WO2006049031A1 - 光スイッチ及び経路切り替え方法 - Google Patents

光スイッチ及び経路切り替え方法 Download PDF

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    • G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]

Definitions

  • the present invention relates to an integrated optical space switch used for switching a multi-input multi-output optical path used for optical communication, optical switching, optical information processing, optical interconnection, and the like.
  • an optical switch using a planar optical circuit there is a multi-input multi-output optical switch in which a plurality of combinations of a 1-input 2-output and 2-input 2-output configuration in a matrix is used as a basic element.
  • a multi-input multi-output optical switch in which a plurality of combinations of a 1-input 2-output and 2-input 2-output configuration in a matrix is used as a basic element.
  • 8 1X2 switch elements and 4 2X2 switch elements are required.
  • switching of the optical path in each switch element uses a change in refractive index due to the thermo-optic effect or the electro-optic effect.
  • FIG. 4 shows a general configuration of an arrayed optical waveguide switch (see Patent Document 1).
  • an array optical waveguide type path switching switch is formed on a quartz substrate 71 by a planar optical circuit.
  • the length of each optical waveguide in the array optical waveguide section is set equal, and is constant with respect to the refractive index between the optical waveguides by applying a voltage to the heater electrode 76 having a different electrode length for each waveguide. It is possible to make a difference.
  • the signal light input to the input optical waveguide 74 spreads in the lateral direction in the first slab optical waveguide 75 and is distributed to the array optical waveguide 77.
  • the configuration shown in FIG. 4 has an advantage that it does not cause a significant increase in size due to the crossing of waveguides and the increase in the number of channels, as in the matrix switch described above.
  • this configuration has a problem that one input and multiple outputs are possible, but multiple inputs and multiple outputs cannot be performed.
  • Patent Document 2 discloses an optical switch that realizes an NXN switch by connecting a plurality of input ports and a plurality of output ports with a two-dimensional light beam propagating in a slab optical waveguide.
  • Patent Document 3 includes a first optical deflector, a planar optical waveguide, and a second optical deflector.
  • the first optical deflector includes a star coupler, a waveguide array, and electrodes that are sequentially connected to an input port.
  • the two-light deflector has a staggered bra and a waveguide array and electrodes sequentially connected to the output port, connects the two arrays via a planar waveguide, and adjusts the phase of each guided light in the array of the first light deflector.
  • the light is controlled to be incident on the desired array of the second optical deflector through the electrodes, and the phase of each guided light guided through the array is controlled through the electrodes, so that these lights are made to have the same phase in the force bra.
  • a configuration of an optical switch is disclosed in which the light is incident and the cabrater emits only light incident at an equal phase.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11-212123 (FIG. 1)
  • Patent Document 2 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-202606 (Fig. 9)
  • Patent Document 3 JP-A-5-273604 (Fig. 1) Disclosure of the invention
  • the array optical waveguide type spatial deflection switch described above does not cause waveguide crossing unlike the matrix switch, and the increase in size accompanying the increase in the number of channels is relatively gradual. However, there was a problem that the NXN I / O switching function was not possible.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and its main purpose is to make it possible to suppress an increase in optical loss and size with respect to an increase in the number of channels. It is an object of the present invention to provide an optical switch capable of switching between input and output.
  • an optical switch includes an optical switch having a planar waveguide type path switching function having a plurality of input ports and a plurality of output ports.
  • the plurality of input ports are respectively connected to one ends of different sub-slab optical waveguides, and the other ends of the plurality of sub-slab optical waveguides are connected to a common main through different array-type optical waveguides.
  • a plurality of output ports are connected to one end of the slab optical waveguide, a plurality of output ports are connected to the other end of the main slab optical waveguide.
  • An electrode that causes a difference in the refractive index of the optical waveguide is disposed.
  • the main slab optical waveguide has a narrow width on the other end side connected to the plurality of output ports, and an end side connected to the plurality of array type optical waveguides has a wide arc shape. It is good also as a structure which has the substantially fan-shaped planar shape.
  • a heater electrode is disposed on the upper portion of the array optical waveguide, and due to a thermo-optical effect due to heat generated by the heater electrode, between the adjacent waveguides of the array optical waveguide. It is good also as a structure which makes a difference produce a refractive index.
  • the array optical waveguide is formed of a material having an electro-optic effect, and an electric power for applying a voltage to the upper portion of the array optical waveguide.
  • a configuration may be adopted in which poles are arranged, and a difference in refractive index between adjacent waveguides of the array optical waveguide is caused by an electro-optic effect caused by application of a voltage to the electrodes.
  • the length of each optical waveguide adjacent to the array optical waveguide may be changed at a constant rate.
  • the lengths of the optical waveguides adjacent to the array optical waveguide may be set equal to each other.
  • the above-described optical switch is characterized in that the sub-slab optical waveguide, the main slab optical waveguide, and the array optical waveguide are monolithically integrated on the same plane.
  • At least the array optical waveguide may be formed of a semiconductor material having an electro-optical effect.
  • At least the array optical waveguide may be formed of a dielectric material having an electrooptic effect.
  • Another aspect of the present invention is a method in which a plurality of sub-slab optical waveguides each having one end connected to a plurality of input ports and a plurality of sub-slab optical waveguides are connected to the other end of the plurality of sub-slab optical waveguides. And a common main slab optical waveguide connected at one end to each other through the array type optical waveguide, and a plurality of output ports are connected to the other end of the main slab optical waveguide.
