JP4588208B2

JP4588208B2 - 熱光学効果型光スイッチおよびそれを用いた波長多重化装置

Info

Publication number: JP4588208B2
Application number: JP2000396798A
Authority: JP
Inventors: 大吾藤田; 健佐久間; 紫文石川; 利貞関口; 英行細谷
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002196378A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光通信網において光アドドロップを行うのに好適な熱光学効果型光スイッチおよびそれを用いた波長多重化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代光通信網においては、クロスコネクト技術がキーテクノロジーの一つとして挙げられる。このクロスコネクト技術には光スイッチが用いられ、様々な形態の光スイッチが考案されている。例えば、熱光学効果を利用した光スイッチが挙げられる。熱光学効果とは熱による屈折率の変化のことをいい、熱光学効果型光スイッチはこの熱光学効果を利用して光の分岐を行うものであり、金属薄膜ヒータに通電することにより光の出力ポートを切り替えられるデバイスである。
【０００３】
従来の熱光学効果型光スイッチの一例について図４および図５を参照しながら説明する。この熱光学効果型光スイッチは、光導波路であるコア２と、コアよりも屈折率が低いクラッド層３と、光導波路の分岐方向切り替え用ヒータ４ａ、４ｂと、入射ポート８ａ、８ｂと、出射ポート９ａ、９ｂとを有している。
コア２は光の導波路となるものであり、断面の一辺が５〜１０μｍの四角形である。さらに、この熱光学効果型光スイッチにおいては図５に示すような１つのコア２ａが途中でコア２ｂとコア２ｃの２つに分岐しているＹ型分岐コアが形成されている。このＹ型分岐コアは直線部１０ａと分岐部１０ｂと分離部１０ｃとから構成されている。
なお、Ｙ型分岐コアは、コアが物理的に連続的に形成されているもののみならず、コアが物理的には途中で分断されているが、光が連続的に伝搬する構成のものであってもよい。
【０００４】
コア２に用いられる材料は、熱光学効果が大きいプラスチックが用いられ、例えばフッ素化ポリイミド樹脂などのポリイミド系樹脂、シリコーン樹脂、フッ素化ポリメタクリレートなどのメタクリル系樹脂などが挙げられる。これらは、熱光学効果を示す屈折率の温度係数が石英ガラスなどのガラス材料と比較して一桁大きく、コア２に適した材料である。
クラッド層３は、基板上にコア２の周囲を囲うように形成されているものであり、厚さは数十μｍである。クラッド層３の材料は、コア２の材料として例示したものと同様のプラスチックなどを用いることができるが、コア２よりも屈折率が低くなければならない。
【０００５】
分岐方向切り替え用ヒータ４は、金、チタン、アルミニウム、クロムなどの薄膜からなる線状のヒータである。この分岐方向切り替え用ヒータ４ａおよび４ｂは光が分岐されるＹ型分岐コアの直線部１０ａのコア２ａから分離部１０ｃのコア２ｂおよび２ｃに沿って設けられている。また、分岐方向切り替え用ヒータ４は、クラッド層３の上に設けられている。これら分岐方向切り替え用ヒータ４ａ、４ｂの両端部には、長方形状の電極パッド６ａ、６ｂが設けられており、これらにはそれぞれ外部電極が接続されている。
分岐方向の制御は、例えば、分岐方向切り替え用ヒータ４ａを加熱すると、加熱された側のコア２ｂの屈折率が下がり、もう一方のコア２ｃに光が集中することを利用している。
すなわち、分岐方向切り替え用ヒータ４ａを加熱すると光はコア２ｃに導波され、分岐方向切り替え用ヒータ４ｂを加熱すると光はコア２ｂに導波される。
【０００６】
また、２×２光スイッチは図６に示されるような信号光のアドドロップを行う波長多重化装置に利用される。この波長多重化装置は、２×２光スイッチ３１と、波長分波器３２と、波長合波器３３と、可変光減衰器３４とを有している。
この波長多重化装置に図４の光スイッチを利用した場合には、当該波長チャネルの光信号について、光スイッチをバー状態に設定した時には幹線系の光信号はそのまま通過（スルー）し、光スイッチをクロス状態に設定したときには幹線系の光信号が分波（ドロップ）されるとともに、別の光信号が合波（アド）される。
すなわち、バー状態では、波長分波器３２によって分波された当該波長λn の幹線系光信号は入射ポート８ａから入射し、出射ポート９ａから出射されて、可変光減衰器３４で光強度調整されてから波長合波器３３で合波される。クロス状態では、波長分波器３２によって分波された当該波長λn の幹線系光信号は入射ポート８ａから入射し、出射ポート９ｂから出射されることにより、ドロップされる。一方、アドされる信号は入射ポート８ｂから入射し、出射ポート９ａから出射されて、可変光減衰器３４で光強度調整されてから波長合波器３３で合波される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
波長多重光信号の各チャネルの光強度は、光ファイバアンプの増幅利得の波長依存性、光部品や接続部の損失のばらつき、合波（アド）された信号のみ光強度が異なることなどの原因によって、ばらつきが生じる。光ファイバアンプの増幅利得の波長依存性については、利得等化器により解消を図る場合もある。
