JP2003202606A

JP2003202606A - 光スイッチ

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Publication number: JP2003202606A
Application number: JP2001401519A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Ogawa; 育生小川; Arata Kamei; 新亀井; Toshikazu Hashimoto; 俊和橋本; Takeshi Kitagawa; 毅北川; Shinji Mino; 真司美野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-18
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP3936865B2

Abstract

(57)【要約】【課題】損失・クロストーク等の性能と、ポート数の
拡張性を併せ持つ、光スイッチを提供する。【解決手段】導波路３または４を伝播してきた信号光
を、光ビーム変換部２で平面内に連続的に広がった光ビ
ームに変換した上で、メインスラブ光導波路１を介して
スイッチングする平面基板上に作成された光スイッチで
ある。平面内に連続的に広がった光ビームは、アレイ導
波路格子の出力に比べ、ビーム偏向角を大きく取ること
ができる。メインスラブ光導波路１に中央部で最もビー
ム幅が細くなるようなビームを通そうとすると、メイン
スラブ光導波路１の長さによって入出力位置のビーム幅
の最小値が定まる。この最小値が実現されるように光ビ
ーム変換部２を設計すれば、小型で従来に比べ、ポート
数の多い光スイッチが実現される。この結果、従来に比
べ大規模な平面基板上に作成された光スイッチが実現可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光信号処
理に用いる光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量の光通信ネットワークの構築に向
けて、低損失、低クロストーク、高速スイッチング等の
優れた性能を有し、かつ規模の拡張性に富んだ光スイッ
チの開発が急務となっている。以下、上記の観点から、
従来の光スイッチ技術とその問題点について説明する。

【０００３】従来、実用上実績のある光スイッチとして
は、１本の入力光ファイバと２本の出力光ファイバとの
接続を機械的に切り替える、いわゆるメカニカルスイッ
チが知られているが、メカニカルスイッチはスイッチン
グ速度が遅く、また、大規模化にあたっては、極めて多
数のスイッチ素子間を光ファイバ等で複雑に配線するこ
ととなるため、規模の拡張性に乏しい。

【０００４】一方、従来、大規模Ｎ×Ｎスイッチを構成
するいくつかの方法が提案され、検討が進められてい
る。これらの主なものは、平面光導波路を用いたマトリ
クススイッチ型と、３次元フリースペーススイッチ型に
大別できるが、いづれも課題があった。

【０００５】すなわち、マトリクススイッチ型は、上述
したメカニカルスイッチと比較して比較的少ないスイッ
チ素子数でＮ×Ｎスイッチを構成でき、かつ光スイッチ
素子のクロス状態を利用することにより、交差を避けら
れることから集積回路化が容易となる利点がある。しか
しながら、こうしたスイッチ素子を複数組み合わせる構
成は、ポート数の増大に伴ってスイッチ素子数が爆発的
に増大し、集積化が困難になるとともに、スイッチ素子
の損失が累積する問題があった。

【０００６】他方、フリースペース光スイッチは、ポー
ト数の増大に対して損失が単純に累積しないため、規模
拡大には適しているものの、基本的な個別部品の３次元
実装構造となるため、実装工程が極めて難しくなる問題
と、周囲温度の変化・振動等による特性変化などに対し
て安定性・信頼性に問題があった。

【０００７】図１は、更に第３の従来例として、最近提
案された平面ビームステア型光スイッチの構成を示す
（文献［１］：C. R. Doerr, and C. Dragone,“ Propo
sed optical cross connect using a planar arrangeme
nt of beam steerers,”IEEE Photonics Technol. Let
t., vol. 11, pp. 197-199, 1999.参照）。ここで、複
数の入力ポート９１は各々、所望の出射光ビームの位相
波面を付与するための可変位相器（フェーズシフター）
９２を備えたアレイ導波路からなる第１の２次元光ビー
ム偏向器（スターカプラ）９３を介してスラブ光導波路
９４に接続され、スラブ光導波路９４の対向する端面に
は、第２の２次元光ビーム偏向器（ビームステア）９５
を介して出力ポート９６が接続されている。本構成で
は、複数の入出力ポート９１、９６間を、スラブ光導波
路９４中を伝播する２次元的な光ビームによって接続す
ることによりＮ×Ｎスイッチを実現する。すなわち、複
数の入力信号光を、第１のビーム偏向器９３により、各
々所望の偏向方向を有する２次元光ビームに変換し、ス
ラブ光導波路９４中に出射するとともに、所望の偏向方
向から到来する光ビームを受信するように出力側に設け
た第２のビーム偏向器９５の受光波面を調整することに
より、任意の入出力ポートを接続することができる。

【０００８】本平面ビームステア型光スイッチの構成は
前述のフリースペース光スイッチを２次元化するととも
に、光ビームの送受信系としてアレイ導波路を用いた光
フェーズドアレイ送受信系を適用したことに相当してい
る。２次元化により平面集積回路化が可能となり、温度
安定性・制御性も格段に向上するほか、信頼性の向上も
期待できる。

【０００９】しかしながら、上記の文献［１］にも記述
されている通り、本構成では、１０チャネルを超える大
規模スイッチを実現することは困難である。また、損
失、クロストークともに十分な特性は期待できない。

【００１０】この主たる原因は、アレイ導波路を用いた
光フェーズドアレイを用いたことにある。すなわち、ア
レイ導波路を用いた光フェーズドアレイでは、（１）光
ビームの指向性が極めて小さい角度範囲に制限されるこ
と、および（２）アレイ導波路本数によってビーム数が
制限されるため回路サイズが大型化すること、の２つが
大きな原因である。

【００１１】主たる原因の上記（１），（２）につい
て、以下詳細に説明する。

【００１２】（１）アレイ導波路により形成される光ビ
ームの指向性Ｅ（θ）は、各導波路の出射光が無指向性
（すなわち点波源）であると仮定した場合のフェーズド
アレイ自身による指向性（以下、アレイファクタと呼
ぶ）Ｆ（θ）と、各導波路の出射光の指向性Ｇ（θ）と
の積として、Ｅ（θ）＝Ｆ（θ）×Ｇ（θ）と表される
ことが知られている。

【００１３】最初にアレイファクタＦ（θ）について考
える。一般にフェーズドアレイでは、指向性はアレイ導
波路間隔ｄに依存し、特に、このｄが半波長以上の場合
には、メインローブのほかに高次の回折パターンである
グレーティングローブが、メインローブに対して±asin
（λ／（ｎ×ｄ））の方向に発生することが知られてい
る（ｎはスラブ導波路の屈折率）。

【００１４】ところで、光導波路のモードフィールド直
径は通常波長程度以上の大きな値となり、小さな角度領
域にグレーティングローブが発生することとなる。図１
の第３の従来例では、グレーティングローブが発生する
と損失が増大するばかりでなく、クロストークが生じる
結果となるため、すべての光ビームをグレーティングロ
ーブのない角度領域で形成しなければならない。このた
め、光ビームの指向性が制限され、結果として、入出力
ポート数が制限される。例えば、コアとクラッドとの比
屈折率差Δｎ＝０．８％程度の単一モード石英系光導波
路（ｎ＝１．４６とする）では、モードフィールド直径
は、波長１．５５μｍで４〜６波長程度となり、隣接導
波路間のモード結合を抑えるためにアレイ導波路間隔を
１５μｍに設定した場合には、メインローブの両側約±
４度の方向に第一グレーティングローブが発生する。し
たがって、ビームを形成できる角度範囲は約±２度と極
めて狭い範囲に制限されることとなる。

