JP6969849B2

JP6969849B2 - 偏波制御器を内蔵するスイッチマトリクス

Info

Publication number: JP6969849B2
Application number: JP2018548877A
Authority: JP
Inventors: ジャン、チュンス; ジョングッドウィル、ドミニク
Original assignee: ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: US20170293086A1; EP3417554A1; EP3417554B1; WO2017177472A1; EP3417554A4; US9784921B1; JP2019511008A

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，７４６号明細書に基づく優先権を主張するものであり、参照によって完全に本明細書に組み込まれる。

本出願は光集積回路、特に光スイッチに関する。

複数の入力と出力との間に光路を確立することが可能な光スイッチを実装するためにシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）回路が用いられ得る。ＳＯＩ回路は、コンパクトな光回路を提供し得る。しかしながら、回路は、光信号が予め画定された偏波状態（例えば、横電界（ＴＥ）偏波）であることを要求し得る。このように、光集積回路は、入力信号の光偏波がＴＥ偏波になるように調整するための偏波制御器を要求し得る。このような偏波制御器が別個の部品として提供されてよく、同一の光チップ上に、又はオフチップでのいずれかで実装され得る。追加の部品である偏波制御器は、挿入損失およびパワー消費を増加させる。

偏波状態を制御することが可能な、改善されたスイッチを持つことが望ましい。

本開示によれば、複数の１×２入力スイッチであって、複数の１×２入力スイッチのそれぞれは、光ビームを受信するための入力ポートと、光ビームを予め定められた偏波状態で出力するための第１出力ポートおよび第２出力ポートと、入力ポートに連結された、光ビームの予め画定された偏波状態を提供するための偏波制御器であって、偏波制御器は光ビームの２つの偏波成分に関連付けられた２つの光路を含む少なくとも１つの偏波制御段を含む、偏波制御器と、少なくとも１つの偏波制御段の２つの光路に連結された、予め画定された偏波状態の光ビームを第１出力ポート又は第２出力ポートに向けるべく、２つの光路において光を混合するための光ミキサ段とを有する、複数の１×２入力スイッチと、複数の出力スイッチと、複数の１×２入力スイッチおよび複数の出力スイッチに連結された、光路を複数の１×２入力スイッチと複数の出力スイッチとの間に選択的に確立するための複数の中間スイッチとを備える、光スイッチマトリクスが提供される。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つは更に、入力された光ビームを複数の直交偏波成分に分離するための入力要素を有する。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、入力要素は、偏波ローテータ・スプリッタ、および偏波分離表面グレーティングカプラ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｐｌｉｔｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｇｒａｔｉｎｇｃｏｕｐｌｅｒ）のうちの１つを有する。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、少なくとも１つの偏波制御段のそれぞれ、および光ミキサ段は、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造を有し、ＭＺＩ構造のアームに配置された少なくとも１つの移相器はカプラで接続された状態である。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、少なくとも１つの偏波制御段、および光ミキサ段のカプラのうちの１つ又は複数は、対称方向性カプラ、断熱カプラ、およびマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラのうちの１つを有する。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、少なくとも１つの偏波制御段、および光ミキサ段の移相器のうちの１つ又は複数は、熱光学移相器、およびキャリア注入移相器のうちの１つを有する。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、偏波制御器および光ミキサ段の組み合わせは、２段偏波制御器を提供し、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの偏波制御器および光ミキサ段は、第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された移相器であって、第１ＭＺＩ構造の２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた光路に連結されている移相器と、２つの出力光路を提供する第１ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第１光カプラと、第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第２ＭＺＩ構造の２つのアームは第１光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第２ＭＺＩ構造の２つのアームに接続している第２光カプラとを有する。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、偏波制御器および光ミキサ段の組み合わせは、３段偏波制御器を提供し、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの偏波制御器および光ミキサ段は、第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第１ＭＺＩ構造の２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第１ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第１光カプラと、第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第２ＭＺＩ構造の２つのアームは第１光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第２ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第２光カプラと、第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第３ＭＺＩ構造の２つのアームは第２光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第３ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第３光カプラとを有する。

光スイッチマトリクスの更なる実施形態において、偏波制御器および光ミキサ段の組み合わせは、４段偏波制御器を提供し、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの偏波制御器および光ミキサ段は、第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第１ＭＺＩ構造の２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第１ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第１光カプラと、第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第２ＭＺＩ構造の２つのアームは第１光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第２ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第２光カプラと、第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第３ＭＺＩ構造の２つのアームは第２光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第３ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第３光カプラと、第４ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第４ＭＺＩ構造の２つのアームは第３光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第４ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第４光カプラとを備える。

