JP5324489B2 - 光スイッチ及び波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、光スイッチ及び波長選択スイッチに関し、より詳細には、光ファイバ通信等において使用される光スイッチ及び波長選択スイッチに関する。

平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）上に方向性結合器及び熱光学位相シフタを配置した光スイッチ、また、ＰＬＣ上に方向性結合器、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）及び熱光学位相シフタを配置した波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）が知られている（特許文献１参照）。

図１に、従来の１入力４出力の光スイッチの概略図を示す。図１に示す従来の光スイッチは、ＰＬＣ上に形成され、入力分岐部１、位相シフタ部２及び出力合分岐部３から構成される。入力分岐部１は、外部入力ポート１１を構成する入力部入力導波路１０１と、入力部入力導波路１０１に接続され、１×２光分岐器である第１段方向性結合器１１１と、第１段方向性結合器１１１に接続導波路１２１、１２２を介して接続された１×２光分岐器である第２段方向性結合器１３１、１３２とを有している。入力分岐部１では、入力部入力導波路１０１に入力された光波は、第１段及び第２段方向性結合器１１１、１３１、１３２によって、４本の入力部出力導波路１６１〜１６４に分岐される。方向性結合器の結合率がいずれも５０％である場合には、入力部出力導波路１６１〜１６４から等パワーの光波が出力されることになる。

位相シフタ部２は４本の位相シフタ導波路２０１〜２０４と、それらの上部に配置された薄膜ヒータ２１１〜２１４とを有している。入力分岐部１の４本の出力導波路１６１〜１６４は、それぞれ位相シフタ導波路２０１〜２０４に接続される。ここでは、位相変調手段として、薄膜ヒータ２１１〜２１４を用いることで、熱光学効果による位相変調器を構成している。

出力合分岐部３は、４本の出力部入力導波路３０１〜３０４を有し、それらは位相シフタ部２の位相シフタ導波路２０１〜２０４に接続される。出力部入力導波路３０１、３０２は、２×２光合分岐器である第３段方向性結合器３１１の２つの入力に接続され、出力部入力導波路３０３、３０４は、第３段方向性結合器３１２の２つの入力に接続される。第３段方向性結合器３１１、３１２それぞれの一方の出力は、接続導波路３２１、３２３を介して２×２光合分岐器である第４段方向性結合器３３１の２つの入力に接続される。また、第３段方向性結合器３１１、３１２それぞれの他方の出力は、接続導波路３２２、３２４を介して２×２光合分岐器である第４段方向性結合器３３２の２つの入力に接続される。最後に、第４段方向性結合器３３１、３３２は、出力部出力光導波路３４１〜３４４に接続される。

上記構成の出力合分岐部３では、出力部入力導波路３０１〜３０４のうち任意の１本に入力された光波は、第３段方向性結合器３１１、３１２と、接続導波路３２１〜３２４と、第４段方向性結合器３３１、３３２とにより、４本の出力部出力導波路３６１〜３６４に分岐される。出力部出力導波路３６１〜３６４は、光スイッチの４つの外部出力ポート３１〜３４を構成している。

ここで、第２段方向性結合器１３１と第３段方向性結合器３１１を結ぶ経路、及び第２段方向性結合器１３２と第３段方向性結合器３１２を結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。また、第１段方向性結合器１１１から第４段方向性結合器３３１、３３２を結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。すなわち、本光スイッチでは、入力分岐部１を構成する方向性結合器のいずれかと出力合分岐部３を構成する方向性結合器のいずれかを２つの合分岐器としてマッハ‐ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を構成した場合、その２つのアームの光路長差が全て零になるように設定されている。

尚、上記の説明では、１×２もしくは２×２の単位光合分岐器として方向性結合器を用いた場合を述べたが、方向性結合器の代わりに多モード干渉光カプラを用いた場合でも、同様の光スイッチを構成することができる。

また、出力光合分岐部３の接続導波路３２２、３２３は交差部を１個有しているが、ＭＺＩの２つのアーム間で光パワーが不均等になってしまうことを避けるために、接続導波路３２１、３２４にもダミー交差部が各１個挿入される。

次に、図１に示す従来の光スイッチの動作を説明する。入力部入力導波路１０１に入力された光波は、入力分岐部１により分岐され、位相シフタ導波路２０１〜２０４を伝搬する。薄膜ヒータ２１１、２１２に適切な電力を印加し、第３段方向性結合器３１１における各光波の位相状態を調節することで、第３段方向性結合器３１１からの出力を接続導波路３２１、３２２のいずれかに切替えることができる。また、薄膜ヒータ２１３、２１４に適切な電力を印加し、第３段方向性結合器３１２における各光波の位相状態を調節することで、第３段方向性結合器３１２からの出力を接続導波路３２３、３２４のいずれかに切替えることができる。

さらに、薄膜ヒータ２１１、２１２が与える位相差、及び薄膜ヒータ２１３、２１４が与える位相差を保ったまま、薄膜ヒータ２１１、２１２と薄膜ヒータ２１３、２１４とが与える位相差を適切に調節することで、第４段方向性結合器３３１、３３２からの出力を出力部出力導波路３６１〜３６４のいずれかに設定することができる。

