JPWO2018198927A1 - Ｎ×ｎ光スイッチ - Google Patents

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Abstract

入力側光スイッチの出力ポートと出力側光スイッチの入力ポートを、同一基板上で光導波路により接続して構成した光スイッチの、最も交差数が多く交差損失が高くなる光導波路が接続されるポートにおいて、交差損失を低減することができるＮ×Ｎ光スイッチを実現する。４個の出力ポート（Ｐ１〜Ｐ４）を有する４個の入力側１×４光スイッチ（ＳＷ１１〜ＳＷ１４）、４個の入力ポート（Ｑ１〜Ｑ４）を有する４個の出力側４×１光スイッチ（ＳＷ２１〜ＳＷ２４）、及び、前記出力ポートと前記入力ポートとを接続する接続光導波路（ＯＷ）を備える４×４光スイッチ（１０）において、一部の接続光導波路ＯＷが二以上の他の接続光導波路ＯＷと一箇所で交差するようにした。

Description

本発明は、大容量光通信ネットワークを支えるための重要な光部品であるＮ×Ｎ光スイッチに関する。
近年、通信トラフィックの急激な増大に対応すべく、光通信ネットワークの高速、大容量化が進められている。光通信ネットワークは複数のリンク及びノードで構成されており、それぞれにおいて高速、大容量通信に向けた研究開発が行われている。
リンクでは信号の高速化や波長の多重化などが進む一方で、ノードでは効率的な通信トラフィックを実現すべく、ノード間を接続する経路を柔軟に変更する技術が重要とされている。例えば、伝送されてきた光信号をノードの入力端で一旦、光／電気変換し、電気信号をスイッチングして、ノードの出力端で再度、電気／光変換して伝送する技術が知られている。この場合、光／電気変換や電気信号の高速スイッチングで多くの電力を消費する。
これに対して、ノード内に光スイッチを配置して、光信号を電気信号に変換することなくスイッチングする技術も研究開発されている。この場合には光スイッチで光信号をそのままスイッチングして経路を変更するため、光／電気変換や電気信号の高速スイッチングが不要となり、高速な光信号を低遅延、低消費電力でスイッチングすることができる。
このような光スイッチとしては、平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）上に構成した熱光学（ＴＯ）スイッチ、ＩｎＰ系の電界吸収型光変調器（Electroabsorption modulator：ＥＡＭ）やマッハツェンダ干渉計（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）や半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）を用いたスイッチ、ＬｉＮｂＯ３系の位相変調器型のスイッチなどが研究開発されている。
例えば非特許文献１には、ＰＬＣ上に光スイッチを構成した例が提案されている。
非特許文献１にも示されているように、Ｎ×Ｎ光スイッチの主な構成としては、例えばＮ個の１×Ｎ光スイッチとＮ個のＮ×１光スイッチを接続する構成が考えられる（ただし、Ｎは正の整数）。
図５に一例として従来のＮ×Ｎ光スイッチ１００を示す。図５に示すように、従来のＮ×Ｎ光スイッチ１００は、Ｎ個の入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１Ｎと、Ｎ個の出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２Ｎとを備えて構成されている（図５ではＮ＝４。詳細は後述する）。
入力ポートより入力された光パケットは、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１Ｎにより、所望の出力ポートに接続された出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２Ｎに向けて出力される。これによって他ポートの接続状態によらず、任意の接続ができる、ノンブロッキング型のＮ×Ｎ光スイッチを実現することができる。
ここで、入力側１×Ｎ光スイッチを構成する従来技術として、例えば特許文献１において２×２光スイッチ素子が提案されている。図６に従来の２×２光スイッチ素子の斜視図を示す。図６の２×２光スイッチ素子は、方向性結合器型の光スイッチ素子であり、ｎ−ＩｎＰ基板６上に、光入力部Ｉ、光スイッチ部ＩＩ、光出力部ＩＩＩおよび光吸収部ＩＶを設けた構成となっている。
より詳細に説明すると、図６に示す従来の２×２光スイッチ素子は、ｎ−ＩｎＰ基板６上に、ｉ−ＭＱＷ層５、ｉ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＩｎＰクラッド層３が順に積層された構造を有している。ｐ−ＩｎＰクラッド層３は、図６に示すように、細線状に形成されている。さらに、光スイッチ部ＩＩの一方のｐ−ＩｎＰクラッド層３上、および光吸収部ＩＶの両方のｐ−ＩｎＰクラッド層３上には、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層２およびｐ型電極１が順に形成されている。ｎ−ＩｎＰ基板６の裏面にはｎ型電極７が形成されている。なお、図６中のＡ，Ｂは入力ポート、Ｃ，Ｄは出力ポートである。
光パケットなどの入力信号光は、ｉ−ＭＱＷ層５内の、細線状に形成されたｐ−ＩｎＰクラッド層３の下部に位置する部分を導波する。以下、光入力部Ｉ，光スイッチ部ＩＩ，光出力部ＩＩＩおよび光吸収部ＩＶに設けたｐ−ＩｎＰクラッド層３の下部に位置するｉ−ＭＱＷ層５を、それぞれ入力導波路、光スイッチ導波路、出力導波路および光吸収導波路と呼ぶこととする。
