光スイッチ
【課題】より広い波長範囲でスイッチングを実現することができる光スイッチを提供する。
【解決手段】導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する非対称Ｘ結合器１０１、１０３と、導波路幅が異なる二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅が等しい二つの出力ポートに光信号を出力する非対称Ｘ結合器１０２を設け、非対称Ｘ結合器１０１の二つの出力ポートの一方にラマン増幅器１０４、他の出力ポートにラマン増幅器１０５を設け、非対称Ｘ結合器１０２の出力ポートの一方に所定の減衰率で光信号を減衰させる減衰器１０６を備え、前記ラマン増幅器１０４及び１０５の増幅率を所定の値に制御する。
【解決手段】導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する非対称Ｘ結合器１０１、１０３と、導波路幅が異なる二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅が等しい二つの出力ポートに光信号を出力する非対称Ｘ結合器１０２を設け、非対称Ｘ結合器１０１の二つの出力ポートの一方にラマン増幅器１０４、他の出力ポートにラマン増幅器１０５を設け、非対称Ｘ結合器１０２の出力ポートの一方に所定の減衰率で光信号を減衰させる減衰器１０６を備え、前記ラマン増幅器１０４及び１０５の増幅率を所定の値に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチに関し、特に、広い波長範囲においてスイッチングを実現することができる光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光スイッチとして、３ｄＢ結合器を用いた光スイッチが特許文献１に開示されている。それを改良した光スイッチが非特許文献１に開示されている。図８に、非特許文献１に開示された光スイッチの概略構成を示す。従来提案されていた光スイッチは、３ｄＢ結合器９０１、９０２、９０３、ラマン増幅器９０４、９０５、アッテネータ（減衰器）９０６を備えるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３８４９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】HirokiKishikawa et al., “Optical Switch by Light Intensity Control in CascadedCoupled Waveguides”, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E90-C, NO.2 FEBRUARY 2007,P492-498
【非特許文献２】MasayukiIzutsu et al., “Optical-waveguide hybrid coupler”, OPTICS LETTERS, Vol.7, No.11November 1982, P549-551
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記図８に記載の光スイッチでは、例えば図９に示すような出力特性であった。同図９における（ａ）は、入力Ａ及び入力Ｂを有する図８に記載の構成において、３ｄＢ結合器９０１を経た後、入力Ａ側のラマン増幅器９０４の増幅率を１、入力Ｂ側のラマン増幅器９０５の増幅率を１＋√２、アッテネータ９０６の減衰率を１／（１＋√２）とした場合の、出力Ａ及び出力Ｂの関係を示す。一方、図９の（ｂ）は、入力Ａ側のラマン増幅器９０４の増幅率を１＋√２、入力Ｂ側のラマン増幅器９０５の増幅率を１、アッテネータ９０６の減衰率を１／（１＋√２）とした場合の、出力Ａ及び出力Ｂの関係を示す。同図の意味するところは、光スイッチとして実用に供することができる、即ち出力Ａと出力Ｂとの相違が２０ｄＢを超えるような信号波長領域は、波長１５５０ｎｍ付近に限られ、その波長幅は４０ｎｍ程度ということである。
【０００６】
近年、ＷＤＭ（波長分割多重）通信システムも実用に供され、通信速度の高速化も進行しているところである一方、通信に使用する光信号の波長範囲を広げたいという要求もある。光ルータ、スイッチなどにおいて、波長ごとに高速のスイッチングを行うことが可能であり、かつ利用可能な波長範囲の広い光スイッチ開発の必要性は依然として高い。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができる光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】
【０００８】
上記の問題点を解決するために、本発明に係る第１の光スイッチは、導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートに設けられた第２のラマン増幅器と、前記第１のラマン増幅器及び前記第２のラマン増幅器の後段に設けられ、前記第１及び第２のラマン増幅器の出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポートの一方に配され、所定の減衰率で光信号を減衰させる減衰器と、前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器とを備え、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長をそれぞれ等しく設定するとともに、前記ラマン増幅器の少なくとも一方に所定波長の励起光を入力し、当該ラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
本願発明者らは、非対称Ｘ結合器を用いることにより、より広い波長範囲でスイッチングを行うことが可能であることを見出した。非対称Ｘ結合器については非特許文献２に説明がある。「非対称Ｘ結合器」とは、二つの光信号入力ポート、及び二つの光信号出力ポートを備え、二つの光信号入力ポートの導波路幅（Ｗ１）が同じであれば、二つの光信号出力ポートの導波路幅が異なるとともに、二つの光信号出力ポートの導波路幅をそれぞれＷｗ、Ｗｎとした場合、Ｗ１＊２＝Ｗｗ＋Ｗｎという関係を満たす結合器、若しくは、二つの光信号出力ポートの導波路幅（Ｗ１）が同じであれば、二つの光信号入力ポートの導波路幅が異なるとともに、二つの光信号入力ポートの導波路幅をそれぞれＷｗ、Ｗｎとした場合、Ｗｗ＋Ｗｎ＝Ｗ１＊２という関係を満たす結合器をいう。
【００１０】
