JP2004029519A

JP2004029519A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2004029519A
Application number: JP2002187679A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kato; 加藤　雅之
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】高速性を失うことなく安定に光結合が可能な光スイッチを提供する。
【解決手段】コリメート部２でコリメートされた光信号は、光偏向素子部３に入力され、所望の出力チャネルの方向に偏向され、スラブ導波路４を伝播し、光偏向素子部５に入力され、光集束部６に入力するように偏向され、光集束部６では、コア幅が単調に減少するテーパー導波路６ａにより光信号は徐々に集束し、安定に光結合する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交換機に用いられる光スイッチに関し、特に、ネットワーク網のクロスポイントに配置する光信号の交換機に使用される光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信における伝送帯域は近年増大の一途を辿り、波長多重化技術の進展とあいまって、高速・大容量化が進んでいる。
【０００３】
基幹通信ネットワークにおける光ファイバ網のハードウェア・インフラを構築するためには、光信号の行き先を切り替える、光信号の交換機が必要とされている。以下、この光信号の交換機に用いられる光スイッチについて説明する。
【０００４】
図９は、従来の光スイッチの平面図である。
ここでは、４×４の光スイッチ８０を説明する。
光スイッチ８０は、４つの入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と、４つの出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と接続されたチャネル導波路６１ａからなるチャネル導波路部６１と、光信号を平行光にする（以下コリメートという）導波路レンズ６２ａからなるコリメート部６２と、電圧印加時に、光信号の偏向方向を変える光偏向素子部６３と、光信号を伝播するスラブ導波路６４と、出力側の光偏向素子部６５と、光信号を集光する導波路レンズ６６ａからなる光集束部６６と、出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４と接続されたチャネル導波路６７ａからなるチャネル導波路部６７とから構成される。
【０００５】
なお、図９では、煩雑になるため、１チャネルについての構成要素のみ符号を記した。なお、他のチャネルも同様の符号であるとする。
光偏向素子部６３と、光偏向素子部６５は、チャネルごとにそれぞれ２つのプリズム型電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂを有する。これらプリズム型電極６３ａ、６３ｂまたは６５ａ、６５ｂの対に、それぞれ電圧を印加することによって、プリズム型電極で挟まれた電気光学効果を有する素子による屈折率変化で、入力された光信号をそれぞれ異なる方向に偏向する。
【０００６】
このプリズム型電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂを用いることで、マトリクス光スイッチを構成するために必要なレーザの偏向角度が得られ、回折型の偏向手段と異なり、偏向状態では、未偏向成分がなく、また電気光学効果を有する素子の作り方を工夫することで、散乱光もきわめて少ないために挿入損失やクロストークの問題が解決できることが知られている。
【０００７】
図９において、入力チャネルｉｎ１から出力チャネルｏｕｔ３に光パスの切り替えを行う場合について、光スイッチ８０の動作を説明する。
光信号が入力チャネルｉｎ１に接続されているチャネル導波路６１ａに入力されると、光信号は、導波路レンズ６２ａ、６２ｂにより、コリメートされて光偏向素子部６３に入力される。入力チャネルｉｎ１から、出力チャネルｏｕｔ３に切り替える場合は、光偏向素子部６３では、プリズム型電極６３ａ、６３ｂのうち、駆動電圧をプリズム型電極６３ａに印加することにより、電気光学効果による屈折率変化で、図９のように偏向方向を変えることができる。続いて、光信号はスラブ導波路６４に入力されて、光偏向素子部６５に入力される。ここでは、出力チャネルｏｕｔ３に光信号を出力するために、プリズム型電極６５ａ、６５ｂのうち、プリズム型電極６５ｂにプリズム型電極６３ａに印加した電圧とほぼ同じ駆動電圧を印加することにより、図９のように光信号を導波路レンズ６６ａ、６６ｂに入力する。さらに、導波路レンズ６６ａ、６６ｂでは、光信号を集光して、出力チャネルｏｕｔ３のチャネル導波路６７ａに結合する。
