光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチ
【課題】自己保持型とすることで消費電力が少なく、しかも高速でかつ実用性の高い低損失な光スイッチを提供すること。
【解決手段】本発明の光スイッチは、石英基板１０１、第１、第２入力導波路１０２ａ、１０２ｂ、第１方向性結合器１０３、マッハツェンダー干渉回路の第１、第２アーム導波路１０４ａ、１０４ｂ、第２方向性結合器１０５、第１、第２出力導波路１０６ａ、１０６ｂ、及び相変化材料部１００からなる。波長０．７８ミクロンの制御光（アモルファス→結晶遷移用）パルス（パルス幅20ns、パルス強度5mW）を照射する。制御光パルス照射によって、相変化材料部１０９は結晶状態に相変化し、光スイッチはバー状態に遷移する。
【解決手段】本発明の光スイッチは、石英基板１０１、第１、第２入力導波路１０２ａ、１０２ｂ、第１方向性結合器１０３、マッハツェンダー干渉回路の第１、第２アーム導波路１０４ａ、１０４ｂ、第２方向性結合器１０５、第１、第２出力導波路１０６ａ、１０６ｂ、及び相変化材料部１００からなる。波長０．７８ミクロンの制御光（アモルファス→結晶遷移用）パルス（パルス幅20ns、パルス強度5mW）を照射する。制御光パルス照射によって、相変化材料部１０９は結晶状態に相変化し、光スイッチはバー状態に遷移する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信ネットワークノードにおけるスイッチング処理回路に適用して有効な光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０ａは、従来の光スイッチの構成と動作メカニズムを示す図である。この従来の光スイッチは、入力導波路１０２、２×２の第１方向性結合器１０３、２本の単一モード導波路１０４、２×２の第２方向性結合器１０５、及び出力導波路１０６から構成される。材質は石英である。２本の単一モード導波路１０４の片側に温度を制御するためのヒータ電極１５０が具備されている。ヒータ電極１５０に電流を流して加熱し温度を変化させると、ヒータ電極１５０近傍の単一モード導波路１０４ｂの屈折率が変化する。そのため、単一モード導波路１０４間の光波に位相差が生じ、２つの出力導波路１０６に結合する比率が変化する。適切な駆動条件を選べば、ヒータ電極１５０に流れる電流のオンオフで光路をスイッチングすることが可能である。
【０００３】
他に、ニオブ酸リチウム導波路、PLZT導波路、半導体導波路で構成され、これらに印加する電圧を変えてこれらの導波路の屈折率を変化させ、スイッチングを行う光スイッチもある。しかし、これらの光スイッチには自己保持機能がないため、スイッチの状態を維持するために常に電流を流すか常に電圧を印加する必要がある。このため、消費電力が高い欠点を有している。
【０００４】
図１０ｂは、フォトクロミック材料を利用して自己保持機能を持つ従来の光スイッチの構成を示す図である。この従来の光スイッチは、石英基板１０１の上に石英クラッド１６３を形成し、更にその上に石英コア１６２を形成し、その石英コア１６２を覆うクラッドとして一部にフォトクロミッククラッド１６１を適用する構造をしており、そのフォトクロミック材料により自己保持型の光スイッチを実現している。フォトクロミック材料は、第１の波長の光を照射すると状態１から状態２に、第２の波長の光を照射すると状態２から状態１に変化する材料である。どちらの状態も準安定であるので、これらの状態変化に伴って屈折率が変化するので、フォトクロミック材料を導波路に利用して自己保持型光スイッチを構成することができる（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、分子の配向変化を伴うためスイッチング速度が遅いこと（数秒以上）、及び２つの異なる波長の光がスイッチングに必要であることが欠点である。
【０００５】
また、光導波膜の上にカルコゲナイド膜を形成した光スイッチもある（例えば、特許文献１参照）。一般にカルコゲナイド材料は屈折率が3.5〜4.0程度であり最も屈折率が大きい材料系の一つである。このため、光導波膜が半導体又は他のカルコゲナイド材料など同様に大きい屈折率を持つ材料でない場合は、伝搬する光はほとんどカルコゲナイド膜に集中する。例えば、光通信波長帯である波長1.55ミクロンにおいて代表的光導波路材料である石英ガラス、及びポリマーの屈折率は1.45-1.70であり、ニオブ酸リチウムの屈折率は2.2である。このため、伝搬光がカルコゲナイド層に集中することによる伝搬損失及びカルコゲナイド膜のある部分とない部分でのモードフィールド形状の不整合による損失が避けられない。
【０００６】
また、光導波路中に溝を形成し、この溝部分にカルコゲナイド膜を形成した光スイッチもある（例えば、特許文献２参照）。この場合は、カルコゲナイド膜でない光導波路部分の屈折率がカルコゲナイドと同程度でない場合に、屈折率不整合による反射が生じ、光回路の特性が劣化する。すなわち、石英ガラス、ポリマー、又は、ニオブ酸リチウム等の酸化物材料による光導波路との組合せでは高性能な光回路を構成することができない。
【特許文献１】特開昭６２−２９５００５号公報
【特許文献２】特開平４−３０４４１４号公報
【非特許文献１】海老澤他、「自己保持型フォトクロミック高分子搭載マッハツェンダ光スイッチ」，電子情報通信学会技術研究報告，1996年10月，第96巻，第284号，OME96-64
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の光スイッチは消費電力が少ない自己保持型にすると、高速性に劣ったり、光の伝播損失が大きいために、実用性に欠けていた。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、自己保持型とすることで消費電力が少なく、しかも高速でかつ実用性の高い低損失な光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光スイッチは、基板と、該基板上に形成されているクラッドと、該クラッドの中に形成され、該クラッドと共に導波路を構成するコアと、前記クラッドの中に前記コアに沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記導波路の屈折率を変化させる相変化材料部とを備える。
【００１０】
また、前記相変化材料部は、テトラヘドラル系材料、Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、As2Se3、若しくはAs2S3のカルコゲナイド材料
を含むことが望ましい。
【００１１】
また、前記相変化材料部の相変化材料は、10nm〜200nmの直径の粒子、又は、10nm〜200nmの幅の細線からなることで、相転移時間を短縮し高速スイッチを構成することができる。
【００１２】
また、光スイッチの構成は、第１入力導波路、第１方向性結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、第１入力導波路、第１マルチモード干渉型結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２マルチモード干渉型結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、第１入力導波路、Ｙ分岐導波路、及び出力導波路がこの順に接続され、前記Ｙ分岐導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたＹ分岐型、又は、第１入力導波路、方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記方向性結合器の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられた方向性結合型のいずれかであることが望ましい。
【００１３】
また、光スイッチ制御光を前記相変化材料部に導く、第２入力導波路と結合器とを備えることで、制御光導波・照射部も含めた集積化がされるので、光スイッチを小型装置化するのに有効である。
【００１４】
また、前記基板に対向して配置され前記相変化材料部を制御する光スイッチ制御光を発光する面型レーザアレイを備えることで、高密度に光源を配置することが可能で、かつ、高速で光パルスを発生することが可能な面型レーザアレイを利用するため、大規模な光スイッチを構成することが可能である。
【００１５】
また、本発明の光シリアル−パラレル変換器は、直列に接続されている複数の１入力２出力構成の前記光スイッチと、隣接する該光スイッチ間を接続し、光伝搬時間が光信号のクロック周期に等しい導波路と、前記光スイッチからの各出力導波路として設けられている遅延導波路とを備え、光信号をシリアル−パラレル変換するものである。
