JP5731947B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）に関し、詳細には、光通信ネットワークノードにおいて光スイッチを実現する導波路型光干渉計回路を用いた波長選択スイッチに関する。

図１に、従来の光回路型グリッドレス波長選択スイッチ（ＷＳＳ）の模式図を示す（非特許文献１参照）。グリッドレス波長選択スイッチとは、１つのポートから取り出す連続した波長域においてはスペクトル応答が平坦なＷＳＳのことである。帯域が可変であることからグリッドレスと呼ばれる。

図１に示す波長選択スイッチは、分光器１００１、１×２スイッチアレイ１００２、第１の合波器１００３、第２の合波器１００４からなる。まず波長多重信号が分光器１００１に入射し、波長分割多重（ＷＤＭ）信号の各チャネルに分解される。その後各チャネルはそれぞれ異なる１×２スイッチに入力される。１×２スイッチアレイ１００２で図示上側にスイッチされた信号は、第１の合波器１００３の波長ごとに定められた入力ポートへ入射し、合波されることでＯｕｔｐｕｔ＃１へ出力される。一方で、１×２スイッチアレイ１００２で図示下側にスイッチされたチャネルは、第２の合波器１００４の波長ごとに定められた入力ポートへ入射し、Ｏｕｔｐｕｔ＃２へ出力される。このようにして、任意の波長チャネルの出力ポートをＯｕｔｐｕｔ＃１・Ｏｕｔｐｕｔ＃２のどちらかに選ぶことが可能となり、波長選択スイッチとして動作する。分光器・合波器としては公知技術であるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）が用いられる。

ＡＷＧのアレイ導波路本数をＭ、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）をチャネル間隔で割ったものをＮ₀として、Ｎ₀≧Ｍが成り立つように設計すると、本例のようにＡＷＧで分光し、再びＡＷＧで合波したときに、波長に対して平坦な透過スペクトルを得ることができる。この技術を用い、グリッドレスなＷＳＳが実現されている。これは非特許文献２で報告されている公知技術である。

C. R. Doerr, L. L. Buhl, L. Chen, and N. Dupuis, "Monolithic Gridless 1 x 2 Wavelength-Selective Switch in Silicon, " OFC 2011, PDPC4, 6-10 March 2011. C. R. Doerr, et. al, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 5, pp. 581 - 583, May 1999. S. Suzuki, A. Himeno, M. Ishii, "Integrated Multichannel Optical Wavelength Selective Switches Incorporating an Arrayed-Waveguide Grating Multiplexer and Thermooptic Switches," J. Lightw. Technol., vol. 16, no. 4, April, 1998.

図１の従来例では、以下のような欠点があった。第１に、３つのＡＷＧを含んでいるため回路サイズが大きくなり、ウエハ資源を圧迫する。第２に、複数のＡＷＧの中心波長を一致させる必要があるが、これは困難であり、製造後補償などプロセスが複雑化する。第３に、交差導波路を多数含み、かつスイッチ状態によって通過する交差導波路の数が異なる。非特許文献１の例のように、コア・クラッド間の屈折率コントラストが高い導波路では特に交差クロストークが大きくなる傾向があり、交差を多数通過することで、信号強度が劣化し、クロストークが増大する。屈折率コントラストが低い導波路の場合は、大きな曲げ半径で方向転換しなければならないため、平行に走る導波路を交差させるには広い面積を必要としてしまう。また、信号強度・クロストークレベルがスイッチ状態に依存するとその後にレベル補正の必要が生じ、高コストとなる。

非特許文献３に記載されたものは、グリッドレス型ではなく固定グリッド型であるが、上記のうち第２の欠点を克服するため、ループバック導波路を採用し、ＡＷＧをただ１つだけ用いた２×２ＷＳＳが提案された。この従来例では、ＡＷＧの数が減っているものの、そのポート数が１×Ｎから（２Ｎ＋２）×（２Ｎ＋２）となっているため、ＡＷＧ自体のサイズは大型化しており、第１の欠点の解消に劇的な効果はない。また、第３の欠点は依然残っている。

