JP7189473B2

JP7189473B2 - 光信号処理装置

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Publication number: JP7189473B2
Application number: JP2021529570A
Authority: JP
Inventors: 慶太山口; 賢哉鈴木; 隆司郷; 摂森脇; 藍柳原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2039-07-01
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Description

本発明は、光導波路により構成される信号処理装置、とくに外部から制御信号を印加してその状態が可変である動的光信号処理装置に関し、またその駆動手段に関する。

光導波路は光を微小な領域に閉じ込め制御することで機能を発現する技術として、様々な光デバイスに使用されている。光導波路は一般的に、石英系材料、ポリマ、ニオブ酸リチウムなどの各種誘電体やシリコン、ＩｎＰ、などの半導体材料により実現されている。

光導波路技術を用いたデバイスとして、スイッチや可変減衰器などの熱光学効果を用いたものがある。たとえば、光スイッチであれば、マッハツェンダ干渉計(Ｍａｃｈ－ＺｅｈｎｄｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＺＩ)（非特許文献１）を従列および並列して組み合わせて構成することで、多入力多出力スイッチが実現できることが報告されている（非特許文献２、３）。このスイッチでは、各ＭＺＩの位相シフタを駆動することにより光の出力先をスイッチングすることができる。また、可変減衰器（非特許文献4）も報告されており、例えばＭＺＩと位相シフタを複数集積することで、可変減衰器をアレイ化することも可能である。

上述の光導波路を用いたデバイスは、光通信システムの構成に不可欠であり、とくに近年のＣＤＣ（Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ、Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓ，Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｌｅｓｓ）－ＲＯＡＤＭ（ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＯｐｔｉｃａｌＡｄｄ／ＤｒｏｐＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）機能を有する光ノードにおいてその重要性を増している。例えば、マルチキャストスイッチ（ＭｕｌｔｉＣａｓｔＳｗｉｔｃｈ：ＭＣＳ）はＣＤＣ－ＲＯＡＤＭを実現する不可欠なデバイスである。ＭＣＳのようなデバイスは、熱光学効果を用いた位相シフタにより、スイッチ状態を変更するが、光スイッチ規模が大きくなるにつれて、内包する位相シフタの数が増大する。たとえば、１６×１６規模のＭＣＳでは、位相シフタの数は少なくとも２５６個以上になる。実際には、光信号のオフ状態での消光比を確保するため、一つのスイッチエレメントは２つのＭＺＩで構成するため、位相シフタの数は５１２個にも及ぶ。

T. Shibata et al., "Silica-Based Waveguide-Type 16 x 16 Optical Switch Module Incorporating Driving Circuits", in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, no. 9, pp. 1300-1302, Sept. 2003. Takashi Goh, Mitsuho Yasu, Kuninori Hattori, Akira Himeno, Masayuki Okuno, and Yasuji Ohmori, "Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Nonblocking 16×16 Thermooptic Matrix Switch on 6-in Wafer Using Silica-Based Planar Lightwave Circuit Technology", IEEE J. Lightwave Technol., vol. 19, no. 3, pp.371-379, 2001 T. Watanabe, et. al., "Silica-based PLC Transponder Aggregateors for Colorless, Directionless, and Contentionless ROADM", OFC/NFOEC2012, OTh3D.1, March 8, 2012, Los Angeles Kei Watanabe, Yasuaki Hashizume, Yusuke Nasu, Masaki Kohtoku, Mikitaka Itoh, and Yasuyuki Inoue, "Ultralow Power Consumption Silica-Based PLC-VOA/Switches", J. Lightwave Technol. 26, 2235-2244 (2008)

上述のＭＣＳでは５１２個のＭＺＩを駆動するために、各ＭＺＩが有する位相シフタに対して、制御電気信号を印加する必要がある。また、マトリックススイッチ形式の多入力多出力スイッチ（非特許文献２）やＭＣＳスイッチ（非特許文献３）では、入力数もしくは出力数と同数のスイッチエレメント（２つのＭＺＩで1つのスイッチエレメントを構成する場合には、その２倍の数のＭＺＩ）を駆動する必要がある。
この時、ＭＺＩ等の回路要素は同一の設計であっても、ウエハ内の膜質ばらつきや周辺光回路による影響からその特性にばらつきが出る。例として、ＭＺＩでは上下アーム間での光路長差やヒータの抵抗値でばらつきを引き起こす可能性がある。ＭＺＩでの出力先の切り替えに必要な供給電源の電圧や電流量はこれにより変化してしまい、結果として挿入損失等の光学特性劣化を引き起こす。
このバラつきを制御で補正するには、ＭＺＩごとに個別に用意した電源の出力電圧や電流量を調整する必要がある。そのため、大規模スイッチでは、その規模に合わせた電源とその出力値を個別に制御する制御部が必要になる。これは規模が大きくなるにつれてコストが大きくなるという課題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、ひとつの電源等の駆動手段で複数の駆動エレメント（スイッチエレメント）を制御することにより、光信号処理装置の制御部を簡易化することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一例として以下のような構成を備えることを特徴とする。

