JPH02297525A - 光マトリクススイッチ - 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マトリクススイッチに関
するものである。

（従来の技術） 従来、この種の光マトリクススイッチとしては、第２図
に示す構成を有するものが知られている（文献；電子情
報通信学会技術研究報告　０Ｃ８８８−４１ｐｔ参照）
。

第２図において、Ｘｉ（但し、ｉ−１，２，３゜４）は
入力ボート、Ｏｌは出力ボート、１は人力導波路、２は
出力導波路、３は方向性結合型光スイツチ素子をそれぞ
れ示している。

また、第３図は、−第２図における光スイツチ素子３の
拡大図である。第３図において、３ａ、３ｂは導波路、
４は電極である。これら２本の導波路３ａ、３ｂは、光
の伝搬方向の一部において平行に近接して形成され、方
向性結合器における、いわゆる結合領域３Ｃを構成して
いる。

ここで、上記方向性結合型光スイツチ素子３の動作原理
について説明する。

光スイツチ素子３を光が導波する場合、導波路３ａ、３
ｂが平行に近接している結合領域３ｃ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　−ｍ　Ｑで導波路３ａ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する。これらのモードが結合領域３
ｃを伝搬していくにつれて、二つのモード間に位相差（
βｅ−βｏ）ｚ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３ｃ外における導波路
３ｂの導波モードの電界分布と一致しており、結合領域
３ｃの長さく結合長）がＬであれば、導波路３ａへ入力
された光が損失なく１００％導波路３ｂに移行すること
になる。このときのＬを完全結合長という。

また、光スイツチ素子３の結合長Ｌｓは、Ｌｓ　　−（
２ｎ＋１）　　Ｌ （但し、ｎ−０，］、、２．３…）なる関係を満足して
いる。このため、信号光は、２本の導波路３ａ、３ｂ間
の移行を繰り返ｌ−ながら伝搬され、最終的には導波路
３ｂから取り出される。

いま、電極４に電圧が印加されると、結合領域３Ｃにお
ける導波路の屈折率が変化し、伝搬定数が変化する。そ
の結果、完全結合長がＬ゛　となる。

このとき、光スイツチ素子３の結合長Ｌｓは、Ｌ　ｓ−
２ｍＬ’ （但し、ｍ−０，１，２，３…）なる 関係を満足している。このため、信号光は、２本の導波
路３ａ、３’ｂ間の移行を繰り返しながら伝搬され、最
終的には導波路３ａがら取り出される。

以上のように、方向性結合型光スイツチ素子３は、電極
４への電圧印加の有無に応じて信号光の光路を切り換え
ることができる。

従って、第２図の光マトリクススイッチにおいて、任意
の入力ボートＩｔから入力した信号光は、光スイツチ素
子３にて上記したスイッチング作用を受けた後、任意の
出力ボートＯ１から出力されることになる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成による方向性結合型光スイツチ
素子３は、原理的に１００％のパワー移行を行なえると
いう利点を有する反面、結合領域３ｃ全体の屈折率を変
化させなければならないため、素子の容量を大きくする
必要があり、高速動作に適さず、高速で動作する光マト
リクススイッチの実現が困難であるという欠点があった
。また、光による制御にも適さないという欠点があった
。

さらに、高周波特性を改善するために、例えば、５０Ω
の抵抗を用いて終端した場合、消費電力が大きぐ、大規
模な光マトリクススイッチを構成する際の放熱等の問題
点も有している。

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、高速、かつ、低パワーにで動作し得る光マト
リクス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、複数の入
力端子と、複数の出力端子と、前記複数の入力端子と複
数の出力端子を光学的に連結する１×２または２Ｘ２の
複数の基本光スイッチ素子とからなる光マトリクススイ
ッチにおいて、前記基本光スイッチ素子は、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、かつ、
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
く設定するとともに、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、前記切替部をグレーティング
またはファブリペロエタロンにより構成した。