以上を鑑み、本発明の課題は、ＡＷＧの規模をほとんど拡大せずに、従来は３つ必要であったＡＷＧを２つないし１つに統合し、なおかつ交差導波路の数が少なく、通過する交差導波路の数がスイッチ状態にほとんど依存しないグリッドレス型１×２波長選択スイッチを提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、Ｎ個の異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）を多重したＮ波長分割多重信号を入力信号とする１入力２出力の波長選択スイッチであって、１つの入力導波路から入力されたＮ波長分割多重信号を波長分割して、Ｎ個の出力導波路へと出力する第１のアレイ導波路回折格子と、前記Ｎ個の出力導波路からの出力光が並列に入力される１入力２出力の光スイッチをＮ個有する光スイッチアレイであって、該光スイッチアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ）番目の光スイッチは、前記Ｎ個の出力導波路のうちの１つの出力導波路からｋ番目に短い波長λ_kの光が入力され、該波長λ_kの光を２つの出力のうちの少なくとも一方から出力する、光スイッチアレイと、前記Ｎ個の光スイッチのうちで隣接する波長の光を出力する２つの光スイッチからの出力光が並列に入力される２入力１出力の波長カプラをＮ−Ｐ（Ｐは１以上の整数）個有する波長カプラアレイであって、該波長カプラアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ−Ｐ）番目の波長カプラは、短波長側入力ポートに、第ｋ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが、長波長側入力ポートに、第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが接続され、入力される２つの入力を合波して１つの出力ポートから出力する、波長カプラアレイと、前記Ｎ−Ｐ個の前記波長カプラのＮ−Ｐ個の出力と、前記光スイッチのうち最も短波長λ₁の光を出力する第１番目の光スイッチからλ_pの光を出力する第Ｐ番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力と、前記光スイッチのうち最も長波長λ_Nの光を出力する第Ｎ番目の光スイッチからλ_N-P+1の光を出力する第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力とが入力されるＮ＋Ｐ個の入力ポートを有し、該Ｎ＋Ｐ個の入力ポートから入力された光を２つの出力ポートの少なくとも１方から出力する第２のアレイ導波路回折格子とを備え、前記第２のアレイ導波路回折格子の入力ポートは、第１番目から第Ｎ＋Ｐ番目の入力ポートが最も長いアレイ導波路に近い側から順次隣接して設けられており、第１番目から第Ｐ番目の入力ポートに前記第１番目から第Ｐ番目の光スイッチの出力が入力され、第ｋ＋Ｐ番目の入力ポートに第ｋ番目の波長カプラの出力が入力され、第Ｎ＋１番目から第Ｎ＋Ｐ番目の入力ポートに前記第Ｎ−Ｐ＋１番目から第Ｎ番目の光スイッチの出力が入力されるよう接続されており、前記Ｐは、Ｎ個の互いに異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）の光を空間的に分離するよう選択されるパラメータであることを特徴とする波長選択スイッチである。

他の実施形態に記載の発明は、Ｎ個の異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）を多重したＮ波長分割多重信号を入力信号とする１入力２出力の波長選択スイッチであって、Ｎ＋Ｐ＋１個の入力ポートと、Ｎ＋２個の出力ポートを有するアレイ導波路回折格子であって、第１の入力ポートから入力されたＮ波長分割多重信号を波長分割して、第３から第Ｎ＋２の出力ポートに接続されたＮ個の出力導波路へと出力するアレイ導波路回折格子と、前記Ｎ個の出力導波路からの出力光が並列に入力される１入力２出力の光スイッチをＮ個有する光スイッチアレイであって、該光スイッチアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ）番目の光スイッチは、前記Ｎ個の出力導波路のうちの１つの出力導波路からｋ番目に短い波長λ_kの光が入力され、該波長λ_kの光を２つの出力のうちの少なくとも一方から出力する、光スイッチアレイと、前記Ｎ個の光スイッチのうちで隣接する波長の光を出力する２つの光スイッチからの出力光が並列に入力される２入力１出力の波長カプラをＮ−Ｐ（Ｐは１以上の整数）個有する波長カプラアレイであって、該波長カプラアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ−Ｐ）番目の波長カプラは、短波長側入力ポートに、第ｋ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが、長波長側入力ポートに、第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが接続され、入力される２つの入力を合波して１つの出力ポートから出力する、波長カプラアレイとを備え、前記Ｎ−Ｐ個の前記波長カプラのＮ−Ｐ個の出力と、前記光スイッチのうち最も短波長λ₁の光を出力する第１番目の光スイッチからλ_pの光を出力する第Ｐ番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力と、前記光スイッチのうち最も長波長λ_Nの光を出力する第Ｎ番目の光スイッチからλ_N-P+1の光を出力する第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力とが前記アレイ導波路回折格子のＮ＋Ｐ＋１個の入力ポートのうちの第２番目から第Ｎ＋Ｐ＋１番目に入力され、該Ｎ＋Ｐ個の入力光は２つの出力ポートの少なくとも１方から出力され、前記アレイ導波路回折格子は、前記Ｎ−Ｐ個の前記波長カプラのＮ−Ｐ個の出力と、最も短波長λ₁の光からλ_pの光をそれぞれ出力する第１番目から第Ｐ番目の光スイッチの２つの出力のうちの１つの出力と、前記光スイッチのうち最も長波長λ_Nの光からλ_N-P+1の光を出力する第Ｎ番目から第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチの２つの出力のうちの１つの出力とが入力され、該Ｎ＋Ｐ個の入力ポートから入力された光を、第１および第２の２つの出力ポートの少なくとも１方から出力し、前記Ｎ＋Ｐ＋１個の入力ポートは、第１番目から、最も長いアレイ導波路に近い側から順次隣接して設けられており、第２番目から第Ｐ＋１番目の入力ポートに前記第１番目から第Ｐ番目の光スイッチの出力が入力され、第ｋ＋Ｐ＋１番目の入力ポートに第ｋ番目の波長カプラの出力が入力され、第Ｎ＋Ｐ＋１番目から第Ｎ＋２番目の入力ポートに前記第Ｎ番目から第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチの出力が入力されるよう接続されており、前記Ｐは、Ｎ個の互いに異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）の光を空間的に分離するよう選択されるパラメータであることを特徴とする波長選択スイッチ。