入力信号光は、いずれか一方の入力導波路に入力され、光スイッチ導波路に導かれる。光スイッチ導波路では、光スイッチ部ＩＩに設けたｐ型電極１とｎ型電極７との間に所望の電圧を印加することにより、例えば多重量子井戸（multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造に起因する量子井戸閉じ込め効果（Quantum Confined Stark Effect：ＱＣＳＥ）により、ｐ型電極１下方の光スイッチ導波路の屈折率を変えることで、いずれか一方の光スイッチ導波路からのみ信号光を出力する。すなわち、光路切り替えを行う。光吸収部ＩＶでは、信号光が入力された光吸収導波路と異なる光吸収導波路に設けたｐ型電極１と、ｎ型電極７との間に、所望の電界が印加される。これにより、光スイッチ導波路から漏れ出たクロストーク光は光吸収導波路で吸収される一方、光スイッチ導波路から出力された信号光は出力導波路へ導かれる。このように、特許文献１では、光吸収部ＩＶを備えることにより、光スイッチ導波路からの漏れ光の影響を低減可能な光スイッチ素子を実現している。
特開平６−５９２９４号公報 特開２０１６−１６１６０４号公報
T. Watanabe他著、「Silica-based PLC 1×128 Thermo-Optic Switch」、27th European Conference on Optical Communication (ECOC)、2001年、Vol. 2、pp. 134-135
上記の非特許文献１では、Ｎ個の入力側１×Ｎ光スイッチとＮ個の出力側Ｎ×１光スイッチの間を光ファイバで接続することで、Ｎ×Ｎ光スイッチを実現している。この場合、Ｎ×Ｎ本の光ファイバと、２×Ｎ×Ｎ箇所のファイバ接続点およびコネクタが必要となり、光スイッチが大型化する。また、特に半導体光導波路のような光閉じ込めの強い導波路は光ファイバとのモードのミスマッチが大きく、光結合の際には大きな損失を発生させる。当該構成では各径路において４回の結合損失が発生し、Ｎ×Ｎ光スイッチの挿入損失を増大させる。
そこで、Ｎ×Ｎ光スイッチの小型化、及び低損失化のために、これらの接続を同一基板上の導波路で行うことが考えられる（例えば、上記特許文献２参照）。
ここで、図５のＮ×Ｎ光スイッチの構成を、同一基板上で実現する場合、１×Ｎの光経路切り替えを行う機構を有する領域を入力側１×Ｎ光スイッチ、Ｎ×１の光経路切り替えを行う機構を有する領域を出力側Ｎ×１光スイッチとして、Ｎ個の入力側１×Ｎ光スイッチとＮ個の出力側Ｎ×１光スイッチを配置する。これらは同一基板上にある導波路により接続される。
図５に示すＮ＝４とした場合の例について具体的に説明すると、図５に示す４×４光スイッチでは、入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が一列に配置され、これらに対向して出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４が一列に配置されている。
入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４はそれぞれ４つの出力ポートＰ１〜Ｐ４を有している。また、出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４はそれぞれ４つの入力ポートＱ１〜Ｑ４を有している。図５では各ポートを〇で示している。
入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の４つの出力ポートＰ１〜Ｐ４は、接続光導波路ＯＷによりそれぞれ互いに異なる出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の入力ポートＱ１〜Ｑ４に接続されている。図５では接続光導波路ＯＷを簡単のため、実線で示している。
このような構造では、入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４を平面上で接続するため、一部の接続光導波路ＯＷは他の接続光導波路ＯＷと交差することはないものの、多くの接続光導波路ＯＷは他の接続光導波路ＯＷに複数回交差することになる。この接続光導波路ＯＷの他の接続光導波路ＯＷとの交差回数は、最大で（Ｎ−１）×（Ｎ−１）回（図５に示す例では（４−１）×（４−１）＝９回）となる。
例えば、図５に示す４×４光スイッチでは、入力側１×４光スイッチＳＷ１１の出力ポートＰ１と出力側４×１光スイッチＳＷ２１の入力ポートＱ１とを接続する接続光導波路ＯＷは、他の接続光導波路ＯＷと交差することはないが、入力側１×４光スイッチＳＷ１１の出力ポートＰ４と出力側４×１光スイッチＳＷ２４の入力ポートＱ１とを接続する接続光導波路ＯＷは９本の接続光導波路ＯＷと交差している。
したがって、接続光導波路ＯＷの他の接続光導波路ＯＷとの一回の交差による光の損失をＬ（ｄＢ／交差回数）とすると、この接続光導波路ＯＷに接続されるポートの接続光導波路ＯＷの交差による光の損失（以下、交差損失という）は最大でＬ×（Ｎ−１）×（Ｎ−１）（ｄＢ）となる。具体的にＬ＝０．５ｄＢとすると、当該ポートの最大の交差損失は、Ｎ＝４の場合で４．５ｄＢ、Ｎ＝８の場合で２４．５ｄＢとなり、Ｎが増えると交差損失が大幅に増大してしまうことが分かる。
光スイッチの場合、出力光の強度を各ポート間で合わせる必要があるため、交差損失が最大の接続光導波路ＯＷが接続されたポート以外のポートは、別の損失源を用意することで損失値を合わせることとなる。そのため、他の接続光導波路ＯＷとの交差数が最大である接続光導波路ＯＷにおいて、交差回数を低減させることが望まれている。