まず、位相シフタなどの被駆動エレメントを有する光導波路型の光デバイスにおいて、複数の被駆動エレメントを並列に接続し、共通の電源等の駆動手段により電力を供給する機能を有する光信号処理装置の構成である。

また、
（構成１）
制御部、電流生成部、接続部および光信号処理部から構成され、電流生成部は一つないし複数の電源等駆動素子を有し、前記光信号処理部は基板上に光導波路を備え、複数の被駆動エレメントが同一の電源等駆動素子と並列に接続されて駆動される
ことを特徴とする光信号処理装置。

（構成２）
前記制御部は、前記被駆動エレメントが前記電源等駆動素子に接続するか否かを切り替える電気スイッチを備える
ことを特徴とする構成１に記載の光信号処理装置。

（構成３）
前記光信号処理部がＭＺＩを有しており、
前記被駆動エレメントが前記ＭＺＩに配置されたヒータであり、前記光導波路のチップ内でヒータの幅もしくは長さが異なる
ことを特徴とする構成１または２に記載の光信号処理装置。

（構成４）
前記光信号処理部を構成する前記ＭＺＩのうち一部がプッシュプル駆動で制御される
ことを特徴とする構成３に記載の光信号処理装置。

（構成５）
前記光信号処理部が多入力多出力光スイッチもしくはマルチキャストスイッチ（ＭＣＳ）である
ことを特徴とする構成１から４のいずれか１項に記載の光信号処理装置。

（構成６）
前記電源等駆動素子が定電流源であり、同時に駆動される被駆動エレメントの数が常に一定である
ことを特徴とする構成１から５のいずれか１項に記載の光信号処理装置。

（構成７）
光信号処理に寄与しない被駆動エレメントを有する
ことを特徴とする構成６に記載の光信号処理装置。

（構成８）
前記光信号処理部はＭ入力をそれぞれＮ分岐するＭ入力Ｎ出力するＭＣＳであり、電流生成部に複数の電源等駆動素子を有し、同一の出力ポートのスイッチングに関する被駆動エレメントが前記複数の電源等駆動素子のうち同一のものに並列で接続され共有されている
ことを特徴とする構成５から７のいずれか１項に記載の光信号処理装置。

（構成９）
前記光信号処理部は複数の多入力多出力光スイッチもしくはＭＣＳと、Ｎ×１光スイッチ（Ｎは整数）により構成され、前記多入力多出力光スイッチもしくはＭＣＳとＮ×１光スイッチは別の電源等駆動素子に接続されている
ことを特徴とする構成５から８のいずれか１項に記載の光信号処理装置。

（構成１０）
並列に接続された被駆動エレメントに対して、可変抵抗が直列又は並列に接続されている
ことを特徴とする構成１から９のいずれか１項に記載の光信号処理装置。

本発明によれば光導波路を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置における電源等の駆動手段を複数の位相シフタで共有することで、電源等の駆動手段の数を削減することが可能である。上記の効果により、光信号処理装置の量産性を向上し、部品点数の削減を通じて装置の低廉化に寄与する。

本発明の実施例１の光信号処理装置の構成を示す図である。本発明の実施例２の光信号処理装置の構成を示す図である。マトリックススイッチの概念図である。本発明の実施例３のマルチキャストスイッチ（ＭＣＳ）の構成を示す図である。本発明の実施例５としてＭ×Ｎスイッチをｑ個の多入力多出力スイッチに分割した場合の構成を示す図である。ＭＺＩの多段接続で構成された光スイッチを示す図である。（Ｍ×Ｎ）ＭＣＳをｑ個のＭＣＳに分割した光スイッチを示す図である。本発明の実施形態５のプッシュプル駆動型ＭＺＩを示す図である。２種類のＭＺＩを１つずつ電気的に並列につなげた場合の等価回路図である。本発明の実施例６の各位相シフタに供給する電力量のばらつきを抑制する手法を説明する図である。本発明の実施例７の光信号処理装置を説明する図である。本発明の実施例７の光信号処理装置を説明する図である。本発明の実施例８の光信号処理装置の電源等駆動手段からの電力供給量の調整手法を説明する図である。

