JP2020098232A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】２×２基本スイッチの間に光導波路交差がなく、通過する基本スイッチ数が経路に依存しない光スイッチを提供する。【解決手段】本発明の光スイッチは、ＰＩＬＯＳＳ型光スイッチで課題である、２×２要素スイッチの間に存在する交差をスイッチマトリクスの外側にまとめて配置することによって、スイッチ全体の小型化が可能である構造を提案する。加えて２層光回路を用いることで、偏波ダイバーシティ構成における多数の交差を無くし、スイッチの低損失化が可能な構造を提案する。具体的には、本発明は、図５に示されるように、２×２基本スイッチの間に交差がなく、通過する基本スイッチ数が経路に依存しない光スイッチである。これにより光導波路交差による損失が無く、同時に、挿入損失が完全に経路無依存にでき、あるいは光導波路交差により大きさが制限されない。【選択図】図５

Description

本発明は、光スイッチに関し、より具体的には、基本スイッチの間に光導波路交差がない経路無依存な光スイッチに関する。

光スイッチは多数（十〜数十）の光路を自在かつ動的につなぎ替えることのできる部品である。光情報通信ネットワークの高品質化、大容量化のためには、多数のポートを持つ大規模な光スイッチの実現が必要となる。光スイッチの大規模化のためには、低損失性、低消費電力性のほか、フットプリントの小ささ等も重要となる。

Ｎ×Ｎポートの光スイッチにおいて、Ｎ！通りのポートの選び方全てについて、どの順番にでも接続できる特性を持つものを完全非閉塞光スイッチと呼ぶ。完全非閉塞光スイッチの一つである偏波無依存損失（ＰＩＬＯＳＳ）型光スイッチ（特許文献１）のポート数４の例を図１に示す。図１において、Ａは２×２要素スイッチであり、Ｂは光導波路交差であり、Ｃは光導波路である。

大規模な光回路を形成できる平面光回路技術（ＰＬＣ技術またはシリコンフォトニクス技術）を用いると、２つの直行する光偏波（ＴＥ、ＴＭ）のうち片側のみで動作する光スイッチとなる。一方で通常の光通信方式においてはＴＥ、ＴＭ両方の信号を多重するため、両偏波に対応可能な光スイッチが求められる。これを小型に実現する構成が、対向偏波ダイバーシティ構成のＰＩＬＯＳＳ型光スイッチ（非特許文献１）であり、この構成例を図２に示す。図２において、Ａは２×２要素スイッチであり、Ｂは光導波路交差であり、Ｃは光導波路である。

従来のＰＩＬＯＳＳ型光スイッチの課題として、２×２基本スイッチの間に光導波路交差が存在することにより、（１）挿入損失が完全に経路無依存でない、（２）光導波路交差による損失がある、（３）光導波路交差により大きさが制限される、といった問題がある。また、偏波ダイバーシティ構成においては光導波路交差が多数存在するため、特に（２）の問題が顕著である。

公表特許公報 昭６３−５００１４０

K. Tanizawa, et. al., Optics Express 25 (10), 10885-10892 (2017)

上記した従来のＰＩＬＯＳＳ型光スイッチの問題を解決可能な、２×２基本スイッチの間に光導波路交差がなく、通過する基本スイッチ数が経路に依存しない光スイッチを提供することを目的とする。

