JP2002268105A - 集積光スイッチングデバイスおよび光をスイッチングする方法 - Google Patents
集積光スイッチングデバイスおよび光をスイッチングする方法Info
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Abstract
ること。 【課題】 【解決手段】 光デバイスは、光信号のスイッチングま
たはリダイレクティングのような光ルーティング機能を
提供する。この装置は、比較的小さい制御ウィンドウに
よりプレーナ構造の上表面を通して、基板中に形成され
た光チャネルの1個以上の予め選択された領域に結合す
る1つ以上の制御光ビームを使用する。制御ウィンドウ
における制御光ビームの存在は、チャネルの一部の非線
形光媒体の屈折率を増大させる。このチャネルの部分
は、前記チャネルの部分に与えられる制御光ビームの強
度に応答して、チャネル中を伝播する光信号を反射また
は透過させるためのオン/オフフィルタとして機能する
構造を含む。いくつかの実施形態において、光チャネル
は、2D PBG構造をインターラプトし、これは、光
チャネルに対する境界として機能する。
Description
用する光デバイスに関する。
において使用される光導波路において、光は、1つの空
間的方向に伝播する。これらの導波路は、光をダイレク
ト(direct)するために、比較的より高いおよびより低
い屈折率を有する2つの媒体間の界面における全内部反
射(total internal reflection)を使用する。全内部
反射は、より高い屈折率を有する媒体中に光を伝播させ
る。
するために使用され得る。周期的誘電体構造において、
光伝播は、クリスタル中の電子伝播に似ている。光の波
長が、格子(lattice)の寸法のオーダーである場合、
フォトニックバンドギャップ(PBG)ができる。PB
Gは、光子が、周期的誘電体構造をとって伝播すること
ができない波長範囲である。入射光の波長が、PBG中
にある場合、入射光は、その構造を通って伝達するので
はなく、周期的誘電体構造で反射される(reflected of
f)。その格子長が、近赤外(near infrared)または可
視光の波長のオーダである周期誘電体構造は、しばしば
PBG構造と呼ばれる。PBGにおける波長を有する光
は、PBG構造中の狭いチャネルを伝播することができ
る。
を使用する提案が存在する。O. Painter等による論文
“Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode La
ser”、1999年6月11日発行のサイエンス(p.
18以下)は、二次元(2D)の2D PBG構造にお
けるレーザキャビティの形成を示す。レーザキャビティ
は、III−V族結晶体半導体において製造され、レー
ザキャビティを形成するために、2D PBG構造中の
チャネルおよび欠陥(defect)を使用する。
的は、非線形光媒体を使用する改良された光デバイスを
提供することである。
元(1D)光導波路をその中に有するプレーナ導波路
(planar waveguide)を含む集積光スイッチ(integrat
ed optical switch)に関する。1D導波路は、フィル
タを形成する特定相互作用領域(specific interaction
region)を有する。フィルタは、少なくとも一部にお
いて、非線形光媒体からなり、外部から導入される制御
光により制御可能である。制御光の強度を変化させるこ
とで、フィルタが第1状態と第2状態との間で変化する
ように、非線形媒体の屈折率を変化させることにより光
スイッチングを生じる。フィルタは、第1の状態におい
て、1D導波路中を伝播する光を透過させ、第2の状態
において1D導波路中を伝播する光を反射する。
は、PBG構造およびその中のチャネルから形成され
る。PBG構造は、その中で選択された波長範囲の光が
伝播する1D導波路としてチャネルを機能させる。チャ
ネルは、非線形光媒体から形成され、欠陥を有する孔
(holes)の周期的配列から形成された共振キャビティ
を含む。キャビティ中の媒体の屈折率を変化させ、そし
て、キャビティの共振周波数を変化させる制御光ビーム
を与えることから、スイッチングが生じる。
体、例えばガリウム(Ga)、砒素(As)、インジウ
ム(In)、およびリン(P)のグループからの元素を
含む半導体におけるPBG構造およびこれらの半導体中
にキャリア密度を生じる制御光の波長を使用する。キャ
リア密度の存在は、媒体の屈折率およびその中の光キャ
ビティの共振周波数を大きく変化させる。これらの例示
的なスイッチは、約0.9ないし1.65μmの波長の
光をスイッチすることができる。
