JP2011203572A - Four port optical switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光スイッチエレメント2個のみで、4つのポートを任意に光路切り替えする4ポート光スイッチに関する。 The present invention relates to a four-port optical switch that arbitrarily switches an optical path of four ports with only two optical switch elements.
平面光回路を用いた光スイッチは、2入力・2出力となっている。図4は、従来型の2×2光スイッチの構成を示している。(a)は、光合分波器に位相変調器を設け、接続ポートを切り替えるタイプであり、(b)は、マッハツェンダー光干渉計に位相変調器を設け、干渉効果により接続ポートを切り替えるタイプであり、(c)は交差した光導波路に反射ミラーを設け、反射率を変化させることで接続ポートを切り替えるタイプである。各図において、黒の太線は光導波路を表している。これらすべての光スイッチでは、ポート1⇔4、ポート2⇔3という接続か、ポート1⇔3、ポート2⇔4という接続の二状態の切り替えのみであり、ポート1⇔2、ポート3⇔4という接続は不可能である。 An optical switch using a planar optical circuit has two inputs and two outputs. FIG. 4 shows the configuration of a conventional 2 × 2 optical switch. (a) is a type in which a phase modulator is provided in the optical multiplexer / demultiplexer and the connection port is switched, and (b) is a type in which a phase modulator is provided in the Mach-Zehnder optical interferometer and the connection port is switched by the interference effect. (C) is a type in which a reflection mirror is provided in the intersecting optical waveguide and the connection port is switched by changing the reflectance. In each figure, the black thick line represents the optical waveguide. In all these optical switches, there is only a two-state switching between port 1 ポ ー ト 4 and port 2⇔3, or port 1⇔3 and port 2⇔4. Port 1⇔2 and port 3⇔4 Connection is impossible.
これら三状態の切り替えを可能とする4ポート光スイッチがあれば、多段化したマトリックススイッチでの切り替え経路数が倍増し、将来のメッシュ状光ネットワーク構築の際の光スイッチとしても適している。この4ポート光スイッチ実現方法として、図5に示すように、4個ないし5個の光スイッチエレメントを組み合わせる構成が特許文献1「導波路型光スイッチ」、特許文献2「4ポート光スイッチ」に開示されている。 If there is a 4-port optical switch that can switch between these three states, the number of switching paths in a multi-stage matrix switch doubles, and it is suitable as an optical switch for constructing a mesh optical network in the future. As a method for realizing this 4-port optical switch, as shown in FIG. 5, a configuration in which four to five optical switch elements are combined is disclosed in Patent Document 1 “Waveguide type optical switch” and Patent Document 2 “4-port optical switch”. It is disclosed.
図5(a)に示す特許文献1に記載の導波路型光スイッチは、光スイッチエレメントを5つ組み合わせて、任意の4ポート間(A1,B3,D2,E4)で、下記状態1〜状態3の接続を可能にする。
状態1:ポートA1⇔A3⇔B1⇔B3と、ポートD2⇔D4⇔E2⇔E4の接続、
状態2:ポートA1⇔A4⇔C2⇔C4⇔D3⇔D2と、ポートB3⇔B2⇔C1⇔C3⇔E1⇔E4の接続、
状態3:ポートA1⇔A4⇔C2⇔C3⇔E1⇔E4と、ポートB3⇔B2⇔C1⇔C4⇔D3⇔D2の接続。
The waveguide type optical switch described in Patent Document 1 shown in FIG. 5 (a) is a combination of five optical switch elements, and between any four ports (A1, B3, D2, E4), the following states 1 to 3 connections are possible.
State 1: Connection of port A1⇔A3⇔B1⇔B3 and port D2⇔D4⇔E2⇔E4,
State 2: Connection between port A1⇔A4⇔C2⇔C4⇔D3⇔D2 and port B3⇔B2⇔C1⇔C3⇔E1⇔E4,
State 3: Connection between port A1⇔A4⇔C2⇔C3⇔E1⇔E4 and port B3⇔B2⇔C1⇔C4⇔D3⇔D2.