なお、非対称Ｘ結合器においては、図１０（ａ）に示されるように、入力ポートの終端と出力ポートの始端とが点線Ｃ上で一致する場合もあるが、同図１０（ｂ）に示されるように、入力ポートの終端（点線Ｅ）と出力ポートの始端（点線Ｓ）との間に若干の幅がある場合もある。
【００１１】
具体的には、本発明に係る第１の光スイッチでは、前記減衰器の減衰率を１／（１＋√２）とし、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１＋√２とするか、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１＋√２、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１とするかで、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにして、スイッチングを実現することができる。
【００１２】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる構成とすることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る第２の光スイッチは、導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、前記第１のラマン増幅器及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第１のラマン増幅器の出力、及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、前記第２の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第２のラマン増幅器と、前記第２のラマン増幅器及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第２のラマン増幅器の出力、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器と、前記第３の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第３のラマン増幅器と、前記第３のラマン増幅器及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第３のラマン増幅器の出力、及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第４の非対称Ｘ結合器とを備え、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第４の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長を、それぞれ等しく設定するとともに、前記三つのラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
具体的には、本発明に係る第２の光スイッチでは、前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を１とするか、前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を約３．３８３とするかで、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにして、スイッチングを実現することができる。
【００１５】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなるとともに、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる構成とすることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第２の光スイッチでは、前記第１から第３のラマン増幅器に対して、同一の励起光を入射する構成とすることもできる。なお、本発明に係る第２の光スイッチでは、さらに、前記第４の非対称Ｘ結合器のいずれか一方の出力ポートの出力を増幅する増幅器と、前記第４の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力を減衰する減衰器との、少なくともいずれか一方を備える構成とすることが好ましい。
【００１７】
ラマン増幅器への励起光として、信号光とは異なる波長の励起光を用いることができる。ラマン増幅器への励起光として、信号光と異なる偏波の励起光を用いることもできるし、例えば信号光と励起光との波長領域が異なり、信号光の波長が規定されているような場合など、ラマン増幅器への励起光の入射に、励起光の波長に対してのみ結合する波長依存結合器を用いることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る光スイッチによると、従来と比較して、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光スイッチの構成について説明するための図である。
【図２】ラマン増幅器の増幅率の決定について説明するための図である。
【図３】第１の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った条件等について説明するための模式図である。
【図４】第１の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った結果について説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の光スイッチの構成について説明するための図である。
【図６】第２の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った条件等について説明するための模式図である。
【図７】第１の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った結果について説明するための図である。
【図８】従来の光スイッチの概略構成について説明するための図である。
【図９】従来の光スイッチの特性について説明するための図である。
【図１０】非対称Ｘ結合器の入力ポートの終端、出力ポートの始端について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の光スイッチの構成について説明するための図である。