本発明は、上記従来技術に鑑み、入力側１×Ｎ光スイッチの出力ポートと出力側Ｎ×１光スイッチの入力ポートを、同一基板上で接続光導波路により接続して構成した光スイッチの、最も交差数が多く交差損失が高くなる接続光導波路が接続されるポートにおいて、交差損失を低減することができるＮ×Ｎ光スイッチを実現することを目的とする。
本発明の一実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、
Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の出力ポートを有するＮ個の入力側１×Ｎ光スイッチ、Ｎ個の入力ポートを有するＮ個の出力側Ｎ×１光スイッチ、及び、前記出力ポートと前記入力ポートとを接続する接続光導波路を備えるＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
一部の前記接続光導波路が二以上の他の前記接続光導波路と一箇所で交差している
ことを特徴とする。
本発明の別の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、
前記接続光導波路と他の前記接続光導波路との交差部にＭＭＩ交差構造を用いた
ことを特徴とする。
本発明の別の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、
前記入力側１×Ｎ光スイッチおよび前記出力側Ｎ×１光スイッチは、それぞれ前記出力ポートと前記入力ポートとが対向するように一直線状に配置され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち一端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの一端側の前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差しない前記接続光導波路により前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち一端側に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチの一端側の前記入力ポートに接続され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち他端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの他端側の前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差しない前記接続光導波路により前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち他端側に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチの他端側の前記入力ポートに接続され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち一端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの一端側以外に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち一端側以外に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの前記入力ポートに接続され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち他端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの他端側以外に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち他端側以外に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの前記入力ポートに接続され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち両端以外に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの前記入力ポートに接続される
ことを特徴とする。
本発明の別の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、
前記入力側１×Ｎ光スイッチと前記出力側Ｎ×１光スイッチとが交互に並んで配置され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチの両端に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差しない前記接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチに隣接する前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの端部に位置する前記入力ポートに接続され、
前記入力側１×Ｎ光スイッチの前記出力ポートのうち両端以外に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチに隣接しない前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの両端以外に位置する前記入力ポートに接続される
ことを特徴とする。
本発明の別の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、
前記入力側１×Ｎ光スイッチと、前記出力側Ｎ×１光スイッチと、前記接続光導波路が、同一の半導体基板上にモノリシック集積して形成されている
