JPS62212633A - 光ゲ−トマトリクススイツチ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光通信および光情報処理の分野で用いられる
光ゲート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、この種の光ゲートマトリクススイッチとしては、
たとえば第５図（特願昭５６−１９６２７９号）に示す
如く、光ファイバまたは光導波路によって構成した光分
岐回路１および光合法回路２と、これら光分岐回路１の
出力端および光合法回路２の入力端に結合されて光を平
行ビームにするためのレンズ系３＾および３Ｂと、これ
らレンズ系３Ａと３Ｂとの間に配置されて光信号を開閉
するために、例えば、液晶ＴＮセルなどによって構成さ
れた光ゲート素子４とを備える構成がある。

しかし、このような構成においては、レンズ系３Ａおよ
び３Ｂのような立体回路を用いているので、小形化に限
界があること、各構成素子の精密位置合せが必要である
こと等の問題点があった。

さらにまた、光ゲート素子として、例えばＬｉＮｂＯ５
やＰＬＺＴに代表される高速の電気光学効果を利用した
光ゲート素子を用いても、レンズ系のピッチやビーム径
によって、素子寸法の小形化に限界があるから、静電容
量が大きくなり、ナノ秒（ｎＳ）　１．位のスイッチン
グが困難である欠点があつた。

他方、導波形光回路を用い、平面回路化した光ゲートマ
トリクススイッチが既に提案されているが、その従来構
成において、光ゲートと光合法回路とを接続する配線部
および光合法回路は多モード動作をしているため、コヒ
ーレント光通信へ適用することができず、半導体レーザ
ダイオードを基本とした光増幅器を使用できず、あるい
は、スイッチの多段接続が困難である欠点があった（電
子通信学会　昭和６０年度半導体材料部門別全国大会５
７−３）　。

［発明が解決しようとする問題点］ そこで、本発明の目的は、従来のような個別部品によっ
て構成される光ゲートマトリクススイッチの問題点を解
決し、大形化、高価格化の原因となるレンズ系を除去す
ると共に全単一モード動作を可能とし、以って小形で経
済的であり、多段接続が可能であり、しかもコヒーレン
ト光信号のスイッチングが可能な高速の光ゲートマトリ
クススイッチを提供することにある。

［問題点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、単一モー
ド光分岐回路、光合法回路および光配線回路を半導体基
板上に形成した平面光導波路回路で構成し、その光ゲー
トとして半導体光ゲートを用いて、光スィッチを構成す
る。

すなわち、本発明は、平面基板上に形成された単一モー
ド導波形光分岐回路および単一モード導波形光合流回路
と、平面基板上において、光分岐回路と光合法回路との
間に配置され、単一モード導波形光反射回路および単一
モード導波形光交差回路を組合せてなる光配線回路と、
平面基板上において光配線回路の光通路を横切って形成
された光素子挿入溝に挿入されて光通路を通る光の開閉
を行う光ゲートアレイとを具えたことを特徴とする。

［作　用］ 本発明は、先導波路を基本とした光分岐回路および光合
法回路と、立体的な接続を平面化する光配線回路と、半
導体光ゲートおよび光増幅器によって、基板上に光ゲー
トマトリクススイッチを一体的に構成するものであり、
信号が光の形のままスイッチングされるので、広帯域信
号を取り扱うことができ、したがって、クロストークが
少な゛い、あるいは電磁妨害に強い利点がある。このよ
うに、本発明は、平面回路のハイブリッド光集積回路化
している点で従来の個別部品による構成とは異なる。飯
た、すべて単一モード化している点で、従来の平面光回
路を用いたスイッチとは異なる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明の第１の実施例を第１図に示す。本例は４×４マ
トリクススイツチの例であり、ここで、５−１〜５−４
は入力端子、６−１〜６−４は導波形単−モード光分岐
回路、７は光ゲート挿入溝である。

