WO2021075047A1 - １×ｎ光スイッチ - Google Patents

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optical
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勇介 村中
達志 中原
橋本　俊和
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日本電信電話株式会社
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    • G02F1/3138—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure with intersecting or branching waveguides, e.g. X-switches and Y-junctions the optical waveguides being made of semiconducting materials

Definitions

  • the present disclosure is an invention relating to an optical switch element, which is an important optical component for supporting a large-capacity optical communication network.
  • the network is composed of multiple links and nodes, and research and development for high-speed, large-capacity communication is being carried out in each. While the speed of signals and the multiplexing of wavelengths are increasing in links, it is important for nodes to flexibly change the route connecting nodes in order to realize efficient traffic.
  • optical / electrical conversion is performed at the input end of the node, switching is performed in the state of an electric signal, and electrical / optical conversion is performed again at the output end of the node to transmit the link, optical / electrical conversion.
  • Such an optical switch is a thermooptical (TO) switch configured on a planar lightwave circuit (PLC), an InP-based electric field absorption type optical modulator (EAM), or a Mach-Zehnder interferometer. : MZI) and a semiconductor optical amplifier (semiconductor optical amplifier: SOA) switches using, such as a phase modulator type switch of LiNbO 3 system has been researched and developed.
  • PLC planar lightwave circuit
  • EAM InP-based electric field absorption type optical modulator
  • SOA semiconductor optical amplifier
  • FIG. 1 shows a main configuration example of the optical switch 100.
  • the N ⁇ N optical switch is formed by connecting, for example, N 1 ⁇ N optical switches 101 N (N is a natural number) and N N ⁇ 1 optical switches 102 N (N is a natural number) as shown in FIG. It is configurable.
  • a non-blocking type N ⁇ N optical switch 100 capable of arbitrary connection regardless of the connection state of other ports.
  • 2 ⁇ 2 optical switches 201 N (N is a natural number) are arranged in a tree shape as shown in FIG. 2, and optical gates are provided for each of N optical outputs. ing. Input signal light input from the optical input port PI N (N is a natural number), (N is a natural number) desired light output port PO N by the optical path switching of the 2 ⁇ 2 optical switch is guided to, on the one hand, otherwise The crosstalk light leaked to the port of is blocked by the optical gate, and switching is realized. MZI or the like is used for the above 2 ⁇ 2 optical switch 201 N (N is a natural number), and EAM or SOA is used for the optical gate 202 N (N is a natural number).
  • an FPGA field voltage gate array
  • ASIC application specific integrated circuit
  • an external signal for example, a TTL ( A signal from a digital circuit such as a transistor-transistor logic) is generated as an analog signal having a desired voltage amplitude by using an electronic circuit such as a digital-analog conversion circuit or an operational amplifier.
  • the signal from the FPGA 301 is generated as an analog signal having a desired voltage amplitude by using the buffer 302 N (N is a natural number) and the driver 303 N (N is a natural number).
  • FIG. 4 shows a conventional optical switch drive structure.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating the operation of the drive circuit when the signal light is cut off.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating the operation of the drive circuit when the signal light passes through.
  • the LVDS (low voltage differential signaling) signal from the FPGA is terminated by the LVDS termination circuit 401, and the optical switch D 11 is driven by the inverter circuit 402 using the transistor T 11.
  • the LVDS transmission line 403 is a distributed constant line, and the transistor T 11 can be controlled from the LVDS terminating circuit 401 to drive the optical switch D 11.
  • MZI and EAM are reverse biased. It is necessary to give positive and negative signals from the drive circuit (driver) in order to operate with. Since the above MZI and EAM need to be controlled at the same time, the FPGA and the like that generate the control signal are the same, but since a driver that gives positive and negative signals is individually required, the power supply required for the driver is required. Including, the area related to the optical switch drive will be increased in scale. As shown in FIG.
  • an object of the present disclosure to provide an optical switch technology capable of driving MZI and EAM, which can be controlled through a distributed constant line from FPGA, at high speed and with low power consumption by high-density integration of drivers. And.
  • the 1 ⁇ N optical switch according to the present disclosure is a 1 ⁇ N optical switch having a structure in which a drive circuit of the optical switch is integrated in the vicinity of a control electrode of the optical switch with respect to the optical switch.
  • the switch includes a plurality of 2 ⁇ 2 optical switches and N optical gates, sets different bias voltages (Vb) for the optical switch and the optical gate, and is used for the 2 ⁇ 2 optical switch of the drive circuit.
  • Vb bias voltages
  • the feature is that the driver and the driver for the optical gate have the same circuit type.
  • the 1 ⁇ N optical switch according to the present disclosure is a 1 ⁇ N optical switch having a structure in which a drive circuit of the optical switch is integrated in the vicinity of a control electrode of the optical switch with respect to the optical switch. switch, and a plurality of 2 ⁇ 2 optical switches and N optical gates, the 2 ⁇ 2 optical switch driver supply voltage for the (V d -V s) for the optical gate driver of the driving circuit power supply It is characterized in that the voltage is the same.
  • the optical switch according to the present disclosure provides an optical switch that can be driven at high speed and with low power consumption because drive control is possible with the same FPGA and the same drive circuit configuration. Further, since the optical switch can be directly driven by using the LVDS signal having a small amplitude and low power consumption and the MZI and EAM do not require separate power supplies or the like, the drive can be performed with low power consumption.
  • FIG. 5 shows the optical switch drive structure in this embodiment.
  • the optical switch drive driver for example, a drive circuit using a high electron mobility transistor (HEMT) capable of realizing a high-speed voltage amplifier circuit is used.
