JP6017380B2

JP6017380B2 - 1 × N optical switch element and N × N optical switch element

Info

Publication number: JP6017380B2
Application number: JP2013147274A
Authority: JP
Inventors: 瀬川　徹; 徹瀬川; 高橋　亮; 亮高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: JP2015021977A

Description

本発明は、大容量光通信ネットワークを支えるための重要な光部品である光スイッチ素子に関する発明である。 The present invention relates to an optical switch element that is an important optical component for supporting a large-capacity optical communication network.

近年、通信トラフィックの急激な増大に起因して、電気ルータの膨大な電力消費量が大きな課題となっている。そこで、ルータ内において入力光パケットを光のまま所望の出力ポートにパケット毎にスイッチングするＮ入力Ｎ出力（以下、Ｎ×Ｎとする）型の光スイッチ素子は、例えば４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓなどの高速なビットレートの光パケット信号を光−電気変換及び電気−光変換を必要とせずにスイッチングできるため、ルータの低消費電力化に有効な光部品として期待されている。 In recent years, the enormous power consumption of electrical routers has become a major issue due to the rapid increase in communication traffic. Therefore, an N input N output (hereinafter referred to as N × N) type optical switch element that switches an input optical packet to a desired output port as it is in a router in a router is, for example, 40 Gbit / s or 100 Gbit / s. Therefore, it is expected as an optical component effective for reducing the power consumption of the router because it can switch an optical packet signal having a high bit rate such as optical-electrical conversion and electrical-optical conversion.

図９に示すＮ×Ｎ光スイッチ素子は、Ｎ個の１×Ｎ光スイッチ素子１０１とＮ個のＮ×１光カプラ１０２を図９に示すように接続することで構成できる。入力ポート１０３より入力された光パケットは、１×Ｎ光スイッチ素子１０１により、所望の出力ポート１０４に接続されたＮ×１光カプラ１０２に対し出力される。Ｎ×１光カプラ１０２は、各１×Ｎ光スイッチ素子１０１から転送された光パケット信号を等しく出力ポート１０４に結合させる受動部品である。 The N × N optical switch element shown in FIG. 9 can be configured by connecting N 1 × N optical switch elements 101 and N N × 1 optical couplers 102 as shown in FIG. The optical packet input from the input port 103 is output by the 1 × N optical switch element 101 to the N × 1 optical coupler 102 connected to the desired output port 104. The N × 1 optical coupler 102 is a passive component that couples the optical packet signals transferred from each 1 × N optical switch element 101 equally to the output port 104.

Ｎ×Ｎ光スイッチ素子に入力される信号光の波長が同一の場合、各１×Ｎ光スイッチ素子１０１から漏れ出た光（コヒーレントクロストーク光）は信号光と干渉し、ビートノイズを発生させ、信号品質を劣化させる。従って、それを抑制するため１×Ｎ光スイッチ素子１０１に求められる消光比は、８×８スイッチ規模で４０ｄＢ以上であり、より大規模になるほど高い消光比が求められる。 When the wavelength of the signal light input to the N × N optical switch element is the same, the light leaked from each 1 × N optical switch element 101 (coherent crosstalk light) interferes with the signal light and generates beat noise. , Degrade the signal quality. Therefore, the extinction ratio required for the 1 × N optical switch element 101 to suppress it is 40 dB or more in the 8 × 8 switch scale, and a higher extinction ratio is required as the scale becomes larger.

１×Ｎ光スイッチ素子の従来技術として、例えば特許文献１の様なフェーズドアレイ型素子が提案されている。図１０にその概念図を示す。この図１０に示す１×Ｎ光スイッチ素子は、光信号を入力させる入力導波路１１１と、アレイ導波路１１２に光信号を分配するためのスラブ導波路１１３と、屈折率を変化させるために電流注入又は電圧印加を行うための三角形状の電極１１４が装備されたアレイ導波路１１２と、アレイ導波路１１２からの出力光を出力導波路１１５に結合させるためのスラブ導波路１１６と、光信号を取り出すＮ本の出力導波路１１５から構成されている。 As a conventional technique of 1 × N optical switch element, for example, a phased array type element as disclosed in Patent Document 1 has been proposed. FIG. 10 shows a conceptual diagram thereof. The 1 × N optical switch element shown in FIG. 10 includes an input waveguide 111 for inputting an optical signal, a slab waveguide 113 for distributing the optical signal to the arrayed waveguide 112, and a current for changing the refractive index. An array waveguide 112 equipped with a triangular electrode 114 for injection or voltage application, a slab waveguide 116 for coupling output light from the array waveguide 112 to an output waveguide 115, and an optical signal The N output waveguides 115 are taken out.

図１０に示すように、入力導波路１１１から入力された光信号は、スラブ導波路１１３で広がり、アレイ導波路１１２の各々に結合する。図１０では全てのアレイ導波路１１２の長さが等しい場合を示している。この時、図１０に示すように、全ての波長の光はアレイ導波路１１２の出射端において、波面が揃った状態になる。アレイ導波路１１２からスラブ導波路１１６に出射したそれぞれの光は、スラブ導波路１１６の反対側の端面でお互い干渉しあい、ある点に集光される。出力導波路１１５をその焦点に設定しておくと、入力導波路１１１から入力された光信号は、出力導波路１１５から出力される。 As shown in FIG. 10, the optical signal input from the input waveguide 111 spreads in the slab waveguide 113 and is coupled to each of the arrayed waveguides 112. FIG. 10 shows a case where all the arrayed waveguides 112 have the same length. At this time, as shown in FIG. 10, the light of all wavelengths is in a state where the wave fronts are aligned at the emission end of the arrayed waveguide 112. The lights emitted from the arrayed waveguide 112 to the slab waveguide 116 interfere with each other on the opposite end face of the slab waveguide 116 and are collected at a certain point. When the output waveguide 115 is set at the focal point, the optical signal input from the input waveguide 111 is output from the output waveguide 115.

図１０では、アレイ導波路１１２上に、隣接するアレイ導波路１１２間でΔＬずつ長さが異なる三角形状の電極１１４が形成されている。また、パケット毎にスイッチングするために、アレイ導波路１１２は、半導体材料のｐｉｎ構造により構成されており、電極１１４からの電流注入によるプラズマ効果や、電圧印加によるフランツケルディッシュ効果（量子井戸構造の場合は量子閉じ込めシュタルク効果）等により電極１１４直下の導波路１１２の屈折率をナノ秒以下の応答速度で変化させることができるようになっている。 In FIG. 10, triangular electrodes 114 having different lengths by ΔL between adjacent arrayed waveguides 112 are formed on the arrayed waveguides 112. In addition, in order to perform switching for each packet, the arrayed waveguide 112 is configured by a pin structure of a semiconductor material, and a plasma effect by current injection from the electrode 114 or a Franz Keldisch effect by applying a voltage (quantum well structure). In this case, the refractive index of the waveguide 112 immediately below the electrode 114 can be changed at a response speed of nanoseconds or less by the quantum confined Stark effect) or the like.

このとき入力光は、屈折率の変化Δｎに応じ、隣接導波路１１２間で、２πΔｎΔＬ／λの位相差が生じるため、図１０の破線で示す様にその波面が回転し、スラブ導波路１１６の焦点面での焦点位置が変化する。即ち、電極１１４への制御信号を変化させることにより、出力導波路１１５を切り替えることが可能である。 At this time, the input light has a phase difference of 2πΔnΔL / λ between the adjacent waveguides 112 in accordance with the change in refractive index Δn. Therefore, the wavefront rotates as shown by the broken line in FIG. The focal position on the focal plane changes. That is, the output waveguide 115 can be switched by changing a control signal to the electrode 114.