【００１６】
また、本発明の並列ビット遅延可変・波長変換回路は、並列に接続されている複数の１入力２出力構成の前記光スイッチと、該光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態を読み出す光パルスを供給する読出パルス光源と前記光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態をリセットする光パルスを供給するリセットパルス光源とを備える。
【００１７】
また、本発明の光時間スイッチは、前記光シリアル−パラレル変換器と、該光シリアル−パラレル変換器の出力光を受ける前記並列ビット遅延可変・波長変換回路と、該並列ビット遅延可変・波長変換回路の出力光を受ける、前記光シリアル−パラレル変換器の入出力を逆にした光パラレル−シリアル変換器と、を備える。
【００１８】
また、本発明の光スイッチは、フォトニック結晶導波路と、該フォトニック結晶導波路の光路に沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記フォトニック結晶導波路の屈折率を変化させる相変化材料部とを備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００２０】
メモリ性のある相変化材料を利用した光スイッチであるため、スイッチの状態を維持するために通電や光照射を維持する必要がない自己保持型動作が可能で低消費電力な光スイッチを構成することができる。メモリ性を活用すれば、スイッチ状態と対応させて光情報を記録することが可能であり、読み出し光の出力位置によって記憶した光情報を読み出すことが可能となる。入出力と制御を光で行う全光型の光メモリが構成可能であり、光通信に有用な可変遅延機能（本光スイッチを通過するのに要する遅延時間を変える機能）、時間スイッチ機能（情報を担う光パルスのタイムスロットを交換する機能）、波長変換機能（入力光の波長と出力光の波長を異ならせる機能）を同時に実現することが可能である。また、カルコゲナイド等の相変化材料は、結晶からアモルファス状態にはナノ秒以下の早さで変化し、アモルファス状態から結晶への変化も数十ナノ秒で行われる。そのため、熱効果型又はフォトクロミック材料を利用した従来スイッチよりも高速なスイッチングが可能である。また、フォトクロミック材料と異なり、単一の波長の光で異なる状態間をスイッチングできる特徴を有するため、単一の光源のパルス光のパルス幅と強度を制御することによってスイッチングが可能である。さらに、高強度の光を利用すれば、多光子吸収によって、制御される信号光として用いられる透明波長帯の光を制御光として用いることも可能である。また、制御光を相変化材料部に照射するために導波路を集積することによって小型化を図ることもできる。また、面型レーザアレイを制御光源として利用することによって、多数の光スイッチを高密度に集積した大規模光スイッチを駆動することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態につ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ものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施の形態１】
【００２２】
図１ａ〜図１ｊは、本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す図である。図１ａは、その上面図である。本実施の形態１の光スイッチは、石英基板１０１、第１、第２入力導波路１０２ａ、１０２ｂ、第１方向性結合器１０３、マッハツェンダー干渉回路の第１、第２アーム導波路１０４ａ、１０４ｂ、第２方向性結合器１０５、第１、第２出力導波路１０６ａ、１０６ｂ、及び領域としての相変化材料部１００からなる。この領域としての相変化材料部１００の詳細は以下に示す。
【００２３】
図１ｂは、図１ａのＡＡ’における断面図である。この断面における本実施の形態１の光スイッチは、石英基板１０１、クラッド１０７、コア１０８、相変化材料部１０９、及び封止用樹脂１１０からなる。封止用樹脂１１０は、クラッド１０７と同等の屈折率を有し、相変化材料部１０９をクラッド１０７の中に封止すると共にクラッドの一部としても機能するものであり、石英ガラス等樹脂以外の材料が利用できることは言うまでもない。相変化材料部１０９の厚さは、動作波長／（２×屈折率）以下に設定し、相変化材料部１０９の層のみで伝搬する導波モードが存在しないようにする。相変化材料として、アモルファスシリコン、アモルファスゲルマニウム、アモルファスガリウムアンチモン、アモルファスガリウムヒ素、アモルファスインジウムセレン、アモルファスガリウムセレンなどのテトラヘドラル系材料、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9等のGe-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、As2Se3、As2S3等のカルコゲナイド材料が好適である。
【００２４】
第１、第２方向性結合器１０３、１０５は、１：１の分岐比を持つ。相変化材料部１０９がアモルファス状態にあり、入力光の波長（1.55ミクロン）において第１アーム導波路１０４ａ及び第２アーム導波路１０４ｂの光学長が等しいと仮定する。このとき、第１入力導波路１０２ａに入力した光は、第２出力導波路１０６ｂから出力され、第２入力導波路１０２ｂに入力した光は、第１出力導波路１０６ａから出力されるクロス状態にある。このとき、波長０．７８ミクロンの制御光（アモルファス→結晶遷移用）パルス（パルス幅20ns、パルス強度5mW）を照射する。相変化材料の状態遷移に対応する屈折率変化量は大きく、0.1程度である。このため、コア１０８と相変化材料部１０９の間隔に依存するが、第１アーム導波路１０４ａにおける位相変化をπとするには、相変化材料部１０９の導波路方向の長さ（又は、照射領域）は、50ミクロン程度でよい。制御光パルス照射によって、相変化材料部１０９は結晶状態に相変化し、光スイッチはバー状態に遷移する。光ディスクメモリで実用化されているように、本材料の結晶状態の寿命は年単位であり、光スイッチのバー状態は外部からの保持エネルギーなしで長時間維持される。また、波長０．７８ミクロンの制御光（結晶→アモルファス遷移用）パルス（パルス幅1ns、パルス強度20mW）を照射すれば、相変化材料部１０９は再びアモルファス状態に変化し、スイッチはクロス状態に遷移する。このようにして可逆的な自己保持型光スイッチとして動作する。照射パルス幅の最適値は材料組成、材料系の選択により変えることが可能である。また、アモルファスと結晶との明確な境界は定義によって異なる。光スイッチとして動作するためには、十分な屈折率変化が得られれば良く、必ずしもアモルファスと結晶との相変化が必要なわけではない。アモルファス状態〜別のアモルファス状態、結晶性の異なる結晶状態間の変化であっても、照射する光パルスのパルス幅と照射強度を調整し、十分な屈折率変化が得られればよいことは言うまでもない。また、ピコ秒・フェムト秒の超短パルスを利用すれば、吸収係数の小さい長波長帯（透明波長帯）の光を用いても、多光子吸収を利用してスイッチングできることは言うまでもない。
【００２５】
図１ｃ−図１ｇも、図１ａのＡＡ’における断面図であるが、別の実施例である。
図１ｃの構成は、コア側壁近傍にも相変化材料を配置した構成である。
図１ｄの構成は、コアの斜め上方２カ所に分けて相変化材料を配置した構成である。
図１ｅの構成は、コアの斜め下方２カ所に分けて相変化材料を配置した構成である。
図１ｆの構成は、相変化材料部の幅をコア幅よりも狭くした構成である。
図１ｇの構成は、相変化材料部をコアの側壁近傍のみに配置した構成である。
図１ｃ−図１ｅの構成では、図１ｂの構成よりもＴＭ／ＴＥ波間の動作特性の差の少ない偏波依存性の少ないスイッチング特性が得られる。
図１ｆ、図１ｇの構成では、逆にＴＭ／ＴＥ波間の動作特性の差の大きい偏波依存性の大きいスイッチング特性が得られる。
図１ｈ、図１ｉは、図１ｂ及び図１ｆの上面図である。図１ｈと図１ｉは別の実施例を示すが、いずれも相変化材料部１０９への入出力端で徐々に層幅を変化させて屈折率の不整合を減らすことができる。
【００２６】
図１ｊは、実施の形態１の別の実施例を示す上面図である。本実施例の光スイッチは、光パルスでなく、電気配線１１１を流れる電流パルスのパルス幅と電流値を制御して駆動する構成である。相変化材料部１０９の長さを50ミクロン、幅を20ミクロン、厚さを0.2ミクロンとするとき、（アモルファス→結晶遷移用）電流パルス（パルス幅20ns、電流値2mA）、（結晶→アモルファス遷移用）電流パルス（パルス幅1ns、パルス強度30mA）が利用される。
