JPWO2004102266A1 - 光スイッチ装置 - Google Patents
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Abstract
波長選択スイッチ機能の小型化、低コスト化を図る。出力導波路（ｗｇ）は、運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列する。入力導波路（ｗｇａ）、（ｗｇｂ）は、出力導波路（ｗｇ）と同じ導波路間隔で少なくとも２本配列する。第１のスラブ導波路（ＳＬ１）は、入力導波路（ｗｇａ）、（ｗｇｂ）から伝搬された光を拡散して位相差導波路（ａｒｒ１）へ出力し、位相差導波路（ａｒｒ１）から伝搬された光を入力導波路（ｗｇａ）、（ｗｇｂ）へ集光する。第２のスラブ導波路（ＳＬ２）は、位相差導波路（ａｒｒ１）から伝搬された光を波長毎に集光して出力導波路（ｗｇ）へ分光し、出力導波路（ｗｇ）から伝搬された光を拡散して位相差導波路（ａｒｒ１）に出力する。光スイッチ処理部（２０）は、出力導波路（ｗｇ）の隣接導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路（ｗｇａ）、（ｗｇｂ）から出力させる。
Description
本発明は光スイッチ装置に関し、特にＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）の光信号の波長を選択してスイッチングを行う光スイッチ装置に関する。
光通信ネットワークは、情報通信ネットワークの基盤形成の核となるもので、一層のサービスの高度化、広域化が望まれており、中でもＷＤＭは光伝送システムの中心技術として、急速に開発が進んでいる。ＷＤＭは、波長（色）の異なる光を多重して、１本の光ファイバで複数の信号を同時に伝送する方式である。
また、ＷＤＭによりフォトニックネットワークを構築する場合、光信号のスイッチ技術である光クロスコネクト（ＯＸＣ：ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｏｓｓ−ｃｏｎｎｅｃｔ）を行って、波長資源の有効化を図っている。
図１６は光クロスコネクトの概要を示す図である。図のシステムでは、ＯＡＤＭ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）部１０１と光スイッチ部１０２ａがルートＲ１の光ファイバで接続し、光スイッチ部１０２ａは、ルートＲ２の光ファイバでＯＡＤＭ部１０３と接続している。ＯＡＤＭ部１０１は、光スイッチ部１０１ａ、合波器１０１ｂ、分波器１０１ｃを含み、ＯＡＤＭ部１０３は、光スイッチ部１０３ａを含む（光スイッチ部１０３ａ内の合波器、分波器の図示は省略）。
ＯＡＤＭ部１０１の合波器１０１ｂでは、各波長の光信号を多重して（Ａｄｄ）、多重信号を光スイッチ部１０１ａへ出力する。光スイッチ部１０１ａは、合波器１０１ｂからの信号及びルートＲ１を流れる信号の複数の波長をスイッチ処理して、ルートＲ１へ出力、または分波器１０１ｃへ出力する。分波器１０１ｃは、多重信号を波長毎に分波して出力する（Ｄｒｏｐ）。また、光スイッチ部１０２ａは、ルートＲ１、Ｒ２からの光信号をスイッチ処理して出力し、ＯＡＤＭ部１０３は、ＯＡＤＭ部１０１と同様に、光信号のスイッチ処理を行いＡｄｄ／Ｄｒｏｐする。
ここで、光スイッチ部１０１ａから出力されたルートＲ１上の波長をλＡ、λＢ、λＣ、λＤとし、光スイッチ部１０３ａから出力されたルートＲ２上の波長をλａ、λｂ、λｃ、λｄとする。λＡとλａ、λＢとλｂ、λＣとλｃ、λＤとλｄは、それぞれ同じ波長帯域を持つ。例えば、λＡとλａは共に１５５０ｎｍの波長帯域である（ただし、λＡにのっている情報と、λａにのっている情報とは異なるものである）。
光スイッチ部１０２ａでは、同じ波長帯域の情報をルートＲ１、Ｒ２相互に入れ替えてスイッチ処理する（同じ波長帯域同士で情報交換を行う）。図の場合、光スイッチ部１０２ａは、波長λＡと波長λａとを入れ替え、波長λＤと波長λｄとを入れ替えており、光スイッチ後は、ルートＲ１へ波長λａ、λＢ、λＣ、λｄを出力し、ルートＲ２へ波長λＡ、λｂ、λｃ、λＤを出力している。
図１７は光スイッチ部１０２ａの内部構成を示す図である。光スイッチ部１０２ａは、分波器１０２ａ−１、１０２ａ−２、合波器１０２ａ−３、１０２ａ−４、２×２スイッチＳＷ１〜ＳＷｎから構成される（光スイッチ部１０１ａ、１０３ａの構成も基本的に光スイッチ部１０２ａと同様である）。
分波器１０２ａ−１の入力部はルートＲ１ｉｎと接続し、分波器１０２ａ−２の入力部はルートＲ２ｉｎと接続する。合波器１０２ａ−３の出力部はルートＲ１ｏｕｔと接続し、合波器１０２ａ−４の出力部はルートＲ２ｏｕｔと接続する。
なお、合分波器には、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅ−ｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ：回折格子型導波路）が使用される。通常のＡＷＧは、石英系ガラスの光導波路を用いた光回路で構成され（量産性に優れ、ＷＤＭシステムに数多く導入されている）、複数波長の光信号を波長毎に異なる導波路に分けて出力したり、異なる波長の光を１つの導波路に合波して出力したりする。
ここで、図からわかるように、光スイッチ部１０２ａのような少なくとも２つの異なるファイバルート（ルートＲ１、Ｒ２）へ波長選択する機能のデバイスでは、ＡＷＧが４台と、２×２スイッチが波長数分（ｎ波長多重されている信号をスイッチングするなら、２×２スイッチはｎ台）必要となる。
波長選択スイッチ機能を有する光スイッチの従来技術としては、ＡＷＧの導波路の屈折率を一定割合で変化させて波長可変フィルタを構成し、光スイッチに適用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−７２１５７号公報（段落番号〔００６４〕〜〔００６５〕、第１５図）
また、ＷＤＭによりフォトニックネットワークを構築する場合、光信号のスイッチ技術である光クロスコネクト（ＯＸＣ：ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｏｓｓ−ｃｏｎｎｅｃｔ）を行って、波長資源の有効化を図っている。
図１６は光クロスコネクトの概要を示す図である。図のシステムでは、ＯＡＤＭ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）部１０１と光スイッチ部１０２ａがルートＲ１の光ファイバで接続し、光スイッチ部１０２ａは、ルートＲ２の光ファイバでＯＡＤＭ部１０３と接続している。ＯＡＤＭ部１０１は、光スイッチ部１０１ａ、合波器１０１ｂ、分波器１０１ｃを含み、ＯＡＤＭ部１０３は、光スイッチ部１０３ａを含む（光スイッチ部１０３ａ内の合波器、分波器の図示は省略）。
ＯＡＤＭ部１０１の合波器１０１ｂでは、各波長の光信号を多重して（Ａｄｄ）、多重信号を光スイッチ部１０１ａへ出力する。光スイッチ部１０１ａは、合波器１０１ｂからの信号及びルートＲ１を流れる信号の複数の波長をスイッチ処理して、ルートＲ１へ出力、または分波器１０１ｃへ出力する。分波器１０１ｃは、多重信号を波長毎に分波して出力する（Ｄｒｏｐ）。また、光スイッチ部１０２ａは、ルートＲ１、Ｒ２からの光信号をスイッチ処理して出力し、ＯＡＤＭ部１０３は、ＯＡＤＭ部１０１と同様に、光信号のスイッチ処理を行いＡｄｄ／Ｄｒｏｐする。
ここで、光スイッチ部１０１ａから出力されたルートＲ１上の波長をλＡ、λＢ、λＣ、λＤとし、光スイッチ部１０３ａから出力されたルートＲ２上の波長をλａ、λｂ、λｃ、λｄとする。λＡとλａ、λＢとλｂ、λＣとλｃ、λＤとλｄは、それぞれ同じ波長帯域を持つ。例えば、λＡとλａは共に１５５０ｎｍの波長帯域である（ただし、λＡにのっている情報と、λａにのっている情報とは異なるものである）。
光スイッチ部１０２ａでは、同じ波長帯域の情報をルートＲ１、Ｒ２相互に入れ替えてスイッチ処理する（同じ波長帯域同士で情報交換を行う）。図の場合、光スイッチ部１０２ａは、波長λＡと波長λａとを入れ替え、波長λＤと波長λｄとを入れ替えており、光スイッチ後は、ルートＲ１へ波長λａ、λＢ、λＣ、λｄを出力し、ルートＲ２へ波長λＡ、λｂ、λｃ、λＤを出力している。
図１７は光スイッチ部１０２ａの内部構成を示す図である。光スイッチ部１０２ａは、分波器１０２ａ−１、１０２ａ−２、合波器１０２ａ−３、１０２ａ−４、２×２スイッチＳＷ１〜ＳＷｎから構成される（光スイッチ部１０１ａ、１０３ａの構成も基本的に光スイッチ部１０２ａと同様である）。
分波器１０２ａ−１の入力部はルートＲ１ｉｎと接続し、分波器１０２ａ−２の入力部はルートＲ２ｉｎと接続する。合波器１０２ａ−３の出力部はルートＲ１ｏｕｔと接続し、合波器１０２ａ−４の出力部はルートＲ２ｏｕｔと接続する。
なお、合分波器には、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅ−ｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ：回折格子型導波路）が使用される。通常のＡＷＧは、石英系ガラスの光導波路を用いた光回路で構成され（量産性に優れ、ＷＤＭシステムに数多く導入されている）、複数波長の光信号を波長毎に異なる導波路に分けて出力したり、異なる波長の光を１つの導波路に合波して出力したりする。
ここで、図からわかるように、光スイッチ部１０２ａのような少なくとも２つの異なるファイバルート（ルートＲ１、Ｒ２）へ波長選択する機能のデバイスでは、ＡＷＧが４台と、２×２スイッチが波長数分（ｎ波長多重されている信号をスイッチングするなら、２×２スイッチはｎ台）必要となる。
波長選択スイッチ機能を有する光スイッチの従来技術としては、ＡＷＧの導波路の屈折率を一定割合で変化させて波長可変フィルタを構成し、光スイッチに適用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
近年の爆発的なインターネットの普及などで、伝送容量は増大の一途をたどっている。このような状況に対応するため、１本の光ファイバ中を数十〜数百波の波長チャネルがそれぞれ６００Ｍｂｐｓ〜１０Ｇｂｐｓの高速で、総計Ｔｂｐｓオーダの超大容量の伝送量が一束となり流れるＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ ＷＤＭ：高密度波長多重方式）が注目され開発されている。
ＤＷＤＭを用いたフォトニック・メトロネットワークで光クロスコネクトを行う場合、非常に多くの波長が多重された光信号を扱うことになるので、スイッチ処理すべきチャネル数が大幅に増加する。
数百波の波長チャネルを扱うＤＷＤＭに対して、図１７で示したような構成の光スイッチ部１０２ａで光クロスコネクトを実現しようとすると、数百の波長数を合分波できる大規模（大寸法）なＡＷＧを設置し、かつ２×２スイッチも数百台分設けなければならない。
このため、図１７で示した従来の光スイッチ部１０２ａを用いたシステムでは、装置規模の拡大化、高コスト化を招いてしまい、経済的で運用性の高いフォトニックネットワークを構築することができなかった。
さらに、従来では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）のような微小電気機械部品を用いたスイッチセルによって、メカニカルに光スイッチングを実現する場合もあるが、高集積光スイッチ素子の複雑な制御性や装置規模の大きさなどの理由により、ダウンサイジング及びコストダウンがやはり困難であるといった問題があった。
ＤＷＤＭを用いたフォトニック・メトロネットワークで光クロスコネクトを行う場合、非常に多くの波長が多重された光信号を扱うことになるので、スイッチ処理すべきチャネル数が大幅に増加する。