本発明の一態様の光スイッチは以下の（１）〜（１０）の構成を含む。
（１）同心円をｎ（ｎはポート数）個含み、最も外側の円から最も内側の円までを順番に第１リングから第ｎリングとし、リングの中心から見てｘ軸方向を角度０°とし、
（２）第１リング上の、角度０°、（３６０／ｎ）°、２×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−１）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_１１、Ｓ_１２、・・・、Ｓ_１ｎとし、
（３）第Ｓ_１ｉ（１≦ｉ≦ｎ）スイッチの入力ポートのうち、リングの中心から見て右側の入力ポートを光スイッチの第ｉ入力ポートとし、もう一方の左側の入力ポートは終端し、
（４）第ｍ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）リング上の、角度０．５×（３６０／ｎ）°、１．５×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−０．５）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_ｍ１、Ｓ_ｍ２、・・・、Ｓ_ｍｎとし、
（５）第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチの、リング中心より見て左側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの、リング中心より見て右側の入力ポートを接続し、
（６）第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の、リング中心より見て右側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの、リング中心より見て左側の入力ポートを接続し、
（７）第ｋ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）リング上の、角度０°、（３６０／ｎ）°、２×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−１）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_ｋ１、Ｓ_ｋ２、・・・、Ｓ_ｋｎとし、
（８）第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチの、リング中心より見て右側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの、リング中心より見て左側の入力ポートを接続し、
（９）第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の、リング中心より見て左側のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの、リング中心より見て右側のポートを接続し、さらに、
（１０）第Ｓ_ｎｉスイッチの、リング中心より見て右側の出力ポートを、光スイッチの第ｉ出力ポートとし、もう一方の左側の出力ポートは終端している。

本発明の他の一態様の光スイッチは以下の（ａ）〜（ｇ）の構成を含む。
（ａ）第１列から第ｎ列までの各列に２×２基本スイッチＳ_ｉｊ（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｎ）を配置し、
（ｂ）第１列の第Ｓ_１ｉスイッチの２つの入力ポートのうちの上側の入力ポートを光スイッチの第ｉ入力ポートとし、もう一方の下側の入力ポートは終端し、
（ｃ）第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）の下側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの上側の入力ポートを接続し、
（ｄ）第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の上側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの下側の入力ポートを接続し、
（ｅ）第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）の上側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの下側の入力ポートを接続し、
（ｆ）第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は、第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の下側のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの上側のポートを接続し、
（ｇ）第ｎ列の第Ｓ_ｎｉスイッチの上側の出力ポートを光スイッチの第ｉ出力ポートとし、もう一方の下側の出力ポートは終端している。

本発明の他の一態様の光スイッチは以下の（Ａ）〜（Ｆ）の構成を含む。
（Ａ）第１列から第ｎ列までの各列に２×２基本スイッチＳ_ｉｊ（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｎ）を配置し、
（Ｂ）１入力２出力の偏波分離素子を２ｎ個配置し、第２×i番目の偏波分離素子の入力ポートを第ｉ入力ポートとし、当該偏波分離素子の一方の出力ポートを第１列の第Ｓ_１ｉスイッチの左上のポートに接続し、当該偏波分離素子の他方の出力ポートを第ｎ列の第Ｓ_ｎＡスイッチの右下のポートに接続し、ここでＡ＝１＋｛（ｌ＋ｉ−２）ｍｏｄ ｎ｝、ｌ（英文字のエル、以下同様）はｎ／２以上の最小の整数、ｍｏｄは剰余演算を意味し、
（Ｃ）第２×ｉ＋１番目の偏波分離素子の入力ポートを第｛１＋［（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ］｝出力ポートとし、当該偏波分離素子の一方の出力ポートを第Ｓ_１ｉスイッチの左下のポートに接続し、当該偏波分離素子の他方の出力ポートを第Ｓ_ｎＢスイッチの右上のポートに接続し、ここでＢ＝１＋｛（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ｝であり、
（Ｄ）第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）の右下のポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの左上のポートを接続し、
（Ｅ）第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の右上のポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの左下のポートを接続し、
（Ｆ）第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）の右上のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの左下のポートを接続し、
（Ｇ）第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は、第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の右下のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの左上のポートを接続している。

本発明によれば、光導波路交差による損失が無く、同時に、挿入損失が完全に経路無依存にでき、あるいは光導波路交差により大きさが制限されない、光スイッチを提供することができる。

