JP4479232B2 - 光波分割プリズム、光波分割プリズムの製造方法、及び光−光スイッチ装置 - Google Patents
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Description
上記目的を達成するために、本発明の光波分割プリズムは、相互に平行又は垂直な入射端面と出射端面とを備え、内部を進行する直進光の進行方向に対して45°傾いた複数の接合面が形成されるように複数の透明媒質が組み合わされて接合されると共に、前記複数の接合面には互いに法線方向が直交する接合面が含まれるように構成された光波分割プリズムであって、前記接合面に介在し、入射する直進光を透過及び90°反射させて分岐する分岐面を有する光波分岐光学素子と、法線方向が前記光波分岐光学素子が介在する接合面の法線方向と直交する接合面に介在し、前記光波分岐光学素子により分岐された直進光を90°反射させる反射面を有する反射光学素子と、を備え、前記入射端面から入射した直進光を複数の分岐出力光に分岐して、前記複数の分岐出力光のうち前記透明媒質内における光路長が等しい複数の分岐出力光を、同じ出射端面から出射させることを特徴とする。なお、法線方向が前記光波分岐光学素子が介在する接合面の法線方向と同じ接合面に、反射光学素子が更に介在するように構成してもよい。
また、上記目的を達成するために、本発明の光波分割プリズムの製造方法は、請求項1乃至15のいずれか1項記載の光波分割プリズムを製造する光波分割プリズムの製造方法であって、平板状の透明媒質の表面の所定位置に、少なくとも1つの前記光波分岐光学素子を形成する光波分岐光学素子形成工程と、平板状の透明媒質の表面の所定位置に、少なくとも1つの前記反射光学素子を形成する反射光学素子形成工程と、少なくとも前記光波分岐光学素子が形成された第1の透明媒質の前記光波分岐光学素子が形成された側の主面と第2の透明媒質の主面とが接合されるように、第1の透明媒質及び第2の透明媒質を含む複数の透明媒質を積層して、前記光波分岐光学素子が介在する接合面を含む第1積層体を形成する第1積層体形成工程と、少なくとも前記反射光学素子が形成された第3の透明媒質の前記反射光学素子が形成された側の主面と第4の透明媒質の主面とが接合されるように、第3の透明媒質及び第4の透明媒質を含む複数の透明媒質を積層して、前記反射光学素子が介在する接合面を含む第2積層体を形成する第2積層体形成工程と、前記第1の透明媒質の主面に対し45度の角度を為す第1の切断面が形成されるように、前記第1積層体から第1ブロックを切り出す第1ブロック切り出し工程と、前記第2の透明媒質の主面に対し45度の角度を為す第2の切断面が形成されるように、前記第2積層体から第2ブロックを切り出す第2ブロック切り出し工程と、前記入射端面から入射した直進光を複数の分岐出力光に分岐して、前記複数の分岐出力光のうち前記透明媒質内における光路長が等しい複数の分岐出力光を、同じ出射端面から出射させるように、前記第1ブロックの第1の切断面と前記第2ブロックの第2の切断面とを接合するブロック接合工程と、を含んで構成したことを特徴とする。
上記目的を達成するために本発明の第1の光−光スイッチ装置は、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、等しい光路長の複数の平行光波を信号光パルスとして前記光スイッチに照射する信号光照射手段と、所定の光路長差を有する複数の平行光波を制御光パルスとして前記光スイッチに照射する制御光照射手段と、を含む光−光スイッチ装置であって、前記信号光照射手段及び前記制御光照射手段の少なくとも一方が、本発明の光波分割プリズムを含んで構成されたことを特徴とする。
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態に係る光波分割プリズムの構成を説明する。この光波分割プリズム10は、図1に示すように、入射端面12を備えた第1のブロック14と、出射端面16を備え且つこの出射端面16が入射端面12と平行になるように第1のブロック14と接合された第2のブロック18と、から構成されている。また、第1のブロック14と第2のブロック18の各々は、平板状の透明媒質20が複数積層されて直方体状に構成されている。