数百波の波長チャネルを扱うＤＷＤＭに対して、図１７で示したような構成の光スイッチ部１０２ａで光クロスコネクトを実現しようとすると、数百の波長数を合分波できる大規模（大寸法）なＡＷＧを設置し、かつ２×２スイッチも数百台分設けなければならない。
このため、図１７で示した従来の光スイッチ部１０２ａを用いたシステムでは、装置規模の拡大化、高コスト化を招いてしまい、経済的で運用性の高いフォトニックネットワークを構築することができなかった。
さらに、従来では、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）のような微小電気機械部品を用いたスイッチセルによって、メカニカルに光スイッチングを実現する場合もあるが、高集積光スイッチ素子の複雑な制御性や装置規模の大きさなどの理由により、ダウンサイジング及びコストダウンがやはり困難であるといった問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、波長選択スイッチ機能の小型化、低コスト化を図り、経済的で運用性の高い光スイッチ装置を提供することを目的とする。
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、光信号のスイッチ処理を行う光スイッチ装置１において、光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路ｗｇと、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂと、伝搬光に光路差をつける位相差導波路ａｒｒ１と、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１へ出力し、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ集光する第１のスラブ導波路ＳＬ１と、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては波長毎に集光して出力導波路ｗｇへ分光し、出力導波路ｗｇから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１に出力する第２のスラブ導波路ＳＬ２と、から構成される回折格子型導波路１０と、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから出力させる光スイッチ処理部２０と、を有することを特徴とする光スイッチ装置１が提供される。
ここで、出力導波路ｗｇは、光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列する。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂは、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で少なくとも２本配列する。位相差導波路ａｒｒ１は、伝搬光に光路差をつける。第１のスラブ導波路ＳＬ１は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１へ出力し、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ集光する。第２のスラブ導波路ＳＬ２は、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては波長毎に集光して出力導波路ｗｇへ分光し、出力導波路ｗｇから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１に出力する。光スイッチ処理部２０は、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから出力させる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、光信号のスイッチ処理を行う光スイッチ装置１において、光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路ｗｇと、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂと、伝搬光に光路差をつける位相差導波路ａｒｒ１と、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１へ出力し、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ集光する第１のスラブ導波路ＳＬ１と、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては波長毎に集光して出力導波路ｗｇへ分光し、出力導波路ｗｇから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１に出力する第２のスラブ導波路ＳＬ２と、から構成される回折格子型導波路１０と、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから出力させる光スイッチ処理部２０と、を有することを特徴とする光スイッチ装置１が提供される。
ここで、出力導波路ｗｇは、光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列する。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂは、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で少なくとも２本配列する。位相差導波路ａｒｒ１は、伝搬光に光路差をつける。第１のスラブ導波路ＳＬ１は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１へ出力し、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ集光する。第２のスラブ導波路ＳＬ２は、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては波長毎に集光して出力導波路ｗｇへ分光し、出力導波路ｗｇから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１に出力する。光スイッチ処理部２０は、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから出力させる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
図１は、本発明の光スイッチ装置の原理図である。
図２は、従来と本発明の波長選択スイッチ機能の差異を示すためのイメージ図である。
図３は、一般のＡＷＧの構成を示す図である。
図４は、ＡＷＧの透過特性を示す図である。
図５は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図６は、出力導波路の状態を示す図である。
図７は、光スイッチ処理部の構成を示す図である。
図８は、分岐部を示す図である。
図９は、分岐部を示す図である。
図１０は、分岐部を示す図である。
図１１は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１２は、光スイッチ処理部の構成を示す図である。
図１３は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１４は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１５は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１６は、光クロスコネクトの概要を示す図である。
図１７は、光スイッチ部の内部構成を示す図である。
図２は、従来と本発明の波長選択スイッチ機能の差異を示すためのイメージ図である。
図３は、一般のＡＷＧの構成を示す図である。
図４は、ＡＷＧの透過特性を示す図である。
図５は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図６は、出力導波路の状態を示す図である。
図７は、光スイッチ処理部の構成を示す図である。
図８は、分岐部を示す図である。
図９は、分岐部を示す図である。
図１０は、分岐部を示す図である。
図１１は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１２は、光スイッチ処理部の構成を示す図である。
図１３は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１４は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１５は、光スイッチ装置の構成を示す図である。
図１６は、光クロスコネクトの概要を示す図である。
図１７は、光スイッチ部の内部構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の光スイッチ装置の原理図である。光スイッチ装置１は、回折格子型導波路（以下、ＡＷＧ）１０と光スイッチ処理部２０とを有し、ＷＤＭ信号の波長を選択してスイッチ処理を行う装置である。
ＡＷＧ１０は、光導波路として、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、位相差導波路ａｒｒ１、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２、出力導波路ｗｇを有し、これらの導波路は、例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。出力導波路ｗｇは、ＷＤＭ信号に対し、運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列する。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂは、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で配列する。
位相差導波路ａｒｒ１は、導波路の長さがそれぞれ異なり、伝搬光に光路差をつける。また、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２は、薄膜状の高屈折率領域内に光を閉じ込めて伝搬させる型の光導波路である。
スラブ導波路ＳＬ１（第１のスラブ導波路）は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１へ出力し、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ集光する。
スラブ導波路ＳＬ２（第２のスラブ導波路）は、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては波長毎に集光して出力導波路ｗｇへ分光（分波）し（入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから入射した波長群は、出力導波路ｗｇの１つおき、または複数おきに分光される）、出力導波路ｗｇから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１に出力する。
光スイッチ処理部２０は、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の情報に対し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから折り返し出力させる。
