JP2013007828A - 光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直方向の光路を動的に切り替えることができる光スイッチ機能エレメントを並列配置して、波長ルーティング素子と接続することによって、光回路を構成する。
【解決手段】本発明の一実施態様は、波長周回性を有する１個の波長ルーティング素子と、経路切替光スイッチと、経路選択光スイッチ１３とを備えた光回路である。前記経路切替光スイッチおよび前記経路選択光スイッチは、光導波路が２層以上積層された光導波回路と、該光導波回路に挿入された中空構造マルチモード光導波路とから構成された光スイッチ機能エレメントを含む。前記中空構造マルチモード光導波路は、対向する２つのブラッグ反射鏡と、該ブラッグ反射鏡を支える２つの反射板と、前記光導波回路のコアの端面とに囲まれた中空光導波路を備え、前記中空光導波路の高さＨ_MMIを可変制御して、垂直方向に光路を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光回路に関し、より詳細には、波長周回性を有する波長ルーティング素子、経路切替光スイッチおよび経路選択スイッチを含む光回路に関する。

従来、波長分割多重光伝送システムのノードにおいて、光信号をルーティングするための光回路の小型化が求められている。光回路の集積度を高めるためには、回路平面上における光導波路の密度を高める必要がある。しかしながら、密度を高めるにつれて光導波路に要求される曲率も大きくなることから、光導波路のコアクラッド間の屈折率差が大きな材料を導入する必要がある。または、従来の材料を用いて、予め大きな光損失を織り込んで回路設計を行う必要がある等の問題があった。

そこで、複数の光導波路層を積層することにより、光回路の集積度を向上することが検討されてきた。しかしながら、この方法によれば、基板上に積層されている上下の光導波路間で、光信号のやり取りをするための構造が必要とる。

上下の光導波路間で光信号をやり取りするために、ミラーを用いる方法が知られている。例えば、特許文献１に記載されているように、光導波路の途中を加工して、光導波路の光軸に交差するように、角度４５度の傾斜面を設け、反射膜を形成したミラーを作製する。光導波路から出射された光信号は、ミラーによって垂直方向に光路が変換される。このミラーを、上下それぞれの光導波路に設けることにより、光導波路層間での光信号のやり取りが可能となる。

さらに、光路の変更を必要に応じて動的に行う光スイッチを構成しようとすると、コア層の厚さ以上の距離にわたって、ミラーを動かす必要がある。具体的に説明すると、典型的な光回路におけるコア層の厚さは５μｍである。光ファイバのクラッド層の厚み（コア層表面からの厚み）が、およそ５５μｍであることから、光ファイバと同様にクラッド層の厚さ５５μｍと想定すると、コア層とクラッド層を合わせた厚さ６０μｍ程度の距離にわたってミラーを動かす必要がある。また、上下の光導波路層に設けられた角度４５度のミラーのそれぞれは、０．１μｍ未満の精度で位置合わせを行う必要があり、このような機械的な構造のミラーを作製することは非常に難しい。

特開２００６−１１９３８１号公報

C-H. Bae、小山二三夫、「可変中空コアを有するMMI導波路型光スイッチの解析」、第65回応用物理学会予稿集、1a-ZM-8、2004.9 小山二三夫、三浦達、桜井康樹、「可変中空光導波路とその光回路への応用」、信学論C, Vol.J88-C, No.6, pp.388-396, 2005

一方、非特許文献１によれば、ＭＭＩ（Multi-mode Interference）カプラーにおける導波モード間の干渉により、光の経路を切り替える方法が知られている。中空導波路を用いたＭＭＩカプラー型光スイッチは、中空コア厚さの変位により導波路内の伝搬定数を変化させて、スイッチングを行う。また、非特許文献２によれば、中空光導波路の可変特性を利用して、導波路型の光スイッチが実現可能なことが示唆されている。しかしながら、光回路の回路平面に沿った水平方向のスイッチングは可能であるが、垂直方向の光路を変換することはできない。

本発明の目的は、垂直方向の光路を動的に切り替えることができる光スイッチ機能エレメントを並列配置して、波長ルーティング素子と接続することによって構成された光回路を提供することにある。

