JP3727556B2

JP3727556B2 - Optical matrix switch

Info

Publication number: JP3727556B2
Application number: JP2001193540A
Authority: JP
Inventors: 隆司郷; 知尋柴田; 将之奥野; 俊一相馬; 善典日比野; 明姫野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP2003005231A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いる平面光波回路型の光マトリクススイッチに関し、より詳細には、アナログ的な光路切替等、柔軟な動作が可能でありながら、少ない駆動配線数で構成が可能な光マトリクススイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネットに代表されるデータートラヒックの急増に対応するために、波長多重分割（ＷＤＭ）技術等の光技術を用いた通信ネットワークの大容量化が進められている。現在、光技術はノード間を結ぶポイント−ポイントの光リンクに用いられているのみで、ノード内の処理は依然として電気技術を用いており、大容量化が進むにつれてこの電気処理のスループットの伸び悩みやコスト割合の増加が問題になってきている。
【０００３】
光スイッチを用いた光クロスコネクトシステムや光アドドロップ多重システムは、ノード内において大部分の光信号を光のままカットスルー処理することで、スループットの飛躍的な増加と低コスト化を図ることができる。このように光スイッチは、大容量で柔軟な通信ネットワークを低コストで構築するために必要不可欠なデバイスである。
【０００４】
光スイッチの実現形態としては、今までに様々な形態が開発されているが、その中でも導波路型は量産性・小型化等の面で優れている。光導波路は、従来から様々な材料系により作製されているが、そのうち、シリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり安定性及び光ファイバーとの整合性に優れているといった特徴を有し、この導波路を用いたアレイ導波路格子合分波器（ＡＷＧ）に代表される数多くの光部品が実用化され、商用システムで使用されるに至っている。
【０００５】
集積光スイッチの一つである非閉塞光マトリクススイッチは、任意の入力ポートと任意の出力ポートが接続可能な自由度の極めて高いスイッチであり、光クロスコネクトシステム等で必須となるスイッチである。石英系導波路では１６×１６規模までのマトリクススイッチが実現されている。
【０００６】
図１０（ａ）は、一般化したＭ×Ｎマトリクススイッチの全体構成図である（この図では４×４マトリクススイッチを例として挙げている）。Ｍ本の入力導波路とＮ本の出力導波路が（Ｍ×Ｎ）箇所で交差しており、交差点に光クロスポイントスイッチが置かれている。非接続状態では、光クロスポイントスイッチはクロス経路（ＯＦＦ状態）となっており、入力ポートから入射された光信号は入力導波路のみを伝搬してダミーポートへ出射される。ｍ番目の入力導波路とｎ番目の出力導波路の交差点にある光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎをバー経路（ＯＮ状態）にすると、ｍ番目の入力ポートに入射され、入力導波路を伝搬してきた光信号は、光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎで出力導波路に乗り移り、ｎ番目の出力ポートに出射され、すなわち、ｍ番目の入力導波路とｎ番目の出力導波路が接続される。この入出力ポートの接続は、入出力ポートが競合しない範囲で任意の組合わせを設定することができる。
【０００７】
図１０（ｂ）は、Ｍ＝Ｎの場合に構成可能な経路無依存損失配置と呼ばれるマトリクス構成図である（特公平６−６６９８２号公報参照）。光信号が通過する光クロスポイントスイッチ数が入出力ポートの組み合わせ（光経路）によらず一定であり、損失が均質化されるという特徴がある。一見すると、図１０（ｂ）の経路無依存損失配置構成は、図１０（ａ）の通常マトリクス構成と異なった複雑な構成に見えるが、任意の入力導波路と任意の出力導波路に対して必ず一ケ所の光路切替可能な交差点、すなわち光クロスポイントスイッチが置かれており、合計（Ｍ×Ｎ）箇所の光クロスポイントスイッチを持つことに変わりはなく、通常マトリクス構成と同じ動作により光経路の接続が行われる。
【０００８】
図１１は、光クロスポイントスイッチの一例である二重型の２×２光スイッチユニットを示す図である（特開平６−５１３５４号公報参照）。図中符号５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂは光導波路、５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂはユニット内光導波路、５３，５４は経路、５５，５６は駆動電気信号給電線、５７は１×２光スイッチ、５８は２×１光スイッチを示している。
【０００９】
光クロスポイントスイッチは、１×２光スイッチ５７と２×１光スイッチ５８の基本光スイッチとユニット内導波路５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂで構成されている。１×２光スイッチ５７と２×１光スイッチ５８が共に上側の経路（５３→５３ａ、５４ａ→５４）を選択しているとき、光クロスポイントスイッチは、クロス経路（５１ａ→５２ｂ、５１ｂ→５２ａ）となる。そして、１×２光スイッチ５７と２×１光スイッチ５８が共に下側の経路（５３→５３ｂ、５４ｂ→５４）を選択しているとき、光クロスポイントスイッチは、バー経路（５１ｂ→５２ｂ）となる。この光クロスポイントスイッチは、クロス経路時のバー経路への漏れ光を１×２光スイッチ５７と２×１光スイッチ５８の２段のスイッチで阻止するので高い消光比が得られ、光マトリクススイッチの出力ポートへ漏れ込むクロストークを低く抑えることができる。
【００１０】
図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、マッハツェンダー干渉計型２×２光スイッチ（ＭＺＩ光スイッチ）の構成図で、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図（ｃ）は図（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。図中符号６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂは光導波路、６３は薄膜ヒータ、６４，６５は方向性結合器、６６は駆動電気配線、６７は導波路コア、６８はクラッド、６９は基板である。
【００１１】
これら基本光スイッチの構成方法は、様々な構成方法があるが、石英系導波路では、熱光学位相シフター（薄膜ヒータ）６３を有する二本のアーム導波路の両端を２個の３ｄＢ結合器６４，６５で接続したマッハツェンダー干渉計型２×２光スイッチ（ＭＺＩ光スイッチ）の構成を用いている。
【００１２】
１×２光スイッチでは、光導波路６１ｂが未接続導波路となり、光導波路６１ａ，６２ａ，６２ｂがそれぞれ経路５３，ユニット内光導波路５３ａ，５３ｂとなる。同様に２×１光スイッチでは、光導波路６２ｂが未接続導波路となり、光導波路６１ａ，６１ｂ，６２ａがそれぞれユニット内光導波路５４ａ，５４ｂ，経路５４となる。このＭＺＩスイッチは、通常、二本のアーム導波路に半波長の光路長差を設けているので、熱光学位相シフターを駆動（通電）しないときには、公知の干渉原理によりバー経路（６１ａ→６２ａ，６１ｂ→６２ｂ）で光が伝搬し、熱光学位相シフターを駆動して熱光学効果により半波長の光路長差を打ち消したときにはクロス経路（６１ａ→６２ｂ、６１ｂ→６２ａ）で伝搬する。
【００１３】
また、熱光学ヒータへの駆動量を調整して二本のアーム導波路の光路長差をゼロから半波長に連続的に変化させると、光路がクロス経路からバー経路へ連続的に変化する。すなわち、ＯＮ／ＯＦＦスイッチとしてだけでなく、アナログスイッチとしても動作する。従って、このＭＺＩスイッチはクロス経路とバー経路の分配比を調整することで、減衰器として動作させたりマルチキャストやブロードキャストを行う分岐器等として動作させることができる。
【００１４】
石英系導波路を用いた熱光学スイッチは、火炎堆積法（ＦＨＤ）や化学気相堆積法（ＣＶＤ）などのガラス膜堆積技術と反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）などの微細加工技術を組み合わせて作製される。具体的には、シリコンウェハー等の基板上に先ず下部クラッド層となるガラス膜を、次に屈折率がクラッド層よりもやや高いコア層を堆積する。そして、光回路となるコアパターンを微細加工技術によりパターン化し、引き続き、上部クラッド層となるガラス膜を堆積し、最後に、熱光学位相シフターとなる薄膜ヒータとこれに給電を行う配線を形成して光スイッチチップが作製される。この光スイッチチップに給電線及び光ファイバーを接続し、放熱フィン付きケースに収納して光スイッチモジュールが完成する。
【００１５】
実際に、図１０（ｂ）に示すマトリクス構成と、図１１に示す光クロスポイントスイッチとを用いて作製された８×８光マトリクススイッチでは、平均挿入損失５ｄＢ、平均ＯＮ／ＯＦＦ消光比６０ｄＢの優れた特性が得られている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような光マトリクススイッチモジュール、特に入出力ポート数が大きなモジュールでは、駆動回路（駆動電源回路）の数が膨大な量になるという問題があった。各光クロスポイントの制御は、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、各基本光スイッチに個別に配線された給電線に、それぞれアナログ調整可能な駆動電源回路を接続して行っている。なお、図（ｂ）は図（ａ）に示す二重型光スイッチの拡大図である。図中符号７１は入力導波路、７２は出力導波路、７３は駆動信号給電線、７４は個別駆動（電源）回路、７５は二重型光スイッチ、７６は１×２光スイッチ、７７は２×１光スイッチ、７８はユニット内導波路を示している。Ｎ×Ｍスイッチの場合、必要な駆動電源回路は（Ｍ×Ｎ）×２個になり、例えば１６×１６スイッチの場合は５１２個もの駆動電源回路が必要になる。
【００１７】
駆動電源回路を簡素化する方法としては、図１４に示すように、駆動電源回路を１つにまとめ給電線をまとめて接続し、それぞれの給電線に電気のＯＮ／ＯＦＦデジタルスイッチを直列に接続する方法がある。図中符号８１は入力導波路、８２は出力導波路、８３は駆動信号給電線、８４は共有駆動（電源）回路を示している。この場合、電気デジタルスイッチが（Ｍ×Ｎ）×２個必要となるが、アナログ調整可能な駆動電源回路に比べれば、一般的に簡素な集積回路で実現が可能である。しかしながら、この方法の場合、電気デジタルスイッチで光スイッチの駆動を制御するため、光スイッチの動作もデジタル的にしか動作しなくなり、減衰器として動作させたりマルチキャストやブロードキャストを行う分岐器として動作させることが不可能になるといった大きなデメリットがあった。
【００１８】
そこでマトリクススイッチの動作状態を注意深く考察し、ＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチは、全くランダムにＭ×Ｎマトリクス上に存在するのではなく、ある制約の下に存在することを見いだした。例えば、通常のユニキャスト動作では、ある入力導波路上にあるＮ個の光クロスポイントスイッチの内でＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチは１個だけであり、また、ある出力導波路上にあるＭ個の光クロスポイントスイッチの内でＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチは１個だけである。マルチキャストやブロードキャストの場合では、ある入力導波路上にあるＮ個の光クロスポイントスイッチの内でＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチは複数個あるが、ある出力導波路上にあるＭ個の光クロスポイントスイッチの内でＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチは１個だけである。
【００１９】
このような制約条件を整理してみると、駆動電源回路は幾つかの回路に集約して共通化することができることが分かった。また、この共有化を前述した二重型の２×２光スイッチユニットを光クロスポイントスイッチに用いているマトリクススイッチにて最適化することで、最も自由度が高く効果的に共有化が行えることを見いだした。
【００２０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、アナログ的な光路切替のような柔軟な動作が可能であるとともに、少ない駆動配線数で構成を可能とする光マトリクススイッチを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に作製されるＭ本の入力導波路とＮ本の出力導波路とＭ×Ｎ個の光クロスポイントスイッチとからなり、（ｍ，ｎ）番の光クロスポイントスイッチは、ｍ番目の入力導波路とｎ番目の出力導波路を接続する光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）であり、該光クロスポイントスイッチは、１×２光スイッチと２×１光スイッチと光クロスポイントスイッチユニット内導波路とから構成される二重型光スイッチであり、前記１×２光スイッチと前記２×１光スイッチは、駆動回路で制御される電気信号レベルにより連続的に経路が切り替わるアナログ光スイッチである光マトリクススイッチであって、前記アナログ光スイッチは、前記駆動回路からの電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、前記電気信号レベルを設定する幾つかの前記駆動回路は、グループ化されかつ共有化されている共有駆動回路であることを特徴とする。（図１、図５の構成に相当）
【００２２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、出力導波路（ｎ番目）毎に、該出力導波路に接続されている一部或いはＭ個全部の光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，ｎ）の１×２光スイッチで共有化された駆動回路と、入力導波路（ｍ番目）毎に、該入力導波路に接続されている一部或いはＮ個全部の光クロスポイントスイッチ（ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の２×１光スイッチで共有化された駆動回路とで構成されていることを特徴とする。（図１の構成に相当）
【００２３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、出力導波路（ｎ番目）毎に、該出力導波路に接続されている一部或いはＭ個全部の光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，ｎ）の１×２光スイッチで共有化された駆動回路と、一部或いは全光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の２×１光スイッチで共有化された駆動回路とで構成されていることを特徴とする。（図２の構成に相当）
【００２４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、入力導波路（ｍ番目）毎に、該入力導波路に接続されている一部或いはＮ個全部の光クロスポイントスイッチ（ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の２×１光スイッチで共有化された駆動回路と、一部或いは全光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の１×２光スイッチで共有化された駆動回路とで構成されていることを特徴とする。（図２の構成に相当；ａ側が全て共有され、ｂ側は導波路毎に共有）
【００２５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、出力導波路（ｎ番目）毎に、該出力導波路に接続されている一部或いはＭ個全部の光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，ｎ）の１×２光スイッチで共有化された駆動回路と、出力導波路（ｎ番目）毎に、該出力導波路に接続されている一部或いはＭ個全部の光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，ｎ）の２×１光スイッチで共有化された駆動回路とで構成されていることを特徴とする。（図３の構成に相当）
【００２６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、入力導波路（ｍ番目）毎に、該入力導波路に接続されている一部或いはＮ個全部の光クロスポイントスイッチ（ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の１×２光スイッチで共有化された駆動回路と、入力導波路（ｍ番目）毎に、該入力導波路に接続されている一部或いはＮ個全部の光クロスポイントスイッチ（ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の２×１光スイッチで共有化された駆動回路とで構成されていることを特徴とする。（図３の構成に相当；共有が出力導波路毎）
【００２７】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、出力導波路（ｎ番目）毎に、該出力導波路に接続されている一部或いはＭ個全部の光クロスポイントスイッチ（１≦ｍ≦Ｍ，ｎ）の１×２光スイッチ及び２×１光スイッチで共有化された駆動回路で構成されていることを特徴とする。（図４の構成に相当）
【００２８】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記共有駆動回路は、入力導波路（ｍ番目）毎に、該入力導波路に接続されている一部或いはＮ個全部の光クロスポイントスイッチ（ｍ，１≦ｎ≦Ｎ）の１×２光スイッチ及び２×１光スイッチで共有化された駆動回路で構成されていることを特徴とする。（図４の構成に相当；共有が出力導波路毎）
【００２９】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８いずれかに記載の発明において、前記電気デジタルスイッチが、各光クロスポイントスイッチ毎の１×２光スイッチと２×１光スイッチで共有されていることを特徴とする。（図６の構成に相当）
【００３０】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９いずれかに記載の発明において、前記共有駆動回路の一部或いは全部において、該共有駆動回路の電気信号レベルを該アナログ光スイッチへ伝達する給電線の少なくとも一部分が、前記共有駆動回路毎に共有化されていることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記給電線の共有化が、請求項１に記載の光マトリクススイッチを集積化したチップ上で行われていることを特徴とする。
【００３２】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、請求項１に記載の光マトリクススイッチを集積化したチップが制御配線を集積したモジュール基板に実装され、前記給電線の共有化がモジュール基板上で行われていることを特徴とする。
【００３３】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２いずれかに記載の発明において、前記電気デジタルスイッチは２個のトランジスタで構成され、一方のトランジスタは駆動回路からの電気信号レベルを遮断するためにアナログ光スイッチと駆動回路の間に挟まれて接続され、他方のトランジスタは該トランジスタのＯＮ／ＯＦＦを制御するために、該トランジスタの制御端子とアースに挟まれて接続されていることを特徴とする。（図７の構成に相当）
【００３４】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至１３いずれかに記載の発明において、前記１×２光スイッチと２×１光スイッチは、それぞれ、入出力ポートが一つ未接続となった２×２光スイッチで構成されていることを特徴とする。
【００３５】
つまり、本発明は、Ｍ×Ｎマトリクススイッチにおける具体的な構成として、以下のような構成を採っている。各基本アナログ光スイッチ（１×２光スイッチ、２×１光スイッチ）は、駆動回路からの電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、駆動回路は次のいずれかのようにグループ化され共有化されている。
【００３６】
（１）１×２光スイッチを制御する駆動回路は、出力導波路毎にグループ化してＮ個に共有化する。２×１光スイッチを制御する駆動回路は、入力導波路毎にグループ化してＭ個に共有化されている。
【００３７】
（２）１×２光スイッチを制御する駆動回路は、出力導波路毎にグループ化してＮ個に共有化する。２×１光スイッチを制御する駆動回路は、全てまとめて１個に共有化されている。
【００３８】
（３）１×２光スイッチを制御する駆動回路は、全てまとめて１個に共有化する。２×１光スイッチを制御する駆動回路は、入力導波路毎にグループ化してＭ個に共有化されている。
【００３９】
（４）１×２光スイッチおよび２×１光スイッチを制御する駆動回路は、それぞれ出力導波路毎にグループ化して２Ｎ個に共有化されている。
【００４０】
（５）１×２光スイッチおよび２×１光スイッチを制御する駆動回路は、それぞれ入力導波路毎にグループ化して２Ｍ個に共有化されている。
【００４１】
（６）１×２光スイッチおよび２×１光スイッチを制御する駆動回路は、出力導波路毎にグループ化してＮ個に共有化されている。
【００４２】
（７）１×２光スイッチおよび２×１光スイッチを制御する駆動回路は、入力導波路毎にグループ化してＭ個に共有化されている。
【００４３】
これらの共有化は、上述したように完全に共有化を行えば最も駆動回路数を削減できるが、部分的であってもその共有数に見合った削減効果が得られる。
【００４４】
また、以下のような構成が加わっても良い。
上述した光マトリクススイッチにおいて、各光クロスポイントスイッチ毎の１×２光スイッチと２×１光スイッチで電気デジタルスイッチが共有化されている。
【００４５】
上述した光マトリクススイッチにおいて、駆動回路の電気信号レベルをアナログ光スイッチへ伝達する給電線の少なくとも一部分が、共有駆動回路毎に共有化されている。
【００４６】
上述した給電線の共有化が、光マトリクススイッチを集積化したチップ上で行われている。
【００４７】
上述した光マトリクススイッチを集積化したチップが、制御配線を集積したモジュール基板に実装され、上述した給電線の共有化が、モジュール基板上で行われている。
【００４８】
上述した電気デジタルスイッチは２個のトランジスタで構成され、一方のトランジスタは駆動回路からの電気信号レベルを遮断するためにアナログ光スイッチと駆動回路の間に挟まれて接続され、他方のトランジスタは該トランジスタのＯＮ／ＯＦＦを制御するために、トランジスタの制御端子とアースに挟まれて接続されている。
【００４９】
上述した１×２光スイッチと２×１光スイッチは、それぞれ、入出力ポートが一つ未接続となった２×２光スイッチで構成されている。
【００５０】
（１）のように各入出力導波路毎にグループ分けして共有化した場合、動作上の自由度を保ったまま、アナログ駆動電源回路を（Ｎ＋Ｍ）個に大幅に削減する事ができる。具体的には、通常のユニキャスト動作の他に、マルチ／ブロードキャスト等の分岐動作や、逆に複数の入力ポートからの光信号を１つの出力ポートに集める合流動作、また、広帯域平坦特性を持つ減衰器としての動作など、個別に駆動電源回路を備えた場合とほぼ同等の動作を維持できる。
【００５１】
（ａ）ユニキャスト動作
単純な通常のユニキャスト動作の場合は、各共有駆動電源回路の出力電気信号レベルをアナログ光スイッチがＯＮ動作となるレベル（ＯＮレベル）に合わせておき、各アナログ光スイッチの電気デジタルスイッチを導通／遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）でスイッチ動作が実現できる。
【００５２】
（ａ’）ユニキャスト動作における減衰動作および広帯域平坦減衰動作
このユニキャストの場合、前述したように、ある入力導波路（例えばｍ番目の入力導波路）上にあるＮ個の光クロスポイントスイッチの内でＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチは高々１個だけであり、また、ある出力導波路（例えばｎ番目の出力導波路）上にあるＭ個の光クロスポイントスイッチの内でＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチも高々１個だけである。
【００５３】
したがって、ＯＮ状態となる１個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの電気デジタルスイッチのみが導通（ＯＮ）状態となり、ｍ番目の入力導波路上及びｎ番目の出力導波路上の他の光クロスポイントスイッチの電気デジタルスイッチは遮断（ＯＦＦ）状態となるので、入力導波路側でグループ化されたｍ番目の共有駆動電源回路はＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの２×１光スイッチだけに接続され、出力導波路側でグループ化されたｎ番目の共有駆動電源回路はＯＮ状態となる光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの１×２光スイッチだけに接続される。したがって、これら２つの共有駆動電源回路は他の光スイッチに影響を与えることなく、電気信号レベルを制御できるのでこれの調整により減衰動作を行うことができる。
【００５４】
１×２光スイッチと２×１光スイッチにＭＺＩスイッチのような波長依存性を持つスイッチを用いる場合、この減衰動作において、１×２光スイッチと２×１光スイッチへの電気信号レベルを単純に同じようにＯＮレベルとＯＦＦレベルの間に設定するだけでは、この減衰量に波長依存性が生じてしまう。しかし、１×２光スイッチと２×１光スイッチへの電気信号レベルの関係をうまく選び別々のレベルに調整し、１×２光スイッチと２×１光スイッチで逆の波長依存性を持たせることにより、この波長依存性は低減することができ、広帯域平坦動作が可能である（特願平１１−１６４１４４号参照）。（１）の共有化の方法では、１×２光スイッチと２×１光スイッチが別々に調整可能であるので、この広帯域平坦減衰動作が可能となる。
【００５５】
（ｂ）分岐動作
マルチ／ブロードキャスト等の分岐動作の場合は、光クロスポイントスイッチにおいて分岐動作が必要となる。分岐動作を行う光クロスポイントスイッチの１×２光スイッチは電気信号レベルを分岐比に応じた中間レベルに調整し、２×１光スイッチは電気信号レベルをＯＮレベルに設定する。この分岐比Ｒはマルチ／ブロードキャストする分岐数ｋに依存し、また、入力ポート側から数えた分岐位置ｉにも依存し、Ｒ＝１／（ｋ−ｉ＋１）となる。従って、１×２光スイッチの電気信号レベルは個別に調整可能でなければならない。例えば、等分配に３分岐する場合は、入力ポート側から数えて最初の分岐点である光クロスポイントスイッチでは３３％分岐、２番目の分岐点では５０％分岐、最後の分岐点では１００％分岐といった比率に設定する必要がある。
【００５６】
マルチ／ブロードキャスト等の分岐動作では、マルチ／ブロードキャストを行う信号光が入射されている入力導波路（例えば、ｍ番目の入力導波路）上にあるＮ個の光クロスポイントスイッチの内で分岐状態となる光クロスポイントスイッチは分岐数個あるが、マルチ／ブロードキャストされた信号光が出射される出力導波路（例えば、ｎ番目の出力導波路）上にあるＭ個の光クロスポイントスイッチの内で分岐状態となる光クロスポイントスイッチは１個だけである。
【００５７】
したがって、ｎ番目の出力導波路上で見ると、分岐状態となる１個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの電気デジタルスイッチのみが導通（ＯＮ）状態となり、他の光クロスポイントスイッチの電気デジタルスイッチは遮断（ＯＦＦ）状態となるので、出力導波路側でグループ化されたｎ番目の共有駆動電源回路は分岐状態となる１個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの１×２光スイッチだけに接続される。したがって、１×２光スイッチの共有駆動電源回路は他の１×２光スイッチに影響を与えることなく、電気信号レベルを制御できるのでこれの分岐量調整により等分配の分岐動作等を行うことができる。
