JPH055908A

JPH055908A - 光スイツチ

Info

Publication number: JPH055908A
Application number: JP15814391A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Kato; 正良加藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1993-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】大規模なマトリックススイッチを小型にして
構成できる光スイッチを提供する。【構成】光信号を入出力するための１又はＮ個の並設
してなる入出力ポート１３と、Ｍ個の並設してなる分岐
入出力ポート１４と、これら入出力ポート１３及び分岐
入出力ポート１４を結合するための複数の光導波路と、
これら複数の光導波路間の結合を外部より制御可能な複
数の光スイッチ部とによりなることにより光マトリック
ススイッチを形成する光結合素子１５を設け、この光結
合素子１５を複数積層して少なくとも２組の光ユニット
１６，１７を設け、これら各々の光ユニット１６，１７
が互いに直交するように分岐入出力ポート１４を２次元
マトリックス状に対向配置させると共にそれら光ユニッ
ト１６，１７を各々光学的に接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送路間の接続を任
意に切換える光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気的に光路を切換える光スイッ
チとしては、例えば、その第一の従来例として、図７に
示すように、液晶シャッタを用いたゲート型光スイッチ
（信学会総合全国大会、Ｓ１７−１１、８−２９１、１
９８４）がある。これは、ＬＤ１からの光を光コネクタ
２により導波してきた光を複数個の分岐回路３により分
岐し、その分岐した光を液晶シャッタ４側に出射させ
る。この液晶シャッタ４は、各々の光信号に対して直交
する図示しない偏光子により挾まれた液晶から構成され
ており、その偏光制御機能を用いて電気的にＯＮ−ＯＦ
Ｆすることにより光のスイッチングを行い、これにより
光の透過を制御している。そして、その透過光は光結合
器５により検出され、光ファイバ６を介してＰＤ７へと
導かれることにより光伝送路を構成している。

【０００３】また、その第二の従来例として、特開昭２
−２７２５２２号公報に開示されているように、光スイ
ッチなるものがある。すなわち、図８に示すように、光
スイッチには、光分岐結合素子８を５枚横方向Ｘに平行
に配列してなる第一の光ユニット９と、光分岐結合素子
８を５枚縦方向Ｙに平行に配列してなる第二の光ユニッ
ト１０と、これら光ユニット９，１０との間にシャッタ
ーユニット１１とが設けられており、さらに、ここで
は、光ユニット１０側の各光分岐結合素子８の結合ポー
トＫＰの図示しない光導波路に各々光増幅器１２が取付
けられている。この場合、前述した第一の従来例のゲー
ト型光スイッチの分岐による光信号の減衰による光損失
は、光増幅器１２を用いて損失分を補償するようにして
いる。また、ここでは、その光増幅器１２をゲートスイ
ッチとして用いることにより、前述したような液晶シャ
ッターを取り除いた構成とすることもできる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第一の
従来例の場合、図７に示したようなゲート型光スイッチ
では出射する光の強度が光分岐部により分配されるた
め、大規模なマトリックス光スイッチを構成すること、
或いは、多段に光スイッチを構成することは、光強度不
足のため困難となるという問題がある。

【０００５】また、第二の従来例の場合、図８に示した
ような光スイッチは、光増幅器１１を有することによっ
て上述したような問題は解消できるが、その増幅に起因
してＳ／Ｎが劣化するという問題がある。しかも、希土
類をドープした光導波路を増幅器として用いた場合、十
分な増幅利得を得るために増幅器部分を長くしたり、励
起光の合波や分波のための光回路を付加する必要があ
り、これにより素子自体が大きくなるという問題があ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、光信号を入出力するための１又はＮ個の並設してな
る入出力ポートと、Ｍ個の並設してなる分岐入出力ポー
トと、これら入出力ポート及び分岐入出力ポートを結合
するための複数の光導波路と、これら複数の光導波路間
の結合を外部より制御可能な複数の光スイッチ部とより
なることにより光マトリックススイッチを形成する光結
合素子を設け、この光結合素子を複数積層して少なくと
も２組の光ユニットを設け、これら各々の光ユニットが
互いに直交するように前記分岐入出力ポートを２次元マ
トリックス状に対向配置させると共にそれら光ユニット
を各々光学的に接続した。

