JP2004233619A - Optical switch and optical wavelength router - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical switch and an optical wavelength router, with which power consumption is made constant and temperature variation is prevented and which have stable characteristics. <P>SOLUTION: The optical switch is constructed with a quartz type optical waveguide 1. With respect to its construction, an input branching part 2A distributes a light wave inputted from an input waveguide 5 to all of four output waveguides with the same intensity, an output coupling and branching part 3A distributes a light wave inputted to an arbitrary one out of four input waveguides to all of four output waveguides 29-32 with the same intensity and a phase shifter part 4A, interposed between the input branching part 2A and the output coupling and branching part 3A, comprises phase shifter waveguides 11-14, connecting the four output waveguides of the input branching part 2A and the four input waveguides of the output coupling and branching part 3A one to one with one another, and respectively provided with thin film heaters 15-18 to conduct phase modulation. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信において使用されるルーティングデバイスである光スイッチ及び光波長ル一タに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術及び微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。特に、石英系光導波路上に構成され、熱光学効果(Thermo−optic effect)を用いた光スイッチ(以下、TOSWと呼ぶ。)は、大規模の光スイッチを実現することが可能であることに加え、その経時変化に対する安定性、制御性の点において優れており、精力的に研究開発が進められている。
【0003】
図15は、TOSWを用いた従来のツリー型光スイッチの概略図である。
図15では、TOSWを用いた1×8ch(チャネル)の光スイッチとして説明し、説明を簡単にするため、動作に必要な部分のみの言及に留める。
【0004】
図15に示すように、従来の1×8ch光スイッチは、石英系光導波路101を用いて構成され、光波を入射する入力導波路102と、入力導波路102に接続され、マッハツェンダ干渉計により構成される第1段スイッチ103と、第1段スイッチ103の2つの出力に接続された接続導波路109、110と、接続導波路109、110にそれぞれ接続された2つの第2段スイッチ(第2段第1スイッチ111等)と、2つの第2段スイッチのそれぞれ2つの出力に接続された4つの接続導波路(接続導波路113、114等)と、4つの接続導波路にそれぞれ接続された4つの第3段スイッチ(第3段第2スイッチ115等)と、4つの第3段スイッチに接続された8つの出力導波路(出力導波路117、118等)とを有する。第1段スイッチ103は、2個の光方向性結合器104、105と、それらに挟まれた等長のアーム導波路106、107と、アーム導波路106の上部に配置された薄膜ヒータ108により構成される。他の第2段スイッチ、第3段スイッチも第1段スイッチ103と同等の構成である。
【0005】
次に従来の光スイッチの動作を説明する。ここでは、出力導波路117ヘスイッチングする場合について説明するが、他の出力導波路ヘスイッチングする場合においても、その動作原理は同様である。
【0006】
入力導波路102より入力された光波は、第1段スイッチ103の光方向性結合器104によりアーム導波路106及び107に等分配される。アーム導波路106上の薄膜ヒータ108に電力を印加しない場合、アーム導波路106及び107を伝搬した光波は光方向性結合器105において合波され接続導波路110へと分岐される。又、アーム導波路106上の薄膜ヒータ108に適切な電力を印加した場合、アーム導波路106と107との間の光波の位相差を、当該波長において半波長とすることで、接続導波路109へと分岐される。つまり、入力導波路102より入力された光波は、第1段スイッチ103により接続導波路109又は110にスイッチングされることとなる。
【0007】
接続導波路109を経由して第2段第1スイッチ111に入力された光波は、薄膜ヒータ112への電力の印加/無印加により、接続導波路114又は接続導波路113へとスイッチングされ、薄膜ヒータ112へ適切な電力を印加した場合、接続導波路114へとスイッチングされる。更に、接続導波路114を経由して第3段第2光スイッチ115に入射された光波は、薄膜ヒータ116への電力の印加/無印加により、接続導波路118又は接続導波路117へとスイッチングされ、薄膜ヒータ116に電力を印加しない場合は出力導波路117へと光路を設定することができ、出力導波路117への所望の出力を得ることができる。
【0008】
従って、図15に示した従来の光スイッチでは、入力導波路102から出力導波路117へのスイッチングが、薄膜ヒ一タ108、112に適切な電力を印加することで実現される。
【0009】
図15に示すようなツリー型のTOSWを用いた従来の光スイッチとして、石英系光導波路による1×128chの光スイッチが報告されている(非特許文献1参照)。この1×128ch光スイッチでは、1.5%の比屈折率差を有する石英系光導波路を用いており、薄膜ヒータの半波長電力は0.385W、平均クロストークは50.8dB、各出力導波路への平均損失は3.7dBと良好な特性が得られている。
【0010】
しかしながら、ツリー型のTOSWを用いた光スイッチでは、任意の出力導波路にスイッチングするために、例えば、出力チャネル数を2個とした場合、最低で0個から最大でM個の薄膜ヒータへの電力印加が必要である。具体的には、M=7(2=128)である上記1×128ch光スイッチでは、出力チャネルによってその消費電力が0Wから2.695Wまでばらつく。
【0011】
このように、石英系光導波路によるTOSWを用いた光スイッチは、優れた特性を有し、通信システムへの応用が期待されている半面、消費電力が出力チャネルによってばらつく上、スイッチング速度に関しても、以下の問題点が検討課題となっている。
【0012】
図16は、熱光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計の過渡応答特性の測定結果を示す図である。
図16に示すように、熱光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計では、スイッチングの過渡応答特性として、光強度が90%以上となる立ち上がりにおいて4ms、光強度が10%以上となる立下りにおいて5msのスイッチング時間を要している。つまり、従来の光スイッチは、熱光学効果を利用したマッハツェンダ干渉計を用いているために、その動作は数ms程度に制限されている。
【0013】
ところで、近年の波長分割多重(以下、WDMと呼ぶ。)通信ネットワークにおいては、波長によるパスの制御、すなわち光波長ルーティングが重要な技術となりつつある。メトロアクセス系のネットワークにおいては、光波長ル−ティングを適用することにより、柔軟性に富んだネットワークの構築が可能となるため、このような光波長ルータの実現が切望されている。
【0014】
図17は、波長多重信号(以下、WDM信号と呼ぶ。)をルーティングする従来の光波長ルータの概略図である。
ここでは、簡単のため、4波のWDM信号を5つの任意の空間的パスにルーティングする4波長の1×5ch光波長ルータを例に取り、その概要を説明する。
【0015】
図17に示すように、従来の光波長ルータは、光波を入射する入力導波路121と、入力導波路121に接続された1×4chの入力分波アレイ導波路格子122と、接続導波路群123を介して入力分波アレイ導波路格子122の4つの出力に各々接続された第1段1×2光スイッチ群124と、接続導波路群125を介して第1段1×2光スイッチ群124の各々の光スイッチの出力の一方側に接続された第5−4×1ch出力合波アレイ導波路格子135と、接続導波路群126を介して第1段1×2光スイッチ群124の各々の光スイッチの出力の他方側に接続された第2段1×2光スイッチ群127と、接続導波路128を介して第2段1×2光スイッチ群127の出力に接続された第3段光スイッチ群129とを有し、更に、接続導波路130を介して、対応する波長ごとに第3段1×2光スイッチ群129の出力に接続された第1−4×1ch出力合波アレイ導波路格子131、第2−4×1ch出力合波アレイ導波路格子132、第3−4×1ch出力合波アレイ導波路格子133、第4−4×1ch出力合波アレイ導波路格子134と、第1〜第5の4×1ch出力合波アレイ導波路格子131〜135の合波出力に各々接続される出力導波路136〜140とを有する。
【0016】
上記従来の光波長ルータでは、入力導波路121より入射されたWDM信号が、入力分波アレイ導波路格子122により波長分波された後、分波された光波が波長ごとにツリー型の1×2光スイッチ群124、127、129によりルーティングされ、第1〜第5の4×1ch出力合波アレイ導波路格子131〜135にて合波されて、任意の出力導波路136〜140から出力される。この光波長ルータは、波長ごとにツリー型のTOSWを有するため、波長ごとに任意の出力を設定することが可能である。
【0017】
図17に示すような光波長ルータとして、1×9chの光波長ルータが報告されている(非特許文献2参照)。この1×9ch光波長ルータでは、1×2光スイッチがTOSWによるマッハツェンダ干渉計により構成されており、TOSWの半波長電力が0.45Wであり、消費電力の最大値が14Wであることが報告されている。又、各出力導波路への伝搬損失は最大で5.4dB、クロストークは最悪値46dBであると報告されている。
【0018】
上記1×9chの光波長ルータでは、パスの設定状態により消費電力が0Wから14Wまで変化する。これは、光波長ルータを構成する光導波路基板の温度が変動することを意味しており、入力分波アレイ導波路格子122、第1〜第5−4×1ch出力合波アレイ導波路格子131〜135の合分波特性に、光導波路基板の温度変化が悪影響を与えてしまうこととなる。
【0019】
図18は、従来の光波長ルータにおいて、TOSWへの印加電力に相当する温度変化を基板に与えて、任意の出力合波アレイ導波路格子の中心波長における出力スペクトルの変化を測定した図である。
具体的には、図17に示した従来の光波長ルータにおいて、TOSWへの印加電力を0W、1.8W、3.6Wと変化させて、第1−1×4出力合波アレイ導波路格子131の中心波長における出力スペクトルの変化を測定した。図18に示すように、TOSWへの印加電力によって、第1−1×4出力合波アレイ導波路格子131の中心波長がシフトすることがわかり、その中心波長の変化は凡そ10GHz/Wである。すなわち、本来、光波長ルーティングをするために印加している電力が、アレイ導波路格子の波長分波特性にも影響を与えることがわかる。
【0020】
更に、上記構成の従来の光波長ルータでは、パスのルーティングにTOSWを用いているため、図16に示した特性と同様に、応答速度は数ms程度に制限されている。
【0021】
【非特許文献1】
T. Watanabe, et al, ”Silica−based PLC lx128 Thermo−Optic Switch,” Proc. 27th European Conference on Optical Communication, P134−135 Tu.L.1.2, 2001, Amsterdam.
【非特許文献2】
C. R. Doerr, ”Silica−Waveguide lx9 waveguide−Selective cross connect,” Proc. Optical Fiber Communication, Postdeadline Papers P2−4, FA3−1, 2002, Anaheim.