【００５８】
ｍ番目の入力導波路上で見ると、分岐数個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの電気デジタルスイッチが導通（ＯＮ）状態となり、入力導波路側でグループ化されたｎ番目の共有駆動電源回路は分岐状態となる分岐数個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｍ，ｎの２×１光スイッチ全てに接続される。しかし、２×１光スイッチは、中間レベル調整は必要なく全てＯＮレベルに設定すれば良いので、特に問題は生じない。
【００５９】
以上のような動作により、原理的には過剰損失を伴うことなく、これら分岐動作を行うことができる。
【００６０】
（ｃ）合流動作
合流動作は、基本的に分岐動作の入出力が逆になった場合であるので、上述の記述において、入力導波路と出力導波路、及び１×２光スイッチと２×１光スイッチをそれぞれ読み替えて考えればよい。
【００６１】
したがって、合流動作においても原理的には過剰損失を伴うことなく合流動作を行うことができる。
【００６２】
（２）の構成では、２×１光スイッチにおいて駆動回路が全てまとめて１個に共有化され、個別に調整することができなくなるので、合流動作ができなくなる。また、単純な減衰動作は１×２光スイッチの調整で行えるが、１×２光スイッチと２×１光スイッチの調整が必要な広帯域平坦な減衰動作は難しくなる。しかしながら、アナログ駆動電源回路を（Ｎ＋１）個に更に削減する事ができる。
【００６３】
（３）の構成は、（２）の構成における２×１光スイッチの共有化が１×２光スイッチの共有化に入れ替わった構成なので、（２）と同様の理屈で、分岐動作ができなくなり、広帯域平坦な減衰動作が難しくなる。しかしながら、アナログ駆動電源回路を（Ｍ＋１）個に削減することができる。
【００６４】
（４）の構成では、２×１光スイッチにおいて駆動回路が入力導波路毎ではなく出力導波路毎に共有化されているので、（１）の構成と比べて合流動作だけができなくなる。しかしながら、必要なアナログ駆動電源回路の数は２Ｎ個であるので、Ｎ＜Ｍの場合は数を抑えることができる。
【００６５】
（５）の構成は、（４）の構成における入力導波路毎の共有化が出力導波路毎の共有化に入れ替わった構成なので、（１）の構成と比べて分岐動作だけができなくなる。しかしながら、必要なアナログ駆動電源回路の数は２Ｍ個であるので、Ｎ＞Ｍの場合は数を抑えることができる。
【００６６】
（６）の構成では、（４）構成で更に１×２光スイッチと２×１光スイッチの駆動回路を共有化しているので、（１）の構成と比べて合流動作ができなくなり、また、単純な減衰動作は可能であるが広帯域平坦な減衰動作は難しくなる。更に分岐動作において、２×１光スイッチが１×２光スイッチと同じ中間レベルに設定されてしまうので、過剰損失が生じてしまう。しかしながら、アナログ駆動電源回路をＮ個と大幅に削減することができる。
【００６７】
（７）の構成は、（６）の構成における入力導波路毎の共有化が出力導波路毎の共有化に入れ替わった構成なので、（１）の構成と比べて分岐動作ができなくなり、また、単純な減衰動作は可能であるが広帯域平坦な減衰動作は難しくなる。更に合流動作において、過剰損失が生じてしまう。しかしながら、アナログ駆動電源回路をＭ個に削減することができる。
【００６８】
また、各光クロスポイントスイッチ毎の１×２光スイッチと２×１光スイッチで電気デジタルスイッチを共有化することで、電気デジタルスイッチの数も半分に削減することができる。
【００６９】
また、駆動回路の電気信号レベルをアナログ光スイッチへ伝達する給電線の少なくとも一部分を共有駆動回路毎に共有化することで、給電線のレイアウト領域を削減することができる。
【００７０】
また、給電線の共有化を、光マトリクススイッチを集積化したチップ上で行うことで、チップとモジュール間の給電端子接続数を削減することができる。
【００７１】
また、給電線の共有化をモジュール基板上で行うことで、モジュールの電気コネクタのピン数を大幅に削減することができる。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図で、少ない駆動回路数で完全個別駆動可能な光マトリクススイッチの構成図である。図（ｂ）は図（ａ）における二重型型光スイッチの拡大図である。図中符号１ａ，２ａ，３ａ、４ａは１×２光スイッチ用共有駆動（電源）回路、１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂは２×１光スイッチ用共有駆動（電源）回路、１１は入力導波路、１２は出力導波路、１３，１４は駆動信号給電線、１５は、二重型光スイッチ、１６は１×２光スイッチ、１７は２×１光スイッチ、１８はユニット内導波路を示している。４本の入力導波路と４本の出力導波路が格子状に１６箇所で交差しており、交差点に前述した二重型の光クロスポイントスイッチが置かれている。
【００７３】
図５は、第１の実施例における二重型の光クロスポイントスイッチおよび電気制御回路などの具体的な構成図で、図中符号２１は、光マトリクススイッチチップ、２２は電気接続端子、２３ａ，２３ｂは電気デジタルスイッチである。
【００７４】
二重型光クロスポイントスイッチを構成する１×２光スイッチ１６と２×１光スイッチ１７には、従来同様に半波長の光路長差が設けられているＭＺＩ光スイッチを用いている。各ＭＺＩ光スイッチにおいて光路長が短いアーム導波路上の熱光学ヒータに電気配線が接続されている。電気配線の一方には電気デジタルスイッチ２３ａ，２３ｂが接続され、もう一方にはアナログ出力可能な駆動電源（駆動回路）１ａ，１ｂが接続されている。この電気デジタルスイッチ２３ａ，２３ｂは、トランジスタ回路が多数集積されたＩＣを用いており、ＴＴＬレベルの入力により、導通／遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）動作をする。
【００７５】
従来の構成と大きく異なる点は、アナログ駆動回路を１×２光スイッチ用に出力導波路毎に共有化し、２×１光スイッチ用に入力導波路毎に共有化している点である。すなわち、共有駆動回路１ａに４個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｘ， ₁；ｘ＝１〜４の１×２光スイッチ１６を並列接続し、同様に２ａ〜３ａにＳＷ_ｘ， ₂〜ＳＷ_ｘ，４を並列接続している。また、共有駆動回路１ｂに４個の光クロスポイントスイッチＳＷ₁ _，ｙ；ｙ＝１〜４の２×１光スイッチ１７を並列接続し、同様に２ｂ〜３ｂにＳＷ_２，ｙ〜ＳＷ_４，ｙを並列接続している。これにより、駆動回路数を個別接続時の１６個から８個に削減することができた。また、駆動回路への配線も共有駆動回路毎に部分的に共有化して配線面積を削減すると共に、光マトリクススイッチチップ２１からの電気接続端子２２も併せて削減している。
【００７６】
このような光マトリクススイッチチップは、厚さ１ｍｍ直径４インチのシリコン基板上に公知の従来技術を用いて作製した。石英系導波路はＳｉＣｌ_４やＧｅＣｌ_４などの原料ガスの加水分解反応を利用した火炎加水分解反応堆積技術による石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、局所加熱用の薄膜ヒータは真空蒸着法およびエッチングにより作製した。コアの断面寸法は６μｍ角であり、コアとクラッド間の比屈折率差は０．７５％である。このウェハーをダイシングにより切り出してセラミック基板に固定し、入出力導波路にはシングルモードファイバーを接続し、各薄膜ヒータへの給電配線には給電リードを接続して光マトリクススイッチモジュールとした。
【００７７】
この光マトリクススイッチモジュールには、光マトリクススイッチチップの他に、前述した電気デジタルスイッチを集積したＩＣと、制御信号のシリアル／パラレル変換回路を搭載している。このシリアル／パラレル変換回路は、シリアル信号で入ってきた制御情報をＴＴＬレベルのパラレル信号に変換し出力するものであり、前述した電気デジタルスイッチの制御入力へ接続されている。本発明の場合、光クロスポイントの数である１６本のパラレル信号線が備えられており、シリアル／パラレル変換回路と前述の電気デジタルスイッチを集積したＩＣを接続している。このシリアル／パラレル変換回路を搭載することにより、光モジュールからの電気信号端子数は３本程度のシリアル制御信号線とアナログ駆動電源回路へ接続する８本の駆動信号給電線にグランド線であり、光モジュールからの電気接続端子数も削減することができた。この削減効果は光マトリクススイッチチップの規模が大きいものほどその効果が大きくなる。
【００７８】
電気デジタルスイッチ等の電気回路は、光スイッチモジュール内での集積に限定されるものではなく、モジュール外においても構わないが、モジュールからの電気接続コネクターの削減、及び集積化によるシステムの小型化という観点からは、モジュール内に集積した方が好ましい。
【００７９】
このようにして作製された光マトリクススイッチは、以下のように様々な動作を行うことができた。
（ａ）ユニキャスト動作
各共有駆動回路の出力電圧（出力電気信号レベル）は、ＭＺＩ光スイッチがＯＮ動作となる電圧（ＯＮレベル）に合わせておき、シリアル制御信号線を介して所望の光クロスポイントスイッチ（入力導波路線上及び出力導波路線上で２つ以上が重ならない任意のクロスポイント、０〜４個が選択）の電気デジタルスイッチを導通（ＯＮ）にし、他の電気デジタルスイッチを遮断（ＯＦＦ）にすることで、厳密非閉塞に任意の入出力ポートの組の光経路を構成することができた。このときの挿入損失は約３ｄＢであった。また、各光経路の消光比（光経路構成時と非構成時の損失値の比）は、約６０ｄＢと機械式光スイッチ並の特性が実現できた。
【００８０】
本発明では、ＯＮレベルは一定としたが、各ＭＺＩ光スイッチのＯＮレベルは、同一チップ内でもわずかに異なる。通常の光マトリクススイッチでは、このずれによる影響（主に損失の増加）は無視できるほど小さいが、本発明の構成では、次の減衰動作で説明するように、このＯＮ駆動しているクロスポイントスイッチを独立にアナログ調整駆動できるので、このずれを完全に調整して制御することも可能である。
【００８１】
（ａ’）ユニキャスト動作における減衰動作および広帯域平坦減衰動作
上述したように、ユニキャスト動作では、電気デジタルスイッチを導通（ＯＮ）にしている光クロスポイントスイッチは入力導波路線上及び出力導波路線上で２つ以上存在しないので、入力導波路毎または出力導波路毎に共有化されたアナログ駆動回路はそれぞれ一つのＭＺＩ光スイッチにしか接続されない。したがって、電気デジタルスイッチが導通（ＯＮ）になっている各光クロスポイントスイッチを完全に個別調整駆動することが可能である。実際に、ＭＺＩ光スイッチの駆動回路のアナログ出力をゼロからＯＮレベルに連続に変化させることで、設定光経路での信号光透過率を連続的に変化させることができた。
【００８２】
また、光クロスポイントスイッチ内の１×２光スイッチと２×１光スイッチも完全に個別調整駆動することが可能である。一般に、光路長差が０〜半波長までのＭＺＩと光路長差が半波長から１波長までのＭＺＩでは、透過率の波長依存性が逆傾向となる。従って、１×２光スイッチと２×１光スイッチで逆特性を持たせて減衰動作を行うことにより広範囲な波長において平坦な透過特性を持たせることができる（特願平１１−１６４１４４号参照）。本発明の広帯域平坦減衰動作では、１×２光スイッチでは光路長差を０〜半波長で、２×１光スイッチでは光路長差を半波長〜１波長で、両者の波長特性の傾きが正負逆で絶対値が同じになるようにして変化させた。これにより、１０ｄＢ減衰の場合でも１４００〜１６００ｎｍ内での減衰量の波長依存性を０．５ｄＢ以内に抑えることができた。
【００８３】
これらの減衰動作は、モジュールの損失均一化を行うときにも用いることができる。通常、作製されるスイッチチップはその作製誤差等の要因により各光経路において挿入損失が微妙にばらつく。この値は４×４スイッチ場合で０．５ｄＢ以下と小さいが、この減衰動作により、損失が小さい光経路の損失を大きくして損失が最も大きい光経路の損失に合わせることにより、損失のばらつきが測定器の再現性以下まで均一化できることを確認した。
【００８４】
（ｂ）分岐動作
マルチキャスト動作として、例えば、１）入力ポート２→出力ポート１，２→２，２→４，３→３の光経路設定パターンや、２）１→１，１→３，３→２，３→４の光経路設定パターンを確認した。
【００８５】
１）ではＳＷ_２，１，ＳＷ_２，２，ＳＷ_２，４，ＳＷ_３，３の電気デジタルスイッチだけを導通（ＯＮ）にし、２×１光スイッチ及びユニキャストであるＳＷ_３，３の１×２光スイッチに接続されている共有駆動回路１ｂ〜４ｂ，３ａの出力電圧（出力電気信号レベル）は、ＭＺＩ光スイッチがＯＮ動作となる電圧（ＯＮレベル）に合わせておく。入力ポート２からの光信号は順にＳＷ_２，４，ＳＷ_２，２，ＳＷ_２，１で３分岐されるので、それぞれの１×２光スイッチに接続されている共有駆動回路４ａ，２ａ，１ａは順にＭＺＩ光スイッチの分岐比が３３％，５０％，１００％となるように電圧レベルを合わせる。このように動作させることで、入力ポート２からの光信号を出力ポート１，２，４に等分配分岐することができた。尚、３分岐した経路の損失はユニキャスト時に比べると、分配損失分の４．８ｄＢ程度、大きくなっている。
【００８６】
２）ではＳＷ_１，１，ＳＷ_１，３，ＳＷ_３，２，ＳＷ_３，４の電気デジタルスイッチだけを導通（ＯＮ）にし、２×１光スイッチに接続されている共有駆動回路１ｂ〜４ｂの出力電圧（出力電気信号レベル）は、ＭＺＩ光スイッチがＯＮ動作となる電圧（ＯＮレベル）に合わせておく。入力ポート１からの光信号は順にＳＷ_１ _, _３，ＳＷ_１，１で２分岐されるので、それぞれの１×２光スイッチに接続されている共有駆動回路３ａ，１ａは、順にＭＺＩ光スイッチの分岐比が５０％，１００％となるように電圧レベルを合わせる。
【００８７】
同様に、入力ポート３からの光信号は順にＳＷ_３，４，ＳＷ_３，２で２分岐されるので、それぞれの１×２光スイッチに接続されている共有駆動回路４ａ，２ａは、順にＭＺＩ光スイッチの分岐比が５０％，１００％となるように電圧レベルを合わせる。このように動作させることで、入力ポート１からの光信号を出力ポート１，３に等分配分岐し、入力ポート３からの光信号を出力ポート２，４に等分配分岐することができた。なお、２分岐した経路の損失は、ユニキャスト時に比べると、分配損失分の３ｄＢ程度、大きくなっている。
【００８８】
また、ブロードキャスト動作として、例えば、入力ポート２→出力ポート→１，２→２，２→３，２→４の光経路設定パターンを確認した。ＳＷ_２，１，ＳＷ_２，２，ＳＷ_２，３，ＳＷ_２，４の電気デジタルスイッチだけを導通（ＯＮ）にし、２×１光スイッチに接続されている共有駆動回路１ｂ〜４ｂの出力電圧（出力電気信号レベル）は、ＭＺＩ光スイッチがＯＮ動作となる電圧（ＯＮレベル）に合わせておく。入力ポート２からの光信号は、順にＳＷ_２，４，ＳＷ_２，３，ＳＷ_２，２，ＳＷ_２，１で４分岐されるので、それぞれの１×２光スイッチに接続されている共有駆動回路４ａ，３ａ，２ａ，１ａは、順にＭＺＩ光スイッチの分岐比が２５％，３３％，５０％，１００％となるように電圧レベルを合わせる。このように動作させることで、入力ポート２からの光信号を出力ポート１，２，３，４に等分配分岐することができた。なお、４分岐した経路の損失は、ユニキャスト時に比べると、分配損失分の６ｄＢ程度大きくなっている。
他の分岐パターンでも同様に動作させることができた。
【００８９】
（ｃ）合流動作
合流動作は、分岐動作における１×２光スイッチの動作と２×１光スイッチの動作を入れ替えたものである。ここでは、入力ポート１→出力ポート→２，２→２，４→２，３→３の光経路設定パターンで説明する。
【００９０】
ＳＷ_１，２，ＳＷ_２，２，ＳＷ_４，２，ＳＷ_３，３の電気デジタルスイッチを導通（ＯＮ）にし、１×２光スイッチ及びユニキャストであるＳＷ_３，３の２×１光スイッチに接続されている共有駆動回路１ａ〜４ａ，３ｂの出力電圧（出力電気信号レベル）は、ＭＺＩ光スイッチがＯＮ動作となる電圧（ＯＮレベル）に合わせておく。入力ポート１，２，４からの光信号は順にＳＷ_１，２，ＳＷ_２，２，ＳＷ_４，２で出力導波路２へ合流していくので、それぞれの２×１光スイッチに接続されている共有駆動回路４ｂ，２ｂ，１ｂは、順にＭＺＩ光スイッチの合流比が３３％，５０％，１００％となるように電圧レベルを合わせる。このように動作させることで、入力ポート１，２，４からの光信号を出力ポート２に合流することができた。なお、合流した経路の損失は、ユニキャスト時に比べると、分配損失分の４．８ｄＢ程度大きくなっている。
他の合流パターンでも同様に動作させることができた。
【００９１】
本発明の光スイッチモジュールでは、マトリクススイッチ配置には図１０（ａ）の構成と、図１０（ｂ）の構成の両方で作製しており、双方で問題なく動作することを確認している。
【００９２】
本発明のＭＺＩ光スイッチでは、バー経路／クロス経路の切替をアーム導波路の光路長差を半波長／ゼロに切り替えることで行っているが、原理的には半波長の奇数倍／偶数倍の切替でもスイッチング動作は行える。この場合、配線が接続されている熱光学ヒータは、必要に応じて光路長が長い方のアーム導波路上の熱光学ヒータであっても良い。しかしながら、光路長差があまり大きくなるとＭＺＩの波長依存性が無視できなくなり、バー経路／クロス経路になる動作波長域が限られたものになるので、今回の半波長／ゼロの構成が好ましい。
【００９３】
本発明のＭＺＩ光スイッチ中の２個の３ｄＢ結合器には、二本の導波路を数μｍまで近接して構成される方向性結合器を用いた。これは方向性結合器が他の手段に比べて挿入損失が低いためである。しかしながら、３ｄＢ結合器はこの構成に限定されるものではなく、他の手段、例えばマルチモード導波路を用いたマルチモード干渉計（ＭＭＩ）カプラーやこれらカプラーを複数個従属接続して構成される波長無依存カプラー（ＷＩＮＣ）などであってももちろん良い。
【００９４】
［実施例２］
本発明の第２の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成は、上述した実施例１と同様に図１の構成を用いた。
図６は、第２の実施例における電気制御回路の具体的な構成図で、図中符号２３は電気デジタルスイッチ、２４ａ，２４ｂはダイオードで、その他図５と同じ機能を有するものは同一の符号を付してある。各光クロスポイントスイッチにおいて、１×２光スイッチ用と２×１光スイッチ用の電気デジタルスイッチ２３を１つにまとめ、かつ駆動回路への共有配線と熱光学シフターの間にダイオード２４ａ，２４ｂを配置している。このダイオード２４ａ，２４ｂは、電気デジタルスイッチ２３のＯＦＦ時に１×２光スイッチ１６と２×１光スイッチ駆動回路出力が異なっているときに、熱光学シフターに電流が流れるのを防ぐために備えられている。
【００９５】
このような構成により、電気デジタルスイッチの数を実施例１での３２個から半分の１６個に削減することができた。また、これと共にチップからの電気接続端子数も削減することができた。
【００９６】
動作的には、実施例１と全く同様にユニキャスト動作、広帯域平坦減衰動作、分岐動作、合流動作を行うことができた。
【００９７】
［実施例３］
本発明の第３の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成は、実施例１と同様に図１の構成を用いた。
図７は、第３の実施例における電気制御回路の具体的な構成図で、図中符号２５ａ，２５ｂは駆動用電気デジタルスイッチ、２６は制御信号レベル変換用電気デジタルスイッチで、その他図５と同じ機能を有するものは同一の符号を付してある。各光クロスポイントスイッチにおいて、電気デジタルスイッチ２５ａ，２５ｂが駆動回路側に置かれ、制御信号レベル変換用電気デジタルスイッチ２６が新たに加わっている点が実施例１と大きく異なる。駆動回路側に駆動用電気デジタルスイッチ２５ａ，２５ｂを置くと、一般的に、駆動用電気デジタルスイッチ２５ａ，２５ｂに加える制御信号のレベルがＴＴＬレベルにはならなくなる。制御信号レベル変換用電気デジタルスイッチ２６は、このレベルの不一致を解消するためのもので、外部からの制御信号をＴＴＬレベルから駆動用電気デジタルスイッチ２５ａ，２５ｂの制御レベルに変換する役割を持っている。
【００９８】
このような構成により、電気デジタルスイッチの数は増加したものの、光マトリクススイッチチップからの接続端子数を、実施例１の４０個から３２個に減らすことができた。また、動作的には、実施例１と全く同様にユニキャスト動作、広帯域平坦減衰動作、分岐動作、合流動作を行うことができた。
【００９９】
［実施例４］
図２は、本発明の第４の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図で、少ない駆動回路数で分岐動作などが可能な光マトリクススイッチの構成図である。実施例１の構成と大きく異なる点は、２×１光スイッチ用のアナログ駆動回路を１個に共有化している点である。すなわち、共有駆動回路０ｂに全ての光クロスポイントスイッチの２×１光スイッチを並列接続している。これにより、駆動回路数を５個に削減することができた。
【０１００】
この構成では、合流動作ができず、また、広帯域平坦な減衰動作特性を得ることは難しかったが、それ以外の動作は実施例１と同様に行うことができた。また、これとは入出力の関係を逆転した構成（１×２光スイッチ用のアナログ駆動回路を１個に共有化）も同様に作製し、この構成で、分岐動作及び広帯域平坦な減衰動作以外の動作は実施例１と同様に行えることを確認した。
【０１０１】
［実施例５］
図３は、本発明の第５の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図で、少ない駆動回路数で分岐動作や広帯域減衰動作などが可能な光マトリクススイッチの構成図である。実施例１の構成と大きく異なる点は、２×１光スイッチ用のアナログ駆動回路を出力導波路毎に共有化している点である。すなわち、共有駆動回路１ｂに４個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｘ，１；ｘ＝１〜４の２×１光スイッチを並列接続し、同様に２ｂ〜４ｂにＳＷ_ｘ，２〜ＳＷ_ｘ，４を並列接続している。本発明の４×４光マトリクススイッチでは、特にメリットはないが、例えば、２×４光スイッチでは、駆動回路数を６個から４個に減らすことができる。
【０１０２】
この構成では、合流動作ができないが、それ以外の動作は実施例１と同様に行うことができた。また、これとは入出力の関係を逆転した構成（１×２光スイッチ用のアナログ駆動回路を入力導波路毎に共有化）でも同様に作製し、この構成で、分岐動作以外の動作は実施例１と同様に行えることを確認した。
【０１０３】
［実施例６］
図４は、本発明の第６の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図で、非常に少ない駆動回路数で簡易な分岐動作などが可能な光マトリクススイッチの構成図である。図中符号１，２，３，４は共有駆動（電源）回路で、その他図１と同じ機能を有する部分には同一の符号を付してある。実施例１の構成と大きく異なる点は、２×１光スイッチ用のアナログ駆動回路を１×２光スイッチ用のアナログスイッチとまとめて出力導波路毎に共有化している点である。すなわち、共有駆動回路１ａに４個の光クロスポイントスイッチＳＷ_ｘ，１；ｘ＝１〜４の２×１光スイッチおよび１×２光スイッチを並列接続し、同様に２〜４にＳＷ_ｘ，２〜ＳＷ_ｘ，４を並列接続している。これにより、駆動回路数を４個と大幅に削減することができた。
【０１０４】
この構成では、合流動作ができず、また広帯域平坦な減衰動作特性を得ることは難しかった。また、分岐動作においてやや過剰損失が生じた。しかし、ユニキャスト動作や単純な減衰動作は実施例１と同様に行うことができた。また、これとは入出力の関係を逆転した構成（アナログ駆動回路を入力導波路毎に共有化）も同様に作製し、この構成で、分岐動作や広帯域平坦な減衰動作以外の動作は、合流動作でやや過剰損失が生じるものの、実施例１と同様に行えることを確認した。
【０１０５】
以上に述べた各実施例では、４×４の規模のマトリクススイッチで説明を行ったが、本発明はその規模に依らずに、Ｍ×Ｎ規模の光マトリクススイッチに拡張できることは明らかである。
【０１０６】
また、以上で説明した各実施例では、１×２光スイッチや２×１光スイッチとしてＭＺＩ光スイッチを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく方向性結合器型のスイッチや、Ｙ分岐光スイッチに適用できることは言うまでもない。
【０１０７】
図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、Ｙ分岐光スイッチの構成図で、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図（ｃ）は図（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。図中符号３１，３２ａ，３２ｂは光導波路、３３は駆動電気配線、３４は薄膜ヒータ、３５は導波路コアを示している。Ｙ分岐スイッチの場合、経路３１→３２ａ設定時も、経路３１→３２ｂ設定時も両方電力印加が必要なので、図１の構成は、図９に示すように、複数系統の駆動回路数を備えた光マトリクススイッチの構成のように、各駆動電源系統を２重化したような構成で対応する必要がある。なお、図中符号１ａ’，２ａ’，３ａ’、４ａ’は１×２光スイッチ用共有駆動（電源）回路、１ｂ’，２ｂ’，３ｂ’、４ｂ’は２×１光スイッチ用共有駆動（電源）回路を示している。
【０１０８】
いずれにしても、本発明は、アナログ制御される光スイッチの制御を入出力導波路毎にまとめて共有化している点がポイントであり、スイッチの動作原理に依らないことを付記しておく。例えば、熱光学効果以外に電気光学効果や磁気光学効果、音響光学効果等であっても良い。
【０１０９】
また、上述した各実施例では、シリコン基板上に作製された石英系の単一モード光導波路を用いた構成としているが、これは石英系の導波路が極めて低損失で長期安定性に優れ、通信用石英ファイバとの親和性に優れているためである。しかしながら、本発明は、制御系の構成方法に関するものであることから、導波路材料に限定されるものではないことは明白であり、例えば、多成分ガラスや高分子材料、ニオブ酸リチウム、半導体など、他の材料の光導波路でも構わないことは勿論である。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アナログ光スイッチは、駆動回路からの電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、電気信号レベルを設定する幾つかの駆動回路は、グループ化されかつ共有されているので、つまり、二重型の２×２光スイッチユニットで構成される各光クロスポイントスイッチに電気デジタルスイッチを備え、アナログ駆動電源回路を入力導波路毎や出力導波路毎などに共有化することにより、通常のユニキャスト動作の他に、マルチ／ブロードキャスト等の分岐動作や、逆に複数の入力ポートからの光信号を１つの出力ポートに集める合流動作、また、広帯域平坦特性を持つ減衰器としての動作など、動作上の自由度を維持したまま、アナログ駆動電源回路数を削減することができる。また、これに伴って、配線数や電気接続端子数等も削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図で、（ｂ）は（ａ）における二重型型光スイッチの拡大図である。
【図２】本発明の第４の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図である。
【図３】本発明の第５の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図である。
【図４】本発明の第６の実施例である４×４光マトリクススイッチの構成図である。
【図５】第１の実施例における二重型の光クロスポイントスイッチおよび電気制御回路などの具体的な構成図である。
【図６】本発明の第２の実施例における具体的な回路構成図である。
【図７】本発明の第３の実施例における具体的な回路構成図である。
【図８】Ｙ分岐光スイッチの構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【図９】複数系統の駆動回路数を備えた光マトリクススイッチの構成図である。
【図１０】Ｍ×Ｎマトリクススイッチの構成図で、（ａ）は、一般化したＭ×Ｎマトリクススイッチの全体構成図、（ｂ）は、Ｍ＝Ｎの場合に構成可能な経路無依存損失配置と呼ばれるマトリクス構成図である。
