CN103370650A - 波导型光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可以减少交叉数量并可制造在单个基板上的波导型光开关，其中矩阵光开关包括连接单位光开关元件与光合流器或光分支器的具有多对一或一对多的连接功能的配置。根据本发明的一个实施方式，M输入单输出的光合流器被划分为（M-1）个双输入单输出的单位光合流元件，且这些单位光合流元件直接配置在除了单输入N输出的光开关的N个输出端口中靠近矩阵光开关的输入的一个输出端口之外的（N-1）个相应的输出端口之后。因此，各个开关的输出端口不是在交叉之后在光合流器中合流，而是在单位光合流元件中合流之后再进行交叉，因此，可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。

Description

波导型光开关
技术领域
本发明涉及在光通信等应用中使用的波导型光开关，具体地，涉及被配置成连接光开关与光合流器或光分支器的矩阵光开关，该矩阵光开关具有多对一或一对多的连接功能。此外，本发明还涉及用于实现波导交叉数量减少的回路配置的技术。
背景技术
以光纤为传输介质的光通信技术使得信号的传输距离增大，因此构成了大规模的光通信网络。近年来，随着互联网通信的广泛普及，通信量急剧增加，由此对通信网络的大容量、高速化、高功能化的要求也逐步提高。迄今为止，通过导入在一个传输路径中同时传输具有不同波长的光信号的多波长通信技术，可以增大两个地点之间的传输容量。
然而，在通信网络中，在聚集了多个传输路径的节点中，必需设定（routing）或切换（switching）信号路径，随着传输容量的增大，这些信号处理日益成为瓶颈。迄今为止，采用的是这样的方式，即将传输来的光信号暂时变换为电信号后进行路径设定或路径切换，然后将电信号变换为光信号发送到传输路径。未来期待的是一种能够进行信号路径的设定或切换处理而不必将光信号变换成电信号的方式，从而显著提高节点的执行速度。为了将这样的方式引入光通信网络，必不可少的部件是光开关。
光开关被配置成通过连接多个具有单输入双输出或双输入单输出的单位光开关元件，可以形成与输入/输出端口的数量或端口间的连接图案相关的多种回路配置的光开关，例如单输入多输出（或多输入单输出）、多输入多输出、双输入双输出等连接方式的光开关。其中，多输入多输出的矩阵光开关作为光开关被广泛地使用，该光开关可以任意地设定多个输入端口和输出端口间的路径。
另外，人们期待一种矩阵开关，其不仅能够实现通常的一对一连接而且可以实现多对一或一对多的连接。即，具有将输入到多个输入端口的不同的光信号合流并输出到多个输出端口内的一个输出端口的多对一连接功能的矩阵开关；或具有将输入到多个输入端口内的一个输入端口的光信号分支并输出到多个输出端口的一对多连接功能的矩阵开关，这样的矩阵开关对于构筑灵活的网络是非常必要的。
已知存在如图1所示的作为波导型光开关的配置，其中，矩阵光开关具有由波导型设备实现的多对一或一对多的连接功能（参照非专利文献1）。
图1所示的矩阵光开由四个具有单输入四输出的光开关（四个具有单输入双输出的单位光开关元件的组合）111-114以及四个具有四输入单输出的光合流器131-134构成。光开关111-114的各个输入与四个外部输入端口101-104连接。光合流器131-134的各个输出与外部输出端口141-144连接。
光开关111的四个输出端口分别经由交叉部121与光合流器131-134的输入端口连接。同样，光开关112-114各自的四个输出端口分别通过交叉部121与光合流器131-134的输入端口连接。
根据这样的配置，可以使被输入到多个外部输入端口的不同的光信号合流输出到一个外部输出端口。
另外，在将图1所示的光开关的外部输入端口与外部输出端口调换从而将光合流器直接作为光分配器使用的情况下，可以将输入到一个外部输入端口的光信号分支输出到多个外部输出端口。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：M.Kobayashi et al.,Electronics Letters,vol.36,no.17,pp.1451-1452,August2000.
