JP4330318B2 - ２つの非共面光導波路アレイを含む光スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光スイッチに関し、より詳細には導波路ベースの光マトリクス・スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を伝達する光ファイバ・ネットワークは、近年、電話通信およびデータ通信に広く使用されるようになった。これらの光ファイバ・ネットワークは、ネットワーク内の１つのパスから別のパスにチャンネルをスイッチするために、高速、効率的かつ効果的な手段を必要とする。近年、いくつかのスイッチング技術および構造が開発されており、単一のチャンネルを１つのパスから別のパスにスイッチすることに関しては、多くの応用にとって充分なものとなっている。しかしながら、これらは、大規模のクロスコネクト・スイッチとして機能させる上では完全な満足が得られるものではない。
【０００３】
最近になって、導波路マトリクスを使用するいくつかのクロスコネクト・スイッチが開発された。現在の導波路ベースのマトリクス・スイッチに共通する問題は、光信号が潜在的なスイッチ・ポイントを横切るときの光信号のパワーの減衰である。光は、通常、スイッチ・ポイントで導波路を離れ、クロスポイントを横切って（ガイドなしで）伝播した後、導波路に戻る。１つの導波路から別の導波路に光を結合すると、各クロス・ポイントで著しくパワーが損失する。米国特許第５，６９９，４６２号および第５，９６０，１３１号には、このタイプのスイッチ構造が多数開示されている。一般に、Ｎ×Ｎマトリクス・スイッチにおいては、光信号は１〜（２×Ｎ）−１個のポイントを通過しなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、クロスポイントでのパワー損失を低減する改良された導波路ベースのスイッチが必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の主な目的は、クロスポイントでのパワー損失を低減することによって、上記従来技術の問題点を克服する導波路ベースのマトリクス・スイッチを提供することである。
【０００６】
本発明は、全体的に直交する導波路が、それらの相互のクロスポイントにおいて相対的に平行になるクロスポイント・スイッチを提供する。たとえば、２つのほぼ直交する導波路の一方には、クロスポイント近傍において４５度のジョグ（jog：方向転換）を持たせ、他方の導波路には、そのクロスポイント近傍において−４５度のジョグを持たせることができる。一実施形態では、２つの導波路が概して直交するか否かを決定するために、直線でない導波路の大まかな方向を、その導波路に最小二乗法で当てはめた（fit）直線の方向とする。コントローラは、交差する導波路の間の結合（coupling）材料を制御し、導波路の間の光結合を制御する。実用的には、これらの導波路を、それぞれの基板の対向する面に形成することができる。
【０００７】
これは、２つの平面基板を互いに平行に配置し、対向する表面上に光導波路を持たせることによって達成可能である。詳細に説明する実施形態では、１つの平面上の細長い導波路は、他方の平面上の導波路と概して直交するが、クロスポイントにおいてはその例外となり、導波路のペアをなす両方の導波路の短い部分が交差ゾーンにおいて平行となるように、それぞれの導波路が４５°のジョグを有する。導波路は、平面図においては交差しているように見えるが、互いに離れて配置されて（spaced）いる。これらの平行で離れて配置された部分は、１つの平面内の導波路から別の平面内で光信号が交差する導波路へ、光信号を移す。制御可能な結合材料は、交差ゾーン内の平行な導波路の部分の間に配置される。交差ゾーンにおける導波路の間の光信号のスイッチングは、電気信号または熱信号を導波路の間の結合材料に印加することによって達成される。
【０００８】
他の交差角度について、および結合材料を用いて離れて配置された導波路平面を交差ゾーンに形成する方法についても考察されている。
【０００９】
従来技術と同様に、クロスポイントで結合可能な導波路は概して直交しており、ルーティングを容易にするとともに、クロスポイントから離れた意図しない結合を最小化する。導波路を相互クロスポイントにおいて平行とすることによって、本発明は結合面積を増加させる。結合面積の増加によって導波路の間におけるパワー結合が改善される一方、結合材料が制御されて結合が促進される。このように、本発明はクロスポイントでのパワー損失を低減する。本発明の特定の実施形態は、以上に追加される、あるいはそれに代わる別の利点を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に従った導波路ベースのマトリクス・スイッチの概略平面図が示されており、全体を参照番号１０で示す。この実施形態は、後述するように、好ましくは第１の（下側の）基板１４と、第２の（上側の）基板１６からなる主基板１２を含む。基板は、一般に矩形の輪郭を有しているが、別の適切な形状としてもよい。図示の実施形態は、一般に双方向（bi-directional）マトリクス・クロスコネクト・スイッチを含み、このスイッチは、一方の側面に４つの光ファイバ入力１８、２０、２２および２４を有し、他方の側面に４つの光ファイバ入力２６、２８、３０および３２を有する。スイッチ本体は、光ファイバ出力３４、３６、３８および４０を第３の側面に有しており、これまでに示した入力ならびに出力のいずれとも異なる側面に、光ファイバ出力４２、４４、４６および４８を有している。