【図１１】光クロスポイントスイッチの一例である二重型の２×２光スイッチユニットを示す図である。
【図１２】マッハツェンダー干渉計型２×２光スイッチ（ＭＺＩ光スイッチ）の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１３】従来の完全個別駆動可能な光マトリクススイッチの構成図で、（ｂ）は（ａ）に示す二重型光スイッチの拡大図である。
【図１４】従来の駆動回路を一括共有した光マトリクススイッチの構成図である。
【符号の説明】
０ｂ２×１光スイッチ用共有駆動（電源）回路
１，２，３，４共有駆動（電源）回路
１ａ，２ａ，３ａ、４ａ１×２光スイッチ用共有駆動（電源）回路
１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ２×１光スイッチ用共有駆動（電源）回路
１ａ’，２ａ’，３ａ’、４ａ’ １×２光スイッチ用共有駆動（電源）回路
１ｂ’，２ｂ’，３ｂ’、４ｂ’ ２×１光スイッチ用共有駆動（電源）回路
１１入力導波路
１２出力導波路
１３，１４駆動信号給電線
１５二重型光スイッチ
１６１×２光スイッチ
１７２×１光スイッチ
１８ユニット内導波路
２１光マトリクススイッチチップ
２２電気接続端子
２３ａ，２３ｂ電気デジタルスイッチ
２３電気デジタルスイッチ
２４ａ，２４ｂダイオード
２５ａ，２５ｂ駆動用電気デジタルスイッチ
２６制御信号レベル変換用電気デジタルスイッチ
３１，３２ａ，３２ｂ光導波路
３３駆動電気配線
３４薄膜ヒータ
３５導波路コア
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ光導波路
５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂユニット内光導波路
５３，５４経路
５５，５６駆動電気信号給電線
５７１×２光スイッチ
５８２×１光スイッチ
６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ光導波路
６３薄膜ヒータ
６４，６５方向性結合器
６６駆動電気配線
６７導波路コア
６８クラッド
６９基板
７１入力導波路
７２出力導波路
７３駆動信号給電線
７４個別駆動（電源）回路
７５二重型光スイッチ
７６１×２光スイッチ
７７２×１光スイッチ
７８ユニット内導波路
８１入力導波路
８２出力導波路
８３駆動信号給電線
８４共有駆動（電源）回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical matrix switch of a planar lightwave circuit type used in the field of optical communication, and more specifically, an optical element that can be configured with a small number of drive wirings while allowing flexible operation such as analog optical path switching. The present invention relates to a matrix switch.
[0002]
[Prior art]
In order to cope with the rapid increase in data traffic represented by the Internet in recent years, the capacity of communication networks using optical technology such as wavelength division multiplexing (WDM) technology is being increased. Currently, optical technology is only used for point-to-point optical links between nodes, and electrical processing is still used in the node, and as the capacity increases, the throughput of this electrical processing has been sluggish. Increasing cost ratios are becoming a problem.
[0003]
Optical cross-connect systems and optical add-drop multiplex systems that use optical switches can cut the throughput of most optical signals as they are in the node, thereby dramatically increasing throughput and reducing costs. it can. Thus, the optical switch is an indispensable device for constructing a large capacity and flexible communication network at a low cost.
[0004]
Various forms of optical switches have been developed so far. Among them, the waveguide type is superior in terms of mass productivity and miniaturization. Conventionally, optical waveguides have been manufactured using various material systems. Among them, silica-based optical waveguides manufactured on a silicon substrate are characterized by low loss and excellent stability and consistency with optical fibers. Many optical components represented by an arrayed waveguide grating multiplexer / demultiplexer (AWG) using this waveguide have been put into practical use and have been used in commercial systems.
[0005]
A non-blocking optical matrix switch, which is one of integrated optical switches, is a very flexible switch that can connect an arbitrary input port and an arbitrary output port, and is an essential switch in an optical cross-connect system or the like. In the quartz-based waveguide, a matrix switch up to 16 × 16 scale is realized.
[0006]
FIG. 10A is an overall configuration diagram of a generalized M × N matrix switch (in this figure, a 4 × 4 matrix switch is taken as an example). M input waveguides and N output waveguides intersect at (M × N) locations, and an optical crosspoint switch is placed at the intersection. In the unconnected state, the optical crosspoint switch is in a cross path (OFF state), and an optical signal incident from the input port propagates only through the input waveguide and is emitted to the dummy port. Optical crosspoint switch SW at the intersection of the mth input waveguide and the nth output waveguide_{m, n}Is set to the bar path (ON state), the optical signal incident on the mth input port and propagating through the input waveguide is converted to the optical crosspoint switch SW._{m, n}To the output waveguide and output to the nth output port, that is, the mth input waveguide and the nth output waveguide are connected. For the connection of the input / output ports, any combination can be set as long as the input / output ports do not conflict.
[0007]
FIG. 10B is a matrix configuration diagram called a path-independent loss arrangement that can be configured when M = N (see Japanese Patent Publication No. 6-66982). The number of optical crosspoint switches through which an optical signal passes is constant regardless of the combination of input and output ports (optical path), and the loss is made uniform. At first glance, the path-independent loss arrangement configuration of FIG. 10B appears to be a complicated configuration different from the normal matrix configuration of FIG. 10A, but for any input waveguide and any output waveguide. There is always one optical path switchable intersection, that is, an optical cross point switch, and there is no change in having a total of (M × N) optical cross point switches. Connection is made.
[0008]
FIG. 11 is a diagram showing a double 2 × 2 optical switch unit which is an example of an optical crosspoint switch (see Japanese Patent Laid-Open No. 6-51354). In the figure, reference numerals 51a, 51b, 52a and 52b are optical waveguides, 53a, 53b, 54a and 54b are optical waveguides within the unit, 53 and 54 are paths, 55 and 56 are drive electric signal feed lines, and 57 is a 1 × 2 optical switch. 58 denotes a 2 × 1 optical switch.
[0009]
The optical cross point switch is composed of basic optical switches of 1 × 2 optical switch 57 and 2 × 1 optical switch 58 and intra-unit waveguides 53a, 53b, 54a, and 54b. When both the 1 × 2 optical switch 57 and the 2 × 1 optical switch 58 are selecting the upper path (53 → 53a, 54a → 54), the optical crosspoint switch is the cross path (51a → 52b, 51b → 52a). ) When both the 1 × 2 optical switch 57 and the 2 × 1 optical switch 58 are selecting the lower path (53 → 53b, 54b → 54), the optical crosspoint switch is the bar path (51b → 52b). It becomes. This optical cross-point switch prevents leakage light to the bar path during the cross path by a two-stage switch of 1 × 2 optical switch 57 and 2 × 1 optical switch 58, so that a high extinction ratio can be obtained. Crosstalk leaking into the output port can be kept low.
[0010]
FIGS. 12A, 12B, and 12C are configuration diagrams of a Mach-Zehnder interferometer type 2 × 2 optical switch (MZI optical switch). FIG. 12A is a plan view, and FIG. A) AA 'sectional drawing of (a), FIG. (c) is BB' sectional drawing of FIG. In the figure, reference numerals 61a, 61b, 62a, and 62b denote optical waveguides, 63 denotes a thin film heater, 64 and 65 denote directional couplers, 66 denotes drive electric wiring, 67 denotes a waveguide core, 68 denotes a cladding, and 69 denotes a substrate.
[0011]
There are various configuration methods for these basic optical switches. In the case of a silica-based waveguide, two 3 dB couplers 64 are provided at both ends of two arm waveguides each having a thermo-optic phase shifter (thin film heater) 63. , 65, a Mach-Zehnder interferometer type 2 × 2 optical switch (MZI optical switch) configuration is used.
[0012]
In the 1 × 2 optical switch, the optical waveguide 61b is an unconnected waveguide, and the optical waveguides 61a, 62a, and 62b are a path 53 and intra-unit optical waveguides 53a and 53b, respectively. Similarly, in the 2 × 1 optical switch, the optical waveguide 62b is an unconnected waveguide, and the optical waveguides 61a, 61b, and 62a are the intra-unit optical waveguides 54a and 54b and the path 54, respectively. Since this MZI switch normally has a half-wavelength optical path length difference between two arm waveguides, when the thermo-optic phase shifter is not driven (energized), a bar path (61a → 62a, The light propagates in 61b → 62b), and propagates in the cross path (61a → 62b, 61b → 62a) when the thermo-optic phase shifter is driven to cancel the half-wavelength optical path length difference by the thermo-optic effect.
[0013]
Further, when the drive amount to the thermo-optic heater is adjusted to continuously change the optical path length difference between the two arm waveguides from zero to a half wavelength, the optical path continuously changes from the cross path to the bar path. That is, it operates not only as an ON / OFF switch but also as an analog switch. Therefore, this MZI switch can be operated as an attenuator or a branching device that performs multicasting or broadcasting by adjusting the distribution ratio between the cross path and the bar path.
[0014]
Thermo-optic switches using quartz waveguides combine glass film deposition techniques such as flame deposition (FHD) and chemical vapor deposition (CVD) with microfabrication techniques such as reactive ion etching (RIE). Produced. Specifically, a glass film that becomes a lower cladding layer is first deposited on a substrate such as a silicon wafer, and then a core layer having a refractive index slightly higher than that of the cladding layer is deposited. Then, the core pattern that becomes the optical circuit is patterned by microfabrication technology, and then the glass film that becomes the upper cladding layer is deposited. Finally, the thin film heater that becomes the thermo-optic phase shifter and the wiring that supplies power to this are formed. Thus, an optical switch chip is manufactured. A power supply line and an optical fiber are connected to the optical switch chip, and the optical switch module is completed by storing it in a case with a radiation fin.
[0015]
Actually, an 8 × 8 optical matrix switch manufactured using the matrix configuration shown in FIG. 10B and the optical crosspoint switch shown in FIG. 11 has an average insertion loss of 5 dB and an average ON / OFF extinction ratio of 60 dB. Excellent properties are obtained.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, such an optical matrix switch module, particularly a module having a large number of input / output ports, has a problem that the number of drive circuits (drive power supply circuits) is enormous. As shown in FIGS. 13A and 13B, each optical cross point is controlled by connecting a power supply circuit that can be adjusted in analog to a power supply line individually wired to each basic optical switch. Yes. FIG. 2B is an enlarged view of the double optical switch shown in FIG. In the figure, reference numeral 71 is an input waveguide, 72 is an output waveguide, 73 is a drive signal feed line, 74 is an individual drive (power supply) circuit, 75 is a double optical switch, 76 is a 1 × 2 optical switch, and 77 is 2 ×. One-optical switch 78 indicates an intra-unit waveguide. In the case of an N × M switch, the required drive power supply circuit is (M × N) × 2, and for example, in the case of a 16 × 16 switch, 512 drive power supply circuits are required.
[0017]
As a method for simplifying the drive power supply circuit, as shown in FIG. 14, the drive power supply circuits are combined into one and the power supply lines are connected together, and an electric ON / OFF digital switch is connected to each power supply line in series. There is a way to do it. In the figure, reference numeral 81 is an input waveguide, 82 is an output waveguide, 83 is a drive signal feed line, and 84 is a shared drive (power supply) circuit. In this case, (M.times.N) .times.2 electrical digital switches are required, but in general, it can be realized with a simple integrated circuit as compared with a drive power supply circuit capable of analog adjustment. However, in this method, since the drive of the optical switch is controlled by an electric digital switch, the operation of the optical switch can only be operated digitally, so that it operates as an attenuator or as a branching unit that performs multicasting or broadcasting. There was a big disadvantage that it became impossible.
[0018]
Therefore, the operation state of the matrix switch was carefully considered, and it was found that the optical cross point switch that is in the ON state does not exist on the M × N matrix at random, but exists under certain restrictions. For example, in normal unicast operation, only one optical crosspoint switch is turned on among N optical crosspoint switches on a certain input waveguide, and is also present on a certain output waveguide. Of the M optical crosspoint switches, only one optical crosspoint switch is turned on. In the case of multicast or broadcast, there are a plurality of optical crosspoint switches that are turned ON among N optical crosspoint switches on a certain input waveguide, but M optical crosspoints on a certain output waveguide. Of the point switches, only one optical crosspoint switch is turned on.