  • the form of the optical switch 502 with an integrated driver is a structure in which the drive circuit of the optical switch is densely integrated in the vicinity of the control electrode of the optical switch, and is integrated on the same InP substrate, or ,
  • the optical switch chip and the driver chip may be manufactured individually and integrated by flip-chip mounting or the like.
  • the LVDS transmission line 503 which is a differential signal system using two transmission lines, is used, and the driver-integrated optical switch 502 is operated. This operation enables high-speed signal transmission up to several GHz, low power consumption (3.5 mA drive, signal amplitude 350 mV), and high noise immunity (common phase noise is canceled by a differential signal).
  • the layer structure of the HEMT used in this embodiment is shown in FIG.
  • a buffer layer 602 on a semi-insulating substrate (SI) for example, a layer containing i-InAlAs and a layer containing i-InGaAs are formed on a layer containing i-InAlAs, and a channel layer 603 is formed.
  • SI semi-insulating substrate
  • a layer containing i-InAlAs, a Si ⁇ -doped layer, a layer containing i-InAlAs, and a layer containing i-InP are formed in this order.
  • a source electrode 605s and a drain electrode 605d are provided via a cap layer 604 in which a gate electrode 605 g, a layer containing n-InAlAs, and a layer containing n-InGaAs on a layer containing n-InAlAs are laminated on the channel layer 603.
  • the formed structure is produced.
  • the gate length is 0.1 ⁇ m and the gate width is 25 ⁇ m. These design values are important parameters that determine the characteristics of HEMT.
  • the response speed of the HEMT is determined by the gate length, but it is known that the gate length of 0.1 ⁇ m of the present embodiment realizes an operation corresponding to a high-speed signal up to GHz.
  • the value of the current flowing between the source and drain can be determined by the size of the gate width.
  • the optical switch structure is the same as that shown in FIG. A 2 ⁇ 2 optical switch 201 N using MZI or the like is connected in multiple stages, and an optical gate 202 N is provided in the final stage.
  • the operation of the MZI optical switch will be described.
  • MMI multi-mode interference
  • the two optical waveguides are combined and then branched into two optical waveguides, and the bifurcated input light is two optical waves.
  • the waveguide phase difference After receiving the waveguide phase difference, it is coupled again using the MMI optical coupler.
  • the phase difference between the two optical waveguides is ⁇ n ⁇ , it is output from the optical waveguide on the opposite side of the optical input, and if it is ⁇ (2n + 1) ⁇ / 2, the optical wave on the same side as the optical input is used. Output from the waveguide.
  • the phase modulation region is arranged and controlled in one of the optical waveguides, a 2 ⁇ 2 switching operation can be obtained.
  • the refractive index of the optical waveguide may be changed.
  • the refractive index of the optical waveguide is changed by using the FK effect and QCSE effect by applying a voltage or the plasma effect by current injection, and in the LN system, the refractive index of the optical waveguide is changed by using the Pockels effect by applying a voltage. If it is changed, a switching operation can be performed.
  • a directional coupler or the like may be used as the MMI optical coupler that divides the light intensity into two equal parts.
  • the injection current into the two arm optical waveguides is 0 mA
  • the input signal light is output to the crossport side of the 2 ⁇ 2 switch.
  • the refractive index of the injected arm optical waveguide changes and propagates.
  • the phase of light changes.
  • the injection current into the arm optical waveguide is about 5 mA
  • the output from the optical output port PO 1 becomes the minimum
  • the optical output to the optical output port PO 2 becomes the maximum.
  • the ratio of the optical output to the optical output port PO 1 and the optical output to the optical output port PO 2 is 20 dB or more.
  • the optical gate 202 N provided at the final stage of the 2 ⁇ 2 optical switch 202 N blocks leaked light whose output is not desired. In switching a 2x2 optical switch, most of the light is directed to the desired port, but some light leaks to other ports. Leaked light deteriorates the quality of the transmitted signal, so it is necessary to suppress it as much as possible.
  • the absorption end of the waveguide core shifts due to the Franz-Keldysh (FK) effect by applying a reverse bias voltage between the p-type electrode and the n-type electrode.
  • FK Franz-Keldysh
  • an extinction ratio of 20 dB or more can be obtained at an applied voltage of -3 V, and an extinction ratio of 40 dB or more can be obtained at an applied voltage of -7 V.
  • SOA or the like that can be realized by the same InP material may be used.
  • FIG. 9 shows the cross-sectional structure of the waveguide.
  • the waveguide that constitutes the optical switch was manufactured by etching down to the lower part of the core layer 904 containing InGaAsP, and was used as a high-mesa waveguide having a pin double heterojunction structure.
  • the height of the waveguide was 4 ⁇ m and the width was 1.4 ⁇ m.
  • a conventional optical switch is usually manufactured on an n-board, but in the present embodiment, the substrate potentials of MZI and EAM are separated by manufacturing an optical switch on an SI substrate.
  • the back surface of the substrate was a common electrode, but by manufacturing it on an SI substrate with high resistivity, insulation separation becomes possible.
  • a contact layer 902 containing n + -InGaAsP, a lower clad layer 903 containing n-InP, and a bulk having a 1.4Q composition of 0.3 ⁇ m film thickness First, for example, on a semi-insulating substrate 901 containing SI-InP, a contact layer 902 containing n + -InGaAsP, a lower clad layer 903 containing n-InP, and a bulk having a 1.4Q composition of 0.3 ⁇ m film thickness.
