JPH04275519A - 光マトリックススイッチ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信，光情報処理分
野等の中継系および加入者系を問わずあらゆる分野にお
いて用いられる光マトリックススイッチに関し、特に多
様で柔軟なネットワークを構築するための光通信回線切
り替えシステムの多端子切り替え光部品（いわゆる光Ｍ
ＤＦボード）として好適な光マトリックススイッチに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信は、これまでの電気通信
にくらべて高速・大容量化等が期待できるため、ここ十
数年の間、各国で盛んに研究され、着実に進歩・普及し
てきた。しかし、光通信の最大の弱点である種々の接続
技術，切り替え技術または位置合わせ技術の問題が容易
に解決されないため、期待したほどには普及していない
のが現状である。

【０００３】なかでも、光マトリックススイッチあるい
は低速の光切り替え器等は、加入者の光回線交換，光フ
ァイバ回線の需要に応じた自在な切り替え，回線故障の
際の迂回路確保，さらには多種多様なサービスに対応し
た柔軟な光ネットワーク実現のために、近い将来重要な
役割を占めると考えられる。そこで、大規模，低コスト
，低損失，かつ高性能な光マトリックススイッチの早期
実現は、光加入者システムをも含めた光通信システムの
拡大発展に必要不可欠であることは論を待たないところ
である。

【０００４】これまでの光部品の構成形態としては、主
に、１）バルク型，２）ファイバ型，３）導波路型に分
類される。

【０００５】バルク型は、可動プリズムやレンズ，干渉
膜フィルタ等の古典的なディスクリート光部品を構成要
素として組立てられたものである。

【０００６】ファイバ型は、光ファイバや光ファイバ母
材を切削，研磨，溶融着，延伸，各種専用治具作製と組
立等の加工プロセスにより組立てられるものである。

【０００７】導波路型は、半導体製造装置および写真転
写技術を駆使して基板上に各種導波路をサブミクロンの
高精度で一括形成するものである。将来的にはすべての
光機能部品を一枚の基板上に形成するモノリシック光集
積回路の形態になると考えられている。

【０００８】各組立部品の点数は上の順にしたがって少
なく、位置精度も向上しており、実装の点から見ても後
者になるほど好ましい。

【０００９】しかしながら、たとえモノリシック光集積
回路が実現できたとしても、既に普及している光ファイ
バ回線網との接続は避けて通ることはできず、何らかの
方法で基板上の導波路と光ファイバとを高精度に接続し
、かつ低損失に切り換える必要性が当然生じて来る。

【００１０】以下に、従来の導波型光スイッチやメケニ
カル光スイッチ，あるいは光マトリックススイッチにつ
いて述べる。

【００１１】（１）たとえば、図７に示すように、基板
上に形成された導波路１８１と、光ファイバアレイ１８
２とを高精度に接続し、かつ切り換える方法としては、
超精密光コネクタ１８３と、電気光学効果や音響光学効
果を利用した方向性結合器型光導波路マトリックススイ
ッチ１８４との組合せによる、可動部の無い、言わばス
タテイックな切り換え方式が考えられる。

【００１２】しかし、この場合には、人手によってコネ
クタ用治具を基板に直接差し込むので、基板に相当の力
がかかることになり、信頼性上問題がある。また、一般
に、光の干渉を利用してスイッチングを行う導波路型光
スイッチは、本質的に波長依存性および偏波依存性を持
ち、挿入損失が大きく、さらには、エネルギの供給無し
で自己保持動作とすることは容易でないため、切り換え
後のクロストークが問題となる。通常、このような導波
路型光スイッチのクロストークを−３０ｄＢ以下とする
ことはむずかしく、しかも、現在のレーザ光源出力パワ
ーの不安定性を考慮に入れると、クロストークは更に悪
くなり、上記構成方法は現実的とは言えない。

