【発明の詳細な説明】
光信号のスイッチ切換法および熱−光スイッチ
本発明は、デジタル式熱−光(TO)スイッチの入力部からの光信号を該スイ
ッチの少なくとも一つの出力部へスイッチ切換する方法であって、少なくとも二
つの出力部の間に温度差が付与される方法に関する。
かかる方法は、N.Keilら「低コストのポリマー導波路技術によって実現され
る(2x2)デジタル式光スイッチ」Electronics Letters,Vol.32,No.19(19
96年8月1日),pp.1470−1471から公知である。この文献には、4個の導波路(
または、より正確には導波路チャネル)、2個の入力部および2個の出力部、な
らびに導波路を加熱するための4個の電極を有する熱−光スイッチが記載されて
いる。入力部の一つからの信号を出力部の一つにスイッチ切換するのは、導波路
の選択的加熱によって行われる。
この2x2スイッチに加えて、特に1x2(例えば、「Y分岐した」)熱−光ス
イッチがある。一態様では、「単一モード」の信号が、出力部の一つのみを加熱
することにより、言い換えると、出力部間に温度差、従って屈折率の差を誘起す
ることにより、入力部から出力部の一つにスイッチ切換される。最も普通のスイ
ッチでは、最も高い屈折率を有する導波路を信号が通過する。ポリマー製のデジ
タル式熱−光スイッチの場合、それは、最も低い温度(従って、
最も高い密度)を有する導波路を意味する。
スイッチ切換の後、スイッチは予想される位置にあり、温度差は維持される。
実際には、加熱部材として作用する電極が或る電圧で駆動され、その電圧は一定
に保持される(言い換えると、スイッチは段階関数的に,駆動される)。
熱−光スイッチでは、熱−光スイッチが長時間(数日〜数年)同じ状態にある
ときに特に生じる現象に遭遇する可能性があり、その現象は、「残留誘発接合非
対称」として最も適切に記載される。
この現象を説明するために、図1に図式的に示したような1x2(「Y−分岐
した」)ポリマー製デジタル式熱−光スイッチが使用される。このスイッチ1は
、入力部2、左側出力部3、右側出力部4、および出力部3,4を加熱するため
の電極5(ここでは、実際に慣用の電極よりも微細に示す)を含む。
入力部2の信号S2は、左側の出力部3に送られる。その場合、右側の出力部
4の電極5が加熱される。20.0dBの分離(すなわち、スイッチの各々の出力部を
通過する信号の大きさの相違)では、信号S2の1%が右側の出力部4に導かれ
、S2の99%は左側の出力部3に導かれる(10log(99/1)=20.0dB)。右側出力
部4の電極5がもはや駆動されないと、スイッチは、理想的には、基底状態に戻
る。この状態では、スイッチは受動スプリッターとして機能し、信号S2を2個
の出力部3,4の間で等しく分ける(50%/50%;分離0dB)。
長時間同じ状態にある熱−光スイッチは、駆動された電極のスイッチが切られ
た後、上記した基底状態に戻り損ねて(あるいは、許容され得る時間内で基底状
態に戻り損ねて)、むしろS2信号の半分より多くがなおもこの例では左側の出
力部3に導かれる非対称状態に戻ることが見出された。スイッチはこのように、
その前の状態に関して或る偏りを有し続ける。左側の出力部3の電極5が上記し
た電圧で駆動され、かつ出力部の間に温度差を生じるときですら、この非対称は
(急速に)十分には克服されず、規定の分離を達成することはもはやできない。
そのような場合、スイッチの切換は、電極全体にわたる電圧を余分に増加させ
ることによりなおも行うことができるが、これは、スイッチの集中的な監視(実
際上の支障がある)および比較的複雑な駆動手段を必要とする。さらに、電圧が
1回より多く増加されると、非対称は共鳴して増加し、最終的にはスイッチの使
用に不適切なレベルに達する可能性がある。
多数のTOスイッチの用途では、スイッチの切換は、(比較的)希な条件での
み生じる。この良好な例は保護および冗長であり、その場合、ファイバへの損傷
などの問題がある場合を除いて、スイッチはいつも一つの同じ光ファイバへ信号
を導く。かかる問題がある場合、スイッチは向きを変え、信号は損傷を受けてい
ない第二のファイバへ導かれる。そのような用途において適切なスイッチ作用が
保証され得ない場合は、その冗長系全体が無意味である。言
い換えると、そのような系の価値は、スイッチの信頼性に大きく依存する。
上記を鑑みると、残留誘発接合非対称の増加が生じないか、生じても極く低い
程度である熱−光スイッチの切換法が望まれる。本発明は、この要求を満たすこ
とがその目的であり、これは、最初のパラグラフに記載した方法において、最初
の(温度)差がΔTmin以上であり、その後ΔTmin未満の差に減少され、ここで