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明してきたように、石英系光導波路を用いた熱光学効果による1×Nch光スイッチは、選択する出力チャネルによって、その消費電力がばらつき、部品全体の温度制御を困難にしていた。すなわち、消費電力の変動により温度依存性のある他の構成要素、例えばアレイ型導波路格子などへ温度変動を与え、その特性劣化の要因となっていた。
【0023】
更に、石英系光導波路を用いた熱光学効果による光スイッチの応答特性は、数ms程度と熱光学効果の制限により律則されており、高速のアプリケーションへの適用を妨げていた。すなわち、TOSWは低速のルーティング、例えば伝送線路故障時の低速の伝送線路の確保などのアプリケーションに対しては、非常に優れた性能を発揮するが、μsオーダーの応答特性が必要とされるバーストスイッチングやnsオーダーの応答特性が要求されるパケットスイッチングには、応用が困難であった。
【0024】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、消費電力を一定にでき、温度変動を防止して、安定した動作特性を有する光スイッチ及び光波長ルータを提供することを目的とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチ及び光波長ルータの概要は以下のとおりである。
すなわち、上記課題を解決する本発明に係る光スイッチは、平面光波回路上に構成されたものであり、入力された光波の分岐を行う入力分岐部と、光波の合分岐を行う出力合分岐部と、入力分岐部と出力合分岐部に挟まれ、光波の位相を変調する位相シフタ部とからなり、入力分岐部は、少なくとも1本の入力部入力導波路と、N本の入力部出力導波路と、1本の入力部入力導波路から入力された光波を、N本の入力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための入力部分岐手段とを有するものであり、出力合分岐部は、N本の出力部入力導波路と、N本の出力部出力導波路と、N本の出力部入力導波路のうち任意の1本に入力された光波を、N本の出力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための出力部合分岐手段とを有するものであり、位相シフタ部は、N本の入力部出力導波路とN本の出力部入力導波路とを1対1に接続する位相シフタ導波路と、位相シフタ導波路のそれぞれに設けられた位相変調手段とを有するものであることを特徴とする。
なお、上記Nは1より大きい整数とする。
【0026】
又、上記課題を解決する本発明に係る光波長ルータは、平面光波回路上に構成されたものであり、入力された光波の分岐を行う入力分岐部と、光波の合分岐を行う出力合分岐部と、入力分岐部と出力合分岐部に挟まれ、光波の位相を変調する位相シフタ部とからなり、入力分岐部は、少なくとも1本の入力部入力導波路と、N本の入力部出力導波路と、1本の入力部入力導波路から入力された光波を、N本の入力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための入力部分岐手段とを有するものであり、出力合分岐部は、N本の出力部入力導波路と、N本の出力部出力導波路と、N本の出力部入力導波路のうち任意の1本に入力された光波を、N本の出力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための出力部合分岐手段とを有するものであり、位相シフタ部は、N本の入力部出力導波路に接続されたN本の入力接続導波路と、入力接続導波路に接続され、少なくとも(N−1)個の1入力M出力の波長分波器と、波長分波器に接続され、少なくとも(N−1)×M本の位相シフタ導波路と、位相シフタ導波路に接続され、少なくとも(N−1)個のM入力1出力の波長合波器と、波長合波器とN本の出力部入力導波路とを接続するN本の出力接続導波路と、位相シフタ導波路のそれぞれに設けられた位相変調手段とを有するものであることを特徴とする。
なお、上記N及びMは1より大きい整数とする。
【0027】
更に、上記光スイッチ又は光波長ルータにおいては、位相変調手段として、熱光学効果による位相変調器を用いてもよく、又、電気光学効果による位相変調器を用いてもよい。
【0028】
更に、上記光スイッチ又は光波長ルータにおいては、入力分岐部、出力合分岐部及び位相シフタ部が石英系光導波路により構成されてもよく、又、位相変調手段がニオブ酸リチウムにより構成され、その他の構成要素が石英系光導波路により構成されてもよい。
【0029】
加えて、入力部分岐手段が、50%結合光方向性結合器又は1×2分岐多モード干渉カプラが多段に接続されて構成されたものでもよく、又、出力部合分岐手段が、50%結合光方向性結合器又は2×2合分岐多モード干渉カプラが多段に接続されて構成されたものでもよい。
【0030】
又は、入力分岐部はそのすべて又はその一部を、結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計を多段に接続することにより構成してもよく、もしくは、出力合分岐部はそのすべて又はその一部を、結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計を多段に接続することにより構成してもよい。
【0031】
加えて、多段に構成された50%結合光方向性結合器もしくは1×2分岐多モード干渉カプラの最初段、又は多段に構成された50%結合光方向性結合器もしくは2×2合分岐多モード干渉カプラの最終段のうち、少なくとも一方がマッハツェンダ干渉計による可変光方向性結合器を用いて構成されてもよい。
【0032】
入力分岐部を構成する50%結合光方向性結合器、1×2分岐多モード干渉カプラ又は結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計のいずれかと、出力合分岐部を構成する50%結合光方向性結合器、2×2分岐多モード干渉カプラ又は結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計のいずれかを2つの合分岐器とする任意のマッハツェンダ干渉計が、その光路長差がゼロになるように設定されたものでもよい。
【0033】
入力部分岐手段は1×N分岐多モード干渉光カプラにより構成されたものでもよく、又、出力部合分岐手段はN×N分岐多モード干渉光カプラにより構成されたものでもよい。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光スイッチ及び光波長ルータの実施形態のいくつかを、以下に示す実施例の図面を用いて詳細に説明する。なお、実施例を示す全図において、同一の機能を有するものは同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。
【0035】
(実施例1)
図1は、本発明に係る実施形態の一例を示す光スイッチの概略図であり、1×4ch(チャネル)の光スイッチを例に取り、その構成、動作及び特性の詳細を説明する。
【0036】
本実施例の1×4ch光スイッチは、石英系光導波路1等の平面光波回路を用いて構成され、その光導波路の非屈折率差が0.75%のものを用いている。
【0037】
図1に示すように、本実施例の1×4ch光スイッチは、入力分岐部2A、出力合分岐部3A及び位相シフタ部4Aから構成される。
入力分岐部2Aは、光波を入力する入力部入力導波路となる入力導波路5と、入力導波路5に接続され、1×2光分岐器である第1段光方向性結合器6と、第1段光方向性結合器6に接続された接続導波路7、8と、第1段光方向性結合器6に接続導波路7、8を介して接続された第2段光方向性結合器9、10とを有している。入力分岐部2Aでは、入力導波路5から入力された光波は、入力部分岐手段となる第2段光方向性結合器9、10により4個の入力部出力導波路に等分配(等強度に分割)される。
【0038】
位相シフタ部4Aは、4本の位相シフタ導波路11、12、13、14と、それらの上部に配置された薄膜ヒ一タ15、16、17、18とを有している。入力分岐部2からの4個の出力は、それぞれ位相シフタ導波路11、12、13、14に接続される。ここでは、位相変調手段として、薄膜ヒータ15〜18を用いることで、熱光学効果による位相変調器を構成している。
【0039】
出力合分岐部3Aは4個の出力部入力導波路を有し、それらは位相シフタ部4Aの位相シフタ導波路11、12、13、14に接続される。ここでは、位相シフタ導波路11及び12は、第3段光方向性結合器19の2つの入力に接続され、位相シフタ導波路13及び14は、第3段光方向性結合器20の2つの入力に接続される。第3段光方向性結合器19の一方の出力と第3段光方向性結合器20の一方の出力は、接続導波路21及び23を介して第4段光方向性結合器27の2つの入力に接続される。又、第3段光方向性結合器19の他方の出力と第3段光方向性結合器20の他方の出力は、接続導波路22及び24を介して第4段光方向性結合器28の2つの入力に接続される。最後に、第4段光方向性結合器27及び28は、出力部出力導波路となる出力導波路29、30、31、32に接続される。上記構成の出力合分岐部3Aでは、任意の1本の出力部入力導波路に入力された光波は、出力部合分岐手段を構成する第3段光方向性結合器19、20と、接続導波路22〜24と、交差導波路25、26と、第4段光方向性結合器27、28とにより、4個の出力導波路29〜32へ等分配(等強度に分割)される。
【0040】
ここで、接続導波路21、22、23、24はすべて等長になるように設定されるとともに、接続導波路22及び23の交差角θと同じ角度θで交差するように、交差導波路25及び26が接続導波路21及び24に対して配置される。本実施例では、交差角θを30度とした。交差導波路25及び26をこのような角度θに配置することで、各パスでの損失のばらつきを低減でき、消光比の改善を図ることができる。
【0041】
本実施例の光スイッチでは、第2段光方向性結合器9と第3段光方向性結合器19、更に第2段光方向性結合器10と第3段光方向性結合器20を結ぶパスはすべて等長に設定される。又、第1段光方向性結合器6と第4段光方向性結合器27及び28を結ぶ任意のパスはすべて等長に設定される。つまり、本実施例の光スイッチでは、入力分岐部2Aを構成するいずれかの光方向性結合器と出力合分岐部3Aを構成するいずれかの光方向性結合器とを2つの合分岐器として、任意のマッハツェンダ干渉計を構成した場合、その光路長差がゼロになるように設定されている。
【0042】
なお、本実施例の光スイッチでは、伝搬損失が低く、作製が容易な石英系光導波路を用いているが、その他の光導波路、例えば、InP化合物による導波路やSiONによる光導波路を用いても、同様の効果を得ることが可能である。又、本実施例では、1×2光分岐器、2×2光合分岐器として3dB(50%)結合光方向性結合器を用いているが、1×2分岐多モード干渉カプラ、2×2合分岐多モード干渉カプラ等を多段に接続して構成した光分岐器、光合分岐器を用いても同様の効果を得ることができる。又、合分岐数を2より大きい整数Nとした1×N分岐多モード干渉カプラ、N×N合分岐多モード干渉カプラ等を用いてもよい。
【0043】
次に、本実施例の光スイッチの動作を以下に説明する。
入力導波路5より入力された光波は、入力分岐部2Aにより等パワーに分配され、位相シフタ導波路11、12、13、14に伝搬する。薄膜ヒータ15、16、17、18に適切な電力を印加し、第3段光方向性結合器19、20における各光波の位相状態を調節することで、第3段光方向性結合器19からの出射を接続導波路21又は22のいずれか、第3段光方向性結合器20からの出射を接続導波路23又は24のいずれかに設定できる。
【0044】
更に、薄膜ヒータ15、16が与える位相差、薄膜ヒータ17、18が与える位相差を保ったまま、薄膜ヒータ15、16と薄膜ヒータ17、18が与える位相差を適切に設定することで、第4段光方向性結合器27、28からの出力を出力導波路29、30、31、32のいずれかに設定することが可能である。
【0045】
図2は、各出力導波路に出力する際に、各薄膜ヒータにおいて光波に与える位相の関係を示す図である。
図2に示すように、例えば、入力導波路5へ入射された光波を出力導波路30へスイッチングする際には、薄膜ヒータ15、16、17、18に、それぞれπ/2、π/2、π、0となる位相シフトに相当する電力を印加すればよい。更に、薄膜ヒータの印加電力とそれによる光波の位相シフト量は比例関係にあるので、各薄膜ヒータによる位相シフト量の総和、すなわち各薄膜ヒータへの印加電力の総和は、どの出力導波路を選んだ場合でも等電力となることがわかる。
【0046】
図3は、本実施例の1×4ch光スイッチの静特性を示すものであり、図3(a)は、各出力導波路での伝搬損失のグラフであり、又、図3(b)は出力を出力導波路30に設定した場合の他の出力導波路との消光比を示したグラフである。
この測定では、波長1550nmの単色光について測定を行い、損失としては、出力導波路30に対して最大で2.5dB、最小で出力導波路29に対して2.1dB、平均で2.3dBと良好な特性が得られた。又、消光比としては、最悪値で出力導波路29に対して33.4dB、最良値で出力導波路31に対して35.2dB、平均で34.4dBと良好な特性が得られた。
【0047】
以上のように、本実施例の光スイッチによれば、一定の消費電力でスイッチングすることで温度が安定して、スイッチングの動作特性が安定する光スイッチを実現することができる。
【0048】
(実施例2)
図4は、本発明に係る実施形態の他の一例を示す光スイッチの概略図であり、実施例1と同様に1×4chの光スイッチを例に取り、その構成、動作及び特性の詳細を説明する。
【0049】
又、本実施例では、光スイッチを構成する入力分岐部及び出力合分岐部を、実施例1と同様に石英系光導波路を用いて構成し、光スイッチを構成する位相シフタ部を、z−cut進行波型チタン拡散ニオブ酸リチウムによる電気光学効果位相シフタを有する光導波路を用いて構成した。
【0050】
図4に示すように、本実施例の1×4ch光スイッチは、石英系光導波路1による入力分岐部2A、出力合分岐部3Aと、ニオブ酸リチウム導波路による位相シフタ部4Bの平面光波回路から構成される。
入力分岐部2A及び出力合分岐部3Aの構成は実施例1と同様であり、詳細な説明は省略する。
【0051】
入力分岐部2Aと位相シフタ部4Bは、接合面33において、入力分岐部2Aの第2段光方向性結合器9、10からの4個の接続導波路51、52、53、54と、位相シフタ部4Bに配置された位相シフタ導波路40、41、42、43とが、それぞれ一致するように接合されている。又、出力合分岐部3Aと位相シフタ部4Bも、接合面34において、位相シフタ部4Bに配置された位相シフタ導波路40、41、42、43と、出力合分岐部3Aの第3段光方向性結合器19、20への4つの接続導波路55、56、57、58とが、それぞれ一致するように接合されている。
【0052】
位相シフタ部4Bにおいては、位相シフタ導波路40、41、42、43に対して、適切な電界が印加できるように、電極44a及び44b、45a及び45b、46a及び46b、47a及び47bがそれぞれ設けられている。ここでは、位相変調手段として、電極44a及び44b、45a及び45b、46a及び46b、47a及び47bを用いることで、電気光学効果による位相変調器を構成している。各電極による位相シフト量は、実施例1における図2の設定と同様である。例えば、出力導波路29ヘスイッチングする場合は、電極44aと44bの間にπ/2、電極45aと45bの間にπ/2、電極46aと46bの間に0、電極47aと47bの間にπに相当する電界を印加すればよい。
【0053】
なお、本実施例でも、入力分岐部及び出力合分岐部を作製が容易で伝搬損失の低いとの観点から石英系光導波路としたが、InP化合物やSiON光導波路を用いても同様の効果を得ることは可能である。又、位相シフタ部をニオブ酸リチウムによる光導波路としたが、その他の高速応答特性を有する位相シフタが実現可能な光導波路、例えば、電気光学効果を有するKTP(Potassium Titanyl Phosphate)導波路に置き換えても同様の効果を得ることは可能である。更に、実施例1と同じく本実施例では、1×2光分岐器、2×2光合分岐器として3dB(50%)結合光方向性結合器を用いているが、1×2分岐多モード干渉カプラ、2×2合分岐多モード干渉カプラ等を多段に接続して構成した光分岐器、光合分岐器を用いても同様の効果を得ることができる。又、合分岐数を2より大きい整数Nとした1×N分岐多モード干渉カプラ、N×N合分岐多モード干渉カプラ等を用いてもよい。
【0054】
図5は、本実施例における光スイッチの過渡応答特性の測定結果を示す図である。
具体的には、本実施例の1×4ch光スイッチにおいて、入力導波路5からの光波を出力導波路29と出力導波路30との間でスイッチングした場合の過渡応答特性を測定した。図5から明らかなように、90%までの立ち上がり、10%までの立ち下がりのどちらの出力に対しても、1nsの高速な過渡特性が得られ、非常に高速なスイッチングを実現することができた。
【0055】
図6は、本実施例の1×4ch光スイッチの静特性を示すものであり、図6(a)は各出力導波路での伝搬損失のグラフであり、(b)は出力を出力導波路30に設定した場合の他の出力導波路との消光比を示したグラフである。
この測定でも、波長1550nmの単色光について測定を行い、損失としては、最悪値で4.2dB、最良値で3.7dB、平均値で3.9dBであり、消光比としては、最悪値で27dB、最良値で32.5dB、平均値で29.3dBであり、良好な特性が得られた。
【0056】
以上のように、本実施例によれば、一定の消費電力でスイッチングすることで温度が安定して、スイッチングの動作特性が安定するとともに、高速なスイッチング動作を行う光スイッチが実現された。このことにより、本実施例の光スイッチはバーストスイッチやパケットスイッチへの適用が可能となる。
【0057】
(実施例3)
図7は、本発明に係る実施形態の一例を示す光波長ルータの概略図であり、1×4ch−6波の光波長ルータを例に取り、その構成、動作及び特性の詳細を説明する。
【0058】
本実施例の光波長ルータは、石英系光導波路1等の平面光波回路上に構成され、実施例1の位相シフタ部をアレイ導波路格子による波長合分波器と位相シフタアレイで置き換えることで、1×4ch−6波光波長ルータを構成したものである。
【0059】
図7に示すように、本実施例の光波長ルータは、入力部として、光波を入射する入力導波路61と、入力導波路61に接続された入力分岐部62と、入力分岐部62の4個の出力に接続された4つの接続導波路63、64、65、66とを有し、出力部として、4本の出力導波路81、82、83、84と、出力導波路81、82、83、84を接続する出力合分岐部80と、出力合分岐部80の4個の入力に接続された接続導波路76、77、78、79とを有する。なお、本実施例の光波長ルータの入力分岐部62及び出力合分岐部80は、実施例1における入力分岐部2A及び出力合分岐部3Aと同等の構成であり、詳細な説明は省略する。
【0060】
更に、位相シフタ部4Cは、入力分岐部62との接続においては、入力接続導波路となる接続導波路63、64、65、66を介して入力分岐部62に接続し、出力合分岐部80との接続においては、出力接続導波路となる接続導波路76、77、78、79を介して出力分岐部80に接続した。位相シフタ部4C内部では、接続導波路63、64、65、66には、波長分波器となる1×6波長分波アレイ導波路格子67、68、69、70をそれぞれ接続し、接続導波路76、77、78、79には、波長合波器となる6×1波長合波アレイ導波路格子72、73、74、75をそれぞれ接続した。位相シフタ部4Cに必要な1×M波長分波アレイ導波路格子及びM×1波長合波アレイ導波路格子の数は、N本の出力導波路に出力する場合は、少なくとも(N−1)個あればよいが、本実施例では、理解を容易にするために、4本の出力導波路に対して、4個の1×6波長分波アレイ導波路格子67〜70及び4個の6×1波長合波アレイ導波路格子72〜75を設けた。ここで、Mは合分波するWDM信号の数である。
【0061】
上記1×6波長分波アレイ導波路格子67、68、69、70及び6×1波長合波アレイ導波路格子72、73、74、75の各々は、光信号を回折する入力側スラブ導波路及び出力側スラブ導波路と、入力側スラブ導波路と出力側スラブ導波路との間を接続し、互いに長さの異なる複数のアレイ導波路とから構成されるものであり、すべて同一の合分波特性を有し、WDM信号を光周波数f1、f2、f3、f4、f5、f6に分波もしくは光周波数f1、f2、f3、f4、f5、f6の光波をWDM信号に合波するものである。