【００１３】これに対して、可動部のある、言わばダイ
ナミックなメカニカル切り換え方式は、本質的に波長依
存性および偏波依存性がなく、かつ自己保持も比較的実
現し易い。従って、基板上の導波路と光ファイバとを高
精度に接続し、かつ切り換える方法としては、現在では
、メカニカル切り換え方式が最良であると考えられる。

【００１４】（２）図８は、文献　　Ｊ．Ｍｉｎｏｗａ
，Ｙ．Ｆｕｊｉｉ　　ｅｔ　　ａｌ．“Ｎｏｎｂｌｏｃ
ｋｉｎｇ　　８×８　　Ｏｐｔｉｃａｌ　　Ｍａｔｒｉ
ｘ　　Ｓｗｉｔｃｈｆｏｒ　　Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ
　　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．１１，１９８０，
ｐｐ．４２２−４２３．に記載されている（８×８）メ
カニカル光マトリックススイッチの例である。

【００１５】図８において、入力ファイバ２４０１，２
４０２，２４０３，２４０４，２４０５，２４０６，２
７０７，２４０８，および出力ファイバ２４１１，２４
１２，２４１３，２４１４，２４１５，２４１６，２４
１７，２４１８は、入出力端子（光レセプタクル）２５
０１，２５０２，２５０３，２５０４，２５０５，２５
０６，２５０７，２５０８，および２５１１，２５１２
，２５１３，２５１４，２５１５，２５１６，２５１７
，２５１８に、それぞれ、コネクタ接続されている。

【００１６】入力ファイバからの出射ビームは、ロッド
レンズ２６０１，２６０２，２６０３，２６０５，２６
０６，２６０７，２６０８により平行光に変換される。 これらの平行光は光路中に設けられた光路切り替え素子
２７１１，２７１２，２７１３，２７１４，２７１５，
２７１６，２７１７，２７１８，２７２１，２７２２，
２７２３，２７２４，２７２５，２７２６，２７２７，
２７２８，……，２７８１，２７８２，２７８３，２７
８４，２７８５，２７８６，２７８７，２７８８に入射
し、ここで光路を直角に曲げられた後、ロッドレンズ２
６１１，２６１２，２６１３，２６１４，２６１５，２
６１６，２６１７，２６１８に入射し、集束されて出力
ファイバに結合する。例えば、入力端子２４０３と出力
端子２４１５との接続の場合には、光路切り替え素子２
７３５が光路中に設定され、実線で示す光路を通って接
続されるというものである。

【００１７】図８において、３０００および４０００は
増設用入出力端子であり、上述した入出力端子２５０１
，…，２５１８と同様に構成され、各対応するロッドレ
ンズを介して、光路切り替え素子２７１１，…，２７８
８に結合される。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の光マトリックススイッチは、レンズ，プリズム，
反射ミラー等の個別の光部品を各々搭載していくという
方法で組み立てられるため、各構成部品をすべて誤差１
μｍ以下で高精度に組み立てる必要があった。また、こ
のために作製工程が極めて複雑で長時間を要し、低損失
化，低コスト化および信頼性の見地から大きな問題を有
していた。このように、従来の光マトリックススイッチ
の欠点は、構成部品の数が極めて多いこと，およびそれ
らを一括形成できなかったことが主要な原因であった。

【００１９】そこで、本発明の目的は、上記の欠点を解
決し、光通信，光情報処理分野等の中継系および加入者
系を問わずあらゆる分野において用いられる光マトリッ
クススイッチとして利用でき、特に多様で柔軟なネット
ワークを構築するための光通信回線切り替えシステムの
多端子切り替え光部品（光ＭＤＦボード）として好適な
、小型，低損失，低コストで、長期信頼性に優れ、かつ
極めて大規模な光マトリックススイッチを提供すること
にある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基板と、該基板上に網目状に配設
され、前記基板の周辺に対向した一対以上の入出力ファ
イバまたは入出力ファイバアレイとを切り替え接続可能
な導波路型光配線と、該光配線の各交差点に設けられた
プラグ受け入れ穴と、該プラグ受け入れ穴に挿着される
ことができ、かつ複数の光路切替状態を提供することが
できる光路切替プラグと、該光路切替プラグの各々をあ
らかじめ定めた光路切替状態に切替えるべく可動ならし
める駆動源とを具えたことを特徴とする。