ΔTminはスイッチの切換に必要な最小の温度差である場合に達成される。
記載した熱−光スイッチの残留誘発接合非対称は、供給される熱に関係するこ
とが見出された。一般に、この非対称は、供給される電力(これは熱に転化され
、その結果温度差を生じる)が低いほど、あまり急速に増加しなくなる。好まし
くは、電力を、スイッチの出力部間の温度差がΔTminより少なくとも10%小さ
い、またはさらには20%小さい差に低下するレベルに減少させる。
残留非対称の低下の他に、熱の供給の低下自体も、スイッチ上(特に電極上)
の熱負荷が低下しかつ消費電力が少なくなるので、有利である。
熱−光スイッチの作用が与えられると、スイッチ切換の有効性(分離)に実質
的な変化を何ら及ぼすことなく、電力の供給をΔTmin未満の温度差を生じる値
に低下させることができることは注目に値すると考えられる。熱−光スイッチ(
特にポリマー製のもの)はヒステリシスを示すことが見出された。これは、2個
の出力部間の分離を特定
の値より上に増加させるために出力部上に必要とされる温度差(要するに、スイ
ッチの切換に必要な温度差)が、分離が該値より下に下がる(およびスイッチの
切換が取り消される)温度差より高いことを意味する。
なお、スイッチの切換が完了したか否かの問いに対する答えは、スイッチの仕
様または所与の用途に依存する。特定のスイッチの仕様が最低15dBの分離となっ
ている場合、これは、1x2スイッチの場合、スイッチ切換手順の完了後(通常
は5ms未満)、スイッチに供給される信号の電力の3%未満が出力部を通過する
ときは「オフ」の状態にあるとみなされ、一方、信号の97%より多くが出力部を
通過するときは「オン」状態にあるとみなされることを意味する。
言葉「スイッチ切換された」は、単に絶対的な物理的状態を表すのではなく、
むしろ本スイッチがスイッチ切換された状態の仕様(本発明の場合は特に分離)
に合うということを示すことは上記から明らかである。従って、分離はスイッチ
の仕様またはその用途によって要求され得る。例えば、スイッチは30dBの分離を
許容し得るが、特定の用途には18dBで十分である。その場合、18dBが規準となる
。しかし、ΔTminでの分離は少なくとも16dB、好ましくは少なくとも25dBであ
るのが好ましい。
本発明の効果は、ポリマー製のスイッチ(すなわち、少なくとも導波路、しか
し通常は被覆も有機ポリマーから成るようなスイッチ)で特に顕著である。さら
に、本発明
に係る方法の場合、スイッチ切換状態で16dBより大きい(良好な)、またはさらに
は25dBより大きい分離を可能にするスイッチを使用するのが好ましいと考えられ
る。
上記したように、本発明に係る方法では、最初にΔTmin以上の(温度)差を
付与し、次いでその差を減少させる。好ましくは、スイッチ切換後できるだけ早
く差を減少させるが、かかる時間は、少なくとも本発明の効果を保証するのに十
分長くあるべきである。関与する時間はスイッチ自体に依存するが、スイッチ全
体の温度にも依存する(この温度が高いほど、スイッチの出力部にわたる温度差
を速く減少させることができる)。多くの場合(特に、ポリマー製の導波路を使用
する場合)、0.1〜0.5秒未満後に差を減少させることができる。特にスイッチ切
換があまり生じない用途の場合は、5秒後、またはさらには10秒後までこれを行
わないのが好ましい。
それについては、スイッチ全体の温度が高いほど、残留誘発接合非対称の蓄積
自体はあまり強く生じないと考えられる。本発明に係る一態様では、スイッチ全
体を40℃より上、好ましくは60℃より上の温度で保持する。このために、スイッ
チには例えば1以上の加熱部材および断熱材を備えることができる。
温度差を減少させることができるまでの時間を減少させ、さらに本発明に係る
方法の効果の強化も行うために、最初の温度差をΔTminと比較して20%より多
く大きくし、またはさらには50%もしくは100%より多く大きくするの
が好ましい。パルスを短くすると、スイッチは普通でないスイッチ切換状態(例
えば、高いおよび低い交番周波数および/または不規則なスイッチ切換)をあま
り受け入れなくなる。
ΔTminの大きさは、少なくとも、上記基底状態(分離0dB)にあるスイッチをス
イッチ切換状態にするのに必要な温度差および前のスイッチ切換状態を素早く克
服するのに必要な追加の温度差から成る。ΔTminはスイッチ(構造、使用され
る材料など)によって様々であり、さらに、前に発生したことに依存し、その結
果、ΔTminは一つの同じスイッチにおいて経時的に変えることも可能である。
なお、スイッチへの高い電力供給を選択することは可能ではない。ある高い電
