JP4090285B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交換機に用いられる光スイッチに関し、特に、ネットワーク網のクロスポイントに配置する光信号の交換機に使用される光スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信における伝送帯域は近年増大の一途を辿り、波長多重化技術の進展とあいまって、高速・大容量化が進んでいる。
【0003】
基幹通信ネットワークにおける光ファイバ網のハードウェア・インフラを構築するためには、光信号の行き先を切り替える、光信号の交換機が必要とされている。以下、この光信号の交換機に用いられる光スイッチについて説明する。
【0004】
図11は、従来の光スイッチの構成図である。
ここでは、4×4の光スイッチ80を説明する。
光スイッチ80は、4つの入力チャネルin1、in2、in3、in4と、4つの出力チャネルout1、out2、out3、out4との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルin1、in2、in3、in4と接続されたチャネル導波路81aからなるチャネル導波路部81と、光を平行光にする(以下コリメートという)マイクロレンズ82aからなるコリメート部82と、電圧印加時に、光の偏向方向を変える光偏向素子部83と、光信号を伝播するスラブ導波路84と、出力側の光偏向素子部85と、光を集光するマイクロレンズ86aからなる集光部86と、出力チャネルout1、out2、out3、out4と接続されたチャネル導波路87aからなるチャネル導波路部87とから構成される。
【0005】
なお、図11では、煩雑になるため、1チャネルについての構成要素のみ符号を記した。なお、他のチャンネルも同様の符号であるとする。
光偏向素子部83と、光偏向素子部85は、チャネルごとにそれぞれ2つのプリズム型電極83a、83b、85a、85bを有する。これらプリズム型電極83a、83bまたは85a、85bの対に、それぞれ電圧を印加することによって、図示しない電気光学効果を有する素子による屈折率変化で、入力された光信号をそれぞれ異なる方向に偏向する。
【0006】
このプリズム型電極83a、83b、85a、85bを用いることで、マトリクス光スイッチを構成するために必要なレーザの偏向角度が得られ、偏向状態では、未偏向成分がなく、また散乱光もきわめて少ないために挿入損失やクロストークの問題が解決できることが特願2001−332169に開示されている。
【0007】
図11において、入力チャネルin1から出力チャネルout2に光パスの切り替えを行う場合について、光スイッチ80の動作を説明する。
光信号が入力チャネルin1に接続されているチャネル導波路81aに入力されると、光信号は、マイクロレンズ82aにより、コリメートされて光偏向素子部83に入力される。入力チャネルin1から、出力チャネルout2に切り替える場合は、光偏向素子部83では、プリズム型電極83a、83bのうち、駆動電圧をプリズム型電極83aに印加することにより、電気光学効果による屈折率変化で、図8のように偏向方向を変えることができる。続いて、光信号はスラブ導波路84に入力されて、光偏向素子部85に入力される。ここでは、出力チャネルout2に光信号を出力するために、プリズム型電極85a、85bのうち、所定の駆動電圧をプリズム型電極85bに印加することにより、図11のように光信号をマイクロレンズ86aに入力する。さらに、マイクロレンズ86aでは、光を集光して、チャネル導波路87aに入力する。このようにして光スイッチ80では、光パスを切り替えることができる。
【0008】
しかし、実際は、出力側の光偏向素子部85の駆動電圧を所定の値にしても、光スイッチ80を構成する材料、要素部分の寸法誤差、温度変化などによって、出力側のチャネル導波路87aへの結合が安定しない。
【0009】
そこで、出力側から光信号の一部を取り出し、その光の強度が最大となるように、電圧をフィードバック制御するトラッキング制御が一般的に行われている。
図12は、トラッキング制御の様子を示す模式図である。
【0010】
光は上方に配置されたプリズム型電極85aの電圧を増大することで、マイナス方向に偏向し、下方に配置されたプリズム型電極85bの電圧を増大することで、プラス方向に偏向する。つまり、チャネル導波路87aに安定に光信号を集光して結合するためのトラッキング制御において、この2つのプリズム型電極85a、85bに印加する電圧を微調整することによって、チャネル導波路87aに安定に光を結合させる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように従来のトラッキング制御においては、チャネル導波路87aに光信号を結合するため、2つのプリズム型電極85a、85bの制御が必要になり、電圧を変化させるプリズム型電極85a、85bを切り替えて微調整するなど、複雑な制御が必要であるという問題があった。