【００２１】本発明では、前記基板および前記入出力フ
ァイバまたは入出力ファイバアレイの全体を屈折率調整
液に浸漬することができる。

【００２２】

【作用】本発明では、基板上に、光スイッチの大規模化
にも適用でき、かつ小形，低損失，高精度に一括形成可
能なマトリックス状の導波路型光配線を配置し、それら
の交差点に設けられた光路切替用プラグにより光マトリ
ックススイッチを実現する。

【００２３】すなわち、波長依存性が少なく、比較的低
損失で、自己保持型も可能であるというバルク型光部品
の利点をもつ光路切替プラグと、フォトリソグラフィや
微細加工技術を利用して高精度に形成できる利点をもつ
三次元光導波路とを組合せてスイッチ切り替え部を構成
し、さらに、圧電アクチュエータ等の小形駆動源を組み
合わせることによって、Ｎ×Ｎの光マトリックススイッ
チを実現する。

【００２４】なお、本発明では、基板と入出力ファイバ
との接続点や、光路切替プラグとプラグ受け入れ穴との
すき間等には屈折率調整液を満たしたり、あるいは光マ
トリックススイッチ全体を屈折率調整液に浸漬すること
によりフレネル反射損失を極力低減することが好ましい
。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２６】実施例１ 図１は、本発明の第１実施例として、（８×４）型光マ
トリックススイッチの全体構成を示す図である。

【００２７】図１において、１はシリコン基板、２１，
２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８は入力光フ
ァイバまたは入力光ファイバアレイ、３１，３２，３３
，３４は出力光ファイバまたは出力光ファイバアレイで
ある。基板１上には、縦横かつ等間隔に網目状に導波路
型光配線、すなわち光導波路マトリックス（実際には光
導波路のコア部であるが、以下では単に光導波路と云う
）４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８お
よび５１，５２，５３，５４が配置されており、それぞ
れ入力光ファイバまたは入力光ファイバアレイ２１，２
２，２３，２４，２５，２６，２７，２８および出力光
ファイバまたは出力光ファイバアレイ３１，３２，３３
，３４と、基板１の端面において突き合わされている。

【００２８】本実施例において、光導波路マトリックス
４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８およ
び５１，５２，５３，５４は、石英系ガラス材料により
形成された石英系光導波路であり、膜厚５０μｍ程度の
ＳｉＯ２　系ガラス層に埋設された縦横寸法８μｍ程度
のＳｉＯ２　−ＴｉＯ２　系またはＳｉＯ２　−ＧｅＯ
２　系ガラスコア部から成る。

【００２９】このような石英系光導波路は、四塩化シリ
コンや四塩化チタン，四塩化ゲルマニウム等の火炎加水
分解反応を利用したガラス膜堆積技術と、フォトリソグ
ラフィ・反応性イオンエッチング等による微細加工技術
との公知の組合せで形成でき、それにより、サブミクロ
ンの精度で一括形成できる。

【００３０】図１において、６１１，６１２，６１３，
６１４、６２１，６２２，６２３，６２４、……、６８
１，６８２，６８３，６８４は、光導波路マトリックス
４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８と５
１，５２，５３，５４との各マトリックス交差点近傍に
設けたプラグ受け入れ穴であり、これら穴へ光路切替プ
ラグ７１１，７１２，７１３，７１４、７２１，７２２
，７２３，７２４、……、７８１，７８２，７８３，７
８４が挿入される。

