JP5824789B2

JP5824789B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP5824789B2
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Authority: JP
Inventors: 中村　滋; 滋中村; 正宏坂内
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Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: JP2012027313A

Description

本発明は、光通信システムや装置間接続システムに用いられる光スイッチに関する。

光ファイバ通信システムにおいては、波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術が普及してきており、今後、波長毎のパス設定の柔軟性向上が期待されている。このような波長パスネットワークを実現していく上で、波長多重された光信号の伝送路と波長毎の光信号の送受信を行う光送受信器との間に、波長毎の光信号の経路を柔軟に設定する機能が必須と考えられる。

このような機能を実現する手段としては、例えば、特許文献１に光合分波器と光スイッチで構成される波長多重分離用光回路を用いる手段が記載されている。特許文献１に記載されている光合分波器と光スイッチから成る光回路構成を図１４に示す。この光回路は、伝送路と光送信器の間に置かれる場合と伝送路と光受信器の間に置かれる場合でほぼ同様の構成が用いられるが、以下、光送信側に置かれる場合を例にとり説明する。光合分波器９１は、伝送路側はＮポート（図１４ではＮ＝４、Ｒ１〜Ｒ４）、光スイッチ側はＭポート（図１４ではＭ＝４、Ｑ１〜Ｑ４）を有するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）である。また、光スイッチ９２は、光合分波器側も光送受信器側もＭポート（図１４ではＭ＝４、Ｑ１〜Ｑ４、Ｐ１〜Ｐ４）を有するマトリクス光スイッチである。伝送路側の４ポートは光信号を送出するポート（Ｑ１〜Ｑ４）であり、光送信器側の４ポート（Ｐ１〜Ｐ４）は光信号を受け付けるポートである。受付ポートにはそれぞれ光送信器が接続されている。４×４マトリクス光スイッチ９２は、図１５に示すように、２入力２出力の光スイッチ１０１〜１１６を多段接続することによって構成され、光入出力ポート１２１〜１２８を備えている。このような光スイッチの接続に関しては、例えば、非特許文献１に記載がある。

図１５の２入力２出力の光スイッチとしては、図１６に示すマッハ・ツェンダ型光スイッチが用いられる。この光スイッチは、シリコン基板１３１上にゲルマニウムをドーピングした石英で成るコア１３２とこれよりも約１％低い屈折率を有する石英で成るクラッド１３３とで光導波路が形成されている。この光導波路を用いて、入力ポート１３７、１３８の２本、出力ポート１３９、１４０の２本を有するマッハ・ツェンダ型光スイッチが形成される。２本の光導波路を近接させ光結合を生じさせる方向性結合器１４１、１４２では光分岐・光合流の役割を果たす。入力ポート１３７または１３８から光信号を入射する場合、方向性結合器１４１で分岐され、１４２で合流・干渉する。干渉する際の光の位相差に応じて、入力ポート１３７からの光信号を全て出力ポート１４０に導く状態（クロス状態）、入力ポート１３７からの光信号を全て出力ポート１３９に導く状態（バー状態）、入力ポート１３７および１３８の両方からの光信号を出力ポート１４０に導く状態（合波状態）の３通りの状態を選択することができる。この合波状態では、入力ポート１３７および１３８の両方からの光信号は、約１／２ずつ出力ポート１３９、１４０から出力される。方向性結合器１４２で光が干渉する際の位相差は、ヒータ１３６に電流を印加し、ヒータ直下の光導波路に局部的に熱を印加して屈折率を変化させることによって制御する。図１７に、ヒータの出力を横軸に、入力ポート１３７から光信号を入力し出力ポート１４０から出力された光強度を縦軸にあらわしたグラフを示す。ヒータ１３６に熱印加を行わない場合（図１７のＡの場合）がクロス状態、ヒータ１３６に電力Ｂの熱印加を行う場合が合波状態、ヒータ１３６に電力Ｃの熱印加を行う場合がバー状態である。

