JP3459259B2 - 導波型光クロスポイントスイッチ - Google Patents

導波型光クロスポイントスイッチ

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JP3459259B2 JP51721196A JP51721196A JP3459259B2 JP 3459259 B2 JP3459259 B2 JP 3459259B2 JP 51721196 A JP51721196 A JP 51721196A JP 51721196 A JP51721196 A JP 51721196A JP 3459259 B2 JP3459259 B2 JP 3459259B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、クロスポイントスイッチに関し、特に全放
送周波数帯で厳密に障壁がなく（ノンブロッキング）、
かつ、小型で高速での使用が可能な光導波路型クロスポ
イントスイッチに関する。
【０００２】
【背景技術】
遠距離通信産業では、映像や高速データの通信サービ
スを提供するために必要な帯域幅を実現するために、急
速に光通信網が採用されてきている。周知のように、シ
ングルモード光ファイバには、テラビット範囲の帯域幅
を有するデータを伝送する可能性がある。通常、スイッ
チングのような電気的な入力に依存する伝送網の構成要
素により、実現可能なデータ速度に制限が課せられてし
まう。従って、将来の広帯域通信システムには、特に高
速ディジタル信号の伝送路、およびコヒーレント通信に
おける周波数多元チャネルとして、光スイッチング伝送
網が必要となるであろう。スイッチング速度が速いこと
と、信号のビットレートに制限がないことと、双方向の
スイッチングが可能であることと、光の波長の不変性と
いう理由により、導波型光スイッチを用いて電気信号を
光信号に変換することなく、光信号を直接スイッチング
することは好ましい。
【０００３】 Ｎ×Ｎマトリクスアーキテクチャには、主に２つの概
念がある。すなわち、ブロッキングするもしくはほとん
ど静的にブロッキングしない再配列可能なタイプのマト
リクスと、いわゆる母線構造と呼ばれる、ノンブロッキ
ングの全クロスポイントアレイである。再配列可能なマ
トリクスには、Ｎ×Ｎ個のスイッチを有する母線構造の
マトリクスに比べて、スイッチ点の数Ｎ（Ｎ−１）/2が
かなり低減されるという利点がある。ここで、Ｎは入出
力端子の数である。しかしながら、再配列可能なタイプ
のスイッチでは、相互接続を確立するのに幾つかのスイ
ッチが関係するので、相互接続を変える場合に、信号経
路の再配列に要する時間中に、幾つかの情報が失われて
しまう。母線構造のマトリクスにおいては、如何なる入
力から如何なる出力まで相互接続を構築するのに、単一
のスイッチの動作のみで十分である。従って、この構造
は、高速データ通信システムへの適用に、もっとも適切
な構造である。本発明は、十分にノンブロッキングの光
クロスポイントスイッチに関するものである。そのよう
な光スイッチマトリクスは、光信号を電気信号に変換す
ることなく、光信号の符号および周波数を変えずに（co
de−and frequency−transparent）スイッチングを行う
ことができるので、遠隔通信システムにおいて重要な構
成要素になると期待される。
【０００４】
【従来技術】
一般に実施されているディジタル多重システム（DM
S）は、音声を基礎とする64Kb/sの信号伝送速度で遠隔
通信をスイッチングするのに十分に適している。しかし
ながら、これらのシステムでは、SONET/SDH（同期ディ
ジタルハイアラーキー）アーキテクチャで要求される、
より高速の10Gb/sの通信速度に対しては、容易に適応す
ることはできない。
【０００５】 光変調器から送られてくる信号列でもってダイオード
レーザもしくはCW（continuous−wave）レーザを変調す
る方式では、周知のように、光送信器は10Gb/s範囲の光
信号を生成する。従って、この範囲でデータ信号をスイ
ッチングすることができる特定のシステムが必要とな
る。
【０００６】 そのようなシステムの一つは、光路内に反射鏡を設
け、その反射鏡を電気化学的技術により回転させること
によって、第１ファイバ上の信号を第２ファイバに切り
替える空間スイッチの概念に基づいている（A.Boissier
ら、「Space Division Optical Switching System of M
edium Capacity」、SPIE、Vol.585、1985）。そのよう
なシステムは、広帯域の伝送網において有用となるほど
には高速でないのは明らかである。
【０００７】 もう一つのスイッチングの概念は、光の偏向方式のク
ロスポイントマトリクスに、集積化されたレンズを結合
するものである。入力信号は検出され、再生され、導波
構造に供給され、そして電気−光格子から反射されて出
力部へ送られ、そこで信号が検出されて再生されて出力
ファイバ内に送られる。入力部および出力部の両方で信
号を検出し再生するための装置を付加する必要があり、
それによって動作速度が制限され、またシステムの増大
を招いてしまう。この概念で動作する一つのシステムで
は、各クロスポイントに能動素子が用いられている。そ
の能動素子は、光を再生し、その光をマトリクスの入力
行から出力列へ向け直す。これによって、検出器と再生
器の組を付加する必要がなくなるが、そのスイッチが厳
密にはノンブロッキングではないということを意味する
（G.W.Taylorら、「Dynamic Switch Logic−A New Conc
ept for Digital Optical Logic Using DOES Device
s」、論文27.4、IEDM 85、ワシントン）。
【０００８】 従来技術の別の形態は、一般に第１図A,第１図B,第１
図Ｃに示すように、Ｘ状の分岐型結合器（以下、Ｘ−ブ
ランチ型結合器と称する）、Ｙ状の分岐型結合器（以
下、Ｙ−ブランチ型結合器と称する）または方向性結合
器をクロスポイントスイッチとして結合したものであ
る。例えば、Yamaguchiらの「Vertical Multi−Quantum
Well Directional Coupler Switch With Low Switchin
g Voltage」（IEEE Photonics Technology Letters、Vo
l.4、No.7、July 1992）およびOhらの「A Very Low Ope
ration Current InGaAsP/InP Total Internal Reflecti
on Optical Switch Using p/n/p/n Current Blocking L
ayers」（IEEE Photonics Technology Letters、Vol.