図5(b)に示す特許文献2に記載の4ポート光スイッチは、光スイッチエレメントを4つ組み合わせて任意の4ポート間(A2,B2,B4,C4)で、下記状態1〜状態3の接続を可能にする。
状態1:ポートA2⇔A3⇔D2⇔D4⇔C1⇔C4と、ポートB2⇔B4の接続、
状態2:ポートA2⇔A4⇔B1⇔B4と、ポートB2⇔B3⇔C2⇔C4の接続、
状態3:ポートA2⇔A3⇔D2⇔D3⇔C3⇔C2⇔B3⇔B2と、ポートC4⇔C1⇔D4⇔D1⇔A1⇔A4⇔B1⇔B4の接続。
The 4-port optical switch described in Patent Document 2 shown in FIG. 5B is a combination of four optical switch elements between any four ports (A2, B2, B4, C4) and in the following states 1 to 3. Enable connection.
State 1: Port A2⇔A3⇔D2⇔D4⇔C1⇔C4 and port B2⇔B4 connection,
State 2: Connection between port A2⇔A4⇔B1⇔B4 and port B2⇔B3⇔C2⇔C4,
State 3: Connection of ports A2⇔A3⇔D2⇔D3⇔C3⇔C2⇔B3⇔B2 and ports C4⇔C1⇔D4⇔D1⇔A1⇔A4⇔B1⇔B4.
これまで提案されている4ポート光スイッチの構成は、図5(a)(b)に示すように、4個ないし5個の光スイッチエレメントが必要となり、各エレメント内での光損失や、意図しないポートへの信号漏話の増加などが問題となる。 As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the configuration of the proposed 4-port optical switch requires 4 to 5 optical switch elements. The problem is an increase in signal crosstalk to the unused ports.
本発明は、これまで提案されている4ポート光スイッチの問題点を解決して、光スイッチエレメント2個のみで、4つのポートを任意に光路切り替えする4ポート光スイッチを実現することを目的としている。これによって、各エレメント内での光損失や、意図しないポートへの信号漏話の低減を図ることができる。 An object of the present invention is to solve the problems of the four-port optical switches that have been proposed so far, and to realize a four-port optical switch that arbitrarily switches the optical path of four ports with only two optical switch elements. Yes. Thereby, it is possible to reduce optical loss in each element and signal crosstalk to an unintended port.
本発明の4ポート光スイッチは、第1〜第4のポートA1,A2,A3,A4を有する第1の2×2光スイッチと、第1〜第4のポートB1,B2,B3,B4を有する第2の2×2光スイッチを組み合わせる。第1の2×2光スイッチの第1のポートA1と、第2の2×2光スイッチの第1のポートB1を接続し、かつ、第1の2×2光スイッチの第3のポートA3と、第2の2×2光スイッチの第2のポートB2を接続する。第1の2×2光スイッチの第2及び第4のポートA2及びA4をそれぞれ第1及び第4の入出力ポートP1及びP4とし、第2の2×2光スイッチの第3及び第4のポートB3及びB4をそれぞれ第2及び第3の入出力ポートP2及びP3として、これら4つの入出力ポートP1〜P4を選択して光路接続する。 The four-port optical switch of the present invention includes a first 2 × 2 optical switch having first to fourth ports A1, A2, A3, and A4, and first to fourth ports B1, B2, B3, and B4. Combine with a second 2x2 optical switch. The first port A1 of the first 2 × 2 optical switch is connected to the first port B1 of the second 2 × 2 optical switch, and the third port A3 of the first 2 × 2 optical switch is connected. And the second port B2 of the second 2 × 2 optical switch. The second and fourth ports A2 and A4 of the first 2 × 2 optical switch are designated as first and fourth input / output ports P1 and P4, respectively, and the third and fourth ports of the second 2 × 2 optical switch are used. Ports B3 and B4 are designated as second and third input / output ports P2 and P3, respectively, and these four input / output ports P1 to P4 are selected and optically connected.
