JPH02259733A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高速度で動作する光スイッチに関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、この種の光スイッチとしては、第２図に示す構成
を有するものが知られている（文献−Ｍ４０ＪＩｓａ　
　ｅｔ　　ａｌ、、ｏｐｔｌｃａｌ　　ＮＯＲｇａｔｅ
　　ｕｓｌｎｇ　　ｄｉｏｄｅ　　１ａｓｅｒ　５ｏｕ
ｒｃｅｓ”、Ａｐｐｌ、Ｏｐｔ、、ｖｏｌ、２５．ｎｏ
、１４．ｐｐ２３Ｌ１〜２３１３．１９８８参照）。

第２図において、１は信号光Ｉを出射する信号光源、２
ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは集光用レンズ、３は制御光Ｃを
出射する制御用光源、４は信号光Ｉと制御光Ｃとを合波
する偏光ビームスプリッタ、５はファブリペロエタロン
で、誘電体多層膜からなる高反射膜５ｉ、５２間に、多
重量子井戸構造を有する光非線形媒質５３を配置して構
成されている。

第３図は、第２図におけるファブリペロエタロン５の光
入力強度Ｐ１ｎに対する光出力強度Ｐ　ｏｕｔの特性を
示す図で、横軸が光入力強度Ｐ１ｎを、縦軸が光出力強
度ｐ　ｏｕｔをそれぞれ表している。

次に、第３図に基づいて、第２図の構成による動作を説
明する。なお、高反射膜５１．５２を有するファブリペ
ロエタロン５の初期状態が、入力信号光重の波長に対し
て透過率の低い状態、即ち、反射状態に設定しであるも
のとする。

光源１より出射された信号光ｌと光源３より出射された
制御光Ｃの各々は、レンズ２ａ、２ｂを介して偏光ビー
ムスプリッタ４に入射して、互いの偏光面が直交するよ
うに合波される。合波光（１＋Ｃ）は、レンズ２Ｃで集
光されて、ファブリペロエタロン５に入力する。

この時、入力光の強度が増加すると（制御光Ｃの強度を
増加させる）、光吸収により発生した自由キャリアのた
めに光非線形媒質５３の屈折率が減少し、入力光強度が
、第３図中、Ｐｃで示す強度に達した時点で、突然、フ
ァブリペロエタロン５は反射状態から透過状態に遷移す
る。これにより、入力光はファブリペロエタロン５を透
過し、レンズ２ｄを介して出力される。

一方、この透過状態から、入力光強度が減少すると（制
御光Ｃの強度を減少させる）、ｍ３図に示すように、同
じ軌跡を描かずに、入力光強度が、第３図中、Ｐａで示
す強度に達した時点で、突然、ファブリペロエタロン５
は透過状態から反射状態に遷移する。これにより、入力
光は反射されて入力方向に対して逆進する。

このように、ファブリペロエタロン５の、いわゆる光双
安定素子としての機能を利用することによって、制御光
Ｃに基づく、信号光Ｉのスイッチング動作が行なわれる
。

上記した動作から分るように、制御光ＣをＰｃ以上の光
強度でファブリペロエタロン５に注入してやれば、光強
度がＰａ以上の間に亘って透過状態となり、信号光Ｉも
透過することが可能となる。

なお、第２図の構成では、信号光Ｉと制御光Ｃとの合波
用に偏光ビームスプリッタ４を用いているのは、互いの
偏光面を直交させることにより挿入損失を少なくした状
態で合波させるためである。

従って、３ｄＢの挿入損失を許容すれば、半透鏡でも同
様な機能を得ることができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の光スイッチでは、以下のよう
な欠点があった。

■ファブリペロエタロン５で反射された信号光が入力信
号光と同−光路を逆進し、信号光源１に悪影響を及ぼす
。

■ファブリペロエタロン５で反射された信号光を取り出
すためには、光サーキュレータあるいは半透鏡等が必要
となり、部品点数の増加を招くとともに構成が複雑化し
、かつ、挿入損失の増加を招く。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、入力ボートと出力ボートを分離でき、信号光
源に影響を与えることはなく、シかも簡易な構成で低損
失な光スイッチを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、平行に近
接した２本の導波路からなる方向性結合器の結合領域の
一部に、光の透過・反射を切り替える切替部を備え、前
記切替部の長さを前記結合領域の長さよりも十分に短く
設定し、かつ、光の入力側導波路の結合領域の長さを完
全結合長の（ｎ　＋　１　／　２　）倍に設定した（但
し、ｎ＝０、１゜２．３…）。