6、No.1、January 1994）に、より詳細に説明されてい
る。良好な導波路の分離とスイッチング特性を実現する
ために、スイッチ構造は長い必要があり、よって第１図
Ａおよび第１図Ｂに示す角度αは、８゜よりも小さくな
っている。そうでなければ、導波路の放射損失が大きく
なり過ぎて実際の使用に適さない。さらに、クロスポイ
ントマトリクスは、限定された数の入力および出力の導
波路を結合するためだけでさえ、かなりの量の材料を消
費する。一般には、４×４マトリクススイッチをＹ−ブ
ランチ型結合器で作製すると、３×7mm2オーダーの大き
さになる（Gustavssonら、「Monolithically Integrate
d 4×4 InGaAsP/InP Laser Amplifier Gate Switch Arr
ays」、IEEE LEOS ′93、San Jose、November 1993）。
【０００９】 第１図Ｃに示す方向性結合器は、およそ4.7mmの長さ
の導波路でできており、ファイバとの結合のために導波
路の入力端および出力端においてそれぞれ150μｍ離さ
れている。仮に８×８の導波路でできたマトリクスを作
製したとすれば、そのマトリクスは大きすぎるので、光
集積回路を鑑みると実用的でない。
【００１０】 今まで、多くの光スイッチ素子が提案されているが、
その製造性がいまだに問題となっている。Ｘ−ブランチ
型結合器、Ｙ−ブランチ型結合器および方向性結合器か
らなるスイッチの干渉は、２モードの干渉に基づいてい
る。それらのスイッチは、スイッチに外部電圧が印加さ
れると、第１図Ｄに示すように、光パワーが正弦曲線状
に変化するため、アナログスイッチと呼ばれる。そのよ
うなスイッチの利点は、相互に作用し合う部分の長さが
短くて済み、それゆえ素子を小型化することができると
いうことである。完全に設計され、かつ作製された素子
に対してのみ、一方の導波路で最大パワーが実現され、
もう一方の導波路から最小パワーが出力される。そうで
なければ、その素子は、著しくクロストークを生じる。
今日の技術では、大口径の均一なウェハを歩留まりよく
製造することは困難であり、それゆえ、そのようなウェ
ハをスイッチマトリクスに適用することに制限が生じて
いる。この問題を克服するために、幾つかの改良された
素子構造が提案されている。例えば、ステップΔβ方向
性結合器型スイッチのように、方向性結合器の各導波路
に対して２つの電極を用いて、スイッチング特性の変化
を補償するようにしたものがある。ウェハには不均質な
部分が分布しているため、スイッチマトリクスの部位が
異なると、各スイッチに必要とされるスイッチング電圧
が異なる。このことにより、制御の複雑さが増大し、大
きなスイッチマトリクスを作製することが非現実的なも
のとなっている。制御性の問題に加えて、そのようなス
イッチはまた、入力光信号の偏光状態および波長に対し
て過敏である。
【００１１】 もう一つの種類のスイッチは、ディジタル光スイッチ
（以下、DOSと称する）と呼ばれており、偏光の影響を
受けず、波長の影響も受けず、また製造時の影響をあま
り受けない、アダバティカルな（adabatically）単一モ
ードの放出に基づいている。また、そのようなスイッチ
は、Ｘ−ブランチ型結合器、Ｙ−ブランチ型結合器およ
び方向性結合器を用いて作製される。そのスイッチング
特性は、第１図Ｅに示すように、ステップ関数となる。
光ファイバと結合するために、２つの導波路を大きく離
す必要があり、これは、通常、導波路を曲げることによ
ってなされ得る。アダバティカル（adabatical）・モー
ドの放出に対する要求があるため、交差角度は小さくな
ければならない。これによって、各ディジタルスイッチ
の長さは、アナログスイッチの長さよりむしろ長くなっ
ており、アナログスイッチの長さが数百マイクロメート
ルであるのに対して、通常、数ミリメートルである。
【００１２】 通常、光スイッチは、偏光と波長に過敏であること
と、挿入損失、駆動パワーおよびサイズ等々により特徴
付けられる。現在提案されているDOSには、そのサイズ
が大きいこと以外に、消費電力が大きいという欠点があ
る。第１図Ｆは、Ｙ状のDOS（Ｙ−DOS）の典型的な構造
の平面図であり、このＹ−DOSは、直線状の光入力導波
部22と、実際にスイッチング動作を行う２つのブランチ
導波路24,26を備えている。２つのブランチ導波部24,26
には、電極A,Bが設けられている。Ｙ−DOSは、電気的に
は、ブランチ導波部の上部および下部に電気的な接点を
有するPIN構造をなしている。光は、光ファイバ（図示
せず）によって直線状の光入力導波部22内に注入され
る。両方のブランチ導波部24,26にバイアスが印加され
ていない（すなわち、両方の電極A,Bに電流が注入され
ていない）場合には、入力光はそれら２つのブランチ導
波部内に、50％ずつのパワーに分割した割合で、結合さ
れる。電極Ａが十分な注入電流で順バイアスされている
場合には、そのブランチ導波部24の屈折率はより小さく
なる。その結果、ブランチ導波部24は、光を効率的に伝
搬させることができず、入力光のおよそ100％が、光入
力導波部22からもう一方のブランチ導波部26へ切り替え
られて伝搬する。同様に、電極Ｂが十分な注入電流で順
バイアスされると、入力光は、光入力導波部22からもう
一方のブランチ導波部24へ切り替えられて伝搬する。そ
のようなスイッチがスイッチマトリクスに使用される
と、すべてのスイッチが“off"のときに、放送機能が実
現され得る。完全にノンブロッキングスイッチの適用に
対しては、各スイッチにおいて、それら電極のうちの一
つは“on"となる。このDOSでは、16×16スイッチマトリ
クスにおいては、256個の電流源が必要となり、電流消
費と熱放散が問題になると考えられる。
【００１３】 提案されているＸ−ブランチ型およびＹ−ブランチ型
のディジタルスイッチは、極めて長い。例えば、第１図
Ｆにおいて、領域Ｉの長さは3mmであり、領域IIの長さ
は約0.75mmである。長い領域Ｉは、放射モードの問題の