表１は、外部入力ポート１１へ入射された光波を各外部出力ポート３１〜３４に出力するために、各薄膜ヒータ２１１〜２１４において光波に与える位相の関係を示す表である。例えば、外部出力ポート３１へ光波を出力するためには、薄膜ヒータ２１１〜２１４にそれぞれ、π／２、π／２、０、πの位相シフトを生じさせる電力を印加すればよい。

特開2004-233619号公報

しかしながら、図１に示したような従来の光スイッチでは、高い消光比を得ることができないという問題があった。これは、光分岐部および光合分岐部を構成する方向性結合器もしくは多モード干渉光カプラの結合率が、製造誤差のため５０％からずれたときに、遮断すべき出力ポートに漏れ光が出力され、クロストークが生じるためである。

例えば、図１の従来の光スイッチにおいて、外部出力ポート３１から光が出射するように設定した場合、隣接の外部出力ポート３２は、第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３１とで構成されるＭＺＩにおける光の位相状態のみで遮断されている。このとき、外部出力ポート３２はＭＺＩのクロスポートに相当し、第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３１の結合率が一致している場合には完全に消光するが、両者の結合率が一致していない場合には、クロストークが生じて消光比が劣化する。例えば、第１段方向性結合器１１１の結合率が５０％、第４段方向性結合器３３１の結合率が４５％の場合には、消光比は２６ｄＢとなる。

また、外部出力ポート３２から光が出射するように設定した場合、隣接の外部出力ポート３１は、第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３１とで構成されるＭＺＩにおける光の位相状態のみで遮断されている。このとき、外部出力ポート３１はＭＺＩのスルーポートに相当し、第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３１の結合率がいずれも５０％である場合には完全に消光するが、両者の結合率が５０％からずれた場合には、クロストークが生じて消光比が劣化する。例えば、第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３１の結合率がいずれも４５％の場合には、消光比は２０ｄＢである。