【０００８】
また、例えば、入力チャネルｉｎ３から出力チャネルｏｕｔ１に光パスを切り替える場合、光偏向素子部６３において、プリズム型電極６３ｂに駆動電圧を印加し、出力チャネルｏｕｔ１方向に偏向させ、光偏向素子部６５においては、プリズム型電極６５ａに、プリズム型電極６３ｂとほぼ同じ駆動電圧を印加する。
【０００９】
このようにして光スイッチ８０では、光偏向素子部６３、６５において、プリズム型電極６３ａ、６３ｂ、６５ａ、６５ｂを選択して所定の駆動電圧を印加することによって、光パスを切り替えることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光偏向素子部６３、６５の駆動電圧を所定の値にしても、光スイッチを構成する材料、要素部分の寸法誤差、温度変化などによって、出力チャネルへの結合が安定しないのが一般的である。高速な電気光学効果を利用した光スイッチであっても、光結合を安定化させるために、チャネル導波路６７ａでの結合光の一部を後段で分岐することによって取り出し、トラッキングと呼ばれる光強度を最大化するようなフィードバックを行う。そのため、切り替え時間が長くなってしまい、本来の高速性が損なわれてしまうという問題があった。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高速性を失うことなく安定に光結合が可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような光スイッチ２０において、光信号をコリメートするコリメート部２と、コリメートされた光信号の偏向角度を変える光偏向素子部３と、光信号を伝播するスラブ導波路４と、スラブ導波路４を介して入力される光信号の偏向角度を変える光偏向素子部５と、コア幅が単調に減少する導波路であり、光信号を集光する光集束部６と、を備える複数のチャネルからなることを特徴とする光スイッチ２０が提供される。
【００１３】
上記構成によれば、コリメート部２でコリメートされた光信号は、光偏向素子部３に入力され、所望の出力チャネルの方向に偏向され、スラブ導波路４を伝播し、光偏向素子部５に入力され、光集束部６に入力するように偏向され、光集束部６では、コア幅が単調に減少する導波路６ａにより安定に光結合する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の光スイッチの平面図である。
【００１５】
また図２は、本発明の第１の実施の形態の光スイッチの断面図であり、図１のＡ−Ａ線で示した部分の断面図である。
ここでは４×４の光スイッチ２０を用いて説明する。
【００１６】
光スイッチ２０は、４つの入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と、４つの出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と接続されたチャネル導波路１ａからなるチャネル導波路部１と、光信号をコリメートする導波路レンズ２ａ、２ｂからなるコリメート部２と、電圧印加時に光信号の偏向方向を変える光偏向素子部３と、光信号を伝播するスラブ導波路４と、電圧印加時に光信号の偏向方向を変える出力側の光偏向素子部５と、光信号を集光する導波路（以下テーパー導波路と呼ぶ）６ａからなる光集束部６と、出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４と接続されたチャネル導波路７ａからなるチャネル導波路部７と、から構成される。
【００１７】
なお、図１では、煩雑になるため、１つのチャネルについての構成要素のみ符号を記した。なお、他のチャネルも同様の符号であるとする。
光偏向素子部３、５は、チャネルごとにプリズム型電極３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂを有する。
【００１８】
また、光スイッチ２０は、主に、基板１０上に形成された屈折率の低い材料であるクラッド層１１ａ、１１ｃと、クラッド層１１ａ、１１ｃに挟まれた屈折率の高い材料であるコア層１１ｂからなる導波路１１により構成されており、光信号の偏向を変える部分である光偏向素子部３、５が、光学接着剤８を用いて埋め込まれている構成からなる。また、導波路レンズ部２は、レンズ状の導波路レンズ２ａ、２ｂ部分以外が、低屈折率の媒体９で満たされている。
【００１９】
チャネル導波路部１において、チャネル導波路１ａはコア層１１ｂを線状に形成したもので、入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４から入力される光信号を、線に沿って伝播させ、コリメート部２に入力する。
【００２０】
コリメート部２において、導波路レンズ２ａは、チャネル導波路１ａより入力された光信号をコリメートして、光偏向素子部３に入力する。
以下に光偏向素子部３の詳細を説明する。
【００２１】