ため必要である。通常、光ファイバの光モードは、矩形
の導波路の光モードに一致しない。シングルモードファ
イバを矩形の導波路に結合させた場合、矩形の導波路内
で複数のモードの光が生じる。効果的なスイッチングの
ためには、矩形の導波路は、単一のモードの光のみを伝
搬するように設計される。より高次のモードの光は放射
モードとなって、徐々にクラッド層（その構造の形状に
よって左右および上下のクラッド層）内に漏れ出る。従
来のスイッチマトリクスでは、入力部および出力部は共
通の軸を有しており、出力端において光ファイバは、放
射モードの光を捕らえてしまう虞がある。このことは、
スイッチの消光比の悪化を招く。この問題を解決するた
めに、放射モードの光が導波路から散逸して消失するよ
うに、スイッチの領域Ｉが長くなるように設計されてい
る。
【００１４】 従来のスイッチマトリクスに使用されているスイッチ
および第１図A,第１図B,第１図Ｆに示されているような
スイッチは、共通の軸を有する入力部および出力部に縦
続された形態で用いられる。そのようなスイッチが、例
えば、Okunoらの「Strictly Nonblocking 16×16 Switc
h Using Silica Based Planar Lightwave Circuits」
（20th European Confernce on Optical Communication
s、September 25−29、1994、Firenze、Italy）に開示
されている。各スイッチが長いため、小さいチップ上に
大きなスイッチマトリクスを形成するのは困難である。
【００１５】
【発明の開示】
光ファイバの帯域幅の能力の点で、小型のままで光学
的手段によって高速データスイッチングを実現する必要
がある。
【００１６】 本発明は、スイッチマトリクス法とともに、第１図Ｇ
に示すように、２つのブランチ導波部28,30が非対称に
設計されてなる、通常“off"状態のディジタル光スイッ
チを提案する。直線状のブランチ導波部30は、他方のブ
ランチ導波部28よりも大きな寸法（幅の広さおよび層の
厚さの両方とも）で設計される。直線状のブランチ導波
部の上およびその導波部の下に、電気的な接点（電極）
が設けられる。それによってPIN構造が形成され、直線
状の導波部の屈折率を電気的に制御することが可能とな
る。その電極が“off"状態のときには、入力導波部32か
ら伝搬してきた入力光は、直線状の導波部30を通って伝
搬する。PN接合が十分な注入電流によって順バイアスさ
れると、直線状のブランチ導波部30の実効屈折率はより
小さくなる。従って、直線状の導波部30は効果的に光を
伝搬させることができなくなり、そのため入力光は他方
のブランチ導波部28内へ伝搬するように、アダバティカ
ルに（adabatically）切り替えられる。第１図Ｈには、
そのスイッチング特性が概略的に示されており、その特
性は、ディジタルスイッチの特性である。完全なノンブ
ロッキングスイッチの適用に対しては、マトリクス内で
16のスイッチのみが“on"状態となる。これは、各角部
で２つの電極が１つに組み合わされて、同じ電圧または
電流が供給されることにより制御される、という状態に
基づいている。放送の適用に対しては、各角部で２つの
電極を制御するために、異なる電圧または電流が必要と
される。それゆえ、電圧または電流の供給源が個別に必
要となる。全部で２×16−１個の供給源が必要となる。
何れのケースでも、電力消費の問題が改善される。
【００１７】 本発明においては、以下により詳細に説明されるよう
に、各角部で反射鏡は、下層クラッド層をエッチングす
る程度まで深くエッチングされている。適切に設計され
ている場合にのみ、角部の鏡は、光導波路内を搬送され
た所望の光信号を反射する。上述した放射モードの光
は、別の方向に偏向されるか、またはまっすぐ前方に伝
搬する。出力端にて光ファイバが、それら放射モードの
光を検出するのは容易でない。そのため、小型のスイッ
チを実現するために、我々は、スイッチの第１の部分
（第１図Ｇの領域Ｉの部分）がより短い設計を採用する
ことができる。
【００１８】 さらに、導波路の形状を最適化することにより、矩形
の導波路のモードが光ファイバのモードに最もよく一致
するように設計することができるとともに、スイッチの
第１の部分（第１図Ｇの領域Ｉの部分）を更に短くする
ことができる。
【００１９】 従って、本発明の目的は、複数の交差する入力導波部
および出力導波部からなるマトリクス（Ｍ×Ｎ）ででき
た、完全にノンブロッキングのクロスポイントスイッチ
を提供することである。
【００２０】 また、本発明の目的は、Ｍ×Ｎマトリクスの各交差点
を二重に使用することによって、再配列可能な２（Ｍ×
Ｎ）マトリクスを形成することである。
【００２１】 さらに、本発明の目的は、各入力導波部がビットレー
トを変えない（少なくとも10Gb/secにおいて）ようにさ
れたクロスポイントスイッチを提供することである。
【００２２】 本発明の他の目的は、組み合わされた複数のテラビッ
ト/secのビットレートに適応させるために、各入力導波
部が、複数の個別の波長の搬送波を含む光信号を処理す
ることができるようにされた効果的なＭ×Ｎクロスポイ
ントマトリクススイッチを提供することである。
【００２３】 これらおよび他の目的は、本発明の第１の発明によっ
て提供される。すなわち、第１の発明の光スイッチは、
送られてきた光信号を受け取るための入力端を有する第
１の導波路と、第１の導波路に近接された部分を有し、
かつ信号受信部へ光信号を伝送するための出力端を有す
る第２の導波路とを具備する。第１の導波路から第２の
導波路へ光信号を選択的に結合するために、第１の導波
路に近接された前記部分の近くに、結合手段が設けられ
る。好ましくは、結合手段は、外部から印加される電圧
によって制御されるようになっているとよい。
【００２４】 好ましい実施の形態においては、スイッチは、一般に
直交する複数の第１の導波路および第２の導波路で構成
されたマトリクスでできている。より好ましい実施の形