1光スイッチを形成するプレーナ構造8のそれぞれ上面
図および側面図を示す。プレーナ構造8において、伝播
光は、上側および下側の外側層6での全内部反射(tota
l internal reflection)により中心層に閉じこめられ
る。プレーナ構造8は、非線形光媒体、例えば、Ga,
As,InおよびPからなるグループからの元素を含む
半導体または別のIII−V族半導体からなる1D光チ
ャネル12を含む。チャネル12および境界(boundari
es)13は、光入力14から光出力16へ光を導く1D
光導波路を形成する。
るチャネル光を透過させ、他の波長範囲にあるチャネル
光を反射させる光フィルタ18を含む。フィルタ18の
波長選択性は、制御アクセスウィンドウ19を通してフ
ィルタ18に導入される制御光により制御可能である。
制御アクセスウィンドウ19は、プレーナ構造8の上表
面上にある。チャネル12は、光スイッチとしてのフィ
ルタ18中の制御光の強度の変化に応答する。
体、およびチャネル12の媒体中を伝播するように光を
横方向に閉じこめる境界13を含む。一実施形態におい
て、チャネル12は、III−V族半導体で形成され、
横方向境界13は、1つ以上の誘電体層で形成される。
誘電体層は、チャネル12の半導体よりも低い屈折率を
有する。これにより、横方向層は、全内部反射により、
チャネル12に沿って伝播するように光を閉じこめる。
いくつかの実施形態において、チャネル12は、入力1
4からの距離で変化する横方向幅を有する。
形態を示し、チャネル12は、III−V族半導体媒体
であり、横方向境界13は、同じ半導体媒体中に配置さ
れた同一散乱オブジェクト20の周期的アレイである。
境界13は、チャネル12によりインターラプトされた
PBG構造を形成し、即ち、チャネル12にはオブジェ
クト20がない。オブジェクト20は、半導体媒体と異
なる屈折率を有する。例示的なオブジェクト20は、プ
レーナ構造8を横切る円筒孔を含み、プレーナ構造8中
の含有物を含む。
からのコヒーレント回折(diffraction)によりチャネ
ル12中を伝播するように光を横方向に閉じこめる。ま
た、PBG構造は、チャネル12中の光伝播を、選択さ
れた波長範囲に制限する。他の波長範囲中の光は、チャ
ネル12中に入るのではなく、プレーナ構造8の側面で
反射する。
規則的に間隔をおかれた同一のオブジェクト24のアレ
イおよびアレイ中の欠陥26を含む。オブジェクト24
は、周りの媒体の屈折率と異なる屈折率を有し、これに
より、チャネル12中を伝播する光を散乱させる。例示
的なオブジェクト24は、プレーナ構造8を横切る含有
物または孔を含む。例示的な欠陥26は、チャネル12
中の2個のシーケンシャルに隣接するオブジェクト24
間の間隔が、フィルタ18の他のシーケンシャルに隣接
するオブジェクト24間の間隔より大きいまたは小さい
ことである。別の例示的な欠陥26は、1つのオブジェ
クト24が、フィルタ18の他のオブジェクト24より
も大きいまたは小さいことである。
を、チャネル12中でシーケンシャルに隣接する2個の
より小さいアレイ22,23に分離する。アレイ22,
23間の例示的な分離は、チャネル12中を伝播する光
の波長の約1/4から2倍である。欠陥26およびより
小さいアレイ22,23は共に、チャネル12中の光伝
播のための共振光キャビティのように機能する。より小
さいアレイ22,23は、共振キャビティのための分布
型反射器(distributed reflectors)である。共振キャ
ビティは、狭い範囲の光の波長が伝達することを許容
し、これにより、バンドパスフィルタ18として機能す
る。
タ18のスペクトル反射率(または透過率)がどのよう
に、フィルタ18中に導入される制御光強度に依存する
かを示す。反射率は、フィルタ18が、その屈折率がそ
の中の光強度に依存する非線形光媒体中に形成されるの
で、制御光強度に依存する。
して、制御光強度AおよびBは、それぞれ中心波長λお
よびλ’を生成する。強度Aの制御光は、フィルタ18
を、チャネル12中を伝播する波長を透過させる状態に
する。強度Bの制御光は、元の波長λの光が、フィルタ
のパスバンドの外になるように、フィルタの中心波長を
シフトする。これにより、強度Bの制御光は、フィルタ
18を、チャネル12中を伝播する光を反射する状態に
する。
サイズ、即ち、|λ−λ’|は、非線形光媒体、制御光
の波長、および制御光に対する強度変化に依存する。半
導体媒体に対して、バンドギャップを超えるエネルギに
対応する波長は電子および正孔キャリア密度を生じ、こ
れにより、そのような媒体中に構成されたフィルタの屈
折率および中心波長に比較的大きなシフトを生じる。