（作　用） 請求項（１）によれば、−の入力端子から入力された信
号光は、初段の１×２あるいは２Ｘ２基本光スイツチ素
子の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
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、その一端から次段の１×２あるいは２×２
基本光スイッチ素子に出力される。

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、その他端から次段
の１×２あるいは２×２基本光スイッチ素子に出力され
る。

切替部の反射及び透過状態に応じてスイッチング作用を
受け、次段の１×２あるいは２×２光基本スイッチ素子
に入力した信号光は、上記と同様のスイッチング作用を
受ける。

以上のようにして、スイッチング作用を受１ノだ信号光
は、最終段の１×２あるいは２×２基本先スイッチ素子
においても同様のスイッチング作用を受けて、任意の出
力端子から出力される。

また、請求項（２）によれば、切替部がグレーティング
またはファブリペロエタロンにより構成され、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４Ｘ４光マトリクススイツチの
第１の実施例を示す構成図である。第１図において、Ｉ
ｆ（但し、ｉ−１，２，３，４）は入力ボート、Ｏｌは
出力ポート、１Ｏ−ＰＱ（Ｐ−１，２、Ｑ−１，２，３
）は方向性結合型２×２基本光スイッチ素子（以下、２
×２光スイツチ素子という）、１１は入力導波路、１２
は出力導波路である。

第４図は、第１図における２×２光スイッチ素子１Ｏ−
ＰＱの構成を説明するための図で、第４図＜ａ）は拡大
図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＸ−Ｘ線矢視方向の
拡大断面図、第４図（Ｃ）は第４図＜ａ＞のＹ−Ｙ線矢
視方向の拡大断面図並びに第４図（ｄ）は第４図（ａ）
のＺ−Ｚ線矢視方向の拡大断面図である。

第４図において、１１．１２は信号充用導波路で、第４
図（ｂ）及び（Ｃ）に示すように、幅約５ｊｌ　ｍ　、
厚さが約０．５ａｍに設定されたＩｎＯ，７２Ｇａ　　
　Ａｓ　　　Ｐ　　　からなるコア１１ａ。

０．２ｇ　　　０．５９　０．４１ １２ａと、これらコアｌｌａ、１２ａを被覆したＩｎＰ
よりなるクラッド１３からそれぞれ構成されている。第
１図の構成においては、導波路１１（１１１，１１２）
は信号光入力用、導波路１２（１２１゜１２２）は出力
用となっている。

これら２本の信号光用導波路１１と１２の、光の伝搬方
向の一部において、コア１１ａと１２ｇがクラッド１３
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１４を構成している。さらに、結合領域１
４外の導波路１１及び１２の両端は、結合領域１４に対
してほぼ直角となるように形成されており、その曲部に
は反射ミラー１５がそれぞれ形成されている。

結合領域１４は、完全結合長りを約１關に設定してあり
、そのほぼ中央部には後記するように切替部２０が配置
されている。また、切替部２０を中心とした各導波路１
１及び１２の結合長、即ち、入出力側結合長ｇ。１及び
ｇ。２はそれぞれＬ　／　２　ｉ：設定しである。

１６は制御充用導波路で、第４図（ａ）及び（ｄ）に示
すように、結合領域１４を構成する導波路１１．１２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いる。

その構造パラメータは、幅を約５０μｍ１厚さを約０．
５μｍに設定してあり、例えば、波長１゜５０μｍの制
御光Ｃが導波される。

２０は切替部で、第４図（ｃ）及び（ｄ）に示すように
、Ｉｎ　　　Ｇａ Ｏ，４７０，５３Ａｓからなる５０Ａ厚の井戸層２１１
とＩｎＰからなる７５Ａ厚の障壁層２１２を交互に約４
０層積層した多重量子井戸構造の光非線形媒質により形
成されたグレーティング２１ａ、２１ｂとから構成され
ている。

