JP4113161B2

JP4113161B2 - 光導波路型スイッチ

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Publication number: JP4113161B2
Application number: JP2004197314A
Authority: JP
Inventors: 隆志才田; 陽平坂巻; 俊和橋本; 浩高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP2006018120A

Description

本発明は、光導波路型スイッチに関し、より詳細には、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を適用した光導波路型スイッチに関する。

光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。

このような光導波路構造は、光導波路中を伝搬する光を屈折率の空間的分布を利用して空間的な光閉じ込めを実現する「光閉じ込め構造」である。典型的な光導波路は、図１に示すように、基板１０１上に、屈折率Ｎ_０クラッド層１０３と屈折率Ｎ_１のコア部１０２とからなる２段階の屈折率分布を有する。また、屈折率Ｎ_０の下部クラッド層、屈折率Ｎ_１のコア部、および屈折率Ｎ_２の上部クラッド層とからなる３段階の屈折率分布を有する光導波路が広く用いられている。従来の光導波路の利点は、２ないし３種類の材料から光導波路を作製することができるので、作製工程が簡便であることである。

代表的な集積光部品として導波路型光スイッチが知られている。導波路型光スイッチには、（１）アナログ的に光を偏向して出力ポートを選択する偏向器を用いたもの、（２）回折格子により偏向して出力ポートを選択するもの、（３）２入力２出力の光スイッチングエレメントを多段接続したものなどが知られている。図２に、従来の多段接続光スイッチの一例を示す図である（例えば、非特許文献１参照）。２入力２出力の光スイッチングエレメント１２１を８段縦続接続して、８×８光スイッチを構成している。光スイッチングエレメント１２１は、例えば、方向性結合器型、マッハツェンダ型、非対称Ｘ型などの素子が知られている。

T.Goh, et al., "Low loss and high extinction ratio strictly nonblocking 16×16 thermooptic matrix switch on 6-in wafer using silica-based planar lightware circuit technology", Lightwave Tech., J. of, vol.19, Issue 3, March 2001, pp.371-379

しかしながら、従来の多段接続光スイッチで構成された８×８光スイッチは、６４個の光スイッチングエレメントを接続しなければならず、回路が大規模化するという問題があった。また、光回路の小型化のためには、光を導波路中に強く閉じ込める必要がある。従って、光導波路は、極めて大きな屈折率差を有する必要がある。例えば、従来のステップインデクッス型の光導波路では、比屈折率差が０．１％よりも大きな値となるように、屈折率の空間的分布を有するように光導波路を設計する。このような大きな屈折率差を利用して光閉じ込めを行うと、回路構成の自由度が制限されてしまうという問題があった。

さらに、光導波路中での屈折率差を、局所的な紫外線照射、熱光学効果または電気光学効果などにより実現しようとしても、得られる屈折率の変化量は高々０．１％程度である。光の伝搬方向を変化させる場合には、光導波路の光路にそって徐々に向きを変化させざるを得ず、光回路長は必然的に極めて長いものとなり、その結果として光回路の小型化が困難になる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ホログラフィック波動伝達媒体を適用し、光回路の小型化を図ることができる光導波路型スイッチを提供することにある。