従来の波長選択スイッチの概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の波長選択スイッチの概略構成を示す図である。 第２のＡＷＧの構成を示す図である。 スイッチアレイ部の構成を示す図である。 光スイッチを構成するマッハツェンダ干渉器の一例を示す図である。 波長カプラを構成するマッハツェンダ干渉器の一例を示す図である。 パラメータＰを変化させた場合の光の伝搬の様子を示す図である。 ２つの出力ポートＡ、Ｂでの透過率の変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態の波長選択スイッチの概略構成を示す図である。 第２の実施形態で用いられるＡＷＧの構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

（第１の実施形態）
図２に第１の実施形態のＮ波長多重分割信号の波長選択スイッチの概略構成を示す。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は側断面図である。図２（ｂ）に示すように、波長選択スイッチは、石英またはシリコンからなる基板１０８の上に、ともに石英で構成されたクラッド１０６とコア１０７が積層されて構成されている。

波長選択スイッチは、第１のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）１０１と、スイッチアレイ部１０２と、第１のＡＷＧ１０１およびスイッチアレイ部１０２を接続するＮ本の導波路からなる第１の導波路群１０４と、第２のＡＷＧ１０３と、スイッチアレイ部１０２および第２のＡＷＧ１０３を接続するＮ＋Ｐ本の導波路からなる第２の導波路群１０５とを備えて構成される。第１の導波路群１０４は第１のＡＷＧの出力ポートＦ₁，Ｆ₂，…，Ｆ_Nに接続され、第２の導波路群１０５は、第２のＡＷＧの入力ポートＧ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_N+Pに接続されている。Ｎ本の導波路群１０４と、スイッチアレイ部１０２と、Ｎ＋Ｐ本の導波路群１０５を通過する複数の光のパス（チャネル経路）はすべて等長となるよう構成される。ここでＰは、後述するように、各チャネルのスイッチ状態を空間的に十分に分離するよう選択される任意の整数である。

第１のＡＷＧ１０１は、波長選択スイッチの入力側に設けられており、Ｎ個の異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）の光が多重された１つの入力光を互いに波長の異なるＮ本の光に分離する。第１のＡＷＧ１０１には、入力側に１本の導波路が接続され、出力側のＮ個の出力ポートＦ₁，Ｆ₂，…，Ｆ_NにＮ本の導波路からなる第１の導波路群１０４が接続されている。

第２のＡＷＧ１０３は、波長選択スイッチの出力側に設けられており、Ｎ＋Ｐ個の導波路から入力される光を合波して、２つの出力ポートから出力する。入力側にＮ＋Ｐ個の入力ポートＧ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_N+Pを有し、出力側に２つのポートを有する。

第１のＡＷＧ１０１および第２のＡＷＧ１０３がグリッドレスな特性を得るためには、分光・合波を行った際の透過率が波長に対して平坦である必要がある。そのためには、第１のＡＷＧ１０１および第２のＡＷＧ１０３は、非特許文献２で述べられているように、ＡＷＧのアレイ導波路本数をＭ、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）をチャネル間隔で割ったものをＮ₀としたとき、Ｎ₀≧Ｍが成り立つように構成される。

また、第２のＡＷＧ１０３の２つの出力ポートを、最も短いアレイ導波路に近い側（図２において下側）からポートＡ、ポートＢとすると、ＡＷＧの基本的特性から、ある波長の出力をポートＡからポートＢに、すなわち図示の上方向にずらすためには、入力側のポートを最も短いアレイ導波路に近い側（図２において下側）のポートにずらせば良い。本実施形態では、このずれ量が入力導波路Ｐ本分であるように第２のＡＷＧ１０３が構成される。具体的には、図３に示す第２のＡＷＧ１０３において次式（１）を満足するように設計する。図３では、第１スラブ導波路３２の出力側に接続されるアレイ導波路設置間隔がｄ₁であり、第２スラブ導波路３４の入力側に接続されるアレイ導波路設置間隔がｄ₂である。また、図３に示されるように、第１スラブ導波路３２の入力側に接続される導波路間隔はＤ₁であり、第２のスラブ導波路３４の出力側の２つの出力ポートＡ，Ｂの間隔はＤ₂である。さらに第１スラブ導波路、第２スラブ導波路の長さはそれぞれｆ₁、ｆ₂である。

