光スイッチング方法および光スイッチングシステム
【課題】 信号光の出射端の自由な制御を可能とし、かつ回折効果による光の空間的な広がりを防止する。
【解決手段】 空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質２に入力ポート３と複数の出力ポート４を定め、複数の出力ポート４の中から選択した出力ポート４に、制御光Ｌ２を入射して非線形光学媒質２中に屈折率が増加した領域を形成し、入力ポート３に入射された信号光Ｌ１を屈折率増加領域に引き寄せて選択した出力ポート４に誘導することで、信号光Ｌ１の出力先を切り替える。
【解決手段】 空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質２に入力ポート３と複数の出力ポート４を定め、複数の出力ポート４の中から選択した出力ポート４に、制御光Ｌ２を入射して非線形光学媒質２中に屈折率が増加した領域を形成し、入力ポート３に入射された信号光Ｌ１を屈折率増加領域に引き寄せて選択した出力ポート４に誘導することで、信号光Ｌ１の出力先を切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチング方法および光スイッチングシステムに関する。さらに詳述すると、本発明は、空間光ソリトン効果を利用した光スイッチング方法および光スイッチングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光スイッチとは、一般に、スイッチング素子に入射する信号光の様々な性質、例えば強度や伝搬方向などを、信号光とは別にスイッチング素子に入力する制御信号によって変化させるものであり、光通信分野などで使用される。
【０００３】
光は屈折率の高い領域へ曲がろうとする性質があるため、この性質を利用して図８に示す簡単な光スイッチを構成することができる（非特許文献１参照）。図８（ａ）は、スイッチング素子として使用した光学結晶１００に信号光１０１を入射した場合を表す。ここで、図８（ｂ）に示すように、光学結晶１００における信号光１０１の入射面に対して、信号光１０１とは別の方向から制御光１０２を入射することを考える。この制御光１０２の強度や波長を選び、光学結晶１００中の屈折率を変化させることができれば、信号光１０１も当該屈折率変化の影響を受けて伝搬方向が変化することになり、光スイッチングが行える。ここで、光は、指向性の強いレーザ光であっても、回折効果により空間的に広がる性質を持つ（特にビーム径が小さいほど大きく広がろうとする）ため、図８においてもその性質が分かるように示してある。
【０００４】
一方、スイッチング素子用の光学結晶を、特定の領域だけ屈折率の高い構造を備えるように作製することも行われている。換言すれば、スイッチング素子用の光学結晶中に、導波路と呼ばれる信号光の通り道を作製することも行われている。図９は、導波路を使用した光スイッチの例である（非特許文献２参照）。導波路１０３は、１つの入力ポート１０４から２つの出力ポート１０５Ａ，１０５Ｂに分岐するように光学結晶１０６中に作製され、導波路１０３の分岐個所には、導波路１０３を通る信号光１０１の進行方向を制御する電極１０７Ａ，１０７Ｂが設けられている。電極１０７Ａおよび電極１０７Ｂにかかる電圧が等しい場合、入力ポート１０４から入力される信号光１０１は、導波路１０３途中の分岐個所で等強度に２方向に分岐され、出力ポート１０５Ａと出力ポート１０５Ｂから等強度で出力される。ここで、電極１０７Ａと電極１０７Ｂで異なる電圧が加わった場合、光学結晶１０６中の屈折率が各電極１０７Ａ，１０７Ｂ付近で異なるものとなり、出力ポート１０５Ａと出力ポート１０５Ｂから出力される信号光１０１は等強度ではなくなる。このようにして、電極１０７Ａ，１０７Ｂに印加する電圧を制御することで、信号光１０１の出力先を切り替えることができる。なお、導波路１０３を通る信号光１０１の進行方向を制御する手段としては、上述した電極１０７Ａ，１０７Ｂを用いるものの他に、光学結晶１０６に温度勾配を与えて、導波路１０３の分岐個所付近の屈折率を異ならせるものもある。
【０００５】
【非特許文献１】D. Kip, et al., “All-optical beam deflection and switching in strontium-barium-niobate waveguides,” Appl. Phys. Lett., vol. 72, pp. 1960?1962 (1998).
【非特許文献２】行松健一, “光スイッチングと光インターコネクション,” 共立出版(1998).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８に示す従来の光スイッチは、制御光１０２の方向を変更することにより、光学結晶１００における信号光１０１の伝搬経路を自由に制御できる利点を有するが、回折効果により光が空間的に広がってしまう問題を有している。このため、図８に示す光スイッチでは、ビーム径を絞る集光用レンズなどを必要とし、光スイッチングデバイスの小型化、集積化が困難である。
【０００７】
一方、図９に示す従来の光スイッチは、光を導波路１０３に閉じ込めて伝搬させるので、回折効果による光の空間的な広がりを防止する利点を有するが、光学結晶１０６の作製時に導波路１０３および信号光の出射端（出力ポート１０５Ａ，１０５Ｂ）が固定されてしまうため、信号光１０１の伝搬経路を自由に制御できず、出力ポートの変更の要請等に柔軟に対応できない。また、スイッチング素子の小型化や伝送する光の損失を小さくするため等の理由により、導波路１０３の断面の径の大きさは数μｍから数１０μｍと極めて小さく、その作製には精密なプロセスが必要とされ、光スイッチのコストを上昇させる一因となっている。また、電極１０７Ａ，１０７Ｂを内蔵した光スイッチは、強い電場や磁場が作用する場所では、電極１０７Ａ，１０７Ｂに意図しない電圧差が生じ、誤作動を起こす虞がある。また、光学結晶１０６に温度勾配を与えてスイッチングを行う光スイッチでは、光学結晶１０６に温度変化を与えてから、例えばヒータ等をオンにしてから、実際に信号光の出力先が切り替わるまでに時間がかかる、即ち応答性が悪い問題を有している。
【０００８】
そこで本発明は、信号光の出射端の自由な制御を可能とし、尚且つ回折効果による光の空間的な広がりを防止して集積度を向上できる光スイッチング方法および光スイッチングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の光スイッチング方法は、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質に入力ポートと複数の出力ポートを定め、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えるようにしている。
【００１０】
また、請求項４記載の光スイッチングシステムは、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に設定された入力ポートおよび複数の出力ポートと、前記入力ポートに信号光を入射する通信用光源と、前記出力ポートから出射される前記信号光を受光する複数の受光手段と、前記出力ポートに制御光を入射する制御用光源と、前記制御用光源から前記出力ポートへと前記制御光を伝えると共に、前記出力ポートから前記受光手段へと前記信号光を伝える光路設定手段とを備え、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、前記制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された前記信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えるようにしている。
【００１１】
したがって、制御光を非線形光学媒質の出力ポートに入射すると、その制御光自身が非線形光学媒質中で屈折率変化を引き起こし、当該媒質中で制御光が広がらずに伝搬する空間光ソリトン効果が現れる。信号光は、制御光が作る屈折率増加領域（即ち導波路）に引き寄せられ、かつ当該導波路によりその空間的な広がりを抑制されながら、制御光の入射端へと誘導される。即ち、制御光を空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質に入射することにより、当該非線形光学媒質に入射する信号光の出力先を切り替えることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光スイッチング方法において、前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送するようにしている。また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の光スイッチングシステムにおいて、前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送するようにしている。
【００１３】