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、基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる光の導波領域により構成される光導波路型スイッチにおいて、１の入力光導波路から入力された波長多重信号を、波長ごとに複数の光導波路からなる導波路アレイに分岐する光分岐手段と、前記導波路アレイの各々の光導波路に設けられ、透過する光信号の位相を調整する光変調手段と、前記導波路アレイの各々の光導波路から入力された光信号を、該光信号の位相に応じて、複数の出力光導波路に出力する光合分岐手段とを備え、該光合分岐手段は、前記コア部に、空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、前記空間的な屈折率分布は、前記導波路アレイの各々の光導波路から前記波動伝達媒体に入射された入力光が、光の伝搬方向に沿って伝搬すると、該入力光の入力フィールドが、出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力光導波路の各々へ出力される１つ以上の入出力フィールドの組の各々を伝搬するように、メッシュにより画定されるピクセルの各々のコアが有する屈折率によって決定され、各々の前記ピクセルのコアの屈折率は、前記光の伝搬方向の座標ｚ、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標ｘとしたときの断面Ｘの場所（ｚ，ｘ）において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記ピクセルのコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎ_ｑ-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のｊ番目の入力フィールドψ^j(x)および出力フィールドφ^j(x)について、前記順伝搬フィールドψ^j(z,x,{n_ｑ-1})と前記逆伝搬のフィールドφ^j(z,x,{n_ｑ-1})としたとき、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、
n_ｑ(z,x)＝n_ｑ-1(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})]
として計算し、ここで、記号「＊」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σ_jはｊについて和を示し、かつ、前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Ｘの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる光の導波領域により構成される光導波路型スイッチにおいて、複数の入力光導波路から入力された光信号を、波長ごとに複数の光導波路からなる導波路アレイに分岐する第１の光合分岐手段と、前記導波路アレイの各々の光導波路に設けられ、透過する光信号の位相を調整する光変調手段と、前記導波路アレイの各々の光導波路から入力された光信号を、該光信号の位相に応じて、複数の出力光導波路に出力する第２の光合分岐手段とを備え、前記第１の光合分岐手段は、前記コア部に、空間的な屈折率分布が形成された第１の波動伝達媒体を備え、前記第２の光合分岐手段は、前記コア部に、空間的な屈折率分布が形成された第２の波動伝達媒体を備え、前記空間的な屈折率分布は、前記入力光導波路の各々から前記第１の波動伝達媒体に入射された入力光が、光の伝搬方向に沿って伝搬すると、該入力光の入力フィールドが、出力光の出力フィールドに変換されて、前記導波路アレイの各々の光導波路へ出力される１つ以上の入出力フィールドの組の各々を伝搬するように、および前記導波路アレイの各々の光導波路から前記第２の波動伝達媒体に入射された入力光が、光の伝搬方向に沿って伝搬すると、該入力光の入力フィールドが、出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力光導波路の各々へ出力される１つ以上の入出力フィールドの組の各々を伝搬するように、メッシュにより画定されるピクセルの各々のコアが有する屈折率によって決定され、各々の前記ピクセルのコアの屈折率は、前記光の伝搬方向の座標ｚ、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標ｘとしたときの断面Ｘの場所（ｚ，ｘ）において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記ピクセルのコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎ_ｑ-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のｊ番目の入力フィールドψ^j(x)および出力フィールドφ^j(x)について、前記順伝搬フィールドψ^j(z,x,{n_ｑ-1})と前記逆伝搬のフィールドφ^j(z,x,{n_ｑ-1})としたとき、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、
n_ｑ(z,x)＝n_ｑ-1(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})]
として計算し、ここで、記号「＊」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σ_jはｊについて和を示し、かつ、前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Ｘの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記第１および第２の波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記ピクセルの最小寸法は、０．２μｍ以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３記載の光導波路型スイッチにおいて、前記基板は、シリコン基板、石英基板のいずれかであり、前記光導波路は、石英系光導波路であり、前記位相調整手段は、クラッド層上に形成された薄膜ヒータであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路型スイッチに、ホログラフィック波動伝達媒体を適用した光合分岐手段と、透過する光信号の位相を調整する光変調手段とを組み合わせることにより、光回路の小型化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の光導波路デバイスは、ホログラフィック波動伝達媒体により導波光の光路を制御する。ホログラフィック波動伝達媒体は、導波路より屈折率の低い複数の散乱点により画定され、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させる。

最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。ここでは、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。

図３を参照して、本実施形態にかかる波動伝達媒体の基本構造を説明する。図３（ａ）に示したように、光回路基板１の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域１−１が存在する。光回路の一方の端面は、入力光３−１が入射する入射面２−１である。入力光３−１は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面２−２から出力光３−２として出力される。図３（ａ）中の座標ｚは、光の伝搬方向の座標（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚ_ｅが出射面）であり、座標ｘは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。

入力光３−１が形成している「場」（入力フィールド）は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光３−２の形成する「場」（出力フィールド）に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための（電磁）フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向（図中ｚ軸方向）に垂直な断面（図中ｘ軸に沿う断面）における光のフィールドを、その場所（ｘ，ｚ）における（順）伝搬像（伝搬フィールドあるいは伝搬光）と呼ぶ（図３（ｂ）参照）。

ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場（電磁界）または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の１成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態（波長）と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。

また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光３−１の像（入力フィールド）は、出力光３−２の像（出力フィールド）に対して一意的に定まる。このような、出射面２−２側から入射面２−１側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像（逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光）と呼ぶ（図３（ｃ）参照）。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光３−２の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。

特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。

屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。なお、対象とされる光（フィールド）は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスｊを充てて一般的に表記する。

