JP5642132B2 - 導波路型光干渉計回路 - Google Patents
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差のいずれかで設計される。図1では、後述の実施例との整合性を考えて、半波長分の導波路長差ΔL(=λ0/2neff; neff:導波路の実効屈折率)としている(図では、上側が短アーム側導波路103、下側が長アーム側導波路104として半波長の光路長差を設けている)。入力1からの信号光は、公知の干渉原理により、移相器が未動作時(Off時)に出力1(バー経路)へ導かれ、移相器において半波長分の移相量πを発生させて上記のΔLを打ち消したとき(On時)に出力2(クロス経路)へ導かれる。移相器で発生させる移相量がOn/Offの中間値を取る場合には、各経路の出力(すなわち透過
率)は、移相量に応じてアナログ的に変化する。
MZIスイッチ素子を通るという接続構成は同じである。本スイッチは、On経路においては、1段目素子からの漏れ光が2段目素子でも遮断されるため、単素子のスイッチと比較すると、デシベル表記で概ね2倍のOnOff比が得られる。一方、Off経路(入力からThr出力への経路やThr入力から出力への経路)では、MZIスイッチ素子は一段分しか通らないので、単素子のスイッチと同じOnOff比となる。
に示すように、互いに上下に反転して配置したものである。これらの大規模スイッチのクロストーク特性は、そこで使用される各スイッチ素子のOn経路でのOnOff比でほぼ決定される。2重MZI光スイッチ素子は、前述のように特にOn経路でのOnOff比が優れるので、これらの大規模スイッチへの適用に非常に合致した構成の1つである。
型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の出力の一つとし、前記導波路型光スイッチ回路内の少なくとも一つの前記導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路と、前記導波路型光スイッチ回路内の他の前記導波路型光スイッチの少なくとも一つの導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路とが、それぞれの前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対側に配置されており、前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチの数と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチの数との差が0または1であることを特徴とする。
列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続し、1段目以外のi+jが偶数であり、且つiがNでないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、(i+1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、1段目以外のi+jが偶数であり、且つiがNであるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、1段目以外のi+jが奇数であり、且つiが1でないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、(i−1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続
し、1段目以外のi+jが奇数であり、且つiが1であるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、1段目以外のi+jが奇数であり、且つiがNでないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、(i+1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続し、1段目以外のi+jが奇数であり、且つiがNであるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続することを特徴とする。
本実施形態のレイアウト構成は、概ね従来構成と同じであるが、以下の点で構成が異なる。従来構成では、前段MZIスイッチ201,211と、後段MZIスイッチ202,212共に上側が短側導波路203,213,205,215で、下側が長側導波路204,214,206,216であり、前段/後段で短側導波路と長側導波路の上下配置関係が同方向で揃っていた。しかしながら、本実施形態では、前段MZIスイッチ501,511は、上側が短側導波路503,513で、下側が長側導波路504,514であり、後段MZIスイッチ502,512は上側が長側導波路506,516で下側が短側導波
路505,515であり、前段/後段で導波路が中心線に対して対称に配置されている点が異なっている。すなわち、前段MZIスイッチ501,511と後段MZIスイッチ502,512の長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点が従来構成と大きく異なる。
段MZIスイッチ601,611と後段MZIスイッチ602,612の長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点は第1の実施形態と同様である。
導波路の光路長誤差すなわち位相誤差は、材料の屈折率変動、導波路コアサイズの変動、回路パターンの変形等による導波路の物理長そのものの変動等の製造上の様々な要因で発生する。この製造する回路の位相誤差を統計的に分析してみると、誤差は、全く無秩序に発生するのではなく、ある傾向を有する2つの誤差、等方性の誤差δφbaseと、非等方性の誤差δφdirと、傾向を有さない無秩序な誤差δφramの3種類に分類できることが、近年の実験検討により判明した。
波長λ0に対して実際の使用波長が異なる場合にも、一様な位相誤差が発生するので、等価的に等方性の位相誤差が発生する。例えば、図1に示した半波長分の導波路長差で設計されたMZIスイッチの場合、波長ズレδλに対して、δφbase=−π・(λ0/λ−1)≒π・δλ/λ0の位相誤差が発生する。尚、ΔL=0の干渉計回路では、実効屈折率の変動δneffが発生しても、各導波路で誤差が等量となり各経路の差分として打ち消し合うため、等方性の位相誤差δφbaseは発生しない。
である。
BのOnOff比が確保できていない。このように、本実施形態は、方位依存位相誤差によるバラツキ(標準偏差)が等方性位相誤差によるバラツキ(標準偏差)よりも大きい場合に有利な構成であるといえる。
第1の実施例として作製した16連1×4スイッチチップ700の構成を図11に示す。16連1×4スイッチチップ700の1×4スイッチ701は、1×2スイッチ素子702をカスケードに4段接続したタップ構成になっている。各1×2スイッチ素子702には、本発明の構成である図5(a)に示した方位反転配置の2重MZI光スイッチ素子500の構成を使用した。2重MZI光スイッチ素子702を構成している前段MZIスイッチ703と後段MZIスイッチ704の各MZIには、半波長分の導波路長差を設け、前段MZIスイッチ703は、上側を短アーム705に下側を長アーム706にし、後段MZIスイッチ704は、上側を長アーム708に下側を短アーム707にしている。今回、EDFAの増幅帯域であるC帯/L帯(動作波長域:1520〜1620nm)での使用を前提として、動作波長中心λ0は1570nmとした。
