JP2004029811A - 導波型光クロスポイントスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】全放送および厳密にノンブロッキング動作が可能な導波型光クロスポイントスイッチ。
【解決手段】導波型光クロスポイントスイッチは、複数の入力導波部および複数の出力導波部からなるマトリクス（Ｍ×Ｎ）を有している。各交差点に設けられた反射面は、入力線上の光信号を、結合された出力線へ向けさせるために、選択的に活性化され得る。また、反射面は、Ｍ×Ｎマトリクスを２（Ｍ×Ｎ）の再配列可能なクロスポイントスイッチに変換するために使用され得る。各導波路は、１０Ｇｂ／ｓもしくはそれ以上の速度でデータを切り替えることができる。例えば、１６×１６スイッチへ光信号を伝送するために８つの導波路チャンネルが使用されることによって、１．２８テラビット／ｓｅｃのデータ速度が達成される。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、クロスポイントスイッチに関し、特に全放送周波数帯で厳密に障壁がなく（ノンブロッキング）、かつ、小型で高速での使用が可能な光導波路型クロスポイントスイッチに関する。
【０００２】
【背景技術】
遠距離通信産業では、映像や高速データの通信サービスを提供するために必要な帯域幅を実現するために、急速に光通信網が採用されてきている。周知のように、シングルモード光ファイバには、テラビット範囲の帯域幅を有するデータを伝送する可能性がある。通常、スイッチングのような電気的な入力に依存する伝送網の構成要素により、実現可能なデータ速度に制限が課せられてしまう。従って、将来の広帯域通信システムには、特に高速ディジタル信号の伝送路、およびコヒーレント通信における周波数多元チャネルとして、光スイッチング伝送網が必要となるであろう。スイッチング速度が速いことと、信号のビットレートに制限がないことと、双方向のスイッチングが可能であることと、光の波長の不変性という理由により、導波型光スイッチを用いて電気信号を光信号に変換することなく、光信号を直接スイッチングすることは好ましい。
【０００３】
Ｎ×Ｎマトリクスアーキテクチャには、主に２つの概念がある。すなわち、ブロッキングするもしくはほとんど静的にブロッキングしない再配列可能なタイプのマトリクスと、いわゆる母線構造と呼ばれる、ノンブロッキングの全クロスポイントアレイである。再配列可能なマトリクスには、Ｎ×Ｎ個のスイッチを有する母線構造のマトリクスに比べて、スイッチ点の数Ｎ（Ｎ−１）／２がかなり低減されるという利点がある。ここで、Ｎは入出力端子の数である。しかしながら、再配列可能なタイプのスイッチでは、相互接続を確立するのに幾つかのスイッチが関係するので、相互接続を変える場合に、信号経路の再配列に要する時間中に、幾つかの情報が失われてしまう。母線構造のマトリクスにおいては、如何なる入力から如何なる出力まで相互接続を構築するのに、単一のスイッチの動作のみで十分である。従って、この構造は、高速データ通信システムへの適用に、もっとも適切な構造である。本発明は、十分にノンブロッキングの光クロスポイントスイッチに関するものである。そのような光スイッチマトリクスは、光信号を電気信号に変換することなく、光信号の符号および周波数を変えずに（ｃｏｄｅ−　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）スイッチングを行うことができるので、遠隔通信システムにおいて重要な構成要素になると期待される。
【０００４】
【従来技術】
一般に実施されているディジタル多重システム（ＤＭＳ）は、音声を基礎とする６４Ｋｂ／ｓの信号伝送速度で遠隔通信をスイッチングするのに十分に適している。しかしながら、これらのシステムでは、ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ（同期ディジタルハイアラーキー）アーキテクチャで要求される、より高速の１０Ｇｂ／ｓの通信速度に対しては、容易に適応することはできない。
【０００５】
光変調器から送られてくる信号列でもってダイオードレーザもしくはＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）レーザを変調する方式では、周知のように、光送信器は１０Ｇｂ／ｓ範囲の光信号を生成する。従って、この範囲でデータ信号をスイッチングすることができる特定のシステムが必要となる。
【０００６】
そのようなシステムの一つは、光路内に反射鏡を設け、その反射鏡を電気化学的技術により回転させることによって、第１ファイバ上の信号を第２ファイバに切り替える空間スイッチの概念に基づいている（Ａ．Ｂｏｉｓｓｉｅｒら、「Ｓｐａｃｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ｃａｐａｃｉｔｙ」、ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．５８５　、１９８５）。そのようなシステムは、広帯域の伝送網において有用となるほどには高速でないのは明らかである。
【０００７】