この場合、非線形光学媒質の中においては空間光ソリトン効果により信号光および制御光の空間的な広がりを低減できるのに加えて、非線形光学媒質の外においては、信号光や制御光は光ファイバに閉じ込められて伝送されるので、これらの光の空間的な広がりを大きく低減でき、当該広がりを最小限に抑えることができる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光スイッチング方法において、前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいものとしている。また、請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の光スイッチングシステムにおいて、前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいものとしている。この場合、制御光によって信号光を確実かつ正確に効果的に制御できる。
【発明の効果】
【００１５】
しかして請求項１記載の光スイッチング方法および請求項４記載の光スイッチングシステムによれば、空間光ソリトン効果により、信号光の空間的な広がりを低減しながら制御光の入射端に信号光を誘導し、その伝搬先を切り替えることができるので、ビーム径を絞る集光用レンズなどは不要であり、光スイッチの小型化、光スイッチングデバイスの集積化を実現できる。また、スイッチング素子である非線形光学媒質の中に、電極を設けたり、固定的な導波路を作製する特殊かつ精密なプロセスは必要はないので、光スイッチの低コスト化を実現できる。さらに、本発明に係る導波路は、固定的なものではなく制御光により生成される可変的なものであるため、信号光の伝搬経路の自由な制御が可能になり、出力ポートや入力ポートの設定変更にも容易に対応できる。また、制御用光源と受光手段とを１ユニットの受信装置として構成する場合、信号光の受信を希望する受信装置の側が自ら制御光を出力することで信号光の受信が可能になる、従来にない新しい光スイッチングシステムを実現できる。また、本発明の光スイッチは、制御光によりスイッチングを行うので、光学素子に電極を内蔵するタイプと異なり強い電場や磁場が作用する場所でも誤作動を起こす問題は無く、また温度勾配を与えてスイッチングを行う光スイッチよりも応答性を向上できる。
【００１６】
さらに、請求項２記載の光スイッチング方法および請求項５記載の光スイッチングシステムによれば、非線形光学媒質の外において信号光または制御光を光ファイバにより伝送するので、これらの光の空間的な広がりを大きく低減でき、当該広がりを最小限に抑えることができる。
【００１７】
さらに、請求項３記載の光スイッチング方法および請求項６記載の光スイッチングシステムによれば、非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、信号光に対するものよりも、制御光に対するものの方が大きいものとしているので、制御光によって信号光を確実かつ正確に効果的に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１から図４に本発明の光スイッチング方法および光スイッチングシステム１の実施の一形態を示す。この光スイッチング方法は、空間光ソリトン効果を利用したものであり、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質２に入力ポート３と複数の出力ポート４を定め、複数の出力ポート４の中から選択した出力ポート４に、制御光Ｌ２を入射して非線形光学媒質２中に屈折率が増加した領域を形成し、入力ポート３に入射された信号光Ｌ１を屈折率増加領域に引き寄せて選択した出力ポート４に誘導することで、信号光Ｌ１の出力先を切り替えるようにしている。
【００２０】
空間光ソリトン効果とは、非線形光学媒質２中の光が引き起こす屈折率変化によって形成された屈折率増加領域（即ち導波路）に、光が閉じ込められて伝搬する現象をいう。また、非線形光学媒質２とは、光放射に対し、強く非線形の誘電的な応答機能を持っている光学媒質をいう。
【００２１】
光は、指向性の強いレーザ光であっても、回折効果により空間的に広がる性質を持つ。このため図６に示すように、通常、光学媒質１００中を伝わる光Ｌは、光学媒質１００中を広がりながら伝搬する。これに対して、非線形光学媒質２に入射された光Ｌにより非線形光学媒質２において空間光ソリトン効果が生じると、図７に示すように、光Ｌは、自身が非線形光学媒質２中に形成した導波路に閉じ込められて伝搬するため、回折効果の影響を低減し、非線形光学媒質２中で空間的に広がらずに伝搬する。
【００２２】
本願発明者は、空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質２に、第１の光を入射することにより、非線形光学媒質２中に屈折率増加領域（即ち導波路）が形成されることに着目し、当該屈折率増加領域が形成された状態の非線形光学媒質２に、第２の光を入射すると、当該第２の光は、当該導波路に引き寄せられ、かつ当該導波路に閉じ込められて伝搬するとの着想に至り、上記事項が実際に生じることを実験により確認した。そして本願発明者は、上記第１の光を制御光Ｌ２、上記第２の光を信号光Ｌ１として、制御光Ｌ２を空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質２に入射することにより、当該非線形光学媒質２に入射する信号光Ｌ１の出力先を切り替えることができる、即ち光スイッチングを実現できるとの着想に到った。
【００２３】
ここで、非線形光学媒質２の屈折率変化の感度は、信号光Ｌ１に対するものよりも、制御光Ｌ２に対するものの方が大きいことが望ましい。より望ましくは、信号光Ｌ１を非線形光学媒質２に入射しても空間光ソリトン効果は生じないが、即ち信号光Ｌ１を入射しても非線形光学媒質２において屈折率増加は生じないが、制御光Ｌ２を非線形光学媒質２に入射すると空間光ソリトン効果が生じる、即ち制御光Ｌ２を入射すると非線形光学媒質２において屈折率増加が生じるようにする。これにより、制御光Ｌ２によって信号光Ｌ１を確実かつ正確に制御できる。
【００２４】
非線形光学媒質２において生じる空間光ソリトン効果の程度、換言すれば、非線形光学媒質２の屈折率変化の感度は、非線形光学媒質２の組成、入射する光の強度や波長に依存する。したがって、非線形光学媒質２の組成の選択、制御光Ｌ２の光強度や波長の選択、信号光Ｌ１の強度や波長の選択によって、制御光Ｌ２に対する非線形光学媒質２の屈折率変化の感度を、信号光Ｌ１に対する非線形光学媒質２の屈折率変化の感度よりも、大きくすることができる。例えば、空間光ソリトン効果を生じるのに必要な光強度（閾値）よりも、信号光Ｌ１の光強度を弱くし、制御光Ｌ２の光強度を上記閾値以上とする。或いは、空間光ソリトン効果を生じる光波長範囲に対し、信号光Ｌ１を当該光波長範囲から外れた波長を有するものとし、制御光Ｌ２を当該光波長範囲内の波長を有するものとする。空間光ソリトン効果を生じるのに必要な光強度および空間光ソリトン効果を生じる光波長範囲は、非線形光学媒質２の組成によって異なり得る。
【００２５】
空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質２としては、例えばガラス材料やフォトリフラクティブ結晶が挙げられ、特にフォトリフラクティブ結晶は空間光ソリトン効果の感度が高く、本発明の光スイッチング素子として好適である。好適なフォトリフラクティブ結晶の具体例としては、ＳＢＮ（Strontium Barium Niobate）結晶、ＢＳＯ（Ｂｉ１２ＳｉＯ２０）結晶、Ｆｅ：ＩｎＰ結晶などが挙げられる。ＳＢＮ結晶は、可視光における非線形光学効果の感度が高く、制御光Ｌ２として可視光を使用できる。ＢＳＯ結晶は、ＳＢＮ結晶より感度が若干劣るが、反応速度が速い利点を有する。Ｆｅ：ＩｎＰ結晶は、半導体であり、近赤外領域で感度が高く、制御光Ｌ２として近赤外光を使用できる。
【００２６】
本発明の光スイッチング方法は、例えば図１に示す光スイッチングシステム１として装置化される。この光スイッチングシステム１は、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質２と、非線形光学媒質２に設定された入力ポート３および複数の出力ポート４と、入力ポート３に信号光Ｌ１を入射する通信用光源５と、出力ポート４から出射される信号光Ｌ１を受光する複数の受光手段６と、出力ポート４に制御光Ｌ２を入射する制御用光源７と、制御用光源７から出力ポート４へと制御光Ｌ２を伝えると共に、出力ポート４から受光手段６へと信号光Ｌ１を伝える光路設定手段８とを備えている。
【００２７】
本実施形態の非線形光学媒質２は、例えば１つの入力ポート３と、２つの出力ポート４を有する。非線形光学媒質２は例えば立方体または直方体の形状をなし、入力ポート３が設定される面と、出力ポート４が設定される面とは、非線形光学媒質２における対向する２面としている。即ち、入力ポート３が設定される面の反対側の面に出力ポート４が設定される。非線形光学媒質２に対し、信号光Ｌ１の反対側から制御光Ｌ２を入射することで、制御光Ｌ２が作る導波路に信号光Ｌ１を誘導し易く構成できる。ただし、非線形光学媒質２の形状および入力ポート３と出力ポート４の位置関係は本実施形態の例に必ずしも限定されず、制御光Ｌ２が作る導波路に信号光Ｌ１を誘導可能なものであれば良い。