[0019]
By arranging such constraints, it was found that the drive power supply circuit can be integrated into several circuits and shared. In addition, by optimizing this sharing with a matrix switch that uses the above-mentioned double-type 2 × 2 optical switch unit as an optical crosspoint switch, it is possible to share effectively with the highest degree of freedom. I found it.
[0020]
The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to enable a flexible operation such as an analog optical path switching and to enable a configuration with a small number of drive wires. It is to provide an optical matrix switch.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an M input waveguide, an N output waveguide, and an M × N optical cross-section fabricated on a substrate. The (m, n) -th optical crosspoint switch is composed of point switches, and the optical crosspoint switch (1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦) connecting the mth input waveguide and the nth output waveguide. N), and the optical crosspoint switch is a double optical switch composed of a 1 × 2 optical switch, a 2 × 1 optical switch, and a waveguide in the optical crosspoint switch unit, and the 1 × 2 optical switch And the 2 × 1 optical switch is an optical matrix switch that is an analog optical switch whose path is continuously switched according to an electric signal level controlled by the driving circuit, and the analog optical switch is an electric switch from the driving circuit. An electric digital switch that cuts off the air signal level is provided, and some of the drive circuits that set the electric signal level are grouped and shared shared drive circuits. (Equivalent to the configuration of FIGS. 1 and 5)
[0022]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the shared drive circuit includes a part or M of the shared drive circuits connected to the output waveguides for each output waveguide (nth). A drive circuit shared by 1 × 2 optical switches of all optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) and one input waveguide (m-th) connected to the input waveguide Or a drive circuit shared by 2 × 1 optical switches of all or N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N). (Equivalent to the configuration in FIG. 1)
[0023]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the shared drive circuit includes a part or M pieces of the shared drive circuit connected to the output waveguide for each output waveguide (nth). Drive circuit shared by 1 × 2 optical switches of all optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) and a part or all optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦ N) And a drive circuit shared by 2 × 1 optical switches. (Equivalent to the configuration of FIG. 2)
[0024]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the shared drive circuit includes a part or N of the shared drive circuits connected to the input waveguide for each input waveguide (m-th). Drive circuit shared by 2 × 1 optical switches of all optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N), and part or all optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦ N) And a drive circuit shared by a 1 × 2 optical switch. (Equivalent to the configuration in FIG. 2; the a side is shared, and the b side is shared for each waveguide)
[0025]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the shared drive circuit includes a part or M pieces of the common drive circuit connected to the output waveguide for each output waveguide (n-th). A drive circuit shared by 1 × 2 optical switches of all optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) and one output waveguide (nth) connected to the output waveguide Or a drive circuit shared by 2 × 1 optical switches of all or M optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n). (Equivalent to the configuration in FIG. 3)
[0026]
According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the shared drive circuit includes a part or N of the shared drive circuits connected to the input waveguide for each input waveguide (mth). A drive circuit shared by 1 × 2 optical switches of all the optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N) and one input waveguide (m-th) connected to the input waveguide Or a drive circuit shared by 2 × 1 optical switches of all or N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N). (Equivalent to the configuration of FIG. 3; sharing is for each output waveguide)
[0027]
The invention according to claim 7 is the invention according to claim 1, wherein the shared drive circuit is connected to the output waveguide for each output waveguide (n-th) or M pieces. It is characterized by comprising a drive circuit shared by 1 × 2 optical switches and 2 × 1 optical switches of all optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n). (Equivalent to the configuration of FIG. 4)
[0028]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 1, wherein the shared drive circuit is connected to the input waveguide for each of the input waveguides (m-th) or N pieces. The optical cross point switch (m, 1 ≦ n ≦ N) includes a 1 × 2 optical switch and a drive circuit shared by the 2 × 1 optical switch. (Equivalent to the configuration of FIG. 4; sharing is for each output waveguide)
[0029]
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of claims 1 to 8, wherein the electric digital switch is shared by the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch for each optical crosspoint switch. It is characterized by being. (Equivalent to the configuration of FIG. 6)
[0030]
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to ninth aspects, an electric signal level of the shared drive circuit is transmitted to the analog optical switch in a part or all of the shared drive circuit. At least a part of the feeder line to be shared is shared for each shared drive circuit.
[0031]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the invention according to the tenth aspect, sharing of the feeder line is performed on a chip on which the optical matrix switch according to the first aspect is integrated. Features.
[0032]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the invention of the tenth aspect, a chip on which the optical matrix switch according to the first aspect is integrated is mounted on a module substrate on which control wiring is integrated, Sharing is performed on the module substrate.
[0033]
The invention according to claim 13 is the invention according to any one of claims 1 to 12, wherein the electric digital switch is composed of two transistors, and one transistor blocks an electric signal level from the drive circuit. Therefore, the other transistor is connected between the control terminal of the transistor and the ground in order to control ON / OFF of the transistor. It is characterized by. (Equivalent to the configuration of FIG. 7)
[0034]
The invention according to claim 14 is the invention according to any one of claims 1 to 13, wherein each of the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch is not connected to one input / output port. It is characterized by comprising 2 × 2 optical switches.
[0035]
That is, the present invention adopts the following configuration as a specific configuration in the M × N matrix switch. Each basic analog optical switch (1 × 2 optical switch, 2 × 1 optical switch) has an electric digital switch that cuts off the electric signal level from the driving circuit, and the driving circuit is grouped and shared as one of the following It has become.
[0036]
(1) The drive circuit that controls the 1 × 2 optical switch is grouped for each output waveguide and shared into N pieces. The drive circuit for controlling the 2 × 1 optical switch is grouped for each input waveguide and shared by M pieces.
[0037]
(2) The drive circuit for controlling the 1 × 2 optical switch is grouped for each output waveguide and shared into N pieces. All the drive circuits that control the 2 × 1 optical switch are shared into one.
[0038]
(3) All the drive circuits that control the 1 × 2 optical switch are shared into one. The drive circuit for controlling the 2 × 1 optical switch is grouped for each input waveguide and shared by M pieces.
[0039]
(4) The drive circuit for controlling the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch is grouped for each output waveguide and shared by 2N.
[0040]
(5) The drive circuit for controlling the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch is grouped for each input waveguide and shared by 2M pieces.
[0041]
(6) The 1 × 2 optical switch and the drive circuit that controls the 2 × 1 optical switch are grouped for each output waveguide and shared by N.
[0042]
(7) The 1 × 2 optical switch and the drive circuit that controls the 2 × 1 optical switch are grouped for each input waveguide and shared by M pieces.
[0043]
As described above, the sharing can completely reduce the number of drive circuits if the sharing is completely performed as described above, but even if it is partial, a reduction effect corresponding to the sharing number can be obtained.
[0044]
Further, the following configuration may be added.
In the optical matrix switch described above, the electrical digital switch is shared by the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch for each optical crosspoint switch.
[0045]
In the optical matrix switch described above, at least a part of the feeder line that transmits the electric signal level of the drive circuit to the analog optical switch is shared for each shared drive circuit.
[0046]
The above-described sharing of the feeder line is performed on a chip on which an optical matrix switch is integrated.
[0047]
A chip on which the above-described optical matrix switch is integrated is mounted on a module substrate on which control wirings are integrated, and the above-described feeding line sharing is performed on the module substrate.
[0048]
The electric digital switch described above is composed of two transistors, one of which is sandwiched and connected between the analog optical switch and the driving circuit to cut off the electric signal level from the driving circuit, and the other transistor is In order to control ON / OFF of the transistor, the transistor is connected to the control terminal of the transistor by being grounded.
[0049]
Each of the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch described above is composed of a 2 × 2 optical switch in which one input / output port is not connected.
[0050]
When the input / output waveguides are grouped and shared as in (1), the number of analog drive power supply circuits can be greatly reduced to (N + M) while maintaining the degree of freedom in operation. Specifically, in addition to normal unicast operation, branch operation such as multi / broadcast, conversely confluence operation that collects optical signals from multiple input ports into one output port, and broadband flat characteristics The operation as an attenuator, etc., can be maintained almost the same as the case where the drive power supply circuit is individually provided.
[0051]
(A) Unicast operation
In the case of simple normal unicast operation, the output electric signal level of each shared drive power supply circuit is set to a level (ON level) at which the analog optical switch is turned ON, and the electric digital switch of each analog optical switch is made conductive. / Switch operation can be realized by blocking (ON / OFF).
[0052]
(A ') Attenuation operation in unicast operation and broadband flat attenuation operation
In the case of this unicast, as described above, only one optical crosspoint switch is turned on among N optical crosspoint switches on a certain input waveguide (for example, the mth input waveguide). In addition, among the M optical crosspoint switches on an output waveguide (for example, the nth output waveguide), only one optical crosspoint switch is turned on at most.
[0053]
Therefore, one optical crosspoint switch SW that is turned on_{m, n}Only the electrical digital switch is in the conductive (ON) state, and the electrical digital switches of the other optical crosspoint switches on the mth input waveguide and the nth output waveguide are in the cutoff (OFF) state. Optical crosspoint switch SW in which the mth shared drive power supply circuit grouped on the waveguide side is turned on_{m, n}The optical crosspoint switch SW connected to only the 2 × 1 optical switch and turned on in the nth shared driving power supply circuit grouped on the output waveguide side_{m, n}Only connected to 1 × 2 optical switch. Therefore, since these two shared drive power supply circuits can control the electric signal level without affecting other optical switches, the attenuation operation can be performed by adjusting them.