もう一つのスイッチングの概念は、光の偏向方式のクロスポイントマトリクスに、集積化されたレンズを結合するものである。入力信号は検出され、再生され、導波構造に供給され、そして電気−光格子から反射されて出力部へ送られ、そこで信号が検出されて再生されて出力ファイバ内に送られる。入力部および出力部の両方で信号を検出し再生するための装置を付加する必要があり、それによって動作速度が制限され、またシステムの増大を招いてしまう。この概念で動作する一つのシステムでは、各クロスポイントに能動素子が用いられている。その能動素子は、光を再生し、その光をマトリクスの入力行から出力列へ向け直す。これによって、検出器と再生器の組を付加する必要がなくなるが、そのスイッチが厳密にはノンブロッキングではないということを意味する（Ｇ．Ｗ．Ｔａｙｌｏｒら、「Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｌｏｇｉｃ　−　Ａ　Ｎｅｗ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆｏｒ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｌｏｇｉｃ　Ｕｓｉｎｇ　ＤＯＥＳ　Ｄｅｖｉｃｅｓ」、論文２７．４、ＩＥＤＭ　８５、ワシントン）。
【０００８】
従来技術の別の形態は、一般に第１図Ａ，第１図Ｂ，第１図Ｃに示すように、Ｘ状の分岐型結合器（以下、Ｘ−ブランチ型結合器と称する）、Ｙ状の分岐型結合器（以下、Ｙ−ブランチ型結合器と称する）または方向性結合器をクロスポイントスイッチとして結合したものである。例えば、Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　らの「Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｕｐｌｅｒ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｗｉｔｈ　Ｌｏｗ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｖｏｌｔａｇｅ　」（ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　、Ｖｏｌ．４　、Ｎｏ．７、Ｊｕｌｙ　１９９２　）およびＯｈらの「Ａ　Ｖｅｒｙ　Ｌｏｗ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　Ｔｏｔａｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｕｓｉｎｇ　ｐ／ｎ／ｐ／ｎ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｂｌｏｃｋｉｎｇ　Ｌａｙｅｒｓ」（ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　、Ｖｏｌ．６　、Ｎｏ．１、Ｊａｎｕａｒｙ　１９９４）に、より詳細に説明されている。良好な導波路の分離とスイッチング特性を実現するために、スイッチ構造は長い必要があり、よって第１図Ａおよび第１図Ｂに示す角度αは、８°よりも小さくなっている。そうでなければ、導波路の放射損失が大きくなり過ぎて実際の使用に適さない。さらに、クロスポイントマトリクスは、限定された数の入力および出力の導波路を結合するためだけでさえ、かなりの量の材料を消費する。一般には、４×４マトリクススイッチをＹ−ブランチ型結合器で作製すると、３×７ｍｍ^２オーダーの大きさになる（Ｇｕｓｔａｖｓｓｏｎら、「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　４×４　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　Ｌａｓｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　Ｇａｔｅ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ａｒｒａｙｓ　」、ＩＥＥＥ　ＬＥＯＳ　’９３　、Ｓａｎ　Ｊｏｓｅ、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９９３　）。
【０００９】
第１図Ｃに示す方向性結合器は、およそ４．７ｍｍの長さの導波路でできており、ファイバとの結合のために導波路の入力端および出力端においてそれぞれ１５０μｍ　離されている。仮に８×８の導波路でできたマトリクスを作製したとすれば、そのマトリクスは大きすぎるので、光集積回路を鑑みると実用的でない。
【００１０】
今まで、多くの光スイッチ素子が提案されているが、その製造性がいまだに問題となっている。Ｘ−ブランチ型結合器、Ｙ−ブランチ型結合器および方向性結合器からなるスイッチの干渉は、２モードの干渉に基づいている。それらのスイッチは、スイッチに外部電圧が印加されると、第１図Ｄに示すように、光パワーが正弦曲線状に変化するため、アナログスイッチと呼ばれる。そのようなスイッチの利点は、相互に作用し合う部分の長さが短くて済み、それゆえ素子を小型化することができるということである。完全に設計され、かつ作製された素子に対してのみ、一方の導波路で最大パワーが実現され、もう一方の導波路から最小パワーが出力される。そうでなければ、その素子は、著しくクロストークを生じる。今日の技術では、大口径の均一なウェハを歩留まりよく製造することは困難であり、それゆえ、そのようなウェハをスイッチマトリクスに適用することに制限が生じている。この問題を克服するために、幾つかの改良された素子構造が提案されている。例えば、ステップΔβ方向性結合器型スイッチのように、方向性結合器の各導波路に対して２つの電極を用いて、スイッチング特性の変化を補償するようにしたものがある。ウェハには不均質な部分が分布しているため、スイッチマトリクスの部位が異なると、各スイッチに必要とされるスイッチング電圧が異なる。このことにより、制御の複雑さが増大し、大きなスイッチマトリクスを作製することが非現実的なものとなっている。制御性の問題に加えて、そのようなスイッチはまた、入力光信号の偏光状態および波長に対して過敏である。
【００１１】
