JP7474445B2

JP7474445B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP7474445B2
Application number: JP2021006359A
Authority: JP
Inventors: 慶太山口; 賢哉鈴木; 隆司郷; 摂森脇; 俊夫渡邉
Original assignee: Kagoshima University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kagoshima University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2041-01-19
Also published as: JP2022110753A

Description

本発明は、光導波路により構成される光スイッチに関する。特に、光導波路を用いて実現される光スイッチにおいて、導波路同士の交差の少ない光スイッチに関する。

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；以下、ＭＺＩという)（非特許文献１）を縦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。非特許文献１に記載の構成などでは、クロス状態でのＭＺＩ通過をすべてのスイッチ状態で２度行うために、その光スイッチを構成するスイッチ要素としてＭＺＩを２つつなげたダブルゲート構成を採用した光スイッチが報告されている。

また光スイッチは、近年重要性を増している。例えば、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。

このような光導波路スイッチでは、その構成方法により同規模のスイッチであっても光学特性が異なる。特にシリコンなどを用いたコアとクラッドの屈折率差の高い導波路スイッチの場合には、導波路間交差に起因する伝搬損失と光信号の漏れ込み（クロストーク）が大きな問題となる。そのため、この導波路間交差の少ないスイッチトポロジが検討・提案されている（非特許文献４）。

T. Shibata et. al., "Silica-Based Waveguide-Type 16 x 16 Optical Switch Module Incorporating Driving Circuits," IEEE Photonics Technology Letters, Sept.2003, vol. 15, no. 9, pp. 1300-1302 Takashi Goh, et al., "Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Nonblocking 16×16 Thermooptic Matrix Switch on 6-in Wafer Using Silica-Based Planar Lightwave Circuit Technology," J. Lightwave Technol., 2001, vol. 19, no. 3, pp. 371-379. T. Watanabe, et al., "Silica-based PLC Transponder Aggregateors for Colorless, Directionless, and Contentionless ROADM", OFC/NFOEC2012, OTh3D.1, March 8, 2012, Los Angeles 鴻池遼太郎、ほか、「低挿入損失・低経路依存性を有する多ポート平面光スイッチ」、信学会ソサイエティ大会、(2019), C-3-50. 馬場俊彦、ほか、「Ｓｉ細線導波路」、電子情報通信学会論文誌 C (2005) Vol. J88-C, No. 6 pp. 363-373. M. Okuno, et al., "Silica-based 8×8 optical matrix switch integrating new switching unit with large fabrication tolerance," J. Lightwave Technol., 1999, vol. 17, no. 5, pp. 771-781.

上述の非特許文献４に記載のスイッチトポロジでは交差数は削減可能であるが、スイッチ素子としてＭＺＩを使用する場合、図３にて後述するように、すべてのＭＺＩをスルー状態で通過して出力される入出力ポート間接続経路が存在してしまう。この場合、作製誤差や波長依存性により、その入出力ポート間接続を接続していない状態でも、信号光が漏れ出してしまい、本来その出力ポートに接続されている入力ポートからの信号光に悪影響を与えることで信号品質を劣化させてしまう（非特許文献６）。

よって、導波路同士の交差を削減しつつクロスポートを通る数を増やすことで、挿入損失を低減させながらも信号光が漏れ出しを抑えることを本発明の課題とする。

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、この非特許文献４に記載のスイッチトポロジについて、一部のスイッチ要素のみを２段ＭＺＩスイッチとすることにより、すべてのスイッチ状態において入力から出力までに２度以上のクロス状態を通過する構成を有する光スイッチを提供することにある。