態においては、スイッチは、直交する第１の導波路およ
び第２の導波路よりなるＭ×Ｎマトリクスでできてい
る。好ましくは、結合手段は、各交差点に結合された方
向性結合器またはＹ−ブランチ型導波路でできており、
第１の導波路から第２の導波路へ、信号を選択的に向け
させるように反射する鏡を備えているとよい。好ましく
は、スイッチは、ATMネットワーク内に直接組み込まれ
得るようになっているとよい。
【００２５】 ［発明の詳細な説明］ 上述したように、第１図Ａ〜第１図Ｆには、Ｘ−ブラ
ンチ型結合器、Ｙ−ブランチ型結合器および方向性結合
器が、その特性だけでなく、光クロスポイントスイッチ
に適用された場合も含めて示されている。そのような素
子を、従来技術の複数の導波路に組み合わせることの物
理的な制限を考慮すると、大きなサイズのマトリクス形
態は非実用的である。ここでは、複数の導波路マトリク
ス形態は、第２図に概略的に示されているように、複数
の交差する入力導波部40と出力導波部42とで構成されて
いる。各交差点の斜線は、鏡やブラッグ格子のような反
射素子44を表している。その反射素子44は活性化または
非活性化され、各入力導波部40における光信号を選択的
に反射するようになっている。第２図に示すように、幾
つかの偏向素子が“on"状態になっており、それによっ
て、入力光が出力行（出力導波部）42へ伝送されてい
る。
【００２６】 理想的な状況においては、反射素子44は、“on"モー
ドのときには、導波路を伝搬するすべての信号を反射し
得るが、一方、“on"モードでないときには、導波路を
伝搬する光信号が透過するのを妨げないようになってい
る。よって、このスイッチは、厳密にノンブロッキング
であると定義され得る。同時に、マトリクスの列におけ
る各反射鏡は、パワーを分割し得るようになっており、
それゆえ、どれか一つの入力導波部の光信号がそれぞれ
の出力導波部に所定の割合で結合され得るようになって
いる。これによって、放送の可能性が提供されることと
なる。以下に、小型でかつ高速で放送を行い得る方法
が、本発明に関連して説明される。
【００２７】 説明を簡素化するために、以下の説明では、例えば第
３図に示すように、スイッチの部分のみを示し、そのス
イッチ部分についてのみ説明する。第３図には２×２ス
イッチが示されているが、本発明はこれに限定されるも
のではない。本発明の概念は、物質的な要求が満足され
得るならば、少なくとも16×16あるいはそれ以上の大き
さのクロスポイントスイッチにまで適用可能である。
【００２８】 第３図に示すように、各入力導波部50,52は、出力導
波部56,58との交差点の近傍に方向性結合器51,53,55,57
を有している。各方向性結合器51,54,55,57は、PIN構造
をなしている。入力導波部の上部電極60は適当な電源
（図示せず）に接続されていて、入力導波部に電気バイ
アスを選択的に印加し得るようになっている。特許出願
中の米国特許出願番号第08/292205号で検討されている
ように、それを参照することによってここに挿入される
内容は、電気光学的効果（ｐ−ｎ接合に逆バイアスを印
加した場合）によって、または自由キャリアの注入（ｐ
−ｎ接合に順バイアスを印加した場合）によって、方向
性結合器を調整することが可能であり、それによって光
信号を一導波部から極めて近接して配置された第２の導
波部へ選択的に結合させることができる、というもので
ある。反射素子62は、例えばエッチングされた鏡で構成
されており、方向性結合器の導波部64上に効果的に配置
されていて、光信号の向きを、出力導波部56,58に連結
された各Ｙ−ブランチ導波部66内へ向け直す。そのＹ−
ブランチ導波部66内に向き直された信号は、受信端70,7
2で検出されてさらなる処理が行われるために、各Ｙ−
ブランチ導波部66から、それに結合された出力導波部5
6,58内に伝搬される。また、何れのＹ−ブランチ導波部
66も、第３図に示すように、電極74を有しており、Ｙ−
ブランチ導波部66内の光が出力導波部56,58内へ結合す
るのを制御するようになっている。
【００２９】 第３図においては、“on"状態の方向性結合器51,57が
２つ示されている。従って、同図に示すように、信号I1
は方向性結合器51を介して出力（受信端）70へ伝送さ
れ、また信号I2は方向性結合器57を介して介して出力
（受信端）72へ伝送される。もちろん、上記組合わせは
一例であって、本発明では、方向性結合器の“on"状態
および“off"状態の他の組合わせが考えられるのは明ら
かである。
【００３０】 第３図に示す方向性結合器は、横方向に結合されてい
る。つまり、方向性結合器の導波部と、入力および出力
導波部とが、横方向にずれてはいるが、同一または実質
的に同一の平面上に配置されている。導波路を有する光
伝送システムの大きな利点の一つは、何らかの影響を受
けることなく、信号が導波路を横切ることができるとい
うことである。
【００３１】 第４図Ａには、第３図のクロスポイントスイッチとは
別の構造のクロスポイントスイッチの物質的な構造が、
簡素化されて部分斜視図として示されている。同図に
は、基板80、下部クラッド層82、導波層84、上部クラッ
ド層86および導波路マトリクス層88が示されている。第
４図Ａに示す例では、方向性結合器ではなく、Ｙ−ブラ
ンチ型結合器が用いられている。ハッチングを付した領
域は、方向性結合型導波部の上部電極90を有している。
各導波部の終端における曲がった部分は、鏡92である。
その鏡は、各導波部に対しておよそ45゜の角度をなして
おり、光信号をＹ−ブランチ導波部内へ反射するように
なっている。その鏡は、下部クラッド層82に達するま
で、深くエッチングされている。第４図Ａに示されたマ
トリクススイッチの断面斜視図は、単に一例を示してい
るに過ぎず、本発明がこの構造に限定されないのはいう
までもない。例えば、第４図Ｂは、第４図Ａに示す構造
の変形例を示している。第４図Ｂでは、Ｙ−ブランチ型
結合器の各導波部の電極は、分離している。従って、第