发明内容
技术问题
图1所示的现有的矩阵光开关具有在光开关和光合流器之间产生多个交叉的问题。即，在图1的交叉部121中，16个波导中除了两端的两个之外还有14个波导将光开关和光合流器交叉地连接起来。交叉数量最大的路径是从外部输入端口101至外部输出端口144的路径（或从外部输入端口104至外部输出端口141的路径），在该路径中产生9处交叉。此外，该交叉的数量随着矩阵光开关的外部输入/输出端口数量的增大而增加。即，如果图1所示的矩阵光开关为N输入M输出，则该交叉部中存在N2个波导，其中交叉最多的波导具有（N-1）2个交叉。
通常，在波导型光设备中，在波导的交叉中存在插入损耗和干扰，从而会使设备的光学特性劣化。通过增大交叉角可以将插入损耗和干扰抑制至某种程度，但是为了增加交叉角需要在基板上展开波导，因此需要大空间。
因此，将具有多对一或一对多的连接功能的矩阵光开关作为单个基板上的波导型光开关进行制造是很困难的。所以需要一种制造在不同的基板上的光开关和光合流器、并且使用光纤布线板形成光开关和光合流器之间的交叉部的结构。
本发明是为了解决这样的问题而做出的，其目的在于提供一种可以减少交叉数量并可制造在单个基板上的波导型光开关，其中矩阵光开关包括连接单位光开关元件与光合流器或光分支器的具有多对一或一对多的连接功能的配置。
技术方案
本发明的波导型光开关，是形成在单个基板上的、具有M输入N输出的矩阵光开关形式的波导型光开关（M、N为3以上的整数），矩阵光开关由M个单输入N输出的光开关和N个M输入单输出的光合流器构成，矩阵光开关的第a（a为1以上M以下的整数）个输入由第a个单输入N输出的光开关的输入构成，矩阵光开关的第b（b为1以上N以下的整数）个输出由第b个M输入单输出的光合流器的输出构成，光开关中的每一个由（N-1）个单输入双输出的单位光开关元件构成，光合流器中的每一个由（M-1）个双输入单输出的单位光合流元件构成，在光开关中，第1个单位光开关元件的输入构成光开关的输入，第i（i为1以上（N-2）以下的整数）个单位光开关元件的输出中的一个与第（i+1）个单位光开关元件的输入连接，第i个单位光开关元件的输出中的另一个构成光开关的第i个输出，且第（N-1）个单位光开关元件的两个输出构成光开关的第（N-1）个输出和第N个输出，在光合流器中，第1个单位光合流元件的两个输入构成光合流器的第1个输入和第2个输入，第j（j为2以上（M-1）以下的整数）个单位光合流元件的输入中的一个与第（j-1）个单位光合流元件的输出连接，第j个单位光合流元件的输入中的另一个构成光合流器的第（j+1）个输入，且第（M-1）个单位光合流元件的输出构成光合流器的输出，在矩阵光开关中，光开关中第p（p为1以上M以下的整数）个光开关与光合流器中第q（q为1以上N以下的整数）个光合流器通过第p个光开关中任一个的输出与第q个光合流器中任一个的输入之间的连接而连接，其中，在第p个光开关中任一个的输出为第k（k为1以上N以下的整数）个输出的情况下，第q个光合流器中任一个的输入为第k个输入，此外，在k为2以上（N-1）以下时，在构成第p个光开关的第k个输出的单位光开关元件的输出与构成第q个光合流器的第k个输入的单位光合流元件的输入之间的连接中不包括波导交叉。
在本发明的一个实施方式中，在光合流器中的第1个单位光合流元件的两个输入端子的合流光功率比为1:1，与第j（j为2以上（M-1）以下的整数）个单位光合流元件的光开关的输入连接的输入端子和与其它单位光合流元件连接的输入端子的合流光功率比为1:j。
本发明的波导型光开关，是形成在单个基板上的、N输入M输出的矩阵光开关（M、N为3以上的整数）形式的波导型光开关，矩阵光开关由N个单输入M输出的光分支器和M个N输入单输出的光开关构成，矩阵光开关的第a（a为1以上N以下的整数，）个输入由第a个单输入M输出的光分支器的输入构成，矩阵光开关的第b（b为1以上M以下的整数）个输出由第b个N输入单输出的光开关的输出构成，光分支器中的每一个由（M-1）个单输入双输出的单位光分支元件构成，光开关中的每一个由（N-1）个双输入单输出的单位光开关元件构成，在光分支器中，第1个单位光分支元件的输入构成光分支器的输入，第i（i为1以上（M-2）以下的整数）个单位光分支元件的输出中的一个与第（i+1）个单位光分支元件的输入连接，第i个单位光分支元件的输出中的另一个构成光分支器的第i个输出，且第（M-1）个单位光分支元件的两个输出构成光分支器的第（M-1）个输出和第M个输出，在光开关中，第1个单位光开关元件的两个输入构成光开关的第1个输入和第2个输入，第j（j为2以上（N-1）以下的整数）个单位光开关元件的输入中的一个与第（j-1）个单位光开关元件的输出连接，第j个单位光开关元件的输入中的另一个构成光开关的第（j+1）个输入，且第（N-1）个单位光开关元件的输出构成光开关的输出，在矩阵光开关中，光分支器中第p（p为1以上N以下的整数）个光分支器与光开关中第q（q为1以上M以下的整数）个光开关通过第p个分支器中任一个的输出与第q个光开关中任一个的输入之间的连接而连接，其中，第p个光分支器中任一个的输出为第k（k为1以上N以下的整数）个输出的情况下，第q个光开关中任一个的输入为第k个输入，并且，在k为2以上（M-1）以下时，在构成第p个光分支器的第k个输出的单位光开关元件的输出与构成第q个光开关的第k个输入的单位光开关元件的输入之间的连接中不包括波导交叉。
本发明的一个实施方式中，光分支器中的第（M-1）个单位光分支元件的两个输出端子的分支光功率比为1:1，与第i（i为1以上（M-2）以下的整数）个单位光分支元件的光开关的输出连接的输出端子和与其它单位光分支元件连接的输出端子的分支光功率比为1:（M-i）。
发明效果
根据本发明的一个实施方式，M输入单输出的光合流器被划分为（M-1）个双输入单输出的单位光合流元件，且这些单位光合流元件直接配置在除了单输入N输出的光开关的N个输出端口中靠近矩阵光开关的输入的一个输出端口之外的（N-1）个相应的输出端口之后。因此，各个开关的输出端口不是在交叉之后在光合流器中合流，而是在单位光合流元件中合流之后再进行交叉，因此，可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。
