JPS6076722A - マトリクス光スイツチ - 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】 本発明は基板上に設置された光導波路を用いて光路の切
換えを行なう導波形の元スイッチに関し、特に１つの基
板上に複数の元スイッチエレメントを集積して複数の入
出力光導波路１１ＪＩの光路を竜り的にｆ＆制御して任
意−ご切換えることのできるマトリＩクス光スイッチに
関する。

光通信システムの拠用化が進み、大容険や多機能をもつ
さらに高度のシステムへと９Ｆ！発が進められている。

光伝送路網の交換機能、光データバスにおける端末間の
高速接続、切換え等の新たな機能がめられでお、ジ、そ
れらを可能ｌこする元スイッチングネットワークの必要
性が高まっている。。

光スィッチとしＣは、現在、電磁石等による機械的移動
を用いた元スイッチが実用化されているが、光スイツナ
ングネットワーク得成に必要である高速性、多点間の切
換え、信頼性等の像面に関しては十分な特性は得られ、
ない。上記の必要性能をすべて山なし、さらに高効率、
小形で、単一モードファイバ系・＼の適応性を協えた専
政形光スイッチの開発が進められている。光スイヅチン
グオットワークを構成するためには特に複数の光伝送路
間を任意に接続できるマトリックス入出力形の光スィッ
チが必要とされる。導波形光スイッチは基板上に設置し
た光導波路を用いて構成されるので、１つの基板上に機
微の元スイッチエレメントを集積化できるという特長が
あり、比較的容易にマトリクス化の光スィッチを得るこ
とができる。

導波形の光スィッチには方向性結合形、全反射形、バラ
ンスドブリッヂ形、Ｙ分岐形等の方式があるが、光スィ
ッチにおいて特に重要なパラメータである駆動電圧やク
ロストークを比較的容易に低くでき、また構成が簡単で
マ）　ＩＪフックスし易いものは方向性結合形と全反射
形の元スイッチである。方向性結合形光スイッチは幅数
μ４ｍの光導波路２本を数μｍの間隔で互いに近接させ
て元方向性結合器を槽成し、光導波路近傍に設けた制御
電極に電圧を印加することによル上記２木の光導波路間
の結合度を制御するものである。一方全反射形光スイッ
チは２本の光導波路を数度の角度で交差させ、その交差
部に制御電極を設置して交差部における光の反射率を制
御するものである。

また、最近は２本の光導波路を非常に小さい角度で交差
させ、交差部上に設けた電極によって交差部を通過する
導波光のモードを制御しＣスイッチする従来の方向性結
合形と全反射形の甲間のタイプ（以後交差形と呼ぶ）の
スイ・ソチも開発されており、これもマトリクス化に適
している。

従来、上述の光スィッチを用いて゛７マトリクス光導イ
ツチ構成する場合には、人カブし導波す名群と出力光導
波路群を交差させ、その父差点に上述の光スィッチを設
置する方式や上述の光スイー・チを２×２光フイツチエ
レメントとして使用し、その２×２光スイツチエレメン
トを光透過方向に多段に配置する方式がとられている。

方向性結合形や全反射形、交差形光スイッチは他の形に
比べるとクロストークは低いがしかしその値は−１８〜
−２５ｄＢ程度であり、上記のように従来の方法でマト
リクス光スィッチを構成した場合には上記値と同程度の
クロストークしか得られ７よい。

一方、現在光通信システムでは為高速アｆ　ｏグ信号の
伝送に対する重要性が増加し−（耶り、その信号の切換
えには一３５ｄＢυ下の非常ｌこ低し１クロストークが
要求されている。しかし、従来の構成のマトリクス光ス
ィッチは上述のようにクロストークが不十分であり、ア
ナログ信号の切換えには用いることができない。