本実施の形態の光スイッチは、非対称Ｘ結合器１０１、１０２、１０３、ラマン増幅器１０４、１０５、アッテネータ（減衰器）１０６を含んでいる。
【００２１】
非対称Ｘ結合器については、非特許文献２に記載がある。本願発明者らは、非対称Ｘ結合器を用い、導波路の幅、ラマン増幅器１０４、１０５の増幅率、アッテネータ１０６の減衰率などを適切に制御することにより、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができることを見出した。
【００２２】
ラマン増幅器１０４、１０５の増幅率の決定について、以下に詳細に説明する。図２は、ラマン増幅器の増幅率の決定について説明するための図である。
【００２３】
図２（ａ）に示されるように、非対称Ｘ結合器は、導波路幅Ｗが等しい対称Ｙ字形接合部と、導波路幅が異なる非対称Ｙ字形接合部を有する。図２（ａ）の非対称Ｘ結合器は、図１における結合器１０１に相当するが、光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数１）で表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
図２（ａ）では、非対称Ｙ字形接合部において、広い側の導波路幅をＷｗ、狭い側の導波路幅をＷｎとしているが、本実施の形態で説明するような構成では、両者の幅の差が光スイッチとしての機能に影響を与えないような構成となっている。図１に示されるように、広い側の導波路は、第２の非対称Ｘ結合器１０２に入力される際には幅が狭くなっており、狭い側の導波路は、第２の非対称Ｘ結合器１０２に入力される際には幅が広くなっていることによる。
【００２６】
図２（ｂ）は、ラマン増幅器を通過するところを模式的に示すものであり、同図（ｂ）における光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数２）で表される。（数２）において、α１はラマン増幅器１０５の増幅率、α２はラマン増幅器１０４の増幅率となる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
図１における２番目の非対称Ｘ結合器１０２について議論する前に、図２（ｄ）の場合について考える。図２（ｄ）の例は、図２（ａ）を左右反転させたものであり、図２（ｄ）における光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数３）で表される。
【００２９】
【数３】
【００３０】
上記（数３）より、２番目の非対称Ｘ結合器１０２に相当する図２（ｃ）の例における光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数４）で表される。
【００３１】
【数４】
【００３２】
上記（数１）から（数４）より、図１の構成におけるＡｉｎ、Ｂｉｎ、Ａｏｕｔ、Ｂｏｕｔの関係は、下記（数５）で表されることになる。下記（数５）におけるαＡはラマン増幅器１０４の増幅率、αＢはラマン増幅器１０５の増幅率である。また、βはアッテネータ１０６の減衰率である。
【００３３】
【数５】
【００３４】
ここで、上記（数５）において、ａ１１、ａ１２、ａ２１、ａ２２は、下記（数６）で表される。
【００３５】
【数６】
【００３６】
さて、図１の構成にて光スイッチとして機能させる場合、例えばＡｉｎ側からのみ光（Ｅｉｎ）を入射した場合（Ｂｉｎ＝０）に、上記（数５）及び（数６）から、下記（数７）が導かれる。
【００３７】
【数７】
【００３８】
上記（数７）は、ラマン増幅器１０４、１０５の増幅率、アッテネータ１０６の減衰率を所定の値とすることにより、図１の構成が光スイッチとして機能することを示すものである。具体的には、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１＋√２とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合、Ａｏｕｔ＝−Ｅｉｎ、Ｂｏｕｔ＝０となり、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１＋√２、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合、Ａｏｕｔ＝０、Ｂｏｕｔ＝−Ｅｉｎとなる。
【００３９】
なお、ラマン増幅器とは、信号光の波長をλとした場合に、波長λ‘の励起光（波長λ‘＝λ―λＲ（λＲはラマンシフト波長））を入射することにより、ラマンシフト波長に対応する所望の波長の信号光を増幅する機能を有する。ラマン増幅器１０４、１０５に対し、信号光の波長に合わせて上記のような増幅率を実現する励起光Ａ、励起光Ｂの波長ごとの強度、ラマン増幅器１０４、１０５の具体的な構成については、なお今後の改良課題であるが、少なくとも光スイッチの機能を実現する構成は、十分に実現可能であると言える。
【００４０】
本実施の形態の光スイッチの実装の一例として、シリコン基板上にＳｉＯ２絶縁膜を形成し、当該ＳｉＯ２膜上にシリコン導波路を形成する、いわゆるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）構造とすることができる。
【００４１】
基板及び導波路はＬｉＮｂＯ３などで形成することもできる。この場合、ＬｉＮｂＯ３基板上に、イオン交換や不純物熱拡散などによりＬｉＮｂＯ３の導波路を形成することができる。ラマン増幅器は、例えば、シリコン、ＬｉＮｂＯ３などで形成することができる。アッテネータは、例えば導波路上に金属を蒸着させて実現を図ることができる。ラマン増幅器への励起光の入射に際しては、例えば偏波依存性のある合分波器を備え、異なる偏波の励起光を用いることなどが考えられる。また、信号光と励起光との波長領域が違う場合には、ラマン増幅器への励起光の入射に、励起光の波長に対してのみ結合する波長依存結合器を用いることもできる。
【００４２】
本願発明者らは、上記に説明したような、本実施の形態の光スイッチの特性について、有限差分ビーム伝搬法（ＦＤ−ＢＰＭ）を用いてシミュレーションを行った。ＦＤ―ＢＰＭには７次Ｐａｄｅ近似を適用した。ＦＤ−ＢＰＭ法におけるステップ長Δｚは１．０μｍ、ステップ幅Δｘは０．０５μｍ、コアの屈折率ｎｃは１．４６１、クラッドの屈折率ｎｓは１．４５とし、光波はＴＥモードと仮定した。以下、シミュレーションの条件について詳細に説明する。
【００４３】