【0012】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、トラッキング制御が簡単な光スイッチを提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図1に示す光スイッチ10において、光信号をコリメートするマイクロレンズ2aと、コリメートされた光信号の偏向角度を変える光偏向素子部3と、光信号を伝播するスラブ導波路4と、スラブ導波路4を介して入力される光信号の偏向角度を変える光偏向素子部5と、光信号を集光するマイクロレンズ6aと、軸が対向するマイクロレンズ2aの光軸に対して傾けられ、入力口が光軸上から外れて、マイクロレンズ6aの後段に配置されるチャネル導波路7aと、を備える複数のチャネルからなり、光偏向素子部5は、電圧印加により、入力された光信号をそれぞれ異なる方向に偏向する少なくとも2つのプリズム型電極5a,5bを有し、トラッキング制御時には、1つのプリズム型電極が電圧調整を行うことを特徴とする光スイッチ10が提供される。
【0014】
上記構成によれば、光偏向素子部5に電圧を印加しない限り、チャネル導波路7aには光信号が入力されない。そして、トラッキング制御時には、光偏向素子部5では1つのプリズム型電極で電圧調整が行われる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態の光スイッチの構成図である。
【0016】
ここでは、4×4の光スイッチ10を用いて説明する。
光スイッチ10は、4つ入力チャネルin1、in2、in3、in4と、4つの出力チャネルout1、out2、out3、out4との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルin1、in2、in3、in4と接続されたチャネル導波路1aからなるチャネル導波路部1と、光をコリメートするマイクロレンズ2aからなるコリメート部2と、電圧印加時に光の偏向方向を変える光偏向素子部3と、光を伝播するスラブ導波路4と、電圧印加時に光の偏向方向を変える出力側の光偏向素子部5と、光を集光するマイクロレンズ6aからなる集光部6と、出力チャネルout1、out2、out3、out4と接続されたチャネル導波路7aからなるチャネル導波路部7とから構成される。
【0017】
なお、図1では、煩雑になるため、1つのチャネルについての構成要素のみ符号を記した。なお、他のチャネルも同様の符号であるとする。
光偏向素子部3と、光偏向素子部5は、チャネルごとにそれぞれ2つのプリズム型電極3a、3b、5a、5bを有する。これらプリズム型電極3a、3bまたは5a、5bの対に、それぞれ電圧を印加することによって、図示しない電気光学効果を有する素子による屈折率変化で、入力された光信号をそれぞれ異なる方向に偏向する。
【0018】
図2は、第1の実施の形態の光スイッチの出力側の一部を拡大した図である。
本発明の第1の実施の形態の光スイッチ10は、従来と異なり、出力側のチャネル導波路7aの軸が、入力側のマイクロレンズ2aの光軸に対して傾くように配置されており、さらに、入力口が光軸上から上方に外れるように配置されている。これにより、光偏向素子部5のプリズム型電極5aまたは5bに電圧が印加されていない場合は、チャネル導波路7aには光信号が入力されない。電圧印加の際、プリズム型電極5aに電圧を印加することで、光信号はプラス方向に偏向し、プリズム型電極5bに電圧を印加すると、光信号はマイナス方向に偏向する。チャネル導波路7aに集光する光の強度が最大、または所定のレベルになるようにするトラッキング制御の際、チャネル導波路7aの軸が、入力側のマイクロレンズ2aの光軸に対して上方に傾いているため、制御するのはプリズム型電極5aのみでよい。
【0019】
以下、光スイッチ10の動作の詳細を説明する。
ここでは、入力チャネルin1、in2、in3、in4のいずれかから、出力チャネルout2へ光パスを切り替える場合について説明する。
【0020】
入力側からの光信号は、チャネル導波路1aを伝播し、コリメート部2のマイクロレンズ2aでコリメートされ、光偏向素子部3でプリズム型電極3aまたは3bに所定の電圧を印加することにより出力チャネルout2方向に偏向される。
【0021】
図3は、第1の実施の形態の光スイッチにおける、出力側の光偏向素子部に電圧印加をしない場合の光信号の進行方向を示す図である。
入力側の光偏向素子部3から出力側の光偏向素子部5に向かって偏向された光信号は、プリズム型電極5a、5bに電圧を印加しない場合、チャネルごとに矢印a1、a2、a3、a4のように直進し、マイクロレンズ6aを介した光信号は出力チャネルout2のチャネル導波路7aに集光しない。そこで、チャネル導波路7aに光信号を入力するために、光偏向素子部5の、出力チャネルout2側のプリズム型電極5aまたは5bに、所定の電圧を印加する必要がある。