【００２８】
本実施形態の光スイッチングシステム１は、制御用光源７として、第１出力ポート４Ａに第１制御光Ｌ２ａを入射する第１制御用光源７Ａと、第２出力ポート４Ｂに第２制御光Ｌ２ｂを入射する第２制御用光源７Ｂとを有する。尚、本実施形態では、出力ポート４ごとに制御用光源７を設置しているが、必ずしもこの構成例に限定されず、制御用光源７を機械的に移動可能であるものとし、１つの制御用光源７により複数の出力ポート４のいずれかに対し、選択的に制御光Ｌ２を入射できる構成としても良い。また、本実施形態の制御用光源７および通信用光源５はレーザ光源としている。レーザ光は指向性が強いため、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２をレーザ光とすることで、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２の空間的な広がりを抑制できる
【００２９】
本実施形態の光スイッチングシステム１は、受光手段６として、第１出力ポート４Ａから出射される信号光Ｌ１を受光する第１受光器６Ａと、第２出力ポート４Ｂから出射される信号光Ｌ１を受光する第２受光器６Ｂとを有する。また、本実施形態の光スイッチングシステム１は、光路設定手段８として、第１出力ポート４Ａと第１制御用光源７Ａとの間に配置され、第１制御用光源７Ａから第１出力ポート４Ａに向けて出射される制御光Ｌ２を透過し、第１出力ポート４Ａから出射される信号光Ｌ１を第１受光器６Ａに向けて反射する第１ミラー９Ａと、第２出力ポート４Ｂと第２制御用光源７Ｂとの間に配置され、第２制御用光源７Ｂから第２出力ポート４Ｂに向けて出射される制御光Ｌ２を透過し、第２出力ポート４Ｂから出射される信号光Ｌ１を第２受光器６Ｂに向けて反射する第２ミラー９Ｂとを有する。第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂは、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する波長選択ミラー（誘電体多層膜ミラーとも呼ばれる）である。このため、本実施形態では、信号光Ｌ１と制御光Ｌ２には波長が異なるものが選択され、かつ信号光Ｌ１の波長は第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂで反射するものが選択され、制御光Ｌ２の波長は第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂを透過するものが選択される。
【００３０】
また、本実施形態の非線形光学媒質２の組成、信号光Ｌ１の光強度および波長、制御光Ｌ２の光強度および波長は、信号光Ｌ１に対しては非線形光学媒質２において空間光ソリトン効果を生じず、制御光Ｌ２に対しては非線形光学媒質２において空間光ソリトン効果を生じるものに設定される。
【００３１】
以上のように構成された光スイッチングシステム１は、次のように作動する。先ず、通信用光源５から信号光Ｌ１のみが非線形光学媒質２に入射する場合、本実施形態の非線形光学媒質２は信号光Ｌ１に対して空間光ソリトン効果を生じないので、図２に示すように、信号光Ｌ１は非線形光学媒質２中を伝搬するに従いその断面の大きさは回折効果により広がる。このとき第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂにおいては、信号光Ｌ１の端の方の強度が比較的弱い部分が反射され、第１受光器６Ａおよび第２受光器６Ｂではほぼ等しい強度の弱い信号光Ｌ１を検出する。
【００３２】
次に、通信用光源５から信号光Ｌ１を非線形光学媒質２に入射し、かつ第１制御用光源７Ａから第１制御光Ｌ２ａを非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａに入射する場合、以下に説明する作用により信号光Ｌ１は第１受光器６Ａ側に誘導される。第１ミラー９Ａは第１制御光Ｌ２ａを透過するため、第１制御光Ｌ２ａは非線形光学媒質２に入射する。非線形光学媒質２は第１制御光Ｌ２ａに対しては屈折率の変化、即ち屈折率の上昇を生じ、光は屈折率の高い領域へ引き寄せられる性質から、第１制御光Ｌ２ａは非線形光学媒質２中で空間光ソリトン効果を発生し、図３で示すように第１制御光Ｌ２ａは非線形光学媒質２中で空間的に広がらないビームを形成する。
【００３３】
ここで通信用光源５から出力され、第１制御光Ｌ２ａとは反対側の面から非線形光学媒質２に入射される信号光Ｌ１は、非線形光学媒質２中で第１制御光Ｌ２ａがその光ビームに沿って形成する屈折率の高い領域（導波路）に誘導され、図４で示すように第１制御光Ｌ２ａの伝搬経路に沿って進む、換言すれば第１制御光Ｌ２ａの伝搬経路を逆トレースするように進む。即ち、非線形光学媒質２中では第１制御光Ｌ２ａの伝搬経路に沿った形で屈折率が上昇した領域が生じているため、非線形光学媒質２に第１制御光Ｌ２ａとは反対側から信号光Ｌ１を入射すると、信号光Ｌ１は第１制御光Ｌ２ａが作る屈折率変化領域に誘導される形で伝搬する。しかも、信号光Ｌ１は屈折率増加領域（即ち導波路）に閉じ込められて伝搬するため、信号光Ｌ１の空間的な広がりが低減される。そして、第１ミラー９Ａは、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａから出射された信号光Ｌ１を第１受光器６Ａに向けて反射する。以上により、第１受光器６Ａは第２受光器６Ｂと比較して、より強い強度で信号光Ｌ１を検出できることになる。
【００３４】
逆に、第１制御用光源７Ａの出力を止め、第２制御用光源７Ｂから第２制御光Ｌ２ｂを出力した場合は、信号光Ｌ１は第２制御光Ｌ２ｂ側に誘導され、第２受光器６Ｂは第１受光器６Ａと比較して、より強い強度で信号光Ｌ１を検出できることになる。
【００３５】
したがって、第１制御光Ｌ２ａおよび第２制御光Ｌ２ｂを適切に制御することにより、信号光Ｌ１を所望の受光手段６に効率よく入射させることができ、光スイッチを実現できる。即ち、第１制御用光源７Ａおよび第２制御用光源７Ｂの双方の出力を止めている間は、第１受光器６Ａおよび第２受光器６Ｂは等しい強度の信号光Ｌ１を受光し、第２制御用光源７Ｂの出力を止めかつ第１制御用光源７Ａから第１制御光Ｌ２ａを出力している間は、第１受光器６Ａは第２受光器６Ｂよりも強い強度で信号光Ｌ１を受光し、第１制御用光源７Ａの出力を止めかつ第２制御用光源７Ｂから第２制御光Ｌ２ｂを出力している間は、第２受光器６Ｂは第１受光器６Ａよりも強い強度で信号光Ｌ１を受光する。
【００３６】
なお、複数の制御光Ｌ２の間で波長や光強度を異ならせ、複数の制御光Ｌ２が同時に非線形光学媒質２に入射された場合に、非線形光学媒質２中において信号光Ｌ１が特定の制御光Ｌ２の側（即ち、屈折率のより高い領域）に誘導されるようにしても良い。この場合、複数の受光器に優先度を設定することができる。
【００３７】
以上に説明した光スイッチング方法および光スイッチングシステム１によれば、空間光ソリトン効果により、信号光Ｌ１の空間的な広がりを低減しながら制御光Ｌ２の入射端に信号光Ｌ１を誘導し、その伝搬先を切り替えることができるので、ビーム径を絞る集光用レンズなどは不要であり、光スイッチの小型化、光スイッチングデバイスの集積化を実現できる。また、スイッチング素子である非線形光学媒質２の中に、電極を設けたり、固定的な導波路を作製する特殊かつ精密なプロセスは必要はないので、光スイッチの低コスト化を実現できる。さらに、本発明に係る導波路は、固定的なものではなく制御光Ｌ２により生成される可変的なものであるため、信号光Ｌ１の伝搬経路の自由な制御が可能になり、出力ポート４や入力ポート３の設定変更にも容易に対応できる。また、第１制御用光源７Ａと第１受光器６Ａとを１ユニットの受信装置として構成し、同様に、第２制御用光源７Ｂと第２受光器６Ｂとを１ユニットの受信装置として構成する場合、信号光Ｌ１の受信を希望する受信装置の側が自ら制御光Ｌ２を出力することで信号光Ｌ１の受信が可能になる、従来にない新しい光スイッチングシステム１を実現できる。また、本発明の光スイッチは、制御光Ｌ２によりスイッチングを行うので、光学素子に電極を内蔵するタイプと異なり強い電場や磁場が作用する場所でも誤作動を起こす問題は無く、また温度勾配を与えてスイッチングを行う光スイッチよりも応答性を向上できる。
【００３８】
さらに、本発明の他の実施形態について以下に説明する。尚、以下に説明する他の実施形態において上述の実施形態と同様の構成については、同一符号を付してその詳細な説明を省略し、各実施形態特有の構造等について説明する。
【００３９】
図５に、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチングシステム１を示す。この光スイッチングシステム１では、非線形光学媒質２の外において信号光Ｌ１および制御光Ｌ２を光ファイバ１０により伝送するようにしている。この構成によれば、非線形光学媒質２の中においては空間光ソリトン効果により信号光Ｌ１および制御光Ｌ２の空間的な広がりを低減できるのに加えて、非線形光学媒質２の外においては、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２は光ファイバ１０に閉じ込められて伝送されるので、これらの光の空間的な広がりを大きく低減でき、当該広がりを最小限に抑えることができる。なお、図５の例では、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２の双方を光ファイバ１０を介して非線形光学媒質２に伝えるようにしているが、信号光Ｌ１と制御光Ｌ２の一方のみを光ファイバ１０を介して非線形光学媒質２に伝えるようにしても良い。