エルビウムドープ光ファイバアンプなどのアンプを用いて信号光を増幅する場合には、波長多重光信号のチャネル間に光強度のばらつきがないようにレベルをそろえないと、複数回増幅する過程でこれらチャネル間の光強度の差もまた増幅され、問題となる。そのため、各波長の信号光強度のレベルをそろえるために、可変減衰器３４が用いられていた。
【０００８】
この可変光減衰器３４は、波長多重化装置においては各波長の数だけ必要となる。しかしながら、可変光減衰器３４は一個あたりの単価が高いため、波長多重化装置のコストが高くなってしまうという問題があった。
また、波長多重化装置に可変光減衰器３４を設置する分だけ、光ファイバの接続点の数が多くなるが、接続点の数が多ければ、光損失の原因となる上に、可変光減衰器３４を設置するための作業工数も多くなる。
また、可変光減衰器３４およびその付帯の部品を設置する分の実装スペースが必要であり、波長多重化装置を大きくしなければならなかった。
そこで、本発明は前記課題を解決するために行われたものであり、波長多重化装置の小型化を安価に行うことのできる可変光減衰機能を有する熱光学効果型光スイッチおよびそれを用いた波長多重化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本願請求項１記載の熱光学効果型光スイッチは、第一入射ポート及び第二入射ポートからなる入射ポートと第一出射ポート及び第二出射ポートからなる出射ポートとを有し、前記第一入射ポートには一つのコアが一方及び他方の二つのコアに分岐している第１のＹ型分岐コアが接続され、前記第二入射ポートには一つのコアが一方及び他方の二つのコアに分岐している第２のＹ型分岐コアが接続され、前記第１のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアと前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアとが第３のＹ型分岐コアを介して合流し第一出射ポートに接続され、前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアと前記第２のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアとが第４のＹ型分岐コアを介して合流し第二出射ポートに接続され、前記四つのＹ型分岐コアのそれぞれに沿って光をスイッチングするための分岐方向切り替え用ヒータが設けられている熱光効果型光スイッチであって、
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路と、前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路と、前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路と、前記第２のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路とから構成される４つの経路においてコアを加熱し、前記４つの経路を通る光を減衰させる光減衰用ヒータが配置されているものである。
また、本願請求項２記載の熱光学効果型光スイッチは、前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路と、前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路とはコアが交差しており、前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路に配置された光減衰用ヒータと、前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路に配置された光減衰用ヒータとは、コア交差部近傍を避けるようにそれぞれ２つに分割されて配置されていることが好ましい。
また、本願請求項３記載の波長多重化装置は前記熱光学効果型光スイッチを有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の熱光学効果型光スイッチの一実施形態を図１および図２を参照しながら説明する。この熱光学効果型光スイッチは、シリコン製の基板１上に、光導波路であるコア２と、コア２よりも屈折率が低いクラッド層３と、光導波路の分岐方向切り替え用ヒータ４と、光減衰用ヒータ５とが形成されている。また、本実施形態の熱光学効果型光スイッチは、第一入射ポート８ａ、第二入射ポート８ｂの２つの入射ポートと、第一出射ポート９ａ，第二出射ポート９ｂの２つの出射ポートとが設けられている２×２の熱光学効果型光スイッチである。この２×２熱光学効果型光スイッチの第一入射ポート８ａは波長分波器に接続されるものであり、第二入射ポート８ｂはアドする光を入射するためのものである。また、第一出射ポート９ａは波長合波器に接続されるものであり、第二出射ポート９ｂはドロップする光を出射するためものである。
【００１１】
本発明において、コア２と、クラッド層３と、分岐方向切り替え用ヒータ４は従来の熱光学効果型光スイッチと同様のものを用いている。このため、本発明の特徴とするところは、従来の熱光学効果型光スイッチに光減衰用ヒータ５が設けられた点にある。