これらグレーティング２１ａ、２１ｂのうち、グレーテ
ィング２１ａの光軸が導波路１１のコア１１ａの光軸と
、グレーティング２１ｂの光軸が導波路１２のコア１２
ａの光軸とそれぞれ一致し、かつ、グレーティング２１
ｂの長さ方向外側面が導波路１６のコア１６ａの端面と
直交して接合するように、結合領域１４の光伝搬方向の
ほぼ中央部に配置されている。

５０μｍ、最大反射率を約９８％に設定しである。

また、そのピッチは、波長１，５５μｍの２次波長０，
４８μｍに一致している。従って、ピッチＡは０．４８
　μｍ、厚さｔは０．５μｍに設定しである。さらに、
グレーティング２１ａ、２１ｂの多重量子井戸構造部分
及びクラッド１３の各屈折率は、それぞれ約３．５及び
３．２である。このため、グレーティング２１ａ、２１
ｂにおける反射結合係数Ｉ（は約０．０５μｍ−１以上
となっている。

第５図は、グレーティング２１ａ、２１ｂ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７！りを示し、Ｂで示す波形は
、制御光Ｃが入射された時の状Ｂ（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１８３又となる。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２１ａ。

２１ｂは反射状態となる。ここで、グレーティング２１
ａ、２１ｂ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△λ
だけ変化させれば、グレーティング２１ａ、２ｉｂは反
射状態から透過状態へとスイッチングされる。

なお、上記光非線形媒質からなるグレーティング２１ａ
、２１ｂ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、これらの間には上記したように制御光用導波路
１６が形成されている。

第１図の光マトリクススイッチは、上記構成の２Ｘ２光
スイッチ素子１Ｏ−ＰＱを６個用い、２Ｘ２先スイッチ
素子１０−１１及び１０−２１の入力用導波路１１１．
１１２を当該光マトリクススイッチの４本の入力導波路
１１とし、２Ｘ２光スイッチ素子１０−１３及び１０−
２３の出力用導波路１２１，１２２を当該光マトリクス
スイッチの４本の出力導波路１２としている。

２Ｘ２光スイッチ素子１０−１１の出力用導波路１２１
は２×２光スイッチ素子１０−１２の入力用導波路１１
１と、また、出力用導波路１２２は２×２光スイッチ素
子１０−２２の入力用導波路１１１とそれぞれ接続して
いる。２×２光スイツチ素子１０＝２１の出力用導波路
１２１は２×２光スイッチ素子１０−１２の入力用導波
路１１２と、また、出力用導波路１２２は２Ｘ２光スイ
ッチ素子１０−２２の入力用導波路１１２とそれぞれ接
続している。

同様に、２×２光スイッチ素子１０−１２の出力用導波
路１２１は２Ｘ２光スイッチ素子１０−１３の入力用導
波路１１１と、また、出力用導波路１２２は２×２光ス
イッチ素子１０−２３の入力用導波路１１１とそれぞれ
接続している。さらに、２×２光スイッチ素子１．０−
２２の出力用導波路１２１は２Ｘ２光スイッチ素子ｔｏ
−ｔａの入力用導波路１１２と、また、出力用導波路１
２２は２Ｘ２光スイッチ素子ｔｏ−２３の入力用導波路
１１２とそれぞれ接続している。

以上のように各光スイツチ素子１Ｏ−ＰＱを接続するこ
とによって、光路長及び通過する段数の等しい対称型の
４×４光マトリクススイツチが構成されている。

次に、第１図の構成よる動作を説明する。なお、ここで
は入力ボート１１から入力された信号光に対するスイッ
チング動作を例に説明することにする。

入力ボートエ１から入力された信号光は、入力用導波路
１１１を伝搬して、反射ミラー１５に到達し、ここで反
射される。反射された信号光は、さらに結合領域１４を
ｇ。１（−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１６を介して、切替部２０のグレーテ
ィング２１ａ、２１ｂに制御光Ｃが注入されていない場
合には、信号光は切替部２０で反射されて、結合領域１
４を往復する。これにより、信号光は、結合領域１４を
ｊ７ＧＬ”　Ｇ２”＝　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、反射ミラー１
５等を介して、次段の２Ｘ２光スイッチ素子１０−１２
に入力する。