[0054]
When a switch having wavelength dependency such as an MZI switch is used for the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch, the electric signal level to the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch is simplified in this attenuation operation. Similarly, if the level is set between the ON level and the OFF level, the attenuation depends on the wavelength. However, the electrical signal level relationship between the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch is selected and adjusted to different levels so that the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch have opposite wavelength dependence. Thus, this wavelength dependency can be reduced, and a broadband flat operation is possible (see Japanese Patent Application No. 11-164144). In the sharing method (1), since the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch can be adjusted separately, this broadband flat attenuation operation is possible.
[0055]
(B) Branch operation
In the case of a branch operation such as multi / broadcast, a branch operation is required in the optical crosspoint switch. The 1 × 2 optical switch of the optical crosspoint switch that performs the branching operation adjusts the electric signal level to an intermediate level corresponding to the branching ratio, and the 2 × 1 optical switch sets the electric signal level to the ON level. This branch ratio R depends on the number k of multi / broadcast branches, and also depends on the branch position i counted from the input port side, and R = 1 / (k−i + 1). Therefore, the electrical signal level of the 1 × 2 optical switch must be individually adjustable. For example, when three branches are equally distributed, the first branch point counted from the input port side is 33% branch, the second branch point is 50% branch, and the last branch point is 100% branch. It is necessary to set to such a ratio.
[0056]
In a branch operation such as multi / broadcast, a branch state is established among N optical crosspoint switches on an input waveguide (for example, m-th input waveguide) into which signal light for performing multi / broadcast is incident. Although there are several optical crosspoint switches, the optical crosspoint switch is branched among the M optical crosspoint switches on the output waveguide (for example, the nth output waveguide) from which the multi / broadcast signal light is emitted. Only one optical crosspoint switch is in the state.
[0057]
Therefore, when viewed on the n-th output waveguide, one optical crosspoint switch SW that is branched_{m, n}Only the electric digital switch of the optical cross-point switch is in the conductive (ON) state, and the electric digital switches of the other optical crosspoint switches are in the cut-off (OFF) state. Therefore, the nth shared drive power supply circuit grouped on the output waveguide side is One optical crosspoint switch SW to be branched_{m, n}Only connected to 1 × 2 optical switch. Accordingly, since the shared drive power supply circuit of the 1 × 2 optical switch can control the electric signal level without affecting other 1 × 2 optical switches, it is possible to perform an equally distributed branching operation or the like by adjusting the branch amount thereof. it can.
[0058]
When viewed on the m-th input waveguide, several branch optical crosspoint switches SW_{m, n}The n-th shared driving power supply circuit grouped on the input waveguide side is branched (several), and the electrical cross-point switches SW of several branches are turned on._{m, n}Connected to all 2 × 1 optical switches. However, the 2 × 1 optical switch does not require any intermediate level adjustment and may be set to the ON level, so that no particular problem occurs.
[0059]
With the above operation, in principle, these branch operations can be performed without excessive loss.
[0060]
(C) Merge operation
The merge operation is basically a case where the input and output of the branch operation are reversed. Therefore, in the above description, the input waveguide and the output waveguide, and the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch are read respectively. Think about it.
[0061]
Therefore, in the merging operation, the merging operation can be performed without any excessive loss in principle.
[0062]
In the configuration of (2), since all the drive circuits in the 2 × 1 optical switch are shared into one and cannot be adjusted individually, the merging operation cannot be performed. Further, a simple attenuation operation can be performed by adjusting the 1 × 2 optical switch, but a broadband flat attenuation operation that requires adjustment of the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch becomes difficult. However, the number of analog drive power supply circuits can be further reduced to (N + 1).
[0063]
The configuration of (3) is a configuration in which the sharing of the 2 × 1 optical switch in the configuration of (2) is replaced with the sharing of the 1 × 2 optical switch, so that the branching operation cannot be performed with the same reason as in (2). Wide band flat attenuation operation becomes difficult. However, the number of analog drive power supply circuits can be reduced to (M + 1).
[0064]
In the configuration of (4), in the 2 × 1 optical switch, since the drive circuit is shared not for each input waveguide but for each output waveguide, only the merging operation cannot be performed as compared with the configuration of (1). However, since the number of necessary analog drive power supply circuits is 2N, the number can be suppressed when N <M.
[0065]
In the configuration of (5), since the sharing for each input waveguide in the configuration of (4) is replaced with the sharing for each output waveguide, only the branching operation cannot be performed as compared with the configuration of (1). However, since the number of necessary analog drive power supply circuits is 2M, the number can be suppressed when N> M.
[0066]
In the configuration of (6), since the drive circuit of the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch is further shared in the configuration of (4), the merging operation cannot be performed as compared with the configuration of (1). A simple attenuation operation is possible, but a broadband flat attenuation operation becomes difficult. Further, in the branching operation, the 2 × 1 optical switch is set to the same intermediate level as that of the 1 × 2 optical switch, so that excess loss occurs. However, the number of analog drive power supply circuits can be greatly reduced to N.
[0067]
Since the configuration of (7) is a configuration in which the sharing for each input waveguide in the configuration of (6) is replaced with the sharing for each output waveguide, the branching operation cannot be performed as compared with the configuration of (1). A simple attenuation operation is possible, but a broadband flat attenuation operation becomes difficult. Further, excessive loss occurs in the merging operation. However, the number of analog drive power supply circuits can be reduced to M.
[0068]
Further, by sharing the electrical digital switch between the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch for each optical crosspoint switch, the number of electrical digital switches can be reduced to half.
[0069]
Further, by sharing at least a part of the power supply line for transmitting the electric signal level of the drive circuit to the analog optical switch for each shared drive circuit, the layout area of the power supply line can be reduced.
[0070]
Further, by sharing the power supply line on the chip on which the optical matrix switch is integrated, the number of power supply terminal connections between the chip and the module can be reduced.
[0071]
Moreover, by sharing the power supply line on the module substrate, the number of pins of the electrical connector of the module can be greatly reduced.
[0072]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
FIGS. 1A and 1B are configuration diagrams of a 4 × 4 optical matrix switch according to a first embodiment of the present invention, and are configuration diagrams of an optical matrix switch that can be completely individually driven with a small number of drive circuits. . FIG. 2B is an enlarged view of the double type optical switch in FIG. In the figure, reference numerals 1a, 2a, 3a and 4a are 1 × 2 optical switch shared drive (power supply) circuits, 1b, 2b, 3b and 4b are 2 × 1 optical switch shared drive (power supply) circuits, and 11 is an input waveguide. , 12 is an output waveguide, 13 and 14 are drive signal feeders, 15 is a double optical switch, 16 is a 1 × 2 optical switch, 17 is a 2 × 1 optical switch, and 18 is an in-unit waveguide. . Four input waveguides and four output waveguides intersect at 16 points in a lattice shape, and the above-described double-type optical crosspoint switch is placed at the intersection.
[0073]
FIG. 5 is a specific configuration diagram of the double type optical crosspoint switch and the electric control circuit in the first embodiment, in which reference numeral 21 denotes an optical matrix switch chip, 22 denotes an electrical connection terminal, and 23a and 23b. Is an electrical digital switch.
[0074]
The 1 × 2 optical switch 16 and the 2 × 1 optical switch 17 constituting the double optical crosspoint switch are MZI optical switches provided with a half-wavelength optical path length difference as in the prior art. In each MZI optical switch, an electrical wiring is connected to a thermo-optic heater on an arm waveguide having a short optical path length. Electrical digital switches 23a and 23b are connected to one of the electrical wirings, and driving power supplies (driving circuits) 1a and 1b capable of analog output are connected to the other. The electric digital switches 23a and 23b use an IC in which a large number of transistor circuits are integrated, and perform a conduction / shutoff (ON / OFF) operation in response to a TTL level input.
[0075]
A significant difference from the conventional configuration is that the analog drive circuit is shared for each output waveguide for the 1 × 2 optical switch and shared for each input waveguide for the 2 × 1 optical switch. That is, four optical crosspoint switches SW are provided in the shared drive circuit 1a._x, ₁; 1 × 2 optical switch 16 of x = 1 to 4 is connected in parallel, and SW is similarly switched to 2a to 3a_x, ₂~ SW_{x, 4}Are connected in parallel. The shared drive circuit 1b includes four optical crosspoint switches SW.₁ _{, Y}; 2 × 1 optical switch 17 of y = 1 to 4 is connected in parallel, and SW is similarly switched to 2b to 3b_{2, y}~ SW_{4, y}Are connected in parallel. As a result, the number of drive circuits could be reduced from 16 at the time of individual connection to 8. In addition, wiring to the drive circuit is partially shared for each shared drive circuit to reduce the wiring area, and the electrical connection terminals 22 from the optical matrix switch chip 21 are also reduced.
[0076]
Such an optical matrix switch chip was produced on a silicon substrate having a thickness of 1 mm and a diameter of 4 inches by using a known conventional technique. Quartz-based waveguide is SiCl₄And GeCl₄A thin film heater for local heating is produced by vacuum deposition and etching, using a combination of the deposition technology of quartz glass film by flame hydrolysis reaction deposition technology using the hydrolysis reaction of raw material gas and the like, and reactive ion etching technology. Produced. The cross-sectional dimension of the core is 6 μm square, and the relative refractive index difference between the core and the clad is 0.75%. This wafer was cut out by dicing and fixed to a ceramic substrate, a single mode fiber was connected to the input / output waveguide, and a power supply lead was connected to the power supply wiring to each thin film heater to form an optical matrix switch module.
[0077]
In addition to the optical matrix switch chip, this optical matrix switch module includes an IC in which the above-described electric digital switch is integrated and a serial / parallel conversion circuit for control signals. This serial / parallel conversion circuit converts the control information received as a serial signal into a TTL level parallel signal and outputs it, and is connected to the control input of the electric digital switch described above. In the case of the present invention, 16 parallel signal lines corresponding to the number of optical cross points are provided, and an IC in which a serial / parallel conversion circuit and the above-described electric digital switch are integrated is connected. By mounting this serial / parallel conversion circuit, the number of electrical signal terminals from the optical module is about 3 serial control signal lines and 8 drive signal power supply lines connected to the analog drive power supply circuit, and ground lines. The number of electrical connection terminals from the optical module could also be reduced. This reduction effect increases as the size of the optical matrix switch chip increases.