【００１２】
本実施形態における光減衰用ヒータ５は、Ｙ型分岐コアの光の進行方向側の先に形成されているコア２ｄ、２ｆ、２ｇ、２ｈに沿って設けられている。この光減衰用ヒータ５によりコア２を加熱すると、コア２の屈折率が変化し、コア２を通る光がクラッド層３に分散して減衰する。
また、光減衰用ヒータ５は、図２に示されるようにクラッド層３の上に設けられた、厚さが約１μｍの金の薄膜からなる線状のヒータである。金以外にも、チタン、アルミニウム、クロムなどの導電体薄膜を用いることができる。ただし、分岐方向切り替え用ヒータ４と同じ材料を用いることにより、分岐方向切り替え用ヒータ４と光減衰用ヒータ５とを同時に形成させることができるため、そのようにするのが好ましい。
これら光減衰用ヒータ５の両端部には、長方形状の電極パッド７ａ、７ｂが設けられており、これらにはそれぞれ外部電極が接続されている。
この光減衰用ヒータ５は、通電量を変えることにより、コアへの加熱量を変えることができる。したがって、減衰量を可変にすることができる。
【００１３】
本実施形態の熱光学効果型光スイッチの形成方法は、以下のような一例により行われる。
シリコン製の基板１の上面に、スピンコート法により下部クラッド層を形成し、その上面全体にコア２の厚さに相当するコア層を形成させる。そして、このコア層を、コア２のパターンに沿ってリアクティブイオンエッチングなどによって加工し、コア２を形成させる。そして、さらにスピンコート法などにより、これら下部クラッド層とコア２の上に上部クラッド層を形成させ、下部クラッド層と上部クラッド層とが一体化したクラッド層３を完成させる。
【００１４】
ついで、このクラッド層３の上に蒸着法などによって、金、チタン、アルミニウム、クロム等からなる導電体薄膜を形成させる。そして、ホトリソグラフィーにより分岐方向切り替え用ヒータ４と光減衰用ヒータ５のパターンをマスクした後に、導電体薄膜をエッチングして、分岐方向切り替え用ヒータ４と光減衰用ヒータ５とを完成させる。
この形成方法は、従来の熱光学効果型光スイッチの形成方法において、ホトリソグラフィー用露光マスクを光減衰用ヒータ５のパターンが追加された露光マスクに変更するだけよく、工程には何の追加、変更がない。したがって、極めて簡単かつ低コストで、光減衰用ヒータ５を有する熱光学効果型光スイッチを得ることができる。
【００１５】
次に、本実施形態の熱光学効果型光スイッチの使用方法について説明する。第一入射ポート８ａからの入力光を第一出射ポート９ａに導波する場合は、分岐方向切り替え用ヒータ４ａと４ｅを通電、加熱し、光をコア２ｃに導波させ、コア２ｄを経て、第一出射ポート９ａに導波させる。光減衰用ヒータ５ａは通電されており、コア２ｄを加熱しているが、必要な分だけ光を減衰させるよう通電量を調整してコア２ｄの加熱量を制御する。この時、第二入射ポート８ｂからの入力光が第一出射ポート９ａに影響することのないよう、ヒータ４ｄと４ｈとを加熱し、第二入射ポート８ｂからの入力光は第二出射ポート９ｂに導波する。さらに、光減衰用ヒータ５ｂと５ｃとを十分加熱することにより、第二入射ポート８ｂから第一出射ポート９ａに漏れる光をコア２ｆにおいてより減衰させることも可能である。
【００１６】
第一入射ポート８ａからの入力光を第二出射ポート９ｂに導波させて分波（ドロップ）し、あるいは第二入射ポート８ｂからの入力光を第一出射ポート９ａに導波させて合波（アド）する場合には、分岐方向切り替え用ヒータ４ｂと４ｆと４ｃと４ｇとを通電、加熱する。光減衰用ヒータ５ｂと５ｃとは通電されており、コア２ｆを加熱しているが、必要な分だけ光を減衰させるよう通電量を調整してコア２ｆの加熱量を調整する。一般には、ドロップされる信号の光強度の調整は必要ないと考えられるが、もしその必要がある場合には、同様にして光減衰用ヒータ５ｄと５ｅとについて必要な分だけ光を減衰させるよう通電量を調整して、コア２ｇの加熱量を調整する。この時、光減衰用ヒータ５ａを十分加熱することにより、第一入射ポート８ａから第一出射ポート９ａに漏れる光をコア２ｄにおいて、より減衰させることが可能である。同様に、光減衰用ヒータ５ｆを十分加熱することにより、第二入射ポート８ｂから第二出射ポート９ｂに漏れる光をコア２ｈにおいて、より減衰させることが可能である。
【００１７】
また、不慮の事故あるいは定期的な保守作業のために、予備回線などへの光ファイバケーブル線路の切り替えを行う場合には、光伝送路またはシステムの変更による信号光強度の変動が生じるが、本発明の熱光学効果型光スイッチは可変光減衰機能を有しているので即座に対応ができる。
さらに、光導波路やデバイスの経年劣化や使用環境の変動に由来する損失が増加した場合においても、本発明の熱光学効果型光スイッチは減衰量を制御できるので、損失分だけ減衰量を減らすことが容易である。
【００１８】
本実施形態の熱光学効果型光スイッチを波長多重化装置に使用した一例を図３に示す。この波長多重化装置は、２×２熱光学効果型光スイッチ１１と、波長分波器１２と、波長合波器１３とを有している。２×２熱光学効果型光スイッチ１１は各波長毎に設けられており、これら２×２熱光学効果型光スイッチは可変光減衰ヒータ５による光減衰機能を有している。したがって、各波長毎の信号光の強度を調節できるので、熱光学効果型光スイッチを出た後の信号光強度を均一化することができる。