本発明の光スイッチの一態様は、Ｎ入力ポート群と、選択スイッチと、切り替えスイッチと、Ｎ出力ポート群（Ｎ＝２^x _、ｘは２以上の整数）と、を含むスイッチであって、前記選択スイッチと、前記切り替えスイッチとは、光導波路が設けられた光スイッチであり、前記選択スイッチと、前記切り替えスイッチの各スイッチ素子は、マッハツェンダ干渉計で構成されており、前記切り替えスイッチの最内殻の２入力２出力スイッチ部に設けられた一つの光導波路と他の導波路との導波路交差が０以上２個以下であり、前記切り替えスイッチの一つの経路において、前記切り替えスイッチのスイッチ素子のクロス状態を通過する最低回数が２回確保されていることを特徴とする。

本発明は、導波路同士の交差を削減しつつクロスポートを通る数を増やすことで、挿入損失を低減させながらも信号光が漏れ出しを抑えることができる。

（ａ）ＭＺＩの概略図、（ａ）ＭＺＩの構成を示す図である。ＭＺＩの動作原理における（ａ）スルー状態（ｂ）クロス状態を示す図である。従来のトポロジーによる４入力４出力の光スイッチの構成を示す。（ａ）に実施例１に記載の４入力４出力の光スイッチの構成、（ｂ）ＭＺＩの断面図、（ｃ）ＭＺＩの構成を示す図である。実施例１にかかる切り替えスイッチである２入力２出力スイッチ部分の構成を示す図である。実施例２にかかる８入力８出力光スイッチの構成図を示す図である。（ａ）実施例２の８入力８出力スイッチの構成を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の４入力４出力のブロックの拡大部を示す図である。（ｃ）は、（ｂ）のブロックＢの拡大部を示す図である。実施例２の４入力４出力スイッチの構成を示す図である。（ａ）は、実施例２の８入力８出力スイッチの構成を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の４入力４出力のブロックの拡大部を示す図である。（ｃ）は、（ｂ）のブロックＢの拡大部を示す図である。（ａ）非特許文献４に記載のトポロジーにおける４入力４出力スイッチの構成を示す。（ｂ）本実施例の４入力４出力光スイッチの構成を示す図である。実施例４にかかる８入力８出力スイッチの構成を示す図である。（ａ）は、実施例４にかかる８入力８出力スイッチの構成を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の４入力４出力のブロックの拡大部を示す図である。（ｃ）は、（ｂ）のブロックＢの拡大部を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

Ｎ入力Ｎ出力（Ｎ＝２^x _、ｘは整数）マトリクス・スイッチの基本となるのがマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ、以下、スイッチ素子ともいう）である。ＭＺＩは、図1（ａ）に示すように、２つの入力Ａ１００１，入力Ｂ１００２、２つの出力Ａ１００８，出力Ｂ１００９の光スイッチとして動作する。

スイッチ素子では，図1（ｂ）に示すように、入力Ａ１００１，入力Ｂ１００２から入力した光が、方向性結合器１００４で一つになった入力光をアーム導波路１００６，アーム導波路１００７で２分岐し、再び、方向性結合器１００５で分岐した光を合流させることで光を干渉させる。２分岐した光のうち片方のアーム導波路１００７はヒータ１００３があり、ヒータ１００３に電流を流すことでアーム導波路１００７を加熱する。この加熱によって、アーム導波路１００７の屈折率が変化することで２つの導波路を伝搬する光の位相差が変化し、導波路１００５を介した出力Ｂ１００９を生じる。すなわち、ヒータ１００３を加熱しない場合は、出力Ａ１００８を生じ、加熱した場合は出力Ｂ１００９を生じる、スイッチとして機能する。

図２は、スイッチ素子（ＭＺＩ）の動作原理を説明する図であり、図２（ａ）はスルー状態、図（ｂ）クロス状態を示している。

図２（ａ）における、スルー状態のＭＺＩを説明する。ＭＺＩでは、入力Ａ１００１に入力した信号光を、方向性結合器１００４にて２分岐し、それぞれ異なる経路アーム導波路１００６とアーム導波路１００７を通過したのち、再び、方向性結合器１００５で合流させることで光を干渉させる。２分岐した光のうち片方のアーム導波路１００７のヒータ１００３に電流を流さないことでアーム導波路１００７の位相が変化せず、出力Ａ１００８側から信号光が出力する。

