CN1441305A - 光开关、光分插复用器和光通信系统 - Google Patents

光开关、光分插复用器和光通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种插入损失小、操作性优良、低成本的光开关。本发明的光开关，是使4个具有一个光波导路径11分支成两个光波导路径11的Y分支部分的一输入两输出型光开关对置形成的两输入两输出型光开关，有如下构成：在该Y分支部分的附近各设置两个折射率调节设备12a、12b，使这些折射率调节设备12a、12b中的一半交替作用实现光路径的转换，使在为转换光路径不起作用的折射率调节设备12a、12b中的至少一个起作用，可以在任何输入端口和/或输出端口上具有任意衰减输出光强度的光输出强度可变衰减功能。

Description

光开关、光分插复用器和光通信系统
                          技术领域
本发明涉及光开关，特别涉及用于波分复用光通信的光分插复用器等中的多用两输入两输出交叉-直通式光开关中具有光输出强度可变衰减功能的改进的光开关。
                        背景技术
在近年来普及起来的密集型波分复用光通信(以下简称DWDM)中使用的光分插复用器(以下简称OADM)使用波长通道分成几个的两输入两输出交叉-直通式光开关的普通实例。图13表示这种用于密集型波分复用光通信的光分插复用器的结构。在图13中，符号1是波分解复用部分，符号2是波分复用部分，在从该波分解复用部分1到波分复用部分2的结构中形成光分插复用器。符号3是插入端口，符号4是分出端口，这些端口通过光开关5连接。
在光分插复用器中，使波分复用的输入光通过波分解复用部分1分割成各波长的光，通过光路7输入到光开关5的一个输入端口，从插入端口3输入的光输入到光开关5的另一个输入端口。在该光开关上输入的光，其路径根据需要转换，向分出端口4或者波分复用部分2发送，送到波分复用部分2的光被波分复用并输出。
符号6是为均衡通道间的光强度而在各通道间插入的可变光衰减器(以下简称为VOA)。因此，在图13所示的光分插复用器中，为从光开关5向波分复用部分2输出的输出端口的每一个上连接一个VOA 6。两输入两输出交叉-直通式光开关和VOA作为单独的光部件市场上有多种产品，对于OADM也采用各种各样的产品。
图1作为光开关5的一个例子，表示出根据高分子波导路径热光效应型数字光开关的两输入两输出交叉-直通光开关。该光开关是在硅片上形成用聚酰亚胺等高分子构成的埋入型光波导路径11，在其表面通过蒸镀、溅射等方法形成一层镍、铝、铬、金、镍铬合金等的金属薄膜，再形成电极焊盘。使4个Y分支光波导路径11的芯模型对置。
金属薄膜分别位于Y分支的左右上方配置。在该金属薄膜的两端设置布线用的电极焊盘，通过金属线焊接在组件外壳的电极管脚上布线，连接外部电源。金属薄膜从外部电源有电流流过，此时因为发生焦尔热而作为加热器作用。
构成光波导路径11的聚酰亚胺等的高分子受热的话，折射率降低。光具有向介质中折射率大的一方传播的性质。因此，在Y分支左右设置的金属薄膜中，由于只加热一方，因此可以向不加热一侧的光波导路径11传导光。
在作为加热器作用的金属薄膜中，符号12a是在光波导路径11的外侧设置的外侧加热器，符号12b是在光波导路径11的内侧设置的内侧加热器。因此，在图14表示的两输入两输出光开关中，设置4个外侧加热器12a、4个内侧加热器12b。
图15表示为转换该两输入两输出交叉-直通式光开关的光路径的控制方法的一个例子。图15是交叉状态，在光开关5中，在基板上形成的金属薄膜加热器中，4个外侧加热器12a从直流电源21供给电力加热。此时，从输入端口1输入的光在输出端口2输出，从输入端口2输入的光在输出端口1输出。一方面，加热4个内侧加热器12b转换成直通状态。此时，从输入端口1输入的光在输出端口1输出，从输入端口2输入的光在输出端口2输出。
图16表示在光开关部件内部在布线通用化以后连接直流电源的方法，由此具有和上述控制方法同样的功能，而且外部布线可以简单。图16表示交叉状态，同时在图16中的光开关5中，符号12a表示外侧加热器、符号12b表示内侧加热器、而符号21表示直流电源。
在把这样的光开关用于光分插复用器的场合，由于各通道中VOA组成一组使用，正在尝试在两输入两输出交叉-直通式光开关中集成VOA。作为集成了VOA的两输入两输出交叉-直通式光开关，可以以在本发明人的专利申请2000-396798号中公开的作为示例。它是把4个一输入两输出的高分子波导路径热光效应型数字光开关对置，形成两输入两输出交叉-直通式光开关，在其中集成了热光效应型VOA。
但是，在专利申请2000-396798号公开的光开关中，为两输入两输出交叉-直通式光开关要增加8个加热器，配置用于VOA的加热器，因此，与只有两输入两输出交叉-直通式光开关比较，需要做成大的元件。另外，如图14所示，为对上述光开关附加光输出强度可变衰减功能，可延长输出端口侧的光波导路径，额外设置一个加热器13。但是，仅是这一部分与两输入两输出光开关比较，元件变长，元件面积也变大。