【００１１】
光ファイバ入力１８〜２４は、基板１４の共通の第１の平面内において、それぞれ導波路５２、５４、５６、５８によって、それぞれの光出力３４〜４０に直接接続されている（図２参照）。同様に、光入力２６〜３２は、基板１６の第２の平面内において、導波路６０、６２、６４、６６によって、それぞれの光出力４２〜４８に直接接続されている（図３参照）。２組の導波路は、離れて配置された平行平面内に配置される。それぞれの導波路は、一方の基板内にある導波路が概して９０°の角度で他方の基板内にある導波路と交差するクロスオーバ・ポイントに、角度付きの部分を有する。
【００１２】
下側基板１４内の導波路は、スイッチングが設定されるクロスオーバ・ポイントにおいて上側基板１６内の導波路と重なり、また交差する。一実施形態では、上側および下側の導波路は、各クロスオーバ・ポイントにおいて直線の平行線分に沿って短い距離にわたって角度が付けられ、延伸する。たとえばここで、導波路６０について考える。図１に示すように、この導波路は、クロスポイント６８において導波路５２の上を交差するが、そこでは両方の導波路が互いに平行に延びる直線部分を有している。また、クロスポイント７０では導波路６２が導波路５２を横切って延び、クロスポイント７２では導波路６４が導波路５２を横切って延び、クロスポイント７４では導波路６６が導波路５２を横切って延びている。これらの導波路は、別の平行な平面内にあり、クロスポイントの領域内で短い距離にわたって互いに概して平行になる点を除けば、一般に平面から平面への関係は離れて配置された直交関係にある。また、クロスポイントの領域内では、導波路のコアが露出しており、２つの導波路の間に、スイッチとして作用させるべく制御が可能である結合材料の層が配置される。その結果、一方の導波路から他方の導波路に光波をスイッチすることが可能になる。この結合材料は、熱信号または電気信号等の外部作用を受けると屈折率を変化させる。結合材料は、熱‐光応答性または電気‐光応答性のいずれかに選択される。
【００１３】
図２および図３を参照すると、基板１４および１６が、それぞれに形成された導波路とともに別々に示されている。基板１４においては、導波路がその上側表面の近傍に形成され、基板１６においては、導波路がその下側表面の近傍に形成されている。従って、これらの基板を重ね合わせると、クロスオーバ・ポイントまたはクロスオーバ領域において適切な距離に基板が離される。こうして、クロスオーバ・ポイントにおいて、１つの導波路から別の導波路に光信号をスイッチし、または結合することが可能になる。
【００１４】
導波路は、米国特許第５，９６０，１３１号に開示されているような任意の適切な方法に従って多数の基板材料のうちのいずれか１つを用いて形成することができる。基板には、適切な材料が選択され、例えば、シリコン・ウェーハ等の半導体基板である。シリコンプロセス技術を用いて導波路を高精度に製造することができる。各導波路は、コアを被覆材料で取り巻いて形成されるが、クロスオーバ・ポイントでは２つの導波路の間に被覆材料は存在しない。本発明の一実施形態では、製造の間、コア層の材料を析出しエッチングすることによって導波路が形成される。導波路をシリコン基板上の二酸化ケイ素内に形成できることが立証されている。コアを形成する材料は、主として二酸化ケイ素であるが、ＧｅまたはＴｉＯ_２等の別の材料も含まれる。被覆材料についても主として二酸化ケイ素である材料から形成することができるが、Ｂ_２Ｏ_３またはＰ_２Ｏ_５等の材料も含まれる。コア材料は、被覆層の屈折率とは異なる屈折率を持つので、光信号は光導波路に沿って導かれることになる。
【００１５】
上述したように、導波路がそれぞれの基板内に形成され、導波路が離れた平行な平面内で互いに交差して延びるように基板が互いに重ね合わされる。クロスポイントにおいては、それぞれの導波路の被覆材料はなく、電気‐光材料または熱‐光材料等の結合材料がこれらの導波路の２つのコアの間に置かれる。導波路を、ニオブ酸リチウム等の別の材料からなる基板、あるいはＧａＡｓ等の半導体上に、拡散または結晶成長によって構成してもよい。その種の技法については、米国特許第４，６１８，２１０号に開示されている。
【００１６】