・ψ^j(x)：ｊ番目の入射フィールド（複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）
・φ^j(x)：ｊ番目の出射フィールド（複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）
なお、ψ^j(x)およびφ^j(x)は、回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ（あるいは無視できる程度の損失）であり、それらの波長も偏波も同じである。
・｛ψ^j(x)、φ^j(x)｝：入出力ペア（入出力のフィールドの組み。）
｛ψ^j(x)、φ^j(x)｝は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
・{n_ｑ}：屈折率分布（光回路設計領域全体の値の組。）
与えられた入射フィールドおよび出射フィールドに対して屈折率分布を１つ与えたときに光のフィールドが決まるので、ｑ番目の繰り返し演算で与えられる屈折率分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をn_ｑ(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値n_ｑ(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{n_ｑ}と表す。
・ｎ_core：光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。
・ｎ_clad：光導波路におけるクラッド部分のような、ｎ_coreに対して低い屈折率の値を示す記号。
・ψ^j(z,x,{n_ｑ})：ｊ番目の入射フィールドψ^j(x)を屈折率分布{n_ｑ}中をｚまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
・φ^j(z,x,{n_ｑ})：ｊ番目の出射フィールドφ^j(x)を屈折率分布{n_ｑ}中をｚまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。

本実施形態において、屈折率分布は、すべてのｊについてψ^j(z_e,x,{n_ｑ})＝φ^j(x)、またはそれに近い状態となるように{n_ｑ}が与えられる。

「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、ｊ番目のものとｋ番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光（すなわち波長の異なる光）については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。

ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般な数学的取扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は１に規格化されているものとする。図３（ｂ）および図３（ｃ）に示したように、ｊ番目の入射フィールドψ^j(x)および出力フィールドφ^j(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、ψ^j(z,x,{n})およびφ^j(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{ｎ}により変化するため、屈折率分布{ｎ}がパラメータとなる。記号の定義により、ψ^j(x)＝ψ^j(0,x,{n})、および、φ^j(x)＝φ^j(z_e,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψ^j(x)、出射フィールドφ^j(x)、および屈折率分布{ｎ}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。

以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図４に、波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をｑで表し、（ｑ−１）番目まで計算が実行されているときのｑ番目の計算の様子が図示されている。（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎ_ｑ-1}をもとに、各ｊ番目の入射フィールドψ^j(x)および出射フィールドφ^j(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびφ^j(z,x,{n_ｑ-1})と表記する（ステップＳ２２０）。

これらの結果をもとに、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、次式により求める（ステップＳ２４０）。
n_ｑ(z,x)＝n_ｑ-1(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})] ・・・（１）
ここで、右辺第２項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、［］内のフィールド内積演算結果の虚数成分を意味する。なお、記号「＊」は複素共役である。係数αは、ｎ_ｑ(z,x)の数分の１以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値であり、正の小さな値である。Σ_jは、インデックスｊについて和をとるという意味である。

ステップＳ２２０とＳ２４０とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値ψ^j(z_e,x,{n})と出射フィールドφ^j(x)との差の絶対値が、所望の誤差ｄ_ｊよりも小さくなると（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）計算が終了する。

以上の計算では、屈折率分布の初期値{ｎ_０}は適当に設定すればよいが、この初期値{ｎ_０}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる（ステップＳ２００）。また、各ｊについてφ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびψ^j(z,x,{n_ｑ-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、ｊごと（すなわち、φ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびψ^j(z,x,{n_ｑ-1})ごと）に計算すればよいので、クラスタシステム等を利用して計算の効率化を図ることができる（ステップＳ２２０）。また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、式（１）のインデックスｊについての和の部分で、各ｑで適当なｊを選び、その分のφ^j(z,x,{n_ｑ-1})およびψ^j(z,x,{n_ｑ-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である（ステップＳ２２０）。

以上の演算において、φ^j(z,x,{n_ｑ-1})の値とψ^j(z,x,{n_ｑ-1})の値とが近い場合には、式（１）中のIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})]は位相差に対応する値となり、この値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。

屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の（所望の）値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率（ｎ_Ｌ）を有するピクセルと高屈折率（ｎ_Ｈ）を有するピクセルのみからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所（ピクセル）を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。

上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体（光の場合には誘電体）に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布１（順伝搬光）と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布２（逆伝搬光）と、を数値計算により求める。フィールド分布１およびフィールド分布２を、伝搬光と逆伝搬光の各点（x,z）における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式（１）のように変化させることで、２つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化（分布）でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。

図５に、本発明の一実施形態にかかる偏向器を用いた光スイッチを示す。入力用光導波路３０１から入力された光信号は、光分岐回路３０２により波長ごとに、複数の光導波路からなる導波路アレイ３０４に出力される。導波路アレイ３０４には、おのおの光変調手段３０３が設けられている。光変調手段３０３は、電気光学効果、熱光学効果などにより、導波路中の屈折率を変えて、透過する光信号の位相を変える。導波路アレイ３０４から出力された信号は、波動伝達媒体により構成され、偏向器として機能する光合波回路３０５に入力され、所定の出力用導波路３０６から出力される。