図１（ａ）には、本発明の実施例１の光信号処理装置の構成を示す。本実施例１の光信号処理装置は、図１（ａ）の上面図に示すように、電気的制御のための制御部120と、基板上に形成された光導波路チップ102（光信号処理部）を有しており、光導波路チップ102の光導波路上には光導波路を通過する光の位相を変化させる位相シフタ103-1~12が被駆動エレメントとして配置される。また、制御部には位相シフタに電力を供給する電力源106（電流生成部、電源等駆動素子）を有しており、各位相シフタを電力源に接続するための配線104-1～12（接続部）と、その接続のON/OFF切り替えを行う電気スイッチ105-1~12を有している。

図１（ｂ）の光導波路チップ基板断面図に示すように、位相シフタはヒータ1001とその直下に配置された光導波路１００７からなり、位相シフタに制御信号を印加することで、熱光学効果（例えば熱による屈折率の変化など）を介して、当該部分の光導波路を通過した光信号の位相が変調される。光導波路は、たとえば、石英系光導波路、ポリマ導波路、シリコン等により形成される。図１（ｂ）では埋め込み導波路を例として説明するが、リブ型や拡散型の他の構造でも構わない。

位相シフタは、図１（ｃ）の部分上面図に示すようにＭＺＩの一部を構成する。すなわち、図１（ａ）の各々の位相シフタの箇所には、図１（ｃ）に示すＭＺＩが配置される。ＭＺＩにおいては、その入力1002から入力された光信号が、方向性結合器1004によりアーム導波路1006および1007に二分岐される。一方のアーム導波路1006の上部には、ヒータ1001が設置されており、熱光学効果を介してアーム導波路1006を通過する光信号の位相を変調する。アーム導波路1006および1007を経由した光信号は、次に、方向性結合器1005により合波され、アーム導波路1006および1007を介した光信号間の位相差により、出力1003もしくは1008に分配されて出力され、光スイッチとして機能する。
本構成では、４行３列に位相シフタを配列する。

また、電力を供給する際、複数の位相シフタを電力源に並列に接続することで、同複数の位相シフタを一つの電力源により制御することができる。ＭＺＩでは、ヒータおよび光導波路の構造が同じであれば、並列につなげて同一の電力を供給することで同時に駆動することが可能である。具体的には、ヒータの構造と組成が同一であれば抵抗値Ｒが同じであり、電圧Ｖの印加に対する発生熱用Ｗ＝Ｖ^２／Ｒも一定になる。この時、ＭＺＩの光導波路の構造が同一であれば熱光学効果による光路切り替えに必要な発熱量も同一になるため、同一の電圧を並列に印加することにより複数のＭＺＩを同時に駆動および制御することが可能である。

よって、この時に、光導波路とヒータの構造が異なっていても、同一の電圧が印加された際にＭＺＩの光路切り替えに必要な発熱量が両方のＭＺＩに与えられるのであれば、並列につなげて同一の電力を供給することで同時に駆動することが可能である。
どのＭＺＩを駆動するかの選択は、電気スイッチ105-1~12で行うことができる。

図２に、本実施例２に記載の光信号処理装置の構成を示す。本実施例２における光信号処理装置は３つの入力と４つの出力を有する光スイッチであり、位相シフタ103-1~12を搭載した光導波路チップ102には、入力光ファイバ101-1~3と出力光ファイバ105-1~4が光接続されている。また、位相シフタ103-1~12を電気的に制御する制御部120は、電気スイッチ105-1~12、電気スイッチを制御する制御回路107、位相シフタの駆動電源となる電力源106を有している。

一般に、光導波路を用いた多入力多出力光スイッチでは、ＭＺＩを複数接続していくことにより実現される。図２のスイッチでは、入力光ファイバ101から入力された信号光は各出力ファイバ105のどのファイバから出力されるかを、どの位相シフタ103を駆動するかにより選択する。本実施例の光スイッチは、３入力４出力のスイッチであるため、スイッチ状態としては３×４＝１２通り存在する。１２通りの状態を独立に設定するためには、１２の自由度が必要であり、１２個の位相シフタを独立して制御する必要がある。また、一つのスイッチエレメントを２つのＭＺＩ（ＤＧ－ＭＺＩ:ダブルゲートＭＺＩ）で構築する場合、制御が必要な位相シフタは倍の数となり、ここでは２４個となる。
（多入力多出力スイッチの概念図）
光スイッチがマトリックススイッチである場合、同時に駆動するスイッチエレメントの最大数は、位相シフタの数よりも小さくすることができる。図３には、このような多入力多出力のマトリックススイッチの概念図を示す。ここでは、入力側（横軸）から入ってきた信号をどの出力側(縦軸)に接続するかを選ぶために、横軸と縦軸の各交点でスイッチ要素ＳＷにより縦軸に接続するか（ON）、しないか（OFF）を切り替える。そのため、各交点に光スイッチＳＷを配置し、それらを位相シフタで制御することで、多入力多出力のマトリックススイッチとして機能させる。この時、給電しない場合にはOFFになるように光スイッチＳＷを設計することで、入力数と出力数の少ない方の数が給電する必要がある位相シフタの最大数となる。

