JP4636426B2

JP4636426B2 - 光信号交換装置

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Publication number: JP4636426B2
Application number: JP2004201224A
Authority: JP
Inventors: 守夫和田; 晋司飯尾; 雅幸末広; 眞一中島; 義之浅野; 剛八木原; 明三浦
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: US7343063B2; JP2006023517A; US20060013105A1

Description

本発明は、光通信システムや光通信用測定器に使用されるキャリア注入光導波路型光スイッチを内蔵し、光信号を高速に交換する光信号交換装置に関し、詳しくは、偏光依存性を低減した光信号交換装置に関するものである。

従来、半導体光導波路構造に電流注入領域を設け、電流（キャリア）を注入することにより屈折率を変化させて、２入力２出力の光スイッチを行なう光スイッチ素子が製作されている。このような光スイッチ素子は、キャリア注入光導波路型光スイッチと呼ばれる。

図５および図６は、従来のキャリア注入光導波路型光スイッチの一例を示す平面図および断面図である（例えば、非特許文献１参照）。図５において基板１は、”Ｘ字状”の光導波路２が形成される。電極３は、”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分に形成される。電極４は、”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の近傍であって電極３に並行して形成される。

一方、図６は図５中”Ａ−Ａ’”における断面図である。図６において、基板５はｐ型のＳｉ等である。コア層６はｐ型のＳｉＧｅ層であり、基板５上に形成される。そして、入射光の大部分は、このコア層６で導波され伝搬される。また、コア層６には”Ｘ字状”の光導波路２が形成される。コンタクト用のｎ^＋領域７は、光導波路２の交差部分に形成される。コンタクト用のｐ^＋領域８は、交差部分の近傍に形成される。

絶縁膜１１はＳｉＯ_２等であり、ｎ^＋領域７、ｐ^＋領域８の上を除くコア層６の上に形成される。ｎ側電極９は、ｎ^＋領域７の上に形成される。ｐ側電極１０は、ｐ^＋領域８の上に形成される。

続いて、図５、図６に示す従来例の動作を説明する。
光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極３（電極９）および電極４（電極１０）には電流が供給されない。このため、図５に示す”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、入射端Ｐｉから入射した光信号は交差部分を直進して出射端Ｐ１から出射される。

一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、ｐ側電極１０からｎ^＋領域７を通ってｎ側電極９に電流が流れる。つまり、電極３（電極９）から電子が注入され、電極４（電極１０）からは正孔が注入される。このため、交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。そして、ｎ^＋領域７側に近い光導波路のキャリア濃度が増加する。

このキャリア濃度の増加により図５に示す”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分の屈折率が低くなるように変化する。例えば、入射端Ｐｉから入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率の領域（光導波路２内のｎ^＋領域７側に近い領域）と屈折率変化がほとんどない領域（光導波路２内の残り半分の領域）との境で全反射されて出射端Ｐ２から出射される。

この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路２の交差部分（光スイッチ部）にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号が伝搬される伝送経路を切り換えることが可能になる。

従って、光導波路２内で、電流注入によってキャリア濃度が増加して屈折率変化が生じる領域と生じない領域との境を明確にして、光反射が生じるようにする方が効率よく光反射領域を生成できる。

また、キャリア濃度による屈折率変化はプラズマ分散効果あるいはバンドフィリング効果に基づいて生じることから（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照）、同じキャリア濃度の時には、キャリア（自由電子と自由正孔）の有効質量が小さい方が屈折率変化が大きくなる。このため、有効質量が小さい材料系を用いることにより、より低い電流注入量（電流密度）で大きい屈折率変化が生じ、低電流駆動の光スイッチを実現できる。

次に、キャリア（自由電子と自由正孔）の有効質量が小さい材料系（例えば、ＩｎＰ系材料）を用いた従来の光スイッチの断面図の一例を図７に示す（例えば、非特許文献４参照）。

図７において、基板１２はＩｎＰ等である。コア層１３は、例えば４元層のｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、基板１２の上に形成される。ｎ型のＩｎＰ層１４は、コア層１３の上に形成される。ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層１５は、ｎ型のＩｎＰ層１４の上に形成される。絶縁膜１６はＳｉＯ_２等であり、ＩｎＧａＡｓＰ層１５の上に形成される。ｐ側電極１７は、絶縁膜１６の上に形成され、ｎ側電極１８は、基板１２の裏面に形成される。