光合波回路３０５は、屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部であり、上述したアルゴリズムを適用して、屈折率分布が計算されたホログラフィック波動伝達媒体である。約２００回の繰り返しにより、図６に示した屈折率分布を有する光合波回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が０．７５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦２００μｍ、横５００ｍである。

なお、メッシュの最小寸法は、光信号の波長１．５５μｍに対して、光散乱が生じる形状として十分に小さい値を仮定し、実際の設計において計算機メモリの消費を抑えるために、最小寸法を０．２μｍとする。

波動伝達媒体は、導波路アレイ３０４に接続される各々の入力ポートから入力された光信号を、光変調手段３０３の位相の組み合わせに応じて、所定の出力導波路３０６から出力するように設計されている。上述したアルゴリズムを用いることにより、位相の組み合わせ、すなわち入力の組み合わせに応じた、異なる向きの光ビーム、すなわち出力の組み合わせを実現することができる。また、上述したアルゴリズムを用いることにより、光ビームが出力導波路３０６に効率よく入射できるように、光合波回路３０５と出力導波路３０６の光学的結合も最適化することができる。このようにして、導波路アレイ３０４を透過する光信号を、各々の光変調手段３０３により位相を変化させることにより、所定の出力用導波路３０６に選択的に出力させることができる。

図７に、本発明の一実施形態にかかる光合分岐回路を用いた光スイッチを示す。入力用光導波路４０１から入力された光信号は、光合分岐回路４０２により、複数の光導波路からなる導波路アレイ４０４に出力される。導波路アレイ４０４には、おのおの光変調手段４０３が設けられている。光変調手段４０３は、電気光学効果、熱光学効果などにより、導波路中の屈折率を変えて、透過する光信号の位相を変える。導波路アレイ４０４から出力された信号は、波動伝達媒体により構成され、光合分岐回路４０５に入力され、所定の出力用導波路４０６から出力される。

光合分岐回路４０２および光合分岐回路４０５は、屈折率の低い複数の散乱点により画定されるピクセル形状部であり、上述したアルゴリズムを適用して、屈折率分布が計算されたホログラフィック波動伝達媒体である。図８に、光合分岐回路に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２であり、導波路より屈折率の低い散乱点である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が０．７５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは、縦２００μｍ、横５００ｍである。

光合分岐回路４０２である波動伝達媒体は、入力用光導波路４０１から入力された光信号を、導波路アレイ４０４に出力するように設計されている。光合分岐回路４０５である波動伝達媒体は、導波路アレイ４０４に入力された光信号を、位相に応じて、所定の出力導波路４０６から出力するように設計されている。光合分岐回路４０２および光合分岐回路４０５は、上述したアルゴリズムを用いることにより、小型で低損失の光スイッチを実現することができる。一方、光変調手段４０３において電気光学効果、熱光学効果などにより、導波路中の屈折率を変えて、透過する光信号の位相を変える。上述したアルゴリズムで求められる波動伝達媒体よりも、集中定数的に、変調を加える従来の導波路の方が、効率よく変調することができる。従って、従来と比較しても、全体として小型で低損失の光スイッチを実現することができる。

従来の光導波路構造の一例を示す断面図である。従来の多段接続光スイッチの一例を示す図である。波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示すフローチャートである。本発明の一実施形態にかかる偏向器を用いた光スイッチを示す図である。光合波回路に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す図である。本発明の一実施形態にかかる光合分岐回路を用いた光スイッチを示す図である。光合分岐回路に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す図である。

符号の説明

１−１光回路設計領域
１−２基板
１−１１高屈折率部
１−１２低屈折率部
２−１入射面
２−２，２−３出射面
３０１，４０１入力用光導波路
３０２光分岐回路
３０３，４０３光変調手段
３０４，４０４導波路アレイ
３０５光合波回路
３０６，４０６出力用導波路
４０２，４０５光合分岐回路