したがって、同時に給電する必要のある位相シフタの最大数が、多入力多出力スイッチの入力数と出力数の少ない方の数であることから、電源と同時に接続する（電気スイッチをONにする）数も入力数と出力数の少ない方の数となる。

電源として、一定の電流を流す定電流源を使用する場合、常に一定の上記で制御が必要な最大位相シフタ数を駆動することで同時に制御することが可能である。この時、入力ファイバから入力された光信号をどの出力ファイバからも出さないという状態を作りたい場合には、光信号の制御には寄与しない位相シフタ（被駆動エレメント）を用意しておき、この位相シフタと合わせて駆動する位相シフタ数を、常に制御が必要な最大位相シフタ数の一定数とすることで同時制御が実現される。

光スイッチがマルチキャストスイッチ（ＭＣＳ）である場合、前述の同時に駆動する位相シフタの最大数は、位相シフタ全体の数よりも小さくすることができる。

図４には実施例３として、このようなＭＣＳの構成を示す。図４（ａ）はＭＣＳの光経路とスイッチ要素（位相シフタ103）のみを示す図であり、図４（ｂ）では、これに加えて図１，２と同様な電気制御系統も示している。

図４のＭＣＳでは、光入力IN-1～3からの信号光はスプリッタＳＰＬにより分岐され、どの入力ポートからの信号光を各出力ポートOUT-1～3に接続するかをスイッチ要素（位相シフタ103）で選択する。各出力ポートに向けてその入力ポートの信号光をつなげるかを選択するため、例えば３入力４出力のＭＣＳであった場合には、出力ポートごとに３つのスイッチ要素が配置され、それらを位相シフタ103により制御する。

この時、出力ポートに接続できる入力ポートはそれぞれ1つであることから、給電しない状態での光スイッチでは入力ポートからの信号が接続されないように設計することで、出力ポートごとに1つずつ位相シフタを制御することで、全出力ポートへのスイッチングを実現することができる。この時最大で駆動する位相シフタの数は４である。

また、ＭＣＳでは、光の可逆性から入力ポートと出力ポートを反転して使用することもできるが、この時にはスプリッタがカプラとして機能するために、スイッチの機能が変化する。そのため、この時には駆動する最大位相シフタ数は入力ポート数となる。

前記実施例３において、マトリックススイッチやＭＣＳをＭＺＩで構成する場合には、電力を供給するスイッチエレメント数の最大値はスイッチ規模により一定になることを述べた。ここで、Ｍ入力Ｎ出力マトリックススイッチでは最大でＮ個のスイッチエレメントを駆動すればよく、入力信号をＮ分岐するＭ×ＮＭＣＳでも最大でＮ個のスイッチエレメントを駆動すればよい。また、入力信号をＭ分岐するＭ×ＮＭＣＳでは最大でＭ個のスイッチエレメントを駆動すればよい。

この時、マトリックススイッチやＭＣＳでは、各スイッチエレメントは特定の入力と特定の出力を接続するために駆動されるため、例えば、マトリックススイッチでは同一の出力ポートに関するスイッチエレメントは一つしか駆動する必要はなく、ＭＣＳでも分岐された信号が出力される場合には同一の出力ポートに関するスイッチエレメントは一つしか駆動する必要はない。入力信号が合波されて出力される場合には同一の入力ポートに関するスイッチエレメントは一つしか駆動する必要がない。

Ｍ入力Ｎ出力というスイッチ規模が大きくなった場合、一つの電源等駆動手段では必要な全てのスイッチエレメントを並列で駆動するには電源等駆動手段の容量が不足する場合がありうる。このような課題は複数の電源等駆動手段に並列に接続するスイッチエレメントを割り振ることで解決できるが、マトリックススイッチでは同一の出力ポートに関するスイッチエレメントは同一の電源等駆動手段に接続し、ＭＣＳでも分岐された信号が出力される場合には同一の出力ポートに関するスイッチエレメントは同一の電源等駆動手段に接続することで、電源等駆動手段での負荷を均等に分割することが可能である。当然ながら、入力信号が合波されて出力される場合には同一の入力ポートに関するスイッチエレメントは同一の電源等駆動手段に接続すればよい。