本発明の一実施態様は、波長周回性を有する１個の波長ルーティング素子と、経路切替光スイッチと、経路選択光スイッチ１３とを備えた光回路である。前記経路切替光スイッチおよび前記経路選択光スイッチは、光導波路が２層以上積層された光導波回路と、該光導波回路に挿入された中空構造マルチモード光導波路とから構成された光スイッチ機能エレメントを含む。前記中空構造マルチモード光導波路は、対向する２つのブラッグ反射鏡と、該ブラッグ反射鏡を支える２つの反射板と、前記光導波回路のコアの端面とに囲まれた中空光導波路を備え、前記中空光導波路の高さＨ_MMIを可変制御して、垂直方向に光路を切り替える。

以上説明したように、本発明によれば、中空構造マルチモード光導波路による光スイッチ機能エレメントを並列配置して、波長ルーティング素子と接続することによって光回路を構成することにより、少ない数の光部品構成でありながら、波長分割多重（ＷＤＭ）リングネットワークを低コストに実現することができる。

本発明の実施形態にかかる光回路の機能を説明するための図である。 本実施形態にかかる光回路の機能を説明するための図である。 本実施形態にかかる光スイッチ機能エレメントの断面図である。 本実施形態にかかる光スイッチ機能エレメントの側面図である。 本実施形態にかかる光スイッチ機能エレメントの上面図である。 位相制御層の厚みによる中空構造マルチモード光導波路長の偏波依存性を示す図である。 中空構造マルチモード光導波路における挿入損失、反射損失の偏波依存性を示す図である。 中空構造マルチモード光導波路における光結合を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。ここでは、説明を簡易にするために、波長数Ｎ＝３の整数を用いるが、３以上の整数についても適用可能であることはいうまでも無い。

図１および図２を参照して、本発明の実施形態にかかる光回路の機能を説明する。光回路は、波長周回性を有する１個の波長ルーティング素子１１と、経路切替光スイッチ１２と、経路選択光スイッチ１３とを備えている。波長ルーティング素子１１は、６（＝２×Ｎ）個の光入力ポートと、６（＝２×Ｎ）個の光出力ポートとを備え、６×６波長周回性を有している。

波長周回性とは、波長ルーティング素子１１の１番目の光入力ポート１１−１−１に、所定の波長間隔の波長（λ０，λ１，λ２）を有する波長分割多重信号（以下、ＷＤＭ信号という）を入力すると、それぞれ波長の順に１，２，３番目の光出力ポート１１−２−１，２，３に出力され、同様に、波長ルーティング素子１１の２番目の光入力ポート１１−１−２に、波長分割多重信号を入力すると、それぞれ２，３，４番目の光出力ポート１１−２−２，３，４に出力される性質をいう。

波長ルーティング素子１１の１番目の光入力ポート１１−１−１と１番目の光出力ポート１１−２−１とは、中心波長λ０の帯域に含まれる３（＝Ｎ）個の波長（λ０，λ１，λ２）を使用する波長分割多重リングネットワーク（以下、ＷＤＭリングネットワークという）を構成する光ファイバ１４−１、１４−２に接続されている。波長ルーティング素子１１の２番目の光出力ポート１１−２−２と３番目の光出力ポート１１−２−３とは、経路切替スイッチ１２の光入力ポート１２−１−１、１２−１−２のそれぞれに接続されている。

経路切替スイッチ１２の２（＝Ｎ−１）個のスルー光出力ポート１２−２−１、１２−２−２は、経路選択光スイッチ１３のスルー光入力ポート１３−１−１，１３−１−２にそれぞれ接続されている。経路切替スイッチ１２の２（＝Ｎ−１）個の切替光出力ポート１２−３−１、１２−３−２は、２（＝Ｎ−１）個のローカルネットワーク１５−１、１５−２にそれぞれ接続されている。

経路選択光スイッチ１３の切替光入力ポート１３−２−１，１３−２−２には、ローカルネットワーク１５−１、１５−２のそれぞれの光出力ポートが接続されている。経路選択光スイッチ１３の２（＝Ｎ−１）個の光出力ポート１３−３−１、１３−３−２は、波長ルーティング素子１１の６番目の光入力ポート１１−１−６と５番目の光入力ポート１１−１−５とに逆順にそれぞれ接続されている。

なお、経路切替光スイッチ１２は、１入力２出力の光スイッチ機能エレメントを２個含む構成であり、経路選択光スイッチ１３は、２入力１出力の光スイッチ機能エレメントを２個含む構成となっている。