図２は従来と本発明の波長選択スイッチ機能の差異を示すためのイメージ図である。２つの異なるファイバルートへの波長選択スイッチ処理を行う従来の光スイッチ部１０２ａでは、ｎ分波するＡＷＧを２台、２×２スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをｎ台、ｎ合波するＡＷＧを２台必要としていた。
一方、本発明の光スイッチ装置１で光スイッチ部１０２ａの機能を実現させる場合、２ｎ分波・合波する１台のＡＷＧ１０と、光スイッチ処理部２０（図中の鎖線で反射折り返しさせる２×２スイッチＳＷ１−１〜ＳＷｎ−１に該当）とで構成される（光スイッチ処理部２０の具体的な構成は後述する）。
本発明では、ＡＷＧ１０及び光スイッチ処理部２０により、反射型ＡＷＧを構成することで、ＡＷＧ及び２×２スイッチの両方の機能を実現するものである。これにより、従来の光スイッチ部１０２ａよりはるかに少ない実装部品及びはるかに小さい実装面積で構成することができ、小型化、低コスト化を実現することが可能になる。なお、本発明の詳細な構成及び動作は図５以降で説明する。
次に本発明の詳細を説明する前に一般のＡＷＧの概要について説明する。図３は一般のＡＷＧの構成を示す図である。ＡＷＧ７０に対し、入力導波路７１から入射された波長λ１〜λｎのＷＤＭ信号は、スラブ導波路７２ａ内において回折により広がり、位相差導波路７３の各導波路に分配される。位相差導波路７３で分配されて伝わってきた光は、位相差導波路毎の長さが異なるために、スラブ導波路７２ｂに到達するときには位相差（光路差）を持つようになる。
位相差導波路７３の長さを調整して位相差を最適にして、グレーティング（回折格子）と同様な特性を示すようにすると（波長分解させると）、波長により異なった位置に光は集光するようになる。
各位相差導波路を出射した光は、スラブ導波路７２ｂの入射端で位相差のついた点光源列となり、スラブ導波路７２ｂ内では回折により広がり、干渉により波長に応じて強められ、異なる出力導波路７４に集光し、出力導波路７４で分光（各波長に分波）される。また、逆から異なる波長の光を入射すると、１つの導波路に合波されて出力されるようになる。
図４はＡＷＧの透過特性を示す図である。図は１６×１６の波長多重用ＡＷＧの各出射導波路への透過率を示しており、縦軸は透過率（ｄＢ）、横軸は波長（ｎｍ）である。各出射導波路は、特定の波長帯域の光のみを通過させ、他の波長の光は通過しない。通過帯域は、透過率のピークの帯域であり、チャネルと呼ばれる。この図では、チャネル数は１６であり、通過帯域の波長間隔は０．０８ｎｍ（１０ＧＨｚ）と狭くしている（なお、クロストークは−３０ｄＢ以下）。
ここで、ＡＷＧの波長分解能を決定する際の分波波長差Δλは、以下の式（１）で求められる。ただし、ｎｓはスラブ導波路実効屈折率、ｆはスラブ導波路焦点距離、ｎｃは位相差導波路実効屈折率、ｎｇは位相差導波路群屈折率、ΔＬは位相差導波路光路差、ｄは位相差導波路間隔、ΔＸは出力導波路間隔、λ０は位相差出力導波路中心波長である。
Δλ＝ｎｓ・ｄ・ｎｃ・ΔＸ／ｆ・（ｎｃ・ΔＬ・／λ０）・ｎｇ
・・・（１）
式（１）からわかるように、ΔλはΔＸと比例しているので、式（１）を簡略して書くとΔλ＝ｋ・ΔＸとなる（ｋは定数）。したがって、出力導波路の間隔ΔＸを調整して、その他のパラメータを一定にしておけば、Δλを任意に構成できる（ΔＸを調整することで、Δλを例えば、１０ｎｍ毎、５０ｎｍ毎というように波長間隔を変えて分光させることができる）。
次に本発明の光スイッチ装置の構成及び動作について詳しく説明する。図５は光スイッチ装置１の構成を示す図である。光スイッチ装置１は、ＡＷＧ１０、光スイッチ処理部２０、光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２から構成され、ＷＤＭの入力信号であるＷＤＭａとＷＤＭｂとの同一波長による光スイッチングを行う。
光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２は、３ポートの循環型のポート構成を有している。光サーキュレータＣｒ１では、入力ファイバｆ１ｉｎからポートＰ１に入力した光信号（第１のルートの光信号）をポートＰ２から入力導波路ｗｇａへ入射し、入力導波路ｗｇａからポートＰ２に入力した光信号をポートＰ３から出力ファイバｆ１ｏｕｔへ出力する。
光サーキュレータＣｒ２では、入力ファイバｆ２ｉｎからポートＰ１に入力した光信号（第２のルートの光信号）をポートＰ２から入力導波路ｗｇｂへ入射し、入力導波路ｗｇｂからポートＰ２に入力した光信号をポートＰ３から出力ファイバｆ２ｏｕｔへ出力する。
ＡＷＧ１０は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２、位相差導波路ａｒｒ１、出力導波路ｗｇを有し、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成されている。出力導波路ｗｇは、ＷＤＭ信号に対し、運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列させる。
例えば、ＷＤＭａ、ｂが１００ｎｍ間隔で波長多重されている信号であれば、出力導波路ｗｇの分波波長差Δλが５０ｎｍとなるように、導波路間隔を式（１）から求めて配列させる。
なお、出力導波路ｗｇの本数は、ＷＤＭａ、ｂがそれぞれｎ波多重されているならば、出力導波路は２ｎ本配列することになる（例えば、ＷＤＭａ、ｂがそれぞれ１６波の多重信号なら、出力導波路ｗｇは３２本配列させる）。
入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂは、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で２本（入力ＷＤＭ信号と同じ本数）を配列する。例えば、出力導波路ｗｇが、分波波長差Δλを５０ｎｍとした際の間隔ピッチがΔＸ１ならば、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂの間隔ピッチもΔＸ１とする。
入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂと出力導波路ｗｇを上記のようにして配設すると、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂそれぞれから入射した波長群を、出力導波路ｗｇの１つおき、または複数おきに分光することができる。
すなわち、入力導波路ｗｇａから入射した波長多重光は、スラブ導波路ＳＬ１で拡散し、位相差導波路ａｒｒ１で細かく分割されて入射・伝搬し、スラブ導波路ＳＬ２入射端にて位相差の付いた点光源列となり、互いに干渉するため波長によって異なる方向へ強められて集光され、出力導波路ｗｇの例えば、奇数番導波路ｗｇ１、ｗｇ３、…、ｗｇ２ｎ−１で波長分割し分光される。
同様に、入力導波路ｗｇｂから入射した波長多重光は、スラブ導波路ＳＬ１で拡散し、位相差導波路ａｒｒ１で細かく分割されて入射・伝搬し、スラブ導波路ＳＬ２入射端にて位相差の着いた点光源列となり、互いに干渉するため波長によって異なる方向へ強められて集光される。ただし、この場合、入力導波路ｗｇａとは異なる位置でスラブ導波路ＳＬ１へ出射しているため、今度は出力導波路ｗｇの偶数番導波路ｗｇ２、ｗｇ４、…、ｗｇ２ｎで波長分割し分光される。
図６は出力導波路ｗｇの状態を示す図である。ＷＤＭａが分光された出力導波路（奇数番導波路）とＷＤＭｂが分光された出力導波路（偶数番導波路）とは交互に現れる。また、ＷＤＭａ、ｂそれぞれが１００ｎｍ間隔で波長多重されている信号として、出力導波路ｗｇの分波波長差Δλを５０ｎｍとしたときの導波路間隔ピッチをΔＸ１とする。この場合、奇数番導波路同士の間隔ピッチ及び偶数番導波路同士の間隔ピッチは２・ΔＸ１（波長差１００ｎｍに対応）、奇数番導波路と偶数番導波路との間隔ピッチはΔＸ１（波長差５０ｎｍに対応）である。
さらに、隣接して対となる奇数番導波路と偶数番導波路に、ＷＤＭａ、ｂのそれぞれの同じ波長帯域の光が通る（異なるＷＤＭ信号の同じ波長帯域同士の信号が対になって隣接する出力導波路に分光される）。例えば、奇数番導波路ｗｇ１にＷＤＭａの１５５０ｎｍのλ１ａが出力し、偶数番導波路ｗｇ２にＷＤＭｂの１５５０ｎｍのλ１ｂが出力する。
一方、図５に戻って光スイッチ処理部２０に対し、光スイッチ処理部２０はＡＷＧ１０の出力導波路ｗｇ端に設けられており、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路（対となる奇数番導波路と偶数番導波路）の同じ波長帯域の情報に、２×２単位のスイッチ処理を施し全反射させて、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから折り返し出力させる。
すなわち、光スイッチ処理部２０は、入力導波路ｗｇａから入射して奇数番導波路に分光された信号と、入力導波路ｗｇｂから入射して偶数番導波路に分光された信号に対し、同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路とを通る信号の切り替えを行う。このとき、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長は、反射した後に、偶数番導波路から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇｂから出力する。そして、光サーキュレータＣｒ２のポートＰ２に入力し、ポートＰ３から出力ファイバｆ２ｏｕｔ上へ出力する。
また、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長は、反射した後に、奇数番導波路から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇａから出力する。そして、光サーキュレータＣｒ１のポートＰ２に入力し、ポートＰ３から出力ファイバｆ１ｏｕｔ上へ出力する（スイッチ切り替えの対象となる波長、またはスイッチ切り替えしない波長は任意に設定可能である）。
例えば、入力ファイバｆ１ｉｎから伝送されたＷＤＭａのλ１ａと、入力ファイバｆ２ｉｎから伝送されたＷＤＭｂのλ１ｂに対し、ＡＷＧ１０によって、λ１ａが奇数番導波路ｗｇ１に分光され、λ１ｂが偶数番導波路ｗｇ２に分光されたとする。
このとき、光スイッチ処理部２０がλ１ａとλ１ｂとを切り替えたならば、λ１ａは偶数番導波路ｗｇ２から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇｂから出力し、光サーキュレータＣｒ２を介して出力ファイバｆ２ｏｕｔへ出力する。
また、λ１ｂは奇数番導波路ｗｇ１から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇａから出力し、光サーキュレータＣｒ１を介して出力ファイバｆ１ｏｕｔへ出力する。なお、光スイッチ処理部２０が切り替えを行わない場合には、同一導波路を逆に辿り、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂからそれぞれ入射した波長は、元の入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから出力することになる。
次に光スイッチ処理部２０の構成について説明する。図７は光スイッチ処理部の構成を示す図である。光スイッチ処理部２０−３は、分岐部Ｂｒ１〜Ｂｒ２ｎ、分岐導波路ｂ１−１〜ｂ（２ｎ−１）−１、ｂ１−２〜ｂ（２ｎ−１）−２、ｂ２−２〜ｂ（２ｎ）−２、ｂ２−１〜ｂ（２ｎ）−１、反射膜２１ａから構成される。