更に、1つの光波が入射光と同軸であり、他方の光波が同軸で出射する光波からXだけずれた位置から出射するとすると、下記の関係が導かれる。なお、入射端面及び出射端面に対し垂直に光を入射させるので、多少の光路の平行位置での位置ずれは光路長のずれをもたらさない。
a,b,cの各々をXを用いて以下のように表すことができる。
なお、出射位置を維持したままで2つの光波に光路長差Dを与えたい場合には、例えば、以下の関係を満たすことが必要になる。この場合は、光路長a及び光路長cの和が光路長bよりも光路長差Dだけ長くなり、同軸で出射する光波が遅延される。
a,b,cの各々を、X、Dで以下のように表すことができる。
これらの式から分かるように、光路長a及び光路長cを与える部品(透明媒質)の厚みを変更するだけで、出射位置を維持したまま光路長を等しくすることも、光路長差を任意に付加することも可能である。光路長差Dは正負いずれでも構わない。但し、付加できる光路長差は出射光の間隔X又はプリズム全体の大きさにより限定される。
透明媒質がBK−7等のガラスである場合、屈折率nは約1.51である。
時間差Δtとして、1Tbpsの信号の繰返し周期に相当する1ピコ秒を想定した場合には、光路長差Dは約0.199mmになる。これを平行平板の厚みの差で表現すると、その差はD/2√2であり、約0.070mm(70μm)程度になる。平行平板の厚みの精度を、この程度のレベルで調整するのは比較的容易である。
第1の実施の形態では、直方体状に形成された2つのブロックを組み合わせて、光波分割プリズムを構成する例について説明したが、第2の実施の形態に係る光波分割プリズムは、図1に示す光波分割プリズムから光波が通過しない光学部品を削除した構造を備えている。この構成では、透明媒質と空気との界面における全反射を利用できるので、全反射ミラー241、243、245も省略することができる。
a,b,cの各々をXを用いて以下のように表すことができる。
なお、出射位置を維持したままで2つの光波に光路長差Dを与えたい場合には、例えば、以下の関係を満たすことが必要になる。この場合は、光路長b及び光路長cの和が、光路長a及び光路長bの和よりも光路長差Dだけ長くなり、同軸で出射する光波が遅延される。
a,b,cの各々を、X、Dで以下のように表すことができる。
第3の実施の形態に係る光波分割プリズムは、図3(A)に示す光波分割プリズム2個を直列に組み合わせたものである。
本発明の第4の実施形態に係る光波分割プリズムは、入射された光波が1次元状に4分割されて出射される光波分割プリズムである。第1の実施の形態では、1つのハーフミラーを用いて2つの光束に分割したが、ハーフミラーの個数を増やすことで、所望の分割数とすることができる。本実施の形態では、3つのハーフミラーを用いて、入射された光波を4分割している。
b+c+f=3X,a+b+f+g=3X
更に、以下の関係式が成立する必要がある。
上記の関係式が成立する例としては、以下の場合が挙げられる。
e=X,f=X,g=X/2
あるいは
a=X/2,b=X,c=X,d=3X/4,
e=5X/4,f=X,g=X/2
なお、出射位置を維持したままで隣接する光波に光路長差Dをそれぞれ与えたい場合には、例えば、光路長a〜fは以下のいずれかの値をとる必要がある。
d=(X+D)/2,e=X,f=X+D,g=(X+D)/2
または
a=X−2Y,b=(X−D)/2,c=3(X+D)/2,
d=(X−D)/2,e=X−D, f=X+D,g=(X+D)/2
または
a=X+D,b=(X+D)/2,c=(3X+D)/2,d=X/2,
e=X−D/2,f=X+D,g=(X+D)/2
第4の実施の形態では、直方体状に形成された2つのブロックを組み合わせて、光波分割プリズムを構成する例について説明したが、第5の実施の形態に係る光波分割プリズムは、図7に示す光波分割プリズムから光波が通過しない光学部品を削除した構造を備えている。この構成では、透明媒質と空気との界面における全反射を利用できるので、全反射ミラー246、2410、2411、2412を省略することができる。
また、出射位置を維持したままで隣接する2つの光波に光路長差Dを与えたい場合には、光路長a〜fは以下の値をとる必要がある。
d=X−D,e=X+D,f=(X+D)/2