また、請求項（２）では、前記切替部をファブリペロエ
タロンまたはグレーティングにより構成した。

（作　用） 請求項（１）によれば、一方の導波路端に入力された信
号光は、この導波路を伝搬し、結合領域の入力側端部に
到達する。信号光は、結合領域の一方の導波路を伝搬す
る間に、少量の光が他方の光導波路に結合される。この
ようにして、信号光は結合領域を（ｎ　＋　１　／　２
　）の距離だけ伝搬して切替部に到達する。

ここで、切替部が反射状態に切替えられていると、信号
光は反射されて、入力側の結合領域を逆方向に伝搬し、
（ｎ　＋　１　／　２　）の距離を伝搬した時点で、信
号光は、他方の導波路に１００％結合され、他方の導波
路を伝搬後、その一端から出力される。

一方、切替部が透過状態に切替えられていると、信号光
は、切替部を透過して、結合領域をさらに直進し、例え
ば、（ｎ　＋　１　／　２　）の距離を伝搬した時点で
、他方の導波路に１００％結合され、その他端から出力
される。

また、請求項（２）によれば、切替部がファブリペロエ
タロンまたはグレーティングにより構成され、透過及び
反射の切替制御が、制御光あるいは電界、電流、熱等の
入力条件に基づいて行なわれる。

（実施例） 第１図は、本発明に係る光スイッチの第１の実施例を示
す図で、第１図（ａ）は構成図、第１図（ｂ）は第１図
（ａ）のＸ−Ｘ線矢視方向の拡大断面図、第１図（ｃ）
は第１図（ａ）のＹ−Ｙ線矢視方向の拡大断面図である
。

第１図において、１１．１２．１３は導波路で、第１図
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、幅約５μｍ１厚さが約
０，５μｍに設定されたＩｎ　　　ＧＯ，７２０，２８ Ａｓ　　　Ｐ　　　からなるコアｌｌａ、１２ａ、。

０．５９　０．４１ １３ａと、これらコアｌｌａ、１２ａ、１３ａを被覆し
たＩｎＰよりなるクラッド１４からそれぞれ構成されて
いる。

これらの導波路のうち、導波路１１と１２の２本は、光
の伝搬方向の一部において、コアｌｉａと１２ａがクラ
ッド１４を介して平行に近接して形成され、光方向性結
合器における結合領域１５を構成している。さらに、導
波路１１の一端が、波長１．５５μｍの信号光ｌの入力
ボートＩＩｎと、導波路１１の他端及び導波路１２０両
端は、信号光Ｉの出力ボート０．０□、０３として選定
しである。

一方、導波路１３は、結合領域１５を構成する導波路１
１．１２のコアｌｌａ、１２ａのほぼ中央部の長手方向
側面に直交するように形成されており、その一端が波長
１．５０μｍの制御光Ｃの入力ボートＣ１ｎとして選定
しである。

結合領域１５は、完全結合長りを約５　ｍｍ＋に設定し
てあり、そのほぼ中央部には後記するように切替部２０
が配置され、この切替部２０を中心として、図面に向か
って左側、即ち、入力側結合長Ω。１はＬ／２に設定し
である。同様に、切替部２０の右側の結合長Ｉ。２もＬ
／２に設定しである。

２０は例えばファブリペロエタロンからなる切替部で、
ＴｆＯとＳ　ｉ　Ｏ２の多層膜をスパッタリングによっ
て形成した反射率０．８２　（消光比２０ｄ、ｂ以上）
を有する高反射膜２１．２２と、高反射膜２１と２２の
間に配置され、第１図（Ｃ）に示すように、Ｉ　ｎ　　
　Ｇａ　　　Ａｓからなる５００．４７　　０．５３ Ａ厚の井戸層２３１とＩｎＰからなる７５Ａ厚の障壁層
２３２を交互に約４０層積層した多重量子井戸構造を有
する光非線形媒質２３ａ、２３ｂとから構成されている
。なお、この光非線形媒質２３ａ、２３ｂは、室温にお
いて波長１．５μｍに、電子と重いホールによって形成
されるエキシトンのピークを有し、かつ、これらの間に
は制御光、注入用の導波路１３が形成されている。