光ファイバ通信システムにおいて、このようなクロストークは雑音成分となりシステム性能を劣化させるので、実用上、光スイッチ又は波長選択スイッチの消光比としては、通常３５〜４０ｄＢ程度が要求される。しかしながら、方向性結合器の結合率を厳格に設定しようとすると歩留まりは低下することから、上記構成のように方向性結合器を多段に組む構成において高い消光比を得るのは容易ではない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光分岐部および光合分岐部を構成する方向性結合器もしくは多モード干渉光カプラの結合率が製造誤差等によって５０％からずれた場合でも、消光比の高い光スイッチ及び波長選択スイッチを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る光スイッチは、１入力２ⁿ出力の光スイッチ（ｎ：正の整数）であって、外部入力ポートに入力された光波を分岐する入力分岐部と、分岐した光波の位相を変調する位相シフタ部と、変調された光波の合分岐を行ない、２ⁿ個の外部出力ポートに出力する出力合分岐部とを備え、前記入力分岐部は、平面光波回路上に形成され、前記外部入力ポートに接続された少なくとも1本の入力部入力導波路と、２×２ⁿ本の入力部出力導波路と、1本の前記入力部入力導波路から入力された光波を、前記２×２ⁿ本の入力部出力導波路の全てに分岐するために、２入力２出力の単位光分岐回路を多段に接続して構成された入力部分岐手段とを含み、出力合分岐部は、平面光波回路上に形成され、２×２ⁿ本の出力部入力導波路と、２×２ⁿ本の出力部出力導波路と、２×２ⁿ本の前記出力部入力導波路のうち任意の１本に入力された光波を、２×２ⁿ本の出力部出力導波路の全てに合分岐するために、２入力２出力の単位光合分岐回路を多段に接続して構成された出力部合分岐手段とを含み、前記出力部出力導波路を含む前記単位光合分岐回路の一方の出力ポートは前記外部出力ポートに接続され、位相シフタ部は、前記入力分岐部の入力部出力導波路と前記出力合分岐部の出力部入力導波路とを１対１に接続し、前記入力部出力導波路から出力された光波の位相を変調して前記出力部入力導波路へ入力する２×２ⁿ個の位相変調器を含み、入力分岐部と前記出力合分岐部と前記位相シフタ部とは、前記入力分岐部の単位光分岐回路と前記位相変調器と前記出力合分岐部の単位光合分岐回路とからなる、２つのアームの光路長が等しい複数のマッハ‐ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を構成し、複数のＭＺＩは、第ａＭＺＩ（ａ：ｎ以下の正の整数）の２つのアーム上にそれぞれ第（ａ＋１）ＭＺＩを含み、前記第（ａ＋１）ＭＺＩは２つの前記第ａＭＺＩに含まれると定義される第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩであって、前記第１ＭＺＩは前記入力分岐部の前記外部入力ポートに接続された１つの単位光分岐回路と前記出力合分岐部の前記外部出力ポートに接続された２ⁿ個の単位光合分岐回路の各々との間で構成される２ⁿ個のＭＺＩであって、前記第ｎＭＺＩは前記入力部出力導波路に接続された１つの単位光分岐回路、前記位相変調器、及び前記出力部入力導波路に接続された１つの単位光分岐回路から構成され、位相シフタ部は、出力先として設定された前記外部出力ポートが前記第１〜第ｎＭＺＩのいずれも出力ポート側経路を通過した光波を出力し、出力先として設定されなかった前記外部出力ポートが前記第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩのいずれか２以上の遮断ポート側経路を通過した漏れ光を出力するように前記位相変調器を設定し、前記２ ^ｎ 個の外部出力ポートは、２×２ ^ｎ 本の前記出力部出力導波路の中から選択され、前記外部入力ポートに入力された光波が前記外部出力ポートに出力するまでに通過する前記第１〜第ｎＭＺＩにおいて、経路の位置関係（クロスもしくはスルー）が２箇所で異なる組合せになるよう前記第２ ^ｎ 個の外部出力ポートを選択したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光スイッチにおいて、位相変調器が反射型の位相変調器であり、前記入力分岐部と前記出力合分岐部とが同一の光回路であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光スイッチにおいて、２ⁿ本の前記外部出力ポートが前記外部入力ポートと異なるポートであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、１入力２ⁿ出力の波長選択スイッチ（ｎ：正の整数）であって、外部入力ポートに入力された光波を分岐する入力分岐部と、前記分岐した光波の位相を変調する位相シフタ部と、前記変調された光波の合分岐を行ない、２ⁿ個の外部出力ポートに出力する出力合分岐部とを備え、前記入力分岐部は、平面光波回路上に形成され、前記外部入力ポートに接続された少なくとも1本の入力部入力導波路と、２×２ⁿ本の入力部出力導波路と、1本の前記入力部入力導波路から入力された光波を、前記２×２ⁿ本の入力部出力導波路の全てに分岐するために、２入力２出力の単位光分岐回路を多段に接続して構成された入力部分岐手段と、２×２ⁿ本の前記入力部出力導波路に接続された１入力Ｍ出力の波長分波器（ここで、Ｍは２以上の整数である）とを有するものであり、前記出力合分岐部は、平面光波回路上に形成され、２×２ⁿ本の出力部入力導波路と、２×２ⁿ本の出力部出力導波路と、２×２ⁿ本の前記出力部入力導波路のうち任意の１本に入力された光波を、２×２ⁿ本の出力部出力導波路の全てに合分岐するために、２入力２出力の単位光合分岐回路を多段に接続して構成された出力部合分岐手段と、２×２ⁿ本の前記出力部入力導波路に接続されたＭ入力１出力の波長合波器とを有し、前記出力部出力導波路を含む前記単位光合分岐回路の一方の出力ポートは前記外部出力ポートに接続され、前記位相シフタ部は、前記波長分波器の出力と波長合波器の入力とを１対１に接続し、前記入力分岐部の波長分波器から出力された光波の位相を変調して前記出力合分岐部の波長合波器へ入力する位相変調器を有するものであり、前記入力分岐部と前記出力合分岐部と前記位相シフタ部とは、前記入力分岐部の単位光分岐回路と前記位相変調器と前記出力合分岐部の単位光合分岐回路とからなる、２つのアームの光路長が等しい複数のマッハ‐ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を構成し、前記複数のＭＺＩは、第ａＭＺＩ（ａ：ｎ以下の正の整数）の２つのアーム上にそれぞれ第（ａ＋１）ＭＺＩを含み、前記第（ａ＋１）ＭＺＩは２つの前記第ａＭＺＩに含まれると定義される第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩであって、前記第１ＭＺＩは前記入力分岐部の前記外部入力ポートに接続された１つの単位光分岐回路と前記出力合分岐部の前記外部出力ポートに接続された２ⁿ個の単位光合分岐回路の各々との間で構成される２ⁿ個のＭＺＩであって、前記第ｎＭＺＩは前記入力部出力導波路に接続された１つの単位光分岐回路、前記位相変調器、及び前記出力部入力導波路に接続された１つの単位光分岐回路から構成され、前記位相シフタ部は、出力先として設定された前記外部出力ポートが前記第１〜第ｎＭＺＩのいずれも出力ポート側経路を通過した光波を出力し、出力先として設定されなかった前記外部出力ポートが前記第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩのいずれか２以上の遮断ポート側経路を通過した漏れ光を出力するように前記位相変調器を設定し、前記２ ^ｎ 個の外部出力ポートは、２×２ ^ｎ 本の前記出力部出力導波路の中から選択され、前記外部入力ポートに入力された光波が前記外部出力ポートに出力するまでに通過する前記第１〜第ｎＭＺＩにおいて、経路の位置関係（クロスもしくはスルー）が２箇所で異なる組合せになるよう前記第２ ^ｎ 個の外部出力ポートを選択したことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４記載の波長選択スイッチにおいて、前記位相変調器が反射型の位相変調器であり、前記入力分岐部と前記出力合分岐部とが同一の光回路であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の波長選択スイッチ２ⁿ本の前記外部出力ポートが前記外部入力ポートと異なるポートであることを特徴とする。

本発明によれば、光分岐部および光合分岐部を構成する方向性結合器もしくは多モード干渉光カプラの結合率が製造誤差等によって５０％からずれた場合でも、消光比の高いが得られる。

すなわち、本発明の光スイッチ及び波長選択スイッチは、ＭＺＩを入れ子構造となるように構成し、外部出力ポート毎に合分岐器を別個に設け、クロストークを２つ以上のＭＺＩで遮断することにより、クロストークを低減し、高い消光比を得ることが可能となる。

