JP4343686B2 - マルチモード干渉導波路型スイッチ - Google Patents

Description

本発明はマルチモード干渉導波路型空間スイッチに関し、より詳細には、コンパクトなマルチモード干渉導波路スイッチ及び光信号を切り換える方法に関する。

光転送ネットワークの容量及び柔軟性を増大させることが強く望まれている。進んでいる通信ネットワークは、柔軟性及び再構成画できることについて一層傾注しており、これは光通信用の光ＩＣ（ＰＩＣ）の機能性の強化並びにコンパクトなデバイスを必要とする。シングルモードの伝送システム用の光ＩＣにおけるマルチモード干渉（ＭＭＩ）効果に対する関心が最近増大してきている。ＭＭＩ効果に基づいた光デバイスは、光学帯域幅が大きく、極性に鈍感であり製造公差が高く維持され、言及すべき利点が少ない。ＭＭＩ導波路デバイスは自己結像原理に基づいており、ソルダノ及びペニングス(L.B Soldano and E.C.M. pennings)、「自己イメージングに基づいた光マルチモード干渉デバイス：原理及びアプリケーション(Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Application)」、光波技術ジャーナル(J. of Lightwave Technology)、vol.13,No.4、１９９５年４月、に詳細に記載されている。

ＭＭＩ導波路デバイスには様々な分野のアプリケーションがある。例えば、波長選択スイッチとして本願発明者によって、「ブラッグ格子補助型波長選択スイッチ用ＭＭＩＭＩカプラ(Bragg grating assisted MMIMI coupler for wavelength selective switching)、エレクトロニクスレター(Electrinics Letters)、vol.34,No.25、１９９８年１２月１０日発行、に記載されたものがある。この文献で本願発明者は、波長選択スイッチング用の新規な光デバイスを記載している。該デバイスは、ブラッグ格子補助型ＭＭＩＭＩ(Multi Mode Interference Michelson Interferometer)カプラに基づいている。

ＭＭＩ導波路デバイスの別のアプリケーションは、カプラとして、レウソルド及びジョイナ―(J. Leuthold and C. H. Joyner)、「分割比が調整可能な干渉カプラ(Interference Couplers with Tuneable Splitting Ratios)」、ミュンヘンでのＥＣＯＣ ２０００予稿、vol.3、２０００年９月、に記載されているようなものである。該文献で著者は、新規でコンパクトなパワー分割比が調整可能なマルチモード干渉カプラを提示している。このカプラは、調整範囲が大きく、干渉計デバイスにおけるオン―オフ比を最適化するのに使用され、スイッチとしても使用される。

光通信ネットワークでスイッチ信号の間隔を空けられるようにする必要があるのは明らかである。広帯域信号の単純な空間スイッチングは、例えば、利用可能な容量あるいは現在利用できないネットワークの部品周囲のルーティングに基づいたルーティングを可能とする。

従来技術の光学スイッチは現在、損失が大きい、クロストークが大きいあるいは製造公差の要求が高いという問題に直面している。それらはまた、安定性に問題があったり消費電力が大きい。
ソルダノ及びペニングス(L.B Soldano and E.C.M. pennings)、「自己イメージングに基づいた光マルチモード干渉デバイス：原理及びアプリケーション(Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Application)」、光波技術ジャーナル(J. of Lightwave Technology)、vol.13,No.4、１９９５年４月 アウグストッソン，トルステン、「ブラッグ格子補助型波長選択スイッチ用ＭＭＩＭＩカプラ(Bragg grating assisted MMIMI coupler for wavelength selective switching)、エレクトロニクスレター(Electrinics Letters)、vol.34,No.25、１９９８年１２月１０日 レウソルド及びジョイナ―(J. Leuthold and C. H. Joyner)、「分割比が調整可能な干渉カプラ(Interference Couplers with Tuneable Splitting Ratios)」、ミュンヘンでのＥＣＯＣ ２０００予稿、vol.3、２０００年９月 ベス、ベックマン、メルキオラ、ソルダノ及びスミット(P. A. Besse, M Bechman, B. Melchior, L. B. Soldano, and M. K. Smit)による、「マルチモード干渉カプラの光学帯域幅及び製造公差(Optical Bandwidth and Fabrication Tolerances of Multimode Interference Couplers)」、光波技術ジャーナル(J. of Lightwave Technology)、Vol. 12, No. 6、１９９４年６月