本開示によれば、複数の１×２入力スイッチであって、複数の１×２入力スイッチのそれぞれは、光ビームを受光するための入力ポートと、光ビームを予め定められた偏波状態で出力するための第１出力ポートおよび第２出力ポートと、入力ポートに連結された、光ビームの予め画定された偏波状態を提供するための偏波制御器であって、偏波制御器は光ビームの２つの偏波成分に関連付けられた２つの光路を含む少なくとも１つの偏波制御段を含む、偏波制御器と、少なくとも１つの偏波制御段の２つの光路に連結されている、予め画定された偏波状態の光ビームを第１出力ポート又は第２出力ポートに向けるべく、２つの光路において光を混合するための光ミキサ段と、複数の出力スイッチと、複数の１×２入力スイッチおよび複数の出力スイッチに連結された、光路を複数の１×２入力スイッチと複数の出力スイッチとの間に選択的に確立するための複数の中間スイッチとを含む複数の１×２入力スイッチを有する光スイッチマトリクスと、複数の１×２入力スイッチのそれぞれに関連付けられた入力ビームの偏波を制御するため、および光スイッチマトリクスを介して光路をルーティングするための制御器とを備える、光スイッチが更に提供される。

光スイッチの更なる実施形態において、制御器および光スイッチマトリクスは、単一のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）チップ上に実装される。

光スイッチの更なる実施形態において、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つは更に、入力された光ビームを複数の直交偏波成分に分離するための入力要素を備える。

光スイッチの更なる実施形態において、入力要素は、偏波ローテータ・スプリッタ、および偏波分離表面グレーティングカプラのうちの１つを有する。

更なる実施形態において、光スイッチは更に、スイッチマトリクスからオフチップに配置された複数の偏波ローテータおよびスプリッタ（ＰＲＳ）要素であって、複数のＰＲＳ要素のうちのそれぞれ１つは１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つに関連付けられているＰＲＳ要素を備える。

光スイッチの更なる実施形態において、各偏波制御段および光ミキサ段は、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造を有し、ＭＺＩ構造のアームに配置された少なくとも１つの移相器がカプラで接続された状態である。

光スイッチの更なる実施形態において、少なくとも１つの偏波制御段、および光ミキサ段のカプラのうちの１つ又は複数は、対称方向性カプラ、断熱カプラ、およびマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラのうちの１つを有する。

光スイッチの更なる実施形態において、少なくとも１つの偏波制御段、および光ミキサ段の移相器のうちの１つ又は複数は、熱光学移相器、およびキャリア注入移相器のうちの１つを有する。

光スイッチの更なる実施形態において、偏波制御器および光ミキサ段の組み合わせは、２段偏波制御器を提供し、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの偏波制御器および光ミキサ段は、第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第１ＭＺＩ構造の２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第１ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第１光カプラと、第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第２ＭＺＩ構造の２つのアームは第１光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第２ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第２光カプラとを有する。

光スイッチの更なる実施形態において、偏波制御器および光ミキサ段の組み合わせは、３段偏波制御器を提供し、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの偏波制御器および光ミキサ段は、第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第１ＭＺＩ構造の２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第１ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第１光カプラと、第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第２ＭＺＩ構造の２つのアームは第１光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第２ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第２光カプラと、第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第３ＭＺＩ構造の２つのアームは第２光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第３ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第３光カプラとを有する。

光スイッチの更なる実施形態において、偏波制御器および光ミキサ段の組み合わせは、４段偏波制御器を提供し、複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの偏波制御器および光ミキサ段は、第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第１ＭＺＩ構造の２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第１ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第１光カプラと、第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第２ＭＺＩ構造の２つのアームは第１光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第２ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第２光カプラと、第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第３ＭＺＩ構造の２つのアームは第２光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第３ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第３光カプラと、第４ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、第４ＭＺＩ構造の２つのアームは第３光カプラの２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、２つの出力光路を提供する第４ＭＺＩ構造の２つのアームに接続された第４光カプラとを有する。

添付された以下の図面を参照して、本明細書において実施形態が説明される。
先行技術の光スイッチおよび偏波制御器を示す。偏波制御器を内蔵する光スイッチを示す。偏波制御器を内蔵する１×Ｎスイッチングセルを示す。入力スイッチングセルに内蔵され得るＮ段偏波制御器を示す。別個のビームスプリッタを有する２段偏波制御器を示す。偏波制御器を内蔵する光スイッチのマトリクスを示す。