一方、入力信号光が、２Ｘ２光スイッチ素子１〇−１１
の切替部２０に到達したときに、切替部２０のグレーテ
ィング２１ａ、２１ｂに制御光Ｃが注入されていると、
信号光は、切替部２０を透過して、入出力用導波路１１
２　、１２２を伝搬する。このようにして結合領域１４
をＬ／２だけ伝搬すると、信号光は、ｆＩＧｌ＋ＩＧ２
”　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、反射ミラー１５等を介して、次段
の２×２光スイッチ素子ｔｏ−２２に入力する。

２Ｘ２光スイッチ素子ｔｏ−１２に入力した信号光は、
上記したように、制御光の有無に応じたスイッチイング
作用を受けて、次段の２×２光スイッチ素子１０−１３
または２Ｘ２光スイッチ素子ｔｏ−２３に入力する。こ
れら２×２光スイッチ素子１０−１３または２Ｘ２光ス
イッチ素子ｔｏ−２３においても、信号光は上記した制
御光の有無によるスイッチング作用を受けて、出カポ−
＋−０１または０２、あるいは出力ボート０３または０
４から出力される。

同様にして、２×２先スイッチ素子１Ｇ−２２に人力し
た信号光は、上記したように、制御光の有無に応じたス
イッチイング作用を受けて、次段の２×２光スイッチ素
子１０−１３または２×２光スイッチ素子１０−２３に
入力し、これら２Ｘ２光スイツチ素子１０−１３または
２Ｘ２光スイッチ素子ｔｏ−２３においても、信号光は
上記した制御光の有無によるスイッチング作用を受けて
、出力ボート０１または０２、あるいは出力ボート０３
または０４から出力される。

なお、実際には、結合領域１４における透過あるいは反
射した信号光の伝搬距離は、最大、切替部２０の長さｇ
　〜５０μｍ分、完全結合長し一１　ｍｍからずれるこ
とになるが、本第１の実施例においては、Ｌ＞１　　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、本第１の実施例によれば、光マトリクス
スイッチの主構成要素である２×２光スイッチ素子１Ｏ
−ＰＱに、グレーティング２１ａ。

２１ｂからなる切替部２０を設け、かつ、その長さｇ　
が、２×２光スイツチ素子１（１−ＰＱの完全結合長り
より十分に短く設定し、かつ、入力端結合長ｇ。１を完
全結合長しの１／２に設定したので、スイッチング制御
を光（制御光Ｃ）によって行なうことができ、しかも屈
折率の制御も切替部２０のみでよいため、低パワーにて
スイッチングを行なえるとともに、低損失で、かつ、安
定な高速動作の光マトリクススイッチ・を実現している
。

なお、本第１の実施例においては、結合領域１４９入力
端及び出力側の結合長ｇ。１及びｇ。２を、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。１及びｇ。２を以下に示す条件を満足
するように変化させることにより、信号光を出力用導波
路１２１または１２２に結合させることも可能である。

即ち、入力側結合長Ω６□を、 Ｒｃｔ−（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、例えば、入力用導波
路１１１（または１１２）へ入射され、切替部２０で反
射された信号光を、出力用導波路１２１（または１２２
　’）　：に結合させることができる。

一方、切替部２０を透過した信号光は、結合長Ωｏ２に
応じて出力用導波路１２２（または１２１）に結合させ
ることができる。

即ち、入力端結合長ｇ６□が上の条件を満たすとき、 １　Ｇ２−　（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（または１２１
）に結合する。

また、本第１の実施例では、制御光Ｃを導波路１６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、グレーティングの屈折率の制御は、ここで示し
た光によるものの他に、グレーティングに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
、あるいはグレーティングを加熱・冷却する方法でも可
能である。