【0062】
更に、1×6波長分波アレイ導波路格子67の分波(出力)側ポートと6×1波長合波アレイ導波路格子72の分波(入力)側ポート、1×6波長分波アレイ導波路格子68の分波側ポートと6×1波長合波アレイ導波路格子73の分波側ポート、1×6波長分波アレイ導波路格子69の分波側ポートと6×1波長合波アレイ導波路格子74の分波側ポート、1×6波長分波アレイ導波路格子70の分波側ポートと6×1波長合波アレイ導波路格子75の分波側ポートが、複数の位相シフタアレイ71を介して、各々対応する波長ごとに接続されている。位相シフタアレイ71は、実施例1の位相シフタ部4Aと同様に、位相シフタ導波路とその上部に配置された薄膜ヒータからなるものを複数配設したものであり、位相変調手段として、薄膜ヒータを用いて熱光学効果による位相変調器を構成している。位相シフタ部4Cに必要な位相シフタアレイ71の位相シフタ導波路の数は、1×M波長分波アレイ導波路格子及びM×1波長合波アレイ導波路格子を用いて、N本の出力導波路に出力する場合、少なくとも(N−1)×M個あればよい。本実施例では、4本の出力導波路に対して、24個の位相シフタ導波路を設けた。ここでも、Mは合分波するWDM信号の数である。
【0063】
上記構成の位相シフタ部4Cでは、例えば、接続導波路63から1×6波長分波アレイ導波路格子67に入力された光波は、1×6波長分波アレイ導波路格子67分波側ポートで波長ごとに分波され、各々異なる位相シフトを経験し、更に6×1波長合波アレイ導波路格子72により合波されて接続導波路76へと伝搬する。同様に、接続導波路64と接続導波路77の間、接続導波路65と接続導波路78の間、接続導波路66と接続導波路79の間でも、波長ごとに異なる位相シフト量を位相シフタアレイ71により与えることが可能である。したがって、実施例1と同様の制御により波長ごとに出力する出力導波路を独立に設定することができる。
【0064】
なお、本実施例でも、石英系光導波路により構成した光波長ルータについて説明しているが、本発明に係る光波長ルータは光導波路の材料には依存せず、InP化合物光導波路やSiON光導波路などの光導波路を用いても同様の効果を得ることが可能である。又、本実施例では波長合分波器としてアレイ導波路格子を用いているが、ラティスフィルタやトランスバーサルフィルタにより構成された波長合分波器を用いても同様の効果を得ることができる。
【0065】
図8は、本実施例において、各周波数の光波が出力される出力導波路とその際の各接続導波路間の位相シフタ量の設定例を示す図である。
本実施例では、1×6波長分波アレイ導波路格子、6×1波長合波アレイ導波路格子の6波の分波周波数をf1=192.9THz、f2=193.0THz、f3=193.1THz、f4=193.2THz、f5=193.3THz、f6=193.4THz、自由スペクトルレンジを1600GHzと設定した。図8に示すように、各接続導波路間の位相シフタ量の設定に応じて、各分波周波数が所定の出力導波路に出力されることとなる。例えば、分波周波数f1=192.9THzに対しては、接続導波路63−76間の位相シフタ量をπ/2、接続導波路64−77間の位相シフタ量をπ/2、接続導波路65−78間の位相シフタ量を0、接続導波路66−79間の位相シフタ量をπと設定する場合、出力導波路81に光波が出力される。
【0066】
図9は、図8の位相シフタ量の設定のときの各出力導波路でのスペクトルを測定した結果である。
図9(a)、(b)、(c)、(d)のグラフからわかるように、出力導波路81には周波数f1とf5が(図9(a)参照)、出力導波路82には周波数f2が(図9(b)参照)、出力導波路83には周波数f3とf6が(図9(c)参照)、出力導波路84には周波数f4が(図9(d)参照)出力されており、各周波数ともクロストークは30dB程度、伝搬損失は平均で6.1dBが得られ、良好な特性を示した。
【0067】
又、図8に示した位相シフタ量の設定例からわかるように、本発明に係る光波長ルータにおいても、波長ごとにパスを切り替えた場合、各薄膜ヒータへ印加する電力の総和に差は生じず、1×6波長分波アレイ導波路格子67、68、69、70及び6×1波長分波アレイ導波路格子72、73、74、75に与える温度変動による影響、すなわち合分波波長の温度変化などを引き起こすことがない。本実施例においては、消費電力は定常的に12Wであった。
【0068】
更に、上述してきたように、本発明に係る光波長ルータは、空間的な出力チャネル数と波長チャネル数を独立に設定することができ、柔軟性に富んだ光波長ルータとすることができる。
【0069】
(実施例4)
図10は、本発明に係る実施形態の他の一例を示す光波長ルータの概略図であり、1×4ch−6波の光波長ルータを例に取り、その構成、動作及び特性の詳細を説明する。
【0070】
本実施例の光波長ルータは、入力分岐部62及び1×6波長分波アレイ導波路格子群86を有する光分波部92と、出力合分岐部80及び6×1波長合波アレイ導波路格子群87を有する光合分波部93とが石英系光導波路により構成され、更に、位相シフタアレイ部94がz−Cut進行波型チタン拡散ニオブ酸リチウムによる光導波路で構成された平面光波回路である。つまり、実施例3に示した光波長ルータにおいて、薄膜ヒータを用いて構成した熱光学効果の位相シフタを、ニオブ酸リチウム光導波路による電気光学効果の位相シフタに置き換えたものに相当する。
【0071】
具体的には、図10に示すように、本実施例の光波長ルータにおいて、光分波部92は、光波を入射する入力導波路61と、入力導波路61に接続された入力分岐部62と、入力分岐部62の出力に接続された接続導波路群85と、接続導波路群85に接続された1×6波長分波アレイ導波路格子群86とからなる。入力分岐部62は、実施例1の入力分岐部2Aと同様の構成を有し、1×6波長分波アレイ導波路格子群86は、実施例3に示した1×6波長分波アレイ導波路格子67、68、69、70と同一設計のアレイ導波路格子4個からなる。
【0072】
又、光合分波部93は、出力導波路81、82、83、84と、出力導波路81、82、83、84に接続された出力合分岐部80と、出力合分岐部80の入力に接続された接続導波路群88と、接続導波路群88に接続された6×1波長合波アレイ導波路格子群87とからなる。出力合分岐部80は、実施例1の出力合分岐部3Aと同様の構成を有し、6×1波長合波アレイ導波路格子群87は、実施例3に示した6×1波長合波アレイ導波路格子72、73、74、75と同一設計のアレイ導波路格子4個からなる。
【0073】
位相シフタアレイ部94では、光分波部92との接続において、光分波部92からの光導波路と位相シフタアレイ部94の位相シフタアレイ群89の光導波路が、接合面90で各々一致するように接続した。同様に、光合分波部93との接続において、光合分波部93からの光導波路と位相シフタアレイ部94の位相シフタアレイ群89の光導波路が、接合面91で一致するように接続した。
【0074】
更に、1×6波長分波アレイ導波路格子群86の各々の分波(出力)側ポートと6×1波長合波アレイ導波路格子群87の各々の分波(入力)側ポートが、位相シフタアレイ群89を介して、各々対応する波長ごとに接続されている。位相シフタアレイ群89は、実施例2の位相シフタ部4Bと同様に、ニオブ酸リチウムによる位相シフタ導波路と、その位相シフタ導波路対して設けられた2つの電極とを、複数配設して構成したものであり、位相変調手段として、これらの電極を用いて電気光学効果による位相変調器を構成している。
【0075】
なお、本実施例でも、光分波部及び光合分波部を作製が容易で伝搬損失の低いとの観点から石英系光導波路を用いたが、InP化合物やSiON光導波路を用いても同様の効果を得ることは可能である。又、位相シフタアレイをニオブ酸リチウムによる光導波路としたが、その他の高速応答特性を有する位相シフタが実現可能な光導波路、例えば、電気光学効果を有するKTP導波路に置き換えても同様の効果を得ることは可能である。又、本実施例では波長合分波器としてアレイ導波路格子を用いているが、ラティスフィルタやトランスバーサルフィルタにより構成された波長合分波器を用いても同様の効果を得ることができる。
【0076】
図11は、本実施例の光波長ルータの出力導波路での光周波数の切り替え前後の出力スペクトルの測定結果である。
図11(a)、(b)に示すように、初期状態(切り替え前)においては、光周波数f3=193.1THz及び光周波数f6=193.4THzの光波は出力導波路83に、光周波数f4=193.2THzの光波は出力導波路84に出力されている。この状態から、光周波数f6の光波を出力導波路84に切り替えた場合、図11(c)、(d)に示すように、光周波数f3=193.1THzの光波のみが出力導波路83に、光周波数f4=193.2THzに加えて光周波数f6=193.4THzの光波が出力導波路84に出力されており、所定の出力導波路に所定の光周波数がルーティングされたことがわかる。又、この時、各チャネルとも消光比32dB、損失8dBと良好な特性が得られた。
【0077】
図12は、光周波数f6の光波の出力を出力導波路83から出力導波路84へ切り替えた際の過渡応答特性の測定結果である。
図12からわかるように、各出力導波路での出力の立ち上がり、立下りともに応答時間は1nsと高速であり、高速な光波長ルーティングが実現されていることがわかる。
【0078】
(実施例5)
図13は、本発明に係る実施形態の更なる他の一例を示す光スイッチの概略図であり、1×4ch(チャネル)の光スイッチを例に取り、その構成、動作及び特性の詳細を説明する。
【0079】
図13に示すように、本実施例の1×4ch光スイッチも、石英系光導波路1等の平面光波回路を用いて構成されたものであり、入力分岐部2B、出力合分岐部3B及び位相シフタ部4Aから構成される。
入力分岐部2Bは、光波を入力する入力部入力導波路となる入力導波路5と、入力導波路5に接続され、光方向性結合器95、96とそれらに挟まれた位相シフタ97、98からなるマッハツェンダ干渉計による可変方向性結合器99と、可変方向性結合器99に接続された接続導波路7、8と、接続導波路7、8に接続された第2段光方向性結合器9、10と、第2段光方向性結合器9、10のそれぞれ2つの出力に接続された4つの入力部出力導波路とを有している。入力分岐部2Bでは、入力導波路5から入射された光波は、まず可変方向性結合器99により接続導波路7、8へ分岐され、更に、接続導波路7からの光波は、位相シフタ部4Aの位相シフタ導波路11、12へ、接続導波路8からの光波は、位相シフタ導波路13、14へと分岐される。ここでは、入力部分岐手段として、第2段光方向性結合器9、10の前段側に、結合率調整手段を有するマッハツェンダ干渉計による可変方向性結合器99を組み込むことで、適切な結合率(分岐率)を設定して各出力導波路に適切に出力できるようにしている(詳細は図14参照)。
【0080】
位相シフタ部4Aは、実施例1おいて示したものと同等の構成であり、4本の位相シフタ導波路11〜14と、それらの上部に配置された薄膜ヒ一タ15〜18とを有している。入力分岐部2Bからの4個の出力は、それぞれ位相シフタ導波路11〜14に接続され、薄膜ヒ一タ15〜18を用いて、各位相シフタ導波路を伝搬する光波の位相をそれぞれ独立に制御できる。
【0081】
出力合分岐部3Bは4個の出力部入力導波路を持ち、それらは位相シフタ部4Aの位相シフタ導波路11〜14に接続される。位相シフタ導波路11、12は、第3段光方向性結合器19の2つの入力に接続され、位相シフタ導波路13、14は、第3段光方向性結合器20の2つの入力に接続される。第3段光方向性結合器19の一方の出力と第3段光方向性結合器20の一方の出力は、接続導波路21、23を介して第4段光方向性結合器27の2つの入力に接続される。又、第3段光方向性結合器19の他方の出力と第3段光方向性結合器20の他方の出力は、接続導波路22、24を介して第4段光方向性結合器28の2つの入力に接続される。最後に、第4段光方向性結合器27、28は、出力部出力導波路となる出力導波路29、30、31、32に接続される。ここでは、出力部合分岐手段は、第3段光方向性結合器19、20と、接続導波路22〜24と、第4段光方向性結合器27、28とにより構成される。
【0082】
出力合分岐部3Bでは、位相シフタ導波路11、12からの光波が第3段光方向性結合器19により合波され、接続導波路21、22のいずれかへと、位相シフタ導波路13、14からの光波が第3段光方向性結合器20により合波され、接続導波路23、24のいずれかへと伝搬する。したがって、第3段方向性結合器19からの光波を接続導波路21へ、第3段方向性結合器20からの光波を接続導波路23へ伝搬させた場合には、光波は第4段方向性結合器27へと伝搬し、出力導波路29又は30のいずれかに出射される。又、第3段方向性結合器19からの光波を接続導波路22へ、第3段方向性結合器20からの光波を接続導波路24へ伝搬させた場合には、光波は第4段方向性結合器28へと伝搬し、出力導波路31又は32のいずれかに出射される。
【0083】
実施例1、2等において示した本発明係る光スイッチでは、各光方向性結合器の分岐比が1:1からずれた場合、消光比の劣化につながる。そこで、その対策として、本実施例では初段の分岐器を、可変の分岐器、すなわちマッハツェンダ干渉計による可変方向性結合器99とした。このような構成の光スイッチの動作特性を、図14を用いて説明する。
【0084】
図14は、本実施例の光スイッチにおいて、各光方向性結合器の分岐比が1:1でない場合、可変光方向性結合器の分岐比とその時の各出力導波路での出力パワーを計算した結果である。
ここでは、図13に示す光スイッチにおいて、各光方向性結合器9、10、19、20、27、28、95、96の分岐比を、故意に1:1からの誤差を与えることで、作製時に生じうる予測出来ないプロセス誤差などによる特性劣化を模擬する。具体的には、分岐比を55:45とし、パスを出力導波路30に設定して、可変光方向性結合器99の分岐比に対する各出力導波路29、30、31、32の出力パワーを計算した。
【0085】
図14からわかるように、すべての光方向性結合器9、10、19、20、27、28、95、96及び可変光方向性結合器99が等しく55:45の分岐比を持つ場合、出力導波路31、32へは−25dB程度のクロストークが確保できるのに対して、出力導波路29へは−21dBのクロストークが確保できるのみである。これは、実施例1に示した可変光方向性結合器を装備しない光スイッチにおいて、光方向性結合器に製造偏差が生じたことに相当する。
【0086】
一方、初段の光方向性結合器を可変光方向性結合器99とし、その結合比を41%から51%に設定する場合は、出力導波路31、32へのクロストークはほぼ−25dBで変化しないのに対して、出力導波路29へのクロストークは−25dB以下に低減できる。これは、図13に示す光スイッチおいて、可変光方向性結合器99及び光方向性結合器27により構成される最外郭のマッハツェンダ干渉計において、光方向性結合器27へと到る接続導波路21、23を伝搬する光波の強度を、光方向性結合器27の結合比につりあうように、可変光方向性結合器99の分岐比を設定することにより実現できるからである。従って、多段に構成された入力分岐部2Bの最初段又は多段に構成された出力合分岐部3Bの最終段のうち、少なくとも一方がマッハツェンダ干渉計による可変光方向性結合器を用いて構成されればよく、更には、入力分岐部が、結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計を多段に接続することにより構成されてもよく、出力合分岐部が、結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計を多段に接続することにより構成されてもよい。特に、本実施例のように、入力部分岐手段の初段のみを可変光方向性結合器にする場合は、調整箇所数を低減でき、効率的にクロストーク性能を向上できる。
【0087】
本実施例の光スイッチでは、実施例1の光スイッチに比較して位相シフタ数及び給電量が増加するが、可変光方向性結合器を構成する位相シフタ97、98に印加する電力は、上記状況である場合には光方向性結合器27の製造偏差に相当する程度の微小な電力である。したがって、本発明の効果の一つである一定消費電力の特徴を大きく損なうものではなく、むしろ、たったひとつの可変光方向性結合器の付与で、光スイッチの主要性能であるクロストークを改善することができ、デバイスの歩留まり向上に寄与するものである。
【0088】
【発明の効果】
本発明の効果の概略を説明すると次のとおりである。
すなわち、本発明によれば、熱光学効果を利用した1×Nch光スイッチの消費電力を、その出力パスの設定状態にかかわらず一定に保つことができる。そのため、他の光回路構成要素、例えばアレイ型導波路格子などと光スイッチを組み合わせて実現される光波長ルーティングデバイスなどにおいて、他の光回路構成要素がたとえ温度依存性の光学特性を有する場合であっても、その特性に影響を及ぼすことなく、いずれの出力導波路へのスイッチング動作であっても正確に動作させることができる。
【0089】
加えて、本発明によれば、熱光学効果による位相シフタを高速の位相シフタ、例えば電気光学効果を利用可能なニオブ酸リチウムなどの光導波路による位相シフタに置き換えることで、高速の光スイッチングが可能となる。これは、本発明による光スイッチにおいては、ツリー型光スイッチやタップ型光スイッチと異なり、位相シフタが一列に並ぶ構成となる特徴による。
【0090】
更に、本発明によれば、光スイッチの位相シフタ部を、スイッチチャネル数の波長分波器、(スイッチチャネル数×波長数)個の位相シフタ及びスイッチチャネル数の波長合波器に置き換えることで、任意の波長パス設定において消費電力に変動のない、すなわち、波長合分波器の特性に変動のない光波長ルータを実現できる。
【0091】
更に、本発明によれば、光スイッチの位相シフタ部を、スイッチチャネル数の波長分波器、(スイッチチャネル数×波長数)個の高速な位相シフタ及びスイッチチャネル数の波長合波器に置き換えることで、高速の光波長ルーティングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施例1の光スイッチの概略図である。
【図2】実施例1の光スイッチの各出力導波路に出力する際に、各薄膜ヒータにおいて光波に与える位相の関係を示す図である。
【図3】(a)は実施例1の光スイッチの各出力導波路での伝搬損失のグラフであり、
(b)は出力を出力導波路30に設定した場合の他の出力導波路との消光比を示したグラフである。
【図4】本発明に係る実施例2の光スイッチの概略図である。
【図5】実施例2の光スイッチの過渡応答特性の測定結果を示すグラフである。
【図6】(a)は実施例2の光スイッチの各出力導波路での伝搬損失のグラフであり、
(b)は出力を出力導波路30に設定した場合の他の出力導波路との消光比を示したグラフである。
【図7】本発明に係る実施例3の光波長ルータの概略図である。
【図8】実施例3の光波長ルータにおいて、各周波数の光波が出力される出力導波路とその際の各接続導波路間の位相シフタ量の設定例を示す図である。
【図9】実施例3の光波長ルータにおいて、図8の位相シフタ量の設定のときの各出力導波路でのスペクトルを測定したグラフである。
【図10】本発明に係る実施例4の光波長ルータの概略図である。
【図11】実施例4の光波長ルータの出力導波路での光周波数の切り替え前後の出力スペクトルを測定したグラフである。
【図12】実施例4の光波長ルータにおいて、所定の光周波数の光波の出力を異なる出力導波路への切り替えた際の過渡応答特性を測定したグラフである。
【図13】本発明に係る実施例5の光スイッチの概略図である。
【図14】実施例5の光スイッチにおいて、各光方向性結合器の分岐比が1:1でない場合、可変光方向性結合器の分岐比とその時の各出力導波路での出力パワーの計算結果を示す図である。
【図15】TOSWを用いた従来の1×8chツリー型光スイッチの概略図である。
【図16】熱光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計の過渡応答特性の測定結果を示すグラフである。
【図17】波長多重信号をルーティングする従来の光波長ルータの概略図である。
【図18】従来の光波長ルータにおいて、TOSWへの印加電力に相当する温度変化を基板に与えて、出力合波アレイ導波路格子の中心波長における出力スペクトルの変化を測定したグラフである。
【符号の説明】
1 石英系光導波路