  • the core layer 904 containing i-InGaAsP, the upper clad layer 905 containing p-InP, and the contact layer 906 containing p + -InGaAsP are grown by the Metalorganic Vapour Phase Efficiency (MOVPE) method. Is formed by.
  • MOVPE Metalorganic Vapour Phase Efficiency
  • the high-mesa waveguide structure is collectively formed by photolithography and dry etching, and a groove reaching the SI substrate is formed between the MZI region and the EAM region.
  • benzocyclobutene (BCB) which is an organic material that can be embedded in a local region and has excellent flattening, is applied by spin coating, and RIE (Reactive Ion Etching) using an O 2 / C 2 F 6 mixed gas is used. ) Etches back until the substrate surface is exposed to flatten the substrate surface.
  • a well for forming an electrode for the ground electrode is produced by photolithography and dry etching to form an n-type electrode.
  • a p-type electrode is formed on the optical gate.
  • MOVPE growth and formation of an optical waveguide structure can be performed collectively.
  • a layer containing 1.4Q composition InGaAsP having a film thickness of 0.3 ⁇ m and a width of 1.4 ⁇ m is used.
  • These design values are important parameters that determine the optical characteristics of the optical switch element. In order to operate with an input signal light wavelength of, for example, 1.53 ⁇ m to 1.57 ⁇ m, and to realize low loss, high speed, and low power consumption operation, it is preferable that the following conditions are satisfied.
  • the thickness of the core layer 904 containing InGaAsP is a single-mode waveguide condition with respect to the input signal light and a condition having sufficient light confinement to the core layer 904 containing InGaAsP, which is 0.1.
  • a range of ⁇ m to 0.4 ⁇ m is desirable.
  • the width of the core layer 904 containing InGaAsP is a single-mode waveguide condition with respect to the input signal light, and is preferably in the range of 0.8 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the condition is that the voltage applied to the optical gate is 7 V or less, and the composition of the core layer 904 including InGaAsP is 1.3Q to 1.5Q.
  • the electrode length is preferably in the range of 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the bulk layer is used as the core layer 904 including the InGaAsP of the optical gate 202 N, but a multiple quantum well structure may be used. In that case, the quantum confinement Stark effect enables high-efficiency quenching at the optical gate.
  • the optical waveguide structure is a ridge waveguide structure, it may be manufactured as another structure, for example, a high-mesa type optical waveguide structure.
  • an embedded optical waveguide structure or a rib-type optical waveguide structure in which both sides of the core layer containing InGaAsP are embedded with semiconductors may be used.
  • the InP-based compound semiconductor has been described, but a GaAs-based compound semiconductor may be used.
  • the same can be achieved by using a material system such as a silicon wire waveguide that can change the refractive index and absorption coefficient on the order of nanoseconds.
  • FIG. 10 shows an example of an optical switch and a drive circuit thereof according to an embodiment of the present invention.
  • the FPGA 501 connects to the first LVDS transmission line 503a and the second LVDS transmission line 503b.
  • the first LVDS transmission line 503a is connected to the gate of the transistor 1003 and one terminal of the terminating resistor.
  • the drain of the transistor 1003 is connected to the gate of the transistor 1001 and one terminal of the resistor.
  • the second LVDS transmission line 503b is connected to the gate of the transistor 1004 and the other terminal of the terminating resistor.
  • the drain of the transistor 1004 is connected to the gate of the transistor 1002 and one terminal of the resistor.
  • Vdd (2.2v) is provided at the other terminal of the resistor
  • Vss (1.2v) is provided at the source of the transistor 1003 and the transistor 1004.
  • a voltage is applied to the MZI201a and the EAM202a with the midpoint between the transistor 1001 and the transistor 1002 as the totem pole output.
  • the drain voltage V d and the source voltage V s in the HEMT of the drive circuit can be set for each drive circuit.
  • a signal from FPGA 501 having a common amplitude in MZI201a and EAM202a is input to the driver-integrated optical switch 502 by the LVDS transmission line 503.
  • V b represents the bias potential of the n-type electrode in MZI and EAM of the optical switch. From the structure of the optical switch shown in FIG. 9, MZI and EAM are individually manufactured, and different V b can be set for MZI and EAM, so that they can be driven by a common FPGA and driver circuit.
  • the LVDS signal is a differential signal having an amplitude of 350 mV centered on 1.2 V, and when 1.375 V is applied to the gate of transistor 1003, 1.025 V is applied to the gate of transistor 1004. At this time, the gate of the transistor 1001 is opened, and the gate of the transistor 1002 is closed. The source of the transistor 1001, a current flows between the drain, the voltage of V d is applied to the optical switch. On the other hand, when 1.025 V is applied to the gate of transistor 1003, 1.375 V is applied to the gate of transistor 1004. At this time, the gate of the transistor 1001 is closed and the gate of the transistor 1002 is opened. A current flows between the source and drain of the transistor 1002, and a voltage of Vs is applied to the optical switch. By switching the LVDS differential signal in this way, the gates of the transistor 1001 and the transistor 1002 are opened and closed, the voltage applied to the optical switch is switched, and the switching operation is realized.
  • the optical switch is a 1 ⁇ N optical switch having a structure in which the drive circuit of the optical switch is integrated in the vicinity of the control electrode of the optical switch with respect to the optical switch, and the optical switch is a plurality of 2 ⁇ 2 optical switches. Equipped with a switch and N optical gates, different bias voltages (Vb) are set for the optical switch and the optical gate, and the driver for the 2x2 optical switch and the driver for the optical gate of the drive circuit are the same circuit. A 1 ⁇ N optical switch of the form is obtained.