図２（ｂ）における、クロス状態のＭＺＩを説明する。片方のアーム導波路１００７のヒータ１００３に電流を流すことでアーム導波路１００７の温度が変化し、アーム導波路１００７の屈折率が変化することで方向性結合器に入力される２つの光の位相差が変化することで干渉条件が変化し、出力Ｂ１００９から信号光が出力するように出力先を変更できる。このように、ヒータ１００３はアーム導波路１００７を通過する光の位相を変化させる位相シフタとして機能する。

交差に加え、ＭＺＩを用いた光導波路スイッチにおいては、入力ポートから出力ポートまでに通過するＭＺＩにおいて、このクロス状態（図２（ｂ））を最低何度通過するかが問題となる。これは、ＭＺＩを構成する方向性結合器（ＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｕｐｌｅｒ：ＤＣ）などの３ｄＢカプラにおいて、製造誤差や波長依存性により分岐比がずれた場合に、クロス状態でのスルーポートへの漏れ光の方がスルー状態でのクロスポートへの漏れ光よりも大きいためである（非特許文献６）。なお、図２（ａ）のスルー状態では、アーム導波路１００６とアーム導波路１００７との光路長差による光の位相差は、π±２ｎπ（ｎは整数）である。図２（ｂ）のクロス状態では、アーム導波路１００６とアーム導波路１００７との光路長差は、±２ｎπである。
図３は、このスルー状態に関する問題を説明する図である。図３において、スイッチ素子Ｓ１０１に入力が, スイッチ素子Ｓ１１, Ｓ１２の総てをスルー状態で通過し, スイッチ素子Ｓ２０１から出力される。このような入出力ポート間接続経路（点線部分のスイッチ素子Ｓ１０１、Ｓ１１, Ｓ１２, 及びＳ２０１を通過する導波路）が存在すると、前述したように、作製誤差や波長依存性により、その入出力ポート間接続を接続していない状態でも、信号光が漏れ出してしまい、本来その出力ポートに接続されている入力ポートからの信号光に悪影響を与えることで信号品質を劣化させてしまう、という問題がある。

図４（ａ）は、本発明の一実施例に係る４入力４出力の光スイッチの基本構成を示す図である。本発明の光スイッチは、基板上に形成された光導波路チップからなり、各スイッチ素子（スイッチ要素）はＭＺＩで構成されている。上述したように、ＭＺＩには光導波路の位相を変化させる位相シフタが配置され、位相シフタへの電力供給のＯＮ/ＯＦＦ切り替えによりスイッチングを行う。

図４（ｂ）～（ｃ）に示すように、位相シフタはヒータ１００３とその直下配置された光導波路からなるアーム導波路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、石英系ガラス、ポリマ、シリコン等により形成される。図４（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４（ｃ）に示すようにＭＺＩの一部を構成する。ＭＺＩにおいては、その入力Ｂ１００２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１００７の上部には、ヒータ１００３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Ａ１００８もしくは出力Ｂ１００９に分配されて出力される。

図４（ａ）は_、上述した非特許文献４に記載のトポロジーによる４入力４出力の光スイッチの構成を示している。この構成のうち切り替えスイッチＫＳ₁～ＫＳ₄のスイッチ要素配列等を、図５にて後述するスイッチ要素配列等とすることにより、本実施形態の光スイッチが構成される。