2A 入力分岐部
3A 出力合分岐部
4A 位相シフタ部
5 入力導波路
6 第1段光方向性結合器
7、8 接続導波路
9、10 第2段光方向性結合器
11〜14 位相シフタ導波路
15〜18 薄膜ヒータ
19、20 第3段光方向性結合器
21〜24 接続導波路
25、26 交差導波路
27、28 第4段光方向性結合器
29〜32 出力導波路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switch and an optical wavelength router, which are routing devices used in optical fiber communication.
[0002]
[Prior art]
With the rapid development of optical communication technology, various optical components have been researched and developed. Among them, a waveguide type optical component based on an optical waveguide on a flat substrate occupies the most important position. This is because the waveguide-type optical component has a feature that it can be mass-produced with a precision equal to or less than the light wavelength and with good reproducibility by a photolithography technique and a fine processing technique. In particular, an optical switch (hereinafter, referred to as TOSW) formed on a silica-based optical waveguide and using a thermo-optic effect (hereinafter referred to as TOSW) can realize a large-scale optical switch. In addition, it is excellent in stability and controllability with respect to its temporal change, and research and development are being vigorously promoted.
[0003]
FIG. 15 is a schematic diagram of a conventional tree-type optical switch using TOSW.
In FIG. 15, a 1 × 8 channel (channel) optical switch using the TOSW will be described, and for simplification of description, only parts necessary for the operation will be described.
[0004]
As shown in FIG. 15, the conventional 1 × 8-channel optical switch is configured using a silica-based optical waveguide 101, connected to an input waveguide 102 for receiving a light wave, and connected to the input waveguide 102, and configured using a Mach-Zehnder interferometer. A first-stage switch 103, two connection waveguides 109 and 110 connected to two outputs of the first-stage switch 103, and two second-stage switches (second connection) connected to the connection waveguides 109 and 110, respectively. Stage first switch 111, etc.), four connection waveguides (connection waveguides 113, 114, etc.) connected to two outputs of two second stage switches, respectively, and four connection waveguides respectively connected. It has four third-stage switches (eg, third-stage second switch 115) and eight output waveguides (eg, output waveguides 117, 118) connected to the four third-stage switches. The first-stage switch 103 includes two optical directional couplers 104 and 105, arm waveguides 106 and 107 having the same length sandwiched therebetween, and a thin-film heater 108 disposed above the arm waveguide 106. Be composed. Other second-stage switches and third-stage switches have the same configuration as the first-stage switch 103.
[0005]
Next, the operation of the conventional optical switch will be described. Here, the case of switching to the output waveguide 117 will be described, but the operation principle is the same when switching to another output waveguide.
[0006]
The light wave input from the input waveguide 102 is equally distributed to the arm waveguides 106 and 107 by the optical directional coupler 104 of the first-stage switch 103. When power is not applied to the thin film heater 108 on the arm waveguide 106, the light waves propagated through the arm waveguides 106 and 107 are multiplexed in the optical directional coupler 105 and branched to the connection waveguide 110. When an appropriate electric power is applied to the thin film heater 108 on the arm waveguide 106, the phase difference of the light wave between the arm waveguides 106 and 107 is set to a half wavelength at the wavelength, so that the connection waveguide 109 is formed. Branched to That is, the lightwave input from the input waveguide 102 is switched to the connection waveguide 109 or 110 by the first-stage switch 103.
[0007]
The light wave input to the second-stage first switch 111 via the connection waveguide 109 is switched to the connection waveguide 114 or the connection waveguide 113 by application / non-application of electric power to the thin-film heater 112, and the thin-film When an appropriate power is applied to the heater 112, the connection is switched to the connection waveguide 114. Further, the light wave incident on the third-stage second optical switch 115 via the connection waveguide 114 is switched to the connection waveguide 118 or the connection waveguide 117 by applying / non-applying power to the thin film heater 116. When no power is applied to the thin film heater 116, an optical path can be set to the output waveguide 117, and a desired output to the output waveguide 117 can be obtained.
[0008]
Therefore, in the conventional optical switch shown in FIG. 15, switching from the input waveguide 102 to the output waveguide 117 is realized by applying appropriate power to the thin film heaters 108 and 112.
[0009]
As a conventional optical switch using a tree-type TOSW as shown in FIG. 15, an optical switch of 1 × 128 ch using a silica-based optical waveguide has been reported (see Non-Patent Document 1). In this 1 × 128-channel optical switch, a silica-based optical waveguide having a relative refractive index difference of 1.5% is used, the half-wave power of the thin-film heater is 0.385 W, the average crosstalk is 50.8 dB, and each output waveguide is used. The average loss to the wave path is 3.7 dB, and good characteristics are obtained.
[0010]
However, in an optical switch using a tree-type TOSW, in order to switch to an arbitrary output waveguide, for example, the number of output channels is set to two. M In the case where the number of thin film heaters is set, power must be applied to at least 0 thin film heaters and at most M thin film heaters. Specifically, M = 7 (2 7 = 128), the power consumption varies from 0 W to 2.695 W depending on the output channel.
[0011]
As described above, the optical switch using the TOSW based on the silica-based optical waveguide has excellent characteristics and is expected to be applied to a communication system. On the other hand, the power consumption varies depending on the output channel. The following issues are issues for study.
[0012]
FIG. 16 is a diagram illustrating a measurement result of a transient response characteristic of the Mach-Zehnder interferometer using the thermo-optic effect.
As shown in FIG. 16, in the Mach-Zehnder interferometer using the thermo-optic effect, the transient response characteristics of the switching are 4 ms at the rising edge when the light intensity becomes 90% or more, and 5 ms at the falling edge when the light intensity becomes 10% or more. Switching time is required. That is, since the conventional optical switch uses the Mach-Zehnder interferometer utilizing the thermo-optic effect, its operation is limited to about several ms.
[0013]
Meanwhile, in recent wavelength division multiplexing (hereinafter referred to as WDM) communication networks, path control by wavelength, that is, optical wavelength routing is becoming an important technology. In a metro access network, the application of optical wavelength routing makes it possible to construct a highly flexible network, and there is a strong need for such an optical wavelength router.
[0014]
FIG. 17 is a schematic diagram of a conventional optical wavelength router that routes a wavelength multiplexed signal (hereinafter, referred to as a WDM signal).
Here, for the sake of simplicity, an outline of a four-wavelength 1 × 5ch optical wavelength router that routes four WDM signals to five arbitrary spatial paths will be described as an example.
[0015]
As shown in FIG. 17, a conventional optical wavelength router includes an input waveguide 121 for receiving a light wave, a 1 × 4ch input branching array waveguide grating 122 connected to the input waveguide 121, and a connecting waveguide group. A first stage 1 × 2 optical switch group 124 connected to the four outputs of the input demultiplexing arrayed waveguide grating 122 via 123 and a first stage 1 × 2 optical switch group via a connecting waveguide group 125, respectively. And a 5 × 4 × 1ch output multiplexing array waveguide grating 135 connected to one side of the output of each of the optical switches 124 and a first stage 1 × 2 optical switch group 124 via a connecting waveguide group 126. A second stage 1 × 2 optical switch group 127 connected to the other side of the output of each optical switch, and a third stage connected to the output of the second stage 1 × 2 optical switch group 127 via a connection waveguide 128. And a step light switch group 129. The 1st-4x1ch output multiplexing array waveguide grating 131 connected to the output of the 3rd stage 1x2 optical switch group 129 for each corresponding wavelength via the path 130, Wave array waveguide grating 132, 3-4 × 1ch output multiplexing array waveguide grating 133, 4-4 × 1ch output multiplexing array waveguide grating 134, and first to fifth 4 × 1ch output multiplexing Output waveguides 136 to 140 connected to the combined outputs of the arrayed waveguide gratings 131 to 135, respectively.