【００３１】各光路切替プラグ７１１，７１２，７１３
，７１４、７２１，７２２，７２３，７２４、……、７
８１，７８２，７８３，７８４は、光信号をそのまま透
過する透過導波路層Ａと、９０°方向に曲げる曲げ導波
路層Ｂとの上下２層構造から成っており、これら２層Ａ
およびＢを圧電アクチュエータ等の小形駆動源（図示せ
ず）により上下に選択駆動させることによって、層Ａお
よびいずれか一方をマトリックス交差点の光路のレベル
に合わせるようにして、直進と９０°偏向の２つの光路
切替状態のいずれか一方を選択できるようにし、以て（
８×４）のマトリックス切り替えを実現する。

【００３２】これらの光路切替プラグ７１１，７１２，
７１３，７１４、７２１，７２２，７２３，７２４、…
…、７８１，７８２，７８３，７８４は、シリコン基板
１への光導波路マトリックス４１，４２，４３，４４，
４５，４６，４７，４８および５１，５２，５３，５４
の形成法と全く同じように、四塩化シリコン，四塩化チ
タン，四塩化ゲルマニウム等の火炎加水分解反応を利用
したガラス膜堆積技術と、フォトリソグラフィ，反応性
イオンエッチング等による微細加工技術との公知の組合
せで形成できる。

【００３３】本実施例における具体的な動作の一例を説
明すると、例えば、入力光ファイバ２１と出力光ファイ
バ３１とを光学的に接続するためには、図１のプラグ受
け入れ穴６１４，６１３，６１２，６１１，６２１，６
３１，６４１，６５１，６６１，６７１，６８１に点線
で示すように、光路切替プラグ７１４，７１３，７１２
を透過状態、７１１を曲げ状態、７２１，７３１，７４
１，７５１，７６１，７７１，７８１を透過状態とすれ
ばよい。

【００３４】なお、基板１と入出力ファイバ２１，…，
２８，３１，…，３４との接続点や、光路切替プラグ７
１１，…，７８４とプラグ受け入れ穴６１１，…，６８
４とのすき間等には屈折率調整液を充満したり、あるい
は光マトリックススイッチ全体を屈折率調整液に浸漬す
ることによりフレネル反射損失を極力低減することが望
ましい。

【００３５】さらにまた、プラグ受け入れ穴６１１，…
近傍における光導波路４１，５１，…は、接続切り替え
部分での位置合わせ精度の緩和およびそれによる光の低
損失化向上のために、図２に示すように、各コアの端部
を、テーパ状にひろげてスポット径拡大用コアとした光
導波路とすることが有効である。

【００３６】あるいはまた、本実施例で示した透過導波
路Ａと曲げ導波路Ｂとから成る光路切替プラグ７１１，
…としては、図３に示すように、９０°曲げのための４
５°ミラー付きの三角柱ブロックＣを設けた直方体の透
明ガラスブロックＤ、あるいは、図４に示すように五角
プリズムＥを設けた直方体の透明ガラスブロックＦの形
態としても、同様な光マトリックススイッチを実現する
ことができる。

【００３７】実施例２ 図５は、本発明の第２実施例として、（４×４）型光マ
トリックススイッチの全体構成を示す図である。

【００３８】図５において、１はシリコン基板、２１，
２２，２３，２４、および２５，２６，２７，２８は入
力光ファイバまたは入力光ファイバアレイ、３１，３２
，３３，３４、および３５，３６，３７，３８は出力光
ファイバまたは出力光ファイバアレイである。基板１上
には、縦横かつ等間隔に光導波路マトリックス４１，４
２，４３，４４および５１，５２，５３，５４が形成さ
れており、それぞれ入力光ファイバまたは入力光ファイ
バアレイ２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，
２８および出力光ファイバまたは出力光ファイバアレイ
３１，３２，３３，３４と、基板１の端面において突き
合わされている。