８は導波形単−モード光配線部、９は配線部８を構成す
る第１の要素の導波形単−モード光反射折曲り回路、ｌ
Ｏは配線部８を構成する第２の要素の導波形単−モード
光交差回路である。１１−１〜１１−４は導波形単−モ
ード光合流回路、１２−１−１２−４は出力端子、１３
−１−１３−１６は半導体光ゲートアレイ、１４−１〜
１４−１６は光゛ゲート１３−１−１３−６に対する制
御用端子、＋５−１〜１５−４は光増幅器アレイ、１６
はシリコン基板、１７は光増幅器挿入溝である。

以下、入力端子ｓ−ｉ　と出力端子１２−１との接続を
例にとってかかる構成の動作を説明する。

入力端子５−１に入力した光信号は光分岐回路８−１　
に人力し、ここで均一に４分配され、それぞれ、光ゲー
ト１３−１〜１３−４へ人力する。光ゲート１３−１〜
１３−４の各出力は、それぞれ、光配線部８゜光合流回
路１１−１〜１１−４および光増幅器１５−１〜１５−
４を経由して出力端子１２−１〜１２−４から取り出さ
れる。

光ゲート１３−１〜１３−４．１３−５〜１３−８．１
３−９〜１３−１２および＋３−１３〜１３−１６は、
それぞれ、光分岐回路８−１．６−２．６−３および６
−４に対応しており、光ゲー１−１３−１−１３−１６
は、各々対応する制御端子１４−１−１４−１６へ電流
を注入することによって開状態となり、その状態で光を
透過させ、他方、制御端子１４−１〜１４−６への電流
のしゃ断によって閉状態となり、入射光を吸収するので
、たとえば、入力端子ｓ−ｉ　と出力端子１２−１とを
結合するには、光ゲート１３−１の制御端子１４−１へ
電流を注入する。

このように、光ゲート１３−１〜１３−１６の各制御端
子１４−１〜１４−１８電流注入によって、入出力端子
５−１〜５−４と１２−１〜１２−４との間に任意所望
の接続パスがすべて光学的に形成される。なお、光増幅
器１５−１〜１５−４は、光分岐回路６−１〜６−４お
よび光合流口路１１−１〜１１−４等によって生じる光
損失を補償するためのものである。

第２図（Ａ）は、導波形単−モード光分岐回路６−１〜
６−４および導波形単−モード光合流回路１１−１〜１
１−４の詳細な構造例を示すものであり、第２図（Ｂ）
は、導波形阜−モード光配線回路８の一部分を示すもの
である。これら光回路はリッジ形単−モード先導波路を
基本とする構造で構成できる。

本実施例では、シリコン基板１６上に形成した石英系光
導波膜を用い、フォトリソグラフィ技術によってかかる
先導波膜上にアモルファスシリコンのパターンを形成し
てコア層１８となし、光導波膜のうちの不要部分を、Ｃ
２Ｈ，およびＣ，Ｆ、ガスを成分としたドライエッチン
グ法によって除去して５ｉｎ２バッファ層１９を形成す
る工程を経て、これら光回路６−１〜６−４．８．１１
−１〜１１−４を形成した。更に、形成したりッジ形単
−モード先導波路の上面および側面には、ＣＶＤ法によ
ってＳｉｎ、クラッド層２０を付加した。

ここで、たとえば、５ｊ０２バッファ層１９の厚さを２
７μｌ、コア層１８の加工後の寸法を高さおよび幅共に
８μｌ、クラッド層２０を３μＩ厚とした。さらにまた
、コア層１８とバッファ層１９およびクラブト層２０と
の各比屈折率差は０．３％であった。

