JP6245651B2 - モード間光スイッチ - Google Patents
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Description
この従来の空間光スイッチは、一つの波長の入力光信号を電極へ印加する制御信号により空間的に振り分けるための出力導波路を複数並列に配設したものであり、一つの波長の信号を異なる出力導波路へ結合させるものである。
光スイッチは、このモード多重伝送技術を利用すれば、光スイッチの前後に接続するモード変換デバイスにより空間位置情報をモード情報に変換した上で、モードを切り換えるスイッチとして機能し、1本の入力導波路及び1本の出力導波路で済むことになり、光スイッチの小型化を図ることができる。
しかしながら、モード間光スイッチは、開発段階であり、製品として存在しないのが現状である。
モード間光スイッチ100は、単一の入力ポート1と、単一の出力ポート2と、当該入力ポート1及び出力ポート2間に配設されるモード変換手段101(不図示)と、を備える。
具体的には、第1の直線状導波路11は、光の導波方向に沿った導波路の長さ(以下、「導波路長」と称す)が450μmであると共に、Y分岐導波路20に結合する一端の導波路幅が0.5μmであり、合流導波路30に結合する他端の導波路幅が0.6μmである。
また、第2の直線状導波路12は、導波路長が450μmであると共に、Y分岐導波路20に結合する一端の導波路幅が0.7μmであり、合流導波路30に結合する他端の導波路幅が0.6μmである。
具体的には、Y分岐導波路20のうち分岐する2本の導波路(第1の分岐導波路21、第2の分岐導波路22)を除く領域(以下、「分岐前導波路23」と称す)は、導波路長が200μmであり、導波路幅が1.2μmの直線状導波路である。
また、第1の分岐導波路21は、図1(b)に示すように、導波路幅が0.5μmであると共に、分岐前導波路23に結合する一端におけるコアの中心と第1の直線状導波路11に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が1μmであり、曲率半径R1が5625.25μmである略S字の曲線状導波路である。
また、第2の分岐導波路22は、導波路長が150μmであり、導波路幅が0.7μmである直線状導波路である。
具体的には、合流導波路30のうち合流する2本の導波路(第1の合流導波路31、第2の合流導波路32)を除く領域(以下、「合流後導波路33」と称す)は、導波路長が200μmであり、導波路幅が1.2μmの直線状導波路である。
また、第1の合流導波路31は、図1(c)に示すように、導波路幅が0.6μmであると共に、第1の直線状導波路11に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路33に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が0.5μmであり、曲率半径R2が90000.25μmである、内側(合流導波路30の中心側)に湾曲する曲線状導波路である。
また、第2の合流導波路32は、図1(d)に示すように、導波路幅が0.6μmであると共に、第2の直線状導波路12に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路33に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が0.5μmであり、曲率半径R3が90000.25μmである、内側(合流導波路30の中心側)に湾曲する曲線状導波路である。
特に、屈折率変化領域3のトレンチ3aの幅(以下、「トレンチ幅Wt」と称す)は、波長オーダー若しくはそれ以下にすること(以下、「狭窄トレンチ構造」と称す)により、狭いパターンほどエッチング深さが浅くなり、周囲に比べてエッチング量が抑制される効果(RIEラグ:reactive ion etching lag)を利用し、オーバーエッチングを抑制することができる。
この場合に、図2(a)及び図2(b)に示すスラブ部131bにおけるマスク161の開口部分は、波長オーダー若しくはそれ以下であり、図1(a)に示す非導波領域におけるマスク161の開口部分に対して、極端に狭いため、RIEラグ効果により、非導波領域におけるドライエッチングが終了しても、スラブ部131bとして半導体層130が残る(オーバーエッチングを抑制する)ことになる。
その後、半導体層130上にあるマスク161を、有機溶剤及びアッシング法により除去する(図3(c)、図6(c))。
また、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
モード間光スイッチ100の入力ポート1に入射されたモード光は、Y分岐導波路20の分岐前導波路23に入射する。
Y分岐導波路20は、導波路構造が緩やかに変化しているので、断熱条件を満たしており、モードソーティングを行なう。
また、入力ポート1から1次モード光を入射すると、1次モード光がY分岐導波路20の細い導波路(第1の分岐導波路21)に0次モード光に切り換わったうえで伝搬する。
これにより、p型半導体領域132及びn型半導体領域133から真性半導体領域131であるリブ部131aにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部131aに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、リブ部131aの屈折率を変化させることができる。
このため、必要なモード成分に対する不要なモード成分の比(モード間クロストーク)を抑制する必要がある。
図11(a)は第2の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図11(b)は図11(a)に示す第1の分岐導波路の寸法を説明するための説明図であり、図11(c)は図11(a)に示す第2の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図である。図12(a)は0次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔNと透過度との関係を示すグラフであり、図12(b)は1次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔNと透過度との関係を示すグラフである。図13(a)は0次モード光を入力して屈折率変化量ΔNを0とした場合の光フィールドを示す説明図であり、図13(b)は0次モード光を入力して屈折率変化量ΔNを−0.0039とした場合の光フィールドを示す説明図であり、図13(c)は1次モード光を入力して屈折率変化量ΔNを0とした場合の光フィールドを示す説明図であり、図13(d)は1次モード光を入力して屈折率変化量ΔNを−0.0039とした場合の光フィールドを示す説明図である。図11において、図1乃至図8と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
