JP2004354653A - Optical deflector - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an optical deflector which is capable of distributing incident light into a plurality of portions and freely changing their optical deflection and which functions as an optical switch. <P>SOLUTION: The optical reflector is provided with: an optical waveguide 1 for input; an optical distributor 4 for distributing light made incident from the input optical waveguide 1 to a number of distribution ports 2 formed by disposing distribution port columns 3 each of which is formed by arranging, in a plurality of steps in the vertical direction, the plurality of distribution ports 2 arranged in the horizontal direction and outputting distributed light; an optical waveguide array 7 corresponding to a number of the distribution ports 2 of the optical distributor 4, formed by disposing optical waveguide columns 6 each of which is formed by arranging, in a plurality of steps in the vertical direction, a plurality of optical waveguides 5 in the horizontal direction; and phase shifters 8 added on the way of the optical waveguides 5 for each of optical waveguide columns 6 of respective steps of the optical waveguide array 7 and generating phase difference to light guided by the optical waveguides 5. Light emitted from the optical waveguide array 7 can be deflected at a desired angle and large scale planning can be easily performed. The optical reflector also has high reliability since no movable part is used. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信および光信号処理分野で用いられる、光信号に対する光路切り替え部品としての光偏向器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光偏向器は、電子写真複写機,レーザビームプリンタ,バーコードリーダ等の光学機器等や、光ディスクのトラッキング制御装置の光偏向装置や、レーザ光をスキャニングして映像を投影する表示装置等に使われている。また、近年のインターネットの急速な普及により、光通信ネットワークを駆け巡る情報量が爆発的な増加を続けているのに対して、その光ファイバ間で光信号を需要に応じて切り替えたり、ネットワークの故障の際の迂回路確保のために光通信経路を切り替えたりする光スイッチにも光偏向器は使われている。
【0003】
光スイッチの形態としては、光導波路型や微小電子機械システム(MEMS)ミラー型等がある。光導波路型は、例えばポリマー材料でY分岐導波路を形成し、熱光学効果あるいは電気光学効果を利用してスイッチングを行なう、可動部をなくして固体素子化したものであり、信頼性および動作速度を向上させている。(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
また、MEMSミラー型は、可動式ミラーを用いて静電的,電磁的,圧電的または熱による作動力によって機械的にスイッチングするものであり、光スイッチの大規模化を容易に実現することができるという利点を持っている。(例えば、特許文献2参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平9−304797号公報
【0006】
【特許文献2】
特開2002−162577号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光導波路型の光スイッチでは、光スイッチの大規模化という面では、規模の増加に伴い、損失の起こる分岐部が増えることになるので、光が分岐部を通るたびに損失が累積して増加するため、大規模化が困難であるという問題点を持っている。
【0008】
また、MEMSミラー型の光スイッチでは、高速で駆動するときにミラーの動的な変形が無視できなくなるという問題点がある。これを解決するためにはミラーを厚くして変形しないようにすればよいが、それによってミラーの重量が増えて駆動に大きな力が必要になったり、可動式なので可動部の歪により信頼性が低下したりするという問題点が指摘されている。
【0009】
このように、従来の技術による光スイッチでは、高信頼性と大規模化とを共に満たす光スイッチングを実現するのは困難であるという問題点があった。
【0010】
本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光スイッチとして高速で動作させることができ、高信頼性であり、かつ光スイッチの大規模化も実現が可能な、光スイッチに用いられる光偏向器を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の光偏向器は、入力用光導波路と、この入力用光導波路から入力された光を、横方向に複数の分配口を並べた分配口列を上下に複数段に配置した多数の前記分配口に分配して出力する光分配器と、前記光分配器の多数の前記分配口に対応させた、横方向に複数の光導波路を並べた光導波路列を上下に複数段に配置した多数の前記光導波路から成る光導波路アレイと、前記光導波路アレイの各段の前記光導波路列毎にその光導波路の途中に付加された、それら光導波路により導波される光に位相差を生じさせる位相シフタとを具備することを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明の第2の光偏向器は、本発明の第1の光偏向器において、前記光導波路アレイの出射端側に、各々の前記光導波路からの出射光を集光して二次元的または三次元的な配置に出力するための集光手段を配置したことを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明の第3の光偏向器は、本発明の第1または第2の光偏向器において、前記位相シフタが前記光導波路列の各々の前記光導波路に個別に付加されていることを特徴とするものである。