従来の偏波無依存損失（ＰＩＬＯＳＳ）型光スイッチのポート数４の構成例を示す図である。 従来の対向偏波ダイバーシティ構成のＰＩＬＯＳＳ型光スイッチの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態の２×２基本スイッチの構成を示す図である。 図３の本発明の一実施形態の２×２基本スイッチの光スイッチ後の接続例を示す図である。 本発明の一実施形態の同心円状のｎ×ｎ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４×４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４×４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４×４光スイッチの構成を示す図である。 図８の領域Ａのブリッジ構造を示す模式図である。 交差の有無による面積の相違を示す模式図である。 図１０の面積の相違を定量的に示す図である。 本発明の一実施形態のｎ×ｎ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４×４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４×４光スイッチの構成を示す図である。 図１４の本発明の一実施形態の４×４光スイッチの信号経路の一例を示す図である。

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。最初に本発明の一実施形態の光スイッチを構成する２×２基本スイッチについて説明する。本発明で使用する２×２基本スイッチは、一般的には「２入力と２出力をもつ光スイッチであって、入力ポートは左上と右下、出力ポートは左下と右上に配置される光スイッチ」と定義することができる。その具体例として、図３に本発明の一実施形態の２×２基本スイッチの構成を示す。

図３（ａ）において、２つの入力ポートＩＮ１、ＩＮ２は左上と左下にあり、２つの出力ポートＯＵＴ１、ＯＵＴ２は右上と右下に在る。光スイッチとしてマッハツェンダー型（ＭＺＩ）スイッチを用いた場合の具体的な光回路構造を図３（ｂ）に示す。同図中の実線は光導波路を表し、位相シフタ領域１、２とその前後の光カプラ３、４を含む。例えばシリコン（Ｓｉ）光導波路を用いた場合、図３（ｂ）の構造の大きさは横１１１μｍ×縦１００μｍ程度となる。

図３（ｂ）の構成では、位相シフタ領域１、２の屈折率を電気的に制御することで、光カプラ３を介して入力する光をｃｒｏｓｓまたはｂａｒ状態に切り替えて光カプラ４を介して出力することにより光を所定の経路へスイッチすることができる。図４は、図３の本発明の一実施形態の２×２基本スイッチの光スイッチ後の接続例を示す図である。図４（ａ）に示すように、各ＭＺＩスイッチの位相シフタを設定（制御）すると、左上の入力ポートＩＮ１と右上の出力ポートＯＵＴ１を接続でき、さらに左下の入力ポートＩＮ２と右下の出力ポートＯＵＴ２を接続できる。また、図４（ｂ）に示すように、各ＭＺＩスイッチの位相シフタを設定（制御）すると、左上の入力ポートＩＮ１と右下の出力ポートＯＵＴ２を接続でき、さらに左下の入力ポートＩＮ２と右上の出力ポートＯＵＴ１を接続できる。

図５は、本発明の一実施形態の同心円状のｎ×ｎ光スイッチの構成を示す模式図である。図５において、実線は光導波路を表している。最初に、図５の点線で示すような同心円をｎ（ｎはポート数）個仮想的に考える。最も外側の円から最も内側の円までを順番に第１リングから第ｎリングと名付ける。リングの中心から見てｘ軸方向を角度０°と定義する。第１リング上の、角度０°、（３６０／ｎ）°、２×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−１）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_１１、Ｓ_１２、・・・、Ｓ_１ｎと名付ける。第Ｓ_１ｉ（１≦ｉ≦ｎ）スイッチの入力ポートのうち、リングの中心から見て右側の入力ポートを光スイッチの第ｉ入力ポートとする。もう一方の左側の入力ポートは使用しないため終端する。２×２基本スイッチは、例えば図３と図４に示した構成のスイッチを用いることができる。なお、第１リングの各Ｓ_１ｉ（１≦ｉ≦ｎ）スイッチを２×２スイッチに代えて１×２スイッチを使用してもよい。

次に、第ｍ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）リング上の、角度０．５×（３６０／ｎ）°、１．５×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−０．５）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_ｍ１、Ｓ_ｍ２、・・・、Ｓ_ｍｎと名付ける。第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチのリング中心より見て左側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチのリング中心より見て右側の入力ポートを接続する。第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）のリング中心より見て右側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチのリング中心より見て左側の入力ポートを接続する。