半導体に対しても、制御光の強度の緩やかな変化は、屈
折率に対して約1%のみのシフトを生じ、そのような媒
体中に構成されたフィルタの中心波長に対して同等のシ
フトを生じる。屈折率の1%のシフトに対して、反射率
は、フィルタ18のシフトされたパスバンドおよびシフ
トされていないパスバンドが大幅にオーバラップしない
場合、約100以上のQを必要とする。ここで、Qは、
反射率曲線の半値幅の逆数である。
媒体において1%の屈折率シフトを生じさせるために、
制御光は、そのエネルギが、Ga,As,InおよびP
による半導体の電子的バンドギャップの波長に近い波長
を有するように選ばれる。例えば、そのエネルギは、電
子的バンドギャップのエネルギ+約0.1および0.5
エレクトロンボルト(eV)に等しい。この波長の選択
は、薄いチャネル12、即ちその厚さが約0.3ないし
1.5ミクロンのチャネルの内部における制御光のほと
んどの吸収を可能にする。そのようなチャネルは、約
1.55ミクロンの波長、即ち電子的バンドギャップよ
り僅かに低いエネルギに対応する波長をスイッチする構
造8における使用に適合されている。
のフィルタ18に対して、制御光により生じさせられる
屈折率の変化は、チャネル12中の光伝播の反射状態お
よび透過状態間で、フィルタ18をスイッチすることに
なる。約1%の利用可能な中心波長シフトに対して、フ
ィルタ18に対するそのような状態変化は、通常、フィ
ルタ18が高いQを有することを必要とする。フィルタ
18は、アレイ22,23の両方が、チャネル12に沿
ってシリアルに間隔をおかれた3−5またはそれ以上の
オブジェクト24を有する場合、およびアレイ22,2
3中のシリアルに隣接するオブジェクト間の間隔が、フ
ィルタの中心波長の約1/4ないし2倍である場合、高
いQを有し得る。
の動作方法30を示すフローチャートである。最初の時
点において、スイッチのチャネル12を通る光透過をブ
ロックするためのリクエストが、スイッチコントローラ
により受信される(ステップ32)。このリクエストに
応答して、コントローラは、フィルタ18中の制御光強
度を調節し、フィルタ18にチャネル12中を伝播する
光を反射させる(ステップ34)。制御光は、プレーナ
構造8の透明な制御アクセスウィンドウ19を通してフ
ィルタ18に導入される。
上述した反射状態になるように、フィルタのスペクトル
応答がシフトする。同じ制御光強度を維持する間に、入
力光信号が、チャネル12の光入力14において受信さ
れる(ステップ36)。制御光に応答して、フィルタ1
8は、入力光信号を入力14に向かって反射して戻す
(ステップ38)。後の時点において、チャネル12を
通る光伝達を透過させるための新しいリクエストが、コ
ントローラにより受信される(ステップ40)。
ラは、チャネル12中を伝播する光をフィルタ18に透
過させる新しい値に、制御光強度を再調節する(ステッ
プ42)。制御光の強度を維持している間に、入力光信
号が、チャネル12の光入力14において受信される
(ステップ44)。新しい制御光強度に応答して、チャ
ネル12は、フィルタ18を通してチャネル12の出力
16へ入力光信号を伝達させる(ステップ46)。
18およびチャネル12は、より複雑な光スイッチを形
成するために使用され得る。
一対の出力光チャネル54,56を含む1×2光スイッ
チ50を示す。例示的なチャネル52,54,56は、
図示しない2D PBG構造中にある。2D PBG構
造は、それ自体、図1A−1Cの構造8に似たプレーナ
構造58中に配置される。PBG構造は、その屈折率
が、プレーナ構造の非線形光媒体の屈折率と異なる同一
のオブジェクトの2D周期的アレイを含む。例えば、複
数のオブジェクトは、プレーナ構造58を通しての複数
の孔であり得る。
の2Dアレイをインターラプトする。PBG構造は、入
力51において受信される光をコヒーレントに回折し、
これにより、入力光の波長の範囲を、チャネル52,5
4,56に沿って伝播させる。光は、入力チャネル52
を伝播し、その後、出力チャネル54および56に沿っ
て伝播するように振幅分割する。プレーナ構造58は、
全内部反射により、構造の面に垂直な方向に光伝播を制
限する。
6の両方の特定の領域中に、オブジェクトのアレイ6
4,66を含む。アレイ64,66は、図1A−1Cに
示されたオブジェクトのアレイ24に似た共振光キャビ
ティとして機能する。アレイ64,66は、チャネル5
4および56に関連する光伝播に対する光的に制御可能
な透過性を有する光フィルタとして機能する。アレイ6
4,66は、プレーナ構造58の上表面中の透明な制御
アクセスウィンドウ67,68によりアレイ64,66
に導入される制御光ビームの強度により独立に制御され