【００４０】
この光スイッチングシステム１は、光路設定手段８として、光サーキュレータ１１を有する。そして、この光スイッチングシステム１は、通信用光源５と非線形光学媒質２の入力ポート３との間で光を伝送する第１光ファイバ１０Ａと、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａと第１光サーキュレータ１１Ａの第１ポート１２との間で光を伝送する第２光ファイバ１０Ｂと、第１光サーキュレータ１１Ａの第２ポート１３と第１受光器６Ａとの間で光を伝送する第３光ファイバ１０Ｃと、第１光サーキュレータ１１Ａの第３ポート１４と第１制御用光源７Ａとの間で光を伝送する第４光ファイバ１０Ｄと、非線形光学媒質２の第２出力ポート４Ｂと第２光サーキュレータ１１Ｂの第１ポート１２との間で光を伝送する第５光ファイバ１０Ｅと、第２光サーキュレータ１１Ｂの第２ポート１３と第２受光器６Ｂとの間で光を伝送する第６光ファイバ１０Ｆと、第２光サーキュレータ１１Ｂの第３ポート１４と第２制御用光源７Ｂとの間で光を伝送する第７光ファイバ１０Ｇとを有する。
【００４１】
光サーキュレータ１１は、一方行のみに光を伝送し、かつ第１〜第３ポート１２，１３，１４に入力された光を、当該光が入力されたポートから上記一方行に向かってすぐとなりのポートより出力する周知の装置である。第１光サーキュレータ１１Ａは、第３ポート１４から入力された光を第１ポート１２からのみ出力し、第１ポート１２から入力された光を第２ポート１３からのみ出力する。従って、第１制御用光源７Ａから出射された第１制御光Ｌ２ａは、第４光ファイバ１０Ｄ、第１光サーキュレータ１１Ａ、第２光ファイバ１０Ｂを介して、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａに入射する。また、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａから出射された信号光Ｌ１は、第２光ファイバ１０Ｂ、第１光サーキュレータ１１Ａ、第３光ファイバ１０Ｃを介して、第１受光器６Ａに伝えられる。同様に、第２光サーキュレータ１１Ｂは、第３ポート１４から入力された光を第１ポート１２からのみ出力し、第１ポート１２から入力された光を第２ポート１３からのみ出力する。従って、第２制御用光源７Ｂから出射された第２制御光Ｌ２ｂは、第７光ファイバ１０Ｇ、第２光サーキュレータ１１Ｂ、第５光ファイバ１０Ｅを介して、非線形光学媒質２の第２出力ポート４Ｂに入射する。また、非線形光学媒質２の第２出力ポート４Ｂから出射された信号光Ｌ１は、第５光ファイバ１０Ｅ、第２光サーキュレータ１１Ｂ、第６光ファイバ１０Ｆを介して、第２受光器６Ｂに伝えられる。図５に示す光スイッチングシステム１の基本的な動作は、図１に示す光スイッチングシステム１と同じであるため省略する。
【００４２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、非線形光学媒質２は出力ポート４（換言すれば制御光Ｌ２の入射端）を２つ有するものとしたが、出力ポート４は３つ以上であっても良い。この場合、各出力ポート４に入射する制御光Ｌ２の強度を一律とせずに、信号光Ｌ１の光軸からより離れた外側の制御光Ｌ２ほど光強度を強くすることが望ましい。このように構成することで、信号光Ｌ１の光軸から離れた外側の制御光Ｌ２であっても、確実に信号光Ｌ１を引き寄せて目的の出力ポート４へと誘導することができる。また、本発明の光スイッチを複数従属接続させても良い。即ち、非線形光学媒質２から出力された信号光Ｌ１を、他の非線形光学媒質２の入力ポート３に入力するようにしても良い。この場合、下流側の光スイッチングシステム１の光スイッチング素子（非線形光学媒質２）が、上流側の光スイッチングシステム１から見た受光手段６となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の光スイッチング方法および光スイッチングシステムの実施の一形態を示す構成図である。
【図２】図１の光スイッチングシステムにおいて信号光のみを非線形光学媒質に入射した様子を示す。
【図３】図１の光スイッチングシステムの一部を示し、制御光を非線形光学媒質に入射した様子を示す。
【図４】図１の光スイッチングシステムにおいて信号光が制御光に引き寄せられる様子を示す。
【図５】本発明の光スイッチング方法および光スイッチングシステムの他の実施形態を示す構成図である。
【図６】光学媒質中を伝わる光が回折効果により空間的に広がる様子を示す概念図である。
【図７】非線形光学媒質中を伝わる光が空間光ソリトン効果により自身が形成した導波路に閉じ込められて伝搬する様子を示す概念図である。
【図８】従来の光スイッチの原理を示す概念図であり、（ａ）はスイッチング素子として使用した光学結晶に信号光を入射した様子を示し、（ｂ）は信号光とは別の方向から上記光学結晶に制御光を入射することにより信号光の伝搬方向を変化させた様子を示す。
【図９】従来の導波路および電極を内蔵する光スイッチの原理を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 光スイッチングシステム
２ 非線形光学媒質
３ 入力ポート
４ 出力ポート
５ 通信用光源
６ 受光手段
７ 制御用光源
８ 光路設定手段
１０ 光ファイバ
Ｌ１ 信号光
Ｌ２ 制御光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチング方法および光スイッチングシステムに関する。さらに詳述すると、本発明は、空間光ソリトン効果を利用した光スイッチング方法および光スイッチングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光スイッチとは、一般に、スイッチング素子に入射する信号光の様々な性質、例えば強度や伝搬方向などを、信号光とは別にスイッチング素子に入力する制御信号によって変化させるものであり、光通信分野などで使用される。
【０００３】
光は屈折率の高い領域へ曲がろうとする性質があるため、この性質を利用して図８に示す簡単な光スイッチを構成することができる（非特許文献１参照）。図８（ａ）は、スイッチング素子として使用した光学結晶１００に信号光１０１を入射した場合を表す。ここで、図８（ｂ）に示すように、光学結晶１００における信号光１０１の入射面に対して、信号光１０１とは別の方向から制御光１０２を入射することを考える。この制御光１０２の強度や波長を選び、光学結晶１００中の屈折率を変化させることができれば、信号光１０１も当該屈折率変化の影響を受けて伝搬方向が変化することになり、光スイッチングが行える。ここで、光は、指向性の強いレーザ光であっても、回折効果により空間的に広がる性質を持つ（特にビーム径が小さいほど大きく広がろうとする）ため、図８においてもその性質が分かるように示してある。
【０００４】
一方、スイッチング素子用の光学結晶を、特定の領域だけ屈折率の高い構造を備えるように作製することも行われている。換言すれば、スイッチング素子用の光学結晶中に、導波路と呼ばれる信号光の通り道を作製することも行われている。図９は、導波路を使用した光スイッチの例である（非特許文献２参照）。導波路１０３は、１つの入力ポート１０４から２つの出力ポート１０５Ａ，１０５Ｂに分岐するように光学結晶１０６中に作製され、導波路１０３の分岐個所には、導波路１０３を通る信号光１０１の進行方向を制御する電極１０７Ａ，１０７Ｂが設けられている。電極１０７Ａおよび電極１０７Ｂにかかる電圧が等しい場合、入力ポート１０４から入力される信号光１０１は、導波路１０３途中の分岐個所で等強度に２方向に分岐され、出力ポート１０５Ａと出力ポート１０５Ｂから等強度で出力される。ここで、電極１０７Ａと電極１０７Ｂで異なる電圧が加わった場合、光学結晶１０６中の屈折率が各電極１０７Ａ，１０７Ｂ付近で異なるものとなり、出力ポート１０５Ａと出力ポート１０５Ｂから出力される信号光１０１は等強度ではなくなる。このようにして、電極１０７Ａ，１０７Ｂに印加する電圧を制御することで、信号光１０１の出力先を切り替えることができる。なお、導波路１０３を通る信号光１０１の進行方向を制御する手段としては、上述した電極１０７Ａ，１０７Ｂを用いるものの他に、光学結晶１０６に温度勾配を与えて、導波路１０３の分岐個所付近の屈折率を異ならせるものもある。
【０００５】
【非特許文献１】D. Kip, et al., “All-optical beam deflection and switching in strontium-barium-niobate waveguides,” Appl. Phys. Lett., vol. 72, pp. 1960?1962 (1998).