光开关元件，和CPU与DRAM等半导体部件相同，从一个硅片能取出多少元件极大地决定它的费用。因此，有9个加热器的这种类型附有光输出强度可变衰减功能的两输入两输出光开关，元件变长，因而费用升高。这样，不仅引起元件费用增大，组件尺寸增加，而且在由于材料特性引起的具有一定大小的传输损失的高分子光波导路径中，具有不能忽略由于光路长度的增加引起的插入损失的问题。
关于损失，例如石英系列的玻璃基板型光波导路径的场合是0.02dB/cm，这一程度的光路长度的增加没有问题，但是，高分子基板型光波导路径的损失通常在0.1dB/cm以上，氟化聚酰亚胺中波长为1550nm的带中损失为0.6dB/cm，元件即使仅长数mm，损失的增加也十分显著。
                           发明内容
本发明是考虑了这样的事情而研制的，其目的是提供插入损失小、操作性优良、价格低的光开关。
为解决上述课题，权利要求1所述发明是一个光开关，是把具有从一个光波导路径分支为两个光波导路径的Y分支部分的单输入双输出型光开关对置4个形成的两输入两输出型光开关，其特征在于，在该Y分支部分的附近分别各设置两个折射率调节设备，使该折射率调节设备中的一半交替作用，实现光路径的转换，使在为光路径转换不发挥作用的折射率调节设备中的至少一个作用，在任意输入端口和/或输出端口上具有使输出光强度衰减任意数量的光输出强度可变衰减功能。
根据这一点，可以不新追加折射率调节设备而具有光输出强度可变衰减功能，不会由于光开关元件的面积增加而增加费用，而且也不会因为光路径长度增加而增加插入损失，因此可以实现低费用、插入损失小的光开关。
权利要求2所述发明是权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述折射率调节设备至少由导电性薄膜和电源组成，在该导电性薄膜上施加电压，通过调节电力供给量或者施加的电压来调节所述光波导路径的折射率。通过使用由导电性薄膜和电源组成的折射率调节设备，通过调节电力供给量或者施加的电压，可以容易地控制折射率。另外构造简单，容易制造。
权利要求3所述发明是权利要求2所述的光开关，其特征在于，位于具有上述光输出强度可变衰减功能的输入端口和输出端口的附近的至少一个导电性薄膜独立于其它导电性薄膜布线，可以调节电力供给量或者施加的电压。由于这一点，可以实现操作性优良的光开关。
权利要求4所述发明是权利要求2或3所述的光开关，其特征在于，用于连接位于没有上述光输出强度可变衰减功能的输入端口和输出端口附近的导电薄膜和电源的布线，汇总用于实现交叉状态的端子、用于实现直通状态的端子、以及用于接地的公共端子的3种端子。由于这一点，可以简单地构成为连接导电薄膜和电源的布线、可以容易地设置布线。
权利要求5所述发明是权利要求2到4的任何一个中所述的光开关，其特征在于，上述导电薄膜是金属薄膜。金属薄膜可以使用镍和铝等廉价的材料，此外可以使用蒸镀和溅射等简单的方法形成。
权利要求6所述发明是权利要求1到5的任何一个中所述的光开关，其特征在于，所述折射率调节设备是加热器，通过该加热器实行加热量的调节、利用热光效应转换光路径。由于加热器精密而且简单地实行加热量的调节，可以以良好的精度转换光路径。
权利要求7所述发明是权利要求1到5的任何一个中所述的光开关，其特征在于，上述折射率调节设备是产生电场的电极，通过该电极调节电场的强度，利用电光效应实现光路径的转换。由于这一点，可以实现响应速度快的光开关，而且可以几乎不需要消耗电力使光开关动作。
权利要求8所述发明是权利要求1到5的任何一个中所述的光开关，其特征在于，上述折射率调节设备是产生电场的电极，而且光波导路径的至少一部分由液晶组成，通过该电极调节电场的强度，控制该液晶的取向状态实现光路径的转换。由于这一点，可以实现以低消耗电力动作的光开关。
权利要求9所述发明是一个光分插复用器，其特征在于，配置多个在权利要求1到8的任何一个中所述的光开关，这些光开关的一个输入端口连接波分解复用部分，另一个输入端口连接插入端口，该光开关的一个输出端口连接波分复用部分，另一个输出端口连接分出端口，通过实行该光开关的光路径的转换，实行插入/分出动作状态和直通状态的转换，通过每一通道的光输出强度可变衰减功能使光强度均匀。由于这一点，可以实现不在每一通道单独连接另一个VOA而能够使输出光强度均匀的光插分复用器。
权利要求10所述发明是一个光通信系统，其特征在于，使用权利要求9所述光分插复用器实行波分复用通信。由于这一点，使波分复用的各波长的每一个的光强度均匀，因为从插入端口来的入射光的光强度均匀，可以实现能够实行高可靠性的密集型波分复用通信的光通信系统。
                     附图说明
图1是表示两输入两输出Y分支型光开关的结构的原理图。
图2(a)是表示在交叉状态下的光路径的原理图，图2(b)是表示直通状态下的光路径的原理图。