図４（ａ）に示す構成では、４隅にそれぞれ２ポートずつの入出力ポートが置かれる入出力ポート群Ａ，Ｂとなっており、１×２スイッチもしくは２×１スイッチ（選択スイッチＳＳ_n）に接続されている。選択スイッチは上下左右の４つの２×２スイッチ（切り替えスイッチＫＳ₁－ＫＳ₄）のうち２つに接続されている。この選択スイッチはそれぞれ、４隅に配置された２つの入力ポート群と２つの出力ポート群間でのスイッチング状態を示している。すなわち、左上の入力ポート群Ａから右上の出力ポート群Ａに接続される信号光はノードＳ１１１、ノードＳ１２１を介して切り替えスイッチＫＳ１に接続され、左上の入力ポート群Ａから左下の出力ポート群Ｂに接続される信号光はノードＳ１１２、ノードＳ１２２を介して切り替えスイッチＫＳ₂に接続される。選択スイッチＳＳ_n内では、各入力ポート群と各出力ポート群の中でのスイッチ状態を決定している。例えば、切り替えスイッチＫＳ₁では入力ポート群Ａ内の２ポートと出力ポート群Ａの２ポートを任意の状態で接続可能である。

左上の入力ポート群Ａから右上の出力ポート群Ａに接続される信号光はノードＳ１１１、ノードＳ１２１を介して切り替えスイッチＫＳ₁に接続され、左上の入力ポート群Ａから左下の出力ポート群Ｂに接続される信号光はノードＳ１１２、ノードＳ１２２を介して切り替えスイッチＫＳ₂に接続される。

選択スイッチＳＳ₁は、ＭＺＩＳ１０１～Ｓ１０２を設け、選択スイッチＳＳ₂は、ＭＺＩＳ２０１～Ｓ２０２を設け、選択スイッチＳＳ₃は、ＭＺＩＳ３０１～Ｓ３０２を設け、選択スイッチＳＳ₄は、ＭＺＩＳ４０１～Ｓ４０２を設け、切り替えスイッチＫＳ₁は、ＭＺＩＳ１１～Ｓ１４を設け、切り替えスイッチＫＳ₂は、ＭＺＩＳ２１～Ｓ２４を設け、切り替えスイッチＭＺＩＫＳ₃は、Ｓ３１～Ｓ３４を設け、切り替えスイッチＫＳ₄は、ＭＺＩＳ４１～Ｓ４４を設けている。切り替えスイッチＭＺＩＫＳ₃は、ノードＳ２１２でＭＺＩＳ２０１と接続し、また、ノードＳ２２２でＭＺＩＳ２０２と接続する。

この構成では、入出力ポート間接続経路（Ｓ１１１―Ｓ１２―Ｓ１１―Ｓ２１１間の点線部分）において、すべてのＭＺＩをスルー状態で通過して接続するスイッチング状態があり、スイッチの消光比を大きく取れない問題がある。

上述の非特許文献４に記載のスイッチトポロジでは交差数は削減可能であるが、スイッチ要素としてＭＺＩを使用する場合、Ｓ１０１, Ｓ１１, Ｓ１２, 及びＳ２０１のすべてのＭＺＩをスルー状態で通過して出力される入出力ポート間接続経路が存在してしまう。この場合、作製誤差や波長依存性により、その入出力ポート間接続を接続していない状態でも、信号光が漏れ出してしまい、本来その出力ポートに接続されている入力ポートからの信号光に悪影響を与えることで信号品質を劣化させてしまう。

本発明の構成では、図４（ａ）のスイッチ構成中破線で囲われた切り替えスイッチＫＳ_nである２入力２出力スイッチ部分を図５の構成の２入力（Ｓ１１１, Ｓ１２１）２出力（Ｓ２１１, Ｓ２２１）スイッチで置換している。図５の構成では、入力から出力ポートに接続されるまでに、ＭＺＩＳ１1－Ｓ１８のクロス状態を必ず２度通過する必要のある構成となっている。