【非特許文献２】行松健一, “光スイッチングと光インターコネクション,” 共立出版(1998).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８に示す従来の光スイッチは、制御光１０２の方向を変更することにより、光学結晶１００における信号光１０１の伝搬経路を自由に制御できる利点を有するが、回折効果により光が空間的に広がってしまう問題を有している。このため、図８に示す光スイッチでは、ビーム径を絞る集光用レンズなどを必要とし、光スイッチングデバイスの小型化、集積化が困難である。
【０００７】
一方、図９に示す従来の光スイッチは、光を導波路１０３に閉じ込めて伝搬させるので、回折効果による光の空間的な広がりを防止する利点を有するが、光学結晶１０６の作製時に導波路１０３および信号光の出射端（出力ポート１０５Ａ，１０５Ｂ）が固定されてしまうため、信号光１０１の伝搬経路を自由に制御できず、出力ポートの変更の要請等に柔軟に対応できない。また、スイッチング素子の小型化や伝送する光の損失を小さくするため等の理由により、導波路１０３の断面の径の大きさは数μｍから数１０μｍと極めて小さく、その作製には精密なプロセスが必要とされ、光スイッチのコストを上昇させる一因となっている。また、電極１０７Ａ，１０７Ｂを内蔵した光スイッチは、強い電場や磁場が作用する場所では、電極１０７Ａ，１０７Ｂに意図しない電圧差が生じ、誤作動を起こす虞がある。また、光学結晶１０６に温度勾配を与えてスイッチングを行う光スイッチでは、光学結晶１０６に温度変化を与えてから、例えばヒータ等をオンにしてから、実際に信号光の出力先が切り替わるまでに時間がかかる、即ち応答性が悪い問題を有している。
【０００８】
そこで本発明は、信号光の出射端の自由な制御を可能とし、尚且つ回折効果による光の空間的な広がりを防止して集積度を向上できる光スイッチング方法および光スイッチングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の光スイッチング方法は、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質に入力ポートと複数の出力ポートを定め、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えるようにしている。
【００１０】
また、請求項４記載の光スイッチングシステムは、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に設定された入力ポートおよび複数の出力ポートと、前記入力ポートに信号光を入射する通信用光源と、前記出力ポートから出射される前記信号光を受光する複数の受光手段と、前記出力ポートに制御光を入射する制御用光源と、前記制御用光源から前記出力ポートへと前記制御光を伝えると共に、前記出力ポートから前記受光手段へと前記信号光を伝える光路設定手段とを備え、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、前記制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された前記信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えるようにしている。
【００１１】
したがって、制御光を非線形光学媒質の出力ポートに入射すると、その制御光自身が非線形光学媒質中で屈折率変化を引き起こし、当該媒質中で制御光が広がらずに伝搬する空間光ソリトン効果が現れる。信号光は、制御光が作る屈折率増加領域（即ち導波路）に引き寄せられ、かつ当該導波路によりその空間的な広がりを抑制されながら、制御光の入射端へと誘導される。即ち、制御光を空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質に入射することにより、当該非線形光学媒質に入射する信号光の出力先を切り替えることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光スイッチング方法において、前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送するようにしている。また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の光スイッチングシステムにおいて、前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送するようにしている。
【００１３】
この場合、非線形光学媒質の中においては空間光ソリトン効果により信号光および制御光の空間的な広がりを低減できるのに加えて、非線形光学媒質の外においては、信号光や制御光は光ファイバに閉じ込められて伝送されるので、これらの光の空間的な広がりを大きく低減でき、当該広がりを最小限に抑えることができる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光スイッチング方法において、前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいものとしている。また、請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の光スイッチングシステムにおいて、前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいものとしている。この場合、制御光によって信号光を確実かつ正確に効果的に制御できる。
【発明の効果】
【００１５】
しかして請求項１記載の光スイッチング方法および請求項４記載の光スイッチングシステムによれば、空間光ソリトン効果により、信号光の空間的な広がりを低減しながら制御光の入射端に信号光を誘導し、その伝搬先を切り替えることができるので、ビーム径を絞る集光用レンズなどは不要であり、光スイッチの小型化、光スイッチングデバイスの集積化を実現できる。また、スイッチング素子である非線形光学媒質の中に、電極を設けたり、固定的な導波路を作製する特殊かつ精密なプロセスは必要はないので、光スイッチの低コスト化を実現できる。さらに、本発明に係る導波路は、固定的なものではなく制御光により生成される可変的なものであるため、信号光の伝搬経路の自由な制御が可能になり、出力ポートや入力ポートの設定変更にも容易に対応できる。また、制御用光源と受光手段とを１ユニットの受信装置として構成する場合、信号光の受信を希望する受信装置の側が自ら制御光を出力することで信号光の受信が可能になる、従来にない新しい光スイッチングシステムを実現できる。また、本発明の光スイッチは、制御光によりスイッチングを行うので、光学素子に電極を内蔵するタイプと異なり強い電場や磁場が作用する場所でも誤作動を起こす問題は無く、また温度勾配を与えてスイッチングを行う光スイッチよりも応答性を向上できる。
【００１６】
さらに、請求項２記載の光スイッチング方法および請求項５記載の光スイッチングシステムによれば、非線形光学媒質の外において信号光または制御光を光ファイバにより伝送するので、これらの光の空間的な広がりを大きく低減でき、当該広がりを最小限に抑えることができる。
【００１７】
さらに、請求項３記載の光スイッチング方法および請求項６記載の光スイッチングシステムによれば、非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、信号光に対するものよりも、制御光に対するものの方が大きいものとしているので、制御光によって信号光を確実かつ正確に効果的に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１から図４に本発明の光スイッチング方法および光スイッチングシステム１の実施の一形態を示す。この光スイッチング方法は、空間光ソリトン効果を利用したものであり、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質２に入力ポート３と複数の出力ポート４を定め、複数の出力ポート４の中から選択した出力ポート４に、制御光Ｌ２を入射して非線形光学媒質２中に屈折率が増加した領域を形成し、入力ポート３に入射された信号光Ｌ１を屈折率増加領域に引き寄せて選択した出力ポート４に誘導することで、信号光Ｌ１の出力先を切り替えるようにしている。