【０００７】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路は電気光学効果を有する基板表面の一部に
プロトン交換ないしは金属の拡散により形成し、これら
光導波路間の結合を電気光学効果を用いて電気的に制御
して行う光導波路結合制御手段を設けた。

【０００８】請求項３記載の発明では、請求項１記載の
発明において、光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路は電気光学効果を有する透明材料の薄膜を
形成しフォトリソグラフィー法及びエッチングによる微
細加工法により得られる３次元の導波路として形成し、
これら３次元の光導波路間の結合を電気光学効果を用い
て電気的に制御して行う光導波路結合制御手段を設け
た。

【０００９】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
発明において、光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路間の結合を、電気光学効果を用いて電気的
に制御して行うと共にその電気光学効果による屈折率変
化を用い全反射、屈折、回折及び位相の変化により導波
光を切換えて行う光導波路結合制御手段を設けた。

【００１０】請求項５記載の発明では、請求項１記載の
発明において、入出力ポート及び分岐入出力ポートの光
導波路はテーパー状に形成した。

【００１１】請求項６記載の発明では、請求項１記載の
発明において、光結合素子は、熱硬化性樹脂及び光硬化
性樹脂により積層又は固定して形成した。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明においては、スイッチング
は光結合素子内の個々の光スイッチによって行うため、
分岐などによる光の減衰を抑えることができ、しかも、
信号光のＳ／Ｎを劣化させることなく光路の切換えを行
うことが可能となる。

【００１３】請求項２，３，４記載の発明においては、
光導波路結合制御手段を設けたことにより、光結合素子
を構成する光マトリックススイッチを容易に作製するこ
とが可能となり、また、電気光学効果を用いたスイッチ
ング現象を用いているため高速動作が可能となる。

【００１４】請求項５記載の発明においては、光学的な
接続が容易となり、生産性の向上を図ることが可能であ
る。

【００１５】請求項６記載の発明においては、素子の取
扱いが容易となるため、生産性の向上を図ることが可能
となる。

【００１６】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１〜図４に基づい
て説明する。まず、図１は、光スイッチの構成の基本的
な概念図を示すものである。この場合、光信号を入出力
するための１つ又はＮ個（Ｎ≧２）の並設してなる入出
力ポート１３と、Ｍ個（Ｍ≧２）の並設してなる分岐入
出力ポート１４と、これら各入出力ポート１３と分岐入
出力ポート１４とを結合するための複数の光導波路（後
述する光導波路２０）と、これら複数の光導波路間の結
合を外部より電気的に制御可能な複数の光スイッチ部
（後述する光スイッチ部２３）とよりなることにより光
マトリックススイッチを構成する光結合素子１５が設け
られている。図１（ａ）は１×Ｍ個の光マトリックスス
イッチの様子を示すものであり、図１（ｂ）はＮ×Ｍ個
の光マトリックススイッチの様子を示すものである。そ
して、このような光結合素子１５は、図１（ｃ）に示す
ように、横方向Ｘと縦方向Ｙとにそれぞれ複数枚ずつ積
層することにより、２組の光ユニット１６，１７を構成
する。この場合、各々の光ユニット１６，１７は互いに
直交するように分岐入出力ポート１４が２次元マトリッ
クス状に対向配置され、しかも、各々光学的に接続され
た形となっている。

【００１７】次に、具体例を図２〜図４に基づいて説明
する。図２には、分岐入出力ポート１４が等間隔にして
設けられた１×Ｍ（Ｍ＝４）の光マトリックススイッチ
の光結合素子１５を用い、この光結合素子１５を４枚等
間隔にして４層に積層することにより２組の光ユニット
１６，１７を設けたものである。この場合、基板面が互
いに垂直になるように分岐入出力ポート１４を対向配置
させ、これら分岐入出力ポート１４を接続して４×４の
光スイッチ１８を構成している。

【００１８】また、ここでは、光結合素子１５として
は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、Ｚ状にカットした
ＬｉＮｂＯ₃ 結晶を基板１９として用い、その基板１９
の表面にＴｉ拡散型の光導波路２０を形成し、ＳｉＯ₂
のバッファ層２１を介してその上部に電極２２を設ける
ことにより形成している。また、図３（ｃ）に示すよう
に、光結合素子１５上には３つのＹ分岐された光スイッ
チ部２３（ここでは、２３ａ，２３ｂ，２３ｃからな
る）が設けられており、これら光スイッチ部２３ａ，２
３ｂ，２３ｃにより電圧印加時の屈折率分布の制御を行
うことにより入力光信号を各分岐入出力ポート１４に切
換えている。さらに、図３（ｄ）に示すように、入出力
ポート１３及び分岐入出力ポート１４の光導波路２０
は、高効率結合を考慮に入れてテーパー構造をなしてい
る。