４図Ａにおける電極90は、第４図Ｂでは電極94,96に置
き換えられる。
【００３２】 第５図は、第３図に示されたスイッチの、全放送状態
を表す平面図である。入力導波部50における方向性結合
器51,53は、それぞれV/2（２分のＶ）およびＶで示され
た比率のバイアスが印加されて、“on"状態になってい
る。この結果、入力信号の２分の１が、方向性結合器53
によって反射されて、受信端72で出力される。一方、入
力信号の残りは、受信端70に出力される。従って、入力
信号I1のパワーP1に対して、受信端70でP1/2（２分のP
1）が現れ、残りが受信端72でP1/2（２分のP1）として
現れる。
【００３３】 第６図は、第３図に示した形態の変形例を示してお
り、第４図に示した実施の形態と同様の構造のものであ
る。この実施の形態では、入力導波部102,104および出
力導波部106,108の両方において、Ｙ−ブランチ導波部1
01,103,105,107によって、結合がなされている。周知の
ように、Ｙ−ブランチ導波部の屈折率は、電気光学的効
果、自由キャリアによる効果または熱的効果によって制
御され得る。ここでは、光信号が入力導波部を通って伝
搬するか、ブランチ導波部内へ向けられるかを決定する
のに、屈折率が使用され得る。入力導波部からＹ−ブラ
ンチ導波部のブランチガイド部109内へ向きを変えられ
た信号は、エッチングにより形成された反射鏡110によ
り反射され、出力導波部に結合されたＹ−ブランチ導波
部のブランチガイド部111内へ向きを変えられて、出力
導波部106,108内へ伝搬する。第６図に示す構造は、如
何なる瞬間においても、入力導波部において唯一の結合
器のみに光信号が伝搬するのと同じであるという点で、
厳密にノンブロッキングの適用に対するものである。特
に図示しないが、電極に印加する電圧が所定の比率とな
るように制御されたＹ−ブランチ導波部を用いることに
より、全放送に対するクロスポイントスイッチが作製さ
れ得るということは明らかである。
【００３４】 また、本発明に係るクロスポイントスイッチは、垂直
方向に結合された方向性結合器を用いても作製可能であ
る。第７図Ａは、通常“off"であるディジタル光スイッ
チの部分斜視図である。この構造においては、あるまた
は他の導波路内の光は、電極に電圧または電流のバイア
スが供給されることにより他の導波路内への結合が引き
起こされるまで、その導波路内を伝搬し続ける。第７図
Ａおよびそのあとに続く図において、光信号は、通常、
上層の導波路122へ“スイッチ”されない限り、より下
層の導波路120内を伝搬する。この第７図Ａに示す実施
の形態は、好ましい例であるが、本発明は、その構造に
限定されるものではない。
【００３５】 第７図Ｂは、電極124に電圧または電流が供給されて
結合器が“on"になった場合の光路を示している。その
ような状態では、光信号は、上層の導波路122に結合さ
れ、そして、ディジタルでの適用またはたとえアナログ
であっても、下層の導波路120へ切り替えて戻されるま
では、その導波路内を伝搬し続ける。第７図Ｃには、上
層の導波路122における相対的パワーのプロットが、バ
イアス電圧の関数として示されている。第７図Ｃに示す
例では、およそ−3.5Vのバイアスが印加されたときに、
殆どすべての信号が、上層の導波路122内へ結合され
る。従って、０〜−3.5Vのバイアス電位でスイッチング
することによって、デジタルスイッチを実際に作ること
ができるということがわかる。
【００３６】 つぎに、第７図Ａ〜第７図Ｃに示す例の、クロスポイ
ントスイッチに関連する効果について、第８図および第
９図を参照しながら説明する。第８図および第９図に
は、１×２スイッチが示されているが、本発明では、16
×16スイッチが考慮されるのはいうまでもない。第８図
に示すように、光信号は下層の導波路内に出射され、第
１の方向性結合器126の近傍までその下層の導波路内を
通って伝搬する。この第１の方向性結合器は“on"状態
であるため、その結合器において、光信号は上層の導波
路122内へ結合される。上層の導波路122における反射鏡
128は、上層の導波路のもう一方の腕部分、すなわちブ
ランチ部内へ光信号を向ける。そのもう一方の腕部分に
結合した方向性結合器130も“on"状態であるため、反射
されて向きが変えられた光信号は、下層の導波路120内
へ再び戻るように結合され、そして出力導波部132へ供
給される。実質的にすべての入力信号が方向性結合器に
よって上層の導波路に結合されるので、出力導波部134
にはまったく出力がない。上述したように、これらの図
に示された反射鏡は、その反射鏡の周囲が下層の導波路
の上面近傍まで達するようにエッチングされていること
により、形成されている。
【００３７】 第９図は、出力導波部132に結合した方向性結合器がo
ff状態で、一方、出力導波部134に結合した方向性結合
器が“on"状態の場合を示している。再び、光入力信号
は、下層の導波路120内に出射される。第１の方向性結
合器126がoff状態であるため、その結合器に結合されて
なる上層の導波路へ光信号がまったく結合されずに、す
べての信号が、第２の方向性結合器127の近傍まで下層
の導波路120を通って伝搬する。第２の方向性結合器127
は“on"状態であるため、その結合器において、光信号
は上層の導波路に結合され、反射鏡129によって右向き
に反射される。上層の導波路のもう一方の腕部分、すな
わちブランチ部の方向性結合器も“on"状態であるた
め、反射されて向きが変えられた光信号は、下層の導波
路120内へ再び戻るように結合され、そして出力導波部1
34へ出力される。上述したように、この概念は、例えば
８×８マトリクスのように、より多数の入力導波部およ
び出力導波部を有するクロスポイントスイッチにも適用
可能である。この構造の特に優れた特徴は、上層の導波
路に設けられた反射鏡を略中央に配置することができる
ため、その反射鏡を、光信号を直角に反射するために使
うことができるという点である。このことについては、
反射鏡部分の上面を表した第10図に、詳細に示されてい