特許文献１に記載されている光回路構成では、光スイッチにおいて、図１７に示すように、クロス状態、バー状態、合波状態の３通りの設定を用いる。これにより、ＡＷＧとマトリクス光スイッチを接続する各ポートにおいて１ポートあたり複数波長の光信号が通過することを可能とし、光回路内における波長パス設定の制約が生じないようにしている。例えば図１４で、第１の波長の光信号をＰ１に送出し、第２の波長の光信号をＰ２に送出する場合、この２つの光信号は、ＡＷＧとマトリクス光スイッチの接続部において同じポートＱ１を通過させたい場合があるが、マトリクス光スイッチ内の所定の光スイッチを合波状態に設定することにより、これが可能となる。図１７の、クロス状態、バー状態の光路切替では、ほとんど損失が生じない。しかし、図１７の、合波状態では、それぞれの光信号の強度は約１／２に減少することになる。

また、光受信側で用いられる場合には、複数波長の光信号がＡＷＧとマトリクス光スイッチを接続する部分で同一のポートを通過させる必要が生じた場合、マトリクス光スイッチ内の所定の光スイッチにおいて、光強度を約１／２ずつに分けるように制御される。これを分波状態と称することとする。光受信器に光信号を入力する際には、さらに波長可変フィルタに通して分波することにより、目的の波長を受信できる。この場合も光送信側と同様に、分波状態でそれぞれの光信号の強度は約１／２に減少することになる。

また、非特許文献２には、位相調整機構付非対称マッハツェンダ光スイッチが記載されており、低損失で合波と分波を行える。

特願２００９−２３３５１０号公報

郷他著、「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、第１巻、ｐ．１１９２−１１９９、１９９９年Ｃ．Ｋｏｓｔｒｅｗａ他著、「ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９、ＮＯ．１１，ＮＯＶＥＭＢＥＲ１９９７」

特許文献１の光スイッチを用いると、光路切替は低損失であるが、合波・分波する際に損失が大きいという課題があった。その理由は、合波状態では入力ポート１３７および１３８の両方からの光信号は、約１／２ずつ出力ポート１３９、１４０から出力されるためである。分波する場合も、合波状態を経るため同じ理由となる。

また、非特許文献２の光スイッチを用いると、合波・分波は低損失であるが、複数波長の光信号に対して一括して光路切替が行えないという課題があった。

本発明の目的は、光路切替と合波・分波のどちらの状態でも低損失な光スイッチを提供することにある。

本発明の光スイッチは、第１の光導波路と、第２の光導波路と、第１の光導波路と第２の光導波路とが接続して形成される第１の光カプラと、第２の光カプラと、第２の光導波路の第１の光カプラと第２の光カプラに挟まれた部分に設けられた光路長制御手段と、を備え、光路長制御手段は、光路長制御手段を通過する２つの波長の光に対して、出射側の第２の光カプラを通過する同じ波長の光の位相が等しくなるように制御する機能と、第２の光カプラを通過する際の、第１の光導波路と第２の光導波路とを通過した同じ波長の光の位相差を、一方の波長の光は０、他方の波長の光はπに制御する機能と、を有することを特徴とする。

また、本発明の光スイッチは、第１の光導波路と、第２の光導波路と、第３の光導波路と、第１の光導波路と第２の光導波路とが接続して形成される第１の光カプラと、第２の光カプラと、第１の光カプラと第２の光カプラとで挟まれた部分の第２の光導波路と、第３の光導波路とが、接続して順に形成される第３の光カプラ、第４の光カプラ、第５の光カプラ、第６の光カプラと、第２の光導波路、又は、第３の光導波路のどちらか一方の、第３の光カプラと第４の光カプラに挟まれた部分に配置された第１の位相制御器と、第２の光導波路、又は、第３の光導波路のどちらか一方の、第５の光カプラと第６の光カプラに挟まれた部分に配置された第２の位相制御器と、を備え、第１の光カプラと第２の光カプラとに挟まれた部分の、第１の光導波路の光路長と第２の光導波路の光路長とが等しく、第４の光カプラと第５の光カプラとに挟まれた部分の第２の光導波路と第３の光導波路との光路長差が所定の長さ以上である、ことを特徴とする。