図３の模式図において、信号光Ａｉｎ、Ｂｉｎがそれぞれ入力される入力ポート同士の間隔Ｄは２３μｍ、入力ポートの入力端から非対称Ｘ結合器１０１の分岐部分（図１０（ａ）において点線Ｃで表される部分）までの長さＬｉは８ｍｍとして計算を行った。なお、非特許文献２に解説される如き、非対称Ｘ結合器の動作原理に鑑みれば、たとえ一方の入力ポートにのみ信号光が入力されるとしても、他の一方の入力ポートも備える必要があり、非対称Ｘ結合器に信号光が入力される入力導波路間の角度を上記のような関係に保つ部分の長さＬｉは、最低２ｍｍ程度は必要と予測される。当該２ｍｍ程度よりも信号光の入力ポート側は、もっと光入力導波路間の間隔を広いものとしても良い。
【００４４】
さらに、入力ポートの端からラマン増幅器までの間の長さＬｘ（図３参照）は１６ｍｍ、ラマン増幅器の幅ＬＰとアッテネータ部分の幅ＬＰを１ｍｍ（両者は同一としたが、この長さは必ずしも同一である必要はない。上記に説明したような増幅率、減衰率が実現できれば良い。）とした。入力ポート側の導波路幅（図２（ａ）のＷ、図３のＷ１）は３．０μｍ、非対称Ｘ結合器１０１での分岐後の、広い側の導波路幅（図２（ａ）のＷＷ）は３．４μｍ、狭い側の導波路幅（図２（ａ）のＷｎ）は２．６μｍとした。Ｗ１の値は、現在一般的に用いられている材料において、２次モードのカットオフ幅が４．５μｍ、３次モードのカットオフ幅が８．８μｍとされていることから決定した。
【００４５】
本シミュレーションで対象とした信号光の波長は１３５０ｎｍから１７５０ｎｍであり、信号光の波長が１３５０ｎｍの場合、図３に示される導波路幅Ｗ１は、１．９μｍから３．８μｍの間、信号光の波長が１７５０ｎｍの場合、図３に示される導波路幅Ｗ１は、２．５μｍから５．０μｍの間であるべきである（材料分散を無視した場合）。なお、本シミュレーションでは、第２の非対称Ｘ結合器１０２に入射する際における幅の広い側の導波路幅を３．４μｍとして、上記非対称Ｘ結合器１０１での分岐後の広い側の導波路幅（図２（ａ）及び図３におけるＷＷ）の値と同一としたが、この両者も必ずしも同一である必要はない。もっとも、二つの非対称Ｘ結合器間において、分岐した二本の導波路の光路長を等しくする必要はある。
【００４６】
図４は、シミュレーションの結果を示す図である。本実施の形態の光スイッチでは、より広い波長範囲でスイッチングを実現することが可能であること、即ち、４００ｎｍと広い波長範囲で、出力の相違が２０ｄＢを超えることが示されている。同図（ａ）は、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１＋√２とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合の結果を示すものであり、同図（ｂ）は、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１＋√２、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合の結果を示すものである。
【００４７】
（実施の形態２）
次に、本願発明者らが提案する光スイッチの第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態について説明するための図である。本実施の形態では、非対称Ｘ結合器を２０１から２０４まで四つ備え、一方の導波路側のみに、ラマン増幅器２０５、２０６、２０７を設けている。
【００４８】
本実施の形態におけるラマン増幅器の増幅率制御は、基本的には第１の実施の形態（図２）で説明した数式（数１）から（数４）と同様に考えることができる。本実施の形態の構成におけるＡｉｎ、Ｂｉｎ、Ａｏｕｔ、Ｂｏｕｔの関係は、下記（数８）で表される。下記（数８）におけるαはラマン増幅器２０５から２０７の増幅率（全て同一とした。）である。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここで、上記（数８）において、ｂ１１、ｂ１２、ｂ２１、ｂ２２は、下記（数９）で表される。
【００５１】
【数９】
【００５２】
第１の実施の形態と同様、例えばＡｉｎ側からのみ光（Ｅｉｎ）を入射した場合（Ｂｉｎ＝０）に、上記（数８）及び（数９）から、下記（数１０）が導かれる。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
上記（数１０）から、ラマン増幅器２０５から２０７の増幅率αを所定の値とすることにより、図５の構成が光スイッチとして機能することが示される。具体的には、ラマン増幅器の増幅率αを１とした場合、Ａｏｕｔ＝−Ｅｉｎ、Ｂｏｕｔ＝０となる。ラマン増幅器の増幅率αを３．３８３とした場合に、Ａｏｕｔ＝０となり、Ｂｏｕｔの値は、下記（数１１）で表される値となる。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
本実施の形態では、αを３．３８３とした場合、出力Ｂｏｕｔが約６．２２２倍となるため、出力Ａｏｕｔを増幅するか、出力Ｂｏｕｔを減衰することが好ましい。
【００５７】
本実施の形態の構成についても、ＦＤ−ＢＰＭ法を用いてシミュレーションを行ったので、以下、その結果について説明する。図６は、本実施の形態のシミュレーション条件について説明するための図である。以下、第１の実施の形態と異なる点に重点をおいて説明する。
【００５８】
本実施の形態では、入力ポートの間隔Ｄを１９μｍとし、図６中、Ｌｘを１２ｍｍ、ＬＰは１ｍｍ（第１の実施の形態と同様）とした。幅同一の部分の導波路幅Ｗ１は３．０μｍ、非対称Ｘ結合器の入出力部分において、導波路幅が非対称の部分については、広い側ＷＷの幅を３．６μｍ、狭い側の幅を２．４μｍとした。なお、ラマン増幅器の長さは、必ずしも三つとも同一である必要はないが、上記（数８）より、増幅率は、全て同一とする必要がある。三つのラマン増幅器２０５〜２０７には、同一の励起光を入射する構成とすることもできる。二つの連続する非対称Ｘ結合器間において、分岐した二本の導波路の光路長を等しくする必要がある点は第１の実施の形態と同様である。
【００５９】
図７は、本実施の形態の構成におけるシミュレーションの結果を示す図である。本実施の形態の光スイッチでも、より広い波長範囲でスイッチングを実現することが可能であること、即ち、４００ｎｍと広い波長範囲で、出力の相違が２０ｄＢを超えることが示されている。同図（ａ）は、ラマン増幅器２０５〜２０７の増幅率αを１とした場合の結果を示すものであり、同図（ｂ）は、ラマン増幅器２０５〜２０７の増幅率αを３．３８３とした場合の結果を示すものである。
【００６０】