図４を参照すると、クロスポイント６８（図１）の横断面図が示されている。このクロスポイントにおいて導波路５２と６０が交わり、離れた平面内を互いに平行に延びる。導波路５２は、下側の被覆７８を持つコアとして基板１４に形成されている。導波路５２のこの部分には、片方の側面に被覆７８を持つ導波路６０が重ね合わされる。２つの導波路の間の側面上では被覆は取り除かれる。この領域には、電気‐光学材料または熱‐光学材料のいずれかである結合材料８０が満たされる。この材料は、電界または熱入力のいずれかに応答して屈折率を変化させ、一方または他方の導波路に沿った光パルスを他の導波路にスイッチする。結合材料は、熱入力または電気入力のいずれかによって活性化されるまで、被覆の屈折率と等しい屈折率を有するように選択される。使用される電気‐光学材料としては、特にニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよび液晶を挙げることができる。使用可能な熱‐光学材料は種類も多く、一例を挙げるとＳｉＯ_２または多数のポリイミド、有機ポリマおよび無機ガラスがある。
【００１７】
結合材料８０および制御回路８６には１対のエレメント８２および８４が結合または接続されている。結合材料を電気‐光学材料と仮定すると、制御回路は、材料に電圧を印加してその屈折率を変化させ、一方の導波路から他方へと光パルスをクロスオーバさせる。結合材料８０が熱‐光学的材料である場合には、エレメント８２、８４に加熱エレメント８８が接続され、加熱エレメントは結合材料の温度を変化させることによって、結合材料の屈折率を変化させる。
【００１８】
本発明の光スイッチが電気‐光的に応答する場合には、図４に示した加熱エレメント８８は存在せず、制御回路８６から電極８２、８４に印加される信号が結合材料の屈折率を変化させる信号を与える。
【００１９】
図５および図６を参照すると、本発明におけるスイッチングの動作の説明図が示されている。図５に示すように、導波路５２に沿って入力光パルスが流れている。結合材料の屈折率は被覆材料の屈折率に等しく、光信号はクロスオーバ・ポイントを通過して同じ導波路に沿って進み、したがってスイッチング効果が生じない。しかし、図６に示すように、結合材料８０に制御信号が印加されて、その屈折率が被覆の屈折率と異なる値に変更されると、光パルスが導波路５２から導波路６０に移動して、ファイバ出力４２（図１参照）上に出力信号を与える。
【００２０】
図示の実施形態は、矩形の構成として示されている。これは、クロスオーバ・ポイントにおいて導波路を概して９０度の角度で配置し、かつそれぞれの導波路に４５°のジョグを持たせて短い平行な部分を実現する。しかし、スイッチ本体は、たとえば六角形といった別の構成を有していてもよいことを理解されよう。これにより、導波路のクロスオーバを矩形におけるような９０度ではなく６０度とすることができる。このような構成は、いくつかの応用に対して利点を有することがある。また、さらに別の角度の配置を採用することもできる。
【００２１】
以上説明した実施形態では、導波路のすべてがクロスオーバ・ポイントで角度付きの部分を有している。しかし、１組の導波路だけが角度付きの部分を有し、その部分がクロスオーバ・ポイントにおいて他方の導波路（直線のまま）と平行になれば充分であることを認識されよう。２組の導波路が互いに９０度より小さい角度をなす場合には、より容易にこれを達成することができる。このような構成は、たとえば六角形の基板内に容易に具現化することができる。代替的な実施形態では、平行でありクロスオーバ部分を構成する部分のように、上側および下側の導波路を曲げることもできる。本明細書では「直交」および「平行」という用語を用いているが、本発明はこれに限定されることはない。一般に言えば、離れて配置された平行な平面内の導波路は、互いに平行であると言うよりは概して直交していると言え、一致しかつ交差している部分は、互いに直交していると言うよりは概して平行であると言える。
【００２２】
また、スイッチ・アセンブリが２より多いレベルまたは平面の導波路を有し、異なるレベルの間でスイッチングすることもできることを理解されたい。本明細書において使用した「光（light）」および「光の（optical）」という用語は、本発明のスイッチが扱う光信号を可視スペクトルに限定するとものと解釈するべきではない。
【００２３】
本発明には例として以下の実施形態が含まれる。
【００２４】
（１）第１の基板と、
前記第１の基板の第１の平面内の少なくとも１つの第１の導波路と、
第２の基板と、
前記第２の基板の第１の平面内の少なくとも１つの第２の導波路と、を含む光スイッチング要素であって、
前記第１および第２の基板の前記第１の平面が対向する関係になるように前記第１および第２の基板が結合され、前記第１および第２の導波路は離れて配置されかつ角度を持って互いに交差し、前記第１および第２の導波路の少なくとも一方は角度付きの部分を持つように形成され該角度付き部分は前記交差で他方の導波路と離れた平行の関係に配置されており、