同様に、第ｋ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）リング上の、角度０°、（３６０／ｎ）°、２×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−１）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_ｋ１、Ｓ_ｋ２、・・・、Ｓ_ｋｎと名付ける。第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチのリング中心より見て右側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチのリング中心より見て左側の入力ポートを接続する。第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）のリング中心より見て左側のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチのリング中心より見て右側のポートを接続する。

最後に、第Ｓ_ｎｉスイッチのリング中心より見て右側の出力ポートを、光スイッチの第ｉ出力ポートとする。もう一方の左側の出力ポートは使用しないため終端する。第ｎリングの各Ｓ_ｎｉスイッチを２×２スイッチに代えて２×１スイッチを使用してもよい。以上により、ｎ×ｎスイッチが構成できる。

ｎ＝４の場合の４×４光スイッチの構成について図６〜図８を参照しながら説明する。図６は、図５の同心円状のｎ×ｎ光スイッチの構成においてｎ＝４を代入してそのまま配置した４×４光スイッチの構成例である。各図において、実線は光導波路を表している。最も外側の第１リングから最も内側の第４リングまでを仮想的に考える。第１リング上では０°、９０°、１８０°、２７０°の４位置に２×２基本スイッチＳ_１１、Ｓ_１２、Ｓ_１３、Ｓ_１４が配置される。第２リング上では４５°、１３５°、２２５°、３１５°の４位置に２×２基本スイッチＳ_２１、Ｓ_２２、Ｓ_２３、Ｓ_２４が配置される。第３リング上では０°、９０°、１８０°、２７０°の４位置に２×２基本スイッチＳ_３１、Ｓ_３２、Ｓ_３３、Ｓ_３４が配置される。第４リング上では４５°、１３５°、２２５°、３１５°の４位置に２×２基本スイッチＳ_４１、Ｓ_４２、Ｓ_４３、Ｓ_４４が配置される。第１リング上のＳ_１１〜Ｓ_１４のリング中心より見て右側の入力ポートを、光スイッチの第１入力ポート（１）〜第４入力ポート（４）とする。第４リング上のＳ_４１〜Ｓ_４４のリング中心より見て右側の出力ポートを、光スイッチの第１出力ポート（１´）〜第４出力ポート（４´）とする。

図６の光スイッチの利点として、２×２基本スイッチ間に交差がないため、交差による損失が生じない。また構造が各ポートに対して対称的（ｎ回回転対称）であるため、どのような接続経路であっても伝搬の間に通過するスイッチ数と、光導波路長が等しいという特徴を持つ。本構造により従来のＰＩＬＯＳＳスイッチの課題であった、光導波路交差による損失を無くすこと、及び挿入損失が完全に経路無依存であることの両方を達成することができる。ただし、出力ポート１´〜４´が全て内側にあるため、出力ポートから光を取り出す際にはグレーティングカプラ等の垂直結合器を用いる必要がある。なお、図５、図６の構造全体を左右反転した構造も同じようにｎ×ｎ光スイッチとして動作する。

図６の構成において、いずれかの２×２基本スイッチを基準として、隣接した２×２基本スイッチを近くに寄せながら再配置すると、図７に示すような４×４光スイッチの構成とすることが可能である。図７の構成では、１列から４列までの各列に順番に４つの２×２基本スイッチＳ_１１〜Ｓ_１４、Ｓ_２１〜Ｓ２_２４、Ｓ_３１〜Ｓ_３４、Ｓ_４１〜Ｓ_４４が配置されている。第１列上のＳ_１１〜Ｓ_１４の上側の入力ポートを、光スイッチの第１入力ポート（１）〜第４入力ポート（４）とする。第４列上のＳ_４１〜Ｓ_４４の上側の出力ポートを、光スイッチの第１出力ポート（１´）〜第４出力ポート（４´）とする。このような配置にすることで、スイッチの間の空間を詰めることができ、さらに基本スイッチ間に交差が存在しないため、従来のＰＩＬＯＳＳ構造よりも小型の光スイッチの実現が可能となる。ただし、出力ポート１´〜４´が全て内側にあるため、出力ポートから光を取り出す際にはグレーティングカプラ等の垂直結合器を用いる必要がある。