以上に詳細に説明したように、上記各実施の形態の光スイッチでは、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができる。励起光によるラマン増幅器の増幅率の制御を利用しているため、ピコ秒程度の高速なスイッチングが実現可能である。非対称Ｘ結合器は、原理的に高い精度が要求されず、また温度変化に対しても特性の影響が小さいと予想されるため、非常に大きい実用的効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、例えば、光ルータ、光スイッチなどに適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０１〜１０３ 非対称Ｘ結合器
１０４、１０５ ラマン増幅器
１０６ アッテネータ（減衰器）
２０１〜２０４ 非対称Ｘ結合器
２０５〜２０７ ラマン増幅器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチに関し、特に、広い波長範囲においてスイッチングを実現することができる光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光スイッチとして、３ｄＢ結合器を用いた光スイッチが特許文献１に開示されている。それを改良した光スイッチが非特許文献１に開示されている。図８に、非特許文献１に開示された光スイッチの概略構成を示す。従来提案されていた光スイッチは、３ｄＢ結合器９０１、９０２、９０３、ラマン増幅器９０４、９０５、アッテネータ（減衰器）９０６を備えるものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３８４９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】HirokiKishikawa et al., “Optical Switch by Light Intensity Control in CascadedCoupled Waveguides”, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E90-C, NO.2 FEBRUARY 2007,P492-498
【非特許文献２】MasayukiIzutsu et al., “Optical-waveguide hybrid coupler”, OPTICS LETTERS, Vol.7, No.11November 1982, P549-551
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記図８に記載の光スイッチでは、例えば図９に示すような出力特性であった。同図９における（ａ）は、入力Ａ及び入力Ｂを有する図８に記載の構成において、３ｄＢ結合器９０１を経た後、入力Ａ側のラマン増幅器９０４の増幅率を１、入力Ｂ側のラマン増幅器９０５の増幅率を１＋√２、アッテネータ９０６の減衰率を１／（１＋√２）とした場合の、出力Ａ及び出力Ｂの関係を示す。一方、図９の（ｂ）は、入力Ａ側のラマン増幅器９０４の増幅率を１＋√２、入力Ｂ側のラマン増幅器９０５の増幅率を１、アッテネータ９０６の減衰率を１／（１＋√２）とした場合の、出力Ａ及び出力Ｂの関係を示す。同図の意味するところは、光スイッチとして実用に供することができる、即ち出力Ａと出力Ｂとの相違が２０ｄＢを超えるような信号波長領域は、波長１５５０ｎｍ付近に限られ、その波長幅は４０ｎｍ程度ということである。
【０００６】
近年、ＷＤＭ（波長分割多重）通信システムも実用に供され、通信速度の高速化も進行しているところである一方、通信に使用する光信号の波長範囲を広げたいという要求もある。光ルータ、スイッチなどにおいて、波長ごとに高速のスイッチングを行うことが可能であり、かつ利用可能な波長範囲の広い光スイッチ開発の必要性は依然として高い。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができる光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】
【０００８】
上記の問題点を解決するために、本発明に係る第１の光スイッチは、導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートに設けられた第２のラマン増幅器と、前記第１のラマン増幅器及び前記第２のラマン増幅器の後段に設けられ、前記第１及び第２のラマン増幅器の出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポートの一方に配され、所定の減衰率で光信号を減衰させる減衰器と、前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器とを備え、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長をそれぞれ等しく設定するとともに、前記ラマン増幅器の少なくとも一方に所定波長の励起光を入力し、当該ラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
本願発明者らは、非対称Ｘ結合器を用いることにより、より広い波長範囲でスイッチングを行うことが可能であることを見出した。非対称Ｘ結合器については非特許文献２に説明がある。「非対称Ｘ結合器」とは、二つの光信号入力ポート、及び二つの光信号出力ポートを備え、二つの光信号入力ポートの導波路幅（Ｗ１）が同じであれば、二つの光信号出力ポートの導波路幅が異なるとともに、二つの光信号出力ポートの導波路幅をそれぞれＷｗ、Ｗｎとした場合、Ｗ１＊２＝Ｗｗ＋Ｗｎという関係を満たす結合器、若しくは、二つの光信号出力ポートの導波路幅（Ｗ１）が同じであれば、二つの光信号入力ポートの導波路幅が異なるとともに、二つの光信号入力ポートの導波路幅をそれぞれＷｗ、Ｗｎとした場合、Ｗｗ＋Ｗｎ＝Ｗ１＊２という関係を満たす結合器をいう。
【００１０】
なお、非対称Ｘ結合器においては、図１０（ａ）に示されるように、入力ポートの終端と出力ポートの始端とが点線Ｃ上で一致する場合もあるが、同図１０（ｂ）に示されるように、入力ポートの終端（点線Ｅ）と出力ポートの始端（点線Ｓ）との間に若干の幅がある場合もある。
【００１１】
具体的には、本発明に係る第１の光スイッチでは、前記減衰器の減衰率を１／（１＋√２）とし、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１＋√２とするか、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１＋√２、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１とするかで、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにして、スイッチングを実現することができる。