もう一つの種類のスイッチは、ディジタル光スイッチ（以下、ＤＯＳと称する）と呼ばれており、偏光の影響を受けず、波長の影響も受けず、また製造時の影響をあまり受けない、アダバティカルな（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ）　単一モードの放出に基づいている。また、そのようなスイッチは、Ｘ−ブランチ型結合器、Ｙ−ブランチ型結合器および方向性結合器を用いて作製される。そのスイッチング特性は、第１図Ｅに示すように、ステップ関数となる。光ファイバと結合するために、２つの導波路を大きく離す必要があり、これは、通常、導波路を曲げることによってなされ得る。アダバティカル（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌ）・モードの放出に対する要求があるため、交差角度は小さくなければならない。これによって、各ディジタルスイッチの長さは、アナログスイッチの長さよりもむしろ長くなっており、アナログスイッチの長さが数百マイクロメートルであるのに対して、通常、数ミリメートルである。
【００１２】
通常、光スイッチは、偏光と波長に過敏であることと、挿入損失、駆動パワーおよびサイズ等々により特徴付けられる。現在提案されているＤＯＳには、そのサイズが大きいこと以外に、消費電力が大きいという欠点がある。第１図Ｆは、Ｙ状のＤＯＳ（Ｙ−ＤＯＳ）の典型的な構造の平面図であり、このＹ−ＤＯＳは、直線状の光入力導波部２２と、実際にスイッチング動作を行う２つのブランチ導波部２４，２６を備えている。２つのブランチ導波部２４，２６には、電極Ａ，Ｂが設けられている。Ｙ−ＤＯＳは、電気的には、ブランチ導波部の上部および下部に電気的な接点を有するＰＩＮ構造をなしている。光は、光ファイバ（図示せず）によって直線状の光入力導波部２２内に注入される。両方のブランチ導波部２４，２６にバイアスが印加されていない（すなわち、両方の電極Ａ，Ｂに電流が注入されていない）場合には、入力光はそれら２つのブランチ導波部内に、５０％ずつのパワーに分割した割合で、結合される。電極Ａが十分な注入電流で順バイアスされている場合には、そのブランチ導波部２４の屈折率はより小さくなる。その結果、ブランチ導波部２４は、光を効率的に伝搬させることができず、入力光のおよそ１００％が、光入力導波部２２からもう一方のブランチ導波部２６へ切り替えられて伝搬する。同様に、電極Ｂが十分な注入電流で順バイアスされると、入力光は、光入力導波部２２からもう一方のブランチ導波部２４へ切り替えられて伝搬する。そのようなスイッチがスイッチマトリクスに使用されると、すべてのスイッチが　”ｏｆｆ”のときに、放送機能が実現され得る。完全にノンブロッキングスイッチの適用に対しては、各スイッチにおいて、それら電極のうちの一つは“ｏｎ”　となる。このＤＯＳでは、１６×１６スイッチマトリクスにおいては、２５６個の電流源が必要となり、電流消費と熱放散が問題になると考えられる。
【００１３】
提案されているＸ−ブランチ型およびＹ−ブランチ型のディジタルスイッチは、極めて長い。例えば、第１図Ｆにおいて、領域Ｉの長さは３ｍｍであり、領域ＩＩの長さは約０．７５ｍｍである。長い領域Ｉは、放射モードの問題のため必要である。通常、光ファイバの光モードは、矩形の導波路の光モードに一致しない。シングルモードファイバを矩形の導波路に結合させた場合、矩形の導波路内で複数のモードの光が生じる。効果的なスイッチングのためには、矩形の導波路は、単一のモードの光のみを伝搬するように設計される。より高次のモードの光は放射モードとなって、徐々にクラッド層（その構造の形状によって左右および上下のクラッド層）内に漏れ出る。従来のスイッチマトリクスでは、入力部および出力部は共通の軸を有しており、出力端において光ファイバは、放射モードの光を捕らえてしまう虞がある。このことは、スイッチの消光比の悪化を招く。この問題を解決するために、放射モードの光が導波路から散逸して消失するように、スイッチの領域Ｉが長くなるように設計されている。
【００１４】
従来のスイッチマトリクスに使用されているスイッチおよび第１図Ａ，第１図Ｂ，第１図Ｆに示されているようなスイッチは、共通の軸を有する入力部および出力部に縦続された形態で用いられる。そのようなスイッチが、例えば、Ｏｋｕｎｏらの「Ｓｔｒｉｃｔｌｙ　Ｎｏｎｂｌｏｃｋｉｎｇ　１６×１６　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｕｓｉｎｇ　Ｓｉｌｉｃａ　Ｂａｓｅｄ　Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」（２０ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｎｃｅ　ｏｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２５−２９　、１９９４、Ｆｉｒｅｎｚｅ　、Ｉｔａｌｙ）に開示されている。各スイッチが長いため、小さいチップ上に大きなスイッチマトリクスを形成するのは困難である。
【００１５】
【発明の開示】
光ファイバの帯域幅の能力の点で、小型のままで光学的手段によって高速データスイッチングを実現する必要がある。
【００１６】
