JP2017037215A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】クロス状態でのバーポートからの光漏れをトリミングすることなく低減することが可能な光スイッチを提供する。【解決手段】光スイッチ１００は、２つの入力ポートと、２つの出力ポートと、入力ポートと出力ポートとの間に直列に配置された３つの光方向性結合器１３、１４、１５と、３つの光方向性結合器間を接続しながら並行して延びる第１及び第２の２つの光導波路１１、１２と、第１の光方向性結合器１３と第２の光方向性結合器１４との間の第１の光導波路１１に設けられた第１の位相制御器であって、第１の光導波路１１を伝播する光に位相差ΔΦを与えることができる第１の位相制御器１６と、第２の光方向性結合器１４と第３の光方向性結合器１５との間の第２の光導波路１２に設けられた第２の位相制御器であって、第２の光導波路１２を伝播する光に位相差ΔΦの２倍の位相差２ΔΦを与えることができる第２の位相制御器１７と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、光スイッチに関し、より具体的には、光ネットワークのノードにおいて使用される、光の経路を切り替える光スイッチに関する。

光ネットワークのノードにおいて使用される、光の経路を切り替える光スイッチが従来からある。この光スイッチは、例えばマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子を用いて構成することができる。図１に従来のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型の光スイッチの構成を示す。図１において、光スイッチ５０は、入力ポート１と出力ポート１の間に設けられた第１の光導波路１と、入力ポート２と出力ポート２の間に設けられた第２の光導波路２を含む。光スイッチ５０は、さらに２つの光方向性結合器（ＤＣ）３、４と、これらの間の光導波路（Ｐｈ）１、２に設けられたヒータ（抵抗Ｒ）からなる位相制御器５、６を含む。なお、位相制御器５、６はいずれか一方だけの場合もある。

図２は、図１の従来の光スイッチ５０のスイッチング動作例を示す図である。今、図１の入力ポート１に光入力（信号）が入ったとする。光スイッチ５０は、位相制御器５、６のヒータパワー（ｍＷ）を制御することにより、光出力を出力ポート１または２の間で切り替える。具体的には、図２の例では、例えば位相制御器５のヒータパワーを４５ｍＷ程度にして、２つの光導波路の光学的光路長差を半波長（λ／２、位相差π）にすることにより、光スイッチ５０においてバー状態を形成して、光出力を出力ポート１から出力させる。また、位相制御器５のヒータパワーをゼロにして、２つの光導波路の光学的光路長差をゼロ（位相差０）にすることにより、光スイッチ５０においてクロス状態を形成して、光出力を出力ポート２から出力させる。

図１の従来の光スイッチ５０は、例えば基板上に薄膜材料を用いて製造することができる。その場合、製造誤差等による極わずかな構造（サイズ）揺らぎにより２本の光導波路の光学的光路長が完全な等長ではなくなる。その結果、完全なクロス状態からずれ、バーポート（出力ポート１）から光が漏れることがある。図２のＡ、Ｂ、Ｃで指示される円の光出力は、ヒータパワーゼロ時での光漏れを示している。図２のＤは完全なクロス状態がヒータパワーゼロからずれていることを表している。この光漏れを小さくするためには、完全なクロス状態にするためにヒータに微小なヒータパワー（ｍＷ）を与えて電流を流すこと（トリミング）が必要である。図２の場合、トリミングパワーとして２ｍＷ程度は必要となる。

ＭＺＩ型の光スイッチを多数使用する大規模スイッチでは、トリミングは本来制御しなくても良いヒータを制御しなければならないので、制御性、消費電力の点で不利となり望ましくない。また、２本の光導波路のどちらが長くなるかは、製造誤差によりばらつくため、製造後でないとわからない。したがって、例えば図１に示したように、２つの光導波路に予めヒータをつけて配線しておく必要があり、大規模スイッチではその実装が複雑かつ困難になる。