另外，根据本发明的其它实施方式，单输入M输出的光合流器被划分为（M-1）个单输入双输出的单位光分支元件，且这些单位光分支元件直接布置在除了N输入单输出的光开关的N个输入端口中靠近矩阵光开关的输出的一个输入端口之外的（N-1）个相应的输入端口之前。因此，输出的信号不会在光分支器中分支后再交叉地输入到光开关，而是在交叉且在单位光分支元件中分支之后再输入到光开关中，因此，可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。
因而，可以将具有多对一或一对多的连接功能的矩阵光开关形成在单个基板上。由此，可以使光开关小型化，另外，由于不需要光纤布线板之类的部件，可以降低部件数量。
附图说明
图1是示出现有的四输入四输出的矩阵光开关的回路配置的示意图。
图2是示出根据本发明第一实施方式的四输入四输出的矩阵光开关的回路配置的示意图。
图3是示出根据本发明第二实施方式的八输入八输出的矩阵光开关的回路配置的示意图。
图4A是本发明中所使用的光开关元件的配置示例的俯视示意图。
图4B是本发明中所使用的光开关元件的配置示例沿图4A的剖面线IVB-IVB处的剖视示意图。
图5是示出根据本发明第五实施方式的六输入八输出的矩阵光开关的回路配置的示意图。
图6是示出根据本发明第六实施方式的十二输入八输出的矩阵光开关的回路配置的示意图。
具体实施方式
作为实施本发明的波导型光开关的方式包括使用热光效应的方式、使用电光效应的方式、使用电子注入引起折射率变化的方式等。
另外，使用热光效应的方式中所使用的材料包括石英类玻璃、有机聚合物、硅等。其中使用石英类光波导的热光学效应的单位光开关元件与光纤之间的匹配性良好、插入损耗低，并且在原理上偏振依赖性小，此外其构成材料在物理、化学上稳定，可靠性优良，因此是实用性最高的材料。但是，在本发明的实施方式中，单位光开关元件也可以采用除使用石英类光波导的热光效应的单位光开关以外的其它开关元件。
在下文中，将参照附图根据具体的示例对本发明的实施方式进行说明。
（第一实施方式）
图2是示出本发明第一实施方式的示意图，并且图2示出四输入四输出的矩阵光开关的配置示例。
图2所示的矩阵光开关由16个具有单输入双输出的单位光开关元件（2511-2514、2521-2524、2531-2534、2541-2544）和12个具有双输入单输出的单位光合流元件（2611-2613、2621-2623、2531-2633、2641-2643）构成。4个单位光开关元件2511、2512、2513、2514被连接成纵列，由此构成单输入四输出的光开关211（图中未示出符号）。同样，单位光开关元件2521-2524、2531-2534、2541-2544分别被连接成纵列，构成单输入四输出的光开关212、213、214（图中未示出符号）。
3个单位光合流元件2611、2612、2613被连接成纵列，构成四输入单输出的光合流器231（图中未示出符号）。同样，单位光合流元件2621-2623、2631-2633、2641-2643分别被连接成纵列，构成四输入单输出的光合流器232、233、234（图中未示出符号）。
在本文中，为了使从光合流器231的4个输入端口合流到一个输出端口的各个光功率之比相等，单位光合流元件2611、2612、2613的合流光功率比分别被设定为1:1、2:1、3:1。可知该合流光功率比从较靠近矩阵光开关的输入的单位光合流元件起依次设定为1:1、2:1、...、（N-1）：1。为了得到这样的合流光功率比，单位光合流元件可以使用定向耦合器或非对称Y分支等。单位光合流元件2612的两个输入端口中合流光功率比较大的一个与单位光合流元件2611的输出端口连接。单位光合流元件2613的两个输入端口中合流光功率比较大的一个与单位光合流元件2612的输出端口连接。相同的配置应用于构成光合流器232-234的单位光合流元件2621-2623、2631-2633、2641-2643。
光开关211-214的各个输入与4个外部输入端口201-204连接，光合流器231-234的各个输出与4个外部输出端口241-244连接。
在图2所示的矩阵光开关中，包含在光开关211中的单位光开关元件2511的输出端口与单位光合流元件2621的输入端口连接。另外，单位光合流元件2641直接配置在单位光开关元件2512之后，单位光开关元件2512的输出端口与单位光合流元件2641的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样，单位光开关元件2513的输出端口与单位光合流元件2632的输入端口连接，单位光开关元件2514的输出端口与单位光合流元件2613的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
包含在光开关212中的单位光开关元件2521的输出端口与单位光合流元件2611的输入端口连接。另外，单位光合流元件2621直接配置在单位光开关元件2522之后，单位光开关元件2522的输出端口和单位光合流元件2621的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样，单位光开关元件2523的输出端口和单位光合流元件2642的输入端口连接，单位光开关元件2524的输出端口和单位光合流元件2633的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
包含在光开关213中的单位光开关元件2531的输出端口与单位光合流元件2641的输入端口连接。另外，单位光合流元件2631直接配置在单位光开关元件2532之后，单位光开关元件2532的输出端口与单位光合流元件2631的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样，单位光开关元件2533的输出端口和单位光合流元件2612的输入端口连接，单位光开关元件2534的输出端口和单位光合流元件2623的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