具体的には、第1の直線状導波路11及び第2の直線状導波路12は、導波路長が200μmであると共に、Y分岐導波路20に結合する一端の導波路幅が0.6μmであり、合流導波路30に結合する他端の導波路幅が0.6μmである。
具体的には、Y分岐導波路20のうち分岐する2本の導波路(第1の分岐導波路21、第2の分岐導波路22)を除く領域(分岐前導波路23)は、導波路長が50μmであり、導波路幅が1.2μmの直線状導波路である。
また、第1の分岐導波路21は、図11(b)に示すように、導波路幅が0.6μmであると共に、分岐前導波路23に結合する一端におけるコアの中心と第1の直線状導波路11に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が5μmであり、曲率半径R4が1126.25μmである略S字の曲線状導波路である。
また、第2の分岐導波路22は、図11(b)に示す第1の分岐導波路21を上下反転した平面形状であり、導波路幅が0.6μmであると共に、分岐前導波路23に結合する一端におけるコアの中心と第2の直線状導波路12に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が5μmであり、曲率半径R4が1126.25μmである略S字の曲線状導波路である。
具体的には、合流導波路30のうち合流する2本の導波路(第1の合流導波路31、第2の合流導波路32)を除く領域(合流後導波路33)は、導波路長が150μmであり、導波路幅が1.2μmの直線状導波路である。
また、第1の合流導波路31は、図11(b)に示す第1の分岐導波路21を左右反転した平面形状であり、導波路幅が0.6μmであると共に、第1の直線状導波路11に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路33に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が5μmであり、曲率半径R4が1126.25μmである略S字の曲線状導波路である。
また、第2の合流導波路32は、図11(b)に示す第1の分岐導波路21を左右及び上下反転した平面形状であり、導波路幅が0.6μmであると共に、第2の直線状導波路12に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路33に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が5μmであり、曲率半径R4が1126.25μmである略S字の曲線状導波路である。
モード間光スイッチ100の入力ポート1に入射されたモード光は、Y分岐導波路20の分岐前導波路23に入射する。
これにより、p型半導体領域132及びn型半導体領域133から真性半導体領域131であるリブ部131aにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部131aに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相をπ[rad]だけ位相を変化させることができる。
また、合流導波路30の合流後導波路33は、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とが一致する場合に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート1に入力されたモード光と同一のモード光を出力ポート2から出射させる。
このため、必要なモード成分に対する不要なモード成分の比(モード間クロストーク)を抑制する必要がある。
図14(a)は第3の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図14(b)は図14(a)に示す第3の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、図14(c)は図14(a)に示すモード間光スイッチの矢視C−C’線の断面図である。図14において、図1乃至図8及び図11と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
具体的には、第3の直線状導波路13は、導波路長が165μmであり、導波路幅が4μmである。
また、曲線状導波路14は、導波路幅が4μmであり、曲率半径が100μmである略S字の曲線領域を中央で結合した構成である。
また、本実施形態に係る2×1型MMI導波路50は、導波路長が415μm(≒3Lc’/4、Lc’:クラッドの導波路長)であり、導波路幅が14μmである、略矩形状の干渉領域を有する。
We=W1+(λ0/π)(Nc/Nr)2σ(Nr2−Nc2)−1/2
Lπ=4NrWe 2/3λ0
L=(3/4N)Lπ(Nは正の整数)
L=(3/N)Lπ(Nは正の整数)
また、本実施形態に係る出力導波路7は、導波路長が50μmであり、導波路幅が8μmである直線状導波路であり、2×1型MMI導波路50の出力側の辺に対して略中央に接続されている。
モード間光スイッチ100の入力ポート1に入射されたモード光は、入力導波路6を伝搬して1×2型MMI導波路40に入射する。
これにより、p型半導体領域132及びn型半導体領域133から真性半導体領域131であるリブ部131aにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部131aに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相をπ[rad]だけ位相を変化させることができる。
すなわち、モード間光スイッチ100は、第1の電極4a及び第2の電極4bに電圧を印加することにより、2本の導波路10の導波路長を異ならせた構造により生じた、第3の直線状導波路13を伝搬する均等分割後の一方のモード光と曲線状導波路14を伝搬する均等分割後の他方のモード光との位相差πに対して、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とを一致させることになる。
また、2×1型MMI導波路50は、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とが一致する場合(第1の電極4a及び第2の電極4bに電圧を印加する場合)に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート1に入力されたモード光と同一のモード光を出力ポート2から出射させる。
しかしながら、本実施形態に係るモード間光スイッチ100は、入力ポート1に入射したモード光を異なるモード光として出力ポート2から出射させる(同一モード光又は異なるモード光に変換させる)ために、2本の導波路10のうち、少なくとも一方に屈折率変化手段8を配設する必要である。