上記方法により入力光を複数の出力導波路１１５間で切り替えることは可能であるが、出力ポート数を多くするためには、Δｎ及びΔＬを大きくする必要がある。プラズマ効果やフランツケルディッシュ効果による屈折率変化は、プラズマ効果で高々１％、フランツケルディッシュ効果では更にその１０分の１以下である。また、アレイ導波路１１２の本数は、少なくとも出力導波路Ｎ本以上を必要とし、例えば、非特許文献１に示されている様に３０ｄＢ以上の消光比を得るためには１．６×Ｎ本以上のアレイ導波路本数が求められる。 Although it is possible to switch the input light among the plurality of output waveguides 115 by the above method, Δn and ΔL need to be increased in order to increase the number of output ports. The refractive index change due to the plasma effect or the Franz Keldish effect is at most 1% by the plasma effect, and is further less than 1/10 of that by the Franz Keldish effect. The number of arrayed waveguides 112 requires at least N output waveguides. For example, as shown in Non-Patent Document 1, 1.6 × N is required to obtain an extinction ratio of 30 dB or more. The above number of arrayed waveguides is required.

更に、隣接アレイ導波路１１２間において最大２πの位相差を生じさせる必要がある。従って、ΔＬ、即ち電極面積は必然的に大きくなってしまった。電極面積の増大は電極１１４の寄生容量を増大させて応答速度の低下を招くため、電極面積の低減がフェーズドアレイ型素子の課題の一つである。 Further, it is necessary to generate a maximum phase difference of 2π between adjacent array waveguides 112. Therefore, ΔL, that is, the electrode area has inevitably increased. Since the increase in the electrode area increases the parasitic capacitance of the electrode 114 and causes a reduction in response speed, reduction of the electrode area is one of the problems of the phased array type element.

この課題を解決するため、図１１（ａ）で示す三角電極１１４を逆向きに２つ配置する構成や、図１１（ｂ）に示す櫛型形状の電極１１７による構成や、図１１（ｃ）に示すアレイ導波路１１２ごとに直線状電極１１８を形成して個別に電極制御する方法が挙げられる。 In order to solve this problem, a configuration in which two triangular electrodes 114 shown in FIG. 11A are arranged in the opposite direction, a configuration using a comb-shaped electrode 117 shown in FIG. 11B, or a configuration shown in FIG. A method of forming a linear electrode 118 for each arrayed waveguide 112 shown in FIG.

図１１（ａ）の電極構成の場合、隣接アレイ導波路１１２間の必要な最大位相差はπと半減する。また、図１１（ｂ）はアレイ導波路１１２以外の不要な電極部分を除去するため、寄生容量の低減が期待される。従って、実際には図１１（ａ）と図１１（ｂ）を組み合わせて作製されるが、電極形成された全てのアレイ導波路１１２の容量が２つの電極に集中するため、その容量は依然として大きい。また、スイッチ規模が増大するほど増加し、１×８規模の素子でもスイッチング速度は数１０ナノ秒以上を必要とし、パケット毎のスイッチングには不適であった。 In the case of the electrode configuration of FIG. 11A, the necessary maximum phase difference between adjacent arrayed waveguides 112 is halved to π. Further, in FIG. 11B, since unnecessary electrode portions other than the arrayed waveguide 112 are removed, a reduction in parasitic capacitance is expected. Therefore, although actually manufactured by combining FIG. 11A and FIG. 11B, the capacitance of all the arrayed waveguides 112 on which the electrodes are formed is concentrated on the two electrodes, so that the capacitance is still large. . Further, it increases as the switch scale increases, and even a 1 × 8 scale element requires a switching speed of several tens of nanoseconds or more, which is not suitable for switching for each packet.

一方、図１１（ｃ）の構成は、電極１１８の一つあたりの寄生容量が小さいため、スイッチング速度は数ナノ秒以下が得られるが、アレイ導波路１１２の本数分の電極１１８の制御を必要とする。上述したようにアレイ導波路１１２の本数は、少なくともＮ本以上を必要とする。Ｎ個の出力導波路に対する最適な電流値／電圧値の探索を少なくともＮ本以上の電極１１８に対して作製した素子毎に行う必要があるため（Ｎ²の電流値／電圧値の組合せ）、実用上大きな課題があった。更に、ルータ内で使用される８×８光スイッチ素子に求められる消光比は、コヒーレントクロストークを抑制するため、４０ｄＢ以上が求められるため、その消光比を確保するためアレイ導波路１１２の本数は２Ｎを超える。つまり、簡便な電気制御でスイッチング速度が数ナノ秒以下、消光比４０ｄＢ以上をもつフェーズドアレイ型光スイッチ素子を実現することは困難であった。 On the other hand, since the parasitic capacitance per electrode 118 is small in the configuration of FIG. 11C, the switching speed can be several nanoseconds or less, but the number of electrodes 118 in the arrayed waveguide 112 needs to be controlled. And As described above, the number of arrayed waveguides 112 requires at least N or more. Since it is necessary to search for the optimum current value / voltage value for the N output waveguides for each element manufactured for at least N electrodes 118 (combination of current value / voltage value of N ² ). There was a big problem in practical use. Furthermore, since the extinction ratio required for the 8 × 8 optical switch element used in the router is 40 dB or more in order to suppress coherent crosstalk, the number of arrayed waveguides 112 is required to ensure the extinction ratio. Over 2N. That is, it has been difficult to realize a phased array type optical switch element having a switching speed of several nanoseconds or less and an extinction ratio of 40 dB or more with simple electric control.

他方、１×Ｎの光カプラとＮ個の半導体光増幅器ゲートアレイで構成される分配選択型１×Ｎ光スイッチも提案されている。図１２にその構成図を示す。この図１２の構成では、１×Ｎの光カプラ１２１により入力光を等しく分配し、半導体光増幅器１２２（Ｎアレイ光ゲート）のＯｎ/Ｏｆｆにより所望の出力導波路１２３への接続を決定する。例えば非特許文献２に示されているように、半導体光増幅器１２２の電流Ｏｆｆ時の高い吸収率を利用することで７０ｄＢ以上の高消光比が得られる。しかし、Ｎの増加とともに原理損失が増大し、その損失はデシベルで１０Ｌｏｇ₁₀（１／Ｎ）以上となる点が課題である。例えば１×８の光スイッチの場合、９ｄＢもの原理損失となり、光スイッチの大規模化に課題がある。また、半導体光増幅器の場合、遅い利得回復時間によるパタン効果や４光波混合などの非線形光学効果により入力信号が劣化し、入力信号強度やビットレート、更には波長多重信号の場合には波長間隔に制限がある点も大きな課題である。 On the other hand, a distribution selection type 1 × N optical switch composed of a 1 × N optical coupler and N semiconductor optical amplifier gate arrays has also been proposed. FIG. 12 shows a configuration diagram thereof. In the configuration of FIG. 12, input light is equally distributed by a 1 × N optical coupler 121, and connection to a desired output waveguide 123 is determined by On / Off of a semiconductor optical amplifier 122 (N array optical gate). For example, as shown in Non-Patent Document 2, a high extinction ratio of 70 dB or more can be obtained by using a high absorptance when the semiconductor optical amplifier 122 is turned off. However, the principle loss increases with an increase in N, and the problem is that the loss becomes ₁₀ Log ₁₀ (1 / N) or more in decibels. For example, in the case of a 1 × 8 optical switch, the principle loss is 9 dB, and there is a problem in increasing the scale of the optical switch. In the case of a semiconductor optical amplifier, the input signal deteriorates due to a pattern effect due to a slow gain recovery time or a nonlinear optical effect such as four-wave mixing. The limitation is also a big issue.

特開２００２−０７２１５７号公報JP 2002-072157 A

Takuo Tanemura, et al., "Design and scalability analysis of optical phased-array 1xN switch on planar lightwave circuit", IEICE Electronics Express, VOL. 5, No. 16, pp. 603-609, 2008.Takuo Tanemura, et al., "Design and scalability analysis of optical phased-array 1xN switch on planar lightwave circuit", IEICE Electronics Express, VOL. 5, No. 16, pp. 603-609, 2008. Shinsuke Tanaka, et al., "Monolithically Integrated 8:1 SOA Gate Switch With Large Extinction Ratio and Wide Input Power Dynamic Range", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 45, NO. 9, pp. 1155-1161, 2009.Shinsuke Tanaka, et al., "Monolithically Integrated 8: 1 SOA Gate Switch With Large Extinction Ratio and Wide Input Power Dynamic Range", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 45, NO. 9, pp. 1155-1161, 2009.