【0014】
また、本発明の第4の光偏向器は、本発明の第1乃至第3のいずれかの光偏向器において、前記位相シフタが熱光学位相シフタであることを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。
【0016】
本発明の第1の光偏向器は、入力用光導波路と、この入力用光導波路から入力された光を、横方向に複数の分配口を並べた分配口列を上下に複数段に配置した多数の前記分配口に分配して出力する光分配器と、光分配器の多数の分配口に対応させた、横方向に複数の光導波路を並べた光導波路列を上下に複数段に配置した多数の前記光導波路から成る光導波路アレイと、光導波路アレイの各段の光導波路列毎にその光導波路の途中に付加された、それら光導波路により導波される光に位相差を生じさせる位相シフタとを具備している。
【0017】
すなわち、図1に実施の形態の一例を分解斜視図で示すように、入力用光導波路1と、この入力用光導波路1から入力された光を、横方向に複数の分配口2を並べた分配口列3を上下に複数段に配置した多数の分配口2に分配して出力する光分配器4と、光分配器4の多数の分配口2に対応させた、横方向に複数の光導波路5を並べた光導波路列6を上下に複数段に配置した多数の光導波路5から成る光導波路アレイ7と、光導波路アレイ7の各段の光導波路列6毎にその光導波路5の途中に付加された、それら光導波路5により導波される光に位相差を生じさせる位相シフタ8とを具備しているものである。
【0018】
入力用光導波路1としては、矩形のコアを持つチャネル光導波路や光ファイバを用いればよい。また、必要に応じてこれらチャネル光導波路や光ファイバを複数配置してもよい。
【0019】
光分配器4は、例えば、入力用光導波路1を伝搬してきた光が入力され、導波構造を持たない三次元空間で光を広げることによって、多数の分配口2に出力させる。また、この光分配器4は、二次元で光を制限したスラブ光導波路アレイを組み合わせて、入力用光導波路1から入力された光を多数の分配口2に分配するようにしたものであってもよい。
【0020】
光導波路アレイ7は、ポリマー系材料や石英系材料等から成る光導波路5を用いて、横方向に複数の光導波路5を並べた光導波路列6を上下に複数段に配置した多数の光導波路5によって構成されている。
【0021】
位相シフタ8は、入力用光導波路1から入力された光が光分配器4により分配され、その分配された光の間に位相差が生じる場合に位相を揃えるための第1の位相シフタ8aと、光導波路列6を構成している光導波路5のうち隣接しているものに対して一定の位相差を順次生じさせるための第2の位相シフタ8bと、光導波路アレイ7を構成している各段の光導波路列6のうち隣接しているものに対して一定の位相差を順次生じさせるための第3の位相シフタ8cとから構成されている。
【0022】
このような位相シフタ8(8a,8b,8c)としては、熱光学効果を利用した位相シフタの場合であれば、位相を揃えるための第1の位相シフタ8aは、光導波路アレイ7の光導波路列6上に薄膜金属で形成されたヒータを設けることによって形成され、そのヒータに電圧を印加することによって発熱させ、それによって加熱された光導波路5の屈折率を変化させることができるので、光分配器4から出力されて光導波路アレイ7に入射した光の位相差を考慮して、位相が進んでいる光が伝搬する光導波路5と遅れている光が伝搬する光導波路5との上にそれぞれ形成されているヒータの光導波路5の伝搬方向の長さを変化させた形状にしておき、その長さに対応した部分の光導波路5の屈折率を変化させることによって、伝搬後の光の位相を一致させるようにすればよい。
【0023】
また、第2の位相シフタ8bは、上述したように光が伝搬している光導波路5上のヒータの長さによってその光導波路5を伝搬する光の位相を制御することができるので、例えばプリズム型のヒータを2つ対向させる構成にしておき、光導波路列6の一端から他端へと光導波路5中を伝搬する光に対して位相差をつけたい方向に応じてその2つのヒータのどちらかを選択すれば、光導波路列6の一端から他端に向けて、光導波路5を伝搬する光に位相差を順次つけることができる。この第2の位相シフタ8bは、同じ長さのヒータを光導波路5上に個別に付加しておき、光導波路列6の一端から他端へ向かう光に対して所望の位相差がつくように、それぞれの光導波路5上のヒータにかける印加電圧を順次変化させるようにしてもよい。
【0024】
そして、第3の位相シフタ8cは、光導波路アレイ7の各段の光導波路列6毎にその光導波路5の途中に、光導波路アレイ7の上段の光導波路列6から下段の光導波路列6に向けて光導波路5の伝搬方向の長さを順次長くした矩形のヒータの組と順次短くした矩形のヒータの組とをそれぞれ付加しておき、各段の光導波路列6中を伝搬する光の位相差をつけたい方向に応じて、それらのヒータの組のどちらかに印加電圧を加えることによって、光導波路列6毎に上下で位相差を順次つけることができる。また、第3の位相シフタ8cは、光導波路アレイ7の各段の光導波路列6毎にその光導波路5の途中に、各段とも同じ形状の矩形のヒータを付加しておき、各段の光導波路列6中を伝搬する光の位相差をつけたい方向に応じて、各段の第3の位相シフタ8cにかける印加電圧を順次変化させるようにしてもよい。
【0025】
このような位相シフタ8(8a,8b,8c)は、SOAを利用した半導体位相シフタアレイや、LNやPLZTを利用した電気光学位相シフタアレイを実装する形態にしてもよく、その構成は必要な応答特性に応じて適宜選択すればよい。
【0026】
このような構成の本発明の第1の光偏向器によれば、まず、入力用光導波路1から入力された光が光分配器4により多数の分配口2に分配され、その分配された光の間に位相差が生じる場合に第1の位相シフタ8aを用いて分配された光の間で位相を揃える。次に、第2の位相シフタ8bによって、光導波路列6を構成している光導波路5のうち隣接しているものに対して一定の位相差を順次生じさせることを、光導波路アレイ7を構成している各段の光導波路列6のそれぞれについて同様に行なう。これにより、光が等位相面に垂直に伝搬するという性質を利用して、X方向(各光導波路列6において複数の光導波路5を並べた左右方向)に自由に光を偏向させることができる。次に、第3の位相シフタ8cによって、光導波路アレイ7を構成している各段の光導波路列6のうち上下に隣接しているものに対して一定の位相差を順次生じさせることによって、光が等位相面に垂直に伝搬するという性質を利用して、Y方向(光導波路列6を複数段に配置した上下方向)に自由に光を偏向させることができる。
【0027】
このようにして、X方向に光導波路5を並べた光導波路列6をY方向に上下に配置して構成された光導波路アレイ7について、第2の位相シフタ8bによるX方向への偏向の効果と、第3の位相シフタ8cによるY方向への偏向の効果とを組み合わせたことにより、光導波路アレイ7からの出射光をX−Y平面に対して所望の角度で偏向させることができ、大規模な光スイッチを容易に実現することができる。また、光スイッチの作動について可動部を用いていないために、スイッチ回数に対する長期信頼性を高くすることができる。
【0028】
本発明の第2の光偏向器は、以上のような本発明の第1の光偏向器において、光導波路アレイの出射端側に、各々の光導波路からの出射光を集光して二次元的または三次元的な配置に出力するための集光手段を配置したものである。
【0029】
このような集光手段としては、例えば、石英系や樹脂系のレンズを用いることができる。
【0030】