第2の実施例として作製した8×8のマトリクススイッチのレイアウトを図13に示す。8×8のマトリクススイッチ800全体の構成は、基本的に図3(b)に示した構成をN=8に直した構成とし、内部で使用される各2×2スイッチ素子801,802には、本発明の構成である図5(b)に示した方位反転配置の2重MZI光スイッチ素子510の構成を使用した。2重MZI光スイッチ素子を構成している各MZIには、半波長分の導波路長差ΔLを設け、前段MZIスイッチと後段MZIスイッチで、短アーム側/長アーム側を上下反転している。今回、EDFAの増幅帯域であるC帯(動作波長域:1530〜1560nm)での使用を前提として、動作波長中心λ0は、1545nmとし、更に本実施例では、オフセット位相を2%付加した。すなわち、通常のΔLよりも2%長い導波路長差を設けた。
第3の実施例として作製した高消光比2×2スイッチチップ900の構成を図15に示す。図2に示す2重MZI光スイッチ200,210は、Thr入力からThr出力への経路は存在しない2入力2出力のスイッチであったが、本実施例の光スイッチ900は、4つのMZIスイッチ素子901,902,903,904で構成し、全ての入出力組み合わせが存在する2×2の光スイッチに、本発明を適用したものである。
第4の実施例は、本発明を合分波器に適用したものである。図16に本実施例の合分波器1000の構成を示す。合分波器1000は、前述の光スイッチの実施例と基本的な考え方は同じであり、前段MZI分波素子1001は、下側を短アーム1004にし、後段MZI合分波素子1002,1003は、上側を短アーム1006,1008にして、前段MZI合分波素子と後段MZI合分波素子の長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点が、図4(b)に示す従来の構成である合分波器410と根本的に異なる。
では、方位依存誤差による波長シフトが前段MZI合分波素子と後段MZI合分波素子で同じ方向にずれるので、方位依存誤差の影響がそのまま現れてしまう。このように、本実施例の構成は、方位依存誤差による波長シフトを受けにくい構成になっている。
501,511,601,611 前段MZIスイッチ素子
502,512,602,612 後段MZIスイッチ素子
503,505,513,515,603,605,613,615 短側導波路
504,506,514,516,604,606,614,616 長側導波路
Claims (14)
- それぞれ独立した導波路型光スイッチを少なくとも2段に縦続して接続した導波路型光スイッチ回路において、
前記導波路型光スイッチは、所望の光路長差を設けた2本のアーム導波路を有するマッハツェンダー干渉計であり、少なくとも一方のアーム導波路に移相器を備えた干渉計型光スイッチであって、
初段を除く各段の前記導波路型光スイッチの入力には、その前段の1導波路型光スイッチからの出力のうち1出力のみが接続され、
初段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の入力の一つとし、
最終段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の出力の一つとし、
前記導波路型光スイッチ回路内の少なくとも一つの前記導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路と、前記導波路型光スイッチ回路内の他の前記導波路型光スイッチの少なくとも一つの導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路とが、それぞれの前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対側に配置されており、
前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチの数と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチの数との差が0または1であることを特徴とする導波路型光スイッチ回路。 - 前記一方の導波路型光スイッチと、前記もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチが、交互に接続されて構成されることを特徴とする請求項1に記載の導波路型光スイッチ回路。
- 前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が2段であり、
前段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第1の入力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第1の出力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうちもう一方を、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方に接続し、
後段の前記導波路型光スイッチの入力のうちもう一方の入力を前記導波路型光スイッチ回路の第2の入力とし、
後段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第2の出力とすることを特徴とする請求項2に記載の導波路型光スイッチ回路。 - 前記第1の入力および前記第1の出力と、前記第2の入力および前記第2の出力とが、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の導波路型光スイッチ回路。
- 前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が2段であり、
前段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第2の入力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第1の出力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうちもう一方を、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方に接続し、
後段の前記導波路型光スイッチの入力のうちもう一方を前記導波路型光スイッチ回路の第1の入力とし、
後段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第2の出力とし、
前記第1の入力と後段の前記導波路型光スイッチの前記もう一方の入力を接続する導波路と、前記第1の出力と前段の前記導波路型光スイッチの前記一方の出力を接続する導波路と、が交差していることを特徴とする請求項2に記載の導波路型光スイッチ回路。 - 前記第1の入力および前記第1の出力と、前記第2の入力および前記第2の出力とが、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、共に同じ側に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の導波路型光スイッチ回路。
- 前記導波路型光スイッチは、実効屈折率の平均的な面内分布に基づいて前記光路長差の値が補正されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の導波路型光スイッチ回路。
- 前記導波路型光スイッチの全てに設けられた前記光路長差が前記所望の設計値よりも短く設定されるか、または長く設定されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の導波路型光スイッチ回路。