  • the optical switch is a 1 ⁇ N optical switch having a structure in which the drive circuit of the optical switch is integrated in the vicinity of the control electrode of the optical switch with respect to the optical switch, and the optical switch is a plurality of 2 ⁇ . and a second optical switch and N optical gates, 1 ⁇ 2 ⁇ 2 driver supply voltage for the optical switch of the drive circuit and (V d -V s) and the power supply voltage of the driver for the optical gate is the same An N optical switch is obtained.
  • MZI and EAM are individually manufactured, and different V bs can be set for MZI and EAM, so that control is performed using the same FPGA and the same drive circuit configuration. Therefore, high-density integration of drive circuits is possible, and high-speed operation of optical switches is realized. Further, since the optical switch can be directly driven by using the LVDS signal having a small amplitude and low power consumption and the MZI and EAM do not require separate power supplies or the like, the drive can be performed with low power consumption.
  • This disclosure can be applied to the technical field of optical switch elements, which are important optical components for supporting large-capacity optical communication networks.

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Abstract

同一のＦＰＧＡおよび、同一の駆動回路構成により駆動制御が可能であるため、高速かつ低消費電力で駆動可能な光スイッチを提供する。本開示の光スイッチは、光スイッチに対して、光スイッチの駆動回路を光スイッチの制御電極の近傍に集積された構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、光スイッチと光ゲートに異なるバイアス電圧（Ｖｂ）を設定し、駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバと光ゲート用のドライバとが同一の回路形式である。

Description

１×Ｎ光スイッチ
　本開示は、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光スイッチ素子に関する発明である。
　近年、多様なネットワークサービスの進展によって、通信トラフィックは急激に増大しており、波長多重化技術による伝送容量の拡張や帯域利用効率の高い位相変調、多値変調の検討が進み、高度化された多種多様な大容量光信号が光通信ネットワーク上で転送されている。
　ネットワークは複数のリンク、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。ノードの入力端で光／電気変換をして電気信号の状態でスイッチングして、ノードの出力端で再度、電気／光変換してリンクを伝送される一般的なネットワークの場合、光／電気変換を行うためのバッファリングに対して、遅延の発生や膨大な電力を消費するなど様々な問題がある。そこで、ノード技術としては様々な転送方法が検討されており、光／電気変換を必要としない光スイッチング技術は、ネットワーク機器の消費電力や遅延等の面において有効な技術であり、光スイッチング技術を主体とした光伝送方式が盛んに研究されている。
　このような光スイッチは平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ）上に構成した熱光学（Ｔｈｅｒｍｏｏｐｔｉｃ：ＴＯ）スイッチ、ＩｎＰ系の電界吸収型光変調器（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。ＰＬＣ上に構成した例として、非特許文献１に示す光スイッチが提案されている。図１に光スイッチ１００の主な構成例を示す。Ｎ×Ｎ光スイッチは、たとえばＮ個の１×Ｎ光スイッチ１０１Ｎ（Ｎは自然数）とＮ個のＮ×１光スイッチ１０２Ｎ（Ｎは自然数）を図１に示すように接続することで構成可能である。入力ポートＰＩＮ（Ｎは自然数）より入力された光信号は、１×Ｎ光スイッチ素子１０１Ｎにより、所望の出力ポートＰＯＮ（Nは自然数）に接続されたＮ×１光スイッチ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可能な、ノンブロッキング型Ｎ×Ｎ光スイッチ１００を実現することができる。
　化合物半導体材料を用いた光スイッチとして、図２のように２×２光スイッチ２０１Ｎ（Nは自然数）をツリー状に配置し、Ｎ個の各光出力には光ゲートを設ける手法が提案されている。光入力ポートＰＩＮ（Ｎは自然数）から入力される入力信号光は、２×２光スイッチの光路切り替えにより所望の光出力ポートＰＯＮ（Ｎは自然数）に導波され、一方で、それ以外のポートに漏れ出たクロストーク光は、光ゲートにより遮断され、スイッチングが実現される。上記の２×２光スイッチ２０１Ｎ（Ｎは自然数）には、ＭＺＩなどが用いられ、光ゲート２０２Ｎ（Ｎは自然数）にはＥＡＭやＳＯＡなどが用いられる。
　通常、ルータ等の装置内で電界印加型の光デバイスを駆動する場合、図３に示すようにＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）３０１やＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、外部からの信号、たとえばＴＴＬ（ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ－ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｌｏｇｉｃ）などのデジタル回路からの信号をデジタル-アナログ変換回路、オペアンプ等の電子回路を用いて所望の電圧振幅を持つアナログ信号を生成する。例えば、図３に示すように、ＦＰＧＡ３０１からの信号を、バッファ３０２N（Ｎは自然数）、ドライバ３０３N（Ｎは自然数）を用いて、所望の電圧振幅を持つアナログ信号を生成する。ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）上に上記Ｎ×Ｎ光スイッチと駆動回路とを実装する場合、独立に電圧制御が必要な端子は上記の数となり、電子回路規模は必然的に大きくなり、光スイッチと駆動回路との物理的な距離は少なくとも数～数十 ｃｍは必要となる。一方、１００ Ｇｂｉｔ/ｓといった高速なビットレートを有する光パケットをスイッチングするには、１ ｎｓ以下の高速なＯｎ/Ｏｆｆスイッチングが求められる。すなわち１ ＧＨｚ程度の帯域をもつスイッチング信号をＦＰＧＡ３０１から光スイッチ３０４まで伝送させる必要があるが、上記数十ｃｍといった距離ではもはや集中定数回路としての扱いが困難である。そのため、光スイッチ３０４までの伝送路の特性インピーダンス（例えば５０ Ω）を光スイッチのインピーダンスと整合させた分布定数回路として実装することが考えられる。
　上記の従来技術として、たとえば特許文献１のような光スイッチが提案されている。図４に従来の光スイッチ駆動構造を示す。図４（ａ）は、信号光遮断時における、駆動回路の動作を説明する図である。図４（ｂ）は、信号光通過時における、駆動回路の動作を説明する図である。ＦＰＧＡからのＬＶＤＳ（ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）信号をＬＶＤＳ終端回路４０１で終端し、トランジスタＴ１１を用いたインバータ回路４０２によって光スイッチＤ１１を駆動している。ＬＶＤＳ伝送線路４０３は分布定数線路であり、ＬＶＤＳ終端回路４０１からトランジスタＴ１１を制御し、光スイッチＤ１１を駆動することができる。特許文献１では、光スイッチＤ１１と上記トランジスタＴ１１を含む駆動回路を集積しているため、駆動回路と光スイッチＤ１１の制御端子の距離が近く、集中定数として扱うことができるため、高速なスイッチングが可能である。
特開２０１６－２１８２９７号公報
T. Watanabe他、"Silica-based PLC 1×128 thermo-optic switch" 27th European Conference on Optical Communication (ECOC) , 2001, Vol.2, pp.134-135.