図５は、本実施例の一例として切り替えスイッチＫＳ₁の内容を示しており、例えば、選択スイッチＳＳ₁のスイッチ要素Ｓ１０１のノードＳ１１１からの出力は、切り替えスイッチＫＳ₁のスイッチ要素Ｓ１３、Ｓ１１、およびＳ１２を経て選択スイッチＳＳ₂のスイッチ要素Ｓ２０１のノードＳ２１１に至る。この信号経路において、スイッチ要素Ｓ１３、Ｓ１１において、クロス状態となる。他の信号経路である、ノードＳ１１１→スイッチ要素Ｓ１３→スイッチ要素Ｓ１４→スイッチ要素Ｓ１７→ノードＳ２１１、ノードＳ１２１→スイッチ要素Ｓ１６→スイッチ要素Ｓ１５→スイッチ要素Ｓ１２→ノードＳ２１１、ノードＳ１２１→スイッチ要素Ｓ１６→スイッチ要素Ｓ１８→スイッチ要素Ｓ１７→ノードＳ２２１についても同様に２つのスイッチ要素においてクロス状態となる。他の切り替えスイッチＫＳ₂～ＫＳ₄についても同様である。なお、本実施例の構成では、図４（ａ）に示すように、選択スイッチＳＳ₂内のスイッチ要素Ｓ２０１、Ｓ２０２において、それぞれ、切り替えスイッチＫＳ₁からの信号光はスルー状態を通過し、出力ポート群Ａより出力される。また、選択スイッチＳＳ₃内のスイッチ要素Ｓ３０１、Ｓ３０２において、それぞれ、切り替えスイッチＫＳ₄からの信号光はスルー状態を通過し、出力ポート群Ｂより出力される。

また、導波路交差がどの経路においても一度もなく、損失やクロストークの影響を最小限に抑えることが可能である。

アーム導波路１００６、アーム導波路１００７の光導波路はＳｉを含んでいてもよい。

同一平面上に、すべての光導波路が設けられていてもよい。

選択スイッチＫＳ₁～ＫＳ₄内のＭＺＩ及び切り替えスイッチＫＳ_n内のＭＺＩは、同一基板上あってもよい。

このような構成ではＭＺＩ間を接続するための曲げ半径が大きいと、必然的にＭＺＩを離して配置する必要があるが、曲げ半径が小さい場合にはＭＺＩを近くに配置できるため影響は小さくなる。具体的には、光導波路にＳｉを用いたＳｉフォトニクスなどでは、曲げ半径は十分に小さくすることが可能である(非特許文献５)。

Ｎ入力ポート群と、選択スイッチと、切り替えスイッチと、Ｎ出力ポート群（Ｎ＝２^x _、ｘは２以上の整数）と、を含むスイッチであって、選択スイッチと、切り替えスイッチとは、光導波路が設けられた光スイッチであり、選択スイッチと、切り替えスイッチの各スイッチ素子は、マッハツェンダ干渉計で構成されており、切り替えスイッチの最内殻の２入力２出力スイッチ部に設けられた一つの光導波路と他の導波路との導波路交差が０以上２個以下であり、切り替えスイッチの一つの経路において、切り替えスイッチのスイッチ素子のクロス状態を通過する最低回数が２回確保されていることを特徴とする光スイッチにより、交差数を減らす構成を取りながらも、すべてのスイッチ状態において少なくとも２度以上はクロスポートを通り、導波路同士の交差を削減しつつクロスポートを通る数を増やすことで、挿入損失を低減させながらも信号光が漏れ出しを抑えることができる。

図６及び図７（ａ）に本実施例に記載の８入力８出力光スイッチの構成図を示す。上述の非特許文献４に記載の光スイッチのトポロジーでは、スイッチ規模の拡大に合わせて再帰的に構造が決定される。図８及び図９（ａ）は、非特許文献４に記載のトポロジーによる８入力８出力である。この構成では、４入力４出力の場合と比較すると４つの切り替えスイッチが４入力４出力スイッチとなっており、同時に４つの入出力ポート群において各ポート群に属するポート数が４ポートになっている。そして、この切り替えスイッチである４入力４出力スイッチは同じく上述の非特許文献４に記載の光スイッチのトポロジーで構成された４入力４出力スイッチとなる。当然ながら、上述の非特許文献４に記載の光スイッチのトポロジーにのっとり、同様の方法で光スイッチ全体のポート数を拡張可能である。図９（ａ）の４入力４出力のブロック６０１に、図９（ｂ）の構成が適用される。