分岐部Ｂｒ１〜Ｂｒ２ｎは、各出力導波路それぞれに設ける。また、すべての分岐導波路は反射膜２１ａと接続する。このとき、分岐導波路ｂ１−２、ｂ２−２は、反射膜２１ａの反射点ｒｅｆ１で互いに接続し、分岐導波路ｂ３−２、ｂ４−２は、反射膜２１ａの反射点ｒｅｆ２で互いに接続する。以下同様にして分岐導波路ｂ（２ｎ−１）−２、ｂ（２ｎ）−２は、反射膜２１ａの反射点ｒｅｆ（ｎ）で互いに接続する。
次に動作について説明する（奇数番導波路ｗｇ１と偶数番導波路ｗｇ２のスイッチングを例にする）。奇数番導波路ｗｇ１を伝搬してきた光は、分岐部Ｂｒ１により分岐導波路ｂ１−１、または分岐導波路ｂ１−２に光路がスイッチされる。分岐導波路ｂ１−１に進んだ場合、反射膜２１ａにより反射してそのまま分岐導波路ｂ１−１を逆に通り、奇数番導波路ｗｇ１へ戻っていく。一方、分岐導波路ｂ１−２に進んだ場合は、反射膜２１ａ上の反射点ｒｅｆ１で反射され、分岐導波路ｂ２−２を通り、偶数番導波路ｗｇ２へと進んでいく。
また、偶数番導波路ｗｇ２を伝搬してきた光は、分岐部Ｂｒ２により分岐導波路ｂ２−２、またはｂ２−１に光路がスイッチされ、上記と同様にして、奇数番導波路ｗｇ１または偶数番導波路ｗｇ２にそれぞれ進む。
図８は分岐部を示す図である。分岐部Ｂｒ１−１は、電極１１ａ、１１ｂを導波路上に配置し、熱光学効果または電気光学効果などにより屈折率変化をもたせることで分岐路を変えて、光路スイッチを行う。例えば、奇数番導波路ｗｇ１から伝搬してきた光は、無通電時は分岐導波路ｂ１−１へ、電極１１ａをＧＮＤ、電極１１ｂに＋Ｖをかければ、分岐導波路ｂ１−２へスイッチングされる。
図９は分岐部を示す図である。図に示す分岐部Ｂｒ１−２は音響光学効果を用いて分岐路を変えるもので、櫛形電極１２を利用する。櫛形電極１２が無通電の場合は、光は分岐導波路ｂ１−１へ進み、櫛形電極１２を通電した場合は、発生する弾性表面波と光の相互作用により、光は分岐導波路ｂ１−２の方向へ回折する。
図１０は分岐部を示す図である。図に示す分岐部Ｂｒ１−３は、分岐領域に溝１４を形成し、溝１４内に屈折率整合材１４ａを充填させる。ヒータ加熱で溝１４内の屈折率整合材１４ａを気化させない場合は、奇数番導波路ｗｇ１からの光は、分岐導波路ｂ１−１の方向へ進む。また、ヒータ加熱で溝１４内の屈折率整合材１４ａを気化させると、溝１４と導波路は屈折率差が大きくなり（膜沸騰現象）、光は全反射して分岐導波路ｂ１−２の方向に進む。
以上説明したように、本発明によれば、波長毎に反射光路のルートを切り替えることにより、２つの光路のいずれかに各波長を選択的にスイッチングできるため、１台のＡＷＧ１０と、ＡＷＧ１０と同一のＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）上に形成された、または別体に形成・接続された光スイッチ処理部２０（スイッチアレイ）により、波長選択スイッチ機能を小型化、低コスト化することが可能になる。
次に本発明の光スイッチ装置１の製造方法について説明する。ＡＷＧなどの光導波路デバイスは、信頼性に優れている石英に代表されるシリカ系ＰＬＣで作製できる（そのプロセスなどはすでによく知られている）。
また、フッ素化ポリイミドなどのポリマ材料を用いて作製すれば、シリカ系ＰＬＣよりも１桁小さい消費電力でスイッチングを行うこともできる（ガラスの場合１８０ｍＷ、ポリマの場合１８ｍＷ）。そのため、ポリマ材料で形成すればＡＷＧ１０の温度制御幅が小さくできるというメリットを有する。
さらに、ＬｉＮｂＯ３などの電気光学結晶材料を用いれば、上記のような熱光学効果による位相変化ではなく、電気光学効果による位相変化を利用することができる。この場合のデバイスの構成は材料が異なるだけで、熱光学効果を用いたものと効果はほとんど同じである。あるいは、電気光学特性を有する有機材料を用いることもできる。
さらにまた、光スイッチ装置１は、ＡＷＧ１０と光スイッチ処理部２０とを個別に製造して接合した構成としてもよい。このようにすることで、それぞれの個々の部分の特性に優れた材料を選択することができる。
例えば、高度な信頼性が要求されるＡＷＧ１０をシリカガラスのＰＬＣで製造し、低消費電力が要求される熱光学効果を用いた光スイッチ処理部２０には、フッ素化ポリイミドで製造する。フッ素化ポリイミドの熱光学係数はガラスの１０倍ほど大きいため、光路変換に必要な消費電力が１／１０になる。
次に本発明の光スイッチ装置１の他の実施の形態について図１１〜図１５を用いて説明する。図１１は光スイッチ装置の構成を示す図である。上述の光スイッチ装置１の構成は反射型ＡＷＧであったが、光スイッチ装置３の構成は、光スイッチ処理後の信号を反射させずに、後段に設けたもう１つのＡＷＧを透過させて出力する透過型ＡＷＧである。
光スイッチ装置３は、ＡＷＧ３０ａ（ＡＷＧ１０と同じ）、光スイッチ処理部３０ｂ、ＡＷＧ３０ｃから構成され、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。ＡＷＧ３０ａは、光導波路として、入力導波路ｗｇａｉｎ、ｗｇｂｉｎ、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２、位相差導波路ａｒｒ１、出力導波路ｗｇｏ ｕｔを有し、ＡＷＧ３０ｃは、光導波路として、入力導波路ｗｇｉｎ、スラブ導波路ＳＬ３、ＳＬ４、位相差導波路ａｒｒ２、出力導波路ｗｇａｏｕｔ、ｗｇｂｏｕｔを有する。
ＡＷＧ３０ｃの入力導波路ｗｇｉｎはＡＷＧ３０ａの出力導波路ｗｇｏｕｔと同じピッチで同じ本数配列し、出力導波路ｗｇａｏｕｔ、ｗｇｂｏｕｔの配列も出力導波路ｗｇｏｕｔと同じピッチで、入力導波路ｗｇａｉｎ、ｗｇｂｉｎ、と同じ本数配列する。
図１２は光スイッチ処理部３０ｂの構成を示す図である。光スイッチ処理部３０ｂは、分岐部Ｂｒ１〜Ｂｒ２ｎ、Ｂｒ’１〜Ｂｒ’２ｎ、分岐導波路ｂ１−１〜ｂ（２ｎ−１）−１、ｂ１−２〜ｂ（２ｎ−１）−２、ｂ２−２〜ｂ（２ｎ）−２、ｂ２−１〜ｂ（２ｎ）−１から構成される。光スイッチ処理部３０ｂは、光スイッチ処理部２０−３の反射膜２１ａをとって折り返しをしない構成としたものである。なお、分岐導波路は、単に交差しているだけで接続しているわけではない。
ＡＷＧ３０ａの出力導波路ｗｇｏｕｔに対し、出力導波路ｗｇｏｕｔの奇数番導波路ｗｇｏｕｔ１は分岐部Ｂｒ１と接続し、偶数番導波路ｗｇｏｕｔ２は分岐部Ｂｒ２と接続し、以下同様にして奇数番導波路ｗｇｏｕｔ（２ｎ−１）は分岐部Ｂｒ２ｎ−１と接続し、偶数番導波路ｗｇｏｕｔ（２ｎ）は分岐部Ｂｒ２ｎと接続する。
ＡＷＧ３０ｃの入力導波路ｗｇｉｎに対し、入力導波路ｗｇｉｎの奇数番導波路ｗｇｉｎ１は分岐部Ｂｒ’１と接続し、偶数番導波路ｗｇｉｎ２は分岐部Ｂｒ’２と接続し、以下同様にして奇数番導波路ｗｇｉｎ（２ｎ−１）は分岐部Ｂｒ’２ｎ−１と接続し、偶数番導波路ｗｇｉｎ（２ｎ）は分岐部Ｂｒ’２ｎと接続する。なお、光スイッチ装置３は、ＡＷＧ３０ａ、３０ｃを含む基板と、光スイッチ処理部３０ｂとを個別に製造して接合した構成としてもよい。
次に動作について説明する。分波側回折格子型導波路３０ａ（ＡＷＧ３０ａ）は、入力導波路ｗｇａｉｎから入射した波長群を、スラブ導波路ＳＬ１、位相差導波路ａｒｒ１、スラブ導波路ＳＬ２を介し、出力導波路ｗｇｏｕｔの奇数番導波路に分光し、入力導波路ｗｇｂｉｎから入射した波長群を、出力導波路ｗｇｏｕｔの偶数番導波路に分光する。光スイッチ処理部３０ｂは、異なるルートの入力導波路ｗｇａｉｎ、ｗｇｂｉｎから入射した同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路との切り替えを行う。
合波側回折格子型導波路３０ｃ（ＡＷＧ３０ｃ）は、光スイッチ処理部３０ｂにより、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長に対しては、入力導波路ｗｇｉｎの偶数番導波路から、スラブ導波路ＳＬ３、位相差導波路ａｒｒ２、スラブ導波路ＳＬ４を介して、出力導波路ｗｇｂｏｕｔへ出力する。
また、光スイッチ処理部３０ｂにより、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長に対しては、入力導波路ｗｇｉｎの奇数番導波路から、スラブ導波路ＳＬ３、位相差導波路ａｒｒ２、スラブ導波路ＳＬ４を介して、出力導波路ｗｇａｏｕｔへ出力する。
なお、光スイッチ処理部３０ｂが切り替えを行わない場合は、入力導波路ｗｇａｉｎから入射した波長は出力導波路ｗｇａｏｕｔへ出力し、入力導波路ｗｇｂｉｎから入射した波長は出力導波路ｗｇｂｏｕｔへ出力する。
以上説明したような光スイッチ装置３の構成によっても、光スイッチ装置１と同様な効果を得ることができる。また、光スイッチ装置３では、光スイッチ装置１に設けられていた光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２が不要となる。将来、光導波路デバイスのコストダウンが、光サーキュレータのようなマイクロオプティクスデバイスより進んだ場合、光スイッチ装置３の方が低コスト化を図ることが可能になる。なお、光スイッチ装置１で上述した光スイッチ処理部２０の各種の変形例を光スイッチ処理部３０ｂに適用することが可能である。
図１３は光スイッチ装置の構成を示す図である。光スイッチ装置４は、ＡＷＧ１０の代わりに１つのスラブ導波路に反射型空間的回折格子を形成して、光スイッチ装置１と同様の効果を得るものである。光スイッチ装置４は、分光部４０、光スイッチ処理部２０、光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２から構成され、入力信号であるＷＤＭａとＷＤＭｂとの同一波長による光スイッチングを行う。光スイッチ装置１と異なる点はＡＷＧ１０が分光部４０となっている点であるので、分光部４０について説明する。
分光部４０は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、スラブ導波路４１、反射型空間的回折格子４２（反射型空間的回折格子４２はスラブ導波路４１内に設けられている）、出力導波路ｗｇを有し、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ及び出力導波路ｗｇの配設方法は、光スイッチ装置１と同じである。
スラブ導波路４１は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから入射した波長多重光を拡散し、反射型空間的回折格子４２は拡散光を回折・反射して波長毎に分解した反射光を生成する。反射光はスラブ導波路４１内で、干渉により波長に応じて強められ、異なる出力導波路ｗｇに集光し、出力導波路ｗｇで分光される。以降、光スイッチ装置１と同様に、光スイッチ処理部２０でスイッチ処理された信号は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ出力される。
このような構成にすることで、光スイッチ装置１と同様な効果を得ることができる。なお、図では、反射型空間的回折格子４２を基板内に形成しているが、反射型空間的回折格子４２を別個に製造してから基板に接合する構成としてもよい。
図１４は光スイッチ装置の構成を示す図である。光スイッチ装置４−１の反射型空間的回折格子４２ａは、例えば、アルミニウムなどの金属表面に形成して、その後に分光部４０ａの導波路基板端面に接合している。その他の構成は同様である。
図１５は光スイッチ装置の構成を示す図である。光スイッチ装置５は、反射型空間的回折格子の代わりに透過型空間的回折格子を用いたものである。光スイッチ装置５は、分光部５０、光スイッチ処理部２０、光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２から構成され、入力信号であるＷＤＭａとＷＤＭｂとの同一波長による光スイッチングを行う。光スイッチ装置１と異なる点はＡＷＧ１０が分光部５０となっている点であるので、分光部５０について説明する。