[0078]
The electric circuit such as the electric digital switch is not limited to integration within the optical switch module, and may be outside the module, but the reduction of the electrical connection connector from the module and the miniaturization of the system by integration. From the viewpoint, it is preferable to integrate the modules in the module.
[0079]
The optical matrix switch fabricated in this way could perform various operations as follows.
(A) Unicast operation
The output voltage (output electric signal level) of each shared drive circuit is adjusted to the voltage (ON level) at which the MZI optical switch is turned on, and the desired optical crosspoint switch (input waveguide) is connected via the serial control signal line. By turning on (ON) the electrical digital switch of any cross point (0 to 4 selected at the cross point where two or more do not overlap on the line and the output waveguide line) and shutting off (OFF) other electrical digital switches The optical path of an arbitrary set of input / output ports could be configured to be strictly non-blocking. The insertion loss at this time was about 3 dB. Moreover, the extinction ratio of each optical path (ratio of loss values when the optical path is configured and when the optical path is not configured) is about 60 dB, which is a characteristic equivalent to a mechanical optical switch.
[0080]
In the present invention, the ON level is constant, but the ON level of each MZI optical switch is slightly different even within the same chip. In a normal optical matrix switch, the influence (mainly increase in loss) due to this deviation is so small that it can be ignored. However, in the configuration of the present invention, as will be described in the next attenuation operation, this cross-point switch that is ON-driven. Can be controlled independently by analog adjustment, so that the deviation can be completely adjusted and controlled.
[0081]
(A ') Attenuation operation in unicast operation and broadband flat attenuation operation
As described above, in the unicast operation, since there are no two or more optical crosspoint switches that make the electrical digital switch conductive (ON) on the input waveguide line and the output waveguide line, each input waveguide or the output waveguide is switched. Each analog drive circuit shared for each waveguide is connected to only one MZI optical switch. Accordingly, it is possible to completely adjust and drive each optical cross point switch in which the electrical digital switch is conductive (ON). Actually, by continuously changing the analog output of the drive circuit of the MZI optical switch from zero to the ON level, the signal light transmittance in the set light path could be continuously changed.
[0082]
Also, the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch in the optical crosspoint switch can be completely individually adjusted and driven. In general, the wavelength dependence of the transmittance tends to be reversed between MZI having an optical path length difference of 0 to half wavelength and MZI having an optical path length difference of half wavelength to one wavelength. Accordingly, the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch can have a flat transmission characteristic in a wide range of wavelengths by performing an attenuating operation with reverse characteristics (see Japanese Patent Application No. 11-164144). . In the broadband flat attenuation operation of the present invention, the optical path length difference is 0 to half wavelength in the 1 × 2 optical switch, and the optical path length difference is half wavelength to 1 wavelength in the 2 × 1 optical switch. On the contrary, the absolute value was changed to be the same. Thereby, even in the case of 10 dB attenuation, the wavelength dependence of the attenuation within 1400 to 1600 nm could be suppressed to within 0.5 dB.
[0083]
These attenuation operations can also be used when performing module loss equalization. Usually, a switch chip to be manufactured has a slight variation in insertion loss in each optical path due to factors such as manufacturing errors. This value is as small as 0.5 dB or less in the case of a 4 × 4 switch, but this attenuation operation increases the loss of the optical path with a small loss to match the loss of the optical path with the largest loss, thereby causing a variation in loss. It was confirmed that it could be uniformized to below the reproducibility of the measuring instrument.
[0084]
(B) Branch operation
As multicast operation, for example, 1) optical port setting pattern of input port 2 → output ports 1, 2 → 2, 2 → 4, 3 → 3, or 2) 1 → 1,1 → 3,3 → 2,3 → 4 optical path setting patterns were confirmed.
[0085]
1) SW_2,1, SW_{2, 2}, SW_{2, 4}, SW_{3, 3}Only the electric digital switch is turned on (ON), 2 × 1 optical switch and unicast SW_{3, 3}The output voltage (output electric signal level) of the shared drive circuits 1b to 4b, 3a connected to the 1 × 2 optical switch is set to a voltage (ON level) at which the MZI optical switch is turned on. The optical signal from input port 2 is in turn SW_{2, 4}, SW_{2, 2}, SW_2,1Therefore, the shared drive circuits 4a, 2a, 1a connected to the respective 1 × 2 optical switches have voltage levels so that the branch ratios of the MZI optical switches are 33%, 50%, and 100% in order. Adjust. By operating in this manner, the optical signal from the input port 2 can be equally distributed and branched to the output ports 1, 2, and 4. Note that the loss of the three-branched path is larger by about 4.8 dB corresponding to the distribution loss compared to unicast.
[0086]
2) SW_1,1, SW_1,3, SW_{3, 2}, SW_{3, 4}Only the electric digital switch is turned on (ON), and the output voltage (output electric signal level) of the shared drive circuits 1b to 4b connected to the 2 × 1 optical switch is the voltage at which the MZI optical switch is turned on (ON). Level). The optical signal from input port 1 is in turn SW₁ _, ₃, SW_1,1Therefore, the shared drive circuits 3a and 1a connected to the respective 1 × 2 optical switches are adjusted in voltage level so that the branch ratios of the MZI optical switches are 50% and 100% in order.
[0087]
Similarly, the optical signal from the input port 3 is sequentially switched to SW._{3, 4}, SW_{3, 2}Therefore, the shared drive circuits 4a and 2a connected to the respective 1 × 2 optical switches adjust the voltage levels so that the branching ratios of the MZI optical switches are 50% and 100% in order. By operating in this way, the optical signal from the input port 1 can be equally distributed and branched to the output ports 1 and 3, and the optical signal from the input port 3 can be equally distributed and branched to the output ports 2 and 4. Note that the loss of the bifurcated path is about 3 dB corresponding to the distribution loss compared to the unicast.
[0088]
Further, as the broadcast operation, for example, an optical path setting pattern of input port 2 → output port → 1, 2 → 2, 2 → 3, 2 → 4 was confirmed. SW_2,1, SW_{2, 2}, SW_{2, 3}, SW_{2, 4}Only the electric digital switch is turned on (ON), and the output voltage (output electric signal level) of the shared drive circuits 1b to 4b connected to the 2 × 1 optical switch is the voltage at which the MZI optical switch is turned on (ON). Level). The optical signal from the input port 2_{2, 4}, SW_{2, 3}, SW_{2, 2}, SW_2,1Therefore, the shared drive circuits 4a, 3a, 2a, and 1a connected to the respective 1 × 2 optical switches have the MZI optical switch branch ratios of 25%, 33%, 50%, and 100% in order. Adjust the voltage level so that By operating in this way, the optical signal from the input port 2 can be equally distributed and branched to the output ports 1, 2, 3, and 4. Note that the loss of the four-branched path is about 6 dB larger than the distribution loss compared to unicast.
The same operation was possible with other branch patterns.
[0089]
(C) Merge operation
The merge operation is obtained by switching the operation of the 1 × 2 optical switch and the operation of the 2 × 1 optical switch in the branch operation. Here, a description will be given using an optical path setting pattern of input port 1 → output port → 2, 2 → 2, 4 → 2, 3 → 3.
[0090]
SW_{1, 2}, SW_{2, 2}, SW_4,2, SW_{3, 3}The electrical digital switch is turned on (ON), 1x2 optical switch and unicast SW_{3, 3}The output voltage (output electric signal level) of the shared drive circuits 1a to 4a, 3b connected to the 2 × 1 optical switch is set to the voltage (ON level) at which the MZI optical switch is turned on. The optical signals from the input ports 1, 2, 4 are sequentially switched_{1, 2}, SW_{2, 2}, SW_4,2Therefore, in the shared drive circuits 4b, 2b, and 1b connected to the 2 × 1 optical switches, the merge ratio of the MZI optical switches is 33%, 50%, and 100% in order. Adjust the voltage level so that By operating in this way, optical signals from the input ports 1, 2, 4 could be merged into the output port 2. Note that the loss of the joined path is about 4.8 dB larger than the distribution loss compared to the unicast.
Other merging patterns could be operated in the same way.
[0091]
In the optical switch module of the present invention, the matrix switch arrangement is manufactured with both the configuration of FIG. 10A and the configuration of FIG. 10B, and it is confirmed that both operate without problems.
[0092]
In the MZI optical switch of the present invention, the bar path / cross path is switched by switching the optical path length difference of the arm waveguide to half wavelength / zero. Switching operation can be performed even by switching. In this case, the thermo-optic heater to which the wiring is connected may be a thermo-optic heater on the arm waveguide having a longer optical path length as necessary. However, if the optical path length difference becomes too large, the wavelength dependency of MZI cannot be ignored, and the operating wavelength range that becomes the bar path / cross path becomes limited, so the present half wavelength / zero configuration is preferable.
[0093]
As the two 3 dB couplers in the MZI optical switch of the present invention, directional couplers having two waveguides close to several μm were used. This is because the directional coupler has a lower insertion loss than other means. However, the 3 dB coupler is not limited to this configuration, and other means such as a multimode interferometer (MMI) coupler using a multimode waveguide and a wavelength formed by connecting a plurality of these couplers in cascade. Of course, an independent coupler (WINC) may be used.
[0094]
[Example 2]
As the configuration of the 4 × 4 optical matrix switch according to the second embodiment of the present invention, the configuration of FIG.
FIG. 6 is a specific configuration diagram of the electric control circuit according to the second embodiment. In the figure, reference numeral 23 denotes an electric digital switch, 24a and 24b denote diodes, and other elements having the same functions as those in FIG. Is attached. In each optical crosspoint switch, the electric digital switch 23 for the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch are combined into one, and diodes 24a and 24b are provided between the shared wiring to the drive circuit and the thermo-optic shifter. It is arranged. The diodes 24a and 24b are provided to prevent a current from flowing through the thermo-optic shifter when the electrical digital switch 23 is turned off and the 1 × 2 optical switch 16 and the 2 × 1 optical switch drive circuit output are different. Yes.
[0095]
With such a configuration, the number of electric digital switches could be reduced from 32 in the first embodiment to 16 which is half. At the same time, the number of electrical connection terminals from the chip could be reduced.
[0096]
In terms of operation, a unicast operation, a broadband flat attenuation operation, a branching operation, and a merging operation were performed in exactly the same manner as in the first embodiment.
[0097]
[Example 3]
The configuration of the 4 × 4 optical matrix switch according to the third embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment as shown in FIG.