- 前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチに設けられた前記光路長差と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチに設けられる前記光路長差について、
前記光路長差の一方が前記所望の設計値よりも短く設定され、かつ前記光路長差の他方が前記所望の設計値よりも長く設定されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の導波路型光スイッチ回路。 - 請求項4に記載の導波路型光スイッチ回路を単位光スイッチとしてN段(Nは2以上の整数)縦続接続して1入力N出力の光スイッチ回路を構成する導波路型光スイッチ回路であって、
1段目以外の各段の前記単位光スイッチの前記第1の入力が、当該単位光スイッチの1段前の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続され、
1段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、前記1入力N出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、
N段ある前記各単位光スイッチにおける前記第2の出力を、前記1入力N出力の光スイッチ回路の出力ポートとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路。 - 請求項4に記載の導波路型光スイッチ回路を単位光スイッチとしてN段(Nは2以上の整数)縦続接続してN入力1出力の光スイッチ回路を構成する導光波路型光スイッチ回路であって、
N段目以外の各段の前記単位光スイッチの前記第2の出力が、当該単位光スイッチの1段後の前記単位光スイッチの前記第2の入力に接続され、
N段ある前記各単位光スイッチにおける前記第1の入力を、前記N入力1出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、
N段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力を、前記N入力1出力の光スイッチ回路の出力ポートとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路。 - 請求項6に記載の導波路型光スイッチ回路を単位スイッチとしてN(Nは2以上の整数)段接続し、当該N段接続された導波路型光スイッチ回路を、更にN個並列に配列してN入力N出力の光スイッチ回路を構成する導光波路型光スイッチ回路であって、
iおよびjを、1≦i≦N、1≦j≦Nを満たす整数とするとき、
i+jが偶数である場合の、i列j段目の前記単位光スイッチの、前記第1及び第2の入力と、前記第1及び第2の出力との配置関係と、i+jが奇数である場合の、i列j段目の前記単位光スイッチの、前記第1及び第2の入力と、前記第1及び第2の出力との配置関係と、が前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対の方向に配置され、
1段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、前記N入力N出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、
N段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力を、前記N入力N出力の光スイッチ回路の出力ポートとし、
1段目以外のi+jが偶数であり、且つiが1でないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、(i−1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続し、
1段目以外のi+jが偶数であり、且つiが1であるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続し、
1段目以外のi+jが偶数であり、且つiがNでないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、(i+1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、
1段目以外のi+jが偶数であり、且つiがNであるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、
1段目以外のi+jが奇数であり、且つiが1でないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、(i−1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、
1段目以外のi+jが奇数であり、且つiが1であるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第2の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第1の出力に接続し、
1段目以外のi+jが奇数であり、且つiがNでないi列j段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、(i+1)列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続し、
1段目以外のi+jが奇数であり、且つiがNであるi列j段目の前記単位光スイッチの前記第1の入力を、i列(j−1)段目の前記単位光スイッチの前記第2の出力に接続することを特徴とする導波路型光スイッチ回路。 - 前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が2段であり、当該2段縦続接続の導波路型光スイッチを2並列に配列して、前記導波路型光スイッチが2列2段に集積してなる2入力2出力の光スイッチ回路を構成し、
1列1段目の前記導波路型光スイッチの入力を、前記2入力2出力の光スイッチ回路の第1の入力とし、
2列1段目の前記導波路型光スイッチの入力を、前記2入力2出力の光スイッチ回路の第2の入力とし、
1列2段目の前記導波路型光スイッチの出力を、前記2入力2出力の光スイッチ回路の第1の出力とし、
2列2段目の前記導波路型光スイッチの出力を、前記2入力2出力の光スイッチ回路の第2の出力とし、
1列1段目の前記導波路型光スイッチの一方の出力を、1列2段目の前記導波路型光スイッチの一方の入力に接続し、
2列1段目の前記導波路型光スイッチの一方の出力を、2列2段目の前記導波路型光スイッチの一方の入力に接続し、
1列1段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の出力を、2列2段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の入力に接続し、
2列1段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の出力を、1列2段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の入力に接続していることを特徴とする請求項2に記載の導波路型光スイッチ回路。 - 前記単位光スイッチの前段の導波路型光スイッチの光路が長い方のアーム導波路がレイアウトされている方向が、前記単位光スイッチの奇数列目と偶数列目で入れ替わって配置されることを特徴とする請求項10乃至12のいずれか1項に記載の導波路型光回路。
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