[0016]
In the above-described conventional optical wavelength router, the WDM signal input from the input waveguide 121 is wavelength-demultiplexed by the input demultiplexing arrayed waveguide grating 122, and then the demultiplexed light wave is tree-type 1 × for each wavelength. Routed by the two optical switch groups 124, 127, 129, multiplexed by the first to fifth 4 × 1ch output multiplexing array waveguide gratings 131 to 135, and output from any output waveguides 136 to 140 You. Since this optical wavelength router has a tree-type TOSW for each wavelength, it is possible to set an arbitrary output for each wavelength.
[0017]
As an optical wavelength router as shown in FIG. 17, a 1 × 9 channel optical wavelength router has been reported (see Non-Patent Document 2). In this 1x9ch optical wavelength router, it is reported that the 1x2 optical switch is configured by a Mach-Zehnder interferometer by TOSW, the half-wave power of TOSW is 0.45W, and the maximum value of power consumption is 14W. Have been. It is also reported that propagation loss to each output waveguide is 5.4 dB at the maximum and crosstalk is 46 dB at the worst value.
[0018]
In the 1 × 9ch optical wavelength router, the power consumption changes from 0 W to 14 W depending on the setting state of the path. This means that the temperature of the optical waveguide substrate constituting the optical wavelength router fluctuates, and the input demultiplexing array waveguide grating 122 and the first to fifth 5-4 × 1ch output multiplexing array waveguide grating 131 are used. The change in the temperature of the optical waveguide substrate adversely affects the multiplexing / demultiplexing characteristics of 135.
[0019]
FIG. 18 is a diagram showing a change in the output spectrum at the center wavelength of an arbitrary output multiplexing arrayed waveguide grating by applying a temperature change corresponding to the power applied to the TOSW to the substrate in the conventional optical wavelength router. .
Specifically, in the conventional optical wavelength router shown in FIG. 17, the power applied to the TOSW is changed to 0 W, 1.8 W, and 3.6 W, and the 1-1 × 4 output multiplexed array waveguide grating is formed. The change of the output spectrum at the center wavelength of 131 was measured. As shown in FIG. 18, it is found that the center wavelength of the 1-1 × 4 output multiplexed array waveguide grating 131 is shifted by the power applied to the TOSW, and the change of the center wavelength is about 10 GHz / W. . That is, it can be seen that the power originally applied for optical wavelength routing also affects the wavelength demultiplexing characteristics of the arrayed waveguide grating.
[0020]
Further, in the conventional optical wavelength router having the above configuration, since the TOSW is used for path routing, the response speed is limited to about several milliseconds, similarly to the characteristic shown in FIG.
[0021]
[Non-patent document 1]
T. Watanabe, et al, "Silica-based PLC Ix128 Thermo-Optic Switch," Proc. 27 th European Conference on Optical Communication, P134-135 Tu. L. 1.2, 2001, Amsterdam.
[Non-patent document 2]
C. R. Doerr, "Silica-Waveguide lx9 waveguide-Selective cross connect," Proc. Optical Fiber Communication, Postdeadline Papers P2-4, FA3-1, 2002, Anaheim.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the power consumption of the 1 × Nch optical switch based on the thermo-optic effect using the silica-based optical waveguide varies depending on the output channel to be selected, making it difficult to control the temperature of the entire component. That is, the temperature fluctuation is given to other components having a temperature dependency due to the fluctuation of the power consumption, for example, the array type waveguide grating, which causes the characteristic deterioration.
[0023]
Furthermore, the response characteristics of the optical switch based on the thermo-optic effect using a silica-based optical waveguide are governed by the limitations of the thermo-optic effect, which are on the order of several milliseconds, and hinder application to high-speed applications. That is, the TOSW exhibits extremely excellent performance for applications such as low-speed routing, for example, securing a low-speed transmission line when a transmission line fails, but burst switching that requires a response characteristic on the order of μs is required. It has been difficult to apply the present invention to packet switching that requires response characteristics of the order of ns or ns.
[0024]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an optical switch and an optical wavelength router that can stabilize power consumption, prevent temperature fluctuation, and have stable operation characteristics.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The outlines of the optical switch and the optical wavelength router according to the present invention are as follows.
That is, an optical switch according to the present invention that solves the above problems is configured on a planar lightwave circuit, and includes an input branching unit that branches an input lightwave, and an output branching unit that branches and splits a lightwave. And a phase shifter section which is interposed between the input branch section and the output branch section and modulates the phase of the light wave. The input branch section includes at least one input section input waveguide and N input section output waveguides. And an input section branching means for splitting a light wave input from one input section input waveguide to all of the N input section output waveguides with equal strength. The unit outputs light waves input to any one of the N output unit input waveguides, the N output unit output waveguides, and the N output unit input waveguides to the N output unit output units. Output section branching means for branching to equal strength to all of the waveguides. The phase shifter section includes a phase shifter waveguide that connects the N input section output waveguides and the N output section input waveguides on a one-to-one basis, and phase modulation means provided on each of the phase shifter waveguides. It is characterized by having.
Note that N is an integer greater than 1.
[0026]
An optical wavelength router according to the present invention that solves the above-mentioned problems is configured on a planar lightwave circuit, and includes an input branching unit that branches an input lightwave, and an output branching unit that performs lightwave branching. And a phase shifter section interposed between the input branch section and the output branch section and modulating the phase of the light wave. The input branch section includes at least one input section input waveguide and N input section outputs. A waveguide, and input section branching means for splitting a light wave input from one input section input waveguide into all of the N input section output waveguides with equal strength. The branch unit converts the light waves input to any one of the N output unit input waveguides, the N output unit output waveguides, and the N output unit input waveguides into N output units. Output section branching means for branching to equal strength into all of the output waveguides. The shifter section includes N input connection waveguides connected to the N input section output waveguides, and at least (N-1) 1-input M-output wavelength demultiplexers connected to the input connection waveguides. And at least (N−1) × M phase shifter waveguides connected to the wavelength demultiplexer, and at least (N−1) M-input / one-output wavelength multiplexing connected to the phase shifter waveguide. And N output connection waveguides for connecting the wavelength multiplexer and the N output section input waveguides, and phase modulation means provided in each of the phase shifter waveguides. Features.
Note that N and M are integers larger than 1.
[0027]
Further, in the optical switch or the optical wavelength router, a phase modulator based on a thermo-optic effect or a phase modulator based on an electro-optic effect may be used as a phase modulator.
[0028]
Further, in the above optical switch or optical wavelength router, the input branching section, the output branching section and the phase shifter section may be constituted by a quartz optical waveguide, and the phase modulating means is constituted by lithium niobate. May be composed of a silica-based optical waveguide.
[0029]
In addition, the input unit branching unit may be configured by connecting a 50% coupling optical directional coupler or a 1 × 2 branch multimode interference coupler in multiple stages, and the output unit branching unit may be configured by a 50% coupling multidirectional interference coupler. It may be configured such that a coupled light directional coupler or a 2 × 2 multiplexing / branching multimode interference coupler is connected in multiple stages.
[0030]
Alternatively, the input branching unit may be configured by connecting all or a part of the Mach-Zehnder interferometer having a coupling rate adjusting function in multiple stages, or the output combining / branching unit may include all or a part of the input branching unit. Alternatively, a Mach-Zehnder interferometer having a coupling rate adjusting function may be connected in multiple stages.
[0031]
In addition, the first stage of a multi-stage 50% coupled optical directional coupler or 1 × 2 branch multimode interference coupler, or a multi-stage 50% coupled optical directional coupler or 2 × 2 branch multi-mode coupler At least one of the final stages of the mode interference coupler may be configured using a variable light directional coupler using a Mach-Zehnder interferometer.
[0032]
50% coupled optical directional coupler forming an input branching unit, either a 1 × 2 multimode interference coupler or a Mach-Zehnder interferometer having a coupling rate adjusting function, and 50% coupled optical directional forming an output branching unit Any Mach-Zehnder interferometer using either a coupler, a 2 × 2 branch multi-mode interference coupler or a Mach-Zehnder interferometer having a coupling ratio adjustment function as two combiners is set so that the optical path length difference becomes zero. It may be done.
[0033]
The input section branching means may be constituted by a 1 × N-branch multimode interference optical coupler, and the output section branching means may be constituted by an N × N-branch multimode interference optical coupler.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Some embodiments of the optical switch and the optical wavelength router according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings of the following examples. In all the drawings showing the embodiments, those having the same functions are denoted by the same reference numerals, and their repeated description will be omitted.
[0035]
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical switch showing an example of an embodiment according to the present invention. The details of the configuration, operation, and characteristics of an optical switch of 1 × 4 channels (channels) will be described.
[0036]
The 1 × 4ch optical switch of the present embodiment is configured using a planar lightwave circuit such as a quartz optical waveguide 1, and the optical waveguide having a non-refractive index difference of 0.75% is used.
[0037]
As shown in FIG. 1, the 1 × 4ch optical switch according to the present embodiment includes an input branching unit 2A, an output combining / branching unit 3A, and a phase shifter unit 4A.
The input branching unit 2A includes an input waveguide 5 serving as an input unit input waveguide for inputting a light wave, a first-stage optical directional coupler 6 connected to the input waveguide 5 and being a 1 × 2 optical splitter, Connection waveguides 7, 8 connected to the first-stage optical directional coupler 6, and second-stage optical directional coupling connected to the first-stage optical directional coupler 6 via the connection waveguides 7, 8. Vessels 9 and 10. In the input branching section 2A, the light wave input from the input waveguide 5 is equally distributed (with equal intensity) to four input section output waveguides by the second-stage optical directional couplers 9 and 10 serving as input section branching means. Divided).
[0038]
The phase shifter section 4A has four phase shifter waveguides 11, 12, 13, and 14, and thin film heaters 15, 16, 17, and 18 disposed thereon. The four outputs from the input branching unit 2 are connected to the phase shifter waveguides 11, 12, 13, and 14, respectively. Here, a thin film heaters 15 to 18 are used as the phase modulation means to constitute a phase modulator based on the thermo-optic effect.
[0039]
The output branching section 3A has four output section input waveguides, which are connected to the phase shifter waveguides 11, 12, 13, 14 of the phase shifter section 4A. Here, the phase shifter waveguides 11 and 12 are connected to two inputs of a third-stage optical directional coupler 19, and the phase shifter waveguides 13 and 14 are connected to two inputs of a third-stage optical directional coupler 20. Connected to input. One output of the third-stage optical directional coupler 19 and one output of the third-stage optical directional coupler 20 are connected to the two outputs of the fourth-stage optical directional coupler 27 via the connection waveguides 21 and 23. Connected to input. The other output of the third-stage optical directional coupler 19 and the other output of the third-stage optical directional coupler 20 are connected to the fourth-stage optical directional coupler 28 via the connection waveguides 22 and 24. Connected to two inputs. Finally, the fourth-stage optical directional couplers 27 and 28 are connected to output waveguides 29, 30, 31, and 32, which become output section output waveguides. In the output multiplexing / branching unit 3A having the above configuration, the light wave input to any one output unit input waveguide is connected to the third-stage optical directional couplers 19 and 20 constituting the output unit multiplexing / branching means by the connection waveguide. The waveguides 22 to 24, the cross waveguides 25 and 26, and the fourth-stage optical directional couplers 27 and 28 are equally distributed (divided into equal intensities) into four output waveguides 29 to 32.
[0040]
Here, the connecting waveguides 21, 22, 23, and 24 are all set to have the same length, and the intersecting waveguides 25 intersect at the same angle θ as the intersecting angle θ of the connecting waveguides 22 and 23. And 26 are arranged for the connecting waveguides 21 and 24. In this embodiment, the intersection angle θ is set to 30 degrees. By arranging the cross waveguides 25 and 26 at such an angle θ, it is possible to reduce the variation of the loss in each path and improve the extinction ratio.
[0041]
In the optical switch of this embodiment, the second-stage optical directional coupler 9 and the third-stage optical directional coupler 19 are connected, and the second-stage optical directional coupler 10 and the third-stage optical directional coupler 20 are connected. All paths are set to equal length. Also, any paths connecting the first-stage optical directional coupler 6 and the fourth-stage optical directional couplers 27 and 28 are all set to the same length. That is, in the optical switch of the present embodiment, any one of the optical directional couplers constituting the input branching unit 2A and any one of the optical directional couplers constituting the output coupling / branching unit 3A are provided as two coupling / branching units. When an arbitrary Mach-Zehnder interferometer is formed, the optical path length difference is set to be zero.
[0042]
Although the optical switch of this embodiment uses a quartz-based optical waveguide that has low propagation loss and is easy to manufacture, other optical waveguides, for example, a waveguide made of an InP compound or an optical waveguide made of SiON may be used. The same effect can be obtained. Also, in this embodiment, a 3 dB (50%) coupled optical directional coupler is used as a 1 × 2 optical splitter and a 2 × 2 optical splitter, but a 1 × 2 split multimode interference coupler, 2 × 2 The same effect can be obtained by using an optical splitter or an optical splitter configured by connecting multi-branch multi-mode interference couplers in multiple stages. Further, a 1 × N branching multimode interference coupler having an integer N larger than 2 and an N × N branching multimode interference coupler may be used.
[0043]
Next, the operation of the optical switch according to the present embodiment will be described below.
The light wave input from the input waveguide 5 is distributed to the equal power by the input branching unit 2A, and propagates to the phase shifter waveguides 11, 12, 13, and 14. By applying appropriate power to the thin-film heaters 15, 16, 17, and 18, and adjusting the phase states of the light waves in the third-stage optical directional couplers 19 and 20, the third-stage optical directional coupler 19 Can be set to one of the connection waveguides 21 and 22, and the emission from the third-stage optical directional coupler 20 can be set to one of the connection waveguides 23 and 24.