本発明によれば、光路切替と合波・分波のどちらの状態でも低損失な光スイッチを提供することができる。

本発明を実施するための形態の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例１、２の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例１、２の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例３の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例３の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例３の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。本発明の実施例４の光スイッチを示す平面図である。従来の波長多重分離用光回路の構成図である。従来の波長多重分離用光回路における光スイッチの構成図である。従来の波長多重分離用光回路に用いられる光スイッチの構成図である。従来の波長多重分離用光回路に用いられる光スイッチの動作説明図である。

本発明の光スイッチについて図１を参照しながら説明する。

本発明の光スイッチは、第１の光導波路１と、第２の光導波路２と、第１の光導波路と第２の光導波路とが接続して形成される第１の光カプラ３と、第２の光カプラ４と、第２の光導波路２の第１の光カプラ３と前記第２の光カプラ４に挟まれた部分に設けられた光路長制御手段２ａと、を備え、光路長制御手段２ａは、光路長制御手段２ａを通過する２つの波長の光に対して、出射側の第２の光カプラ４を通過する同じ波長の光の位相が等しくなるように制御する機能と、第２の光カプラ４を通過する際の、第１の光導波路１と第２の光導波路２とを通過した同じ波長の光の位相差を、一方の波長の光は０、他方の波長の光はπに制御する機能と、を有することを特徴とする。

ここで、光の波長とは、その光の強度がピークとなる波長を指している。つまり、２つの波長の光とは、光の強度がピークとなる波長が２つある光を指す。

また、光カプラとしては方向性結合器や多モード干渉結合器を用いることができる。図１では、第１の光導波路１と第２の光導波路２が近接しており光カプラが方向性結合器の場合を示しているが、第１の光導波路１と第２の光導波路２が接続される多モード干渉結合器であっても良い。

第１の光カプラ３を伝播する異なる２つ波長の光は、それぞれ、第１の光カプラ３で分岐され、第１の光導波路１と、第２の光導波路２及び光路長制御手段２ａを伝播する。

ここで、２つの波長の光のうち短い波長の光をλ_min、長い波長の光をλ_maxとする。更に、短い波長の光のうち第１の光カプラ３で分岐され、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた第１の光導波路１を伝播する光をλ_min1、第２の光導波路２及び光路長制御手段２ａを伝播する光をλ_min2とする。同様に、長い波長の光のうち第１の光カプラ３で分岐され、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた第１の光導波路１を伝播する光をλ_max1、第２の光導波路２及び光路長制御手段２ａを伝播する光をλ_max2とする。

第１の光路長制御状態では、以下のように位相を制御する。光路長制御手段２ａでλ_min2を制御し、第２の光カプラ４におけるλ_min2とλ_min1の位相差が０となるようにする。更に、光路長制御手段２ａでλ_max2を制御し、第２の光カプラ４におけるλ_max2とλ_max1の位相差が０となるようにする。つまり、λ_min2とλ_min1の位相差と、λ_max2とλ_max1の位相差はともに０となる。

したがって、マッハ・ツェンダ光スイッチの原理により、λ_minとλ_maxが共にクロス状態で光路が切り替えられる
第２の光路長制御状態では、以下のように位相を制御する。光路長制御手段２ａでλ_min2を制御し、第２の光カプラ４におけるλ_min2とλ_min1の位相差が０となるようにする。更に、光路長制御手段２ａでλ_max2を制御し、第２の光カプラ４におけるλ_max2とλ_max1の位相差がπとなるようにする。

したがって、マッハ・ツェンダ光スイッチの原理により、λ_minがクロス状態で光路が切り替えられ、λ_maxはバー状態で光路が切り替えられ異なる光路切替状態となる。