これに対して、本発明の構成では、図７（ａ）の４入力４出力のブロック６０１に、図７（ｂ）のＭＺＩを含む構成が適用される。図７（ｂ）のブロックＢ７０１に、図７（ｃ）のＭＺＩを含む構成が適用される。最内殻の２入力２出力光スイッチのみを、実施例1で記載した図５の構成と同じの図９（ｃ）の２入力２出力スイッチで置換することで効果を発揮する。上述の非特許文献４に記載の光スイッチのトポロジーでは再帰的に入れ子構造でスイッチ構成が組まれるため、信号光は最内殻の切り替えスイッチを必ず通過する。そのため、この最内殻の切り替えスイッチを通過する際にＭＺＩのクロス状態を必ず２回通過する構造にすることでＭＺＩの増加数を最小限に抑え、かつ導波路交差を増加させずに高い消光比を得ることが可能になる。図６には本発明における８入力８出力光スイッチの構成図を示したが、他の規模の光スイッチにおいても、上述の非特許文献４に記載の光スイッチのトポロジーにおける構成のうち最内殻の切り替えスイッチのみを実施例1で記載した図５の構成の２入力２出力スイッチで置換することでＭＺＩのクロス状態を必ず２回通過する構造とすることができる。

実施例１に記載の光スイッチの構成において、図５に記載の構造で構成された切り替えスイッチ（２入力２出力スイッチ）部分では、いずれの入力ポートからいずれの出力ポートに接続される際にもＭＺＩのクロス状態を２回通過する。そのため、位相シフタによる変調がＯＦＦの状態ではスルー状態、ＯＮ状態ではクロス状態となるようにＭＺＩを設計すれば、切り替えスイッチ内での電力量にスイッチ状態の依存性はない。それに対し、図５のような構成における選択スイッチについて、入力ポートと出力ポートのスイッチ接続状態によって、ＭＺＩのクロス状態とスルー状態の通過数が変化する。そのため、ＭＺＩのスルー状態とクロス状態を位相シフタのＯＮ/ＯＦＦで制御する際には、スイッチ状態によってＯＮの位相シフタ数が変化してしまう。図１０（ａ）に、非特許文献４に記載のトポロジーにおける４入力４出力スイッチの構成を示す。ここで例えば、入力ポートＡ－１から出力ポートＡ－１に接続する際には、入力側の選択スイッチも出力側の選択スイッチもスルー状態で通過するが、入力ポートＡ－１から出力ポートｂ－１に接続する際には、入力側の選択スイッチも出力側の選択スイッチもクロス状態で通過する。この場合、位相シフタによる変調がＯＦＦの状態ではスルー状態、ＯＮ状態ではクロス状態となるようにＭＺＩを設計すると、入力ポートＡ－１から出力ポートＢ-１に接続する際にはどちらの選択スイッチについても位相シフタをＯＮ状態にしなければならないため、消費電力が増加する。

これに対し、本実施例の４入力４出力光スイッチの構成を図１０（ｂ）に示す。本構成では、２つずつ存在する入力ポート群と出力ポート群に属する選択スイッチについて、ＭＺＩのアームと入出力ポートとの接続関係を、すべてのスイッチ状態においてスルー状態とクロス状態の通過回数が同一になるようになるように設計される。