以上の性質を用いて、第２のＡＷＧ１０３において波長λ₁〜λ_NがポートＡに出力されるための入力側の波長割り当てを波長対応Ａで、ポートＢに出力されるための波長割り当てを波長対応Ｂであらわし、それぞれ破線で囲って図２内に示した。

本発明の波長選択スイッチでは、任意の波長の光が所望のポートから出力されるように、スイッチアレイ部１０２により、第２のＡＷＧ１０３への入力導波路を切り替えている。スイッチアレイ部１０２は、Ｎ本の入力、Ｎ＋Ｐ本の出力を有するスイッチ列であり、導波路Ｆ_kに入力される波長λ_kの光を、導波路Ｇ_kかＧ_k+Pのどちらかあるいは両方から、任意のパワー比で出力させることができるスイッチである。ｋ＝１，…，Ｎのすべてのチャネルにおいて独立にスイッチ状態を選択できる。

図４にスイッチアレイ部１０２の内部構成を示す。図４に示すように、スイッチアレイ部１０２は、Ｎ個の１入力２出力の光スイッチＳ₁、Ｓ₂・・・Ｓ_Nからなる光スイッチアレイ３０１と、Ｎ−Ｐ個の２入力１出力の波長カプラＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_N-Pからなる波長カプラアレイ３０２とを有している。なお、図４に示す例ではパラメータＰがＰ＝４である場合を説明している。

光スイッチアレイ３０１の各光スイッチＳ₁、Ｓ₂・・・Ｓ_Nはそれぞれ、２つの出力を有しており、この２つの出力にそれぞれ導波路が接続されている。それぞれの光スイッチＳ₁、Ｓ₂・Ｓ_k・・Ｓ_Nは、それぞれ波長λ_kを、導波路ｋａ、ｋｂのどちらかあるいはその両方に導波する（ｋ：１、２、・・・Ｎ）。

光スイッチアレイ３０１の各光スイッチＳ₁、Ｓ₂・・・Ｓ_Nは、図５に示す移相シフタを集積したマッハツェンダ干渉器を用いて構成することができる。ここで図５を用いて、光スイッチＳ₁の構成について説明する。なお、他の光スイッチＳ₁、Ｓ₂・・・Ｓ_Nも光スイッチＳ₁と同様に構成することができる。スイッチＳ₁は、２つの１：１カプラ４０１とその間をつなぐ等長の２本のアーム４０２からなり、片方のアームに位相を制御することができる位相シフタ４０３が装備されている。位相シフタ４０３としては回路上に集積されたヒータを用いることができる。位相シフタ４０３は、導波路の熱光学効果を誘起することによって、導波路内で生じる位相変化量を制御することができる。図５に示すように、上側の入力ポートから入力された場合、既知の干渉原理により、アーム間に位相差がない場合はクロスポート４０４に、位相差がπである場合はバーポート４０５に光が導かれる。位相差がそれ以外の値であるときには、クロスポート４０４およびバーポート４０５の両方のポートから光が位相差に応じた比で取り出される。本実施形態では２本のアームの長さを完全に等長としたが、位相シフタ４０３を駆動しない状態でのスイッチ状態を変えるために、λ／２、λ／４など、波長オーダーの長さの差をつけてもよい。

波長カプラアレイ３０２の波長カプラＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_N-Pは、Ｐチャネルだけ隔てた波長を合波し、Ｎ−Ｐ個配置される。図４の上側からＣ₁〜Ｃ_N-Pと名付けると、Ｃ_kは導波路ｋ_bを伝搬してきた波長λ_kと導波路（ｋ＋Ｐ）ａを伝搬してきたλ_k+Pを合波するよう作られており、その出力は導波路Ｇ_k+Pとなる（ｋ：１、２、・・・Ｎ）。導波路１ａ，２ａ，…，Ｐａは、波長カプラ３０２を通過せず、そのままそれぞれＧ₁、Ｇ₂、…、Ｇ_Pとなる。また、導波路（Ｎ−Ｐ＋１）ｂ、（Ｎ−Ｐ＋２）ｂ、…、（Ｎ−１）ｂ、Ｎｂも、波長カプラ３０２を通過せず、そのままそれぞれＧ_N+1，Ｇ_N+2，…，Ｇ_N+Pとなる。