なお、本実施例においては、切替部をグレーティングに
よって構成したが、これに限定されるものではなく、フ
ァブリペロエタロンを用いても、上記と同様の効果を得
ることができる。

第６図は、本発明に係る光マトリクススイッチの第２の
実施例を示す構成図である。

本第２の実施例は、前記第１の実施例に用いた２Ｘ２光
スイッチ素子１Ｏ−ＰＱの代わりに、２×２光スイッチ
素子１Ｏ−ＰＱの入力用導波路１１２を削除した１×２
光スイッチ素子３Ｏ−８Ｔ（Ｓ−１，２，３，４、Ｔ−
１，２，３）を用い、かつ、各出力ボート０ｉ（ｉ−１
゜２．３．４）の前段に、光合波器３ｌ−ｊ（ｊ−１，
２，３，４）を配置して、４×４光マトリクススイツチ
を実現している。１×２光スイッチ素子３Ｏ−９Ｔの動
作原理は、上記した２Ｘ２光スイッチ素子１Ｏ−ＰＱと
同様である。

このような構成にすると、停電時等に出力が互いに重な
ることはなく、また前記第１に実施例と同様の効果も得
ることができる。

なお、２×２あるいは１×２光スイツチ素了を主構成要
素とし、これらを組み合わせることによって、任意のｎ
に対してｎＸｎ光マトリクススイッチを構成することが
できる。

（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。

■高速制御が可能である。

■光マトリクススイッチを駆動するために要する制御パ
ワーが小さくてすむ。

■光による制御が可能である。

■ｎＸｎ光マトリクススイッチを制御可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光マトリクススイッチの第１の実
施例を示す構成図、第２図は従来の光マトリクススイッ
チの構成図、第３図は第２図における方向性結合型光ス
イツチ素子の拡大図、第４図（ａ）は第１図における２
×２光スイツチ素子の拡大図、第４図（ｂ）は第４図（
ａ）のＸ−Ｘ線矢視方向の拡大断面図、第４図（ｃ）は
第４図（ａ）のＹ−Ｙ線矢視方向の拡大断面図、第４図
（ｄ）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、第６図は本発明に係る光マトリクススイッチの第２
の実施例を示す構成図である。 図中、１Ｏ−ＰＱ…２×２基本光スイッチ素子、１１…
入力（信号光用）導波路、１２…出力（信号光用）導波
路、ｌｌａ、１２ａ、１６ａ…コア、１３…クラッド、
１４…結合領域、１５…反射ミラー、１６…制御光用導
波路、２ｏ…切替部、 ２１ａ、２１ｂ…グレーティング、３Ｏ−３Ｔ−Ｉ　Ｘ
２光基本スイッチ素子、３１−ｊ…光合波器。 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１Ｏ−１）Ｑ
：２ｘ２光スイ、チ素子 本発明の第１の実施例８示す構成図 第１図 第２図 第２図の光スイツチ素子の拡大図 第１図の２×２光ス・１ツチ素子の拡大図第４図（ａ） コア 第４図（ａ）のＸ−×線矢視方向の拡大断面図第４図（
ｂ） グレーティング 第４図（ａ）のＹ−Ｙ線矢視方向の拡大断面図第４図（
ｃ） 第４図（ａ）のＺ−Ｚ線矢視方向の拡大断面図第４図　
（ｄ） 反射率 グレーティングの反射率−尺長特牲図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の入力端子と、複数の出力端子と、前記複数
   の入力端子と複数の出力端子を光学的に連結する１×２
   または２×２の複数の基本光スイッチ素子とからなる光
   マトリクススイッチにおいて、前記基本光スイッチ素子
   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、かつ、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するとともに、 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マトリクススイッチ。
2. （２）前記切替部をグレーティングまたはファブリペロ
   エタロンにより構成した請求項（１）記載の光マトリク
   ススイッチ。