  • a switching method of the optical switch provided with a control electrode for variably controlling the refractive index of each of the optical waveguides corresponding to each of the arrayed optical waveguides, wherein the refractive index of the arrayed optical waveguide is changed. And controlling the output port by varying the condensing point in the main slab optical waveguide.
  • a light wave input from a certain input port propagates through a sub-slab optical waveguide connected to the input port, and is then demultiplexed into the array optical waveguide;
  • the control electrode gives a predetermined difference in refractive index between optical waveguides adjacent to each other in an array, and the end of the array optical waveguide is placed on an equiphase surface of the light wave propagated through the array optical waveguide.
  • the refractive index at the end face of the main slab optical waveguide is Creating a slope according to the difference;
  • the light wave having the inclination is condensed at a certain output port end provided on the end surface of the main slab optical waveguide in the process of propagating through the main slab optical waveguide, and is connected to the outside of the optical switch via the certain output port. May be included.
  • the optical switch according to the present invention is an optical switch capable of switching a plurality of paths by a plurality of inputs and simultaneously switching to each port without causing interference of input / output light.
  • a light wave input from a specific input port among a plurality of input ports propagates through a sub-slab optical waveguide connected to this port and is then demultiplexed into an array optical waveguide.
  • this array optical waveguide it is possible to have a certain difference in refractive index between the optical waveguides adjacent to each other by the control electrode provided in the vicinity, and the equal phase of the light wave propagated through the array optical waveguide On the surface, an inclination corresponding to the refractive index difference is generated at the end surface of the main slab optical waveguide which is the end of the array optical waveguide.
  • a light wave having a certain inclination is condensed at a specific output port end provided on the end surface of the main slab optical waveguide in the process of propagating through the main slab optical waveguide, and is output to the outside of the optical switch through the output port. Will be. Further, by appropriately controlling the refractive index change of the array optical waveguide, it is possible to change the condensing point in the main slab optical waveguide, thereby enabling the output port to be switched.
  • the above selection of the lightwave path (route) does not cause any particular problem even when the paths (routes) of multiple ports are switched simultaneously.
  • the optical switch according to the present invention can be constituted by a planar optical circuit using a quartz substrate, and by using the thermo-optic effect of quartz for the refractive index change of the array optical waveguide, It can be configured as a single unit. Further, by using a semiconductor material or a ferroelectric material for the arrayed optical waveguide, high-speed path switching is possible.
  • the plurality of subslab optical waveguides connected to the plurality of input ports are connected to one common main slab optical waveguide.
  • Switch path switching can be realized.
  • the path switching switch normally changes the isophase plane of the light wave propagating through the slab optical waveguide on the output side by controlling the refractive index of the array optical waveguide connecting between the two slab optical waveguides, thereby changing the slab optical waveguide.
  • the output port is changed by moving the condensing point on the waveguide end face.
  • a 1XN path switching switch is configured, and even if N of these optical switches are arranged, an NXN switch is not configured.
  • each element of the input optical waveguide, subslab optical waveguide, array optical waveguide, and output optical waveguide can be monolithically integrated as a planar optical circuit on one substrate. Therefore, it is possible to reduce the size and the mounting cost.
  • path switching of the light waves input to the plurality of input ports is independently controlled by the array optical waveguide, and spatial switching is performed by the main slab optical waveguide. It is possible to switch between multiple lightwave paths at the same time.
  • the optical switch of the present invention by using a semiconductor material or a ferroelectric material for the arrayed optical waveguide portion, a change in refractive index due to the electrooptic effect can be used, and high-speed path switching can be performed. Is possible.
  • optical switch of the present invention it is possible to provide a wavelength routing function by changing the length of the optical waveguides constituting the arrayed optical waveguide at a constant rate. Become.
  • the main slab optical waveguide is narrowed by narrowing the end surface side to which the output optical waveguide is connected, and has a substantially fan-shaped planar shape in which the side connected to the array optical waveguide is wide. By doing so, it contributes to reducing the element size of NXN optical switches.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an optical switch according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a partially enlarged view of the semiconductor array optical waveguide integrated portion of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional optical switch using an array optical waveguide.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
  • an input waveguide 11 and a sub slab optical waveguide 12 are connected on a quartz substrate 18.
  • the sub slab optical waveguide 12 and the main slab optical waveguide 15 are optically connected by an array optical waveguide 14 (note that the “sub slab optical waveguide” and the “main slab optical waveguide” Waveguide “and” main slab waveguide ").
  • a wedge-shaped heater control electrode 13 is formed on the array optical waveguide 14. Further, all the plurality of sub-slab optical waveguides are optically connected to one end 19 of the common main slab optical waveguide.
  • the output optical waveguide 16 is optically connected to the other end 20 of the main slab optical waveguide 15.
  • the main slab optical waveguide 15 has a planar shape that is narrow on the side connected to the plurality of output optical waveguides 16 (the interval between the output optical waveguides 16 is narrowed), and a plurality of array type optical waveguides.
  • the side connected to the waveguide 14 is wide.
  • the main The side connected to the plurality of array type optical waveguides 14 of the lab optical waveguide 15 is expanded in an arc shape and has a substantially fan-shaped planar shape.
  • the spacing between adjacent output optical waveguides 16 on the narrowed end face side (center side) of the main slab optical waveguide 15 is relatively small in correspondence with the narrowed main slab optical waveguide 15.