このような構成の切替部２０の長さｇＥは、約５μｍ（
コアの幅と同一）に設定しである。また、光非線形媒質
２３ａの光軸が導波路１１のコア１１ａの光軸と、光非
線形媒質２３ｂの光軸が導波路１２のコア１２ａの光軸
とそれぞれ一致し、かつ、光非線形媒質２３ａの長さ方
向外側面が導波路１３のコア１３ａの端面と直交して接
合するように、結合領域１５の光伝搬方向のほぼ中央部
に配置されている。

次に、上記結合領域１５の動作原理について説明する。

導波路１１．１２が平行に近接している結合領域１５に
おいては、互いに直交する正規モードとして偶及び奇対
称モードが存在し、各々の伝搬定数はβｅ、β０である
。入力端ｚ−０で導波路１１から光が入力されると、こ
の入力端２で電界振幅が等しい偶・奇モードが同相で励
起される。

これらのモードが結合領域〕５を伝搬していくにつれて
、二つのモード間に位相差（βｅ−β０）２が生じ、伝
搬距離が Ｌ−π／（βｅ−β０） となったときに位相差がπになる。このとき、偶・奇モ
ードの合成電界分布は、結合領域１５外における導波路
１２の導波モードの電界分布と一致しており、結合領域
１５の長さ（結合長）がＬであれば、導波路１１へ入力
された光が損失なく１００％導波路１２に移行すること
になり、このときのしが完全結合長である。

次に、第１図の構成よる動作を説明する。なお、切替部
２０を構成するファブリペロエタロンの初期設定は、入
力する信号光Ｉの波長１．５５μｍに対して透過率の低
い状態にしてあり、波長１．５０μｍの制御光Ｃが光非
線形媒質２３ａ。

２３ｂに注入されると、吸収され信号光！の波長１．５
５μｍでの屈折率が変化して、透過率の高い状態になる
ものとする。

入力ボートｆｉｎから入力された信号光■は、入力用導
波路１１１を伝搬して、結合領域１５の入射端２に到達
し、さらに結合領域１５をＬ／２の距離だけ伝搬して、
切替部２０に入力する。

このとき、導波路１３を介して、切替部２０の光非線形
媒質２３ａ、２３ｂに制御光Ｃが注入されていない場合
には、信号光Ｉは切替部２０で反射されて、結合領域１
５を往復する。これにより、信号光Ｉは、結合領域１５
を２ｆＩｏ１−Ｌだけ伝搬して、出力用導波路１２１に
１００％結合される。

出力用導波路１２１に結合した信号光！は、出力用導波
路１２１を伝搬した後、出力ポート０□より出力される
。

一方、入力信号光Ｉが切替部２０に到達したときに、切
替部２０の光非線形媒質２３ａ、２３ｂに制御光Ｃが注
入されると、信号光Ｉは、切替部２０を透過して、出力
用導波路１１２，１２２を伝搬する。このようにして結
合領域１５をＬ／２だけ伝搬すると、信号光ｌは、’　
Ｇｌ”　Ｇ２””　Ｌだけ伝搬したことになり、これに
より、出力用導波路１２２に１００％結合される。出力
用導波路１２２に結合し、た信号光■は、出力用導波路
１２２を伝搬した後、出力ポート０２より出力される。

なお、実際は、結合領域１５における透過あるいは反射
した信号光Ｉの伝搬距離は、最大、切替部２０の長さ、
ＱＥ−５μｍ分、完全結合長Ｌ−５龍からずれることに
なるが、本節１の実施例においては、Ｌ）ＩＥなる関係
を満足しているため、実際上問題とはならず、上記ずれ
は無視できる。