前記実施例４において、マトリックススイッチやＭＣＳをＭＺＩで構成する場合について記載した。この時、電力を供給するスイッチエレメント数の最大値はスイッチ規模により一定になることを述べた。しかしながら、Ｍ×Ｎスイッチを複数の多入力多出力スイッチに分割する場合、これら以外にスイッチエレメントを必要とする場合がある。

図５には、実施例５としてＭ×Ｎスイッチをｑ個の多入力多出力スイッチに分割した場合の構成を記載する。

図５（ａ）ではＭ１～Ｍｑの合計はＭであり、図５（ｂ）ではＮ１～Ｎｑの合計はＮである。この時、ｑ個の多入力多出力スイッチを構成するＭ×Ｎ個のスイッチエレメントの他に、ｑ×１スイッチ（図５（ａ）出力側）や１×ｑスイッチ（図５（ｂ）入力側）が必要となる。これらは、１×２や２×１の場合はＭＺＩでの光路切り替えで実現でき、それ以上の規模（ｑが３以上の自然数）の場合も、図６に示すようにＭＺＩで構成された１×２や２×１スイッチを多段に接続することで実現できる。このような構成は、図７に示すような（Ｍ×Ｎ）ＭＣＳをｑ個のＭＣＳに分割した場合にも適用される。

これらの１×ｑスイッチやｑ×１スイッチをＭＺＩにより構成する場合、電力の供給をする／しないで光路を切り替えてしまうと、１×ｑスイッチやｑ×１スイッチに電力を供給しない状態で接続されるスイッチ状態が存在するため、スイッチ状態によって全体の消費電力が変化してしまう。

（プッシュプル駆動型ＭＺＩ）
これに対し、図８に示すようにＭＺＩをプッシュプル型で動作させると、スイッチ状態にかかわらず１×ｑスイッチやｑ×１スイッチでの消費電力は変わらず、１×ｑスイッチやｑ×１スイッチでの消費電力を電力の供給をする／しないで光路を切り替える場合の最大値と比較して半分にすることができる。

図８のプッシュプル駆動型ＭＺＩでは、ＭＺＩの上下アーム800a、800bの両方に位相シフタ（図８中ではヒータ801a、801b）が設けられており、ヒータ801a、801bは共通のグランド配線803にて接地されるとともに、それそれ別の電力供給線802a、802bを介して電源駆動手段より駆動電圧Ｖａ、Ｖｂによりプッシュプル駆動されているので、どちらに電力を供給するかにより光の出力先を切り替えることができる。

このような場合、１×ｑスイッチやｑ×１スイッチは他のＭ×ＮスイッチないしはＭＣＳを構成するＭ×Ｎ個のスイッチエレメントとは供給すべき電力が異なる。そのため、これら１×ｑスイッチやｑ×１スイッチのみを同一の電源等駆動手段に並列に接続して共有し、Ｍ×ＮスイッチないしはＭＣＳを構成するＭ×Ｎ個のスイッチエレメントは別の電源等駆動手段に接続することで、求められる電源等駆動手段の数を抑制しつつ上記のようなスイッチ全体の構成をとることが可能である。

また、上記1×qスイッチのＭＺＩの設計を他のスイッチエレメントと異なるものにすることで、同一の電源等駆動手段で制御することも可能である。
1×qスイッチがプッシュプル駆動である場合、例えば、ＭＺＩの２つのアームを通過する光信号間に位相差φ_０＝π／２＋２ｎπ（ｎは整数）が付くように設計する。

ここで、上下のアームに配置された位相シフタによる位相ずれ量を、それぞれΔφ_ｕ，Δφ_ｄとすると、図８の左上の導波路からＭＺＩに光を入力した際、の右側上下それぞれから出力される光の強度（Ｉ_ｕ，Ｉ_ｄ）は下の式のようになる。

（ｎは整数）
Ｉ_ｕ＝１－Ｉ_ｄ (2)
ここで、Ｉ_ｄを最大化するには、Δφ_ｄ＝０．５π，Δφ_ｕ＝０となるように下側アームのヒータを駆動し、Ｉ_ｕを最大化するには、Δφ_ｄ＝０，Δφ_ｕ＝０．５πとなるように上側アームのヒータを駆動する。