上記の事情に鑑みて本発明は、大規模化が可能かつ簡便な電気制御でスイッチング速度が数ナノ秒以下、低損失、極めて高い消光比の１×Ｎ光スイッチ素子及びＮ×Ｎ光スイッチ素子を実現することを課題とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides a 1 × N optical switch element and an N × N optical switch element that can be scaled up and have simple switching with a switching speed of several nanoseconds or less, a low loss, and an extremely high extinction ratio. It is a problem to realize.

上記課題を解決する第１発明の１×Ｎ光スイッチ素子は、マッハツェンダー干渉計からなり、両アームのそれぞれに電圧あるいは電流を付与するための電極を備えた複数の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子と、複数の光ゲート素子とを、半導体基板上に形成して成る１×Ｎ光スイッチ素子であって、
前記複数の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子は多段に配設され、前段の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子の二つの出力ポートのそれぞれに対して、後段の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子の二つの入力ポートのうちの一つが接続されており、
前記複数の光ゲート素子が、１×Ｎ光スイッチ素子の各出力ポートにそれぞれ設けられており、
多段に配設された前記２×２ＭＺＩ光スイッチ素子のうち、信号光を通過させない２×２ＭＺＩ光スイッチ素子は、当該２×２ＭＺＩ光スイッチ素子の少なくとも一方のアームに信号光を消光するための負電圧を印加することを特徴とする。 The 1 × N optical switch element of the first invention that solves the above-mentioned problems is a Mach-Zehnder interferometer, and includes a plurality of 2 × 2 MZI optical switch elements each having an electrode for applying a voltage or a current to both arms. A 1 × N optical switch element formed by forming a plurality of optical gate elements on a semiconductor substrate,
The plurality of 2 × 2 MZI optical switching elements are arranged in multiple stages, and each of the two output ports of the preceding 2 × 2 MZI optical switching element has two input ports of the succeeding 2 × 2 MZI optical switching element. One of the
The plurality of optical gate elements are respectively provided at each output port of the 1 × N optical switch element ,
Of the 2 × 2 MZI optical switch elements arranged in multiple stages, a 2 × 2 MZI optical switch element that does not allow signal light to pass through is a negative for quenching the signal light to at least one arm of the 2 × 2 MZI optical switch element. A voltage is applied .

また、第２発明の１×Ｎ光スイッチ素子は、第１発明の１×Ｎ光スイッチ素子において、前記光ゲート素子は、電界吸収型の光ゲート素子であることを特徴とする。 The 1 × N optical switch element of the second invention is the 1 × N optical switch element of the first invention, wherein the optical gate element is an electroabsorption optical gate element.

また、第３発明の１×Ｎ光スイッチ素子は、第１発明の１×Ｎ光スイッチ素子において、前記光ゲート素子は、前記２×２ＭＺＩ光スイッチ素子と同じ構成の２×２ＭＺＩ素子であることを特徴とする。 The 1 × N optical switch element of the third invention is the 1 × N optical switch element of the first invention, wherein the optical gate element is a 2 × 2 MZI element having the same configuration as the 2 × 2 MZI optical switch element. It is characterized by.

また、第４発明の１×Ｎ光スイッチ素子は、第３発明の１×Ｎ光スイッチ素子において、前記光ゲート素子として用いる前記２×２ＭＺＩ素子の二つの出力ポートのうち、光信号を透過させない一方の出力ポートは、光信号を透過させる他方の出力ポートと異なる方向に向けられていることを特徴とする。 The 1 × N optical switch element according to the fourth aspect of the present invention is the 1 × N optical switch element according to the third aspect of the present invention, which does not transmit an optical signal out of the two output ports of the 2 × 2 MZI element used as the optical gate element. One output port is directed in a different direction from the other output port that transmits the optical signal.

また、第５発明の１×Ｎ光スイッチ素子は、第１〜第３発明の何れか１つの１×Ｎ光スイッチ素子において、
１×Ｎ光スイッチ素子の各出力ポートからの光出力が、マイクロレンズアレイを介して光ファイバに結合されていることを特徴とする。 Further, the 1 × N optical switch element of the fifth invention is the 1 × N optical switch element of any one of the first to third inventions,
A light output from each output port of the 1 × N optical switch element is coupled to an optical fiber through a microlens array.

また、第６発明のＮ×Ｎ光スイッチ素子は、第１〜第３発明の何れか１つの１×Ｎ光スイッチ素子をＮ個と、Ｎ個のＮ×１光カプラとを備えており、
前記Ｎ個の１×Ｎ光スイッチ素子の各出力ポートを、前記Ｎ個のＮ×１光カプラの各入力ポートに接続した構成であることを特徴とする。 The N × N optical switch element of the sixth invention includes N 1 × N optical switch elements of any one of the first to third inventions and N N × 1 optical couplers. ,
The output ports of the N 1 × N optical switch elements are connected to the input ports of the N N × 1 optical couplers.

本発明によれば、大規模化が可能かつ簡便な電気制御でスイッチング速度が数ナノ秒以下、低損失、極めて高い消光比の１×Ｎ光スイッチ素子及びＮ×Ｎ光スイッチ素子を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a 1 × N optical switch element and an N × N optical switch element having a switching speed of several nanoseconds or less, a low loss, and an extremely high extinction ratio by simple electric control that can be scaled up. Can do.

本発明の実施形態１に係る１×８光スイッチ素子の構成図である。1 is a configuration diagram of a 1 × 8 optical switch element according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. （ａ）は本発明の実施形態１に係る２×２ＭＺＩ光スイッチ素子の構成図、（ｂ）は前記２×２ＭＺＩ光スイッチ素子の透過特性である。(A) is a block diagram of the 2 × 2 MZI optical switch element according to Embodiment 1 of the present invention, and (b) is a transmission characteristic of the 2 × 2 MZI optical switch element. 本発明の実施形態１に係る１×Ｎ光スイッチ素子と分配選択型１×Ｎ光スイッチの損失を比較する図である。It is a figure which compares the loss of the 1 * N optical switch element which concerns on Embodiment 1 of this invention, and a distribution selection type 1 * N optical switch. 本発明の実施形態１に係る１．４Ｑ組成ＥＡ光ゲート素子の透過率と印加電圧の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the transmittance | permeability of the 1.4Q composition EA optical gate element which concerns on Embodiment 1 of this invention, and an applied voltage. 本発明の実施形態１に係る２×２ＭＺＩ光スイッチ素子のクロスポートの透過率と両アームへの印加電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the transmittance | permeability of the cross port of the 2 * 2 MZI optical switch element which concerns on Embodiment 1 of this invention, and the applied voltage to both arms. 本発明の実施形態２に係る１×８光スイッチ素子の構成図である。It is a block diagram of the 1 * 8 optical switch element concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態３に係る８×６４光スイッチ素子の構成図である。It is a block diagram of the 8 * 64 optical switch element concerning Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態３に係る６４×６４光スイッチ素子の構成図である。It is a block diagram of the 64x64 optical switch element which concerns on Embodiment 3 of this invention. Ｎ個の１×Ｎ光スイッチ素子とN個のＮ×１光カプラで構成されるＮ×Ｎ光スイッチ素子の構成図である。It is a block diagram of the N * N optical switch element comprised by N pieces of 1 * N optical switch elements and N pieces of N * 1 optical couplers. 従来技術であるフェーズドアレイ型光スイッチ素子の構成図である。It is a block diagram of the phased array type optical switch element which is a prior art. フェーズドアレイ型光スイッチ素子における電極の構成図であり、（ａ）は三角電極を逆向きに２つ配置する構成図、（ｂ）は櫛型形状の電極による構成図、（ｃ）はアレイ導波路ごとに直線状電極を形成し個別に電極制御する構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of electrodes in a phased array type optical switch element, in which (a) is a configuration diagram in which two triangular electrodes are arranged in opposite directions, (b) is a configuration diagram with comb-shaped electrodes, and (c) is an array guide. It is a block diagram which forms a linear electrode for every waveguide and controls an electrode separately. 分配選択型１×Ｎ光スイッチの構成図である。It is a block diagram of a distribution selection type 1 × N optical switch.

