JP3914436B2

JP3914436B2 - 自由空間ノンブロッキング・スイッチ

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Publication number: JP3914436B2
Application number: JP2001576533A
Authority: JP
Inventors: フォルケルト、ホルシュト
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: CA2404951C; JP2003531399A; TW499587B; EP1146386A8; US20040071390A1; US6813409B2; CA2404951A1; AU3591401A; EP1146386A1; WO2001079926A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチに関し、詳細にはノンブロッキング自由空間スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
速度や複雑度、集積密度が増大するにつれ、シリコン・ベースの電子環境での光配線の使用の有望性が一段と関心を集めている。ＶＬＳＩ（超大規模簿集積回路）シリコン（Ｓｉ）技術と併用可能な光デバイスおよび光電子デバイスの開発に向かわせる大きな刺激材料がますます明らかになりつつある。面積の広い低コストのＳｉウエハ技術は、光導波デバイスにとって理想的な基盤となっている。さらに、成熟したＳｉプロセス技術、マイクロマシン加工技術、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、およびヘテロエピタキシを使用して、マイクロ光デバイスやハイブリッド光電子回路などの複雑な光学構造体を製造することができる。主流のＳｉ集積回路（ＩＣ）技術と併用可能であることによって、現在の電子ＩＣと同様のモノリシックＳｉベースの光電子集積回路の、低コストで信頼性の高い製造が見込まれる。
【０００３】
光スイッチは、従来のトランジスタときわめてよく似ており、光導波デバイスに不可欠な構成要素である。光スイッチは、たとえば遠隔通信ネットワークにおける光路を構成変更するのに必要なものである。
【０００４】
光スイッチは一般に、機械的に作動させる１つまたは複数の要素を有する。そのため、この種のスイッチはオプトメカニカル・スイッチと呼ばれる。典型例は、「Current European WDM deployment trends」（Ｅ．ロウ（Lowe), IEEE Commun. Mag., Vol.36, ４６〜５０ページ、１９９８年）および「All-silicon bistable micro mechanical fiber switches」（Ｍ．ホフマン（Hoffmann)等、Electron. Lett., Vol.34, ２０７〜２０８ページ、１９９８年）に記載されている。
【０００５】
オプトメカニカル・スイッチよりもかさばらず、信頼性の高い光スイッチがあれば望ましい。しばしば使用されるＮ×Ｍ光スイッチの構築手法は、複数の（多数の）単純な２×２光スイッチ要素をカスケード接続するものであり、これらの２×２スイッチの各スイッチが１つまたは複数のチューナブル・マッハ・ツェンダー干渉計から成る。このようなスイッチの一例は、「Low-Loss and High-Extinction-Ratio Silica-Based Strictly Nonblocking 16x16 Thermooptic Matrix Switch」(Ｔ．ゴウ、Ｍ．ヤス、Ｋ．ハットリ、Ａ．ヒメノ、Ｍ．オクノ、およびＹ．オオモリ、IEEE Photonics Technology Letters, Vol.10, No.6、１９９８年６月）に記載されている。もう１つの手法は、ビーム・ステアリングを使用して１×ＮまたはＮ×１スイッチを実現するもので、「Compact Versatile Thermooptical Space Switch Based on Beam Steering by a Waveguide Array」（Ｅ．フリュック（Flueck）等、IEEE Photonics Techn. Lett., Vol.11, No.11、１３９９〜１４０１ページ、１９９９年１１月）に記載されている。この集積光スイッチは、周知のアレイ導波路格子（arrayed waveguide grating:ＡＷＧ）波長マルチプレクサと類似している。これは、複数の入力導波路と、チャネル導波路の配列を介して入力光を分岐させるスター・カプラと、この配列からの光を出力導波路の１つに再集光するもう１つのスター・カプラとから成る。入力側のアレイ導波路は、チューナブル・レンズを備える。光を集光させる出力導波路は、位相分布を調整することによって決めることができる。これにより、入力信号を所望の出力チャネルに切り換えることができる。このＩＥＥＥ刊行文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、製作が簡単かつ低費用であり、光路を迅速に切り換え、スイッチに摩擦摩耗がないスイッチを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、基板上の他の構成要素（たとえば光構成要素）と共に集積可能なスイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、光スイッチと、１つまたは複数の光スイッチを含むデータ伝送システムとに関する。本発明によるスイッチは、入力光自由空間要素を備えた入力チャネルと、大型光自由空間要素と、入力光自由空間要素から受け取った光波を大型自由空間要素に投射する調整可能投射特性を備えた入力チューナブル光学レンズとを含む。さらに、このスイッチは、出力光自由空間要素を備えた出力チャネルと、大型自由空間要素からの光波を捕捉し、その光波を出力光自由空間要素に送る調整可能受光特性を備えた出力チューナブル光学レンズとを含む。
【発明の実施の形態】
【０００９】