図７に示す光スイッチは、基板１２上にコア層１３、ＩｎＰ層１４およびＩｎＧａＡｓＰ層１５が順次形成され、コア層１３までエッチングすることによって”Ｘ字状”の光導波路が形成される。

そして、図７中”ＤＲ１１”に示す部分にはｐ型不純物が拡散される。そして、図７中”ＤＲ１１”に示す部分に接触するように電極１７が形成され、基板１２の裏面には電極１８が形成される。

図７に示す従来例においては、キャリア（自由電子と自由正孔）の有効質量が小さい材料系を用いることにより、より低い電流注入量（電流密度）で大きな屈折率変化が得られ、低電流駆動の光スイッチを実現することができる。

続いて、電流狭窄によって、屈折率変化領域を限定する構成の光スイッチを説明する。図８および図９は、交差部分の光導波路内にｐ型領域を設けて電流搾取を行い、高いキャリア濃度の領域を制限して屈折率変化領域を限定する従来の光スイッチの一例を示す平面図および断面図である（例えば、非特許文献５参照）。また、図４では、実際に光スイッチを光信号交換装置として使用する場合の構成で示している。

図８において半導体の基板１９は、”Ｘ字状”の光導波路２０が形成される。電極２１は、”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分に形成される。また、光信号は、入力光ファイバＦｉによって伝送され、集光レンズ系Ｌｉで光スイッチの入射端（例えば、Ｐｉ’）より入射される。また、光スイッチの出射端Ｐ１’、Ｐ２’から出射される光信号は、集光レンズ系Ｌｏで出力光ファイバＦｏに入射され、伝送される。なお、入力光ファイバＦｉ、出力光ファイバＦｏ共に、単一モード光ファイバである。

一方、図９は図８中”Ｂ−Ｂ’”における断面図である。図９において、基板２２は、例えば、ＩｎＰ等である。下部クラッド層２３は、例えば、ｎ型のＩｎＰ層であり、基板２２の上に形成される。コア層２４は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、下部クラッド層２３の上に形成される。上部クラッド層２５は、ｎ型のＩｎＰ層であり、コア層２４の上に形成される。コンタクト層２６は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層であり、上部クラッド層２５の上に形成される。

図９中”ＤＲ３１”〜”ＤＲ３３”に示す部分にはｐ型不純物であるＺｎが拡散される。酸化膜２７は、ＳｉＯ_２等であり、図９中”ＤＲ３３”に示す拡散領域以外のコンタクト層２６の上に形成される。ｐ側電極２８は、図９中”ＤＲ３３”に示す拡散領域上に形成される。ｎ側電極２９は、基板２２の裏面に形成される。

ここで、図８および図９に示す従来例の動作を説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極２１（電極２８）および図示しない基板１９裏面の電極（図９中の電極２９に相当する。）には電流が供給されない。

このため、”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、入力光ファイバＦｉ、集光レンズ系Ｌｉから入射端Ｐｉ’に入射した光信号は、交差部分を直進して出射端Ｐ１’に示す部分から出射され、集光レンズ系Ｌｏを経て出力光ファイバＦｉによって伝送される。

一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、電極２１（電極２８）および図示しない基板１９裏面の電極（電極２９）に電流が供給され交差部分にキャリア（電子、正孔）が注入される。

このため、プラズマ効果によって”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分の電極２１直下の屈折率が低くなるように変化するため、入射端Ｐｉ’から入射した光信号は交差部分に生じた低屈折率部分との境で全反射されて出射端Ｐ２’に示す部分から出射され、集光レンズ系Ｌｏを経て出力光ファイバＦｉによって伝送される。

この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路２０の交差部分（光スイッチ部）にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号が伝搬される伝送経路を切り換えることが可能になる。