[0044]
Further, while maintaining the phase difference given by the thin film heaters 15 and 16 and the phase difference given by the thin film heaters 17 and 18, the phase difference given by the thin film heaters 15 and 16 and the thin film heaters 17 and 18 is appropriately set, so that The output from the four-stage optical directional couplers 27 and 28 can be set to one of the output waveguides 29, 30, 31, and 32.
[0045]
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between phases given to light waves in each thin-film heater when outputting to each output waveguide.
As shown in FIG. 2, for example, when the light wave incident on the input waveguide 5 is switched to the output waveguide 30, the thin film heaters 15, 16, 17, 18 are supplied with π / 2, π / 2, What is necessary is just to apply the electric power corresponding to the phase shift which becomes pi and 0. Further, since the applied power of the thin-film heater and the phase shift amount of the light wave caused by the thin-film heater are in a proportional relationship, the total sum of the phase shift amounts of the respective thin-film heaters, that is, the total sum of the applied power to each thin-film heater is determined by which output waveguide is selected. It can be seen that even in this case, the power becomes equal.
[0046]
3A and 3B show the static characteristics of the 1 × 4ch optical switch of the present embodiment. FIG. 3A is a graph showing the propagation loss in each output waveguide, and FIG. 5 is a graph illustrating an extinction ratio with another output waveguide when an output is set to an output waveguide 30.
In this measurement, the measurement is performed on monochromatic light having a wavelength of 1550 nm, and the loss is 2.5 dB at the maximum for the output waveguide 30, 2.1 dB at the minimum for the output waveguide 29, and 2.3 dB on average. Good characteristics were obtained. The extinction ratio was 33.4 dB with respect to the output waveguide 29 at the worst value, 35.2 dB with respect to the output waveguide 31 at the best value, and 34.4 dB on average.
[0047]
As described above, according to the optical switch of the present embodiment, it is possible to realize an optical switch in which switching is performed with constant power consumption, the temperature is stabilized, and the switching operation characteristics are stabilized.
[0048]
(Example 2)
FIG. 4 is a schematic diagram of an optical switch showing another example of the embodiment according to the present invention. An optical switch of 1 × 4 ch is taken as an example similarly to the first embodiment, and details of its configuration, operation and characteristics are described. explain.
[0049]
Further, in the present embodiment, the input branching section and the output branching section forming the optical switch are formed using a silica-based optical waveguide as in the first embodiment, and the phase shifter section forming the optical switch is formed of z-type. An optical waveguide having an electro-optic effect phase shifter made of cut traveling wave type titanium diffusion lithium niobate was used.
[0050]
As shown in FIG. 4, the 1 × 4ch optical switch according to the present embodiment is a planar lightwave circuit including an input branching section 2A and an output branching section 3A formed by a quartz optical waveguide 1 and a phase shifter section 4B formed by a lithium niobate waveguide. Consists of
The configurations of the input branching unit 2A and the output combining / branching unit 3A are the same as those in the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0051]
The input branch unit 2A and the phase shifter unit 4B are connected to the four connection waveguides 51, 52, 53, and 54 from the second-stage optical directional couplers 9 and 10 of the input branch unit 2A at the joint surface 33, respectively. The phase shifter waveguides 40, 41, 42, and 43 arranged in the shifter section 4B are joined so as to match each other. In addition, the output coupling / branching unit 3A and the phase shifter unit 4B also include, on the joint surface 34, the phase shifter waveguides 40, 41, 42, and 43 disposed in the phase shifting unit 4B, and the third stage light of the output coupling / branching unit 3A. The four connecting waveguides 55, 56, 57, 58 to the directional couplers 19, 20 are joined so as to coincide with each other.
[0052]
In the phase shifter unit 4B, electrodes 44a and 44b, 45a and 45b, 46a and 46b, 47a and 47b are provided, respectively, so that an appropriate electric field can be applied to the phase shifter waveguides 40, 41, 42, and 43. Have been. Here, the electrodes 44a and 44b, 45a and 45b, 46a and 46b, 47a and 47b are used as the phase modulating means to constitute a phase modulator based on the electro-optic effect. The amount of phase shift by each electrode is the same as the setting in FIG. 2 in the first embodiment. For example, when switching to the output waveguide 29, π / 2 between the electrodes 44a and 44b, π / 2 between the electrodes 45a and 45b, 0 between the electrodes 46a and 46b, and 0 between the electrodes 47a and 47b. An electric field corresponding to π may be applied.
[0053]
Although the input branch and the output branch are also made of a silica-based optical waveguide in this embodiment from the viewpoint of easy fabrication and low propagation loss, the same effect can be obtained by using an InP compound or a SiON optical waveguide. It is possible to get. Although the phase shifter is made of an optical waveguide made of lithium niobate, the phase shifter is replaced with an optical waveguide capable of realizing a phase shifter having other high-speed response characteristics, for example, a KTP (Potassium Titanyl Phosphate) waveguide having an electro-optical effect. It is possible to obtain the same effect. Further, in the present embodiment, as in the first embodiment, a 3 dB (50%) coupled optical directional coupler is used as a 1 × 2 optical branching device and a 2 × 2 optical combining / branching device. The same effect can be obtained by using an optical splitter or an optical splitter configured by connecting a coupler, a 2 × 2 branching multimode interference coupler, or the like in multiple stages. Further, a 1 × N branching multimode interference coupler having an integer N larger than 2 and an N × N branching multimode interference coupler may be used.
[0054]
FIG. 5 is a diagram illustrating a measurement result of a transient response characteristic of the optical switch according to the present embodiment.
Specifically, in the 1 × 4 channel optical switch of the present embodiment, the transient response characteristics when the light wave from the input waveguide 5 was switched between the output waveguide 29 and the output waveguide 30 were measured. As is clear from FIG. 5, a high-speed transient characteristic of 1 ns can be obtained for both the output up to 90% and the output up to 10%, and very high-speed switching can be realized. Was.
[0055]
6A and 6B show the static characteristics of the 1 × 4ch optical switch of the present embodiment. FIG. 6A is a graph of the propagation loss in each output waveguide, and FIG. It is the graph which showed the extinction ratio with another output waveguide at the time of setting to 30.
In this measurement as well, measurement was performed for monochromatic light having a wavelength of 1550 nm, and the loss was 4.2 dB at the worst value, 3.7 dB at the best value, and 3.9 dB at the average value, and the extinction ratio was 27 dB at the worst value. , The best value was 32.5 dB, and the average value was 29.3 dB, and good characteristics were obtained.
[0056]
As described above, according to the present embodiment, an optical switch that stabilizes the temperature by performing switching with constant power consumption, stabilizes the switching operation characteristics, and performs high-speed switching operation is realized. Thus, the optical switch according to the present embodiment can be applied to a burst switch or a packet switch.
[0057]
(Example 3)
FIG. 7 is a schematic diagram of an optical wavelength router showing an example of an embodiment according to the present invention. The configuration, operation and characteristics of the optical wavelength router of 1 × 4ch-6 waves will be described in detail.
[0058]
The optical wavelength router of the present embodiment is configured on a planar lightwave circuit such as a silica-based optical waveguide 1, and the phase shifter unit of the first embodiment is replaced with a wavelength multiplexer / demultiplexer using an arrayed waveguide grating and a phase shifter array. This constitutes a 1 × 4ch-6-wave optical wavelength router.
[0059]
As shown in FIG. 7, the optical wavelength router according to the present embodiment includes, as input units, an input waveguide 61 for receiving a light wave, an input branch unit 62 connected to the input waveguide 61, and four input branch units 62. And four connection waveguides 63, 64, 65, 66 connected to the outputs, and as output portions, four output waveguides 81, 82, 83, 84, and output waveguides 81, 82, It has an output coupling / branching unit 80 that connects 83 and 84, and connection waveguides 76, 77, 78 and 79 connected to four inputs of the output coupling / branching unit 80. The input branching unit 62 and the output combining / branching unit 80 of the optical wavelength router according to the present embodiment have the same configuration as the input branching unit 2A and the output combining / branching unit 3A according to the first embodiment, and a detailed description is omitted.
[0060]
Further, in connection with the input branching unit 62, the phase shifter unit 4C is connected to the input branching unit 62 via connection waveguides 63, 64, 65, and 66 serving as input connection waveguides. In connection with, the output branching section 80 was connected via connection waveguides 76, 77, 78, 79 serving as output connection waveguides. In the phase shifter unit 4C, the connection waveguides 63, 64, 65, and 66 are connected to 1 × 6 wavelength demultiplexing arrayed waveguide gratings 67, 68, 69, and 70, respectively, serving as wavelength demultiplexers. Waveguides 76, 77, 78, and 79 were connected to 6 × 1 wavelength multiplexing array waveguide gratings 72, 73, 74, and 75, respectively, serving as wavelength multiplexers. The number of 1 × M wavelength demultiplexing array waveguide gratings and M × 1 wavelength multiplexing array waveguide gratings required for the phase shifter unit 4C is at least (N−1) when outputting to N output waveguides. In this embodiment, four 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide gratings 67 to 70 and four six × 1 wavelength multiplexing arrayed waveguide gratings 72 to 75 were provided. Here, M is the number of WDM signals to be multiplexed / demultiplexed.
[0061]
Each of the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide gratings 67, 68, 69, 70 and the 6 × 1 wavelength multiplexing array waveguide gratings 72, 73, 74, 75 is an input-side slab waveguide that diffracts an optical signal. And an output-side slab waveguide, which connects between the input-side slab waveguide and the output-side slab waveguide, and is composed of a plurality of arrayed waveguides having different lengths from each other, all having the same combination. It has a wave characteristic and splits a WDM signal into optical frequencies f1, f2, f3, f4, f5, f6 or multiplexes a light wave with optical frequencies f1, f2, f3, f4, f5, f6 into a WDM signal. It is.
[0062]
Further, the demultiplexing (output) side port of the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide grating 67 and the demultiplexing (input) side port of the 6 × 1 wavelength demultiplexing array waveguide grating 72 are connected to the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide. The demultiplexing side port of the waveguide grating 68 and the demultiplexing side port of the 6 × 1 wavelength multiplexing array waveguide grating 73, the demultiplexing side port of the 1 × 6 wavelength multiplexing array waveguide grating 69 and the 6 × 1 wavelength multiplexing array The demultiplexing side port of the waveguide grating 74 and the demultiplexing side port of the 1 × 6 wavelength demultiplexing arrayed waveguide grating 70 and the demultiplexing side port of the 6 × 1 wavelength demultiplexing arrayed waveguide grating 75 are provided with a plurality of phase shifter arrays 71. Are connected for each corresponding wavelength. The phase shifter array 71 includes a plurality of phase shifter waveguides and thin film heaters disposed thereon, similarly to the phase shifter unit 4A of the first embodiment. A phase modulator based on the thermo-optic effect is used. The number of the phase shifter waveguides of the phase shifter array 71 necessary for the phase shifter unit 4C is determined by using N output waveguides using a 1 × M wavelength demultiplexing array waveguide grating and an M × 1 wavelength multiplexing array waveguide grating. , It suffices to have at least (N-1) × M. In this embodiment, 24 phase shifter waveguides are provided for four output waveguides. Again, M is the number of WDM signals to be multiplexed / demultiplexed.
[0063]
In the phase shifter unit 4C having the above-described configuration, for example, the light wave input from the connection waveguide 63 to the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide grating 67 is transmitted to the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide grating 67 demultiplexing side port. The light is demultiplexed for each wavelength, experiences different phase shifts, is further multiplexed by the 6 × 1 wavelength multiplexing array waveguide grating 72, and propagates to the connection waveguide. Similarly, between the connection waveguide 64 and the connection waveguide 77, between the connection waveguide 65 and the connection waveguide 78, and between the connection waveguide 66 and the connection waveguide 79, a phase shift amount different for each wavelength is applied to the phase shifter array. 71. Therefore, the output waveguides for each wavelength can be independently set by the same control as in the first embodiment.
[0064]
Although this embodiment also describes an optical wavelength router constituted by a silica-based optical waveguide, the optical wavelength router according to the present invention does not depend on the material of the optical waveguide, and may be an InP compound optical waveguide or a SiON optical waveguide. The same effect can be obtained by using such an optical waveguide. In this embodiment, an arrayed waveguide grating is used as a wavelength multiplexer / demultiplexer. However, similar effects can be obtained by using a wavelength multiplexer / demultiplexer configured by a lattice filter or a transversal filter.
[0065]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of setting an output waveguide from which light waves of each frequency are output and a phase shifter amount between the connection waveguides at that time in the present embodiment.
In the present embodiment, the demultiplexing frequencies of six waves of the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide grating and the 6 × 1 wavelength demultiplexing array waveguide grating are f1 = 192.9 THz, f2 = 193.0 THz, and f3 = 193. 1 THz, f4 = 193.2 THz, f5 = 193.3 THz, f6 = 193.4 THz, and the free spectral range were set to 1600 GHz. As shown in FIG. 8, each splitting frequency is output to a predetermined output waveguide according to the setting of the amount of phase shifter between the connection waveguides. For example, for the splitting frequency f1 = 192.9 THz, the phase shifter between the connecting waveguides 63 and 76 is π / 2, the phase shifter between the connecting waveguides 64 and 77 is π / 2, and the connecting waveguide is π / 2. When the amount of phase shifter between 65 and 78 is set to 0 and the amount of phase shifter between connection waveguides 66 and 79 is set to π, a light wave is output to output waveguide 81.
[0066]
FIG. 9 shows a result of measuring a spectrum in each output waveguide when the amount of the phase shifter is set in FIG.
As can be seen from the graphs of FIGS. 9A, 9B, 9C, and 9D, the output waveguide 81 has frequencies f1 and f5 (see FIG. 9A), and the output waveguide 82 has The frequency f2 is output (see FIG. 9B), the output waveguide 83 outputs the frequencies f3 and f6 (see FIG. 9C), and the output waveguide 84 outputs the frequency f4 (see FIG. 9D). In each frequency, the crosstalk was about 30 dB and the propagation loss was 6.1 dB on average, showing good characteristics.