波長ルーティング素子１１の２番目の光入力ポート１１−１−２から４番目の光入力ポート１１−１−４までは、光終端されており、同様に波長ルーティング素子１１の４番目の光出力ポート１１−２−４から６番目の光出力ポート１１−２−６までも光終端されている。

図１に示したように、経路切替スイッチ１２を切替光出力ポート側に、経路選択光スイッチ１３を切替光入力ポート側に切り替えることにより、ＷＤＭリングネットワークのＷＤＭ信号のうち波長λ２の信号を、ローカルエリアネットワーク１５−１に接続することができる。図２の状態は、経路切替スイッチ１２をスルー光出力ポート側に、経路選択光スイッチ１３をスルー光入力ポート側に切り替えることにより、ＷＤＭ信号のいずれの波長もローカルエリアネットワークに接続されておらず、全ての波長が光回路を通過している状態を示している。なお、図１、図２いずれの場合でも、波長λ１のみが波長ルーティング素子１１をスルーする。従って、波長λ１は、ＷＤＭリングネットワークを構成する光ファイバの断線を監視するための波長として使用することが好適である。

図３〜５を参照して、本実施形態にかかる光スイッチ機能エレメントの詳細を説明する。図３、４および５はそれぞれ、経路切替光スイッチ１２、経路選択光スイッチ１３の構成要素となる光スイッチ機能エレメントの導波路の長手方向の断面図、側面図および上面図である。光スイッチ機能エレメントは、垂直方向に光導波路が２層積層された光導波回路２１と、光導波回路２１の一部をくりぬいた空間に挿入されている中空構造マルチモード光導波路３１とから構成されている。

光導波回路２１は、シングルモード条件を成立させるための所望の厚みＨｃを有するコア２２−１，２２−２が、コアの中心間距離がＤｃｏｒｅとなるように、垂直方向にクラッド層２３の内部に積層されている。なお、本実施形態のコアは、コア厚みＨｃとコア幅Ｗｃとが同一の値である正方断面形状としている。

中空構造マルチモード光導波路３１は、シリコン基板３２−１，３２−２上に形成されたブラッグ反射鏡３３−１，３３−２と、反射板３５−１，３５−２とを備え、ブラッグ反射鏡３３、反射板３５および光導波回路２１のコアの端面を含む面とに囲まれた中空光導波路３４からなる。反射板３５は、中空光導波路３４に接する面が全反射鏡となっている。中空光導波路３４は、高さＨ_MMI、長さＬ_MMI、幅Ｗ_MMIとなるように形成されている。ここで、ブラッグ反射鏡３３は、反射板３５の間を垂直方向に摺動可能であり、中空光導波路３４の高さＨ_MMIを可変制御することができるようになっている。

ブラッグ反射鏡３３−１，３３−２は、使用する光信号波長の１／４の厚みのシリコン／ガラス多層膜から成る。ブラッグ反射鏡３３−１，３３−２における中空光導波路３４に露出しているシリコン薄膜（以下、位相制御層という）の膜厚Ｈｔ１，Ｈｔ２は、中空構造マルチモード光導波路３１における偏波無依存特性を得るため、その合計値が一定になるように調整されている。Ｈｔ１＝Ｈｔ２となるようにすれば、同じ形状のブラッグ反射鏡を２個配置させることによって、比較的容易に実現することができる。

このとき、光導波回路２１の中心（コアの中心間距離Ｄｃｏｒｅの１／２）と中空構造マルチモード光導波路３１の垂直方向の中心（中空光導波路３４の高さＨ_MMIの１／２）を一致させ、かつ、Ｈ_MMI、Ｌ_MMIが以下の関係にあるとき、光導波回路２１のコア２２−１の端面から、中空光導波路３４に出射された波長λ０の光信号は、中空光導波路３４を伝播し、光導波回路２１のコア２３−１の端面へと光結合する。
Ｈ_MMI＝Ｄｃｏｒｅ＋Ｈｃ＋２×Δ 式１
Ｌ_MMI＝２×Ｌ_MMI＿ｈ 式２
Ｌ_MMI＿ｈ＝λ０×（３／２）×（２ｍ＋１）×４×ｎｒ×Ｈ_MMI＾２ 式３
ここで、Δは、光導波回路２１のコア／クラッドの境界とブラッグ反射鏡の位相制御層の表面との間隔（Δ＝Δ１＝Δ２）であり、ｍ＞０である。ｎｒは、中空光導波路３４の光信号波長λ０に対する実行屈折率である。