Baujun Li, Guozheng Li, Enke Liu, Zuimin Jiang, Chengwen Pei and Xun Wang,「1.55μm reflerction-type optical waveguide switch based on SiGe/Si plasma dispersion effect」, Appl. Phys. Lett., Vol.75, No.1, pp.1-3, (1999) 応用物理学会, 光学懇話会編者, 「光集積回路−基礎と応用−」, 初版, 朝倉書店, 1988年4月10日, 第5章, p104 Baujun Li, and Soo-Jin Chua, 「2×2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy」, IEEE Photon. Tech. Lett. Vol.13, No.3, pp.206-208, 13(2001) Hiroaki Inoue, Hitoshi Nakamura, Kenichi Morosawa, Yoshimitsu Sasaki, Toshio Katsuyama, and Naoki Chinone, 「An 8mm Length Nonblocking 4×4 Optical Switch Array」, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.6, No.7, pp.1262-1266, (1988) K. Ishida, H. Nakamura, H. Matsumura, T. Kadoi, and H. Inoue,「InGaAsP/InP optical switches using carrier induced refractive index change」, Appl. Phys. Lett., Vol.50, No.19, pp.141-142, (1987)

図５、図８の従来例に示されるように、従来の光スイッチ素子は、光スイッチ部でのキャリア注入による屈折率変化で生じる反射を利用して光スイッチング動作を行う。そして、入射端Ｐｉ（または、入射端Ｐｉ’）から入射した光は、例えば、出射端Ｐ１から出射端Ｐ２（または、出射端Ｐ１’から出射端Ｐ２’）にスイッチングされる。また、図８に示すように、光信号交換装置は、光スイッチ素子単体に、集光レンズ系Ｌｉ、Ｌｏを通して光入出力の光ファイバＦｉ、Ｆｏが接続されて使用されることが前提とされる。従って、光スイッチ素子特性の改善が図られてきた。

しかしながら、このような構成で光信号交換装置を構成する場合、入射端Ｐｉ、Ｐｉ’から入射した光が透過側出射端Ｐ１、Ｐ１’、あるいは反射側出射端Ｐ２、Ｐ２’にスイッチングされる光パワー強度（各出力の消光比と挿入損失）が、入射光の偏光に依存してしまう。この偏光依存性は、光スイッチ素子の光導波路構造、光スイッチ部の構造、およびキャリア注入による屈折率変化領域の形状を含む素子構造が複雑に影響している。

また、出射端Ｐ１と出射端Ｐ２、出射端Ｐ１’と出射端Ｐ２’にスイッチングされる光パワー強度比も、光スイッチ部構造（屈折率変化領域、光導波路の交差角等）、光導波路幅等により変化し、透過側の光パワー強度が一般に大きくなってしまう。

これらの課題は、光信号交換装置が、従来から考えられている構成（光スイッチ素子単体と集光レンズ系Ｌｉ，Ｌｏに光入出力の光ファイバＦｉ、Ｆｏが接続された構成）を用いる限り、解決することが困難という問題があった。

特に、光信号交換装置に入射される光信号は、数十［ｍ］〜数［ｋｍ］あるいはそれ以上の長さの光ファイバで伝送される。そのため、光ファイバの敷設されている環境（例えば、圧力、温度、磁場等）変動により、伝送される光信号の偏光が時間的に変動する。従って、実際に光信号交換装置として用いる場合、従来例で示す光スイッチ素子を使用した光信号交換装置の構成では、入射光の偏光状態により、光スイッチ部で切り替えられた光出力強度が変化するという問題がある。

一方、偏光状態を保存する偏波面保存ファイバを用いて、光信号交換装置の偏光依存性に係る課題を回避する場合は、一般に偏波面保存ファイバーでは伝搬光が大きな偏波モード分散（ＰＭＤ：Polarization Mode Dispersion）の影響を受けるために光信号の波形が劣化し、［Ｇｂｐｓ］帯の光ビットレート・長距離伝送は困難であった。