すなわち、図2に斜視図で示す実施の形態の一例においては、本発明の第1の光偏向器における光導波路アレイ7の出射端側に、各々の光導波路5からの出射光を集光して二次元的または三次元的な配置に出力するための集光手段として、レンズ9を配置している。また、図3に図2と同様の斜視図で示す実施の形態の他の例においては、本発明の第1の光偏向器における光導波路アレイ7を出射端側に延長し、延長した部分に集光機能位相シフタ10を配置して、これを各々の光導波路5からの出射光を集光して二次元的または三次元的な配置に出力するための集光手段としている。なお、図2および図3において、Lで示す矢印は、出射光の一部の状態を表すものである。
【0031】
このような本発明の第2の光偏向器によれば、本発明の第1の光偏向器により所望の角度で偏向された出射光を集光手段により集光して、所望の二次元的または三次元的な配置に出力することができ、例えば、図4に図2と同様の斜視図で実施の形態のさらに他の例を示すように、図2に示した例におけるレンズ9の先に複数の出力用光導波路12を所望の配列でアレイ状に集合させて構成した出力用光導波路アレイ11を配置することによって、入力用光導波路1に入力した光を所望の出力用光導波路12に導波させることができる光スイッチ素子として利用することができる。
【0032】
また、このような本発明の第2の光偏向器を複数列および複数段に上下左右に集積化することにより、M×N光スイッチ素子(M列×N段のマトリクス状の光スイッチ素子:M,Nは2以上の自然数を表す)として利用することもできる。
【0033】
次に、本発明の第3の光偏向器は、以上のような本発明の第1または第2の光偏向器において、位相シフタが、光導波路列の各々の光導波路に個別に付加されているものである。
【0034】
すなわち、図5に実施の形態の一例を図1と同様の分解斜視図で示すように、位相シフタとして、光導波路列6の各々の光導波路5に個別に光導波路別位相シフタ8dが付加されているものである。
【0035】
この光導波路別位相シフタ8dとしては、前述の第1〜第3の位相シフタ8a〜8cと同様のものを用いればよいが、熱光学効果を利用した位相シフタの場合であれば、ヒータを光導波路5に沿って個別に配置し、それらヒータに個別に電圧を印加することによって、それぞれ対応する光導波路5中を伝搬する光の位相を個別に制御することができるので、光導波路アレイ7中の光導波路5を伝搬する光の位相を一端から他端までの間で順次位相差を生じさせるように個別に電圧を制御して光導波路5の温度を制御すればよい。なお、光導波路別位相シフタ8dの長さはそれぞれ、同じでも異なっていてもいいことはいうまでもない。
【0036】
このような本発明の第3の光偏向器によれば、光導波路列6の各々の光導波路5に個別に光導波路別位相シフタ8dを付加していることから、導波される光の位相を各光導波路5毎に個別に制御することができるので、光導波路アレイ7の出射端から出力された光を各光導波路5毎に所望の角度で偏向させることができ、かつその光を集光して所望の二次元的または三次元的な配置に出力することができるので、例えば、その光導波路アレイ7の出射端に対向させて図4に示した出力用光導波路アレイ11を配置することによって、入力用光導波路1に入力した光を所望の出力用光導波路12に導波させることができる光スイッチ素子として利用することができる。
【0037】
また、このような本発明の第3の光偏向器を複数列および複数段に上下左右に集積化することにより、M×N光スイッチ素子として利用することもできる。
【0038】
次に、本発明の第4の光偏向器は、以上のような本発明の第1乃至第3のいずれかの光偏向器において、位相シフタが熱光学位相シフタであるものである。
【0039】
このような本発明の第4の光偏向器によれば、位相シフタ8が熱光学位相シフタであることから、光導波路アレイ7の光導波路5を形成する材料がポリマー系材料である場合には、光導波路5を伝搬する光に対して十分良好な位相シフトを行なうことができるとともに、石英系材料よりも熱光学効果が1桁以上大きいため、石英系材料よりも小型の光偏向器を製作することができる。また、ポリマー系材料はスピンコート法により容易に厚膜化できるので、石英系材料ではCVD法等による形成方法における厚膜化が困難であるのに対して、ポリマー系材料の方が本発明の光偏向器における光導波路アレイ7のように光導波路列6を複数段積層したような構造においてそれぞれに位相シフタ8を形成するのに適している。従って、位相シフタ8には、ポリマー系材料から成る光導波路5を用いて、応答の優れる熱光学位相シフタを用いることが好ましい。
【0040】
また、位相シフタ8がSOAを利用した半導体位相シフタアレイや、LNやPLZTを利用した電気光学位相シフタアレイである場合は、光導波路列6上または光導波路5上にこれらを別途実装する必要があるのに対して、位相シフタ8に熱光学位相シフタを用いた場合には、実装工程を必要とせずにより簡単な工程で形成することができ、光導波路列6または光導波路5とともにモノリシック集積できるという点でも有利である。
【0041】
このような熱光学位相シフタは、例えばヒータを用いて形成すればよく、ヒータに対して電気配線による電力供給により所望の光導波路列6または光導波路5に対する加熱を行ない、対応する光導波路5の屈折率を下げることによって、熱光学位相シフタとして機能させることができる。また、各光導波路列6または光導波路5の所定位置あるいはこれに対応させて形成したヒータに対して光導波路アレイ7の外部からのレーザ光や赤外光等の照射を行なうことにより、ヒータを加熱することによって、あるいは光導波路5を直接加熱することによって熱光学位相シフタとして機能させるものであってもよい。
【0042】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を施すことは何ら差し支えない。例えば、上述の例では位相シフタ8は、光導波路アレイ7の入射端側から出射端側にかけて第1,第2,第3の位相シフタ8a,8b,8cの順番で配置したが、これらは順番が変わってもよい。また、第1の位相シフタ8aと第2の位相シフタ8bとが、または第1の位相シフタ8aと第3の位相シフタ8cとが一体となった形状にしてもよく、この場合は、制御する位相シフタの数を減らせるとともに、消費電力を小さくすることができる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第1の光偏向器によれば、入力用光導波路と、この入力用光導波路から入力された光を、横方向に複数の分配口を並べた分配口列を上下に複数段に配置した多数の前記分配口に分配して出力する光分配器と、光分配器の多数の前記分配口に対応させた、横方向に複数の光導波路を並べた光導波路列を上下に複数段に配置した多数の前記光導波路から成る光導波路アレイと、光導波路アレイの各段の光導波路列毎にその光導波路の途中に付加された、それら光導波路により導波される光に位相差を生じさせる位相シフタとを具備することにより、入力用光導波路から入力された光が光分配器により分配され、その分配された光の間に位相差が生じる場合に位相を揃えるための第1の位相シフタを用いて位相差を揃え、次に、第2の位相シフタによって、光導波路列を成している光導波路のうち隣接しているものに対して一定の位相差を順次生じさせることを、光導波路アレイを構成している各段の光導波路列のそれぞれについて同様に行ない、光が等位相面に垂直に伝搬するという性質を利用してX方向(複数の光導波路を並べた左右方向)に自由に光を偏向させることができ、次に、第3の位相シフタによって、光導波路アレイを構成している各段の光導波路列のうち隣接しているものに対して一定の位相差を順次生じさせることによって、光が等位相面に垂直に伝搬するという性質を利用してY方向(光導波路列を複数段に配置した上下方向)に自由に光を偏向させることができるので、光導波路アレイから出射される光を所望の角度で偏向させることができ、大規模化も容易に行なうことができる。また、可動部を用いていないためにスイッチ回数に対する長期信頼性を高くすることができる。