  • a part or all of the plurality of output optical waveguides 16 are provided with a side force connected to the main slab optical waveguide 15 once linearly extended, and then in a predetermined direction with respect to the extending direction of the straight lines. It is bent so as to open at an angle, and then is extended in parallel to the linear direction and led to the output port 17, and the interval between adjacent output ports is such that the width of the main slab optical waveguide 15 is narrow.
  • the distance between adjacent output optical waveguides 16 at the formed end face is larger.
  • the optical wave signal light input to the input port 10 is demultiplexed into an array optical waveguide 14 in which a plurality of optical waveguides are arranged in an array via the sub-slab optical waveguide 12, and the main slab optical waveguide Reaches one end (input end) 19 and propagates through the main slab optical waveguide 15, collects light at a specific output port provided at the other end (output end) 20 of the main slab optical waveguide 15, and outputs it. The light propagates through the optical waveguide 16 and is output from the output port 17.
  • the sub slab optical waveguides 12 and the array optical waveguides 14 connected to the plurality of input ports 10 are independent from each other and do not affect each other even in the operation thereof, so that a plurality of simultaneous path switching can be performed.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to the present invention in which high-speed switching is achieved.
  • an input waveguide 31 and a sub slab optical waveguide 32 are connected on a quartz substrate 38, and the sub slab optical waveguide 32 and the main slab optical waveguide are connected.
  • 35 is optically connected by a semiconductor array optical waveguide 34.
  • a wedge-shaped control electrode 33 for applying a voltage is formed on the top of the semiconductor array optical waveguide 34.
  • all the plurality of sub-slab optical waveguides are optically connected to one end (input end) 39 of the common main slab optical waveguide.
  • An output optical waveguide 36 is optically connected to one end (output end) 40 of the main slab optical waveguide 35, and a ground electrode 41 is formed below the semiconductor array optical waveguide 34.
  • FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a portion of the semiconductor array optical waveguide portion 42 of FIG.
  • a ground electrode 55 is formed on the first cladding layer 53 of the partially removed quartz waveguide, and a semiconductor array optical waveguide is installed on the ground electrode 55. .
  • an n-type InP cladding layer 59, a multiple quantum well core layer 60 composed of InGaAs P / lnP, and a p-InP cladding layer 58 are sequentially stacked on an n-type InP substrate 56.