そこで本発明の目的は、偏光依存性を低減した光信号交換装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
入力された光信号を、複数設けられる出力ポートのうち所望の出力ポートから出力する光信号交換装置において、
前記入力された光信号を、互いに９０度異なる第１、第２の偏光成分に分けて出力する分離素子と、
この分離素子からの光信号のうち、どちらか一方の光信号の偏光面を９０度回転させる第１の偏光面制御素子と、
前記分離素子からの他方の光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第１のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
前記第１の偏光面制御素子からの光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第２のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
前記第１のキャリア注入光導波路型光スイッチからの光信号の偏光面を９０度回転させる第２の偏光面制御素子と、
前記第２のキャリア注入光導波路型光スイッチと前記第２の偏光面制御素子とからの光信号を合わせ、前記出力ポートに出力するコンバイナと
を設け、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、複屈折性を有しない基板上に形成されることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、
入力された光信号を、複数設けられる出力ポートのうち所望の出力ポートから出力する光信号交換装置において、
前記入力された光信号を、互いに９０度異なる第１、第２の偏光成分に分けて出力する分離素子と、
この分離素子からの光信号のうち、どちらか一方の光信号の偏光面を９０度回転させる第１の偏光面制御素子と、
前記分離素子からの他方の光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第１のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
前記第１の偏光面制御素子からの光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第２のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
この第２のキャリア注入光導波路型光スイッチからの光信号の偏光面を９０度回転させる第２の偏光面制御素子と、
前記第１のキャリア注入光導波路型光スイッチと前記第２の偏光面制御素子とからの光信号を合わせ、前記所望の出力ポートに出力するコンバイナと
を設け、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、複屈折性を有しない基板上に形成されることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
分離素子は、光信号をＴＥ光とＴＭ光に分離することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
第１、第２の偏光面制御素子は、λ／２板であることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、経路の切り替えを相補的に行なうことを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、
第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチのそれぞれは、２本の光導波路が交差し、この交差部分に光スイッチ部が設けられ、
前記光スイッチ部は、キャリアが注入され光導波路の交差部分の屈折率変化によって前記光信号の伝搬される伝送経路を切り換え、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、同一の基板上に形成され、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、一方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入された場合、他方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入されず、他方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入された場合、一方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入されないことを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、
複数の入力ポートを有し、
第１の偏光面制御素子は、前記入力ポートごとに設けられることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜７によれば、分離素子によって分離された一方の偏光成分を、偏光面制御素子が、他方の偏光成分と同じ偏光面に変換する。そして、光スイッチを通った後、再度、直交する偏光成分に戻し、それぞれの光信号をコンバイナが合波して、所望の出力ポートに出力する。これにより、光スイッチを透過する偏光がどちらか一方の偏光成分に限定されるので、光スイッチ特性に偏光依存性がある場合でも、入射された信号光の偏光依存性が非常に低減した光信号交換装置にすることができる。これにより、実際の光ネットワーク、光演算機器、光測定器等で使用できるため、実用的な価値も非常に高くなる。

請求項１によれば、分離素子によって分離された光信号のそれぞれが、偏光面制御素子を同じ数（１回）だけ通るので、偏光面制御素子による影響（例えば、光パワーの損失等）を軽減することができる。

請求項５によれば、一方の光スイッチが、光導波路の経路を反射側の出射端へ切り替えている時は、同時に他方の光スイッチが、光導波路の経路を透過側の出射端へ切り替えている。従って、光スイッチングにおいて透過側と反射側の減衰量（挿入損失）の差があっても、２個の光スイッチが経路の切り替え動作を相補的に行なうので、減衰量の差が低減される。これにより結果的に、入力ポートから出力ポートへの光信号の減衰量の差が小さくなる。

請求項６によれば、２個の光スイッチが同一基板上近傍に形成され、相補的に動作（必ずどちらかの光スイッチにキャリア注入を行なう動作）するので、キャリア注入による発熱の影響を低減することができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図であり、２入力（入力ポートＰｉ１、Ｐｉ２）、２出力（出力ポートＰｏ１、Ｐｏ２）型の光信号交換装置の例である。図１において、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂは、分離素子であり、入力される光信号を、偏光面が互いに９０度異なる第１、第２の偏光成分（例えば、ＴＥ（transverse electric wave）光とＴＭ（transverse magnetic wave）光）に分離して出力する。また、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂのそれぞれは、入力ポートＰｉ１，Ｐｉ２ごとに設けられ、入力ポートＰｉ１，Ｐｉ２に接続される。

λ／２板３１ａ、３１ｂは、第１の偏光面制御素子であり、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂからのＴＭ光の偏光面を９０度回転させて、ＴＥ光に変換して出力する。