【0044】
また、本発明の第2の光偏向器によれば、本発明の第1の光偏向器において、光導波路アレイの出射端側に、各々の光導波路からの出射光を集光して二次元的または三次元的な配置に出力するための集光手段を配置したことにより、第1の光偏向器により所望の角度で偏向された光を集光して、所望の二次元的または三次元的な配置に出力することができ、入力用光導波路に入力した光を所望の配置に出力することができる光スイッチ素子として利用することができる。また、複数列および複数段に上下左右に集積化することにより、M×N光スイッチ素子として利用することもできる。
【0045】
また、本発明の第3の光偏向器によれば、本発明の第1または第2の光偏向器において、位相シフタが光導波路列の各々の光導波路に個別に付加されていることにより、光導波路列の各々の光導波路に個別に光導波路別位相シフタを付加し、導波される光の位相を各光導波路毎に個別に制御することができるので、光導波路アレイの出射端から出力された光を各光導波路毎に所望の角度で偏向させることができ、かつその光を集光して所望の二次元的または三次元的な配置に出力することができる。そして、例えば、その光導波路アレイの出射端に対向させて出力用光導波路アレイを配置することによって、入力用光導波路に入力した光を所望の出力用光導波路に導波させることができる光スイッチ素子として利用することができる。また、複数列および複数段に上下左右に集積化することにより、M×N光スイッチ素子として利用することもできる。
【0046】
また、本発明の第4の光偏向器によれば、本発明の第1乃至第3のいずれかの光偏向器において、位相シフタが熱光学位相シフタであることから、光導波路アレイの光導波路を形成する材料がポリマー系材料である場合には、光導波路を伝搬する光に対して十分良好な位相シフトを行なうことができるとともに、石英系材料よりも熱光学効果が1桁以上大きいため、石英系材料よりも小型の光偏向器を製作することができる。また、ポリマー系材料はスピンコート法により容易に厚膜化できるので、石英系材料ではCVD法等による形成方法における厚膜化が困難であるのに対して、ポリマー系材料の方が本発明の光偏向器における光導波路アレイのように光導波路列を複数段積層したような構造においてそれぞれに位相シフタを形成するのに適している。従って、位相シフタ8には、ポリマー系材料から成る光導波路5を用いて、応答の優れる熱光学位相シフタを用いることが好ましい。
【0047】
また、位相シフタがSOAを利用した半導体位相シフタアレイや、LNやPLZTを利用した電気光学位相シフタアレイである場合は、光導波路列上または光導波路上にこれらを別途実装する必要があるのに対して、位相シフタに熱光学位相シフタを用いた場合には、実装工程を必要とせずにより簡単な工程で形成することができ、光導波路列または光導波路とともにモノリシック集積できるという点でも有利である。
【0048】
以上により、本発明によれば、光スイッチとして高速で動作させることができ、高信頼性であり、かつ光スイッチの大規模化も実現が可能な、光スイッチに用いられる光偏向器を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の光偏向器の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。
【図2】本発明の第2の光偏向器の実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図3】本発明の第2の光偏向器の実施の形態の他の例を示す斜視図である。
【図4】本発明の第2の光偏向器の実施の形態のさらに他の例を示す斜視図である。
【図5】本発明の第3の光偏向器の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
1・・・入力用光導波路
2・・・分配口
3・・・分配口列
4・・・光分配器
5・・・光導波路
6・・・光導波路列
7・・・光導波路アレイ
8・・・位相シフタ
8a・・・第1の位相シフタ
8b・・・第2の位相シフタ
8c・・・第3の位相シフタ
8d・・・光導波路別位相シフタ
9・・・レンズ(集光手段)
10・・・集光機能位相シフタ(集光手段)
11・・・出力用光導波路アレイ
12・・・出力用光導波路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical deflector as an optical path switching component for an optical signal used in the field of optical communication and optical signal processing.
[0002]
[Prior art]
Optical deflectors are used for optical equipment such as electrophotographic copiers, laser beam printers, bar code readers, etc., optical deflectors for optical disk tracking controllers, and display devices that scan laser beams and project images. Has been done. Also, despite the rapid spread of the Internet in recent years, the amount of information running through optical communication networks has continued to explode, but optical signals can be switched between optical fibers according to demand, An optical deflector is also used in an optical switch for switching an optical communication path to secure a detour in the event of a failure.
[0003]
Examples of the form of the optical switch include an optical waveguide type and a micro electro mechanical system (MEMS) mirror type. The optical waveguide type is a solid-state element formed by forming a Y-branch waveguide from a polymer material and performing switching using a thermo-optic effect or an electro-optic effect without a movable portion, and having reliability and operating speed. Has been improved. (For example, refer to Patent Document 1).