図15(a)は第4の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図15(b)は図15(a)に示す第2の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、図15(c)は図15(a)に示す1×2型MMI導波路の矢視D−D’線の断面図である。図15において、図1乃至図14と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
また、本実施形態に係る光分岐導波路は、入力ポート1及び2本の導波路10(第1の直線状導波路11、第2の直線状導波路12)間に配設される1×2型多モード光干渉導波路40である。
また、本実施形態に係る光合波導波路は、出力ポート2及び2本の導波路10(第1の直線状導波路11、第2の直線状導波路12)間に配設される合流導波路30である。
さらに、屈折率変化手段8は、2本の導波路10(第1の直線状導波路11、第2の直線状導波路12)、又は、合流導波路30の合流する導波路(第1の合流導波路31、第2の合流導波路32)に配設される。なお、本実施形態に係る屈折率変化手段8は、第2の直線状導波路12に配設される。
モード間光スイッチ100の入力ポート1に入射されたモード光は、入力導波路6を伝搬して1×2型MMI導波路40に入射する。
これにより、p型半導体領域132及びn型半導体領域133から真性半導体領域131であるリブ部131aにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部131aに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相をπ[rad]だけ位相を変化させることができる。
また、合流導波路30の合流後導波路33は、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とが一致する場合(第1の電極4a及び第2の電極4bに電圧を印加しない場合)に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート1に入力されたモード光と同一のモード光を出力ポート2から出射させる。
また、本実施形態に係るモード間光スイッチ100は、第2の実施形態に係るモード間光スイッチ100において、Y分岐導波路20の代わりに、分岐前導波路23の導波路幅と導波路幅が等しい入力導波路6及び1×2型MMI導波路40を備えると共に、合流導波路30の代わりに、合流後導波路33の導波路幅と導波路幅が等しい出力導波路7及び2×1型MMI導波路50を備えてもよい。
図16(a)は第5の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図16(b)は図16(a)に示すモード間光スイッチのモードスイッチングの一例を説明するための説明図であり、図16(c)は第5の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の他の一例を示す平面図である。図17は図16(a)に示すモード間光スイッチにおけるビーム伝搬法シミュレーションによる0次モード光から他のモードに変換した様子(光フィールド)を示す説明図であり、(a)は0次モード光を入力して0次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、(b)は0次モード光を入力して1次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、(c)は0次モード光を入力して2次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、(d)は0次モード光を入力して3次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図である。図16及び図17において、図1乃至図15と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
これに対し、本実施形態においては、モード間光スイッチ100の機能を拡張し、0次モード光、1次モード光、2次モード光又は3次モード光を、0次モード光、1次モード光、2次モード光又は3次モード光に変換する4種類のモード(0次モード、1次モード、2次モード、3次モード)光に対応するモード間光スイッチ100について説明する。
特に、第1Y分岐導波路61の分岐後の他の導波路61b、第1合流導波路71及び第4Y分岐導波路64間の導波路71a、並びに、第3合流導波路73及び第4合流導波路74間の導波路73aは、後述するように、1次モード以下のモード光(1次モード光、0次モード光)が伝播する導波路であり、導波路61b、導波路71a及び導波路73aに配設される屈折率変化手段8は、1次モード位相反転領域となる。なお、ここでいう1次モード位相反転領域とは、1次モード以下のモード光が伝搬する光導波路において、0次モード光と1次モード光との間の伝搬定数が異なることを利用し、この領域に電流を注入して屈折率を変化させた場合に、1次モード光の位相を変転させる一方で、0次モード光の位相は反転させずにそのままとした状態を作り出す領域のことを意味する。
また、第4Y分岐導波路64の分岐後の一の導波路64a及び他の導波路64b、並びに、第3Y分岐導波路63の分岐後の他の導波路63bは、後述するように、0次モード光が伝播する導波路であり、導波路64a、導波路64b及び導波路63bに配設される屈折率変化手段8は、0次モード位相反転領域となる。
なお、本実施形態に係るモード間光スイッチ100は、0次モード光、1次モード光、2次モード光及び3次モード光の4種類のモード光が入力モードとして入力ポート1に入力されるため、出力モードとして出力ポート2から出力されるモード光の順番(順列)としては、4の階乗(4!)である24通りが考えられる。
また、表1において、屈折率変化手段8(π位相変化領域)の各欄における「●」は、屈折率変化手段8をオン(第1の電極4a及び第2の電極4bに電圧を印加)した状態であり、屈折率変化手段8(π位相変化領域)の各欄における「−」は、屈折率変化手段8をオフした状態である。
この場合に、第1Y分岐導波路61に入射した0次モード光は、第1Y分岐導波路61の一の導波路61a及び他の導波路61bに0次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第1Y分岐導波路61に入射した1次モード光は、第1Y分岐導波路61の一の導波路61aに0次モード光として伝搬し、第1Y分岐導波路61の一の導波路61aに伝搬する0次モード光と位相がπずれた0次モード光(以下、「反転0次モード光」と称す)として第1Y分岐導波路61の他の導波路61bに伝搬する。
また、第1Y分岐導波路61に入射した2次モード光は、第1Y分岐導波路61の一の導波路61aに1次モード光として伝搬し、第1Y分岐導波路61の一の導波路61aに伝搬する1次モード光と位相がπずれた1次モード光(以下、「反転1次モード光」と称す)として第1Y分岐導波路61の他の導波路61bに伝搬する。