【００１９】また、図４は、各光ユニット１６，１７の
外観構成の様子を示すものであり、各光結合素子１５の
一方の表面に光硬化性樹脂２４（若しくは熱硬化性樹
脂）をコートして積層した後、光及び熱により硬化接着
することにより構成されている。この場合、それぞれの
積層方向が直交するように２つの光ユニット１６，１７
を対向させ、各分岐入出力ポート１４の光導波路２０の
部分が一致するように配置し、光学的に接続された状態
で光硬化性樹脂２４（若しくは熱硬化性樹脂）により接
着固定されている。

【００２０】このような構成において、光スイッチ１８
の動作について説明する。今、図２において、入力ポー
ト１３ａに入射した光信号を出力ポート１３ｂに切換え
る場合について考える。まず、入力光信号をＹ分岐のス
イッチ部２３ａ，２３ｂにスイッチングすることによ
り、分岐入出力ポート１４ａに導波する。光ユニット１
６の分岐入出力ポート１４ｂと分岐入出力ポート１４ａ
とは光学的に接続されていることから光信号は導波さ
れ、出力ポート１３ｂに出射される。すなわち、光ユニ
ット１７の分岐入出力ポート１４はＹ分岐の光スイッチ
部２３を適当に選択することにより光ユニット１６のど
の光結合素子１５に接続するかが選択され、出力ポート
１３ｂが切換えられることになる。

【００２１】上述したように、スイッチングは光結合素
子１５内の個々の光スイッチ部２３によって行うため、
分岐などによる光の減衰を抑えることができ、しかも、
信号光のＳ／Ｎを劣化させることなく光路の切換えを行
うことが可能となり、また、大規模な光スイッチをコン
パクトに構成することが可能となる。

【００２２】また、本実施例においては、光結合素子１
５の光マトリックススイッチをなす光導波路２０は電気
光学効果を有する基板表面の一部にプロトン交換ないし
は金属の拡散により形成し、これら光導波路２０間の結
合を電気光学効果を用いて電気的に制御して行う図示し
ない光導波路結合制御手段を設けたので、光結合素子を
構成する光マトリックススイッチを容易に作製すること
が可能となり、電気光学効果を用いたスイッチング現象
を用いているため高速動作が可能となる。また、光導波
路結合制御手段は、以下のような構成としても同様な効
果を得ることができる。すなわち、光結合素子１５の光
マトリックススイッチをなす光導波路２０は電気光学効
果を有する透明材料の薄膜を形成しフォトリソグラフィ
ー法及びエッチングによる微細加工法により得られる３
次元の導波路として形成し、これら３次元の光導波路２
０間の結合を電気光学効果を用いて電気的に制御して行
う光導波路結合制御手段を設けたり、光結合素子１５の
光マトリックススイッチをなす光導波路２０間の結合
を、電気光学効果を用いて電気的に制御して行うと共に
その電気光学効果による屈折率変化を用い全反射、屈
折、回折及び位相の変化により導波光を切換えて行う光
導波路結合制御手段を設けることによって、上述した場
合と同様な効果を得ることができる。

【００２３】次に、本発明の第二の実施例を図５及び図
６に基づいて説明する。図５に示した例では、４×４の
光マトリックススイッチを光結合素子１５に用い、この
光結合素子１５を４つ積層した光ユニット１６，１７の
２組を前記第一の実施例と同様に２次元マトリックス状
に対向配置させ、これにより光学的に接続することによ
り１６×１６の光スイッチ１８を構成している。

