JP2006113178A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の光スイッチ部のタイミング調整が容易な光導波路型の半導体光スイッチを実現することを目的にする。
【解決手段】 本発明は、光信号が入射または出射されるポートを有し、光信号を途中で２つに分岐して伝播する光導波路が複数形成され、光信号を伝播する光導波路を選択して出射用のポートのうち所望のポートから出射する光スイッチに改良を加えたものである。本光スイッチは、光導波路の分岐部分に設けられ、所望のポートへ光信号を伝播する光導波路側に経路を切り替える初段の光スイッチ部と、この初段の光スイッチ部よりも後段の分岐部分に設けられ、初段の光スイッチ部からの漏れ光を外部への出射用のポートのいずれにも伝播されない経路に切り替える後段の光スイッチ部とを有し、ポート、光導波路、初段、後段の光スイッチ部は、同一の基板に設けられ、初段、後段の光スイッチ部は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の経路を切り替えることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光信号が入射または出射されるポートを有し、光信号を途中で２つに分岐して伝播する光導波路が複数形成され、光信号を伝播する光導波路を選択して出射用のポートのうち所望のポートから出射する光スイッチに関し、詳しくは、複数の光スイッチ部のタイミング調整が容易な光導波路型の半導体光スイッチに関するものである。

光導波路型の光スイッチは、光通信システム、光交換システム等に用いられ、従来から様々な種類がある。例えば、電気光学効果を用いた方向性結合器型、マッハチェンダ型干渉計、キャリア注入型等がある。図６は、光スイッチの最も基本的な構造の２入力２出力型の光スイッチの構成を示した図である。

図６において、入射ポートＰｉ（１）、Ｐｉ（２）から光信号が入射される。そして、光スイッチ部ＳＷで、光信号を伝播する光導波路を選択して、すなわち所望の出射ポートＰｏ（１），Ｐｏ（２）へ光信号を伝播する光導波路側に経路を切り替える。このようにして、入射ポートＰｉ（１）、Ｐｉ（２）から入射された光信号を、出射ポートＰｏ（１）、Ｐｏ（２）のうち所望の出射ポートＰｏ（１）、Ｐｏ（２）から出射する。

図６に示す光導波路型の光スイッチは、入射された光信号の光パワーの全てを所望の出射ポートＰｏ（１）、Ｐｏ（２）にのみ出射することが困難であった。例えば、スイッチ部ＳＷで出射ポートＰｏ（１）への経路を選択しても、光スイッチ部ＳＷで漏れ光が発生し、この漏れ光が出射ポートＰｏ（２）からも出射されてしまうという問題があった。

光通信システムや光交換システム等では、消光比（光信号が出射されるときと、出射されないときの光パワー比）が２０〜３０［ｄＢ］以上必要とされる。言い換えると出射ポートＰｏ（１），Ｐｏ（２）間で、クロストークを小さくすることが必要とされる。しかしながら従来の光スイッチにおける消光比は、例えば、１０［ｄＢ］程度であった。

そこで、図６に示す光スイッチを光ファイバによって多段に接続した構成が提案されている。図７は、消光比を改善した従来の光スイッチの構成を示した図である（例えば、特許文献１参照）。図７において、光スイッチ１１〜１３は、図６に示す光スイッチであり、光スイッチ部にて電気光学効果を用いて所望の経路を選択する。

例えば、入射ポートＰｉ（３）、Ｐｉ（４）から入射した光信号は、光スイッチ１１の光スイッチ部で光ファイバＦ１または光ファイバＦ２への経路が選択される。そして、光ファイバＦ１によって伝送された光信号は、光スイッチ１２に入射し、光スイッチ１２の光スイッチ部で出射ポートＰｏ（３）に接続される経路またはダミーの経路が選択される。光ファイバＦ２によって伝送された光信号は、光スイッチ１３に入射し、光スイッチ１３の光スイッチ部で出射ポートＰｏ（４）に接続される経路またはダミーの経路が選択される

例えば、入射ポートＰｉ（３）に入射した光信号を、出射ポートＰｏ（３）に出射する場合、光スイッチ１１が、光ファイバＦ１への経路を選択する。そして、光スイッチ１２が、出射ポートＰｏ（３）への経路を選択する。さらに、光スイッチ１３が、ダミーの経路を選択する。従って、光スイッチ１１で生じた漏れ光は、光ファイバＦ２によって伝送されるが、光スイッチ１３がダミーの経路を選択しているので、出射ポートＰｏ（４）には漏れ光の影響がほとんどなく、消光比、クロストークを改善することができる。