FIG. 7 is a specific configuration diagram of the electric control circuit according to the third embodiment. In the figure, reference numerals 25a and 25b denote electric digital switches for driving, 26 denotes an electric digital switch for control signal level conversion, and FIG. Those having the same function are denoted by the same reference numerals. In each optical crosspoint switch, the electrical digital switches 25a and 25b are placed on the drive circuit side, and a control signal level converting electrical digital switch 26 is newly added. When the drive electric digital switches 25a and 25b are placed on the drive circuit side, generally, the level of the control signal applied to the drive electric digital switches 25a and 25b does not become the TTL level. The control signal level converting electric digital switch 26 is for eliminating this level mismatch, and has a role of converting an external control signal from the TTL level to the control level of the driving electric digital switches 25a and 25b. Yes.
[0098]
With such a configuration, although the number of electric digital switches increased, the number of connection terminals from the optical matrix switch chip could be reduced from 40 in Example 1 to 32. In terms of operation, a unicast operation, a broadband flat attenuation operation, a branch operation, and a merge operation could be performed in exactly the same manner as in the first embodiment.
[0099]
[Example 4]
FIG. 2 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to a fourth embodiment of the present invention, and is a configuration diagram of an optical matrix switch capable of branching operation with a small number of drive circuits. A significant difference from the configuration of the first embodiment is that an analog driving circuit for a 2 × 1 optical switch is shared by one. That is, 2 × 1 optical switches of all optical crosspoint switches are connected in parallel to the shared drive circuit 0b. As a result, the number of drive circuits could be reduced to five.
[0100]
In this configuration, the merging operation cannot be performed, and it is difficult to obtain a broadband flat attenuation operation characteristic, but other operations can be performed in the same manner as in the first embodiment. In addition, a configuration in which the input / output relationship is reversed (the analog drive circuit for the 1 × 2 optical switch is shared by one) is similarly manufactured. With this configuration, except for the branch operation and the broadband flat attenuation operation It was confirmed that the operation of can be performed in the same manner as in Example 1.
[0101]
[Example 5]
FIG. 3 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to the fifth embodiment of the present invention, and is a configuration diagram of an optical matrix switch capable of branching operation and broadband attenuation operation with a small number of drive circuits. A significant difference from the configuration of the first embodiment is that an analog drive circuit for a 2 × 1 optical switch is shared for each output waveguide. That is, four optical crosspoint switches SW are provided in the shared drive circuit 1b._{x, 1}; X = 1 to 4 2 × 1 optical switches are connected in parallel, and similarly 2b to 4b are switched to SW_{x, 2}~ SW_{x, 4}Are connected in parallel. The 4 × 4 optical matrix switch of the present invention has no particular merit, but for example, in the 2 × 4 optical switch, the number of drive circuits can be reduced from six to four.
[0102]
In this configuration, the merging operation cannot be performed, but other operations can be performed in the same manner as in the first embodiment. In addition, a configuration in which the relationship between input and output is reversed (analog drive circuit for 1 × 2 optical switch is shared for each input waveguide) is similarly manufactured, and with this configuration, operations other than the branching operation are performed. It was confirmed that it could be carried out in the same manner as in Example 1.
[0103]
[Example 6]
FIG. 4 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to a sixth embodiment of the present invention, and is a configuration diagram of an optical matrix switch capable of simple branching operation with a very small number of drive circuits. Reference numerals 1, 2, 3, and 4 in the figure denote shared drive (power supply) circuits, and other parts having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. A significant difference from the configuration of the first embodiment is that an analog drive circuit for a 2 × 1 optical switch is shared with an analog switch for a 1 × 2 optical switch for each output waveguide. That is, four optical crosspoint switches SW are provided in the shared drive circuit 1a._{x, 1}; X = 1 to 4 2 × 1 optical switch and 1 × 2 optical switch are connected in parallel, and similarly 2 to 4 SW_{x, 2}~ SW_{x, 4}Are connected in parallel. As a result, the number of drive circuits can be significantly reduced to four.
[0104]
With this configuration, the merging operation cannot be performed, and it has been difficult to obtain a broadband flat attenuation operation characteristic. In addition, a slight excess loss occurred in the branching operation. However, the unicast operation and the simple attenuation operation can be performed in the same manner as in the first embodiment. In addition, a configuration in which the input / output relationship is reversed (analog drive circuit is shared for each input waveguide) is also manufactured in this manner, and in this configuration, operations other than branching operation and broadband flat attenuation operation are merged. Although a slight excess loss occurred in the operation, it was confirmed that it could be performed in the same manner as in Example 1.
[0105]
In each of the embodiments described above, the description has been given with the matrix switch of 4 × 4 scale. However, it is obvious that the present invention can be extended to the optical matrix switch of M × N scale regardless of the scale.
[0106]
In each of the embodiments described above, the MZI optical switch is used as the 1 × 2 optical switch or the 2 × 1 optical switch, but the present invention is not limited to this, and is a directional coupler type switch. Needless to say, the present invention can be applied to a Y-branch optical switch.
[0107]
8A, 8B, and 8C are configuration diagrams of a Y-branch optical switch, FIG. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. (C) is BB 'sectional drawing of Fig. (A). In the figure, reference numerals 31, 32a and 32b denote optical waveguides, 33 denotes drive electric wiring, 34 denotes a thin film heater, and 35 denotes a waveguide core. In the case of the Y branch switch, since it is necessary to apply power both when setting the path 31 → 32a and when setting the path 31 → 32b, the configuration of FIG. 1 has a plurality of drive circuits as shown in FIG. Like the configuration of the optical matrix switch, it is necessary to cope with a configuration in which each drive power supply system is duplicated. In the figure, reference numerals 1a ′, 2a ′, 3a ′, 4a ′ are shared drive (power supply) circuits for 1 × 2 optical switches, and 1b ′, 2b ′, 3b ′, 4b ′ are shared drives for 2 × 1 optical switches. A (power supply) circuit is shown.
[0108]
In any case, it should be noted that the point of the present invention is that the control of the optically controlled optical switch is shared for each input / output waveguide, and it does not depend on the operating principle of the switch. For example, in addition to the thermo-optic effect, an electro-optic effect, a magneto-optic effect, an acousto-optic effect, or the like may be used.
[0109]
Further, in each of the above-described embodiments, a configuration using a silica-based single mode optical waveguide manufactured on a silicon substrate is used. This is because the silica-based waveguide has an extremely low loss and excellent long-term stability. This is because it has excellent affinity with communication quartz fibers. However, since the present invention relates to a control system construction method, it is obvious that the present invention is not limited to waveguide materials. For example, multi-component glass, polymer materials, lithium niobate, semiconductors, etc. Of course, optical waveguides of other materials may be used.
[0110]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the analog optical switch includes an electric digital switch that cuts off the electric signal level from the driving circuit, and several driving circuits for setting the electric signal level are grouped and shared. In other words, each optical crosspoint switch composed of a double 2 × 2 optical switch unit is equipped with an electrical digital switch, and the analog drive power supply circuit is shared for each input waveguide, each output waveguide, etc. In addition to normal unicast operation, branch operation such as multi / broadcast, conversely, converging operation that collects optical signals from multiple input ports to one output port, and attenuation with broadband flat characteristics The number of analog drive power supply circuits can be reduced while maintaining the freedom of operation such as operation as a device. Accordingly, the number of wires, the number of electrical connection terminals, and the like can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a dual-type optical switch in FIG.
FIG. 2 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a 4 × 4 optical matrix switch according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a specific configuration diagram of a double type optical crosspoint switch and an electric control circuit in the first embodiment.
FIG. 6 is a specific circuit configuration diagram in the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a specific circuit configuration diagram in the third embodiment of the present invention;
FIGS. 8A and 8B are configuration diagrams of a Y-branch optical switch, where FIG. 8A is a plan view, FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 8A, and FIG. is there.
FIG. 9 is a configuration diagram of an optical matrix switch having a plurality of drive circuit numbers.
10A and 10B are configuration diagrams of an M × N matrix switch, where FIG. 10A is an overall configuration diagram of a generalized M × N matrix switch, and FIG. 10B is a path-independent loss that can be configured when M = N. It is a matrix block diagram called arrangement | positioning.
FIG. 11 is a diagram showing a double 2 × 2 optical switch unit which is an example of an optical crosspoint switch.
FIGS. 12A and 12B are configuration diagrams of a Mach-Zehnder interferometer type 2 × 2 optical switch (MZI optical switch), in which FIG. 12A is a plan view, FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. It is BB 'sectional drawing of (a).
FIG. 13 is a configuration diagram of a conventional optical matrix switch that can be completely individually driven, and FIG. 13B is an enlarged view of the dual optical switch shown in FIG.
FIG. 14 is a configuration diagram of an optical matrix switch that collectively shares a conventional drive circuit.
[Explanation of symbols]
0b 2 × 1 optical switch shared drive (power supply) circuit
1, 2, 3, 4 Shared drive (power supply) circuit
1a, 2a, 3a, 4a 1 × 2 optical switch shared drive (power supply) circuit
1b, 2b, 3b, 4b 2 × 1 optical switch shared drive (power supply) circuit
1a ', 2a', 3a ', 4a' 1 × 2 shared switch (power supply) circuit for optical switch
1b ', 2b', 3b ', 4b' 2 × 1 shared drive (power supply) circuit for optical switch
11 Input waveguide
12 Output waveguide
13, 14 Drive signal feed line
15 Double optical switch
16 1 × 2 optical switch
17 2 × 1 optical switch
18 In-unit waveguide
21 Optical matrix switch chip
22 Electrical connection terminals
23a, 23b Electric digital switch
23 Electric digital switch
24a, 24b diode
25a, 25b Electric digital switch for driving
26 Electric digital switch for control signal level conversion
31, 32a, 32b Optical waveguide
33 Drive wiring
34 Thin film heater
35 Waveguide core
51a, 51b, 52a, 52b Optical waveguide
53a, 53b, 54a, 54b Intra-unit optical waveguide
53, 54 routes
55, 56 Drive electric signal feeder
57 1 × 2 optical switch
58 2 × 1 optical switch
61a, 61b, 62a, 62b Optical waveguide
63 Thin film heater
64,65 directional coupler
66 Drive wiring
67 Waveguide Core
68 clad
69 substrates
71 Input waveguide
72 Output waveguide
73 Drive signal feed line
74 Individual drive (power supply) circuit
75 Duplex optical switch
76 1 × 2 optical switch
77 2 × 1 optical switch
78 In-unit waveguide
81 Input waveguide
82 Output waveguide
83 Drive signal feed line
84 Shared drive (power supply) circuit