光集積回路に基づく光スイッチは、速さ、コンパクトさ、および低パワー消費等の望ましい特性を提供し得る。以下に更に説明されるように、光スイッチへの光入力は、入力信号の偏波をシリコンフォトニクスによる処理に対して予め決められた偏波に変えるために、偏波制御器を内蔵し得る。偏波制御器は、制御器の最後の段が第１入力スイッチ段と重なる状態で、複数の縦続接続段によって提供され得る。即ち、偏波制御器の最後の段および第１入力スイッチ段は、同一の部品によって提供される。光路上の光学部品の数がより少なくなることに起因して、スイッチ入力の第１段に重なる偏波制御器が、より低い挿入損失とパワー消費とを光スイッチにもたらし得る。
図１は、光スイッチ１０２および複数の偏波制御器１０４を含む光スイッチ構造１００を示す。光スイッチ１０２は、複数の出力にスイッチされ得る複数の入力を備える。光スイッチ１０２は、適切なスイッチングプレーン（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｌａｎｅ）１１４ａ、１１４ｂ、又は単一のスイッチングプレーンの部分に、入力信号をスイッチすることが出来る複数の入力スイッチングセル１１２を備え、適切なスイッチングプレーン１１４ａ、１１４ｂ、又は単一のスイッチングプレーンの部分は次に、所望の接続を確立するために適切な出力スイッチングセル１１６への接続を確立する。図１では、８入力と８出力との間の接続を確立するための特定の８×８スイッチアーキテクチャが示されているが、異なるスイッチアーキテクチャが可能である。用いられる特定のスイッチアーキテクチャに関わらず、スイッチは複数の個々のスイッチングセルから概して形成される。個々のスイッチングセルは、２つの移相器アームによって接続された一対のマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを有するマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造によって提供され得る。

ＭＺＩ構造は、特定の光の偏波の状態において最も良く機能し得る。特に、個々のスイッチングセルは、横電界（ＴＥ）偏波の状態において主に機能し得る。このように、横磁界（ＴＭ）偏波において存在する光パワーが効果的に消費される。従って、ＴＭ偏波成分（１０６）およびＴＥ偏波成分（１０８）の両方を有する光信号を、ＴＥ偏波成分（１１０）等の単一偏波成分を有する信号に変換する偏波制御器１０４に、スイッチ１０２への入力が関連付けられ得る。偏波制御器１０４は、挿入損失を増やし、部品数を増加させ、また、光スイッチ構造１００の複雑さを増大させる別個の部品である。エンドレス又はリセットフリー制御等の要件、および任意の入射偏波を任意の出力偏波に調整する能力によって、複数の偏波制御器アーキテクチャが可能である。概して、偏波制御器は複数の縦続接続段として設けられ得る。一緒に縦続接続された段の数によって、偏波制御器の異なる度合いの柔軟性がもたらされ得る。図１は、リセットを要求することなく任意の入力偏波から特定の偏波を生成することが可能な、即ち本明細書において「エンドレス偏波制御」と称される能力を持つ３段偏波制御器１０４ａを示す。図示されるように、偏波制御器１０４ａは、入射ビームを複数の直交偏波成分に分離し、その偏波成分のうちの１つを回転させる偏波ビームスプリッタおよびローテータ１１８を有する。連続する縦続接続された移相器アーム１２０ａ、１２０ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２８ａ、１２８ｂおよび３ｄＢＭＭＩカプラ／スプリッタ１２２、１２６、１３０により、未知の偏波を、ＴＥ偏波等の特定の偏波に変えることが可能となる。

図２は、偏波制御器を内蔵する光スイッチを示す。光スイッチ２００は、複数の出力段２０６のうちの１つに連結される光信号を受信するための光入力をそれぞれ有する、複数の入力段２０２を備える。複数の中間スイッチング段２０４を介して、入力段２０２と出力段２０６との間に光路が確立される。入力段２０２、中間スイッチング段２０４、および出力段２０６の特定の配置は、スイッチアーキテクチャに依存するだろう。しかしながら、入力段２０２は、中間スイッチングセルのうちの特定の１つに入力光信号を選択的に連結するためのマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造によって提供される１つ又は複数の光スイッチを、通常含むだろう。中間スイッチングセルは、１つ又は複数の類似するスイッチングプレーン２０４ａ、２０４ｂ内に配置されてよい。スイッチ２００は、ブロッキング８×８スイッチングプレーンによってそれぞれ提供される２つのスイッチングプレーンを備える、８×８のノンブロッキングスイッチとして図示される。それは、スイッチ２００の特定のアーキテクチャに関わらず、特定の偏波状態で動作する、相互接続した複数のシリコンフォトニックコンポーネントによって提供される。従って、効率的な光信号のスイッチングを提供するために、入力光信号は、ＴＥ偏波等の特定の光偏波であるべきである。スイッチ２００は、スイッチの入力段２０２に偏波制御器を内蔵して、ランダムに偏波された光信号を受信し、シリコンフォトニックコンポーネントに対して適切な偏波に入力信号を変換することが可能なコンパクトかつ効率的なスイッチを提供する。図示されるように、入力段２０２のそれぞれは、スイッチングセルの第１入力段２１０に重なる偏波状態（ＳＯＰ）制御器２０８を有する。即ち、第１入力スイッチ段２０２はまた、偏波制御器２０８の最後の段を提供する。スイッチ入力２１０の第１段に偏波制御器２０８を重ねることによって、より低い挿入損失およびパワー消費が可能である。