【００１５】次に、各導波路の出射ビームの指向性Ｇ
（θ）について考える。導波路のモードフィールド形状
をガウス分布とすると、Ｇ（θ）もガウス分布であり、
導波路出射端のスポットサイズω０とすると、電力が１
／ｅ^２となる広がり角（半値）φは、概ねφ＝λ／
（ｎ×π×ω０）と近似できる。形成される光ビーム
は、Ｇ（θ）のプロファイルにしたがって強度が決ま
り、±φで光強度は１／ｅ^２となる。したがって、損
失を所望の値以下に抑えるためには、ビームを形成でき
る角度範囲は、導波路のモードフィールド径によっても
制限されることとなる。例えば、前述のモードフィール
ド径が波長１．５５μｍの５倍程度、ｎ＝１．４６の光
導波路の場合には、強度１／ｅ^２の広がり角φは±５
度とやはり極めて狭い角度に制限され、この角度でも中
央のビームに対して約９ｄＢの損失が加わることにな
る。なお、中央ビームに対する損失増加を３ｄＢまでに
抑えるためには、約±３度となる。

【００１６】（２）一方、形成できるビーム数はアレイ
導波路数で制限される。すなわち、フェーズドアレイの
ビーム半値角は、概ねアレイ導波路数に反比例すること
が知られており、最も単純な場合として、アレイ導波路
の振幅分布を一様励振と仮定した場合には、メインロー
ブと第一グレーティングローブ間のビーム形成可能な角
度領域に、概ねアレイ導波路数と同数のビームを、ビー
ム半値幅と同程度の間隔で形成できることがわかってい
る。ここで、一様励振の場合、第一サイドローブレベル
は−１３ｄＢ程度であり、必ずしも必要なクロストーク
性能を満足できないため、よりビーム間の間隔を広くと
る必要があり、実際に形成できるビーム数はアレイ導波
路数より小さくなる。また、さらにサイドローブレベル
を下げるためには、励振分布にテーパーをつける等の工
夫が必要になるが、その場合には、メインローブのビー
ム半値角は一様励振の場合よりも広くなるため、やは
り、形成できるビーム数はアレイ導波路数より小さくな
る。

【００１７】このように、通常、アレイ導波路数と同等
以下のビーム数しか形成できず、逆に、十分なクロスト
ークを得るためには、所望のビーム数の２〜３倍のアレ
イ導波路数を設ける必要がある。しかしながら、前述し
た通り、アレイ導波路間隔はある程度以下には近接でき
ないため、アレイ導波路出射端の開口長が大きくなる問
題がある。例えば、１００ビームを形成するためには、
２００〜３００本以上のアレイ導波路が必要であり、前
述のアレイ導波路間隔１５μｍ、ｎ＝１．４６の石英系
光導波路の場合には、３０００〜４５００μｍ以上の開
口長となる。

【００１８】ここで上記（１）の理由で述べたビームを
形成可能な角度範囲が±２度程度であることと合わせて
考えると、例えば６４×６４光スイッチを作製するため
には、４５００μｍの出射端開口をもつアレイ導波路を
６４組づつ、スラブ導波路の両端に配置する必要があ
り、かつすべての入力ポートからすべての出力ポートを
見込む角度が±２度以内に入る必要があるため、最低で
も４ｍ以上と長大なスラブ導波路長が必要となる。同様
に１６チャネル規模でも数１０ｃｍのスラブ導波路長が
必要であり、一枚の基板に集積することは困難である。
このように、図３の第３の従来例では１０チャネルを超
える大規模化は困難であった。

【００１９】なお、上記文献［１］では、より大きなビ
ーム偏向角を得るために、ビーム偏向器をカスケード接
続する構成が提案されているが、この提案の場合も、最
終段のアレイ導波路でビーム偏向角の最大値は制限され
るため、上記のポート数の限界はやはり改善されない。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】以上まとめると、従
来、様々な光スイッチの構成が提案されているが、十分
な性能と、ポート数の拡張性を兼ね備えたスイッチは存
在していなかった。すなわち、マトリクススイッチは、
小規模なスイッチは特性良く実現できるものの、スイッ
チ素子を複数組み合わせる構成のため、規模の拡張性に
問題があった。また、フリースペース光スイッチでは、
３次元立体構造の精密かつ安定・高信頼な実装が困難で
あった。さらに、アレイ導波路を用いた２次元光ビーム
ステアリング型光スイッチでは、損失、クロストーク等
の性能も、規模の拡張性も不十分であった。

【００２１】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、従来課題となっていた、高性能かつポ
ート数の拡張性に富む光スイッチを提供することにあ
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光スイッチは、Ｎ本の光入力端子と、光接
続切り替え部と、Ｍ本の光出力端子（Ｎ、Ｍは１以上の
整数）とを備え、該光入力端子のいずれか一つから入力
された光信号が、該光接続切り替え部を介して、選択さ
れた該光出力端子のいずれか一つに出力される、基板上
に形成された光スイッチにおいて、前記光接続切り替え
部はメインスラブ光導波路、Ｎ個の入力側光ビーム変換
部、およびＭ個の出力側光ビーム変換部からなり、前記
入力側光ビーム変換部は、前記光入力端子と前記メイン
スラブ光導波路を接続して、該光入力端子から入射した
光を、前記基板と平行な面内に連続的に広がった２次元
光ビームに変換して該メインスラブ光導波路に出射し、
前記出力側光ビーム変換部は、前記メインスラブ光導波
路と前記光出力端子を接続して、該メインスラブ光導波
路から入射した前記２次元光ビームを、該光出力端子の
導波モードに変換して該光出力端子に出射することを特
徴とする。

【００２３】また、上記目的を達成するため、本発明の
他の形態の光スイッチは、Ｎ本の光入力端子と、光接続
切り替え部と、Ｍ本の光出力端子（Ｎ、Ｍは１以上の整
数）とを備え、該光入力端子のいずれか一つから入力さ
れた光信号が、該光接続切り替え部を介して、選択され
た該光出力端子のいずれか一つに出力される、基板上に
形成された光スイッチにおいて、前記光接続切り替え部
はメインスラブ光導波路、Ｎ個の入力側光ビーム変換
部、およびＭ個の出力側光ビーム変換部からなり、前記
入力側光ビーム変換部は、前記光入力端子と前記メイン
スラブ光導波路を接続して、該光入力端子から入射した
光を、前記基板と平行な面内に広がり、位相分布が周期
的な不連続点を含み、その不連続点に挟まれた領域では
所望のビーム出射方向に応じて変化する連続的な位相波
面を与える２次元光ビームに変換して該メインスラブ光
導波路に出射し、前記出力側光ビーム変換部は、前記メ
インスラブ光導波路と前記光出力端子を接続して、該メ
インスラブ光導波路から入射した前記２次元光ビーム
を、該光出力端子の導波モードに変換して該光出力端子
に出射することを特徴とする。

【００２４】ここで、前記入力側光ビーム変換部と前記
出力側光ビーム変換部は、光ビームの送受信にあたっ
て、前記メインスラブ光導波路内で両光ビーム変換部を
結ぶ光ビーム経路上の概ね等しい中間位置にビームウエ
ストを持ち、かつ該ビームウエストにおけるスポットサ
イズが概略等しくなるように設計されていることが望ま
しい。