特開平６−８２８４７号公報

異なる基板上に個別に作成された光スイッチ１１〜１３を、光ファイバＦ１，Ｆ２を用いて多段に接続することによって、消光比やクロストークの改善を図ることができる。

しかしながら、複数個の光スイッチ１１〜１３を光ファイバＦ１、Ｆ２で接続するので、光スイッチ１１と光スイッチ１２間の距離および光スイッチ１１と１３間の距離が、少なくとも数１０［ｃｍ］は必要になる。従って、光信号が、光スイッチ１１から光スイッチ１２、１３に到達するまでに大きな遅延時間（数［ｎｓｅｃ］）が発生し、遅延時間を考慮して光スイッチ部の経路の切り替えをする必要があた。そのため、光スイッチ部のタイミング調整が難しいという問題があった。

例えば、データとデータとの間の時間的な間隔が狭い場合、光スイッチ１１から出射された第１のデータが、光スイッチ１２（または光スイッチ１３）での経路の切り替えが終了する前に、次の第２のデータが光スイッチ１１に入射してしまう。従って、高速光信号処理では、光信号のタイミングに合わせて、個々の光スイッチ１１〜１３を個別に制御する必要があり、タイミング調整が難しいという問題あった。

さらに、光スイッチ１１〜１３間を接続する光ファイバＦ１、Ｆ２を同じ長さに調整することは非常に困難であり、遅延時間にズレが生じてしまう。そのため、スイッチ部の経路切り替えのタイミング調整がさらに難しくなるという問題があった。

そこで本発明の目的は、複数の光スイッチ部のタイミング調整が容易な光導波路型の半導体光スイッチを実現することにある。

請求項１記載の発明は、
光信号が入射または出射されるポートを有し、前記光信号を途中で２つに分岐して伝播する光導波路が複数形成され、前記光信号を伝播する光導波路を選択して外部への出射用のポートのうち所望のポートから出射する光スイッチにおいて、
前記光導波路の分岐部分に設けられ、前記所望のポートへ光信号を伝播する光導波路側に経路を切り替える初段の光スイッチ部と、
この初段の光スイッチ部よりも後段の分岐部分に設けられ、前記初段の光スイッチ部からの漏れ光を前記出射用のポートのいずれにも伝播されない経路に切り替える後段の光スイッチ部と
を有し、前記ポート、前記光導波路、前記初段、後段の光スイッチ部は、同一の基板に設けられ、
前記初段、後段の光スイッチ部は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の経路を切り替えることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
後段の光スイッチ部を多段に設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１、２によれば、ポート、光導波路、キャリア注入型の光スイッチ部が同一の基板上に設けらる。そして、後段に設けられる光スイッチが、初段の光スイッチで発生した漏れ光を、外部に出射するポート以外に伝播させる。これにより、消光比やクロストークを改善できると共に、初段の光スイッチ部と後段の光スイッチ部間の距離が短く光信号の伝達遅延がほとんど発生しない。これにより、複数の光スイッチ部のタイミング調整が容易となる。

また、光スイッチ部を接続する光導波路が、同一基板上に設けられるので、モノリシックな光スイッチに光信号を入出射するポート部分のみ光ファイバ結合となる。従って、結合損失を低減することができる。

請求項２によれば、後段の光スイッチ部を多段に設けるので、消光比やクロストークの改善をより図ることができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る光スイッチ３０の一実施例を示す構成図である。図１において半導体基板３１上には、光導波路３２〜３５が形成される。光導波路３２、３３は基板３１上で互いに交差することなく設けられ、光導波路３４、３５は基板３１上で互いに交差することなく設けられる。

光導波路３２は、光導波路３４、３５とそれぞれ異なる位置で概略Ｘ字に交差する。光導波路３３は、光導波路３４、３５とそれぞれ異なる位置で概略Ｘ字に交差する。

光導波路３２〜３５のそれぞれは、一端が入射ポートＰｉ（５）〜Ｐｉ（８）であり、他端が出射ポートＰｏ（５）〜Ｐｏ（８）である。また、光導波路３３の一端の入射ポートＰｉ（６）が、入射側光ファイバＦｉ１に接続され、他端の出射ポートＰｏ（６）が、出射側光ファイバＦｏ２に接続される。そして、光導波路３４の一端の入射ポートＰｉ（７）が、入射側光ファイバＦｉ２に接続され、他端の出射ポートＰｏ（７）が、出射側光ファイバＦｏ１に接続される。