特許文献１は、電極スイッチの切り替えの煩雑さを解消した、あるいは１方路当たり１つの駆動電極で切り替え動作が可能な多方路光スイッチを開示する。その多方路光スイッチでは、多方路光スイッチを構成する第１のスイッチ素子の駆動手段と第２のスイッチ素子の駆動手段が並列に共通駆動され、あるいは第３のスイッチ素子の駆動手段が第１のスイッチ素子の駆動手段と直列に駆動される。

非特許文献１は、ＭＺＩ型波長フィルタを開示する。そのＭＺＩ型波長フィルタでは、ＭＺＩ型波長フィルタを構成する２つの遅延ライン（光導波路）の長さをΔＬとΔ２Ｌとすることにより波長特性のフラット化を図っている。また、非特許文献２は、２重（段）の非同一／非対称なＭＺＩ型の光スイッチ構造を含む８×８マトリックス状の光スイッチを開示する。

特開２０１０−７９０８２号公報

Folkert Horst, et al. "Cascaded Mach-Zehnder wavelength filters in silicon photonics for low loss and flat pass-band WDM (de-)multiplexing", Vol.21, No.10, OPTICS EXPRESS 11652, published 6 May 2013 Takashi Goh, et al. " High-Extinction Ratio and Low-Loss Silica-Based 8x8 Strictly Nonblocking Thermooptic Matrix Switch", Vol.17, No.7, Journal of Lightwave Technology 1192, published July 1999

特許文献１の多方路光スイッチ、非特許文献１のＭＺＩ型波長フィルタ、及び非特許文献２の光スイッチは、いずれもＭＺＩ型の光スイッチの製造誤差等に起因する２本の光導波路の構造上のずれ（位相ばらつき）に着目しておらず、クロス状態（位相差０）でのバーポートからの光漏れに対する対策を何ら考慮／検討していない。

本発明の目的は、クロス状態（位相差０）でのバーポートからの光漏れをトリミングすることなく抑制／低減することが可能な光スイッチを提供することである。

本発明では、２つの入力ポートと、２つの出力ポートと、入力ポートと出力ポートとの間に直列に配置された第１、第２、及び第３の３つの光方向性結合器と、３つの光方向性結合器間を接続しながら並行して延びる第１及び第２の２つの光導波路と、第１の光方向性結合器と第２の光方向性結合器との間の第１の光導波路に設けられた第１の位相制御器であって、第１の光導波路を伝播する光に位相差ΔΦを与えることができる第１の位相制御器と、第２の光方向性結合器と第３の光方向性結合器との間の第２の光導波路に設けられた第２の位相制御器であって、第２の光導波路を伝播する光に位相差ΔΦの２倍の位相差２ΔΦを与えることができる第２の位相制御器と、を備える光スイッチを提供する。

本発明の光スイッチによれば、２つの位相制御器により位相制御することにより、光出力を出力ポート１または２（２つの光導波路）の間で切り替える際に、クロス状態（位相差０）でのバーポート（出力ポート１または２の一方）からの光漏れをトリミングすることなく抑制／低減することが可能となる。

本発明の一態様の光スイッチでは、第１の位相制御器と第２の位相制御器は、共通の電流源に接続し、同一の電流により１つの位相制御器として制御される。

本発明の一態様の光スイッチによれば、２つの位相制御器の制御を容易にできかつその制御手段（回路、配線）を簡素化することが可能となる。

本発明の一態様の光スイッチでは、第１の位相制御器は第１ヒータを含み、第２の位相制御器は第２ヒータを含む。

本発明の一態様の光スイッチによれば、２つの位相制御器による位相差制御をヒータによる光導波路の加熱によって生ずる光導波路の光学的光路差の変化として制御することが可能となる。

本発明の一態様の光スイッチでは、第１ヒータと第２ヒータは直列に接続され、第１ヒータの抵抗Ｒ１と第２ヒータの抵抗Ｒ２は、Ｒ１：Ｒ２＝１：２の関係にある。

本発明の一態様の光スイッチによれば、光導波路の光学的光路差の変化を２つのヒータに流す共通した１つの電流により抵抗値に応じた光導波路の加熱温度変化として得ることができる。