包含在光开关214中的单位光开关元件2541的输出端口与单位光合流元件2631的输入端口连接。另外，单位光合流元件2611直接配置在单位光开关元件2542之后，单位光开关元件2542的输出端口与单位光合流元件2611的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样，单位光开关元件2543的输出端口和单位光合流元件2622的输入端口连接，单位光开关元件2544的输出端口和单位光合流元件2643的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
根据这样的配置，各个光开关的输出端口不是在交叉后在光合流器中合流，而是在单位光合流元件中合流后再交叉，因此整个矩阵光开关中的交叉数量可以降低。实际上，在图2的光开关中，在一个路径（从外部输入端口201至外部输出端口241的路径、或者从外部输入端口204至外部输出端口244的路径）中的交叉最多为5处。
应注意，在图2中，布置了原具有单输入双输出而此处省略了一个输出的具有单输入单输出的单位光开关元件2514、2524、2534、2544以提高消光比，即使没有该单位光开关元件，本发明亦可以进行基本操作。即使单输入双输出的单位光开关元件的消光比不足，上述单位光开关元件也可以具有提高矩阵光开关的消光比的效果。
另外，在第一实施方式中，即使将矩阵光开关的外部输入端口置换为外部输出端口、将外部输出端口置换为外部输入端口、将光合流器置换为光分支器、将单位光合流元件置换为单位光分支元件也同样可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。
在上述的示例中，为了简便，对四输入四输出的矩阵光开关进行了说明，但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实施方式的技术特征也可应用于M输入N输出的矩阵光开关。
（第二实施方式）
图3是示出本发明第二实施方式的示意图，其中示出构成八输入八输出的矩阵光开关的示例。
图3所示的矩阵光开关由64个单输入双输出的单位光开关元件（3511-3518、3521-3528、3531-3538、3541-3548、3551-3558、3561-3568、3571-3578、3581-3588）、64个单输入单输出的栅光开关元件（3711-3718、3721-3728、3731-3738、3741-3748、3751-3758、3761-3768、3771-3778、3781-3788）和56个双输入单输出的单位光合流元件（3611-3617、3621-3627、3631-3637、3641-3647、3651-3657、3661-3667、3671-3677、3681-3687）构成。8个单位光开关元件3511、3512、3513、3514、3515、3516、3517、3518被连接成纵列，而且，在各个单位光开关的输出端口连接有用于提高消光比的栅光开关元件3711-3718以构成单输入八输出的光开关311（图中未示出符号）。同样，单位光开关元件3521-3528、3531-3538、3541-3548、3551-3558、3561-3568、3571-3578、3581-3588分别被连接成纵列，而且还在各个单位光开关元件的输出端口连接有栅光开关元件3721-3728、3731-3738、3741-3748、3751-3758、3761-3768、3771-3778、3781-3788以构成单输入八输出的光开关312、313、314、315、316、317、318（图中未示出符号）。
7个单位光合流元件3611、3612、3613、3614、3615、3616、3617被连接成纵列以构成八输入单输出的光合流器331（图中未示出符号）。同样，单位光合流元件3621-3627、3631-3637、3641-3647、3651-3657、3661-3667、3671-3677、3681-3687分别被连接成纵列，以分别构成八输入单输出的光合流器332、333、334、335、336、337、338。
在本文中，为了使从光合流器331的8个相应的输入端口合流到一个输出端口的光功率之比为相等的，单位光合流元件3611、3612、3613、3614、3615、3616、3617的合流光功率比分别被设定为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1。可知该合流光功率比从较靠近矩阵光开关的输入的单位光合流元件起依次为1:1、2:1、...、（N-1）：1。为了得到这样的合流光功率比，单位光合流元件可以使用定向耦合器或非对称Y分支等。单位光合流元件3612的两个输入端口中合流光功率比较大的一个与单位光合流元件3611的输出端口连接。在单位光合流元件3613的两个输入端口中合流光功率比较大的一个与单位光合流元件3612的输出端口连接。在下文中，同样地，在单位光合流元件3614、3615、3616、3617的两个输入端口中合流光功率比较大的一个分别与单位光合流元件3613、3614、3615、3616的输出端口连接。
相同的配置可用于构成光合流器332-338的单位光合流元件3621-3627、3631-3637、3641-3647、3651-3657、3661-3667、3671-3677、3681-3687。
光开关311-318的各个输入分别与8个外部输入端口301-308连接，光合流器331-338的各个输出分别与外部输出端口341-348连接。