【００２５】このとき、前記スポットサイズをω_０、前
記入力側光ビーム変換部から前記メインスラブ光導波路
に出射するビームの幅および前記メインスラブ光導波路
から前記出力側光ビーム変換部に入射するビームの幅を
それぞれω_１としたとき、前記ω_０は、前記メインスラ
ブ光導波路の長さに応じて定まる、前記ω_１の最小値を
与える所定の値に設計されていることが望ましい。

【００２６】また、前記メインスラブ光導波路の屈折率
をｎ、その長さを２ｚ_０、スイッチングされる光の波長
をλとしたとき、前記入力側光ビーム変換部および前記
出力側光ビーム変換部は、前記スポットサイズω_０がお
よそ √λｚ_０／ｎπとなるように設計され、許容され
る隣接ポート間のクロストーク量をＸＴ（ｄＢ）とした
とき、前記入力側光ビーム変換部および前記出力側光ビ
ーム変換部はそれぞれ、前記メインスラブ光導波路との
接続部において中心間隔が概ね√（λｚ_０／ｎπ）＊
（（―ＸＴ）／１０ｌｏｇ（ｅ））で配置されているこ
とが望ましい。

【００２７】また、前記光スイッチは、平面基板上に一
括して形成された平面集積回路か、または、複数の平面
光回路と光機能素子とが平面状に光接続されたハイブリ
ッド光集積回路のいずれかであり、かつ、少なくとも前
記メインスラブ光導波路は、石英系平面光導波路である
ことが望ましい。

【００２８】前記入力側光ビーム変換部と前記出力側光
ビーム変換部は、それぞれ、前記光入力端子または前記
光出力端子におけるモードフィールドを、所望のビーム
径に拡大する振幅分布変換部と、前記振幅分布変換部か
ら出た光ビームに所望の広がり角に対応した位相波面を
与える波面変換部と、前記振幅分布変換部の入力側また
は前記波面変換部の出力側に接続して光ビームに所望の
偏向方向を与える偏向付与部とを、光伝播経路上に少な
くともひとつづつ備え、前記振幅分布変換部の少なくと
も一つが、概ね２次元の自由伝播によって光ビーム径を
拡大または縮小するスラブ光導波路であることが有効で
ある。

【００２９】このとき、前記波面変換部の少なくとも一
つが、光伝播経路上のＸ−Ｚ面内に設けた異なる屈折率
を有する２つの領域の境界面からなる構成でもよい。

【００３０】さらに、前記異なる屈折率を有する２つの
領域のいずれか一方は、空隙であってもよい。

【００３１】また、前記偏向付与部の少なくとも一つ
は、プリズム型の可変屈折率領域を有するスラブ光導波
路であってもよい。

【００３２】さらに、前記メインスラブ光導波路が、光
ビーム伝播経路上に、少なくとも一つの反射ミラーを有
する構造であることも有効である。

【００３３】同様に、前記メインスラブ光導波路が、そ
の光ビーム伝播路途中で複数個に分割され、該分割され
た各々の部分が、複数の平面回路で形成され、かつそれ
らが平面回路同士を直接接続されることにより該メイン
スラブ光導波路が構成されていてもよい。

【００３４】また、前記偏向付与部は、前記光入力端子
または前記光出力端子と前記振幅分布変換部との間に接
続した１×Ｌスイッチ（Ｌは１以上の整数）であっても
よい。

【００３５】また、前記偏向付与部の少なくとも一つ
は、ビーム偏向器を分割して小さなプリズム形状を並べ
た構成であってもよい。

【００３６】また、前記波面変換部の少なくとも一つ
が、レンズを含む構成でもよい。

【００３７】本発明は、スラブ光導波路中の光ビーム伝
播を利用して、２次元的なフリースペース光スイッチを
構成するものであり、この点では前述の第３の従来例と
同様である。

【００３８】しかしながら、本発明は、メインスラブ光
導波路とのビーム入出射境界面で連続的な振幅・位相分
布を持つ波源、いわゆる連続分布波源により、スラブ光
導波路中を伝播する光ビームを形成することを最大の特
徴としており、これが従来の課題を解決するための本質
的な役割を担う点で、従来とは大きく異なる。

【００３９】本発明に係わる２次元的なビームステア型
光スイッチを実現するにあたっての最も重要な課題は、
（１）大規模化に向けて、いかにビーム偏向角を大きく
とり、かつビーム入出射部を小型にするか、（２）かつ
同時に損失、クロストークなどの性能をいかに確保する
か、である。ここで、（１），（２）の要求は一般にト
レードオフの関係にあるため、いかに両立するかも問題
となる。

【００４０】しかしながら、前述したように、従来の検
討では、ビーム偏向器としてアレイ導波路を用いるため
に、性能、規模の拡張性ともに不充分であった。これ
は、フェーズドアレイが本質的にビーム出射面において
離散的な振幅・位相分布を与える離散波源であり、とり
わけ光フェーズドアレイでは通常、アレイ間隔を半波長
以下にできないため、不充分な離散化の結果として、損
失、クロストーク性能の劣化とともに、規模拡張性の制
限といった重大な問題が発生することに起因している。

【００４１】本発明は、この点に着目し、連続分布波源
を用いて光ビーム形成を行うことにより、従来の問題を
解決する。すなわち連続分布波源を用いることにより、
グレーティングローブの発生やサイドローブレベルの上
昇といった問題を避けられ、結果として、損失、クロス
トークの劣化、ビームステアリング角度の制限といった
本質的な問題を解決できる。さらに、ビーム送受信部が
小型になり、ポート数を増大できるといった実用上重要
な効果もある。また、連続分布波源を用いることによ
り、フェーズドアレイでは困難であったビーム結合系の
最適化と回路の小型化の両立が図れる効果がある。本発
明は、ガウスビーム結合系の原理的性質を応用すること
により、性能と規模拡張性の２つの要求を両立するスイ
ッチ構造を提供する。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明による光スイッチの詳細な構造、原理とその作用、
効果について本発明の具体的な実施の形態を用いて詳述
する。

【００４３】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態における光スイッチの構成を示す平面図
である。本実施形態では、１６×１６スイッチを石英系
平面光回路によって一括集積したものであり、この回路
構成としては、基板面に対して垂直方向にのみ光の閉じ
込め構造を有するメインスラブ光導波路１を中央に配
し、その両端に、連続的な振幅・位相分布を生成する光
ビーム変換部２、２を介して、光入出力ポート３、４が
接続されている。

【００４４】上記光ビーム変換部２の詳細構成を図２に
示す。光入出力ポート３、４は、各々１×１６光スイッ
チ２１に接続され、続いてスラブ光導波路２２に接続さ
れる。スラブ光導波路２２は、エッチングにより形成さ
れた概ね円弧形状の２つの導波路端面からなるレンズ２
３に接続され、さらにメインスラブ光導波路１に接続さ
れている。２４はエッチングによる空隙を示す。本実施
形態では、１×１６光スイッチ２１、スラブ光導波路２
２、エッチングによるレンズ２３が、各々、本発明で言
う偏向付与部、振幅分布変換部、波面変換部に相当す
る。