本発明の一態様の光スイッチでは、３つの光方向性結合器と、２つの光導波路は、いずれも基板上に形成された半導体材料からなり、第１ヒータは第１の光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなり、第２ヒータは前２の光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなる。

本発明の一態様の光スイッチによれば、汎用的な半導体（例えばシリコン）プロセスを用いて、光スイッチの形成及びその集積化を図ることが可能となる。

従来のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型の光スイッチの構成を示す図である。 図１の従来のＭＺＩ型の光スイッチのスイッチング動作例を示す図である。 本発明の一実施形態の光スイッチの構成を示す図である。 本発明の一実施形態の光スイッチのスイッチング特性の計算結果を示す図である。 本発明の一実施形態の光スイッチの効果を説明するための図である。 本発明の一実施形態の光スイッチの効果を説明するための図である。 本発明の一実施形態の光スイッチの効果を説明するための図である。 本発明の一実施形態の光スイッチの効果を説明するための図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の一実施形態の光スイッチの構成を示す図である。図３の光スイッチ１００は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型の光スイッチの一例である。図３において、光スイッチ１００は、入力ポート１と出力ポート１の間に設けられた第１の光導波路１１と、入力ポート２と出力ポート２の間に設けられた第２の光導波路１２を含む。光スイッチ１００は、さらに３つの光方向性結合器（ＤＣ）１３、１４、１５と、これらの間の光導波路（Ｐｈ）１１、１２に設けられたヒータからなる位相制御器１６、１７を含む。

３つの光方向性結合器１３、１４、１５に順番に記載された数値０.５、０.３４、０.１６６は、いずれも光方向性結合器での光の分岐比を示している。ただし、これらの値はあくまで一例であって、導波路構造、偏波、求める特性等により適宜設定することができる。

２つの位相制御器のうち一方の位相制御器１６は、２つの光方向性結合器１３、１４の間の光導波路１１に設けられ、他方の位相制御器１７は、２つの光方向性結合器１４、１５の間の光導波路１２に設けられる。位相制御器１７のヒータの抵抗値は、位相制御器１６のヒータの抵抗値Ｒの２倍の２Ｒである。その結果、位相制御器１６および１７を直列に接続した場合、位相制御器１７は、位相制御器１６の駆動電力Ｗの２倍の駆動電力２Ｗを必要とするが、同時に光導波路１２を伝播する光に位相制御器１６の位相差ΔΦの２倍の位相差２ΔΦを与えることができる。

位相制御器１６、１７の２つのヒータは直列に接続され、１つの電流原／制御器によりあたかも１つのヒータであるかのようにその電流（電力）が制御される。ヒータの抵抗値Ｒ、２Ｒは、ヒータを構成する抵抗体の長さを変える（Ｌと２Ｌ）、抵抗体の本数を変える（１本と２本並列）、あるいは抵抗体として抵抗率の異なる材料を選択する（抵抗率ρの材料と２ρの材料）等の任意の方法により得ることができる。

上述した本発明の一実施形態の光スイッチ１００の構成は、総括すると以下の特徴を備えている。
（１）３つの光方向性結合器を有する。
（２）隣接する２つの光方向性結合器の間にそれぞれ１つの位相制御器を有する。
（３）２つの位相制御器が異なる光導波路上に在る。
（４）２つの位相制御器のヒータの抵抗値が１：２の関係にある。言い換えれば、２つの位相制御器が伝播光に与える位相差が１：２の関係にある。
（５）２つの位相制御器のヒータが直列接続し、１つのヒータとしてその電力が制御される。

図４は、図３に例示した本発明の一実施形態の光スイッチ１００のスイッチング特性の計算結果を示す図である。図４の横軸は位相差ΔΦであり、縦軸は光出力（ｄＢｍ）である。図４では、光スイッチ１００のスイッチング特性として、位相制御器のヒータパワーゼロのクロス状態での出力ポート１からの光出力Ｐ２（ｄＢｍ）の計算結果を示している。なお、比較のために、図１に例示した従来のＭＺＩ型の光スイッチの光出力Ｐ１（破線）の計算結果も併記している。この光出力Ｐ１、Ｐ２（ｄＢｍ）の計算方法については後述する。