图3是表示关于第一实施例的光开关在交叉状态下的加热器控制的原理图。
图4是表示关于第一实施例的光开关在直通状态下的加热器控制的原理图。
图5是表示对于向第一实施例的光开关的加热器供给电力的总计中各输入输出端口之间的光通过量的图。
图6是表示在第一实施例的光开关中光衰减量对向对实现光输出强度可变衰减功能的加热器供给的电力数量的关系的图。
图7是表示关于第二实施例的光开关在交叉状态下的加热器控制的原理图。
图8是表示关于第二实施例的光开关在直通状态下的加热器控制的原理图。
图9是表示第四实施例的光开关的Y分支部分的一个例子的原理图。
图10是表示第四实施例的光开关的Y分支部分的一个例子的断面原理图。
图11是表示第五实施例的光开关的Y分支部分的一个例子的原理图。
图12是表示第五实施例的光开关的Y分支部分的一个例子的断面原理图。
图13是表示现有技术用于密集型波分复用光通信的光分插复用器的结构的一个例子的原理图。
图14是表示在现有技术的光开关中设置新的加热器、为使具有光输出强度可变衰减功能的结构的图。
图15是表示在现有技术光开关中交叉状态下的布线的一个例子的原理图。
图16是表示在现有技术光开关中交叉状态下的布线的另一个例子的原理图。
                        具体实施方式
下面，参考附图说明本发明的一个实施例。
第一实施例
光开关
图1表示本实施例的两输入两输出交叉-直通式光开关。把4个一输入两输出Y分支型芯模型的光波导路径11对置，在该光波导路径11的Y分支部分的外侧和内侧分别设置金属薄膜加热器12a、12b。光波导路径11用聚酰亚胺等高分子制造，在硅片上形成。该聚酰亚胺等高分子有热光效应，具有受热的话折射率降低的性质。本实施例是利用这一热光效应的光开关，使用金属薄膜加热器12a、12b给光波导路径11的Y分支部分加热，使Y分支部分的外侧和内侧的折射率变化，转换光路径，实现光输出强度可变衰减功能。
金属薄膜12a、12b是镍、铝、铬、金、镍铬合金等的金属薄膜，使用蒸镀、溅射等方法形成。在金属薄膜的两端设置布线用的电极焊盘，通过用金属线焊接，在组件外壳的电极管脚上布线，连接外部电源。金属薄膜上从外部电源有电流流过，此时产生焦尔热，起加热器的作用。另外，通过调整来自外部电源的电力供给量可以控制加热量。
如图1所示，金属薄膜加热器12a、12b在每一个Y分支部分设置两个，一个光开关总共设置8个。金属薄膜加热器12a、12b中，位于各分支部分外侧的称为外侧加热器，用符号12a表示，位于各分支部分内侧的称为内侧加热器，用符号12b表示。
在各外侧加热器12a、内侧加热器12b的两端设置电极焊盘。在输入端口1一侧的Y分支部分设置的外侧加热器12a的两端设置电极焊盘#1和#2，内侧加热器12b的两端设置电极焊盘#3和#4。另外，在输入端口2一侧的Y分支部分设置的内侧加热器12b的两端设置电极焊盘#5和#6，外侧加热器12a的两端设置电极焊盘#7和#8。
同样，在输出端口1一侧的Y分支部分设置的外侧加热器12a的两端设置电极焊盘#9和#10，内侧加热器12b的两端设置电极焊盘#11和#12。另外，在输出端口2一侧的Y分支部分设置的内侧加热器12b的两端设置电极焊盘#13和#14，外侧加热器12a的两端设置电极焊盘#15和#16。
图3和图4表示本实施例的光开关的控制方法的原理图。在图3中的光开关5中，符号21是恒压直流电源，是为执行光路径转换的电源。符号22是可变电压直流电源，是为使光衰减机构作用的电源。
光路径的转换通过下述方法执行：在全部输入和输出端口中，把Y分支部分外侧、内侧的任何一方用金属薄膜加热器加热，使加热一侧的折射率降低，把光导向不加热的一侧(折射率高的一侧)。
输入端口1一侧的外侧加热器12a(具有电极焊盘#1和#2的加热器)、输入端口2一侧的外侧加热器12a(具有电极焊盘#7和#8的加热器)、和输出端口2一侧的外侧加热器12a(具有电极焊盘#15和#16的加热器)，如图3和图4所示，并联布线，通过布线的转换，连接到恒压直流电源21，流过直流电流。
同样，输入端口1一侧的内侧加热器12b(具有电极焊盘#3和#4的加热器)、输入端口2一侧的内侧加热器12b(具有电极焊盘#5和#6的加热器)、和输出端口2一侧的内侧加热器12b(具有电极焊盘#13和#14的加热器)，并联布线，通过布线的转换，连接到恒压直流电源21，流过直流电流。
通过上述布线的转换，输出端口1一侧以外的3个端口侧(输入端口1一侧，输入端口2一侧，输出端口2一侧)的外侧加热器12a或者内侧加热器12b流过电流，加热Y分支部分的内侧或外侧，有助于光路径的转换。
如下执行光衰减机构：用金属薄膜加热器加热Y分支部分的外侧和内侧，调整加热量，使Y分支部分的外侧和内侧的折射率变化，把通过的光的一部分作为泄漏光，从光波导路径11放出到外部。在本实施例中，在图1所示的输出端口1具有这一光衰减机构。