波長カプラＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_N-Pは、図６に示す非対称型マッハツェンダ干渉器を用いて構成することができる。ここで図６を用いて、波長カプラＣ_kの構成について説明する。なお、他の波長カプラＣ₁、Ｃ₂・・・Ｃ_N-Pも波長カプラＣ_kと同様に構成することができる。波長カプラＣ_kは、２つの１：１カプラ４０１とこれらの２つのカプラ４０１を接続する長さの異なる２つのアーム５０１を有する。波長カプラＣ_kは、既知の干渉原理により、インターリーバとして動作する。出力ポートが切り替わる周波数間隔は長いアームと短いアームの長さの差ΔＬによって定まる。なお、図６の波長カプラＣ_kでは１出力としてクロスポートに光が出力されている。図６に示すように、第１の入力ポート５０２は導波路ｋｂと接続され、第２の入力ポート５０３は導波路（ｋ＋Ｐ）ａと接続される。この波長カプラＣ_kが合波する２つの波長の差を周波数単位で表したものをΔｖ、真空中の光速をｃ、導波路の群屈折率をｎ_gとすると、出力ポートが切り替わる周波数間隔がΔｖとなるためのΔＬは、式（２）で与えられる。

ただし、上式（２）で表されるΔＬをそのまま用いると、一般的には透過帯域が合波する波長に一致しておらず、波長軸方向にオフセットがある。したがって、わずかにΔＬを上式（２）から増減させ、波長軸方向に透過スペクトルをシフトさせ、補正した値を用いる必要がある。この増減分の長さをＬ_sとする。図６に示されるように、波長λ_kがクロスポートに透過するようにするには、ｍを正整数として、次式（３）を満たすようなΔＬとなるよう構成する。このＬ_sは最大でも１波長以下にすることができ、Δｖに与える影響は十分小さい。

本実施形態では、ΔｖをＡＷＧのチャネル間隔のＰ倍に一致させ、Ｌ_sが上式（３）を満たしかつその絶対値が最小となるよう構成する。

次に本実施形態の波長選択スイッチの動作を説明する。まず、入力光が第１のＡＷＧ１０１によってλ₁〜λ_Nに分解される。次に、各波長チャネルはスイッチアレイ部１０２によってスイッチされる。波長λ_kが１００％導波路ｋａに導波された場合、出力ポートＧ_kから出力されて導波路１０５を伝搬し、波長対応Ａに従って第２のＡＷＧ１０３に入射するため、そのチャネルの光は出力ポートＡから出力される。一方、波長λ_kが１００％導波路ｋｂに導波された場合、出力ポートＧ_k+Pから出力されて導波路１０５を伝搬し、波長対応Ｂに従って第２のＡＷＧ１０３に入射するため、出力ポートＢから出力される。また、波長λ_kが５０％導波路ｋａに、５０％導波路ｋｂに導波された場合、出力ポートＡ、出力ポートＢのそれぞれから５０％ずつ出力されるため、２つの出力導波路に同じ波長チャネルの信号を出力する動作モードであるマルチキャスト動作となる。

以下、Ｎ個の互いに異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）の光を空間的に分離するよう選択されるパラメータＰについて説明する。図７（ａ）はＰ＝４の場合、図７（ｂ）はＰ＝１の場合の光の伝搬の様子を描いたものである。破線が各部でのビームスポット形状を表している。

本実施形態ではＰ＝４を選択しているが、図７（ａ）の（２）に示すように、導波路群１０５への出力ポートにおいて、各波長の２つのスイッチ状態を空間的に十分に分離することができる。このようにすれば、図7(a)のW1に示されるように、ポートＡとポートＢの間のクロストークを低く抑えることができる。

一方、Ｐ＝１と小さくＰを設定すると、図７（ｂ）の（３）に示ように、導波路群１０５への出力ポートにおいて波長対応Ａに従った光と波長対応Ｂに従った同じ波長の光が空間的にオーバーラップしてしまう。これにより、図7(b)のW2に示されるように、ポートＡとポートＢの間で高いクロストークが発生してしまう。因みに、波長分割多重信号を分解する用途のＡＷＧでは、クロストークを十分低減するため、アレイ本数をＭ≒３Ｎ₀程度に選んで設計している。しかし、第１のＡＷＧ１０１および第２のＡＷＧ１０３における条件Ｎ₀≧Ｍはこれに反しているので、第１のＡＷＧ１０１、第２のＡＷＧ１０３はクロストークが十分に低減されていない。すなわち、図7(a)(b)の(1)に示されるように、一つの波長が複数の導波路に結合しており、隣同士の出力導波路間では十分に波長分解できていない状態になり得る。このようにパラメータＰは、本実施形態のように必ずしも４とは限らないが、十分大きい値に選ぶことによって、このオーバーラップの発生を防止できる。