第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチ３２ａ、３２ｂは、例えば、図５〜図９に示す光スイッチ素子であり、同一基板上近傍に形成され、入射された光信号を、所望の出力ポートＰｏ１，Ｐｏ２側に経路を切り替えて出力する。

光スイッチ３２ａは、入射端Ｐｒｉ１、Ｐｔｉ１、出射端Ｐｒｏ１、Ｐｔｏ１を有し、入射端Ｐｒｉ１に偏光ビームスプリッタ３０ａからのＴＥ光が入射され、入射端Ｐｔｉ１に偏光ビームスプリッタ３０ｂからのＴＥ光が入射される。

光スイッチ３２ｂは、入射端Ｐｒｉ２、Ｐｔｉ２、出射端Ｐｒｏ２、Ｐｔｏ２を有し、入射端Ｐｒｉ２にλ／２板３１ａからのＴＥ光が入射され、入射端Ｐｔｉ２にλ／２板３１ｂからのＴＥ光が入射される。

λ／２板３３ａ、３３ｂのぞれぞれは、第２の偏光面制御素子であり、光スイッチ３２ａの出射端Ｐｒｏ１、Ｐｔｏ１それぞれからのＴＥ光の偏光面を９０度回転させて、ＴＭ光に変換して出力する。

光カプラ３４ａは、λ／２板３３ａと光スイッチ３２ｂの出射端Ｐｒｏ２とからの光信号を合波し、出力ポートＰｏ１に出力する。光カプラ３４ｂは、λ／２板３３ｂと光スイッチ３２ｂの出射端Ｐｔｏ２とからの光信号を合波し、出力ポートＰｏ２に出力する。なお、光カプラ３４ａ、３４ｂは、コンバイナである。

このような装置の動作を説明する。具体例として、入力ポートＰｉ１から光信号が入力される場合を説明する。入力ポートＰｉ１から入力された光信号は、偏光ビームスプリッタ３０ａで、ＴＥ光とＴＭ光とに分けられる。そして、ＴＭ光は、λ／２板３１ａでＴＥ光に変換される。

偏光ビームスプリッタ３０ａ、λ／２板３１ａそれぞれからのＴＥ光は、光スイッチ３２ａ、３２ｂを通り、光導波路が交差する光スイッチ部のスイッチ動作で、透過側（図１中、破線で示される光導波路を通る）となる出射端Ｐｔｏ１、Ｐｔｏ２、あるいは反射側（図１中、点線で示される光導波路を通る）となる出射端Ｐｒｏ１、Ｐｒｏ２に切り替えられて出力される。つまり、光スイッチ３２ａ、３２ｂは、同時に同じ経路切替の動作を行なう。例えば、出力ポートＰｏ１側に出力する場合は光スイッチ部を”ＯＮ”し、出力ポートＰｏ２側に出力する場合は光スイッチ部を”ＯＦＦ”する。

そして、出力ポートＰｏ１に出力する場合は、出射端Ｐｒｏ１からのＴＥ光が、λ／２板３３ａでＴＭ光に変換され、出射端Ｐｒｏ２からのＴＥ光と合波され、出力ポートＰｏ１から出力される。

または、出力ポートＰｏ２に出力する場合は、出射端Ｐｔｏ１からのＴＥ光が、λ／２板３３ｂでＴＭ光に変換され、出射端Ｐｔｏ２からのＴＥ光と合波され、出力ポートＰｏ２から出力される。