输出端口1一侧的外侧加热器12a(具有电极焊盘#9和#10的加热器)、和输出端口1一侧的内侧加热器12b(具有电极焊盘#11和#12的加热器)，如图3和图4所示，通过布线的转换，一方面连接可变电压直流电源22，另一方面连接恒压直流电源21，分别流过直流电流。这样，输出端口1一侧的外侧加热器12a或者内侧加热器12b中的任何一个和其他的金属薄膜加热器独立地与可变电压直流电源22布线，因此，通过调节可变电压直流电源22的电力供给量，可以控制输出端口1一侧的外侧加热器12a或者内侧加热器12b的加热量，在输出端口1光衰减机构工作。
图2表示通过本实施例的光开关转换光路径的情况，图中符号＝＞表示光路径。关于光路径，如图2中所示有两种。一种如图2(a)所示，是从输入端口1输入的光从输出端口2输出，从输入端口2输入的光从输出端口1输出的状态，称为交叉状态。另一种如图2(b)所示，是从输入端口1输入的光从输出端口1输出，从输入端口2输入的光从输出端口2输出的状态，称为直通状态。下面表示对这样的交叉状态和直通状态的控制方法。
图3表示在交叉状态下向金属薄膜加热器的电力供应。在这里表示的交叉状态中，4个外侧加热器12a和恒压直流电源21连接。另外，4个内侧加热器12b中，输出端口1一侧的内侧加热器12b(具有电极焊盘#11和#12的加热器)连接可变电压直流电源22。其他内侧加热器12b不连接电源。
在该交叉状态下，4个外侧加热器12a都由恒压直流电源21加热，外侧加热器12a附近的光波导路径11由于加热折射率减小。4个内侧加热器12b中，因为输出端口1一侧的内侧加热器12b以外的不加热，因此，这些内侧加热器12b附近的光波导路径不加热。其结果，只在不加热的一侧变为使光波导的折射率分布，如图2(a)所示，实现了光路径的转换。
下面说明交叉状态时的输出端口1的光输出强度可变衰减功能。在输出端口1一侧设置的内侧加热器12b(具有电极焊盘#11和#12的加热器)连接可变电压直流电源22。通过调节该可变电压直流电源22的电力供应量、控制其加热量，即使在应该波导光的一侧的光波导路径中，因为受热而折射率降低，Y分支部分附近泄漏的光量增加，在输出端口1实现了光输出强度可变衰减功能。
图4表示在直通状态下向金属薄膜加热器的电力供应。在这里表示的直通状态中，4个内侧加热器12b连接到恒压直流电源21。同时，4个外侧加热器12a中，输出端口1一侧的外侧加热器12a(具有电极焊盘#9和#10的加热器)连接可变电压直流电源22。其他外侧加热器12a不连接电源。
在这一直通状态中，4个内侧加热器12b都由恒压直流电源21加热，内侧加热器12b附近的光波导路径由于受热折射率减小。4个外侧加热器12a中，因为输出端口1一侧的外侧加热器12a以外的不加热，所以在这些外侧加热器12a的附近的光波导路径不加热。其结果，只在不加热的一侧变为使光波导的折射率分布，如图2(b)所示，实现了光路径的转换。
下面说明直通状态时的输出端口1的光输出强度可变衰减功能。在输出端口1一侧设置的外侧加热器12a(具有电极焊盘#9和#10的加热器)连接可变电压直流电源22。通过调节该可变电压直流电源22的电力供应量、控制其加热量，即使在应该波导光的一侧的光波导路径中，因为受热而折射率降低，Y分支部分附近泄漏的光量增加，在输出端口1实现了衰减功能。
在以上说明的图3、图4中任何一个的场合，在金属薄膜加热器中，为连接位于输入端口以及没有光输出强度衰减功能的输出端口附近的金属薄膜加热器和电源的布线汇总了用于实现交叉状态的端子、用于实现直通状态的端子、以及用于接地的公共端子这三种端子。
图5表示在本实施例的光开关的光学特性中由光路径的转换引起的插入损失。这一光学特性，在光路径如图2(b)所示的直通状态和如图2(a)所示的交叉状态时是在各路径上的透光量和从恒压直流电源21供应的电力供给量的关系。还有是在停止可变电压直流电源22、不使用输出端口1的光衰减机构的状态下进行测定的。
作为光路径在直通状态时的透光量，图5中的直通1-1表示从输入端口1向输出端口1的透光量，直通1-2表示从输入端口1向输出端口2的透光量，直通2-1表示从输入端口2向输出端口1的透光量，直通2-2表示从输入端口2向输出端口2的透光量。
另外，作为光路径在交叉状态时的透光量，图5中的交叉1-1表示从输入端口1向输出端口1的透光量，交叉1-2表示从输入端口1向输出端口2的透光量，交叉2-1表示从输入端口2向输出端口1的透光量，交叉2-2表示从输入端口2向输出端口2的透光量。
图5中的黑色图表表示应该透过的端口间的透光量，白色图表表示不应该透过的端口间的透光量。本实施例的光开关，如图5所示，伴随电力供应量的增加，进行光分支。在由4个加热器供应的电力总计是600mW强，可以使透过端口之间的插入损失约3dB，消光比为40dB。
图6表示在本实施例的光开关的光学特性中，由于光输出强度可变衰减功能而产生的光强度衰减量。该光学特性表示，对于如图3所示连接布线，光路径是交叉的状态，将输出端口1一侧的内侧加热器(具有电极焊盘#11和#12的加热器)连接到可变电压直流电源22时，输出端口1的光强度的衰减量和供给输出端口1一侧的内侧加热器的电力供应量的关系。本实施例的光开关，如图6所示，可以得到10dB以上的衰减量。