本発明の目的は、上述の問題をなくすあるいは減少させると共に、コンパクトなスイッチングデバイス及び光信号スイッチングの方法を提供することである。

このため本発明は、コンパクトなマルチモード干渉スイッチであって、ＭＭＩ導波路の第１の面の光入力信号が、前記光入力信号の自己イメージの位相面を調整すること、及び反射手段によって前記自己イメージを前記ＭＭＩ導波路の第２の面から前記第１の面へ向けて反射することにより、いくつかの出力アクセス導波路から選択された一つの出力アクセス導波路にルーティングされる。

本発明による利点の一つは、非常にコンパクトなスイッチングデバイスがもたらされることである。他の利点は、損失の少ない安定したデバイスを供給できることである。更に別の利点は、このようにして供給されるスイッチはクロストークが少ないことである。

より詳細には、前記位相の調整は、Ｍ個の移相器によって達成されるが、ここでＭは整数であり、前記移相器のそれぞれは前記第２の面でＮ個の自己イメージの位相を個々に調整するように配置されている。ＭＭＩ導波路は、該ＭＭＩ導波路の一方の面に位置するアクセス導波路での一つの光入力信号が、前記ＭＭＩ導波路の第２の面でＮ個の自己イメージに分割されるように配置されている。これら自己イメージのそれぞれは、前記第２の面の位置で個別の位相を有し、これによりＭ個の移相器に渡る位相分布が作り出される。移相器は、前記自己イメージの位相分布を調整して、前記選択されたアクセス導波路で光信号によって生成されると思われる自己イメージの位相分布と一致させるように制御可能である。

好適な実施形態ではＮとＭは等しい。すなわち、Ｍ＝Ｎ個の移相器がＮ＝Ｍ個の自己イメージを調整する。

本発明の一態様によれば、前記移相器のそれぞれは、第１の屈折率を有する光透過部と、前記屈折率を調整する手段とを備えている。

好適な実施形態によれば、前記調整は、前記光透過部の屈折率を熱に敏感に反応するようにし、前記調整手段の過熱を制御して前記光透過部の屈折率を有効に制御することによって実行され得る。これにより、入射光の光路長、従って各自己イメージの位相を制御することが可能となる。

本発明の別の好適な実施形態によれば、前記透過部の屈折率は前記屈折部を通過する電流あるいは電圧に敏感に反応する。電流又は電圧、従って屈折率を制御することにより、調整が行われる。

本発明の別の態様によれば、前記移相器のそれぞれは、反射手段を備えている。前記移相器のそれぞれは、前記反射手段の個々の位置が前記ＭＭＩ導波路における光の伝播方向と平行な方向に制御可能なように配置されている。これにより、幾何学的距離の長さ、従って入射光の光路長、従って前記自己イメージの位相を制御することが可能である。

本発明の別の好適な実施形態によれば、前記移相器は熱膨張部分を備え、該熱膨張部分は、適用される温度に応じて、前記ＭＭＩ導波路における光の伝播方向と平行な方向に反射手段を移動させる。

更に別の実施形態によれば、前記移相器は、前記ＭＭＩ導波路における光の伝播方向と平行な方向に反射手段を制御可能に移動させるべく配置された、マイクロ−メカニカル位相調整手段を備えている。

図１は、本発明の第１の好適な実施形態によるマルチモード干渉デバイスの概略図である。左にインタフェースＡでの５つのアクセス導波路が、１０１から１０５でそれぞれ示されている。導波路１０６の長さ及び幅は、アクセス導波路での入力イメージ(image)がインタフェースＢで５つの自己イメージ(self-image)を生成するように適合されている。光の伝播方向は、１０７で示されており１０８と直交する方向である。光は方向１０７と反対方向にも伝播し得ることに注意されたい。

図２は、図１のＭＭＩ導波路にアクセス導波路１０１から入った信号に対するインタフェースＢでのパワー分布を示している。２０１〜２０５で示すそれぞれのパワーピークは、自己イメージを表しておりインタフェースＢに等しい分布で現れる。換言すると、図２のＸ軸は、図１の垂直方向１０８に合っている。他のアクセス導波路１０２〜１０５からの入力も、インタフェースＢで同様なパワー分布あるいは自己イメージを生成するであろう。異なる入力アクセス導波路の間でのパワー分布の差は、ＭＭＩ導波路を正しく設計すれば無視できるであろう。