【００２４】ここでは、光結合素子１５として、図６
（ａ）（ｂ）に示すように、ＹカットのＬｉＮｂＯ₃ 結
晶を基板として用い、その表面にＴｉ拡散の光導波路２
０を形成し、ＳｉＯ₂ からなるバッファ層２１を介して
その上部に電極２２を設ける。これにより、図６（ｃ）
に示すように、５個の交差する光導波路２０を用いた内
部全反射型の光スイッチ部２３によって電圧印加時の屈
折率変化による交差部での内部全反射の制御により入力
光信号を各分岐入出力ポート１４に切換えている。ま
た、本実施例でも、入出力ポート１３及び分岐入出力ポ
ート１４の光導波路２０には高効率結合を考慮に入れて
テーパー状に形成されている。なお、その他のの各光ユ
ニット１６，１７の構成は前述した第一の実施例と同様
に考えられるため、ここでの詳細な説明は省略する。

【００２５】このような構成において、光スイッチの動
作について説明する。今、図５において、入力ポート１
３ａに入射した光信号を出力ポート１３ｂに切換える場
合について考える。まず、入力光信号を内部全反射型の
光スイッチ部２３ａ，２３ｂをスイッチングすることに
より分岐入出力ポート１４ａに導波し、光ユニット１６
の分岐入出力ポート１４ｂと分岐入出力ポート１４ａと
は光学的に接続されていることから、光信号は分岐入出
力ポート１４ｂに導波される。この時、光ユニット１６
の分岐入出力ポート１４ｂと出力ポート１３ｂとが接続
状態となるように、内部全反射型の光スイッチ部２３
ｃ，２３ｄをスイッチングすると、出力ポート１３ｂに
光信号が出力される。その切換えの一例として、光スイ
ッチ部２３ｄのスイッチを切換えれば、容易に出力ポー
ト１３ｃに信号光を切換えることができる。すなわち、
光ユニット１７の分岐入出力ポート１４は内部全反射型
の光スイッチ部２３を適当に選択することにより光ユニ
ット１６のどの光結合素子１５に接続するかが選択さ
れ、その選択された光結合素子１５内の光スイッチ部２
３のスイッチングによりその光結合素子１５内の出力ポ
ート１３のいずれかに切換えることができる。

【００２６】なお、上述したような２つの実施例におけ
る光スイッチ１８は、双方向の通信を可能にしているこ
とは明らかであり、また、前記実施例に限らず他の種々
の変形も可能である。例えば、光導波路は、他の基板上
にＬｉＮｂＯ₃ 結晶などの電気光学材料を通常の薄膜形
成技術及び微細加工技術を用いて作製することが可能で
ある。また、光結合素子上のマトリックスの構成もｎｏ
ｎｂｌｏｃｋｉｎｇな例えばＢｅｎｅｓ構造など種々の
ものが考えられる。また、光結合素子を構成する光マト
リックススイッチの個々の光スイッチにおいても、例え
ば方向性結合器型や電気光学グレーティング制御型など
種々のものを用いることができる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、光信号を入出力
するための１又はＮ個の並設してなる入出力ポートと、
Ｍ個の並設してなる分岐入出力ポートと、これら入出力
ポート及び分岐入出力ポートを結合するための複数の光
導波路と、これら複数の光導波路間の結合を外部より制
御可能な複数の光スイッチ部とによりなることにより光
マトリックススイッチを形成する光結合素子を設け、こ
の光結合素子を複数積層して少なくとも２組の光ユニッ
トを設け、これら各々の光ユニットが互いに直交するよ
うに前記分岐入出力ポートを２次元マトリックス状に対
向配置させると共にそれら光ユニットを各々光学的に接
続したので、スイッチングは光結合素子内の個々の光ス
イッチによって行うため、分岐などによる光の減衰を抑
えることができ、しかも、信号光のＳ／Ｎを劣化させる
ことなく光路の切換えを行うことが可能となり、また、
大規模な光スイッチをコンパクトに構成することができ
るものである。

【００２８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、光結合素子の光マトリックススイッチをな
す光導波路は電気光学効果を有する基板表面の一部にプ
ロトン交換ないしは金属の拡散により形成し、これら光
導波路間の結合を電気光学効果を用いて電気的に制御し
て行う光導波路結合制御手段を設けたので、光結合素子
を構成する光マトリックススイッチを容易に作製するこ
とが可能となり、また、電気光学効果を用いたスイッチ
ング現象を用いているため高速動作ができるものであ
る。