さらに、第1Y分岐導波路61に入射した3次モード光は、第1Y分岐導波路61の一の導波路61a及び他の導波路61bに1次モード光としてそれぞれ伝搬する。
このように、第1Y分岐導波路61の一の導波路61a及び他の導波路61bには、1次モード以下のモード光が伝搬する。
この場合に、第2Y分岐導波路62に入射した0次モード光は、第2Y分岐導波路62の一の導波路62a及び他の導波路62bに0次モード光として伝搬する。
また、第2Y分岐導波路62に入射した1次モード光は、第2Y分岐導波路62の他の導波路62bに0次モード光として伝搬し、第2Y分岐導波路62の他の導波路62bに伝搬する0次モード光と位相がπずれた0次モード光(反転0次モード光)として第2Y分岐導波路62の一の導波路62aに伝搬する。
このように、第2Y分岐導波路62の一の導波路62a及び他の導波路62bには、0次モード光が伝搬する。
この場合に、第3Y分岐導波路63に入射した0次モード光は、第3Y分岐導波路63の一の導波路63a及び他の導波路63bに0次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第3Y分岐導波路63に入射した反転0次モード光は、第3Y分岐導波路63の一の導波路63a及び他の導波路63bに反転0次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第3Y分岐導波路63に入射した反転1次モード光は、第3Y分岐導波路63の他の導波路63bに0次モード光として伝搬し、第3Y分岐導波路63の他の導波路63bに伝搬する0次モード光と位相がπずれた0次モード光(反転0次モード光)として第3Y分岐導波路63の一の導波路63aに伝搬する。
また、第3Y分岐導波路63に入射した1次モード光は、第3Y分岐導波路63の一の導波路63aに0次モード光として伝搬し、第3Y分岐導波路63の一の導波路63aに伝搬する0次モード光と位相がπずれた0次モード光(反転0次モード光)として第3Y分岐導波路63の他の導波路63bに伝搬する。
このように、第3Y分岐導波路63の一の導波路63a及び他の導波路63bには、0次モード光が伝搬する。
この場合に、第2Y分岐導波路62の一の導波路62aから第1合流導波路71に入射した0次モード光と第3Y分岐導波路63の一の導波路63aから第1合流導波路71に入射した0次モード光とは、第1合流導波路71により結合されて0次モード光として第4Y分岐導波路64に入射する。
また、第2Y分岐導波路62の一の導波路62aから第1合流導波路71に入射した0次モード光と第3Y分岐導波路63の一の導波路63aから第1合流導波路71に入射した反転0次モード光とは、第1合流導波路71により結合されて1次モード光として第4Y分岐導波路64に入射する。
また、第2Y分岐導波路62の一の導波路62aから第1合流導波路71に入射した反転0次モード光と第3Y分岐導波路63の一の導波路63aから第1合流導波路71に入射した反転0次モード光とは、第1合流導波路71により結合されて反転0次モード光として第4Y分岐導波路64に入射する。
また、第2Y分岐導波路62の一の導波路62aから第1合流導波路71に入射した反転0次モード光と第3Y分岐導波路63の一の導波路63aから第1合流導波路71に入射した0次モード光とは、第1合流導波路71により結合されて反転1次モード光として第4Y分岐導波路64に入射する。
このように、第1合流導波路71及び第4Y分岐導波路64間の導波路71aには、1次モード以下のモード光が伝搬する。
この場合に、第4Y分岐導波路64に入射した0次モード光は、第4Y分岐導波路64の一の導波路64a及び他の導波路64bに0次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第4Y分岐導波路64に入射した1次モード光は、第4Y分岐導波路64の一の導波路64aに0次モード光として伝搬し、第4Y分岐導波路64の一の導波路64aに伝搬する0次モード光と位相がπずれた0次モード光(反転0次モード光)として第4Y分岐導波路64の他の導波路64bに伝搬する。
また、第4Y分岐導波路64に入射した反転0次モード光は、第4Y分岐導波路64の一の導波路64a及び他の導波路64bに反転0次モード光としてそれぞれ伝搬する。
さらに、第4Y分岐導波路64に入射した反転1次モード光は、第4Y分岐導波路64の他の導波路64bに0次モード光として伝搬し、第4Y分岐導波路64の他の導波路64bに伝搬する0次モード光と位相がπずれた0次モード光(反転0次モード光)として第4Y分岐導波路64の一の導波路64aに伝搬する。
このように、第4Y分岐導波路64の一の導波路64a及び他の導波路64bには、0次モード光が伝搬する。
これにより、p型半導体領域132及びn型半導体領域133から真性半導体領域131であるリブ部131aにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部131aに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、第4Y分岐導波路64の一の導波路64a及び他の導波路64bを伝搬するモード光の位相をπ[rad]だけ変化させることができる。
すなわち、第4Y分岐導波路64の一の導波路64aを伝搬するモード光(0次モード光、0次モード光、反転0次モード光、反転0次モード光)は、0次モード光が反転0次モード光となり、反転0次モード光が0次モード光となり、第3合流導波路73にモード光(反転0次モード光、反転0次モード光、0次モード光、0次モード光)として入射する。
また、第4Y分岐導波路64の他の導波路64bを伝搬するモード光(0次モード光、反転0次モード光、反転0次モード光、0次モード光)は、0次モード光が反転0次モード光となり、反転0次モード光が0次モード光となり、第3合流導波路73にモード光(反転0次モード光、0次モード光、0次モード光、反転0次モード光)として入射する。
この場合に、第2Y分岐導波路62の他の導波路62bから第2合流導波路72に入射した0次モード光と第4Y分岐導波路64の一の導波路64aから屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第2合流導波路72に入射した反転0次モード光とは、第2合流導波路72により結合されて1次モード光として第4合流導波路74に入射する。
また、第2Y分岐導波路62の他の導波路62bから第2合流導波路72に入射した0次モード光と第4Y分岐導波路64の一の導波路64aから屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第2合流導波路72に入射した反転0次モード光とは、第2合流導波路72により結合されて1次モード光として第4合流導波路74に入射する。
