JPS63179337A - 導波路型光スイツチ - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、光信号の伝搬経路を切り替える光スィッチに
係わるもので、特にそのスイッチ動作を引起す制御エネ
ルギーとして光を用いた導波路型光スイッチに関するも
のである。

（従来技術とその問題点） 光フアイバ通信の発展に伴い、光信号を所望のチャンネ
ルに切り替える光スイツチ技術が注目されている。特に
、加入者系に光線路が普及するにつれ、そのスイッチ数
は莫大なものになると考えられ、その小型化、高性能化
が望まれている。また、一体化された光スイツチ素子は
、スペースが限られかつ高信頼度が要求される海底光フ
アイバ伝送系での海中スイッチングや衛星搭載用スイッ
チへの適応としてもその開発が望まれている。

このような光スィッチを実現する上で、大きく分けて２
つの構成が検討されている。その１つは光信号を一旦電
気信号に変換（０７Ｅ変換）し、スイッチングは従来の
ように電子回路で行い、そしてスイッチングされた電気
信号を再び光信号に変換（Ｅ１０変換）するもので、近
年の０ＢＩＣ（Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｎｉｃ　Ｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ）技術の進展によ
り、ハイブリッド構成ではあるが、４×４の光スィッチ
が報告されている。このＯ／Ｅ１０型すなわち光→電気
−光型の光スィッチは、従来の個別素子で構成されてい
た光スイツチング装置を小型化したものとして受は入れ
られ易いが、一方、その構成素子数が非常に多くなるこ
とから、作製が複雑なばかりでなく、信顛性の点や、高
速動作時の電子回路内での電磁干渉によるクロストーク
の増大という問題があると考えられ、また数ＧＨｚ以上
で充分に動作する超高速電子回路も現在の技術では得難
いという問題もある。

一方、もう一つの構成は、電気信号に変換することなく
光信号のままでスイッチングするものであり、言わば０
１０型と称せられる。図１及び図２に従来の光スィッチ
の正面図を示す。図１では方向性結合器が用いられ、ス
イッチ部に制御信号として電圧を印加することにより導
波路の屈折率が変化し、これにより２導波路間の位相整
合条件を合わせたり、外したりすることにより、両翼波
路間で光をスイッチングさせている。一方、図２の構成
では制御信号に電流を用いたもので、２導波路の交差部
中央に電流を注入することによりキャリア密度に応じた
屈折率変化が生じ、その結果光が全反射され他の導波路
にスイッチングされるものである。これらの方式では０
／Ｅ及びＥ１０変換を行う必要がないため、素子構成が
簡易であるばかりでなく、光信号の有する広帯域性を損
なうことなくスイッチングが行える長所を有している。

しかしながら、光信号をスイッチングさせるための制御
エネルギーを電圧、電流といった電気エネルギーに依っ
ているため、光信号に乗せられて来た制御信号に対して
は一旦０７Ｂ変換しなければならず、そのための光検出
器や回路素子を実装しなければならないという欠点は避
けられなかった。

（発明の目的と特徴） 本発明は、上述した従来技術の欠点を鑑みてなされたも
ので、Ｏ／Ｅ変換する必要なしに光信号をスイッチング
させることを可能とした導波路型光スイッチを提供する
ことを目的とする。

本発明の特徴は、照射する光強度に応じて屈折率が変化
する非線形材料をスイッチ部に用い、かつ導波路部の一
部に正帰還用ループを設けて光信号でスイッチングする
ように構成した点にある。

（発明の構成及び作用） 以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。

（発明の原理） まず、本発明による光スィッチの動作原理について説明
する。図３は本発明の動作原理を説明するための導波路
型光スイッチの基本構造図であり、Ｘ字型に交差するよ
うに導波路１，１”及び２，２゛が設けられている。尚
、１．２は入射側、ｌ’、　２’は出射側導波路である
。さらにその交点の中央に光強度によってその屈折率が
大きく変化する光学非線形材料３（例えば半導体の量子
井戸構造あるいは量子細線構造等）が配置されている。