本発明は、スイッチマトリクス法とともに、第１図Ｇに示すように、２つのブランチ導波部２８，３０が非対称に設計されてなる、通常　”ｏｆｆ”状態のディジタル光スイッチを提案する。直線状のブランチ導波部３０は、他方のブランチ導波部２８よりも大きな寸法（幅の広さおよび層の厚さの両方とも）で設計される。直線状のブランチ導波部の上およびその導波部の下に、電気的な接点（電極）が設けられる。それによってＰＩＮ構造が形成され、直線状の導波部の屈折率を電気的に制御することが可能となる。その電極が　”ｏｆｆ”状態のときには、入力導波部３２から伝搬してきた入力光は、直線状の導波部３０を通って伝搬する。ＰＮ接合が十分な注入電流によって順バイアスされると、直線状のブランチ導波部３０の実効屈折率はより小さくなる。従って、直線状の導波部３０は効果的に光を伝搬させることができなくなり、そのため入力光は他方のブランチ導波部２８内へ伝搬するように、アダバティカルに（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙ）切り替えられる。第１図Ｈには、そのスイッチング特性が概略的に示されており、その特性は、ディジタルスイッチの特性である。完全なノンブロッキングスイッチの適用に対しては、マトリクス内で１６のスイッチのみが“ｏｎ”　状態となる。これは、各角部で２つの電極が１つに組み合わされて、同じ電圧または電流が供給されることにより制御される、という状態に基づいている。放送の適用に対しては、各角部で２　つの電極を制御するために、異なる電圧または電流が必要とされる。それゆえ、電圧または電流の供給源が個別に必要となる。全部で２×１６−１個の供給源が必要となる。何れのケースでも、電力消費の問題が改善される。
【００１７】
本発明においては、以下により詳細に説明されるように、各角部で反射鏡は、下層クラッド層をエッチングする程度まで深くエッチングされている。適切に設計されている場合にのみ、角部の鏡は、光導波路内を搬送された所望の光信号を反射する。上述した放射モードの光は、別の方向に偏向されるか、またはまっすぐ前方に伝搬する。出力端にて光ファイバが、それら放射モードの光を検出するのは容易でない。そのため、小型のスイッチを実現するために、我々は、スイッチの第１　の部分（第１図Ｇの領域Ｉの部分）がより短い設計を採用することができる。
【００１８】
さらに、導波路の形状を最適化することにより、矩形の導波路のモードが光ファイバのモードに最もよく一致するように設計することができるとともに、スイッチの第１の部分（第１図Ｇの領域Ｉの部分）を更に短くすることができる。
【００１９】
従って、本発明の目的は、複数の交差する入力導波部および出力導波部からなるマトリクス（Ｍ×Ｎ）でできた、完全にノンブロッキングのクロスポイントスイッチを提供することである。
【００２０】
また、本発明の目的は、Ｍ×Ｎマトリクスの各交差点を二重に使用することによって、再配列可能な２（Ｍ×Ｎ）マトリクスを形成することである。
【００２１】
さらに、本発明の目的は、各入力導波部がビットレートを変えない（少なくとも１０Ｇｂ／ｓｅｃにおいて）ようにされたクロスポイントスイッチを提供することである。
【００２２】
本発明の他の目的は、組み合わされた複数のテラビット／ｓｅｃのビットレートに適応させるために、各入力導波部が、複数の個別の波長の搬送波を含む光信号を処理することができるようにされた効果的なＭ×Ｎクロスポイントマトリクススイッチを提供することである。
【００２３】
これらおよび他の目的は、本発明の第１の発明によって提供される。すなわち、第１の発明の光スイッチは、送られてきた光信号を受け取るための入力端を有する第１の導波路と、第１の導波路に近接された部分を有し、かつ信号受信部へ光信号を伝送するための出力端を有する第２の導波路とを具備する。第１の導波路から第２の導波路へ光信号を選択的に結合するために、第１の導波路に近接された前記部分の近くに、結合手段が設けられる。好ましくは、結合手段は、外部から印加される電圧によって制御されるようになっているとよい。
【００２４】
好ましい実施の形態においては、スイッチは、一般に直交する複数の第１の導波路および第２の導波路で構成されたマトリクスでできている。より好ましい実施の形態においては、スイッチは、直交する第１の導波路および第２の導波路よりなるＭ×Ｎマトリクスでできている。好ましくは、結合手段は、各交差点に結合された方向性結合器またはＹ−ブランチ型導波路でできており、第１の導波路から第２の導波路へ、信号を選択的に向けさせるように反射する鏡を備えているとよい。好ましくは、スイッチは、ＡＴＭネットワーク内に直接組み込まれ得るようになっているとよい。
【００２５】
上述したように、第１図Ａ〜第１図Ｆには、Ｘ−ブランチ型結合器、Ｙ−ブランチ型結合器および方向性結合器が、その特性だけでなく、光クロスポイントスイッチに適用された場合も含めて示されている。そのような素子を、従来技術の複数の導波路に組み合わせることの物理的な制限を考慮すると、大きなサイズのマトリクス形態は非実用的である。ここでは、複数の導波路マトリクス形態は、第２図に概略的に示されているように、複数の交差する入力導波部４０と出力導波部４２とで構成されている。各交差点の斜線は、鏡やブラッグ格子のような反射素子４４を表している。その反射素子４４は活性化または非活性化され、各入力導波部４０における光信号を選択的に反射するようになっている。第２図に示すように、幾つかの偏向素子が“ｏｎ”　状態になっており、それによって、入力光が出力行（出力導波部）４２へ伝送されている。
【００２６】
理想的な状況においては、反射素子４４は、“ｏｎ”　モードのときには、導波路を伝搬するすべての信号を反射し得るが、一方、“ｏｎ”　モードでないときには、導波路を伝搬する光信号が透過するのを妨げないようになっている。よって、このスイッチは、厳密にノンブロッキングであると定義され得る。同時に、マトリクスの列における各反射鏡は、パワーを分割し得るようになっており、それゆえ、どれか一つの入力導波部の光信号がそれぞれの出力導波部に所定の割合で結合され得るようになっている。これによって、放送の可能性が提供されることとなる。以下に、小型でかつ高速で放送を行い得る方法が、本発明に関連して説明される。
【００２７】