【００４５】光ビーム変換部２の機能を入力の場合につ
いて説明する。まず、入力ポート３から入力された光信
号は、１×１６光スイッチ２１により１６個のいずれか
のポートを選択され、スラブ導波路２２に所望の角度で
入射される。これは、１６個のビーム偏向方向を選択で
きることに相当している。続いてスラブ光導波路２２内
を２次元的に広がりながら自由伝播し、レンズ２３に入
射される。ここでスラブ光導波路２２の長さを適切に設
計することにより、所望の広がりをもつ光ビームを得る
ことができる。

【００４６】光導波路端面からなるレンズ２３に入射し
た光は、波面変換され、メインスラブ光導波路１内の所
定の位置にビームウエスト（beam waist：ビームのくび
れ）を持つ、所定のスポットサイズの光ビームとして、
メインスラブ光導波路１内に出射される。

【００４７】以上の説明から分かる通り、本光ビーム変
換部２は、メインスラブ光導波路１への光ビーム入出射
端（すなわち、本例ではレンズ出射直後）において、空
間的に概ね連続的な振幅・位相分布を有する連続分布波
源となっている。これにより、ビーム偏向角の制限は実
用上なくなり、従来例で前述したアレイ導波路では困難
であった大規模化が可能となる。

【００４８】次に、本実施形態の光スイッチ回路の設計
指針の具体例を述べる。

【００４９】まず、メインスラブ光導波路１の領域の設
計について述べる。

【００５０】入力側と出力側の両光ビーム変換部２、２
は、両者を結ぶ光ビームのスポットサイズとビームウエ
スト位置を概ね一致させる、いわゆる共焦点系を構成す
る。これにより、ビーム結合系の原理損失をゼロにする
ことができるのと同時に、メインスラブ光導波路１の長
さ（以下、メインスラブ導波路長と称する）を一定とし
た場合には、光ビーム変換部２の入出射端でのビーム径
を最小にすることができるので、ポート数を増大するこ
とが可能となる。

【００５１】さらに、本実施形態では、光ビームは概ね
ガウス型の振幅分布をもつように設計する。これは、光
導波路の伝播モードが一般にガウス型で近似でき、振幅
分布の変換が容易である利点に加えて、後述するよう
に、ガウスビームの性質を応用することにより、クロス
トーク性能と小型化を両立した設計が可能となる効果が
あるためである。

【００５２】続いて、メインスラブ光導波路１中のビー
ム結合系の特性と、設計指針について説明する。

【００５３】メインスラブ光導波路１中を伝播するガウ
スビームのスポットサイズ（本明細書では、ビームウエ
ストにおけるビーム半径をスポットサイズと呼ぶ）をω
_０とすると、ｚ_０だけ離れた位置でのビーム半径ω
_１は、以下の（１）式で近似できる。

【００５４】

【数３】

【００５５】ここで、λは光の波長、ｎはメインスラブ
光導波路１の屈折率である。あるｚ _０に対して、ω_０を
変化させたときのω_１は最小値を有し、最小のω_１min
は以下の（２）式で与えられる。

【００５６】

【数４】

【００５７】また、このときのスポットサイズω_０min
は、以下の（３）式で与えられる。

【００５８】

【数５】

【００５９】すなわち、ポート数など入出力の構造が対
称の場合には、メインスラブ導波路長２＊Ｚ_０を決める
と、光ビーム変換部１の入出射端におけるビーム径を最
小とするビームが決まる。つまり、ビームウエスト位置
が入出射端からＺ_０離れた、スポットサイズω_０min の
光ビームを形成することにより、光ビーム変換部２、２
の入出射端でのビーム径を最小（ω_１min ）とすること
ができる。

【００６０】次に、光ビーム変換部２、２のピッチを決
める。このピッチは所望のクロストークを得られる最小
のピッチとすることが、最大のポート数を得る条件であ
る。本発明の光スイッチにおいて、隣接クロストークが
最大になるのは、次の２つの場合である。すなわち、隣
接チャネル間の光ビームが並行である場合と、隣接チャ
ネル間の光ビームが互いに交差する場合である。この２
つの場合の隣接チャネル間クロストーク（ｄＢ表記）
は、よく知られているガウスビームの光結合効率の近似
公式から、以下のように表すことができる。

【００６１】（平行な場合）

【００６２】

【数６】

【００６３】（交差する場合）

【００６４】

【数７】

【００６５】ここで、Ｐは隣接チャネル間ピッチであ
る。これらの（４）式と（５）式から、逆に所望のクロ
ストーク性能が得られる最小ピッチは、以下のように求
められる。

【００６６】（平行な場合）

【００６７】

【数８】

【００６８】（交差する場合）

【００６９】

【数９】

【００７０】これらの結果は、平行と交差の場合に対し
て必要な最小ピッチが、ω_０に関して逆特性になってお
り、両者をともに満足する最小ピッチは、あるω_０で最
小値をとることを示している。このピッチ最小を与える
ω_０は、上記の（６）式と（７）式のＰmin が等しいこ
とから、以下のとおり求められる。

【００７１】

【数１０】

【００７２】また、あるクロストークＸＴを得る最小ピ
ッチは、以下のとおり求められる。

【００７３】

【数１１】

【００７４】すなわち、メインスラブ導波路長２＊ｚ_０
を決めると、ピッチを最小とするビームのスポットサイ
ズω₀minは決まる。また、所望のクロストークを得る最
小ピッチＰminも決まることになる。付け加えると、上
記の（３）式と（８）式を比較してわかるように、本光
スイッチにおけるビーム結合系では、光ビーム変換部
２、２を最小にする条件と、最小ピッチを与える条件
が、どちらも同一のスポットサイズω_０min を与えるこ
とである。すなわち、ω_０min のスポットサイズをもつ
ビームを形成することにより、所望のクロストークを得
る条件のもとで、光ビーム変換部２、２のサイズ、ピッ
チをともに最小にすることができ、これにより最大ポー
ト数を得ることができる。このような設計が可能となっ
たのは、本発明が連続分布波源を用いることにより、光
ビーム変換部２、２のサイズの設計の自由度が格段に向
上した効果でもある。例えば、従来例のアレイ導波路の
場合には、形成するビーム数と導波路間ピッチの条件か
ら、光ビーム変換部のサイズは決まってしまうため、本
発明のこのような最適設計は困難である。

【００７５】一方、ある最大ビームステア角θdif を決
めると、とりうるポート数の最大値Ｎmax は

【００７６】

【数１２】

【００７７】と決まる。（９）式と（１０）式から、

【００７８】

【数１３】

【００７９】であり、最大ポート数Ｎmaxはメインスラ
ブ導波路長２＊ｚ_０に対して平方根に比例し、ステア角
θdifに対しては、正比例する。このことから、ポート
数を増大するためには、ビーム偏向角をいかに大きくと
るかが重要であることがわかる。

【００８０】次に、光ビーム変換部２、２の設計につい
て述べる。上述したとおり、メインスラブ導波路長２＊
ｚ_０を決めると、最大ポート数を得るビームの設計が決
まり、光ビーム変換部２、２の入出射端での最小ビーム
径ω_１min が決まる。このビームを入出力導波路（入出
力ポート）３、４に接続するため、前述したレンズ２３
とスラブ導波路２２を用いて、波面、振幅分布の変換を
行い、メインスラブ光導波路１中のビームを光導波路
３、４の伝播モードに効率よく結合させる。ここで、光
導波路３、４中の伝播モードの半径をωｇ、光ビーム変
換部２のスラブ導波路２２の屈折率ｎｂ、スラブ長をｚ
ｂとすると、（１）式と同様にレンズ面でのビーム半径
ω_１g は、