Claims

It consists of M input waveguides, N output waveguides, and M × N optical crosspoint switches fabricated on the substrate. The (m, n) th optical crosspoint switch is the mth input. An optical crosspoint switch (1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦ N) connecting the waveguide and the nth output waveguide;
The optical cross point switch is a double type optical switch composed of a 1 × 2 optical switch, a 2 × 1 optical switch, and an optical cross point switch unit waveguide,
The 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch are optical matrix switches that are analog optical switches whose paths are continuously switched according to an electric signal level controlled by a driving circuit,
The analog optical switch includes an electric digital switch that cuts off an electric signal level from the drive circuit,
An optical matrix switch characterized in that some of the drive circuits that set the electric signal level are grouped and shared shared drive circuits.

The shared drive circuit includes:
Each output waveguide (n-th) is shared by 1 × 2 optical switches of some or all M optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) connected to the output waveguide. A drive circuit;
Each input waveguide (mth) is shared by 2 × 1 optical switches of some or all N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N) connected to the input waveguide. The optical matrix switch according to claim 1, comprising: a drive circuit.

The shared drive circuit includes:
Each output waveguide (n-th) is shared by 1 × 2 optical switches of some or all M optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) connected to the output waveguide. A drive circuit;
2. The drive circuit shared by a part or a 2 × 1 optical switch of an all-optical cross-point switch (1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦ N). Optical matrix switch.

The shared drive circuit includes:
Each input waveguide (mth) is shared by 2 × 1 optical switches of some or all N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N) connected to the input waveguide. A drive circuit;
2. The drive circuit shared by a 1 × 2 optical switch of a part or all-optical crosspoint switch (1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦ N). Optical matrix switch.

The shared drive circuit includes:
Each output waveguide (n-th) is shared by 1 × 2 optical switches of some or all M optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) connected to the output waveguide. A drive circuit;
Each output waveguide (n-th) is shared by 2 × 1 optical switches of some or all M optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) connected to the output waveguide. The optical matrix switch according to claim 1, comprising: a drive circuit.

The shared drive circuit includes:
Each input waveguide (mth) is shared by 1 × 2 optical switches of some or all N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N) connected to the input waveguide. A drive circuit;
Each input waveguide (mth) is shared by 2 × 1 optical switches of some or all N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N) connected to the input waveguide. The optical matrix switch according to claim 1, comprising: a drive circuit.

For each output waveguide (n-th), the shared drive circuit includes 1 × 2 light of some or all M optical crosspoint switches (1 ≦ m ≦ M, n) connected to the output waveguide. 2. The optical matrix switch according to claim 1, comprising a drive circuit shared by the switch and the 2 × 1 optical switch.

The shared driving circuit includes 1 × 2 light of a part or all of N optical crosspoint switches (m, 1 ≦ n ≦ N) connected to the input waveguide for each input waveguide (m-th). 2. The optical matrix switch according to claim 1, comprising a drive circuit shared by the switch and the 2 × 1 optical switch.

9. The optical matrix switch according to claim 1, wherein the electrical digital switch is shared by a 1 × 2 optical switch and a 2 × 1 optical switch for each optical crosspoint switch.

In a part or all of the shared drive circuit, at least a part of a power supply line for transmitting an electric signal level of the shared drive circuit to the analog optical switch is shared for each shared drive circuit. The optical matrix switch according to claim 1.

11. The optical matrix switch according to claim 10, wherein the power supply line is shared on a chip on which the optical matrix switch according to claim 1 is integrated.

11. The chip on which the optical matrix switch according to claim 1 is integrated is mounted on a module substrate on which control wiring is integrated, and the power supply line is shared on the module substrate. The optical matrix switch described.

The electric digital switch is composed of two transistors,
One transistor is sandwiched and connected between the analog optical switch and the drive circuit to cut off the electrical signal level from the drive circuit,
13. The optical matrix switch according to claim 1, wherein the other transistor is connected between the control terminal of the transistor and the ground in order to control ON / OFF of the transistor.

14. The 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch are each composed of a 2 × 2 optical switch in which one input / output port is not connected. The optical matrix switch described.