この場合、第１の光導波路１の左端からλ_minが、第２の光導波路２の左端からλ_maxが入力されると、λ_minがクロス状態で、λ_maxがバー状態で光路が切り替えられるため、λ_min、λ_maxはともに第２の光導波路２の右端から出力され、合波が実現されている。

また、第１の光導波路１の左端からλ_min、λ_maxが入力されると、λ_minがクロス状態で、λ_maxがバー状態で光路が切り替えられるため、λ_minは第２の光導波路２の右端から出力され、λ_maxは第１の光導波路１の右端から出力され分波が実現されている。

以上の合波、分波では、λ_min、λ_maxは第１の光導波路１のみから、又は、第２の光導波路２のみから出力されるため特許文献１にあるように強度は約１／２にはならず、低損失となる。

また、第２の光路長制御状態では、光路長制御手段２ａでλ_min2を制御し、第２の光カプラ４におけるλ_min2とλ_min1の位相差がπとなり、第２の光カプラ４におけるλ_max2とλ_max1の位相差が０となるように制御し、λ_minがバー状態、λ_maxがクロス状態で光路が切り替えられる場合も同様に合波と分波が実現できる。

以上の通り、光路切替と合波・分波のどちらの状態でも低損失な光スイッチを提供することができる。

本発明の光スイッチについて図２、３を参照しながら説明する。

本発明の光スイッチは、第１の光導波路１と、第２の光導波路２と、第３の光導波路５と、第１の光導波路１と第２の光導波路２とが接続して形成される第１の光カプラ３と、第２の光カプラ４と、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４とで挟まれた部分の第２の光導波路２と、第３の光導波路５とが、接続して順に形成される第３の光カプラ６、第４の光カプラ７、第５の光カプラ８、第６の光カプラ９と、第２の光導波路２、又は、第３の光導波路５のどちらか一方の、第３の光カプラ６と第４の光カプラ７に挟まれた部分に配置された第１の位相制御器１０と、第２の光導波路２、又は、第３の光導波路５のどちらか一方の、第５の光カプラ８と第６の光カプラ９に挟まれた部分に配置された第２の位相制御器１１と、を備え、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４とに挟まれた部分の、第１の光導波路１の光路長と第２の光導波路２の光路長とが等しく、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第２の光導波路２と第３の光導波路５との光路長差が所定の長さ以上である。

図２では、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第３の光導波路５は第２の光導波路２よりも所定の長さ以上長くなっている。

また、図３に示す光スイッチでは、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の、第３の光導波路５は第２の光導波路２よりも所定の長さ以上短くなっている。

図２、３では、第３の光カプラ６、第４の光カプラ７、第５の光カプラ８、第６の光カプラ９は、第１の光カプラ３に近いものから順に並んでいるが、第２の光カプラ４に近いものから順に第３の光カプラ６、第４の光カプラ７、第５の光カプラ８、第６の光カプラ９としてもよい。

以下では、図２の光スイッチの動作について説明する。

光スイッチの第１の動作として、第１の位相制御器１０と第２の位相制御器１１の制御状態により、λ_min2とλ_max2が第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第２の光導波路２を伝播する場合を説明する。

λ_min2とλ_max2は、第１の光カプラ３で分岐され第２の光導波路２を伝播し、第３の光カプラ６で分岐される。そして、第３の光カプラ６と第４の光カプラ７で挟まれた部分の第２の光導波路２及び第３の光導波路５を伝播し第１の位相制御器１０によって制御され、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第２の光導波路２を伝播する。そして、第５の光カプラ８で分岐され、第５の光カプラ８と第６の光カプラ９で挟まれた部分の第２の光導波路２及び第３の光導波路５を伝播し、第２の位相制御器１１によって制御され、第２の光カプラ４へ伝播する。

ここで、第３の光カプラ６と、第４の光カプラ７と、第３の光カプラ６と第４の光カプラ７で挟まれた部分の第２の光導波路２と第３の光導波路５と、第１の位相制御器１０はマッハ・ツェンダ型の光スイッチを構成している。