つまり、光スイッチ３０は４×４ポートだが、出射ポートＰｏ（６），Ｐ（７）が外部への出射用のポートであり、入射ポートＰｉ（５）、Ｐｉ（８），出射ポートＰｏ（５），Ｐｏ（８）は、光信号の入射、出射を行なう入射側光ファイバ、出射側光ファイバが接続されないダミーのポートであり、実際は２入力２出力型である。

第１の光スイッチ部ＳＷ１は、光導波路３３，３４が交差するＸ字上の交差部分（光信号を分岐する分岐部分）に設けられ、所望の出射ポートＰｏ（６），Ｐｏ（７）へ光信号を伝播する光導波路３３、３４側に経路を切り替える。

第２の光スイッチ部ＳＷ２は、光導波路３２、３４の交差部分に設けられ、第３の光スイッチ部ＳＷ３は、光導波路３３、３５の交差部分に設けられる。なお、光スイッチ部ＳＷ１は、初段の光スイッチ部である。また、光スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３は後段の光スイッチ部である。

光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３は、経路を切り替えて所望の光導波路３２〜３５に光信号を伝播するものであり、Ｘ字状の光導波路３２〜３５の交差部分には電極（例えば、ｐ型電極）３６〜３８が設けられ、キャリア注入が行なわれる。なお、ｐ型電極３６〜３８に対応するｎ型電極（図示せず）は、ｐ型電極の近傍または基板３１の裏面に設けるとよい。

すなわち、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３は、キャリア注入型の光スイッチである（例えば、特開２００４−２９１７１号公報、特開２００４−２９１７２号公報、”K. Ishida, 他４名, 「InGaAsP/InP optical switches using carrier induced refractive index change」, Applied Physics Letters, American Institute of Physics, 1987年, Vol.50, No.3, p.141-142”）。

このように、ポートＰｉ（５）〜Ｐｉ（８），Ｐｏ（５）〜Ｐｏ（８）、光導波路３２〜３５、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３は同一の基板３１上にモノリシックに形成される。

このような装置の動作を説明する。まず、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３の動作を説明する。光スイッチ部ＳＷ１〜ＷＳ３がオフの場合、電極３６〜３８および図示しない電極には電流が供給されない。

このため、”Ｘ字状”の光導波路３２〜３５の交差部分に屈折率の変化が生じないため、光信号は交差部分を直進して同一の光導波路３２〜３５によって伝播される。ただし、直進した光信号の光パワーに対して−１０［ｄＢ］程度の漏れ光が異なる光導波路３２〜３５に入射する。

例えば、光スイッチ部ＳＷ１がオフの場合、入射側光ファイバＦｉ１から光導波路３３に入射した光信号の大部分は、光スイッチ部ＳＷ１を直進し、同一の光導波路３３によって伝播され、光スイッチ部ＳＷ３に入射する。そして、直進した光信号の光パワーに対して微弱な光パワーとなる漏れ光が、光導波路３４に入射する。

一方、光スイッチ部３２〜３５がオンの場合、電極３６〜３８および図示しない電極に電流が供給され光導波路３１の交差部分にキャリア（電子、正孔）が注入される。このキャリア注入により電極３６〜３８下近傍の光導波路３２〜３５の屈折率が減少する。

そして、光導波路３２〜３５によって伝播されてきた光信号は、交差部分に生じた低屈折率の領域と屈折率変化がほとんどない領域との境でほぼ全反射されて、異なる光導波路３２〜３５に入射する。ただし、反射した光信号の光パワーに対して−１０［ｄＢ］程度の漏れ光が同一の光導波路３２〜３５によって伝播される。

例えば、光スイッチ部ＳＷ１がオンの場合、入射側光ファイバＦｉ１から光導波路３３に入射した光信号の大部分は、光スイッチ部ＳＷ１でほぼ全反射され異なる光導波路３４に入射する。そして、反射した光信号の光パワーに対して微弱な光パワーとなる漏れ光が、光導波路３３を直進する。

続いて、入射ポートＰｉ（６）、Ｐｉ（７）から光スイッチ３０に入射した光信号を、所望の出射ポートＰｏ（６）、Ｐｏ（７）から出射する動作を説明する。
一例として、入射ポートＰｉ（６）から入射した光信号を、出射ポートＰｏ（６）から出射する動作を図２を用いて説明する。図２は、図１に示す光スイッチにおいて、光信号の伝播を模式的に示した図である。ここで、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。

光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３をオン、オフする電気的な制御信号を出射するドライバ（図示せず）が、光スイッチ部ＳＷ１、ＳＷ３をオフにし、光スイッチ部ＳＷ２をオンにする。この際、光スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３を同時に制御してよい。または、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３を同時に制御してもよい。