また、第2Y分岐導波路62の他の導波路62bから第2合流導波路72に入射した0次モード光と第4Y分岐導波路64の一の導波路64aから屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第2合流導波路72に入射した0次モード光とは、第2合流導波路72により結合されて0次モード光として第4合流導波路74に入射する。
また、第2Y分岐導波路62の他の導波路62bから第2合流導波路72に入射した0次モード光と第4Y分岐導波路64の一の導波路64aから屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第2合流導波路72に入射した0次モード光とは、第2合流導波路72により結合されて0次モード光として第4合流導波路74に入射する。
このように、第2合流導波路72及び第4合流導波路74間の導波路72aには、1次モード以下のモード光が伝搬する。
この場合に、第3Y分岐導波路63の他の導波路63bから第3合流導波路73に入射した0次モード光と第4Y分岐導波路64の他の導波路64bから屈折率変化手段8(π位相変化領域E)を介して第3合流導波路73に入射した反転0次モード光とは、第3合流導波路73により結合されて反転1次モード光になる。
また、第3Y分岐導波路63の他の導波路63bから第3合流導波路73に入射した反転0次モード光と第4Y分岐導波路64の他の導波路64bから屈折率変化手段8(π位相変化領域E)を介して第3合流導波路73に入射した0次モード光とは、第3合流導波路73により結合されて1次モード光になる。
また、第3Y分岐導波路63の他の導波路63bから第3合流導波路73に入射した0次モード光と第4Y分岐導波路64の他の導波路64bから屈折率変化手段8(π位相変化領域E)を介して第3合流導波路73に入射した0次モード光とは、第3合流導波路73により結合されて0次モード光になる。
また、第3Y分岐導波路63の他の導波路63bから第3合流導波路73に入射した反転0次モード光と第4Y分岐導波路64の他の導波路64bから屈折率変化手段8(π位相変化領域E)を介して第3合流導波路73に入射した反転0次モード光とは、第3合流導波路73により結合されて反転0次モード光になる。
このように、第3合流導波路73及び第4合流導波路74間の導波路73aには、1次モード以下のモード光が伝搬する。
これにより、p型半導体領域132及びn型半導体領域133から真性半導体領域131であるリブ部131aにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部131aに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、第3合流導波路73及び第4合流導波路74間の導波路73aを伝搬するモード光のうち、1次モード光として伝搬している光の位相をπ[rad]だけ変化させる一方、0次モード光の位相は反転せずにそのままとすることができる。
すなわち、第3合流導波路73及び第4合流導波路74間の導波路73aを伝搬するモード光(反転1次モード光、1次モード光、0次モード光、反転0次モード光)は、0次モード光はそのまま0次モード光となり、反転0次モード光はそのまま反転0次モード光となり、1次モード光が反転1次モード光となり、反転1次モード光が1次モード光となり、第3合流導波路73にモード光(1次モード光、反転1次モード光、0次モード光、反転0次モード光)として入射する。
この場合に、第2合流導波路72から第4合流導波路74に入射した1次モード光と第3合流導波路73から屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第4合流導波路74に入射した1次モード光とは、第4合流導波路74により結合されて3次モード光として出力ポート2から出射する。
また第2合流導波路72から第4合流導波路74に入射した1次モード光と第3合流導波路73から屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第4合流導波路74に入射した反転1次モード光とは、第4合流導波路74により結合されて2次モード光として出力ポート2から出射する。
また、第2合流導波路72から第4合流導波路74に入射した0次モード光と第3合流導波路73から屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第4合流導波路74に入射した0次モード光とは、第4合流導波路74により結合されて0次モード光として出力ポート2から出射する。
また、第2合流導波路72から第4合流導波路74に入射した1次モード光と第3合流導波路73から屈折率変化手段8(π位相変化領域D)を介して第4合流導波路74に入射した反転0次モード光とは、第4合流導波路74により結合されて1次モード光として出力ポート2から出射する。
表2は、各入力モード(0次モード光、1次モード光、2次モード光、3次モード光)を各出力モード(0次モード光、1次モード光、2次モード光、3次モード光)に変換するための屈折率変化手段8における最適な屈折率変化とその時の最低のモード間クロストークの結果を示している。
例えば、モード間光スイッチ100は、図16(c)に示すように、第1Y分岐導波路61の分岐後の一の導波路61a、第2Y分岐導波路62の分岐後の他の導波路62b、第3Y分岐導波路63の分岐後の他の導波路63b、並びに、第2合流導波路72及び第4合流導波路74間の導波路72aにも、屈折率変化手段8を配設させることが考えられる。この構成により、モード間光スイッチ100は、複数の屈折率変化手段8のうちいずれかの屈折率変化手段8に不具合が生じた場合に、不具合が生じていない屈折率変化手段8を機能させることにより、所望の24通りの出力モードを作り出すことができる。
なお、図16(c)に示すモード間光スイッチ100は、屈折率変化手段8を直線状導波路に配設させているが、曲線状導波路に配設させてもよい。
図18(a)は第6の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図18(b)は第6の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の他の一例を示す平面図である。図18において、図1乃至図17と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
これに対し、本実施形態においては、モード間光スイッチ100の機能をさらに拡張し、0次モード光〜7次モード光を0次モード光〜7次モード光に変換する8種類のモード(0次モード、1次モード、2次モード、3次モード、4次モード、5次モード、6次モード、7次モード)光に対応するモード間光スイッチ100について説明する。
例えば、図18(b)に示すように、モード間光スイッチ100は、第1Y分岐導波路261の分岐後の他の導波路261b、並びに、第9合流導波路279及び第10合流導波路270間の導波路279aにも、屈折率変化手段8を配設させることが考えられる。