同様に、第５の光カプラ８と、第６の光カプラ９と、第５の光カプラ８と第６の光カプラ９で挟まれた部分の第２の光導波路２と第３の光導波路５と、第２の位相制御器１１はマッハ・ツェンダ型の光スイッチを構成している。

従って、第２の光導波路２のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分、又は、第３の光導波路５のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分のどちらかを経由するかの経路の切替は、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１で行うことができる。

図２では、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４とに挟まれた部分の、第１の光導波路１の光路長と第２の光導波路２の光路長は等しいため、第２の光カプラ４におけるλ_min2とλ_min1の位相差が０となる。更に、第２の光カプラ４におけるλ_max2とλ_max1の位相差も０となる。つまり、λ_min2とλ_min1の位相差と、λ_max2とλ_max1の位相差はともに０となる。

光通信や光スイッチ等の技術分野において、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４とに挟まれた部分の、第１の光導波路１の光路長と第２の光導波路２の光路長が等しいとは、以下の程度のことを言う。つまり、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４とに挟まれた部分の、第１の光導波路１の光路長と第２の光導波路２の光路長との差が第１の光カプラ３を伝播する２つの波長の光のうち短い波長よりも短い程度のことである。

したがって、マッハ・ツェンダ光スイッチの原理により、λ_minとλ_maxがクロス状態で光路が切り替えられる
光スイッチの第２の動作として、第１の位相制御器１０と第２の位相制御器１１の制御状態により、λ_min2とλ_max2が第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第３の光導波路５を伝播する場合を説明する。

この第２の動作では、λ_min2とλ_max2が第１の位相制御器１０によって制御され、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第３の光導波路２を伝播する点が第１の動作と異なる。

図２では、第１の光カプラ３と第２の光カプラ４とに挟まれた部分の、第１の光導波路１の光路長と第２の光導波路２の光路長が等しく、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第２の光導波路２と第３の光導波路５との光路長差が所定の長さ以上である。

そのため、第２の光カプラ４におけるλ_min2の位相とλ_min1の位相の位相差が０で、第２の光カプラ４におけるλ_max2とλ_max1の位相差がπとなる。

したがって、マッハ・ツェンダ光スイッチの原理により、λ_minがクロス状態でλ_maxがクロス状態で光路が切り替えられる。

また、第２の光カプラ４におけるλ_min2の位相とλ_min1の位相の位相差がπで、第２の光カプラ４におけるλ_max2とλ_max1の位相差が０となる場合もある。

また、図３の光スイッチでも図２の光スイッチと同様な動作が可能である。

本発明の光スイッチは、実施例１の光スイッチの構成（図２、又は図３）に加えて、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第２の光導波路２と第３の光導波路５との光路長差ΔLと、第１の光カプラ３を伝播する異なる２つの波長の光のうち長い波長λ_maxと短い波長λ_minとが下記式１の関係を満たしている。

２・ΔL≧（λ_min・λ_max）／（λ_max−λ_min）・・・（式１）
図２を用いて説明すると、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の第３の光導波路５は第２の光導波路２よりも長く、式１の関係を満たしている。

また、図３に示す光スイッチでは、第４の光カプラ７と第５の光カプラ８とに挟まれた部分の、第３の光導波路５は第２の光導波路２よりも短く、式１の関係を満たしている。

以下では、図２に示す光スイッチで式１を満たす条件のとき、異なる２つの波長の光のうち長い波長λ_maxと短い波長λ_minとで異なる光路切替状態となる理由を以下に説明する。

文献「レーザ入門、清水忠雄監訳、森北出版株式会社、ｐ．２７−ｐ．２９、１９９２年発行」を引用すると、レーザ発振の場合の自由スペクトル領域（フリースペクトラルレンジ）は、周波数間隔Δν、光速ｃ、レーザの鏡の間隔Ｌを用いて、Δν＝ｃ／（２Ｌ）で与えられる。つまり、周波数がΔνごとに、光の干渉が強めあう。又、Δν／２ごとに、光の干渉が強めあい、打ち消しあうことになる。