　図２に示した光スイッチにおいて、２×２光スイッチ２０１Ｎ（Ｎは自然数）にはＭＺＩを用い、光ゲート２０２Ｎ（Ｎは自然数）にはＥＡＭを用いた場合、ＭＺＩ及びＥＡＭは逆バイアスで動作するため、駆動回路（ドライバ）からは正負逆の信号を与える必要がある。上記のＭＺＩとＥＡＭは、同時に制御する必要があるため、制御信号の生成元であるＦＰＧＡ等は同一となるが、正負逆の信号を与えるドライバを個別に必要とするため、ドライバに必要な電源も含め、光スイッチ駆動に係る面積が大規模化する。図３に示すように、ドライバ３０４Ｎ（Ｎは自然数）から光スイッチ３０４の制御端子までの距離が長くなれば、電気波形の劣化によるスイッチング速度の低下が懸念される。また、個別の駆動ドライバとして、別の電源等を要した場合、消費電力が増大するため、好ましくない。
　本開示では上記課題に鑑み、ＦＰＧＡからの分布定数線路を通して制御可能なＭＺＩとＥＡＭに対して、ドライバの高密度集積により高速かつ低消費電力な駆動が可能な光スイッチ技術を提供することを目的とする。
　本開示に係る１×Ｎ光スイッチは、光スイッチに対して、前記光スイッチの駆動回路を前記光スイッチの制御電極の近傍に集積された構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、前記光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、前記光スイッチと前記光ゲートとに異なるバイアス電圧（Ｖｂ）を設定し、前記駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバと光ゲート用のドライバとが同一の回路形式であることを特徴とする。
　本開示に係る１×Ｎ光スイッチは、光スイッチに対して、前記光スイッチの駆動回路を前記光スイッチの制御電極の近傍に集積させた構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、前記光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、前記駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバの電源電圧（Ｖｄ－Ｖｓ）と光ゲート用のドライバの電源電圧とが同一であることを特徴とする。
　本開示に係る光スイッチにおいては、同一のＦＰＧＡおよび、同一の駆動回路構成により駆動制御が可能であるため、高速かつ低消費電力で駆動可能な光スイッチを提供する。また、小振幅で低消費電力なＬＶＤＳ信号を用いて光スイッチを直接駆動でき、ＭＺＩとＥＡＭに個別の電源等も必要としないため、低消費電力での駆動が可能である。
Ｎ×Ｎ光スイッチの構成を示す図である。 ２×２光スイッチをツリー状に配置し、Ｎ個の各光出力には光ゲートを設ける構成を示す図である。 従来の光スイッチ及びその光スイッチの駆動回路の構造を示す図である。 （ａ）信号光遮断時における、駆動回路の動作を説明する図である。（ｂ）信号光通過時における、駆動回路の動作を説明する図である。 本発明の実施形態における光スイッチ及びその光スイッチの駆動回路の構造を示す図である。 本発明の実施形態にかかるＨＥＭＴの層構造を示す断面図である。 本発明の実施形態で用いる２×２ＭＺＩの注入電流に対する透過率を示すグラフである。 本発明の実施形態で用いる光吸収ゲートの印加電圧に対する透過率を示すグラフである。 本発明の実施形態にかかる光スイッチの素子を構成する光導波路を示す断面図である。 本発明の実施例にかかる光スイッチ及びその光スイッチの駆動回路の構造を示す図である。
　以下、本発明の実施形態における光スイッチを、図面を用いて詳細に説明する。
　図５に本実施形態における光スイッチ駆動構造を示す。光スイッチ駆動ドライバとして、例えば高速な電圧増幅回路を実現可能な高電子移動度トランジスタ(Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ: ＨＥＭＴ)を用いた駆動回路を用いる。ドライバ一体型の光スイッチ５０２の形態としては、光スイッチに対して、その駆動回路を光スイッチの制御電極の近傍に高密度に集積された構造であり、同一のＩｎＰ基板上への集積、あるいは、光スイッチチップとドライバチップを個別作製しフリップチップ実装などによって一体型としてもよい。本実施形態では分布定数線路の一例として、２本の伝送路を使用した差動信号方式であるＬＶＤＳ伝送線路５０３を用い、ドライバ一体型の光スイッチ５０２を動作させる。この動作により数 ＧＨｚまでの高速信号伝送、低消費電力（３．５ ｍＡ駆動、信号振幅３５０ ｍＶ）、高ノイズ耐性（差動信号により同相ノイズをキャンセル）を可能としている。
　本実施形態で用いるＨＥＭＴの層構造を図６に示す。半絶縁性（ｓｅｍｉ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ: ＳＩ）基板６０１上にバッファ層６０２として、例えば、ｉ－ＩｎＡｌＡｓを含む層と、ｉ－ＩｎＡｌＡｓを含む層上にｉ－ＩｎＧａＡｓを含む層とを形成し、チャネル層６０３として、例えば、下層から、ｉ－ＩｎＡｌＡｓを含む層、Ｓｉ δドープ層、ｉ－ＩｎＡｌＡｓを含む層、及びｉ－ＩｎＰを含む層を順に形成する。チャネル層６０３の上にゲート電極６０５ｇと、ｎ－ＩｎＡｌＡｓを含む層、ｎ－ＩｎＡｌＡｓを含む層上にｎ－ＩｎＧａＡｓを含む層が積層されたキャップ層６０４を介してソース電極６０５ｓ、ドレイン電極６０５ｄを形成した構造を作製する。本実施形態に係るＨＥＭＴにおいてはゲート長０．１μｍ、ゲート幅２５ μｍとする。これらの設計値は、ＨＥＭＴの特性を決める重要なパラメータとなる。ゲート長によってＨＥＭＴの応答速度が決まるが、本実施形態のゲート長０．１ μｍでは、ＧＨｚまでの高速信号に対応した動作を実現することがわかっている。また、ゲート幅の大小によってソース、ドレイン間に流れる電流値を決定できる。