以上のように、本節１の実施例によれば、入力ボートＩ
ｉｎより人力され、切替部２０で反射された信号光Ｉを
、光サーキュレータ等を用いることなく入力ボート１１
ｎとは異なる出力ポート０１により出力することができ
るので、信号光源に悪影響を与えることはなく、しかも
、簡易な構成を有するとともに、低損失であり、しかも
導波路構造のため、動作が安定した高速動作の光スイッ
チを実現している。

なお、本節１の実施例においては、結合領域１５の入力
側及び出力側の結合長ｇ　及びｇ。２を、Ｇｌ 完全結合長しの１／２倍に設定したが、これに限定され
るものではなく、結合長ｇ　及びｇ。２を以ｌ 下に示す条件を満足するように変化させることにより、
信号光！を結合させる出力用導波路を任意に選択するこ
とも可能である。即ち、入力側結合長ｇ。１を、 Ｄ　ｃｔ−（ｎ　＋　１　／　２）　Ｌ（但し、ｎ＝０
、１，２，３…） なる関係を満足するように選択すると、入力用導波路１
１１へ入射され、切替部２０で反射された信号光Ｉを、
出力用導波路１２１に結合させることができる。一方、
切替部２０を透過した信号光Ｉは、結合長ｆｌＧ２に応
じて出力用導波路１１２あるいは１２２に結合させるこ
とができる。即ち、入力側結合長ｇ。１が上の条件を満
たすとき、ＤＧ２−　（ｎ＋１／２）Ｌ （但し、ｎ　＝　０　、　１　、　２　、　３　”・）
なる関係を満足すれば、出力用導波路１２２に結合し、 ！ｌ　６２−　（ｎ　＋３／２）　Ｌ （但し、ｎ＝０、１＊　　２．３…） なる関係を満足すれば、出力用導波路１１２に結合する
。

また、本節１の実施例では、制御光Ｃを導波路１３を介
して注入するようにしたが、ビーム状にして注入しても
、同様の効果を得ることができる。

さらに、ファブリペロエタロンの屈折率の制御は、ここ
で示した光によるものの他に、エタロンにｐｎ接合を設
けて逆方向電界を印加する方法、順方向電流を流す方法
、あるいはエタロンを加熱・冷却する方法でも可能であ
る。この場合も、制御領域が小さいので、高速動作が可
能である。

第４図は、本発明に係る光スイッチの第２の実施例を示
す図で、第４図（ａ）は構成図、第４図（ｂ）は第１図
（ａ）のｚ−２線矢視方向の拡大断面図である。なお、
第４図（ｂ）においては、図面を見易くするために、コ
ア１１ａ、クラッド１４部分のハツチングを省略してい
る。

水弟１の実施例と前記第１の実施例の異なる点は、切替
部２４をファブリペロエタロンで構成する代わりに、光
非線形媒質と同一媒質からなる長さｇ　が５０８ｍ１最
大反射率約９８％のグレーティング２４ａ、２４ｂで構
成し、さらに、これに応じて制御光用導波路１−３の幅
を約５０μｍとしたことにある。

グレーティング２４ａ、２４ｂのピッチは、波長１．５
５μｍの２次波長０．４８μｍに一致している。従って
、ピッチΔは０．４８μｍ１厚さｔは０．５μｍに設定
しである。さらに、グレーティング２４　ａ、２４ｂの
多重量子井戸構造部分及びクラッド１４の屈折率は、そ
れぞれ約３．５及び３．２であるため、グレーティング
２４ａ。

２４ｂにおける反射結合係数には約０．０５μｍ−１以
上となっている。

第５図は、グレーティング２４　ａ、２４ｂの波長（λ
）に対する反射率（Ｒ）の特性を示す図で、横軸が波長
λ、縦軸が反射率Ｒをそれぞれ表している。第５図にお
いて、Ａで示す波形は、制御光Ｃが入射されていない、
いわゆる初期状態（反射状態）を示し、Ｂで示す波形は
、制御光Ｃが入射された時の状ｅ＜透過状態）を示して
いる。

第５図から分かるように、反射率が最初零となる反射帯
域幅Δλは１８３Ａとなる。従って、波長１．５５μｍ
の信号光！のみがグレーティングに入射された場合には
、グレーティング２４ａ。