これにより、従来の波長多重化装置では必要であった各波長毎の可変光減衰器を設ける必要がなくなるため、その実装スペースを省略することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の熱光学効果型光スイッチは、入射ポートと出射ポートとを有し、前記入射ポートには一つのコアが複数のコアに分岐している分岐コアが接続され、かつ分岐した複数のコアのそれぞれに光をスイッチングするための分岐方向切り替え用ヒータが前記分岐コアに沿って設けられている熱光学効果型光スイッチであって、光が通る分岐コア以外のコアを加熱してここを通る光を減衰させる光減衰用ヒータが設けられているものである。このため、可変光減衰器の設置に要した接続点の数が減るので、光損失を少なくできる上に、可変光減衰器の部品の費用および設置の作業工数を減らすことができる。
さらに、光を導波しないポートの方に漏れだした光も光減衰用ヒータにより減衰させることができるので、ノイズの低減が容易であり、消光比を向上させることができる。
また、前記分岐コアは、一つのコアが二つのコアに分岐しているＹ型分岐コアであり、分岐した二つのコアの少なくともいずれか一方に光をスイッチングするための分岐方向切り替え用ヒータが前記Ｙ型分岐コアに沿って設けられていることにより、２×２光スイッチの光損失を少なくできる上に、消光比を向上させることができる。
また、本発明の波長多重化装置は前記熱光学効果型光スイッチを有するものである。これにより、熱光学効果型光スイッチと可変光減衰器を各波長毎に別に設ける必要がなくなるので、波長多重化装置の実装スペースを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱光学効果型光スイッチの一実施形態を示す上面図である。
【図２】本発明の熱光学効果型光スイッチのII−II線断面図である。
【図３】本発明の波長多重化装置の一実施形態を示す模式図である。
【図４】従来の熱光学効果型光スイッチの一実施形態を示す上面図である。
【図５】従来の熱光学効果型光スイッチにおけるＹ型分岐コアの一例を示す上面図である。
【図６】従来の波長多重化装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
２・・・コア、４・・・分岐方向切り替え用ヒータ、５・・・光減衰用ヒータ、８・・・入射ポート、９・・・出射ポート

Claims

第一入射ポート及び第二入射ポートからなる入射ポートと第一出射ポート及び第二出射ポートからなる出射ポートとを有し、
前記第一入射ポートには一つのコアが一方及び他方の二つのコアに分岐している第１のＹ型分岐コアが接続され、
前記第二入射ポートには一つのコアが一方及び他方の二つのコアに分岐している第２のＹ型分岐コアが接続され、
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアと前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアとが第３のＹ型分岐コアを介して合流し第一出射ポートに接続され、
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアと前記第２のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアとが第４のＹ型分岐コアを介して合流し第二出射ポートに接続され、
前記四つのＹ型分岐コアのそれぞれに沿って光をスイッチングするための分岐方向切り替え用ヒータが設けられている熱光効果型光スイッチであって、
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路と、
前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路と、
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路と、
前記第２のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路とから構成される４つの経路においてコアを加熱し、前記４つの経路を通る光を減衰させる光減衰用ヒータが配置されていることを特徴とする熱光学効果型光スイッチ。
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路と、
前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路とはコアが交差しており、
前記第１のＹ型分岐コアから分岐した他方のコアが前記第４のＹ型分岐コアに接続される経路に配置された光減衰用ヒータと、
前記第２のＹ型分岐コアから分岐した一方のコアが前記第３のＹ型分岐コアに接続される経路に配置された光減衰用ヒータとは、コア交差部近傍を避けるようにそれぞれ２つに分割されて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱光学効果型光スイッチ。
請求項１または２に記載の熱光学効果型光スイッチを有することを特徴とする波長多重化装置。