【実施の形態２】
【００２７】
図２ａ〜図２ｄは、本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【００２８】
図２ａは、相変化材料部を２つのアーム導波路に対称的に配置した構成である。対称的構造であるため、各アーム導波路の伝搬損失を等しくすることが容易であり、光スイッチの消光比を高くすることが可能である。また、両方のアーム導波路に光を照射し、一方をアモルファスから結晶に、もう一方を結晶からアモルファスに変化させ、プッシュプル動作させることも可能である。
【００２９】
図２ｂは、方向性結合器の光結合部分に相変化材料部を設けた構成である。作製精度が要求されるが、反面、小型化に適している。
【００３０】
図２ｃは、Ｙ分岐構造の一部に相変化材料部を設けた構成である。Ｙ分岐型スイッチはいわゆるディジタル型入出力特性を有しているので、スイッチング動作するためには、屈折率変化がしきい値以上であれば大きくても良い。すなわち、制御光パルスのパルス幅とパルス強度に対するトレランスが大きい。他に示したスイッチ構造では、屈折率変化が最適値を超えると、逆に消光比が劣化するので、制御光パルスのパルス幅とパルス強度に対するトレランスが小さい。
【００３１】
図２ｄは、方向性結合器の代わりに多モード干渉型光結合器を用いた構成である。多モード干渉型光結合器１３０を用いることにより方向性結合器よりも小型化し、作製誤差に対するトレランスも大きい利点がある。
【実施の形態３】
【００３２】
図３は、本発明の実施の形態３による光スイッチの構成を示す断面図である。本実施の形態３の光スイッチでは、相変化材料部１０９を概ね10nm-200nm幅の細線又は、直径10nm-200nmの島状の粒子に加工する。相変化材料部１０９の相変化特性はその粒径によって大きく変化する。このように微細化することによって、相転移時間を短縮し高速スイッチを構成することができる。
【実施の形態４】
【００３３】
図４ａ〜図４ｃは、本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。本実施の形態４の光スイッチでは、制御光を石英基板１０１の外側から照射するのでなく、制御光を導波する導波路１１２と、相変化材料部１００に結合する結合器１１３を有している。本実施の形態は、制御光導波・照射部も含めた集積化がされるので、光スイッチを小型装置化するのに有効である。
【実施の形態５】
【００３４】
図５は、本発明の実施の形態５による光スイッチの構成を示す斜視図である。本実施の形態５の光スイッチは、面型レーザアレイ１１４、レンズアレイ１１５、及び光スイッチ１１６を備える。本実施の形態は、制御光を面型レーザアレイ１１４から光スイッチ１１６に照射する。スイッチ規模が大きくなると、制御光を各要素スイッチに照射する光学系や導波路が複雑になり、交差も増えるなどの問題が生じる。本構成では、高密度に光源を配置することが可能で、かつ、高速で光パルスを発生することが可能な面型レーザアレイ１１４を利用するため、大規模な光スイッチを構成することが可能である。
【実施の形態６】
【００３５】
図６ａ〜図６ｃは、本発明の実施の形態６による光スイッチの構成及び動作を示す図である。本実施の形態６の光スイッチは、１×２光スイッチ１１７、及び遅延導波路１１８を備える。本実施の形態では、Ｎ−１個の１×２光スイッチ１１７を直列に接続し（本実施の形態ではＮ＝４）、１：Ｎ光シリアル−パラレル変換器又はＮ：１光パラレル−シリアル変換器を構成している。時間軸上でＮチャネルのビット多重された信号が本１：Ｎ光シリアル−パラレル変換器に入射したと仮定する。隣接光スイッチ間の距離は、信号のビット間周期で光が導波路を伝搬する距離に等しく設定されている。そのため、ある瞬間に第２〜第Ｎビットの光パルスがそれぞれ第１〜第Ｎ−１番目の光スイッチに同時に入射する。このタイミングに合わせて各スイッチを駆動し、ビット間周期経過後に、スイッチの状態を元に戻す。このようにして、入射したＮチャネルのビット多重された信号は並列に展開される。また、これらのパルスが同時に１：Ｎ光シリアル−パラレル変換器から出力されるように、各経路に遅延導波路１１８が設けてある。これらの動作を分かり易くするためにタイミングチャートを図６ｂ、図６ｃに示す。図６ｂは、時間軸上のＮチャネルのビット多重された信号、及び光路上のＮチャネルのビット多重されたシリアル信号が光スイッチによってパラレル信号に展開される様子を示す。図６ｃは、時間軸上のオン及びオフ制御光パルスを示す。本変換器は、逆方向から並列光パルスを入射すれば、Ｎ：１光パラレル−シリアル変換器として動作することは言うまでもない。また、相変化光スイッチが電流駆動型である場合、電気パルスによって相変化光スイッチを駆動する構成が可能であることは言うまでもない。
【実施の形態７】
【００３６】
図７ａ、図７ｂは、本発明の実施の形態７による光スイッチの構成及び動作を示す図である。本実施の形態７の光スイッチは、１×２光スイッチ１１９、波長変換器１２０、リセットパルス光源１２１、及び読み出しパルス光源１２２を備える。本実施の形態では、Ｎ−１個の１×２光スイッチ１１９を並列に接続し、別のリセットパルス光源１２１、読み出しパルス光源１２２を組み合わせた並列ビット遅延可変・波長変換回路である。波長変換器１２０は、並列に入射される1550nmの信号光パルスを、書き込み可能な775nmに波長変換し、１×２光スイッチ１１９に入射する。これらの信号光パルスによって、１×２光スイッチ１１９は「０」状態から「１」状態に遷移する。適当なタイミングで照射される制御光としての読み出しパルスは、１×２光スイッチ１１９が「１」状態であれば、出力される。また「０」状態（入射信号光パルスがないとき）は、出力されない。読み出しパルスのタイミングを調整し、信号光パルスの遅延を制御することが、並列の各ビットに関して可能である。ここで、信号光パルスの情報（パルスの有無）が読み出しパルスに載せ替えられる。また、信号光パルスと同じ波長の読み出しパルスを利用することも可能であるし、異なる波長の読み出しパルスを利用することも可能である。後者の場合は、時間遅延だけでなく波長変換も行われる。もちろん、ビット毎に異なる読み出し波長の光源を利用しても良い。また、入射信号光パルスの強度が十分に強い場合は、相変化材料部１０９における多光子吸収によって、スイッチングされるので、波長変換は不要であることは言うまでもない。図７ｂは、そのタイミングチャートを示す。時間軸上における、書き込みパルス、スイッチ状態、リセットパルス、読み出しパルス、及び出力パルスを示す。また、光スイッチが電流駆動型である場合、波長変換の代わりに光電変換回路を利用して電気パルスに変換して相変化光スイッチを駆動する構成が可能であることは言うまでもない。
【実施の形態８】
【００３７】
図８は、本発明の実施の形態８による光スイッチの構成を示す図である。本実施の形態８の光スイッチは、実施の形態６と実施の形態７を組み合わせて構成した光時間スイッチである。クロック周波数f0でＮビット時間多重された信号を１：Ｎシリアル−パラレル変換器１４１で並列に展開し、並列ビット遅延可変回路であるＮチャネル光メモリ１４２で各チャネル間の時間軸上での入れ替えを行い、Ｎ：１パラレル−シリアル変換器１４３によってシリアル信号として出力する。
【実施の形態９】
【００３８】
図９は、本発明の実施の形態９による光スイッチの構成を示す上面図である。本実施の形態９の光スイッチは、フォトニック結晶導波路を利用し、光スイッチの小型化を行う構成であり、２次元スラブ型フォトニック結晶１２３、及び相変化材料部１２４を備える。フォトニック結晶は、屈折率の異なった２つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して、配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶では、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）に対応した波長の光は通さないが、その他の波長は透過させることができる。そこで、フォトニック結晶に欠陥を導入すると、欠陥位置で、ＰＢＧの波長を有する光でも、フォトニック結晶中で光が存在しえるようになる。この性質を利用して、フォトニック結晶中に線状の欠陥を導入したり、連続的に配置された点欠陥を導入することにより、光の欠陥伝播を利用した光導波路が実現できる。２次元スラブ型フォトニック結晶１２３は、例えば、Si基板上にSiO2層を設け、その上にSi層を形成し、多数のホール又はピラー（pillar：円柱）を周期的に配置して構成される。