２４ｂは反射状態となる。ここで、グレーティング２４
ａ、２４ｂに制御光Ｃを入射して、多重量子井戸構造部
分の屈折率を変化させ、反射率の中心波長λＣをΔλだ
け変化させれば、グレーティング２４　ａ、２４　ｂは
反射状態から透過状態へとスイッチングされる。

従って、水弟２の実施例においても、前記第１の実施例
と同様に、制御光Ｃの有無に応じて信号光Ｉを入力ボー
ト１１ｎとは異なる出力ボート０１または０２から出力
させることができ、第１の実施例と同様の効果を得るこ
とができる。

なお、水弟２の実施例においても、結合領域１５の完全
結合長りは５　ｍ＋ｉであり、切替部２４の長さ、即ち
、グレーティング２４　ａ、２４ｂの長さΩ　　（−５
０μｍ）との関係は、Ｌ＞、ＩＪ　　を満ｇ 足し、グレーティング分のずれは前記第１の実施例の場
合と同様に無視できる。

また、グレーティング２４ａ、２４ｂの屈折率の制御に
関しても、前記第１の実施例の場合と同様に、ビーム状
の光、あるいは電界、電流、熱等でも制御可能である。

この電界等による制御の場合も、制御領域が小さいので
、高速動作が可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）または請求項（２）
によれば、以下のような利点がある。

■信号光の入力ボートと出力ボート（複数）が分離でき
る。

■切替部で反射された信号光が信号光源へ悪影響を及ぼ
さない。

■切替部で反射された信号光を取り出す際に、光サーキ
ュレータ、半透鏡等が不要となり、簡易な構成が実現で
きる。

■原理的に損失が小さい。

■導波路型で構成できるため制御パワーが小さくてすみ
、また多段接続が可能である。

■導波路型で構成できるため、動作が安定する。

■制御領域が方向性結合器の一部で領域が小さいため、
同一の制御法で比較したとき、高速動作が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係る光スイッチの第１の実施例
を示す構成図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＸ−Ｘ線
矢視方向の拡大断面図、第１図（Ｃ）は第１図（ａ）の
Ｙ−Ｙ線矢視方向の拡大断面図、第２図は従来の光スイ
ッチの構成図、第３図はファブリペロエタロンの光入力
強度に対する光出力強度の特性図、第４図（ａ）は本発
明に係る光スイッチの第２の実施例を示す構成図、第４
図（ｂ）は第４図（ａ）のＺ−Ｚ線矢視方向の拡大断面
図、第５図はグレーティングの波長に対する反射率の特
性図である。 図中、１１，１２．１３…導波路、１１ａ。 Ｉ２ａ、１３ａ…コア、１４…クラッド、１５…結合領
域、２０…切替部（ファブリペロエタロン”）　、２１
．２２…高反射膜、２３ａ、２３ｂ−光非線形媒質、２
４…切替部、２４ａ、２４ｂ…グレーティング。 グレーティング。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝第１図（ａ）
の×−Ｘ線矢視方向の拡大断面図第１図（ｂ） 第１図（８）のＹ−Ｙ線矢視方向の拡大断面図ＩＩＩ　
　図　（ｃ） ｐａ　　　　Ｉ）ｂ　　　　ｐｃ 光入力強度（ｐｌｎ） ファブリペロエタロンの光入力強度に対する光出力強度
の特性図画 図 第４図（ａ）のＣ Ｃ線矢視方向の拡大断面図 第 図 （ｂ） 反射率 グレーティングの反射率−波長特性図 画 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）平行に近接した２本の導波路からなる方向性結合
   器の結合領域の一部に、光の透過・反射を切り替える切
   替部を備え、 前記切替部の長さを前記結合領域の長さよりも十分に短
   く設定し、 かつ、光の入力側導波路の結合領域の長さを完全結合長
   の（ｎ＋１／２）倍に設定した（但し、ｎ＝０、１、２
   、３…） ことを特徴とする光スイッチ。
2. （２）前記切替部をファブリペロエタロンまたはグレー
   ティングにより構成した請求項（１）記載の光スイッチ
   。