以下に、添付図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。添付図面は一律の縮尺で作図されたものではないことに留意されたい。
【００１０】
本発明の様々な実施形態について説明する前に、本発明による基本要素および構成要素と、基礎となる集積プレーナ型導波路技術について述べる。
【００１１】
本発明のスイッチは、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、ＩｎＰのようなIII−Ｖ半導体、石英（すなわちＳｉＯ₂）ガラス、ニオブ酸リチウム、ポリマーなどを含めて、様々な材料系で実施可能である。
【００１２】
光波をスイッチまで導き、スイッチから導き出す光導波路を使用する。光導波路は、通常、何らかの高屈折率材料でできたコアと、低屈折率材料製のクラッドとを含む。コアおよびクラッドは、ドープした石英ガラス製とすることができ、必要な屈折率差は、適切なドーピング・プロファイルによって得られる。大量生産の場合、導波路は、Ｓｉウエハ（たとえば４インチＳｉウエハ）などの半導体技術対応基板上、またはガラス基板上に形成することが望ましい。その結果として、プレーナ導波路または集積プレーナ導波路と呼ばれるものが形成される。プレーナ導波路技術の概説は、「Silica-based optical integrated circuits」（Ｙ．Ｐ．リ、Ｃ．Ｈ．ヘンリー、IEE Proc.-Optoelectron. Vol.143, No.5、２６３〜２８０ページ、１９９６年１０月）に記載されている。
【００１３】
クラッドが石英製の場合、屈折率は１．４５であり、コアとしてはより高い屈折率（たとえば１．５近く）の材料が望ましい。屈折率が高いほどデバイスは微細化されるが、損失も高くなり、ファイバとチップの結合などがより困難になることに留意されたい。コアとしてはＳｉＯＮを選定することができる。これは、ＳｉＯＮの窒素濃度を変化させることによって広い範囲にわたって屈折率を変化させることができるためである。導波路としてＳｉＯＮを使用する例は、米国特許第５４１６８６１号に記載されている。
【００１４】
「Plasma-enhanced growth, composition and refractive index of SiON films」（Ｋ．Ｅ．マッツソン（Mattsson), J.Appl. Phys.77, No.12, １９９５年６月１５日、６６１６〜６６２３ページ）では、屈折率を変化させるためのＳｉＯＮ中の窒素の変化について考察されている。
【００１５】
ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄の成分の混合によって生じるＳｉＯ_xＮ_yの具体的特徴は、非晶質構造を形成することと、可能な全範囲にわたって成分が混和可能であることである。導波路コアの典型的な組成は、ＳｉＯ_1.9Ｎ_0.08である。
【００１６】
周知の製造技法は、プラズマ加速化学付着（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用してＳｉＯＮを付着させるものである。しかし、その結果として形成される材料は、高い水素濃度を有する。水素は、ヒドロキシル基、Ｓｉ−Ｈ基、およびＮＨ−ＮＨ₂フラグメントの形で混和される。これらの基およびフラグメントにより、酸窒化シリコンの光透過特性に、さらなる吸収度が加わる。ＮＨによって生じる吸収帯の第一倍音は、１５０５ｎｍであり、光信号伝送に使用される１５４０ｎｍから１５７０ｎｍまでにわたるスペクトル窓と重なる。以下、これを単に光伝送窓と呼ぶ。この窓を光伝送のために選定したのは、この窓において石英ガラスの吸収率が最低になるためと、Review of rare earth doped fiber lasers and amplifiers」（Ｐ．アーカート（Urquhart), IEE Proc. Vol.135, Pt. J, No.6, ３８５〜４０７ページ、１９８８年１２月）に記載されているように、エルビウムをドープした光増幅器はこの窓において最も線形な増幅の範囲を有するためである。
【００１７】
この吸収の結果、実現可能な生成物に、しばしば受容不能なほど大きな損失が生じる。ＮＨ濃度は、時間の経過や、周囲の媒質との自然交換による湿度と共に増大する可能性すらある。したがって、「High contrast and low loss SiON optical waveguides by PECVD」（Ｂ．オフライン（Offrein)等、１９９６年IEEE/LEOSベネルクス部会（エンスヘデ）会報２９０〜２９３ページ）に記載されているように、現在は、水素濃度とそれに伴う吸収損失を高温アニール・プロセスによって低減させている。このプロセスは、材料を固結させ、水とアンモニアを蒸発させることによって水素濃度を低減する。同文献は、参照により本明細書に組み込まれる。窒素原子は、その原子近傍をシリコン原子２個と水素原子１個からシリコン近傍原子３個に変える。しかし、アニール時間が長くなると、結晶化または相分離による付加的な散乱中心が生じると考えられるため、損失はある程度までしか低減させることができない。ＳｉＯＮ中の水素含有量を減らす他の手法が、「Low-Hydrogen Silicon Oxynitride Optical Fibers Prepared by SPCVD」（ディアノフ（Dianov）等, Jounal of LIghtwave technology, Vol.13, NO.7, １９９５年７月）に記載されている。
【００１８】
適合する、特殊なＳｉＯＮ材料が、国際公開番号ＷＯ９９／４４９３７号の同時係属ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＩＢ９８／０１０１７で開示されている。このＰＣＴ特許出願は、現在本出願の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００１９】
以下の実施形態は、ＩＢＭの高屈折率差シリカ・オン・シリコン集積プレーナ導波路技術に基づいて例示する。この技術は、光ネットワーク用の低コストのシリカ・オン・シリコン集積プレーナ光波構成要素の製作を可能にするものである。この集積プレーナ導波路技術は、ＳｉＯＮとＳｉＯ₂とによって形成された導波路において実現可能な、大きな実効屈折率差を利用する。これにより、曲半径の小さい導波路を実現することができ、したがって、デバイスを大幅に小型化することができる。