また、反射型の位相変調器を用いて、入力分岐部と出力合分岐部を同一の光回路とすることで、ＭＺＩを構成する２つの合分岐器、すなわち方向性結合器もしくは多モード干渉光カプラの結合率を一致させることができるので、高い消光比を得ることが可能となる。

さらに、反射型の位相変調器を用いて光スイッチ及び波長選択スイッチを構成した場合において、入力ポートと異なるポートを外部出力ポートにすることで、入力光と出力光を分離するための光サーキュレータが不要となる。

従来の光スイッチの概略図である。 本発明に係る光スイッチの概略図である。 本発明に係る光スイッチの概略図である。 本発明に係る波長選択スイッチの概略図である。

（第１の実施形態）
図２は本発明に係る１入力２出力の光スイッチの概略図である。なお、以下の図において、図１と同一の機能をもつものは同一の符号を付するものとする。図２に示す光スイッチは、入力された光波を４つに分岐する入力分岐部１００１、それぞれの光波を位相変調する位相シフタ部２、及び位相変調された４つの光波を合分岐して出力する出力合分岐部３から構成される。入力分岐部１００１、位相シフタ部２及び出力光合分岐部３は、全て同一の平面光波回路上に形成されている。また、入力分岐部１００１と出力光合分岐部３とは、位相シフタ部２に対して対称な回路構成となっている。

本光スイッチにおいて、第２段方向性結合器１３１と第３段方向性結合器３１１を結ぶ経路、及び第２段方向性結合器１３２と第３段方向性結合器３１２とを結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。また、第１段方向性結合器１１１から第４段方向性結合器３３１、３３２を結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。

また、出力光合分岐部３の接続導波路３２２、３２３は交差部を１個有しているが、ＭＺＩの２つのアーム間で光パワーが不均等になってしまうことを避けるために、接続導波路３２１、３２４にもダミー交差部が各１個挿入される。

表２は、図２の光スイッチの構成において、入力分岐部１００１における経路に対する出力合分岐部３における経路の位置関係（スルーもしくはクロス）を示すものである。本発明の光スイッチでは、出力合分岐部３は２段の方向性結合器群で構成されるが、外部入力ポート１１から４本の出力部出力導波路３６１〜３６４に至る経路において、スルーおよびクロスの位置関係が２段とも異なる出力導波路２本が、外部出力ポートに割り当てられる。すなわち、外部出力ポートの割り当てとして、出力導波路３６２、３６３を外部出力ポート３１Ａ、３２Ａに割り当てる設定（設定Ａ）と、出力導波路３６１、３６４を外部出力ポート３１Ｂ、３２Ｂに割り当てる設定（設定Ｂ）の２通りがある。

設定Ａの場合、外部入力ポート１１から外部出力ポート３１Ａに至る経路では、入力分岐部１００１の第２段方向性結合器に対する出力合分岐部３の第３段方向性結合器の位置関係はスルーであり、入力分岐部１００１の第１段方向性結合器に対する出力合分岐部３の第４段方向性結合器の位置関係はクロスである。すなわち、第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３１とからなる第１ＭＺＩにおいて、外部出力ポート３１Ａは外部入力ポート１１に対してクロスポートである。同様に、第２段方向性結合器１３１と第３段方向性結合器３１１とからなる第２ＭＺＩにおいて、外部出力ポート３１Ａは外部入力ポート１１に対してスルーポートである。

一方、外部入力ポート１１から外部出力ポート３２Ａに至る経路では、それぞれの位置関係はクロス、スルーである。

外部出力ポート３１Ａに接続された方向性結合器３３１は、２つの第２ＭＺＩの各スルーポートが接続され、外部出力ポート３２Ａに接続された方向性結合器３３２は、２つの第２ＭＺＩの各クロスポートが接続されているため、第４段方向性結合器３３１、３３２の一方に主光波が出力されているとき、他方には第１ＭＺＩのみで遮断された漏れ光が出力される。そのため、第２段方向性結合器に対する第３段方向性結合器の位置関係が、外部出力ポート間で異なっている必要がある。

本実施形態のように第２ＭＺＩが構成されている場合、第４段方向性結合器３３１、３３２に入力される光波の位相差は共に同じになる。すなわち、方向性結合器３３１に入力される光波間の位相が同じである場合、方向性結合器３３２に入力される光波間の位相も同じであり、方向性結合器３３１に入力される光波間に位相差がある場合、方向性結合器３３２に入力される光波間にも位相差がある。そのため、第１段方向性結合器と第４段方向性結合器とからなる第１ＭＺＩの出力ポートは共にスルーポートもしくはクロスポートとなる。よって、第１段方向性結合器に対する第４段方向性結合器の位置関係も外部出力ポート間で異なっている必要がある。

表３は、外部入力ポート１１へ入射された光波を、各外部出力ポート３１Ａ、３２Ａ、あるいは３１Ｂ、３２Ｂに光波を出力するために、各薄膜ヒータ２１１〜２１４において与える位相の関係を示すものである。例えば、外部出力ポート３１Ａへ出力するためには、薄膜ヒータ２１１〜２１４にそれぞれ、０、π、０、πの位相シフトを生じさせる電力を印加すればよい。