在图3所示的矩阵光开关中，包含在光开关311中的栅光开关元件3711的输出端口与单位光合流元件3621的输入端口连接。另外，单位光合流元件3641直接配置在栅光开关元件3712之后，栅光开关元件3712的输出端口与单位光合流元件3641的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样地，栅光开关元件3713的输出端口与单位光合流元件3662的输入端口连接，栅光开关元件3714的输出端口与单位光合流元件3683的输入端口连接，栅光开关元件3715的输出端口与单位光合流元件3674的输入端口连接，栅光开关元件3716的输出端口与单位光合流元件3655的输入端口连接，栅光开关元件3717的输出端口与单位光合流元件3636的输入端口连接，栅光开关元件3718的输出端口与单位光合流元件3617的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
包含在光开关312中的栅光开关元件3721的输出端口与单位光合流元件3611的输入端口连接。另外，单位光合流元件3621直接配置在栅光开关元件3722之后，栅光开关元件3722的输出端口和单位光合流元件3621的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样，栅光开关元件3723的输出端口与单位光合流元件3642的输入端口连接，栅光开关元件3724的输出端口与单位光合流元件3663的输入端口连接，栅光开关元件3725的输出端口与单位光合流元件3684的输入端口连接，栅光开关元件3726的输出端口与单位光合流元件3675的输入端口连接，栅光开关元件3727的输出端口与单位光合流元件3656的输入端口连接，栅光开关元件3728的输出端口与单位光合流元件3637的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
在下文中，同样地，各个光开关313-318中的8个输出端口分别与单位光合流元件连接。
根据这样的配置，各个光开关的输出端口不是在交叉后在光合流器中合流，而是在单位光合流元件中合流后再交叉，因此可以降低整个矩阵光开关中的交叉数量。实际上，在图3的光开关中，在一个路径中的交叉最多为13处。
应注意，在图3中，布置了原具有单输入双输出而此处省略了一个输出的具有单输入单输出的单位光开关元件3518、3528、3538、3548、3558、3568、3578、3588及栅光开关元件以提高消光比，即使没有该单位光开关元件和栅光开关元件，本发明亦可以进行基本操作。即使单输入双输出的单位光开关元件的消光比不足，上述单位光开关元件和栅光开关元件也可以具有提高矩阵光开关的消光比的效果。
另外，在第二实施方式中，即使将矩阵光开关的外部输入端口置换为外部输出端口、将外部输出端口置换为外部输入端口、将光合流器置换为光分支器、将单位光合流元件置换为单位光分支元件也同样地可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。
通过以下的光回路制造基于图3所示的回路配置的八输入八输出的矩阵光开关。
通过石英型玻璃膜的堆积技术和反应性离子蚀刻技术的组合制造单模光波导，该单模光波导具有在厚度1mm、直径6英寸的硅基板上通过石英类玻璃形成的包层和嵌入型芯部，石英型玻璃膜堆积技术利用了SiCl4或GeCl4等原料气体的火焰加水分解反应，通过真空蒸镀或图案化在包层的表面上制造用于薄膜加热器和供电的电极。制造出的光波导的芯尺寸为6μm×6μm，与包层的相对折射率差为1.5%。在本实施方式中的波导型光开关通过使用光波导并组合直线型波导和曲线型波导而形成。光开关元件为图4A和图4B所示的马赫泽德干涉仪回路，其中臂波导的有效光路长度为信号光波长的1/2。在本实施方式中，信号光波长为1.55μm，由于石英类玻璃的折射率为1.45，所以实际的臂光波导长度差为0.534μm。为了根据热光效应进行相移，在包层（42）的表面上形成厚度0.3μm、宽度20μm、长度2mm的薄膜加热器（441、442）。进而，沿着薄膜加热器（441、442）形成隔热槽（451、452、453），该隔热槽（451、452、453）具有露出硅基板（41）的深度。根据图4A和图4B所示的马赫泽德干涉仪回路所构成的光开关元件的长度为5.5mm。该光开关元件及Y分支型光合流回路用最小曲率半径R=2mm的曲线波导连接，将基于图3所示的回路配置的八输入八输出矩阵光开关配置在一个芯片中。芯片尺寸为110mm×15mm。
在根据上述方法制造出的八输入八输出的矩阵光开关芯片的外部输入端口和外部输出端口连接有光纤来测量光学特性，因此插入损耗为12dB或更少，其中包括由合流引起的原理损耗9dB，消光比为45dB或更多。另外，置换输入和输出，对从外部输入端口侧输入的光以及输入到外部端口的光的光学特性进行测量，插入损耗和消光比具有同样的特性。
（第三实施方式）
在上述的第一实施方式、第二实施方式中，对M=N=4、以及M=N=8的情况（即M=N的情况）下的M输入N输出的矩阵光开关形式的波导型光开关进行了说明。但是，只要M、N不同且为3以上的整数，就可以实施本发明的配置。即只要至少具备以下的特征，就可以实施本发明的波导型光开关。
[1]波导型光开关是由M个单输入N输出的光开关和N个M输入单输出的光合流器构成的矩阵光开关。矩阵光开关的第a个（a为1以上M以下的整数）输入，由第a个单输入N输出的光开关的输入构成。矩阵开关的第b（b为1以上N以下的整数）个输出由第b个M输入单输出的光合流器的输出构成。
[2]光开关中的每一个由（N-1）个单输入双输出单位光开关元件构成，光合流器中的每一个由（M-1）个双输入单输出的单位光合流元件。
[3]在光开关中，第一个单位光开关元件的输入构成光开关的输入。另外，第i个（i为1以上（N-2）以下的整数）单位光开关元件的输出中的一个与第（i+1）个单位光开关元件的输入连接，第i个单位光开关元件的输出中的另一个构成了光开关的第i个输出。第（N-1）个单位光开关元件的两个输出构成光开关的第（N-1）个输出以及第N个输出。
[4]在光合流器中，第1个单位光合流元件的两个输入构成光合流器的第1个输入以及第2个输入。第j（j为2以上（M-1）以下的整数）个单位光合流元件的输入中的一个与第（j-1）个单位光合流元件的输出连接，第j个单位光合流元件的输入中的另一个构成光合流器的第（j+1）个输入。第（M-1）个单位光合流元件的输出构成光合流器的输出。