分光部５０は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、スラブ導波路５１ａ、５１ｂ、透過型空間的回折格子５２、出力導波路ｗｇを有し、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ及び出力導波路ｗｇの配設方法は、光スイッチ装置１と同じである。
スラブ導波路５１ａは、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから入射した波長多重光を拡散する。透過型空間的回折格子５２は、伝搬光を回折・透過して透過光を生成する。スラブ導波路５１ｂは、波長毎の透過光を回折により広げて、拡散光は干渉により波長に応じて強められ、異なる出力導波路ｗｇに集光し、出力導波路ｗｇで分光される。以降、光スイッチ装置１と同様に、光スイッチ処理部２０でスイッチ処理された信号は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ出力される。このように透過型の空間的回折格子を用いても、光スイッチ装置１と同様な効果を得ることができる。
以上説明したように、本発明の光スイッチ装置は、回折格子型導波路上で、出力導波路を光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列し、入力導波路を出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本配列し、また光スイッチ処理部が出力導波路の隣接する２本の同じ波長帯域の情報を２×２単位のスイッチ処理を行って入力導波路から出力させる構成とした。これにより、波長選択スイッチ機能の小型化、低コスト化を実現することができ、経済的で運用性の高いフォトニックネットワークを構築することが可能になる。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
ＡＷＧ１０は、光導波路として、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、位相差導波路ａｒｒ１、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２、出力導波路ｗｇを有し、これらの導波路は、例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。出力導波路ｗｇは、ＷＤＭ信号に対し、運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列する。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂは、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で配列する。
位相差導波路ａｒｒ１は、導波路の長さがそれぞれ異なり、伝搬光に光路差をつける。また、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２は、薄膜状の高屈折率領域内に光を閉じ込めて伝搬させる型の光導波路である。
スラブ導波路ＳＬ１（第１のスラブ導波路）は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１へ出力し、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ集光する。
スラブ導波路ＳＬ２（第２のスラブ導波路）は、位相差導波路ａｒｒ１から伝搬された光に対しては波長毎に集光して出力導波路ｗｇへ分光（分波）し（入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから入射した波長群は、出力導波路ｗｇの１つおき、または複数おきに分光される）、出力導波路ｗｇから伝搬された光に対しては拡散して位相差導波路ａｒｒ１に出力する。
光スイッチ処理部２０は、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の情報に対し、２×２単位のスイッチ処理を行って、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから折り返し出力させる。
図２は従来と本発明の波長選択スイッチ機能の差異を示すためのイメージ図である。２つの異なるファイバルートへの波長選択スイッチ処理を行う従来の光スイッチ部１０２ａでは、ｎ分波するＡＷＧを２台、２×２スイッチＳＷ１〜ＳＷｎをｎ台、ｎ合波するＡＷＧを２台必要としていた。
一方、本発明の光スイッチ装置１で光スイッチ部１０２ａの機能を実現させる場合、２ｎ分波・合波する１台のＡＷＧ１０と、光スイッチ処理部２０（図中の鎖線で反射折り返しさせる２×２スイッチＳＷ１−１〜ＳＷｎ−１に該当）とで構成される（光スイッチ処理部２０の具体的な構成は後述する）。
本発明では、ＡＷＧ１０及び光スイッチ処理部２０により、反射型ＡＷＧを構成することで、ＡＷＧ及び２×２スイッチの両方の機能を実現するものである。これにより、従来の光スイッチ部１０２ａよりはるかに少ない実装部品及びはるかに小さい実装面積で構成することができ、小型化、低コスト化を実現することが可能になる。なお、本発明の詳細な構成及び動作は図５以降で説明する。
次に本発明の詳細を説明する前に一般のＡＷＧの概要について説明する。図３は一般のＡＷＧの構成を示す図である。ＡＷＧ７０に対し、入力導波路７１から入射された波長λ１〜λｎのＷＤＭ信号は、スラブ導波路７２ａ内において回折により広がり、位相差導波路７３の各導波路に分配される。位相差導波路７３で分配されて伝わってきた光は、位相差導波路毎の長さが異なるために、スラブ導波路７２ｂに到達するときには位相差（光路差）を持つようになる。
位相差導波路７３の長さを調整して位相差を最適にして、グレーティング（回折格子）と同様な特性を示すようにすると（波長分解させると）、波長により異なった位置に光は集光するようになる。
各位相差導波路を出射した光は、スラブ導波路７２ｂの入射端で位相差のついた点光源列となり、スラブ導波路７２ｂ内では回折により広がり、干渉により波長に応じて強められ、異なる出力導波路７４に集光し、出力導波路７４で分光（各波長に分波）される。また、逆から異なる波長の光を入射すると、１つの導波路に合波されて出力されるようになる。
図４はＡＷＧの透過特性を示す図である。図は１６×１６の波長多重用ＡＷＧの各出射導波路への透過率を示しており、縦軸は透過率（ｄＢ）、横軸は波長（ｎｍ）である。各出射導波路は、特定の波長帯域の光のみを通過させ、他の波長の光は通過しない。通過帯域は、透過率のピークの帯域であり、チャネルと呼ばれる。この図では、チャネル数は１６であり、通過帯域の波長間隔は０．０８ｎｍ（１０ＧＨｚ）と狭くしている（なお、クロストークは−３０ｄＢ以下）。
ここで、ＡＷＧの波長分解能を決定する際の分波波長差Δλは、以下の式（１）で求められる。ただし、ｎｓはスラブ導波路実効屈折率、ｆはスラブ導波路焦点距離、ｎｃは位相差導波路実効屈折率、ｎｇは位相差導波路群屈折率、ΔＬは位相差導波路光路差、ｄは位相差導波路間隔、ΔＸは出力導波路間隔、λ０は位相差出力導波路中心波長である。
Δλ＝ｎｓ・ｄ・ｎｃ・ΔＸ／ｆ・（ｎｃ・ΔＬ・／λ０）・ｎｇ
・・・（１）
式（１）からわかるように、ΔλはΔＸと比例しているので、式（１）を簡略して書くとΔλ＝ｋ・ΔＸとなる（ｋは定数）。したがって、出力導波路の間隔ΔＸを調整して、その他のパラメータを一定にしておけば、Δλを任意に構成できる（ΔＸを調整することで、Δλを例えば、１０ｎｍ毎、５０ｎｍ毎というように波長間隔を変えて分光させることができる）。
次に本発明の光スイッチ装置の構成及び動作について詳しく説明する。図５は光スイッチ装置１の構成を示す図である。光スイッチ装置１は、ＡＷＧ１０、光スイッチ処理部２０、光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２から構成され、ＷＤＭの入力信号であるＷＤＭａとＷＤＭｂとの同一波長による光スイッチングを行う。
光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２は、３ポートの循環型のポート構成を有している。光サーキュレータＣｒ１では、入力ファイバｆ１ｉｎからポートＰ１に入力した光信号（第１のルートの光信号）をポートＰ２から入力導波路ｗｇａへ入射し、入力導波路ｗｇａからポートＰ２に入力した光信号をポートＰ３から出力ファイバｆ１ｏｕｔへ出力する。
光サーキュレータＣｒ２では、入力ファイバｆ２ｉｎからポートＰ１に入力した光信号（第２のルートの光信号）をポートＰ２から入力導波路ｗｇｂへ入射し、入力導波路ｗｇｂからポートＰ２に入力した光信号をポートＰ３から出力ファイバｆ２ｏｕｔへ出力する。
ＡＷＧ１０は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２、位相差導波路ａｒｒ１、出力導波路ｗｇを有し、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成されている。出力導波路ｗｇは、ＷＤＭ信号に対し、運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列させる。
例えば、ＷＤＭａ、ｂが１００ｎｍ間隔で波長多重されている信号であれば、出力導波路ｗｇの分波波長差Δλが５０ｎｍとなるように、導波路間隔を式（１）から求めて配列させる。
なお、出力導波路ｗｇの本数は、ＷＤＭａ、ｂがそれぞれｎ波多重されているならば、出力導波路は２ｎ本配列することになる（例えば、ＷＤＭａ、ｂがそれぞれ１６波の多重信号なら、出力導波路ｗｇは３２本配列させる）。
入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂは、出力導波路ｗｇと同じ導波路間隔で２本（入力ＷＤＭ信号と同じ本数）を配列する。例えば、出力導波路ｗｇが、分波波長差Δλを５０ｎｍとした際の間隔ピッチがΔＸ１ならば、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂの間隔ピッチもΔＸ１とする。
入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂと出力導波路ｗｇを上記のようにして配設すると、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂそれぞれから入射した波長群を、出力導波路ｗｇの１つおき、または複数おきに分光することができる。
すなわち、入力導波路ｗｇａから入射した波長多重光は、スラブ導波路ＳＬ１で拡散し、位相差導波路ａｒｒ１で細かく分割されて入射・伝搬し、スラブ導波路ＳＬ２入射端にて位相差の付いた点光源列となり、互いに干渉するため波長によって異なる方向へ強められて集光され、出力導波路ｗｇの例えば、奇数番導波路ｗｇ１、ｗｇ３、…、ｗｇ２ｎ−１で波長分割し分光される。
同様に、入力導波路ｗｇｂから入射した波長多重光は、スラブ導波路ＳＬ１で拡散し、位相差導波路ａｒｒ１で細かく分割されて入射・伝搬し、スラブ導波路ＳＬ２入射端にて位相差の着いた点光源列となり、互いに干渉するため波長によって異なる方向へ強められて集光される。ただし、この場合、入力導波路ｗｇａとは異なる位置でスラブ導波路ＳＬ１へ出射しているため、今度は出力導波路ｗｇの偶数番導波路ｗｇ２、ｗｇ４、…、ｗｇ２ｎで波長分割し分光される。