また、モード間光スイッチ100は、第1Y分岐導波路261の分岐後の一の導波路261a及び他の導波路261b、第2Y分岐導波路262の分岐後の一の導波路262a、第4Y分岐導波路264の分岐後の他の導波路264b、第4合流導波路274及び第8合流導波路278間の導波路274a、第8合流導波路278及び第10合流導波路270間の導波路278a、並びに、第9合流導波路279及び第10合流導波路270間の導波路279aにも、屈折率変化手段8を配設させることが考えられる。この構成により、モード間光スイッチ100は、複数の屈折率変化手段8のうちいずれかの屈折率変化手段8に不具合が生じた場合に、不具合が生じていない屈折率変化手段8を機能させることにより、所望の40320通りの出力モードを作り出すことができる。
前述した第5の実施形態においては、0次モード光〜3次モード光を0次モード光〜3次モード光に変換する4種類のモード(0次モード、1次モード、2次モード、3次モード)光に対応するモード間光スイッチ100について説明した。
また、前述した第6の実施形態においては、0次モード光〜7次モード光を0次モード光〜7次モード光に変換する8種類のモード(0次モード、1次モード、2次モード、3次モード、4次モード、5次モード、6次モード、7次モード)光に対応するモード間光スイッチ100について説明した。
これに対し、本実施形態においては、モード間光スイッチ100の導波路(Y分岐導波路、合流導波路)及び屈折率変化手段8の配置を一般化し、0次モード光乃至2n−1次モード光(nは2以上の整数)である2n種類のモード光に対応するモード間光スイッチ100について説明する。
例えば、モード間光スイッチ100は、全ての直線状導波路に屈折率変化手段8を配設させることにより、モード間光スイッチ100は、複数の屈折率変化手段8のうちいずれかの屈折率変化手段8に不具合が生じた場合に、不具合が生じていない屈折率変化手段8を機能させることにより、所望の2nの階乗(2n!)通りの出力モードを作り出すことができる。
2 出力ポート
3 屈折率変化領域
3a トレンチ
4a 第1の電極
4b 第2の電極
5 コンタクトホール
5a 第1の接続部
5b 第2の接続部
6 入力導波路
7 出力導波路
8 屈折率変化手段
10 導波路
11 第1の直線状導波路
12 第2の直線状導波路
13 第3の直線状導波路
14 曲線状導波路
20 Y分岐導波路
21 第1の分岐導波路
22 第2の分岐導波路
23 分岐前導波路
30 合流導波路
31 第1の合流導波路
32 第2の合流導波路
33 合流後導波路
40 1×2型MMI導波路
50 2×1型MMI導波路
61 第1Y分岐導波路
61a 一の導波路
61b 他の導波路
62 第2Y分岐導波路
62a 一の導波路
62b 他の導波路
63 第3Y分岐導波路
63a 一の導波路
63b 他の導波路
64 第4Y分岐導波路
64a 一の導波路
64b 他の導波路
71 第1合流導波路
71a 導波路
72 第2合流導波路
72a 導波路
73 第3合流導波路
73a 導波路
74 第4合流導波路
100 モード間光スイッチ
110 基板
120 第1のクラッド層
130 半導体層
131 真性半導体領域
131a リブ部
131b スラブ部
132 p型半導体領域
133 n型半導体領域
140 第2のクラッド層
151 第1の金属層
152 第2の金属層
161,162,163,164,165,166 マスク
260 第10Y分岐導波路
260a 一の導波路
260b 他の導波路
261 第1Y分岐導波路
261a 一の導波路
261b 他の導波路
262 第2Y分岐導波路
262a 一の導波路
262b 他の導波路
263 第3Y分岐導波路
263a 一の導波路
263b 他の導波路
264 第4Y分岐導波路
264a 一の導波路
264b 他の導波路
265 第5Y分岐導波路
265a 一の導波路
265b 他の導波路
266 第6Y分岐導波路
266a 一の導波路
266b 他の導波路
267 第7Y分岐導波路
267a 一の導波路
267b 他の導波路
268 第8Y分岐導波路
268a 一の導波路
268b 他の導波路
269 第9Y分岐導波路
269a 一の導波路
269b 他の導波路
270 第10合流導波路
271 第1合流導波路
271a 導波路
272 第2合流導波路
272a 導波路
273 第3合流導波路
273a 導波路
274 第4合流導波路
274a 導波路
275 第5合流導波路
275a 導波路
276 第6合流導波路
276a 導波路
277 第7合流導波路
277a 導波路
278 第8合流導波路
278a 導波路
279 第9合流導波路
279a 導波路
300 基準領域
301 前段領域
302 段領域
303 後段領域
310 入力段領域
320 出力段領域
Claims (11)
- 基板上に配設される単一の入力ポートと、前記基板上に配設される単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間における前記基板上に配設され、前記入力ポートから入力された任意の複数の次数の光信号で多重伝送されたモード光を前記出力ポートから他の任意の複数の次数の光信号で多重伝送するモード光として出力するモード変換手段と、を備えるモード間光スイッチであって、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されたモード光を分岐する光分岐導波路と、
前記光分岐導波路に接続され、前記基板に対して同一平面内で略水平に並設される複数の導波路と、
前記光分岐導波路の後段に配設され、導波路のコアの屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
前記屈折率変化手段の後段に配設され、前記光分岐導波路で分岐されたモード光を結合し、各次数ごとのモード光を形成し、当該各次数ごとのモード光を重ね合わせて前記出力ポートから出力する光合波導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意の次数のモード光を、前記出力ポートから前記任意の次数以外の他の任意の次数のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項1に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記屈折率変化手段が、前記導波路のコアを挟んで、対向する位置に配設される一対の電極を備えることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項1又は2に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記基板上に積層された第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に積層され、前記第1のクラッド層の屈折率よりも屈折率が高い真性半導体領域を含む半導体層と、
前記半導体層上に積層され、前記半導体の屈折率よりも屈折率が低い第2のクラッド層と、