　光スイッチ構造は、図２に示したものと同様とする。ＭＺＩ等を用いた２×２光スイッチ２０１Ｎを多段で接続し、最終段に光ゲート２０２Ｎを設けた構造とする。
　ＭＺＩの光スイッチの動作について説明する。入力光に対してマルチモード干渉（Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）型光カプラを用いて、２つの光導波路を合波した後に２つの光導波路に分岐し、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であれば光入力と反対側の光導波路から出力し、±（２ｎ＋１）π／２であれば、光入力と同じ側の光導波路から出力される。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。ＩｎＰ系の光導波路では、電圧印加によるＦＫ効果やＱＣＳＥ効果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。２つのアーム光導波路への注入電流が０ ｍＡの場合、入力信号光は２×２スイッチのクロスポート側に出力される。図７に示すように、どちらか一方の制御電極（ＭＺＩを構成する導波路上に設置される制御電極）に電流を注入すると、注入した方のアーム光導波路の屈折率が変化し、伝搬する光の位相が変化する。アーム光導波路への注入電流が５ｍＡ程度となったとき、光出力ポートＰＯ１からの出力は最小となり、光出力ポートＰＯ２への光出力が最大となる。このとき、光出力ポートＰＯ１への光出力と光出力ポートＰＯ２への光出力との比は２０ｄＢ以上が得られる。
　光ゲート２０２Ｎの動作について説明する。２×２光スイッチ２０２Ｎの最終段に設けられた光ゲート２０２Ｎでは、出力を望まない漏れ光の遮断を行う。２×２光スイッチのスイッチングにおいて、大部分の光は所望のポートへと導かれるが、一部の光がその他のポートへと漏れる。漏れ光は、伝送信号の品質を劣化させるため、極力抑える必要がある。ＩｎＰのＥＡＭを用いた光ゲートの場合、ｐ型電極とｎ型電極の間に逆バイアス電圧を印加することでフランツケルディッシュ（Ｆｒａｎｚ－Ｋｅｌｄｙｓｈ：ＦＫ）効果により、導波路コアの吸収端がシフトし、光ゲートを伝搬する光の吸収係数を増加させることができる。図８に示すように、たとえば印加電圧－３Ｖで消光比２０ｄＢ以上、印加電圧－７Ｖで消光比４０ｄＢ以上を得ることができる。光ゲート２０２Ｎとしては、同じＩｎＰ材料により実現可能なＳＯＡなどを用いてもよい。
　図９に導波路の断面構造を示す。光スイッチを構成する導波路はＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４の下部までエッチングすることで作製し、ｐｉｎダブルヘテロ接合構造を有するハイメサ導波路とした。導波路の高さを４ μｍ、幅を１．４ μｍとした。従来の光スイッチは、通常ｎ基板上で作製されるが、本実施形態ではＳＩ基板上に光スイッチを作製することで、ＭＺＩとＥＡＭの基板電位を分離している。ｎ基板上の光スイッチでは基板裏面が共通の電極となっていたが、抵抗率の高いＳＩ基板上で作製することで、絶縁分離が可能となる。
　本実施形態に係る光スイッチの作製方法について述べる。
　まず、例えば、ＳＩ－ＩｎＰを含む半絶縁性基板９０１上に、ｎ+－ＩｎＧａＡｓＰを含むコンタクト層９０２、ｎ－ＩｎＰを含む下部クラッド層９０３と、１．４Ｑ組成０．３ μｍ膜厚のバルクｉ－ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４と、ｐ－ＩｎＰを含む上部クラッド層９０５と、ｐ+－ＩｎＧａＡｓＰを含むコンタクト層９０６とは、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）により成長により形成される。次いで、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、ハイメサ導波路構造を一括形成し、ＭＺＩ領域とＥＡＭ領域の間にＳＩ基板まで到達する溝を形成する。その後局所領域への埋め込みが可能で平坦化に優れた有機材料であるベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ： ＢＣＢ）をスピンコートにより塗布し、Ｏ２/Ｃ２Ｆ６混合ガスを用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により基板表面が露出するまでエッチバックし、基板表面を平坦化する。そして、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、グランド電極用の電極形成のための井戸を作製し、ｎ型電極を形成する。最後に、光ゲート上に、ｐ型電極を形成する。以上説明したように、ＭＯＶＰＥ成長および光導波路構造の形成を一括に行えるようになる。
