JP2001201701A - 光スイッチ - Google Patents
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Abstract
ト光スイッチを提供すること。 【解決手段】本発明によるクロスポイント型の光スイッ
チの有するトレンチ100の構造は、狭幅領域113、
及びその少なくとも一側に位置する広げられた拡開領域
112、114を有する。狭幅領域113には加熱部材
116が設けられる。通常は狭幅領域113には、屈折
率が整合した液体が充填され、狭幅領域113を交差す
る光信号を通過させることができる。加熱部材116が
動作すると、狭幅領域113に泡が発生し、このとき交
差方向に領域113に入射される光は狭幅領域113で
反射される。この泡は、その一部がわずかに拡開領域1
12又は114に進入したとき、表面張力の影響によ
り、狭幅領域113を抜けて拡開領域112又は114
へと引き込まれる。従って、泡の除去がより素早く行な
われ、比較的高速でのスイッチングが可能となる。
Description
し、さらに詳細には、クロスポイントスイッチング素子
又は交差型スイッチング素子に関するものである。
遥かに高速のデータ速度の通信を可能とする。しかしな
がら、光学的な信号路に固有の大きな帯域の効果的な利
用のためには、光学的な交差接続スイッチが必要であ
る。典型的な遠隔通信環境において、光ファイバ間の信
号の切り換えには、電気的な交差接続スイッチが用いら
れている。光信号は、まず、電気信号に変換される。電
気信号が切り換えられた後、信号は、光ファイバを介し
て送信される光信号に再び復帰変換される。高い処理能
力を実現するために、電気的な交差接続スイッチは、高
度な平行度を備えた高価なスイッチング構成を用いてい
る。しかしながら、このような平行構造を用いても、交
差接続スイッチにはボトルネックがある。
れているが、それらのいずれもが、コスト相応の、信頼
性の高い光学的な交差接続スイッチに対するニーズを充
分には満足していない。ある種の光学的な交差接続スイ
ッチは、スイッチングのために波長分割多重化(WDM)
を用いている。しかしながら、このタイプのシステム
は、光信号を異なる波長で切り換えねばならない。光信
号がいつでも同じ波長であるようなシステムにおいて
は、このタイプのシステムは、信号を必要な波長に変換
し、切り換え、次いで、元の波長に再び戻さなければな
らない。このような変換処理は、システムを複雑化し、
コスト高にする。
射(TIR: Total Internal Reflection)スイッチング素
子を用いる。TIR部材は、切り換え可能な境界を備えた
導波路からなる。光は、境界に所定の角度で入射する。
第1の状態において、境界は、ほとんど異なる屈折率を
備えた二つの領域を分離している。この状態において、
光は、この境界に関して反射されて方向を変える。第2
の状態において、境界により分離されたこの二つの領域
は、同じ屈折率を備え、光は、境界を真っ直ぐ通過す
る。方向変化の大きさは、二つの領域の屈折率差に対応
する。方向を大きく変化させるためには、境界背後の領
域は、導波路の屈折率に等しい屈折率と導波路のそれと
大きく異なるものとに切り換えられねばならない。
のTIR部材は、境界背後の材料を機械的に変化させるよ
うに作動する。例えば、Kanaiなどの米国特許第5,2
04,921号は、導波路内の交差ポイントのアレイに
基づいた光学的な交差接続を開示している。各々の交差
ポイントにおける溝が、どの溝が屈折率整合オイルによ
り充填されているかに応じてオン・オフされる。屈折率
整合オイルは、導波路の屈折率に近い屈折率を備えてい
る。導波路を介して伝えられた光信号は、溝が屈折率整
合オイルにより充填されているとき、交差ポイントを通
過して伝達されるが、信号は、溝が空のときは、全反射
により交差ポイントにおいてその方向を変化する。交差
ポイントスイッチングを変化させるためには、溝は、充
填され、空にされなければならない。この特許において
記述されるシステムにおいて、「ロボット」が、溝を充
填したり、空にしたりする。このタイプのスイッチは、
関心のある多くの用途に対しては余りにも低速であるこ
とである。