出力ポート１´〜４´が外側にくる４×４光スイッチの構成を図８に示す。他の構成は図７と同じである。図８の構成では、第４列上のＳ_４１〜Ｓ_４４の上側の出力ポートの各々からの水平方向に延びる光導波路を交差する３つの垂直方向の光導波路の上にブリッジさせる必要がある。図９にそのブリッジ構造を層間光接続を用いて行う例を示す。図９では、図８の領域Ａでの層間光接続を例示している。２×２基本スイッチＳ_４１からの光は下側の光導波路から上側の光導波路へ移り伝播し、その端部で下側の光導波路へ戻り出力ポート１´へと進む。図８の４×４光スイッチの構成では、出力ポートがスイッチの外側にくるため端面接続が可能である。また、この場合でも２×２基本スイッチと光導波路交差を空間的に分け、それぞれを高密度に集積できるため、光スイッチ全体の小型化が期待できる。

ここで、図７と図８で示した行列状の配置の４×４光スイッチの構成をｎ×ｎ光スイッチまで拡張（一般化）した場合の構成を以下に示す。すなわち、本発明の一態様の光スイッチは以下の構成を含む。第１列から第ｎ列までの各列に２×２基本スイッチＳ_ｉｊ（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｎ）を配置する。第１列の第Ｓ_１ｉスイッチの２つの入力ポートのうちの上側の入力ポートを光スイッチの第ｉ入力ポートとし、もう一方の下側の入力ポートは終端する。第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）の下側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの上側の入力ポートを接続する。

第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の上側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの下側の入力ポートを接続する。第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）の上側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの下側の入力ポートを接続する。第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は、第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の下側のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの上側のポートを接続する。第ｎ列の第Ｓ_ｎｉスイッチの上側の出力ポートを光スイッチの第ｉ出力ポートとし、もう一方の下側の出力ポートは終端している。

２×２基本スイッチＳ_ｉｊとしてＭＺＩスイッチを用いた場合の従来方式と本発明方式の違いを説明した図を図１０に示す。図１０（ａ）に示した従来方式では、光導波路交差をＭＺＩ間に入れるために長さＬ_ＩＳ＝２０７μｍ程度の領域が必要である。この長さは主にＭＺＩにおける熱光学移相器の間隔Ｗ_ＭＺＩに依存する。この間隔Ｗ_ＭＺＩの値は、隣り合う熱光学移相器の間での熱干渉を十分避けるためにある一定の値が必要である。典型的に１００μｍ程度であるため、図１０の例では１００μｍの値を用いる。図１０（ｂ）に本発明の方式を示す。光導波路交差がスイッチマトリクスの外に存在することにより、光導波路交差のあった領域を曲げ半径に起因する長さＬ_ＩＳ＝２０μｍの長さまで縮小可能となる。また光導波路交差は集積することにより小型にまとめることができる。

本発明の方式の利点（効果）を定量的に示すため、図１０に示した設計例によって、典型的にどの程度小型化が可能かを計算した結果を図１１に示す。図１１の白色棒グラフの従来方式と斜線棒グラフの本発明の方式とを比べると、本発明の方式では面積比としておおよそ２．１〜２．６倍の小型化が可能であると期待される。ただし、計算においては曲げ半径を１０μｍ、ＭＺＩの長さを１１１μｍ、光導波路交差を集積する際の隣り合う交差の最小間隔を１０μｍとしている。

図２に示した従来の対向偏波ダイバーシティ構成のＰＩＬＯＳＳ型光スイッチは、１経路当たり最大７Ｎ−３個の光導波路交差を通る。光導波路交差１個あたりの損失として０．０２５ｄＢを考えると、Ｎ＝３２の場合の総損失は５．５ｄＢとなり、比較的大きな損失が生じる。光導波路交差の損失がこれより大きいと、総損失もさらに増大する。したがって、偏波ダイバーシティ構成においては光導波路交差の損失を無くすことは重要である。面内交差を無くす方法の一つとして、光回路の２層化が挙げられる。