【００３９】６１１，６１２，６１３，６１４、６２１
，６２２，６２３，６２４、６３１，６３２，６３３，
６３４、６４１，６４２，６４３，６４４は、光導波路
マトリックス４１，４２，４３，４４と５１，５２，５
３，５４との各マトリックス交差点近傍に設けたプラグ
受け入れ穴である。これら穴６１１，…，６４４は円形
をしており、かつ縦横の光導波路マトリックスに加えて
、斜め方向の光導波路マトリックス４０１，４０２，４
０３，４０４，４０５，４０６，４０７，４０８，４０
９および５０１，５０２，５０３，５０４，５０５，５
０６，５０７，５０８，５０９により互いに結ばれてい
る点で、第１実施例とは構造上大きく異なる。

【００４０】各プラグ受け入れ穴６１１，…，６４４に
は、同一の光路切替プラグ７１１，７１２，７１３，７
１４、７２１，７２２，７２３，７２４、７３１，７３
２，７３３，７４４、７４１，７４２，７４３，７４４
が挿入される。

【００４１】ここで、光路切替プラグ７１１，…，７４
４は、図６に示すように、３つの導波路層Ｇ，Ｈおよび
Ｉが多層構造に積層されて形成され、圧電アクチュエー
タ等の駆動源により上下方向に３つの層Ｇ，Ｈ，Ｉのい
ずれかがマトリックス交差点の光路のレベルに合うよう
になし、以て３つの光路切替状態を選択駆動させること
によって（４×４）のマトリックス切り替えを実現する
ものである。図６において、層Ｇは、入射光をそのまま
透過させるための光導波路層、層Ｈおよび層Ｉは、それ
ぞれ、入射光を斜めまたは直角に透過させるための光導
波路層である。

【００４２】このようにして光路切替プラグ７１１，７
１２，７１３，７１４、７２１，７２２，７２３，７２
４、……、７４１，７４２，７４３，７４４および斜め
光導波路マトリックス４０１，４０２，４０３，４０４
，４０５，４０６，４０７，４０８，４０９，５０１，
５０２，５０３，５０４，５０５，５０６，５０７，５
０８，５０９を配設することによって、接続すべき入力
ファイバと出力ファイバとをほぼ最短経路で結ぶことが
できる。

【００４３】例えば、入力ファイバ２１と出力ファイバ
３１を接続する場合、第１実施例で述べた方式では、光
路切替プラグ６１４，６１３，６１２を透過状態、６１
１を曲げ状態、６２１，６３１，６４１を透過状態とし
、合計７個のプラグを経て接続される。しかし、この第
２実施例では、図５に点線で示すように、光路切替プラ
グ７１４を層Ｈの状態、７２３，７３２を層Ｇの状態、
７４１を層Ｈの状態とすることによって、わずか４個の
プラグを経るのみで、入力ファイバ２１と出力ファイバ
３１とを接続することができるので、交差点での接続損
を大幅に低減できる。

【００４４】なお、これらの光路切替プラグや光導波路
マトリックスは、第１実施例について述べた形成法と全
く同じように、四塩化シリコンや四塩化チタン，四塩化
ゲルマニウム等の火炎加水分解反応を利用したガラス膜
堆積技術と、フォトリソグラフィ・反応性イオンエッチ
ング等による微細加工技術との公知の組合せで形成でき
ること、もちろんである。

【００４５】また、上述した上下方向に駆動可能な円形
光路切替プラグに加えて、回転駆動および位置決め機構
をも兼ね備えた駆動系を適用すれば、さらに多くの形態
の切り替え機能を実現することも可能である。

【００４６】以上に示した本発明の実施例では、基板１
としてシリコン基板を用い、光導波路として石英系単一
モード光導波路を使用しているが、これは、石英系単一
モード光導波路が単一モード光ファイバとの接続性に優
れ、実用的な光マトリックススイッチを提供できるため
であるが、本発明は石英系光導波路に限定されるもので
はない。例えば、石英基板，セラミック基板、金属基板
、ステンレス基板等あるいはニオブ酸リチウム等の結晶
性光導波路基板でもよい。