図６は出力導波路ｗｇの状態を示す図である。ＷＤＭａが分光された出力導波路（奇数番導波路）とＷＤＭｂが分光された出力導波路（偶数番導波路）とは交互に現れる。また、ＷＤＭａ、ｂそれぞれが１００ｎｍ間隔で波長多重されている信号として、出力導波路ｗｇの分波波長差Δλを５０ｎｍとしたときの導波路間隔ピッチをΔＸ１とする。この場合、奇数番導波路同士の間隔ピッチ及び偶数番導波路同士の間隔ピッチは２・ΔＸ１（波長差１００ｎｍに対応）、奇数番導波路と偶数番導波路との間隔ピッチはΔＸ１（波長差５０ｎｍに対応）である。
さらに、隣接して対となる奇数番導波路と偶数番導波路に、ＷＤＭａ、ｂのそれぞれの同じ波長帯域の光が通る（異なるＷＤＭ信号の同じ波長帯域同士の信号が対になって隣接する出力導波路に分光される）。例えば、奇数番導波路ｗｇ１にＷＤＭａの１５５０ｎｍのλ１ａが出力し、偶数番導波路ｗｇ２にＷＤＭｂの１５５０ｎｍのλ１ｂが出力する。
一方、図５に戻って光スイッチ処理部２０に対し、光スイッチ処理部２０はＡＷＧ１０の出力導波路ｗｇ端に設けられており、出力導波路ｗｇの隣接する２本の導波路（対となる奇数番導波路と偶数番導波路）の同じ波長帯域の情報に、２×２単位のスイッチ処理を施し全反射させて、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから折り返し出力させる。
すなわち、光スイッチ処理部２０は、入力導波路ｗｇａから入射して奇数番導波路に分光された信号と、入力導波路ｗｇｂから入射して偶数番導波路に分光された信号に対し、同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路とを通る信号の切り替えを行う。このとき、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長は、反射した後に、偶数番導波路から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇｂから出力する。そして、光サーキュレータＣｒ２のポートＰ２に入力し、ポートＰ３から出力ファイバｆ２ｏｕｔ上へ出力する。
また、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長は、反射した後に、奇数番導波路から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇａから出力する。そして、光サーキュレータＣｒ１のポートＰ２に入力し、ポートＰ３から出力ファイバｆ１ｏｕｔ上へ出力する（スイッチ切り替えの対象となる波長、またはスイッチ切り替えしない波長は任意に設定可能である）。
例えば、入力ファイバｆ１ｉｎから伝送されたＷＤＭａのλ１ａと、入力ファイバｆ２ｉｎから伝送されたＷＤＭｂのλ１ｂに対し、ＡＷＧ１０によって、λ１ａが奇数番導波路ｗｇ１に分光され、λ１ｂが偶数番導波路ｗｇ２に分光されたとする。
このとき、光スイッチ処理部２０がλ１ａとλ１ｂとを切り替えたならば、λ１ａは偶数番導波路ｗｇ２から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇｂから出力し、光サーキュレータＣｒ２を介して出力ファイバｆ２ｏｕｔへ出力する。
また、λ１ｂは奇数番導波路ｗｇ１から逆光路を辿って、入力導波路ｗｇａから出力し、光サーキュレータＣｒ１を介して出力ファイバｆ１ｏｕｔへ出力する。なお、光スイッチ処理部２０が切り替えを行わない場合には、同一導波路を逆に辿り、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂからそれぞれ入射した波長は、元の入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから出力することになる。
次に光スイッチ処理部２０の構成について説明する。図７は光スイッチ処理部の構成を示す図である。光スイッチ処理部２０−３は、分岐部Ｂｒ１〜Ｂｒ２ｎ、分岐導波路ｂ１−１〜ｂ（２ｎ−１）−１、ｂ１−２〜ｂ（２ｎ−１）−２、ｂ２−２〜ｂ（２ｎ）−２、ｂ２−１〜ｂ（２ｎ）−１、反射膜２１ａから構成される。
分岐部Ｂｒ１〜Ｂｒ２ｎは、各出力導波路それぞれに設ける。また、すべての分岐導波路は反射膜２１ａと接続する。このとき、分岐導波路ｂ１−２、ｂ２−２は、反射膜２１ａの反射点ｒｅｆ１で互いに接続し、分岐導波路ｂ３−２、ｂ４−２は、反射膜２１ａの反射点ｒｅｆ２で互いに接続する。以下同様にして分岐導波路ｂ（２ｎ−１）−２、ｂ（２ｎ）−２は、反射膜２１ａの反射点ｒｅｆ（ｎ）で互いに接続する。
次に動作について説明する（奇数番導波路ｗｇ１と偶数番導波路ｗｇ２のスイッチングを例にする）。奇数番導波路ｗｇ１を伝搬してきた光は、分岐部Ｂｒ１により分岐導波路ｂ１−１、または分岐導波路ｂ１−２に光路がスイッチされる。分岐導波路ｂ１−１に進んだ場合、反射膜２１ａにより反射してそのまま分岐導波路ｂ１−１を逆に通り、奇数番導波路ｗｇ１へ戻っていく。一方、分岐導波路ｂ１−２に進んだ場合は、反射膜２１ａ上の反射点ｒｅｆ１で反射され、分岐導波路ｂ２−２を通り、偶数番導波路ｗｇ２へと進んでいく。
また、偶数番導波路ｗｇ２を伝搬してきた光は、分岐部Ｂｒ２により分岐導波路ｂ２−２、またはｂ２−１に光路がスイッチされ、上記と同様にして、奇数番導波路ｗｇ１または偶数番導波路ｗｇ２にそれぞれ進む。
図８は分岐部を示す図である。分岐部Ｂｒ１−１は、電極１１ａ、１１ｂを導波路上に配置し、熱光学効果または電気光学効果などにより屈折率変化をもたせることで分岐路を変えて、光路スイッチを行う。例えば、奇数番導波路ｗｇ１から伝搬してきた光は、無通電時は分岐導波路ｂ１−１へ、電極１１ａをＧＮＤ、電極１１ｂに＋Ｖをかければ、分岐導波路ｂ１−２へスイッチングされる。
図９は分岐部を示す図である。図に示す分岐部Ｂｒ１−２は音響光学効果を用いて分岐路を変えるもので、櫛形電極１２を利用する。櫛形電極１２が無通電の場合は、光は分岐導波路ｂ１−１へ進み、櫛形電極１２を通電した場合は、発生する弾性表面波と光の相互作用により、光は分岐導波路ｂ１−２の方向へ回折する。
図１０は分岐部を示す図である。図に示す分岐部Ｂｒ１−３は、分岐領域に溝１４を形成し、溝１４内に屈折率整合材１４ａを充填させる。ヒータ加熱で溝１４内の屈折率整合材１４ａを気化させない場合は、奇数番導波路ｗｇ１からの光は、分岐導波路ｂ１−１の方向へ進む。また、ヒータ加熱で溝１４内の屈折率整合材１４ａを気化させると、溝１４と導波路は屈折率差が大きくなり（膜沸騰現象）、光は全反射して分岐導波路ｂ１−２の方向に進む。
以上説明したように、本発明によれば、波長毎に反射光路のルートを切り替えることにより、２つの光路のいずれかに各波長を選択的にスイッチングできるため、１台のＡＷＧ１０と、ＡＷＧ１０と同一のＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）上に形成された、または別体に形成・接続された光スイッチ処理部２０（スイッチアレイ）により、波長選択スイッチ機能を小型化、低コスト化することが可能になる。
次に本発明の光スイッチ装置１の製造方法について説明する。ＡＷＧなどの光導波路デバイスは、信頼性に優れている石英に代表されるシリカ系ＰＬＣで作製できる（そのプロセスなどはすでによく知られている）。
また、フッ素化ポリイミドなどのポリマ材料を用いて作製すれば、シリカ系ＰＬＣよりも１桁小さい消費電力でスイッチングを行うこともできる（ガラスの場合１８０ｍＷ、ポリマの場合１８ｍＷ）。そのため、ポリマ材料で形成すればＡＷＧ１０の温度制御幅が小さくできるというメリットを有する。
さらに、ＬｉＮｂＯ３などの電気光学結晶材料を用いれば、上記のような熱光学効果による位相変化ではなく、電気光学効果による位相変化を利用することができる。この場合のデバイスの構成は材料が異なるだけで、熱光学効果を用いたものと効果はほとんど同じである。あるいは、電気光学特性を有する有機材料を用いることもできる。
さらにまた、光スイッチ装置１は、ＡＷＧ１０と光スイッチ処理部２０とを個別に製造して接合した構成としてもよい。このようにすることで、それぞれの個々の部分の特性に優れた材料を選択することができる。
例えば、高度な信頼性が要求されるＡＷＧ１０をシリカガラスのＰＬＣで製造し、低消費電力が要求される熱光学効果を用いた光スイッチ処理部２０には、フッ素化ポリイミドで製造する。フッ素化ポリイミドの熱光学係数はガラスの１０倍ほど大きいため、光路変換に必要な消費電力が１／１０になる。
次に本発明の光スイッチ装置１の他の実施の形態について図１１〜図１５を用いて説明する。図１１は光スイッチ装置の構成を示す図である。上述の光スイッチ装置１の構成は反射型ＡＷＧであったが、光スイッチ装置３の構成は、光スイッチ処理後の信号を反射させずに、後段に設けたもう１つのＡＷＧを透過させて出力する透過型ＡＷＧである。
光スイッチ装置３は、ＡＷＧ３０ａ（ＡＷＧ１０と同じ）、光スイッチ処理部３０ｂ、ＡＷＧ３０ｃから構成され、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。ＡＷＧ３０ａは、光導波路として、入力導波路ｗｇａｉｎ、ｗｇｂｉｎ、スラブ導波路ＳＬ１、ＳＬ２、位相差導波路ａｒｒ１、出力導波路ｗｇｏ ｕｔを有し、ＡＷＧ３０ｃは、光導波路として、入力導波路ｗｇｉｎ、スラブ導波路ＳＬ３、ＳＬ４、位相差導波路ａｒｒ２、出力導波路ｗｇａｏｕｔ、ｗｇｂｏｕｔを有する。
ＡＷＧ３０ｃの入力導波路ｗｇｉｎはＡＷＧ３０ａの出力導波路ｗｇｏｕｔと同じピッチで同じ本数配列し、出力導波路ｗｇａｏｕｔ、ｗｇｂｏｕｔの配列も出力導波路ｗｇｏｕｔと同じピッチで、入力導波路ｗｇａｉｎ、ｗｇｂｉｎ、と同じ本数配列する。
図１２は光スイッチ処理部３０ｂの構成を示す図である。光スイッチ処理部３０ｂは、分岐部Ｂｒ１〜Ｂｒ２ｎ、Ｂｒ’１〜Ｂｒ’２ｎ、分岐導波路ｂ１−１〜ｂ（２ｎ−１）−１、ｂ１−２〜ｂ（２ｎ−１）−２、ｂ２−２〜ｂ（２ｎ）−２、ｂ２−１〜ｂ（２ｎ）−１から構成される。光スイッチ処理部３０ｂは、光スイッチ処理部２０−３の反射膜２１ａをとって折り返しをしない構成としたものである。なお、分岐導波路は、単に交差しているだけで接続しているわけではない。
ＡＷＧ３０ａの出力導波路ｗｇｏｕｔに対し、出力導波路ｗｇｏｕｔの奇数番導波路ｗｇｏｕｔ１は分岐部Ｂｒ１と接続し、偶数番導波路ｗｇｏｕｔ２は分岐部Ｂｒ２と接続し、以下同様にして奇数番導波路ｗｇｏｕｔ（２ｎ−１）は分岐部Ｂｒ２ｎ−１と接続し、偶数番導波路ｗｇｏｕｔ（２ｎ）は分岐部Ｂｒ２ｎと接続する。
ＡＷＧ３０ｃの入力導波路ｗｇｉｎに対し、入力導波路ｗｇｉｎの奇数番導波路ｗｇｉｎ１は分岐部Ｂｒ’１と接続し、偶数番導波路ｗｇｉｎ２は分岐部Ｂｒ’２と接続し、以下同様にして奇数番導波路ｗｇｉｎ（２ｎ−１）は分岐部Ｂｒ’２ｎ−１と接続し、偶数番導波路ｗｇｉｎ（２ｎ）は分岐部Ｂｒ’２ｎと接続する。なお、光スイッチ装置３は、ＡＷＧ３０ａ、３０ｃを含む基板と、光スイッチ処理部３０ｂとを個別に製造して接合した構成としてもよい。
次に動作について説明する。分波側回折格子型導波路３０ａ（ＡＷＧ３０ａ）は、入力導波路ｗｇａｉｎから入射した波長群を、スラブ導波路ＳＬ１、位相差導波路ａｒｒ１、スラブ導波路ＳＬ２を介し、出力導波路ｗｇｏｕｔの奇数番導波路に分光し、入力導波路ｗｇｂｉｎから入射した波長群を、出力導波路ｗｇｏｕｔの偶数番導波路に分光する。光スイッチ処理部３０ｂは、異なるルートの入力導波路ｗｇａｉｎ、ｗｇｂｉｎから入射した同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路との切り替えを行う。
合波側回折格子型導波路３０ｃ（ＡＷＧ３０ｃ）は、光スイッチ処理部３０ｂにより、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長に対しては、入力導波路ｗｇｉｎの偶数番導波路から、スラブ導波路ＳＬ３、位相差導波路ａｒｒ２、スラブ導波路ＳＬ４を介して、出力導波路ｗｇｂｏｕｔへ出力する。