Claims

基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる光の導波領域により構成される光導波路型スイッチにおいて、
１の入力光導波路から入力された波長多重信号を、波長ごとに複数の光導波路からなる導波路アレイに分岐する光分岐手段と、
前記導波路アレイの各々の光導波路に設けられ、透過する光信号の位相を調整する光変調手段と、
前記導波路アレイの各々の光導波路から入力された光信号を、該光信号の位相に応じて、複数の出力光導波路に出力する光合分岐手段とを備え、
該光合分岐手段は、前記コア部に、空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備え、
前記空間的な屈折率分布は、前記導波路アレイの各々の光導波路から前記波動伝達媒体に入射された入力光が、光の伝搬方向に沿って伝搬すると、該入力光の入力フィールドが、出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力光導波路の各々へ出力される１つ以上の入出力フィールドの組の各々を伝搬するように、メッシュにより画定されるピクセルの各々のコアが有する屈折率によって決定され、
各々の前記ピクセルのコアの屈折率は、前記光の伝搬方向の座標ｚ、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標ｘとしたときの断面Ｘの場所（ｚ，ｘ）において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記ピクセルのコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎ_ｑ-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のｊ番目の入力フィールドψ^j(x)および出力フィールドφ^j(x)について、前記順伝搬フィールドψ^j(z,x,{n_ｑ-1})と前記逆伝搬のフィールドφ^j(z,x,{n_ｑ-1})としたとき、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、
n_ｑ(z,x)＝n_ｑ-1(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})]
として計算し、ここで、記号「＊」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σ_jはｊについて和を示し、かつ、
前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Ｘの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする光導波路型スイッチ。
基板上に形成されたクラッド層と、該クラッド層に埋設されたコア部とからなる光の導波領域により構成される光導波路型スイッチにおいて、
複数の入力光導波路から入力された光信号を、波長ごとに複数の光導波路からなる導波路アレイに分岐する第１の光合分岐手段と、
前記導波路アレイの各々の光導波路に設けられ、透過する光信号の位相を調整する光変調手段と、
前記導波路アレイの各々の光導波路から入力された光信号を、該光信号の位相に応じて、複数の出力光導波路に出力する第２の光合分岐手段とを備え、
前記第１の光合分岐手段は、前記コア部に、空間的な屈折率分布が形成された第１の波動伝達媒体を備え、前記第２の光合分岐手段は、前記コア部に、空間的な屈折率分布が形成された第２の波動伝達媒体を備え、
前記空間的な屈折率分布は、前記入力光導波路の各々から前記第１の波動伝達媒体に入射された入力光が、光の伝搬方向に沿って伝搬すると、該入力光の入力フィールドが、出力光の出力フィールドに変換されて、前記導波路アレイの各々の光導波路へ出力される１つ以上の入出力フィールドの組の各々を伝搬するように、および前記導波路アレイの各々の光導波路から前記第２の波動伝達媒体に入射された入力光が、光の伝搬方向に沿って伝搬すると、該入力光の入力フィールドが、出力光の出力フィールドに変換されて、前記出力光導波路の各々へ出力される１つ以上の入出力フィールドの組の各々を伝搬するように、メッシュにより画定されるピクセルの各々のコアが有する屈折率によって決定され、
各々の前記ピクセルのコアの屈折率は、前記光の伝搬方向の座標ｚ、前記光の導波領域において前記光の伝搬方向に垂直な方向の座標ｘとしたときの断面Ｘの場所（ｚ，ｘ）において、前記入力フィールドの順伝搬のフィールドの位相と、前記出力フィールドの位相共役に逆伝搬させたフィールドの位相との間の位相差が所定の誤差以下となるように、各々の前記ピクセルのコアの屈折率を変数として繰り返し計算を行うことにより決定され、この計算は、（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎ_ｑ-1}をもとに、前記入出力フィールドの組のｊ番目の入力フィールドψ^j(x)および出力フィールドφ^j(x)について、前記順伝搬フィールドψ^j(z,x,{n_ｑ-1})と前記逆伝搬のフィールドφ^j(z,x,{n_ｑ-1})としたとき、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎ_ｑ（ｚ，ｘ）を、
n_ｑ(z,x)＝n_ｑ-1(z,x)−αΣ_jIm[φ^j(z,x,{n_ｑ-1})^*・ψ^j(z,x,{n_ｑ-1})]
として計算し、ここで、記号「＊」は複素共役であり、記号「・」は内積演算であり、Im[]は[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分であり、αは計算の収束を考慮した定数であり、Σ_jはｊについて和を示し、かつ、
前記入力光のフィールドが、前記光の伝搬方向に沿って、前記断面Ｘの屈折率分布により位相の変化を多段に受けることにより、前記第１および第２の波動伝達媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により光のフィールドの形状を変化させながら伝搬することを特徴とする光導波路型スイッチ。
前記ピクセルの最小寸法は、０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路型スイッチ。
前記基板は、シリコン基板、石英基板のいずれかであり、
前記光導波路は、石英系光導波路であり、
前記位相調整手段は、クラッド層上に形成された薄膜ヒータであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光導波路型スイッチ。