【0022】
図4は、電圧印加による光信号の切り替えを示す図である。
光スイッチ10の出力チャネルout2には、主信号とモニタ光を分離するビームスプリッタ20が接続され、モニタ光を入力して、光偏向素子部5のプリズム型電極5a、5bの電圧印加を制御する制御部30を有する。
【0023】
図5は、制御部の構成図である。
制御部30は、ビームスプリッタ20から入力されるモニタ光を検出する光検出部31と、トラッキング制御のためのトラッキング電圧を制御するトラッキング電圧制御部32と、光信号を偏向させるための駆動電圧を制御する駆動電圧制御部33と、トラッキング電圧制御部32の信号を合成して出力する加算器34とから構成される。
【0024】
以下、図4及び図5を用いて、電圧印加による光信号の切り替え動作を説明する。
図4のように、入力チャネルin1から出力チャネルout2へ、光信号を切り替える場合、光偏向素子部3で、所定の電圧を印加され偏向された光信号は、スラブ導波路4を介して、出力チャネルout2に対応した光偏向素子部5に入力される。ここで、図5における駆動電圧制御部33により、プリズム型電極5bに所定の電圧を印加し、電気光学効果による屈折率変化で、マイクロレンズ6aに入力し、集光させて、チャネル導波路7aに入力する。チャネル導波路7aに入力された光信号は、ビームスプリッタ20で、例えば、光信号の光強度の95パーセントを主信号、5パーセントをモニタ光として取り出す。モニタ光は、例えば、光ファイバで、制御部30に伝播され、光検出部31で電気信号に変換される。トラッキング電圧制御部32では、この電気信号が最大、もしくは、所定のレベルになるようにトラッキング電圧を変化させる。この過程で、電圧調整の方向は、トラッキング電圧を微少量変動させて増減の方向を調べる制御法などを用いることができる。トラッキング電圧制御部32で得られたトラッキング電圧は、加算器34にて、駆動電圧と加算されて、プリズム型電極5bに印加される。
【0025】
以上の動作の場合、プリズム型電極5aはオフ状態となって、電圧は印加されないが、例えば、入力チャネルin4から入力された光信号の場合、駆動電圧制御部33により生成された駆動電圧は、プリズム型電極5aに入力されてチャネル導波路7aに光信号を入力可能なように偏向する。このとき、プリズム型電極5bには、駆動電圧は印加されずトラッキング電圧のみが印加される。つまり、トラッキング制御を常に、プラズマ型電極5bで行う。
【0026】
上記のようにすることにより、光信号のスイッチ時のトラッキング制御を単一のプラズマ型電極5bの電圧制御で行うことができる。
なお、上記では、出力側のチャネルout2についての説明を行なったが、他の出力側のチャネルout1、out3、out4、についても同様で、上記のようなトラッキング制御のための系はそれぞれ存在する。
【0027】
また、上記では入力側のマイクロレンズ2aの光軸の上方に位置するように、出力側のチャネル導波路7aを配置したが、これに限定されることはなく下方に位置するように配置してもよい。その場合、上方に配置されたプリズム型電極5aのみでトラッキング制御を行うようにしてもよい。
【0028】
また、上記の説明では、光信号を、マイクロレンズ2aに入力するため、及び、マイクロレンズ6aから出力される光信号を入力するために、チャネル導波路1a、7aを用いたが、これに限定されることはなく、例えば光ファイバを用いてもよい。
【0029】
次に本発明の第2の実施の形態を説明する。
図6は、本発明の第2の実施の形態の光スイッチの構成図である。
光スイッチ50は、4つの入力チャネルin1、in2、in3、in4と、4つの出力チャネルout1、out2、out3、out4との間で、光パスの切り替えを行う4×4の光スイッチであり、入力チャネルin1、in2、in3、in4と接続されたチャネル導波路51aからなるチャネル導波路部51と、光をコリメートするマイクロレンズ52aからなるコリメート部52と、電圧印加時に光の偏向方向を変える光偏向素子部53と、光を伝播するスラブ導波路54と、電圧印加時に光の偏向方向を変える出力側の光偏向素子部55と、光を集光するマイクロレンズ56aからなる集光部56と、出力チャネルout1、out2、out3、out4と接続されたチャネル導波路57aからなるチャネル導波路部57とから構成される。
【0030】
なお、図6では、煩雑になるため、1つのチャネルについての構成要素のみ符号を記した。なお、他のチャンネルも同様の符号であるとする。
第2の実施の形態の光スイッチ50は、図1で示した第1の実施の形態の光スイッチ10と異なり、出力側のチャネル導波路57aの軸は、出力側のマイクロレンズ56aの光軸と一致している。また、マイクロレンズ56aの光軸は、入力側のマイクロレンズ52aの光軸に対して上方に傾くように配置されている。
【0031】