本発明の目的は、従来のマトリクス光スィッチの欠点を
除き、非常に低いクロストークが得られるマトリクス光
スィッチを提供することにある。

本発明によれば、Ｍ、Ｎ、Ｋ　をＭ≧Ｎ′２１．に≧２
なる整数とするとき、基板上にそれぞれＭ木、Ｎ木、Ｋ
本の光導波路からなる第１．第２．第３の光導波路群を
設置し、前記第３の光導波路群のｊＥ導波路は、その一
端において前記第１の光導波路群のうちの１本の光導波
路との間で元スイッチが構成され、さら化その他端にお
いて、前記第２の光導波路群のうちの１本の光導波路と
の間で元スイッチが構成されているＭＸＮｆｔ、入出力
端子をもつマトリクス光導づ、チを上記第３の光導波路
（ＩＦの光導波路の両端に設置された２つの元スイッチ
を常に同時に電圧を印加するように駆動することにより
、従来よりも非常に低いクロストークをもつマトリクス
光スィッチが得られる。

以下、図面を参Ｉ＋！］Ｌ／　、本発明を詳第１１ζこ
説明する。

第１図は本発明ｌこよるマトリクス光スィッチの一実施
例である２Ｘ２マトリクス光スイツチの平面図である。

第１図において、電気光学効果を有するニオブ酸リチウ
ム等の誘電体または、（ＪａＡ＠等の半導体からなる基
板ｌの上に拡散や結晶成長等シこよって第１の光導波路
群を構成する光導波路ＩＬ　１２．第２の光導波路宿を
構成する光導波路１３．１４、第３の光導波路群を構成
する光導波ｒ８１５．１６．１７．１ＢがＧ−Ｕされ、
ブＣ専波路１５の両端と光導波路ｔｌ、１３との間、ブ
Ｃ導波路１６と光導波路１２．１３との間、光導波路１
７と′５Ｙ；導波路１１１１４との間、光導波路１８と
光導波路１２．１４．！：の間でそれぞね、方１句性結
合形の元ス・ｆブチ５１と５３．６２と６３．７１と７
４．８２と８４が構成されている。

上記のｉｌ！成を基板ｌがニオブを尺リチウムの場合を
例としてよル詳細に説明する。’ｔｂ導波路１１．１ム
１３．１４．１６．１６．１７．１８はすべてチタンを
熱拡散することによって形成される。上記光導波路の幅
はそれぞれ数μＩ７１数十βｍであシ方向性結合形光ス
イッチの部分ではそれを構成する２本の光導波路の間隔
は数μｍ程度、方向性結合形光スイッチの長さはそれぞ
れ数震〜十数■であシ、２本の光導波路上に制御電極が
設置される。

本実施例のマトリクス光スィッチでは光導波路が第１図
に示すように互いに交差する場合があるが、その交差部
でのなす角度は数度以上の大きな角度に選ばれており、
交差部においては異なる先導波路中を伝搬する光波の結
合が十分小さい値となるように構成されている。

次に本マトリクス元スイッチの駆動方法を説明する。

方向性結合形光スイッチり１，５３．６２．６本７１．
７へ８２．８４の印加電圧と光出力の関係を第２図に示
す。第２図において２０は一方の光導波路に入射した光
がそのまま同じプし導波路中を伝搬し°Ｃ出射する割合
を示し、２１は他方の光導波路に結合しで出射する割合
を示す。第２図の例では印加電圧０では一方の先導波路
に入射した光はそのエネルギーの９０チ程度が他方の光
導波路に結合し、印加電圧■では一方の光導波路に入射
した光はそのエネルギーの９９−程度かもとの光導波路
から出１１゜第１図において方向性結合形光スイッチ５
１．５３．８２．８４への印加市、圧を０とし、他の方
向性結合形光スイッチへの印加電圧をすべてＶとすると
、光導波路１】への入射光３Ｊは９°Ｃ導波路１５．１
３を通過して出射光３３となり、　光４波ＭＪ、２への
入射光３２は光導波路１Ｂ、１４を通過して出射光３４
となる。一方、上記の印加電圧の０と■をすべて入れ換
えた場合には入射′″）’ｌ’；　’３１は出射光３４
、入射光３２は出射光おとなる。上述の動作においで入
射光が他方の出射光に混り込む割合、すなわちクロスト
ークは、本発明では入射光が常に２つの元スイッチを経
由して接続されるのでｉｔ電圧のときの単一の光スィッ
チのクロストークのほぼ２乗、すなわち、単一の元スイ
ッチのクローストークが１チ（−２０ｄＢ）のときは０
．０１チ（−ＨｒｄＢ）となる。