図８に、数値計算によりシミュレートした各ポートからの透過率を示す。Ｎ＝２０、チャネル間隔を１００ＧＨｚとした。図８（ａ）はすべてのチャネルをポートＢから出力した場合、図８（ｂ）はすべてのチャネルをポートＡから出力した場合、図８（ｃ）は短波長側から１０００ＧＨｚ（１０チャネル）をポートＢに出力、続く６００ＧＨｚ（６チャネル）をマルチキャスト、続く４００ＧＨｚ（４チャネル）をポートＡに出力した場合、図８（ｄ）は４００ＧＨｚ間隔のインターリーバとして動作させた場合、の透過スペクトルを示している。本図から、同じポートから取り出される連続したチャネルでは平坦な透過スペクトルが得られており、スペクトルを切り出す幅が可変であることが確かめられた。

このように本実施形態の波長選択スイッチによれば、ＡＷＧの規模を拡大せずに、従来は３つ必要であったＡＷＧを２つに統合し、なおかつ交差導波路の数が少なく、通過する交差導波路の数がスイッチ状態にほとんど依存しないグリッドレス型１×２波長選択スイッチを提供できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の波長選択スイッチを図９に示す。本実施形態の波長選択スイッチは、１つのＡＷＧが第１のＡＷＧおよび第２のＡＷＧの機能を兼ね、導波路の長さを調整する等長化導波路８０７を設ける構成である以外は、第１の実施形態の波長選択スイッチと同様の構成である。ＡＷＧ８０１の出力側から出力された光がスイッチアレイ部１０２を介して分光を行ったＡＷＧ８０１の入力側に再び入力され、同一のＡＷＧ８０１で合波が行われる。ＡＷＧ８０１は、Ｎ＋Ｐ＋１個の入力ポートとＮ＋２個の出力ポートを有し、第１のスラブ導波路と第２のスラブ導波路が同じ長さである対称ＡＷＧである。

ＡＷＧ８０１は、入力側に、最も長いアレイ導波路に近い側から入力ポートＦ₁，Ｆ₂，…，Ｆ_N+P+1を有し、出力側に、最も長いアレイ導波路に近い側から出力ポートＧ₁，Ｇ₂，…，Ｇ_N+2を有する。出力ポートＦ₁が、本実施形態の波長選択スイッチの入力ポートからの入力導波路８０２に接続される。出力ポートＧ₁、Ｇ₂がそれぞれ出力導波路８０３、８０４を介して波長選択スイッチの出力ポートＢ、出力ポートＡに接続される。

また、ＡＷＧ８０１の出力ポートＧ₃，…，Ｇ_N+2はＮ本の接続導波路からなる第１の接続導波路群８０５を介してスイッチアレイ部１０２の入力に接続されている。また、スイッチアレイ部１０２の出力は、Ｎ＋Ｐ本の接続導波路からなる第２の接続導波路群接続導波路８０６を介して、ＡＷＧ８０１の入力ポートＦ₂，…，Ｆ_N+P+1に接続されている。

第１の実施形態と同様に、第１の接続導波路群８０５、スイッチアレイ部１０２、第２の接続導波路軍８０６からなるループバック部分においては、どの波長パスを選んでも長さが等しい必要がある。この条件を満たすため、図９では、第２接続導波路群８０６には等長化導波路８０７を有している。この等長化導波路８０７は第２の接続導波路群８０６でなく第１の接続導波路群８０５に含めても構わない。入力光が入力導波路８０２に入力されたとき、出力ポートＧ₃〜Ｇ_N+2に出力される波長が、波長選択スイッチが対象とする波長λ₁〜λ_Nの光の波長チャネルである。

図１０はＡＷＧ８０１において入力ポート群Ｆと出力ポート群Ｇがスラブ導波路にどのように接続されるかを示す詳細図である。第１のスラブ導波路８２の入力導波路８１が接続されている側にｘ軸を、第２のスラブ導波路８４の出力導波路８５が接続されている側にξ軸を図のようにとる。本図に示されるように、入力ポートＦ₁と出力ポートＧ₁、入力ポートＦ_P+2〜Ｆ_N+P+1と出力ポートＧ₃〜Ｇ_N+2はそれぞれｘ軸とξ軸上で同じ座標にある。入力ポートＦ₂〜Ｆ_N+P+1と出力ポートＧ₃〜Ｇ_P+2の導波路配置間隔はともにｄであるとする。出力ポートＧ₁と出力ポートＧ₂はＰｄだけ隔てて配置される。ＡＷＧの対称性から、入力ポートＦ_P+2〜Ｆ_N+P+1にそれぞれ波長λ₁〜λ_Nが入射したとすると、それらはすべて出力ポートＧ₁に接続された出力導波路８０３に出力される。これを波長対応Ｂとする。また、この波長対応ＢとＡＷＧの基本的性質から理解されるように、波長対応Ｂから入力ポートがＰ本だけずれた、入力ポートＦ₂〜Ｆ_N+1にそれぞれ波長λ₁〜λ_Nが入射したとすると、それらはすべて出力ポートＧ₂に接続された出力導波路８０４に出力される。これを波長対応Ａとする。２つの波長対応関係は図９内に示されている。