力では、分極の受けやすさがだんだん重要な役割を果たすようになる。その理由
のため、好ましくは、使用される電力は、スイッチの出力部にわたってΔTmin
より400%大きい温度差を生じるような電力ではない。
本発明に係る方法を図2に図式的に示す。図1にかかるポリマー製のデジタル
式熱−光1x2スイッチでは、信号S2が示され、右側出力部4の電極5には例
えば4Vの電圧が加えられる。その結果、大きさAを有する電力が電極5に供給
される。この電力は、出力部3および4の間にΔTminに等しい温度差を生じる
。
2ms後、信S2号の電力の99.91%が比較的冷たい左側出力部3に送られる(す
なわち、分離は30dBより少し
上である、すなわち、所定の≧30dBの分離で、「スイッチ切換された状態」につい
て述べることが可能である)。一般的に言うと、供給された電力Aは、時間が経
過しても不変のままである。本発明によれば、電極5にわたる電圧は、4秒後に
2.5Vに低下され、電力はB(B=約0.6x電力A)に低下するが、分離は30dBよ
り少し上のままである。
図2に示した電力C(=約1.5x電力A)は、上記した温度差ピークの一例で
ある。このピークのために、電圧は、より長期間ですら分離が悪影響を受けるこ
となく、1秒後にはすでにBに低下され得る。
本発明に係る方法の別の利点は、すでに使用されているTOスイッチを用いて
使用することもできることである。多くの場合、本発明の利点、特にスイッチの
比較的長い寿命は、出力部を加熱するための手段の駆動装置を単に置き換える、
または調整するだけで得ることができる。
なお、完全性のために、固有の接合非対称と誘発接合非対称との間には大きな
相違があることを記しておく。
固有の非対称性は、スイッチの材料および形状から生じる非対称性に関する。
例えば、一つの直線および一つの分岐で進む導波路から成る1x2のTOスイッ
チ(ある意味で、2つの分岐が存在する「Y−分岐した」スイッチと対照区別さ
れる)では、電極のいずれも「オン」にすることなく6dBの分離が測定され得る。
誘発非対称は、熱の供給、および分岐または出力部の間に温度差を付与するこ
とによりもたらされる熱−光効果
から生じる非対称に関する。もちろん、二つの型の非対称は、一つのスイッチに
同時に存在し得る。
本発明は特定の一つの型のTOスイッチに限定されるものではなく、むしろ、
NxM(NおよびMは共に整数である)および1xNスイッチを含む。原則とし
て、1x2スイッチ(「固体状態の1x2光スイッチ」すなわちAkzo Nobel製のBe
amBox(商標)など)および1x2スイッチを含むマトリックスが好ましい。適切
な(ポリマー製の)スイッチは、特に、欧州特許出願95200965.2、95201460.3、
95201762.2および95201761.4に開示されている。
なお、日本特許出願59 148031は、温度勾配を生じる手段、および安定したオ
ン状態の電圧より大きい電圧をオン上昇のみの時に供給するための電圧源を使用
して操作される光スイッチを開示している。その後、電圧を安定したオン状態の
電圧より下の値に下げることは開示されていない。
本発明はさらに、少なくとも一つの入力部、少なくとも二つの出力部、少なく
とも二つの出力部の間に温度差を付与する要素、および該要素を駆動するための
手段を含むデジタル式熱−光スイッチに関し、該手段(好ましくは電気回路)は
、刺激に応じて、最初の温度差をΔTmin以上の値に増加させ、次いでその差を
ΔTmin未満の差に減少させるように該要素を駆動し、ここでΔTminは、スイッ
チ切換に必要な最小の温度差である。ΔTminでの分離は少なくとも16dBである
のが好ましく、好ましくは少なく
とも25dBである。
好ましくは、温度差をΔTminより少なくとも10%小さい差に減少させ、およ
び/または最初の温度差はΔTminより少なくとも20%大きい。
ポリマー製のスイッチが好ましい。さらに、デジタル式熱−光スイッチが16dB
より大きい(良好な)、好ましくは25dBより大きい分離を有するならば、スイッチ
における低下は許容され得る範囲内のままであり、スイッチは実質上、任意の用
途での使用に適する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Switching method of optical signal and thermo-optical switch
The present invention converts an optical signal from an input of a digital thermo-optical (TO) switch to the switch.