説明を簡素化するために、以下の説明では、例えば第３図に示すように、スイッチの部分のみを示し、そのスイッチ部分についてのみ説明する。第３図には２×２スイッチが示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の概念は、物質的な要求が満足され得るならば、少なくとも１６×１６あるいはそれ以上の大きさのクロスポイントスイッチにまで適用可能である。
【００２８】
第３図に示すように、各入力導波部５０，５２は、出力導波部５６，５８との交差点の近傍に方向性結合器５１，５３，５５，５７を有している。各方向性結合器５１，５３，５５，５７は、ＰＩＮ構造をなしている。入力導波部の上部電極６０は適当な電源（図示せず）に接続されていて、入力導波部に電気バイアスを選択的に印加し得るようになっている。特許出願中の米国特許出願番号第０８／２９２２０５号で検討されているように、それを参照することによってここに挿入される内容は、電気光学的効果（ｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加した場合）によって、または自由キャリアの注入（ｐ−ｎ接合に順バイアスを印加した場合）によって、方向性結合器を調整することが可能であり、それによって光信号を一導波部から極めて近接して配置された第２の導波部へ選択的に結合させることができる、というものである。反射素子６２は、例えばエッチングされた鏡で構成されており、方向性結合器の導波部６４上に効果的に配置されていて、光信号の向きを、出力導波部５６，５８に連結された各Ｙ−ブランチ導波部６６内へ向け直す。そのＹ−ブランチ導波部６６内に向き直された信号は、受信端７０，７２で検出されてさらなる処理が行われるために、各Ｙ−ブランチ導波部６６から、それに結合された出力導波部５６，５８内に伝搬される。また、何れのＹ−ブランチ導波部６６も、第３図に示すように、電極７４を有しており、Ｙ−ブランチ導波部６６内の光が出力導波部５６，５８内へ結合するのを制御するようになっている。
【００２９】
第３図においては、“ｏｎ”　状態の方向性結合器５１，５７が２つ示されている。従って、同図に示すように、信号Ｉ１は方向性結合器５１を介して出力（受信端）７０へ伝送され、また信号Ｉ２は方向性結合器５７を介して介して出力（受信端）７２へ伝送される。もちろん、上記組合わせは一例であって、本発明では、方向性結合器の“ｏｎ”　状態および　”ｏｆｆ”状態の他の組合わせが考えられるのは明らかである。
【００３０】
第３図に示す方向性結合器は、横方向に結合されている。つまり、方向性結合器の導波部と、入力および出力導波部とが、横方向にずれてはいるが、同一または実質的に同一の平面上に配置されている。導波路を有する光伝送システムの大きな利点の一つは、何らかの影響を受けることなく、信号が導波路を横切ることができるということである。
【００３１】
第４図Ａには、第３図のクロスポイントスイッチとは別の構造のクロスポイントスイッチの物質的な構造が、簡素化されて部分斜視図として示されている。同図には、基板８０、下部クラッド層８２、導波層８４、上部クラッド層８６および導波路マトリクス層８８が示されている。第４図Ａに示す例では、方向性結合器ではなく、Ｙ−ブランチ型結合器が用いられている。ハッチングを付した領域は、方向性結合型導波部の上部電極９０を表している。各導波部の終端における曲がった部分は、鏡９２である。その鏡は、各導波部に対しておよそ４５°の角度をなしており、光信号をＹ−ブランチ導波部内へ反射するようになっている。その鏡は、下部クラッド層８２に達するまで、深くエッチングされている。第４図Ａに示されたマトリクススイッチの断面斜視図は、単に一例を示しているに過ぎず、本発明がこの構造に限定されないのはいうまでもない。例えば、第４図Ｂは、第４図Ａに示す構造の変形例を示している。第４図Ｂでは、Ｙ−ブランチ型結合器の各導波部の電極は、分離している。従って、第４図Ａにおける電極９０は、第４図Ｂでは電極９４，９６に置き換えられる。
【００３２】
第５図は、第３図に示されたスイッチの、全放送状態を表す平面図である。入力導波部５０における方向性結合器５１，５３は、それぞれＶ／２（２分のＶ）およびＶで示された比率のバイアスが印加されて、“ｏｎ”　状態になっている。この結果、入力信号の２分の１が、方向性結合器５３によって反射されて、受信端７２で出力される。一方、入力信号の残りは、受信端７０に出力される。従って、入力信号Ｉ１のパワーＰ１に対して、受信端７０でＰ１／２（２分のＰ１）が現れ、残りが受信端７２でＰ１／２（２分のＰ１）として現れる。
【００３３】
第６図は、第３図に示した形態の変形例を示しており、第４図に示した実施の形態と同様の構造のものである。この実施の形態では、入力導波部１０２，１０４および出力導波部１０６，１０８の両方において、Ｙ−ブランチ導波部１０１，１０３，１０５，１０７によって、結合がなされている。周知のように、Ｙ−ブランチ導波部の屈折率は、電気光学的効果、自由キャリアによる効果または熱的効果によって制御され得る。ここでは、光信号が入力導波部を通って伝搬するか、ブランチ導波部内へ向けられるかを決定するのに、屈折率が使用され得る。入力導波部からＹ−ブランチ導波部のブランチガイド部１０９内へ向きを変えられた信号は、エッチングにより形成された反射鏡１１０により反射され、出力導波部に結合されたＹ−ブランチ導波部のブランチガイド部１１１内へ向きを変えられて、出力導波部１０６，１０８内へ伝搬する。第６図に示す構造は、如何なる瞬間においても、入力導波部において唯一の結合器のみに光信号が伝搬するのと同じであるという点で、厳密にノンブロッキングの適用に対するものである。特に図示しないが、電極に印加する電圧が所定の比率となるように制御されたＹ−ブランチ導波部を用いることにより、全放送に対するクロスポイントスイッチが作製され得るということは明らかである。
