WO2014155642A1 - 光マトリックススイッチ及びその制御システム - Google Patents

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鈴木　崇功
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株式会社日立製作所
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
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    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G02F1/311—Cascade arrangement of plural switches

Definitions

  • the present invention relates to an optical switch of an optical element used in an optical communication network or a server.
  • An optical switch is an important optical device for realizing the ROADM technology. By using an optical switch, it becomes possible to change an optical signal path without converting light-electricity-light, and therefore, high speed, a reduction in the number of parts, and power consumption are expected.
  • a data center is generally composed of a plurality of servers, and a high-speed communication within a server rack or between server racks is required.
  • server networks the establishment of high-speed and large-capacity transmission technology and the design of systems that take into account economic efficiency and flexibility are required, and research and development are fostering.
  • a MEMS (Micro Electro Mechanical System) mirror type, a LCOS (Liquid Crystal on Silicon) type, and a waveguide type are generally known.
  • the MEMS type has a switch speed of several milliseconds, it has an advantage that multi-channeling is possible.
  • the waveguide type has a wide switching speed from nanoseconds to milliseconds depending on the material and operating principle. On the other hand, from the viewpoint of optical loss, it is difficult to increase the scale and it is difficult to increase the number of channels.
  • Typical materials for the waveguide type optical switch include quartz glass, LiNbO 3 , PLZT (Pb, La, Zr, Ti), and compound semiconductors. Quartz glass molds are the most popular. In recent years, research and development of optical switches using Si wire waveguides has been active. Next, features of Si optical switches will be described.
  • Non-Patent Document 1 proposes an optical switch using a thermo-optic (TO) effect.
  • the factor is that the thermo-optic coefficient is an order of magnitude higher than that of quartz glass, but the power consumption is only 0.49 mW, the switching speed is 144 microseconds, and the power consumption is lower than that of the quartz glass switch using the TO effect.
  • a carrier injection type optical switch using the characteristics of Si as a semiconductor has been proposed. In this case, a high-speed optical switch of several tens of nanoseconds is possible like a compound semiconductor. For example, in Non-Patent Document 2, optical switching of 4 nanoseconds is realized with power consumption of 3 mW.
  • optical switches formed of Si wire waveguides are small and can reduce power consumption, they are expected to be applied to future communication devices and systems. For this reason, research is being conducted not only in devices but also in various fields such as modularization and systems. Here, two major problems that occur during modularization and system introduction will be described.
  • the first is the problem of coupling with optical fiber, which is absolutely necessary for modularization.
  • the alignment work between the optical element and the optical fiber is important.
  • the core diameter and fiber diameter of a general Si wire waveguide are 0.5 ⁇ m and 10 ⁇ m
  • the size of the spot size is different in simple optical coupling, so that the optical loss is as large as about 10 dB. Therefore, as a general countermeasure, a method of integrating a spot size converter for converting a spot diameter on the element side is used. Since the spot size converter increases the spot diameter on the element side, high-efficiency optical coupling with the optical fiber becomes possible.
  • Non-Patent Document 2 realizes high-speed optical switching with low power consumption using Si optical waveguides, but issues such as optical loss that occurs when the refractive index changes and deterioration due to self-heating are cited as issues. .
  • a refractive index change due to current injection is applied to an optical switch configured of an MZ (Mach-Zehnder) type.
  • MZ Machine-Zehnder
  • an optical loss occurs in the arm portion to which the refractive index change is given, but no loss occurs in the arm portion to which the refractive index change is not given. That is, an imbalance of light intensity occurs between the left and right arms, and the extinction characteristic of the MZ structure deteriorates due to this imbalance.
  • Self-heating means that the refractive index in the vicinity of the heat generating portion varies due to heat generation during current injection.
  • the refractive index change due to current injection shifts in the negative direction, whereas the refractive index change due to heat shifts in the positive direction.
  • the phase difference of each arm portion needs to be ⁇ , but the phase difference is deviated from ⁇ due to self-heating, resulting in deterioration of the extinction characteristic.
  • the correlation between the refractive index change and the current injection amount may change over a long period. This means that the fluctuation of the carrier concentration in the semiconductor fluctuates due to long-term current injection, which is caused by the carrier leak to the semiconductor defect.
  • Such a phenomenon not only deteriorates the characteristics of the optical switch itself, but also has a great influence on the entire system in which the optical switch is incorporated, leading to characteristic deterioration and error operation.
  • the present invention has devised an optical switch structure in which the optical intensity monitoring function is monolithically integrated in the optical switch. Furthermore, by using the optical switch of this structure, it is possible to realize a control method with excellent stability and reliability and contribute to maintaining system performance. Although a detailed structure will be described later, a typical invention disclosed in the present application will be described as follows.
  • a 2 ⁇ 2 type MZ (Mach-Zehnder) optical waveguide having two waveguides on the input side and the output side, respectively, has an electrode structure capable of changing the refractive index by current injection in the arm portion of the MZ structure.
  • the 2 n x2 n- type matrix switch is composed of 2 n x2 n 2x2 type MZs, and each has 2 ⁇ 2n optical waveguides on the input / output side.
  • 2n of the input / output waveguides are connected to an optical fiber or the like in order to pass signal light.
  • PD Photo Diode
  • the first use of this PD is for inspection and alignment of optical switch modules.
  • By turning off the optical switch light from an arbitrary port on an arbitrary end face side is optically connected to an arbitrary PD installed on the opposite face side.