した初期のバージョンが、ここで参照される米国特許第
5,699,462号に述べられている。この特許にお
けるTIR部材は、第1の光学的な導波路及び第2の光学
的な導波路の交点におけるギャップから液体を移動させ
るために熱励起を用いる。このタイプのTIR部材におい
て、トレンチが導波路を分離している。このトレンチに
は、屈折率整合液体が充填されている。局部的なヒータ
を用いて屈折率整合液体を加熱することにより、泡が交
差ポイントに発生させられる。交差ポイントを反射状態
から透過状態に切り換えて出力光信号の方向を変化させ
るために、泡は交差ポイントから除去されねばならな
い。
んでいるときは、ヒータがオフになるとき、消滅するに
は非常に長時間を要する。迅速なサイクル時間を必要と
する多くの用途に対してこの点は受け入れがたい。この
ような気泡は、気泡に力を加えて片側に、光路の外に押
し出すことによって除去できる。
よってトレンチの他の側へ移動させることができる。こ
のような圧力増加は、交差ポイントの片側で液体に熱を
加えることによってあるいは交差ポイントの片側に液体
を物理的に移動することによって実現し、交差ポイント
から泡を押し出すか引っ張り出す。トレンチの壁が互い
に平行なときは、この移動は、泡全体を交差ポイント領
域から完全に除去するのに充分なだけのものが必要であ
る。このような大きな移動は、比較的長時間を必要と
し、また、高価なハドウエアを必要とする。
イッチなどに使用する交差構造を提供することを主目的
とするものである。
技術のクロスポイントスイッチのそれよりも短い交差ポ
イント構造を提供することを目的とするものである。
発明の詳細な説明及び添付の図面から当業者には明らか
なことになろう。
えたギャップにおいて交差する第1及び第2の導波路を
備えた基板上に構成された光スイッチにある。第1及び
第2の導波路は、ギャップが第1の屈折率を備えた液体
で充填されたとき、第1の導波路を進む光が第2の導波
路に入るように、配置されている。このギャップは、ギ
ャップを含む第1の領域及び第1の領域に隣接する第2
の領域を備えた基板内のトレンチの一部分である。第2
の領域は、第1の領域の幅よりも大きな幅を備えてい
る。第1の導波路を進む光は、ギャップが液体で充填さ
れているとき、ギャップによって反射される。第1の屈
折率を備えた液体が、第1の領域に配置される。液体
は、所定の温度に加熱されたとき、気体を発生させる。
第1のヒータが、第1の領域内に配置され、液体を所定
の温度まで加熱し、ギャップにおいて液体内に気泡を発
生させる。移動機構が、制御信号に応答して第1の領域
内の気泡を部分的に第2の領域内に伸長させる。移動機
構は、第1のヒータ及び第2の領域の間で第1の領域に
その一部分を位置させた第2のヒータから構成できる。
移動機構は、また、第1の領域に圧力差を加えて泡を第
2の領域内に一部分伸長させる機構を備えても良い。ト
レンチに終端を備えた第3の導波路が、また、光スイッ
チに配置されても良い。第3の導波路は、ギャップが液
体で充填されてないとき、第1の導波路を進む光が第3
の導波路に入るように配置される。
スイッチの有するトレンチの構造は、狭幅領域、及びそ
の少なくとも一側に位置する広げられた拡開領域を有す
る。狭幅領域には加熱部材が設けられる。通常は狭幅領
域には、屈折率が整合した液体が充填され、狭幅領域を
交差する光信号を通過させることができる。加熱部材が
動作すると、狭幅領域に泡が発生し、このとき交差方向
に領域に入射される光は狭幅領域で反射される。この泡
は、その一部がわずかに拡開領域に進入したとき、表面
張力の影響により、狭幅領域を抜けて拡開領域へと引き
込まれる。従って、泡の除去がより素早く行なわれ、比
較的高速でのスイッチングが可能となる。
の好適実施形態となるスイッチ装置について詳細に説明
する。まず、本発明は、二つの状態を備えたクロスポイ
ントスイッチング装置10の平面図である図1及び図2
を参照するとより良く理解できる。スイッチング素子1
0は、基板上部のプレーナ光導波回路において製造され
た3個の導波路11−13から構成されている。基板は
二酸化ケイ素であることが好ましいが、ケイ素のような
材料を用いても良い。導波路は、二つのクラッド層とコ