【００８１】

【数１４】

【００８２】と書ける。このω_１g がメインスラブ光導
波路１の設計から得られたω_１min と整合する条件か
ら、スラブ長ｚｂを決めることができる。なお、レンズ
２３の設計に関しては、通常と同様であるので省略す
る。

【００８３】さて、上述の設計指針に沿って、以下に具
体的な設計例を示す。

【００８４】まず、石英系光導波路の屈折率ｎは１．４
６、光の波長λは１．５５μｍとする。石英系光導波路
基板（図示しない）のサイズを４〜６インチ（約１０〜
１５ｃｍ）程度と想定し、そのサイズで十分形成可能な
値としてメインスラブ光導波路１のメインスラブ導波路
長２＊ｚ_０を５ｃｍとする。

【００８５】上記の（３）式、または（８）式から、光
ビーム変換部２、２のサイズおよび最小隣接光ビーム変
換部ピッチを与えるビームとして、メインスラブ光導波
路１の中央付近にビームウエストを有し、スポットサイ
ズω_０が〜９２μｍのガウスビームを形成すればよい。
このとき、光ビーム変換部２、２の入出射端でのビーム
半径ω_１は〜１３０μｍとなる。また、クロストーク−
５０ｄＢを得る最小光ビーム変換部ピッチＰmin は〜３
１２μｍである。このとき得られる最大ポート数は、ビ
ームステア角１０°(±５°）、２０°(±１０°）、４
０°(±２０°）のとき、それぞれおよそ、２８、５
６、１１２本と大きな値が得られる。また、このときの
メインスラブ光導波路１の幅は、各々９ｍｍ、１７ｍ
ｍ、３５ｍｍであり、十分小型に集積化できる。

【００８６】本実施形態では、一例としてビームステア
角１０°として、１６×１６スイッチを構成することを
考える。光ビーム変換部２、２の設計は、導波路のモー
ドフィールド半径を〜４μｍとすると、スラブ長ｚｂは
〜１．５ｍｍである。ビームステア角１０°の場合に、
必要なスラブ導波路２２の幅（１×１６スイッチに続く
導波路との接続部のサイズ）は２６８μｍであり、この
接続部に１８μｍ程度の間隔で１×１６スイッチ２１に
つながる１６本の導波路を接続することにより、約１０
°の範囲に１６個のビームが形成でき、１６×１６スイ
ッチ２１が実現できる。

【００８７】以上述べたように、本実施形態により、従
来は不可能であった１６×１６ビームステア型光スイッ
チが実現可能となった。また、本実施形態により、小型
集積化のみならず、クロストーク性能も従来より格段に
向上している。これは、本発明が、連続分布波源を適用
することにより、従来の本質的な問題であった偏向角度
の飛躍的な増大を可能にしたことと、高性能、小型化を
両立するビーム結合径の最適化を行ったことの効果であ
る。

【００８８】（第２の実施の形態）図３は本発明の第２
の実施の形態の光スイッチの構成を示す平面図である。
本実施形態の特徴は、光ビーム変換部２の構成部分にあ
り、とりわけ偏向付与部として、メインスラブ光導波路
１内に設けたプリズム型の可変屈折率変化領域３０から
なる可変ビーム偏向器３４を用いる点が、上述の第１の
実施の形態と大きく異なる点である。すなわち、この第
２の実施の形態の光ビーム変換部２は、１本の入出力導
波路３、４がスラブ導波路３２に接続され、続いてエッ
チングにより導波路端面形状を成形されてなるレンズ３
３を介して可変ビーム偏向器３４に接続された構成であ
る。

【００８９】本光ビーム変換部２の動作を入力の場合に
ついて説明する。入力導波路３からの入力光はスラブ導
波路３２中で２次元の自由伝播を行い、所望の広がりに
達したところでレンズ３３に入射する。レンズ３３で
は、メインスラブ光導波路１中で所望のビームウエスト
までの距離とスポットサイズを有するビームになるよう
波面変換され、可変ビーム偏向器３４に入力される。可
変ビーム偏向器３４はメインスラブ光導波路１内に設け
たプリズム型の領域３０に所望の屈折率変化を生じさせ
る構成のものであり、光ビームはこの屈折により所望の
偏向方向を与えられて出射される。

【００９０】可変ビーム偏向器３４のこのような、ビー
ム偏向機能は、種々の材料および形態で実現できる。例
えば、石英系光導波路や、熱光学効果をもつ有機導波路
では、所望の領域上に三角形状の薄膜ヒータを設ければ
よい。また、電気光学効果を有する強誘電体材料（Ｌｉ
ＮｂＯ_３、ＰＬＺＴ、ＫＴＰなど）や、Ｅ０ポリマー
（ＡＡＮＰなど）、半導体材料などでは、同様に三角電
極や櫛型電極によって所望の形状に電界を印加すればよ
い。

【００９１】なお、熱光学効果などの屈折率が正負いず
れか一方向に限られる場合には、後述の図６に示すよう
に、正負逆向きの偏向角に対応する２つの三角電極を設
けることが、大きなビーム偏向角を得るためには有効で
ある。

【００９２】以下、一例として可変ビーム偏向器３４に
強誘電体材料のＰＬＺＴを用いた場合の偏向角と回路規
模について見積もる。

【００９３】一段の可変ビーム偏向器３４で大きな偏向
角を得るためには、電気光学係数の大きな電気光学材料
を用いるのが有効である。たとえば、ＰＬＺＴは数十〜
数百という大きな電気光学係数が報告されており、偏波
依存性の小さい薄膜光導波路や、ビーム偏向器の作製報
告もなされている（文献［２］：梨本恵一、「ＰＬＺＴ
薄膜導波路光スイッチ」、Optoronics, no. 2, pp. 118
-123, 2001参照）。報告されている電気光学係数として
５０ｐｍ／Ｖ〜６００ｐｍ／Ｖの値を用いた場合、導波
路構造にもよるが、３０Ｖ程度の電界印加で−１０^-2
程度から最大−１０^-1までの大きな屈折率変化が得ら
れることになる。また、さらに２次の電気光学効果を用
いれば、小さな電界の変化で大きな屈折率変化を生じる
ことも期待できる。

【００９４】上記ＰＬＺＴ導波路を用いた場合、ビーム
偏向角は±４°〜±２０°と大きな値が得られる。この
とき、前述の第１の実施の形態で説明した設計指針に従
えば、メインスラブ導波路長を５ｃｍとした場合でも、
２２〜１１２本と極めて大きなポート数が、１段の可変
ビーム偏向器３４で達成できることになる。

【００９５】以上のように、メインスラブ光導波路１中
に設けたプリズム型可変屈折率領域３０からなる可変ビ
ーム偏向器３４を用いることにより、極めて小型に光ビ
ーム変換部を実現することが可能となる。

【００９６】前述の第１の実施形態で示しように、本発
明によれば、ビーム偏向器をカスケード接続する構成
を、極めて効果的に利用できることから、必ずしも１段
の可変ビーム偏向器３４ですべての偏向角を満足させる
必要はない。しかしながら、極めて大きな偏向角を得る
場合や、小型集積化、省電力化、および偏向角の微調整
の観点からは、本実施形態の図３で示すような１段の可
変ビーム偏向器構成が望ましい。