る。制御光ビームの強度は、アレイ64,66を透過状
態および反射状態の間でスイッチし、入力光を出力チャ
ネル54,56に選択的にスイッチする。
い(例えば、Ga,As,InおよびPで形成されたい
くつかの結晶半導体に対して1.2−1.3μm)にお
ける選択された制御光強度をウィンドウ67に導入する
ことは、アレイ64中の屈折率を変化させる。新しい屈
折率は、アレイ64を、入力チャネル52から受信され
た光をチャネル52,56に反射させ、チャネル54に
光が伝播することを停止させる。いくつかの実施形態
は、1つ以上の光散乱オブジェクト59、例えば孔を、
チャネル54と56との間の交差点近くに配置し、出力
チャネル56において終了する反射光のパーセンテージ
を増大させる。
力チャネル52から受信される光に対して、アレイ66
を反射性にさせることができる。そして、光は、チャネ
ル56中を伝播するのではなく、アレイ66によりチャ
ネル52,54に反射される。
プレーナ構造70の上面図である。構造70は、1つの
入力光チャネル72およびN個の出力光チャネル741
−74Nを含む。各出力光チャネル741−74Nは、
独立の制御光ビームにより制御可能でありかつ図1A−
1Cのフィルタ18に類似するフィルタ761−76 N
を含む。個々の制御光ビームの強度は、関連するフィル
タ761−76Nが、関連するチャネル741−74N
中の光に対して透過性または反射性であるかを決定し、
これにより、スイッチを通る入力チャネル72からの光
信号のルーティングを制御する。
構造を備えたプレーナ構造70である。プレーナ導波路
を横切るPBG構造の光散乱オブジェクト、例えば孔
は、チャネル741−74Nにはない。
Cのフィルタ18において使用されるアレイに似たオブ
ジェクトのアレイから形成され得る。したがって、個々
のフィルタ761−76Nに関連する制御光ビームの存
在および/または不存在は、出力チャネル741−74
Nを通る入力光の伝播を制御することになる。例えば、
全ての制御光ビームが「オフ」であるとき、各チャネル
のフィルタ741−74Nは、本質的に同じ伝播特性を
示し、入力光は、各出力チャネル741−74 Nに伝播
することになる。
ティブ化される場合、この制御光ビームに関連づけられ
たN−1個の出力チャネル741−74Nは、入力光に
対して反射性になる。そして、これらのチャネル741
−74Nは、入力光チャネル72および残りの出力光チ
ャネルに沿って入力光を反射して戻す。これにより、こ
の構成に対して、1つのみの出力チャネルが、それを通
って入力光信号が伝播することを許容する。
ない追加的な光フィルタが、他の出力チャネル741−
74N−1との交差点間の出力チャネル74N上の場所
に沿って配置される。追加的なフィルタは、図1A−1
Cのフィルタ18と同様のものであり、更なるルーティ
ング制御を提供するために別個の制御光ビームにより動
作される。
スピードは、ターンオン時間およびターンオフ時間の和
である。スイッチング時間は、バルク媒体の特性、例え
ばIII−V族半導体の特性および制御可能な光フィル
タ18,64,66,761−76Nに使用されるオブ
ジェクトのアレイ24および欠陥26の形の両方に依存
する。特に、制御光ビームにより誘導される電子および
成功のキャリア密度は、制御可能な光フィルタ18,6
4,66,761−76Nにおける屈折率を決める。
れるキャリア密度を生じる制御光パルスを生成するため
に必要とされる時間によってのみ制限される。他方にお
いて、ターンオフ時間は、同じ電子および成功キャリア
を再結合するために必要とされる時間により制限され
る。キャリア再結合レートは、バルク媒体の固有な特性
および表面処理の両方に依存する。再結合レートへの表
面寄与(surface contributions)は、表面積および制
御可能なフィルタ18,64,66,761−76Nを
形成するオブジェクト24の表面に対する表面特性の両
方に依存する。
N中のオブジェクト24の数が大きくなると、再結合に
対する実際の表面寄与が大きくなり、ターンオフ時間が
短くなる。それにも関わらず、ターンオフ時間を短くす
ると、スイッチを同じ状態に維持するために光制御ビー
ムにより供給されなければならないパワーの比例的増大
を生じる。これにより、スイッチングスピードは、スイ
ッチを特定の構成に維持するために利用可能なパワーバ
ジェット(power budget)により制限されることにな
る。
イッチの様々な実施形態は、集積光増幅器を含む。この
増幅器は、チャージキャリアを注入した半導体媒体を通
る信号伝播により引き起こされる信号減衰を相殺する利
得を提供する。例示的な増幅器は、出力チャネルの半導
体媒体を跨って配置された電気コンタクトおよびこれら