【００２０】
高屈折率差のシリカ・オン・シリコン技術の詳細は、「Wavelength division multiplexed add/drop ring technology in corporate backbone networks」（Ｇ．Ｌ．ボーナ(Bona)等、Opt. Eng. Vol.37, ３２１８〜３２２８ページ、１９９８年）に記載されている。この文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
本明細書で使用する導波路アレイという用語は、チャネル導波路の配列を意味する。リッジ導波路（ストライプ導波路とも呼ぶ）構造、埋込み導波路構造、およびその他の構造は、本発明と共に使用するのに適している。アレイ導波路の場合、複数の異なる形状および幾何形態が適用可能である。図を簡単にするため、図面には直線導波路チャネルを持つ導波路アレイのみが示されていることに留意されたい。実際の応用では、一般に、これらの導波路チャネルは、たとえば図１７に示すように曲げられる。
【００２２】
チャネルという用語は、多波長光波を伝達する通信リンクの特定の１つのリンクを指す。
【００２３】
光自由空間要素は、光が横方向に閉じ込められない自由伝播領域を有する。光は、入力導波路（本明細書では入力チャネルと呼ぶ）または入力導波路アレイから、このような光自由空間要素内に入射させることができる。本明細書における光自由空間要素は、自由伝播領域（ＦＰＲ）とも呼ぶ。本明細書では、入力光自由空間要素と、大型光自由空間要素と、出力光自由空間要素とを区別する。これは、スイッチの異なる構成要素、それらの配置構成および機能をよりわかりやすく説明することができるようにするために用いる人為的な区別にすぎない。
【００２４】
本明細書で使用する「チューナブル・レンズ」は、導波路アレイと位相器（たとえばヒータ）とを含む。このチューナブル・レンズは、第１の光自由空間要素（たとえば入力光自由空間要素）内を伝播する分岐ビームまたは平行ビームを取り込み、通常のレンズのように、このビームを第２の光自由空間要素内の平行または収束ビームに変える。以下の説明では、第１の光自由空間要素と第２の光自由空間要素の間にあるものはすべて、チューナブル・レンズを構成するものとする。
【００２５】
導波路アレイの集束特性と、波長依存度とは、導波路アレイ内の導波路の相対実効光路長によって決まる。実効光路長は、導波路の実効屈折率と物理長とによって決まる。これは、位相器（たとえばヒータ）を使用して微調整することができる。
【００２６】
通常のレンズで代用すると、離散数のサブ波に離散数の位相シフトを適用する導波路アレイによって連続波面に連続位相変調が加えられ、付加的な損失とスプリアス回折光線を生じさせる。これらの効果と、それらを最小限にする方法は、ＡＷＧ設計の業者には周知である。一般に、配列を構成する導波路の数が多いほど、連続レンズに近くなり、これらの副次的効果は重要でなくなる。しかし、配列内の導波路が多いと、チューナブル・レンズを制御するのにより多くの位相器（例えばヒータ）が必要になる。
【００２７】
これは、導波路におけるスプリアス・フェーズ・エラーを補正するためにヒータを必要とする、本明細書に記載のＳｉＯＮ技術にも当てはまる。しかし、このようなフェーズ・エラーのないきわめてうまく制御された技法を使用すれば、ヒータを２個のみ使用するだけですむ。そのうちの一方は一次位相勾配（ステアリング）を適用するため、他方は、多くのアレイ導波路による二次位相勾配（焦点距離）を適用するために使用する。
【００２８】
チューナブル・レンズは、様々な方式で実現可能である。典型例は、導波路アレイの一部または全部の導波路に合わせて個別整調可能なヒータを含むチューナブル・レンズである。状況によっては、１導波路につき複数のヒータを使用することが望ましい場合もある。
【００２９】
これらのヒータを調整することにより、自由空間要素内に放射される光線の投射特性を制御することができる。実施態様によっては、焦点（焦点距離）または光の放射方向（ステアリング）あるいはその両方を同時に調整することができる。一次位相勾配は、放射される光の位相面を傾斜（ステアリング）させる。二次またはそれ以上の次数の位相勾配により、光波の焦点距離を変更することができる。言い換えると、このようなチューナブル・レンズにより、投射特性の熱光学制御が可能になる。
【００３０】
対象となる導波路の近くに配置されたクロム・パッドまたはクロム線を含むヒータが適している。アルミニウム・リード線を使用して、このクロム・パッドまたはクロム線に電流を通すことができる。このヒータを駆動する電流源または電圧源が必要である。このような電流源または電圧源、およびその他の要素／回路は、ヒータ・ステアリング・ユニットの一部とすることができる。このようなヒータ・ステアリング・ユニットは、マイクロコンピュータと、各ヒータ設定値を記憶するメモリとを含むか、またはスイッチ制御ボックスまたはコンピュータに（たとえばコンピュータ・インタフェースを介して）接続することができる。スイッチ制御ボックスは、経路指定またはスイッチング情報（接続情報）を、スイッチの入力側で受け取ったパケットまたはフレームから獲得／抽出する。またはこの接続情報を他のシステムから受け取る。その後、ヒータ・ステアリング・ユニットおよび入出力チューナブル・レンズを介してスイッチ／光チップ内部でそれぞれの接続が確立される。
【００３１】
様々なスイッチ状態に対応する最適なヒータ設定値を求めるために、反復最適化手続きを使用することができる。「Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing」（ケンブリッジ、Cambridge Univ. Press,６８３〜６８８ページ、１９８８年）に記載されている、レーベンバーグ・マーカート／アルゴリズムが適している。各ヒータ設定値を記憶し、それらをスイッチ状態を変更する必要があるときに呼び出すことができる。このような再構成は、ミリ秒台で行うことができる。