【００３４】
また、本発明に係るクロスポイントスイッチは、垂直方向に結合された方向性結合器を用いても作製可能である。第７図Ａは、通常　”ｏｆｆ”であるディジタル光スイッチの部分斜視図である。この構造においては、あるまたは他の導波路内の光は、電極に電圧または電流のバイアスが供給されることにより他の導波路内への結合が引き起こされるまで、その導波路内を伝搬し続ける。第７図Ａおよびそのあとに続く図において、光信号は、通常、上層の導波路１２２へ“スイッチ”されない限り、より下層の導波路１２０内を伝搬する。この第７図Ａに示す実施の形態は、好ましい例であるが、本発明は、その構造に限定されるものではない。
【００３５】
第７図Ｂは、電極１２４に電圧または電流が供給されて結合器が“ｏｎ”　になった場合の光路を示している。そのような状態では、光信号は、上層の導波路１２２に結合され、そして、ディジタルでの適用またはたとえアナログであっても、下層の導波路１２０へ切り替えて戻されるまでは、その導波路内を伝搬し続ける。第７図Ｃには、上層の導波路１２２における相対的パワーのプロットが、バイアス電圧の関数として示されている。第７図Ｃに示す例では、およそ−３．５Ｖのバイアスが印加されたときに、殆どすべての信号が、上層の導波路１２２内へ結合される。従って、０〜−３．５Ｖのバイアス電位でスイッチングすることによって、デジタルスイッチを実際に作ることができるということがわかる。
【００３６】
つぎに、第７図Ａ〜第７図Ｃに示す例の、クロスポイントスイッチに関連する効果について、第８図および第９図を参照しながら説明する。第８図および第９図には、１×２スイッチが示されているが、本発明では、１６×１６スイッチが考慮されるのはいうまでもない。第８図に示すように、光信号は下層の導波路内に出射され、第１の方向性結合器１２６の近傍までその下層の導波路内を通って伝搬する。この第１の方向性結合器は“ｏｎ”　状態であるため、その結合器において、光信号は上層の導波路１２２内へ結合される。上層の導波路１２２における反射鏡１２８は、上層の導波路のもう一方の腕部分、すなわちブランチ部内へ光信号を向ける。そのもう一方の腕部分に結合した方向性結合器１３０も“ｏｎ”　状態であるため、反射されて向きが変えられた光信号は、下層の導波路１２０内へ再び戻るように結合され、そして出力導波部１３２へ供給される。実質的にすべての入力信号が方向性結合器によって上層の導波路に結合されるので、出力導波部１３４にはまったく出力がない。上述したように、これらの図に示された反射鏡は、その反射鏡の周囲が下層の導波路の上面近傍まで達するようにエッチングされていることにより、形成されている。
【００３７】
第９図は、出力導波部１３２に結合した方向性結合器がｏｆｆ　状態で、一方、出力導波部１３４に結合した方向性結合器が“ｏｎ”　状態の場合を示している。再び、光入力信号は、下層の導波路１２０内に出射される。第１の方向性結合器１２６がｏｆｆ　状態であるため、その結合器に結合されてなる上層の導波路へ光信号がまったく結合されずに、すべての信号が、第２の方向性結合器１２７の近傍まで下層の導波路１２０を通って伝搬する。第２の方向性結合器１２７は“ｏｎ”　状態であるため、その結合器において、光信号は上層の導波路に結合され、反射鏡１２９によって右向きに反射される。上層の導波路のもう一方の腕部分、すなわちブランチ部の方向性結合器も“ｏｎ”　状態であるため、反射されて向きが変えられた光信号は、下層の導波路１２０内へ再び戻るように結合され、そして出力導波部１３４へ出力される。上述したように、この概念は、例えば８×８マトリクスのように、より多数の入力導波部および出力導波部を有するクロスポイントスイッチにも適用可能である。この構造の特に優れた特徴は、上層の導波路に設けられた反射鏡を略中央に配置することができるため、その反射鏡を、光信号を直角に反射するために使うことができるという点である。このことについては、反射鏡部分の上面を表した第１０図に、詳細に示されている。従って、第１０図を参照しながら説明する。導波路１４２の、第１０図において上下に延びる導波路１４４の左側へ延びる導波部１４０は、第２の入力導波部として使用可能である。この第２の入力導波部に結合された方向性結合器（図示省略）は、独立して制御可能でになっており、それゆえ、この導波部内に出射された光信号は、上層の導波路に結合され、この構造において適切に配置された反射鏡１４６により反射され得る。続いて、この反射された信号は、第１０図において上方へ延びる導波路１４８に結合された方向性結合器（図示省略）によって、下層の導波路内へ戻されて結合される。従って、この導波路は、出力導波部の異なる組合わせの一つとなる。よって、導波路１４２の、第１０図において上下に延びる導波路１４４の左側へ延びる導波部１４０内の光信号が、反射鏡１４６の一方の表面（第１０図において左斜め上方に臨む面）によって導波路１４８へ向けて反射され得ると同時に、その一方では、上下に延びる導波路１４４における光信号は、反射鏡１４６のもう一方の表面（第１０図において右斜め下方に臨む面）によって導波路１４２へ向けて反射され得る。この概念は、１６×１６マトリクスへの適用における８×８マトリクスの実施に関連して後述される。
【００３８】
垂直方向に結合された方向性結合器に関しての前述した説明は、厳密にノンブロッキングの場合について述べている。また、その構造は、放送システムにも適用可能であり、第１１図Ａには、放送システムに適用した場合について概略的に示されている。各方向性結合器１５０は、入力信号の光パワーを等分して分割することができるようになっており、それによって、各出力導波部には等しいレベルの光パワーが分配されて供給される。第１１図Ａには４×４スイッチが示されているので、各方向性結合器は、全入力パワーの２５％ずつを４つの出力導波部のそれぞれに転送させる。このパワーの分割割合が、クロスポイントマトリクスの素子数に応じて変化するのは、いうまでもない。第１１図Ｂは、４つの等しい出力パワー成分を得るために、各方向性結合器に印加される相対的なバイアス電位を示すグラフである。