のコンタクトに接続された電源を含む。電源は、出力チ
ャネル中のキャリア密度をポンプし、ポンプされたキャ
リア密度は、誘導放出(stimulated emission)により
出力信号を増幅する。減衰を相殺するためのそのような
増幅器の使用は、当業者に知られている。
非線形光媒体を使用する改良された光デバイスを提供す
ることができる。
記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関
係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと
解釈すべきではない。
施形態を示す図 D 図1A−1Cのスイッチにおいて使用されるフィル
タの反射率はどのように制御光ビームの強度に依存する
かを示す図 E 図1A−1Cの集積光スイッチの動作方法を示すフ
ローチャート
面図
Claims (10)
- 【請求項1】 非線形光媒体および上表面を有するプレ
ーナ基板と、 前記基板中に配置され、中心領域および前記中心領域へ
光を伝播させるように構成された1つ以上の境界を有す
る導波路と、 前記導波路中に配置され、前記上表面を通して前記フィ
ルタへ伝達される制御光の強度に応答する光に対するス
ペクトル透過性を有する光フィルタとを有することを特
徴とする集積光スイッチングデバイス。 - 【請求項2】 前記基板中に配置され、その中に前記上
表面が制御光を導入することができ、前記第1の導波路
に光的に接続された第2の導波路と、 前記第2の導波路中に配置され、別の導波路中の制御光
の強度に応答する媒体中を伝播する光に対するスペクト
ル透過性を有する第2のフィルタとをさらに有すること
を特徴とする請求項1記載のデバイス。 - 【請求項3】 前記第1および第2のフィルタは、前記
制御光の強度に異なるように応答する透過性を有するこ
とを特徴とする請求項2記載のデバイス。 - 【請求項4】 光を導波路を通して伝達させるコマンド
に応答して、導波路の領域中に第1の強度の制御光を導
入するステップと、 入力光を前記導波路を通して伝達させないコマンドに応
答して、前記領域中に第2の強度の制御光を導入するス
テップと、 第1および第2の強度の制御光を伝達させる動作を実行
する一方で、入力光を伝達させるステップとを有し、 前記領域は、その中の光強度に応答するスペクトル透過
性を有することを特徴とする光をスイッチングする方
法。 - 【請求項5】 前記導入するステップおよび光を伝達さ
せるステップは、異なる波長の光を前記導波路に送るこ
とを特徴とする請求項4記載の方法。 - 【請求項6】 前記導入するステップおよび前記伝達さ
せるステップは、光を異なる光ウィンドウを通して前記
導波路に送ることを特徴とする請求項4記載の方法。 - 【請求項7】 前記導入するステップのうちの1つが、
前記導波路へ光を送り、前記送られる光は、前記送られ
る光を受信する導波路中のチャージキャリア密度を増大
させるのに十分に短い波長を有することを特徴とする請
求項4記載の方法。 - 【請求項8】 基板と、 前記基板中に配置され、非線形媒体、入力、第1および
第2の出力、前記入力から前記第1または第2の出力に
光を伝達させ、媒体に与えられるある強度の光制御信号
に応答して、第1の出力から第2の出力へのある波長の
光のルーティングを変化させる光カプラと、 前記基板中に配置され、かつ前記入力に結合された第1
の光導管と、 前記基板中に配置され、かつ前記第1の出力に結合され
た第2の光導管と、 前記基板中に配置され、かつ前記第2の出力に結合され
た第3の光導管とを有することを特徴とする集積光デバ
イス。 - 【請求項9】 前記カプラは、前記入力から前記第1の
出力へ光を伝達することにより、制御光の1つの空間的
分配に応答し、かつ前記入力から前記第2の出力へ光を
伝達することにより、制御光の第2の空間的分配に応答
することを特徴とする請求項8記載のデバイス。 - 【請求項10】 前記カプラは、非線形媒体の電子的バ
ンドギャップより大きいエネルギに対応する波長を有す
る制御光信号に応答して、前記第1の出力から前記第2
の出力への光のルーティングを変化させることを特徴と
する請求項9記載のデバイス。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/752,634 US6697542B2 (en) | 2000-12-29 | 2000-12-29 | Integrated optical switches using nonlinear optical media |
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