Switch to at least one output of the switch, comprising:
A method in which a temperature difference is applied between the two outputs.
Such a method is described in Keil et al. “Achieved with low-cost polymer waveguide technology
(2x2) digital optical switch "Electronics Letters, Vol.32, No.19 (19
1 Aug. 1996), pp. 1470-1471. In this document, four waveguides (
Or more precisely, a waveguide channel), two inputs and two outputs,
Also described is a thermo-optical switch having four electrodes for heating the waveguide.
I have. Switching the signal from one of the inputs to one of the outputs is a waveguide
By selective heating.
In addition to this 2x2 switch, especially 1x2 (e.g., "Y-branched") thermo-optical switches
There is a switch. In one aspect, a "single mode" signal heats only one of the outputs
In other words, it induces a temperature difference between the outputs, and thus a refractive index difference.
As a result, the input unit is switched to one of the output units. The most ordinary sui
The signal passes through the waveguide with the highest refractive index. Polymer Digi
In the case of a thermo-optical switch, it is the lowest temperature (thus,
(The highest density).
After switching, the switch is in the expected position and the temperature difference is maintained.
In practice, the electrode acting as a heating element is driven at a certain voltage, which is constant
(In other words, the switch is driven stepwise).
In a thermo-optical switch, the thermo-optical switch is in the same state for a long time (several days to several years)
Occasionally, you may encounter phenomena that occur in particular,
Most appropriately described as "symmetric."
In order to explain this phenomenon, 1x2 ("Y-branch") as schematically shown in FIG.
A digital thermo-optical switch made of polymer is used. This switch 1
To heat the input part 2, the left output part 3, the right output part 4, and the output parts 3, 4
(Here, the electrode 5 is shown more finely than a conventional electrode).
The signal S2 of the input unit 2 is sent to the output unit 3 on the left. In that case, the right output section
The fourth electrode 5 is heated. 20.0dB of isolation (ie, each output of the switch
1% of the signal S2 is guided to the output unit 4 on the right side.
, S2 are guided to the output unit 3 on the left side (10 log (99/1) = 20.0 dB). Right output
When the electrode 5 of the part 4 is no longer driven, the switch ideally returns to the ground state.
You. In this state, the switch functions as a passive splitter, providing two signals S2
(50% / 50%; separation 0 dB).
A thermo-optical switch that has been in the same state for a long time will have its driven electrodes switched off.
Fail to return to the ground state described above (or
But more than half of the S2 signal is still left out in this example.
It has been found that it returns to the asymmetric state guided by the force part 3. The switch looks like this
Continue to have some bias with respect to the previous state. The electrode 5 of the output unit 3 on the left is
This asymmetry, even when driven by different voltages and creating a temperature difference between the outputs
It cannot be overcome (rapidly) enough and the prescribed separation can no longer be achieved.
In such a case, switching the switch will cause an extra increase in the voltage across the electrodes
This can still be done by centralized monitoring of the switch (actually
And relatively complicated driving means are required. In addition, the voltage
If it is increased more than once, the asymmetry will increase in resonance, eventually using the switch.