ことを特徴とする。
本発明の別の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、
前記接続光導波路と他の前記接続光導波路との交差部の交差角度が等角であることを特徴とする。
本発明の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチによれば、入力側１×Ｎ光スイッチの出力ポートと出力側Ｎ×１光スイッチの入力ポートを、同一基板上で接続光導波路により接続して構成した光スイッチにおいて、他の接続光導波路との交差数が最も多い接続光導波路により接続されたポートの、導波路交差による交差損失を低減することができる。
本発明の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチに適用されるツリー型光スイッチの例を示す構成図である。 本発明の実施例１に係るＮ×Ｎ光スイッチを示す構成図である。 導波路３本交差の場合のＭＭＩ交差構造を示す構成図である。 本発明の実施例２に係るＮ×Ｎ光スイッチを示す構成図である。 従来のＮ×Ｎ光スイッチの例を示す構成図である。 従来の２×２光スイッチ素子を示す斜視図である。 従来のＮ×Ｎ光スイッチの他の例を示す構成図である。
本発明の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチは、Ｎ個の入力側１×Ｎ光スイッチの出力ポートとＮ個の出力側Ｎ×１光スイッチの入力ポートとを、基板上に形成した接続光導波路により接続する構成を有し、３本以上の接続光導波路が一箇所で交差する導波路交差部を有するように接続光導波路を配置し、また接続光導波路が他のポート間を接続する接続光導波路と交差する導波路交差部にマルチモード干渉（Multi-Mode interference：ＭＭＩ）交差構造を用いたものである。
このような構成とすることにより、本発明の実施形態に係るＮ×Ｎ光スイッチによれば、一つの接続光導波路における導波路交差部の数を低減することができるとともに、導波路交差部において、低損失、低クロストークな交差を実現でき、導波路交差による光の損失を低減することができる。
ここで、図１を用いて本発明の一実施形態において用いる、ツリー型光スイッチについて説明する。光スイッチとしては、１×４光スイッチに限らず、１×８光スイッチや、それ以上のポート数になっている１×Ｎ光スイッチを採用することができる。ここでは、代表として、ツリー型の１×４光スイッチについて説明する。
図１に示すように、この１×４光スイッチＳＷ１０は２×２光スイッチＳＷ１０ａ、ＳＷ１０ｂ，ＳＷ１０ｃをツリー状に接続して実現される。最初の２×２光スイッチＳＷ１０ａで２分岐し、さらにそれぞれの光出力を次段の２×２光スイッチＳＷ１０ｂ，ＳＷ１０ｃで２分岐することで４ポートに分岐する。各２×２光スイッチＳＷ１０ａ，ＳＷ１０ｂ，ＳＷ１０ｃは例えば、ＭＺＩを用いることで実現できる。
この２×２光スイッチＳＷ１０ａ、ＳＷ１０ｂ，ＳＷ１０ｃはまず光導波路（例えば、図１に示すＯＷ１）に入力された入力光に対してマルチモード干渉光カプラ（以下、ＭＭＩ光カプラ）を用いて、図示しない２つの光導波路に分岐する。このときＭＭＩ光カプラの長さは光強度を２等分するように設計される。２分岐された入力光は２つの光導波路位相差を受けた後に再度、ＭＭＩ光カプラを用いて結合される。すると干渉効果により、２つの光導波路間の位相差が、±ｎπであれば入力光が入力された光導波路と反対側の光導波路（例えば、図１に示すＯＷ２）から出力し、±（２ｎ＋１）π／２であれば、入力光が入力された光導波路と同じ側の光導波路（例えば、図１に示すＷＯ３）から出力される（ただし、ｎは整数）。
従って、片方の光導波路内に位相変調領域を配置して制御すれば、２×２のスイッチング動作が得られる。位相変調を得るには光導波路の屈折率を変化させれば良い。このため、ＰＬＣなどではヒータへの電流を通電することで温度制御してＴＯ効果を用いて光導波路の屈折率を変化させ、ＩｎＰ系の光導波路では、電圧印加によるフランツケルディッシュ（Franz-Keldysh：ＦＫ）効果や量子井戸閉じ込め効果（ＱＣＳＥ）もしくは電流注入によるプラズマ効果を用いて光導波路の屈折率を変化させ、ＬＮ系では電圧印加によるポッケルス効果を用いて光導波路の屈折率を変化させれば、スイッチング動作を行うことができる。また、光強度を２等分するＭＭＩ光カプラは方向性結合器などを用いても良い。
図２及び図３を用いて本発明の実施例１に係るＮ×Ｎ光スイッチの詳細を説明する。
本実施例では、光スイッチとして、Ｎ個の出力ポートを有するＮ個の入力側１×Ｎ光スイッチと、Ｎ個の入力ポートを有するＮ個の出力側Ｎ×１光スイッチと、前記出力ポートと前記入力ポートとを接続する接続光導波路とによりＮ×Ｎ光スイッチを構成する。図２では、基本的な接続構成の例として、Ｎ＝４の場合の例を示す。
図２に示すように、４×４光スイッチ１０は、４個の入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と、４個の出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４とを備えて構成されている。入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は一直線状に並べられ、これらに対向して出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４が一直線状に配置されている。