【００９７】（第３の実施の形態）図４は、本発明の第
３の実施の形態の光スイッチの構成を示す平面図であ
る。本実施形態が、上述の第２の実施の形態と異なる点
は、第１に、石英系光導波路と電気光学材料とのハイブ
リッド集積構成である点、第２に、光ビーム変換部２
が、２つの偏向付与部を有する点である。

【００９８】まず第１の点について説明する。本実施の
形態では、メインスラブ光導波路１をはじめとする多く
の部分は石英系光導波路として基板５上に一括形成され
ている石英系平面光回路である。図５に示すように、２
つの偏向付与部４１、４２には大きな屈折率変化を得る
ために、電気光学材料を用いたスラブ導波路型のビーム
偏向器のチップ４３、４４を用いており、このビーム偏
向器チップ４３、４４は、エッチングにより形成した石
英系光導波路の所定の搭載部に、搭載、固定されてい
る。

【００９９】ポート数を増大するためには、メインスラ
ブ光導波路１をはじめとして、回路全体が必然的に大型
化するため、低損失な導波路が必要である。とりわけ、
第１の実施の形態で述べた（１１）式からもわかるとお
り、本発明の光スイッチで得られる最大ポート数は、メ
インスラブ導波路長と、屈折率のどちらに対しても、そ
の平方根に比例する関係にある。つまり、ポート数を２
倍にするにはメインスラブ導波路長は４倍必要になり、
また、屈折率の２倍大きな材料系を用いてもポート数は
√２倍しか増加できない。このことから、特にメインス
ラブ光導波路１に関しては、できる限り低損失で、かつ
大面積の回路を作製できる材料を選ぶことが肝要であ
る。

【０１００】石英系光導波路は６〜８インチ基板を用い
た大面積回路の作製が可能であり、かつ導波路損失も他
の材料と比較して格段に小さい。その反面、石英系導波
路のＴ０効果による屈折率変化は１×１０^-5程度であ
り、ビーム偏向器を構成するのは難しい。

【０１０１】以上の理由から、本実施の形態のように、
石英系光導波路をベースとして、ビーム偏向器４３、４
４等の必要な部分のみ異なる材料で構成する、ハイブリ
ッド集積構成が実用上極めて有効である。なお、この例
のようにスラブ光導波路型のビーム偏向器を集積する場
合には、スラブ光導波路面内方向には高精度な位置合わ
せは不要であり、光結合損失も小さく抑えられる利点が
ある。

【０１０２】次に、第２の特徴である光ビーム変換部に
ついて説明する。その構造は図５に示すとおりである。
本実施形態では、偏向付与部を４１と４２の２つ用い
て、偏向角の増大を図っている。すなわち、第１の偏向
付与部４１は、振幅分布変換部であるスラブ導波路４５
への入射角度が異なる複数の導波路のいずれかを選択す
る。入射角度によってあらかじめ粗く偏向を付与された
光ビームは、第２の偏向付与部４２のビーム偏向器チッ
プ４４によってより微細な偏向を付与された後にメイン
スラブ光導波路１に出射される構成である。

【０１０３】ここで、第１の偏向付与部４１は、入出力
２つのスラブ導波路４６、４７と、その中間に配置した
ビーム偏向器チップ４３、さらにビーム偏向器チップ４
３の両端に設けたレンズ部４８、４９によって構成され
る。また、第２の偏向付与部４２は、メインスラブ光導
波路１の近くに設けたビーム偏向器チップ４４とその両
端に設けたレンズ部５１、５２によって構成される。

【０１０４】具体的な設計例について説明する。本例で
は、２つのビーム偏向器チップ４３、４４は、どちらも
偏向角±２°を得られるものを用いる。第１の偏向付与
部４１は、全幅２０°で２．９°間隔の８本の異なる偏
向を与える。このビーム偏向器チップ４３の最大偏向角
は±２°であるが、たとえば、導波路のモードフィール
ド径が〜２μｍ、入出力スラブ長が１ｍｍとすれば、８
本の導波路５３にふりわけることが可能である。これら
の導波路５３を、メインスラブ光導波路１への偏向角が
２．９°間隔となるように、振幅分布変換部である後段
のスラブ導波路４５に接続する。

【０１０５】第２の偏向付与部４２は、その各々に±２
°の範囲で、およそ０．４°間隔の偏向を付与する。こ
のようにして、全体としては、全幅２４°の偏向角の中
に６４本のビームが形成できることとなり、６４×６４
光スイッチを構成できる。

【０１０６】（第４の実施の形態）図６は、上述した本
発明の第２および第３の実施の形態に示した、プリズム
型可変屈折率領域を有するスラブ導波路からなるビーム
偏向器の一変形例を第４の実施形態として示しており、
本例のビーム偏向器チップ６１は、上述したビーム偏向
器４４を分割して、小さなプリズム形状を並べた構成に
より、小型化、省電力化を図っている。

【０１０７】注意するべき点は、第２および第３の実施
の形態のビーム偏向器３４、４４は、光ビームに完全に
連続な位相波面を与えるのに対して、本第４の実施の形
態のビーム偏向器６１で得られる位相波面は、周期的な
不連続点を持つことである。このような周期的な不連続
点を持つ位相波面を生成するビーム偏向器は、広い意味
でのフェーズドアレイであり、フェーズドアレイの性質
を持つこととなる。すなわち、構造的には波源（アレイ
素子）の開口がアレイ間隔に等しい場合に相当し、不連
続点の周期に応じてグレーティングローブが発生するこ
とになる。また、アレイファクタについては、グレーテ
ィングローブ周期的に不連続点数と等しい分解したビー
ムを形成することになる。

【０１０８】しかしながら、その動作は、従来技術で説
明したアレイ導波路を用いた光フェーズドアレイとは全
く異なり、実用上ビーム偏向角の大きな制約は発生しな
い。つまり、アレイ導波路を用いた光フェーズドアレイ
では、アレイ素子となる光導波路の出射ビームは不変で
あり、アレイ間での位相波面によってビームの偏向を得
るのに対して、本実施の形態で示す分割プリズム型のビ
ーム偏向器６１の場合には、アレイ素子に相当する不連
続点間の領域で連続的な可変の位相波面を形成し、逆に
アレイ間（不連続周期間の対応する点間）においては、
位相波面は固定となる。この結果、不連続点で形成する
アレイファクタは常に一定であり、不連続点の周期によ
って決まる間隔で複数のグレーティングローブ（メイン
ローブを含む）を形成することになる。一方、不連続点
間の領域は可変で連続的な位相波面を形成し、所望の偏
向をもつビームを形成する。ここにおいて、前述したよ
うに、全体としてのビーム偏向方向は、アレイ素子の指
向性とアレイファクタとの積であり、この場合には、ア
レイ素子が形成するビームとグレーティングローブとの
重なりとして所望のビームが形成できることになる。

【０１０９】このように分割プリズム型のビーム偏向器
６１は光ビーム変換部２の小型化に大変有効である。ま
た、このような分割プリズム型のビーム偏向器６１は完
全に連続な位相波面を形成するものではなく、いくつか
の不連続点は含むものの、不連続点間の領域が可変で連
続な位相波面を形成し、これがビームの振る舞いを決め
る重要な要素となっている点で、離散波源であるアレイ
導波路を用いた光フェーズドアレイとは本質的に異な
る。