第1及び第2の2×2光スイッチは、それぞれ、第1及び第4のポート間の接続1⇔4、及び第2及び第3のポート間の接続2⇔3と、第1及び第3のポート間の接続1⇔3、及び第2及び第4のポート間の接続2⇔4の二状態のみを可能とする。入出力ポートP1,P2,P3,P4間の前記光路接続は、ポートP1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B3⇔P2とポートP3⇔B4⇔B1⇔A1⇔A4⇔P4の第1の接続状態、ポートP1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B4⇔P3とポートP2⇔B3⇔B1⇔A1⇔A4⇔P4の第2の接続状態、ポートP1⇔A2⇔A4⇔P4とP2⇔B3⇔B1⇔A1⇔A3⇔B2⇔B4⇔P3の第3の接続状態の三状態を有する。 The first and second 2 × 2 optical switches have a connection 1⇔4 between the first and fourth ports, a connection 2⇔3 between the second and third ports, and the first and third, respectively. Only two states of connection 1⇔3 between these ports and connection 2⇔4 between the second and fourth ports are possible. The optical path connection between I / O ports P1, P2, P3, P4 is the first connection state of port P1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B3⇔P2 and port P3⇔B4⇔B1⇔A1⇔A4⇔P4, port Second connection status of P1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B4 ポ ー ト P3 and port P2⇔B3⇔B1⇔A1⇔A4 接 続 P4, port P1⇔A2⇔A4⇔P4 and P2⇔B3⇔B1⇔A1⇔A3⇔ It has three states of the third connection state of B2⇔B4⇔P3.
これまでの提案では4個ないし5個の光スイッチエレメントを必要としていたのに対して、本発明によれば、2つの光スイッチエレメントで構成できるので、エレメント数の大幅な削減となる。これにより、デバイス全体としての小型化、低消費電力化、低損失化、低漏話特性化といった利点が得られる。 In the proposals so far, four to five optical switch elements are required. However, according to the present invention, since the optical switch element can be configured with two optical switch elements, the number of elements is greatly reduced. As a result, advantages such as downsizing of the entire device, low power consumption, low loss, and low crosstalk characteristics can be obtained.
以下、例示に基づき本発明を説明する。図1は、本発明に基づき構成した4ポート光スイッチを例示する図である。図1に示すように、例示の4ポート光スイッチは、光スイッチエレメント2つのみで4つのポートを任意に光路切り替えすることができる。各スイッチエレメント自体は、図4(a)〜(c)に例示したような従来型の2×2光スイッチを用いることができ、ポート1⇔4、ポート2⇔3という接続と、ポート1⇔3、ポート2⇔4という接続の二状態のみであり、ポート1⇔2、ポート3⇔4という接続は不可能とする。ここで、2つの2×2光スイッチのポートA1とポートB1、ポートA3とポートB2を結ぶ光路を形成すると、入出力ポートP1,P2,P3,P4の4ポート間において任意の接続が可能となる。具体的には、ポートP1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B3⇔P2とポートP3⇔B4⇔B1⇔A1⇔A4⇔P4の接続状態1、ポートP1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B4⇔P3とポートP2⇔B3⇔B1⇔A1⇔A4⇔P4の接続状態2、ポートP1⇔A2⇔A4⇔P4とP2⇔B3⇔B1⇔A1⇔A3⇔B2⇔B4⇔P3の接続状態3の三状態を有する。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a diagram illustrating a four-port optical switch configured according to the present invention. As shown in FIG. 1, the exemplary 4-port optical switch can arbitrarily switch the optical path of four ports with only two optical switch elements. As each switch element itself, a conventional 2 × 2 optical switch as illustrated in FIGS. 4A to 4C can be used. The connection between ports 1 and 4 and ports 2 and 3 and port 1 3. There are only two connection states, port 2 and port 4, and port 1 and port 2 and port 3 and port 4 cannot be connected. Here, if an optical path connecting ports A1 and B1 and ports A3 and B2 of two 2 × 2 optical switches is formed, any connection between the four ports of input / output ports P1, P2, P3, and P4 is possible. Become. Specifically, port P1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B3⇔P2 and port P3⇔B4⇔B1⇔A1⇔A4⇔P4 connection status 1, port P1⇔A2⇔A3⇔B2⇔B4⇔P3 and port P2 There are three states: connection state 2 for B3, B1, A1, A4, and P4, and connection state 3 for ports P1, A2, A4, and P2, and P2, B3, B1, B1, A1, A3, B2, B4, and P3.