以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る１×８光スイッチ素子の構成を図１に示す。本実施形態１の１×８光スイッチ素子では、対称マッハツェンダー干渉計（以下ＭＺＩと表す）を２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１とし、図１の様に半導体基板１３上に７個の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１を多段に配設して接続することで１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２を構成している。即ち、１段目（前段）の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の二つの出力ポートのそれぞれに対して、２段目（後段）の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の二つの入力ポートのうちの一つが接続され、同様に２段目（前段）２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の二つの出力ポートのそれぞれに対して、３段目（後段）の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の二つの入力ポートのうちの一つが接続されることにより、ツリー状の１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２を構成している。 (Embodiment 1)
FIG. 1 shows the configuration of a 1 × 8 optical switch element according to Embodiment 1 of the present invention. In the 1 × 8 optical switch element of the first embodiment, a symmetric Mach-Zehnder interferometer (hereinafter referred to as MZI) is a 2 × 2 MZI optical switch element 11, and seven 2 × 2 MZIs are formed on a semiconductor substrate 13 as shown in FIG. The 1 × 8 MZI optical switch unit 12 is configured by arranging and connecting the optical switch elements 11 in multiple stages. That is, one of the two input ports of the second (second stage) 2 × 2 MZI optical switch element 11 for each of the two output ports of the first stage (previous stage) 2 × 2 MZI optical switch element 11. Similarly, for each of the two output ports of the second stage (front stage) 2 × 2 MZI optical switch element 11, two input ports of the second stage (second stage) 2 × 2 MZI optical switch element 11 are connected. One of them is connected to form a tree-like 1 × 8 MZI optical switch unit 12.

更に、同一半導体基板１３上にＭＺＩ（２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１）と同一組成を光導波層とする電界吸収型（Ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）光ゲート素子１４を８個出力側に配置して（即ち出力ポート１７−１〜１７−８のそれぞれに配置して）、ＥＡゲートアレイ部１５を構成している。光ゲート素子１４には電極１８が設けられている。また、入力ポート１６から各出力ポート１７−１〜１７−８までの光路は、伝搬による損失が経路によらず等しくなるように長さが揃えられている。 Furthermore, eight electroabsorption (EA) optical gate elements 14 having an optical waveguide layer having the same composition as that of MZI (2 × 2 MZI optical switch element 11) are arranged on the same semiconductor substrate 13 on the output side ( That is, the EA gate array unit 15 is configured by arranging the output ports 17-1 to 17-8. The optical gate element 14 is provided with an electrode 18. The optical paths from the input port 16 to the output ports 17-1 to 17-8 are aligned in length so that the loss due to propagation is equal regardless of the path.

２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１は、図２（ａ）に示すように２つの２×２光カプラ２１と、長さの等しい２つのアーム（光導波路）２２とで構成されている。２つのアーム２２上には電極２３が形成され、電流を注入できるようになっている。また、２つのアーム２２は光導波層の直下までエッチングされたハイメサ光導波路構造によって作製されており、更に半導体ｐｉｎ構造をもつ。電極形成されたアーム２２の長さは２００μｍである。電極２３を介して電流を注入すると、注入電流は光導波層に効率的に閉じ込められ、プラズマ効果により導波路の屈折率が変化し、アーム２２間に位相差を与える。 As shown in FIG. 2A, the 2 × 2 MZI optical switch element 11 includes two 2 × 2 optical couplers 21 and two arms (optical waveguides) 22 having the same length. Electrodes 23 are formed on the two arms 22 so that current can be injected. Further, the two arms 22 are made of a high mesa optical waveguide structure etched up to just below the optical waveguide layer, and further have a semiconductor pin structure. The length of the arm 22 on which the electrode is formed is 200 μm. When current is injected through the electrode 23, the injected current is efficiently confined in the optical waveguide layer, the refractive index of the waveguide is changed by the plasma effect, and a phase difference is given between the arms 22.

２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１に入力された信号光は、通常、電流０ｍＡで図２（ａ）のクロス（Ｃｒｏｓｓ）ポート２４ａに光が出力される。どちらか一方の電極２３に電流を注入すると、注入した方の導波路の位相が変化し、電流４ｍＡでクロスポート２４ａの光出力は最小となり、バー（Ｂａｒ）ポート２４ｂへの光出力が最大となった（図２（ｂ））。このとき、バーポート２４ｂへの光出力とクロスポート２４ａへの光出力との比は２０ｄＢ以上が得られた。本実施形態１の１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２の７個の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１において、電流０ｍＡと４ｍＡの二つの状態、即ち２値をデジタル的に切り替えることで、所望の出力ポート１７−１〜１７−８に信号光が出力可能となる。 The signal light input to the 2 × 2 MZI optical switch element 11 is normally output to the cross port 24a in FIG. 2A at a current of 0 mA. When a current is injected into one of the electrodes 23, the phase of the injected waveguide changes, and at a current of 4 mA, the light output of the cross port 24a is minimized and the light output to the bar port 24b is maximized. (Fig. 2 (b)). At this time, the ratio of the light output to the bar port 24b and the light output to the cross port 24a was 20 dB or more. In the seven 2 × 2 MZI optical switch elements 11 of the 1 × 8 MZI optical switch unit 12 according to the first embodiment, two states of current 0 mA and 4 mA, that is, binary values are digitally switched, so that a desired output port 17 can be obtained. Signal light can be output to -1 to 17-8.

従来技術の図１１（ｃ）の構成のフェーズドアレイ型光スイッチの場合はＮ値であり、それに比べ制御が極めて簡便である。また、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の二つのアーム２２のうち、どちらか一方のアーム２２上の電極２３を制御すればよく、１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２の制御電極２３は１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２において７個であり、光スイッチ素子を１×Ｎに一般化した場合、Ｎ−１個の制御電極数となる。また、１×ＮＭＺＩ光スイッチ部の挿入損失は、２×２ＭＺＩ光スイッチ単位素子の損失をデシベルでＬとすると、Ｌ×Ｌｏｇ₂（Ｎ）と表され、分配選択型１×Ｎ光スイッチの損失１０Ｌｏｇ₁₀（１／Ｎ）に比べ低損失で大規模化が可能である。本実施形態１の場合、Ｌは１ｄＢであった。図３に本実施形態１の１×Ｎ光スイッチ素子と分配選択型１×N光スイッチの損失を比較した図を示す。 In the case of the phased array type optical switch having the configuration shown in FIG. 11C of the prior art, the N value is used, and the control is extremely simple compared to that. Further, the electrode 23 on one of the two arms 22 of the 2 × 2 MZI optical switch element 11 may be controlled, and the control electrode 23 of the 1 × 8 MZI optical switch unit 12 may be a 1 × 8 MZI optical switch. When the number of optical switch elements is generalized to 1 × N, the number of control electrodes is N−1. The insertion loss of the 1 × NMZI optical switch unit is expressed as L × Log ₂ (N) where the loss of the 2 × 2 MZI optical switch unit element is L in decibels, and the loss of the distribution selection type 1 × N optical switch Compared to ₁₀ Log ₁₀ (1 / N), the scale can be increased with low loss. In the case of Embodiment 1, L was 1 dB. FIG. 3 shows a comparison of the loss of the 1 × N optical switch element of the first embodiment and the distribution selection type 1 × N optical switch.

本実施形態１では、８×８規模で要求される消光比４０ｄＢ以上とするため、ＭＺＩ（２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１）と同じ導波路構造、同一組成を光導波層とするＥＡ光ゲート素子１４を、各出力ポート１７−１〜１７−８に配置した点が特徴である。 In the first embodiment, an EA optical gate element having an optical waveguide layer having the same waveguide structure and the same composition as MZI (2 × 2 MZI optical switch element 11) in order to obtain an extinction ratio of 40 dB or more required on an 8 × 8 scale. 14 is arranged in each output port 17-1 to 17-8.