図３は、光偏向素子の構成を示す図であり、（ａ）が上面図であり、（ｂ）が側面図である。
なお、図３では、光偏向素子部３の１つのチャネル部分について図示した。
【００２２】
図のように、光偏向素子部３は、導電性を有する単結晶基板３ｃ上に、クラッド層３ｄ、電気光学効果を有するコア層３ｅ、クラッド層３ｆからなる導波路層が形成され、その上部にプリズム型電極３ａ、３ｂが形成されている構造からなる。図２の光スイッチ２０の断面図においては、図３の構造において、プリズム型電極３ａ、３ｂの面を下にして、光偏向素子部３のクラッド層３ｄ、コア層３ｅ、クラッド層３ｆからなる導波路層が、図２の導波路１１と光接続可能なように埋め込まれたものを示した。
【００２３】
なお、プリズム型電極３ａ、３ｂの電気配線は基板１０上に形成するが省略した。
光偏向素子部３は入力された光信号を、プリズム型電極３ａ、３ｂに印加された所定の電圧によって引き起こされる電気光学効果で、出力側の光偏向素子部５の所望のチャネルに入力されるように偏向する。
【００２４】
スラブ導波路４は、膜厚方向に屈折率分布を持たせることによって、コアを中心とした膜内に光信号を閉じ込め、膜内の２次元方向に光信号を自由に伝播させる。
【００２５】
なお、光偏向素子部５については、光偏向素子部３と同様の構成であり、入力された光信号を、プリズム型電極５ａ、５ｂに印加された所定の電圧によって引き起こされる電気光学効果で、光集束部６に入力するように偏向する。
【００２６】
光集束部６において、テーパー導波路６ａは、チャネル導波路１ａやスラブ導波路４と異なり、コア層１１ｂが平行な直線状ではなく、コア幅が単調に減少する構成であるので、コア層１１ｂ内の光ビーム幅を徐々に減少させ、チャネル導波路７ａに結合させる。
【００２７】
ここで、少なくとも、コリメート部２、スラブ導波路４、光集束部６が同一の導波路材料で構成される。光偏向素子部３、５は、前述の単結晶基板３ｃ上に結晶成長させて導波路層を形成するので、異なる導波路材料であってもよい。
【００２８】
なお、図１ではテーパー導波路６ａのコア幅が直線状に減少するように示したが、放物線状に減少するようにしてもよい。
また、図２において、プリズム型電極３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂは、基板１０に埋め込まれた形に記述されているが、実装形態はこれに限らず、導波路構造を有する、チャネル導波路部１、導波路レンズ部２、光偏向素子部３、スラブ導波路４、光偏向素子部５、光集束部６、チャネル導波路部７が光接続状態に構成されていればよい。
【００２９】
以下、テーパー導波路６ａを用いた光信号の集光を説明する。
図４は、テーパー導波路の平面図であり、入射された光信号の集光の様子を示す図である。
【００３０】
点線の矢印は、光線の進行方向の一例を示す。また、図では単一モードの光信号の入射を示した。
図のように光信号がテーパー導波路６ａに入射すると、テーパー導波路６ａ内の光束がコア層１１ｂとクラッド層１１ａ、１１ｃの境界面に対して、臨界角度を越える角度の場合は、全反射条件を満たすため、光信号はコア層１１ｂ近傍に閉じ込められながら、徐々に幅が縮小され、最終的には末端に接続されたチャネル導波路７ａに結合する。
【００３１】
また、テーパー導波路６ａの設計に関しては、平行光を直接受ける場合は、コア層１１ｂとクラッド層１１ａ、１１ｃの屈折率差で決まる全反射条件を満たすような角度になるようにテーパーの角度を決めればよい。例えば、平行光のビーム幅（モード径）を徐々に変えるためには、屈折率差０．５％の場合で、０．５〜１度程度の角度で幅が直線的に変わる導波路であることが望ましい。また、例えば、ビーム径３００μｍをチャネル導波路７ａに接続された出力チャネルの単一モードファイバに結合する１０μｍ以下の径に変換するには、テーパー導波路６ａの長さが最低２０ｍｍは必要になる。
【００３２】
チャネル導波路部７において、チャネル導波路７ａは、光集束部６において集光された光信号を出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４に出力する。
【００３３】
次に、図１において、入力チャネルｉｎ１から出力チャネルｏｕｔ３に光パスの切り替えを行う場合について、光スイッチ２０の動作を説明する。
光信号が入力チャネルｉｎ１に接続されているチャネル導波路１ａに入力されると、光信号は、導波路レンズ２ａ、２ｂにより、コリメートされて光偏向素子部３に入力される。入力チャネルｉｎ１から、出力チャネルｏｕｔ３に切り替える場合は、光偏向素子部３では、プリズム型電極３ａ、３ｂのうち、駆動電圧をプリズム型電極３ａに印加することにより、電気光学効果による屈折率変化で、図１のように偏向方向を変えることができる。続いて、光信号はスラブ導波路４に入力され伝播されて、光偏向素子部５に入力される。ここでは、出力チャネルｏｕｔ３に光信号を出力するために、プリズム型電極５ａ、５ｂのうち、プリズム型電極３ａに印加した電圧とほぼ同じ駆動電圧をプリズム型電極５ｂに印加することにより、図１のように光信号を光集束部６の出力チャネルｏｕｔ３側のテーパー導波路６ａに入力する。テーパー導波路６ａに入力された光信号は徐々に幅が縮小され、チャネル導波路７ａに光結合され、最終的には末端につながる出力チャネルｏｕｔ３に光信号を出力する。