図２は、スイッチの入力段２０２ａに内蔵された偏波制御器２０８の詳細を示す。偏波制御器２０８は、偏波制御器がリセットされることを要求することなく入射光の未知の偏波を特定の偏波に変換し得る３段偏波制御器を有する。偏波制御器２０８は、入射偏波を複数の直交偏波成分に分離する偏波ローテータ・スプリッタ（ＰＲＳ）２１２を有する。ＰＲＳ２１２はまた、ビームを複数の直交偏波成分に分離することに加えて、その成分のうちの１つの偏波を、その他の偏波成分の偏波と平行になるように９０°回転させてよい。偏波制御器２０８は、３ｄＢマルチモード干渉計（ＭＭＩ）カプラ２１６、２２０、２２４に連結された３つの移相段２１４ａ、２１４ｂ、２１８ａ、２１８ｂ、２２２ａ、２２２ｂを有する。移相段２１４ａ、２１４ｂ、２１８ａ、２１８ｂ、２２２ａ、２２２ｂは、ＭＭＩカプラ２１６、２２０、２２４に接続された２つの異なるアームのそれぞれに配置されたＰＲＳ２１２部品に一緒に縦続接続されるとして図示される。偏波制御器の最終の段はまた、スイッチマトリクスの第１段としての機能を果たす。即ち、偏波制御器の最終の段は、第１スイッチング段も提供する光ミキサ段によって提供されてよい。最終の３ｄＢＭＭＩカプラ２２４の出力は、スイッチによって必要とされる特定のルーティングに応じて、入力信号の光パワーの全てがカプラの２つの出力のうちの１つにだけ伝達されるように制御されてよい。図２に示されるように、偏波制御器の最後の段はスイッチマトリクスの第１段を内蔵する。ＭＺＩ構造において異なるアームに配置され、かつ、その２つのアームにおいて移相された信号を組み合わせるためのＭＭＩカプラ２２４に接続された一対の移相器２２２ａ、２２２ｂから構成されるＭＺＩ構造によって、組み合わされたスイッチの最後の段は提供される。

図２に示される光スイッチ２００は、マルチプレーン・アーキテクチャを有する。しかしながら、入力段に内蔵された偏波制御器が、異なるスイッチアーキテクチャと共に用いられてよい。異なるスイッチアーキテクチャは、例えば、クロスバーアーキテクチャ、Ｂｅｎｅｓアーキテクチャ、拡張Ｂａｎｙａｎアーキテクチャ等に基づいていてよい。更に、光スイッチ２００は、複数の入力と複数の出力との間に光路を選択的に確立し得る空間スイッチとして図示されている。光スイッチは、代替的に、可変フィルタスイッチであってよい。このような可変フィルタスイッチが、再構成可能な挿入／分岐（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）光学ネットワークスイッチ等のアプリケーションにおいて用いられてよく、また、シングルサイドバンド信号を生成するようサイドバンド等の望まない信号成分をフィルタで除去するのに用いられる、光学フィルタにおいて用いられてもよい。

図３は、偏波制御器を内蔵する１×Ｎスイッチングセルを示す。図２を参照して上述された入力段２０２は、３段偏波制御器を内蔵する１×２スイッチを有しており、偏波制御器の最後の段は１×２スイッチによって提供されていた。図３に示されるように、１×Ｎスイッチ３００が偏波制御器を内蔵してよい。１×Ｎスイッチ３００は、入力３０２を、複数の出力３０４のうちの１つにスイッチする。スイッチングは、一緒に配置される複数の個々のスイッチングセルによって達成される。特に、１×Ｎスイッチは、偏波制御器を内蔵する入力段３０６を備えており、その偏波制御器は２段偏波制御器によって提供されるとして図示されている。入力段はまた、入力の偏波を制御することに加えて、入力信号、又はむしろ偏波調整された入力信号を、２つの更なる個々のスイッチングセル３０８ａ、３０８ｂのうちの１つにスイッチする。理解されるように、１×Ｎスイッチにおいて必要とされる個々のスイッチングセルの数は、出力の数Ｎと用いられるスイッチアーキテクチャの数とに依存する。１×Ｎスイッチが１×２個々のスイッチングセルによって提供されると仮定すると、特定のスイッチアーキテクチャに応じて、ｌｏｇ_２（Ｎ）段のスイッチングセルがあり得る。