在以使用掺铒光纤光放大器放大为前提进行光强度均化的场合，因为可变衰减量必须达到10dB的程度，可以明白，如图6所示的本实施例的光开关能够为此目的得到充分的结果。此外如图4那样连接布线，使光路径为直通状态，输出端口1一侧的外侧加热器(具有电极焊盘#9和#10的加热器)连接可变电压直流电源22时也能够得到同样的结果。
本实施例的光开关，通过加热在Y分支部分附近设置的金属薄膜加热器中外侧加热器12a和内侧加热器12b的任何一方，可以使光路径成为交叉状态或者直通状态。因此光路径的转换可以通过更换加热的加热器实现。
另外，光输出强度可变衰减功能，可以通过为转换这一光路径使在不加热的金属薄膜加热器中的至少一个通过调节加热量加热而实现。由此，可以不新增加加热器而具有光输出强度可变衰减功能，不会由于光开关元件的面积增加而使元件成本增加，也没有由于光路长度的增加引起的插入损失的增加，可以实现低成本、插入损失小的光开关。
进一步，通过使位于具有光输出强度可变衰减功能的输出端口附近的至少一个金属薄膜加热器独立于其他金属薄膜加热器布线，调节电力供应量或者外加电压，可以实现操作性能优良的光开关。
此外，像本实施例这样利用热光效应调节折射率的场合，对于作为折射率调节设备的导电性薄膜，可以在本实施例的金属薄膜以外使用ITO(铟锡氧化物)、FTO(氟代锡氧化物)等的氧化物薄膜、导电高分子材料等。进一步，对于折射率调节设备，在上述导电薄膜以外，可以使用镍线等导线、其他发热体等和电源组成的设备等。和本实施例同样，在导电薄膜和导线等的折射率调节设备上从电源流过电流，产生焦尔热，使折射率调节设备作为加热器作用，由此可以实现转换光路径和光输出强度可变衰减功能。
另外，将为保持光输出强度可变衰减功能而使用的电源作为可变电压直流电源，但是作为能够调节金属薄膜加热器的加热量的设备，不限于此，例如，也可以是可变电流电源。
光分插复用器
下面说明使用上述光开关的光分插复用器。
本实施例的光分插复用器与图13所示现有技术的光分插复用器的不同之处在于，不一定需要独立的可变光衰减器6，光开关5自身具有光输出强度可变衰减功能。如上所述，本实施例的光开关5，在输出端口1处有光衰减机构，使光的强度均等，可以在波分复用部分2输出。
上述与现有技术的不同之点以外的结构和图13所示现有技术的光分插复用器相同，使上述本实施例的光开关对应波分复用数目排成多个阵列形成，光开关5的一个输入端口连接波分复用部分1，另一个输入端口连接插入端口3。另外，光开关5的一个输出端口连接波分复用部分2，另一个输出端口连接分出端口4。
通过对光开关5的金属薄膜加热器的加热状态的控制，在光开关5在交叉状态的场合，从波分复用部分1输入的光从分出端口4输出，从插入端口3输入的光从波分复用部分2输出。也就是说，在这一场合，作为插入/分出动作状态作用。另外，在光开关5在直通状态的场合，从波分解复用部分1输入的光从波分复用部分2输出，从插入端口3输入的光从分出端口4输出。也就是说，在这一场合作为直通状态作用。
此外，这里所说的光强度均化功能，对于掺铒光纤放大器(EDFA)组件可以说和通过光纤布啦格光栅(FBG)和多膜介质过滤器(TFF)连接无源光元件的增益均等化相同。这些无源光元件称为增益均衡器(GEQ)或者增益波动过滤器(GFF)，通过对于增益高的波长给予损失而使增益平均化。换言之，像在增益最小的通道上增加光，而在其他通道上衰减光。这里，不用增益均匀而用光强度均匀表现，是因为使用这一光开关，通过变更光开关的输出端口的连接，不仅可以使通过光放大器放大的信号光的放大增益差均匀，而且也能使从在插入/分出中的插入端口进来的光的强度均匀的缘故。
光通信系统
本实施例的光通信系统使用上述光分插复用器构成。使波分复用的各个波长的每一个的光强度均等，因为从插入端口来的入射光的光强度也均等，所以能够执行可靠性高的密集型波分复用通信。
第二实施例
光开关
本实施例和第一实施例的不同之处在于，光输出强度可变衰减功能设置在输出端口1一侧、输入端口2一侧。光开关的结构因为和图1举例表示的光开关元件相同，因此省略详细的说明。
图7和图8表示本实施例的光开关的控制方法的原理图。本实施例的光开关设置了可以将具有光输出强度可变衰减功能的输出端口1一侧设置的外侧加热器(具有电极焊盘#9和#10的加热器)、和内侧加热器(具有电极焊盘#11和#12的加热器)连接到可变电压直流电源22并布线。另外还设置了可以将具有光输出强度可变衰减功能的输入端口2一侧设置的外侧加热器(具有电极焊盘#7和#8的加热器)，和内侧加热器(具有电极焊盘#5和#6的加热器)连接到用于输入端口的可变电压直流电源23并布线。由此，对于输出端口1、输入端口2，位于各端口附近的至少一个金属薄膜加热器可以独立于其他金属薄膜加热器调节电力供应量，可以使用光输出强度可变衰减功能。