相変化材料部１２４は、Si層上に堆積しても良いし、Si層をエッチングして堆積しても良い。本実施の形態９の構成は、フォトニック結晶によるマッハツェンダー干渉型光スイッチとなっている。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１ｂ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｃ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｄ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｅ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｆ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｇ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｈ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１ｉ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１ｊ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ａ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ｂ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ｃ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ｄ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図３】本発明の実施の形態３による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図４ａ】本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図４ｂ】本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図４ｃ】本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の形態５による光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図６ａ】本発明の実施の形態６による光スイッチの構成を示す図である。
【図６ｂ】本発明の実施の形態６による光スイッチの動作を示す図である。
【図６ｃ】本発明の実施の形態６による光スイッチの動作を示す図である。
【図７ａ】本発明の実施の形態７による光スイッチの構成を示す図である。
【図７ｂ】本発明の実施の形態７による光スイッチの動作を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態８による光スイッチの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態９による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１０ａ】従来の光スイッチの構成と動作メカニズムを示す図である。
【図１０ｂ】フォトクロミック材料を利用して自己保持機能を持つ従来の光スイッチの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００ 相変化材料部
１０１ 石英基板
１０２ 入力導波路
１０３ 第１方向性結合器
１０４ 単一モード導波路
１０５ 第２方向性結合器
１０６ 出力導波路
１０７ クラッド
１０８ コア
１０９ 相変化材料部
１１０ 封止用樹脂
１１１ 電気配線
１１２ 導波路
１１３ 結合器
１１４ 面型レーザアレイ
１１５ レンズアレイ
１１６ 光スイッチ
１１７ １×２光スイッチ
１１８ 遅延導波路
１１９ １×２光スイッチ
１２０ 波長変換器
１２１ リセットパルス光源
１２２ 読み出しパルス光源
１２３ ２次元スラブ型フォトニック結晶
１２４ 相変化材料部
１３０ 多モード干渉型光結合器
１４１ １：Ｎシリアル−パラレル変換器
１４２ Ｎチャネル光メモリ
１４３ Ｎ：１パラレル−シリアル変換器
１５０ ヒータ電極
１６１ フォトクロミッククラッド
１６２ 石英コア
１６３ 石英クラッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信ネットワークノードにおけるスイッチング処理回路に適用して有効な光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０ａは、従来の光スイッチの構成と動作メカニズムを示す図である。この従来の光スイッチは、入力導波路１０２、２×２の第１方向性結合器１０３、２本の単一モード導波路１０４、２×２の第２方向性結合器１０５、及び出力導波路１０６から構成される。材質は石英である。２本の単一モード導波路１０４の片側に温度を制御するためのヒータ電極１５０が具備されている。ヒータ電極１５０に電流を流して加熱し温度を変化させると、ヒータ電極１５０近傍の単一モード導波路１０４ｂの屈折率が変化する。そのため、単一モード導波路１０４間の光波に位相差が生じ、２つの出力導波路１０６に結合する比率が変化する。適切な駆動条件を選べば、ヒータ電極１５０に流れる電流のオンオフで光路をスイッチングすることが可能である。
【０００３】
他に、ニオブ酸リチウム導波路、PLZT導波路、半導体導波路で構成され、これらに印加する電圧を変えてこれらの導波路の屈折率を変化させ、スイッチングを行う光スイッチもある。しかし、これらの光スイッチには自己保持機能がないため、スイッチの状態を維持するために常に電流を流すか常に電圧を印加する必要がある。このため、消費電力が高い欠点を有している。
【０００４】
図１０ｂは、フォトクロミック材料を利用して自己保持機能を持つ従来の光スイッチの構成を示す図である。この従来の光スイッチは、石英基板１０１の上に石英クラッド１６３を形成し、更にその上に石英コア１６２を形成し、その石英コア１６２を覆うクラッドとして一部にフォトクロミッククラッド１６１を適用する構造をしており、そのフォトクロミック材料により自己保持型の光スイッチを実現している。フォトクロミック材料は、第１の波長の光を照射すると状態１から状態２に、第２の波長の光を照射すると状態２から状態１に変化する材料である。どちらの状態も準安定であるので、これらの状態変化に伴って屈折率が変化するので、フォトクロミック材料を導波路に利用して自己保持型光スイッチを構成することができる（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、分子の配向変化を伴うためスイッチング速度が遅いこと（数秒以上）、及び２つの異なる波長の光がスイッチングに必要であることが欠点である。
【０００５】
また、光導波膜の上にカルコゲナイド膜を形成した光スイッチもある（例えば、特許文献１参照）。一般にカルコゲナイド材料は屈折率が3.5〜4.0程度であり最も屈折率が大きい材料系の一つである。このため、光導波膜が半導体又は他のカルコゲナイド材料など同様に大きい屈折率を持つ材料でない場合は、伝搬する光はほとんどカルコゲナイド膜に集中する。例えば、光通信波長帯である波長1.55ミクロンにおいて代表的光導波路材料である石英ガラス、及びポリマーの屈折率は1.45-1.70であり、ニオブ酸リチウムの屈折率は2.2である。このため、伝搬光がカルコゲナイド層に集中することによる伝搬損失及びカルコゲナイド膜のある部分とない部分でのモードフィールド形状の不整合による損失が避けられない。
【０００６】
また、光導波路中に溝を形成し、この溝部分にカルコゲナイド膜を形成した光スイッチもある（例えば、特許文献２参照）。この場合は、カルコゲナイド膜でない光導波路部分の屈折率がカルコゲナイドと同程度でない場合に、屈折率不整合による反射が生じ、光回路の特性が劣化する。すなわち、石英ガラス、ポリマー、又は、ニオブ酸リチウム等の酸化物材料による光導波路との組合せでは高性能な光回路を構成することができない。
【特許文献１】特開昭６２−２９５００５号公報
【特許文献２】特開平４−３０４４１４号公報
【非特許文献１】海老澤他、「自己保持型フォトクロミック高分子搭載マッハツェンダ光スイッチ」，電子情報通信学会技術研究報告，1996年10月，第96巻，第284号，OME96-64