【００３４】
また、例えば、入力チャネルｉｎ３から出力チャネルｏｕｔ１に光パスを切り替える場合、光偏向素子部３において、プリズム型電極３ｂに駆動電圧を印加し、出力チャネルｏｕｔ１方向に偏向させ、光偏向素子部５においては、プリズム型電極５ａに、プリズム型電極３ｂとほぼ同じ駆動電圧を印加する。
【００３５】
このようにして光スイッチ２０では、光偏向素子部３、５において、プリズム型電極３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂを選択して所定の駆動電圧を印加することによって、光パスを切り替えることができる。
【００３６】
このように、出力側の光集束部６にテーパー導波路６ａを設けたため、トラッキングを行わなくても安定に光信号をチャネル導波路７ａに結合できる。これにより、トラッキング制御が不要にできる。
【００３７】
以下、本発明の第２の実施の形態の光スイッチを説明する。
図５は、本発明の第２の実施の形態の光スイッチの平面図である。
断面図については図２とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００３８】
本発明の第２の実施の形態の光スイッチ４０は、４つの入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と、４つの出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と接続されたチャネル導波路２１ａからなるチャネル導波路部２１と、光信号をコリメートするテーパー導波路２２ａからなるコリメート部２２と、電圧印加時に光信号の偏向方向を変える光偏向素子部２３と、光信号を伝播するスラブ導波路２４と、電圧印加時に光信号の偏向方向を変える出力側の光偏向素子部２５と、光信号を集光するテーパー導波路２６ａからなる光集束部２６と、出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４と接続されたチャネル導波路２７ａからなるチャネル導波路部２７と、から構成される。
【００３９】
第２の実施の形態の光スイッチ４０は、第１の実施の形態の光スイッチ２０と異なり、ここでは、コリメート部２２に、テーパー導波路２２ａが用いられる。テーパー導波路２２ａは、出力側のテーパー導波路２６ａとは異なり、コア幅が単調に増加する構造である。これにより、テーパー導波路２２ａに入力された光信号は、幅を徐々に増加させて平行光を得ることができる。コア幅が単調に減少するテーパー導波路２２ａの角度は、コアとクラッドの屈折率差で決まる全反射条件を満たす角度である。
【００４０】
その他の構成については、第１の実施の形態の光スイッチ２０と同様であるので説明を省略する。
第２の実施の形態の光スイッチ４０では、コリメート部２２にテーパー導波路２２ａを用いたため、光偏向素子部２３、２５を除く導波路部を一括に形成する際のプロセスを簡素化できる。具体的には、導波路コアのパターン形成過程でチャネル導波路部２１、２７と、コリメート部２２、光集束部２６を同時に形成可能である。また、第１の実施の形態の光スイッチ２０のように、ドライエッチングなどによって屈折率の異なる媒体を充填する構造を作り導波路レンズ２ａ、２ｂを形成するプロセスを排除することができる。第２の実施の形態の光スイッチ４０においても、トラッキング制御を不要にできる点は、第１の実施の形態の光スイッチ２０と同様である。
【００４１】
なお、ここでは、テーパー導波路２２ａとしてコア幅が直線状に変化させたものを用いたが、放物線状に変化させたものを用いて光信号をコリメートしてもよい。
【００４２】
以下、本発明の第３の実施の形態の光スイッチを説明する。
図６は、本発明の第３の実施の形態の光スイッチの平面図である。
第３の実施の形態の光スイッチ６０は、４つの入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と、４つの出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルｉｎ１、ｉｎ２、ｉｎ３、ｉｎ４と接続されたチャネル導波路４１ａからなるチャネル導波路部４１と、光信号をコリメートする導波路レンズ４２ａ、４２ｂからなるコリメート部４２と、電圧印加時に光信号の偏向方向を変える光偏向素子部４３と、光信号を伝播するスラブ導波路４４と、電圧印加時に光信号の偏向方向を変える出力側の光偏向素子部４５と、光信号を集光する導波路レンズ４６ａ、４６ｂとテーパー導波路４６ｃからなる光集束部４６と、出力チャネルｏｕｔ１、ｏｕｔ２、ｏｕｔ３、ｏｕｔ４と接続されたチャネル導波路４７ａからなるチャネル導波路部４７と、から構成される。