前記交差において前記導波路の間に配置される制御可能な結合材料をさらに含む、光スイッチング要素。
【００２５】
（２）前記第１および第２の導波路は概して約９０度の角度で交差する、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００２６】
（３）各導波路の前記交差における前記部分は約４５度の角度で延びる、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００２７】
（４）前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させる、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００２８】
（５）前記結合材料は熱に応答してその屈折率を変化させる、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００２９】
（６）前記導波路は前記交差する領域を除いて被覆を有し、前記結合材料は通常時は前記被覆の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００３０】
（７）前記第１および第２の基板のそれぞれに複数の導波路が存在する、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００３１】
（８）前記導波路は約９０度の角度で交差し、各導波路の前記交差において前記部分が約４５度の角度で延びる、上記(７)に記載のスイッチング要素。
【００３２】
（９）前記導波路は前記交差する領域を除いて被覆を有し、前記結合材料は通常時は前記被覆の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する、上記(８)に記載のスイッチング要素。
【００３３】
（１０）前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させる、上記(７)に記載のスイッチング要素。
【００３４】
（１１）前記結合材料は熱に応答してその屈折率を変化させる、上記(７)に記載のスイッチング要素。
【００３５】
（１２）前記結合材料の屈折率を選択的に変化させるための手段をさらに含む、上記(１)に記載のスイッチング要素。
【００３６】
（１３）基板と
前記基板の第１の平面内の少なくとも１組の第１の複数の導波路と
前記基板の前記第１の平面と平行でありかつそれから離れて置かれた第２の平面内の少なくとも１組の第２の複数の導波路であって、ある角度で前記第１の導波路に交差する第２の導波路と、を含む光スイッチング・アセンブリであって、前記第１の導波路はそれぞれ、前記交差において前記第２の導波路の部分と平行に延びる部分を有しており、
前記交差において前記導波路の前記部分の間に配置される制御可能な結合材料をさらに含む、光スイッチング・アセンブリ。
【００３７】
（１４）前記導波路は前記交差する領域を除いて被覆を有し、前記結合材料は通常時は前記被覆の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する、上記(１３)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００３８】
（１５）前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させる、上記(１３)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００３９】
（１６）前記結合材料は熱に応答してその屈折率を変化させる、上記(１３)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００４０】
（１７）前記第１の平面の導波路は約９０度の角度で前記第２の平面の導波路と交差し、
各導波路の前記交差における前記部分は約４５度の角度で延びる、上記(１３)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００４１】
（１８）前記導波路は前記交差する領域を除いて被覆を有し、前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させ、かつ通常時は前記被覆の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する、上記(１７)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００４２】