光路径的转换，和第一实施例相同，通过如图7所示那样连接布线，实现交叉状态的光路径。另外，通过如图8所示那样连接布线，可以实现直通状态的光路径。通过在输出端口1一侧调节可变电压直流电源22的电压来控制加热量，在输出端口1侧的应该波导光的一侧的光波导路径中，产生随着加热量的折射率降低，使Y分支部分附近从光波导路径泄漏的光量增加，由此实现光输出强度可变衰减功能。另外在输入端口2一侧，调节输入端口使用的可变电压直流电源23的电压，和输出端口1相同，控制加热量使折射率降低，使Y分支部分附近从光波导路径泄漏的光量增加，由此来实现光输出强度可变衰减功能。
因为使光强度衰减形成期望值的光衰减机构可以在输出端口1一侧和输出端口2一侧独立作用，因此，与第一实施例的有一个光输出强度可变衰减功能的端口的光开关相比，可以调节的光强度的可变幅度(动态范围)可以为两倍大。因此，即使在从输入端口来的光强度很大的场合，也能够实现高强度高精度的均等化。
第三实施例
本实施例和第二实施例的不同之处在于，在输入端口2一侧设置的外侧加热器(具有电极焊盘#7和#8的加热器)和内侧加热器(具有电极焊盘#5和#6的加热器)平时与输入端口所用的可变电压直流电源23连接。其他结构和第二实施例相同，因此省略说明。使用本实施例，尽管从输入端口使用的可变电压直流电源23向输入端口2一侧的金属薄膜加热器供给电流，仍然可以实现光路径的转换。
由此可以在使输入端口2一侧的光强度可变调节机构作用的状态下实现光路径的转换。为此，使在输入端口2入射的光的强度衰减，成为期望的值，维持这一光强度，可以使光路径从直通状态向交叉状态或从交叉状态向直通状态转换。因此，在转换光路径时，可以使向输出端口入射的光强度没有变化、由于光路径的转换从光开关射出的光的强度无剧烈变化。在光路径转换后，可以通过输入端口2一侧和输出端口1一侧的光强度可变衰减机构将光开关射出的光的强度调节到希望的值。
在输入端口2没有光强度可变衰减机构的场合，或者输入端口2一侧设置的外侧加热器和内侧加热器平常不与输入端口使用的可变电压直流电源23连接的场合，例如在过大强度的光从输入端口2入射的状态下，在光路径从直通状态向交叉状态转换时，过大强度的光从输入端口2射入到输出端口1。一般，为使光强度成为期望的值，设置检测在光路径上传播的光强度的光强度监视器，通过该光强度监视器反馈控制折射率调节设备，衰减光强度成为希望的值。为衰减光强度成为希望的值，反馈控制和折射率调节设备的响应通常需要数毫秒。因此，仅在在输出端口1一侧衰减光强度来成为希望的值的场合，使光强度达到希望的值需要数毫秒时间，期间，过大强度的光从输出端口1出射。因此，由于在输出端口1上连接的装置承受过度的负载，这是不希望的。
光分插复用器
本实施例的光分插复用器和第一实施例的不同之处在于使用上述在输出端口1一侧和输入端口2一侧具有光输出强度可变衰减功能的本实施例的光开关。光开关的输入端口1连接波分解复用部分1，输入端口2连接插入端口。另外，光开关的输出端口1连接波分复用部分，输出端口2连接分出端口。因为可以使衰减光强度成为希望的值的光衰减机构分别在输出端口1一侧和输入端口2一侧独立作用，因此可以使动态范围很大，即使在从插入端口向输入端口2的入射光强度很大的场合，也可以实现高精度的光强度均等化，从输出端口1向波分解复用部分1出射。
另外，在本实施例中，在从输入端口2入射过大强度的光的状态下光路径从直通状态向交叉状态转换的场合，可以使用输入端口2的光输出强度可变衰减功能，衰减在输入端口2的入射光的强度成为希望的值，转换到维持这一光强度光路径。由此通过光路径的转换，不会有过大强度的光入射到输出端口1。因此，不会有过大强度的光入射到在输出端口1上连接的波分复用部分等的装置，防止给装置过度的负载。
第四实施例
本实施例与第一实施例的不同之处在于，用具有电光效应的光波导路径代替具有热光效应的光波导路径，利用该电光效应调节折射率。其他结构和第一实施例相同，因此省略其详细说明。图9表示利用电光效应调节折射率的光开关的Y分支部分的一个例子。所谓电光效应，是在光学介质上施加电场时介质的折射率变化的现象。光波导路径例如可以如特开平6-67232号公开的那样使用偶氮系列丙烯醛基树脂的芯部33、环氧系列紫外线硬化树脂外层来构造。
图10表示图9的A-A′线剖面图。折射率调节设备由在硅基板35和外层34之间形成的下金属薄膜电极32和在外层34的上表面上形成的上金属薄膜电极31a、31b组成。对于作为折射率调节设备的下金属薄膜电极32和上金属薄膜电极31a、31b，使用导电性薄膜。作为导电性薄膜，可以使用和第一实施例的使用热光效应同样的导电性薄膜。上金属薄膜电极31a、31b，如图9所示，在每一Y分支部位设置两个。在上金属薄膜电极31a、31b的一端各设置布线用的电极焊盘36a、36b。通过如第一实施例那样的金属线焊接在组件外壳的电极管脚上布线，连接外部的直流电源的正端子(未示出)。同时，下金属薄膜电极32和外部直流电源的负端子或者接地端子连接(未示出)。在上金属薄膜电极31a、31b和下金属薄膜电极32之间施加电压，可以在光波导路径上分布电场。