もちろん、入力ポートＰｉ２から入力された光信号に対しても同様に、光スイッチ３２ａ、３２ｂによって出力ポートＰｏ１あるいはＰｏ２への切替動作が可能である。

このように、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂによって分離されたＴＭ光を、λ／２板３１ａ、３１ｂが、ＴＥ光に変換する。そして、分離されたＴＥ光と変換されたＴＥ光とが、光スイッチ３２ａ、３２ｂを通る。さらに、光スイッチ３２ａを通過後に、変換の行なわれていないＴＥ光を、λ／２板３３ａ、３３ｂがＴＭ光に変換する。そして、ＴＥ光、ＴＭ光それぞれの光信号を光カプラ３４ａ、３４ｂが合わせて、所望の出力ポートＰｏ１，Ｐｏ２に出力する。これにより、光スイッチ３２ａ、３２ｂを透過する偏光がどちらか一方の偏光成分に限定されるので、光スイッチ特性に偏光依存性がある場合でも、入射された光信号の偏光依存性を非常に低減した光信号交換装置にすることができる。これにより、実際の光ネットワーク、光演算機器、光測定器等で使用できるため、実用的な価値も非常に高くなる。例えば、実際の光ファイバを用いたシステムにおいては、入力される光信号の偏光が変動するため、スイッチングされた光信号の出力の変動が低減される本装置の実用的価値は非常に高い。

また、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂによって分離されたＴＭ光、ＴＥ光のそれぞれが、λ／２板３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂを同じ数（１回）だけ通るので、λ／２板による影響（例えば、光パワーの損失等）を軽減することができる。

［第２の実施例］
図２は、本発明の第２の実施例を示した構成図であり、１入力（入力ポートＰｉ１）、２出力（出力ポートＰｏ１、Ｐｏ２）型の光信号交換装置の例である。図１に示す装置では、光スイッチ３２ａ、３２ｂを同時に”ＯＮ”または”ＯＦＦ”と動作する構成を示したが、相補的に動作する例を説明する。ここで、図１と同じものには同一符号を付し、説明を省略する。図２において、入力ポートＰｉ２、偏光ビームスプリッタ３０ｂ、λ／２板３１ｂが取り外される。

光スイッチ３２ａは、偏光ビームスプリッタ３０ａによって分けられたＴＥ光が、入射端Ｐｒｉ１の代わりに入射端Ｐｔｉ１に入射される。

このような装置の動作を説明する。
入力ポートＰｉ１から入力された光信号は、偏光ビームスプリッタ３０ａで、ＴＥ光とＴＭ光とに分けられる。そしてＴＭ光は、λ／２板３１ａでＴＥ光に変換される。そして、偏光ビームスプリッタ３０ａからのＴＥ光は、光スイッチ３２ａに入射され、λ／２板３１ａからのＴＥ光は、光スイッチ３２ｂに入射される。

ここで、出力ポートＰｏ１側に出力する場合、光スイッチ３２ａは、光スイッチ部が”ＯＦＦ”となり透過側（図２中、点線）となる出射端Ｐｒｏ１に切り替えられる。また、光スイッチ３２ｂは、光スイッチ部が”ＯＮ”となり反射側（図２中、点線）となる出射端Ｐｒｏ２に切り替えられる。

一方、出力ポートＰｏ２側に出力する場合、光スイッチ３２ａは、光スイッチ部が”ＯＮ”となり反射側（図２中、破線）となる出射端Ｐｔｏ１に切り替えられる。また、光スイッチ３２ｂは、光スイッチ部が”ＯＦＦ”となり透過側（図２中、破線）となる出射端Ｐｔｏ２に切り替えられる。

光スイッチ３２ａ、３２ｂから光信号が出射された後の動作は、図１に示す装置と同様なので説明を省略する。

このように、２個の光スイッチ３２ａ、３２ｂが相補的に動作する。つまり、一方の光スイッチが、光導波路の経路を反射側の出射端へ切り替えている時は、同時にもう一方の光スイッチが、光導波路の経路を透過側の出射端へ切り替えている。従って、光スイッチ３２ａ、３２ｂが光スイッチングにおいて、透過側と反射側の減衰量（挿入損失）の差がある場合に、２個の光スイッチ３２ａ、３２ｂが相補的に動作するので、この差が低減される。これにより結果的に、入力ポートＰｉ１から出力ポートＰｏ１、Ｐｏ２への光信号の減衰量の差が小さくなる。

また、２個の光スイッチ３２ａ、３２ｂが同一基板上近傍に形成され、相補的に動作（必ずどちらかの光スイッチにキャリア注入を行なう動作）することから、キャリア注入による発熱の影響を低減することができる。

［第３の実施例］
図３は、本発明の第３の実施例を示した構成図であり、図２に示す装置を２入力（入力ポートＰｉ１、Ｐｉ２）、２出力（出力ポートＰｏ１、Ｐｏ２）型の光信号交換装置に適用した例である。図３において、図１に示すのと同様の入力ポートＰｉ２、偏光ビームスプリッタ３０ｂ、λ／２板３１ｂが設けられる。