図10に示す光波分割プリズム84は、入射端面12、斜面86、及び斜面88を備えると共にハーフミラー221、222、及び226が配設された第1のブロック92と、出射端面16及び斜面90を備えると共に全反射ミラー2413〜2415が配設された第2のブロック94と、が接合されて構成されている。
出射位置を維持したままで隣接する2つの光波に光路長差Dをそれぞれ与えたい場合には、光路長a〜fは以下の値をとる必要がある。
d=X+2D,e=X+D,f=(X+D)/2
図11に示す光波分割プリズム100は、入射端面12、斜面86、及び斜面88を備えると共にハーフミラー222及び227、全反射ミラー2417配設された第1のブロック96と、出射端面16及び斜面90を備えると共に全反射ミラー2413〜2415が配設された第2のブロック98と、が接合されて構成されている。
但し、図11に示す構成では、部品点数が少ないために、隣接する総ての2光波に光路長差Dを付加することはできない。
第6の実施の形態に係る光波分割プリズムは、図10に示す光波分割プリズム2個を直列に組み合わせたものである。
第7の実施の形態に係る光波分割プリズムは、入射された光波が1次元状に8分割されて出射される光波分割プリズムである。本実施の形態では、5つのハーフミラーを用いて、入射された光波を8分割している。
e=X,f=2X,g=2X,h=X/2,I=X/2,j=X/2
出射位置を維持したままで隣接する2つの光波に光路長差Dをそれぞれ与えたい場合には、光路長a〜fは以下の値をとる必要がある。
a=(X−D)/2,b=X−D,c=(X−D)/2,d=(X−D)/2,
e=X−D,f=2X+5D,g=2X+2D,h=(X+D)/2,
I=(X+D)/2,j=(X+D)/2
なお、部品点数は増加するが、図14に示すように、図13の第2のブロック114の全反射ミラー2420及び2421の代わりに、全反射ミラー2424を設けた構成の第2のブロック118を備えた光波分割プリズム116としてもよい。この構成では、各光波の全反射回数が同じになる。
g=2X,h=X/2,I=X/2,j=X/2,k=X
出射位置を維持したままで隣接する2つの光波に光路長差Dをそれぞれ与えたい場合には、光路長a〜fは以下の値をとる必要がある。
a=(X−D)/2,b=X−D,c=(X−D)/2,d=(X−D)/2, e=X−D,f=2X+5D,g=2X+2D,h=(X+D)/2,
I=(X+D)/2,j=(X+D)/2,k=X+D
また、図15に示すように、図13の第1のブロック112の部品点数を大幅に減らし、ハーフミラーも2212〜2215の4枚に減らした構成の第1のブロック124を備えた光波分割プリズム120としてもよい。
e=2X,f=X/2,g=X/2,h=X/2
出射位置を維持したままで隣接する2つの光波に光路長差Dをそれぞれ与えたい場合には、光路長a〜fは以下の値をとる必要がある。
d=(X+13D)/2,e=2X+2D,f=(X+D)/2,
g=(X+D)/2,h=(X+D)/2
なお、第3及び第6の実施の形態と同様にして、上記の入射された光波が1次元状に8分割されて出射される光波分割プリズムを2つ組み合わせることにより、入射された光波が2次元状に64分割されて出射される光波分割プリズムを簡単に構成することができる。このプリズムは、角度ずれを注意する必要のある接着面は3つと少なく、高精度に組み立てることができる。
第1〜第7の実施の形態では、1つの光波を複数の光波に分割して出射する光波分割プリズムについて説明した。これらの光波分割プリズムでは、更に各光波の光路長を等しくして同時に出射させることも、光路長差を加えることにより一定時間ずつ時間差をつけて出射させることも可能である。
12 入射端面
14 第1のブロック
16 出射端面
18 第2のブロック
20 透明媒質
22 ハーフミラー
24 全反射ミラー
Claims (25)
- 相互に平行又は垂直な入射端面と出射端面とを備え、内部を進行する直進光の進行方向に対して45°傾いた複数の接合面が形成されるように複数の透明媒質が組み合わされて接合されると共に、前記複数の接合面には互いに法線方向が直交する接合面が含まれるように構成された光波分割プリズムであって、
前記接合面に介在し、入射する直進光を透過及び90°反射させて分岐する分岐面を有する光波分岐光学素子と、