【００４７】また、光路切替用プラグを移動させる駆動
源ないし駆動系としては、圧電素子を利用したアクチュ
エータやリニア超音波モータ等を用いているが、これは
、磁界の発生がなく、制御性がよく、自己保持力が大き
く、かつ低コスト，小型化が期待できる等の優れた特長
を持っており、自己保持型光切り換え器への適用に好適
であることに依る。従って、本発明では、圧電アクチュ
エータや超音波モータに限定されるものではなく、上記
の特長を備えた駆動系であればいかなる形態のものでも
利用できること、もちろんである。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
波長依存性が少なく、比較的低損失で、自己保持型も可
能であるというバルク型光部品の利点をもつ光路切替プ
ラグと、フォトリソグラフィや微細加工技術を利用して
高精度に形成できる利点をもつ三次元光導波路とを組合
せてスイッチ切り替え部を構成し、さらに、圧電アクチ
ュエータ等の小形駆動源を組み合わせることによって、
Ｎ×Ｎの光マトリックススイッチを実現することができ
る。

【００４９】その結果、本発明によれば、光通信，光情
報処理分野等の中継系および加入者系を問わずあらゆる
分野において用いられる光マトリックススイッチを実現
でき、特に多様で柔軟なネットワークを構築するための
光通信回線切り替えシステムの多端子切り替え光部品（
光ＭＤＦボード）として好適な、小型，低損失，低コス
トで、長期信頼性に優れ、かつ極めて大規模な光マトリ
ックススイッチを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例として、（８×４）型光マ
トリックススイッチの全体構成を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１実施例の光導波路マトリックスに
含まれるスポット径拡大用光導波路を説明する図である
。

【図３】本発明の第１実施例の光路切替プラグと置き換
えることができる４５°ミラー付き透明ガラスブロック
を示す斜視図である。

【図４】本発明の第１実施例の光路切替プラグと置き換
えることができる五角プリズム付き透明ガラスブロック
を示す斜視図である。

【図５】本発明の第２実施例として、（４×４）型光マ
トリックススイッチの全体構成を示す平面図である。

【図６】本発明の第２実施例で述べた光路切替プラグの
構造を示す線図である。

【図７】従来の第１の構成例を示す斜視図である。

【図８】従来の第２の構成例を示す平面図である。

【符号の説明】

１　　シリコン基板 ２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８　　
入力光ファイバまたは入力光ファイバアレイ３１，３２
，３３，３４　　出力光ファイバまたは出力光ファイバ
アレイ ４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，５
１，５２，５３，５４光導波路マトリックス４０１，４
０２，４０３，４０４，４０５，４０６，４０７，４０
８，４０９，５０１，５０２，５０３，５０４，５０５
，５０６，５０７，５０８，５０９光導波路マトリック
ス ６１１，６１２，６１３，６１４、６２１，６２２，６
２３，６２４、……、６８１，６８２，６８３，６８４
　　光路切替プラグ受け入れ穴 ７１１，７１２，７１３，７１４、７２１，７２２，７
２３，７２４、……、７４１，７４２，７４３，７４４
　　光路切替プラグ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板と、該基板上に網目状に配設され
   、前記基板の周辺に対向した一対以上の入出力ファイバ
   または入出力ファイバアレイとを切り替え接続可能な導
   波路型光配線と、該光配線の各交差点に設けられたプラ
   グ受け入れ穴と、該プラグ受け入れ穴に挿着されること
   ができ、かつ複数の光路切替状態を提供することができ
   る光路切替プラグと、該光路切替プラグの各々をあらか
   じめ定めた光路切替状態に切替えるべく可動ならしめる
   駆動源とを具えたことを特徴とする光マトリックススイ
   ッチ。
2. 【請求項２】前記基板および前記入出力ファイバまたは
   入出力ファイバアレイの全体を屈折率調整液に浸漬して
   なることを特徴とする請求項１記載の光マトリックスス
   イッチ。