かかる非線形材料３において屈折率が変化する理由は次
のように説明される。図４（ａ）に示す如く光学非線形
材料３にはそれを構成する原子もしくは分子準位の共鳴
に基づく吸収スペクトルを有し、その吸収係数はクラマ
ース・クローニッヒの関係式ニより同図（ｂ）に示すよ
うに屈折率が関係付けられている。照射光が微弱な場合
には実線に示したような特性となるが非線形定数の大き
な材料はある程度の強度の光を照射することによりその
吸収が破線のように飽和し、従って屈折率の分散特性も
破線の如く変化する。すなわち吸収スペクトルの中心波
長λ。に対し長波長側では屈折率が低下し、また短波長
側では増加する。かかる特性を有する非線形材料３を導
波路１に対し適切な角度θで図３のように配し導波路１
を通して光Ｐ、Ｘを入射するか、もしくは直接外部から
Ｐ′□のように照射することにより、λ０より長波長の
光に対しては屈折率が大きく低下し、導波路１を入射し
て来た光に対し全反射を引起し、導波路１°に出射する
ようになる。すなわち、光照射により光路をスイッチさ
せることができる。ここで、照射光Ｐ、Ｘ（Ｐ、、’）
の波長をλ。の近くに選べば、さらに小さな強度でスイ
ッチングすることが可能であるが、多少ずれても光強度
を大きくすれば同等の効果が得られる。

（実施例１） 以下、上述の本発明による導波路型光スイッチの動作原
理を用いた実施例について詳細に説明する。

本発明による導波路型光スイッチの第１の実施例を図５
（ａ）、（ｂ）に示す。ここでは、実用上有効な導波光
を照射光（以下、励起光と呼ぶ）として用いた例につい
て述べる０図５（ａ）において１．２は入射側導波路、
ｌ’、　２’は各々出射側の反射及び透過用導波路、３
は非線形材料、４は帰還用導波路、５は光増幅器、６は
非線形材料３以外の他の半導体材料である。入射側ｌ、
出射側反射用１”及び帰還用導波路４は図のようにルー
プを成すように形成されている。尚、本実施例では帰還
用導波路４上に光帰還をより効果的にするための光増幅
器５を設けて、電流注入により透過型光増幅器として動
作するようにしているが、必ずしも必要ではなく正帰還
用のループがあれば良い。この光スイツチ素子の動作を
理解しやすいように、図６に励起光ＰＯ３９反射光Ｐ０
１反射信号光Ｐ、。、通過信号光ｐＨ。、非線形材料３
の界面における反射率Ｒ１また光増幅器５への注入電流
Ｉ０のタイムチャートを示す。まず、入射側導波路１に
吸収中心波長λ０よりも長波長帯の励起光Ｐ０８が入射
されると、これは非線形材料３に吸収される。この吸収
により、非線形材料３の吸収係数は図４に示したように
減少し、これに伴い屈折率も減少する。ここで、励起光
Ｐ□が無い場合に非線形材料３と周囲の材料６の各屈折
率は等しくなるように選ばれているため、その界面での
反射率はＯであるが、励起光Ｐ、やにより屈折率差が生
じると、反射率Ｒは増大し始め、励起光Ｐ、８の一部は
出射側導波路１゛の方向に反射される。そして、その反
射光Ｐ０の一部は分岐により帰還用導波路４に導波され
た後、光増幅器５で増幅され、再び入射側導波路１に合
波されて、非線形材料３に吸収される。この過程により
一層吸収係数の減少が促進され、従って反射光Ｐ０も増
大する。すなわち、帰還用導波路４の存在により、非線
形材料３の吸収及び屈折率変化に関し正の帰還が生じ、
上述の過程が繰り返されて、著しく効果が加速され、つ
いには全反射を起すに至るまで屈折率が低下する。ここ
で、光増幅器５の利得をある一定値以上に選ぶように励
起光Ｐ、。

を切っても全反射を維持させることができ、また、光増
幅器５への注入電流■、をし減少させることにより反射
率Ｒは０へと回復する。従って励起光Ｐ０えと注入電流
Ｉ□の減少の時間内に信号光Ｐ。

を配することにより、信号光Ｐ、は全反射され出射側反
射用導波路１゛から出力される。一方、励起光Ｐ、Ｘが
無い第２のインターバルでは上述の全反射を引き起す過
程は全く起らず、その間入力側導波路１から入射されて
いる信号光Ｐ、はそのまま透過され、出射側透過用導波
路２′から出力される。

すなわち励起光Ｆ　ａｘの有無により信号光Ｐ、を導波
路１゛もしくは２゛に任意にスイッチさせることができ
る。尚、導波路１゛からの出力には励起光Ｆ　ａｘに起
因する成分Ｐ０が重畳するがインターバルの周期は信号
光Ｐ、のタイムスロットより大きいので、後で電気的フ
ィルタで除去することができる。