なお、方向性結合形光スイッチの動作方法ごしては、電
極構成を１７えることにより２値の電圧値Ｖｔ、Ｖｔ（
Ｖ、＼０１Ｖ＊＼０）（７）それぞれで結合度０及び結
合度１００％の２つの状態（但し、両状態ともクロスト
ークは通常０．２〜２俤程度）を得ることも可能である
が、その場合には、２値の電圧を用いるので駆動回路が
複雑になるという欠点がある。また本実施例の第２図の
特性を得る場合には、上述の２値の電圧で動作させる構
成の光スィッチを得る場合に比べて製作精度の許后度が
大きいという利点がある。また第２図で電圧Ｏの場合の
不完全な結合によるもれ光はエネルギーの損失となって
しまうグがその値は容品にｆ！ｉ％以−［とすることが
できる。

本実施例では光スィッチとして方向性結合形光スイッチ
を用いたが、前述の全反射形又は交差形光スイッチを用
いても本発明の効果は得られる。

尚、光スィッチ５］と５３（他の光スィッチでも同じ）
に同時に同電圧を印加する方法としで、各党スイッチ５
３．５３にそれぞれ独立に駆動回路を用意してもよいが
、最も簡単な方法としては各党スイッチ５１．５３のＷ
、ａを互いに接続し、　光スィッチ５１１５３のどちら
か一方に、又は接続している配線を介して電圧を印加す
ればよい。

第３図は本発明の他の実施例である半導体レーザアレイ
及び出力光ファイバアレイを接続した２×２マトリクス
光スイツチの平面図である。本実施例では、誘電体又は
半導体からなる基板五の上に、第１図の実施例と談った
く同様に第１１第２、第３の光導波路群及び光スィッチ
が構成されている。但し、第３因においては、第１、第
２の光導波路群の一部及び第３の光導波路群、光スィッ
チの部分は破線で囲んだ領域２のように略して示されて
いる。本実施例では、第１の光導波路群を構成する光導
波路１１％１２の入力端には２個の半導体レーザ３．４
よシ措成された半導体レーザアレイが結合されてお９、
それらの半導体レーザは駆動回路に接続されている。！
＠２の光導波路群を構成する光導波路１３．１４の出力
端には出力光ファイバ５゜６がそれぞれ接続されている
。

半導体レーザ３．４の出射光は各党スイッチへの印加電
圧によシ制御され出力光ファイバ５．６のいずれかに結
合される。

本実施例では２人力電気信号が２つの駆動回路及びそれ
らに接続された半導体レーザ３，４にそれぞれ印加され
ることによって２個の光信号に変換され、その光信号の
状態でスイッチされて出力光ファイバ５．６に結合され
る。同様な機能は２人力電気信号を電気的なスイッチン
グ回路によって切替え、その後切替えられた電気信号に
よって半導体レーザを駆動【７、元ファイバに結合する
ことによっても得られるが、本実施例のように光信号の
状態で切替えた方が、信号帯域とクロストークの相関が
ないので、広帯域信号に対してクロストークを小さくし
やすいという特長がある。

第４図は本発明による実施例である入力部に光レヒータ
を設置した２×２マトリツクス光スイツチの平面図を示
す。本実施例の構成は第３囚の実施例とほとんど同じで
あるが、入力端に結合された各半導体レーザに光検出器
、電気増幅回路、駆動回路がそれぞれ接続されて元レピ
ータ７．８が構成されておシ、上記各光検出器に入力光
ファイバ９、ｌＯがそれぞれ接続されている点が異なっ
ている。本実施例では２人力党ファイバ９、ｌＯから旦 送られた光信号を一区光一電気一光変換をした後スイッ
チングを行っている。元レピータ７．８を用いないで入
力元ファイバ９、ｌＯを直接光導波路１１．１２の端面
に結合しても原理的には本実施例と同様な機能が得られ
るが、本実施例はその場合に比較して、入力光信号を電
気的に増幅できるので損失が小さいこと、半導体レーザ
光が直接光導波路に入射されるので、元ファイバを伝送
された入射光の偏光状態が乱れていてもスイッチング性
能に悪影響がないこと等の特長がある。