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の光スイッチは消費電力が少ない自己保持型にすると、高速性に劣ったり、光の伝播損失が大きいために、実用性に欠けていた。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、自己保持型とすることで消費電力が少なく、しかも高速でかつ実用性の高い低損失な光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光スイッチは、基板と、該基板上に形成されているクラッドと、該クラッドの中に形成され、該クラッドと共に導波路を構成するコアと、前記クラッドの中に前記コアに沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記導波路の屈折率を変化させる相変化材料部とを備える。
【００１０】
また、前記相変化材料部は、テトラヘドラル系材料、Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、As2Se3、若しくはAs2S3のカルコゲナイド材料
を含むことが望ましい。
【００１１】
また、前記相変化材料部の相変化材料は、10nm〜200nmの直径の粒子、又は、10nm〜200nmの幅の細線からなることで、相転移時間を短縮し高速スイッチを構成することができる。
【００１２】
また、光スイッチの構成は、第１入力導波路、第１方向性結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、第１入力導波路、第１マルチモード干渉型結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２マルチモード干渉型結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、第１入力導波路、Ｙ分岐導波路、及び出力導波路がこの順に接続され、前記Ｙ分岐導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたＹ分岐型、又は、第１入力導波路、方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記方向性結合器の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられた方向性結合型のいずれかであることが望ましい。
【００１３】
また、光スイッチ制御光を前記相変化材料部に導く、第２入力導波路と結合器とを備えることで、制御光導波・照射部も含めた集積化がされるので、光スイッチを小型装置化するのに有効である。
【００１４】
また、前記基板に対向して配置され前記相変化材料部を制御する光スイッチ制御光を発光する面型レーザアレイを備えることで、高密度に光源を配置することが可能で、かつ、高速で光パルスを発生することが可能な面型レーザアレイを利用するため、大規模な光スイッチを構成することが可能である。
【００１５】
また、本発明の光シリアル−パラレル変換器は、直列に接続されている複数の１入力２出力構成の前記光スイッチと、隣接する該光スイッチ間を接続し、光伝搬時間が光信号のクロック周期に等しい導波路と、前記光スイッチからの各出力導波路として設けられている遅延導波路とを備え、光信号をシリアル−パラレル変換するものである。
【００１６】
また、本発明の並列ビット遅延可変・波長変換回路は、並列に接続されている複数の１入力２出力構成の前記光スイッチと、該光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態を読み出す光パルスを供給する読出パルス光源と前記光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態をリセットする光パルスを供給するリセットパルス光源とを備える。
【００１７】
また、本発明の光時間スイッチは、前記光シリアル−パラレル変換器と、該光シリアル−パラレル変換器の出力光を受ける前記並列ビット遅延可変・波長変換回路と、該並列ビット遅延可変・波長変換回路の出力光を受ける、前記光シリアル−パラレル変換器の入出力を逆にした光パラレル−シリアル変換器と、を備える。
【００１８】
また、本発明の光スイッチは、フォトニック結晶導波路と、該フォトニック結晶導波路の光路に沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記フォトニック結晶導波路の屈折率を変化させる相変化材料部とを備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００２０】
メモリ性のある相変化材料を利用した光スイッチであるため、スイッチの状態を維持するために通電や光照射を維持する必要がない自己保持型動作が可能で低消費電力な光スイッチを構成することができる。メモリ性を活用すれば、スイッチ状態と対応させて光情報を記録することが可能であり、読み出し光の出力位置によって記憶した光情報を読み出すことが可能となる。入出力と制御を光で行う全光型の光メモリが構成可能であり、光通信に有用な可変遅延機能（本光スイッチを通過するのに要する遅延時間を変える機能）、時間スイッチ機能（情報を担う光パルスのタイムスロットを交換する機能）、波長変換機能（入力光の波長と出力光の波長を異ならせる機能）を同時に実現することが可能である。また、カルコゲナイド等の相変化材料は、結晶からアモルファス状態にはナノ秒以下の早さで変化し、アモルファス状態から結晶への変化も数十ナノ秒で行われる。そのため、熱効果型又はフォトクロミック材料を利用した従来スイッチよりも高速なスイッチングが可能である。また、フォトクロミック材料と異なり、単一の波長の光で異なる状態間をスイッチングできる特徴を有するため、単一の光源のパルス光のパルス幅と強度を制御することによってスイッチングが可能である。さらに、高強度の光を利用すれば、多光子吸収によって、制御される信号光として用いられる透明波長帯の光を制御光として用いることも可能である。また、制御光を相変化材料部に照射するために導波路を集積することによって小型化を図ることもできる。また、面型レーザアレイを制御光源として利用することによって、多数の光スイッチを高密度に集積した大規模光スイッチを駆動することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態につ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ものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施の形態１】
【００２２】
図１ａ〜図１ｊは、本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す図である。図１ａは、その上面図である。本実施の形態１の光スイッチは、石英基板１０１、第１、第２入力導波路１０２ａ、１０２ｂ、第１方向性結合器１０３、マッハツェンダー干渉回路の第１、第２アーム導波路１０４ａ、１０４ｂ、第２方向性結合器１０５、第１、第２出力導波路１０６ａ、１０６ｂ、及び領域としての相変化材料部１００からなる。この領域としての相変化材料部１００の詳細は以下に示す。
【００２３】
図１ｂは、図１ａのＡＡ’における断面図である。この断面における本実施の形態１の光スイッチは、石英基板１０１、クラッド１０７、コア１０８、相変化材料部１０９、及び封止用樹脂１１０からなる。封止用樹脂１１０は、クラッド１０７と同等の屈折率を有し、相変化材料部１０９をクラッド１０７の中に封止すると共にクラッドの一部としても機能するものであり、石英ガラス等樹脂以外の材料が利用できることは言うまでもない。相変化材料部１０９の厚さは、動作波長／（２×屈折率）以下に設定し、相変化材料部１０９の層のみで伝搬する導波モードが存在しないようにする。相変化材料として、アモルファスシリコン、アモルファスゲルマニウム、アモルファスガリウムアンチモン、アモルファスガリウムヒ素、アモルファスインジウムセレン、アモルファスガリウムセレンなどのテトラヘドラル系材料、Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9等のGe-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、As2Se3、As2S3等のカルコゲナイド材料が好適である。
【００２４】