  • Arbitrary PDs located on the opposite side of the arbitrary waveguide are always connected in a one-to-one combination, and by using this function, it is possible to inspect elements and perform fiber alignment without driving an optical switch.
  • the second usage of this PD is related to optical switch and module control.
  • the optical switch When the optical switch is ON, the arbitrary waveguide located on the opposite side of the arbitrary waveguide is optically connected. Therefore, in principle, the light intensity to each PD is 0 in the operating state. That is, when the light enters the PD, it means that the characteristics of the optical switch are deteriorated, and this function enables feedback control to the system system and the optical switch control system.
  • the PD for detecting the light intensity is monolithically integrated, so that the external lens system for PD connection which is generally required is unnecessary, and the optical connection loss between the waveguide and the PD becomes almost zero. In addition, the assembly cost can be reduced.
  • the following effects can be obtained by monolithically integrating the PD for monitoring the light intensity into the optical waveguide not connected to the optical fiber among the input-side and output-side waveguides of the PI-LOSS type optical matrix switch.
  • Feedback control can be applied to the optical switch in the ON state so that the PD intensity for monitoring the light intensity is below the threshold value when the optical switch is operating, and the performance of the optical switch can be maintained over the long term. is there.
  • the present invention is characterized in that, although the same PD is used, two effects that are greatly different in usage and application can be obtained.
  • Each 2 ⁇ 2 type MZ2 is connected by an optical waveguide 4, and this structure is a PI-LOSS (Path Independent Loss) type switch described in Non-Patent Document 3.
  • PI-LOSS Pulth Independent Loss
  • 4 are input waveguides and are connected to an optical fiber etc.
  • PDs (PD11, PD12, PD13, PD14) for monitoring light intensity are integrated in the remaining four waveguides.
  • four side waveguides are used as output waveguides and are connected to an optical fiber or the like, and PDs (PD21, PD22, PD23, PD24) for monitoring light intensity are integrated in the remaining four waveguides.
  • Reference 1 also describes that the optical monitor function is connected to an unnecessary waveguide that is not connected to an optical fiber or the like in the output side waveguide.
  • the input side also has an optical monitor function. Integration method Fine usage differ. The specific structure will be described below.
  • a Si wire waveguide is formed on an SOI substrate.
  • the cross-sectional structure of the Si wire waveguide has a general waveguide structure such as a Rib type or a channel type.
  • FIG. 2 shows a Rib type waveguide structure.
  • the SOI substrate is formed on the Si substrate 7 by the SiO 2 BOX layer 6 and the Si waveguide layer 5, and the thickness thereof varies, but the BOX layer is 2-3 ⁇ m and the Si waveguide layer is 0.2- 0.3 ⁇ m is common.
  • FIG. 3 shows an example of the 2 ⁇ 2 type MZ2.
  • the 2 ⁇ 2 type MZ2 includes an input side MMI (Multi Mode Interferometer) type 3 dB coupler 8, an arm unit 9 for changing a refractive index due to current injection, and an output side MMI type 3 dB coupler 12.
  • the arm portion has a p-type electrode 10 and an n-type electrode 11 for current injection.
  • the 3 dB coupler may be a directional coupler type in addition to the MMI type.
  • the 2 ⁇ 2 type MZ2 is designed to be a normally cross in which light propagates to the cross when no current is injected. That is, light is propagated to the bar during current injection.
  • the PD of Ge can be used as the PD integrated in the optical switch.
  • the advantages of monolithic integration of Ge-PD on the same SOI substrate as the Si wire waveguide are that the optical switch and Ge-PD can be easily integrated, and that optical coupling to Ge-PD can be performed with high efficiency. Become. For this reason, even when a large scale is considered by increasing the number of ports, the monitor PD can be easily integrated and a size merit can be obtained.
  • the PI-LOSS type optical matrix switch means a structure in which the loss is constant in all paths as the name suggests.
  • FIG. 1 the optical path from when the input light from In1 is output to Out4 will be traced. Since the 2 ⁇ 2 type MZ2 operates in a normally cross, the input light from In1 propagates through the first three 2 ⁇ 2MZ2 in the cross. And it can output to Out4 by making the last 4th 2x2MZ2 into an ON state, ie, a bar state. A total of four 2x2MZ2s were propagated, three of which are in the OFF state and one in the ON state.
  • FIG. 1 the optical path from when the input light from In1 is output to Out4 will be traced. Since the 2 ⁇ 2 type MZ2 operates in a normally cross, the input light from In1 propagates through the first three 2 ⁇ 2MZ2 in the cross. And it can output to Out4 by making the last 4th 2x2MZ2 into an ON state, ie, a
  • FIG. 4 shows the optical path of each input port and output port. There are a total of four optical switches propagating in all paths, three OFF and one ON. Here, only the ON state in the switch of FIG. 4 is indicated by hatching. Next, follow the optical path when all the switches are turned off. As shown in FIG. 5, In1 corresponds to PD21, In2 corresponds to PD22, In3 corresponds to PD23, In4 corresponds to PD24, each input port, and each PD on the output side on a one-to-one basis. Even in the OFF state, the loss is constant in all the optical paths.
  • One end of the fiber 18 is connected to an external light source 20 and the other end of the fiber 19 is connected to an optical power meter 21 to align the light so that the light intensity becomes maximum. At that time, it is necessary to repeat the alignment of the fibers (13, 17) and the lenses (14, 16) at both ends, which takes time. Further, in order to detect light between fibers, it is necessary to turn on the 2 ⁇ 2 type MZ2 constituting the optical switch as described above.