  • a wedge-shaped electrode 50 is provided at the top. The center height in the stacking direction of the multiple quantum well core layer 60 and the center height of the core layer 54 of the quartz waveguide are set to be equal.
  • the wedge-shaped electrode 50 When a voltage is applied between the wedge-shaped electrode 50 and the ground electrode 55, an electric field is applied to the multiple quantum well core layer 60, and the QCSE (quantum confined Stark effect) causes the multiple quantum well core layer 60 to The force that changes the refractive index Because the wedge-shaped electrode 50 has a certain difference in the electrode length on each array optical waveguide, there is a certain difference in the effective refractive index of each array optical waveguide. become.
  • QCSE quantum confined Stark effect

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Abstract

　マトリクススイッチのように導波路交差を生じず、ＮＸＮの入出力経路切り替えを可能としチャネル数の増加に対し光学損失およびサイズの増大を抑止する光スイッチを提供する。複数の入力ポート１０と複数の出力ポート１７を有する平面導波路型の経路切り替え機能を有する光スイッチであって、複数の入力ポートは、それぞれ異なるサブスラブ光導波路１２の一端に接続されており、複数のサブスラブ光導波路１２の他端は、それぞれ異なるアレイ光導波路１４を介して共通のメインスラブ光導波路１５の一端に光学的に接続されており、メインスラブ光導波路１５の他端には複数の出力ポート１７が接続されており、アレイ光導波路１４の上部には各光導波路の屈折率に差異を生じせしめる電極１３が配置されている。

Description

明 細 書
光スィッチ及び経路切り替え方法
技術分野
[0001] 本発明は、光通信、光交換、光情報処理および光インターコネクション等に用いら れる多入力多出力の光行路の切り替えに用いられる集積型光空間スィッチに関する ものである。
背景技術
[0002] 光通信の分野のみならず光情報処理の分野においても、大容量の光信号情報を 電気信号に変換せずに光信号のまま行路 (経路)切り替えを行う光スイッチング技術 の開発が重要になってきている。従来、石英ガラス、半導体、ニオブ酸リチウム、ポリ マーなどの基板上に、平面光導波路を形成した例や、マイクロマシン等の微小な可 動機構を有する大規模なスィッチまで様々なものが開発されて ヽる。
[0003] し力しながら、マイクロマシンによるスィッチは、可動部を有する為に、製作工程が 複雑であり、また、信頼性を確保することが容易でないこと、さらには、切り替え速度 を上げることが困難であるという問題点がある。
[0004] また、平面光回路による光スィッチの例として、 1入力 2出力及び 2入力 2出力の構 成を基本要素としてマトリクス状に複数組み合わせた多入力多出力の光スィッチがあ る。例えば、 4入力 4出力のマトリクス光スィッチを例にとると、 1X2のスィッチ要素 8個 と 2X2のスィッチ要素 4個が必要となる。この場合、各スィッチ要素における光行路の 切り替えは、熱光学効果あるいは電気光学効果による屈折率の変化を利用すること になる。
[0005] し力しながら、この方式では、スィッチ規模が大きくなり、チャネル数が増加すると、 全体の素子サイズが急速に増大すると共に、導波路交差の数も増大することから、光 学損失の増大と素子コスト、歩留まりの低下など多くの問題が顕在化することになる。
[0006] そこで、最近では、アレイ光導波路の屈折率を変化させることにより、伝播光ビーム を偏向させて行路切り替えを行う方式が検討されている。
[0007] 図 4は、アレイ光導波路型スィッチの一般的な構成である（特許文献 1参照)。この 例では、石英基板 71上に、平面光回路でアレイ光導波路型の経路切り替えスィッチ が形成されている。アレイ光導波路部の各光導波路の長さは、等しく設定されており 、各導波路毎に異なる電極長を有するヒータ電極 76への電圧印加により、各光導波 路間の屈折率に対して一定の差異を生じさせることが可能となっている。
[0008] 入力光導波路 74に入力された信号光は、第一のスラブ光導波路 75で横方向に広 がり、アレイ光導波路 77に分配される。
[0009] ヒータ電極 76への印加電圧を変えることにより、アレイ光導波路 77では、各導波路 間に熱光学効果により、一定の屈折率変化が生じるので、第二のスラブ光導波路 72 の入力端 79おいて、光ビームの進行方向に偏向が発生する。これにより、第二のス ラブ光導波路 72の出力端 78における集光点が変化して、信号光の出力光導波路（ 出力ポート） 73が変更される。
[0010] 図 4に示した構成の場合、前述したマトリクススィッチのような導波路交差やチヤネ ル数の増加に伴う著しいサイズの増大を生じないという利点がある。しかしながら、こ の構成は、 1入力複数出力は可能であるが、複数入力'複数出力ができない、という 問題を有する。