図５（ｂ）は帰還用導波路４を各入射側導波路１及び２
にそれぞれ対応して設けた場合の構成図を示したもので
、２つの帰還用導波路４を用いれば励起光Ｐ、ｘが微弱
でも非線形光学材料３の反射率を高めることができる。

以上の動作は、光増幅器５の利得が大きい、すなわち注
入電流Ｉ０が比較的大きい場合であり、この時の励起光
Ｐ、Ｘと導波路１゛がらの出射光Ｐ０との関係を図７（
ａ）に示す。すなわち一旦励起光ＰＢＸを加えると、出
射光Ｐ０は出力され続け、（全反射状態）これを解除す
るためには電流■□を切る必要がある。一方、電流■、
が比較的小さい場合には図７（ｂ）に示すような双安定
性を示す。この場合、励起光Ｐ、ｘを双安定ループの中
央Ｐ　１１Ｘｂに保持し、これに図中のような増加もし
くは減少のパルスを加えることにより各々出力Ｐ０の高
レベル（全反射状Ｈ）から低レベル（零反射状Ｂ）にス
イッチさせることができる。すなわち、スイッチングは
励起光Ｐ、Ｘのみで行え、電流■、は直流を用いること
ができる。

（実施例２） 以上の実施例においては、帰還用導波路４として入射側
ｌ及び出射側１′導波路との合波及び分岐に単純なＹ字
型構造を用いたが、帰還用導波路４が出射側の分岐に波
長選択性を有するブラング反射形骨波器７を用いた他の
実施例を図８に示す。

一般に励起光Ｐ、Ｘの波長λ、えは、図４の吸収中心波
長λ。に近い程吸収飽和の効果は大きく、また信号光Ｐ
、の波長λ３は吸収中心波長λ。からある程度長波長側
にずれていた方が挿入損は小さい。

そこで、λ。ｘユλ。、λ８〉λ、Ｘとなるように、励
起光と信号光の波長をずらした方式の場合において、ブ
ラッグ反射形骨波路７のブラッグ波長をλ。となるよう
に形成することにより、出射側導波路１゛からは信号光
Ｐ、。のみ取り出すことができ、また信号光Ｐ３に対す
る挿入損も減少させることができる。

なお、本実施例も図５（ｂ）の如く、各入射側導波路１
及び２にそれぞれ帰還用導波路４を用いても良い。

また、導波路としてはりッジ、リブ、埋め込み構造など
で形成することができ、材料としてはＩｎＧａＡｓＰ系
、　Ａ　ｊ！　ＧａＡｓ系などの半導体を用いることが
できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明による導波路型
光スイッチでは、スイッチ部分に光学非線形材料３を用
いて光強度に応じて零反射もしくは全反射状態にすると
共に、少なくともひとつの帰還用導波路４を設けること
により微弱な励起光でも光学非線形材料３を制御して光
信号をスイッチさせることができる。

従って、０／Ｅ変換素子が不要なため素子構造が簡易な
広帯域な光スイツチ素子を実現することができ、その効
果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

図１１図２は従来の制御信号に電気を用いた光スィッチ
、図３は本発明による光スイツチ素子の原理図、図４は
光学非線形材料の吸収係数と屈折率の波長特性、図５（
ａ）、（ｂ）は本発明の導波路型光スイッチの第１の実
施例、図６は図５の実施例の動作を示すタイムチャート
、図７は図５の実施例における入力光と出力光の関係、
図８は本発明の導波路型光スイッチの第２の実施例であ
る。 １．２・・・入射側導波路、１゛・・・出射側反射用導
波路、２”・・・出射側透過用導波路、３・・・非線形
材料、４・・・帰還用導波路、５・・・光増幅器、６・
・・導波路、７・・・ブラッグ反射形骨波器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２本の光導波路が所定の角度で交差し
   、該交差する領域を中心に入射光を入射する入力側光導
   波路、導波光を取り出す出力側光導波路とした場合に一
   方の該入力側光導波路から前記入射光を入射し、任意の
   該出力側光導波路から出射光を取り出す導波路型光スイ
   ッチにおいて、 前記交差領域の一部に光強度によって屈折率が大きく変
   化する光学非線形材料を配置すると共に前記出力側光導
   波路の少なくとも１本の一部に前記導波光を実質的に分
   波せしてめて前記入力側光導波路に帰還させるループを
   形成したことを特徴とする導波路型光スイッチ。