図４に１．４Ｑ組成ＩｎＧａＡｓＰコア層（フォトルミネッセンスピーク波長１．４μｍ）を光導波層とするＥＡ光ゲート素子１４の消光特性を示す。このときのＥＡ光ゲート素子１４の長さは４００μｍであり、ＭＺＩ（２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１）と同様にハイメサ光導波路直上に電極１８を形成している。ＥＡ光ゲート素子１４にマイナス電圧を印加すると半導体の吸収端がシフトし、吸収係数が増加する（フランツケルディッシュ効果）。本実施形態のＥＡ光ゲート素子１４では、−３Ｖで消光比２０ｄＢを得ることが可能であり、１×８光スイッチ素子全体で消光比は４０ｄＢ以上となった。また、使用波長１．５５μｍに対して吸収端が１００ｎｍ以上離れており、ＥＡ光ゲート素子１４における伝搬損失は０．５ｄＢ／ｍｍと無視できるほど小さい。また、本実施形態１のＥＡ光ゲート素子１４は電圧のＯｎ／Ｏｆｆで動作し、制御電極数はＭＺＩ光スイッチ部とＥＡゲートアレイ部を合わせて２Ｎ−１となる。電流／電圧のＯｎ／Ｏｆｆの２値で制御できる点が従来技術の図１１（ｃ）と比較して大きな特長である。本実施形態１において半導体光増幅器を用いて同様に光ゲート機能を実現することも可能であるが、ＥＡ光ゲート素子１４を用いると、パタン効果や非線形光学効果による入力信号の劣化を避けることが可能である。 FIG. 4 shows the extinction characteristics of the EA optical gate element 14 in which a 1.4Q composition InGaAsP core layer (photoluminescence peak wavelength: 1.4 μm) is used as an optical waveguide layer. At this time, the length of the EA optical gate element 14 is 400 μm, and the electrode 18 is formed immediately above the high mesa optical waveguide as in the MZI (2 × 2 MZI optical switch element 11). When a negative voltage is applied to the EA optical gate element 14, the absorption edge of the semiconductor shifts and the absorption coefficient increases (Franzkeldish effect). In the EA optical gate element 14 of the present embodiment, an extinction ratio of 20 dB can be obtained at −3 V, and the extinction ratio of the entire 1 × 8 optical switch element is 40 dB or more. Further, the absorption edge is separated by 100 nm or more with respect to the used wavelength of 1.55 μm, and the propagation loss in the EA optical gate element 14 is negligibly small at 0.5 dB / mm. In addition, the EA optical gate element 14 of the first embodiment operates with the voltage On / Off, and the number of control electrodes is 2N−1 in total for the MZI optical switch unit and the EA gate array unit. Compared with the prior art FIG. 11 (c), it is a great feature that the current / voltage can be controlled by two values of On / Off. Although the optical gate function can be similarly realized using the semiconductor optical amplifier in the first embodiment, the use of the EA optical gate element 14 can avoid deterioration of the input signal due to the pattern effect or the nonlinear optical effect. Is possible.

更に、本実施形態１では、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１に２×２光スイッチとしての機能だけでなく、光ゲート機能をもたせることができる。２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の両アーム２２の電極２３にマイナス電圧を同時に印加すると、二つのアーム２２を形成する半導体の吸収係数がフランツケルディッシュ効果により増大し、上記ＥＡ光ゲート素子１４と同様に信号光を消光させることが可能である。図５に２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１のクロスポートにおける透過率と印加電圧の関係を示す。この効果により、例えば、図１の出力ポート１７−１に信号光を出力させているとき、信号光が通過しない４つの２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１を消光させて出力ポート１７−３から出力ポート１７−８までのクロストークを極めて小さくできる（各２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１で２０ｄＢの光ゲート消光比が得られると、出力ポート１７−５から出力ポート１７−８の消光比は８０ｄＢ以上、出力ポート１７−３及び出力ポート１７−４の消光比は６０ｄＢ以上）。ビートノイズの雑音電力は、クロストーク光の総和で表されるため、この２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の光ゲート機能は極めて低いクロストークが求められる大規模光スイッチ素子を構成する際に有効である。更に、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の光ゲート機能により、入力される信号光を１×ＮもしくはＮ×Ｎ光スイッチ内部で極めて高い消光比で遮断できる。 Furthermore, in the first embodiment, the 2 × 2 MZI optical switch element 11 can have not only a function as a 2 × 2 optical switch but also an optical gate function. When a negative voltage is simultaneously applied to the electrodes 23 of both arms 22 of the 2 × 2 MZI optical switch element 11, the absorption coefficient of the semiconductor forming the two arms 22 increases due to the Franz Kelish effect, which is the same as the EA optical gate element 14. It is possible to quench the signal light. FIG. 5 shows the relationship between the transmittance at the cross port of the 2 × 2 MZI optical switch element 11 and the applied voltage. Due to this effect, for example, when the signal light is output to the output port 17-1 in FIG. 1, the four 2 × 2 MZI optical switch elements 11 through which the signal light does not pass are extinguished to output the output port 17-3 to the output port 17-3. Crosstalk up to 17-8 can be made extremely small (when each 2 × 2 MZI optical switch element 11 has an optical gate extinction ratio of 20 dB, the extinction ratio from output port 17-5 to output port 17-8 is 80 dB or more, The extinction ratio of the output port 17-3 and the output port 17-4 is 60 dB or more). Since the noise power of beat noise is expressed by the sum of crosstalk light, the optical gate function of the 2 × 2 MZI optical switch element 11 is effective in constructing a large-scale optical switch element that requires extremely low crosstalk. is there. Further, the optical gate function of the 2 × 2 MZI optical switch element 11 can block input signal light with an extremely high extinction ratio inside the 1 × N or N × N optical switch.

例えば、図１の７つの２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１すべてを消光させた場合、３段の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の消光比：６０ｄＢ＋ＥＡ光ゲート素子１４の消光比：２０ｄＢ＝８０ｄＢ以上の高消光比で遮断できる（２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の光ゲート機能がない場合、ＥＡ光ゲート素子１４の消光比：２０ｄＢしか得られない）。これにより、ルータに入力される光パケットのうち所望の光パケット、例えばラベルエラーを起こした光パケットやＴＴＬ（ＴｉｍｅＴｏＬｉｖｅ）カウントが０になった光パケットなどを光スイッチ内部で選択的に廃棄する機能を１×ＮもしくはＮ×Ｎ光スイッチにもたせることが可能である。一方、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１に光ゲート機能をもたせる場合、理想的な消光比を得るためには両アーム２２に同時に電圧を印加することが求められるが、制御すべき電極２３がＮ−１個増加する。これを否とする場合、片側のアーム２２にのみマイナス電圧を印加しても消光が得られる。片側のアーム２２のみ消光した場合、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１は干渉計としては動作せず、伝搬光は二つの２×２光カプラ２１の分岐損失６ｄＢを受けて出力される（２×２ＭＺＩ光スイッチ素子単体で消光比６ｄＢ）。 For example, when all of the seven 2 × 2 MZI optical switch elements 11 in FIG. 1 are extinguished, the extinction ratio of the three-stage 2 × 2 MZI optical switch element 11 is 60 dB + the extinction ratio of the EA optical gate element 14 is 20 dB = 80 dB or higher. It can be blocked by the extinction ratio (when the 2 × 2 MZI optical switch element 11 does not have an optical gate function, the extinction ratio of the EA optical gate element 14 is only 20 dB). As a result, among optical packets input to the router, a desired optical packet, for example, an optical packet causing a label error or an optical packet having a TTL (Time To Live) count of 0 is selectively discarded inside the optical switch. It is possible to provide a function of 1 × N or N × N optical switch. On the other hand, when the 2 × 2 MZI optical switch element 11 has an optical gate function, in order to obtain an ideal extinction ratio, it is required to apply a voltage to both arms 22 at the same time. Increase by one. If this is denied, quenching can be obtained even if a negative voltage is applied only to the arm 22 on one side. When only one arm 22 is extinguished, the 2 × 2 MZI optical switch element 11 does not operate as an interferometer, and the propagating light receives and outputs the branching loss 6 dB of the two 2 × 2 optical couplers 21 (2 × 2 MZI). The extinction ratio is 6 dB with a single optical switch element).