[0004]
Further, the MEMS mirror type uses a movable mirror to mechanically switch by an electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, or thermal operating force, and can easily realize a large-scale optical switch. It has the advantage of being able to. (For example, see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-304797
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-162577
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional optical waveguide type optical switch, in terms of increasing the size of the optical switch, the number of branch portions where loss occurs increases with the increase in scale, so that loss occurs every time light passes through the branch portion. There is a problem that it is difficult to increase the scale because the number increases in a cumulative manner.
[0008]
Further, the MEMS mirror type optical switch has a problem that dynamic deformation of the mirror cannot be ignored when driven at high speed. To solve this problem, the mirror should be thickened so that it does not deform.However, this increases the weight of the mirror and requires a large amount of power to drive it. It has been pointed out that the problem may be reduced.
[0009]
As described above, the conventional optical switch has a problem that it is difficult to realize optical switching that satisfies both high reliability and large scale.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the conventional technology, and has as its object to realize high-speed operation as an optical switch, high reliability, and realization of a large-scale optical switch. To provide an optical deflector used for an optical switch.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the first optical deflector of the present invention, the input optical waveguide and the light input from the input optical waveguide are arranged in a plurality of rows of distribution ports in which a plurality of distribution ports are arranged in a horizontal direction. An optical distributor that distributes and outputs to a large number of the distribution ports, and an optical waveguide array in which a plurality of optical waveguides are arranged in a horizontal direction corresponding to the multiple distribution ports of the optical distributor is vertically arranged in a plurality of stages. An optical waveguide array comprising a large number of the arranged optical waveguides, and a phase difference between light guided by the optical waveguides, which is added in the middle of the optical waveguide for each of the optical waveguide rows at each stage of the optical waveguide array. And a phase shifter that causes the phase shift.
[0012]
Further, the second optical deflector of the present invention is the first optical deflector of the present invention, wherein the light emitted from each of the optical waveguides is condensed on the emission end side of the optical waveguide array to form a two-dimensional light. A light condensing means for outputting in a target or three-dimensional arrangement is arranged.
[0013]
In a third optical deflector of the present invention, in the first or second optical deflector of the present invention, the phase shifter is individually added to each of the optical waveguides in the optical waveguide row. It is a feature.
[0014]
A fourth optical deflector according to the present invention is characterized in that, in any one of the first to third optical deflectors according to the present invention, the phase shifter is a thermo-optical phase shifter.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
In the first optical deflector of the present invention, the input optical waveguide and the light input from the input optical waveguide are arranged in a plurality of rows of distribution ports in which a plurality of distribution ports are arranged in a horizontal direction. An optical distributor that distributes and outputs to a large number of the distribution ports, and an optical waveguide array in which a plurality of optical waveguides are arranged in a horizontal direction corresponding to the multiple distribution ports of the optical distributor are vertically arranged in a plurality of stages. An optical waveguide array comprising a large number of the optical waveguides, and a phase added to the optical waveguide for each optical waveguide row at each stage of the optical waveguide array, which causes a phase difference in light guided by the optical waveguides. And a shifter.
[0017]
That is, as shown in an exploded perspective view of an example of the embodiment in FIG. 1, an input optical waveguide 1 and a plurality of distribution ports 2 are arranged in a horizontal direction with respect to light input from the input optical waveguide 1. An optical distributor 4 for distributing and outputting the distribution port array 3 to a number of distribution ports 2 arranged in a plurality of stages vertically, and a plurality of light guides in the horizontal direction corresponding to the plurality of distribution ports 2 of the optical distributor 4. An optical waveguide array 7 composed of a large number of optical waveguides 5 in which an optical waveguide array 6 in which the waveguides 5 are arranged is arranged in a plurality of stages vertically, and in the middle of the optical waveguide 5 for each optical waveguide array 6 in each stage of the optical waveguide array 7. And a phase shifter 8 for generating a phase difference in the light guided by the optical waveguides 5.
[0018]
As the input optical waveguide 1, a channel optical waveguide having a rectangular core or an optical fiber may be used. Further, a plurality of these channel optical waveguides and optical fibers may be arranged as necessary.
[0019]
The light distributor 4 receives, for example, the light propagating through the input optical waveguide 1 and spreads the light in a three-dimensional space having no waveguide structure, thereby outputting the light to a number of distribution ports 2. Further, the light distributor 4 combines a two-dimensionally limited slab optical waveguide array to distribute the light input from the input optical waveguide 1 to a number of distribution ports 2. Is also good.
[0020]
The optical waveguide array 7 uses a plurality of optical waveguides 6 in which a plurality of optical waveguides 5 are arranged in a lateral direction and is arranged in a plurality of stages vertically using optical waveguides 5 made of a polymer material, a quartz material, or the like. 5.
[0021]
The phase shifter 8 includes a first phase shifter 8a for aligning phases when light input from the input optical waveguide 1 is distributed by the optical distributor 4 and a phase difference occurs between the distributed lights. And a second phase shifter 8b for sequentially generating a constant phase difference with respect to an adjacent one of the optical waveguides 5 constituting the optical waveguide array 6, and an optical waveguide array 7. And a third phase shifter 8c for sequentially generating a constant phase difference with respect to an adjacent one of the optical waveguide rows 6 in each stage.
[0022]
As such a phase shifter 8 (8a, 8b, 8c), in the case of a phase shifter utilizing a thermo-optic effect, the first phase shifter 8a for aligning phases is an optical waveguide of the optical waveguide array 7. It is formed by providing a heater made of a thin-film metal on the column 6, and generates heat by applying a voltage to the heater, thereby changing the refractive index of the heated optical waveguide 5. Considering the phase difference of the light output from the distributor 4 and incident on the optical waveguide array 7, the optical waveguide 5 on which the light having the advanced phase propagates and the optical waveguide 5 on which the delayed light propagates are placed on the optical waveguide 5. Each of the formed heaters has a shape in which the length in the propagation direction of the optical waveguide 5 is changed, and the refractive index of the optical waveguide 5 in a portion corresponding to the length is changed, so that the light after propagation is changed. Rank It may be to match the.