第１、第２方向性結合器１０３、１０５は、１：１の分岐比を持つ。相変化材料部１０９がアモルファス状態にあり、入力光の波長（1.55ミクロン）において第１アーム導波路１０４ａ及び第２アーム導波路１０４ｂの光学長が等しいと仮定する。このとき、第１入力導波路１０２ａに入力した光は、第２出力導波路１０６ｂから出力され、第２入力導波路１０２ｂに入力した光は、第１出力導波路１０６ａから出力されるクロス状態にある。このとき、波長０．７８ミクロンの制御光（アモルファス→結晶遷移用）パルス（パルス幅20ns、パルス強度5mW）を照射する。相変化材料の状態遷移に対応する屈折率変化量は大きく、0.1程度である。このため、コア１０８と相変化材料部１０９の間隔に依存するが、第１アーム導波路１０４ａにおける位相変化をπとするには、相変化材料部１０９の導波路方向の長さ（又は、照射領域）は、50ミクロン程度でよい。制御光パルス照射によって、相変化材料部１０９は結晶状態に相変化し、光スイッチはバー状態に遷移する。光ディスクメモリで実用化されているように、本材料の結晶状態の寿命は年単位であり、光スイッチのバー状態は外部からの保持エネルギーなしで長時間維持される。また、波長０．７８ミクロンの制御光（結晶→アモルファス遷移用）パルス（パルス幅1ns、パルス強度20mW）を照射すれば、相変化材料部１０９は再びアモルファス状態に変化し、スイッチはクロス状態に遷移する。このようにして可逆的な自己保持型光スイッチとして動作する。照射パルス幅の最適値は材料組成、材料系の選択により変えることが可能である。また、アモルファスと結晶との明確な境界は定義によって異なる。光スイッチとして動作するためには、十分な屈折率変化が得られれば良く、必ずしもアモルファスと結晶との相変化が必要なわけではない。アモルファス状態〜別のアモルファス状態、結晶性の異なる結晶状態間の変化であっても、照射する光パルスのパルス幅と照射強度を調整し、十分な屈折率変化が得られればよいことは言うまでもない。また、ピコ秒・フェムト秒の超短パルスを利用すれば、吸収係数の小さい長波長帯（透明波長帯）の光を用いても、多光子吸収を利用してスイッチングできることは言うまでもない。
【００２５】
図１ｃ−図１ｇも、図１ａのＡＡ’における断面図であるが、別の実施例である。
図１ｃの構成は、コア側壁近傍にも相変化材料を配置した構成である。
図１ｄの構成は、コアの斜め上方２カ所に分けて相変化材料を配置した構成である。
図１ｅの構成は、コアの斜め下方２カ所に分けて相変化材料を配置した構成である。
図１ｆの構成は、相変化材料部の幅をコア幅よりも狭くした構成である。
図１ｇの構成は、相変化材料部をコアの側壁近傍のみに配置した構成である。
図１ｃ−図１ｅの構成では、図１ｂの構成よりもＴＭ／ＴＥ波間の動作特性の差の少ない偏波依存性の少ないスイッチング特性が得られる。
図１ｆ、図１ｇの構成では、逆にＴＭ／ＴＥ波間の動作特性の差の大きい偏波依存性の大きいスイッチング特性が得られる。
図１ｈ、図１ｉは、図１ｂ及び図１ｆの上面図である。図１ｈと図１ｉは別の実施例を示すが、いずれも相変化材料部１０９への入出力端で徐々に層幅を変化させて屈折率の不整合を減らすことができる。
【００２６】
図１ｊは、実施の形態１の別の実施例を示す上面図である。本実施例の光スイッチは、光パルスでなく、電気配線１１１を流れる電流パルスのパルス幅と電流値を制御して駆動する構成である。相変化材料部１０９の長さを50ミクロン、幅を20ミクロン、厚さを0.2ミクロンとするとき、（アモルファス→結晶遷移用）電流パルス（パルス幅20ns、電流値2mA）、（結晶→アモルファス遷移用）電流パルス（パルス幅1ns、パルス強度30mA）が利用される。
【実施の形態２】
【００２７】
図２ａ〜図２ｄは、本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【００２８】
図２ａは、相変化材料部を２つのアーム導波路に対称的に配置した構成である。対称的構造であるため、各アーム導波路の伝搬損失を等しくすることが容易であり、光スイッチの消光比を高くすることが可能である。また、両方のアーム導波路に光を照射し、一方をアモルファスから結晶に、もう一方を結晶からアモルファスに変化させ、プッシュプル動作させることも可能である。
【００２９】
図２ｂは、方向性結合器の光結合部分に相変化材料部を設けた構成である。作製精度が要求されるが、反面、小型化に適している。
【００３０】
図２ｃは、Ｙ分岐構造の一部に相変化材料部を設けた構成である。Ｙ分岐型スイッチはいわゆるディジタル型入出力特性を有しているので、スイッチング動作するためには、屈折率変化がしきい値以上であれば大きくても良い。すなわち、制御光パルスのパルス幅とパルス強度に対するトレランスが大きい。他に示したスイッチ構造では、屈折率変化が最適値を超えると、逆に消光比が劣化するので、制御光パルスのパルス幅とパルス強度に対するトレランスが小さい。
【００３１】
図２ｄは、方向性結合器の代わりに多モード干渉型光結合器を用いた構成である。多モード干渉型光結合器１３０を用いることにより方向性結合器よりも小型化し、作製誤差に対するトレランスも大きい利点がある。
【実施の形態３】
【００３２】
図３は、本発明の実施の形態３による光スイッチの構成を示す断面図である。本実施の形態３の光スイッチでは、相変化材料部１０９を概ね10nm-200nm幅の細線又は、直径10nm-200nmの島状の粒子に加工する。相変化材料部１０９の相変化特性はその粒径によって大きく変化する。このように微細化することによって、相転移時間を短縮し高速スイッチを構成することができる。
【実施の形態４】
【００３３】
図４ａ〜図４ｃは、本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。本実施の形態４の光スイッチでは、制御光を石英基板１０１の外側から照射するのでなく、制御光を導波する導波路１１２と、相変化材料部１００に結合する結合器１１３を有している。本実施の形態は、制御光導波・照射部も含めた集積化がされるので、光スイッチを小型装置化するのに有効である。
【実施の形態５】
【００３４】
図５は、本発明の実施の形態５による光スイッチの構成を示す斜視図である。本実施の形態５の光スイッチは、面型レーザアレイ１１４、レンズアレイ１１５、及び光スイッチ１１６を備える。本実施の形態は、制御光を面型レーザアレイ１１４から光スイッチ１１６に照射する。スイッチ規模が大きくなると、制御光を各要素スイッチに照射する光学系や導波路が複雑になり、交差も増えるなどの問題が生じる。本構成では、高密度に光源を配置することが可能で、かつ、高速で光パルスを発生することが可能な面型レーザアレイ１１４を利用するため、大規模な光スイッチを構成することが可能である。
【実施の形態６】
【００３５】
図６ａ〜図６ｃは、本発明の実施の形態６による光スイッチの構成及び動作を示す図である。本実施の形態６の光スイッチは、１×２光スイッチ１１７、及び遅延導波路１１８を備える。本実施の形態では、Ｎ−１個の１×２光スイッチ１１７を直列に接続し（本実施の形態ではＮ＝４）、１：Ｎ光シリアル−パラレル変換器又はＮ：１光パラレル−シリアル変換器を構成している。時間軸上でＮチャネルのビット多重された信号が本１：Ｎ光シリアル−パラレル変換器に入射したと仮定する。隣接光スイッチ間の距離は、信号のビット間周期で光が導波路を伝搬する距離に等しく設定されている。そのため、ある瞬間に第２〜第Ｎビットの光パルスがそれぞれ第１〜第Ｎ−１番目の光スイッチに同時に入射する。このタイミングに合わせて各スイッチを駆動し、ビット間周期経過後に、スイッチの状態を元に戻す。このようにして、入射したＮチャネルのビット多重された信号は並列に展開される。また、これらのパルスが同時に１：Ｎ光シリアル−パラレル変換器から出力されるように、各経路に遅延導波路１１８が設けてある。これらの動作を分かり易くするためにタイミングチャートを図６ｂ、図６ｃに示す。図６ｂは、時間軸上のＮチャネルのビット多重された信号、及び光路上のＮチャネルのビット多重されたシリアル信号が光スイッチによってパラレル信号に展開される様子を示す。図６ｃは、時間軸上のオン及びオフ制御光パルスを示す。本変換器は、逆方向から並列光パルスを入射すれば、Ｎ：１光パラレル−シリアル変換器として動作することは言うまでもない。また、相変化光スイッチが電流駆動型である場合、電気パルスによって相変化光スイッチを駆動する構成が可能であることは言うまでもない。
【実施の形態７】
【００３６】
