を、矢印Ａ方向に傾けて反射する。
　一例として、コレステリック液晶層３４は、赤色光の右円偏光を選択的に反射するコレステリック液晶層であるとすると、コレステリック液晶層３４に光が入射すると、コレステリック液晶層３４は、赤色光の右円偏光のみを反射し、それ以外の光を透過する。
　コレステリック液晶層３４では、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが矢印Ａ方向（一方向）に沿って回転しながら変化している。コレステリック液晶層３４に形成された液晶配向パターンは、矢印Ａ方向に周期的なパターンである。そのため、コレステリック液晶層３４に垂直に入射した赤色光の右円偏光ＲRは、液晶配向パターンの周期に応じた方位方向に反射、回折され、反射された赤色光の右円偏光ＲRは、Ｘ－Ｙ面（コレステリック液晶層の主面）に対して配列軸Ｄの方位方向に傾いた方向に反射、回折される。
　従って、コレステリック液晶層３４において、光学軸３０Ａが回転する一方向である矢印Ａ方向を、適宜、設定することで、光の反射方向（反射方位）を調節できる。
　また、同じ波長で、同じ旋回方向の円偏光を反射する場合に、矢印Ａ方向に向かう液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向を逆にすることで、円偏光の反射の方位方向を逆にできる。
　例えば、矢印Ａ方向に向かう光学軸３０Ａの回転方向が時計回りで、ある円偏光が矢印Ａ方向に傾けて反射される場合に、光学軸３０Ａの回転方向を反時計回りとすることで、ある円偏光が矢印Ａ方向とは逆方向に傾けて反射される。
　さらに、同じ液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層では、液晶化合物３０の螺旋の旋回方向すなわち反射する円偏光の旋回方向によって、反射方向が逆になる。
　例えば、螺旋の旋回方向が右捩じれの場合、右円偏光を選択的に反射するものであり、矢印Ａ方向に沿って光学軸３０Ａが時計回りに回転する液晶配向パターンを有することにより、右円偏光を矢印Ａ方向に傾けて反射する。また、例えば、螺旋の旋回方向が左捩じれの場合、左円偏光を選択的に反射するものであり、矢印Ａ方向に沿って光学軸３０Ａが時計回りに回転する液晶配向パターンを有する液晶層は、左円偏光を矢印Ａ方向と逆方向に傾けて反射する。
　液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層３４は、１周期Λが短いほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。すなわち、１周期Λが短いほど、入射光に対して、反射光を大きく傾けて反射する。
　このような液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層３４による回折の角度は光の波長によって異なる。具体的には、長波長の光ほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。従って、コレステリック液晶層３４は、入射した光を波長に応じて異なる角度で回折（反射）することで光を分離することができる。また、波長分散素子４としてコレステリック液晶層３４を用いる場合には、図１に示すように、コレステリック液晶層３４の角度を変更することによって、コレステリック光が入射する角度が変化するため、偏向部６に向かう光の波長が変化する。これによって、波長分散素子４が分離する光の波長帯域を変更することができる。
　また、上記のとおり、本発明においてコレステリック液晶層は、入射する光を波長ごとに異なる角度に反射、回折するものである。すなわち、コレステリック液晶層は、ある程度ブロードな反射波長帯域を有する必要がある。一方で、一般的なコレステリック液晶層は、波長選択反射性を有しており、狭帯域で光を反射するものである。
　そこで、本発明においては、コレステリック液晶層は、反射波長帯域を広くするためには、厚さ方向に螺旋ピッチが変化する構造であることが好ましい。コレステリック液晶層が、厚さ方向に螺旋ピッチが変化する構造を有することにより、コレステリック液晶層の反射波長帯域を広くすることができる。また、反射波長帯域を広くするためには、液晶の複屈折率（Δｎ）を大きくすることも好ましい。
　厚さ方向に螺旋ピッチが変化するコレステリック液晶層は、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて観察した際に見られる明部と暗部との縞模様において、厚み方向に明部および暗部の間隔が異なったものとなる。
　あるいは、本発明においては、反射型液晶回折素子は、螺旋ピッチが異なるコレステリック液晶層を複数層有する構成としてもよい。この場合には、複数のコレステリック液晶層がそれぞれ液晶配向パターンを有しており、入射した光のうち、選択反射波長の光を反射、回折する。その際、各コレステリック液晶層による回折角度を異ならせることで、各コレステリック液晶層がそれぞれ異なる角度（方向）に光を反射する。また、反射型回折素子は、選択反射波長ごとに、選択反射波長が同じで右円偏光を反射するコレステリック液晶層と、左円偏光を反射するコレステリック液晶層と、を有する構成としてもよい。
　液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層は、国際公開第２０１９／１３１９６６号、国際公開第２０１９／１８９８５２号等に記載の方法で作製することができる。
＜光クロスコネクト装置＞
　以上に述べた本発明の波長選択スイッチを１つ以上含み、さらに、マルチキャストスイッチ、および駆動用電子回路と組み合わせることで、本発明の光クロスコネクト装置を構成することができる。このような本発明の光クロスコネクト装置は、広帯域な波長帯域の運用に柔軟に対応可能で、かつ、クロストークが少なく挿入損失が少ない、有用な光クロスコネクト装置を提供することができる。
　具体的な一例として、光クロスコネクト装置の光入力側に、本発明の波長選択スイッチをドロップ型として実装し、分離された各ビームをマルチキャストスイッチで制御した後、光クロスコネクト装置の光出力側として、本発明の波長選択スイッチをアド型として実装することができる。本発明の波長選択スイッチは、対応する波長帯域が可変にできるため、トラヒックの状況に応じて波長帯域がフレキシブルに運用されても、常に最適なパフォーマンスを発現できるため好ましい。
　１　光入力ポート
　２　光出力ポート
　３　フロントエンド光学系
　４　波長分散素子
　５　バックエンド光学系
　６　偏向部
　７　位置制御機構
　２０　支持体
　２４　配向膜
　２６　光学異方性層
　３０　液晶化合物
　３０Ａ　光学軸
　３４　コレステリック液晶層
　６０　露光装置
　６２　レーザ
　６４　光源
　６５　λ/２板
　６８　偏光ビーム制御素子
　７０Ａ、７０Ｂ　ミラー
　７２Ａ、７２Ｂ　λ/４板
　１０３　信号光
　１０４　液晶回折素子
　１０５　－１次光
　１０７　１次光
　６１５　面
　Λ　１周期
　Ｒ　領域
　Ｐ0　直線偏光
　ＰL　左円偏光
　ＰR　右円偏光
　α　交差角
　Ｍ　レーザ光
　ＭＡ、ＭＢ　光線
 