図６に、位相制御層の厚みによる中空構造マルチモード光導波路長の偏波依存性を示す。中空構造マルチモード光導波路３１でのＴＥモード、ＴＭモード偏波無依存特性を得るために、位相制御層の厚み（Ｈｔ１＋Ｈｔ２）とＬ_MMI＿ｈとの最適値を示したグラフである。このとき、光回路の具体的な構造は、
光信号波長λ０＝１５５０ｎｍ
光導波回路２１のコア厚みＨｃ＝２．０μｍ
光導波回路２１のコア間隔Ｄｃｏｒｅ＝４．５μｍ
中空光導波路３４の高さＨ_MMI＝８．０μｍ
中空光導波路３４の幅Ｗ_MMI＝８０μｍ
ブラッグ反射鏡３３−１，３３−２のシリコン／ガラス多層膜のペア数＝７ペア
シリコン屈折率＝３．４８
ガラス屈折率＝１．４４
である。なお、中空光導波路３４の幅Ｗ_MMIは、シングルモード光ファイバの外径程度、およそ８０μｍあれば好適であり、５０μｍ以上であればよい。

図６で得られた結果から、位相制御層の厚みＨｔ１＋Ｈｔ２が約０．２μｍ、中空光導波路３４の長さＬ_MMIが約４８０μｍ（＝２×２４０μｍ）のとき、偏波無依存特性が得られることがわかる。

図７に、中空構造マルチモード光導波路における挿入損失、反射損失の偏波依存性を示す。図６で得られた位相制御層の厚みＨｔ１＋Ｈｔ２＝０．２μｍを用いて、中空光導波路３４の長さＬ_MMIをパラメータとして変化させたときの、中空構造マルチモード光導波路３１における挿入損失、反射損失を、ＴＥモードとＴＭモードに分けて示している。挿入損失、反射損失ともに、中空光導波路３４の長さＬ_MMIが約４００μｍ付近において、ＴＥモードとＴＭモードとが交差する結果となり、図６に示した結果に近い値となっている。

図８を参照して、中空構造マルチモード光導波路における光結合を説明する。中空光導波路３４の高さＨ_MMIを変化させたとき、光導波回路２１のコアの端面から、中空光導波路３４に出射された波長λ０の光信号が中空光導波路３４を伝播し、光導波回路２１のコア２３−１，２３−２の端面へと光結合する様子を示す。図８から明らかなように、中空光導波路３４の高さＨ_MMIが８．５μｍのとき、光信号のほとんどがコア２３−２に結合する。一方、高さＨ_MMIが１２．５μｍのとき、光信号のほとんどがコア２３−１に結合する。すなわち、１入力２出力の光スイッチ機能エレメントとして動作することを示している。また、光の反転対称性から、２入力１出力の光スイッチ機能エレメントとして動作することも明らかである。

このことから、本実施形態にかかる光回路に含まれる経路切替光スイッチ１２および経路選択光スイッチ１３に用いられる光スイッチ機能エレメントは、ブラッグ反射鏡３３を約４μｍ程度動かすだけで、垂直方向の光のスイッチング可能である。加えて、０．１μｍ程度の精度で制御を行えばよく、少ない可動距離、実用的な精度により十分なスイッチング特性を得ることができる。また、本実施形態によれば、従来のミラーで光路を変換する方法と比較すると、２回のミラーによる反射がない分、光の結合効率が高い。さらに、図９、図１０に示される光スイッチ機能が可能となる。さらに、ブラッグ反射鏡３３位の位相制御層の厚みと、中空光導波路３４の長さＬ_MMIを適切に設定することにより、偏波無依存とすることができる。

このようにして、中空構造マルチモード光導波路による光スイッチ機能エレメントを並列配置して、波長ルーティング素子と接続することによって光回路を構成することにより、少ない数の光部品構成でありながら、ＷＤＭリングネットワークを低コストに実現することができる。

なお、本実施形態においては、光導波回路２１は、ガラス光導波路を用いたが、半導体導波路を用いることもできる。垂直方向に２層構造の光導波路としているが、３層以上の構造にも適用できることもいうまでもない。中空構造マルチモード光導波路３１は、シリコン基板をＩｎまたはＧａＡｓ基板とし、ブラッグ反射鏡のシリコン／ガラス多層膜をＩｎ／ＩｎＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓＰでも可）またはＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの多層膜としてもよい。