１×Ｎスイッチの入力段３０６は、入射ビームを複数の直交偏波成分に分離し、その分離されたビームのうちの１つの偏波を９０°回転させる偏波ローテータ・スプリッタ３１０を有する。その２つの分離されたビームは、ＭＺＩ構造においてそれぞれ異なるアームに提供されてよい。図２を参照して上述されたように、偏波制御器は、ＭＺＩ構造のそれぞれのアームに移相器を有し得る。しかしながら、図３に示されるように、入力段３０６の偏波制御器は、ＭＺＩ構造の１つのアームだけに移相器３１２、３１６を含み得る。ＭＺＩ構造において異なるアームは、３ｄＢＭＭＩカプラ３１４、３１８に連結される。複数の移相器３１２、３１６およびカプラ３１４、３１８は、一緒に縦続接続された複数段をＰＲＳ入力要素３１０に提供する。偏波制御器の最終の段は、１×Ｎスイッチの第１スイッチング段を内蔵する。即ち、偏波制御器の最終の段は偏波補正された信号を２つの光路のうちの１つに向けることが可能であり、その２つの光路は光スイッチングセル３０８ａ、３０８ｂに連結される。

図４は、Ｎ段偏波制御器を内蔵するスイッチングセルの入力段を示す。上述の図では、スイッチングセル入力段に内蔵された３段偏波制御器および２段偏波制御器について説明した。入力段４００は、Ｎ段偏波制御器を内蔵する。入力段４００は、光スイッチマトリクスの第１段として用いられ得る。図示されるように、偏波ローテータおよびスプリッタ（ＰＲＳ）４０２として示され、入射ビームを複数の直交偏波成分に分離する入力要素を含むＮ段偏波制御器を、入力段４００は内蔵する。複数Ｎの偏波制御段４０４、４０６、４０８が、ＰＲＳ入力要素４０２から出力される偏波成分に一緒に縦続接続される。図示されるように、Ｎ段偏波制御器は、ＰＲＳ入力要素４０２に接続された第１段４０４と、第１偏波制御段４０４に一緒に縦続接続された任意の１つ又は複数の追加の偏波制御段４０６と、追加の偏波制御段４０６に縦続接続された又は偏波制御器が２つの段のみを有する場合には第１段４０４に直接接続された、最後の偏波制御段４０８とを有する。最後の偏波制御段４０８は、最後の偏波制御段４０８の２つの出力のうちの１つに、偏波調整された出力ビームを選択的に向けることが出来る。従って、最後の偏波段４０８はまた、入力段４００が一部を成すスイッチマトリクスの第１入力スイッチ段も内蔵する。即ち、最後の偏波段４０８はまた、スイッチマトリクスの第１入力スイッチ段として機能し、スイッチマトリクスの挿入損失および光パワー消費を低減し得る。

個々の偏波制御段は、３ｄＢＭＭＩカプラ４１２、４１６が対向するアームにおける移相された信号を組み合わせ、また、段４０４、４０６、４０８を一緒に結合する状態で、ＭＺＩ構造の対向するアームに配置された移相器４１０ａ、４１０ｂ、４１４ａ、４１４ｂを有する。移相器４１０ａ、４１０ｂ、４１４ａ、４１４ｂは、入力段４００の対向するアームにおける光信号間の相対的な位相シフトを調整することが可能である。図４に示されるように、相対的な位相シフトは、２つ又は所望ならばそれ以上の移相器を用いて実現し得る。代替的に、第１段および最後の段４０４、４０８の移相器４１０ａ、４１４ａ等の２つのアームのうちの１つにおいて、単一の移相器が用いられ得る。

図５は、別個のビームスプリッタを有する２段偏波制御器を内蔵する、スイッチマトリクスの入力段を示す。図２から４を参照して説明された偏波制御を内蔵する上述の入力段では、偏波ローテータおよびスプリッタ（ＰＲＳ）要素を、その入力段の他のフォトニックコンポーネントと同一のチップ上に実装するとして示した。図５に示されるように、スイッチマトリクスの入力段５００が、オフチップ部品５０２として提供される偏波ローテータおよびスプリッタを含むことが可能である。入力段５００のオンチップ部品は、図２から４について上述されたものと類似している。特に、オンチップ部品５０４は、偏波制御器の第１段（５０６）と、偏波制御器の任意の追加の段（５０８）と、偏波制御器の最後の段とスイッチマトリクスの第１段との組み合わせ（５１０）とを有する。