ＭＭＩ導波路の光学帯域幅は、入力及び出力の導波路の数に反比例する。ＭＭＩ導波路の帯域幅の特性は、ベス、ベックマン、メルキオラ、ソルダノ及びスミット(P. A. Besse, M Bechman, B. Melchior, L. B. Soldano, and M. K. Smit)による、「マルチモード干渉カプラの光学帯域幅及び製造公差(Optical Bandwidth and Fabrication Tolerances of Multimode Interference Couplers)」、光波技術ジャーナル(J. of Lightwave Technology)、Vol. 12, No. 6、１９９４年６月、に極めて詳細に解説されている。

図３ａは、先頭から３つの入力導波路１０１〜１０３からの図１のインタフェースＢでの自己イメージの位相分布を示している。すなわち、図１のＭＭＩ導波路１０６にアクセス導波路１０１から入る光イメージは、図２に従ったパワー分布を有し、図３ａの破線３０１に従った位相分布を有するであろう。図１のＭＭＩ導波路１０６にアクセス導波路１０２から入る光イメージは、図２と同様なパワー分布を有するが、図３ａの３０２で示す１点鎖線に従った極めて異なる位相分布を有するであろう。同様に、ＭＭＩ導波路にアクセス導波路１０３から入るイメージは、図３ａの２点鎖線３０３に従った位相分布を有するであろう。

参照を容易にするため、ＭＭＩ導波路１０６にアクセス導波路１０４で入るイメージの位相分布を、図３ｂに破線で描き３０４で示した。最後に、ＭＭＩ導波路にアクセス導波路１０５で入るイメージの位相分布を、図３ｂに１点鎖線で描き３０５で示した。

図１のＭＭＩ導波路１０６は可逆である。インタフェースＢには５つの移相器が配置されており１０９〜１１３で示されている。入射光を反射すべく反射手段（不図示）が配置されている。移相器１０９〜１１３はまた、入射光の位相を制御可能にシフトするための手段を備えている。ＭＭＩ導波路１０６にアクセス導波路１０３で入る入力イメージは、図２に従ったパワー強度の分布と図３のライン３０３に従った位相分布とを有し、かつＭＭＩ導波路は可逆であるので、インタフェースＢで図２に従ったパワー分布と図３のライン３０３に従った位相分布を有し、方向１０７と反対方向に伝播すると、アクセス導波路１０３に単一の自己イメージを生成するであろう。

アクセス導波路１０２に入る信号をアクセス導波路１０３から出るように切り換えるためには、図１のデバイスは以下のように動作する。光信号はＭＭＩ導波路１０６に入り、図３のライン３０２に従った位相分布で、図２に従ってインタフェースＢで５つの自己イメージを生成する。移相器１０９〜１１３は、反射及び完全に移相器を通過した後に、入射光の位相が図３のライン３０３に従った位相分布と一致するように、制御可能に設定される。

位相分布３０３に可能な範囲で最も類似させるべく正確なシフトを再現するように、移相器を微調整することももちろん可能である。この方法ではインタフェースＢに図３の３０３に従った位相分布で反射が生成され、該反射は方向１０７と反対方向に伝播し、アクセス導波路１０３に単一の自己イメージをもたらす。このように、アクセス１０２〜アクセス１０３への動的切り換えが達成される。ＭＭＩ導波路に入っていく信号の入射光の位相をシフトすることによって、該信号はアクセス導波路１０１〜１０５、すなわち、入力アクセス導波路を含んでいる導波路のいずれにも切り換えられ得る。原理的には、入力及び出力の導波路の数、すなわち、Ｐ×ＱのＭＭＩ導波路スイッチの数に制限はない。入力及び出力が独立したアクセス導波路が必要であれば、アクセス導波路の数ＮはＰ＋Ｑに等しく、そうでなければ入力及び出力が同じアクセス導波路は用いられＮ×Ｎのスイッチが必要となる。

図４は、本発明の第２の好適な実施形態によるデバイスを示している。このデバイスは１×８スイッチであり、１つの入力アクセス導波路４０１と、いずれも４０２で示される８つの出力アクセス導波路とを有している。入射光イメージの位相面を制御するために、９個の独立して制御可能な移相器４０４が用いられている。各移相器は透過性の媒体を備えており、該媒体の屈折率は前記媒体の両端に電圧を印加することで制御可能である。温度を変化させることで屈折率を制御する、熱―光学材料を使用することも可能である。移相器４０４の屈折率を変化させることにより光路長が制御可能であり、従って入射光イメージの位相面を制御可能である。広帯域反射部分４０５は、位相が調整されたイメージを選択された出力アクセス導波路４０２に反射する。ＭＭＩ導波路４０３は、角度θTの部分４０８を有する断熱テーパー部分４０７を備えている。入射光の位相は比較的長い距離、すなわち、移相器４０４を通る移動の間に変化するので、光の強度分布は移相器４０４を通る距離の間で変化する。導波路が断熱性テーパー部分を有する、すなわち、より高いモードへの結合がないことにより、入射光の強度分布はより遅く変化するであろう。このため、クロストークが実質的に減少されパワー損失が低減された、より効率的な切り換えが達成される。