また光スイッチ50には、光学系アライメント実装のための、補助光学系として、両サイドにチャネル導波路51b、57bと、マイクロレンズ52b、56bとを組み合わせた結像系を設けてあり、チャネル導波路51bの軸と、マイクロレンズ52b、56bの光軸、チャネル導波路57bの軸は、一致するように配置されている。
【0032】
図7は、第2の実施の形態の光スイッチの出力側の一部を拡大した図である。
第1の実施の形態の光スイッチ10と同様に、出力側のチャネル導波路57aの軸が、図6のように入力側のマイクロレンズ52aの光軸に対して傾いて配置されており、さらに、入力口が光軸上から上方に外れるように配置されている。これにより、光偏向素子部55のプリズム型電極55aまたは55bに電圧が印加されていない場合は、チャネル導波路57aには光信号が入力されない。
【0033】
図7において、プリズム型電極55aに電圧を印加することで、光はマイナス方向に偏向し、プリズム型電極55bに電圧を印加すると、光はプラス方向に偏向する。チャネル導波路57aに集光する光の強度が最大、または所定のレベルになるようにするトラッキング制御の際、チャネル導波路57aの軸が、入力側のマイクロレンズ52aの光軸に対して上方に傾いているため、制御するのはプリズム型電極55bのみでよい。さらに、第2の実施の形態の光スイッチ50は、出力側のマイクロレンズ56aの光軸を、チャネル導波路57aの軸と一致するように配置したので、収差が少なくなり、より効率のよい、光の集光が可能となる。
【0034】
さらに、アライメント用のチャネル導波路51b、57bと、マイクロレンズ52b、57bと、を組み合わせた結合系を設けたため、光学系の位置合わせが容易になる。
【0035】
なお、上記では入力側のマイクロレンズ52aの光軸の上方に位置するように、出力側のチャネル導波路57aを配置したが、これに限定されることはなく下方に位置するように配置してもよい。その場合、上方に配置されたプリズム型電極55aのみでトラッキング制御を行うようにしてもよい。
【0036】
また、上記の説明では、光をマイクロレンズ52aに入力するため、及びマイクロレンズ56aから出力される光信号を入力するために、チャネル導波路51a、57aを用いたが、これに限定されることはなく、例えば光ファイバを用いてもよい。
【0037】
次に、第1の実施の形態の光スイッチ10を適用した光スイッチについて、特に構造部分について詳細に説明する。
図8は、光スイッチの構成を示す平面図である。
【0038】
また、図9は、図8で示す光スイッチの断面図である。
光スイッチ60は、4つの入力チャネルin1、in2、in3、in4と、4つの出力チャネルout1、out2、out3、out4との間で、光パスの切り替えを行うものであり、入力チャネルin1、in2、in3、in4と接続されたチャネル導波路61aからなるチャネル導波路部61と、コリメートのための導波路レンズ62aからなる導波路レンズ部62と、電圧印加時に光の偏向方向を変える光偏向素子部63と、光を伝播するスラブ導波路64と、出力側の光偏向素子部65と、光を集光する導波路レンズ66aからなる導波路レンズ部66と、出力チャネルout1、out2、out3、out4と接続されたチャネル導波路67aからなるチャネル導波路部67と、から構成される。
【0039】
なお、図8では、煩雑になるため、1つのチャネルについての構成要素のみ符号を記した。なお、他のチャンネルも同様の符号であるとする。
光偏向素子部63、65は、チャネルごとにプリズム型電極63a、63b、65a、65bを有する。
【0040】
また、光スイッチ60は、主に、基板68上に形成されたクラッド層69a、コア層69b、クラッド層69cとからなる導波路69により構成されており、光の偏向を変える部分である光偏向素子部63、65が、光学接着剤70を用いて埋め込まれている構成からなる。また、導波路レンズ部62、66は、レンズ状の導波路部分以外が、低屈折率の媒体71で満たされている。
【0041】
以下に光偏向素子部63の詳細を説明する。
図10は、光偏向素子の構成を示す図であり、(a)が上面図であり、(b)が側面図である。
【0042】
なお、図10では、光偏向素子部63の1つのチャネル部分について図示した。
図のように、光偏向素子部63は、導電性を有する単結晶基板63c上に、クラッド層63d、電気光学効果を有するコア層63e、クラッド層63fからなる導波路層が形成され、その上部にプリズム型電極63a、63bが形成されている構造からなる。
【0043】
なお、光偏向素子部65については、光偏向素子部63と同様の構成であるので説明を省略する。
また、図9において、プリズム型電極63a、63b、65a、65bが、基板68に埋め込まれた形に記述されているが、実装形態はこれに限らず、導波路構造を有する、チャネル導波路61、導波路レンズ部62、光偏向素子部63、スラブ導波路64、光偏向素子部65、導波路レンズ部66、チャネル導波路部67が光接続状態に構成されていればよい。