【００２９】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、光結合素子の光マトリックススイッチをな
す光導波路は電気光学効果を有する透明材料の薄膜を形
成しフォトリソグラフィー法及びエッチングによる微細
加工法により得られる３次元の導波路として形成し、こ
れら３次元の光導波路間の結合を電気光学効果を用いて
電気的に制御して行う光導波路結合制御手段を設けたの
で、請求項２記載の発明と同様な効果を得ることができ
る。

【００３０】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
発明において、光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路間の結合を、電気光学効果を用いて電気的
に制御して行うと共にその電気光学効果による屈折率変
化を用い全反射、屈折、回折及び位相の変化により導波
光を切換えて行う光導波路結合制御手段を設けたので、
請求項２記載の発明と同様な効果を得ることができる。

【００３１】請求項５記載の発明では、請求項１記載の
発明において、入出力ポート及び分岐入出力ポートの光
導波路はテーパー状に形成したので、光学的な接続が容
易となり、生産性の向上を図ることができるものであ
る。

【００３２】請求項６記載の発明では、請求項１記載の
発明において、光結合素子は、熱硬化性樹脂及び光硬化
性樹脂により積層又は固定して形成したので、素子の取
扱いが容易となるため、生産性の向上を図ることができ
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光スイッチの基本的な構成例を示すも
のであり、（ａ）は１×Ｍ個のポートが形成されている
様子を示す斜視図、（ｂ）はＮ×Ｍ個のポートが形成さ
れている様子を示す斜視図、（ｃ）は光結合素子を複数
積層してなる２組の光ユニットの様子を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の第一の実施例である光スイッチの構成
図である。

【図３】（ａ）は光スイッチ部がＹ分岐されている様子
を示す平面図、（ｂ）は光結合素子の断面図、（ｃ）は
光結合素子の平面図、（ｄ）はテーパー状に形成された
光導波路の様子を示す平面図である。

【図４】光結合素子が複数枚重ねられてなる光ユニット
の外観構成を示す斜視図である。

【図５】本発明の第二の実施例である光スイッチの構成
図である。

【図６】（ａ）は光スイッチ部が複数本に分岐されてい
る様子を示す平面図、（ｂ）は光結合素子の断面図、
（ｃ）は光結合素子の平面図である。

【図７】第一の従来例を示す構成図である。

【図８】第二の従来例を示す構成図である。

【符号の説明】

１３入出力ポート１４分岐入出力ポート１５光結合素子１６，１７光ユニット２０光導波路２３光スイッチ部

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】光信号を入出力するための１又はＮ個の
並設してなる入出力ポートと、Ｍ個の並設してなる分岐
入出力ポートと、これら入出力ポート及び分岐入出力ポ
ートを結合するための複数の光導波路と、これら複数の
光導波路間の結合を外部より制御可能な複数の光スイッ
チ部とよりなることにより光マトリックススイッチを形
成する光結合素子を設け、この光結合素子を複数積層し
て少なくとも２組の光ユニットを設け、これら各々の光
ユニットが互いに直交するように前記分岐入出力ポート
を２次元マトリックス状に対向配置させると共にそれら
光ユニットを各々光学的に接続したことを特徴とする光
スイッチ。【請求項２】光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路は電気光学効果を有する基板表面の一部に
プロトン交換ないしは金属の拡散により形成し、これら
光導波路間の結合を電気光学効果を用いて電気的に制御
して行う光導波路結合制御手段を設けたことを特徴とす
る請求項１記載の光スイッチ。【請求項３】光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路は電気光学効果を有する透明材料の薄膜を
形成しフォトリソグラフィー法及びエッチングによる微
細加工法により得られる３次元の導波路として形成し、
これら３次元の光導波路間の結合を電気光学効果を用い
て電気的に制御して行う光導波路結合制御手段を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。【請求項４】光結合素子の光マトリックススイッチを
なす光導波路間の結合を、電気光学効果を用いて電気的
に制御して行うと共にその電気光学効果による屈折率変
化を用い全反射、屈折、回折及び位相の変化により導波
光を切換えて行う光導波路結合制御手段を設けたことを
特徴とする請求項１記載の光スイッチ。【請求項５】入出力ポート及び分岐入出力ポートの光
導波路は、テーパー状に形成したことを特徴とする請求
項１記載の光スイッチ。【請求項６】光結合素子は、熱硬化性樹脂及び光硬化
性樹脂により積層又は固定して形成したことを特徴とす
る請求項１記載の光スイッチ。