May reach inappropriate levels for
In many TO switch applications, the switching of the switch is performed under (relatively) rare conditions.
Arose. A good example of this is protection and redundancy, in which case damage to the fiber
The switch always sends the signal to the same fiber
Lead. If there is such a problem, the switch will turn and the signal will be damaged.
Not guided to a second fiber. In such applications, the appropriate switching action
If it cannot be guaranteed, the entire redundant system is meaningless. Word
In other words, the value of such a system depends greatly on the reliability of the switch.
In view of the above, no increase or very low increase in residual induced junction asymmetry
A degree of thermal-optical switch switching is desired. The present invention meets this need.
Is the purpose of this, which, in the method described in the first paragraph,
(Temperature) difference is ΔTminAnd ΔTminWhere the difference is reduced to less than
ΔTminIs achieved when the minimum temperature difference required for switching the switch is reached.
The residual induced junction asymmetry of the described thermo-optical switch is related to the heat supplied.
Was found. In general, this asymmetry is caused by the power supplied (which is converted to heat).
, Resulting in a temperature difference), the less rapidly it increases. Preferred
In other words, the power is changed by the temperature difference ΔT between the output portions of the switches.minAt least 10% smaller
Or even reduce to a level that drops to a 20% smaller difference.
In addition to the reduction in residual asymmetry, the reduction in heat supply itself is also on the switch (especially on the electrode).
This is advantageous because the heat load and power consumption are reduced.
Given the action of the thermo-optical switch, the effectiveness (separation) of switch switching is substantially reduced
Power supply ΔT without any significant changeminValue that produces a temperature difference of less than
It is worth noting that it can be reduced to Heat-light switch (
Especially those made of polymers) were found to exhibit hysteresis. This is two
Identify separation between output sections
Temperature difference on the output to increase above the value of
The temperature difference required to switch the switch) falls below that value (and the switch
(Switching is canceled) means higher than the temperature difference.
The answer to the question as to whether the switching has been completed depends on the specifications of the switch.
Depending on the application or given application. Specific switch specifications are at least 15 dB separation
If this is the case, for a 1x2 switch, this is
Is less than 5 ms), and less than 3% of the power of the signal supplied to the switch passes through the output
Is considered to be in the “off” state, while more than 97% of the signal
Passing means being considered to be in the "on" state.
The term "switched" does not merely represent an absolute physical state,
Rather, the specification of this switch in the switched state (particularly separated in the case of the present invention)
It is clear from the above that it shows that Therefore, separation is a switch
Or its use. For example, a switch provides 30dB of isolation.
Although acceptable, 18 dB is sufficient for certain applications. In that case, the standard is 18dB
. However, ΔTminAt least 16 dB, preferably at least 25 dB
Preferably.
The effect of the present invention is that the switch made of polymer (ie at least the waveguide,
However, the coating is usually particularly prominent in switches where the coating is also made of an organic polymer. Further
The present invention
In the case of the method according to the invention, greater than 16 dB (good) in the switching state, or even
Would prefer to use a switch that allows for greater than 25 dB isolation
You.
As described above, in the method according to the present invention, ΔTminThe above (temperature) difference
And then reduce the difference. Preferably, as soon as possible after switching
However, the time required is at least sufficient to guarantee the effects of the present invention.
Should be a minute longer. The time involved depends on the switch itself, but on the whole switch.
It also depends on body temperature (the higher the temperature, the higher the temperature difference across the switch output).
Can be reduced quickly). In many cases (especially with polymer waveguides)
The difference can be reduced after less than 0.1-0.5 seconds. Especially switch off
For applications where there is little exchange, do this after 5 seconds or even 10 seconds.
It is preferable not to know.
In that regard, the higher the temperature of the entire switch, the higher the accumulation of residual induced junction asymmetry
It is thought that it does not occur very strongly. In one aspect according to the present invention, the switch
The body is kept at a temperature above 40 ° C, preferably above 60 ° C. To do this, switch
The hutch may be provided with, for example, one or more heating members and thermal insulation.
According to the present invention, the time until the temperature difference can be reduced is reduced.
To also enhance the effectiveness of the method, the initial temperature difference ismin20% more than
Make it bigger or even more than 50% or 100%
Is preferred. If the pulse is shortened, the switch will be in an unusual switching state (eg
For example, high and low alternating frequencies and / or irregular switching)
Will not accept it.