また、光スイッチ処理部３０ｂにより、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長に対しては、入力導波路ｗｇｉｎの奇数番導波路から、スラブ導波路ＳＬ３、位相差導波路ａｒｒ２、スラブ導波路ＳＬ４を介して、出力導波路ｗｇａｏｕｔへ出力する。
なお、光スイッチ処理部３０ｂが切り替えを行わない場合は、入力導波路ｗｇａｉｎから入射した波長は出力導波路ｗｇａｏｕｔへ出力し、入力導波路ｗｇｂｉｎから入射した波長は出力導波路ｗｇｂｏｕｔへ出力する。
以上説明したような光スイッチ装置３の構成によっても、光スイッチ装置１と同様な効果を得ることができる。また、光スイッチ装置３では、光スイッチ装置１に設けられていた光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２が不要となる。将来、光導波路デバイスのコストダウンが、光サーキュレータのようなマイクロオプティクスデバイスより進んだ場合、光スイッチ装置３の方が低コスト化を図ることが可能になる。なお、光スイッチ装置１で上述した光スイッチ処理部２０の各種の変形例を光スイッチ処理部３０ｂに適用することが可能である。
図１３は光スイッチ装置の構成を示す図である。光スイッチ装置４は、ＡＷＧ１０の代わりに１つのスラブ導波路に反射型空間的回折格子を形成して、光スイッチ装置１と同様の効果を得るものである。光スイッチ装置４は、分光部４０、光スイッチ処理部２０、光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２から構成され、入力信号であるＷＤＭａとＷＤＭｂとの同一波長による光スイッチングを行う。光スイッチ装置１と異なる点はＡＷＧ１０が分光部４０となっている点であるので、分光部４０について説明する。
分光部４０は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、スラブ導波路４１、反射型空間的回折格子４２（反射型空間的回折格子４２はスラブ導波路４１内に設けられている）、出力導波路ｗｇを有し、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ及び出力導波路ｗｇの配設方法は、光スイッチ装置１と同じである。
スラブ導波路４１は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから入射した波長多重光を拡散し、反射型空間的回折格子４２は拡散光を回折・反射して波長毎に分解した反射光を生成する。反射光はスラブ導波路４１内で、干渉により波長に応じて強められ、異なる出力導波路ｗｇに集光し、出力導波路ｗｇで分光される。以降、光スイッチ装置１と同様に、光スイッチ処理部２０でスイッチ処理された信号は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ出力される。
このような構成にすることで、光スイッチ装置１と同様な効果を得ることができる。なお、図では、反射型空間的回折格子４２を基板内に形成しているが、反射型空間的回折格子４２を別個に製造してから基板に接合する構成としてもよい。
図１４は光スイッチ装置の構成を示す図である。光スイッチ装置４−１の反射型空間的回折格子４２ａは、例えば、アルミニウムなどの金属表面に形成して、その後に分光部４０ａの導波路基板端面に接合している。その他の構成は同様である。
図１５は光スイッチ装置の構成を示す図である。光スイッチ装置５は、反射型空間的回折格子の代わりに透過型空間的回折格子を用いたものである。光スイッチ装置５は、分光部５０、光スイッチ処理部２０、光サーキュレータＣｒ１、Ｃｒ２から構成され、入力信号であるＷＤＭａとＷＤＭｂとの同一波長による光スイッチングを行う。光スイッチ装置１と異なる点はＡＷＧ１０が分光部５０となっている点であるので、分光部５０について説明する。
分光部５０は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ、スラブ導波路５１ａ、５１ｂ、透過型空間的回折格子５２、出力導波路ｗｇを有し、これらは例えば、Ｓｉ基板上のＳｉＯ２層に形成される。入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂ及び出力導波路ｗｇの配設方法は、光スイッチ装置１と同じである。
スラブ導波路５１ａは、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂから入射した波長多重光を拡散する。透過型空間的回折格子５２は、伝搬光を回折・透過して透過光を生成する。スラブ導波路５１ｂは、波長毎の透過光を回折により広げて、拡散光は干渉により波長に応じて強められ、異なる出力導波路ｗｇに集光し、出力導波路ｗｇで分光される。以降、光スイッチ装置１と同様に、光スイッチ処理部２０でスイッチ処理された信号は、入力導波路ｗｇａ、ｗｇｂへ出力される。このように透過型の空間的回折格子を用いても、光スイッチ装置１と同様な効果を得ることができる。
以上説明したように、本発明の光スイッチ装置は、回折格子型導波路上で、出力導波路を光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列し、入力導波路を出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本配列し、また光スイッチ処理部が出力導波路の隣接する２本の同じ波長帯域の情報を２×２単位のスイッチ処理を行って入力導波路から出力させる構成とした。これにより、波長選択スイッチ機能の小型化、低コスト化を実現することができ、経済的で運用性の高いフォトニックネットワークを構築することが可能になる。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
Claims (28)
- 光信号のスイッチ処理を行う光スイッチ装置において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路と、前記出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路と、伝搬光に光路差をつける位相差導波路と、前記入力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記位相差導波路へ出力し、前記位相差導波路から伝搬された光に対しては前記入力導波路へ集光する第１のスラブ導波路と、前記位相差導波路から伝搬された光に対しては波長毎に集光して前記出力導波路へ分光し、前記出力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記位相差導波路に出力する第２のスラブ導波路と、から構成される回折格子型導波路と、
前記出力導波路の隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、前記入力導波路から出力させる光スイッチ処理部と、
を有することを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記入力導波路を２本設置した場合、前記回折格子型導波路は、第１ルートの入力導波路から入射した波長群を、前記出力導波路の奇数番導波路に分光し、第２ルートの入力導波路から入射した波長群を、前記出力導波路の偶数番導波路に分光し、前記光スイッチ処理部は、異なるルートの入力導波路から入射した同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路との切り替えを行い、前記回折格子型導波路は、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長を、偶数番導波路から逆光路を辿って、第２ルートの入力導波路から出力し、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長を、奇数番導波路から逆光路を辿って、第１ルートの入力導波路から出力し、前記光スイッチ処理部が切り替えを行わない波長は、同一導波路を逆に辿り、元の第１ルートの入力導波路または第２ルートの入力導波路から出力することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光スイッチ装置。
- 入力ファイバから前記入力導波路へ、前記入力導波路から出力ファイバへ光信号を送出する光サーキュレータをさらに有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、前記出力導波路からの光を分岐部により分岐し、一方に分岐した光は逆光路へ反射させ、他方に分岐した光は隣接する出力導波路側へ反射させて、２×２単位のスイッチ処理を行うことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光スイッチ装置。
- 前記分岐部は、熱光学効果、電気光学効果、音響光学効果、膜沸騰現象のいずれかにより屈折率を変化させて分岐路を設定することを特徴とする請求の範囲第４項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、低消費電力で光スイッチ可能な材料で製造し、別個に製造した前記回折格子型導波路と光学的に接続することを特徴とする請求の範囲第１項記載の光スイッチ装置。
- 光合分波を行う回折格子型導波路において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路と、
前記出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路と、
伝搬光に光路差をつける位相差導波路と、
前記入力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記位相差導波路へ出力し、前記位相差導波路から伝搬された光に対しては前記入力導波路へ集光する第１のスラブ導波路と、
前記位相差導波路から伝搬された光に対しては波長毎に集光して前記出力導波路へ分光し、前記出力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記位相差導波路に出力する第２のスラブ導波路と、
を有することを特徴とする回折格子型導波路。 - 光信号のスイッチ処理を行う光スイッチ装置において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した第１の出力導波路と、前記第１の出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した第１の入力導波路と、伝搬光に光路差をつける第１の位相差導波路と、前記第１の入力導波路から伝搬された光を拡散して前記第１の位相差導波路に出力する第１のスラブ導波路と、前記第１の位相差導波路から伝搬された光を波長毎に集光して前記第１の出力導波路へ分光する第２のスラブ導波路と、から構成される分波側回折格子型導波路と、
前記第１の出力導波路の隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行う光スイッチ処理部と、
前記第１の出力導波路と同じ導波路間隔及び同じ本数で、前記光スイッチ処理部と接続する第２の入力導波路と、前記第１の出力導波路と同じ導波路間隔で、少なくとも２本の導波路を配列した第２の出力導波路と、伝搬光に光路差をつける第２の位相差導波路と、前記第２の入力導波路から伝搬された波長毎の光を拡散して前記第２の位相差導波路に出力する第３のスラブ導波路と、前記第２の位相差導波路から伝搬された光を前記第２の出力導波路へ集光する第４のスラブ導波路と、から構成される合波側回折格子型導波路と、