入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４はそれぞれ４つの出力ポートＰ１〜Ｐ４を有している。また、出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４はそれぞれ４つの入力ポートＱ１〜Ｑ４を有している。
入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の各４つの出力ポートＰ１〜Ｐ４は、接続光導波路ＯＷにより互いに異なる出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の入力ポートＱ１〜Ｑ４に接続されている。
具体的な入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の接続方法として、図２では、入力側１×４光スイッチＳＷ１１の各出力ポートＰ１〜Ｐ４を、それぞれ出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の各入力ポートＱ１に接続し、入力側１×４光スイッチＳＷ１２の各出力ポートＰ１〜Ｐ４を、それぞれ出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の各入力ポートＱ２に接続し、入力側１×４光スイッチＳＷ１３の各出力ポートＰ１〜Ｐ４を、それぞれ出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の各入力ポートＱ３に接続し、入力側１×４光スイッチＳＷ１４の各出力ポートＰ１〜Ｐ４を、それぞれ出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の各入力ポートＱ４に接続した例を示している。
すなわち、一端側の入力側１×４光スイッチＳＷ１１の一端側の出力ポートＰ１は、他の接続光導波路ＯＷと交差しない接続光導波路ＯＷにより一端側の出力側４×１光スイッチＳＷ２１の一端側の入力ポートＱ１に接続される。
また、他端側の入力側１×４光スイッチＳＷ１４の他端側の出力ポートＰ４は、他の接続光導波路ＯＷと交差しない接続光導波路ＯＷにより他端側の出力側４×１光スイッチＳＷ２４の他端側の入力ポートＱ４に接続される。
さらに、一端側の入力側１×４光スイッチＳＷ１１の一端側以外に位置する出力ポートＰ２〜Ｐ４は、他の接続光導波路ＯＷと交差する接続光導波路ＯＷにより、一端側以外に位置し互いに異なる出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜２４の入力ポートＱ１に接続される。
また、他端側の入力側１×４光スイッチＳＷ１４の他端側以外に位置する出力ポートＰ１〜Ｐ３は、他の接続光導波路ＯＷと交差する接続光導波路ＯＷにより、他端側以外に位置し互いに異なる出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３の入力ポートＱ４に接続される。
両端以外に位置する入力側１×４光スイッチＳＷ１２，ＳＷ１３の出力ポートＰ１〜Ｐ４は、他の接続光導波路ＯＷと交差する接続光導波路ＯＷにより、互いに異なる出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の入力ポートＱ２，Ｑ３に接続される。
なお、入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と、出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４と、接続光導波路ＯＷとは、同一の半導体基板上にモノリシック集積して形成されているものとする。
この場合、最も交差数の多くなる接続光導波路ＯＷは、入力側１×４光スイッチＳＷ１１の出力ポートＰ４から出力側４×１光スイッチＳＷ２４の入力ポートＱ１への接続を行う接続光導波路ＯＷ、及び、入力側１×４光スイッチＳＷ１４の出力ポートＰ１から出力側４×１光スイッチＳＷ２１の入力ポートＱ４への接続を行う接続光導波路ＯＷである。
ここで、図５に示した従来の光スイッチ構成では接続光導波路ＯＷが交差する箇所については２本の接続光導波路ＯＷを交差させていたが、本実施例では図２に示すように３本以上の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させた構造とすることで交差回数の低減を可能としている。図２では最大で３本の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させた場合の例を示している。３本の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させた箇所を、図２中に破線で囲んで示す。
なお、本実施例において接続光導波路ＯＷのすべての交差は図３に示すようなＭＭＩ光導波路ＯＷＭＭＩを用いて行うものとする（ＭＭＩ光導波路ＯＷＭＭＩを用いた構造をＭＭＩ交差構造と称する）。ＭＭＩ光導波路ＯＷＭＭＩは１入力１出力の任意の幅の構造とし、その長さはビート長の２倍の長さとする。
ＭＭＩ交差構造では、接続光導波路ＯＷを、ビート長に当たる、ＭＭＩ光導波路ＯＷＭＭＩの中心部分（以下、ビート長の位置）で交差させる。３本の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させたＭＭＩ交差構造における損失、クロストークが、ＭＭＩ交差構造を用いずに２本の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させた構造と同等の性能（損失、クロストーク）である場合、交差回数を減少させることにより低損失、低クロストークを実現することで、ポート数の拡大に大きく寄与することができる。