ΔTminThe size of the switch must be at least the switch in the ground state (separation 0 dB).
Quickly overcomes the temperature difference required to enter the switch switching state and the previous switch switching state
Consists of the additional temperature difference required to dress. ΔTminIs a switch (structure, used
Material, etc.) and depends on what has occurred earlier,
Result, ΔTminCan also be changed over time in one and the same switch.
Note that it is not possible to select a high power supply to the switch. Some high electricity
In force, the susceptibility of polarization to play an increasingly important role. The reason
Therefore, preferably, the power used is ΔT across the output of the switch.min
It is not power that produces a temperature difference that is 400% greater.
The method according to the invention is shown schematically in FIG. The digital digital camera according to Fig. 1.
In the thermo-optical 1x2 switch, the signal S2 is shown, and the electrode 5 of the right output unit 4 is an example.
For example, a voltage of 4V is applied. As a result, power having a magnitude A is supplied to the electrode 5.
Is done. This power is ΔT between outputs 3 and 4minProduces a temperature difference equal to
.
After 2 ms, 99.91% of the power of Shin-S2 is sent to the relatively cool left output 3
That is, the separation is less than 30 dB
Above, i.e., with a predetermined ≥30 dB separation,
Can be stated). Generally speaking, the supplied power A is time-dependent.
It remains unchanged even if you spend it. According to the invention, the voltage across the electrode 5 after 4 seconds
The power is reduced to 2.5V and the power is reduced to B (B = about 0.6 x power A), but the separation is better than 30dB
Remains slightly above.
The power C (= approximately 1.5 × power A) shown in FIG. 2 is an example of the above-mentioned temperature difference peak.
is there. Because of this peak, the voltage may affect the separation even longer.
Indeed, after one second it can already be reduced to B.
Another advantage of the method according to the invention is that with the already used TO switch
It can also be used. In many cases, the advantages of the present invention,
The relatively long life simply replaces the drive of the means for heating the output,
Or you can get it just by adjusting.
Note that for completeness, there is a large difference between the inherent junction asymmetry and the induced junction asymmetry.
Note that there are differences.
The inherent asymmetry relates to the asymmetry resulting from the switch material and shape.
For example, a 1x2 TO switch consisting of a waveguide running in one straight line and one branch
H (in a sense, a distinction is made between a "Y-branched" switch in which there are two branches and a contrast
6), a 6 dB separation can be measured without turning any of the electrodes “on”.
Induced asymmetry can create a temperature difference between the heat supply and the branch or output.
Heat-light effect
Asymmetry resulting from Of course, the two types of asymmetry can be combined into one switch
Can exist at the same time.
The invention is not limited to any one particular type of TO switch, but rather
NxM (N and M are both integers) and 1xN switches. As a rule
1x2 switch ("Solid state 1x2 optical switch", ie, Akzo Nobel Be
A matrix comprising an amBox ™ and a 1 × 2 switch is preferred. Appropriate
Switches (made of polymer) are, in particular, European patent applications 95200965.2, 95201460.3,
95201762.2 and 95201761.4.
Japanese Patent Application No. 59 148031 describes a means for generating a temperature gradient,
Uses a voltage source to supply a voltage higher than the voltage in the ON state only during ON rise
Discloses an optical switch that is operated in a controlled manner. After that, stabilize the voltage
No reduction to a value below the voltage is disclosed.
The invention further provides at least one input, at least two outputs, at least
Element for imparting a temperature difference between the two output parts, and for driving the element
For a digital thermo-optical switch comprising means, said means (preferably an electrical circuit)
, The initial temperature difference is ΔTminAnd then increase the difference
ΔTminDrive the element to reduce the difference to less than ΔTminIs a switch
This is the minimum temperature difference required for switching. ΔTminSeparation is at least 16dB
Preferably, preferably less
Both are 25dB.
Preferably, the temperature difference is ΔTminAt least 10% less, and
And / or the initial temperature difference is ΔTminAt least 20% larger.
Polymer switches are preferred. In addition, 16-dB digital thermo-optical switch
Switch if it has a greater (good), preferably greater than 25 dB separation
The drop in remains within an acceptable range, and the switch can be used in virtually any application.
Suitable for intermediate use.
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