  • An optical fiber array 13 is connected to one end of the element, and the optical fiber 18 is connected to an external light source 20. While monitoring the integrated PD 22 at the other end, the optical fiber array 13 and the lens array 14 may be aligned so as to maximize the light output. After one fiber is connected, the fiber array 17 is connected to the other end face.
  • the connection method is the same as before.
  • the fiber connection can be optimized one side at a time, the integrated PD is used, so that the 2x2 MZ2 can be used in the OFF state, and the optical coupling to the PD is highly efficient, so that high-precision alignment is possible. is there.
  • all the ports can be connected to the light source during alignment, but it takes time as the number of channels increases. In that case, it is considered that average alignment accuracy can be obtained at each port by connecting and aligning each port (upper and lower) of each element to an external light source.
  • FIG. 8 shows the switch state during the operation of In1 ⁇ Out4, and only the lower right switch is turned on.
  • a solid line is an optical path in an ON state, and here, an optical switch using a refractive index change by current injection is assumed.
  • carrier leakage due to crystal defects or the like occurs during an operation over a long period of 10 years, and switching characteristics are expected to deteriorate.
  • a part of light follows an optical path as indicated by a dotted line in FIG.
  • the light intensity detected by the PD 24 is almost equal to 0, but light is detected by the PD 24 due to the deterioration of the optical switch. Therefore, when the light intensity is detected by the PD 24, the light intensity detected by the PD 24 is reduced again by finely adjusting the drive current of the optical switch in the ON state. As a result, the switch characteristics that have deteriorated due to long-term operation can be improved again. For example, it is assumed that light having a light intensity of 0 dBm is incident on the switch. If the propagation loss of the switch is ignored and the crosstalk of the optical switch in the ON state is 30 dB, the light intensity at the PD 24 in the ON state is ⁇ 30 dBm. When the switch is deteriorated from this ideal state, the light intensity becomes ⁇ 30 dBm or more. In an optical switch system, a system error is suppressed by feedback control by providing a threshold condition for extinction characteristics.
  • the first feedback control destination is an optical switch in the ON state.
  • FIG. 9 shows a feedback control flow.
  • the input / output port, the monitor PD 22 and the ON state optical switch are uniquely determined. Therefore, when the light intensity is detected in each PD 22, feedback control is performed so as to increase or decrease the amount of current injected into the ON state optical switch in the control circuit so that the detected light intensity is reduced.
  • a general electric control circuit is included in the PD and the control circuit although details are omitted.
  • the second feedback control destination is the control unit that integrates the system.
  • FIG. 10 shows a system configuration using an optical switch that connects servers. Each server is connected by an optical switch, and all the servers and the optical switch are managed by one control organization.
  • the PD light intensity of the optical switch is also managed, and the optical switch control signal is managed and feedback controlled as shown in FIG.
  • a PD light intensity exceeding the threshold it is possible to control such as blocking communication between servers by issuing an alarm that is an error determination, which improves stability and reliability. It is possible to build a rich system.
  • Table 1 summarizes how to use the PD and the feedback control destination.
  • feedback control is applied to the lens array and fiber array that are aligned so that the PD intensity is maximized.
  • feedback control is applied to the optical switch control circuit and the system control engine so that the PD intensity is minimized during operations such as switch control and system control.
  • Example 1 a monolithic structure of Si thin line type optical switch and Ge-PD was shown. In addition, similar characteristics can be obtained with an optical switch of InGaAsP, InGaAlAs and an optical switch of InGaAs formed on an InP substrate.
  • the current injection type optical switch is considered to have the highest deterioration potential. Therefore, the present invention is most effective in this respect.
  • a refractive index change quantum confined Stark effect or Franz Keldish effect
  • a refractive index change due to a thermo-optic effect is used. Therefore, the present invention can also be applied to characteristic deterioration caused by such various refractive index change mechanisms.
  • a 4 ⁇ 4 optical switch is used as a base, but the number of ports is naturally not limited to four, and there is no problem even if the number of ports is 2 ⁇ 2, 8 ⁇ 8, 16 ⁇ 16 or more.
  • the PD for monitoring is not integrated in the optical waveguide for fiber connection, but it is natural that the branch circuit 23 may be integrated in the optical waveguide and the PD 24 for monitoring may be integrated. In this case, by constantly monitoring the intensity ratio between the error detection PD 22 and the signal side PD 24 and the absolute value of the light intensity of each PD, it becomes possible to distinguish between deterioration of the operation switch and deterioration of the entire system.
  • Fig. 11 shows the structure when PDs are integrated on the signal side.