ア層とにより構成されている。図面を単純化するため
に、個々の層は図示されていない。二酸化ケイ素による
このような導波路の製造は、従来周知であり、従って、
ここでは詳述はしない。例えば、オハイオ州コロンバス
にあるHitachi Cable and Photonic Integration Resea
rch, Inc. は、二酸化ケイ素及びケイ素基板上のSiO
2導波路を発表した。コアは、基本的には、Geあるい
はTiO2をドープされたSiO2である。クラッド材料
は、B2O3及び/あるいはP2O5のような材料をドープ
されたSiO2である。コア材料は、クラッド層の屈折
率とは異なる屈折率を備えているので、光信号は、導波
路11−13に沿って導かれる。
ングされ、ケイ素基板内に達していることが好ましい。
図1に示すように、トレンチ14は、トレンチ14を充
填する材料の屈折率が導波路の屈折率と大きく異なって
いるときは、導波路11内を進む光が導波路13内に反
射されるようにする。スイッチング素子のこの状態を
「反射」状態と呼ぶ。しかしながら、トレンチ及び導波
路の交差ポイントが導波路の屈折率と等しい屈折率を備
えた材料で充填されているときは、図2に示すように、
光信号は、トレンチ14を通過して導波路12から出て
行く。スイッチング素子のこの状態を「非反射」状態と
呼ぶ。
波路材料及びトレンチにおいて反射状態を作り出すため
に使われる材料間の屈折率の差によって定まる。導波路
の入射角度とトレンチの位置は、導波路11からトレン
チ壁へ入射する光が導波路13内に全反射されるように
選択される。この角度は、トレンチ壁の正規の方向に関
して53度〜75度である。
るときは、第4の導波路19内を進む光は導波路13に
進む。導波路19は、クロスポイントスイッチング素子
の二次元的なアレイを用いる交差接続スイッチを構成す
る。このタイプのアレイは、クロスポイントスイッチン
グ素子の複数の行及び列からなる。それらの行及び列
は、行及び列の導波路を介して接続される。交差接続ス
イッチは、行導波路上の信号を列導波路に接続できる。
特定のスイッチングパターンが、スイッチング素子の状
態に応じて定まる。
いては、いかなる時点においても、行導波路からの光を
列導波路に切り換えるようにそれぞれの列にせいぜい1
個のスイッチング素子が配置されているだけである。列
導波路に切り換えられた光は、非反射状態にあるスイッ
チング素子を介して列の端部に伝えられる。導波路19
は、アレイ内で部材10上のスイッチング素子によって
切り換えられた光がその下方の列にある次のスイッチン
グ素子に伝えられることを可能にして光が列内の最後の
スイッチング素子から最終的に出ることができるように
する。
部材6の助けを借りて交差ポイントにおいて泡15を形
成するときこの交差ポイントから移動される。この機能
に必要な小さな加熱部材が、インクジェット印刷技術に
おいて周知であるので、ここでは詳述しない。加熱部材
は、導波路の下方に配置されてトレンチを横断する光が
加熱部材によって遮断されないようにすることが好まし
い。泡は、屈折率整合材料を蒸発させるかあるいは液体
中に溶解されている気体を解放することにより発生させ
られる。
に移動させるかして除去される。片側への泡の移動は、
少なくとも泡の長さ分の距離だけの移動を要求される。
させてこの問題を解決しようとするものである。図3〜
図5を参照する。図3は、本発明による交差ポイントト
レンチ100の平面図である。図4は、トレンチ100
の側面図である。トレンチ100は、図1及び図2に示
されるトレンチ14とは置き換えられている。図5は、
トレンチ100を用いるスイッチング素子101の平面
図である。図5は、泡117が存在するときのトレンチ
壁からの光信号の反射を示している。図面を簡単にする
ために、図5において121−123で示される導波路
は、図3及び図4においては省略されている。トレンチ
100は、基板180にエッチングされることが好まし
く、平行な壁を備えたギャップ領域113からなり、図
5に示されているように光信号を反射するかあるいは前
記領域113が屈折率整合材料を充填されたとき光信号
がトレンチを通過させるかする。領域113の両側のト
レンチ部分は、112及び114で示されるように広げ