を備え、
前記屈折率変化手段は、
前記半導体層の真性半導体に不純物を添加してなるp型半導体領域及びn型半導体領域を前記真性半導体領域と共に導波方向に沿って並設してpin接合を構成する屈折率変化領域と、
を備えることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項1乃至3のいずれかに記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び2本の導波路間に配設されるY分岐導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び2本の導波路間に配設される合流導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記2本の導波路のうち少なくとも一方、又は、前記合流導波路の合流する導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項4に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路が、直線状導波路であり、
前記Y分岐導波路が、分岐する2本の導波路を平面視において導波路幅を異にする非対称の平面形状とし、
前記合流導波路が、合流する2本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記屈折率変化手段が、前記合流導波路の合流する2本の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項4に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路が、直線状導波路であり、
前記Y分岐導波路が、分岐する2本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記合流導波路が、合流する2本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記屈折率変化手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路のうち、少なくとも一方に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項1に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び2本の導波路間に配設される1×2型多モード光干渉導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び2本の導波路間に配設される2×1型多モード光干渉導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路のうち、少なくとも一方に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項1に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される2本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び2本の導波路間に配設される1×2型多モード光干渉導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び2本の導波路間に配設される合流導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記2本の導波路のうち少なくとも一方、又は、前記合流導波路の合流する導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 単一の入力ポートと、単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間に配設され、前記入力ポートから入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力するモード変換手段と、を備えるモード間光スイッチにおいて、
0次モード光乃至2n−1次モード光(nは2以上の整数)である2n種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートに接続され、モード光を2つに分岐するY分岐導波路が一又は複数配設される入力段領域と、
前記出力ポートに接続され、2つのモード光を結合する合流導波路が一又は複数配設される出力段領域と、
前記入力段領域及び出力段領域間に配設され、0次モード光を伝搬させる2n本の導波路が並設される基準領域と、
前記基準領域の前段に配設され、前記基準領域における最外側の2本の導波路にそれぞれ接続される2本の導波路と、前記基準領域における最外側の2本の導波路を除く隣り合う2本の導波路に分岐する2n−1−1本のY分岐導波路に接続される2n−1−1本の導波路と、が並設される前段領域と、
前記前段領域の前段に配設され、前記前段領域における2n−1−1本の導波路に結合する2n−1−1本の合流導波路と当該2n−1−1本の合流導波路の結合前の2n−2本の導波路及び前記前段領域における最外側の2本の導波路にそれぞれ接続される2本の導波路のうち隣り合う2n本の導波路に分岐する2n−1本のY分岐導波路とを介して、2n−1本の導波路が並設される前々段領域と、
前記基準領域の後段に配設され、前記基準領域における隣り合う2本の導波路を結合する2n−1本の合流導波路に接続される2n−1本の導波路が並設される後段領域と、
前記基準領域における最外側の1本の導波路を除く2n−1本の導波路、前記前段領域における最外側の2本の導波路を除く2n−1−1本の導波路、前記基準領域で除いた最外側の1本の導波路を経路としない前記前々段領域における最外側の1本の導波路を除く2n−1−1本の導波路、及び、前記基準領域で除いた最外側の1本の導波路を経路としない前記後段領域における最外側の1本の導波路を除く2n−1−1本の導波路に配設され、当該導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
を備え、
前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項9に記載のモード間光スイッチにおいて、
0次モード光乃至3次モード光である4種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されるモード光を2つに分岐する第1Y分岐導波路と、
前記第1Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第2Y分岐導波路と、
前記第1Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第3Y分岐導波路と、