[5]在矩阵光开关中，光开关中第p（p为1以上M以下的整数）个光开关和光合流器中第q个光合流器（q为1以上N以下的整数）被配置为连接在第p个光开关中任一个的输出与第q个光合流器中任一个的输出之间。在上述连接中，在第p个光开关中任一个的输出为第k（k为1以上N以下的整数）个输出的情况下，第q个光合流器中任一项的输入为第k个输入。在上述连接中，k为2以上（N-1）以下的情况下，构成第p个光开关的第k个输出的单位光开关元件的输出与构成第q个光合流器的第k个输入的单位光合流单元的输入之间的连接中不包含波导交叉。
通过具备以上的特征，可以通过廉价的制造工序以大批量生产的波导型光开关实现矩阵光开关，而且该矩阵光开关通过减少交叉的数量降低了损耗。
本发明的其他特征在于，在上述光合流器中第一单位光合流元件的两个输入端子之间的合流光功率比为1:1，与第j（j为2以上（M-1）以下）个单位光合流元件的光开关的输入连接的输入端子和与其他单位光合流元件连接的输入端子之间的合流光功率比为1：j。由此，即使光信号穿过任意数量的单位光合流元件（1个以上（M-1）个以下），在波导型光开关的输出中也能抑制合流次数所引起的光强度的偏差。
应注意，在第三实施方式中，也可以与第一实施方式、第二实施方式相同，为了提高消光比配置单输入单输出的单位光开关元件以及栅光开关元件。但是，即使没有这些单位光开关元件以及栅光开关元件，本发明也可以进行基本操作。即使单输入双输出的单位光开关元件的消光比不足，这些单输入单输出的单位光开关元件和栅光开关元件也可以具有提高矩阵光开关的消光比的效果。
（第四实施方式）
在第三实施方式中，即使分别将矩阵光开关的外部输入端口置换为外部输出端口，将外部输出端口置换为外部输入端口，将光合流器置换为光分支器，将单位光合流元件置换为单位光分支元件，也同样可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。
在置换输入和输出时，请注意：越靠近输出，单位光合流元件的合流光功率比越大，从而使较靠近输入的单位光分支元件的分支光功率比也较大。即，设光分支器中的第（M-1）个单位光分支元件的两个输出端子之间的分支光功率比为1:1，与第i（i为1以上（M-2）以下）个单位光分支元件的光开关的输出连接的输出端子和与其它单位光分支元件连接的输出端子之间的分支光功率比为1:（M-i）。由此，即使光信号穿过任意数量的单位光分支元件（1个以上（M-1）以下），波导型光开关的输出中也可以抑制由于分支次数引起的光强度的偏差。
（第五实施方式）
图5是示出本发明第五实施方式的示意图，其中示出构成六输入八输出的矩阵光开关的示例。
图5所示的矩阵光开关由48个单输入双输出的单位光开关元件（5511-5518、5521-5528、5531-5538、5541-5548、5551-5558、5561-5568）、48个单输入单输出的栅光开关元件（5711-5718、5721-5728、5731-5738、5741-5748、5751-5758、5761-5768）和40个双输入单输出的单位光合流元件（5611-5615、5621-5625、5631-5635、5641-5645、5651-5655、5661-5665、5671-5675、5681-5685）构成。8个单位光开关元件5511、5512、5513、5514、5515、5516、5517、5518被连接成纵列，而且，在各个单位光开关的输出端口连接有用于提高消光比的栅光开关元件5711-5718，以构成单输入八输出的光开关511（图中未示出符号）。同样，单位光开关元件5521-5528、5531-5538、5541-5548、5551-5558、5561-5568分别被连接成纵列，而且还在各个单位光开关元件的输出端口连接有栅光开关元件5721-5728、5731-5738、5741-5748、5751-5758、5761-5768，以构成单输入八输出的光开关512、513、514、515、516（图中未示出符号）。
5个单位光合流元件5611、5612、5613、5614、5615被连接成纵列，以构成六输入单输出的光合流器531（图中未示出符号）。同样，单位光合流元件5621-5625、5631-5635、5641-5645、5651-5655、5661-5665、5671-5675、5681-5685分别被连接成纵列，以分别构成六输入单输出的光合流器532、533、534、535、536、537、538。
在本文中，为了使从光合流器531的6个相应的输入端口合流到一个输出端口的光功率之比为相等的，单位光合流元件5611、5612、5613、5614、5615的合流光功率比分别被设定为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1。可知该合流光功率比从较靠近矩阵光开关的输入的单位光合流元件起依次为1:1、2:1、...、（M-1）：1。为了得到这样的合流光功率比，单位光合流元件可以使用定向耦合器或非对称Y分支等。单位光合流元件5612的两个输入端口中合流光功率比较大的一个与单位光合流元件5611的输出端口连接。在单位光合流元件5613的两个输入端口中合流光功率比较大的一个与单位光合流元件5612的输出端口连接。在下文中，同样地，在单位光合流元件5614、5615的两个输入端口中合流光功率比较大的一个分别与单位光合流元件5613、5614的输出端口连接。
相同的配置可用于构成光合流器532-538的单位光合流元件5621-5625、5631-5635、5641-5645、5651-5655、5661-5665、5671-5675、5681-5685。
光开关511-516的各个输入分别与6个外部输入端口501-506连接，光合流器531-538的各个输出分别与外部输出端口541-548连接。