[0023]
The second phase shifter 8b can control the phase of light propagating through the optical waveguide 5 by the length of the heater on the optical waveguide 5 through which the light propagates, as described above. Two types of heaters are opposed to each other, and one of the two heaters is selected according to the direction in which a phase difference is to be made with respect to light propagating through the optical waveguide 5 from one end of the optical waveguide array 6 to the other end. If this is selected, a phase difference can be sequentially applied to the light propagating through the optical waveguide 5 from one end of the optical waveguide row 6 to the other end. The second phase shifter 8b is configured such that heaters having the same length are individually added on the optical waveguide 5 so that a desired phase difference is obtained for light traveling from one end to the other end of the optical waveguide array 6. Alternatively, the voltage applied to the heater on each optical waveguide 5 may be sequentially changed.
[0024]
Then, the third phase shifter 8 c is provided between the upper optical waveguide array 6 and the lower optical waveguide array 6 in the optical waveguide array 7 for each optical waveguide array 6 at each stage of the optical waveguide array 7. , A set of rectangular heaters in which the length of the optical waveguide 5 in the propagation direction is sequentially increased and a set of rectangular heaters in which the length is sequentially shortened are added, and light propagating through the optical waveguide array 6 at each stage is added. By applying an applied voltage to one of these sets of heaters in accordance with the direction in which the phase difference is to be provided, it is possible to sequentially provide a phase difference in the vertical direction for each optical waveguide array 6. Further, the third phase shifter 8c adds a rectangular heater having the same shape to each stage in the middle of the optical waveguide 5 for each stage of the optical waveguide array 6 in each stage of the optical waveguide array 7. The voltage applied to the third phase shifter 8c of each stage may be sequentially changed according to the direction in which the phase difference of the light propagating in the optical waveguide array 6 is to be provided.
[0025]
Such a phase shifter 8 (8a, 8b, 8c) may be a mode in which a semiconductor phase shifter array using SOA or an electro-optic phase shifter array using LN or PLZT is mounted. May be appropriately selected according to the conditions.
[0026]
According to the first optical deflector of the present invention having such a configuration, first, the light input from the input optical waveguide 1 is distributed to a number of distribution ports 2 by the optical distributor 4, and the distributed light is distributed. When a phase difference occurs between the light beams, the phases are aligned between the distributed lights using the first phase shifter 8a. Next, the second phase shifter 8b configures the optical waveguide array 7 to sequentially generate a constant phase difference with respect to adjacent ones of the optical waveguides 5 constituting the optical waveguide array 6. The same procedure is performed for each of the optical waveguide arrays 6 in each stage. This makes it possible to freely deflect light in the X direction (the left-right direction in which a plurality of optical waveguides 5 are arranged in each optical waveguide array 6) by utilizing the property that light propagates perpendicularly to the equiphase plane. . Next, the third phase shifter 8 c sequentially generates a constant phase difference with respect to the vertically adjacent ones of the optical waveguide arrays 6 of each stage constituting the optical waveguide array 7, Utilizing the property that light propagates perpendicular to the equal phase plane, light can be freely deflected in the Y direction (up and down directions in which the optical waveguide rows 6 are arranged in a plurality of stages).
[0027]
In this manner, the effect of the second phase shifter 8b on the deflection in the X direction of the optical waveguide array 7 configured by vertically arranging the optical waveguide rows 6 in which the optical waveguides 5 are arranged in the X direction. And the effect of deflection in the Y direction by the third phase shifter 8c, the light emitted from the optical waveguide array 7 can be deflected at a desired angle with respect to the XY plane. A large-scale optical switch can be easily realized. Further, since the movable portion is not used for the operation of the optical switch, long-term reliability with respect to the number of times of the switch can be increased.
[0028]
The second optical deflector of the present invention is the two-dimensional optical deflector according to the first optical deflector of the present invention described above, in which the light emitted from each optical waveguide is condensed on the emission end side of the optical waveguide array. A light condensing means for outputting in a target or three-dimensional arrangement is arranged.
[0029]
As such a condensing means, for example, a quartz or resin lens can be used.
[0030]
That is, in the example of the embodiment shown in the perspective view in FIG. 2, the light emitted from each of the optical waveguides 5 is collected on the emission end side of the optical waveguide array 7 in the first optical deflector of the present invention. A lens 9 is disposed as a light condensing means for outputting a two-dimensional or three-dimensional arrangement. Further, in another example of the embodiment shown in FIG. 3 in a perspective view similar to FIG. 2, the optical waveguide array 7 in the first optical deflector of the present invention is extended to the emission end side, and the extended portion is formed. The light-condensing function phase shifter 10 is arranged as a light-condensing means for condensing the light emitted from each optical waveguide 5 and outputting the light in a two-dimensional or three-dimensional arrangement. Note that, in FIGS. 2 and 3, an arrow indicated by L indicates a partial state of the emitted light.
[0031]
According to such a second optical deflector of the present invention, the outgoing light deflected at a desired angle by the first optical deflector of the present invention is condensed by the condensing means, and the desired two-dimensional light is deflected. Alternatively, output can be performed in a three-dimensional arrangement. For example, as shown in FIG. 4, a perspective view similar to FIG. 2 shows still another example of the embodiment, the tip of the lens 9 in the example shown in FIG. By arranging an output optical waveguide array 11 in which a plurality of output optical waveguides 12 are assembled in an array in a desired arrangement, light input to the input optical waveguide 1 is transmitted to the desired output optical waveguide 12. It can be used as an optical switch element that can guide light to the optical switch.
[0032]
Further, by integrating such a second optical deflector of the present invention vertically and horizontally in a plurality of rows and a plurality of stages, an M × N optical switch element (M-row × N-stage matrix-like optical switch element: M and N represent two or more natural numbers).