【００３９】
本発明に係るクロスポイントスイッチ構造の極めて意義深い点は、光結合器の活性的なブランチ導波部に光増幅器を結合させることに対する可能性である。光増幅器は、反射鏡の表面での不完全な反射による損失だけでなく、結合損失および伝送損失を補償するためにも使用され得る。さらに、光増幅器は、　”ｏｆｆ”状態のときには優れた光吸収を示す。それゆえ、　”ｏｆｆ”状態のブランチの光増幅器に結合されたすべての光は、完全に吸収され得る。これによって、内部チャネルでのクロストークをかなり低減させることができる。第１２図Ａには、出力導波部に結合されたＹ−ブランチ導波部のブランチ腕部１６２に光増幅器が設けられてなる２×２クロスポイントスイッチが、横方向に結合された状態が示されている。光増幅器は、上述したような垂直方向に方向性結合器が結合された構造の各導波部に設けられていてもよいのはいうまでもない。特に図示しないが、入力導波部１６６またはそれに結合されたブランチ腕部１６４に光増幅器が結合されていてもよい。
【００４０】
ある適用においては、電気信号を供給するために、光検出器で出力を検出する必要がある。これは、出力導波部の終端に、光検出器を単一的に集積することによって、実現され得る。第１２図Ｂには、ブランチ腕部１６２に光増幅器１６０を有するとともに、出力導波部１７０，１７２に光検出器１６８を備えた２×２クロスポイントスイッチが示されている。第１２図Ｂにおいては、各角部に分離された電極が形成されており、入力と出力のＹ−ブランチ導波部を独立して制御することができるようになっている。
【００４１】
以上説明したように、本発明の目的は、１６の入力チャネルを１６の出力チャネルに処理することができる光クロスポイントスイッチを提供することである。第１３図には、本発明を適用してこの目的を達成する方法が概略的に示されている。好ましい実施の形態において、各クロスポイントの形態は、第８図，第９図，第１０図に示された構造、すなわち光信号を直角に反射する４５°の反射鏡を備え、かつ垂直方向に結合された方向性結合器に基づいている。この形態では、入力信号は、下層の導波路内に出射され、方向性結合器の活性的なブランチでもって、上層の導波路内を伝搬する。上層の導波路内を伝搬した光信号は、下層の導波路へ戻されて、出力信号の受信部に伝送される。８×８マトリクスを用いた１６×１６クロスポイントスイッチを効果的に実現するために、上述したように各交差点で反射鏡が２つの入力信号を反射し得るようになっていることが必要である。第１３図に示すように、マトリクスの行の左側が入力線λ１〜λ８になっている。マトリクスの列の上側が出力線λ１〜λ８になっている。同様に、マトリクスの列の下側が入力線λ９〜λ１６になっており、従って、マトリクスの行の右側が出力線λ９〜λ１６になっている。第１３図において、“ｏｎ”　状態の方向性結合器の配置は、１６のすべての入力が、両面反射鏡の概念を用いて切り替えられる方法を示すように、選択されている。再配列可能なノンブロッキングスイッチとして、他の配置が可能であるのは勿論である。同様に、放送モードにおいては、異なる配置となる。
【００４２】
第１４図は、ＡＴＭにおける１６×１６スイッチを表している。第１４図の入力Ｉ１〜Ｉ１６のそれぞれは、複数の波長のチャネルを含むことができるようになっている。例えば、各入力は、８つの異なる波長のチャネルを含み、各波長のチャネルのビットレートは１０Ｇｂ／ｓである。、８波長のチャネルを処理することができる波長可変光フィルタを備えた１６×１６スイッチを結合させることによって、その結合されたスイッチング速度は１．２８テラビット／ｓとなる。これは、単なる一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００４３】
好ましい実施の形態においては、現在のウェハ製造技術を用いて、クロスポイントスイッチは、５ｍｍ×５ｍｍの寸法のチップ内に作製される。特に適切な材料は、ＧａＡｓやＩｎＰ系材料のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物合金よりなる基板である。また、本発明においては、シリコン基板や、実際には高分子材料やガラスやシリカなどを用いてもよい。その他、ＳｉＧｅ合金や、ＬｉＮｂＯ_３のような光誘起屈折材料や、ＩＩ−ＶＩ族化合物合金等の材料を用いてもよい。
【００４４】
方向性結合器およびＹ−ブランチ導波部は、アナログおよびデジタルの何れのスイッチとしても設計可能である。アナログスイッチは、２モードの干渉に基づいており、デバイス長が短くなり得るが、波長の変化や偏光状態や製造の変化に対して過敏である。ディジタルスイッチは、アダバティカル（ａｄａｂａｔｉｃａｌ）な単一モードの発展（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）に基づいており、デバイス長が長くなるが、波長および製造の変化と同様に偏光状態についてもあまり影響を受けない。
【００４５】
以上、本発明の特定の具体例を図示して説明したが、これらの具体例に対する変更や他の実施の形態が可能であることは、当業者にとって明らかである。例えば、本発明によれば、１×ＮまたはＮ×１スイッチマトリクスが考えられる。そのスイッチは、局所的に引き起こされる熱光学効果によって制御され得る。しかしながら、そのような実施の形態の変更や他の実施の形態は、請求の範囲により画定される本発明の範囲に含まれるのはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】第１図Ａは、従来技術の基本的なスイッチ素子および特性を示す図である。