次に本実施形態１の作製方法について述べる。ｎ−ＩｎＰ基板上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、１．４Ｑ組成０．３μｍ膜厚のバルクｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層を予め有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）により成長させた。次にフォトリソグラフィとドライエッチングとにより、ハイメサ光導波路構造を一括形成した。本実施形態１では、導波路幅を１．４μｍとして作製した。本実施形態１では、光スイッチ部の光カプラ部分を含むすべての光導波路をハイメサ光導波路構造で作製した。本実施形態１では作製が容易、かつ低損失に作製可能な３−ｄＢマルチモード干渉（ＭＭＩ）光カプラを２×２光カプラ２１として用いている。導波路を形成後，局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）をスピンコートにより塗布し、Ｏ₂／Ｃ₂Ｆ₆混合ガスを用いたＲＩＥにより基板表面（ハイメサ光導波路表面）が露出するまでエッチバックを実施し、基板表面（ハイメサ光導波路表面）を平坦化した。その後、電流注入用／電圧印加用電極を２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１の２つのアーム２２及びＥＡ光ゲート素子１４における各ハイメサ光導波路のｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層上、及び基板裏面に形成し完成となる。以上説明したように、１度のＭＯＶＰＥ成長を用いて簡便に作製できる点が特徴である。 Next, a manufacturing method of Embodiment 1 will be described. On the n-InP substrate, an n-InP lower clad layer, a bulk i-InGaAsP core layer having a 1.4Q composition of 0.3 μm thickness, a p-InP upper clad layer, and a p ⁺ -InGaAs layer are previously grown by metal organic chemical vapor deposition. It was grown by the method (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE). Next, a high mesa optical waveguide structure was collectively formed by photolithography and dry etching. In the first embodiment, the waveguide width is 1.4 μm. In the first embodiment, all optical waveguides including the optical coupler portion of the optical switch portion are manufactured with a high mesa optical waveguide structure. In the first embodiment, a 3-dB multimode interference (MMI) optical coupler that can be easily manufactured with low loss is used as the 2 × 2 optical coupler 21. After forming the waveguide, benzocyclobutene (BCB), which is an organic material that can be embedded in a local region and has excellent planarization, is applied by spin coating, and an O ₂ / C ₂ F ₆ mixed gas is used. Etchback was performed until the substrate surface (high mesa optical waveguide surface) was exposed by RIE, and the substrate surface (high mesa optical waveguide surface) was planarized. Thereafter, current injection / voltage application electrodes are formed on the two arms 22 of the 2 × 2 MZI optical switch element 11 and on the p ⁺ -InGaAs layer of each high mesa optical waveguide in the EA optical gate element 14 and on the back surface of the substrate. Become. As described above, it is characterized in that it can be easily produced using one MOVPE growth.

本実施形態１では、プラズマ効果とフランツケルディッシュ効果の二つの異なる効果を効率よく同時に使用するため、１．４Ｑ組成０．３μｍ膜厚の光導波層、導波路幅は１．４μｍである。この設計値は、この１×Ｎ光スイッチ素子の動作特性を決める重要なパラメータとなる。低損失、高速、かつ低消費電力なスイッチング動作を実現するにあたり、下記の条件が満たされることが好ましい。 In the first embodiment, in order to efficiently and simultaneously use two different effects of the plasma effect and the Franz Keldisch effect, the optical waveguide layer having a 1.4Q composition of 0.3 μm thickness and the waveguide width is 1.4 μm. This design value is an important parameter that determines the operating characteristics of the 1 × N optical switch element. In realizing a switching operation with low loss, high speed, and low power consumption, the following conditions are preferably satisfied.

１）駆動回路の消費電力を低減する観点から、動作波長１．５５μｍに対して、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１への注入電流が２０ｍＡ以下、ＥＡゲート素子１４及びＭＺＩゲート（光ゲート機能の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１）への印加電圧が−７Ｖ以下となる条件で光導波層の組成は１．３５Ｑ〜１．４５Ｑで各電極長は１００μｍ〜１０００μｍ。
２）光導波層の厚さはシングルモード条件で、かつ光導波層への十分な光閉じ込めを有する条件であり、０．１μｍ〜０．４μｍ。
３）光導波路の幅はシングルモード条件であり、０．８μｍ〜３μｍ。 1) From the viewpoint of reducing the power consumption of the drive circuit, the injection current to the 2 × 2 MZI optical switch element 11 is 20 mA or less, the EA gate element 14 and the MZI gate (2 of the optical gate function) with respect to the operating wavelength of 1.55 μm. The composition of the optical waveguide layer is 1.35Q to 1.45Q and the electrode length is 100 μm to 1000 μm under the condition that the voltage applied to the × 2MZI optical switch element 11) is −7 V or less.
2) The thickness of the optical waveguide layer is a single mode condition and a condition having sufficient optical confinement in the optical waveguide layer, and is 0.1 μm to 0.4 μm.
3) The width of the optical waveguide is a single mode condition, 0.8 μm to 3 μm.

本実施形態１は、ＥＡ光ゲート素子１４の光導波層としてバルク層を用いたが、多重量子井戸構造として量子閉じ込めシュタルク効果により高効率に消光できるように作製してもよい。また、導波路構造をハイメサ光導波路構造としているが、ハイメサ構造以外の構造、例えばリッジ型光導波路構造として作製してもよい。あるいは光導波層の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型導波路やリブ型導波路構造などでも実現できる。 In the first embodiment, a bulk layer is used as the optical waveguide layer of the EA optical gate element 14. However, a multi-quantum well structure may be prepared so as to be capable of quenching with high efficiency by the quantum confined Stark effect. Further, although the waveguide structure is a high mesa optical waveguide structure, it may be fabricated as a structure other than the high mesa structure, for example, a ridge type optical waveguide structure. Alternatively, it can be realized by an embedded waveguide or a rib-type waveguide structure in which both sides of the optical waveguide layer are embedded with a semiconductor.

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る１×８光スイッチ素子の構成を図６に示す。本実施形態２では、実施形態１と同様に半導体基板３２上に７個の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１を多段に配設して接続することで１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２を構成している。一方、光ゲート素子としては、８個の２×２ＭＺＩ素子３１を出力ポート１７−１〜１７−８に並列配置している。即ち、２×２ＭＺＩ素子３１は２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１と同じ構成の光ゲート素子であり、８個が並列配置されてＭＺＩゲートアレイ部３４を構成している。 (Embodiment 2)
FIG. 6 shows a configuration of a 1 × 8 optical switch element according to Embodiment 2 of the present invention. In the second embodiment, the 1 × 8 MZI optical switch unit 12 is configured by arranging and connecting seven 2 × 2 MZI optical switch elements 11 in multiple stages on the semiconductor substrate 32 as in the first embodiment. . On the other hand, as the optical gate elements, eight 2 × 2 MZI elements 31 are arranged in parallel to the output ports 17-1 to 17-8. That is, the 2 × 2 MZI element 31 is an optical gate element having the same configuration as the 2 × 2 MZI optical switch element 11, and eight are arranged in parallel to constitute the MZI gate array unit 34.