なお、本実施例によれば、図２からわかるように、従来、交差数が最も多かった接続光導波路ＯＷについて、交差回数をＮ／２回低減させることができる。
また、一般的には接続光導波路ＯＷの交差は接続光導波路ＯＷを１対１で交差させ、また、交差角度は直交に近いほど損失、クロストークは小さくなる。これに対し、本実施例では、接続光導波路ＯＷのすべての交差部にＭＭＩ交差構造を導入することで、低損失、低クロストークな複数交差を実現することができる。
例えば、１次のモードを励起する幅のＭＭＩ交差構造の場合、導波方向に対してビート長の位置で０次モードの割合がピークとなり、接続光導波路ＯＷの側壁の影響を受けにくくなる。このことから、ビート長の位置で交差させた他の接続光導波路ＯＷへの漏れ光を抑制し、クロストークを低減することができる上、他の接続光導波路ＯＷによる散乱を低減するため、交差損失の低減が可能となる。
さらに、ＭＭＩ交差構造では、交差させる接続光導波路ＯＷの数を３本以上とし、交差角度が鋭角となった場合でも同様にして低損失、低クロストークが期待できることから、複数の交差を一箇所にまとめることで単位交差当たりの損失をさらに低減することが可能となる。
なお、ＭＭＩ交差構造は、図３に示すように交差角度が等角であることが望ましいが、上記に限らず、様々な形態でも同様の効果が期待できる。
本実施例では、図５に示した従来の光スイッチでの接続光導波路ＯＷの最大の交差数（Ｎ−１）×（Ｎ−１）に比べて、３本の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させる場合であれば接続光導波路ＯＷの最大の交差回数が（Ｎ−１）×（Ｎ−１）−Ｎ／２となるなど、交差回数の低減が可能である。
この場合の交差回数と損失値に関して、実際のポート数を仮定した場合の比較を表１に示す。
Figure 2018198927
表１に示すように、本実施例に係るＮ×Ｎ光スイッチ１０によれば、接続光導波路ＯＷの交差数を低減することができ、これにより導波路交差による交差損失を低減することができる。
表１では本実施例については同時に交差させる接続光導波路ＯＷを３本とした例を示しているが、同時に交差させる接続光導波路ＯＷの数を増やすことで更なる光損失の低減が期待できる。
なお、本実施例では接続光導波路ＯＷの交差をＭＭＩ光導波路ＯＷＭＭＩを用いて行う例を示したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、三本以上の接続光導波路ＯＷを一箇所で交差させる構造（一つの接続光導波路ＯＷが二以上の他の接続光導波路ＯＷと一箇所で交差する構造）を採用することにより、従来に比較して損失およびクロストークを低減させることができる。
図４を用いて本発明の実施例２に係るＮ×Ｎ光スイッチについて説明する。以下、一例としてＮ＝４の場合を例に説明する。
まず図７に、特許文献２を参照して、入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の並びを変更することで、交差数の低減を実現した４×４光スイッチ２００を示す。図７に示す４×４光スイッチ２００は、図５に示したように、入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４を直線状に並べ、出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４を入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４に対向する位置に直線状に並べるのではなく、入力側と出力側を交互に配置した構造である。
具体的には、一方の端面に入力側１×４光スイッチＳＷ１１、出力側４×１光スイッチＳＷ２４、入力側１×４光スイッチＳＷ１２、出力側４×１光スイッチＳＷ２３が順に配置され、他方の端面に出力側４×１光スイッチＳＷ２１、入力側１×４光スイッチＳＷ１４、出力側４×１光スイッチＳＷ２２、入力側１×４光スイッチＳＷ１３が順に配置されている。
各入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の出力ポートＰ１〜Ｐ４と、各出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜２４の入力ポートＱ１〜Ｑ４の接続状態は、次の通りである。
すなわち、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１１の両端に位置する出力ポートＰ１，Ｐ４は、他の接続光導波路と交差しない接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１１に隣接し互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２１，ＳＷ２４の端部に位置する入力ポートＱ１，Ｑ４に接続され、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１１の出力ポートのうち両端以外に位置する出力ポートＰ２，Ｐ３は、他の接続光導波路と交差する接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１１に隣接せず互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２２，ＳＷ２３の両端以外に位置する入力ポートＱ２，Ｑ３に接続される。