図６は、偏波制御器を内蔵する光スイッチのアプリケーションを内蔵するスイッチマトリクスに基づくスイッチを示す。スイッチ６００は、ＳＯＩ技術を用いて製造される光集積回路スイッチマトリクス６０２を備え得る。スイッチマトリクス６０２は異なるサイズのスイッチも可能であるが、４×４スイッチとして図示されている。スイッチマトリクス６０２は、中間スイッチング部品６０６を介して、入力６０４と出力６０８との間に光路を選択的に確立することが可能である。入力６０４は、上述されたように、偏波制御器を内蔵する。スイッチマトリクス６０２自体に加えて、スイッチ６００はまた、スイッチマトリクス６０２の処理を制御するための制御器６１０を備え得る。制御器６１０は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ、ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ、又はマイクロ制御器として実装され得る。制御器６１０は、光集積回路スイッチマトリクス６０２と同一のチップ上に実装されてよく、又は、別個のチップ上に実装されてよい。特定の実装に関わらず、制御器６１０は、入力信号の偏波を制御するための偏波機能６１２、およびスイッチマトリクス６０２を介して所望の光路を確立するためのスイッチルーティング機能６１４を提供する。スイッチルーティング機能６１４は、スイッチマトリクスを介した信号のルーティングを決定するための様々な異なる手法を利用してよい。偏波機能とスイッチルーティング機能とは別個の機能として図示されているが、偏波制御器において組み合わされる。従って、偏波制御器はスイッチの第１段として機能し、偏波制御器の２つの出力のうちの１つにスイッチングする機能、および、偏波制御器の現在選択されている出力における偏波制御機能の両方を提供する。詳細には図示されていないが、制御器６１０は、偏波制御機能およびスイッチルーティングを実行するために、様々なフィードバック信号を受信し得る。例えば、制御器６１０は、第１入力を第４出力に接続するなど等の、確立される所望の光路の指示を受信し得る。偏波制御は、入力信号の偏波状態の指示を提供するために、偏波制御器の異なる部分からの測定又は信号を受信し得る。測定又は信号は、偏波制御入力６０２の偏波制御器における様々な場所で光路上にある様々な光タップを介して、提供され得る。偏波制御器に存在する段の数、偏波制御がリセットフリーか否か又は定期的なリセットを要求し得るか否か、他の要因と同様に利用可能な、光路に沿った測定、に応じて、偏波制御器に適用される制御アルゴリズムは変更されてよい。

上述において、偏波制御器を内蔵するスイッチマトリクスの入力段の様々な実装が説明された。内蔵された偏波制御器を有するスイッチマトリクスは、信号を全光スイッチングすることを提供するシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトニック装置として実装され得る。偏波制御器をスイッチ入力に内蔵することで、ＳＯＩ光回路に偏波無依存光スイッチが提供される。偏波制御器を内蔵するスイッチマトリクスは、偏波によって情報が搬送されない光と共に機能することが理解されるだろう。集積された偏波制御器を有するスイッチマトリクスにおいて用いられる特定のフォトニックコンポーネントは、変更されてよい。例えば、入射ビームを複数の直交偏波成分に分離する入力部品は、偏波ローテータ・スプリッタ（ＰＲＳ）、偏波分離表面グレーティングカプラ等のオンチップ部品によって提供されてよく、又は、偏波ビームスプリッタキューブによってオフチップで提供されてよい。ＭＺＩスイッチセル構造内の移相器は、例えば、熱光学スイッチ、又はキャリア注入スイッチによって提供されてよい。同様に、上述された３ｄＢＭＭＩカプラは、対称方向性カプラ、断熱カプラなど等の代替的なカプラと置き換えてよい。

スイッチマトリクスの特定のアーキテクチャは変更されてよいが、それぞれのアーキテクチャは通常、例えば２×２スイッチとは対照的に、初期の１×Ｎ入力スイッチ段を含む。１×Ｎ入力スイッチ段は、上述された偏波制御器を内蔵する入力段と置き換えられてよい。偏波制御器は、エンドレス偏波調整を提供してよく、又はリセットを要求してよい。

上述されたような偏波制御器の入力を内蔵するスイッチマトリクスを提供する光回路が、非コヒーレント信号、又は、非コヒーレント受信器によって検出される信号をスイッチする全光スイッチ等の様々なアプリケーションで用いられ得る。異なるアプリケーションは当業者には明らかであろうが、可能な応用の例としては、例えば、データセンターにおけるパケットスイッチングアプリケーション、および高スループット算出アプリケーションが挙げられる。上述されたような偏波制御器入力を内蔵するスイッチマトリクスに基づく光スイッチが、ＳＯＩ基盤上に製造され得て、内蔵された偏波制御器のないスイッチと比べてより低い挿入損失およびパワー消費を有する光スイッチを提供し得る。