各出力ポート１７−１〜１７−８はシングルモード光ファイバ径との整合から２５０μｍピッチで配置され、１×８光スイッチ素子の８つの光出力は２枚のマイクロレンズアレイ３５により８つの光ファイバ３６に各々結合している。また、８つのシングルモード光ファイバ３６は、アレイ状に配置されファイバアレイブロック４０上に固定されている。１×８光スイッチの出力光３９は、いったん回折により広がるが、１×８光スイッチ側のマイクロレンズアレイ３５によってコリメート光とされ、光ファイバ３６側のマイクロレンズアレイ３５により光ファイバ３６のスポット径にまで集光され結合される。このとき、１×８光スイッチと光ファイバ３６との結合損失は２ｄＢ程度であった。 Each output port 17-1 to 17-8 is arranged at a pitch of 250 μm from the matching with the diameter of the single mode optical fiber, and eight optical outputs of the 1 × 8 optical switch element are eight optical fibers by two microlens arrays 35. 36 respectively. The eight single mode optical fibers 36 are arranged in an array and fixed on the fiber array block 40. The output light 39 of the 1 × 8 optical switch once spreads by diffraction, but is collimated by the microlens array 35 on the 1 × 8 optical switch side, and the spot diameter of the optical fiber 36 by the microlens array 35 on the optical fiber 36 side. The light is collected and combined. At this time, the coupling loss between the 1 × 8 optical switch and the optical fiber 36 was about 2 dB.

本実施形態２では光ゲート素子として２×２ＭＺＩ素子３１を各出力ポート１７−１〜１７−８に接続しているが、これは、実施形態１の図２（ｂ）に示す様に２×２ＭＺＩ素子３１の消光比（バーポート３８−１〜３８−８への光出力とクロスポート３７−１〜３７−８への光出力との比）が２０ｄＢ以上得られることを利用している。但し、図６の構成で示す様に、２×２ＭＺＩ素子３１のバーポート３８−１〜３８−８を出力ポート１７−１〜１７−８としており、消光状態においては（２×２ＭＺＩ素子３１への電流０ｍＡ）、クロスポート３７−１〜３７−８側に光が放出される。そのため不要な光が迷光となって光ファイバ３６側に漏れ出て、クロストーク値を劣化させていた。 In the second embodiment, a 2 × 2 MZI element 31 is connected to each output port 17-1 to 17-8 as an optical gate element, which is a 2 × as shown in FIG. 2B of the first embodiment. The fact that the extinction ratio of the 2MZI element 31 (the ratio of the light output to the bar ports 38-1 to 38-8 and the light output to the cross ports 37-1 to 37-8) is 20 dB or more is used. However, as shown in the configuration of FIG. 6, the bar ports 38-1 to 38-8 of the 2 × 2 MZI element 31 are output ports 17-1 to 17-8, and in the extinction state (to the 2 × 2 MZI element 31). Current 0 mA), light is emitted to the cross ports 37-1 to 37-8 side. Therefore, unnecessary light becomes stray light and leaks to the optical fiber 36 side, and the crosstalk value is deteriorated.

そこで、本実施形態２では、クロスポート３７−１〜３７−８側の光出力がマイクロレンズアレイ３５に対して１８０°向きを反転させて出力するように、クロスポート３７−１〜３７−８の向きを１８０°反転させることにより、クロストーク値を改善してある。
なお、図６の構成では、２×２ＭＺＩ素子３１のバーポート３８−１〜３８−８を出力ポート１７−１〜１７−８としクロスポート３７−１〜３７−８からの迷光が出力用の光ファイバ３６に結合しないようにクロスポート３７−１〜３７−８の向きを反転させているが、これとは逆に、２×２ＭＺＩ素子３１のクロスポート３７−１〜３７−８を出力ポート１７−１〜１７−８としバーポート３８−１〜３８−８からの迷光が出力用の光ファイバ３６に結合しないようにバーポート３８−１〜３８−８の向きを反転させるようにしてもよい。迷光が出力用の光ファイバ３６に結合しないことが重要であり、クロスポート３７−１〜３７−８又はバーポート３８−１〜３８−８を反転させる向きは１８０°に限定されるものではない。即ち、２×２ＭＺＩ素子の二つの出力ポートのうち、光信号を透過させない一方の出力ポート（クロスポート３７−１〜３７−８又はバーポート３８−１〜３８−８）は、光信号を透過させる他方の出力ポート（バーポート３８−１〜３８−８又はクロスポート３７−１〜３７−８）と異なる方向に向けられていればよい。 Therefore, in the second embodiment, the crossports 37-1 to 37-8 are output so that the light outputs on the crossports 37-1 to 37-8 side are inverted by 180 ° with respect to the microlens array 35. The crosstalk value is improved by reversing the direction of.
In the configuration of FIG. 6, the bar ports 38-1 to 38-8 of the 2 × 2 MZI element 31 are output ports 17-1 to 17-8, and stray light from the cross ports 37-1 to 37-8 is used for output. The direction of the cross ports 37-1 to 37-8 is reversed so as not to be coupled to the optical fiber 36. Conversely, the cross ports 37-1 to 37-8 of the 2 × 2 MZI element 31 are output ports. 17-1 to 17-8, and the direction of the bar ports 38-1 to 38-8 may be reversed so that stray light from the bar ports 38-1 to 38-8 is not coupled to the optical fiber 36 for output. Good. It is important that stray light is not coupled to the output optical fiber 36, and the direction in which the cross ports 37-1 to 37-8 or the bar ports 38-1 to 38-8 are inverted is not limited to 180 °. . That is, of the two output ports of the 2 × 2 MZI element, one of the output ports (cross ports 37-1 to 37-8 or bar ports 38-1 to 38-8) that does not transmit the optical signal transmits the optical signal. The other output port (bar port 38-1 to 38-8 or cross port 37-1 to 37-8) may be directed in a different direction.

この効果により、実施形態１と同様に消光比を要求されるレベルである４０ｄＢ以上にまで低減できた。本実施形態２の１×８光スイッチの導波路構造及び作製方法は実施形態１と同様である。また、２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１は２×２光スイッチとしてだけでなく、光ゲート機能をもつ点も実施形態１と同様である。 Due to this effect, the extinction ratio can be reduced to 40 dB or higher, which is a required level, as in the first embodiment. The waveguide structure and manufacturing method of the 1 × 8 optical switch of the second embodiment are the same as those of the first embodiment. The 2 × 2 MZI optical switch element 11 is the same as that of the first embodiment in that it has not only a 2 × 2 optical switch but also an optical gate function.

（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る８×６４光スイッチ素子の構成を図７に示す。本実施形態３では、実施形態２と同様に７個の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１を多段に接続することで１×８ＭＺＩ光スイッチ部１２を構成し、光ゲート素子として８個の２×２ＭＺＩ素子３１を出力ポート１７−１〜１７−８にそれぞれ配置してＭＺＩゲートアレイ部３４を構成することにより、１×８光スイッチ素子としている。更に、この１×８光スイッチ素子を１チップ上に８個並列に集積することにより、８×６４光スイッチ素子を構成している。また、８個の入力ポート１６と６４個の出力ポート１７−１〜１７−８は、それぞれ２対のマイクロレンズアレイ３５を用いて、複数本のシングルモード光ファイバ３６をアレイ状に配置してなる８ファイバアレイ４１及び６４ファイバアレイ４２のシングルモード光ファイバアレイに結合されている。本実施形態３の１×８光スイッチ素子（８×６４光スイッチ素子）とマイクロレンズアレイ３５はすべて半導体プロセスで作製される。従って、フォトリソグラフィとエッチングの精度でアレイ間の位置精度が決定される。光スイッチを本実施形態３のように小型化のためにアレイ化しても、光ファイバ３６への結合が極めて低損失に可能であった。 (Embodiment 3)
FIG. 7 shows the configuration of an 8 × 64 optical switch element according to Embodiment 3 of the present invention. In the third embodiment, similarly to the second embodiment, seven 2 × 2 MZI optical switch elements 11 are connected in multiple stages to form a 1 × 8 MZI optical switch unit 12, and eight 2 × 2 MZI optical gate elements are formed. The element 31 is arranged in each of the output ports 17-1 to 17-8 to constitute the MZI gate array unit 34, thereby forming a 1 × 8 optical switch element. Furthermore, 8 × 64 optical switch elements are configured by integrating eight 1 × 8 optical switch elements in parallel on one chip. The eight input ports 16 and the 64 output ports 17-1 to 17-8 each have a plurality of single mode optical fibers 36 arranged in an array using two pairs of microlens arrays 35. Are coupled to a single mode optical fiber array of 8 fiber arrays 41 and 64 fiber arrays 42. The 1 × 8 optical switch element (8 × 64 optical switch element) and the microlens array 35 of Embodiment 3 are all manufactured by a semiconductor process. Therefore, the positional accuracy between the arrays is determined by the accuracy of photolithography and etching. Even if the optical switch is arrayed for miniaturization as in the third embodiment, coupling to the optical fiber 36 is possible with extremely low loss.