[0011] なお、特許文献 2には、複数の入力ポートと複数の出力ポート間を、スラブ光導波 路中を伝播する 2次元的な光ビームによって接続することにより NXNスィッチを実現 する光スィッチが記載されている。また、特許文献 3には、第一光偏向器、平面光導 波路、第二光偏向器を備え、第一光偏向器は入力ポートに順次接続したスターカブ ラ及び導波路アレイと電極を備え、第二光偏向器は出力ポートに順次接続したスタ 一力ブラ及び導波路アレイと電極を備え、二つのアレイを平面導波路を介し接続し、 第一光偏向器のアレイの各導波光の位相を電極を介して制御して第二光偏向器の 所望のアレイに入射させ、該アレイを導波する各導波光の位相を電極を介して制御 することによりこれらの光を等位相として力ブラに入射させ、該カブラは等位相で入射 した光のみを出射する光スィッチの構成が開示されている。
[0012] 特許文献 1 :特開平 11— 212123号公報 (第 1図）
特許文献 2：特開 2003— 202606号公報 (第 9図）
特許文献 3：特開平 5 - 273604 (第 1図） 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] 近年の光スィッチにおいては、通信分野のみならず光情報処理分野においても、 1 XNだけでなぐ NXNの入出力切り替え機能が求められている。
[0014] 前記したアレイ光導波路型の空間偏向スィッチでは、マトリクススィッチのように導波 路交差を生じず、さらに、チャネル数の増大に伴うサイズの増大も比較的緩やかであ り、今後の実用化が期待される方式ではあるものの、 NXNの入出力切り替え機能が 出来ない、という課題があった。
[0015] したがって、本発明は、このような課題を解決するために為されたのものであり、そ の主たる目的は、チャネル数の増加に対して光学損失およびサイズの増大を抑止可 能とし、 NXNの入出力切り替えが可能な光スィッチを提供すること目的とする。
課題を解決するための手段
[0016] 上記目的を達成するために、本発明の一つの側面 (アスペクト）〖こ係る光スィッチは 、複数の入力ポートと複数の出力ポートを有する平面導波路型の経路切り替え機能 を有する光スィッチであって、前記複数の入力ポートは、それぞれ異なるサブスラブ 光導波路の一端に接続されており、前記複数のサブスラブ光導波路の他端は、それ ぞれ異なるアレイ型光導波路を介して、共通のメインスラブ光導波路の一端に光学 的に接続されており、また、前記メインスラブ光導波路の他端には、複数の出力ポー トが接続されており、さらに、前記アレイ型光導波路の上部には各光導波路の屈折率 に差異を生じせしめる電極が配置されて 、ること特徴として 、る。
[0017] 本発明において、前記メインスラブ光導波路は、前記複数の出力ポートに接続する 他端の側で幅狭とされ、前記複数のアレイ型光導波路に接続する一端の側が弧状 に幅広とされる略扇型の平面形状を有する構成としてもよい。
[0018] また、本発明に係る光スィッチにおいて、アレイ光導波路の上部にヒータ電極が配 置されており、このヒータ電極の発熱による熱光学効果により、前記アレイ光導波路 の隣接する導波路間の屈折率に差異を生じせしめる構成としてもよい。
[0019] また、本発明に係る光スィッチにおいて、前記アレイ光導波路が電気光学効果を有 する材料で形成されており、前記アレイ光導波路の上部に電圧を印加するための電 極が配置されており、前記電極への電圧印加による電気光学効果により、前記アレイ 光導波路の隣接する導波路間の屈折率に差異を生じせしめる構成としてもよい。
[0020] また、本発明に係る光スィッチにおいて、前記アレイ光導波路の隣接する各光導波 路の長さが一定の割合で変化して 、る構成としてもよ!、。
[0021] あるいは、前述の光スィッチにおいて、前記アレイ光導波路の隣接する各光導波路 の長さが等しく設定されて 、るようにしてもょ 、。
[0022] あるいは、前述の光スィッチにお 、て、前記サブスラブ光導波路及び前記メインス ラブ光導波路と前記アレイ光導波路が同一平面上にモノリシック集積されていること を特徴としている。
[0023] あるいは、本発明に係る光スィッチにおいて、少なくとも前記アレイ光導波路が電気 光学効果を有する半導体材料で形成されて!ヽる構成としてもょ ヽ。
[0024] また、本発明に係る光スィッチにおいて、少なくとも前記アレイ光導波路が電気光 学効果を有する誘電体材料で形成されて!ヽる構成としてもょ ヽ。
[0025] 本発明の他の側面 (アスペクト）〖こ係る方法は、複数の入力ポートに一端がそれぞ れ接続された複数のサブスラブ光導波路と、前記複数のサブスラブ光導波路の他端 に、複数のアレイ型光導波路を介して、対応する一端がそれぞれ接続されている、共 通のメインスラブ光導波路と、を有し、前記メインスラブ光導波路の他端には複数の 出力ポートが接続されており、前記各アレイ型光導波路に対応して、前記各光導波 路の屈折率を可変制御させる制御電極が設けられた光スィッチの経路切り替え方法 であって、前記アレイ光導波路の屈折率の変化を制御することで、前記メインスラブ 光導波路での集光ポイントを可変させ、前記出力ポートの切り替えを行うステップを 含む。
[0026] 本発明に係る方法において、ある入力ポートから入力された光波は、前記入力ポ ートに接続されたサブスラブ光導波路を伝播した後に、前記アレイ光導波路に分波 されるステップと、
前記アレイ光導波路では、前記制御電極により、アレイ状に隣接する光導波路間で その屈折率に所定の差異をもたせ、前記アレイ光導波路を伝播した光波の等位相面 に、前記アレイ光導波路の終端である前記メインスラブ光導波路端面で前記屈折率 差に応じた傾きを生じさせるステップと、
前記傾きをもった光波は、前記メインスラブ光導波路を伝播する過程で前記メイン スラブ光導波路端面に設けられた、ある出力ポート端に集光し、前記ある出力ポート を介して、前記光スィッチ外部へ出力されるステップと、を含むようにしてもよい。
[0027] [本発明の概要'作用]
本発明に係る光スィッチによれば、複数入力で複数出力の経路切り替えが可能で あり、かつ、入出力光の干渉を生じずに各ポートへの同時切り替えが可能な光スイツ チである。複数ある入力ポートの中である特定の入力ポートから入力された光波は、 このポートに接続されたサブスラブ光導波路を伝播した後に、アレイ光導波路に分波 される。このアレイ光導波路では、近傍に設けられた制御電極により、アレイ状に隣 接する光導波路間でその屈折率に一定の差異をもたせることが可能であり、アレイ光 導波路を伝播した光波の等位相面には、アレイ光導波路の終端であるメインスラブ 光導波路端面で、前記屈折率差に応じた傾きが生じることになる。ある傾きをもった 光波は、メインスラブ光導波路を伝播する過程でメインスラブ光導波路端面に設けら れた特定の出力ポート端に集光し、その出力ポートを介して、光スィッチ外部へ出力 されることになる。また、上記アレイ光導波路の屈折率変化を適当に制御することによ り、メインスラブ光導波路での集光ポイントを変化させることが可能であり、これにより、 出力ポートの切り替えが可能となる。上記の光波行路 (経路）の選択は、複数ポート の行路 (経路)切り替えが同時に行われる場合であっても、特に別段の問題は生じな い。