対して、プッシュプル駆動でない、他のスイッチエレメントを構成するＭＺＩについては、２つのアームを通過する光信号間に位相差φ_０＝ｎπ（ｎは整数）が付くように設計し、ＭＺＩの上下のうち片方のアームのみに位相シフタ（ヒータ）を配置する。今回、上アームの方が長く、下アームにのみ位相シフタを配置したとして、説明する。

図８の左上の導波路からＭＺＩに光を入力した際、の右側上下それぞれから出力される光の強度（Ｉ_ｕ，Ｉ_ｄ）は下の式のようになる。

（ｎは整数）
Ｉ_ｕ＝１－Ｉ_ｄ（４）
ここで、図３のように、ONのスイッチエレメントのみ電力を供給し、Ｉ_ｄが最大になるようにした場合、ｎπ－Δφ_ｄ＝２ｎπ（ｎは整数）となるように電力を供給する。
ＭＺＩと位相シフタの構造が同一の場合、位相シフタに供給する電力に対する位相シフト量や位相シフタの抵抗は同一であるため、上記プッシュプル駆動のＭＺＩと片側アームのみで位相シフトを行うＭＺＩを、同一構造で電気的に並列に接続してしまうと、同量の電力が供給され、両者の出力を同時に最大とすることができない。

上記２種類のＭＺＩと位相シフタの構造に差異を与えることにより、電気的に並列に接続した際に同時に出力を最大化可能にできる。位相シフタをヒータとし、上記２種類のＭＺＩを１つずつ電気的に並列につなげた場合の等価回路を図９に示す。

ヒータへの供給電力量に位相変化量が比例すると仮定すると、プッシュプル駆動の場合に必要な位相変調量は片側アームのみ駆動の場合と比較して半分（0.5πとπ）の為、前記仮定を考慮すると供給電力量が半分になるようにＭＺＩとヒータ（位相シフタ）を設計すればよい。

電気的に並列に接続された２つのヒータ（位相シフタ）に印加される電圧Ｖは他に回路的な要因が無ければ一定である。この時、プッシュプル駆動のＭＺＩのヒータの抵抗値をＲ_ＰＰ、片側アームのみ駆動のＭＺＩのヒータの抵抗値をＲとすると、それぞれのヒータでの発熱量はそれぞれＶ^２／Ｒ_ＰＰ、Ｖ^２／Ｒである。この式から、プッシュプル駆動のＭＺＩのヒータでの発熱量を片側アームのみ駆動のＭＺＩのヒータでの発熱量の半分にするには、Ｒ_ＰＰ＝２Ｒとする必要がある。

このような抵抗値の変化はヒータ長を長くすることで達成できる。ヒータの抵抗値はヒータ長に比例するため、プッシュプル駆動のＭＺＩのヒータ長を倍にすることで、Ｒ_ＰＰ＝２Ｒの条件を満たすことができる。

このように２種類のＭＺＩの設計に差異を持たせて、電気的に異なる条件で駆動するＭＺＩを電気的に並列に接続して駆動することは、例えばＤＧ－ＭＺＩによって構成されたスイッチエレメントと単一ＭＺＩによって構成されたスイッチエレメントを接続する際にも使用できる。

例えば、ＤＧ－ＭＺＩを構成する２つのＭＺＩは、１×２スイッチとして動作させる場合には、それぞれの位相シフタを電気的に直列に接続しても駆動することができる。このように電気的に直列に接続されたＭＺＩの数が異なる複数のスイッチエレメントを同一の電源等駆動手段に電気的に並列に接続する場合には、各ＭＺＩに供給される電力がそれぞれのＭＺＩの駆動電力となるようにＭＺＩのヒータ長等を調整することで電気的に並列に接続しての駆動が可能となる。

本実施例６では、図１０を参照して各位相シフタに供給する電力量のばらつきを抑制する手法について説明する。

光信号処理装置を電気的に駆動される光導波路チップにより構成する場合、チップ内で位相シフタの位置により、位相シフタへアクセスする駆動配線の長さが異なる。例えば上に記載の実施例１～３の光信号処理装置（図１，２，４）の場合、制御部から離れた位相シフタほど、駆動配線の長さが長くなる。