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Abstract

　アレイ型入出力光導波路とファイバアレイの光結合は入出力側のファイバアレイを同時に調芯する必要があり、光マトリックススイッチは安定性及び信頼性が高い制御アルゴリズムが必要である。　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型光スイッチを２ｎｘ２ｎ個利用して構成した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）において、入出力側導波路の内２ｎ個は信号光を通すため光ファイバに接続させ、残りの２ｎ個は光強度が検出可能なＰＤをモノリシック集積させ、本ＰＤをファイバアレイ調芯や光マトリックススイッチ制御時のモニタＰＤとして利用し、ファイバや制御回路を帰還制御する。

Description

光マトリックススイッチ及びその制御システム
本発明は、光通信ネットワークやサーバーなどで用いる光素子の光スイッチに関する。
　高精細な動画像の配信や新興国におけるインターネットの急速な普及に伴い、光通信の伝送容量は年々増大している。特にメトロ－コア間やメトロ－アクセス間を結ぶノード部におけるトラフィック量が増加しており、高速かつ大容量の伝送技術の確立や経済性や柔軟性を考慮したシステム設計が必要となっている。大容量化に関しては波長分割多重（ＷＤＭ）がキー技術となっている。一方、経済性に対しては通信機器の低コスト化や運用コストの低減などが必要である。柔軟性に対してはノード部における光パスを任意に変えられるようにするため、ネットワーク網の形態がリング型からメッシュ型になることで対応が進んでいる。
　ノード部において光信号を電気信号に変換せずに光信号のままパスを変更させることで、大容量化／経済性／柔軟性に富んだネットワークが構成可能となり、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｄｄ　Ｄｒｏｐ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）技術の検討が進んでいる。ＲＯＡＤＭ技術を実現する上で重要な光デバイスとして光スイッチが挙げられる。光スイッチを用いることで、光－電気－光の変換をすることなく光信号パスを変更できるようになるため、高速化、部品点数の削減、消費電力の低減が期待されている。
　一方、クラウドをベースとしたストレージやコンピューティングの急速な普及に伴い、データセンターネットワークの大容量化、高速化も求められている。データセンターは一般的に複数のサーバーから構成されており、サーバーラック内やサーバーラック間の通信の高速化が要求されている。サーバーネットワークにおいても高速かつ大容量の伝送技術の確立や経済性や柔軟性を考慮したシステム設計が必要とされ、研究開発が盛んである。
　ネットワークに用いられている光スイッチの構成としては、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー型、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）型、導波路型が一般的に知られている。ＭＥＭＳ型はスイッチ速度が数ミリ秒であるものの、多チャンネル化が可能であるという利点を有している。導波路型は構成する材料や動作原理によってスイッチ速度がナノ秒～ミリ秒と幅広い。一方で、光学的な損失の観点から大規模化が難しく、多チャネル化が困難であると考えられている。導波路型の光スイッチの一般的な材料としては、石英ガラス、ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ　（Ｐｂ，　Ｌａ，　Ｚｒ，　Ｔｉ）及び化合物半導体が挙げられる。石英ガラス型が最も普及している。近年はＳｉ細線導波路を使った光スイッチの研究開発が盛んであり、次にＳｉ光スイッチの特徴について説明する。
　Ｓｉ細線導波路は屈折率の高い層に多くの光を閉じ込めることができるため、屈折率変化を高効率に与えることが可能になり、スイッチの小型化、低消費電力化が期待されている。例えば、非特許文献１では熱光学（ＴＯ：　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｏｐｔｉｃ）効果を用いた光スイッチが提案されている。熱光学係数が石英ガラスよりも一桁高いことも要因ではあるが、消費電力はわずか０．４９　ｍＷ、スイッチング速度１４４マイクロ秒とＴＯ効果を用いた石英ガラスのスイッチよりも低消費電力化、高速化を実現している。更にＳｉの半導体としての特徴を利用したキャリア注入型光スイッチも提案されている。この場合、化合物半導体と同様に数十ナノ秒の高速光スイッチが可能である。例えば、非特許文献２では、消費電力３　ｍＷで４ナノ秒の光スイッチングを実現している。
特開平１１－１８３９４５
ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．２３，　Ｎｏ．８，　ｐｐ．５２５，　２０１１． Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ，　ｖｏｌ．１７，　Ｎｏ．２６，　ｐｐ．２４０２０，　２００９． ＩＥＩＣＥ　ＴＲＡＮＳ．　ＥＬＥＣＴＲＯＮ．　Ｖｏｌ．　Ｅ８２－Ｃ，　Ｎｏ．２，　ｐｐ．２９７，　１９９９．
　Ｓｉ細線導波路で形成された光スイッチは、小型で低消費電力化が可能なことから、今後の通信機器やシステムへの適用が大いに期待されている。そのため、素子の研究だけでなく、モジュール化、システムと各分野で研究がなされている。ここでは、モジュール化やシステム導入時に発生する大きな課題を２つほど説明する。