[0028] また、本発明に係る光スィッチは、石英基板を用いた平面光回路で構成することが 可能であり、アレイ光導波路の屈折率変化に石英の熱光学効果を用いることにより、 石英材料単体で構成することができる。また、前記アレイ光導波路に半導体材料また は強誘電体材料を用いることにより高速の経路切り替えも可能となる。
発明の効果
[0029] 本発明の光スィッチによれば、複数の入力ポートに接続されている複数のサブスラ ブ光導波路が一つの共通のメインスラブ光導波路に接続されて 、ることによって、全 体として、 NXNスィッチの経路切り替えを実現することができる。アレイ光導波路を用 V、た経路切り替えスィッチは、通常 2つのスラブ光導波路間を結ぶアレイ光導波路の 屈折率を制御することにより、出力側のスラブ光導波路を伝播する光波の等位相面 を変化させて、スラブ光導波路端面の集光点を移動させることにより、出力ポートを変 えている。この場合、 1XNの経路切り替えスィッチの構成となり、これらの光スィッチ を N個並べても、 NXNスィッチの構成にはならない。
[0030] また、本発明に係る光スィッチによれば、入力光導波路、サブスラブ光導波路、ァレ ィ光導波路、出力光導波路の各要素を一つの基板上の平面光回路としてモノリシッ ク集積できるので、小型化および実装コストの低減が可能となる。
[0031] また、本発明に係る光スィッチによれば、複数の入力ポートへ入力された光波は、 それぞれ独立にアレイ光導波路で経路切り替えが制御され、メインスラブ光導波路で 空間的な切り替えが行われるので、同時に複数の光波経路の切り替えが可能となる
[0032] さらに、本発明に係る光スィッチによれば、アレイ光導波路部に半導体材料または 強誘電体材料を用いることにより、電気光学効果による屈折率変化を利用することが でき、高速の経路切り替えが可能となる。
[0033] さらにまた、本発明に係る光スィッチによれば、アレイ光導波路を構成する光導波 路の長さに一定の割合で変化をもたせることにより、波長ルーティングの機能を持た せることが可能となる。
[0034] 本発明によれば、メインスラブ光導波路を、出力光導波路が接続する端面側を絞り 込んで、幅狭とし、アレイ光導波路に接続する側を幅広とする略扇型の平面形状とす ることで、 NXNの光スィッチの素子サイズの縮減に貢献する。
図面の簡単な説明
[0035] [図 1]本発明の一実施の形態の光スィッチの構成を示す図である。
[図 2]本発明の別の実施の形態の光スィッチの構成を示す図である。
[図 3]図 2の半導体アレイ光導波路集積部を部分的に拡大して示した斜視図である。
[図 4]アレイ光導波路を用いた従来の光スィッチの構成を示す図である。
符号の説明
[0036] 10 入力ポート 入力導波路
サブスラブ光導波路 楔形ヒータ制御電極 アレイ光導波路
メインスラブ光導波路 出力光導波路
出力ポート
石 板
メインスラブ光導波路の入力端 メインスラブ光導波路の出力端 入力ポート
入力導波路
サブスラブ光導波路 楔型制御電極
半導体アレイ光導波路 メインスラブ光導波路 出力光導波路
出力ポート
石 板
メインスラブ光導波路の入力端 メインスラブ光導波路の出力端 グランド電極
半導体アレイ光導波路部 楔型電極
石英導波路の第二クラッド層 石英導波路の第一クラッド層 石英導波路のコア層 グランド電極 56 n型 InP基板
57 InP光導波路アレイ
58 p型 InPクラッド層
59 n型 InPクラッド層
60 InGaAsP/lnP 多重量子井戸コア層
71 石:^ 板
72 第二スラブ光導波路
73 出力光導波路
74 入力光導波路
75 第一スラブ光導波路
76 ヒータ電極
77 アレイ光導波路
78 第二スラブ光導波路の出力端
79 第二スラブ光導波路の入力端
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図 1は、本 発明の光スィッチの一実施の形態の構成概略を示す模式図である。図 1を参照する と、本発明の一実施の形態に係る光スィッチにおいては、石英基板 18上に、入力導 波路 11とサブスラブ光導波路 12が接続されて 、る。サブスラブ光導波路 12とメイン スラブ光導波路 15との間は、アレイ光導波路 14にて光学的に接続されている（なお 、「サブスラブ光導波路」、「メインスラブ光導波路」は、それぞれ、「サブスラブ導波路 」、「メインスラブ導波路」とも略記される）。そして、アレイ光導波路 14の上部には、楔 型のヒーター制御電極 13が形成されている。また、複数ある全てのサブスラブ光導 波路は、共通のメインスラブ光導波路の一端 19に光学的に接続されている。そして、 メインスラブ光導波路 15の他端 20には、出力光導波路 16が光学的に接続されてい る。本実施例において、メインスラブ光導波路 15の平面形状としては、複数の出力光 導波路 16に接続する側で幅狭とされ (出力光導波路 16の間隔を狭めている）、複数 のアレイ型光導波路 14に接続する側は幅広とされる。図 1に示す例の場合、メインス ラブ光導波路 15の複数のアレイ型光導波路 14に接続する側は弧状に拡げられ、略 扇型の平面形状を有する。メインスラブ光導波路 15の幅狭とされた端面側（中心側） での相隣る出力光導波路 16間の間隔は、幅狭とされたメインスラブ光導波路 15に対 応して相対的に小とされており、複数の出力光導波路 16の 1部又は全ては、メインス ラブ光導波路 15に接続される側力 一旦直線状に延在された後、該直線の延長方 向に対して、所定角度で開くように曲げられ、つづいて、該直線方向と並行に延在さ れて出力ポート 17に導かれており、相隣る出力ポート間の間隔は、メインスラブ光導 波路 15の幅狭とされた端面での相隣る出力光導波路 16間の間隔よりも大とされる。 このように、メインスラブ光導波路 15を略扇型の平面形状とすることで、 NXNの光ス イッチの素子サイズの縮減に貢献する。以下に、この実施の形態の動作'機能につ いて詳細に説明する。