【図１Ｂ】第１図Ｂは、従来技術の基本的なスイッチ素子および特性を示す図である。
【図１Ｃ】第１図Ｃは、従来技術の基本的なスイッチ素子および特性を示す図である。
【図１Ｄ】第１図Ｄは、従来技術の基本的なスイッチ素子および特性を示す図である。
【図１Ｅ】第１図Ｅは、従来技術の基本的なスイッチ素子および特性を示す図である。
【図１Ｆ】第１図Ｆは、従来技術の基本的なスイッチ素子および特性を示す図である。
【図１Ｇ】第１図Ｇは、本発明に係る通常ノーマリオンのディジタル光Ｙ型スイッチの素子構造およびスイッチング特性を示す図である。
【図１Ｈ】第１図Ｈは、本発明に係る通常ノーマリオンのディジタル光Ｙ型スイッチの素子構造およびスイッチング特性を示す図である。
【図２】第２図は、Ｍ×Ｎマトリクススイッチの原理を示す４×４クロスポイント導波型光スイッチの概略図である。
【図３】第３図は、入力導波部に連結される方向性結合器および出力導波部に連結されるＹ−ブランチ導波部を用いた２×２クロスポイントスイッチの平面図である。
【図４Ａ】第４図Ａは、入力および出力の両導波部に連結されるＹ−ブランチ導波部を用いた２×２クロスポイントスイッチを示す図である。
【図４Ｂ】第４図Ｂは、第４図Ａのスイッチにおいて、各Ｙ−ブランチ導波部に別々の電極を備えてなるスイッチを示す図である。
【図５】第５図は、全放送の適用に対する２×２スイッチの平面図である。
【図６】第６図は、厳密にノンブロッキングの適用における両導波部に連結したＹ−ブランチ導波部を有するスイッチの平面図である。
【図７Ａ】第７図Ａは、方向性結合器の光スイッチに垂直に接続されたノーマリオフについて説明する図である。
【図７Ｂ】第７図Ｂは、方向性結合器の光スイッチに垂直に接続されたノーマリオフについて説明する図である。
【図７Ｃ】第７図Ｃは、方向性結合器の光スイッチに垂直に接続されたノーマリオフについて説明する図である。
【図８】第８図は、垂直に接続された方向性結合器を有する１×２スイッチの斜視図である。
【図９】第９図は、第８図に示す素子において、出力経路が切り替えられた状態を示す図である。
【図１０】第１０図は、再配列可能なノンブロッキングスイッチ用の、第８図および第９図の垂直な方向性結合器における反射鏡部分の拡大図である。
【図１１Ａ】第１１図Ａは、第８図および第９図に示すようなスイッチを備えた、パワーを分割した放送の適用におけるクロスポイントマトリクススイッチの概略図である。
【図１１Ｂ】第１１図Ｂは、第１１図Ａの素子における入力電圧に対する光パワーのグラフである。
【図１２Ａ】第１２図Ａは、光増幅器を有する２×２スイッチの平面図である。
【図１２Ｂ】第１２図Ｂは、第１２図Ａの２×２スイッチにおいて、出力導波部に光検出器を備えてなるスイッチの平面図である。
【図１３】第１３図は、８×８マトリクススイッチを用いた再配列可能な１６×１６光クロスポイントスイッチに対するレイアウトである。
【図１４】第１４図は、ＡＴＭの適用における１６×１６スイッチを示す図である。

Claims (11)

1. 送られてきた光信号を受け取るための入力端を有する第１の導波路と、
   前記第１の導波路に近接された部分を有し、かつ信号受信部へ光信号を伝送するための出力端を有する第２の導波路と、
   前記第１の導波路に近接された前記部分の近くに設けられて、前記第１の導波路から前記第２の導波路へ前記光信号を選択的に結合する結合手段と、
   を備えたことを特徴とする光クロスポイントスイッチ。
2. 複数の前記第１の導波路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光クロスポイントスイッチ。
3. 複数の前記第２の導波路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光クロスポイントスイッチ。
4. 複数の前記第１の導波路および複数の前記第２の導波路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光クロスポイントスイッチ。
5. 前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、前記第１の導波路に近接された前記部分で交差していることを特徴とする請求項４に記載の光クロスポイントスイッチ。
6. 前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、実質的に９０°の角度で交差していて、マトリクスを形成していることを特徴とする請求項４に記載の光クロスポイントスイッチ。
7. 前記結合手段は、
   前記第１の導波路および前記第２の導波路にそれぞれ結合した第１の光結合器および第２の光結合器と、
   前記選択的に結合された光信号を、前記第１の光結合器から前記第２の光結合器へ向かわせる反射手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項６に記載の光クロスポイントスイッチ。
8. 前記反射手段は、エッチングにより形成された鏡であることを特徴とする請求項７に記載の光クロスポイントスイッチ。
9. 前記光結合器は、方向性結合器であることを特徴とする請求項７に記載の光クロスポイントスイッチ。
10. 前記方向性結合器は、垂直方向に結合されていることを特徴とする請求項９に記載の光クロスポイントスイッチ。
11. 前記方向性結合器は、平坦に結合されていることを特徴とする請求項９に記載の光クロスポイントスイッチ。

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