シリコンフォトニクス技術においてはシリコン光回路上に、窒化シリコンの成膜および加工により２層目の光回路を形成することが可能である。一方で、従来構造のままでは光導波路交差が入り組んでいるために２層化は極めて難しい。例えば光導波路交差点の手前で１層目から２層目へと光を移し（層間光接続）、交差点の後で戻したとすると確かに面内交差を回避できる。しかし、層間光接続構造を多数通ることになり、層間接続自体の損失（＜１ｄＢ）のために総合した損失は悪くなってしまう。

そこで本発明では図１２に示す構造を提案する。図１２は、ポート数がｎ（ｎは整数）の場合の偏波ダイバーシティの構成例である。同図において実線は１層目、点線は２層目の光導波路を表している。右側の黒四角は１層目と２層目の間で光を移す層間接続構造であり、左側の白四角は偏波スプリッタローテータ（ＰＳＲ）を表す。ここでＰＳＲは、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通したのちに方アームの偏波を９０度回転させる素子である。

図１２において、ｌ（英文字のエル、以下同様）をｎ／２以上の最小の整数と定義する。同図のＳ_ｉｊはそれぞれ２×２基本スイッチを表している。Ｓ_１１〜Ｓ_１ｎの左側の２ポートのうち、上側・下側のポートを「上側・下側ポート」と呼ぶ。またＳ_ｎ１〜Ｓ_ｎｎの右側の２ポートも同様に「上側・下側ポート」と呼ぶ。図１のうち白四角のＰＳＲ、点線の２層目の光導波路、黒四角の層間接続構造を除く構造は、上述した図５〜図８で説明した通りである。以下では、ＰＳＲ、点線、層間接続構造がどのように接続されるかについて説明する。

一般的な説明は後にして、まず、Ｓ_１１に着目する。ＰＳＲの一方の出力ポートをＳ_１１の上側ポートに接続し、他方の出力ポートを２層目の光導波路（点線）を用いて層間接続構造を介して右側のＳ_ｎｌの下側ポートに接続する。これを「Ｓ_１１の上側ポートとＳ_ｎｌの下側ポートを接続する」と表現する。同様に、Ｓ_１１の下側ポートと、Ｓ_{ｎ（ｌ＋１）}の上側ポートを接続する。そして、Ｓ_１１の上側と下側のポートにつながるＰＳＲの入力ポートをそれぞれ第１入力ポート、第（ｌ＋１）´出力ポートと名付ける。

一般的な全体構成の接続は以下のようになる。第１列から第ｎ列までの各列に２×２基本スイッチＳ_ｉｊ（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｎ）を配置する。第Ｓ_１ｉスイッチの左上のポートを第ｎ列の第Ｓ_ｎＡスイッチの右下のポートに接続する。第Ｓ_１ｉスイッチの左下のポートを第Ｓ_ｎＢスイッチの右上のポートに接続する。ここで、ｍｏｄは剰余演算を意味し、Ａ＝１＋｛（ｌ＋ｉ−２）ｍｏｄ ｎ｝、Ｂ＝１＋｛（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ｝である。また、第Ｓ_１ｉスイッチの左上と左下のポートにつながるＰＳＲの入力ポートをそれぞれ第ｉ入力ポート、第｛１＋［（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ］｝´出力ポートと名付ける。

第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）の右下のポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの左上のポートを接続する。第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の右上のポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの左下のポートを接続する。第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）の右上のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの左下のポートを接続する。第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は、第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の右下のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの左上のポートを接続する。以上の操作を繰り返すと、一般の次数ｎの場合の偏波ダイバーシティ構成が完成する。左側のポートの並びは、上から１、（ｌ＋１）´、２、（ｌ＋２）´、…、ｉ、｛１＋［（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ］｝´、…、ｎ、ｌ´となる。