られている。加熱部材116が、トレンチ100の底部
に配置されている。本実施形態では、広げられた部分の
両側のトレンチの壁111及び115は、互いに平行で
あるが、本発明の示唆するところに従って他の形状にす
ることも可能である。
子を示すのが、図6及び図7である。本発明は、領域1
13を超えないで領域113内に形成された泡が図5に
示すように領域113に留まっているという観点から構
成されている。しかしながら、図6に示すように泡の一
部分が広げられた領域の片側に入るように泡が片側にわ
ずかにずれると、泡は、広げられた領域(拡幅領域)1
12、114に入るかあるいは129により図7に示さ
れるように広げられた領域112、114を超えた領域
に入るよう泡の表面張力によりこの広げられた領域に向
けて引き込まれる。一旦、泡が広げられた領域112、
114に移動すると、トレンチは光に対して透明とな
り、及び、交差ポイントは、切り換えられている。泡
は、それ以上の援助を必要とせずに消滅させられる。交
差ポイントが反射状態に復帰させられるために、加熱部
材116を再び駆動することにより新たな泡が領域11
3に導かれる。
ンチ130のその他の実施形態の平面図が示されてい
る。以下の説明を簡単にするために、図3及び図4に示
されるトレンチ100の構成と同じ機能を備えたトレン
チ130の構成には同じ数字が付与されている。トレン
チ130は、131で示される第2の加熱部材が広げら
れた領域112の一部分の位置にトレンチの底部に配置
されていることがトレンチ100とは異なっている。加
熱部材113は、137で示されるような泡を領域11
3において部材116の加熱により発生された泡を不安
定化させるために用いられる。加熱部材131が作動さ
せられると、泡137は、加熱部材131の領域を超え
て拡大させられる。新たな泡が、トレンチの広げられた
領域に延びる。上述したように、このような泡は、自動
的にこの広げられた領域に引き込まれ、図6及び図7に
関連して述べたような機構によって領域113の外に移
動させられる。図8に示される加熱部材は、領域113
の他端に配置しても良い。
る圧力差を発生させることにより領域113を脱出する
のに充分なだけ移動される。図9及び図10は、本発明
によるトレンチのその他の実施形態のそれぞれ側面図及
び平面図である。以下の説明を簡単にするために、図3
及び図4に示されるトレンチ100の構成と同じ機能を
備えたトレンチ130の構成には同じ数字が付与されて
いる。トレンチ150は、141及び142で示される
二つのダイアフラムを備え、これらは、トレンチ150
内の圧力を変化させることにより変形可能である。図9
及び図10の実施形態においては、ダイアフラムは、
「プッシュ・プル」のやり方で作動し、領域113の片
側における圧力が増加して反対側が減少する。この圧力
差は、泡147の位置を領域114に移動させて泡を領
域113から外すのに充分なものである。
に泡を完全に移動させるのにシステムに要求された移動
量よりも小さい。インクジェットプリンタに用いられる
タイプのダイアフラムの設計が、そのために使用でき
る。図9及び図10に示す実施形態はトレンチの上部に
配置されるダイアフラムを用いているが、圧電変換器あ
るいはマイクロメカニカルデバイスのような領域113
の少なくとも片側で圧力あるいは容積を変化させる装置
も使用できることは、当該技術に知識を有するものであ
れば上述の説明から容易に行い得ることであろう。例え
ば、加熱部材153は、加熱部材を備えた領域113の
側における圧力を変化させて泡を発生させるのに充分な
パワーを領域115に与える。領域113における泡が
追い出された後、泡を形成する圧力は消滅させられる。
透明なとき、領域113を通過する光信号全体を収容で
きるのに充分なだけ大きく選ばれていることが好まし
い。プレーナ光導波回路における光学的な伝播の性質の
ために、この領域は、領域113の各々の側において終
わっている導波路コアよりもわずかに大きくなければな
らない。
各々の側におけるトレンチ壁は、互いに平行であり、す
なわち、導波路部分11及び12は、コーリニヤであ
り、及び、導波路部分19及び13は、コーリニヤであ