光路径的转换，通过在上金属薄膜电极31a、31b中的任何一个施加希望的电压而产生电场，利用电光效应调节在Y分支部分的两个分支的路径中的一个路径一侧的芯部33的折射率到希望的值来进行。为此，本实施例的Y分支部分和第一实施例相同，如图1所示把4个对置，可以实现两输入两输出交叉-直通式光开关。在本实施例中，使上金属薄膜电极31a、31b相当于第一实施例的金属薄膜加热器。和第一实施例相同，在Y分支部分设置的上金属薄膜电极31a、31b中，给位于Y分支部分的内侧或者外侧任何一方的上金属薄膜电极上施加电压，可以使光路径成为交叉状态或直通状态。通过在为转换这一光路径不施加电压的至少一个上金属薄膜电极上施加电压，调节施加的电压值控制电场的强度来调节Y分支部分的分支点的折射率分布，通过的光的一部分作为漏光从光波导路径向外部放出，可以实现光输出强度可变衰减功能。
因为电光效应响应速度快，而且消耗的电力几乎为零，因此使用本实施例可以实现响应速度快的光开关，而且可以几乎不需要消耗电力使光开关动作。
此外，在如本实施例那样使用电光效应作为折射率调节设备的场合，一般使用基于铌酸锂的扩散波导路径。此外，在K.Nashimoto et al.，“PLZT Electro-Optic Waveguide and Switches”，in Optical Fiber Communication Conference 2001Post deadline 10，Anaheim，2001中公开的钛酸锆酸镧(PLZT)光波导路径也是适合的。另外，作为光波导路径芯部33可用的高分子材料，如在特开平6-76256号中公开的，可以举出溶解或者结合二次非线性感光率大的物质的高分子化合物。例如，可以举出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等的丙烯醛基酸酯系列树脂、聚苯乙烯系列树脂、这些树脂的重氢置换体等例子。还有，可以使用在特开平4-356030号、特开平5-216079号中记载的均二苯代乙烯化合物、偶氮化合物、甲亚胺化合物生成的有机色素化合物，特开平5-107577号中记载的含有氟原子的高分子中分散的，或者把这些有机色素化合物与该高分子的支链结合的化合物。
第五实施例
本实施例和第一实施例的不同之处在于光波导路径的一部分是液晶，控制该液晶的取向状态调节折射率。其他结构和第一实施例相同，因此省略详细的说明。图11表示利用基于液晶的取向状态变化折射率的光开关的Y分支部分的一个例子。在本实施例中使用的Y分支部分在由石英等制成的光波导路径中在两个分支的每一路径上设置液晶层41和作为折射率调节设备的透明电极42。图12表示在图11中的B-B’线处的液晶层41的剖面图。使光波导路径的芯部44的剖面全面露出，切割光波导路径成矩形形状，在切割出来的部分上设置液晶层41、透明电极42，形成Y分支部分。液晶层41例如可以使用特表昭63-501512号中记载的高分子分散液晶的复合膜。该高分子分散液晶的复合膜具有在高分子基体44中分散液晶材料微粒43的结构。
作为液晶材料，可以使用例如向列型液晶、近晶型液晶、含胆甾型液晶的抑制向列型液晶等和其他公知的各种液晶。作为形成高分子基体44的高分子材料例如可以举出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等的丙烯醛基酸酯系列树脂和环氧系列高分子。作为透明电极42，可以使用铟锡氧化物(ITO)、氟代锡氧化物(FTO)等透明氧化物薄膜、透明导电高分子材料等。
在一对透明电极42上不施加电压的场合，液晶层41中的液晶分子处于无取向状态，因此从光波导路径的芯部44向液晶层41入射的光在高分子基体44和液晶材料的微粒43的界面和在液晶材料的微粒43内散射。因此光在液晶层41被遮断。在透明电极42上施加电压的场合，液晶层41中的液晶分子在电场方向取向，液晶层41表示出均匀的折射率。因此光透过液晶层41。
这样，在Y分支部分的两个分支的路径中，对于传播光的路径，在透明电极42上施加电压，使液晶层41中的液晶分子取向而使折射率均匀，使光透过，另外，对于不传播光的路径，不在透明电极42上施加电压，光在高分子基体44和液晶材料的微粒43的界面和在液晶材料的微粒43内散射，通过上面的方法实现光路径的转换。因此使这一Y分支部分和第一实施例相同，如图1所示4个对置，可以实现两输入两输出的交叉-直通式光开关。在本实施例中，通过在Y分支部分的两个分支的路径中在传播光的路径上设置的透明电极42上施加电压，可以使光路径成为交叉状态或者直通状态。