【００３２】
マイクロメカニカル・オンチップ要素を使用してチューナブル・レンズを実現することもできる。
【００３３】
本発明の詳細な実施態様について説明する前に、本発明によるスイッチの基本構成要素と、その動作について説明する。
【００３４】
本発明によるスイッチの基本構成要素は、入力光自由空間要素、入力チューナブル・レンズ、大型光自由空間要素、出力チューナブル・レンズ、および出力光自由空間要素である。
【００３５】
スイッチを介した接続のための経路は、以下の通りである。すなわち、入力チャネルからの光は、入力光自由空間要素に入り、横方向に分岐するビームになる。この分岐ビームは、第１のチューナブル・レンズ（導波路アレイとヒータ）によって捕捉され、大型光空間要素における平行ビームまたは収束ビームに変換される。この大型光自由空間要素の端部で、ビームは平行のままであるか、または（焦点を過ぎて）再び分岐する。この平行ビームまたは分岐ビームは、第２のチューナブル・レンズ（第２の導波路アレイとヒータ）によって捕捉され、出力光自由空間要素における収束ビームに変換される。この要素における焦点の位置は、出力導波路の始点と一致するように調整される。その後光はこの出力導波路に結合され、出力導波路を通ってスイッチから出る。
【００３６】
Ｎ×Ｎスイッチング機能は、入力チューナブル・レンズを調整して、大型光自由空間要素内のビームの向きを変えることによって実現される。複数の異なる設定値について、このビームを複数の異なる出力チューナブル・レンズの方向に向けることができる。同様にして、出力チューナブル・レンズを調整して、複数の異なる設定値について、異なる入力チューナブル・レンズから入射するビームを出力導波路アレイの導波路に入射させることができる。
【００３７】
所与の入力導波路Ｐと所与の出力導波路Ｑとの間の光リンクは、以下の場合にのみ形成される。
ａ）入力チューナブル・レンズＰが、伝達されたビームを出力チューナブル・レンズＱの方向に向けるように設定され、
ｂ）出力チューナブル・レンズＱが、入力チューナブル・レンズＰからのビームを出力導波路Ｑに集束させるように設定され、
ｃ）ｃ１）入力チューナブル・レンズＰの焦点距離が、大型光自由空間要素において平行ビームを伝達するように設定され、出力チューナブル・レンズＱが、そのような平行ビームを出力導波路に再集束させるように設定されているか、
または、ｃ２）入力チューナブル・レンズＰの焦点距離が、大型光自由空間要素の焦点が入力チューナブル・レンズと出力チューナブル・レンズとの中間になるようにして収束ビームを伝達し、出力チューナブル・レンズＱが、この焦点の後の分岐ビームを出力導波路に再集束させるように設定されている。
【００３８】
チューナブル・レンズの方向または焦点距離が上記のシナリオからわずかに逸脱する場合でもある程度の結合が得られることがあるが、最適結合効率には満たない。これをパワー調整に使用することができる。
【００３９】
本発明によるスイッチの重要な光学特性としては、伝送損失、出力チャネル損失の均一性、チャネル分離などがある。固定導波路技法の場合、スイッチの特性を調整するために使用可能な自由設計パラメータは、当業者には周知であり、理解できるであろう。本発明によるスイッチを設計する際、分析的または数値的モデリングまたはシミュレーション・ツールを使用することができる。この手続きは、標準ＡＷＧデバイスをモデリングする際に適用されるのと同じ考慮事項に従う。
【００４０】
リッジ構造を有する導波路の断面図の例を、図６に略図で示す。製作には、図１ないし図６に示すように様々なステップが必要である。Ｓｉ基板（たとえばＳｉウエハ）を熱酸化させて、図１に示すようにＳｉＯ₂層２１（下部クラッドとも呼ぶ）を形成する。後のステップで、ＰＥＣＶＤプロセスを使用してＳｉＯＮコア２２を成長させる。このＰＥＣＶＤステップの結果を図２に示す。この構造全体２０、２１、２２をアニーラでアニールして、Ｎ−Ｈ結合によって生じる吸収損失を低減する。アニーラとしてTempress System TS-6304を使用することができる。図３に示すように、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）プロセスを使用してリッジ２３を画定する。このためには、反応剤としてＣＨＦ₃とＯ₂を使用することができる。このリッジ２３は、導波路チャネルの役割を果たすことになる。次に、ＳｉＯＮコア２２とリッジ２３の上に上部クラッド層２４を形成する。上部クラッド層２４は、ＰＥＣＶＤを使用して付着させたＳｉＯ₂を含む。図４に、この上部クラッド層２４を付着させた後の導波路を示す。
【００４１】
たとえばクロム・ヒータを形成するために、いくつかの追加のステップが必要である。これらの追加のステップを、図５ないし図６に示す。図５に示すように、上部クラッド層２４上に上部クラッド層２４の一部を覆うようにクロム層２５を付着させる。クロム層２５は、スパッタ付着プロセスを使用して形成することができる。スパッタリングにより追加のアルミニウム層２６を付着させて、低抵抗接触線を形成することができる。これを図６に示す。
【００４２】
本発明による典型的な導波路は、リッジ幅が１μｍから５μｍの間、好ましくは３μで、厚さ１μｍから３μｍ、好ましくは１．３μｍである。ＳｉＯＮ層２２（図２）の元の厚さは１μｍから５μｍの間、好ましくは２μｍである。リッジ形成後、この層２２を約０．６５μｍの厚さまで薄くする（図３）。ＳｉＯ₂クラッド層２１および２４の屈折率は約１．４５であり、ＳｉＯＮコア２２の屈折率は約１．５である。したがって屈折率差は約３．３％である。本発明の導波路の伝播損失は０．１５ｄＢ／ｃｍ未満である。上述の高屈折率差のシリカ・オン・シリコン集積プレーナ導波路技法を使用した場合、標準単一モード・ファイバと比較して、幾何形状断面が比較的小さく、横実効屈折率差が０．０２と高い導波路を実現することができる。
【００４３】