ここで図９の波長選択スイッチの動作を説明する。入力導波路８０２に入力された波長λ₁〜λ_Nの光は波長分解され、出力ポートＧ₃〜Ｇ_N+2に出力された後、第１の接続導波路群８０５を介して入力するスイッチアレイ部１０２でスイッチ操作を受ける。ここにおける動作は第１の実施形態と同様である。なお、図９では図２と異なりスイッチアレイ部１０２が１８０度回転（上下反転）して配置されている。

スイッチ操作を受けた光は再び第２の接続導波路群８０６を介してＡＷＧ８０１の第１スラブ導波路に入射される。もし出力ポートＧ_k+2から出力された波長λ_kの光が光スイッチアレイ２０１においてｂ側にスイッチされているとすると、波長対応Ｂに従ってＡＷＧ８０１に再入力されるから、出力ポートＧ₁を介してポートＢから出力される。一方、ａ側にスイッチされたとすると、波長対応Ａに従ってＡＷＧ８０１に再入力されるから、出力ポートＧ₂を介してポートＡから出力される。

このように本実施形態の波長選択スイッチによれば、ＡＷＧの規模をほとんど拡大せずに、従来は３つ必要であったＡＷＧを１つに統合し、なおかつ交差導波路の数が少なく、通過する交差導波路の数がスイッチ状態にほとんど依存しないグリッドレス型１×２波長選択スイッチを提供できる。

１０１ 第１アレイ導波路回折格子
１０２ スイッチアレイ
１０３ 第２アレイ導波路回折格子
１０４ 接続導波路
１０５ 接続導波路
１０６ クラッド
１０７ コア
１０８ 基板
３０１ 光スイッチアレイ
Ｓ₁、Ｓ₂、・・・Ｓ_N １入力２出力光スイッチ
３０２ 波長カプラアレイ
Ｃ₁、Ｃ₂、・・・Ｃ_NーP ２入力１出力波長カプラ
４０１ １：１分岐カプラ
４０２ 等長導波路
４０３ 位相シフタ
４０４ クロスポート
４０５ バーポート
５０１ 非対称導波路
５０２ 入力ポート
５０３ 入力ポート
８０１ アレイ導波路回折格子
８０２ 入力導波路
８０３ 出力導波路Ｂ
８０４ 出力導波路Ａ
８０５ 接続導波路
８０６ 接続導波路
８０７ 等長化導波路
１００１ 分光器
１００２ １入力２出力光スイッチ
１００３ 第１の合波器
１００４ 第２の合波器

Claims (2)