本開示は、説明の目的のために、発明を理解してもらえるよう、複数の特定の実施形態、実装、例および詳細を提供してきた。しかしながら、実施形態は、具体的な詳細の全てがない状態で、又は、均等な配置で実施されてよいことは明らかである。他の例において、発明の実施形態を不必要に曖昧にすることを避けるために、いくつかの周知の構造およびデバイスがブロック図形式で示され、又は省略されている。説明は決して、本明細書に記載され説明される例示的な設計および実装の例を含む、記載された例示的な実装、図面、および技術に限定されるものではないが、その均等物の全範囲と共に添付の特許請求の範囲の範囲内で変更し得る。

本開示においていくつかの実施形態が提供されてきたが、開示されたシステムおよび部品は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく、他の多くの具体的な形式で具現化され得ることが理解されるであろう。本例は、限定的なものではなく、例示的なものと見なされるべきであり、本明細書に提供される詳細に限定する意図は無い。例えば、様々な要素又は構成部品は組み合わされてよく、もしくは他のシステムに統合されてよく、又は、特定の特徴が省略されてよく、もしくは実装されなくてもよい。

Claims

複数の１×２入力スイッチであって、各１×２入力スイッチは、
光ビームを受光するための入力ポートと、
前記光ビームを予め定められた偏波状態で出力するための第１出力ポートおよび第２出力ポートと、
前記入力ポートに連結された、前記光ビームの前記予め画定された偏波状態を提供するための偏波制御器であって、前記光ビームの２つの偏波成分に関連付けられた２つの光路を含む少なくとも１つの偏波制御段を含む、偏波制御器と、
前記少なくとも１つの偏波制御段の前記２つの光路に連結された、前記予め画定された偏波状態の前記光ビームを前記第１出力ポート又は前記第２出力ポートに向けるべく、前記２つの光路において光を混合するための光ミキサ段と
を有する、複数の１×２入力スイッチと、
複数の出力スイッチと、
前記複数の１×２入力スイッチおよび前記複数の出力スイッチに連結された複数の光路を前記複数の１×２入力スイッチと前記複数の出力スイッチとの間に選択的に確立するための複数の中間スイッチと
を備え、
前記複数の光路のそれぞれにおいて、前記偏波制御器の最後の段および前記光ミキサ段が同一の部品によって提供され、かつ、前記最後の段が前記光ミキサ段を構成し、
前記少なくとも１つの偏波制御段のそれぞれが、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造を有し、前記ＭＺＩ構造のアームに配置された少なくとも１つの移相器はカプラで接続された状態であり、
前記最後の段における前記カプラが、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラであり、前記予め画定された偏波状態の前記光ビームを前記第１出力ポート又は前記第２出力ポートに向け、これにより第１入力スイッチ段としての機能を果たす、光スイッチマトリクス。
前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つは更に、
入力された光ビームを複数の直交偏波成分に分離するための入力要素
を有する、請求項１に記載の光スイッチマトリクス。
前記入力要素は、
偏波ローテータ・スプリッタ、および
偏波分離表面グレーティングカプラ
のうちの１つを有する、請求項２に記載の光スイッチマトリクス。
前記少なくとも１つの偏波制御段のうちの１つ又は複数は、
対称方向性カプラ、
断熱カプラ、および
マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ
のうちの１つを有する、請求項１から３の何れか一項に記載の光スイッチマトリクス。
前記少なくとも１つの偏波制御段、および前記光ミキサ段の前記移相器のうちの１つ又は複数は、
熱光学移相器、および
キャリア注入移相器
のうちの１つを有する、請求項１から４の何れか一項に記載の光スイッチマトリクス。
前記偏波制御器および前記光ミキサ段の組み合わせは２段偏波制御器を提供し、前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの前記偏波制御器および前記光ミキサ段は、
第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された移相器であって、前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた前記光路に連結されている移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第１光カプラと、
第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第１光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続している第２光カプラと
を有し、
前記第２光カプラは、前記ＭＭＩカプラである、請求項１から３のいずれか一項に記載の光スイッチマトリクス。
前記偏波制御器および前記光ミキサ段の組み合わせは３段偏波制御器を提供し、前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの前記偏波制御器および前記光ミキサ段は、
第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた前記光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第１光カプラと、
第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第１光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第２光カプラと、
第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第２光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第３光カプラと
を有し、
前記第３光カプラは、前記ＭＭＩカプラである、請求項１から３のいずれか一項に記載の光スイッチマトリクス。
前記偏波制御器および前記光ミキサ段の組み合わせは４段偏波制御器を提供し、前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの前記偏波制御器および前記光ミキサ段は、
第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の前記２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた前記光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第１光カプラと、
第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第１光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第２光カプラと、
第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第２光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第３光カプラと、
第４ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第４ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第３光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第４ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第４光カプラと