この式を本発明に用いると、上記の２Ｌは、本発明の図２の光スイッチの光導波路の光路長差ΔＬに対応することになる。

周波数間隔Δνに対応する周波数をν１、ν２（ν１＞ν２、Δν＝ν１―ν２）とすると、周波数ν１、ν２は波長λ’_１、λ’_２（λ’_１＜λ’_２）を用いて、ν１＝ｃ／λ’_１、ν２＝ｃ／λ’_２と変換できる。

従って、周波数間隔Δνは、
Δν＝ν１―ν２＝（ｃ／λ’_１）―（ｃ／λ’_２）となる。

更に、（ｃ／λ’_１）―（ｃ／λ’_２）＝ｃ／ΔＬとなり、ｃで割ることにより、
（λ’_２−λ’_１）／（λ’_１・λ’_２）＝１／ΔＬが得られる。

ここで、λ’_２−λ’_１＝Δλとおくと、自由スペクトル領域（フリースペクトラルレンジ）は、Δλ＝（λ’_１・λ’_２）／ΔＬと表現される。

つまり、波長がΔλごとに、光の干渉が強めあう。又、Δλ／２ごとに、光の干渉が強めあい、打ち消しあうことになる。

光の干渉が強めあう場合、干渉し合う光の位相差は０であり、光スイッチでは、クロス状態として現れる。

光の干渉が打ち消しあう場合、干渉し合う光の位相差はπであり、この干渉の違いは、光スイッチでは、バー状態として現れる。

従って、第１の光カプラ３を伝播する異なる２つの波長の光について、λ_max−λ_minがΔλ（ｍ＋１／２）（ただしｍは０以上の整数）であれば、第２の光カプラ４において、λ_max1とλ_max2とλ_min1とλ_min2の、一方の位相差が０でクロス状態となり、他方の位相差がπでバー状態となる。これを式で表すと、λ_max−λ_min≧Δλ／２＝λ_min・λ_max／（２ΔＬ）となる。この式を変形して、
２・ΔL≧（λ_min・λ_max）／（λ_max−λ_min）・・・（式１）
を導くことができる。

本発明の実施例３について、以下に説明する。実施例３では、異なる２つの波長の光λ_min、λ_maxを用いて、実施例２の光スイッチでの動作を説明する。

図４では、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１が稼動している。この条件で、第２の光導波路２の左側の端から入力した光：λ_min、λ_maxが第１の光カプラ３で分岐され、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第２の光導波路２のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流する場合、光は第１の光導波路１の右側の端からλ_min、λ_maxが出力される。λ_min、λ_maxの光路切替は、ともにクロス状態であり、波長が異なってもクロス状態で光路が切り替えられる。つまり、波長に依存せず、同じクロス状態で光路が切り替えられる。ここで、クロス状態とは、第２の光導波路２の左側の端から入力された光が、第１の光導波路１の右側の端から出力される状態、又は、第１の光導波路１の左側の端から入力された光が、第２の光導波路２の右側の端から出力される状態である。

図５では、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１が稼動していない。この条件で、第１の光導波路１の左側の端から入力した光：λ_max、第２の光導波路２の左側の端から入力した光：λ_minが第１の光カプラ３で分岐され、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第３の光導波路５のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流する場合、第１の光導波路１の右側の端からλ_min、λ_maxが出力される。光路切替はλ_minがクロス状態、λ_maxがバー状態であり、異なる波長で異なる状態（クロス状態、バー状態）となった結果、合波ができている。ここで、バー状態とは、第２の光導波路２の左側の端から入力された光が、第２の光導波路２の右側の端から出力される状態、又は、第１の光導波路１の左側の端から入力された光が、第１の光導波路１の右側の端から出力される状態である。