　本実施形態では、膜厚０．３ μｍ、幅１．４ μｍの１．４Ｑ組成ＩｎＧａＡｓＰを含む層を用いている。これらの設計値は、光スイッチ素子の光学的特性を決める重要なパラメータとなる。入力信号光波長がたとえば１．５３ μｍから１．５７ μmで動作し、低損失、高速、かつ低消費電力な動作を実現するためには、下記の条件が満たされることが好ましい。
　第一に、ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４の厚さは、入力信号光に対してシングルモード導波条件で、かつＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４への十分な光閉じ込めを有する条件であり、０．１ μｍ～０．４ μｍの範囲が望ましい。
　第二に、ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４の幅は、入力信号光に対してシングルモード導波条件であり、０．８ μｍ～３ μｍの範囲が望ましい。
　第三に、駆動回路の消費電力を低減する観点から、光ゲートへの印加電圧が７ Ｖ以下となる条件であり、ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４の組成は１．３Ｑ～１．５Ｑで、各電極長は１００ μｍ～２０００ μｍの範囲が望ましい。
　本実施形態における光スイッチ素子では、光ゲート２０２ＮのＩｎＧａＡｓＰを含むコア層９０４としてバルク層を用いるように説明してきたが、多重量子井戸構造としてもよい。その場合は、量子閉じ込めシュタルク効果により光ゲートにおいて高効率に消光できるようになる。また、光導波路構造をリッジ導波路構造としているが、それ以外の構造、例えばハイメサ型光導波路構造として作製してもよい。あるいはＩｎＧａＡｓＰを含むコア層の両横が半導体で埋め込まれた埋め込み型光導波路構造やリブ型光導波路構造などであってもよい。
　本実施形態では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いて説明してきたが、ＧａＡｓ系の化合物半導体を用いてもよい。また、シリコン細線導波路などのナノ秒オーダの屈折率および吸収係数の変化が可能な材料系を用いても、同様に実現できる。
　［実施例］
　図１０に、本発明の実施例に係る光スイッチとその駆動回路の例を示す。
　駆動回路の構成について図１０を用いて説明する。ＦＰＧＡ５０１は、第一のＬＶＤＳ伝送線路５０３ａと第二のＬＶＤＳ伝送線路５０３ｂとに接続する。第一のＬＶＤＳ伝送線路５０３ａは、トランジスタ１００３のゲートと終端抵抗の一方の端子とに接続する。トランジスタ１００３のドレインは、トランジスタ１００１のゲートと抵抗の一方の端子とに接続する。また、第二のＬＶＤＳ伝送線路５０３ｂは、トランジスタ１００４のゲートと終端抵抗の他方の端子とに接続する。トランジスタ１００４のドレインは、トランジスタ１００２のゲートと抵抗の一方の端子とに接続する。抵抗の他方の端子にＶｄｄ（２．２ｖ）を設け、トランジスタ１００３、トランジスタ１００４のソースにＶｓｓ（１．２ｖ）を設ける。トランジスタ１００１とトランジスタ１００２との間の中点をトーテム・ポール出力として、ＭＺＩ２０１ａとＥＡＭ２０２ａとに電圧を印加する。
　駆動回路のＨＥＭＴにおけるドレイン電圧Ｖｄ、およびソース電圧Ｖｓは駆動回路毎に設定できるものである。ＭＺＩ２０１ａとＥＡＭ２０２ａとで共通した振幅を有するＦＰＧＡ５０１からの信号を、ＬＶＤＳ伝送線路５０３によってドライバ一体型の光スイッチ５０２に入力する。Ｖｂは光スイッチのＭＺＩとＥＡＭにおけるｎ型電極のバイアス電位を表す。図９に示した光スイッチの構造から、ＭＺＩとＥＡＭとを個別に作製し、ＭＺＩとＥＡＭとで異なるＶｂを設定可能とすることで共通のＦＰＧＡおよびドライバ回路での駆動が可能となる。
　駆動回路の動作について図１０を用いて説明する。
　ＬＶＤＳ信号は１．２ Ｖを中心とした３５０ ｍＶ振幅の差動信号であり、トランジスタ１００３のゲートに１．３７５ Ｖ印加されるとき、トランジスタ１００４のゲートには１．０２５ Ｖが印加される。このとき、トランジスタ１００１のゲートは開き、トランジスタ１００２のゲートが閉じた状態となる。トランジスタ１００１のソース、ドレイン間に電流が流れて、光スイッチにＶｄの電圧がかかる。一方、トランジスタ１００３のゲートに１．０２５ Ｖ印加されるとき、トランジスタ１００４のゲートに１．３７５ Ｖ印加される。このとき、トランジスタ１００１のゲートは閉じ、トランジスタ１００２のゲートが開いた状態となる。トランジスタ１００２のソース、ドレイン間に電流が流れて、光スイッチにＶｓの電圧がかかる。このように、ＬＶＤＳ差動信号を切り替えることで、トランジスタ１００１とトランジスタ１００２のゲートの開閉を行い、光スイッチに印加する電圧を切り替え、スイッチング動作を実現する。
　例えば、ＭＺＩ２０１ａの駆動回路において、Ｖｄ＝３Ｖ、Ｖｓ＝１Ｖに設定し、Ｖｂ＝１Ｖをかけた場合、ＦＰＧＡ５０１からの信号によりトランジスタ１００１のゲートが開いたとき、ＭＺＩ２０１ａには正方向に２Ｖの電位差がかかり電流が流れる。トランジスタ１００２のゲートが開いたとき、ＭＺＩ２０１ａには電位差が発生しないため、電流は流れない。上述のトランジスタ１００１とトランジスタ１００２のゲートの開け閉めによってＭＺＩの電流を調整し、出力ポートのスイッチングが可能となる。