を備え、
前記第４光カプラは、前記ＭＭＩカプラである、請求項１から３のいずれか一項に記載の光スイッチマトリクス。
複数の１×２入力スイッチであって、各１×２入力スイッチは、
光ビームを受光するための入力ポートと、
前記光ビームを予め定められた偏波状態で出力するための第１出力ポートおよび第２出力ポートと、
前記入力ポートに連結された、前記光ビームの前記予め画定された偏波状態を提供するための偏波制御器であって、前記光ビームの２つの偏波成分に関連付けられた２つの光路を含む少なくとも１つの偏波制御段を含む、偏波制御器と、
前記少なくとも１つの偏波制御段の前記２つの光路に連結されている、前記予め画定された偏波状態の前記光ビームを前記第１出力ポート又は前記第２出力ポートに向けるべく、前記２つの光路において光を混合するための光ミキサ段と、
を含む、複数の１×２入力スイッチと、
複数の出力スイッチと、
前記複数の１×２入力スイッチおよび前記複数の出力スイッチに連結された複数の光路を前記複数の１×２入力スイッチと前記複数の出力スイッチとの間に選択的に確立するための複数の中間スイッチと
を有する、光スイッチマトリクスと、
前記複数の１×２入力スイッチのそれぞれに関連付けられた入力された前記光ビームの偏波を制御するための、および前記光スイッチマトリクスを介して光路をルーティングするための制御器と
を備え、
前記複数の光路のそれぞれにおいて、前記偏波制御器の最後の段および前記光ミキサ段が同一の部品によって提供され、かつ、前記最後の段が前記光ミキサ段を構成し、
各偏波制御段が、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造を有し、前記ＭＺＩ構造のアームに配置された少なくとも１つの移相器はカプラで接続された状態であり、
前記最後の段における前記カプラが、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラであり、前記予め画定された偏波状態の前記光ビームを前記第１出力ポート又は前記第２出力ポートに向け、これにより第１入力スイッチ段としての機能を果たす、光スイッチ。
前記制御器および前記光スイッチマトリクスは、単一のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）チップ上に実装される、請求項９に記載の光スイッチ。
前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つは更に、
入力された前記光ビームを複数の直交偏波成分に分離するための入力要素
を有する、請求項９又は１０に記載の光スイッチ。
前記入力要素は、
偏波ローテータ・スプリッタ、および
偏波分離表面グレーティングカプラ
のうちの１つを有する、請求項１１に記載の光スイッチ。
前記光スイッチマトリクスからオフチップに配置された複数の偏波ローテータおよびスプリッタ（ＰＲＳ）要素であって、前記複数のＰＲＳ要素のうちのそれぞれ１つは前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つに関連付けられている複数のＰＲＳ要素を更に備える、請求項９から１２のいずれか一項に記載の光スイッチ。
前記少なくとも１つの偏波制御段の１つ又は複数は、
対称方向性カプラ、
断熱カプラ、および
マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ
のうちの１つを有する、請求項９から１３の何れか一項に記載の光スイッチ。
前記少なくとも１つの偏波制御段、および前記光ミキサ段の前記移相器のうちの１つ又は複数は、
熱光学移相器、および
キャリア注入移相器
のうちの１つを有する、請求項９から１４の何れか一項に記載の光スイッチ。
前記偏波制御器および前記光ミキサ段の組み合わせは２段偏波制御器を提供し、前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの前記偏波制御器および前記光ミキサ段は、
第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた前記光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第１光カプラと、
第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第１光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第２光カプラと
を有し、
前記第２光カプラは、前記ＭＭＩカプラである、請求項９から１３のいずれか一項に記載の光スイッチ。
前記偏波制御器および前記光ミキサ段の組み合わせは３段偏波制御器を提供し、前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの前記偏波制御器および前記光ミキサ段は、
第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた前記光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第１光カプラと、
第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第１光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第２光カプラと、
第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第２光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第３光カプラと
を有し、
前記第３光カプラは、前記ＭＭＩカプラである、請求項９から１３のいずれか一項に記載の光スイッチ。
前記偏波制御器および前記光ミキサ段の組み合わせは４段偏波制御器を提供し、前記複数の１×２入力スイッチのうちのそれぞれ１つの前記偏波制御器および前記光ミキサ段は、
第１マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームは直交偏波成分に関連付けられた前記光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第１ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第１光カプラと、
第２ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第１光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第２ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第２光カプラと、
第３ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第２光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第３ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第３光カプラと、
第４ＭＺＩ構造の２つのアームのうちの１つに配置された少なくとも１つの移相器であって、前記第４ＭＺＩ構造の前記２つのアームは前記第３光カプラの前記２つの出力光路に連結されている、少なくとも１つの移相器と、
２つの出力光路を提供する前記第４ＭＺＩ構造の前記２つのアームに接続された第４光カプラと
を有し、
前記第４光カプラは、前記ＭＭＩカプラである、請求項９から１３のいずれか一項に記載の光スイッチ。