【００１２】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる構成とすることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る第２の光スイッチは、導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、前記第１のラマン増幅器及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第１のラマン増幅器の出力、及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、前記第２の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第２のラマン増幅器と、前記第２のラマン増幅器及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第２のラマン増幅器の出力、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器と、前記第３の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第３のラマン増幅器と、前記第３のラマン増幅器及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第３のラマン増幅器の出力、及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第４の非対称Ｘ結合器とを備え、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第４の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長を、それぞれ等しく設定するとともに、前記三つのラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
具体的には、本発明に係る第２の光スイッチでは、前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を１とするか、前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を約３．３８３とするかで、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにして、スイッチングを実現することができる。
【００１５】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなるとともに、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる構成とすることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る第２の光スイッチでは、前記第１から第３のラマン増幅器に対して、同一の励起光を入射する構成とすることもできる。なお、本発明に係る第２の光スイッチでは、さらに、前記第４の非対称Ｘ結合器のいずれか一方の出力ポートの出力を増幅する増幅器と、前記第４の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力を減衰する減衰器との、少なくともいずれか一方を備える構成とすることが好ましい。
【００１７】
ラマン増幅器への励起光として、信号光とは異なる波長の励起光を用いることができる。ラマン増幅器への励起光として、信号光と異なる偏波の励起光を用いることもできるし、例えば信号光と励起光との波長領域が異なり、信号光の波長が規定されているような場合など、ラマン増幅器への励起光の入射に、励起光の波長に対してのみ結合する波長依存結合器を用いることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る光スイッチによると、従来と比較して、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光スイッチの構成について説明するための図である。
【図２】ラマン増幅器の増幅率の決定について説明するための図である。
【図３】第１の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った条件等について説明するための模式図である。
【図４】第１の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った結果について説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の光スイッチの構成について説明するための図である。
【図６】第２の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った条件等について説明するための模式図である。
【図７】第１の実施の形態の光スイッチの特性についてシミュレーションを行った結果について説明するための図である。
【図８】従来の光スイッチの概略構成について説明するための図である。
【図９】従来の光スイッチの特性について説明するための図である。
【図１０】非対称Ｘ結合器の入力ポートの終端、出力ポートの始端について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の光スイッチの構成について説明するための図である。
本実施の形態の光スイッチは、非対称Ｘ結合器１０１、１０２、１０３、ラマン増幅器１０４、１０５、アッテネータ（減衰器）１０６を含んでいる。
【００２１】
非対称Ｘ結合器については、非特許文献２に記載がある。本願発明者らは、非対称Ｘ結合器を用い、導波路の幅、ラマン増幅器１０４、１０５の増幅率、アッテネータ１０６の減衰率などを適切に制御することにより、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができることを見出した。
【００２２】
ラマン増幅器１０４、１０５の増幅率の決定について、以下に詳細に説明する。図２は、ラマン増幅器の増幅率の決定について説明するための図である。
【００２３】