在图5所示的矩阵光开关中，包含在光开关511中的栅光开关元件5711的输出端口与单位光合流元件5621的输入端口连接。另外，单位光合流元件5641直接布置在栅光开关元件5712之后，栅光开关元件5712的输出端口与单位光合流元件5641的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样地，栅光开关元件5713的输出端口与单位光合流元件5662的输入端口连接，栅光开关元件5714的输出端口与单位光合流元件5682的输入端口连接，栅光开关元件5715的输出端口与单位光合流元件5672的输入端口连接，栅光开关元件5716的输出端口与单位光合流元件5653的输入端口连接，栅光开关元件5717的输出端口与单位光合流元件5634的输入端口连接，栅光开关元件5718的输出端口与单位光合流元件5615的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
包含在光开关512中的栅光开关元件5721的输出端口与单位光合流元件5611的输入端口连接。另外，单位光合流元件5621直接布置在栅光开关元件5722之后，栅光开关元件5722的输出端口与单位光合流元件5621的输入端口连接并且没有与其它的路径交叉。同样，栅光开关元件5723的输出端口与单位光合流元件5642的输入端口连接，栅光开关元件5724的输出端口与单位光合流元件5663的输入端口连接，栅光开关元件5725的输出端口与单位光合流元件5684的输入端口连接，栅光开关元件5726的输出端口与单位光合流元件5675的输入端口连接，栅光开关元件5727的输出端口与单位光合流元件5654的输入端口连接，栅光开关元件5728的输出端口与单位光合流元件5635的输入端口连接，并且它们的连接均没有与其它的路径交叉。
在下文中，同样地，各个光开关513-516的6个输出端口分别与单位光合流元件连接。
根据这样的配置，各个光开关的输出端口不是在交叉后在光合流器中合流，而是在单位光合流元件中合流后再交叉，因此可以降低整个矩阵光开关中的交叉数量。实际上，在图5的光开关中，在一个路径中的交叉最多为11处。
应注意，在图5中，布置了原具有单输入双输出而此处省略了一个输出的具有单输入单输出的单位光开关元件5518、5528、5538、5548、5558、5568及栅光开关元件以提高消光比，即使没有该单位光开关元件和栅光开关元件，本发明亦可以进行基本操作。即使单输入双输出的单位光开关元件的消光比不足，上述单位光开关元件和栅光开关元件也可以具有提高矩阵光开关的消光比的效果。
另外，在第五实施方式中，即使将矩阵光开关的外部输入端口置换为外部输出端口、将外部输出端口置换为外部输入端口、将光合流器置换为光分支器、将单位光合流元件置换为单位光分支元件也同样地可以减少整个矩阵光开关中的交叉数量。
（第六实施方式）
根据本发明的矩阵光开关可以如上所述地单独使用，但是也可以组合多个矩阵光开关来使用。
图6是示出本发明第六实施方式的示意图，其中示出将两个本发明第五实施方式中的六输入八输出的矩阵光开关进行组合以构成十二输入八输出的矩阵光开关的示例。
图6所示的矩阵光开关由两个六输入八输出的矩阵光开关（611、612）和8个双输入单输出的光合流器621-628构成，光合流器621-628的合流光功率比为1:1。
第1个单位光合流器621的两个输入端口中的一个与矩阵光开关611的8个输出端口中的第1个输出端口连接，另外，光合流器621的两个输入端口中的另一个与矩阵光开关612的8个输出端口中第1个输出端口连接。
另外，第二光合流器622的输入端口中的一个与矩阵光开关611的8个输出端口中的第2个输出端口连接，光合流器622的两个输入端口中另一个与矩阵光开关612的8个输出端口中第2个输出端口连接。
在下文中，同样地，在第3个至第8个光合流器623-628的两个输入端口中的一个分别与矩阵光开关611的8个输出端口中的第3个至第8个输出端口连接，另外，在光合流器623-628的两个输入端口中的另一个分别与矩阵光开关612的8个输出端口中的第3个至第8个输出端口连接。
如图6所示，在将两个六输入八输出的矩阵光开关组合以构成矩阵光开关的情况下，与单独使用十二输入八输出的矩阵光开关的情况相比，虽然在矩阵光开关611、612和双输入单输出的光合流器621-628之间发生多次交叉，但是可以抑制光合流器种类的增加。在单独构成十二输入八输出的矩阵光开关的情况下，需要合流光功率比为1:1、1:2、…1:11的共11种光合流器，但是，在如图6所示的组合两个六输入八输出的矩阵光开关的情况下，仅需要合流光功率比为1:1、1:2、…、1:5的五种光合流器。
符号说明
101-104：外部输入端口
111-114：单输入四输出的光开关
121：交叉部
131-134：四输入单输出的光合流器
141-144：外部输出端口
201-204：外部输入端口
211-214：单输入四输出的光开关
231-234：四输入单输出的光合流器
241-244：外部输出端口
2511-2514、2521-2524、2531-2534、2541-2544：单输入双输出的单位光开关元件
2611-2613、2621-2623、2531-2633、2641-2643：双输入单输出的单位光合流元件
301-308：外部输入端口
311-318：单输入八输出的光开关
331-338：八输入单输出的光合流器
341-348：外部输出端口
3511-3518、3521-3528、3531-3538、3541-3548、3551-3558、3561-3568、3571-3578、3581-3588：单输入双输出的单位光开关元件
3611-3617、3621-3627、3631-3637、3641-3647、3651-3657、3661-3667、3671-3677、3681-3687：双输入单输出的单位光合流元件
3711-3718、3721-3728、3731-3738、3741-3748、3751-3758、3761-3768、3771-3778、3781-3788：单输入单输出的栅光开关元件