以上のように本発明によれば従来よルも非常に低いクロ
ストークを持つマトリクス光スィッチが得られる。

な右、本発明に用いる基板材料、光導波路、元スイッチ
の形状、マトリクス数等は上記実施例に限定されないの
はいうまでもない。

例えば基板材料としてタンタル酸リチウム、夏−■族化
合物半導体、光導波路材料としてＰＬＺＴ等を用いるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

＠１図は本発明によるマトリクス光スィッチの実施例で
ある２Ｘ２ｆｔ、スイッチを示す平面図、第２図はマト
リクス光スィッチの動作を説明するための図であル、方
向性結合形光スイッチの印加電圧特性の一例を示す。第
３図、第４図はそれぞれ本発明の第２、第３の実施例を
示す平面図である。 図にぷいて、 ｌは基板％　ＩＩ、１２．　１３．　１４．１５．　１
６．１ン、１８は光導波路、　５１．　５２．６２．６
３．７１．７４１８２゜８４は方向性結合形光スイッチ
である。 ｆＴ７カロ１τｌ’Ｌ ギ　３　ｌ ｚｔｔａ 手続補正書（自発） Ｄ表示　昭和５８年　特許［ｊ第１８５３９４７５の名
称　光制御装置 をする者 事件との関係　出　願　人 東京都港区芝五丁目３３番１号 理人 ５　補正の対象 （１）願書の発明の名称の欄 （２）明細書の発明の名称の欄 （３）　明細書の特許請求の範囲の欄 （４）明細書の発明の詳細な説明の欄 （５）図面の簡単な説明の欄 （６）図面 ６、補正の内存 １）願書の発明の名称を以下の通り補正する。 「光制御装置」 ２）明細書の発明の名称を以下の通り補正する。 「光制御装置」 ３）特許請求の範囲を別紙のとおり補正する。 ４）明１ｉ１１１書第１頁第１６行目に１・光スィッチ
・」とあるのを「・・・光制御装置・」と補正する。 ５）同第２貞第２行目から第３行目に「・・・マトリク
ス光スィッチ・・・」とあるのを［・・光制御装置・・
・１文を挿入する。 ［光信号の伝送路を切換える方式として光信号を光分岐
回路により多数の伝送路に分配し、それぞれの伝送路中
に光信号を高速で遮断する光ゲート又は光変調器を設け
る方式も考えられる。この方式では非常に高い消光比を
有する光変調器が必要とされるが、従来の光変調器や光
ゲートの消光比は不十分であり、このような目的には使
用できない。」 ７）同第５頁５行目から第６行目に「・・・クロストー
クが得られるマトリクス光スィッチを・・・」とあるの
を「・・クロストーク又は非常に高い消光比が得られる
光制御装置を・・・」と補正する。 ８）同第５頁第７行目から８行目に「・・・、に≧２な
る整数・・」とあるのを「　・、に≧１なる整数・」と
補正する。 ９）同第５頁第１６行目に「・・マトリクス光スィッチ
を・・」とあるのを［・・・光制御装置を・・」と補正
する。 １０）同第５頁第２０行目に「・・・マトリクス光スィ
ッチが・・・」とあるのを「・・・光制御装置が・・・
」と補正する。 １１）同第６頁第２行目に［・・・マトリクス光スィッ
チの・・・］とあるのを「・・・光制御装置の・・・」
と補正する。 １２）同第１２頁第１２行目と第１３行目の間に以下の
文章を挿入する。 ［第５図は本発明による光制御装置の一実施例である光
変調器の平面図を示す。 ニオブ酸リチウム結晶２２上に第１の光導波路２３、第
２の光導波路２４．第３の光導波路２５が形成され、第
１の光導波路２３と第３の光導波路２５の間で方向性結
合形光スイッチ２６が、第２の光導波路２４と第３の光