（１９）前記導波路は前記交差するエリア内を除いて被覆を有し、前記結合材料は熱に応答してその屈折率を変化させ、かつ通常時は前記被覆の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する、上記(１７)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００４３】
（２０）前記結合材料の屈折率を選択的に変化させるための手段をさらに含む、上記(１３)に記載のスイッチング・アセンブリ。
【００４４】
（２１）第１の平面内に延び、第１の結合部分を有する第１の導波路と
第２の平面内に延びる第２の導波路であって、前記第１の導波路に対して平行よりも一般に直交して延び、また、前記第１の結合部分に対して直交よりもより平行に延びる第２の結合部分を有する第２の導波路と、
前記第１の結合部分と前記第２の結合部分の間に配置される結合材料と、
前記結合材料を制御して、前記第１の導波路と前記第２の導波路の間における光の結合を制御するコントローラと、
を含む光学システム。
【００４５】
（２２）前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させる、上記(２１)に記載の光学システム。
【００４６】
（２３）前記結合材料は熱に応答してその屈折率を変化させる、上記(２１)に記載の光学システム。
【００４７】
（２４）前記導波路は前記交差する領域を除いて被覆を有し、前記結合材料は通常時は前記被覆の屈折率にほぼ等しい屈折率を有する、上記(２１)に記載の光学システム。
【００４８】
（２５）前記コントローラは前記結合材料の屈折率を選択的に変化させる、上記(２１)に記載の光学システム。
【００４９】
以上、特定の実施形態によって本発明を説明してきた。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更及び修正があることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った導波路ベースのマトリクス・スイッチの概略図である。
【図２】図１に示した導波路ベースのマトリクス・スイッチの下側部分を形成する１つの導波路アレイを有する基板の平面図である。
【図３】図１に示した導波路ベースのマトリクス・スイッチの上側部分を形成する１つの導波路アレイを有する基板の平面図である。
【図４】図１の４−４線から見たクロスオーバ・ポイントの断面図である。
【図５】図４のクロスオーバ・ポイントにおける非スイッチング・モードの光信号を示す図である。
【図６】図４のクロスオーバ・ポイントにおけるスイッチング・モードの光信号を示す図である。
【符号の説明】
１０ 導波路ベースのマトリクス・スイッチ
１２ 主基板
１４ 下側基板（第１の基板）
１６ 上側基板（第２の基板）
１８、２０、２２、２４ 光ファイバ入力
２６、２８、３０、３２ 光ファイバ入力
３４、３６、３８、４０ 光ファイバ出力
４２、４４、４６、４８ 光ファイバ出力
５２、５４、５６、５８ 導波路
６０、６２、６４、６６ 導波路
６８、７０、７２、７４ クロスポイント
７８ 被覆
８０ 結合材料
８２、８４ 電極
８６ 制御回路
８８ 加熱エレメント

Claims (6)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板の第１の平面内の少なくとも１つの第１の導波路と、
   第２の基板と、
   前記第２の基板の第１の平面内の少なくとも１つの第２の導波路と、を含む光スイッチング要素であって、
   前記第１および第２の基板の前記第１の平面が対向する関係になるように前記第１および第２の基板が結合され、前記第１および第２の導波路は離れて配置されかつ所定の角度を持って互いに交差し、前記第１および第２の導波路の少なくとも一方は角度付きの部分を持つように形成され該角度付き部分は前記交差で他方の導波路と離れた平行の関係に配置されており、
   前記交差において前記第１および第２の導波路の間に配置される、屈折率が制御可能な結合材料をさらに含み、
   前記結合材料の屈折率の制御によって、前記第１および第２の導波路の間で光波をスイッチするようにした光スイッチング要素。
2. 前記第１および第２の導波路は概して約９０度の角度で交差する、請求項1に記載のスイッチング要素。
3. 各導波路の前記交差における前記部分は約４５度の角度で延びる、請求項1に記載のスイッチング要素。
4. 前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させる、請求項1に記載のスイッチング要素。
5. 前記結合材料は熱に応答してその屈折率を変化させる、請求項1に記載のスイッチング要素。
6. 前記第１および第２の基板のそれぞれに複数の導波路が存在し、前記結合材料は電界に応答してその屈折率を変化させる、請求項1に記載のスイッチング要素。

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