また、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１２の両端に位置する出力ポートＰ１，Ｐ４は、他の接続光導波路と交差しない接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１２に隣接し互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２４，ＳＷ２３の端部に位置する入力ポートＱ１，Ｑ４に接続され、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１２の出力ポートのうち両端以外に位置する出力ポートＰ２，Ｐ３は、他の接続光導波路と交差する接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１２に隣接せず互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２の両端以外に位置する入力ポートＱ２，Ｑ３に接続される。
また、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１４の両端に位置する出力ポートＰ１，Ｐ４は、他の接続光導波路と交差しない接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１３に隣接し互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２３，ＳＷ２２の端部に位置する入力ポートＱ１，Ｑ４に接続され、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１３の出力ポートのうち両端以外に位置する出力ポートＰ２，Ｐ３は、他の接続光導波路と交差する接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１３に隣接せず互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２４，ＳＷ２１の両端以外に位置する入力ポートＱ２，Ｑ３に接続される。
また、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１４の両端に位置する出力ポートＰ１，Ｐ４は、他の接続光導波路と交差しない接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１４に隣接し互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２２，ＳＷ２１の端部に位置する入力ポートＱ１，Ｑ４に接続され、入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１４の出力ポートのうち両端以外に位置する出力ポートＰ２，Ｐ３は、他の接続光導波路と交差する接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチＳＷ１４に隣接せず互いに異なる出力側Ｎ×１光スイッチＳＷ２３，ＳＷ２４の両端以外に位置する入力ポートＱ２，Ｑ３に接続される。
このような配置とすれば、接続光導波路ＯＷの他の接続光導波路ＯＷとの交差数は、最大で（Ｎ−２）×（Ｎ／２）回（Ｎ＝４の場合、（４−２）×（４／２）＝４回）と、図５に示したＮ×Ｎ光スイッチの構成に比べて低減できるが、この構成においても本発明の構造を適用することができる。
図４に示す４×４光スイッチ２０は、図７に示した４×４光スイッチ２００に対し接続光導波路ＯＷの経路が異なっている。入力側１×Ｎ光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４の並び、及び、各入力側１×４光スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の出力ポートＰ１〜Ｐ４と各出力側４×１光スイッチＳＷ２１〜２４の入力ポートＱ１〜Ｑ４の接続状態は図７と同様であり、詳細な説明は省略する。
図４に示すように、本実施例において４×４光スイッチ２０は、実施例１と同様に２本の導波路交差だけでなく、３本の導波路交差を導入している。３本の接続光導波路ＯＷを交差させた箇所を図４中に破線で囲んで示す。この場合、最大の交差回数は（Ｎ−１）×（Ｎ−２）／２回（Ｎ＝４の場合、（４−１）×（４−２）／２＝３回）と図５に示した従来のＮ×Ｎ光スイッチと比べて大幅に最大の交差回数を低減することができる。この場合の交差回数と損失値に関して、実際のポート数を仮定した場合の比較を表２に示す。
Figure 2018198927
表２に示すように、本実施例に係るＮ×Ｎ光スイッチ２０によれば、接続光導波路ＯＷの交差数を低減することができ、これにより導波路交差による交差損失を低減することができる。
表２では同時に交差させる接続光導波路ＯＷを３本とした例を示しているが、同時に交差させる接続光導波路ＯＷの数を増やすことで更なる光損失の低減が期待できる。なお、本実施例においても導波路交差部にＭＭＩ交差構造を導入することで低損失、低クロストーク交差を実現している。
１０，２０ ４×４光スイッチ（Ｎ×Ｎ光スイッチ）
ＳＷ１１〜ＳＷ１４ 入力側１×４光スイッチ（入力側１×Ｎ光スイッチ）
ＳＷ２１〜ＳＷ２４ 出力側４×１光スイッチ（出力側Ｎ×１光スイッチ）
Ｐ１〜Ｐ４ 入力側光スイッチの出力ポート
Ｑ１〜Ｑ４ 出力側光スイッチの入力ポート
ＯＷ 接続光導波路
ＯＷＭＭＩ ＭＭＩ光導波路

Claims (6)

  1. Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の出力ポートを有するＮ個の入力側１×Ｎ光スイッチ、Ｎ個の入力ポートを有するＮ個の出力側Ｎ×１光スイッチ、及び、前記出力ポートと前記入力ポートとを接続する接続光導波路を備えるＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