デバイスに関する設計では、入射光が移相器と屈折率が調整された透過部分とを通過するだけではなく、反射光も通過することを考慮する必要がある。ここで適切な位相の調整がなされるように移相器の設計を考慮する必要がある。移相器は、クロストークが最小となるように互いの間を適切に分離されている。

図５は、本発明の第３の好適な実施形態による１×８スイッチを示している。同様な細部は同じ数字で示している。いずれも５０１で示された移相器は、入射光を反射するように配置された広帯域反射面５０３を有する第１の部分を備えている。前記第１の部分は、ＭＭＩ導波路内の光の伝播方向に移動可能なように配置されている。好ましくは、前記第１の部分５０２はバネ付きであり、前記移相器５０１の第２の部分５０４によって、前記アクセス導波路４０１及び４０１に向かう方向において、第１の位置と第２の位置とを取ることができその間で移動可能である。前記第２の部分は、前記第１の部分５０２を前記アクセス導波路に向かって制御可能に押すマイクロ−メカニカルデバイスであり、それにより入射光に対する幾何学的距離が短縮され、前記入射光の位相の微調整が可能になる。前記マイクロ−メカニカルデバイス５０４は、制御手段５０５によって個々に制御可能である。この好適な実施形態では、入射光の位相の変化は比較的短い距離で行われるので、ＭＭＩ導波路にはテーパー部分はない。このため、強度分布の変化に関する考慮は必要ない。

ＭＭＩ導波路５０７における屈折率を合わせるために、屈折率整合手段５０６が用いられる。移相器が、例えば空気や真空で移動し、移相器５０１とＭＭＩ導波路との間に間隙を生じ得るので、これが必要である。屈折率整合手段は、例えば、ＭＭＩ導波路と屈折率が同じ流動体である。この場合、気泡の生成を予防すべく、流動体を圧力下におくことが好ましい。移相器の移動に追随する、シリカゴムのような、弾性材料を使用することも可能である。

図６は、本発明の第４の実施形態による１×８スイッチを示している。同様な細部は同じ数字で示している。９個の移相器６０１は独立して制御可能である。広帯域反射部分６０２は、熱膨張部分６０３上に位置決めされている。前記熱膨張部６０３は、前記広帯域反射部分を前記ＭＭＩ導波路における光の伝播と平行な方向に移動させる。熱膨張部分６０３は加熱素子６０４によって制御される。このため、前記過熱素子によって熱を加えることにより、各移相器を独立して制御することが可能であり、入射光イメージの位相を調整することができる。熱的クロストークをなくすと共に、屈折率整合手段５０６の温度が変化することで屈折率が変化するのを避けるため、断熱層６０５が熱膨張部６０３と屈折率整合手段５０６との間に設けられている。

図７は、ＭＭＩ導波路スイッチデバイス７０２に結合された入力導波路アクセスポート７０１を有する、１×４スイッチを示している。４つの出力導波路アクセスポートが７０３、７０４、７０５及び７０６でそれぞれ示されている。入力アクセス導波路７０１と出力アクセス導波路７０３〜７０６との間のクロストークを防止すべく、分離板７０７が配置されている。このスイッチは距離Ａで示す幅がおよそ５ｍｍであり、距離Ｂで示す高さが１０ｍｍで、係数比Δ＝１．５％（Δ＝（ｎ_k−ｎ_clad）／ｎ_clad）である。図は正しい縮尺ではなく、例えば、出力ポート７０３〜７０６までの距離Ｃは、ほぼ１ｍｍである。

本発明の第１の好適な実施形態によるマルチモード干渉デバイスの概略図である。 図１に関する波長に対するインタフェースＢでのパワー分布を示す図である。 位相分布の例を示す図である。 位相分布の別の例を示す図である。 本発明の第２の好適な実施形態によるデバイスの概略図である。 本発明の第３の好適な実施形態によるデバイスの概略図である。 本発明の第４の好適な実施形態によるデバイスの概略図である。 本発明の実施形態による１×４スイッチの概略図である。