上記のように外部出力ポートを設定することで、遮断する外部出力ポートへの漏れ光を抑制することができる。例えば、光出力を３１Ａに設定した場合、３２Ａへのクロストークは、第２段方向性結合器１３１と第３段方向性結合器３１１とで構成されるＭＺＩ、及び第１段方向性結合器１１１と第４段方向性結合器３３２とで構成されるＭＺＩの双方で遮断されるため、高い消光比を得ることができる。

尚、位相シフタ部２の位相変調器を反射型とすることにより、入力分岐部１００１と出力合分岐部３とを１つにすることができる。すなわち、入力分岐部１００１の出力を出力合分岐部３の入力とすることができる。

（実施例１）
コアとクラッドの比屈折率差Δ＝１．５％のシリカガラス系ＰＬＣを用いて、第１の実施形態に基づく光スイッチを作製した。作製した光スイッチの分岐部を構成する方向性結合器の結合率は４５％であったが、２つの外部出力ポートにおける消光比を測定した結果、いずれも４０ｄＢ以上であった。

また、１入力２出力の光スイッチとしては、図１に示す構成でもよい。但し、図１の構成の場合、同一の第４段方向性結合器に接続される２つの第２ＭＺＩの出力ポートは、それぞれクロスポート、スルーポートと異なるため、２つの第２ＭＺＩの一方で位相差を設定する必要がある。すなわち、一方の第２ＭＺＩで各アームを伝搬する光波間の位相差をπと設定した場合、他方の第２ＭＺＩで各アームを伝搬する光波間の位相差を０と設定する必要がある。

また、第１段方向性結合器と第４段方向性結合器とを含む第１ＭＺＩについては、第１ＭＺＩの各アームを伝搬する４光波のうち、１光波のみ他の３光波に対して位相差を有することになることから、一方の第１ＭＺＩでは各アームを伝搬する光波間に位相差を有し、他方の第１ＭＺＩでは各アーム間を伝搬する光波間に位相差を有さないことになる。そのため、２つの第１ＭＺＩの出力ポートは、一方がスルーポート、他方がクロスポートとなることから、第１段方向性結合器に対する第４段方向性結合器の位置関係が外部出力ポート間で同じである必要がある。

ここで重要なのは、第２ＭＺＩが第１ＭＺＩの各アーム上に構成された入れ子構造の多段ＭＺＩを構成し、第１及び第２ＭＺＩでクロストークを二重に遮断することである。

（第２の実施形態）
図３は本発明に係る１入力４出力の光スイッチの概略図である。図３に示す光スイッチは、入力された光波を８つに分岐する入力分岐部１０１１、それぞれの光波を位相変調する位相シフタ部１００２、及び、ＰＬＣ上に形成され、位相変調された８つの光波を合分岐して出力する出力合分岐部１００３から構成される。入力分岐部１０１１、位相シフタ部１００２及び出力光合分岐部３は、全て同一の平面光波回路上に形成されている。また、入力分岐部１０１１と出力光合分岐部３とは、位相シフタ部１００２に対して対称な回路構成となっている。

本光スイッチにおいて、第３段方向性結合器１５１と第４段方向性結合器３１１とを結ぶ経路、第３段方向性結合器１５２と第４段方向性結合器３１２とを結ぶ経路、第３段方向性結合器１５３と第４段方向性結合器３１３とを結ぶ経路、及び第３段方向性結合器１５４と第４段方向性結合器３１４とを結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。また、第２段方向性結合器１３１から第５段方向性結合器３３１、３３３を結ぶ経路、第２段方向性結合器１３２から第５段方向性結合器３３２、３３４を結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。さらに、第１段方向性結合器１１１から第６段方向性結合器３５１〜３５４を結ぶ経路は全て光路長が等しくなるように設定される。

また、入力分岐部１０１１と出力光合分岐部１００３における接続導波路は交差部を有しているが、ＭＺＩの２つのアーム間で光パワーが不均等になってしまうことを避けるために、全ての接続導波路が同数の交差点を有するようにダミー交差部が挿入される。

本実施形態の構成を第１の実施形態の図２の構成と比較すると、第２ＭＺＩの各アームに更に第３ＭＺＩをそれぞれ配置し、それら４つの第３ＭＺＩのスルーポートを第１及び第２ＭＺＩからなる第１の２段ＭＺＩユニットに接続し、クロスポートを第２の２段ＭＺＩユニットに接続した構成となっている。そのため、本実施形態では、クロストークを第１〜第３ＭＺＩのいずれか２つで遮断する。

表４は、図３に示す光スイッチの構成において、入力分岐部１０１１における経路に対する出力合分岐部１００３における経路の位置関係（スルーもしくはクロス）を示すものである。本発明の光スイッチでは、出力合分岐部１００３は３段の方向性結合器群で構成されるが、外部入力ポート１１から８本の出力部出力導波路３６１〜３６８に至る経路において、スルーおよびクロスの位置関係が２箇所で異なる出力導波路４本が外部出力ポートに割り当てられる。すなわち、外部出力ポートの割り当てとして、出力導波路３６２、３６３、３６５、３６８を外部出力ポート３１Ａ〜３４Ａに割り当てる設定（設定Ａ）と、出力導波路３６１、３６４、３６６、３６７を外部出力ポート３１Ｂ〜３４Ｂに割り当てる設定（設定Ｂ）の２通りがある。ここで重要なのは、出力先として設定された外部出力ポートからは全てのＭＺＩの出力ポート側経路を通過した主出力光が出力され、他の３つの外部出力ポートからは２つのＭＺＩの遮断ポート側経路を通過した漏れ光が出力されることである。