【００２０】
空間光ソリトン効果とは、非線形光学媒質２中の光が引き起こす屈折率変化によって形成された屈折率増加領域（即ち導波路）に、光が閉じ込められて伝搬する現象をいう。また、非線形光学媒質２とは、光放射に対し、強く非線形の誘電的な応答機能を持っている光学媒質をいう。
【００２１】
光は、指向性の強いレーザ光であっても、回折効果により空間的に広がる性質を持つ。このため図６に示すように、通常、光学媒質１００中を伝わる光Ｌは、光学媒質１００中を広がりながら伝搬する。これに対して、非線形光学媒質２に入射された光Ｌにより非線形光学媒質２において空間光ソリトン効果が生じると、図７に示すように、光Ｌは、自身が非線形光学媒質２中に形成した導波路に閉じ込められて伝搬するため、回折効果の影響を低減し、非線形光学媒質２中で空間的に広がらずに伝搬する。
【００２２】
本願発明者は、空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質２に、第１の光を入射することにより、非線形光学媒質２中に屈折率増加領域（即ち導波路）が形成されることに着目し、当該屈折率増加領域が形成された状態の非線形光学媒質２に、第２の光を入射すると、当該第２の光は、当該導波路に引き寄せられ、かつ当該導波路に閉じ込められて伝搬するとの着想に至り、上記事項が実際に生じることを実験により確認した。そして本願発明者は、上記第１の光を制御光Ｌ２、上記第２の光を信号光Ｌ１として、制御光Ｌ２を空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質２に入射することにより、当該非線形光学媒質２に入射する信号光Ｌ１の出力先を切り替えることができる、即ち光スイッチングを実現できるとの着想に到った。
【００２３】
ここで、非線形光学媒質２の屈折率変化の感度は、信号光Ｌ１に対するものよりも、制御光Ｌ２に対するものの方が大きいことが望ましい。より望ましくは、信号光Ｌ１を非線形光学媒質２に入射しても空間光ソリトン効果は生じないが、即ち信号光Ｌ１を入射しても非線形光学媒質２において屈折率増加は生じないが、制御光Ｌ２を非線形光学媒質２に入射すると空間光ソリトン効果が生じる、即ち制御光Ｌ２を入射すると非線形光学媒質２において屈折率増加が生じるようにする。これにより、制御光Ｌ２によって信号光Ｌ１を確実かつ正確に制御できる。
【００２４】
非線形光学媒質２において生じる空間光ソリトン効果の程度、換言すれば、非線形光学媒質２の屈折率変化の感度は、非線形光学媒質２の組成、入射する光の強度や波長に依存する。したがって、非線形光学媒質２の組成の選択、制御光Ｌ２の光強度や波長の選択、信号光Ｌ１の強度や波長の選択によって、制御光Ｌ２に対する非線形光学媒質２の屈折率変化の感度を、信号光Ｌ１に対する非線形光学媒質２の屈折率変化の感度よりも、大きくすることができる。例えば、空間光ソリトン効果を生じるのに必要な光強度（閾値）よりも、信号光Ｌ１の光強度を弱くし、制御光Ｌ２の光強度を上記閾値以上とする。或いは、空間光ソリトン効果を生じる光波長範囲に対し、信号光Ｌ１を当該光波長範囲から外れた波長を有するものとし、制御光Ｌ２を当該光波長範囲内の波長を有するものとする。空間光ソリトン効果を生じるのに必要な光強度および空間光ソリトン効果を生じる光波長範囲は、非線形光学媒質２の組成によって異なり得る。
【００２５】
空間光ソリトン効果を示す非線形光学媒質２としては、例えばガラス材料やフォトリフラクティブ結晶が挙げられ、特にフォトリフラクティブ結晶は空間光ソリトン効果の感度が高く、本発明の光スイッチング素子として好適である。好適なフォトリフラクティブ結晶の具体例としては、ＳＢＮ（Strontium Barium Niobate）結晶、ＢＳＯ（Ｂｉ１２ＳｉＯ２０）結晶、Ｆｅ：ＩｎＰ結晶などが挙げられる。ＳＢＮ結晶は、可視光における非線形光学効果の感度が高く、制御光Ｌ２として可視光を使用できる。ＢＳＯ結晶は、ＳＢＮ結晶より感度が若干劣るが、反応速度が速い利点を有する。Ｆｅ：ＩｎＰ結晶は、半導体であり、近赤外領域で感度が高く、制御光Ｌ２として近赤外光を使用できる。
【００２６】
本発明の光スイッチング方法は、例えば図１に示す光スイッチングシステム１として装置化される。この光スイッチングシステム１は、空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質２と、非線形光学媒質２に設定された入力ポート３および複数の出力ポート４と、入力ポート３に信号光Ｌ１を入射する通信用光源５と、出力ポート４から出射される信号光Ｌ１を受光する複数の受光手段６と、出力ポート４に制御光Ｌ２を入射する制御用光源７と、制御用光源７から出力ポート４へと制御光Ｌ２を伝えると共に、出力ポート４から受光手段６へと信号光Ｌ１を伝える光路設定手段８とを備えている。
【００２７】
本実施形態の非線形光学媒質２は、例えば１つの入力ポート３と、２つの出力ポート４を有する。非線形光学媒質２は例えば立方体または直方体の形状をなし、入力ポート３が設定される面と、出力ポート４が設定される面とは、非線形光学媒質２における対向する２面としている。即ち、入力ポート３が設定される面の反対側の面に出力ポート４が設定される。非線形光学媒質２に対し、信号光Ｌ１の反対側から制御光Ｌ２を入射することで、制御光Ｌ２が作る導波路に信号光Ｌ１を誘導し易く構成できる。ただし、非線形光学媒質２の形状および入力ポート３と出力ポート４の位置関係は本実施形態の例に必ずしも限定されず、制御光Ｌ２が作る導波路に信号光Ｌ１を誘導可能なものであれば良い。
【００２８】
本実施形態の光スイッチングシステム１は、制御用光源７として、第１出力ポート４Ａに第１制御光Ｌ２ａを入射する第１制御用光源７Ａと、第２出力ポート４Ｂに第２制御光Ｌ２ｂを入射する第２制御用光源７Ｂとを有する。尚、本実施形態では、出力ポート４ごとに制御用光源７を設置しているが、必ずしもこの構成例に限定されず、制御用光源７を機械的に移動可能であるものとし、１つの制御用光源７により複数の出力ポート４のいずれかに対し、選択的に制御光Ｌ２を入射できる構成としても良い。また、本実施形態の制御用光源７および通信用光源５はレーザ光源としている。レーザ光は指向性が強いため、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２をレーザ光とすることで、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２の空間的な広がりを抑制できる
【００２９】
本実施形態の光スイッチングシステム１は、受光手段６として、第１出力ポート４Ａから出射される信号光Ｌ１を受光する第１受光器６Ａと、第２出力ポート４Ｂから出射される信号光Ｌ１を受光する第２受光器６Ｂとを有する。また、本実施形態の光スイッチングシステム１は、光路設定手段８として、第１出力ポート４Ａと第１制御用光源７Ａとの間に配置され、第１制御用光源７Ａから第１出力ポート４Ａに向けて出射される制御光Ｌ２を透過し、第１出力ポート４Ａから出射される信号光Ｌ１を第１受光器６Ａに向けて反射する第１ミラー９Ａと、第２出力ポート４Ｂと第２制御用光源７Ｂとの間に配置され、第２制御用光源７Ｂから第２出力ポート４Ｂに向けて出射される制御光Ｌ２を透過し、第２出力ポート４Ｂから出射される信号光Ｌ１を第２受光器６Ｂに向けて反射する第２ミラー９Ｂとを有する。第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂは、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する波長選択ミラー（誘電体多層膜ミラーとも呼ばれる）である。このため、本実施形態では、信号光Ｌ１と制御光Ｌ２には波長が異なるものが選択され、かつ信号光Ｌ１の波長は第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂで反射するものが選択され、制御光Ｌ２の波長は第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂを透過するものが選択される。
【００３０】
また、本実施形態の非線形光学媒質２の組成、信号光Ｌ１の光強度および波長、制御光Ｌ２の光強度および波長は、信号光Ｌ１に対しては非線形光学媒質２において空間光ソリトン効果を生じず、制御光Ｌ２に対しては非線形光学媒質２において空間光ソリトン効果を生じるものに設定される。