図７に、チューナブル・レンズ４０の例の上面図を示す。チューナブル・レンズ４０は、３個のリッジ導波路３０、３１、および３２を有する導波路アレイ３９を含む。光は、これらの導波路を左から右に導かれる。２つの最上部の導波路３０、３１の上には２つのクロム・ヒータ２５および３５が配置されている。この２つのヒータ２５、３５は、第１のアルミニウム接触線２６によって第１の接触パッド３６に接続されている。この第１のアルミニウム接触線２６は、共通電極として機能する。また、２つのヒータ２５、３５の各ヒータは、それぞれのアルミニウム接触線４２、４３と接触パッド３７、３８を有する。このアルミニウム接触線の配置構成により、２つのヒータ２５、３５を介して電流（Ｉ１、Ｉ２）を個別に駆動することができる。個々のヒータを駆動するステアリング・ユニット４４を使用することができる。これらのヒータ２５、３５は、異なる導波路間の位相勾配を調整することができるようにするチューナブル・レンズ４０の一部である。位相勾配を調整することにより、導波路アレイ３０が大型光自由空間要素（図７に図示せず）内に放出する光の投射特性を制御することができる。
【００４４】
入力光自由空間要素１８０の例の上面図を、図８に略図で示す。この例では、入力光自由空間要素１８０は、多波長光波を入力光自由空間要素の自由伝播領域に向けて導く１本の入力チャネル１８１を有する。この自由伝播領域では、図８の４本の矢印線で示すように光波が分岐する。この分岐ビームは、導波路アレイ１８６の４本の導波路チャネル１８２〜１８５によって捕捉される。この導波路アレイ１８６は、（図８では図示されていない）チューナブル・レンズの一部である。
【００４５】
図９に、出力光自由空間要素１９０の略図を示す。この要素１９０は、４本のチャネル導波路１９２〜１９５を有する導波路アレイ１９６と、自由伝播領域と、出力チャネル１９１とを含む。導波路アレイ１９６の導波路における位相関係が適切に設定されていれば、４本の矢印線によって略図で示された平行ビームまたは分岐ビームが、重ね合わせにより出力光自由空間要素１９０内で収束ビームに変わる。その後、収束ビームは上記出力チャネル１９１に結合される。
【００４６】
以下に、本発明の基本原理について、図１０および図１１を参照しながら詳述する。この２つの図には、１×１自由空間ノンブロッキング・スイッチ１０が示されている。図１０には、入力側が出力側に接続された第１のスイッチング状態（オン状態）のスイッチ１０が示されている。言い換えると、この第１のスイッチング状態では、導波路６を介して入力側に入射した多波長光波が、出力側の導波路７に結合される。第２の状態（オフ状態）では、入力側の導波路６と出力側の導波路７との接続が遮断され、２つの側の間の結合は行われない。この第２の状態を図１１に示す。本発明によるスイッチ１０は、３つの光自由空間要素を含む。すなわち、入力光自由空間要素８と、大型光自由空間要素１３と、出力光自由空間要素９である。さらに、スイッチ１０は、入力導波路アレイ１１を有する入力チューナブル光学レンズ１２と、出力導波路アレイ１４を有する出力チューナブル光学レンズ１５とを含む。上記入力チューナブル光学レンズ１２の前に入力光自由空間要素８が配置され、出力チューナブル光学レンズ１５の後に出力光自由空間要素９が配置されている。
【００４７】
入力導波路６と、入力光自由空間要素８と、入力チューナブル光学レンズ１２を備えた入力導波路アレイ１１とを介して入射した光波１６が、大型光自由空間要素１３内に投射される。入力チューナブル光学レンズ１２は、入力導波路アレイ１１と相互作用し、それによって、大型自由空間要素１３内の光波６の向きをレンズ１２を調整することによって変えることができるようになっている。レンズ１２の調整により、入力チューナブル光学レンズ１２の投射特性を変更することができる。図１０では、光波１６が大型自由空間要素１３の真ん中に焦点１７を有するように、入力チューナブル光学レンズ１２が調整されている。
【００４８】
出力チューナブル光学レンズ１５は、その受光特性がしかるべく調整されていることを条件として、大型自由空間要素１３から光波１６を受け取ることができるように配置されている。そのため、出力チューナブル光学レンズ１５は、出力導波路アレイ１４と、大型自由空間要素１３からの光波１６を（能動的に）捕捉するように受光特性を調整することができるようにするヒータとを含む。図１０に示すように、入力導波路アレイ１１からの光はすべて焦点１７で集束され、そこから出力導波路アレイ１４によって捕捉される。出力光自由空間要素９は、導波路アレイ１４からの光を出力チャネル７に集める。
【００４９】
言い換えると、光が入力側から出力側に切り換えられる。
【００５０】
次に図１１を参照すると、同じスイッチ１０の第２の状態（オフ状態とも呼ぶ）が図示されている。他にも様々なスイッチング状態があることは明らかであろう。この特定の状態では、入力チューナブル光学レンズ１２は、光波１６が、もはや大型自由空間要素１３の中央にはない焦点１９を有するように調整されている。光波１６は、入力チューナブル光学レンズ１２を整調することによって上方に傾けられている。出力チューナブル光学レンズ１５は、この例では調整されていない。すなわち、受光特性は同じままである。出力チューナブル光学レンズ１５は、焦点１８を有する。焦点１８および１９は、離隔しているため、入力側から出力側に結合される光はまったく（またはほとんど）ない。この状態をオフ状態とも呼ぶ理由はこのためである。
【００５１】
図１０および図１１に示す実施形態によるスイッチを使用して、オン／オフ・スイッチを実現することができる。
【００５２】
より高度なスイッチ５０を図１２に示す。このスイッチ５０（光チップ）は、Ｎ×Ｎ自由空間ノンブロッキング・スイッチである。これは、Ｎ本の入力チャネル１８７、１８８、１８９を含み、各チャネルは（小型）入力光自由空間要素１８１、１８２、１８３と、入力導波路アレイ５１、５２、５３を備えた入力チューナブル光学レンズ５４、５５、５６とを有する。スイッチ５０は、さらに、大型自由空間要素６０と、Ｎ本の入力チャネル１９０、１９１、１９２とを含む。各出力チャネルは、出力導波路アレイ５７、５８、５９を有する出力チューナブル光学レンズ６１、６２、６３と、（小型）出力光自由空間要素１８４、１８５、１８６とを有する。入力側のチューナブル光学レンズ５４、５５、５６と、出力側のチューナブル光学レンズ６１、６２、６３は、入力導波路アレイ５１を介して入射した光波６４が焦点６７上で集束し、出力導波路アレイ５８によって捕捉されるように調整されている。光波６５は、入力導波路アレイ５２によって、大型自由空間要素６０中に放射され、焦点６９に投射される。出力導波路アレイ５９がこの光波６５を捕捉する。Ｎ番目の入力導波路アレイ５３によって放射された光波６６は、焦点６８上に集束される。出力導波路アレイ５７がこの光波を捕捉する。入力チューナブル光学レンズ５４、５５、５６と出力チューナブル光学レンズ６１、６２、６３を整調／調整することによって、多くの異なるスイッチング状態が実現される。このスイッチ７０の入力側と出力側は対称になっている。この時点では、入力チャネル１８７は出力チャネル１９１に接続され、入力チャネル１８８は出力チャネル１９２に接続され、入力チャネル１８９は出力チャネル１９０に接続されている。