４×４光スイッチの場合（ｎ＝４、ｌ＝２）の場合の構成例を図１３に示す。図１３では、点線の２層目の光導波路が２×２基本スイッチＳ_ｉｊの上側に配置されている。Ｓ_１１の上側ポートに着目すると、Ｓ_４２の下側ポートに接続する。Ｓ_１１の下側ポートはＳ_４３の上側ポートに接続する。他のポートについても同様に接続されている。図１４に他の４×４光スイッチ（ｎ＝４、ｌ＝２）の場合の構成例を示す。図１４では、点線の２層目の光導波路が２×２基本スイッチＳ_ｉｊの上側と下側に分かれて配置されている。点線の２層目の光導波路の接続の仕方は基本的に図１３の場合と同様である。

図１５を参照して図１４の４×４光スイッチ（偏波ダイバーシティ構成）の動作について説明する。まず、例として４×４光スイッチにおいて、入力１から出力３´までを接続する方法について説明する。入力される光はＴＥ、ＴＭの両方の光成分を含んでいる。この両方の光成分を正しく入力１から出力３´まで伝播する必要がある。ＰＳＲは、入力された光をＴＥ成分とＴＭ成分に分離し、ＴＭ成分の偏波をＴＥ偏波に変換する。ここでは、もともとＴＥ成分だった光をＴＥ、もともとＴＭ成分だった光をＴＭと表す。入力１から出力３´を接続するには第１列のスイッチＳ_１１をバー状態とし、その他はクロス状態とする。図１５において、ＴＥの経路とＴＭの経路の両光成分が、Ｓ_１１を通りながら最終的に出力３´のＰＳＲに集まることがわかる。このＰＳＲで再度ＴＥ、ＴＭ光成分が合成され、出力３´から出力される。以上が、偏波ダイバーシティ構成の動作例であり、他の光経路も同様である。

図１３と図１４の構成は、本発明による小型の４×４光スイッチの配置をとりながらも、スイッチを並び替えるだけで従来の図２と同じ形に変換できるため、偏波ダイバーシティ構成となっていることがわかる。さらに、２層光回路を用いることで、面内交差の数はゼロとなり、交差による損失を無くすことが可能である。本発明の方式においては、層間光接続の回数はどの経路をとっても２回（上り／下り）のみであり、Ｎ＝３２の場合でも全体で３〜５ｄＢ程度の損失低減が可能となると期待される。

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。

本発明の光スイッチは光回路、光集積回路を構成する部品として様々な規模の光スイッチに対して幅広く適用することができる。

１、２：位相シフタ領域
３、４：光カプラ

Claims (8)