前記第2Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光及び前記第3Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第1合流導波路と、
前記第1合流導波路から入力されるモード光を2つに分岐する第4Y分岐導波路と、
前記第2Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第4Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第2合流導波路と、
前記第3Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第4Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を結合する第3合流導波路と、
前記第2合流導波路から入力されるモード光及び前記第3合流導波路から入力されるモード光を結合して前記出力ポートから出力する第4合流導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段が、前記第1Y分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第1合流導波路及び第4Y分岐導波路間の導波路、前記第4Y分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第3Y分岐導波路の分岐後の他の導波路、並びに、前記第3合流導波路及び第4合流導波路間の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。 - 前記請求項9に記載のモード間光スイッチにおいて、
0次モード光乃至7次モード光である8種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されるモード光を2つに分岐する第1Y分岐導波路と、
前記第1Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第2Y分岐導波路と、
前記第1Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第3Y分岐導波路と、
前記第2Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第4Y分岐導波路と、
前記第2Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第5Y分岐導波路と、
前記第3Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第6Y分岐導波路と、
前記第3Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を2つに分岐する第7Y分岐導波路と、
前記第4Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光及び前記第5Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第1合流導波路と、
前記第5Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第6Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第2合流導波路と、
前記第6Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第7Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第3合流導波路と、
前記第1合流導波路から入力されるモード光を2つに分岐する第8Y分岐導波路と、
前記第2合流導波路から入力されるモード光を2つに分岐する第9Y分岐導波路と、
前記第3合流導波路から入力されるモード光を2つに分岐する第10Y分岐導波路と、
前記第4Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第8Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第4合流導波路と、
前記第8Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第9Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第5合流導波路と、
前記第9Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第10Y分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第6合流導波路と、
前記第7Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第10Y分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を結合する第7合流導波路と、
前記第4合流導波路から入力されるモード光及び前記第5合流導波路から入力されるモード光を結合する第8合流導波路と、
前記第6合流導波路から入力されるモード光及び前記第7合流導波路から入力されるモード光を結合する第9合流導波路と、
前記第8合流導波路から入力されるモード光及び前記第9合流導波路から入力されるモード光を結合して前記出力ポートから出力する第10合流導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段が、前記第2Y分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第3Y分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第1合流導波路及び第8Y分岐導波路間の導波路、前記第2合流導波路及び第9Y分岐導波路間の導波路、前記第3合流導波路及び第10Y分岐導波路間の導波路、前記第8Y分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第9Y分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第10Y分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第7Y分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第5合流導波路及び第8合流導波路間の導波路、前記第6合流導波路及び第9合流導波路間の導波路、並びに、前記第7合流導波路及び第9合流導波路間の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
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