これにより、入射側光ファイバＦｉ１によって伝送され、入射ポートＰｉ（６）から光スイッチ３０の光導波路３３に入射された光信号は、光スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２を直進し、出射ポートＰｏ（６）から出射され、出射側光ファイバＦｏ２によって外部に出射される（図２中の実線の矢印１００を参照）。

一方、光スイッチ部ＳＷ１で反射された漏れ光は、光導波路３４にて光スイッチＳＷ２に伝播される。そして、光スイッチ部ＳＷ２で反射され光導波路３２によって伝播され、ダミーの出射ポートＰｏ（５）から出射される（図２中の破線の矢印１０１を参照）。従って、光スイッチ部ＳＷ１で発生した漏れ光が、選択されていない出射ポートＰｏ（７）に到達する漏れ光（図２中の一点鎖線矢印１０２）の光パワーは、光スイッチ３０に入射した光信号の光パワーに対して−２０［ｄＢ］以上に減衰される。

次に、入射ポートＰｉ（６）から入射した光信号を、出射ポートＰｏ（７）から出射する動作を図３を用いて説明する。図３は、図１に示す光スイッチにおいて、光信号の伝播を模式的に示した図である。ここで、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。

ドライバ（図示せず）が、光スイッチ部ＳＷ１、ＳＷ３をオンにし、光スイッチ部ＳＷ２をオフにする。この際、光スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３を同時に制御してよい。または、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３を同時に制御してもよい。

これにより、入射側光ファイバＦｉ１によって伝送され、入射ポートＰｉ（６）から光スイッチ３０の光導波路３３に入射された光信号は、光スイッチ部ＳＷ１で反射され、光導波路３４にて光スイッチ部ＳＷ２に伝播される。そして、光スイッチ部ＳＷ２を直進して出射ポートＰｏ（７）から出射され、出射側光ファイバＦｏ１によって外部に出射される（図３中の実線の矢印２００を参照）。

一方、光スイッチ部ＳＷ１を直進した漏れ光が、光スイッチ部ＳＷ３で反射され光導波路３５によって伝播され、ダミーの出射ポートＰｏ（８）から出射される（図３中の破線の矢印２０１を参照）。従って、光スイッチ部ＳＷ１で発生した漏れ光が、選択されていない出射ポートＰｏ（６）に到達する漏れ光（図３中の一点鎖線矢印２０２）の光パワーは、光スイッチ３０に入射した光信号の光パワーに対して−２０［ｄＢ］以上に減衰される。

ここで、図４は、図１に示す光スイッチの消光比の測定結果を示した図であり、出射ポートＰｏ（６）（または、Ｐｏ（７））から出射される光信号を測定した結果である。光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３は、５００［ｋＨｚ］でオン／オフされている。図４に示されるように、２０［ｄＢ］以上の消光比が得られている。

なお、入射ポートＰｉ（７）から入射した光信号を、出射ポートＰｏ（７）から出射する場合は、光スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２をオフし、光スイッチ部ＳＷ３をオンし、光スイッチ部ＳＷ１で発生した漏れ光をダミーの出射ポートＰｏ（８）に出射すればよい。また、入射ポートＰｉ（７）から入射した光信号を、出射ポートＰｏ（６）から出射する場合は、光スイッチ部ＳＷ１，ＳＷ２をオンし、光スイッチ部ＳＷ３をオフし、光スイッチ部ＳＷ１で発生した漏れ光をダミーの出射ポートＰｏ（５）に出射すればよい。

このように、ポートＰｉ（５）〜Ｐｉ（８），Ｐｏ（５）〜Ｐｏ（８）、光導波路３２〜３５、キャリア注入型の光スイッチ部ＳＷ３〜ＳＷ５が同一の基板３０上に設けられ、光スイッチＳＷ１で発生した漏れ光を、後段に設けられる光スイッチＳＷ２、ＳＷ３がダミーの出射ポートＰｏ（５）、Ｐｏ（８）に出射する。これにより、消光比やクロストークを改善できると共に、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３間の距離が短く光信号の伝達遅延がほとんど発生しない。これにより、複数の光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３のタイミング調整が容易となる。

具体的には、図７に示すように、半導体基板を用いた電気光学効果による屈折率変化を利用した光スイッチ１１〜１３は、偏光依存性をもち、屈折率変化が小さい。そのため、電圧を印加して屈折率を変化させる活性部分の素子長が数［ｍｍ］に達し、光スイッチ部の素子寸法が非常に大きくなってしまう。また、印加電圧が大きい。さらに、異なる基板に個別に作成した光スイッチ１１〜１３を光ファイバＦ１、Ｆ２で接続するので、光スイッチ１１〜１３間で非常に大きな遅延が発生してしまう。