Claims (9)

1. 入力アクセス導波路（１０１；４０１）から第１の選択された出力アクセス導波路（１０１，１０２，１０３，１０４，１０５；４０１，４０２）への光信号の空間選択切り換え用のデバイスであって、
   複数のアクセス導波路に接続するため第１の面にＮ個のアクセス部を有するマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路（１０６；４０３；１０７）であって、前記ＭＭＩ導波路は、Ｎが１より大きい整数であるとき、光伝播方向に、前記ＭＭＩ導波路内に伝播するＮ以下のｉ番目のアクセス導波路でのイメージが、前記第１の面と対向する第２の面でＮ個の自己イメージを生成するような長さを有する、ＭＭＩ導波路と、
   前記ＭＭＩ導波路内の前記第２の面の近くに位置決めされ、前記Ｎ個の自己イメージを前記ＭＭＩ導波路の前記第１の面に向けて反射するように配置された反射手段（４０５；５０３；６０２）と、
   前記第２の面に入射光の伝播方向と直交する直線に配置されているＮ個の独立した移相器を用いて前記第１の選択された出力アクセス導波路に単一の自己イメージを生成するように、前記Ｎ個の自己イメージそれぞれの位相を調整する手段（１０９，１１０，１１１，１１２，１１３；４０４；５０１；６０１）と、を備え、
   前記反射手段が、前記Ｎ個の独立した移相器のそれぞれの光の伝播方向と対向する面上に配置され、
   前記Ｎ個の独立した移相器が、該Ｎ個の独立した移相器の位置を、前記ＭＭＩ導波路における光の伝播方向と平行な方向に調整する手段（５０４，５０５）を含むことを特徴とするデバイス。
2. 前記ＭＭＩ導波路にｉ番目のアクセス導波路で入る前記光信号に由来する、前記Ｎ個の自己イメージのそれぞれが、位相Ｐn,iを有し、該位相Ｐn,iは一つのセットＰiにおける前記第２の面での前記Ｎ個の自己イメージの位相分布を示し、
   前記自己イメージそれぞれの位相を調整する前記手段が、入力アクセス導波路ｉからの自己イメージの位相分布Ｐiを、選択された出力アクセス導波路ｊの位相分布Ｐjに一致させるように、前記第２の面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記移相器それぞれが、前記移相器の少なくとも一部の屈折率を調整する手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記屈折率が、温度を調整すること又は前記移相器の少なくとも一部に電圧を印加することによって調整されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記移相器の少なくとも一部が前記ＭＭＩ導波路における光の伝播方向と平行な方向に移動可能であり、前記位置を調整する手段が、前記移相器の前記少なくとも一部を前記光の伝播方向に移動させるように配置されたマイクロメカニカルデバイスであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
6. 前記ＭＭＩ導波路と前記移相器それぞれとの間に、屈折率整合手段（５０６）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
7. 前記移相器のそれぞれが、間に所定の分離距離（４０６）だけおいて並んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
8. 入力アクセス導波路から第１の選択された出力アクセス導波路への光信号の切り換えの方法であって、
   前記入力アクセス導波路と前記第１の出力アクセス導波路とを含む複数のアクセス導波路に接続するためのＮ個のアクセス部を前記第１の面に有するＭＭＩ導波路を用いて、Ｎが１より大きい整数であるとき、光伝播方向に、前記ＭＭＩ導波路内を伝播するＮ以下のｉ番目のアクセス導波路でのイメージにより第１の面と対向する第２の面にＮ個の自己イメージを生成する工程を有し、
   前記第２の面の近傍で、前記Ｎ個の自己イメージを前記ＭＭＩ導波路の前記第１の面に向けて反射する工程と、
   前記第２の面への入射光の伝播方向と直交する直線に配置されているＮ個の独立した移相器を用いて、前記第１の選択された出力アクセス導波路に単一の自己イメージを生成するように、前記Ｎ個の自己イメージそれぞれの位相を調整する工程と、
   前記Ｎ個の独立した移相器の位置を、前記ＭＭＩ導波路における光の伝播方向と平行な方向に調整する工程と
   を備えることを特徴とする方法。
9. 前記Ｎ個の独立した移相器の屈折率を調整する工程を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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