另外，通过调节施加在透明电极42上的电压值，可以调节液晶层41中液晶分子的取向程度，因此可以调节液晶层41的折射率的均匀性。由此可以调节光的散射程度，可以控制液晶层41的透光性。因此，通过在至少一个Y分支部分分支的两个路径中，不在不传播光的路径的透明电极42上施加电压，液晶层41中的液晶分子呈无取向状态，折射率不均匀，由此散射光，在液晶层41上遮断了光；另外，通过在传播光的路径的透明电极42上施加电压，调节其电压值，调节液晶层41中的液晶分子的取向程度，调节液晶层41的折射率均匀性，控制透光性，由此可以实现光输出强度可变衰减功能。液晶分子的取向状态可以用低电力控制，因此使用本实施例可以实现用低消耗电力动作的光开关。
如上所述，根据本发明，在使4个具有一个光波导路径分支成两个光波导路径的Y分支部分的一输入两输出型光开关对置形成的两输入两输出型光开关中，在Y分支部分附近设置折射率调节设备，使这些折射率调节设备中的一半交替作用实现光路径的转换，通过使在为转换光路径而不起作用的折射率调节设备中的至少一个起作用，可以在任何输入端口和/或输出端口上具有任意衰减输出光的强度的光输出强度可变衰减功能。
由此，可以不新增加折射率调节设备而具有光输出强度可变衰减功能，不会由于光开关元件的面积增加而使元件成本增加，也没有由于光路长度的增加引起的插入损失的增加，因此可以实现低成本插入损失小的光开关。
另外，位于具有光输出强度可变衰减功能的输入端口和输出端口附近的至少一个导电性薄膜独立于其它导电性薄膜布线，可以调节电力供给量或者施加的电压，由此可以实现操作性优良的光开关。
进一步，由于在芯部使用了具有大的电光效应的高分子材料，可以使芯部和电极的距离成为希望的值，因此可以实现响应速度快的光开关，而且几乎不需要消耗电力而使光开关动作。
另外通过制作利用液晶折射率的异向性的光开关，实现了低消耗电力动作的光开关。
另外，通过配置多个本发明的光开关，光开关的一个输入端口连接波分解复用部分，另一个输入端口连接插入端口，光开关的一个输出端口连接波分复用部分，另一个输出端口连接分出端口，实现光开关的光路径转换，实现插入/分出状态和直通动作状态的转换，可以实现各通道都不与其他独立的可变光衰减器连接而能够均化输出光的强度的光分插复用器。
另外，通过使用本发明的光分插复用器进行波分复用通信，使波分复用的各波长的每一光强度均匀，从插入端口来的光强度也被均匀化，因此可以实现能够执行高可靠性的密集型波分复用通信的光通信系统。

Claims (14)

1.一个光开关，它是使4个具有一个光波导路径分支成两个光波导路径的Y分支部分的一输入两输出型光开关对置形成的两输入两输出型光开关，其特征在于，在该Y分支部分的附近各设置两个折射率调节设备，使这些折射率调节设备中的一半交替作用实现光路径的转换，使在为转换光路径不起作用的折射率调节设备中的至少一个起作用，可以在任何输入端口和/或输出端口具有任意衰减输出光强度的光输出强度可变衰减功能。
2.权利要求1所述光开关，其特征在于，所述折射率调节设备至少由导电性薄膜和电源组成，在该导电性薄膜上施加电压，通过调节电力供给量或者施加的电压来调节所述光波导路径的折射率。
3.权利要求2所述光开关，其特征在于，位于具有上述光输出强度可变衰减功能的输入端口和输出端口附近的至少一个导电性薄膜独立于其它导电性薄膜布线，可以调节电力供给量或者施加的电压。
4.权利要求2所述光开关，其特征在于，用于连接位于没有上述光输出强度可变衰减功能的输入端口和输出端口附近的导电薄膜和电源的布线，汇总用于实现交叉状态的端子、用于实现直通状态的端子、以及用于接地的公共端子的3种端子。
5.权利要求3所述光开关，其特征在于，用于连接位于没有上述光输出强度可变衰减功能的输入端口和输出端口附近的导电薄膜和电源的布线，汇总用于实现交叉状态的端子、用于实现直通状态的端子、以及用于接地的公共端子的3种端子。
6.权利要求2所述光开关，其特征在于，所述导电性薄膜是金属薄膜。
7.权利要求3所述光开关，其特征在于，所述导电性薄膜是金属薄膜。
8.权利要求4所述光开关，其特征在于，所述导电性薄膜是金属薄膜。
9.权利要求5所述光开关，其特征在于，所述导电性薄膜是金属薄膜。
10.权利要求1所述光开关，其特征在于，所述折射率调节设备是加热器，通过该加热器调节加热量、利用热光效应实现光路径的转换。
11.权利要求1所述光开关，其特征在于，上述折射率调节设备是产生电场的电极，通过该电极调节电场的强度，利用电光效应实现光路径的转换。
12.权利要求1所述光开关，其特征在于，上述折射率调节设备是产生电场的电极，而且光波导路径的至少一部分由液晶组成，通过该电极调节电场的强度，控制该液晶的取向状态实现光路径的转换。
13.一个光分插复用器，其特征在于，通过配置多个权利要求1所述的光开关，该光开关的一个输入端口连接波分解复用部分，另一个输入端口连接插入端口，该光开关的一个输出端口连接波分复用部分，另一个输出端口连接分出端口，实现光开关的光路径转换，实现插入/分出状态和直通动作状态的转换，可以根据每一通道的光输出强度可变衰减功能来实现光强度的均等化。
14.一种光通信系统，其特征在于，使用权利要求13所述光分插复用器实现波分复用通信。
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