[0033]
Next, according to the third optical deflector of the present invention, in the above-described first or second optical deflector of the present invention, a phase shifter is individually added to each optical waveguide in the optical waveguide row. Is what it is.
[0034]
That is, as shown in FIG. 5 in an exploded perspective view similar to FIG. 1, an example of the embodiment is such that a phase shifter 8d for each optical waveguide is individually added to each optical waveguide 5 of the optical waveguide array 6 as a phase shifter. Is what it is.
[0035]
As the phase shifter 8d for each optical waveguide, the same as the above-described first to third phase shifters 8a to 8c may be used. However, in the case of the phase shifter utilizing the thermo-optic effect, the heater is connected to the light guide. By individually arranging them along the waveguides 5 and individually applying voltages to the heaters, the phases of light propagating in the corresponding optical waveguides 5 can be individually controlled. The temperature of the optical waveguide 5 may be controlled by individually controlling the voltage so that the phase of the light propagating through the optical waveguide 5 sequentially causes a phase difference from one end to the other end. Needless to say, the lengths of the optical waveguide-specific phase shifters 8d may be the same or different.
[0036]
According to such a third optical deflector of the present invention, the phase shifter 8d for each optical waveguide is individually added to each of the optical waveguides 5 of the optical waveguide array 6, so that the phase of the guided light is increased. Can be individually controlled for each of the optical waveguides 5, so that the light output from the output end of the optical waveguide array 7 can be deflected at a desired angle for each of the optical waveguides 5, and the light can be collected. Since light can be output in a desired two-dimensional or three-dimensional arrangement, for example, the output optical waveguide array 11 shown in FIG. 4 is arranged so as to face the emission end of the optical waveguide array 7. Thereby, it can be used as an optical switch element that can guide light input to the input optical waveguide 1 to a desired output optical waveguide 12.
[0037]
Further, by integrating such a third optical deflector of the present invention vertically and horizontally in a plurality of rows and a plurality of stages, it can be used as an M × N optical switch element.
[0038]
Next, in a fourth optical deflector of the present invention, in any one of the first to third optical deflectors of the present invention described above, the phase shifter is a thermo-optic phase shifter.
[0039]
According to such a fourth optical deflector of the present invention, since the phase shifter 8 is a thermo-optic phase shifter, when the material forming the optical waveguide 5 of the optical waveguide array 7 is a polymer material, Since a sufficiently good phase shift can be performed on the light propagating through the optical waveguide 5 and the thermo-optic effect is at least one order of magnitude larger than that of the quartz-based material, an optical deflector smaller than the quartz-based material is manufactured. can do. In addition, since a polymer-based material can be easily formed into a thick film by a spin coating method, it is difficult to form a film using a quartz-based material by a forming method such as a CVD method. It is suitable for forming a phase shifter 8 in a structure in which a plurality of optical waveguide arrays 6 are stacked like an optical waveguide array 7 in an optical deflector. Therefore, as the phase shifter 8, it is preferable to use a thermo-optic phase shifter having excellent response using the optical waveguide 5 made of a polymer material.
[0040]
When the phase shifter 8 is a semiconductor phase shifter array using SOA or an electro-optic phase shifter array using LN or PLZT, these need to be separately mounted on the optical waveguide array 6 or the optical waveguide 5. On the other hand, when a thermo-optic phase shifter is used as the phase shifter 8, it can be formed by a simpler process without requiring a mounting process, and can be monolithically integrated with the optical waveguide array 6 or the optical waveguide 5. But it is advantageous.
[0041]
Such a thermo-optic phase shifter may be formed by using, for example, a heater, and heats the desired optical waveguide array 6 or the optical waveguide 5 by supplying electric power to the heater by electric wiring. By lowering the refractive index, it can function as a thermo-optic phase shifter. Further, by irradiating laser light, infrared light, or the like from outside the optical waveguide array 7 to a predetermined position of each optical waveguide array 6 or a predetermined position of the optical waveguide 5 or a heater formed corresponding thereto, the heater is activated. It may function as a thermo-optic phase shifter by heating or by directly heating the optical waveguide 5.
[0042]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and improvements may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described example, the phase shifters 8 are arranged in the order of the first, second, and third phase shifters 8a, 8b, and 8c from the input end side to the output end side of the optical waveguide array 7. May change. Further, the first phase shifter 8a and the second phase shifter 8b or the first phase shifter 8a and the third phase shifter 8c may be formed in an integrated shape. In this case, the control is performed. The number of phase shifters can be reduced, and the power consumption can be reduced.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the first optical deflector of the present invention, an input optical waveguide and a distribution port array in which a plurality of distribution ports are arranged in a horizontal direction are used for distributing light input from the input optical waveguide. An optical distributor for distributing and outputting to a plurality of the distribution ports arranged in a plurality of stages vertically, and an optical waveguide array in which a plurality of optical waveguides are arranged in a horizontal direction corresponding to the plurality of distribution ports of the optical distributor And an optical waveguide array composed of a large number of the optical waveguides arranged in a plurality of stages above and below, and each of the optical waveguide arrays in each stage of the optical waveguide array is guided by the optical waveguides added in the middle of the optical waveguide. By providing a phase shifter for generating a phase difference in light, the light input from the input optical waveguide is distributed by the optical distributor, and the phase is aligned when a phase difference occurs between the distributed lights. Phase difference using the first phase shifter for The second phase shifter sequentially generates a constant phase difference with respect to the adjacent ones of the optical waveguides forming the optical waveguide row, which means that each stage constituting the optical waveguide array has The same is performed for each of the optical waveguide arrays, and the light can be freely deflected in the X direction (the left and right direction in which a plurality of optical waveguides are arranged) by utilizing the property that the light propagates perpendicularly to the equal phase plane. Next, the third phase shifter sequentially generates a constant phase difference with respect to the adjacent one of the optical waveguide arrays of each stage constituting the optical waveguide array, so that the light has the same phase. Light can be freely deflected in the Y direction (vertical direction in which the optical waveguide array is arranged in a plurality of stages) by utilizing the property of propagating perpendicularly to the light, so that the light emitted from the optical waveguide array can be directed at a desired angle. Can be deflected by Yellow, large-scale can also be easily performed. In addition, long-term reliability with respect to the number of switches can be increased because no movable portion is used.