401、402：输入端口
411、412：输出端口
41：硅基板
42：包层
431、432：嵌入芯部
441、442：薄膜加热器
451、452、453：隔热槽
461、462：定向耦合器
501-506：外部输入端口
511-516：单输入八输出的光开关
531-538：六输入单输出的光合流器
541-548：外部输出端口
5511-5518、5521-5528、5531-5538、5541-5548、5551-5558、5561-5568：单输入双输出的单位光开关元件
5611-5615、5621-5625、5631-5635、5641-5645、5651-5655、5661-5665、5671-5675、5681-5685：双输入单输出的单位光合流元件
5711-5718、5721-5728、5731-5738、5741-5748、5751-5758、5761-5768：单输入单输出的栅光开关元件
601-612：外部输入端口
611、612：六输入八输出的光开关
621-628：双输入单输出的光合流器
631-638：外部输出端口

Claims (4)

1.一种形成在单个基板上的、并具有M输入N输出的矩阵光开关形式的波导型光开关，其中，M、N为3以上的整数，其特征在于，
所述矩阵光开关由M个单输入N输出的光开关和N个M输入单输出的光合流器构成，
所述矩阵光开关的第a个输入由第a个单输入N输出的光开关的输入构成，其中，a为1以上M以下的整数，
所述矩阵光开关的第b个输出由第b个M输入单输出的光合流器的输出构成，其中，b为1以上N以下的整数，
所述光开关中的每一个由（N-1）个单输入双输出的单位光开关元件构成，
所述光合流器中的每一个由（M-1）个双输入单输出的单位光合流元件构成，
在所述光开关中，
第1个单位光开关元件的输入构成所述光开关的输入，
第i个单位光开关元件的输出中的一个与第（i+1）个单位光开关元件的输入连接，所述第i个单位光开关元件的输出中的另一个构成所述光开关的第i个输出，其中，i为1以上（N-2）以下的整数，且
第（N-1）个单位光开关元件的两个输出构成所述光开关的第（N-1）个输出和第N个输出，
在所述光合流器中，
第1个单位光合流元件的两个输入构成所述光合流器的第1个输入和第2个输入，
第j个单位光合流元件的输入中的一个与第（j-1）个单位光合流元件的输出连接，所述第j个单位光合流元件的输入中的另一个构成所述光合流器的第（j+1）个输入，其中，j为2以上（M-1）以下的整数，且
第（M-1）个单位光合流元件的输出构成所述光合流器的输出，
在所述矩阵光开关中，
所述光开关中第p个光开关与所述光合流器中第q个光合流器通过所述第p个光开关中任一个的输出与所述第q个光合流器中任一个的输入之间的连接而连接，其中，p为1以上M以下的整数，q为1以上N以下的整数，
其中，在所述第p个光开关中任一个的输出为第k个输出的情况下，所述第q个光合流器中任一个的输入为第k个输入，其中，k为1以上N以下的整数，以及
在k为2以上（N-1）以下时，在构成所述第p个光开关的第k个输出的所述单位光开关元件的输出与构成所述第q个光合流器的第k个输入的所述单位光合流元件的输入之间的连接中不包括波导交叉。
2.根据权利要求1所述的波导型光开关，其特征在于，
所述光合流器中的第1个单位光合流元件的两个输入端子的合流光功率比为1:1，
与第j个单位光合流元件的光开关的输入连接的输入端子和与其它单位光合流元件连接的输入端子的合流光功率比为1：j，其中，j为2以上（M-1）以下的整数。
3.一种形成在单个基板上的、并具有N输入M输出的矩阵光开关形式的波导型光开关，其中，M、N为3以上的整数，其特征在于，
所述矩阵光开关由N个单输入M输出的光分支器和M个N输入单输出的光开关构成，
所述矩阵光开关的第a个输入由第a个单输入M输出的光分支器的输入构成，其中，a为1以上N以下的整数，
所述矩阵光开关的第b个输出由第b个N输入单输出的光开关的输出构成，其中，b为1以上M以下的整数，
所述光分支器中的每一个由（M-1）个单输入双输出的单位光分支元件构成，
所述光开关中的每一个由（N-1）个双输入单输出的单位光开关元件构成，
在所述光分支器中，
第1个单位光分支元件的输入构成所述光分支器的输入，
第i个单位光分支元件的输出中的一个与第（i+1）个单位光分支元件的输入连接，所述第i个单位光分支元件的输出中的另一个构成所述光分支器的第i个输出，其中，i为1以上（M-2）以下的整数，且
第（M-1）个单位光分支元件的两个输出构成所述光分支器的第（M-1）个输出和第M个输出，
在所述光开关中，
第1个单位光开关元件的两个输入构成所述光开关的第1个输入和第2个输入，
第j个单位光开关元件的输入中的一个与第（j-1）个单位光开关元件的输出连接，所述第j个单位光开关元件的输入中的另一个构成所述光开关的第（j+1）个输入，其中，j为2以上（N-1）以下的整数，且
第（N-1）个单位光开关元件的输出构成所述光开关的输出，
在所述矩阵光开关中，
所述光分支器中第p个光分支器与所述光开关中第q个光开关通过所述第p个分支器中任一个的输出与所述第q个光开关中任一个的输入之间的连接而连接，其中，p为1以上N以下的整数，q为1以上M以下的整数，
其中，在所述第p个光分支器中任一个的输出为第k个输出的情况下，所述第q个光开关中任一个的输入为第k个输入，其中，k为1以上M以下的整数，且
在k为2以上（M-1）以下时，在构成所述第p个光分支器的第k个输出的所述单位光分支元件的输出与构成所述第q个光开关的第k个输入的所述单位光开关元件的输入之间的连接中不包括波导交叉。
4.根据权利要求3所述的波导型光开关，其特征在于，
所述光分支器中的第（M-1）个单位光分支元件的两个输入端子的分支光功率比为1:1，以及
与第i个单位光分支元件的光开关的输入连接的输出端子和与其它单位光分支元件连接的输出端子的分支光功率比为1：（M-i），其中i为1以上（M-2）以下的整数。
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