偏光ビームスプリッタ３０ｂは、入力側が入力ポートＰｉ２に接続され、入力される光信号をＴＥ光とＴＭ光に分離し、ＴＥ光を光スイッチ３２ａの入射端Ｐｒｉ１に出力する。λ／２板３１ｂは、偏光ビームスプリッタ３０ｂからのＴＭ光をＴＥ光に変換し、光スイッチ３２ｂの入射端Ｐｔｉ２に出力する。

つまり、図３に示す装置は、図１に示す装置に対して、光スイッチ３２ａの入射端Ｐｒｉ１、Ｐｔｉ１と偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂとの接続が入れ替わっている。

このような装置の動作を説明する。入力ポートＰｉ１から光信号が入力される場合の動作は、図２に示す装置度同様なので説明を省略する。
入力ポートＰｉ２から入力された光信号は、偏光ビームスプリッタ３０ｂで、ＴＥ光とＴＭ光とに分けられる。そしてＴＭ光は、λ／２板３１ｂでＴＥ光に変換される。偏光ビームスプリッタ３０からのＴＥ光は、光スイッチ３２ａに入射され、λ／２板３１ｂからのＴＥ光は、光スイッチ３２ｂに入射される。

ここで、出力ポートＰｏ１側に出力する場合、光スイッチ３２ａは、光スイッチ部が”ＯＮ”となり反射側（図３中、点線）となる出射端Ｐｒｏ１に切り替えられる。また、光スイッチ３２ｂは、光スイッチ部が”ＯＦＦ”となり透過側（図３中、点線）となる出射端Ｐｒｏ２に切り替えられる。

一方、出力ポートＰｏ２側に出力する場合、光スイッチ３２ａは、光スイッチ部が”ＯＦＦ”となり透過側（図３中、破線）となる出射端Ｐｔｏ１に切り替えられる。また、光スイッチ３２ｂは、光スイッチ部が”ＯＮ”となり反射側（図３中、破線）となる出射端Ｐｔｏ２に切り替えられる。

このように、どちらの入力ポートＰｉ１、Ｐｉ２に光信号が入力されても、２個の光スイッチ３２ａ、３２ｂが相補的に動作する。つまり、一方の光スイッチが、光導波路の経路を反射側の出射端へ切り替えている時は、同時にもう一方の光スイッチが、光導波路の経路を透過側の出射端へ切り替えている。従って、光スイッチ３２ａ、３２ｂが光スイッチングにおいて、透過側と反射側の減衰量（挿入損失）の差がある場合に、２個の光スイッチ３２ａ、３２ｂが相補的に動作するので、この差が低減される。これにより結果的に、入力ポートＰｉ１から出力ポートＰｏ１、Ｐｏ２への光信号の減衰量の差が小さくなる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
λ／２板３１ａ、３１ｂが、ＴＭ光をＴＥ光に変換し、光スイッチ３２ａ、３２ｂにはＴＥ光のみが入射される構成を示したが、ＴＥ光をＴＭ光に変換し、光スイッチ３２ａ、３２ｂにはＴＭ光のみが入射される構成としてもよい。もちろん、光スイッチ３２ｂを透過後にＴＭ光をＴＥ光に変換する。図１を例に説明する。図１において、λ／２板３１ａ、３１ｂのそれぞれは、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂからのＴＥ光をＴＭ光に変換し、光スイッチ３２ａに出力する。そして、λ／２板３３ａ、３３ｂのそれぞれは、光スイッチ３２ｂからのＴＭ光をＴＥ光に変換して、光カプラ３４ａ、３４ｂに出力する。

また、偏光ビームスプリッタ３０ａ、３０ｂによって分離されたＴＥ光、ＴＭ光のそれぞれを１回ずつ各λ／２板３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂに通し、偏光面を変換する構成を示したが、ＴＥ光（またはＴＭ光）のみを２回変換してもよい。図４は、本発明の第４の実施例を示した構成図である。ここで、図２と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図４において、λ／２板３３ａ、３３ｂのそれぞれが、光スイッチ３２ａの後段でなく、光スイッチ３２ｂの後段に設けられる。そして、光スイッチ３２ｂからのＴＥ光（既に一回変換されている）をＴＭ光に変換し、光カプラ３４ａ、３４ｂに出力する。