　１つ目はモジュール化の際に必ず必要となる光ファイバとの結合問題である。導波路型の光マトリックススイッチのモジュールを作製するためには光素子と光ファイバ間の調芯作業が重要である。例えば、一般的なＳｉ細線導波路のコア径やファイバ径は０．５μｍ及び１０μｍであるため、単純な光結合ではスポットサイズの大きさが異なるため、光損失１０ｄＢ前後と大きい。そこで、一般的な対策としては素子側にスポット径を変換するスポットサイズ変換器を集積する方法が用いられる。スポットサイズ変換器によって、素子側のスポット径が大きくなるため、光ファイバとの高効率な光結合が可能となる。マトリックススイッチの場合はそのポート数分だけ入出力導波路があり、それぞれを光ファイバに接続する必要がある。光素子の導波路間隔とファイバアレイのファイバ間隔を同一にすることで、一度の調芯で複数のファイバ接続が可能になるが、導波路とファイバのペア間の結合損失を一定にするのは難しい。
　２つ目は光スイッチング時の安定動作に関する。非特許文献２ではＳｉ光導波路を用いて低消費電力で高速な光スイッチングが実現されているが、屈折率変化時に発生する光損失やセルフヒーティングに起因した特性劣化が課題として挙げられている。たとえば、ＭＺ（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）型で構成される光スイッチで、電流注入による屈折率変化を与えたとする。その時、屈折率変化を与えたアーム部に光損失が発生するが、屈折率変化を与えていないアーム部には損失が発生しない。すなわち、左右アーム間で光強度のアンバランスが発生し、このアンバランスによってＭＺ構造の消光特性が劣化する。セルフヒーティングとは、電流注入時の発熱によって発熱部近傍の屈折率が変動することである。電流注入による屈折率変化は負の方向にシフトするのに対して、熱による屈折率変化は正の方向にシフトする。消光比が最大になるためには各アーム部の位相差がπになる必要があるが、セルフヒーティングによって位相差がπからずれてしまい、結果として消光特性が劣化する。更に半導体材料への電流注入では屈折率変化と電流注入量の相関が長期的に変動する可能性がある。これは半導体中のキャリア濃度の変動が長期的な電流注入によって変動することを意味しており、半導体欠陥へのキャリアリーク等が原因とされている。このような現象は光スイッチ自体の特性を劣化させるだけでなく、光スイッチが組み込まれているシステム全体への特性劣化やエラー動作に繋がるため、その影響も大きい。
　上記課題を解決するため、本発明では光スイッチに光強度モニタ機能をモノリシック集積した光スイッチ構造を考案した。更に、本構造の光スイッチを利用することで、安定性と信頼性に優れた制御方式を実現し、システム性能維持に寄与することが可能である。詳細な構造は後述するが、本願において開示される代表的な発明を説明すると下記のとおりである。
　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型ＭＺ（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）光導波路において、ＭＺ構造のアーム部に電流注入による屈折率変化が可能な電極構造を有しており、本２ｘ２型ＭＺ光導波路を多段接続することで２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）を構成する。２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチは２ｎｘ２ｎ個の２ｘ２型ＭＺから構成されており、入出力側に２ｎの２倍の光導波路をそれぞれ有している。
　本発明においては、入出力導波路の内２ｎ個には信号光を通すため、光ファイバ等と接続させる。一方で残りの２ｎ個の導波路には光強度が検出可能なＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）をモノリシック集積させる。
　本ＰＤの第１の使用用途は光スイッチモジュール作製の検査及び調芯用である。光スイッチをＯＦＦ状態にすることで、任意の端面側の任意ポートからの光は反対面側に設置した任意のＰＤと光学的に接続される。任意導波路と反対側に位置する任意ＰＤは必ず１対１の組み合わせで繋がっており、本機能を利用することで光スイッチを駆動することなく素子の検査やファイバ調芯が可能になる。
　本ＰＤの第２の使用用途は光スイッチ及びモジュールの制御に関する。光スイッチＯＮ時は任意導波路と反対側に位置する任意導波路が光学的に接続される。そのため、動作状態では各ＰＤへの光強度は原則的には０になる。すなわち光がＰＤへ入射した際には光スイッチの特性が劣化していることを意味しており、本機能によってシステム系や光スイッチ制御系への帰還制御が可能となる。
　本発明において、光強度検出用のＰＤをモノリシック集積させることによって、一般的に必要とされていたＰＤ接続用の外部レンズ系を不要にし、導波路とＰＤ間の光接続損失がほぼ０になること、組立てコストを低減させることができる。
　ＰＩ－ＬＯＳＳ型の光マトリックススイッチの入力側と出力側の導波路の内、光ファイバに接続しない光導波路に光強度モニタ用のＰＤをモノリシック集積することによって、以下の効果が得られる。
１）　ファイバアレイと光スイッチの入出力導波路アレイを調芯する際に光スイッチをＯＦＦ状態にしたままで、片端面ずつ最適なファイバ調芯が可能となり、高精度な光ファイバ接続が可能である。
２）　光スイッチ動作時に光強度モニタ用のＰＤ強度がしきい値以下になるようにＯＮ状態の光スイッチに帰還制御をかけることができ、長期的に光スイッチの性能を維持することが可能である。
３）　光スイッチ動作時に光強度モニタ用のＰＤ強度がしきい値以上になった場合、もしくはしきい値に近づいた場合に、光スイッチへの伝送信号を制御している制御機関にスイッチの制御エラーを伝達し、信号伝送中断する等の対応を取ることが可能である。
　１）　はＰＤ強度を最大になるように帰還制御をかけるのに対して、２）、３）ではＰＤ強度が最小になるように帰還制御をかける。本発明は同一のＰＤを用いているにもかかわらず、使用方法及び用途が大きくことなる２つの効果が得られることを特徴としている。
本発明のスイッチ構造を示す図である。 Ｒｉｂ導波路の断面図を示す図である。 ２ｘ２型ＭＺ構造を示す図である。 ４ｘ４光マトリックススイッチの光路を示す図である。 ４ｘ４ＰＩ－ＬＯＳＳ型光マトリックススイッチのＯＦＦ状態の光路を示す図である。 従来の調芯例を示す図である。 本発明の調芯例を示す図である。 Ｉｎ１→Ｏｕｔ４動作時にＯｎスイッチの特性劣化によりＰＤ２４への光出力が増加することを示す図である。 光スイッチの帰還制御フローを示す図である。 サーバー間の光スイッチ帰還制御フローを示す図である。 モニタＰＤを信号側光導波路に集積した光スイッチの構造を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