図６では、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１が稼動していない。この条件で、第２の光導波路１の左側の端から入力した光：λ_min、λ_maxが第２の光導波第１の光カプラ３で分岐され、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第３の光導波路５のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流する場合、第１の光導波路１の右側の端からλ_minが、第２の光導波路２の右側の端からλ_maxが、出力される。つまり、λ_minがクロス状態、λ_maxがバー状態となった結果、分波ができている。

この動作は、図３の場合でも同様である。

光導波路として、シリコン基板上にクラッドに石英を用いコアにシリコンを用いて形成した光導波路、石英ガラスでコアとクラッドを形成した光導波路、化合物半導体でコアとクラッドを形成した光導波路、有機材料でコアとクラッドを形成した光導波路等を用いることができる。

また、位相制御器には熱印加、電圧印加、キャリア注入によって位相を制御する構成を用いることができる。

例えば石英系の光導波路は、シリコン基板上に、ＳｉＣｌ_４やＧｅＣｌ_４などの原料ガスの加水分解反応を利用した石英膜をクラッドとして堆積し、その上にコアの石英膜を堆積して、反応性イオンエッチングにより目的の形状に加工、そのコアの上にクラッドの石英膜を堆積することにより形成できる。その光導波路上に、薄膜ヒータを成膜することにより、熱印加型の位相制御器を形成できる。

以上の光路の切替、合分波において生じる損失は、光導波路の伝播損失によるものだけであるため低損失であり、特許文献１のように合分波の際に光強度が１／２（損失３ｄＢ）となることはなく、損失を低く抑えることができる。

本発明の実施例４である、光スイッチについて図７を参照しながら説明する。図７では、図２の構成に加え、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分の上に第３の位相制御器１２を備えている。また、図１、図３に第３の位相制御器１２を加えても良い。

次に、異なる２つの波長の光λ_min、λ_maxを用いて、光スイッチの機能について説明する。

図８では、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第２の光導波路２のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流し、干渉が生じる。この場合、異なる波長で同じ光路切替となる。

ここでは、各位相制御器の条件を、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１が稼動あり、第３の位相制御器１２は非稼動としている。この条件で、第２の光導波路２の左側の端から入力した光：λ_min、λ_maxが第１の光カプラ３で分岐され、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第２の光導波路２のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流する場合、第１の光導波路１の右側の端からλ_min、λ_maxが出力される。つまり、異なる波長で、同じ光路切替：λ_min、λ_maxともにクロス状態となる。

図８とは異なり、各位相制御器の条件を、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１、第３の位相制御器１２が稼動ともできる。この場合、第２の光導波路２の左側の端から入力した光：λ_min、λ_maxが第１の光カプラ３で分岐され、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第２の光導波路２のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流する場合、第２の光導波路２の右側の端からλ_min、λ_maxが出力される。つまり、異なる波長で、同じ光路切替：λ_min、λ_maxとなり、ともにバー状態である。

図９〜１２では、第１の光導波路１のうち第１の光カプラ３と第２の光カプラ４に挟まれた部分、及び、第３の光導波路５のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分を経由する。その後、第２の光カプラ４で合流し、干渉が起きる。

図９では、各位相制御器の条件を、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１、第３の位相制御器１２が非稼動としている。この場合、第２の光導波路２の左側の端から入力されたλ_min、第１の光導波路１の左側の端から入力されたλ_maxは、第１の光導波路２の右側の端からλ_min、λ_maxが出力される。λ_minがクロス状態、λ_maxがバー状態であり、合波ができている。

図１０では、各位相制御器の条件を、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１が非稼動、第３の位相制御器１２が稼動としている。この場合、第２の光導波路２の左側の端から入力されたλ_min、第１の光導波路１の左側の端から入力されたλ_maxは、第２の光導波路１の右側の端からλ_min、λ_maxが出力される。λ_minがバー状態、λ_maxがクロス状態であり合波ができている。