第２図（Ａ）に示す如く、光分岐回路６−１〜６−４お
よび光合流回路１１−１〜１１−４は、Ｙ分岐回路の２
段縦続接続構造とした。

第２図（Ｂ）　に平面図で示す光配線回路８は、光反射
折曲り回路９と充交差回路ｌＯとの組み合せで構成され
る。光反射折曲り回路９は光の全反射現象を利用して光
の仏殿方向を変えるものであり、コア層１８を伝搬して
いる光はいったん導波路側壁のクラッド層２０へ入射し
、このクラッド層２０と空気層との境界で全反射されて
曲げられる。本実施例では、その曲げ角度を３０°とし
た。充交差回路ｌＯは単なる平面交差導波路である０本
実施例に示す如く、充交差回路ｌＯを光反射折曲り回路
９と組合せて用いる場合には、折曲り角が３０°のとき
に交差角も３０”　となる。第１図に示した光素子挿入
溝７は、上述したようにして導波形光回路を形成した後
、ダイシングカッターによって形成した。

光ゲート１３−１−１３−６は、半導体基板上に、活性
層を中心にして、この活性層の両生面に接して、かかる
活性層よりも禁制帯幅の大きさ第１および第２のキャリ
ア閉じ込め層を配置し、さらにこれら第１および第２の
キャリア閉じ込め層の、活性層側とは反対側の主面に接
して、活性層よりも禁制帯幅が大きく、しかもキャリア
閉じ込め層より禁制帯幅の小さい第１および第２の光導
波層を配置し、さらに、これら先導波層の各外側の主面
を覆うと共に活性層、キャリア閉じ込め層および先導波
層の各横方向の幅を限界するようにクラッド層を設け、
単一モードで動作する光スイツチ用レーザダイオード光
ゲートを用いた（特願昭６０−２１４７３６号）。

かかるレーザダイオード光ゲートは、活性層の禁制帯エ
ネルギーにほぼ等しい入射光に対して、電流を注入しな
いときは、吸収媒体として作用し、他方、電流注入時に
は、利得を持つ透明媒体として作用する開閉形スイッチ
ングとして機能し、その利得は最大２０ｄＢまで得られ
る。

レーザダイオード光ゲート１３−１〜１３−１６は、光
分岐回路６−１〜６−４の各出力導波路間隔に等しい間
隔の１６個の１次元アレイとして切り出した。光ゲート
挿入溝７は、シリコン基板１６が露出するような深さに
設定し、その露出面上にはＡｕ−Ｚｎ合金を蒸着した。

レーザダイオード光ゲート１３−１〜１３−６の基板面
は、シリコン露出面に接したときに、各活性層と光分岐
回路６−１〜６−４および光配線部８の導波路中のコア
層との高さが一致するように研磨したのち、Ａｕ−Ｚｎ
合金を蒸着し、コア層の中心との水平位置が一致するよ
う調整し、シリコン基板１６上に熱および超音波によっ
て接着した。

光増幅器１５−１〜１５−４の構造は光ゲート１３−１
〜１３−１８と同一であり、光回路の接続についても上
述したところと同一の方法で行った。以上の構成によっ
て、４×４マトリクズ光スイツチを製作し、特性を測定
したところ、損失は２ｄＢ以下で、スイッチ速度は５ｎ
ｓ以下であった。

第３図は本発明の第２の実施例を示し、図中の記号は第
１図に示した記号と対応する。

第３図の実施例において、光分岐回路６−１〜６−４、
光合流口路１ｌ−ＩＮ１１−４および光ゲートは１３−
１−１３−［ｉは第１の実施例と同一であり、光配線部
８が別の構成となる。第１の実施例においては、入出力
端子５−１〜５−４　、１２−１〜１２−４に接続して
いる光分岐回路６−１〜６−４および光合流口路１１−
１〜１１−４の直線先導波路が互いに平行であり、例え
ば、入出力用光ファイバとの端面接続が容易になる作用
がある。これに対して、第２の実施例においては、光分
岐および光合流口路の直線光導波路は平行とはならない
欠点はあるものの、反射曲げ回路９は、各光ゲートスイ
ッチ内の各バスに１個のみ設置すればよいこととなり、
したがって光損失が少なくなる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、光導波路を基本とした
光分岐回路および光合流口路と、立体的な接続を平面化
する光配線回路と、半導体光ゲートおよび光増幅器によ
って、基板上に光ゲートマトリクススイッチを一体的に
構成するものであり、信号が光の形のままスイッチング
されるので、広帯域信号を取り扱うことができ、したが
って、クロストークが少ない、あるいは電磁妨害に強い
利点がある。