例えば、設定Ａの場合、外部入力ポート１１から外部出力ポート３１Ａに至る経路では、入力分岐部１０１１の第３段、第２段、第１段方向性結合器に対する出力合分岐部１００３の第４段、第５段、第６段方向性結合器の位置関係はそれぞれスルー、スルー、クロスである。すなわち、入力分岐部１０１１の第３段、第２段、第１段方向性結合器に対して出力合分岐部１００３の第４段、第５段、第６段方向性結合器をそれぞれ組み合わせたＭＺＩにおいて、外部出力ポート３１Ａは、外部入力ポート１１に対してスルーポート、スルーポート、クロスポートである。

一方、外部出力ポート３２Ａに至る経路では、それぞれの位置関係はスルー、クロス、スルーであるから、位置関係の組合せは、第２段〜第５段間と、第１段〜第６段間の２箇所で異なっている。同様に、設定Ａに属する４つの外部出力ポートは全て、外部出力ポートに至る経路における方向性結合器の入出力の位置関係の組合せが２箇所ずつ異なっている。

表５は、外部入力ポート１１へ入射された光波を、各外部出力ポート３１Ａ〜３４Ａ、あるいは３１Ｂ〜３４Ｂに光波を出力するために、各薄膜ヒータ２１１〜２１８において与える位相の関係を示すものである。例えば、外部出力ポート３１Ａへ出力するためには、薄膜ヒータ２１１〜２１８にそれぞれ、０、π、π、０、０、π、π、０の位相シフトを生じさせる電力を印加すればよい。

上記のように外部出力ポートを設定することで、遮断する外部出力ポートへの漏れ光を抑制することができる。例えば、光出力を３１Ａに設定した場合、３２Ａへのクロストークは、第２段方向性結合器１３１と第５段方向性結合器３３１とで構成される第２ＭＺＩ、第２段方向性結合器１３１と第５段方向性結合器３３２とで構成される第２ＭＺＩ、及び第１段方向性結合器１１１と第６段方向性結合器３５２とで構成される第１ＭＺＩで遮断されるため、高い消光比を得ることができる。

また、３３Ａへのクロストークは、第３段方向性結合器１５１〜１５４と第４段方向性結合器３１１〜３１４とで構成される第３ＭＺＩ、及び第１段方向性結合器１１１と第６段方向性結合器３５３とで構成される第１ＭＺＩで遮断されるため、高い消光比を得ることができる。

さらに、３４Ａへのクロストークは、第３段方向性結合器１５１〜１５４と第４段方向性結合器３１１〜３１４とで構成される第３ＭＺＩ、第２段方向性結合器１３１と第５段方向性結合器３５３、及び第２段方向性結合器１３２と第５段方向性結合器３５４とで構成される第２ＭＺＩで遮断されるため、高い消光比を得ることができる。

同様に、設定Ａに属する他の外部出力ポートに光出力を設定した場合においても、遮断ポートへのクロストークは第１〜第３ＭＺＩのうちの２つで遮断されるため、高い消光比を得ることができる。

尚、ここで重要なのは、第２ＭＺＩが第１ＭＺＩの各アーム上に構成され、第３ＭＺＩが第２ＭＺＩの各アーム上に構成された入れ子構造の多段ＭＺＩを構成し、第１〜第３ＭＺＩのいずれか２つでクロストークを二重に遮断することである。

（実施例２）
コアとクラッドの比屈折率差Δ＝１．５％のシリカガラス系ＰＬＣを用いて、第２の実施形態に基づく光スイッチを作製した。作製した光スイッチの分岐部を構成する方向性結合器の結合率は５５％であったが、４つの外部出力ポートにおける消光比を測定した結果、いずれも４０ｄＢ以上であった。

本発明の光スイッチの出力数を更に拡張するには、拡張前の入力分岐部、位相シフタ部、出力合分岐部を２つずつ用意し、２つの入力分岐部と２つの位相シフタ部を複数の方向性結合器で接続し、２つの位相シフタ部と２つの出力合分岐部とを複数の方向性結合器で接続すれば良い。このように、本発明では１入力２ⁿ出力（ｎ：正の整数）の光スイッチが可能である。

尚、第１及び第２の実施形態では、外部出力ポートは、他のポートから主光波が出力されている場合、２つのＭＺＩで遮断されたクロストークを出力するが、これは２つ以上のＭＺＩで遮断されたクロストークであれば良いということである。

（第３の実施形態）
図４は本発明に係る１入力２出力、波長数Ｍの波長選択スイッチの概略図である。図４に示す波長選択スイッチは、入力された波長分割多重光を４つに分岐した後、それぞれの光波をＭ波長に分離する入力分岐部１００１と、分離された４Ｍの光波を位相変調する位相シフタ部２２２２とを有する。入力分岐部１００１はＰＬＣ上に形成されており、一方、位相シフタ部２２２２は反射型の位相変調器を用いて構成され、両者は集光レンズ２２を用いた空間光学系で結合される。位相シフタ部２２２２で位相変調されるとともに反射された光波は、再び入力分岐部１００１へ入力するが、ここで入力分岐部１００１は位相変調された４Ｍの光波を再び４つに波長多重した後、合分岐して出力する出力合分岐部３として作用する。