【0044】
以下、光スイッチ60の動作を説明する。
入力チャネルin1から、出力チャネルout2への光信号を切り替える場合、光信号が入力チャネルin1からチャネル導波路61aに入力されると、光信号は、導波路レンズ62aによりコリメートされて、光偏向素子部63に入力される。光偏向素子部63では、駆動電圧をプリズム型電極63aと単結晶基板63c間に印加することにより、電気光学効果による屈折率変化で、光の進行方向が図1のように変化する。光はスラブ導波路64に入力されて、光偏向素子部65に入力される。ここでも、所定の駆動電圧を印加することにより、光信号を導波路レンズ66aに入力する。さらに、導波路レンズ66aでは、光を集光して、チャネル導波路67aに入力する。
【0045】
上記の構成による効果は、第1の実施の形態の光スイッチ10と同様であり、チャネル導波路67aの軸が、入力側の導波路レンズ62aの光軸に対して上方に傾いているため、トラッキング制御の際に、電圧制御するのはプリズム型電極65bのみでよく、簡単にトラッキング制御が可能である。
【0046】
また、上記の説明では、第1の実施の形態の光スイッチ10及び第2の実施の形態の光スイッチ50は4×4の光スイッチとして説明したが、これに限定されない。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、出力側の導波部の軸を、入力側のマイクロレンズの光軸に対して傾けるように配置し、さらに、導波部の入力口を入力側のマイクロレンズの光軸上から外すように配置したので、出力側の光偏向素子部に電圧を印加しない限り、導波部に光が入力されることはない。これにより、電圧印加により、入力された光信号をそれぞれ異なる方向に偏向する少なくとも2つのプリズム型電極を有する光偏向素子において、トラッキング制御時には、単一のプリズム型電極を制御すればよく、制御が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の光スイッチの構成図である。
【図2】第1の実施の形態の光スイッチの出力側の一部を拡大した図である。
【図3】第1の実施の形態の光スイッチにおける、出力側の光偏向素子部に電圧印加をしない場合の光信号の進行方向を示す図である。
【図4】電圧印加による光信号の切り替えを示す図である。
【図5】制御部の構成図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態の光スイッチの構成図である。
【図7】第2の実施の形態の光スイッチの出力側の一部を拡大した図である。
【図8】光スイッチの構成を示す平面図である。
【図9】図8で示す光スイッチの断面図である。
【図10】光偏向素子の構成を示す図であり、(a)が上面図であり、(b)が側面図である。
【図11】従来の光スイッチの構成図である。
【図12】トラッキング制御の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
1、7 チャネル導波路部
1、7a チャネル導波路
2 コリメート部
2a、6a マイクロレンズ
3、5 光偏向素子部
3a、3b、5a、5b プリズム型電極
4 スラブ導波路
10 光スイッチ
Claims (3)
- 複数の光信号の切り替えを行う光スイッチにおいて、
光信号をコリメートする第1のマイクロレンズと、
コリメートされた前記光信号の偏向角度を変える第1の光偏向素子と、
前記光信号を伝播するスラブ導波路と、
前記スラブ導波路を介して入力される前記光信号の偏向角度を変える第2の光偏向素子と、
前記光信号を集光する第2のマイクロレンズと、
軸が対向する前記第1のマイクロレンズの光軸に対して傾けられ、入力口が前記光軸上から外れて、前記第2のマイクロレンズの後段に配置される導波路と、を備える複数のチャネルからなり、
前記第2の光偏向素子は、電圧印加により、入力された前記光信号をそれぞれ異なる方向に偏向する少なくとも2つのプリズム型電極を有し、トラッキング制御時には、1つの前記プリズム型電極が電圧調整を行うことを特徴とする光スイッチ。 - 前記第2のマイクロレンズは、前記導波路と同軸上に配置されることを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
- アライメント用に、前記第1のマイクロレンズの光軸と一致する軸を有する導波路を、前記第1のマイクロレンズの後段に有することを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
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JP2004013136A (ja) | 2004-01-15 |
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