導波路２５との間で方向性結合形光スイッチ２７がそれ
ぞれ構成されている。本実施例の方向性結合形光スイッ
チ２６゜２７の特性は第１図の実施例と同様に第２図に
示すようになっている。すなわち、印加電圧０のとき、
一方の光導波路に入射した光はそのエネルギーの大部分
が他方の光導波路に結合し、印加電圧■では一方の光導
波路に入射した光はそのエネルギーの９９％以上かもと
の光導波路から出射する。 そこで第５図では、光導波路２３への出射光２８は方向
性結合形光スイッチ２６．２７への印加電圧がともにＯ
の場合はそのエネルギーの大部分が光導波路２５、さら
に光導波路２４へと結合して出射光２９となる。一方、
印加電圧がともに■の場合は、入射光のほとんどのエネ
ルギーは、光導波路２６から基板中へ放射され、わずか
なもれ光が光導波路２５に結合する。しかし、このもれ
光も方向性結合形光スイッチ２７においてほとんど基板
中に放射されるので、光導波路２４を通って出射する光
量は非常に微）ｌとなる。例えば方向性結合形光スイッ
チ２６．２７のクロストークが１％のときは光導波路２
４へのもれ光は０，０１％、すなわち、消光比は１００
００　：　１　（４０ｄＢ）となる。」１３）同第１２
頁第１４行目に「　クロストーク金持つマトリクス光ス
ィッチが・・・」とあるのを「クロストーク又は非常に
高い消光比を持つ光制御装置が・・」と補正する。 １４）同第１３頁第３行目に「・・・マトリクス光導ッ
チ・・・」とあるのを「・・・光制御装置・」と補正る
。 １５）同第１３頁第５行目に［・・・マトリクス光導ッ
チ・・・」とあるのを１・・・光制御装置・・」と補正
る。 １６）同第１３頁の第８行目と第９行目の間に以の文章
を挿入する。 ［第５図は本発明による光制御装置の実施例゛ある光変
調器を示す平面図である。１ １７ン同第１３頁の第１０行目から第１３行目に「は基
板・・・・・・光スィッチである。」　とおるのを以−
の通り補正する。 １−１．ｚｚは基板、１１，１２．１３，１４゜１５．
１６，１７，１８．２３，２４．２５はシ導波路、５１
．５２．６２，６３．７１，７４゜８２．８４，２６，
２７は方向性結合形光スイ・チである。１ １８）図面用５図音別紙の通り追加する。 イ　特許請求の範囲 す　Ｍ、Ｎ、ＫをＭ≧Ｎ≧１．Ｊ（≧１なる整数とする
とき、基板上にそれぞれＭ本、Ｎ本、Ｋ本の光イ　導波
路からなる第１．第２．及び第３の光導波路ｔ　群を設
置し、前記第３の光導波路群の光導波路は、その一端に
おいて前記第１の光導波路群のうちのＦ　１本の光導波
路との間で光スィッチが構成され、さらにその他端にお
いて前記第２の光導波路群のＣうちの１本の光導波路と
の間で光スィッチが構成されていることｆ！：％徴とす
るＭＸＮ光入出力端子［をもつ」 代理人　弁理士　内　原　汗 し

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｍ、Ｎ、ＫをＭ）Ｎ〉１、Ｋ＞２なる整数とするとき、
   基板上にそれぞれＮ本、Ｎ本、に本の先導波路からなる
   第１．第２．及び第３の光導波路群を設置し、前記第３
   の先導波路群の光導波路は、その一端に詔いて前記第１
   の光導波路群のうちの１本の光導波路との間で光スィッ
   チが構成され、さらにその他端に右いて前記第２の光導
   波路群のうちの１本の光導波路との間で光スィッチが構
   成されていることを特徴とするＭＸＮｊｔ入出力瑞子を
   もつマｌ−１７クス党スイッチ。