図2は、シリコン光導波路を用いて本発明の光スイッチを試作したサンプルの光学顕微鏡写真である。濃い線の部分が光導波路である。スイッチエレメント内部には熱光学効果を利用する金属ヒーターと電極が設けられている。2×2光スイッチエレメントとして、熱光学効果を利用したマッハツェンダー干渉型光スイッチを採用した(図4(b)の従来型光スイッチ)。ポートP1〜P4が図1の各ポートに相当する。 FIG. 2 is an optical micrograph of a sample in which the optical switch of the present invention was prototyped using a silicon optical waveguide. The dark line is the optical waveguide. Inside the switch element, a metal heater and an electrode utilizing a thermo-optic effect are provided. As the 2 × 2 optical switch element, a Mach-Zehnder interference type optical switch using the thermo-optic effect was adopted (conventional optical switch in FIG. 4B). Ports P1 to P4 correspond to the ports in FIG.
図3はP1に光信号を入射し、各スイッチエレメントの状態を切り替えた時のP2,P3,P4のサンプル端面の赤外光観察像である。試作サンプルの左側にあるポートP1から信号光を入射したときの、サンプル右側の端面付近における赤外光観察像。左側の黒い線部分はポートP2,P3,P4の光導波路で、端面で白く見える部分が信号光の出射を示す。(a),(b),(c)は二つの光スイッチエレメントの状態を切り替えた場合の出射光の観察像であり、本発明の三状態のスイッチングが実現できていることがわかる。 FIG. 3 is an infrared observation image of the sample end faces of P2, P3, and P4 when an optical signal is incident on P1 and the state of each switch element is switched. An infrared observation image near the end face on the right side of the sample when signal light is incident from port P1 on the left side of the prototype sample. The black line part on the left is the optical waveguide of ports P2, P3, and P4, and the part that appears white on the end face indicates the emission of signal light. (a), (b), (c) are observation images of the emitted light when the states of the two optical switch elements are switched, and it can be seen that the three-state switching of the present invention can be realized.
近年のネットワーク情報量の増大に伴い、IPルータにおける電気信号処理が、大容量化や低消費電力化へのボトルネックとなっている。光スイッチは、光通信において電気信号処理を光信号処理に置き換えるために必要不可欠なデバイスである。本発明は、光スイッチを用いた光信号処理用の通信機器に利用される。 With the increase in the amount of network information in recent years, electrical signal processing in IP routers has become a bottleneck for increasing capacity and reducing power consumption. An optical switch is an indispensable device for replacing electric signal processing with optical signal processing in optical communication. The present invention is used in communication equipment for optical signal processing using an optical switch.
Claims (3)
第1の2×2光スイッチの第1のポートA1と、第2の2×2光スイッチの第1のポートB1を接続し、かつ、第1の2×2光スイッチの第3のポートA3と、第2の2×2光スイッチの第2のポートB2を接続し、
第1の2×2光スイッチの第2及び第4のポートA2及びA4をそれぞれ第1及び第4の入出力ポートP1及びP4とし、第2の2×2光スイッチの第3及び第4のポートB3及びB4をそれぞれ第2及び第3の入出力ポートP2及びP3として、これら4つの入出力ポートP1〜P4を選択して光路接続する4ポート光スイッチ。 First 2 × 2 optical switch having first to fourth ports A1, A2, A3, A4, and second 2 × 2 optical switch having first to fourth ports B1, B2, B3, B4 Combine
The first port A1 of the first 2 × 2 optical switch is connected to the first port B1 of the second 2 × 2 optical switch, and the third port A3 of the first 2 × 2 optical switch is connected. And the second port B2 of the second 2 × 2 optical switch,
The second and fourth ports A2 and A4 of the first 2 × 2 optical switch are designated as first and fourth input / output ports P1 and P4, respectively, and the third and fourth ports of the second 2 × 2 optical switch are used. A 4-port optical switch in which the ports B3 and B4 are set as second and third input / output ports P2 and P3, respectively, and these four input / output ports P1 to P4 are selected and optically connected.
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