1. Ｎ個の異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）を多重したＮ波長分割多重信号を入力信号とする１入力２出力の波長選択スイッチであって、
   １つの入力導波路から入力されたＮ波長分割多重信号を波長分割して、Ｎ個の出力導波路へと出力する第１のアレイ導波路回折格子と、
   前記Ｎ個の出力導波路からの出力光が並列に入力される１入力２出力の光スイッチをＮ個有する光スイッチアレイであって、該光スイッチアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ）番目の光スイッチは、前記Ｎ個の出力導波路のうちの１つの出力導波路からｋ番目に短い波長λ_kの光が入力され、該波長λ_kの光を２つの出力のうちの少なくとも一方から出力する、光スイッチアレイと、
   前記Ｎ個の光スイッチのうちで隣接する波長の光を出力する２つの光スイッチからの出力光が並列に入力される２入力１出力の波長カプラをＮ−Ｐ（Ｐは１以上の整数）個有する波長カプラアレイであって、該波長カプラアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ−Ｐ）番目の波長カプラは、短波長側入力ポートに、第ｋ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが、長波長側入力ポートに、第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが接続され、入力される２つの入力を合波して１つの出力ポートから出力する、波長カプラアレイと、
   前記Ｎ−Ｐ個の前記波長カプラのＮ−Ｐ個の出力と、前記光スイッチのうち最も短波長λ₁の光を出力する第１番目の光スイッチからλ_pの光を出力する第Ｐ番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力と、前記光スイッチのうち最も長波長λ_Nの光を出力する第Ｎ番目の光スイッチからλ_N-P+1の光を出力する第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力とが入力されるＮ＋Ｐ個の入力ポートを有し、該Ｎ＋Ｐ個の入力ポートから入力された光を２つの出力ポートの少なくとも１方から出力する第２のアレイ導波路回折格子とを備え、
   前記第２のアレイ導波路回折格子の入力ポートは、第１番目から第Ｎ＋Ｐ番目の入力ポートが最も長いアレイ導波路に近い側から順次隣接して設けられており、第１番目から第Ｐ番目の入力ポートに前記第１番目から第Ｐ番目の光スイッチの出力が入力され、第ｋ＋Ｐ番目の入力ポートに第ｋ番目の波長カプラの出力が入力され、第Ｎ＋１番目から第Ｎ＋Ｐ番目の入力ポートに前記第Ｎ−Ｐ＋１番目から第Ｎ番目の光スイッチの出力が入力されるよう接続されており、
   前記Ｐは、Ｎ個の互いに異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）の光を空間的に分離するよう選択されるパラメータであることを特徴とする波長選択スイッチ。
2. Ｎ個の異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）を多重したＮ波長分割多重信号を入力信号とする１入力２出力の波長選択スイッチであって、
   Ｎ＋Ｐ＋１個の入力ポートと、Ｎ＋２個の出力ポートを有するアレイ導波路回折格子であって、第１の入力ポートから入力されたＮ波長分割多重信号を波長分割して、第３から第Ｎ＋２の出力ポートに接続されたＮ個の出力導波路へと出力するアレイ導波路回折格子と、
   前記Ｎ個の出力導波路からの出力光が並列に入力される１入力２出力の光スイッチをＮ個有する光スイッチアレイであって、該光スイッチアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ）番目の光スイッチは、前記Ｎ個の出力導波路のうちの１つの出力導波路からｋ番目に短い波長λ_kの光が入力され、該波長λ_kの光を２つの出力のうちの少なくとも一方から出力する、光スイッチアレイと、
   前記Ｎ個の光スイッチのうちで隣接する波長の光を出力する２つの光スイッチからの出力光が並列に入力される２入力１出力の波長カプラをＮ−Ｐ（Ｐは１以上の整数）個有する波長カプラアレイであって、該波長カプラアレイのうちの第ｋ（ｋ＝１、２、・・・Ｎ−Ｐ）番目の波長カプラは、短波長側入力ポートに、第ｋ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが、長波長側入力ポートに、第ｋ＋Ｐ番目の光スイッチの２つの出力ポートのうちの第ｋ番目の光スイッチに近い側にある出力ポートが接続され、入力される２つの入力を合波して１つの出力ポートから出力する、波長カプラアレイとを備え、
   前記Ｎ−Ｐ個の前記波長カプラのＮ−Ｐ個の出力と、前記光スイッチのうち最も短波長λ₁の光を出力する第１番目の光スイッチからλ_pの光を出力する第Ｐ番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力と、前記光スイッチのうち最も長波長λ_Nの光を出力する第Ｎ番目の光スイッチからλ_N-P+1の光を出力する第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチのそれぞれにおける２つの出力のうちの１つの出力であるＰ個の出力とが前記アレイ導波路回折格子のＮ＋Ｐ＋１個の入力ポートのうちの第２番目から第Ｎ＋Ｐ＋１番目に入力され、該Ｎ＋Ｐ個の入力光は２つの出力ポートの少なくとも１方から出力され、
   前記アレイ導波路回折格子は、前記Ｎ−Ｐ個の前記波長カプラのＮ−Ｐ個の出力と、最も短波長λ₁の光からλ_pの光をそれぞれ出力する第１番目から第Ｐ番目の光スイッチの２つの出力のうちの１つの出力と、前記光スイッチのうち最も長波長λ_Nの光からλ_N-P+1の光を出力する第Ｎ番目から第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチの２つの出力のうちの１つの出力とが入力され、該Ｎ＋Ｐ個の入力ポートから入力された光を、第１および第２の２つの出力ポートの少なくとも１方から出力し、
   前記Ｎ＋Ｐ＋１個の入力ポートは、第１番目から、最も長いアレイ導波路に近い側から順次隣接して設けられており、第２番目から第Ｐ＋１番目の入力ポートに前記第１番目から第Ｐ番目の光スイッチの出力が入力され、第ｋ＋Ｐ＋１番目の入力ポートに第ｋ番目の波長カプラの出力が入力され、第Ｎ＋Ｐ＋１番目から第Ｎ＋２番目の入力ポートに前記第Ｎ番目から第Ｎ−Ｐ＋１番目の光スイッチの出力が入力されるよう接続されており、
   前記Ｐは、Ｎ個の互いに異なる波長（λ₁＜λ₂＜・・・＜λ_N）の光を空間的に分離するよう選択されるパラメータであることを特徴とする波長選択スイッチ。

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