る。原理的には、スイッチが反射状態にあるとき光信号
を反射する壁のみが、プレーナであることが必要であ
る。しかしながら、その屈折率が導波路のそれに正確に
は整合しない液体が使用されねばならないとき、光信号
は、トレンチが透明状態にあるとき液体に入るとともに
再び液体を出るように屈折する。この屈折は、実質的な
側方への移動を生じる。スイッチング素子の射出導波路
は、この移動を吸収するために移動可能にされている。
トレンチ壁が入射点及び射出点において平行であると
き、初期の導波路ピッチ及び角度が、それらの移動にも
かかわらず維持される。しかしながら、入射壁及び射出
壁が平行でないときは、射出導波路角度は、入射導波路
角度とは異なるものとなり、ピッチは、ゆがめられる。
それらの変化は、多くのスイッチング素子からなる交差
ポイントスイッチを構成するとき必要な光学的な相互結
合を複雑なものとし、コストアップを招くものである。
は、3個の導波路を用いたが、2個の導波路のみを用い
る実施形態も構成することができる。図1において、導
波路12あるいは導波路13は、光吸収媒体に置換でき
る。このような実施形態においては、光スイッチは、入
力導波路から残りの出力導波路に光信号を伝達する第1
の状態と、及び、光信号が吸収される第2の状態とを備
える。出力導波路13が省略される実施形態は、N:1
光学的マルチプレクサを構成する際に特に効果的であ
る。
のギャップの両側に広げられた領域を用いた。しかしな
がら、この広げられた領域は、泡が移動させられるギャ
ップの側の領域がこのギャップよりも大きくされている
ときは省略できる。図11は、このようなその他の形状
を備えたトレンチ300の平面図である。トレンチ30
0は、泡317がトレンチ内に存在するときは、導波路
321を導波路322に接続し、及び、トレンチが屈折
率整合液体で充填されているときは、導波路321及び
323間を接続する。
される図面から当業者にとって明らかなことであろう。
従って、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定さ
れるものである。
と、本発明は、光スイッチ(101)において、第1及
び第2の導波路(121、123)を備えた基板(18
0)であって、前記第1及び第2の導波路(121、1
23)が、所定の幅を備えたギャップにおいて交差し、
該ギャップに第1の屈折率を備えた液体が充填されると
き、前記第1の導波路(121)を進む光が前記第2の
導波路(123)に入り、前記ギャップに気体が充填さ
れているとき、前記第1の導波路(121)を進む光が
前記ギャップにより反射されるように前記第1及び第2
の導波路(121、123)が配置されており、その際
前記ギャップは、前記基板におけるトレンチ(100、
130、150)の一部分をなし、該トレンチ(10
0、130、150)は、前記ギャップを含む第1の領
域(113)及び前記ギャップに隣接する第2の領域
(112)からなり、前記第2の領域(112)の幅
が、前記第1の領域(113)の幅よりも大きくされて
いる基板(180)と、前記第1の領域(113)に配
置される前記第1の屈折率を備えた液体であって、所定
の温度に加熱されたとき気体を発生させる液体と、前記
気体を所定の温度に加熱して前記第1の領域(113)
において前記液体に気泡を発生させる前記第1の領域
(113)に配置された第1のヒータ(116)と、制
御信号に応答して前記第1の領域(113)内の前記気
泡の一部分を前記第2の領域(112)内に伸長させる
移動機構とからなるようにしたことを特徴とする光スイ
ッチを提供する。
ヒータ(116)及び前記第1の領域(113)の間で
あって、その一部分を前記第1の領域(113)内に配
置されている第2のヒータ(131)からなる。
が、前記第2の領域(112)内に延びる。
0、150)は、前記第1の領域(113)の幅よりも
大きな幅を備えた第3の領域(114)を備え、前記第
1の領域(113)が、前記第2及び第3の領域(11
2、114)の間に配置され、及び、その際前記移動機
構が、前記第1の領域(113)に圧力差を生じさせる
機構(141、142、153)を備える。
チ(100、130、150)の前記第2の領域(11