【００３１】
以上のように構成された光スイッチングシステム１は、次のように作動する。先ず、通信用光源５から信号光Ｌ１のみが非線形光学媒質２に入射する場合、本実施形態の非線形光学媒質２は信号光Ｌ１に対して空間光ソリトン効果を生じないので、図２に示すように、信号光Ｌ１は非線形光学媒質２中を伝搬するに従いその断面の大きさは回折効果により広がる。このとき第１，第２ミラー９Ａ，９Ｂにおいては、信号光Ｌ１の端の方の強度が比較的弱い部分が反射され、第１受光器６Ａおよび第２受光器６Ｂではほぼ等しい強度の弱い信号光Ｌ１を検出する。
【００３２】
次に、通信用光源５から信号光Ｌ１を非線形光学媒質２に入射し、かつ第１制御用光源７Ａから第１制御光Ｌ２ａを非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａに入射する場合、以下に説明する作用により信号光Ｌ１は第１受光器６Ａ側に誘導される。第１ミラー９Ａは第１制御光Ｌ２ａを透過するため、第１制御光Ｌ２ａは非線形光学媒質２に入射する。非線形光学媒質２は第１制御光Ｌ２ａに対しては屈折率の変化、即ち屈折率の上昇を生じ、光は屈折率の高い領域へ引き寄せられる性質から、第１制御光Ｌ２ａは非線形光学媒質２中で空間光ソリトン効果を発生し、図３で示すように第１制御光Ｌ２ａは非線形光学媒質２中で空間的に広がらないビームを形成する。
【００３３】
ここで通信用光源５から出力され、第１制御光Ｌ２ａとは反対側の面から非線形光学媒質２に入射される信号光Ｌ１は、非線形光学媒質２中で第１制御光Ｌ２ａがその光ビームに沿って形成する屈折率の高い領域（導波路）に誘導され、図４で示すように第１制御光Ｌ２ａの伝搬経路に沿って進む、換言すれば第１制御光Ｌ２ａの伝搬経路を逆トレースするように進む。即ち、非線形光学媒質２中では第１制御光Ｌ２ａの伝搬経路に沿った形で屈折率が上昇した領域が生じているため、非線形光学媒質２に第１制御光Ｌ２ａとは反対側から信号光Ｌ１を入射すると、信号光Ｌ１は第１制御光Ｌ２ａが作る屈折率変化領域に誘導される形で伝搬する。しかも、信号光Ｌ１は屈折率増加領域（即ち導波路）に閉じ込められて伝搬するため、信号光Ｌ１の空間的な広がりが低減される。そして、第１ミラー９Ａは、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａから出射された信号光Ｌ１を第１受光器６Ａに向けて反射する。以上により、第１受光器６Ａは第２受光器６Ｂと比較して、より強い強度で信号光Ｌ１を検出できることになる。
【００３４】
逆に、第１制御用光源７Ａの出力を止め、第２制御用光源７Ｂから第２制御光Ｌ２ｂを出力した場合は、信号光Ｌ１は第２制御光Ｌ２ｂ側に誘導され、第２受光器６Ｂは第１受光器６Ａと比較して、より強い強度で信号光Ｌ１を検出できることになる。
【００３５】
したがって、第１制御光Ｌ２ａおよび第２制御光Ｌ２ｂを適切に制御することにより、信号光Ｌ１を所望の受光手段６に効率よく入射させることができ、光スイッチを実現できる。即ち、第１制御用光源７Ａおよび第２制御用光源７Ｂの双方の出力を止めている間は、第１受光器６Ａおよび第２受光器６Ｂは等しい強度の信号光Ｌ１を受光し、第２制御用光源７Ｂの出力を止めかつ第１制御用光源７Ａから第１制御光Ｌ２ａを出力している間は、第１受光器６Ａは第２受光器６Ｂよりも強い強度で信号光Ｌ１を受光し、第１制御用光源７Ａの出力を止めかつ第２制御用光源７Ｂから第２制御光Ｌ２ｂを出力している間は、第２受光器６Ｂは第１受光器６Ａよりも強い強度で信号光Ｌ１を受光する。
【００３６】
なお、複数の制御光Ｌ２の間で波長や光強度を異ならせ、複数の制御光Ｌ２が同時に非線形光学媒質２に入射された場合に、非線形光学媒質２中において信号光Ｌ１が特定の制御光Ｌ２の側（即ち、屈折率のより高い領域）に誘導されるようにしても良い。この場合、複数の受光器に優先度を設定することができる。
【００３７】
以上に説明した光スイッチング方法および光スイッチングシステム１によれば、空間光ソリトン効果により、信号光Ｌ１の空間的な広がりを低減しながら制御光Ｌ２の入射端に信号光Ｌ１を誘導し、その伝搬先を切り替えることができるので、ビーム径を絞る集光用レンズなどは不要であり、光スイッチの小型化、光スイッチングデバイスの集積化を実現できる。また、スイッチング素子である非線形光学媒質２の中に、電極を設けたり、固定的な導波路を作製する特殊かつ精密なプロセスは必要はないので、光スイッチの低コスト化を実現できる。さらに、本発明に係る導波路は、固定的なものではなく制御光Ｌ２により生成される可変的なものであるため、信号光Ｌ１の伝搬経路の自由な制御が可能になり、出力ポート４や入力ポート３の設定変更にも容易に対応できる。また、第１制御用光源７Ａと第１受光器６Ａとを１ユニットの受信装置として構成し、同様に、第２制御用光源７Ｂと第２受光器６Ｂとを１ユニットの受信装置として構成する場合、信号光Ｌ１の受信を希望する受信装置の側が自ら制御光Ｌ２を出力することで信号光Ｌ１の受信が可能になる、従来にない新しい光スイッチングシステム１を実現できる。また、本発明の光スイッチは、制御光Ｌ２によりスイッチングを行うので、光学素子に電極を内蔵するタイプと異なり強い電場や磁場が作用する場所でも誤作動を起こす問題は無く、また温度勾配を与えてスイッチングを行う光スイッチよりも応答性を向上できる。
【００３８】
さらに、本発明の他の実施形態について以下に説明する。尚、以下に説明する他の実施形態において上述の実施形態と同様の構成については、同一符号を付してその詳細な説明を省略し、各実施形態特有の構造等について説明する。
【００３９】
図５に、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチングシステム１を示す。この光スイッチングシステム１では、非線形光学媒質２の外において信号光Ｌ１および制御光Ｌ２を光ファイバ１０により伝送するようにしている。この構成によれば、非線形光学媒質２の中においては空間光ソリトン効果により信号光Ｌ１および制御光Ｌ２の空間的な広がりを低減できるのに加えて、非線形光学媒質２の外においては、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２は光ファイバ１０に閉じ込められて伝送されるので、これらの光の空間的な広がりを大きく低減でき、当該広がりを最小限に抑えることができる。なお、図５の例では、信号光Ｌ１および制御光Ｌ２の双方を光ファイバ１０を介して非線形光学媒質２に伝えるようにしているが、信号光Ｌ１と制御光Ｌ２の一方のみを光ファイバ１０を介して非線形光学媒質２に伝えるようにしても良い。
【００４０】
この光スイッチングシステム１は、光路設定手段８として、光サーキュレータ１１を有する。そして、この光スイッチングシステム１は、通信用光源５と非線形光学媒質２の入力ポート３との間で光を伝送する第１光ファイバ１０Ａと、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａと第１光サーキュレータ１１Ａの第１ポート１２との間で光を伝送する第２光ファイバ１０Ｂと、第１光サーキュレータ１１Ａの第２ポート１３と第１受光器６Ａとの間で光を伝送する第３光ファイバ１０Ｃと、第１光サーキュレータ１１Ａの第３ポート１４と第１制御用光源７Ａとの間で光を伝送する第４光ファイバ１０Ｄと、非線形光学媒質２の第２出力ポート４Ｂと第２光サーキュレータ１１Ｂの第１ポート１２との間で光を伝送する第５光ファイバ１０Ｅと、第２光サーキュレータ１１Ｂの第２ポート１３と第２受光器６Ｂとの間で光を伝送する第６光ファイバ１０Ｆと、第２光サーキュレータ１１Ｂの第３ポート１４と第２制御用光源７Ｂとの間で光を伝送する第７光ファイバ１０Ｇとを有する。
【００４１】