【００４３】
第３の実施の形態の光スイッチ６０は、第１の実施の形態の光スイッチ２０と異なり、光集束部４６は導波路レンズ４６ａ、４６ｂと、テーパー導波路４６ｃと、から構成される。
【００４４】
テーパー導波路４６ｃは出力側に接続され、導波路レンズ４６ａ、４６ｂから出力された光信号の伝播方向の変化を吸収する。
図７は、テーパー導波路の設計例を示す平面図である。
【００４５】
なお、図７では、導波路レンズ４６ａ、４６ｂを模式的に示した。
テーパー導波路４６ｃは、導波路レンズ４６ａ、４６ｂの集光軌跡に沿った形状にすることにより、短い距離でビーム径を縮小させることができる。
【００４６】
例えば、３００μｍのビーム径に対して、焦点距離２．５ｍｍでビーム集束が可能である。光軸が若干変化した場合においても、全反射条件を満たしている範囲では、光信号の閉じ込めを維持できる。
【００４７】
図８は、テーパー導波路に入力された光信号の集光を示す平面図である。
導波路レンズ４６ａ、４６ｂを介してテーパー導波路４６ｃに入力された光信号は、図のように、光軸が若干ずれても、テーパー導波路４６ｃによりずれが吸収され、チャネル導波路４７ａに安定に光結合することができる。
【００４８】
このように、光集束部４６を導波路レンズ４６ａ、４６ｂ、テーパー導波路４６ｃによる構成としたため、伝播光に高い波面精度が得られかつ、安定に光結合が可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、コア幅が単調に減少する導波路を設けたため、光信号を安定に出力側に結合させることができる。これにより、スイッチ切り替え時に、光偏向素子の駆動電圧を微調整するトラッキング制御を行わなくても安定に光パスを設定できるため、電気光学効果の高速性を生かした高速切り替えを行うことが可能になる。
【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平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の光スイッチの断面図である。
【図３】偏向素子の構成を示す図であり、（ａ）が上面図であり、（ｂ）が側面図である。
【図４】テーパー導波路の平面図であり、入射された光信号の集光の様子を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の光スイッチの平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の光スイッチの平面図である。
【図７】テーパー導波路の設計例を示す平面図である。
【図８】テーパー導波路に入力された光信号の集光を示す平面図である。
【図９】従来の光スイッチの平面図である。
【符号の説明】
１　チャネル導波路部
１ａ　チャネル導波路
２　コリメート部
２ａ、２ｂ　導波路レンズ
３、５　光偏向素子部
３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ　プリズム型電極
４　スラブ導波路
６　光集束部
６ａ　テーパー導波路
７　チャネル導波路部
７ａ　チャネル導波路
８　光学接着剤
９　低屈折率の媒体

Claims

複数の光信号の切り替えを行う光スイッチにおいて、
前記光信号をコリメートするコリメート部と、
コリメートされた前記光信号の偏向角度を変える第１の光偏向素子と、
前記光信号を伝播するスラブ導波路と、
前記スラブ導波路を介して入力される前記光信号の偏向角度を変える第２の光偏向素子と、
コア幅が単調に減少する導波路であり、前記光信号を集光する光集束部と、
を備える複数のチャネルからなることを特徴とする光スイッチ。
前記コア幅が単調に減少する前記導波路の角度は、コアとクラッドの屈折率差で決まる全反射条件を満たす前記角度であることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
前記コリメート部の少なくとも一部は、前記コア幅が単調に増加する導波路であることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
前記コア幅が単調に増加する前記導波路の角度は、コアとクラッドの屈折率差で決まる全反射条件を満たす前記角度であることを特徴とする請求項３記載の光スイッチ。
前記光集束部は、前記光信号を集光する導波路レンズと前記コア幅が単調に減少する前記導波路とを組み合わせた構成であることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
少なくとも、前記コリメート部、前記スラブ導波路、前記光集束部は同一の導波路材料で構成され、前記第１、第２の光偏向素子をそれらの間隙に配置されたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。