【００５３】
図１３に他の実施形態を示す。スイッチ７０は、Ｎ本の入力チャネル７４〜７５と、Ｎ個の入力光自由空間要素７１〜７３と、Ｎ個の入力導波路アレイを有するＮ個のチューナブル・レンズ１５２〜１５４とを含む。このスイッチはさらに、大型光自由空間要素１５１も含む。スイッチ７０は、Ｎ本の出力チャネル８１〜８３と、Ｎ個の出力光自由空間要素７７〜７９と、Ｎ個の出力導波路アレイを備えたＮ個のチューナブル・レンズ１５５〜１５７とを含む。隣接入出力チャネル間の分離を向上させる（クロストークを低減する）ため、自由空間要素１５１の中央にフィルタリング要素８０が配置されている。このフィルタリング要素８０は、スイッチ１５０の中間焦点面がある場所に配置されている。フィルタリング要素８０は、焦点がある場所に開口部を含む。入力導波路アレイによって、フィルタリング要素８０の開口部がちょうど位置する場所である、大型自由空間要素１５１の中央に入力導波路の実像が形成される。出力側の各配列は、これらの開口部からの光を能動的に捕捉するように整調することができる。開口部外部のフィルタリング要素８０に入射する導波路アレイからのより高次の回折ピークがあれば、フィルタリング要素８０によって阻止される。言い換えると、フィルタリング要素８０は、光学フィルタとして機能する。この中間焦点面における実像の位置は算出可能である。Ｎ×Ｎスイッチの場合、２×Ｎ−１個の焦点がある。すなわち、フィルタリング要素８０は、２×Ｎ−１個の開口部を有することになる。
【００５４】
以下の各段では、本発明の方式の変形態様または変更について説明する。以下の説明では、本発明の方式がいかに有効かつ柔軟性が高いかを示す。この方式は、多くの異なる用途で使用可能である。
【００５５】
図１４に、Ｎ＝３本の入力チャネル１２０、１２１、１２２がある対称スイッチ配置構成９０を示す。各入力チャネルは、入力光自由空間要素１９３と、５本の導波路９１を備えたチューナブル・レンズ２０５とを含む。スイッチ９０はさらに、Ｍ＝３本の出力チャネル１２３、１２４、１２５を有する。各出力チャネルは、５本の導波路９５を備えたチューナブル・レンズ２０６と、出力自由空間要素１９４とを含む。同波路９１および９５は、大型自由空間要素９２を基準として、（１）すべての焦点が焦点面９３にあり、（２）焦点面が大型自由空間要素９２の中央にくるように配置されている。この対称スイッチ配置構成は、前述の他のスイッチと同様に、チューナブル・レンズを有する。図１４には、これらのチューナブル・レンズが略図で示されているに過ぎないことに留意されたい。図１４は、すべてのチューナブル・レンズがオフ状態、すなわち、ビーム・ステアリングが行われないスイッチ状態を示している。光線は、大型自由空間要素９２に入射し、焦点９４で集束し、そこから出力側のチューナブル・レンズ９５によって捕捉される。言い換えると、スイッチは、第１の光波を最上部の入力チャネル１２０から最上部の出力チャネル１２３まで経路指定する。第２の光波は、中央の入力チャネル１２１から中央の出力チャネル１２４まで経路指定され、第３の光波は、最下部の入力チャネル１２２から最下部の出力チャネル１２５まで経路指定される。
【００５６】
スイッチ９０は、入力チューナブル光学レンズまたは出力チューナブル光学レンズあるいはその両方を調整することによって、様々なスイッチ状態に切り換えることができる。ここでは仮に、最上部の光線の焦点を上方に移動させるために、最上部の入力チャネル１２０の入力チューナブル光学レンズのみを調整するものとする。他のすべてのチューナブル光学レンズがオフ状態の場合、これは、最上部の入力チャネル１２０と最上部の出力チャネル１２３の焦点が一致しなくなることを意味する。このチャネル１２０を介して入射した第１の光波は、出力チャネル１２３まで導かれない。この特定の光「リンク」は遮断される。
【００５７】
図１５に、Ｎ＝３本の入力チャネル１４０、１４１、１４２を有する非対称スイッチ配置構成１３０を示す。各入力チャネルは、入力光自由空間要素１９５と、５本の導波路１３１を備えたチューナブル・レンズ２０７とを含む。スイッチ１３０はさらに、Ｍ＝３本の出力チャネル１４３、１４４、１４５を有する。各出力チャネルは、出力光自由空間要素１９６と、３本の導波路１３５を備えたチューナブル・レンズ２０８とを含む。チューナブル・レンズ２０７、２０８は、大型自由空間要素１３２を基準にして、（１）焦点がすべて焦点面１３３上にあり、（２）焦点面１３３が大型自由空間要素１３２の中央にあるように配置されている。このスイッチ配置構成１３０は、前述の他のスイッチと同様、チューナブル・レンズ２０７および２０８を有する。図１５には、これらのチューナブル・レンズ２０７、２０８が略図で示されているに過ぎないことに留意されたい。すべてのチューナブル・レンズ２０７、２０８がオフ状態になっている。すなわち、ビーム・ステアリングは行われない。光線は、大型自由空間要素１３２に入射し、焦点１３４で集束する。出力チューナブル・レンズ２０８の受光特性は、焦点１３６が焦点１３４と重なり合わないように調整されている。このスイッチ状態では、出力チューナブル・レンズ２０８は光を捕捉しない。すなわち、入力チャネル１４０、１４１、１４２は出力チャネル１４３、１４４、１４５のいずれにも結合されない。光は左側から右側には伝播しない。光リンクはすべて遮断されている。
【００５８】