図７ａ、図７ｂは、本発明の実施の形態７による光スイッチの構成及び動作を示す図である。本実施の形態７の光スイッチは、１×２光スイッチ１１９、波長変換器１２０、リセットパルス光源１２１、及び読み出しパルス光源１２２を備える。本実施の形態では、Ｎ−１個の１×２光スイッチ１１９を並列に接続し、別のリセットパルス光源１２１、読み出しパルス光源１２２を組み合わせた並列ビット遅延可変・波長変換回路である。波長変換器１２０は、並列に入射される1550nmの信号光パルスを、書き込み可能な775nmに波長変換し、１×２光スイッチ１１９に入射する。これらの信号光パルスによって、１×２光スイッチ１１９は「０」状態から「１」状態に遷移する。適当なタイミングで照射される制御光としての読み出しパルスは、１×２光スイッチ１１９が「１」状態であれば、出力される。また「０」状態（入射信号光パルスがないとき）は、出力されない。読み出しパルスのタイミングを調整し、信号光パルスの遅延を制御することが、並列の各ビットに関して可能である。ここで、信号光パルスの情報（パルスの有無）が読み出しパルスに載せ替えられる。また、信号光パルスと同じ波長の読み出しパルスを利用することも可能であるし、異なる波長の読み出しパルスを利用することも可能である。後者の場合は、時間遅延だけでなく波長変換も行われる。もちろん、ビット毎に異なる読み出し波長の光源を利用しても良い。また、入射信号光パルスの強度が十分に強い場合は、相変化材料部１０９における多光子吸収によって、スイッチングされるので、波長変換は不要であることは言うまでもない。図７ｂは、そのタイミングチャートを示す。時間軸上における、書き込みパルス、スイッチ状態、リセットパルス、読み出しパルス、及び出力パルスを示す。また、光スイッチが電流駆動型である場合、波長変換の代わりに光電変換回路を利用して電気パルスに変換して相変化光スイッチを駆動する構成が可能であることは言うまでもない。
【実施の形態８】
【００３７】
図８は、本発明の実施の形態８による光スイッチの構成を示す図である。本実施の形態８の光スイッチは、実施の形態６と実施の形態７を組み合わせて構成した光時間スイッチである。クロック周波数f0でＮビット時間多重された信号を１：Ｎシリアル−パラレル変換器１４１で並列に展開し、並列ビット遅延可変回路であるＮチャネル光メモリ１４２で各チャネル間の時間軸上での入れ替えを行い、Ｎ：１パラレル−シリアル変換器１４３によってシリアル信号として出力する。
【実施の形態９】
【００３８】
図９は、本発明の実施の形態９による光スイッチの構成を示す上面図である。本実施の形態９の光スイッチは、フォトニック結晶導波路を利用し、光スイッチの小型化を行う構成であり、２次元スラブ型フォトニック結晶１２３、及び相変化材料部１２４を備える。フォトニック結晶は、屈折率の異なった２つ以上の材料（一方は空気でも可）が、空間的な対称性・規則性を有して、配置された周期構造を有する材料である。フォトニック結晶では、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）に対応した波長の光は通さないが、その他の波長は透過させることができる。そこで、フォトニック結晶に欠陥を導入すると、欠陥位置で、ＰＢＧの波長を有する光でも、フォトニック結晶中で光が存在しえるようになる。この性質を利用して、フォトニック結晶中に線状の欠陥を導入したり、連続的に配置された点欠陥を導入することにより、光の欠陥伝播を利用した光導波路が実現できる。２次元スラブ型フォトニック結晶１２３は、例えば、Si基板上にSiO2層を設け、その上にSi層を形成し、多数のホール又はピラー（pillar：円柱）を周期的に配置して構成される。相変化材料部１２４は、Si層上に堆積しても良いし、Si層をエッチングして堆積しても良い。本実施の形態９の構成は、フォトニック結晶によるマッハツェンダー干渉型光スイッチとなっている。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１ｂ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｃ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｄ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｅ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｆ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｇ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図１ｈ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１ｉ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１ｊ】本発明の実施の形態１による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ａ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ｂ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ｃ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２ｄ】本発明の実施の形態２による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図３】本発明の実施の形態３による光スイッチの構成を示す断面図である。
【図４ａ】本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図４ｂ】本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図４ｃ】本発明の実施の形態４による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の形態５による光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図６ａ】本発明の実施の形態６による光スイッチの構成を示す図である。
【図６ｂ】本発明の実施の形態６による光スイッチの動作を示す図である。
【図６ｃ】本発明の実施の形態６による光スイッチの動作を示す図である。
【図７ａ】本発明の実施の形態７による光スイッチの構成を示す図である。
【図７ｂ】本発明の実施の形態７による光スイッチの動作を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態８による光スイッチの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態９による光スイッチの構成を示す上面図である。
【図１０ａ】従来の光スイッチの構成と動作メカニズムを示す図である。
【図１０ｂ】フォトクロミック材料を利用して自己保持機能を持つ従来の光スイッチの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００ 相変化材料部
１０１ 石英基板
１０２ 入力導波路
１０３ 第１方向性結合器
１０４ 単一モード導波路
１０５ 第２方向性結合器
１０６ 出力導波路
１０７ クラッド
１０８ コア
１０９ 相変化材料部
１１０ 封止用樹脂
１１１ 電気配線
１１２ 導波路
１１３ 結合器
１１４ 面型レーザアレイ
１１５ レンズアレイ
１１６ 光スイッチ
１１７ １×２光スイッチ
１１８ 遅延導波路
１１９ １×２光スイッチ
１２０ 波長変換器
１２１ リセットパルス光源
１２２ 読み出しパルス光源
１２３ ２次元スラブ型フォトニック結晶
１２４ 相変化材料部
１３０ 多モード干渉型光結合器
１４１ １：Ｎシリアル−パラレル変換器
１４２ Ｎチャネル光メモリ
１４３ Ｎ：１パラレル−シリアル変換器
１５０ ヒータ電極
１６１ フォトクロミッククラッド
１６２ 石英コア
１６３ 石英クラッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成されているクラッドと、
該クラッドの中に形成され、該クラッドと共に導波路を構成するコアと、
前記クラッドの中に前記コアに沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記導波路の屈折率を変化させる相変化材料部と
を備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記相変化材料部は、
テトラヘドラル系材料、
Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、
Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、
As2Se3、若しくはAs2S3のカルコゲナイド材料
を含むことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記相変化材料部の相変化材料は、10nm〜200nmの直径の粒子、又は、10nm〜200nmの幅の細線からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光スイッチ。