本発明の一実施形態の光スイッチ１００の光出力（ｄＢｍ）Ｐ２の計算結果（実線）では、位相差ΔΦのゼロ近傍において、言い換えれば位相制御器のヒータパワーゼロ近傍において、光出力（ｄＢｍ）に２つのピークが存在している。その結果、図２を参照しながら説明したように、製造誤差等による極わずかな構造（サイズ）揺らぎにより２本の光導波路の光学的光路長が完全な等長ではなくなる結果、例えば図４に例示される位相差ΔΦ１の０.０７π（０.２２）のずれが生じた場合でも、約−４０ｄＢ程度の小さい光出力（光漏れ）レベルに抑えることができる。

一方、従来の光スイッチの出力Ｐ１の場合（破線）では、同じ位相差ΔΦ１のずれにおいて、本発明（Ｐ２）の場合の１００倍の約−２０ｄＢ程度の比較的大きな光出力（光漏れ）となってしまう。これらの結果から、本発明の一実施形態の光スイッチは、従来の光スイッチに比べて構造（サイズ）揺らぎに起因する光漏れを大きく低減することが可能である。すなわち、本発明の一実施形態の光スイッチは、作製誤差があっても漏れ光が小さく、トリミング電流が不要となり、ヒータのオン電流を制御するだけで良い。

図４の光出力Ｐ１、Ｐ２（ｄＢｍ）の計算方法について以下に説明する。モード結合理論により、図１の従来のＭＺＩ型の光スイッチ５０における対称型の方向性結合器（ＤＣ）３、４は下記の式（１）のマトリックスで表される。

ただし、ｚは導波路方向の長さ、κは結合係数、Ｌcは結合長、すなわち一方の導波路から他方の導波路へ100%の光パワーが結合する長さである。ここで、κは下記の式（２）で表される。

次に、位相制御器５、６のヒータにより位相調整される２本の導波路部分（Ｐｈ）は下記の式（３）のマトリックスで表される。

ただし、ΔΦは２本の導波路間の位相差である。
図１の従来のＭＺＩ型の光スイッチ５０は、光の分岐比０.５の方向性結合器（ＤＣ）３、４と位相制御器５、６のヒータによって位相差ΔΦが与えられる構成であるから、そのマトリックスは下記の式（４）で表される。

今、入力１より光が入射した場合、ＭＺＩ型の光スイッチの出力は下記の式（５）で表される。

このとき、出力１の光出力Ｐ１は下記の式（６）で表される。

図３の本発明の一実施形態の光スイッチ１００は、光の分岐比０.５、０.３４、０.１６６の３つの方向性結合器（ＤＣ）１３、１４、１５と２つの位相制御器１６、１７のヒータによって位相差ΔΦ、−２ΔΦが与えられる構成であるから、同様の計算を行う と、そのマトリックスは下記の式（７）で表される。

同様に出力１の光出力Ｐ２は下記の式（８）で表される。

式（６）のＰ１と式（８）のＰ２をプロットして得られたのが図４である。

図３に例示される本発明の一実施形態の光スイッチは、いわゆる光回路、光集積回路の一部として形成することができ、より具体的には、基板上に複数（例えばｎ）の入出力ポートを持ちアレイ状（例えばｎ×ｎ）に複数配置された構成として形成することができる。その場合、例えば、光方向性結合器と光導波路は、いずれも基板（Ｓｉ基板等）上の半導体材料層（Ｓｉ、ＳｉＯ₂等）からなり、位相制御器ヒータは光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなるように形成することができる。それらの形成は、例えば従来からある半導体製造プロセスを用いて行うことができる。

本発明の一実施形態の光スイッチの効果について説明する。図５から図８は、本発明の一実施形態の光スイッチの効果を説明するための図である。図５は、図１に例示される従来の光スイッチを実際に作成した場合における位相差のばらつき分布（発生した乱数分布）を示している。この場合、クロス状態からバー状態への切替え電力が３５ｍＷ程度（位相π）、ばらつき（標準偏差）は５ｍＷ程度（π×５／３５＝０.１４π）であった。