る。従って、第10図を参照しながら説明する。導波路14
2の、第10図において上下に延びる導波路144の左側へ延
びる導波部140は、第２の入力導波部として使用可能で
ある。この第２の入力導波部に結合された方向性結合器
（図示省略）は、独立して制御可能でになっており、そ
れゆえ、この導波部内に出射された光信号は、上層の導
波路に結合され、この構造において適切に配置された反
射鏡146により反射され得る。続いて、この反射された
信号は、第10図において上方へ延びる導波路148に結合
された方向性結合器（図示省略）によって、下層の導波
路内へ戻されて結合される。従って、この導波路は、出
力導波部の異なる組合わせの一つとなる。よって、導波
路142の、第10図において上下に延びる導波路144の左側
へ延びる導波部140内の光信号が、反射鏡146の一方の表
面（第10図において左斜め上方に臨む面）によって導波
路148へ向けて反射され得ると同時に、その一方では、
上下に延びる導波路144における光信号は、反射鏡146の
もう一方の表面（第10図において右斜め下方に臨む面）
によって導波路142へ向けて反射され得る。この概念
は、16×16マトリクスへの適用における８×８マトリク
スの実施に関連して後述される。
【００３８】 垂直方向に結合された方向性結合器に関しての前述し
た説明は、厳密にノンブロッキングの場合について述べ
ている。また、その構造は、放送システムにも適用可能
であり、第11図Ａには、放送システムに適用した場合に
ついて概略的に示されている。各方向性結合器150は、
入力信号の光パワーを等分して分割することができるよ
うになっており、それによって、各出力導波部には等し
いレベルの光パワーが分配されて供給される。第11図Ａ
には４×４スイッチが示されているので、各方向性結合
器は、全入力パワーの25％ずつを４つの出力導波部のそ
れぞれに転送させる。このパワーの分割割合が、クロス
ポイントマトリクスの素子数に応じて変化するのは、い
うまでもない。第11図Ｂは、４つの等しい出力パワー成
分を得るために、各方向性結合器に印加される相対的な
バイアス電位を示すグラフである。
【００３９】 本発明に係るクロスポイントスイッチ構造の極めて意
義深い点は、光結合器の活性的なブランチ導波部に光増
幅器を結合させることに対する可能性である。光増幅器
は、反射鏡の表面での不完全な反射による損失だけでな
く、結合損失および伝送損失を補償するためにも使用さ
れ得る。さらに、光増幅器は、“off"状態のときには優
れた光吸収を示す。それゆえ、“off"状態のブランチの
光増幅器に結合されたすべての光は、完全に吸収され得
る。これによって、内部チャネルでのクロストークをか
なり低減させることができる。第12図Ａには、出力導波
部に結合されたＹ−ブランチ導波部のブランチ腕部162
に光増幅器が設けられてなる２×２クロスポイントスイ
ッチが、横方向に結合された状態が示されている。光増
幅器は、上述したような垂直方向に方向性結合器が結合
された構造の各導波部に設けられていてもよいのはいう
までもない。特に図示しないが、入力導波部166または
それに結合されたブランチ腕部164に光増幅器が結合さ
れていてもよい。
【００４０】 ある適用においては、電気信号を供給するために、光
検出器で出力を検出する必要がある。これは、出力導波
部の終端に、光検出器を単一的に集積することによっ
て、実現され得る。第12図Ｂには、ブランチ腕部162に
光増幅器160を有するとともに、出力導波部170,172に光
検出器168を備えた２×２クロスポイントスイッチが示
されている。第12図Ｂにおいては、各角部に分離された
電極が形成されており、入力と出力のＹ−ブランチ導波
部を独立して制御することができるようになっている。
【００４１】 以上説明したように、本発明の目的は、16の入力チャ
ネルを16の出力チャネルに処理することができる光クロ
スポイントスイッチを提供することである。第13図に
は、本発明を適用してこの目的を達成する方法が概略的
に示されている。好ましい実施の形態において、各クロ
スポイントの形態は、第８図，第９図，第10図に示され
た構造、すなわち光信号を直角に反射する45゜の反射鏡
を備え、かつ垂直方向に結合された方向性結合器に基づ
いている。この形態では、入力信号は、下層の導波路内
に出射され、方向性結合器の活性的なブランチでもっ
て、上層の導波路内を伝搬する。上層の導波路内を伝搬
した光信号は、下層の導波路へ戻されて、出力信号の受
信部に伝送される。８×８マトリクスを用いた16×16ク
ロスポイントスイッチを効果的に実現するために、上述
したように各交差点で反射鏡が２つの入力信号を反射し
得るようになっていることが必要である。第13図に示す
ように、マトリクスの行の左側が入力線λ１〜λ８にな
っている。マトリクスの列の上側が出力線λ１〜λ８に
なっている。同様に、マトリクスの列の下側が入力線λ
９〜λ16になっており、従って、マトリクスの行の右側
が出力線λ９〜λ16になっている。第13図において、
“on"状態の方向性結合器の配置は、16のすべての入力
が、両面反射鏡の概念を用いて切り替えられる方法を示
すように、選択されている。再配列可能なノンブロッキ
ングスイッチとして、他の配置が可能であるのは勿論で
ある。同様に、放送モードにおいては、異なる配置とな
る。
【００４２】 第14図は、ATMにおける16×16スイッチを表してい
る。第14図の入力I1〜I16のそれぞれは、複数の波長の
チャネルを含むことができるようになっている。例え
ば、各入力は、８つの異なる波長のチャネルを含み、各
波長のチャネルのビットレートは10Gb/sである。、８波
長のチャネルを処理することができる波長可変光フィル
タを備えた16×16スイッチを結合させることによって、
その結合されたスイッチング速度は1.28テラビット/sと
なる。これは、単なる一例に過ぎず、本発明を限定する
ものではない。
【００４３】 好ましい実施の形態においては、現在のウェハ製造技