1. 光スイッチであって、
   同心円をｎ（ｎはポート数）個含み、最も外側の円から最も内側の円までを順番に第１リングから第ｎリングとし、リングの中心から見てｘ軸方向を角度０°とし、
   第１リング上の、角度０°、（３６０／ｎ）°、２×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−１）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_１１、Ｓ_１２、・・・、Ｓ_１ｎとし、
   第Ｓ_１ｉ（１≦ｉ≦ｎ）スイッチの入力ポートのうち、リングの中心から見て右側の入力ポートを光スイッチの第ｉ入力ポートとし、もう一方の左側の入力ポートは終端し、
   第ｍ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）リング上の、角度０．５×（３６０／ｎ）°、１．５×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−０．５）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_ｍ１、Ｓ_ｍ２、・・・、Ｓ_ｍｎとし、
   第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチのリング中心より見て左側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチのリング中心より見て右側の入力ポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）のリング中心より見て右側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチのリング中心より見て左側の入力ポートを接続し、
   第ｋ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）リング上の角度０°、（３６０／ｎ）°、２×（３６０／ｎ）°、・・・、（ｎ−１）×（３６０／ｎ）°の各位置に、２×２基本スイッチを、入力ポートが外側、出力ポートが内側を向くように配置し、それらを順にＳ_ｋ１、Ｓ_ｋ２、・・・、Ｓ_ｋｎとし、
   第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチのリング中心より見て右側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチのリング中心より見て左側の入力ポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）のリング中心より見て左側のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチのリング中心より見て右側のポートを接続し、
   第Ｓ_ｎｉスイッチのリング中心より見て右側の出力ポートを、光スイッチの第ｉ出力ポートとし、もう一方の左側の出力ポートは終端している、光スイッチ。
2. 前記２×２基本スイッチは、２入力２出力のマッハツェンダー型干渉計からなる、請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記第１リングの第Ｓ_１ｉスイッチの２×２基本スイッチに代えて１×２スイッチを用い、前記第ｎリングの第Ｓ_ｎｉスイッチの２×２基本スイッチに代えて２×１スイッチを用いる、請求項１に記載の光スイッチ。
4. 光スイッチであって、
   第１列から第ｎ列までの各列に２×２基本スイッチＳ_ｉｊ（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｎ）を配置し、
   第１列の第Ｓ_１ｉスイッチの２つの入力ポートのうちの上側の入力ポートを光スイッチの第ｉ入力ポートとし、もう一方の下側の入力ポートは終端し、
   第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）の下側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの上側の入力ポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の上側の出力ポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの下側の入力ポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）の上側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの下側の入力ポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は、第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の下側の出力ポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの上側の入力ポートを接続し、
   第ｎ列の第Ｓ_ｎｉスイッチの上側の出力ポートを光スイッチの第ｉ出力ポートとし、もう一方の下側の出力ポートは終端している、光スイッチ。
5. 前記２×２基本スイッチは、２入力２出力のマッハツェンダー型干渉計からなる、請求項４に記載の光スイッチ。
6. 前記第１列の第Ｓ_１ｉスイッチの２×２基本スイッチに代えて１×２スイッチを用い、前記第ｎ列の第Ｓ_ｎｉスイッチの２×２基本スイッチに代えて２×１スイッチを用いる、請求項４に記載の光スイッチ。
7. 光スイッチであって、
   第１列から第ｎ列までの各列に２×２基本スイッチＳ_ｉｊ（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｎ）を配置し、
   １入力２出力の偏波分離素子を２ｎ個配置し、第２×ｉ番目の偏波分離素子の入力ポートを第ｉ入力ポートとし、当該偏波分離素子の一方の出力ポートを第１列の第Ｓ_１ｉスイッチの左上のポートに接続し、当該偏波分離素子の他方の出力ポートをを第ｎ列の第Ｓ_ｎＡスイッチの右下のポートに接続し、ここでＡ＝１＋｛（ｌ＋ｉ−２）ｍｏｄ ｎ｝、ｌはｎ／２以上の最小の整数、ｍｏｄは剰余演算を意味し、
   第２×ｉ＋１番目の偏波分離素子の入力ポートを第｛１＋［（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ］｝出力ポートとし、当該偏波分離素子の一方の出力ポートを第Ｓ_１ｉスイッチの左下のポートに接続し、当該偏波分離素子の他方の出力ポートを第Ｓ_ｎＢスイッチの右上のポートに接続し、ここでＢ＝１＋｛（ｌ＋ｉ−１）ｍｏｄ ｎ｝であり、
   第Ｓ_{（ｍ−１）ｉ}スイッチ（ｍは１より大きくｎ以下の偶数）の右下のポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの左上のポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｍ−１）（ｉ＋１）}スイッチ（ただしｉ＋１＞ｎの場合は、第Ｓ_{（ｍ−１）１}スイッチ）の右上のポートと、第Ｓ_ｍｉスイッチの左下のポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｋ−１）ｉ}スイッチ（ｋは１より大きくｎ以下の奇数）の右上のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの左下のポートを接続し、
   第Ｓ_{（ｋ−１）（ｉ−１）}スイッチ（ただしｉ−１＜１の場合は、第Ｓ_{（ｋ−１）ｎ}スイッチ）の右下のポートと、第Ｓ_ｋｉスイッチの左上のポートを接続している、光スイッチ。
8. 前記２×２基本スイッチは、２入力２出力のマッハツェンダー型干渉計からなる、請求項７に記載の光スイッチ。

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