【請求項４】
光スイッチの構成は、
第１入力導波路、第１方向性結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、
第１入力導波路、第１マルチモード干渉型結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２マルチモード干渉型結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、
第１入力導波路、Ｙ分岐導波路、及び出力導波路がこの順に接続され、前記Ｙ分岐導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたＹ分岐型、又は、
第１入力導波路、方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記方向性結合器の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられた方向性結合型
のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項５】
光スイッチ制御光を前記相変化材料部に導く、第２入力導波路と結合器とを備えることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記基板に対向して配置され前記相変化材料部を制御する光スイッチ制御光を発光する面型レーザアレイを備えることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ。
【請求項７】
直列に接続されている複数の１入力２出力構成の請求項１乃至６いずれかに記載の光スイッチと、
隣接する該光スイッチ間を接続し、光伝搬時間が光信号のクロック周期に等しい導波路と、
前記光スイッチからの各出力導波路として設けられている遅延導波路と
を備え、光信号をシリアル−パラレル変換することを特徴とする光シリアル−パラレル変換器。
【請求項８】
並列に接続されている複数の１入力２出力構成の請求項１乃至６いずれかに記載の光スイッチと、
該光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態を読み出す光パルスを供給する読出パルス光源と、
前記光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態をリセットする光パルスを供給するリセットパルス光源と
を備えることを特徴とする並列ビット遅延可変・波長変換回路。
【請求項９】
請求項７記載の光シリアル−パラレル変換器と、
該光シリアル−パラレル変換器の出力光を受ける請求項８記載の並列ビット遅延可変・波長変換回路と、
該並列ビット遅延可変・波長変換回路の出力光を受ける、請求項７記載の光シリアル−パラレル変換器の入出力を逆にした光パラレル−シリアル変換器と
を備えることを特徴とする光時間スイッチ。
【請求項１０】
フォトニック結晶導波路と、
該フォトニック結晶導波路の光路に沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記フォトニック結晶導波路の屈折率を変化させる相変化材料部と
を備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成されているクラッドと、
該クラッドの中に形成され、該クラッドと共に導波路を構成するコアと、
前記クラッドの中に前記コアに沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記導波路の屈折率を変化させる相変化材料部と
を備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記相変化材料部は、
テトラヘドラル系材料、
Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、
Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、
As2Se3、若しくはAs2S3のカルコゲナイド材料
を含むことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記相変化材料部の相変化材料は、10nm〜200nmの直径の粒子、又は、10nm〜200nmの幅の細線からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光スイッチ。
【請求項４】
光スイッチの構成は、
第１入力導波路、第１方向性結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、
第１入力導波路、第１マルチモード干渉型結合器、２つの単一モードアーム導波路、第２マルチモード干渉型結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記単一モードアーム導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたマッハツェンダー型、
第１入力導波路、Ｙ分岐導波路、及び出力導波路がこの順に接続され、前記Ｙ分岐導波路の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられたＹ分岐型、又は、
第１入力導波路、方向性結合器、及び出力導波路がこの順に接続され、前記方向性結合器の片方又は両方に前記相変化材料部が設けられた方向性結合型
のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項５】
光スイッチ制御光を前記相変化材料部に導く、第２入力導波路と結合器とを備えることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記基板に対向して配置され前記相変化材料部を制御する光スイッチ制御光を発光する面型レーザアレイを備えることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ。
【請求項７】
直列に接続されている複数の１入力２出力構成の請求項１乃至６いずれかに記載の光スイッチと、
隣接する該光スイッチ間を接続し、光伝搬時間が光信号のクロック周期に等しい導波路と、
前記光スイッチからの各出力導波路として設けられている遅延導波路と
を備え、光信号をシリアル−パラレル変換することを特徴とする光シリアル−パラレル変換器。
【請求項８】
並列に接続されている複数の１入力２出力構成の請求項１乃至６いずれかに記載の光スイッチと、
該光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態を読み出す光パルスを供給する読出パルス光源と、
前記光スイッチのそれぞれに各々のスイッチ状態をリセットする光パルスを供給するリセットパルス光源と
を備えることを特徴とする並列ビット遅延可変・波長変換回路。
【請求項９】
請求項７記載の光シリアル−パラレル変換器と、
該光シリアル−パラレル変換器の出力光を受ける請求項８記載の並列ビット遅延可変・波長変換回路と、
該並列ビット遅延可変・波長変換回路の出力光を受ける、請求項７記載の光シリアル−パラレル変換器の入出力を逆にした光パラレル−シリアル変換器と
を備えることを特徴とする光時間スイッチ。
【請求項１０】
フォトニック結晶導波路と、
該フォトニック結晶導波路の光路に沿って形成され、光学的厚さが動作波長の1/2以下であり、光照射、電圧印加又は電流注入によって相状態が制御されて前記フォトニック結晶導波路の屈折率を変化させる相変化材料部と
を備えることを特徴とする光スイッチ。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図１ｅ】
【図１ｆ】
【図１ｇ】
【図１ｈ】
【図１ｉ】
【図１ｊ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図１ｅ】
【図１ｆ】
【図１ｇ】
【図１ｈ】
【図１ｉ】
【図１ｊ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【公開番号】特開２００６−１８４３４５（Ｐ２００６−１８４３４５Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７５１８０（Ｐ２００４−３７５１８０）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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