また、図１に示す装置において、２入力２出力型とする光信号交換装置の構成を示したが、入出力数は何個でもよい。

さらに、図１〜図４に示す装置において、光スイッチ３２ａ、３２ｂを同一の基板上近傍に形成する構成を示したが、別々の基板上に形成してもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。本発明の第２の実施例を示した構成図である。本発明の第３の実施例を示した構成図である。本発明の第４の実施例を示した構成図である。従来の光スイッチの一例を示す平面図である。従来の光スイッチの一例を示す断面図である。キャリアの有効質量が小さい材料系を用いた従来の光スイッチの一例を示す断面図である。電流狭窄によって、屈折率変化領域を限定する従来の光スイッチを従来の光信号交換装置に用いた一例を示す平面図である。電流狭窄によって、屈折率変化領域を限定する従来の光スイッチの一例を示す断面図である。

符号の説明

３０ａ、３０ｂ偏光ビームスプリッタ
３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ λ／２板
３２ａ、３２ｂキャリア注入光導波路型光スイッチ
３４ａ、３４ｂ光カプラ
Ｐｉ１、Ｐｉ２入力ポート
Ｐｏ１、Ｐｏ２出力ポート

Claims

入力された光信号を、複数設けられる出力ポートのうち所望の出力ポートから出力する光信号交換装置において、
前記入力された光信号を、互いに９０度異なる第１、第２の偏光成分に分けて出力する分離素子と、
この分離素子からの光信号のうち、どちらか一方の光信号の偏光面を９０度回転させる第１の偏光面制御素子と、
前記分離素子からの他方の光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第１のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
前記第１の偏光面制御素子からの光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第２のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
前記第１のキャリア注入光導波路型光スイッチからの光信号の偏光面を９０度回転させる第２の偏光面制御素子と、
前記第２のキャリア注入光導波路型光スイッチと前記第２の偏光面制御素子とからの光信号を合わせ、前記出力ポートに出力するコンバイナと
を設け、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、複屈折性を有しない基板上に形成されることを特徴とする光信号交換装置。
入力された光信号を、複数設けられる出力ポートのうち所望の出力ポートから出力する光信号交換装置において、
前記入力された光信号を、互いに９０度異なる第１、第２の偏光成分に分けて出力する分離素子と、
この分離素子からの光信号のうち、どちらか一方の光信号の偏光面を９０度回転させる第１の偏光面制御素子と、
前記分離素子からの他方の光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第１のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
前記第１の偏光面制御素子からの光信号を、前記所望の出力ポート側に経路を切り替えて出力する第２のキャリア注入光導波路型光スイッチと、
この第２のキャリア注入光導波路型光スイッチからの光信号の偏光面を９０度回転させる第２の偏光面制御素子と、
前記第１のキャリア注入光導波路型光スイッチと前記第２の偏光面制御素子とからの光信号を合わせ、前記所望の出力ポートに出力するコンバイナと
を設け、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、複屈折性を有しない基板上に形成されることを特徴とする光信号交換装置。
分離素子は、光信号をＴＥ光とＴＭ光に分離することを特徴とする請求項１または２記載の光信号交換装置。
第１、第２の偏光面制御素子は、λ／２板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光信号交換装置。
第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、経路の切り替えを相補的に行なうことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光信号交換装置。
第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチのそれぞれは、２本の光導波路が交差し、この交差部分に光スイッチ部が設けられ、
前記光スイッチ部は、キャリアが注入され光導波路の交差部分の屈折率変化によって前記光信号の伝搬される伝送経路を切り換え、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、同一の基板上に形成され、
前記第１、第２のキャリア注入光導波路型光スイッチは、一方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入された場合、他方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入されず、他方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入された場合、一方のキャリア注入光導波路型光スイッチにキャリアが注入されないことを特徴とする請求項５記載の光信号交換装置。
複数の入力ポートを有し、
第１の偏光面制御素子は、前記入力ポートごとに設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光信号交換装置。