光サーキュレータ１１は、一方行のみに光を伝送し、かつ第１〜第３ポート１２，１３，１４に入力された光を、当該光が入力されたポートから上記一方行に向かってすぐとなりのポートより出力する周知の装置である。第１光サーキュレータ１１Ａは、第３ポート１４から入力された光を第１ポート１２からのみ出力し、第１ポート１２から入力された光を第２ポート１３からのみ出力する。従って、第１制御用光源７Ａから出射された第１制御光Ｌ２ａは、第４光ファイバ１０Ｄ、第１光サーキュレータ１１Ａ、第２光ファイバ１０Ｂを介して、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａに入射する。また、非線形光学媒質２の第１出力ポート４Ａから出射された信号光Ｌ１は、第２光ファイバ１０Ｂ、第１光サーキュレータ１１Ａ、第３光ファイバ１０Ｃを介して、第１受光器６Ａに伝えられる。同様に、第２光サーキュレータ１１Ｂは、第３ポート１４から入力された光を第１ポート１２からのみ出力し、第１ポート１２から入力された光を第２ポート１３からのみ出力する。従って、第２制御用光源７Ｂから出射された第２制御光Ｌ２ｂは、第７光ファイバ１０Ｇ、第２光サーキュレータ１１Ｂ、第５光ファイバ１０Ｅを介して、非線形光学媒質２の第２出力ポート４Ｂに入射する。また、非線形光学媒質２の第２出力ポート４Ｂから出射された信号光Ｌ１は、第５光ファイバ１０Ｅ、第２光サーキュレータ１１Ｂ、第６光ファイバ１０Ｆを介して、第２受光器６Ｂに伝えられる。図５に示す光スイッチングシステム１の基本的な動作は、図１に示す光スイッチングシステム１と同じであるため省略する。
【００４２】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、非線形光学媒質２は出力ポート４（換言すれば制御光Ｌ２の入射端）を２つ有するものとしたが、出力ポート４は３つ以上であっても良い。この場合、各出力ポート４に入射する制御光Ｌ２の強度を一律とせずに、信号光Ｌ１の光軸からより離れた外側の制御光Ｌ２ほど光強度を強くすることが望ましい。このように構成することで、信号光Ｌ１の光軸から離れた外側の制御光Ｌ２であっても、確実に信号光Ｌ１を引き寄せて目的の出力ポート４へと誘導することができる。また、本発明の光スイッチを複数従属接続させても良い。即ち、非線形光学媒質２から出力された信号光Ｌ１を、他の非線形光学媒質２の入力ポート３に入力するようにしても良い。この場合、下流側の光スイッチングシステム１の光スイッチング素子（非線形光学媒質２）が、上流側の光スイッチングシステム１から見た受光手段６となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の光スイッチング方法および光スイッチングシステムの実施の一形態を示す構成図である。
【図２】図１の光スイッチングシステムにおいて信号光のみを非線形光学媒質に入射した様子を示す。
【図３】図１の光スイッチングシステムの一部を示し、制御光を非線形光学媒質に入射した様子を示す。
【図４】図１の光スイッチングシステムにおいて信号光が制御光に引き寄せられる様子を示す。
【図５】本発明の光スイッチング方法および光スイッチングシステムの他の実施形態を示す構成図である。
【図６】光学媒質中を伝わる光が回折効果により空間的に広がる様子を示す概念図である。
【図７】非線形光学媒質中を伝わる光が空間光ソリトン効果により自身が形成した導波路に閉じ込められて伝搬する様子を示す概念図である。
【図８】従来の光スイッチの原理を示す概念図であり、（ａ）はスイッチング素子として使用した光学結晶に信号光を入射した様子を示し、（ｂ）は信号光とは別の方向から上記光学結晶に制御光を入射することにより信号光の伝搬方向を変化させた様子を示す。
【図９】従来の導波路および電極を内蔵する光スイッチの原理を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ 光スイッチングシステム
２ 非線形光学媒質
３ 入力ポート
４ 出力ポート
５ 通信用光源
６ 受光手段
７ 制御用光源
８ 光路設定手段
１０ 光ファイバ
Ｌ１ 信号光
Ｌ２ 制御光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質に入力ポートと複数の出力ポートを定め、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えることを特徴とする光スイッチング方法。
【請求項２】
前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送することを特徴とする請求項１記載の光スイッチング方法。
【請求項３】
前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいことを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチング方法。
【請求項４】
空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に設定された入力ポートおよび複数の出力ポートと、前記入力ポートに信号光を入射する通信用光源と、前記出力ポートから出射される前記信号光を受光する複数の受光手段と、前記出力ポートに制御光を入射する制御用光源と、前記制御用光源から前記出力ポートへと前記制御光を伝えると共に、前記出力ポートから前記受光手段へと前記信号光を伝える光路設定手段とを備え、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、前記制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された前記信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えることを特徴とする光スイッチングシステム。
【請求項５】
前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送することを特徴とする請求項４記載の光スイッチングシステム。
【請求項６】
前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいことを特徴とする請求項４または５記載の光スイッチングシステム。
【請求項１】
空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質に入力ポートと複数の出力ポートを定め、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えることを特徴とする光スイッチング方法。
【請求項２】
前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送することを特徴とする請求項１記載の光スイッチング方法。
【請求項３】
前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいことを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチング方法。
【請求項４】
空間光ソリトン効果を示す物性を有する非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に設定された入力ポートおよび複数の出力ポートと、前記入力ポートに信号光を入射する通信用光源と、前記出力ポートから出射される前記信号光を受光する複数の受光手段と、前記出力ポートに制御光を入射する制御用光源と、前記制御用光源から前記出力ポートへと前記制御光を伝えると共に、前記出力ポートから前記受光手段へと前記信号光を伝える光路設定手段とを備え、前記複数の出力ポートの中から選択した出力ポートに、前記制御光を入射して前記非線形光学媒質中に屈折率が増加した領域を形成し、前記入力ポートに入射された前記信号光を前記屈折率増加領域に引き寄せて前記選択した出力ポートに誘導することで、前記信号光の出力先を切り替えることを特徴とする光スイッチングシステム。
【請求項５】
前記非線形光学媒質の外において前記信号光または前記制御光を光ファイバにより伝送することを特徴とする請求項４記載の光スイッチングシステム。
【請求項６】
前記非線形光学媒質の屈折率変化の感度は、前記信号光に対するものよりも、前記制御光に対するものの方が大きいことを特徴とする請求項４または５記載の光スイッチングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−７１６６４（Ｐ２００６−７１６６４Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５１３１２（Ｐ２００４−２５１３１２）
【出願日】平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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