[0067]
Further, as can be seen from the example of setting the amount of phase shifter shown in FIG. 8, even in the optical wavelength router according to the present invention, when the path is switched for each wavelength, there is a difference in the total power applied to each thin film heater. In addition, the influence of temperature fluctuation on the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide gratings 67, 68, 69, 70 and the 6 × 1 wavelength demultiplexing array waveguide gratings 72, 73, 74, 75, that is, Does not cause temperature changes. In this example, the power consumption was 12 W constantly.
[0068]
Further, as described above, the optical wavelength router according to the present invention can set the number of spatial output channels and the number of wavelength channels independently, and can be a flexible optical wavelength router.
[0069]
(Example 4)
FIG. 10 is a schematic diagram of an optical wavelength router showing another example of the embodiment according to the present invention. The details of the configuration, operation, and characteristics of the optical wavelength router of 1 × 4ch-6 waves will be described as an example. I do.
[0070]
The optical wavelength router according to the present embodiment includes an optical branching unit 92 having an input branching unit 62 and a 1 × 6 wavelength branching array waveguide grating group 86, an output branching unit 80 and a 6 × 1 wavelength combining array waveguide. An optical multiplexing / demultiplexing unit 93 having a lattice group 87 is constituted by a quartz-based optical waveguide, and a phase shifter array unit 94 is constituted by an optical waveguide of z-Cut traveling wave type titanium diffusion lithium niobate. . That is, it corresponds to the optical wavelength router shown in the third embodiment in which the phase shifter of the thermo-optic effect configured using the thin film heater is replaced with the phase shifter of the electro-optic effect using the lithium niobate optical waveguide.
[0071]
Specifically, as shown in FIG. 10, in the optical wavelength router according to the present embodiment, the optical branching unit 92 includes an input waveguide 61 for receiving a light wave, and an input branching unit 62 connected to the input waveguide 61. And a connecting waveguide group 85 connected to the output of the input branching unit 62, and a 1 × 6 wavelength demultiplexing arrayed waveguide grating group 86 connected to the connecting waveguide group 85. The input branching unit 62 has the same configuration as that of the input branching unit 2A of the first embodiment, and the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide grating group 86 includes the 1 × 6 wavelength demultiplexing array waveguide shown in the third embodiment. Waveguide gratings 67, 68, 69, and 70 consist of four arrayed waveguide gratings of the same design.
[0072]
The optical multiplexing / demultiplexing unit 93 is connected to the output waveguides 81, 82, 83, 84, the output multiplexing / branching unit 80 connected to the output waveguides 81, 82, 83, 84, and the input of the output multiplexing / branching unit 80. The connection waveguide group 88 includes a 6 × 1 wavelength multiplexing array waveguide grating group 87 connected to the connection waveguide group 88. The output multiplexing / branching unit 80 has the same configuration as that of the output multiplexing / branching unit 3A of the first embodiment. It comprises four arrayed waveguide gratings of the same design as the arrayed waveguide gratings 72, 73, 74, 75.
[0073]
In the phase shifter array unit 94, in connection with the optical demultiplexing unit 92, the optical waveguide from the optical demultiplexing unit 92 and the optical waveguide of the phase shifter array group 89 of the phase shifter array unit 94 are connected so that they respectively match at the joint surface 90. did. Similarly, in the connection with the optical multiplexing / demultiplexing unit 93, the optical waveguide from the optical multiplexing / demultiplexing unit 93 and the optical waveguide of the phase shifter array group 89 of the phase shifter array unit 94 are connected so as to be aligned at the joint surface 91.
[0074]
Further, each demultiplexing (output) side port of the 1 × 6 wavelength demultiplexing arrayed waveguide grating group 86 and each demultiplexing (input) side port of the 6 × 1 wavelength demultiplexing arrayed waveguide grating group 87 are phase-shifted. The respective wavelengths are connected via a shifter array group 89. The phase shifter array group 89 is configured by arranging a plurality of phase shifter waveguides made of lithium niobate and two electrodes provided for the phase shifter waveguides, similarly to the phase shifter unit 4B of the second embodiment. A phase modulator based on the electro-optic effect is configured by using these electrodes as a phase modulation means.
[0075]
In this embodiment, the quartz-based optical waveguide was used from the viewpoint that the optical demultiplexing unit and the optical multiplexing / demultiplexing unit were easy to produce and the propagation loss was low. However, the same applies when an InP compound or a SiON optical waveguide was used. It is possible to get the effect. Further, although the phase shifter array is made of an optical waveguide made of lithium niobate, the same effect can be obtained by replacing it with an optical waveguide capable of realizing a phase shifter having other high-speed response characteristics, for example, a KTP waveguide having an electro-optical effect. It is possible. In this embodiment, an arrayed waveguide grating is used as a wavelength multiplexer / demultiplexer. However, similar effects can be obtained by using a wavelength multiplexer / demultiplexer configured by a lattice filter or a transversal filter.
[0076]
FIG. 11 shows the measurement results of the output spectrum before and after switching the optical frequency in the output waveguide of the optical wavelength router of the present embodiment.
As shown in FIGS. 11A and 11B, in the initial state (before switching), the light waves having the optical frequency f3 = 193.1 THz and the optical frequency f6 = 193.4 THz are supplied to the output waveguide 83 and the optical frequency f4. The lightwave of 193.2 THz is output to the output waveguide 84. In this state, when the lightwave of the optical frequency f6 is switched to the output waveguide 84, only the lightwave of the optical frequency f3 = 193.1 THz is output to the output waveguide 83, as shown in FIGS. A light wave having an optical frequency f6 = 193.4 THz is output to the output waveguide 84 in addition to the optical frequency f4 = 193.2 THz, which indicates that a predetermined optical frequency has been routed to the predetermined output waveguide. At this time, good characteristics such as an extinction ratio of 32 dB and a loss of 8 dB were obtained for each channel.
[0077]
FIG. 12 shows a measurement result of a transient response characteristic when the output of the light wave of the optical frequency f6 is switched from the output waveguide 83 to the output waveguide 84.
As can be seen from FIG. 12, the response time is as fast as 1 ns for both rising and falling of the output from each output waveguide, and it is understood that high-speed optical wavelength routing is realized.
[0078]
(Example 5)
FIG. 13 is a schematic diagram of an optical switch showing still another example of the embodiment according to the present invention. The details of the configuration, operation, and characteristics of a 1 × 4 channel (channel) optical switch will be described as an example. I do.
[0079]
As shown in FIG. 13, the 1 × 4ch optical switch of the present embodiment is also configured using a planar lightwave circuit such as a silica-based optical waveguide 1, and includes an input branching section 2B, an output branching section 3B, and a phase It is composed of a shifter section 4A.
The input branching section 2B includes an input waveguide 5 serving as an input section input waveguide for inputting light waves, an optical directional coupler 95, 96 connected to the input waveguide 5, and phase shifters 97, 98 sandwiched therebetween. Directional coupler 99 using a Mach-Zehnder interferometer composed of:, connecting waveguides 7 and 8 connected to the variable directional coupler 99, and a second-stage optical directional coupler connected to the connecting waveguides 7 and 8 9 and 10, and four input output waveguides connected to two outputs of the second-stage optical directional couplers 9 and 10, respectively. In the input branching unit 2B, the light wave incident from the input waveguide 5 is first branched to the connection waveguides 7 and 8 by the variable directional coupler 99, and the light wave from the connection waveguide 7 is further converted to the phase shifter unit 4A. The light wave from the connection waveguide 8 to the phase shifter waveguides 11 and 12 is branched to the phase shifter waveguides 13 and 14. Here, a variable directional coupler 99 by a Mach-Zehnder interferometer having a coupling rate adjusting means is incorporated as an input section branching means in front of the second-stage optical directional couplers 9 and 10 so that an appropriate coupling rate can be obtained. (Branch ratio) is set so that the output can be appropriately output to each output waveguide (see FIG. 14 for details).
[0080]
The phase shifter section 4A has the same configuration as that shown in the first embodiment, and has four phase shifter waveguides 11 to 14 and thin film heaters 15 to 18 disposed thereon. are doing. The four outputs from the input branching unit 2B are connected to the phase shifter waveguides 11 to 14, respectively, and independently control the phases of the light waves propagating through each phase shifter waveguide using the thin film heaters 15 to 18. Can control.
[0081]
The output branching section 3B has four output section input waveguides, which are connected to the phase shifter waveguides 11 to 14 of the phase shifter section 4A. The phase shifter waveguides 11 and 12 are connected to two inputs of a third-stage optical directional coupler 19, and the phase shifter waveguides 13 and 14 are connected to two inputs of a third-stage optical directional coupler 20. Is done. One output of the third-stage optical directional coupler 19 and one output of the third-stage optical directional coupler 20 are connected to two outputs of the fourth-stage optical directional coupler 27 via the connection waveguides 21 and 23. Connected to input. The other output of the third-stage optical directional coupler 19 and the other output of the third-stage optical directional coupler 20 are connected to the fourth-stage optical directional coupler 28 via the connection waveguides 22 and 24. Connected to two inputs. Finally, the fourth-stage optical directional couplers 27, 28 are connected to output waveguides 29, 30, 31, 32, which are output section output waveguides. Here, the output unit combining / branching means includes third-stage optical directional couplers 19 and 20, connecting waveguides 22 to 24, and fourth-stage optical directional couplers 27 and 28.
[0082]
In the output multiplexing / branching unit 3B, the light waves from the phase shifter waveguides 11 and 12 are multiplexed by the third-stage optical directional coupler 19, and are coupled to one of the connection waveguides 21 and 22. The light waves from 14 are multiplexed by the third-stage optical directional coupler 20 and propagate to one of the connection waveguides 23 and 24. Therefore, when the light wave from the third-stage directional coupler 19 is propagated to the connection waveguide 21 and the light wave from the third-stage directional coupler 20 is propagated to the connection waveguide 23, the light wave is transmitted in the fourth-stage direction. The light propagates to the sexual coupler 27 and is emitted to one of the output waveguides 29 and 30. When the light wave from the third-stage directional coupler 19 is propagated to the connection waveguide 22 and the light wave from the third-stage directional coupler 20 is propagated to the connection waveguide 24, the light wave is transmitted in the fourth-stage direction. The light propagates to the sexual coupler 28 and is emitted to one of the output waveguides 31 and 32.
[0083]
In the optical switches according to the present invention described in the first and second embodiments, if the branching ratio of each optical directional coupler deviates from 1: 1, the extinction ratio is deteriorated. Therefore, as a countermeasure, in the present embodiment, the first-stage splitter is a variable splitter, that is, a variable directional coupler 99 using a Mach-Zehnder interferometer. The operation characteristics of the optical switch having such a configuration will be described with reference to FIG.
[0084]
FIG. 14 shows the calculation of the branching ratio of the variable optical directional coupler and the output power at each output waveguide when the branching ratio of each optical directional coupler is not 1: 1 in the optical switch of this embodiment. This is the result.
Here, in the optical switch shown in FIG. 13, the branching ratio of each of the optical directional couplers 9, 10, 19, 20, 27, 28, 95, and 96 is intentionally given an error from 1: 1. Simulate characteristic degradation due to unpredictable process errors that can occur during fabrication. Specifically, the branching ratio is set to 55:45, the path is set to the output waveguide 30, and the output power of each output waveguide 29, 30, 31, 32 with respect to the branching ratio of the variable optical directional coupler 99 is set. Calculated.
[0085]
As can be seen from FIG. 14, when all the optical directional couplers 9, 10, 19, 20, 27, 28, 95, 96 and the variable optical directional coupler 99 have the same 55:45 branching ratio, the output The crosstalk of about −25 dB can be ensured for the waveguides 31 and 32, while the crosstalk of −21 dB can only be ensured for the output waveguide 29. This corresponds to the occurrence of a manufacturing deviation in the optical directional coupler in the optical switch without the variable optical directional coupler shown in the first embodiment.
[0086]
On the other hand, when the first-stage optical directional coupler is the variable optical directional coupler 99 and the coupling ratio is set from 41% to 51%, the crosstalk to the output waveguides 31 and 32 changes by approximately -25 dB. On the other hand, the crosstalk to the output waveguide 29 can be reduced to -25 dB or less. This is because, in the optical switch shown in FIG. 13, in the outermost Mach-Zehnder interferometer constituted by the variable optical directional coupler 99 and the optical directional coupler 27, the connection guide to the optical directional coupler 27 is obtained. This is because the intensity of the light wave propagating through the wave paths 21 and 23 can be realized by setting the branching ratio of the variable light directional coupler 99 so as to match the coupling ratio of the light directional coupler 27. Therefore, at least one of the first stage of the multi-stage input branching unit 2B or the last stage of the multi-stage output branching unit 3B is configured using a variable optical directional coupler by a Mach-Zehnder interferometer. Further, the input branching unit may be configured by connecting a Mach-Zehnder interferometer having a coupling ratio adjusting function in multiple stages, and the output combining / branching unit may be configured by connecting a Mach-Zehnder interferometer having a coupling ratio adjusting function in multiple stages. May be configured by connecting to In particular, when only the first stage of the input section branching means is a variable optical directional coupler as in this embodiment, the number of adjustment points can be reduced, and the crosstalk performance can be efficiently improved.
[0087]
In the optical switch of the present embodiment, the number of phase shifters and the amount of power supply are increased as compared with the optical switch of the first embodiment, but the power applied to the phase shifters 97 and 98 constituting the variable optical directional coupler is In the case of a situation, the power is very small corresponding to the manufacturing deviation of the optical directional coupler 27. Therefore, the advantage of the present invention is that the constant power consumption characteristic, which is one of the effects of the present invention, is not significantly impaired. Rather, the provision of only one variable optical directional coupler improves crosstalk, which is the main performance of the optical switch. This contributes to improving the yield of devices.
[0088]
【The invention's effect】
The outline of the effects of the present invention is as follows.