Claims (6)

  1. 　光入力ポートと、光出力ポートと、前記光入力ポートから入射した光の出射角度が、所定の波長帯域ごとに異なるように、入射した光を波長ごとに空間的に分離して出射する波長分散部と、前記波長分散部から入射した光の反射角度又は透過角度を波長ごとに可変に偏向させることにより、光を前記光出力ポートに結合させる偏向部と、を含む波長選択スイッチであり、
    　前記波長分散部は、波長分散素子と、前記波長分散素子を、前記光入力ポートに対する位置または角度、もしくは、その両方を可逆的に変化させる位置制御機構とを備えた、波長選択スイッチ。
  2. 　前記偏向部で偏向された各波長の光のうち２以上を合波する合波部を有する、請求項１に記載の波長選択スイッチ。
  3. 　前記波長分散部が前記合波部を兼ねる、請求項２に記載の波長選択スイッチ。
  4. 　前記波長分散素子が、プリズム、表面レリーフ回折格子、液晶回折素子の少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の波長選択スイッチ。
  5. 　前記波長分散素子が、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、面内の少なくとも一方向に向かって連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層を含む液晶回折素子である、請求項４に記載の波長選択スイッチ。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の波長選択スイッチを含む、光クロスコネクト装置。
     
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NENP Non-entry into the national phase

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