　本発明で提示する光モニタ機能を集積した光スイッチの概要を図１で説明する。図１は４ｘ４（ｎ＝２）型マトリックススイッチ１であり、２ｘ２型ＭＺ２を１６個使用している。各２ｘ２型ＭＺ２は光導波路４で接続されており、本構造は非特許文献３に記載のＰＩ－ＬＯＳＳ（Ｐａｔｈ　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｌｏｓｓ）型スイッチとなっている。ここで説明の便宜上、スイッチ１の左側から右側に光が伝搬することを仮定し、左側を入力導波路（Ｉｎ１～Ｉｎ４）とし、右側を（出力導波路（Ｏｕｔ１～Ｏｕｔ４）とする。入力側の導波路のうち４つを入力導波路とし、光ファイバ等へ接続する。一方で、残り４つの導波路には光強度モニタ用のＰＤ（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ１３，ＰＤ１４）を集積する。出力側の導波路も同様に、４つを出力導波路とし、光ファイバ等へ接続し、残り４つの導波路には光強度モニタ用のＰＤ（ＰＤ２１，ＰＤ２２，ＰＤ２３，ＰＤ２４）を集積する。特許文献１にも出力側導波路において光ファイバ等に接続しない不要な導波路に光モニタ機能を接続することが記載されているが、本発明においては入力側にも光モニタ機能を有し、その集積方法及び利用方法が大きく異なる。以下に具体的な構造について説明する。
　本発明の実施の形態として、Ｓｉ細線導波路を用いた光スイッチを説明する。まず始めにＳＯＩ基板上にＳｉ細線導波路を形成する。Ｓｉ細線導波路の断面構造はＲｉｂ型、チャネル型等一般的な導波路構造を有する。例えば、図２にはＲｉｂ型の導波路構造を示す。ＳＯＩ基板はＳｉ基板７の上にＳｉＯ２のＢＯＸ層６とＳｉ導波路層５によって形成され、その厚さは様々であるが、ＢＯＸ層は２－３μｍ、Ｓｉ導波路層は０．２－０．３μｍが一般的である。図３には２ｘ２型ＭＺ２の一例を示す。２ｘ２型ＭＺ２は入力側ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ　Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型３ｄＢカプラ８と電流注入による屈折率変化を与えるアーム部９と出力側ＭＭＩ型３ｄＢカプラ１２で構成されている。アーム部には電流注入のためｐ型電極１０とｎ型電極１１がある。３ｄＢカプラはＭＭＩ型の他に方向性結合器型でも構わない。ここで、２ｘ２型ＭＺ２において電流非注入時には光がクロスに伝搬するノーマリクロスとなるように設計する。すなわち、電流注入時には光がバーに伝搬する。ＳＯＩ基板上のＳｉ細線導波路を用いることで、光スイッチに集積するＰＤにはＧｅのＰＤが利用できる。Ｓｉ細線導波路と同じＳＯＩ基板上にＧｅ－ＰＤをモノリシック集積することによって、光スイッチとＧｅ－ＰＤの集積化が容易であること、Ｇｅ－ＰＤへ高効率で光結合が出来ることが利点となる。そのため、ポート数の増加による大規模化を検討した場合でも、モニタＰＤの集積化が容易であり、サイズメリットを出すことが可能になる。
　続いてＰＩ－ＬＯＳＳ型スイッチの動作原理とモニタＰＤの使用方法について説明する。ＰＩ－ＬＯＳＳ型の光マトリックススイッチは、その名のとおり全てのパスで損失が一定となる構造を意味している。例えば図１においてＩｎ１からの入力光がＯｕｔ４に出力されるまでの光路をたどってみる。２ｘ２型ＭＺ２がノーマリクロスで動作するため、Ｉｎ１からの入力光は最初の３つの２ｘ２ＭＺ２はクロスで伝搬する。そして最後の４つめの２ｘ２ＭＺ２をＯＮ状態すなわちバー状態にさせることで、Ｏｕｔ４に出力することが出来る。合計４つの２ｘ２ＭＺ２を伝搬したが、そのうち３つはＯＦＦ状態で１つがＯＮ状態である。図４に各入力ポートと出力ポートの光路を図示する。全てのパスにおいて伝搬する光スイッチは合計４つでＯＦＦが３つ、ＯＮが１つである。ここで、図４のスイッチにおいてＯＮ状態のみを斜線で示している。次にスイッチを全てＯＦＦにした場合の光路をたどってみる。図５に示す通り、Ｉｎ１はＰＤ２１、Ｉｎ２はＰＤ２２、Ｉｎ３はＰＤ２３、Ｉｎ４はＰＤ２４と各入力ポートと出力側の各ＰＤが１対１に対応している。ＯＦＦ状態の時も全ての光路で損失が一定である。
　そこで、このような特徴を有するＰＩ－ＬＯＳＳ型光スイッチを用いることで、光マトリックススイッチの実装の簡易化及び制御時の特性の安定化、高信頼化を図る。まず前者について説明する。マトリックススイッチのように入出力導波路がアレイ状に並んでいる素子と光ファイバとの結合は容易ではない。調芯する導波路の数が多いこと、素子の両端面にファイバ接続が必要であることがその要因である。一般的な調芯方法を図６を用いて説明する。まず始めにマトリックススイッチチップ１５の両端にファイバアレイ（１３，　１７）を接続する。その際に高効率な結合を実現するためにレンズアレイ（１４，　１６）を用いるのが一般的である。片端のファイバ１８を外部光源２０につなぎ、もう方端のファイバ１９を光パワーメータ２１につなぎ、光強度が最大になるように調芯する。その際、両端のファイバ（１３，　１７）とレンズ（１４，　１６）を交互に調芯することを繰り返す必要があり、調芯に時間がかかる。更に、ファイバ間で光を検出するには前述のとおり光スイッチを構成する２ｘ２型ＭＺ２をＯＮ状態にさせる必要がある。
　次に本発明の光スイッチ構造を用いた場合を図７を用いて説明する。素子片端に光ファイバアレイ１３を接続し、その光ファイバ１８を外部光源２０につなぐ。もう方端にある集積ＰＤ２２をモニタしながら、光出力最大となるように光ファイバアレイ１３とレンズアレイ１４を調芯すればよい。片方のファイバを接続した後に、もう一方の端面にファイバアレイ１７を接続する。接続方法は先ほどと同様である。ファイバ接続を片側ずつ最適化できること、集積ＰＤを使うので、２ｘ２型ＭＺ２をＯＦＦ状態で使用できること、ＰＤへの光結合が高効率であるため、精度の高い調芯が可能であることが特徴である。また、調芯の際は全てポートを光源につなぐことも可能であるが、多チャンネル化が進むにつれ時間がかかるようになる。その際は、素子の端（上下）の１ポートずつを外部光源につなぎ調芯することで、各ポートで平均的に良好な調芯精度が得られると考える。