    一部の前記接続光導波路が二以上の他の前記接続光導波路と一箇所で交差している
    ことを特徴とするＮ×Ｎ光スイッチ。
  2. 請求項１に記載のＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
    前記接続光導波路と他の前記接続光導波路との交差部にＭＭＩ交差構造を用いた
    ことを特徴とするＮ×Ｎ光スイッチ。
  3. 請求項１または請求項２に記載のＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチおよび前記出力側Ｎ×１光スイッチは、それぞれ前記出力ポートと前記入力ポートとが対向するように一直線状に配置され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち一端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの一端側の前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差しない前記接続光導波路により前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち一端側に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチの一端側の前記入力ポートに接続され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち他端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの他端側の前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差しない前記接続光導波路により前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち他端側に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチの他端側の前記入力ポートに接続され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち一端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの一端側以外に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち一端側以外に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの前記入力ポートに接続され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち他端側に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの他端側以外に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、前記出力側Ｎ×１光スイッチのうち他端側以外に位置する前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの前記入力ポートに接続され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチのうち両端以外に位置する前記入力側１×Ｎ光スイッチの前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの前記入力ポートに接続される
    ことを特徴とするＮ×Ｎ光スイッチ。
  4. 請求項１または請求項２に記載のＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチと前記出力側Ｎ×１光スイッチとが交互に並んで配置され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチの両端に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差しない前記接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチに隣接する前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの端部に位置する前記入力ポートに接続され、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチの前記出力ポートのうち両端以外に位置する前記出力ポートは、他の前記接続光導波路と交差する前記接続光導波路により、当該入力側の１×Ｎ光スイッチに隣接しない前記出力側Ｎ×１光スイッチであって互いに異なる前記出力側Ｎ×１光スイッチの両端以外に位置する前記入力ポートに接続される
    ことを特徴とするＮ×Ｎ光スイッチ。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
    前記入力側１×Ｎ光スイッチと、前記出力側Ｎ×１光スイッチと、前記接続光導波路が、同一の半導体基板上にモノリシック集積して形成されている
    ことを特徴とするＮ×Ｎ光スイッチ。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＮ×Ｎ光スイッチにおいて、
    前記接続光導波路と他の前記接続光導波路との交差部の交差角度が等角であることを特徴とするＮ×Ｎ光スイッチ。
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