法線方向が前記光波分岐光学素子が介在する接合面の法線方向と直交する接合面に介在し、前記光波分岐光学素子により分岐された直進光を90°反射させる反射面を有する反射光学素子と、
を備え、
前記入射端面から入射した直進光を複数の分岐出力光に分岐して、前記複数の分岐出力光のうち前記透明媒質内における光路長が等しい複数の分岐出力光を、同じ出射端面から出射させることを特徴とする光波分割プリズム。 - 法線方向が前記光波分岐光学素子が介在する接合面の法線方向と同じ接合面に、反射光学素子が更に介在する請求項1記載の光波分割プリズム。
- 前記複数の分岐出力光は、前記透明媒質内における光路長が等しいことを特徴とする請求項1又は2記載の光波分割プリズム。
- 前記複数の分岐出力光は、前記透明媒質内においてそれぞれ所定の光路長差を有することを特徴とする請求項1又は2記載の光波分割プリズム。
- 内部を進行する直進光の進行方向に対して45°傾いた複数の接合面が積層されるように複数の透明媒質が組み合わされて接合されると共に、前記光波分岐光学素子が介在する接合面と該接合面と45°の角度をなす第1の界面とを有する第1のブロックと、
内部を進行する直進光の進行方向に対して45°傾いた複数の接合面が積層されるように複数の透明媒質が組み合わされて接合されると共に、法線方向が前記光波分岐光学素子が介在する接合面の法線方向と直交する接合面と該接合面と45°の角度をなす第2の界面とを有する第2のブロックと、
を備え、前記第1の界面と前記第2の界面とを接合して構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の光波分割プリズム。 - 前記第1のブロックが、前記第1の界面と平行な面を前記第1の界面と対向する面に備えるとともに、前記第2のブロックが、前記第2の界面と平行な面を前記第2の界面と対向する面に備えることを特徴とする請求項5記載の光波分割プリズム。
- 前記第1のブロックと前記第2のブロックとからなる組を複数有し、組同士が接合されていることを特徴とする請求項5又は6記載の光波分割プリズム。
- 前記複数の組の各々の組の中では、前記第1のブロックが、前記第1の界面と平行な面を前記第1の界面と対向する面に備えるとともに、前記第2のブロックが、前記第2の界面と平行な面を前記第2の界面と対向する面に備え、
前記複数の組の互いに接合される組の間では、一方の組の前記第1の界面と対向する面と、他方の組の前記第2の界面と対向する面とを接合してなることを特徴とする請求項7記載の光波分割プリズム。 - 互いに接合される前記複数の組のうち、直進光の伝播方向下流側に位置する組中の前記接合面の方向が、上流側に位置する組中の前記接合面を、前記上流側の組と下流側の組との接合面に垂直な方向を軸として90°回転させた面に平行となるように構成されたことを特徴とする請求項8記載の光波分割プリズム。
- 前記入射端面から入射する入射光の光軸と、前記出射端面から出射する複数の分岐出力光のうちの1つの分岐出力光の光軸と、が同軸であることを特徴とする請求項1記載の光波分割プリズム。
- 前記分岐光学素子が、ハーフミラーであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の光波分割プリズム。
- 前記分岐光学素子が、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の光波分割プリズム。
- 前記反射光学素子が、全反射ミラーであることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載の光波分割プリズム。
- 前記反射光学素子が、入射する直進光の一部を透過させることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載の光波分割プリズム。
- 前記透明媒質は、前記透明媒質と空気との界面における全反射を生じる面を有することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項記載の光波分割プリズム。
- 請求項1乃至15のいずれか1項記載の光波分割プリズムを製造する光波分割プリズムの製造方法であって、
平板状の透明媒質の表面の所定位置に、少なくとも1つの前記光波分岐光学素子を形成する光波分岐光学素子形成工程と、