更に、図８のように、本実施形態３の８×６４光スイッチ（即ち並列に配置した８つの１×８光スイッチ素子）と、８つの８×１光カプラ５１を用いれば、簡便な電気制御でスイッチング速度が数ナノ秒以下、低損失で極めて低いクロストークの８×８光スイッチ素子が実現できる。一般的にはＮ個の１×Ｎ光スイッチ素子の各出力ポートを、Ｎ個のＮ×１光カプラの各入力ポートに接続することにより、Ｎ×Ｎ光スイッチ素子を実現することができる。図８にはＮが８の場合を示しており、８個の１×８光スイッチ素子の出力ポート１７−１〜１７−８のそれぞれを、８個の８×１光カプラ５１の入力ポート５２−１〜５２−８のそれぞれに接続することにより、８×８光スイッチ素子を実現している。 Further, as shown in FIG. 8, if the 8 × 64 optical switch of the third embodiment (that is, eight 1 × 8 optical switch elements arranged in parallel) and the eight 8 × 1 optical couplers 51 are used, simple electrical operation is possible. An 8 × 8 optical switching device with switching speed of several nanoseconds or less, low loss, and extremely low crosstalk can be realized by control. In general, N × N optical switch elements can be realized by connecting output ports of N 1 × N optical switch elements to input ports of N N × 1 optical couplers. FIG. 8 shows a case where N is 8. Each of the output ports 17-1 to 17-8 of the eight 1 × 8 optical switch elements is connected to the input port 52 of the eight 8 × 1 optical couplers 51. By connecting to each of −1 to 52-8, an 8 × 8 optical switch element is realized.

最後に本実施形態では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いたがＧａＡｓ系導波路やシリコン細線導波路などのナノ秒オーダの屈折率と吸収係数の変化が可能な材料系を用いれば、同様に実現できる事を付記しておく。
実施形態１，２では、７つの２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１を３段に配設して接続することで１×８光スイッチ素子を構成したが、この構成に限定されるものではない。例えば、１５個の２×２ＭＺＩ光スイッチ素子１１を４段に配設して接続することで１×１６光スイッチ素子としてもよい。その場合は、１６の出力ポートに１６個のＥＡ光ゲート素子１４ないしは２×２ＭＺＩ素子３１を設けるようにすればよい。また、実施形態３では、１×８光スイッチ素子を１チップ上に８個並列に集積することにより、８×６４光スイッチ素子を構成したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、１×１６光スイッチ素子を１チップ上に１６個並列に集積して、１６×２５６光スイッチ素子としてもよい。１６×２５６光スイッチ素子と１６個の１６×１光カプラを用いて、１６×１６光スイッチ素子としてもよい。 Finally, in this embodiment, an InP-based compound semiconductor is used, but if a material system capable of changing the refractive index and absorption coefficient in the nanosecond order, such as a GaAs-based waveguide or a silicon wire waveguide, is similarly realized. Note what you can do.
In the first and second embodiments, the 1 × 8 optical switch element is configured by arranging and connecting seven 2 × 2 MZI optical switch elements 11 in three stages. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, 15 2 × 2 MZI optical switch elements 11 may be arranged in four stages and connected to form a 1 × 16 optical switch element. In that case, 16 EA optical gate elements 14 or 2 × 2 MZI elements 31 may be provided at 16 output ports. In the third embodiment, an 8 × 64 optical switch element is configured by integrating eight 1 × 8 optical switch elements in parallel on one chip. However, the present invention is not limited to this configuration. For example, Sixteen 1 × 16 optical switch elements may be integrated in parallel on one chip to form a 16 × 256 optical switch element. A 16 × 16 optical switch device may be formed by using 16 × 256 optical switch devices and 16 16 × 1 optical couplers.

本発明は１×Ｎ光スイッチ素子及びＮ×Ｎ光スイッチ素子に関するものであり、従来と比較して、高性能で低コスト、電気制御が簡便という特長があり、大容量通信用のルータ内部のスイッチ素子として利用できる。 The present invention relates to a 1 × N optical switch element and an N × N optical switch element, and has features such as high performance, low cost, and simple electric control as compared with the prior art. It can be used as a switch element.

１１２×２ＭＺＩ光スイッチ素子
１２１×８ＭＺＩ光スイッチ部
１３半導体基板
１４ＥＡ光ゲート素子
１５ＥＡゲートアレイ部
１６入力ポート
１７−１〜１７−８出力ポート
１８電極
２１２×２光カプラ
２２アーム
２３電極
２４ａクロスポート
２４ｂバーポート
３１２×２ＭＺＩ素子
３２半導体基板
３４ＭＺＩゲートアレイ部
３５マイクロレンズアレイ
３６光ファイバ
３７−１〜３７−８クロスポート
３８−１〜３８−８バーポート
３９出力光
４０ファイバブロック
４１８ファイバアレイ
４２６４ファイバアレイ
５１８×１光カプラ
５２−１〜５２−８入力ポート 11 2 × 2 MZI optical switch element 12 1 × 8 MZI optical switch section 13 Semiconductor substrate 14 EA optical gate element 15 EA gate array section 16 Input port 17-1 to 17-8 Output port 18 Electrode 21 2 × 2 optical coupler 22 Arm 23 Electrode 24a Cross port 24b Bar port 31 2 × 2 MZI element 32 Semiconductor substrate 34 MZI gate array part 35 Micro lens array 36 Optical fiber 37-1 to 37-8 Cross port 38-1 to 38-8 Bar port 39 Output light 40 Fiber Block 41 8 Fiber array 42 64 Fiber array 51 8 × 1 optical coupler 52-1 to 52-8 Input port

Claims

A Mach-Zehnder interferometer is formed by forming a plurality of 2 × 2 MZI optical switch elements having electrodes for applying a voltage or current to each of the arms and a plurality of optical gate elements on a semiconductor substrate. 1 × N optical switch element,
The plurality of 2 × 2 MZI optical switching elements are arranged in multiple stages, and each of the two output ports of the preceding 2 × 2 MZI optical switching element has two input ports of the succeeding 2 × 2 MZI optical switching element. One of the
The plurality of optical gate elements are respectively provided at each output port of the 1 × N optical switch element ,
Of the 2 × 2 MZI optical switch elements arranged in multiple stages, a 2 × 2 MZI optical switch element that does not allow signal light to pass through is a negative for quenching the signal light to at least one arm of the 2 × 2 MZI optical switch element. A 1 × N optical switching element, wherein a voltage is applied .

The 1 × N optical switch element according to claim 1,
The 1 × N optical switch element, wherein the optical gate element is an electroabsorption optical gate element.

The 1 × N optical switch element according to claim 1,
The 1 × N optical switch element, wherein the optical gate element is a 2 × 2 MZI element having the same configuration as the 2 × 2 MZI optical switch element.

The 1 × N optical switch element according to claim 3,
Of the two output ports of the 2 × 2 MZI element used as the optical gate element, one output port that does not transmit an optical signal is directed in a different direction from the other output port that transmits an optical signal. 1 × N optical switch element.

In the 1 * N optical switch element according to any one of claims 1 to 3,
1. A 1 × N optical switch element, wherein light output from each output port of the 1 × N optical switch element is coupled to an optical fiber through a microlens array.

N of the 1 × N optical switch elements according to claim 1, and N N × 1 optical couplers,
An N × N optical switch element having a configuration in which output ports of the N 1 × N optical switch elements are connected to input ports of the N N × 1 optical couplers.