【０１１０】本発明では、光ビーム変換部２が、すなわ
ちＸ−Ｚ面内で空間的に概ね連続な振幅・位相分布を与
えて光ビームを出射または受光する、いわゆる連続分布
波源であることを主要な特徴としているが、光ビーム変
換部２が、上記のようにいくつかの不連続点を含む場合
であってもそれが本質的な役割を担うものでない限り
は、本発明の権利範囲の範疇であることを明記してお
く。

【０１１１】（第５の実施の形態）図７は、本発明の第
５の実施の形態の光スイッチの構成を示す平面図であ
る。本実施形態の特徴は、メインスラブ光導波路１が、
その光ビーム伝播経路上に複数の反射ミラー７１を備え
ている点である。この反射ミラー７１によって光ビーム
伝播経路を折り返すことにより、長大なスラブ導波路を
コンパクトに平面回路に形成することが可能となる。

【０１１２】上述した通り、最大ビーム偏向角が一定の
場合、ポート数を２倍増大するためには、４倍のメイン
スラブ導波路長が必要となる。例えば、上記第１の実施
の形態の場合には、５ｃｍのメインスラブ導波路長で１
６×１６スイッチを構成できることを示したが、図７に
示すように３個の反射ミラー７１によりメインスラブ光
導波路を折り返して構成することにより、メインスラブ
導波路長を４倍にすれば、３２×３２スイッチが実現可
能である。なお、この場合、メインスラブ光導波路１の
幅（すなわち、片側の光ビーム変換部２の総数の占める
幅）も４倍の概ね２ｃｍとなるが、４インチ程度の基板
サイズで、十分一括形成可能な範囲である。また、この
ような反射ミラー７１は、いくつかの方法で容易に実現
可能である。例えば、エッチングにより導波路薄膜の端
面を形成し、この端面に金など反射率の高いメタル膜を
蒸着等により形成すれば反射ミラー７１が得られる。

【０１１３】以上のように、メインスラブ光導波路１中
に複数の反射ミラー７１を設ける構成により、ポート数
の増大が可能となる。なお、このような構成は、メイン
スラブ光導波路１の幅が基板サイズに比べて十分小さい
ときに有効であり、本発明の特徴である連続分布波源を
用いた光ビーム変換部２の大幅な小型化と合わせて、よ
り大きな効果が得られていることも注記しておく。

【０１１４】（第６の実施の形態）図８は、本発明の第
６の実施の形態の光スイッチの構成を示す平面図であ
る。本実施形態のものは、メインスラブ光導波路１が、
その途中で分割され、複数の平面回路８１、８２、８３
で構成されている点が特徴である。すなわち、ここで
は、メインスラブ光導波路１が、その途中の２個所で分
割され、３チップの石英系平面光回路８１、８２、８３
で個別に形成され、これら３チップが端面同士を直接接
続されている。符号８４はその２個所の分割・接続部を
示す。このような平面回路端面間の直接接続は、従来報
告されている通り、接着剤等により容易に実現できる。

【０１１５】このような構成をとることにより、１枚の
平面回路では形成困難な極めて大きなメインスラブ光導
波路を有する光スイッチが容易に実現できる。例えば、
前述の第３の実施の形態では、５ｃｍのメインスラブ導
波路長で６４×６４スイッチを構成できることを示した
が、図８に示すように第１のチップ８１には光ビーム変
換部２と５ｃｍ長のスラブ導波路、第２のチップ８２に
は１０ｃｍ長のスラブ導波路、第３のチップ８３には５
ｃｍ長のスラブ導波路と光ビーム変換部２を集積し、こ
れら３チップ８１、８２、８３をその順で互いに接続す
ることによって、４倍のスラブ長が得られる。したがっ
て、この場合は、ポート数は２倍となり、１２８×１２
８と極めて大規模なスイッチを実現できる。なお、メイ
ンスラブ光導波路１の幅は約８ｃｍと大きくなるが、３
チップ各々は、すべて４インチ基板５上に形成できる程
度であり、石英系光導波路やポリマー導波路では、８イ
ンチ程度の基板まで利用できることから、さらにポート
数を拡大することも可能である。

【０１１６】このように、メインスラブ光導波路１の途
中で複数のチップ８１〜８３に分割し、それぞれ異なる
回路で形成した後に、再び接続する構成を用いれば、極
めて大きなポート数にも拡張が可能である。

【０１１７】また、ここでは説明の簡単化のために例は
示さなかったが、第５の実施の形態で述べた反射ミラー
７１による折り返し構造との併用も、より効果があるこ
とは勿論である。なお、このような構成が効果的である
のは、本発明の光スイッチでは多くの面積をスラブ光導
波路が占めていることと、スラブ光導波路途中での分断
・接続では高い位置合わせ精度も不要であり、低損失な
接続が可能であることの２つが大きな理由となってい
る。

【０１１８】本例では、３チップ間を接着剤により直接
張り合わせる構造としたが、例えば、基板面に垂直な方
向のみ集光作用のあるロッドレンズ等により基板間を接
続してもよい。本発明でいう直接接続された構造とは、
基板間を光ファイバ等で接続するのではなく、一方のス
ラブ光導波路を伝播する光ビームが、もう一方のスラブ
光導波路に一括して接続される構造一般に該当する。ま
た、本例では、メインスラブ光導波路を概ねビーム伝播
方向に対して垂直な方向に分割したが、これに限らな
い。すなわち、図８でメインスラブ光導波路１を水平に
分断・接続してもよい。このような構造により、メイン
スラブ光導波路１の幅が基板サイズを超えた場合にも対
応可能となる。

【０１１９】（他の実施形態）本発明の実施形態とし
て、６例を例示したが、これらの実施形態の組み合わせ
も可能である。なお、図１等において、３を入力ポー
ト、４を出力ポートとして説明したが、本発明の光スイ
ッチは左右対称構造であるので、４から光を入れて３に
スイッチングすることも勿論可能である。従って、この
意味で、３、４は入出力ポートと呼んでもよい。

【０１２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
平面ビームステアリング型光スイッチの光ビーム変換部
として、Ｘ−Ｚ面内で空間的に概ね連続な振幅・位相分
布を与えて光ビームを出射または受光する、いわゆる連
続分布波源を用いたので、以下の主要な効果が得られ
る。（１）大きな偏向角を得ることが可能となる。（２）ビーム結合系の最適化が可能となる。

【０１２１】さらに、本発明において、メインスラブ光
導波路内に反射ミラーを有する構造や、メインスラブ光
導波路を複数の平面回路に分割して作成し、各々を直接
接続する構造を用いれば、よりポート数の増大が可能と
なる効果も得られる。

【０１２２】したがって、本発明によれば、従来課題と
なっていた、損失・クロストーク等の性能と、ポート数
の拡張性を併せ持つ、光スイッチを提供することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の光スイッチの全体
の構成を示す平面図である。

【図２】図１の光ビーム変換部の詳細構成を示す拡大図
である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の光スイッチの全体
の構成を示す平面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の光スイッチの全体
の構成を示す平面図である。

【図５】図４の光ビーム変換部の詳細構成を示す拡大図
である。

【図６】本発明の第４の実施の形態として、ビーム偏向
器の他の構成例を示す拡大図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態の光スイッチの全体
の構成を示す平面図である。