図４に示す波長選択スイッチにおいては、各波長に対して光波の位相を調節することが可能であるから、波長ごとに外部出力ポートを設定することができる。

本実施形態における波長選択スイッチの外部出力ポートの割り当て及び各外部出力ポートに光を出力するための位相設定は、前述した第１の実施形態における光スイッチの外部出力ポートの割り当てと同様である。

本実施形態では、入力分岐部と出力合分岐部とが同一の光回路であるため、ＭＺＩを構成する２つの合分岐器、すなわち方向性結合器もしくは多モード干渉光カプラの結合率が一致しているので、高い消光比を得ることが可能となる。

外部出力ポートの割り当てとしては、前述したように２通りの設定がある。本実施形態においては、設定Ｂを用いた場合、外部入力ポート１１と外部出力ポート３１Ｂとは同一のポートとなるので、入力と出力を分離するために光サーキュレータが必要となる。しかし、設定Ａを用いた場合、外部入力ポート１１と外部出力ポート３１Ａ、３２Ａとは異なるので、光サーキュレータは不要である。

（実施例３）
コアとクラッドの比屈折率差Δ＝１．５％のシリカガラス系ＰＬＣと、反射型液晶光位相変調器を用いて、第３の実施形態に基づく波長選択スイッチ（波長数Ｍ＝４０）を作製した。作製した波長選択スイッチの光分岐部を構成する方向性結合器の結合率は４７％であったが、２つの外部出力ポート３１Ａ、３２Ａにおける消光比を測定した結果、いずれのポートにおいても全波長チャネルについて４０ｄＢ以上であった。

尚、以上で説明した各実施形態において、入力ポートと外部出力ポートを逆にして、N入力１出力の光スイッチもしくは波長選択スイッチとして使用することも可能である。

１、１００１、１００２ 入力分岐部
２、２２２２ 位相シフタ部
３、１００３ 出力合分岐部
１１ 入力ポート
２２ 集光レンズ
１０１ 入力部入力導波路
１１１ 第１段方向性結合器
１２１、１２２ 接続導波路
１３１、１３２ 第２段方向性結合器
１６１〜１６４ 入力部出力導波路
２０１〜２０４ 位相シフタ導波路
２１１〜２１４ 薄膜ヒータ
３０１〜３０４ 出力部入力導波路
３１１、３１２ 第３段方向性結合器
３２１〜３２４ 接続導波路
３３１〜３３４ 第４段方向性結合器
３６１〜３６４ 出力部出力導波路
３１〜３４ 外部出力ポート

Claims (6)