図２（ａ）に示されるように、非対称Ｘ結合器は、導波路幅Ｗが等しい対称Ｙ字形接合部と、導波路幅が異なる非対称Ｙ字形接合部を有する。図２（ａ）の非対称Ｘ結合器は、図１における結合器１０１に相当するが、光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数１）で表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
図２（ａ）では、非対称Ｙ字形接合部において、広い側の導波路幅をＷｗ、狭い側の導波路幅をＷｎとしているが、本実施の形態で説明するような構成では、両者の幅の差が光スイッチとしての機能に影響を与えないような構成となっている。図１に示されるように、広い側の導波路は、第２の非対称Ｘ結合器１０２に入力される際には幅が狭くなっており、狭い側の導波路は、第２の非対称Ｘ結合器１０２に入力される際には幅が広くなっていることによる。
【００２６】
図２（ｂ）は、ラマン増幅器を通過するところを模式的に示すものであり、同図（ｂ）における光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数２）で表される。（数２）において、α１はラマン増幅器１０５の増幅率、α２はラマン増幅器１０４の増幅率となる。
【００２７】
【数２】
【００２８】
図１における２番目の非対称Ｘ結合器１０２について議論する前に、図２（ｄ）の場合について考える。図２（ｄ）の例は、図２（ａ）を左右反転させたものであり、図２（ｄ）における光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数３）で表される。
【００２９】
【数３】
【００３０】
上記（数３）より、２番目の非対称Ｘ結合器１０２に相当する図２（ｃ）の例における光学的電場振幅Ｅｉｎ１、Ｅｉｎ２、Ｅｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２の関係は、下記（数４）で表される。
【００３１】
【数４】
【００３２】
上記（数１）から（数４）より、図１の構成におけるＡｉｎ、Ｂｉｎ、Ａｏｕｔ、Ｂｏｕｔの関係は、下記（数５）で表されることになる。下記（数５）におけるαＡはラマン増幅器１０４の増幅率、αＢはラマン増幅器１０５の増幅率である。また、βはアッテネータ１０６の減衰率である。
【００３３】
【数５】
【００３４】
ここで、上記（数５）において、ａ１１、ａ１２、ａ２１、ａ２２は、下記（数６）で表される。
【００３５】
【数６】
【００３６】
さて、図１の構成にて光スイッチとして機能させる場合、例えばＡｉｎ側からのみ光（Ｅｉｎ）を入射した場合（Ｂｉｎ＝０）に、上記（数５）及び（数６）から、下記（数７）が導かれる。
【００３７】
【数７】
【００３８】
上記（数７）は、ラマン増幅器１０４、１０５の増幅率、アッテネータ１０６の減衰率を所定の値とすることにより、図１の構成が光スイッチとして機能することを示すものである。具体的には、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１＋√２とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合、Ａｏｕｔ＝−Ｅｉｎ、Ｂｏｕｔ＝０となり、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１＋√２、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合、Ａｏｕｔ＝０、Ｂｏｕｔ＝−Ｅｉｎとなる。
【００３９】
なお、ラマン増幅器とは、信号光の波長をλとした場合に、波長λ‘の励起光（波長λ‘＝λ―λＲ（λＲはラマンシフト波長））を入射することにより、ラマンシフト波長に対応する所望の波長の信号光を増幅する機能を有する。ラマン増幅器１０４、１０５に対し、信号光の波長に合わせて上記のような増幅率を実現する励起光Ａ、励起光Ｂの波長ごとの強度、ラマン増幅器１０４、１０５の具体的な構成については、なお今後の改良課題であるが、少なくとも光スイッチの機能を実現する構成は、十分に実現可能であると言える。
【００４０】
本実施の形態の光スイッチの実装の一例として、シリコン基板上にＳｉＯ２絶縁膜を形成し、当該ＳｉＯ２膜上にシリコン導波路を形成する、いわゆるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）構造とすることができる。
【００４１】
基板及び導波路はＬｉＮｂＯ３などで形成することもできる。この場合、ＬｉＮｂＯ３基板上に、イオン交換や不純物熱拡散などによりＬｉＮｂＯ３の導波路を形成することができる。ラマン増幅器は、例えば、シリコン、ＬｉＮｂＯ３などで形成することができる。アッテネータは、例えば導波路上に金属を蒸着させて実現を図ることができる。ラマン増幅器への励起光の入射に際しては、例えば偏波依存性のある合分波器を備え、異なる偏波の励起光を用いることなどが考えられる。また、信号光と励起光との波長領域が違う場合には、ラマン増幅器への励起光の入射に、励起光の波長に対してのみ結合する波長依存結合器を用いることもできる。
【００４２】
本願発明者らは、上記に説明したような、本実施の形態の光スイッチの特性について、有限差分ビーム伝搬法（ＦＤ−ＢＰＭ）を用いてシミュレーションを行った。ＦＤ―ＢＰＭには７次Ｐａｄｅ近似を適用した。ＦＤ−ＢＰＭ法におけるステップ長Δｚは１．０μｍ、ステップ幅Δｘは０．０５μｍ、コアの屈折率ｎｃは１．４６１、クラッドの屈折率ｎｓは１．４５とし、光波はＴＥモードと仮定した。以下、シミュレーションの条件について詳細に説明する。
【００４３】
図３の模式図において、信号光Ａｉｎ、Ｂｉｎがそれぞれ入力される入力ポート同士の間隔Ｄは２３μｍ、入力ポートの入力端から非対称Ｘ結合器１０１の分岐部分（図１０（ａ）において点線Ｃで表される部分）までの長さＬｉは８ｍｍとして計算を行った。なお、非特許文献２に解説される如き、非対称Ｘ結合器の動作原理に鑑みれば、たとえ一方の入力ポートにのみ信号光が入力されるとしても、他の一方の入力ポートも備える必要があり、非対称Ｘ結合器に信号光が入力される入力導波路間の角度を上記のような関係に保つ部分の長さＬｉは、最低２ｍｍ程度は必要と予測される。当該２ｍｍ程度よりも信号光の入力ポート側は、もっと光入力導波路間の間隔を広いものとしても良い。
【００４４】
さらに、入力ポートの端からラマン増幅器までの間の長さＬｘ（図３参照）は１６ｍｍ、ラマン増幅器の幅ＬＰとアッテネータ部分の幅ＬＰを１ｍｍ（両者は同一としたが、この長さは必ずしも同一である必要はない。上記に説明したような増幅率、減衰率が実現できれば良い。）とした。入力ポート側の導波路幅（図２（ａ）のＷ、図３のＷ１）は３．０μｍ、非対称Ｘ結合器１０１での分岐後の、広い側の導波路幅（図２（ａ）のＷＷ）は３．４μｍ、狭い側の導波路幅（図２（ａ）のＷｎ）は２．６μｍとした。Ｗ１の値は、現在一般的に用いられている材料において、２次モードのカットオフ幅が４．５μｍ、３次モードのカットオフ幅が８．８μｍとされていることから決定した。