　続いて、スイッチング時の動作方法を説明する。前述の通り、入力導波路と出力導波路を決定すると、動作させるべき１つのスイッチが決まる。図８にＩｎ１→Ｏｕｔ４動作時のスイッチ状態を示すと、右下のスイッチのみがＯＮ状態となる。実線がＯＮ状態の光路であり、ここでは電流注入による屈折率変化を利用した光スイッチを想定する。電流注入による光スイッチでは、１０年間という長期期間にわたる動作において結晶欠陥等に起因したキャリアのリークが発生し、スイッチング特性が劣化すると予想される。その時には図８の点線で示すような光路を一部の光がたどることになる。すなわちＯＮ状態のときはＰＤ２４で検出される光強度はほぼ０に等しかったが、光スイッチの劣化によってＰＤ２４で光が検出されることになる。そこで、ＰＤ２４で光強度が検出された場合には、ＯＮ状態の光スイッチの駆動電流を微調整することによって再びＰＤ２４で検出される光強度を低減させる。その結果、長期動作によって劣化したスイッチ特性を再び改善させることができる。例えば、光強度０ｄＢｍの光がスイッチに入射した場合を仮定する。スイッチの伝搬損失を無視し、ＯＮ状態の光スイッチのクロストークを３０ｄＢとした場合、ＯＮ状態でのＰＤ２４での光強度は－３０ｄＢｍとなる。そして、この理想状態からスイッチの劣化が発生した場合、光強度は－３０ｄＢｍ以上となる。光スイッチシステムでは消光特性のしきい値条件を設けることによって、帰還制御によってシステムエラーを抑制する。
　１つ目の帰還制御先はＯＮ状態の光スイッチである。図９に帰還制御フローを示す。入出力ポート、モニタＰＤ２２及びＯＮ状態光スイッチは一意に決まっている。そのため、各ＰＤ２２において光強度を検出した場合は、検出した光強度が低減するように制御回路内でＯＮ状態光スイッチに注入している電流量を増減させるように帰還制御させる。説明の簡易化のために、詳細は割愛するが、ＰＤや制御回路内に一般的な電気制御回路が含まれている。
　２つ目の帰還制御先はシステムを統合する制御部とする。例えば、図１０にサーバーとサーバー間をつなぐ光スイッチによるシステム構成を示す。各サーバーは光スイッチによって繋がっており、全てのサーバーと光スイッチが１つの制御機関によって管理されている。本制御機関では光スイッチのＰＤ光強度も管理しており、図９のように光スイッチ制御信号を管理し帰還制御する。更には、しきい値以上のＰＤ光強度が得られた場合にはエラー判定となるアラームを出すことによって、各サーバー間の通信を遮断するなどの制御が可能であり、安定性、信頼性に富んだシステムを構築することが可能となる。
　表１にＰＤの使い方と帰還制御先をまとめる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

　検査、調芯時はＰＤ強度が最大になるように調芯するレンズアレイやファイバアレイに帰還制御をかける。一方で、スイッチ制御、システム制御等の動作時はＰＤ強度が最小になるように光スイッチ制御回路やシステム制御機関に帰還制御をかける。同じＰＤを利用しているのにもかかわらず、使用方法及び帰還制御先を変える事で、使用用途を大幅に変えることが可能である。
　本発明ではＰＤへの光結合効率が高く、長期的に安定することで、ＰＤの微小な光強度をモニタすることが出来、高精度な帰還制御が実現できる。そのため、光スイッチとモニタＰＤをモノリシック集積することが安定性に優れた光結合を実現する１つの解決方法となる。実施例１ではＳｉ細線型光スイッチとＧｅ－ＰＤのモノリシック構造を示した。その他にもＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓの光スイッチとＩｎＧａＡｓのＰＤで構成された光スイッチでも同様の特性を得ることが可能である。
　半導体レーザの劣化メカニズムを考えると電流注入型光スイッチの劣化ポテンシャルが最も高いと考えられるため、この点において、本発明は最も効果がある。しかしながら、逆バイアス電圧印加による屈折率変化（量子閉じ込めシュタルク効果やフランツケルディッシュ効果）を使った場合や熱光学効果による屈折率変化を使った場合も劣化ポテンシャルがある。そのため、本発明はこのような多種の屈折率変化メカニズムに起因した特性劣化にも適用が可能である。
　本実施の形態では説明の便宜上、４ｘ４光スイッチをベースにしているが、当然ながらポート数は４だけに限らず、２ｘ２，８ｘ８，１６ｘ１６もしくはそれ以上のポート数を有していても問題ない。
　実施例１～４まではファイバ接続用の光導波路にはモニタ用のＰＤを集積していないが、当然ながら本光導波路に分岐回路２３を集積し、モニタ用のＰＤ２４を集積してもよい。この場合、エラー検出用のＰＤ２２と信号側のＰＤ２４の強度比と各ＰＤの光強度の絶対値を常時モニタすることによって、動作スイッチの劣化とシステム全体の劣化の切り分けが可能になる。
　図１１に信号側にＰＤを集積した場合の構造を示す。
１：　４ｘ４型マトリックススイッチ、２：　２ｘ２型ＭＺ、３：　光路、４：　導波路、５：　Ｓｉ導波路層、６：　ＢＯＸ層、７：　Ｓｉ基板、８：　入力側ＭＭＩ、９：　アーム部、１０：　ｐ型電極、１１：　ｎ型電極、１２：　出力側ＭＭＩ、１３：ファイバアレイ、１４：レンズアレイ、１５：４ｘ４マトリックススイッチチップ、１６：レンズアレイ、１７：ファイバアレイ、１８：光ファイバ、１９：光ファイバ、２０：外部光源、２１：光パワーメータ、２２：ＰＤ、２３：分岐回路、２４：ＰＤ。

Claims (17)

  1. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型光スイッチを２ｎｘ２ｎ個利用して構成した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）において、該入出力側導波路の内、２ｎ個は信号光を通すため光ファイバに接続させ、該入出力側導波路の内、残りの２ｎ個は光強度が検出可能なＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）をモノリシック集積させたことを特徴とする光マトリックススイッチ。