2)あるいは前記第3の領域(114)に配置されてい
る第3のヒータ(153)からなる。
チ(100、130、150)の前記第2あるいは第3
の領域(122、114)内に前記液体を移動させる機
械的な装置(141、142)からなる。
0、150)に終端を備えた第3の導波路(122)を
さらに設け、前記ギャップが液体で充填されていないと
き、前記第1の導波路(121)を進む光が前記第3の
導波路(122)に入るように、前記第3の導波路(1
22)が配置される。
及び第2の導波路(121、123)の屈折率とは異な
るとき、前記第1の導波路(121)から出る光が前記
第2の導波路(123)に入るように、前記第1及び第
2の導波路(121、123)が光学的結合が可能なよ
うに位置合わせされる。
グ素子を第1の状態にして示す平面図である。
グ素子を第2の状態にして示す平面図である。
す平面図である。
図である。
の様子を示す該略図である。
す該略図である。
実施形態を示す平面図である。
す側面図である。
示す平面図である。
示す平面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】光スイッチにおいて、 第1及び第2の導波路を備えた基板であって、前記第1
及び第2の導波路が、所定の幅を備えたギャップにおい
て交差し、該ギャップに第1の屈折率を備えた液体が充
填されるとき、前記第1の導波路を進む光が前記第2の
導波路に入り、前記ギャップに気体が充填されていると
き、前記第1の導波路を進む光が前記ギャップにより反
射されるように前記第1及び第2の導波路が配置されて
おり、その際前記ギャップは、前記基板におけるトレン
チの一部分をなし、該トレンチは、前記ギャップを含む
第1の領域及び前記ギャップに隣接する第2の領域から
なり、前記第2の領域の幅が、前記第1の領域の幅より
も大きくされている基板と、 前記第1の領域に配置される前記第1の屈折率を備えた
液体であって、所定の温度に加熱されたとき気体を発生
させる液体と、 前記気体を所定の温度に加熱して前記第1の領域におい
て前記液体に気泡を発生させる前記第1の領域に配置さ
れた第1のヒータと、 制御信号に応答して前記第1の領域内の前記気泡の一部
分を前記第2の領域内に伸長させる移動機構とからなる
ようにしたことを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項2】前記移動機構が、前記第1のヒータ及び前
記第1の領域の間であって、その一部分を前記第1の領
域内に配置されている第2のヒータからなるようにした
ことを特徴とする請求項1に記載の光スイッチ。 - 【請求項3】前記第2のヒータが、前記第2の領域内に
延びているようにしたことを特徴とする請求項2に記載
の光スイッチ。 - 【請求項4】前記トレンチが、前記第1の領域の幅より
も大きな幅を備えた第3の領域を備え、前記第1の領域
が、前記第2及び第3の領域の間に配置され、及び、そ
の際前記移動機構が、前記第1の領域に圧力差を生じさ
せる機構を備えているようにしたことを特徴とする請求
項1に記載の光スイッチ。 - 【請求項5】前記移動機構が、前記トレンチの前記第2
の領域あるいは前記第3の領域に配置されている第3の
ヒータからなるようにしたことを特徴とする請求項4に
記載の光スイッチ。 - 【請求項6】前記移動機構が、前記トレンチの前記第2
あるいは第3の領域内に前記液体を移動させる機械的な
装置からなるようにしたことを特徴とする請求項4に記
載の光スイッチ。 - 【請求項7】前記トレンチに終端を備えた第3の導波路
をさらに設け、前記ギャップが液体で充填されていない
とき、前記第1の導波路を進む光が前記第3の導波路に
入るように、前記第3の導波路が配置されているように
したことを特徴とする請求項1に記載の光スイッチ。 - 【請求項8】前記第1の屈折率が前記第1及び第2の導
波路の屈折率とは異なるとき、前記第1の導波路から出
る光が前記第2の導波路に入るように、前記第1及び第
2の導波路が光学的結合が可能なように位置合わせされ
ることを特徴とする請求項1に記載の光スイッチ。
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