図１０には、駆動配線が長い場合（制御部から離れた位相シフタ）と短い場合（制御部に近い位相シフタ）の、駆動回路の等価回路を示す。
同一の電源で制御し、かつヒータでの発熱量を同じ値としたい場合、
Ｒ_Ｈ１×Ｉ_Ｈ１＝Ｒ_Ｈ２×Ｉ_Ｈ２
ここで、Ｒ_Ｈ１とＲ_Ｈ２はヒータの抵抗値、Ｉ_Ｈ１とＩ_Ｈ２はヒータに流れる電流値である。
ヒータの抵抗値が同一(Ｒ_Ｈ１＝Ｒ_Ｈ２)である場合、ヒータに流れる電流値を同一(Ｉ_Ｈ１＝Ｉ_Ｈ２)にする必要がある。そのためには、回路全体の合成抵抗値が同一である必要があり(Ｒ_Ｈ１＋Ｒ_Ｍ１＝Ｒ_Ｈ２＋Ｒ_Ｍ２但しＲ_Ｍ１，Ｒ_Ｍ２は駆動配線の配線抵抗)、これには駆動配線の抵抗が同一であることが要求される（Ｒ_Ｍ１＝Ｒ_Ｍ２）。

駆動配線の抵抗値は、単位長さあたりの抵抗値Ｒ_ｍと配線長Ｌの積で決まり、Ｒ_ｍは配線の断面積が大きいほど値が小さくなる。そのため、同一の配線断面積を持っている場合には、駆動配線が長くなるほど抵抗値が大きくなり、Ｒ_Ｍ１とＲ_Ｍ２で差が生じる。

これは、配線の断面積を、配線長が長いほど大きくすることで解決することができる。ウエハプロセスで配線を製造する場合には、厚みは制御しづらく、配線幅で制御する方がたやすい。そのため、長い駆動配線ほど幅を広くすることでＲ_Ｍ１とＲ_Ｍ２の値を近づけることができる（図１０）。また、単位長さあたりの抵抗値Ｒ_ｍは断面積に反比例するため、駆動配線の配線長に比例した配線幅にすることで、Ｒ_Ｍ１＝Ｒ_Ｍ２とすることが可能である。

本実施例７では、図１１、１２を参照して各位相シフタに供給する電力量のばらつきを抑制する手法について説明する。

ウエハプロセスにて光信号処理装置の光導波路チップを作製する場合、ウエハ内の位置により位相シフタに使用するヒータ等の特性が変化することがある。これは、ヒータの膜厚ムラやウエハの反りによりヒータの抵抗値が変化するためである。

これに対しては、図１１に示すように、ウエハ内での抵抗値のばらつきに合わせてヒータの構造を変化させることにより、補正することが可能である。ウエハ内でヒータの抵抗値が低くなる場所ではヒータ幅を狭くし（図１１の１０３－１）、ウエハ内でヒータの抵抗値が高くなる場所ではヒータ幅を広くする（図１１の１０３－１２）ことで、面内のヒータ抵抗値を一定化することができる。

また、同様に位相シフタにアクセスする駆動配線の抵抗値もばらつきを持つ。これも図１２に示すように、ウエハ内で配線抵抗値が低くなる場所では配線幅を狭くし（図１２の１０４－４）、ウエハ内で配線抵抗値が高くなる場所では配線幅を広くする（図１２の１０４－１）ことで、面内の配線抵抗値を一定化することができる。

ウエハ内で複数の光導波路チップを作製する場合には、各チップでヒータ幅および駆動配線幅の分布が変化する。ヒータの抵抗値を調整する方法としてヒータ幅を調整する方法を述べたが、他にもヒータ長を変化させる方法がある。ヒータ長を長くすれば抵抗値は高くなり、短くすれば低くなる。配線抵抗値についても同様に、長さによる調整でも幅の変更と同じ効果が見込める。

本実施例８は、図１３を参照して、本発明の光信号処理装置に対する電源等駆動手段からの電力供給量の調整機構を説明するものである。
前記実施例において説明の通り、ＰＬＣ等の光導波路を光信号処理部に使用する場合には、チップごとに電力供給量の調整が必要な場合がある。また、前記マトリックススイッチや前記ＰＩＬＯＳＳスイッチおよび前記マルチキャストスイッチでは、設定するスイッチング状態に応じて、すべての被駆動エレメントのうち一部を駆動すればよいことも前述のとおりである。

本実施例８では、このような問題に対し、電源等駆動手段が定電圧源である場合と定電流源である場合に、各チップの被駆動エレメントへの電力供給量を調整する機構を提案する。