を有することを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記第１の入力導波路を２本、前記第２の出力導波路を２本設置した場合、前記分波側回折格子型導波路は、第１ルートの第１の入力導波路から入射した波長群を、第１の出力導波路の奇数番導波路に分光し、第２ルートの第１の入力導波路から入射した波長群を、第１の出力導波路の偶数番導波路に分光し、前記光スイッチ処理部は、異なるルートの入力導波路から入射した同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路との切り替えを行い、前記合波側回折格子型導波路は、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長を、第２の入力導波路の偶数番導波路から第２ルートの第２の出力導波路へ出力し、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長を、第２の入力導波路の奇数番導波路から第１ルートの第２の出力導波路へ出力し、前記光スイッチ処理部が切り替えを行わない場合、第１ルートの第１の入力導波路から入射した波長は第１ルートの第２の出力導波路へ出力し、第２ルートの第１の入力導波路から入射した波長は第２ルートの第２の出力導波路へ出力することを特徴とする請求の範囲第８項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、前記第１の出力導波路からの光を分岐部により分岐し、２×２単位のスイッチ処理を行うことを特徴とする請求の範囲第８項記載の光スイッチ装置。
- 前記分岐部は、熱光学効果、電気光学効果、音響光学効果、膜沸騰現象のいずれかにより屈折率を変化させて分岐路を設定することを特徴とする請求の範囲第１０項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、低消費電力で光スイッチ可能な材料で製造し、別個に製造した前記回折格子型導波路と光学的に接続することを特徴とする請求の範囲第８項記載の光スイッチ装置。
- 光合分波を行う回折格子型導波路において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した第１の出力導波路と、前記第１の出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した第１の入力導波路と、伝搬光に光路差をつける第１の位相差導波路と、前記第１の入力導波路から伝搬された光を拡散して前記位相差導波路に出力する第１のスラブ導波路と、前記第１の位相差導波路から伝搬された光を波長毎に集光して前記第１の出力導波路へ分光する第２のスラブ導波路と、から構成される分波側回折格子型導波路と、
前記第１の出力導波路と同じ導波路間隔及び同じ本数で配列した第２の入力導波路と、前記第１の出力導波路と同じ導波路間隔で、少なくとも２本の導波路を配列した第２の出力導波路と、伝搬光に光路差をつける第２の位相差導波路と、前記第２の入力導波路から伝搬された波長毎の光を拡散して前記位相差導波路に出力する第３のスラブ導波路と、前記第２の位相差導波路から伝搬された光を前記第２の出力導波路へ集光する第４のスラブ導波路と、から構成される合波側回折格子型導波路部と、
を有することを特徴とする回折格子型導波路。 - 光信号のスイッチ処理を行う光スイッチ装置において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路と、前記出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路と、伝搬光を回折・反射して反射光を生成する反射型空間的回折格子と、前記入力導波路から伝搬された光に対しては、前記反射型空間的回折格子へ向けて拡散し、前記反射型空間的回折格子からの反射光を波長毎に集光して前記出力導波路へ分光し、かつ前記出力導波路から伝搬された光に対しては、前記反射型空間的回折格子へ向けて拡散し、前記反射型空間的回折格子からの反射光を前記入力導波路へ集光するスラブ導波路と、から構成される分光部と、
前記出力導波路の隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、前記入力導波路から出力させる光スイッチ処理部と、
を有することを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記入力導波路を２本設置した場合、前記分光部は、第１ルートの入力導波路から入射した波長群を、前記出力導波路の奇数番導波路に分光し、第２ルートの入力導波路から入射した波長群を、前記出力導波路の偶数番導波路に分光し、前記光スイッチ処理部は、異なるルートの入力導波路から入射した同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路との切り替えを行い、前記分光部は、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長を、偶数番導波路から逆光路を辿って、第２ルートの入力導波路から出力し、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長を、奇数番導波路から逆光路を辿って、第１ルートの入力導波路から出力し、前記光スイッチ処理部が切り替えを行わない波長は、同一導波路を逆に辿り、元の第１ルートの入力導波路または第２ルートの入力導波路から出力することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光スイッチ装置。
- 入力ファイバから前記入力導波路へ、前記入力導波路から出力ファイバへ光信号を送出する光サーキュレータをさらに有することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、前記出力導波路からの光を分岐部により分岐し、一方に分岐した光は逆光路へ反射させ、他方に分岐した光は隣接する出力導波路側へ反射させて、２×２単位のスイッチ処理を行うことを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光スイッチ装置。
- 前記分岐部は、熱光学効果、電気光学効果、音響光学効果、膜沸騰現象のいずれかにより屈折率を変化させて分岐路を設定することを特徴とする請求の範囲第１７項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、低消費電力で光スイッチ可能な材料で製造し、別個に製造した前記分光装置と光学的に接続することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光スイッチ装置。
- 前記反射型空間的回折格子は、前記スラブ導波路が形成されている同じ基板上に設ける、または前記スラブ導波路が形成されている基板の端面に光学的に接合させることを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光スイッチ装置。
- 光合分波を行う分光装置において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路と、
前記出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路と、
伝搬光を回折・反射して反射光を生成する反射型空間的回折格子と、
前記入力導波路から伝搬された光に対しては、前記反射型空間的回折格子へ向けて拡散し、前記反射型空間的回折格子からの反射光を波長毎に集光して前記出力導波路へ分光し、かつ前記出力導波路から伝搬された光に対しては、前記反射型空間的回折格子へ向けて拡散し、前記反射型空間的回折格子からの反射光を前記入力導波路へ集光するスラブ導波路と、
を有することを特徴とする分光装置。 - 光信号のスイッチ処理を行う光スイッチ装置において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路と、前記出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路と、伝搬光を回折・透過して透過光を生成する透過型空間的回折格子と、前記入力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記透過型空間的回折格子へ出力し、前記透過型空間的回折格子から伝搬された透過光に対しては前記入力導波路へ集光する第１のスラブ導波路と、前記透過型空間的回折格子から伝搬された透過光に対しては波長毎に集光して前記出力導波路へ分光し、前記出力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記透過型空間的回折格子に出力する第２のスラブ導波路と、から構成される分光部と、
前記出力導波路の隣接する２本の導波路の同じ波長帯域の異なる情報を任意に選択し、２×２単位のスイッチ処理を行って、前記入力導波路から出力させる光スイッチ処理部と、
を有することを特徴とする光スイッチ装置。 - 前記入力導波路を２本設置した場合、前記分光部は、第１ルートの入力導波路から入射した波長群を、前記出力導波路の奇数番導波路に分光し、第２ルートの入力導波路から入射した波長群を、前記出力導波路の偶数番導波路に分光し、前記光スイッチ処理部は、異なるルートの入力導波路から入射した同一波長の奇数番導波路と偶数番導波路との切り替えを行い、前記分光部は、奇数番導波路から偶数番導波路へ切り替えられた波長を、偶数番導波路から逆光路を辿って、第２ルートの入力導波路から出力し、偶数番導波路から奇数番導波路へ切り替えられた波長を、奇数番導波路から逆光路を辿って、第１ルートの入力導波路から出力し、前記光スイッチ処理部が切り替えを行わない波長は、同一導波路を逆に辿り、元の第１ルートの入力導波路または第２ルートの入力導波路から出力することを特徴とする請求の範囲第２２項記載の光スイッチ装置。
- 入力ファイバから前記入力導波路へ、前記入力導波路から出力ファイバへ光信号を送出する光サーキュレータをさらに有することを特徴とする請求の範囲第２２項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、前記出力導波路からの光を分岐部により分岐し、一方に分岐した光は逆光路へ反射させ、他方に分岐した光は隣接する出力導波路側へ反射させて、２×２単位のスイッチ処理を行うことを特徴とする請求の範囲第２２項記載の光スイッチ装置。
- 前記分岐部は、熱光学効果、電気光学効果、音響光学効果、膜沸騰現象のいずれかにより屈折率を変化させて分岐路を設定することを特徴とする請求の範囲第２５項記載の光スイッチ装置。
- 前記光スイッチ処理部は、低消費電力で光スイッチ可能な材料で製造し、別個に製造した前記分光装置と光学的に接続することを特徴とする請求の範囲第２２項記載の光スイッチ装置。
- 光合分波を行う分光装置において、
光信号の運用波長間隔の１／２または１／２以下の分波波長差となるような導波路間隔で配列した出力導波路と、
前記出力導波路と同じ導波路間隔で少なくとも２本の導波路を配列した入力導波路と、
伝搬光を回折・透過して透過光を生成する透過型空間的回折格子と、
前記入力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記透過型空間的回折格子へ出力し、前記透過型空間的回折格子から伝搬された透過光に対しては前記入力導波路へ集光する第１のスラブ導波路と、
前記透過型空間的回折格子から伝搬された透過光に対しては波長毎に集光して前記出力導波路へ分光し、前記出力導波路から伝搬された光に対しては拡散して前記透過型空間的回折格子に出力する第２のスラブ導波路と、
を有することを特徴とする分光装置。
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