術を用いて、クロスポイントスイッチは、5mm×5mmの寸
法のチップ内に作製される。特に適切な材料は、GaAsや
InP系材料のようなIII−Ｖ族化合物合金よりなる基板で
ある。また、本発明においては、シリコン基板や、実際
には高分子材料やガラスやシリカなどを用いてもよい。
その他、SiGe合金や、LiNbO3のような光誘起屈折材料
や、II−VI族化合物合金等の材料を用いてもよい。
【００４４】 方向性結合器およびＹ−ブランチ導波部は、アナログ
およびデジタルの何れのスイッチとしても設計可能であ
る。アナログスイッチは、２モードの干渉に基づいてお
り、デバイス長が短くなり得るが、波長の変化や偏光状
態や製造の変化に対して過敏である。ディジタルスイッ
チは、アダバティカル（adabatical）な単一モードの発
展（evolution）に基づいており、デバイス長が長くな
るが、波長および製造の変化と同様に偏光状態について
もあまり影響を受けない。
【００４５】 以上、本発明の特定の具体例を図示して説明したが、
これらの具体例に対する変更や他の実施の形態が可能で
あることは、当業者にとって明らかである。例えば、本
発明によれば、１×ＮまたはＮ×１スイッチマトリクス
が考えられる。そのスイッチは、局所的に引き起こされ
る熱光学効果によって制御され得る。しかしながら、そ
のような実施の形態の変更や他の実施の形態は、請求の
範囲により画定される本発明の範囲に含まれるのはいう
までもない。 ［図面の簡単な説明］
【図１】 第１図Ａ〜Ｆは、従来技術の基本的なスイッチ素子お
よび特性を示す図であり、第１図ＧおよびＨは、本発明
に係る通常ノーマリオンのディジタル光Ｙ型スイッチの
素子構造およびスイッチング特性を示す図である。
【図２】 第２図は、Ｍ×Ｎマトリクススイッチの原理を示す４
×４クロスポイント導波型光スイッチの概略図である。
【図３】 第３図は、入力導波部に連結される方向性結合器およ
び出力導波部に連結されるＹ−ブランチ導波部を用いた
２×２クロスポイントスイッチの平面図である。
【図４】 第４図Ａは、入力および出力の両導波部に連結される
Ｙ−ブランチ導波部を用いた２×２クロスポイントスイ
ッチを示す図であり、第４図Ｂは、第４図Ａのスイッチ
において、各−ブランチ導波部に別々の電極を備えてな
るスイッチを示す図である。
【図５】 第５図は、全放送の適用に対する２×２スイッチの平
面図である。
【図６】 第６図は、厳密にノンブロッキングの適用における両
導波部に連結したＹ−ブランチ導波部を有するスイッチ
の平面図である。
【図７】 第７図Ａ〜Ｃは、方向性結合器の光スイッチに垂直に
接続されたノーマリオフについて説明する図である。
【図８】 第８図は、垂直に接続された方向性結合器を有する１
×２スイッチの斜視図である。
【図９】 第９図は、第８図に示す素子において、出力経路が切
り替えられた状態を示す図である。
【図１０】 第10図は、再配列可能なノンブロッキングスイッチ用
の、第８図および第９図の垂直な方向性結合器における
反射鏡部分の拡大図である。
【図１１】 第11Aは、第８図および第９図に示すようなスイッチ
を備えた、パワーを分割した放送の適用におけるクロス
ポイントマトリクススイッチの概略図であり、第11図Ｂ
は、第11図Ａの素子における入力電圧に対する光パワー
のグラフである。
【図１２】 第12図Ａは、光増幅器を有する２×２スイッチの平面
図であり、第12図Ｂは、第12図Ａの２×２スイッチにお
いて、出力導波部に光検出器を備えてなるスイッチの平
面図である。
【図１３】 第13図は、８×８マトリクススイッチを用いた再配列
可能な16×16光クロスポイントスイッチに対するレイア
ウトである。
【図１４】 第14図は、ATMの適用における16×16スイッチを示す
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウー，チ カナダ国，ケイ２ビー ７エス９ オン タリオ，ネピーン，ウッドリッジ クレ セント ＃10−132 (56)参考文献 特開 昭63−6530（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−116530（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−125232（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−147139（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−199430（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−78932（ＪＰ，Ｕ) ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ， ｖｏｌ．30，Ｎｏ．10，Ｏｃｔｏ ｂｅｒ 1994，2332〜2349頁

Claims (22)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（Ａ）送られてきた光信号を受け取るため
    の入力端を有する第１の導波路と、 （Ｂ）前記第１の導波路と交差し、かつ信号受信部へ前
    記光信号を選択的に伝送するための出力端を有する第２
    の導波路と、 （Ｃ）前記第１の導波路と前記第２の導波路との交差点
    に設けられ、かつ相互に結合された第１および第２のＹ
    −ブランチ型光結合器を有するスイッチング素子と、 前記第１のＹ−ブランチ型光結合器は、前記第１の導波
    路から分岐した第１の端と、第２の遠位端と、からなる
    第１のブランチ型導波路を有し、前記第１の端と前記第
    １の導波路は、第１のPIN構造で形成され、前記第１の
    導波路と前記第１のブランチ型導波路は非対称形状を呈
    し、 前記第２のＹ−ブランチ型光結合器は、前記第２の導波
    路と融合する第２の端と、第１の遠位端と、からなる第