That is, according to the present invention, the power consumption of the 1 × Nch optical switch utilizing the thermo-optic effect can be kept constant regardless of the setting state of the output path. Therefore, in other optical circuit components, for example, in an optical wavelength routing device realized by combining an optical switch with an arrayed waveguide grating or the like, even if the other optical circuit components have temperature-dependent optical characteristics. Even if the switching operation to any output waveguide is performed, the operation can be accurately performed without affecting the characteristics.
[0089]
In addition, according to the present invention, high-speed optical switching is possible by replacing the thermo-optical phase shifter with a high-speed phase shifter, for example, a phase shifter using an optical waveguide such as lithium niobate that can use the electro-optical effect. It becomes. This is due to the feature that the optical switch according to the present invention has a configuration in which the phase shifters are arranged in a line unlike the tree type optical switch and the tap type optical switch.
[0090]
Further, according to the present invention, the phase shifter of the optical switch is replaced by a wavelength demultiplexer having the number of switch channels, a phase shifter having the number of switch channels × the number of wavelengths, and a wavelength multiplexer having the number of switch channels. Thus, it is possible to realize an optical wavelength router in which power consumption does not fluctuate in setting an arbitrary wavelength path, that is, in which characteristics of the wavelength multiplexer / demultiplexer do not fluctuate.
[0091]
Further, according to the present invention, the phase shifter section of the optical switch is replaced with a wavelength splitter having the number of switch channels, a high-speed phase shifter having the number of switch channels × the number of wavelengths, and a wavelength multiplexer having the number of switch channels. This enables high-speed optical wavelength routing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical switch according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between phases given to light waves in each thin film heater when the light is output to each output waveguide of the optical switch according to the first embodiment.
FIG. 3A is a graph of propagation loss in each output waveguide of the optical switch according to the first embodiment,
(B) is a graph showing the extinction ratio with another output waveguide when the output is set to the output waveguide 30.
FIG. 4 is a schematic view of an optical switch according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating a measurement result of a transient response characteristic of the optical switch according to the second embodiment.
FIG. 6A is a graph of a propagation loss in each output waveguide of the optical switch according to the second embodiment,
(B) is a graph showing the extinction ratio with another output waveguide when the output is set to the output waveguide 30.
FIG. 7 is a schematic diagram of an optical wavelength router according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of setting an output waveguide from which light waves of each frequency are output and a phase shifter amount between connection waveguides at that time in the optical wavelength router according to the third embodiment.
FIG. 9 is a graph showing a spectrum measured at each output waveguide when the amount of phase shifter is set in FIG. 8 in the optical wavelength router according to the third embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram of an optical wavelength router according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing measured output spectra before and after switching the optical frequency in the output waveguide of the optical wavelength router according to the fourth embodiment.
FIG. 12 is a graph showing a measurement result of a transient response characteristic when the output of a light wave having a predetermined optical frequency is switched to a different output waveguide in the optical wavelength router according to the fourth embodiment.
FIG. 13 is a schematic view of an optical switch according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating calculation of the branching ratio of the variable optical directional coupler and the output power of each output waveguide when the branching ratio of each optical directional coupler is not 1: 1 in the optical switch according to the fifth embodiment. It is a figure showing a result.
FIG. 15 is a schematic diagram of a conventional 1 × 8ch tree type optical switch using TOSW.
FIG. 16 is a graph showing a measurement result of a transient response characteristic of a Mach-Zehnder interferometer using a thermo-optic effect.
FIG. 17 is a schematic diagram of a conventional optical wavelength router for routing a wavelength division multiplexed signal.
FIG. 18 is a graph showing a change in the output spectrum at the center wavelength of the output multiplexed arrayed waveguide grating when a temperature change corresponding to the power applied to the TOSW is applied to the substrate in the conventional optical wavelength router.
[Explanation of symbols]
1 Silica-based optical waveguide
2A input branch
3A output branching section
4A phase shifter
5 Input waveguide
6. First-stage optical directional coupler
7,8 Connecting waveguide
9, 10 Second-stage optical directional coupler
11-14 Phase shifter waveguide
15-18 Thin film heater
19, 20 Third-stage optical directional coupler
21-24 connecting waveguide
25, 26 cross waveguide
27, 28 Fourth-stage optical directional coupler
29-32 Output waveguide

Claims (14)

平面光波回路上に構成された光スイッチにおいて、
入力された光波の分岐を行う入力分岐部と、前記光波の合分岐を行う出力合分岐部と、前記入力分岐部と前記出力合分岐部に挟まれ、前記光波の位相を変調する位相シフタ部とからなり、
前記入力分岐部は、少なくとも1本の入力部入力導波路と、N本の入力部出力導波路と、1本の前記入力部入力導波路から入力された光波を、N本の前記入力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための入力部分岐手段とを有するものであり、
前記出力合分岐部は、N本の出力部入力導波路と、N本の出力部出力導波路と、N本の前記出力部入力導波路のうち任意の1本に入力された光波を、N本の前記出力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための出力部合分岐手段とを有するものであり、
前記位相シフタ部は、N本の前記入力部出力導波路とN本の前記出力部入力導波路とを1対1に接続する位相シフタ導波路と、前記位相シフタ導波路のそれぞれに設けられた位相変調手段とを有するものであることを特徴とする光スイッチ。
In an optical switch configured on a plane lightwave circuit,
An input branching unit for branching an input lightwave, an output branching unit for branching the lightwave, and a phase shifter unit sandwiched between the input branching unit and the output branching unit and modulating a phase of the lightwave. Consisting of
The input branch unit includes at least one input unit input waveguide, N input unit output waveguides, and a light wave input from one input unit input waveguide, and outputs the N input unit output waveguides. Having an input section branching means for branching to equal strength to all of the waveguides,
The output combining / branching unit converts the lightwave input to any one of the N output unit input waveguides, the N output unit output waveguides, and the N output unit input waveguides into N Output section branching means for branching to equal strength to all of the output section output waveguides of the book,
The phase shifter section is provided in each of the phase shifter waveguides that connect the N input section output waveguides and the N output section input waveguides on a one-to-one basis, and the phase shifter waveguides. An optical switch comprising: a phase modulation unit.
平面光波回路上に構成された光波長ルータにおいて、
入力された光波の分岐を行う入力分岐部と、前記光波の合分岐を行う出力合分岐部と、前記入力分岐部と前記出力合分岐部に挟まれ、前記光波の位相を変調する位相シフタ部とからなり、
前記入力分岐部は、少なくとも1本の入力部入力導波路と、N本の入力部出力導波路と、1本の前記入力部入力導波路から入力された光波を、N本の前記入力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための入力部分岐手段とを有するものであり、
前記出力合分岐部は、N本の出力部入力導波路と、N本の出力部出力導波路と、N本の前記出力部入力導波路のうち任意の1本に入力された光波を、N本の前記出力部出力導波路の全てに等強度に分岐するための出力部合分岐手段とを有するものであり、
前記位相シフタ部は、N本の前記入力部出力導波路に接続されたN本の入力接続導波路と、前記入力接続導波路に接続され、1本の入力及びM本の出力を有する少なくとも(N−1)個の波長分波器と、前記波長分波器に接続され、少なくとも(N−1)×M本の位相シフタ導波路と、前記位相シフタ導波路に接続され、M本の入力及び1本の出力を有する少なくとも(N−1)個の波長合波器と、前記波長合波器とN本の前記出力部入力導波路とを接続するN本の出力接続導波路と、前記位相シフタ導波路のそれぞれに設けられた位相変調手段とを有するものであることを特徴とする光波長ルータ。
In an optical wavelength router configured on a plane lightwave circuit,
An input branching unit for branching an input lightwave, an output branching unit for branching the lightwave, and a phase shifter unit sandwiched between the input branching unit and the output branching unit and modulating a phase of the lightwave. Consisting of
The input branch unit includes at least one input unit input waveguide, N input unit output waveguides, and a light wave input from one input unit input waveguide, and outputs the N input unit output waveguides. Having an input section branching means for branching to equal strength to all of the waveguides,
The output combining / branching unit converts the lightwave input to any one of the N output unit input waveguides, the N output unit output waveguides, and the N output unit input waveguides into N Output section branching means for branching to equal strength to all of the output section output waveguides of the book,
The phase shifter unit includes at least (N) input connection waveguides connected to the N input unit output waveguides, and at least one input and M outputs connected to the input connection waveguide. N-1) wavelength demultiplexers, connected to the wavelength demultiplexer, at least (N-1) × M phase shifter waveguides, connected to the phase shifter waveguide, and M inputs And at least (N-1) wavelength multiplexers having one output, and N output connection waveguides connecting the wavelength multiplexer and the N output section input waveguides; An optical wavelength router comprising: a phase shifter provided in each of the phase shifter waveguides.
前記位相変調手段として、熱光学効果による位相変調器を用いたことを特徴とする請求項1記載の光スイッチ又は請求項2記載の光波長ルータ。3. The optical wavelength router according to claim 1, wherein a phase modulator based on a thermo-optic effect is used as the phase modulating means. 前記位相変調手段として、電気光学効果による位相変調器を用いたことを特徴とする請求項1記載の光スイッチ又は請求項2記載の光波長ルータ。3. The optical switch according to claim 1, wherein the phase modulator includes a phase modulator based on an electro-optic effect. 前記入力分岐部、前記出力合分岐部及び前記位相シフタ部が石英系光導波路により構成されたことを特徴とする請求項1もしくは請求項3に記載の光スイッチ又は請求項2もしくは請求項3に記載の光波長ルータ。4. The optical switch according to claim 1, wherein the input branching unit, the output combining / branching unit, and the phase shifter unit are configured by a silica-based optical waveguide. 5. Optical wavelength router as described. 前記位相変調手段がニオブ酸リチウムにより構成されたことを特徴とする請求項1もしくは請求項4に記載の光スイッチ、又は請求項2もしくは請求項4に記載の光波長ルータ。The optical switch according to claim 1, wherein the phase modulation unit is made of lithium niobate, or the optical wavelength router according to claim 2 or 4. 前記入力部分岐手段は、50%結合光方向性結合器又は1×2分岐多モード干渉カプラが多段に接続されて構成されたものであることを特徴とする請求項1及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項2及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光波長ルータ。The input section branching means is configured by connecting a 50% coupling optical directional coupler or a 1x2 branch multi-mode interference coupler in multiple stages. 7. The optical switch according to claim 6, or the optical wavelength router according to claim 2 and claim 3. 前記出力部合分岐手段は、50%結合光方向性結合器又は2×2合分岐多モード干渉カプラが多段に接続されて構成されたものであることを特徴とする請求項1及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項2及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光波長ルータ。4. The output section multiplexing / branching means is configured by connecting a 50% coupling optical directional coupler or a 2 × 2 multiplexing / branching multimode interference coupler in multiple stages. The optical switch according to any one of claims 1 to 6, or the optical wavelength router according to any one of claims 2 and 3 to 6. 前記入力部分岐手段は、結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計が多段に接続されて構成されたものであることを特徴とする請求項1及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項2及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光波長ルータ。7. The input unit branching unit according to claim 1, wherein a Mach-Zehnder interferometer having a coupling ratio adjusting function is configured in a multi-stage connection. An optical switch or an optical wavelength router according to any one of claims 2 and 3 to 6. 前記出力部合分岐手段は、結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計が多段に接続されて構成されたものであることを特徴とする請求項1及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項2及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光波長ルータ。7. The output unit combining / branching unit according to claim 1, wherein a Mach-Zehnder interferometer having a coupling rate adjusting function is configured by being connected in multiple stages. 7. The optical wavelength router according to claim 2, or the optical wavelength router according to claim 3. 多段に構成された前記50%結合光方向性結合器もしくは前記1×2分岐多モード干渉カプラの最初段、又は多段に構成された前記50%結合光方向性結合器もしくは前記2×2合分岐多モード干渉カプラの最終段のうち、少なくとも一方がマッハツェンダ干渉計による可変光方向性結合器を用いて構成されたことを特徴とする請求項7もしくは請求項8記載の光スイッチ又は請求項7もしくは請求項8記載の光波長ルータ。The first stage of the multi-stage 50% coupled optical directional coupler or the 1 × 2 branch multimode interference coupler, or the multi-stage 50% coupled optical directional coupler or the 2 × 2 branch. 9. The optical switch according to claim 7, wherein at least one of the last stages of the multi-mode interference coupler is configured using a variable optical directional coupler using a Mach-Zehnder interferometer. The optical wavelength router according to claim 8. 前記入力分岐部を構成する50%結合光方向性結合器、1×2分岐多モード干渉カプラ又は結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計のいずれかと、前記出力合分岐部を構成する50%結合光方向性結合器、2×2分岐多モード干渉カプラ又は結合率調整機能を有するマッハツェンダ干渉計のいずれかを2つの合分岐器とする任意のマッハツェンダ干渉計が、その光路長差がゼロになるように設定されたことを特徴とする請求項7乃至請求項11のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項7乃至請求項11のいずれかに記載の光波長ルータ。Either a 50% coupled optical directional coupler constituting the input branching unit, a 1 × 2 branch multimode interference coupler or a Mach-Zehnder interferometer having a coupling ratio adjusting function, and a 50% coupled light constituting the output combining / branching unit An arbitrary Mach-Zehnder interferometer using either a directional coupler, a 2 × 2 branch multi-mode interference coupler or a Mach-Zehnder interferometer having a coupling ratio adjustment function as two couplers has an optical path length difference of zero. The optical switch according to any one of claims 7 to 11, or the optical wavelength router according to any one of claims 7 to 11, wherein: 前記入力部分岐手段は、1×N分岐多モード干渉光カプラにより構成されたものであることを特徴とする請求項1及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項2及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光波長ルータ。7. The optical switch or claim according to claim 1, wherein said input section branching means is constituted by a 1 × N branching multi-mode interference optical coupler. 7. The optical wavelength router according to claim 2, and any one of claims 3 to 6. 前記出力部合分岐手段は、N×N分岐多モード干渉光カプラにより構成されたものであることを特徴とする請求項1及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光スイッチ又は請求項2及び請求項3乃至請求項6のいずれかに記載の光波長ルータ。7. The optical switch or claim according to claim 1, wherein said output unit combining / branching means is constituted by an N.times.N branch multimode interference optical coupler. 7. The optical wavelength router according to claim 2, and any one of claims 3 to 6.
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