具体的には、入力ポート群Ａに属する選択スイッチのＭＺＩへの入力ポートの接続先アームを上下どちらかに統一する。その後、入力ポート群Ａの選択スイッチをスルー状態で接続される出力ポート群に属する選択スイッチのＭＺＩへの出力ポートの接続先アームを、入力ポート群Ａからの信号光がクロス状態で接続されるように選び統一する。また、入力ポート群Ａの選択スイッチをクロス状態で接続される出力ポート群に属する選択スイッチのＭＺＩへの出力ポートの接続先アームを、入力ポート群Ａからの信号光がスルー状態で接続されるように選び統一する。最後に入力ポート群Ｂに属する選択スイッチのＭＺＩと入力ポートの接続先アームの関係が、入力ポート群Ａからの信号光をクロス状態で通過させるように選択スイッチが設計された出力ポート群では選択スイッチがスルー状態で、入力ポート群Ａからの信号光をスルー状態で通過させるように選択スイッチが設計された出力ポート群では選択スイッチがクロス状態で接続されるためには一意に決まる。なお、本実施例の構成（図１０（ｂ））では、入力ポート群Ａと出力ポート群Ａとで接続された信号光は、入力側の選択スイッチのＭＺＩをスルー状態で通過し、出力側の選択スイッチのＭＺＩをクロス状態で通過する。また、入力ポート群Ｂと出力ポート群Ａとで接続された信号光は、入力側の選択スイッチのＭＺＩをクロス状態で通過し、出力側の選択スイッチのＭＺＩをスルー状態で通過する。

このように光スイッチを構成することにより、すべてのスイッチ状態に対してＯＮ状態にする位相シフタの数を常に一定とし、使用する消費電力を平準化し、最大消費電力を抑制することができる。

本発明の光スイッチのスイッチ規模（入出力ポート数）が増大した場合には、再帰的に入れ子構造で構成されることを先に述べた。そのため、小規模の光スイッチにおける消費電力を実施例３の構成で平準化しているならば、その外側に位置する選択スイッチでの消費電力を平準化すればよい。加えて、選択スイッチでの消費電力の平準化も実施例３と同様の方法で実現可能である。

つまり、入力ポート群Ａに属する選択スイッチのＭＺＩへの入力ポートの接続先アームを上下どちらかに統一する。その後、入力ポート群Ａの選択スイッチをスルー状態で接続される出力ポート群に属する選択スイッチのＭＺＩへの出力ポートの接続先アームを、入力ポート群Ａからの信号光がクロス状態で接続されるように選び統一する。また、入力ポート群Ａの選択スイッチをクロス状態で接続される出力ポート群に属する選択スイッチのＭＺＩへの出力ポートの接続先アームを、入力ポート群Ａからの信号光がスルー状態で接続されるように選び統一する。最後に入力ポート群Ｂに属する選択スイッチのＭＺＩと入力ポートの接続先アームの関係が、入力ポート群Ａからの信号光をクロス状態で通過させるように選択スイッチが設計された出力ポート群では選択スイッチがスルー状態で、入力ポート群Ａからの信号光をスルー状態で通過させるように選択スイッチが設計された出力ポート群では選択スイッチがクロス状態で接続されるためには一意に決まる。

構成例として図１１及び１２（ａ）に、消費電力を平準化した８入力８出力スイッチの構成を示す。（ｂ）は、（ａ）の４入力４出力のブロック６０１の拡大部を示す図である。（ｃ）は、図１２（ｂ）のブロックＢ１２０１の拡大部を示す図である。図１２（a）の構成においては、切り替えスイッチである４入力４出力スイッチは実施例３に記載の光スイッチであり、スイッチ状態に消費電力が依存しない。加えて、４ポートずつの入出力ポートと４つずつの選択スイッチからなる入出力ポート群においても、信号光が通過する入力側と出力側選択スイッチのどちらか一方が必ずＯＮ状態（ＭＺＩのクロス状態）、もう一方が必ずＯＦＦ状態（ＭＺＩのスルー状態）で通過する。結果として、スイッチ全体においてもスイッチ状態によらずＯＮ状態の位相シフタの個数を平準化することができる。