[0038] 入力ポート 10に入力された光波信号光は、サブスラブ光導波路 12を介して、複数 本の光導波路がアレイ状に配設されたアレイ光導波路 14に分波され、メインスラブ光 導波路の一端 (入力端） 19に到達し、メインスラブ光導波路 15を伝播して、メインスラ ブ光導波路 15の他端（出力端) 20に設けられたある特定の出力ポートに集光し、出 力光導波路 16を伝播して、出力ポート 17から出力されることになる。
[0039] また、アレイ光導波路 14の上部に設けられた楔形のヒーター制御電極 13への投入 電力を変化させることにより、熱光学効果により、アレイ光導波路 14の各光導波路成 分に一定の屈折率差を生じせしめることができる。これにより、メインスラブ光導波路 1 5の一端 (入力端） 19における光波信号の等位相面の法線方向を変化させることが できるので、メインスラブ光導波路 15の出力端 20での集光位置を変えることができる 。即ち、メインスラブ光導波路 15の出力端 20に複数設けられた出力光導波路 16に、 集光位置を合わせることにより、出力ポート 17を任意に切り替えることが可能となる。
[0040] 複数ある入力ポート 10に接続されたサブスラブ光導波路 12及びアレイ光導波路 1 4は、互いに独立であり、その動作においても互いに影響しないので、複数同時の経 路切り替えが可能となる。
[0041] 本発明の他の実施形態として、アレイ光導波路部に半導体光導波路を用いること により、特に、高速の経路切り替えを可能にする光スィッチを以下に示す。図 2は、特 に高速ィ匕を図った本発明の光スィッチの構成概略を示す模式図である。
[0042] 図 2を参照すると、この実施の形態の光スィッチにおいては、石英基板 38上に、入 力導波路 31とサブスラブ光導波路 32が接続されており、サブスラブ光導波路 32とメ インスラブ光導波路 35との間が半導体アレイ光導波路 34で光学的に接続されてい る。半導体アレイ光導波路 34の上部には、電圧印加の為の楔形制御電極 33が形成 されている。また、複数ある全てのサブスラブ光導波路は、共通のメインスラブ光導波 路の一端 (入力端) 39に光学的に接続されている。そして、メインスラブ光導波路 35 の一端（出力端) 40には、出力光導波路 36が光学的に接続されており、半導体ァレ ィ光導波路 34の下部には、グランド電極 41が形成されている。
[0043] 図 3は、図 2の半導体アレイ光導波路部 42の部分を拡大して示した斜視図である。
図 3を参照すると、部分的に取り除かれた石英導波路の第一クラッド層 53の上部に、 グランド電極 55が形成されており、グランド電極 55の上部に、半導体アレイ光導波路 が設置されている。
[0044] 半導体アレイ光導波路は、 n型 InP基板 56の上に、 n型 InPクラッド層 59、 InGaAs P/lnPで構成された多重量子井戸型コア層 60、 p— InPクラッド層 58が順次積層さ れており、さらに、最上部に楔型電極 50が設けられている。また、多重量子井戸コア 層 60の積層方向の中心高さと石英導波路のコア層 54の中心高さは、等しくなるよう に設定されている。
[0045] 楔型電極 50とグランド電極 55の間に電圧を印加すると、多重量子井戸型コア層 60 に電界が印加されて、 QCSE (量子閉じ込めシュタルク効果）により、多重量子井戸 型コア層 60の屈折率が変化することになる力 楔形電極 50により、各アレイ光導波 路上の電極長には、一定の差があるので、各アレイ光導波路の実効屈折率には、一 定の差異が生じることになる。
[0046] また、多重量子井戸型コア層 60で生じる QCSE (量子閉じ込めシュタルク効果）は 、高速性を有する物理現象であり、ナノ秒程度の経路切り替えが可能である。
[0047] 以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にの み限定されるものでなぐ本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変 形、修正を含むことは勿論である。

Claims

請求の範囲
[1] 複数の入力ポートと複数の出力ポートを有する平面導波路型の経路切り替え機能 を有する光スィッチであって、
前記複数の入力ポートに一端がそれぞれ接続された複数のサブスラブ導波路と、 前記複数のサブスラブ導波路の他端に、複数のアレイ型光導波路を介して、対応 する一端がそれぞれ接続されて!ヽる、共通のメインスラブ導波路と、
を有し、
前記メインスラブ導波路の他端には前記複数の出力ポートが接続されており、 前記各アレイ型光導波路に対応して、前記各アレイ型光導波路の屈折率を可変制 御するための電極が配置されて ヽる、ことを特徴とする光スィッチ。
[2] 前記電極は、前記アレイ型光導波路の上部に配設されている、ことを特徴とする請 求項 1記載の光スィッチ。
[3] 前記メインスラブ導波路は、その平面形状として、前記複数の出力ポートに接続す る他端の側が幅狭とされ、前記複数のアレイ型光導波路に接続する一端の側が幅広 とされる、ことを特徴とする請求項 1記載の光スィッチ。
[4] 前記メインスラブ導波路は、その平面形状として、前記複数のアレイ型光導波路に 接続する一端の側が略弧状に拡開されて幅広とされ、前記複数の出力ポートに接続 する他端の側が絞り込まれて幅狭とされた略扇型形状を有する、ことを特徴とする請 求項 1記載の光スィッチ。
[5] 互いに離間している複数の入力光導波路に一側がそれぞれ接続された複数のサ ブスラブ導波路と、
前記複数のサブスラブ導波路の他側に一側がそれぞれ接続された複数のアレイ型 光導波路と、
前記複数のアレイ型光導波路に対して共通に 1つ設けられ、幅広とされた一側で、 前記複数のアレイ型光導波路の他側に接続された 1つのメインスラブ導波路と、 前記メインスラブ導波路の幅狭とされた他側にそれぞれ接続され、互いに離間して いる複数の出力光導波路と、
前記複数のアレイ型光導波路のそれぞれに対応して設けられ、前記アレイ型光導 波路の屈折率を可変制御するための電極と、
を備えている、ことを特徴とする光スィッチ。
[6] 前記入力光導波路の前記サブスラブ導波路に接続される側と反対側の端部が光 を入射する入力ポートをなし、
前記出力光導波路の前記メインスラブ導波路に接続される側と反対側の端部が光 を出射する出力ポートをなし、