また、ブラッグ反射鏡３３の位置制御は、例えば、非特許文献２にも記載されているように、シリコン基板３２にＰＺＴ（Piezoelectric Transducer）素子を取り付けることにより、電圧制御によって、中空光導波路３４の高さＨ_MMIを可変にすることができる。

１１ 波長ルーティング素子
１２ 経路切替光スイッチ
１３ 経路選択光スイッチ
２１ 光導波回路
３１ 中空構造マルチモード光導波路

Claims (2)

1. ２×Ｎ（Ｎは３以上の整数）個の光入力ポートと、２×Ｎ個の光出力ポートを含み、波長周回性を有する波長ルーティング素子であって、第１の光入力ポートと第１の光出力ポートとは、Ｎ個の波長を使用する波長分割多重リングネットワークに接続され、第２の光出力ポートから第Ｎの光出力ポートは、経路切替光スイッチの（Ｎ−１）個の光入力ポートに接続された波長ルーティング素子と、
   （Ｎ−１）個の光入力ポートを、ローカルネットワークに接続された（Ｎ−１）個の切替光出力ポートと、経路選択光スイッチの（Ｎ−１）個のスルー光入力ポートに接続された（Ｎ−１）個のスルー光出力ポートとの間で切り替える経路切替光スイッチと、
   前記経路切替光スイッチの（Ｎ−１）個のスルー光出力ポートに接続された（Ｎ−１）個のスルー光入力ポートと、前記ローカルネットワークに接続された（Ｎ−１）個の光入力ポートとの間を切り替えて、（Ｎ−１）個の光出力ポートに接続する経路選択光スイッチとを備え、
   前記経路選択光スイッチの（Ｎ−１）個の光出力ポートは、前記波長ルーティング素子の（２×Ｎ）番目の光出力ポートから（Ｎ＋２）番目の光出力ポートまで逆順に接続されており、波長分割多重リングネットワークを構成する光回路であって、
   前記経路切替光スイッチおよび前記経路選択光スイッチは、光導波路が２層以上積層された光導波回路と、該光導波回路に挿入された中空構造マルチモード光導波路とから構成された光スイッチ機能エレメントを含み、
   前記光スイッチ機能エレメントは、
   （ａ）前記光導波回路のコアの厚みＨｃ、該コアの中心間距離Ｄｃｏｒｅであり、
   （ｂ）前記中空構造マルチモード光導波路は、前記波長分割多重リングネットワークで使用されるＮ個の波長の中心波長λ０の１／４の厚みの高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層させた２つのブラッグ反射鏡と、該ブラッグ反射鏡を支える２つの反射板と、前記光導波回路のコアの端面とに囲まれた中空光導波路を備え、前記中空光導波路の高さＨ_MMIは、
   Ｈ_MMI＝Ｄｃｏｒｅ＋Ｈｃ＋２×Δ
   で表され、ここで、Δは、前記光導波回路のコア／クラッドの境界と前記ブラッグ反射鏡との間隔であり、
   （ｃ）前記ブラッグ反射鏡は、前記反射板の間を垂直方向に摺動可能であり、前記中空光導波路の高さＨ_MMIを可変制御することができ、
   （ｄ）前記コアの中心間距離Ｄｃｏｒｅの１／２の位置と、前記中空光導波路の高さＨ_MMIの１／２の位置とを一致させ、前記中空光導波路の高さＨ_MMIを可変制御して、垂直方向に光路を切り替えることにより、前記経路切替光スイッチにおいて前記切替光出力ポートまたは前記スルー光出力ポートを選択し、または前記経路選択光スイッチにおいて前記切替光入力ポートまたは前記スルー光入力ポートを選択することを特徴とする光回路。
2. 前記中空光導波路の長さＬ_MMIは、
   Ｌ_MMI＝２×［λ０×（３／２）×（２ｍ＋１）×４×ｎｒ×Ｈ_MMI＾２］
   で表され、ここで、ｍ＞０であり、ｎｒは、前記中空光導波路の前記中心波長λ０に対する実行屈折率であり、
   前記ブラッグ反射鏡において前記中空光導波路に露出している２つの薄膜の厚さの合計と、前記中空光導波路の長さＬ_MMIとを選択することにより、前記中空光導波路を偏波無依存とすることを特徴とする請求項１に記載の光回路。

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