一方、図１に示すキャリア注入型の光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３は、キャリア注入による屈折率変化が大きいため、活性部分の素子長を小さくでき（数十〜数百［μｍ］）、同一基板にモノリシックに多段に形成することが容易であり、動作電圧も低く抑えられる。

つまり、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３を含む光スイッチ３０は、一つのスイッチ部ＳＷしか持たない光スイッチ１１と同程度または小さくできる。

また、光導波路３２〜３５を交差させ、交差部分に光スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を設けるので、光スイッチ部ＳＷ１と光スイッチ部ＳＷ２間の距離、光スイッチ部ＳＷ１と光スイッチ部ＳＷ３間の距離を同じにすることができる。

従って、キャリア注入型の光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３が同一の基板３０上にモノリシックに設けらるので、光スイッチ３０全体の寸法が小さくなり、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３間における光信号の伝播遅延時間をほとんど無視できるほど軽減でき、高速動作時の光信号のタイミング調整が非常に容易となる。

また、光スイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ３を接続する光導波路３２〜３５が、同一基板３０上に設けられるので、モノリシックな光スイッチ３０に光信号を入出射する部分のみ、光ファイバＦｉ１、Ｆｉ２，Ｆｏ１，Ｆｏ２結合となる。従って、図７に示すように光スイッチ１１〜１３を光ファイバＦ１，Ｆ２で接続する場合と比較して、結合損失を著しく低減することができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
出射ポートＰｏ（５），Ｐｏ（８）をダミーのポートとする構成を示したが、光ファイバＦｏ１，Ｆｏ２を出射ポートＰｏ（５），Ｐｏ（８）に接続し、出射ポートＰｏ（６），Ｐｏ（７）をダミーのポートとしてもよい。もちろん、この場合、光スイッチ部ＳＷ１で発生した漏れ光は、光スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３で経路を切り替えて、ダミーの出射ポートＰｏ（６）、Ｐｏ（７）に出射する。

また、ポート数が４×４の光スイッチ３０の構成を示したが、多入力多出力としてもよい。

また、光スイッチ部ＳＷ１の後段側それぞれに１個の光スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３を設ける構成を示したが、複数個設け、多段にしてもよい。

また、後段の光スイッチ部ＳＷ２，ＳＷ３が設けられる分岐部分をＸ字状とする構成を示したが、経路を選択するための光導波路を２つ有する光導波路でればｙ字状であっても、その他の形状であっても構わない。ここで、ｙ字状の光導波路とは、１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する形状である。図５は、後段の光スイッチ部ＳＷ２、ＳＷ３が設けられる分岐部分をｙ字状とした構成図である。

そして、光導波路３２と光導波路３５が交差する構成を示したが、図５に示すように交差させなくともよい。

本発明に係る光スイッチの一実施例を示す構成図である。 図１に示す光スイッチにおける光信号の伝播の一例を模式的に示した図である。 図１に示す光スイッチにおける光信号の伝播のその他の例を模式的に示した図である。 図１に示す光スイッチの消光比の測定結果を示した図である。 本発明に係る光スイッチのその他の実施例を示す構成図である。 従来の光スイッチの構成を示した図である。 特性を改善した従来の光スイッチの構成を示した図である。

符号の説明

３０ 光スイッチ
３１ 基板
３２〜３５ 光導波路
Ｐｉ（５）〜Ｐｉ（８） 入射ポート
Ｐｏ（５）〜Ｐｏ（８） 出射ポート

Claims (2)

1. 光信号が入射または出射されるポートを有し、前記光信号を途中で２つに分岐して伝播する光導波路が複数形成され、前記光信号を伝播する光導波路を選択して外部への出射用のポートのうち所望のポートから出射する光スイッチにおいて、
   前記光導波路の分岐部分に設けられ、前記所望のポートへ光信号を伝播する光導波路側に経路を切り替える初段の光スイッチ部と、
   この初段の光スイッチ部よりも後段の分岐部分に設けられ、前記初段の光スイッチ部からの漏れ光を前記出射用のポートのいずれにも伝播されない経路に切り替える後段の光スイッチ部と
   を有し、前記ポート、前記光導波路、前記初段、後段の光スイッチ部は、同一の基板に設けられ、
   前記初段、後段の光スイッチ部は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の経路を切り替えることを特徴とする光スイッチ。
2. 後段の光スイッチ部を多段に設けたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
   

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