  2. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型ＭＺ光導波路構造を利用した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチを用いたことを特徴とする請求項１記載の光マトリックススイッチ。
  3. 　電流注入による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項１記載の光マトリックススイッチ。
  4. 　逆バイアス電圧印加による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項１記載の光マトリックススイッチ。
  5. 　熱光学効果による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項１記載の光マトリックススイッチ。
  6. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型光スイッチを２ｎｘ２ｎ個利用して構成した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）において、該入出力側導波路の内、２ｎ個は信号光を通すため光ファイバに接続させ、該出力側導波路の内、残りの２ｎ個は光強度が検出可能なＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）をモノリシック集積させ、該入力側導波路の内には少なくとも２個以上のＰＤをモノリシック集積させたことを特徴とする光マトリックススイッチ。
  7. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型ＭＺ光導波路構造を利用した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチを用いたことを特徴とする請求項６記載の光マトリックススイッチ。
  8. 　電流注入による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項６記載の光マトリックススイッチ。
  9. 　逆バイアス電圧印加による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項６記載の光マトリックススイッチ。
  10. 　熱光学効果による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項６記載の光マトリックススイッチ。
  11. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型光スイッチを２ｎｘ２ｎ個利用して構成した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）において、信号光を通すため光ファイバに接続させる入出力側導波路２ｎ個に、それぞれ１ｘ２の分岐回路を設け、一部を光ファイバに接続させ、一部には光強度が検出可能なＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）をモノリシック集積させ、該入出力側導波路の内、残りの２ｎ個にも光強度が検出可能なＰＤをモノリシック集積させたことを特徴とする光マトリックススイッチ。
  12. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型ＭＺ光導波路構造を利用した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチを用いたことを特徴とする請求項１１記載の光マトリックススイッチ。
  13. 　電流注入による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項１１記載の光マトリックススイッチ。
  14. 　逆バイアス電圧印加による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項１１記載の光マトリックススイッチ。
  15. 　熱光学効果による屈折率変化を利用した光スイッチを具備したことを特徴とする請求項１１記載の光マトリックススイッチ。
  16. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型光スイッチを２ｎｘ２ｎ個利用して構成した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）において、該入出力側導波路の内、２ｎ個は信号光を通すため光ファイバに接続させ、該入出力側導波路の内、残りの２ｎ個は光強度が検出可能なＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）をモノリシック集積させた光マトリックススイッチを有し、光マトリックススイッチを動作させた状態において、ＰＤで検出する光強度が閾値強度以下になるように光スイッチを制御する制御回路に帰還制御をかける光マトリックススイッチの制御システム。
  17. 　２つの導波路をそれぞれ入力側と出力側に有する２ｘ２型光スイッチを２ｎｘ２ｎ個利用して構成した２ｎｘ２ｎ型マトリックススイッチ（ｎ≧１，ｎは整数）において、該入出力側導波路の内、２ｎ個は信号光を通すため光ファイバに接続させ、該入出力側導波路の内、残りの２ｎ個は光強度が検出可能なＰＤ（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）をモノリシック集積させた光マトリックススイッチを有し、光マトリックススイッチを動作させた状態において、ＰＤで検出する光強度が閾値強度近傍もしくはそれ以上になった場合に光スイッチを導入しているシステムに制御帰還をかける光マトリックススイッチの制御システム。
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