このスイッチ１３０は、入力チューナブル光学レンズ２０７または出力チューナブル光学レンズ２０８を調整することによって、様々なスイッチ状態に切り換えることができる。入力チューナブル光学レンズ２０７と出力チューナブル光学レンズ２０８の両方を、前述の詳細な説明の項で規定した最適なリンクの基準ａ）〜ｃ）を満たすように調整することが好ましい。ここでは仮に、焦点を上方に移動させるために最上部の出力チャネル１４３の出力チューナブル光学レンズ２０８のみを調整するものとする。他のチューナブル光学レンズがオフ状態の場合、これは、最上部の入力チャネル１４０と最上部の出力チャネル１４３の焦点が一致し、このチャネル１４０を介して入射する第１の光波が出力チャネル１４３に経路指定されることを意味する。すなわち、この２つのチャネルの間に光「リンク」が存在する。他のすべての光リンクは遮断されたままである。
【００５９】
スイッチ９０および１３０は両方とも、大型自由空間要素内のビーム方向を調整することによって切り換えることができる。
【００６０】
本発明による他のスイッチ設計１６０を図１６に示す。大型自由空間要素１６１は、中間焦点面の代わりに反射面１６２を有する。２本の入力チャネル２０１、２０２があり、これらは入力光自由空間要素１９７、１９８と、チューナブル・レンズ１６３および１６４と、導波路アレイ１６７、１６８とを有する。さらに、２本の出力チャネル２０３、２０４があり、これらの出力チャネルは、出力光自由空間要素１９９、２００と、チューナブル・レンズ１６５および１６６と、導波路アレイ１６９、１７０とを有する。入力チャネル２０１を介して入射した第１の光波は、反射面１６２上で集束し、そこから出力チャネル２０３によって捕捉される。入力チャネル２０２を介して入射した第２の光波は、反射面１６２上に集束し、そこから出力チャネル２０４によって捕捉される。このようなスイッチ１６０は、これは、大型自由空間要素１６１のサイズを小さくすることができるため、本明細書に記載の他のスイッチよりも面積を必要としない。
【００６１】
本発明の好ましい実施態様を図１７に示す。このスイッチ２１０は、入力側が出力側の鏡像になっていることを特徴とする。スイッチ２１０は、８本の入力チャネル２１２と、それに続く８個の入力光自由空間要素２１３と、ヒータおよび導波路アレイを備えた８個の入力チューナブル・レンズ２１４とを含む。これらの導波路アレイの導波路は、大型光自由空間要素２１１に接続／結合されている。自由空間要素２１１の反対側には、ヒータと導波路アレイとを備えた８個の出力チューナブル・レンズ２１５がある。これらの８個の出力チューナブル・レンズ２１５は、８個の出力チャネル２１７に結合された８個の出力光自由空間要素２１６に光を送り込む。図１７には、個々のヒータ用の接触線は図示されていないことに留意されたい。
【００６２】
スイッチ２１０は、ＩＢＭの高屈折率差のシリカ・オン・シリコン集積プレーナ導波路技術を使用して製作されている。スイッチ２１０の好ましい寸法は、図１７の左上に記載されている。入力チャネル２１２と出力チャネル２１７は、０．１ｍｍないし０．５ｍｍ、好ましくは約０．２５ｍｍ離隔されている。８個の入力光自由空間要素２１３と８個の出力光自由空間要素２１６はそれぞれ、長さ１ｍｍないし０．１ｍｍ、好ましくは約０．５ｍｍであり、幅１ｍｍないし０．１ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍである。ただし、大型光自由空間要素２１１は、長さ１０ｍｍないし１ｍｍ、好ましくは約４ｍｍであり、幅１０ｍｍないし０．５ｍｍ、好ましくは２．４ｍｍである。光自由空間間要素２１３、２１１、および２１６における導波路の離隔は、１μｍから２０μｍの間、好ましくは約８μｍである。ヒータ・パッドまたはヒータ線は、長さ１ｍｍから１０ｍｍの間、好ましくは約２ｍｍである。パッドの離隔は、５０μｍから５００μｍの間、好ましくは約１００μｍである。個々のヒータ配列の離隔は、１００μｍから０．１ｍｍの間、好ましくは約４００μｍである。
【００６３】
ＩＢＭの高屈折率差のシリカ・オン・シリコン集積プレーナ導波路技術により、曲半径の小さい導波路を製作することができ、スイッチ設計をさらに最適化して横方向のサイズを縮小することができる。
【００６４】
入力側のチューナブル・レンズまたは出力側のチューナブル・レンズあるいはその両方をわずかにデフォーカスさせることにより、他のチャネルとのクロストークを生じさせずに出力チャネルへのパワー・スループットを変化させることができる。したがって、このスイッチを使用して、出力チャネル内のパワーも調整することができる。ヒータ・ステアリング・ユニットは、出力チャネル内のパワーの調整を可能にするユニットを含むことができる
【００６５】
入力チャネルの数は、出力チャネルの数と同じである必要はない。導波路アレイごとの導波路の数は、入力側と出力側とで同じでなくてもよい。また、たとえば５本の導波路を有する数本の入力チャネルと、６本の導波路を有する数本の入力チャネルを備えることも考えられる。
【００６６】
１つの導波路アレイにつき２個のヒータを使用することも可能であり、一方は一次位相勾配を適用して投射光波の距離を調整するため、他方は二次またはより高次の位相勾配を適用して投射光波の焦点距離を調整するために使用することができる。
【００６７】
使用するヒータの数が少ないほど、ヒータ・ステアリング・ユニットとスイッチ制御ボックスの複雑さが軽減される。
【００６８】
このスイッチは、１つまたは複数の結合要素を含むこともできる。たとえば、Ｖ字溝を設けて結合要素として機能させることができる。このような要素により、ファイバを入力チャネルまたは出力チャネルの１つに突合わせ結合することができる。
【００６９】
このスイッチは、チップ上に他の多くの構成要素とともに集積するのに適している。本発明によるスイッチは、今後の遠隔通信ネットワークに必要とされる高い機能性を備える。
【００７０】
本発明は、多波長遠隔通信データ伝送システムに組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリッジ導波路構造の製作を示す略断面図である。
【図２】本発明によるリッジ導波路構造の製作を示す略断面図である。
【図３】本発明によるリッジ導波路構造の製作を示す略断面図である。
【図４】本発明によるリッジ導波路構造の製作を示す略断面図である。