図１１では、各位相制御器の条件を、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１、第３の位相制御器１２が非稼動としている。この場合、第２の光導波路２の左側の端から入力されたλ_min、λ_maxは、第１の光導波路１の右側の端からλ_minが、第２の光導波路２の右側の端からλ_maxが出力される。λ_minがクロス状態、λ_maxがバー状態であり分波ができている。

図１２では、各位相制御器の条件を、第１の位相制御器１０、第２の位相制御器１１が非稼動、第３の位相制御器１２が稼動としている。この場合第２の光導波路２の左側の端から入力されたλ_min、λ_maxは、第１の光導波路１の右側の端からλ_maxが、第２の光導波路２の右側の端からλ_minが出力される。λ_minがバー状態、λ_maxがクロス状態であり分波ができている。

図１３では、図２の構成に加え、第２の光導波路２のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分の上に第４の位相制御器１３が、第３の光導波路５のうち第４の光カプラ７と第５の光カプラ８に挟まれた部分の上に第５の位相制御器１４が配置されている。図２の構成の代わりに図３の構成を用い、上記の第４の位相制御器１３、第５の位相制御器１４を配置しても良い。

この構成でも、図７の構成の光スイッチについて複数の波長切替について説明した機能が、第３の位相制御器１２の代わりに、第４の位相制御器１３又は第５の位相制御器１４を用いて同様に実現できる。

1. 第１の光導波路
2. 第２の光導波路
2a. 光路長制御手段
3. 第１の光カプラ
4. 第２の光カプラ
5. 第３の光導波路
6. 第３の光カプラ
7. 第４の光カプラ
8. 第５の光カプラ
9. 第６の光カプラ
10. 第１の位相制御器
11. 第２の位相制御器
12. 第３の位相制御器
13. 第４の位相制御器
14. 第５の位相制御器

Claims

第１の光導波路と、第２の光導波路と、第３の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが接続して形成される第１の光カプラと、第２の光カプラと、
前記第１の光カプラと前記第２の光カプラとで挟まれた部分の前記第２の光導波路と、前記第３の光導波路とが、接続して順に形成される第３の光カプラ、第４の光カプラ、第５の光カプラ、第６の光カプラと、
前記第２の光導波路、又は、前記第３の光導波路のどちらか一方の、前記第３の光カプラと前記第４の光カプラに挟まれた部分に配置された第１の位相制御器と、
前記第２の光導波路、又は、前記第３の光導波路のどちらか一方の、前記第５の光カプラと前記第６の光カプラに挟まれた部分に配置された第２の位相制御器と、を備え、
前記第１の光カプラと前記第２の光カプラとに挟まれた部分の、前記第１の光導波路の光路長と前記第２の光導波路の光路長とが等しく、
前記第４の光カプラと前記第５の光カプラとに挟まれた部分の前記第２の光導波路と前記第３の光導波路との光路長差が所定の長さ以上であり、
前記第１の位相制御器および前記第２の位相制御器は、前記第２の光カプラを通過する際の、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを通過した同じ波長の光の位相差を０とする第１の状態と、
前記第２の光カプラを通過する際の、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを通過した波長の光の位相差を、一方の波長の光は０、他方の波長の光はπとする第２の状態と、
を切替制御する機能を有する
ことを特徴とする光スイッチ。
前記光路長差ΔLと、前記第１の光カプラを伝播する２つの波長の光のうち長い波長λ_maxと短い波長λ_minとが下記式１の関係を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
２・ΔL≧（λ_min・λ_max）／（λ_max−λ_min）・・・（式１）
前記第１の光導波路の前記第１の光カプラと前記第２の光カプラに挟まれた部分に第３の位相制御器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光スイッチ。
前記第２の光導波路の前記第４の光カプラと前記第５の光カプラに挟まれた部分に配置された第４の位相制御器と、
前記第３の光導波路の前記第４の光カプラと前記第５の光カプラに挟まれた部分に配置された第５の位相制御器と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光スイッチ。