（定電圧源の場合）
図１３（ａ）に、定電圧源Ｖを用いる場合の本実施例８の電力供給量調整機構の等価回路を示す。

定電圧源Ｖには、ヒータ等の被駆動エレメントが複数並列に接続されており、それら被駆動エレメントには同一の電圧が印加される。この時被駆動エレメントの抵抗値をそれぞれＲ_H1～Ｒ_Hnとする。また、各被駆動エレメントには電力供給のON/OFF切り替えを行う電気スイッチが接続されている。それに対し、抵抗Ｒ’が直列に接続されている。

並列につながった被駆動エレメントの合成抵抗Ｒ_ＨＴは,並列に接続された全ての被駆動エレメントの抵抗値がＲ_Ｈで同一である場合以下のようになる。

ここでｎは電力供給がONになっている被駆動エレメントの数である。

定電圧源の電圧がＶの場合、各駆動エレメントに供給される電力Ｗ_Ｈは以下になる。

ここで、Ｗ_ＨＴは接続された被駆動エレメント全体への電力供給量である。

そのため、抵抗Ｒ’の抵抗値を調整することにより被駆動エレメントへの電力供給量を調整することが可能である。また、これを他の実施例における接続部や電流生成部に設けることにより、共通の制御部や共通の電流生成部で異なるチップの光信号処理部に与える電力量を調整することができる。加えて、前述の抵抗Ｒ’に可変抵抗を用いることで、この接続部や電流生成部を共通化できる。

（定電流源の場合）
図１３（ｂ）には、定電流源Ｉを用いる場合の本実施例８の電力供給量調整機構の等価回路を示す。

定電流源Ｉには、ヒータ等の被駆動エレメントが複数並列に接続されており、それら被駆動エレメントには同一の電圧が印加される。この時被駆動エレメントの抵抗値をそれぞれＲ_H1～Ｒ_Hnとする。また、各被駆動エレメントには電力供給のON/OFF切り替えを行う電気スイッチが接続されている。それに対し、抵抗Ｒ’が並列に接続されている。

定電流源の電流がＩの場合、被駆動エレメント全体への電力供給量Ｗ_ＨＴは以下になる。

ここで、Ｖは被駆動エレメントにかかる電圧値であり、電流Ｉが一定の時にはＲ’の値で変化する。
この時、被駆動エレメントへの電力供給量Ｗ_Ｈは同量であり、以下になる。

この時も、抵抗Ｒ’の抵抗値を調整することにより被駆動エレメントへの電力供給量を調整することが可能である。また、これを他の実施例における接続部や電流生成部に設けることにより、共通の制御部や共通の電流生成部で異なるチップの光信号処理部に与える電力量を調整することができる。加えて、前述の抵抗Ｒ’に可変抵抗を用いることで、この接続部や電流生成部を共通化できる。

以上述べたように、本発明によれば光導波路を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置における電源等の駆動手段の数を削減することができる。上記の効果により、光信号処理装置の量産性を向上し、部品点数の削減を通じて装置の低廉化に寄与する。

Claims

制御部、電流生成部、接続部および光信号処理部から構成され、電流生成部は一つないし複数の電源を有し、前記光信号処理部は基板上に光導波路を備え、複数の位相シフタが同一の電源と並列に接続されて駆動され、
前記光信号処理部はＭＺＩを有しており、
前記位相シフタは前記ＭＺＩに配置されたヒータであり、前記光導波路のチップ内でヒータの幅または長さが異なり、
前記光信号処理部を構成する前記ＭＺＩのうち一部がプッシュプル駆動で制御され、
前記光信号処理部は、多入力多出力光スイッチまたはマルチキャストスイッチ（ＭＣＳ）であり、
プッシュプル駆動で制御されるＭＺＩに配置されたヒータの抵抗値が、プッシュプル駆動で制御されないＭＺＩに配置されたヒータの抵抗値の２倍であることを特徴とする光信号処理装置。
前記電源は、一定の電流を流す定電流源であり、同時に駆動される位相シフタの数が常に一定であることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
同時に駆動される前記位相シフタは前記電源に並列に接続されており、
同時に駆動される前記位相シフタは、光信号が通過するＭＺＩに配置された前記位相シフタ以外の位相シフタを含むことを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
前記光信号処理部は、マトリックススイッチ、または、Ｍ入力をそれぞれＮ分岐するＭ入力Ｎ出力するＭＣＳであり、前記電流生成部に複数の電源を有し、
同一の出力ポートのスイッチングに関する位相シフタは、すべて前記複数の電源のうち同一のものに並列で接続され共有されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号処理装置。
前記位相シフタへ接続する駆動配線の配線幅が配線長に比例していることを特徴とする、請求項１乃至４いずれかに記載の光信号処理装置。