【図５】本発明によるリッジ導波路構造の製作を示す略断面図である。
【図６】本発明によるリッジ導波路構造の製作を示す略断面図である。
【図７】本発明によるチューナブル光レンズの略上面図である。
【図８】本発明による入力光自由空間要素の略上面図である。
【図９】本発明による出力光自由空間要素の略上面図である。
【図１０】本発明による第１のスイッチの略上面図である。
【図１１】本発明による第１のスイッチの略上面図である。
【図１２】本発明による第２のスイッチの略上面図である。
【図１３】本発明による第３のスイッチの略上面図である。
【図１４】本発明による第４のスイッチの略上面図である。
【図１５】本発明による第５のスイッチの略上面図である。
【図１６】本発明による第６のスイッチ設計の略上面図である。
【図１７】本発明による第７のスイッチ設計の略上面図である。

Claims

基板に組み込まれる光スイッチ（７０）であって、
入力光自由空間要素（７１〜７３）を有する入力チャネル（７４〜７６）と、
大型光自由空間要素（１５１）と、
前記入力光自由空間要素（７１〜７３）から受け取った光波を前記大型自由空間要素内に投射するための光学レンズであって、該光波の位相勾配を調整するためのチューナブル・ヒータ（４０）が配置された入力導波路アレイ（１５２〜１５４）を含む入力チューナブル光学レンズと、
出力光自由空間要素（７７〜７９）を有する出力チャネル（８１〜８３）と、
前記大型自由空間要素からの前記光波を捕捉し、前記光波を前記出力光自由空間要素（７７〜７９）に送るための光学レンズであって、該光波の位相勾配を調整するためのチューナブル・ヒータ（４０）が配置された出力導波路アレイ（１５５〜１５７）を含む出力チューナブル光学レンズ（１５５〜１５７）と、
開口部を有するフィルタリング要素（８０）とを含み、
前記入力チューナブル光学レンズの投射特性は、前記光波の方向または焦点距離を調整することによって、該光学レンズの焦点が前記大型光自由空間要素（１５１）の中央に位置する中間焦点面にくるように調整可能であり、
前記出力チューナブル光学レンズ（１５５〜１５７）の受光特性は、前記光波の方向または焦点距離を調整することによって、該光学レンズの焦点が前記大型光自由空間要素（１５１）の中央に位置する中間焦点面にくるように調整可能であり、
前記フィルタリング要素（８０）は、前記中間焦点面がある場所に配置され、前記焦点がある場所に開口部を有する
光スイッチ（７０）。
前記導波路アレイが導波路コア（２２）と２個のクラッド（２１、２４）とを備えたリッジ導波路を含む、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
前記導波路コア（２２）がＳｉＯＮを含み、前記２個のクラッド（２１、２４）がＳｉＯ₂を含む、請求項１または２に記載のスイッチ（７０）。
前記リッジ導波路が１μｍないし３μｍ、好ましくは１．３μｍの厚さと１μｍないし５μｍ、好ましくは３μｍのリッジ幅とを有する、請求項２に記載のスイッチ（７０）。
前記チューナブル・ヒータ（４０）が、位相勾配を調整する導波路アレイの上に配置されたクロム・パッドまたはクロム線を含む、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
前記チューナブル・ヒータ（４０）に電流を流した場合、前記導波路アレイの前記異なる導波路を伝播する前記光波間の線形位相勾配を求めることができる、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
前記チューナブル・ヒータ（４０）に電流を通した場合、前記導波路アレイの前記異なる導波路を伝播する前記光波間の非線形位相勾配を求めることができる、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
Ｎ本の入力チャネル（７４〜７６）とＭ本の出力チャネル（８１〜８３）を含み、ＮおよびＭが整数である、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
Ｎ個の入力光自由空間要素（７１〜７３）とＭ個の出力光自由空間要素（７７〜７９）とを含む請求項８に記載のスイッチ（７０）。
集積プレーナ導波路技法を使用して製作可能な、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
光伝送窓、すなわち１５４０ｎｍないし１５７０ｎｍの範囲の波長で使用されるように設計された、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
ヒータ・ステアリング・ユニット（４４）を含む、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
前記ヒータ・ステアリング・ユニット（４４）が電流源または電圧源を含む、請求項１２に記載のスイッチ（７０）。
前記ヒータ・ステアリング・ユニット（４４）が前記チューナブル・ヒータ（４０）の設定値を記憶するマイクロコンピュータを含む、請求項１２に記載のスイッチ（７０）。
前記ヒータ・ステアリング・ユニット（４４）が前記出力チューナブル光学レンズ（１５５〜１５７）によって捕捉されたパワーを、前記入力チューナブル光学レンズと前記出力チューナブル光学レンズ（１５５〜１５７）とをデフォーカスさせることによって調節するユニットを含む、請求項１２に記載のスイッチ（７０）。
前記入力チューナブル光学レンズが前記出力チューナブル光学レンズ（１５５〜１５７）の鏡像である、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
ファイバを前記入力チャネル（７４〜７６）または出力チャネル（８１〜８３）あるいはその両方の１つに突合わせ結合することを可能にする結合要素を含む、請求項１に記載のスイッチ（７０）。
請求項１ないし１７のいずれかに記載のスイッチ（７０）を含む、ノンブロッキング自由空間スイッチ。
スイッチ制御ボックスまたはコンピュータ・インタフェースを含む、請求項１８に記載のノンブロッキング自由空間スイッチ。
請求項１ないし１７のいずれかに記載のスイッチ（７０）を含む、データ伝送システム。