本発明は光導波路を用いて低損失でクロストークの小さい光スイッチを用いた技術分野に適用できる。また、上記の効果により、光スイッチの光学特性を向上し、光スイッチで処理する光信号品質劣化抑制に寄与する技術分野に適用できる。

６０１４入力４出力のブロック
７０１ブロックＢ
１００１入力Ａ
１００２入力Ｂ
１００３ヒータ
１００８出力Ａ
１００９出力Ｂ
１００４,１００５方向性結合器
１００６,１００７アーム導波路
１２０１ブロックＢ
ＳＳ_n, ＳＳ₁, ＳＳ₂, ＳＳ₃, ＳＳ₄ 選択スイッチ
ＫＳ_n, ＫＳ₁, ＫＳ₂, ＳＳ₃, ＳＳ₄ 切り替えスイッチ
Ａ入力ポート群
Ｂ入力ポート群
Ａ出力ポート群
Ｂ出力ポート群
Ａ－１入力ポート
Ｂ-１出力ポート
Ｓ１１,Ｓ１２,Ｓ１３,Ｓ１４,Ｓ１５,Ｓ１６,Ｓ１７,Ｓ１８,Ｓ２０２,Ｓ２１,Ｓ２２,Ｓ２３,Ｓ２４,Ｓ３１,Ｓ３２,Ｓ３３,Ｓ３４,Ｓ４１,Ｓ４２,Ｓ４３,Ｓ４４,Ｓ１０１,Ｓ１０２,Ｓ２０１,Ｓ２１１,Ｓ３０１,Ｓ３０２,Ｓ４０１,Ｓ４０２ＭＺＩ
Ｓ１１１, Ｓ１１２,Ｓ１２１, Ｓ１２２, Ｓ２１２,Ｓ２２１, Ｓ２２２ノード

Claims

２個のＮ入力の入力ポート群と、
２個のＮ出力の出力ポート群（Ｎ＝２^x _、ｘは１以上の整数）と、
前記入力ポート群の各々の出力側に接続されたＮ個の１入力２出力のスイッチ素子を含む２個の第１の選択スイッチと、
前記出力ポート群の各々の入力側に接続されたＮ個の２入力１出力のスイッチ素子を含む２個の第２の選択スイッチと、
前記第１の選択スイッチと前記第２の選択スイッチとの間に配置された４個の切り替えスイッチであって、前記４個の切り替えスイッチの各々は、８個のスイッチ素子を含む２入力２出力スイッチ部を含む、該４個の切り替えスイッチと、
を含む２Ｎ入力２Ｎ出力の光スイッチであって、
前記第１の選択スイッチ、前記第２の選択スイッチ、および前記切り替えスイッチの前記２入力２出力スイッチ部の各々のスイッチ素子は、マッハツェンダ干渉計で構成されており、
前記２入力２出力スイッチ部の各々に設けられた光導波路は、どの経路においても導波路交差が一度もないように構成され、
前記２入力２出力スイッチ部の各々は、伝搬する信号のクロス状態を通過する回数が２回であることを特徴とする光スイッチ。
前記第１の選択スイッチをスルー状態で通過した光信号を出力するために前記第２の選択スイッチをクロス状態で通過され、
前記第１の選択スイッチをクロス状態で通過した光信号を出力するために前記第２の選択スイッチをスルー状態で通過される
ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記光導波路がＳｉを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ。
同一平面上に、すべての前記光導波路が設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の光スイッチ。
前記２個のＮ入力の入力ポート群と前記２個のＮ出力の出力ポート群に属する前記第１の選択スイッチおよび前記第２の選択スイッチについて、前記１入力２出力のスイッチ素子および前記２入力１出力のスイッチ素子のアームと入出力ポートとの接続関係が、すべてのスイッチ状態においてスルー状態とクロス状態の通過回数が同一になることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光スイッチ。