前記メインスラブ導波路の幅狭とされた前記他側において相隣る前記出力光導波 路間の間隔は、前記メインスラブ導波路の幅狭とされた前記他側に対応して設定さ れ、前記複数の出力光導波路の少なくとも 1つは、前記メインスラブ導波路に接続さ れる側からー且直線状に延在されたのち、前記出力ポートに到る前にその経路が曲 げられて拡開され、相隣る出力ポート間の間隔は、前記メインスラブ導波路の幅狭と された前記他側での相隣る前記出力光導波路間の間隔よりも大とされる、ことを特徴 とする請求項 5記載の光スィッチ。
[7] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
前記アレイ光導波路の上部に、ヒータ電極が配置されており、
前記ヒータ電極の発熱による熱光学効果により、前記アレイ光導波路の隣接する導 波路間の屈折率に差異を生じせしめる、ことを特徴とする光スィッチ。
[8] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
前記アレイ光導波路が電気光学効果を有する材料で形成されており、 前記アレイ光導波路の上部に、電圧を印加するための電極が配置されており、 前記電極への電圧印加による電気光学効果により、前記アレイ光導波路の隣接す る導波路間の屈折率に差異を生じせしめる、ことを特徴とする光スィッチ。
[9] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
前記アレイ光導波路の隣接する各光導波路の長さが一定の割合で変化している、 ことを特徴とする光スィッチ。
[10] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
前記アレイ光導波路の隣接する各光導波路の長さが等しく設定されている、ことを 特徴とする光スィッチ。
[11] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
前記サブスラブ導波路及び前記メインスラブ導波路と前記アレイ光導波路が、同一 平面上にモノリシック集積されている、ことを特徴とする光スィッチ。
[12] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
少なくとも前記アレイ光導波路が電気光学効果を有する半導体材料で形成されて いる、ことを特徴とする光スィッチ。
[13] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
少なくとも前記アレイ光導波路が電気光学効果を有する誘電体材料で形成されて いる、ことを特徴とする光スィッチ。
[14] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、前記アレイ光導波路の前記電極により 前記アレイ光導波路の屈折率の変化を制御することで、前記メインスラブ導波路での 集光ポイントを可変させ、前記出力ポートの切り替えが行われる、ことを特徴とする光 スィッチ。
[15] 請求項 1又は 5記載の光スィッチにおいて、
ある入力ポートから入力された光波は、前記入力ポートに接続されたサブスラブ導 波路を伝播した後に、前記アレイ光導波路に分波され、前記アレイ光導波路では、 前記電極により、アレイ状に隣接する光導波路間でその屈折率に所定の差異をもた せ、前記アレイ導波路を伝播した光波の等位相面には、前記アレイ導波路の終端で ある前記メインスラブ導波路端面で前記屈折率差に応じた傾きが生じ、前記傾きをも つた光波は、前記メインスラブ導波路を伝播する過程で前記メインスラブ導波路端面 に設けられた、ある出力ポート端に集光し、前記ある出力ポートを介して、前記光スィ ツチ外部へ出力される、ことを特徴とする光スィッチ。
[16] 複数の入力ポートに一端がそれぞれ接続された複数のサブスラブ導波路と、前記 複数のサブスラブ導波路の他端に、複数のアレイ型光導波路を介して、対応する一 端がそれぞれ接続されている、共通のメインスラブ導波路と、を有し、前記メインスラ ブ導波路の他端には複数の出力ポートが接続されており、前記各アレイ型光導波路 に対応して、前記各光導波路の屈折率を可変制御させる制御電極が設けられた光 スィッチの経路切り替え方法であって、 前記アレイ光導波路の屈折率の変化を制御することで、前記メインスラブ導波路で の集光ポイントを可変させ、前記出力ポートの切り替えを行うステップを含む、ことを 特徴とする光スィッチの経路切り替え方法。
[17] ある入力ポートから入力された光波は、前記入力ポートに接続されたサブスラブ導 波路を伝播した後に、前記アレイ光導波路に分波されるステップと、
前記アレイ光導波路では、前記制御電極により、アレイ状に隣接する光導波路間で その屈折率に所定の差異をもたせ、前記アレイ導波路を伝播した光波の等位相面に 、前記アレイ導波路の終端である前記メインスラブ導波路端面で前記屈折率差に応 じた傾きを生じさせるステップと、
前記傾きをもった光波は、前記メインスラブ導波路を伝播する過程で前記メインスラ ブ導波路端面に設けられた、ある出力ポート端に集光し、前記ある出力ポートを介し て、前記光スィッチ外部へ出力されるステップと、
を含む、ことを特徴とする請求項 16記載の光スィッチの経路切り替え方法。
[18] 複数の入力ポートに一側がそれぞれ接続された複数の入力光導波路と、
複数の出力ポートに一側がそれぞれ接続された複数の出力光導波路と、 複数の前記入力光導波路の他側に、それぞれ、中心側で光学的に接続される、複 数の相対的に小さな扇型形状のサブスラブ導波路と、
複数の前記サブスラブ導波路の扇型の弧側に、一側が、それぞれ光学的に接続さ れる複数のアレイ光導波路と、
複数の前記アレイ光導波路の他側に、幅広の弧側で光学的に接続され、幅狭の中 心側で、複数の前記出力光導波路に光学的に接続される、相対的に大きな扇型形 状のメインスラブ導波路と、
を備え、
複数の前記アレイ光導波路の各々は、
前記アレイ光導波路の一側と他側間に並設された複数の光導波路と、 複数の前記光導波路の屈折率を制御するための電極と、
を備え、前記電極により、複数の前記光導波路間での屈折率に差異をもたせる制 御が行われ、前記メインスラブ導波路の前記中心側での集光ポイントを可変させるこ とで前記出力光導波路の切替が行われ、複数の前記入力ポートと複数の前記出力 ポート間での NXNスィッチを実現してなる、ことを特徴とする光スィッチ。
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