平板状の透明媒質の表面の所定位置に、少なくとも1つの前記反射光学素子を形成する反射光学素子形成工程と、
少なくとも前記光波分岐光学素子が形成された第1の透明媒質の前記光波分岐光学素子が形成された側の主面と第2の透明媒質の主面とが接合されるように、第1の透明媒質及び第2の透明媒質を含む複数の透明媒質を積層して、前記光波分岐光学素子が介在する接合面を含む第1積層体を形成する第1積層体形成工程と、
少なくとも前記反射光学素子が形成された第3の透明媒質の前記反射光学素子が形成された側の主面と第4の透明媒質の主面とが接合されるように、第3の透明媒質及び第4の透明媒質を含む複数の透明媒質を積層して、前記反射光学素子が介在する接合面を含む第2積層体を形成する第2積層体形成工程と、
前記第1の透明媒質の主面に対し45度の角度を為す第1の切断面が形成されるように、前記第1積層体から第1ブロックを切り出す第1ブロック切り出し工程と、
前記第2の透明媒質の主面に対し45度の角度を為す第2の切断面が形成されるように、前記第2積層体から第2ブロックを切り出す第2ブロック切り出し工程と、
前記入射端面から入射した直進光を複数の分岐出力光に分岐して、前記複数の分岐出力光のうち前記透明媒質内における光路長が等しい複数の分岐出力光を、同じ出射端面から出射させるように、前記第1ブロックの第1の切断面と前記第2ブロックの第2の切断面とを接合するブロック接合工程と、
を含む光波分割プリズムの製造方法。 - 前記第1ブロック切り出し工程において、前記第1のブロックは更に前記第1の切断面と平行な切断面が形成されるように切り出されることを特徴とする請求項16記載の光波分割プリズムの製造方法。
- 前記第2ブロック切り出し工程において、前記第2のブロックは更に前記第2の切断面と平行な切断面が形成されるように切り出されることを特徴とする請求項16記載の光波分割プリズムの製造方法。
- 前記第1ブロック切り出し工程において、前記分岐面と平行な前記第1の透明媒質あるいは前記第2の透明媒質の主面の一部を切除しないように切り出すことを特徴とする請求項17記載の光波分割プリズムの製造方法。
- 前記第2ブロック切り出し工程において、前記反射面と平行な前記第3の透明媒質あるいは前記第4の透明媒質の主面の一部を切除しないように切り出すことを特徴とする請求項17記載の光波分割プリズムの製造方法。
- 前記第1ブロック及び前記第2のブロックをそれぞれ複数形成するとともに、前記ブロック接合工程は、複数の前記第1および第2ブロックを、その切断面同士で接合することを特徴とする請求項17乃至20のいずれか1項記載の光波分割プリズムの製造方法。
- 前記ブロック接合工程は、前記第2のブロックよりも直進光の進行方向の下流側で接合される第1のブロック中の第1の透明媒質の主面が、前記第2のブロックの第3の透明媒質の主面を該接合面に垂直な方向を軸として90°回転した面に平行となるよう接合することを特徴とする請求項21記載の光波分割プリズムの製造方法。
- 制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、
等しい光路長の複数の平行光波を信号光パルスとして前記光スイッチに照射する信号光照射手段と、
所定の光路長差を有する複数の平行光波を制御光パルスとして前記光スイッチに照射する制御光照射手段と、
を含む光−光スイッチ装置であって、
前記信号光照射手段及び前記制御光照射手段の少なくとも一方が、
請求項1乃至15のいずれか1項記載の光波分割プリズムを含んで構成された光−光スイッチ装置。 - 制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、
所定の光路長差を有する複数の平行光波を信号光パルスとして前記光スイッチに照射する信号光照射手段と、
等しい光路長の複数の平行光波を制御光パルスとして前記光スイッチに照射する制御光照射手段と、
を含む光−光スイッチ装置であって、
前記信号光照射手段及び前記制御光照射手段の少なくとも一方が、
請求項1乃至15のいずれか1項記載の光波分割プリズムを含んで構成された光−光スイッチ装置。 - 前記所定の光路長差が、信号光のパルスのパルス間隔に等しい請求項23又は24記載の光−光スイッチ装置。
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