    ２のブランチ型導波路を有し、前記第２の端と前記第２
    の導波路は、第２のPIN構造で形成され、前記第２の導
    波路と前記第２のブランチ型導波路は、非対称形状を呈
    し、 （Ｄ）前記第１と前記第２の遠位端を光学的に結合させ
    る、90゜より小さい入射角を有する反射手段と、 （Ｅ）前記光信号を前記第１の導波路から前記第１のブ
    ランチ型導波路へ前記第１のPIN構造で切り換えるため
    に、また、前記反射手段で反射された前記光信号を前前
    記第２のブランチ型導波路から前記第２の導波路へ前記
    第２のPIN構造で切り換えるために、選択的にバイアス
    が印加されることで前記スイッチング素子の前記第１お
    よび第２のPIN構造と連携する電極手段と、 を備えたことを特徴とする光クロスポイントスイッチ。
  2. 【請求項２】前記電極手段は、前記第１および第２のPI
    N構造にバイアスを印加して、前記光信号を前記第１お
    よび第２の導波路と前記第１および第２のブランチ型導
    波路とで切換えるための電気的接点を有することを特徴
    とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイントスイッ
    チ。
  3. 【請求項３】前記電気的接点は、第１と第２の電極から
    なり、 前記第１の電極は、前記第１のPIN構造にバイアスを印
    加して、前記光信号を前記第１の導波路と前記第１のブ
    ランチ型導波路とで切り換え、 前記第２の電極は、前記第２のPIN構造にバイアスを印
    加して、前記反射手段で反射された前記光信号を前記第
    ２のブランチ型導波路と前記第２の導波路とで切り換え
    ることを特徴とする請求の範囲第２項記載の光クロスポ
    イントスイッチ。
  4. 【請求項４】マトリックスを形成する、側方に一定間隔
    で並べた複数の前記第１および第２の導波路を有するこ
    とを特徴とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイン
    トスイッチ。
  5. 【請求項５】前記反射手段は、エッチングにより形成さ
    れた鏡であることを特徴とする請求の範囲第１項または
    第４項記載の光クロスポイントスイッチ。
  6. 【請求項６】前記反射手段は、入射角が略45゜の分布ブ
    ラッグ反射器であることを特徴とする請求の範囲第１項
    または第４項記載の光クロスポイントスイッチ。
  7. 【請求項７】前記複数の第１の導波路のそれぞれに、異
    なる光信号が出射されることを特徴とする請求の範囲第
    ４項記載の光クロスポイントスイッチ。
  8. 【請求項８】前記異なる光信号は、それぞれ、個別の波
    長の搬送波で搬送されることを特徴とする請求の範囲第
    ７項記載の光クロスポイントスイッチ。
  9. 【請求項９】III−Ｖ族化合物合金よりなる基板上に作
    製されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の
    光クロスポイントスイッチ。
  10. 【請求項１０】前記III−Ｖ族化合物合金は、GaAs系の
    材料であることを特徴とする請求の範囲第９項記載の光
    クロスポイントスイッチ。
  11. 【請求項１１】前記III−Ｖ族化合物合金は、InP系の材
    料であることを特徴とする請求の範囲第９項記載の光ク
    ロスポイントスイッチ。
  12. 【請求項１２】シリコン基板上に作製されていることを
    特徴とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイントス
    イッチ。
  13. 【請求項１３】高分子材料よりなる基板上に作製されて
    いることを特徴とする請求の範囲第１項記載の光クロス
    ポイントスイッチ。
  14. 【請求項１４】Si/Ge合金上に作製されていることを特
    徴とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイントスイ
    ッチ。
  15. 【請求項１５】光誘起屈折材料上に作製されていること
    を特徴とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイント
    スイッチ。
  16. 【請求項１６】前記光誘起屈折材料は、LiNbO3であるこ
    とを特徴とする請求の範囲第15項記載の光クロスポイン
    トスイッチ。
  17. 【請求項１７】シリカ系の材料上に作製されていること
    を特徴とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイント
    スイッチ。
  18. 【請求項１８】II−VI族化合物合金よりなる基板上に作
    製されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の
    光クロスポイントスイッチ。
  19. 【請求項１９】前記第１のＹ−ブランチ型光結合器およ
    び前記第２のＹ−ブランチ型光結合器のいずれか一方
    に、光増幅器を備えたことを特徴とする請求の範囲第１
    項記載の光クロスポイントスイッチ。
  20. 【請求項２０】前記第１の導波路および第２の導波路の
    いずれか一方に、光増幅器を備えたことを特徴とする請
    求の範囲第１項記載の光クロスポイントスイッチ。
  21. 【請求項２１】前記信号受信部は、光検出器であること
    を特徴とする請求の範囲第１項記載の光クロスポイント
    スイッチ。
  22. 【請求項２２】前記光検出器は、前記出力端に単一的に
    集積されていることを特徴とする請求の範囲第21項記載
    の光クロスポイントスイッチ。
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