[0044]
According to the second optical deflector of the present invention, in the first optical deflector of the present invention, the light emitted from each of the optical waveguides is condensed on the emission end side of the optical waveguide array to form a two-dimensional light. The light deflected by the first optical deflector to converge the light deflected at a desired angle by arranging the light converging means for outputting the light in a three-dimensional or three-dimensional arrangement. It can be used as an optical switch element that can output light to a desired arrangement, and can output light input to the input optical waveguide to a desired arrangement. Also, by integrating vertically and horizontally in a plurality of rows and a plurality of stages, it can be used as an M × N optical switch element.
[0045]
According to the third optical deflector of the present invention, in the first or second optical deflector of the present invention, a phase shifter is individually added to each optical waveguide in the optical waveguide row, A phase shifter for each optical waveguide is individually added to each optical waveguide in the optical waveguide array, and the phase of guided light can be individually controlled for each optical waveguide. The emitted light can be deflected at a desired angle for each optical waveguide, and the light can be condensed and output in a desired two-dimensional or three-dimensional arrangement. Then, for example, by arranging an output optical waveguide array so as to face the emission end of the optical waveguide array, an optical switch capable of guiding light input to the input optical waveguide to a desired output optical waveguide. It can be used as an element. Also, by integrating vertically and horizontally in a plurality of rows and a plurality of stages, it can be used as an M × N optical switch element.
[0046]
According to the fourth optical deflector of the present invention, in any one of the first to third optical deflectors of the present invention, the phase shifter is a thermo-optic phase shifter. When the material forming is a polymer material, a sufficiently good phase shift can be performed on the light propagating through the optical waveguide, and the thermo-optic effect is one order or more larger than that of the quartz material. An optical deflector smaller than a quartz-based material can be manufactured. In addition, since a polymer-based material can be easily formed into a thick film by a spin coating method, it is difficult to form a film using a quartz-based material by a forming method such as a CVD method. It is suitable for forming a phase shifter in a structure in which a plurality of optical waveguide rows are stacked like an optical waveguide array in an optical deflector. Therefore, as the phase shifter 8, it is preferable to use a thermo-optic phase shifter having excellent response using the optical waveguide 5 made of a polymer material.
[0047]
When the phase shifter is a semiconductor phase shifter array using SOA or an electro-optic phase shifter array using LN or PLZT, these need to be separately mounted on an optical waveguide row or an optical waveguide. When a thermo-optic phase shifter is used as the phase shifter, it can be formed by a simpler process without the need for a mounting process, and is advantageous in that it can be monolithically integrated with the optical waveguide array or the optical waveguide.
[0048]
As described above, according to the present invention, there is provided an optical deflector used for an optical switch, which can be operated at a high speed as an optical switch, has high reliability, and can realize a large-scale optical switch. I was able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of an embodiment of a first optical deflector of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of an embodiment of a second optical deflector of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing another example of the embodiment of the second optical deflector of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing still another example of the embodiment of the second optical deflector of the present invention.
FIG. 5 is an exploded perspective view showing an example of an embodiment of a third optical deflector of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Input optical waveguide 2 ... Distribution port 3 ... Distribution port array 4 ... Optical distributor 5 ... Optical waveguide 6 ... Optical waveguide array 7 ... Optical waveguide array 8. ..Phase shifter 8a ... First phase shifter 8b ... Second phase shifter 8c ... Third phase shifter 8d ... Phase shifter 9 for each optical waveguide 9 ... Lens (light collecting means)
10 ... Condenser function phase shifter (condenser)
11 ... Output optical waveguide array 12 ... Output optical waveguide

Claims (4)

入力用光導波路と、該入力用光導波路から入力された光を、横方向に複数の分配口を並べた分配口列を上下に複数段に配置した多数の前記分配口に分配して出力する光分配器と、前記光分配器の多数の前記分配口に対応させた、横方向に複数の光導波路を並べた光導波路列を上下に複数段に配置した多数の前記光導波路から成る光導波路アレイと、前記光導波路アレイの各段の前記光導波路列毎にその光導波路の途中に付加された、それら光導波路により導波される光に位相差を生じさせる位相シフタとを具備することを特徴とする光偏向器。An optical waveguide for input and light input from the optical waveguide for input are distributed and output to a large number of the above-described distribution ports in which a plurality of distribution ports arranged in a horizontal direction are arranged in a plurality of stages vertically. An optical waveguide comprising an optical distributor and a plurality of optical waveguides corresponding to a plurality of the distribution ports of the optical distributor, and a plurality of optical waveguides in which a plurality of optical waveguides are arranged in a horizontal direction in a vertical direction. An array, and a phase shifter added to the middle of the optical waveguide for each of the optical waveguide rows in each stage of the optical waveguide array, which causes a phase difference in light guided by the optical waveguides. Characteristic optical deflector. 前記光導波路アレイの出射端側に、各々の前記光導波路からの出射光を集光して二次元的または三次元的な配置に出力するための集光手段を配置したことを特徴とする請求項1記載の光偏向器。A light condensing means for condensing light emitted from each of the optical waveguides and outputting the light in a two-dimensional or three-dimensional arrangement is arranged on an emission end side of the optical waveguide array. Item 2. The optical deflector according to Item 1. 前記位相シフタが前記光導波路列の各々の前記光導波路に個別に付加されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光偏向器。3. The optical deflector according to claim 1, wherein the phase shifter is individually added to each of the optical waveguides in the optical waveguide row. 前記位相シフタが熱光学位相シフタであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光偏向器。4. The optical deflector according to claim 1, wherein the phase shifter is a thermo-optic phase shifter.
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