また、本発明光ゲートマトリクススイッチはすべて単一
モード動作をしているので、コヒーレント光通信が可能
であり、しかもまた、規模拡大や、多段接続が容易に行
える利点がある。さらにまた、光分岐回路によって全出
力端子に信号を分配する構成のため、にＮ同時多数接続
が可能となる利点がある。加えて、半導体光ゲートの高
速応答特性から、ｎｓ単位のオンオフ動作が可能であり
、スイッチ速度が高い利点がある。

レンズ系□がないので、スイッチ生産においては、複雑
かつ精密な光釉合せ工程が不要であると同時に、大量生
産向きのホトリソグラフィ工程を適用でき、しかも回路
全体を導波路の形態で構成できるので、量産化および小
形化が可能になる利点もある。

本発明光ゲートマトリクススイッチは、動画分起用広帯
域スイッチやプロセッサボード開用スイッチとしての有
効に応用することができる。

なお、本発明において、ある程度の損失を許容される装
置やシステム等にスイッチを応用する場合には、光増幅
器を省略する構成もとりうる。上述した光ゲートアレイ
としては、電気光学効果を利用したＬｉＮｂ０．の方向
性結合器やマツハ−ツエンダ形光ゲート温度光学効果を
利用したガラス導波路によって構成される方向性結合器
やマツハ−ツエンダ形光ゲートをも通用できる。

さらにまた、半導体光ゲートとして、本実施例で示した
レーザダイオード光ゲートのみならず、フランツ−ケル
デツシュ効果やフリーキャリア吸収を利用した導波形光
ゲートを用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、 第２図（Ａ）および（Ｂ）は第１図示の実施例の一部分
の詳細な構成例を示す、それぞれ、斜視図および線図、 第３図は本発明の第２の実施例を示す構成図、第４図は
光ゲートスイッチの従来構成例を示す構成図である。 １・・・光分岐回路、 ２・・・光合流回路、 ３・・・レンズ系、 ４・・・光ゲート、 ５−１〜５−４・・・入力端子、 ６−１〜６−４・・・光分岐回路、 ７・・・光ゲート挿入溝、 ８・・・光配線部、 ９・・・光反射折曲り回路、 １０・・・充交差回路、 １１−１〜１１−４・・・光合流回路、１２−１〜１２
−４・・・出力端子、 １３−１〜１３−１６・・・半導体光ゲート、１４−１
〜１４−６・・・制御端子、 １５−ＩＮＩｓ−４・・・光増幅器、 １６・・・シリコン基板、 １７・・・光増幅器挿入窓、 １８・・・コア層、 １９・・・５ｉｎ２バッファ層、 ２０・・・クラッド層。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）平面基板上に形成された単一モード導波形光分岐回
   路および単一モード導波形光合流回路と、前記平面基板
   上において、前記光分岐回路と前記光合流回路との間に
   配置され、単一モード導波形光反射回路および単一モー
   ド導波形光交差回路を組合せてなる光配線回路と、前記
   平面基板上において前記光配線回路の光通路を横切って
   形成された光素子挿入溝に挿入されて前記光通路を通る
   光の開閉を行う光ゲートアレイとを具えたことを特徴と
   する光ゲートマトリクススイッチ。 ２）前記光分岐回路、前記光合流回路および前記光配線
   回路を、シリコンによる平面基板上に形成された石英系
   光導波膜をエッチングすることによって形成した導波形
   光回路の形態としたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光ゲートマトリクススイッチ。 ３）前記光ゲートアレイは、その入力光を通過させるか
   否かを注入電流によって行う半導体レーザーダイオード
   により構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項に記載の光ゲートマトリクススイッチ。