図６は、図１に例示される従来の光スイッチにおけるヒータパワーゼロのクロス状態でのバーポートからの漏れ光の強度分布を示している。図７は、図３に例示される本発明の一実施形態の光スイッチにおけるクロス状態でのバーポートからの漏れ光の強度分布を示している。図６の従来の場合では、−２０ｄＢ〜−１０ｄＢ程度の比較的大きな漏れ光が多いのに対して、図７の本発明の場合では、−２０ｄＢ〜−１０ｄＢ程度の比較的大きな漏れ光が小さく、漏れ光が各出力（ｄＢ）レベルにおいて小さく抑えられており、漏れ光が全体的に大幅に減少していることがわかる。

図８は、消費電力に対する効果を示す図である。図８の２つのグラフは、下記の条件において、下記の式（９）、（１０）を用いて計算した消費電力を示している。Ａが本発明の場合の計算結果であり、Ｂが従来の場合の計算結果である。
＜条件＞：
１．ｎ×ｎスイッチにおけるＯＮスイッチ数（３５ｍＷ）：ｎ
２．従来のトリミングが必要なトリミングスイッチ数（５ｍＷ）：ｎ（ｎ−１）
３．本発明のＯＮ電力：３倍、トリミング電力：ゼロ
＜式＞：
Ａ＝３×０.０３５×ｎ （９）
Ｂ＝０.０３５×ｎ＋０.００５×ｎ（ｎ−１） （１０）
図８からポート数ｎ＝１５以上の大規模スイッチにおいて、特に本発明の消費電力の改善効果が大きいことがわかる。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。例えば、非特許文献２に開示されているように、出力ポートを交差させたり、２段接続したりすることによって、広帯域化、高消光比化を図ることができる。

本発明の光スイッチは、光通信（ネットワーク）のノードにおいて使用される光スイッチとして、光回路、光集積回路の一部として利用することができる。

１、２、１１、１２：光導波路
３、４、１３、１４、１５：光方向性結合器
５、６、１６、１７：位相制御器（ヒータ）
５０、１００：光スイッチ

Claims (7)

1. ２つの入力ポートと、
   ２つの出力ポートと、
   前記入力ポートと前記出力ポートとの間に直列に配置された第１、第２、及び第３の３つの光方向性結合器と、
   前記３つの光方向性結合器間を接続しながら並行して延びる第１及び第２の２つの光導波路と、
   前記第１の光方向性結合器と前記第２の光方向性結合器との間の前記第１の光導波路に設けられた第１の位相制御器であって、前記第１の光導波路を伝播する光に位相差ΔΦを与えることができる、第１の位相制御器と、
   前記第２の光方向性結合器と前記第３の光方向性結合器との間の前記第２の光導波路に設けられた第２の位相制御器であって、前記第２の光導波路を伝播する光に前記位相差ΔΦの２倍の位相差２ΔΦを与えることができる、第２の位相制御器と、を備える光スイッチ。
2. 前記第１の位相制御器と前記第２の位相制御器は、共通の電流源に接続し、同一の電流により１つの位相制御器として制御される、請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記第１の位相制御器は第１ヒータを含み、前記第２の位相制御器は第２ヒータを含む、請求項２に記載の光スイッチ。
4. 前記第１ヒータと前記第２ヒータは直列に接続され、前記第１ヒータの抵抗Ｒ１と前記第２ヒータの抵抗Ｒ２は、Ｒ１：Ｒ２＝１：２の関係にある、請求項３に記載の光スイッチ。
5. 前記光スイッチは、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子からなる、請求項３または４に記載の光スイッチ。
6. 前記３つの光方向性結合器と、前記２つの光導波路は、いずれも基板上に形成された半導体材料からなり、
   前記第１ヒータは前記第１の光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなり、
   前記第２ヒータは前記第２の光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなる、請求項３から５のいずれかに記載の光スイッチ。
7. アレイ状に複数配置された請求項６に記載の光スイッチを含む、光集積回路。

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