1. １入力２ⁿ出力の光スイッチ（ｎ：正の整数）であって、
   外部入力ポートに入力された光波を分岐する入力分岐部と、
   前記分岐した光波の位相を変調する位相シフタ部と、
   前記変調された光波の合分岐を行ない、２ⁿ個の外部出力ポートに出力する出力合分岐部とを備え、
   前記入力分岐部は、平面光波回路上に形成され、前記外部入力ポートに接続された少なくとも1本の入力部入力導波路と、２×２ⁿ本の入力部出力導波路と、1本の前記入力部入力導波路から入力された光波を、前記２×２ⁿ本の入力部出力導波路の全てに分岐するために、２入力２出力の単位光分岐回路を多段に接続して構成された入力部分岐手段とを含み、
   前記出力合分岐部は、平面光波回路上に形成され、２×２ⁿ本の出力部入力導波路と、２×２ⁿ本の出力部出力導波路と、２×２ⁿ本の前記出力部入力導波路のうち任意の１本に入力された光波を、２×２ⁿ本の出力部出力導波路の全てに合分岐するために、２入力２出力の単位光合分岐回路を多段に接続して構成された出力部合分岐手段とを含み、前記出力部出力導波路を含む前記単位光合分岐回路の一方の出力ポートは前記外部出力ポートに接続され、
   前記位相シフタ部は、前記入力分岐部の入力部出力導波路と前記出力合分岐部の出力部入力導波路とを１対１に接続し、前記入力部出力導波路から出力された光波の位相を変調して前記出力部入力導波路へ入力する２×２ⁿ個の位相変調器を含み、
   前記入力分岐部と前記出力合分岐部と前記位相シフタ部とは、前記入力分岐部の単位光分岐回路と前記位相変調器と前記出力合分岐部の単位光合分岐回路とからなる、２つのアームの光路長が等しい複数のマッハ‐ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を構成し、
   前記複数のＭＺＩは、第ａＭＺＩ（ａ：ｎ以下の正の整数）の２つのアーム上にそれぞれ第（ａ＋１）ＭＺＩを含み、前記第（ａ＋１）ＭＺＩは２つの前記第ａＭＺＩに含まれると定義される第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩであって、前記第１ＭＺＩは前記入力分岐部の前記外部入力ポートに接続された１つの単位光分岐回路と前記出力合分岐部の前記外部出力ポートに接続された２ⁿ個の単位光合分岐回路の各々との間で構成される２ⁿ個のＭＺＩであって、前記第ｎＭＺＩは前記入力部出力導波路に接続された１つの単位光分岐回路、前記位相変調器、及び前記出力部入力導波路に接続された１つの単位光分岐回路から構成され、
   前記位相シフタ部は、出力先として設定された前記外部出力ポートが前記第１〜第ｎＭＺＩのいずれも出力ポート側経路を通過した光波を出力し、出力先として設定されなかった前記外部出力ポートが前記第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩのいずれか２以上の遮断ポート側経路を通過した漏れ光を出力するように前記位相変調器を設定し、
   前記２ ^ｎ 個の外部出力ポートは、２×２ ^ｎ 本の前記出力部出力導波路の中から選択され、前記外部入力ポートに入力された光波が前記外部出力ポートに出力するまでに通過する前記第１〜第ｎＭＺＩにおいて、経路の位置関係（クロスもしくはスルー）が２箇所で異なる組合せになるよう前記第２ ^ｎ 個の外部出力ポートを選択したことを特徴とする光スイッチ。
2. 前記位相変調器が反射型の位相変調器であり、前記入力分岐部と前記出力合分岐部とが同一の光回路であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
3. ２ⁿ本の前記外部出力ポートが前記外部入力ポートと異なるポートであることを特徴とする請求項２に記載の光スイッチ。
4. １入力２ⁿ出力の波長選択スイッチ（ｎ：正の整数）であって、
   外部入力ポートに入力された光波を分岐する入力分岐部と、
   前記分岐した光波の位相を変調する位相シフタ部と、
   前記変調された光波の合分岐を行ない、２ⁿ個の外部出力ポートに出力する出力合分岐部とを備え、
   前記入力分岐部は、平面光波回路上に形成され、前記外部入力ポートに接続された少なくとも1本の入力部入力導波路と、２×２ⁿ本の入力部出力導波路と、1本の前記入力部入力導波路から入力された光波を、前記２×２ⁿ本の入力部出力導波路の全てに分岐するために、２入力２出力の単位光分岐回路を多段に接続して構成された入力部分岐手段と、２×２ⁿ本の前記入力部出力導波路に接続された１入力Ｍ出力の波長分波器（ここで、Ｍは２以上の整数である）とを有するものであり、
   前記出力合分岐部は、平面光波回路上に形成され、２×２ⁿ本の出力部入力導波路と、２×２ⁿ本の出力部出力導波路と、２×２ⁿ本の前記出力部入力導波路のうち任意の１本に入力された光波を、２×２ⁿ本の出力部出力導波路の全てに合分岐するために、２入力２出力の単位光合分岐回路を多段に接続して構成された出力部合分岐手段と、２×２ⁿ本の前記出力部入力導波路に接続されたＭ入力１出力の波長合波器とを有し、前記出力部出力導波路を含む前記単位光合分岐回路の一方の出力ポートは前記外部出力ポートに接続され、
   前記位相シフタ部は、前記波長分波器の出力と波長合波器の入力とを１対１に接続し、前記入力分岐部の波長分波器から出力された光波の位相を変調して前記出力合分岐部の波長合波器へ入力する位相変調器を有するものであり、
   前記入力分岐部と前記出力合分岐部と前記位相シフタ部とは、前記入力分岐部の単位光分岐回路と前記位相変調器と前記出力合分岐部の単位光合分岐回路とからなる、２つのアームの光路長が等しい複数のマッハ‐ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を構成し、
   前記複数のＭＺＩは、第ａＭＺＩ（ａ：ｎ以下の正の整数）の２つのアーム上にそれぞれ第（ａ＋１）ＭＺＩを含み、前記第（ａ＋１）ＭＺＩは２つの前記第ａＭＺＩに含まれると定義される第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩであって、前記第１ＭＺＩは前記入力分岐部の前記外部入力ポートに接続された１つの単位光分岐回路と前記出力合分岐部の前記外部出力ポートに接続された２ⁿ個の単位光合分岐回路の各々との間で構成される２ⁿ個のＭＺＩであって、前記第ｎＭＺＩは前記入力部出力導波路に接続された１つの単位光分岐回路、前記位相変調器、及び前記出力部入力導波路に接続された１つの単位光分岐回路から構成され、
   前記位相シフタ部は、出力先として設定された前記外部出力ポートが前記第１〜第ｎＭＺＩのいずれも出力ポート側経路を通過した光波を出力し、出力先として設定されなかった前記外部出力ポートが前記第１〜第（ｎ＋１）ＭＺＩのいずれか２以上の遮断ポート側経路を通過した漏れ光を出力するように前記位相変調器を設定し、
   前記２ ^ｎ 個の外部出力ポートは、２×２ ^ｎ 本の前記出力部出力導波路の中から選択され、前記外部入力ポートに入力された光波が前記外部出力ポートに出力するまでに通過する前記第１〜第ｎＭＺＩにおいて、経路の位置関係（クロスもしくはスルー）が２箇所で異なる組合せになるよう前記第２ ^ｎ 個の外部出力ポートを選択したことを特徴とする波長選択スイッチ。
5. 前記位相変調器が反射型の位相変調器であり、前記入力分岐部と前記出力合分岐部とが同一の光回路であることを特徴とする請求項４記載の波長選択スイッチ。
6. ２ⁿ本の前記外部出力ポートが前記外部入力ポートと異なるポートであることを特徴とする請求項５に記載の波長選択スイッチ。

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