　一方で、ＥＡＭ２０２ａの駆動回路において、Ｖｄ＝４．５Ｖ、Ｖｓ＝１Ｖに設定し、Ｖｂ＝４．５Ｖをかけた場合、ＦＰＧＡ５０２からの信号によりトランジスタ１００１のゲートが開いたとき、ＥＡＭ２０２ａには電位差が発生しないため光の消光は行われない。トランジスタ１００２のゲートが開いたとき、ＥＡＭ２０２ａに対して負方向に３．５Ｖの電位差が発生するため、消光が行われる。上述のトランジスタ１００１とトランジスタ１００２のゲートの開け閉めによってＥＡＭ２０２ａのゲートの開け閉めが可能となる。
　本実施形態より、光スイッチに対して、光スイッチの駆動回路を光スイッチの制御電極の近傍に集積された構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、光スイッチと光ゲートとに異なるバイアス電圧（Ｖｂ）を設定し、駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバと光ゲート用のドライバとが同一の回路形式である１×Ｎ光スイッチが得られる。
　また、本実施形態より、光スイッチに対して、光スイッチの駆動回路を光スイッチの制御電極の近傍に集積させた構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバの電源電圧（Ｖｄ－Ｖｓ）と光ゲート用のドライバの電源電圧とが同一である１×Ｎ光スイッチが得られる。
　上述の１×Ｎ光スイッチにおいて、ＭＺＩとＥＡＭとを個別に作製し、ＭＺＩとＥＡＭとで異なるＶｂを設定可能とすることで、同一のＦＰＧＡおよび、同一の駆動回路の構成を用いて制御が可能であるため、駆動回路の高密度集積が可能となり、光スイッチの高速動作が実現される。また、小振幅で低消費電力なＬＶＤＳ信号を用いて光スイッチを直接駆動でき、ＭＺＩとＥＡＭに個別の電源等も必要としないため、低消費電力での駆動が可能である。
　本開示は、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光スイッチ素子の技術分野に適用できる。

Claims (8)

  1. 　光スイッチに対して、前記光スイッチの駆動回路を前記光スイッチの制御電極の近傍に集積された構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、
    　前記光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、
    　前記２×２光スイッチと前記光ゲートとに異なるバイアス電圧（Ｖｂ）を設定し、
    　前記駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバと光ゲート用のドライバとが同一の回路形式であることを特徴とする１×Ｎ光スイッチ。
  2. 　光スイッチに対して、前記光スイッチの駆動回路を前記光スイッチの制御電極の近傍に集積させた構造を有する１×Ｎ光スイッチであって、
    　前記光スイッチは、複数の２×２光スイッチとＮ個の光ゲートとを備え、
    　前記駆動回路の２×２光スイッチ用のドライバの電源電圧（Ｖｄ－Ｖｓ）と光ゲート用のドライバの電源電圧とが同一であることを特徴とする１×Ｎ光スイッチ。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の光スイッチにおいて、
    　前記２×２光スイッチには、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）が用いられ、
    　前記ＭＺＩの２本の導波路のそれぞれに電圧あるいは電流を付与するための電極を備えた複数の２×２ＭＺＩを多段に配設した構造を有し、前段の２×２ＭＺＩの２つの出力ポートのそれぞれに対して、後段の２×２ＭＺＩの２つの入力ポートの一方がツリー状に接続された構造を特徴とする１×Ｎ光スイッチ。
  4. 　請求項１乃至３いずれか一項に記載の光スイッチにおいて、
    前記光ゲートは電界吸収型の光ゲートであることを特徴とする１×Ｎ光スイッチ。
  5. 　請求項１乃至４いずれか一項に記載の光スイッチにおいて、
    　前記光スイッチと前記駆動回路が同一基板上に集積されていることを特徴とする１×Ｎ光スイッチ。
  6. 　　請求項１乃至５いずれか一項に記載の光スイッチにおいて、
    　前記光スイッチと前記駆動回路がフリップチップ実装によって集積されていることを特徴とする１×Ｎ光スイッチ。
  7. 　請求項１乃至６いずれか一項に記載の光スイッチにおいて、さらに、
    　前記駆動回路と接続する分布定数線路と、
    　前記分布定数線路と接続するＦＰＧＡと、
    を備え、
    　前記駆動回路に入力される前記光スイッチの制御信号として、ＦＰＧＡからのＬＶＤＳ信号を用いるように構成されていることを特徴とする1×Ｎ光スイッチ。
  8. 　請求項１乃至６いずれか一項に記載の光スイッチにおいて、
    　ＦＰＧＡからのＬＶＤＳ信号を終端する終端回路と、ハイメサ導波路構造を有するトランジスタとを用いた前記駆動回路とにより、前記２×２光スイッチ及び前記光ゲートを駆動するように構成されていることを特徴とする1×Ｎ光スイッチ。
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