【図８】本発明の第６の実施の形態の光スイッチの全体
の構成を示す平面図である。

【図９】従来のビームステアリング型光スイッチの構成
例を示す平面図である。

【符号の説明】

１メインスラブ光導波路２光ビーム変換部３、４光入出力ポート（光入出力導波路）５基板（石英系平面光回路基板）２１１Ｘ１６スイッチ（偏向付与部）２２スラブ導波路（振幅分布変換部）２３レンズ（波面変換部）２４エッチングによる空隙３０プリズム型可変屈折率領域（偏向付与部）３２スラブ導波路３３レンズ３４可変ビーム偏向器（例えば、三角電極）４１、４２偏向器付与部４３、４４ビーム偏向器チップ（ハイブリット集積）４５スラブ導波路（振幅分布変換部）４６、４７スラブ導波路４８、５１レンズ部（第１波面変換部）４９、５２レンズ部（第２波面変換部）５３導波路６１ビーム偏向器チップ７１反射ミラー９１入力ポート９２可変位相器（フェーズシフター９３第１の２次元光ビーム偏向器（スターカプラ）９４スラブ光導波路９５第２の２次元光ビーム偏向器（ビームステア）９６出力ポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本俊和東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者北川毅東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者美野真司東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA03 LA18 MA05 RA08 TA31 TA47 2K002 AA02 AB04 BA06 BA13 CA02 CA03 CA05 CA15 DA05 EA30 HA03 HA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ本の光入力端子と、光接続切り替え部
と、Ｍ本の光出力端子（Ｎ、Ｍは１以上の整数）とを備
え、該光入力端子のいずれか一つから入力された光信号
が、該光接続切り替え部を介して、選択された該光出力
端子のいずれか一つに出力される、基板上に形成された
光スイッチにおいて、前記光接続切り替え部はメインスラブ光導波路、Ｎ個の
入力側光ビーム変換部、およびＭ個の出力側光ビーム変
換部からなり、前記入力側光ビーム変換部は、前記光入力端子と前記メ
インスラブ光導波路を接続して、該光入力端子から入射
した光を、前記基板と平行な面内に連続的に広がった２
次元光ビームに変換して該メインスラブ光導波路に出射
し、前記出力側光ビーム変換部は、前記メインスラブ光導波
路と前記光出力端子を接続して、該メインスラブ光導波
路から入射した前記２次元光ビームを、該光出力端子の
導波モードに変換して該光出力端子に出射することを特
徴とする光スイッチ。
【請求項２】Ｎ本の光入力端子と、光接続切り替え部
と、Ｍ本の光出力端子（Ｎ、Ｍは１以上の整数）とを備
え、該光入力端子のいずれか一つから入力された光信号
が、該光接続切り替え部を介して、選択された該光出力
端子のいずれか一つに出力される、基板上に形成された
光スイッチにおいて、前記光接続切り替え部はメインスラブ光導波路、Ｎ個の
入力側光ビーム変換部、およびＭ個の出力側光ビーム変
換部からなり、前記入力側光ビーム変換部は、前記光入力端子と前記メ
インスラブ光導波路を接続して、該光入力端子から入射
した光を、前記基板と平行な面内に広がり、位相分布が
周期的な不連続点を含み、その不連続点に挟まれた領域
では所望のビーム出射方向に応じて変化する連続的な位
相波面を与える２次元光ビームに変換して該メインスラ
ブ光導波路に出射し、前記出力側光ビーム変換部は、前記メインスラブ光導波
路と前記光出力端子を接続して、該メインスラブ光導波
路から入射した前記２次元光ビームを、該光出力端子の
導波モードに変換して該光出力端子に出射することを特
徴とする光スイッチ。
【請求項３】前記入力側光ビーム変換部と前記出力側
光ビーム変換部は、光ビームの送受信にあたって、前記
メインスラブ光導波路内で両光ビーム変換部を結ぶ光ビ
ーム経路上の概ね等しい中間位置にビームウエストを持
ち、かつ該ビームウエストにおけるスポットサイズが概
略等しくなるように設計されていることを特徴とする請
求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】前記スポットサイズをω_０、前記入力側
光ビーム変換部から前記メインスラブ光導波路に出射す
るビームの幅および前記メインスラブ光導波路から前記
出力側光ビーム変換部に入射するビームの幅をそれぞれ
ω_１としたとき、前記ω_０は、前記メインスラブ光導波路の長さに応じて
定まる、前記ω_１の最小値を与える所定の値に設計され
ていることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
【請求項５】前記メインスラブ光導波路の屈折率を
ｎ、その長さを２ｚ_０、スイッチングされる光の波長を
λとしたとき、前記入力側光ビーム変換部および前記出
力側光ビーム変換部は、前記スポットサイズω_０がおよ
そ【数１】となるように設計され、許容される隣接ポート間のクロストーク量をＸＴ（ｄ
Ｂ）としたとき、前記入力側光ビーム変換部および前記
出力側光ビーム変換部はそれぞれ、前記メインスラブ光
導波路との接続部において中心間隔が概ね【数２】で配置されている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】前記光スイッチは、平面基板上に一括し
て形成された平面集積回路か、または、複数の平面光回
路と光機能素子とが平面状に光接続されたハイブリッド
光集積回路のいずれかであり、かつ、少なくとも前記メインスラブ光導波路は、石英系
平面光導波路であることを特徴とする請求項１〜５のい
ずれかに記載の光スイッチ。
【請求項７】前記入力側光ビーム変換部と前記出力側
光ビーム変換部は、それぞれ、前記光入力端子または前記光出力端子におけるモードフ
ィールドを、所望のビーム径に拡大する振幅分布変換部
と、前記振幅分布変換部から出た光ビームに所望の広がり角
に対応した位相波面を与える波面変換部と、前記振幅分布変換部の入力側または前記波面変換部の出
力側に接続して光ビームに所望の偏向方向を与える偏向
付与部とを、光伝播経路上に少なくともひとつづつ備
え、前記振幅分布変換部の少なくとも一つが、概ね２次元の
自由伝播によって光ビーム径を拡大または縮小するスラ
ブ光導波路であることを特徴とする請求項１〜６のいず
れかに記載の光スイッチ。
【請求項８】前記波面変換部の少なくとも一つが、光
伝播経路上のＸ−Ｚ面内に設けた異なる屈折率を有する
２つの領域の境界面からなることを特徴とする請求項７
に記載の光スイッチ。
【請求項９】前記異なる屈折率を有する２つの領域の
いずれか一方は、空隙であることを特徴とする請求項８
に記載の光スイッチ。
【請求項１０】前記偏向付与部の少なくとも一つは、
プリズム型の可変屈折率領域を有するスラブ光導波路で
あることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の
光スイッチ。
【請求項１１】前記メインスラブ光導波路が、光ビー
ム伝播経路上に、少なくとも一つの反射ミラーを有する
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光
スイッチ。
【請求項１２】前記メインスラブ光導波路が、その光
ビーム伝播経路途中で複数個に分割され、該分割された
各々の部分が、複数の平面回路で形成され、かつそれら
平面回路同士を直接接続することにより該メインスラブ
光導波路が構成されていることを特徴とする請求項１〜
１１のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項１３】前記偏向付与部は、前記光入力端子ま
たは前記光出力端子と前記振幅分布変換部との間に接続
した１×Ｌスイッチ（Ｌは１以上の整数）であることを
特徴とする請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項１４】前記偏向付与部の少なくとも一つは、
ビーム偏向器を分割して小さなプリズム形状を並べた構
成であることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記
載の光スイッチ。
【請求項１５】前記波面変換部の少なくとも一つが、
レンズを含むことを特徴とする請求項８に記載の光スイ
ッチ。