【００４５】
本シミュレーションで対象とした信号光の波長は１３５０ｎｍから１７５０ｎｍであり、信号光の波長が１３５０ｎｍの場合、図３に示される導波路幅Ｗ１は、１．９μｍから３．８μｍの間、信号光の波長が１７５０ｎｍの場合、図３に示される導波路幅Ｗ１は、２．５μｍから５．０μｍの間であるべきである（材料分散を無視した場合）。なお、本シミュレーションでは、第２の非対称Ｘ結合器１０２に入射する際における幅の広い側の導波路幅を３．４μｍとして、上記非対称Ｘ結合器１０１での分岐後の広い側の導波路幅（図２（ａ）及び図３におけるＷＷ）の値と同一としたが、この両者も必ずしも同一である必要はない。もっとも、二つの非対称Ｘ結合器間において、分岐した二本の導波路の光路長を等しくする必要はある。
【００４６】
図４は、シミュレーションの結果を示す図である。本実施の形態の光スイッチでは、より広い波長範囲でスイッチングを実現することが可能であること、即ち、４００ｎｍと広い波長範囲で、出力の相違が２０ｄＢを超えることが示されている。同図（ａ）は、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１＋√２とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合の結果を示すものであり、同図（ｂ）は、ラマン増幅器１０４の増幅率αＡを１＋√２、ラマン増幅器１０５の増幅率αＢを１とし、アッテネータ１０６の減衰率βを１／（１＋√２）とした場合の結果を示すものである。
【００４７】
（実施の形態２）
次に、本願発明者らが提案する光スイッチの第２の実施の形態について説明する。図５は、第２の実施の形態について説明するための図である。本実施の形態では、非対称Ｘ結合器を２０１から２０４まで四つ備え、一方の導波路側のみに、ラマン増幅器２０５、２０６、２０７を設けている。
【００４８】
本実施の形態におけるラマン増幅器の増幅率制御は、基本的には第１の実施の形態（図２）で説明した数式（数１）から（数４）と同様に考えることができる。本実施の形態の構成におけるＡｉｎ、Ｂｉｎ、Ａｏｕｔ、Ｂｏｕｔの関係は、下記（数８）で表される。下記（数８）におけるαはラマン増幅器２０５から２０７の増幅率（全て同一とした。）である。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここで、上記（数８）において、ｂ１１、ｂ１２、ｂ２１、ｂ２２は、下記（数９）で表される。
【００５１】
【数９】
【００５２】
第１の実施の形態と同様、例えばＡｉｎ側からのみ光（Ｅｉｎ）を入射した場合（Ｂｉｎ＝０）に、上記（数８）及び（数９）から、下記（数１０）が導かれる。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
上記（数１０）から、ラマン増幅器２０５から２０７の増幅率αを所定の値とすることにより、図５の構成が光スイッチとして機能することが示される。具体的には、ラマン増幅器の増幅率αを１とした場合、Ａｏｕｔ＝−Ｅｉｎ、Ｂｏｕｔ＝０となる。ラマン増幅器の増幅率αを３．３８３とした場合に、Ａｏｕｔ＝０となり、Ｂｏｕｔの値は、下記（数１１）で表される値となる。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
本実施の形態では、αを３．３８３とした場合、出力Ｂｏｕｔが約６．２２２倍となるため、出力Ａｏｕｔを増幅するか、出力Ｂｏｕｔを減衰することが好ましい。
【００５７】
本実施の形態の構成についても、ＦＤ−ＢＰＭ法を用いてシミュレーションを行ったので、以下、その結果について説明する。図６は、本実施の形態のシミュレーション条件について説明するための図である。以下、第１の実施の形態と異なる点に重点をおいて説明する。
【００５８】
本実施の形態では、入力ポートの間隔Ｄを１９μｍとし、図６中、Ｌｘを１２ｍｍ、ＬＰは１ｍｍ（第１の実施の形態と同様）とした。幅同一の部分の導波路幅Ｗ１は３．０μｍ、非対称Ｘ結合器の入出力部分において、導波路幅が非対称の部分については、広い側ＷＷの幅を３．６μｍ、狭い側の幅を２．４μｍとした。なお、ラマン増幅器の長さは、必ずしも三つとも同一である必要はないが、上記（数８）より、増幅率は、全て同一とする必要がある。三つのラマン増幅器２０５〜２０７には、同一の励起光を入射する構成とすることもできる。二つの連続する非対称Ｘ結合器間において、分岐した二本の導波路の光路長を等しくする必要がある点は第１の実施の形態と同様である。
【００５９】
図７は、本実施の形態の構成におけるシミュレーションの結果を示す図である。本実施の形態の光スイッチでも、より広い波長範囲でスイッチングを実現することが可能であること、即ち、４００ｎｍと広い波長範囲で、出力の相違が２０ｄＢを超えることが示されている。同図（ａ）は、ラマン増幅器２０５〜２０７の増幅率αを１とした場合の結果を示すものであり、同図（ｂ）は、ラマン増幅器２０５〜２０７の増幅率αを３．３８３とした場合の結果を示すものである。
【００６０】
以上に詳細に説明したように、上記各実施の形態の光スイッチでは、より広い波長範囲でスイッチングを実現することができる。励起光によるラマン増幅器の増幅率の制御を利用しているため、ピコ秒程度の高速なスイッチングが実現可能である。非対称Ｘ結合器は、原理的に高い精度が要求されず、また温度変化に対しても特性の影響が小さいと予想されるため、非常に大きい実用的効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、例えば、光ルータ、光スイッチなどに適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０１〜１０３ 非対称Ｘ結合器
１０４、１０５ ラマン増幅器
１０６ アッテネータ（減衰器）
２０１〜２０４ 非対称Ｘ結合器
２０５〜２０７ ラマン増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、
前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、
前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートに設けられた第２のラマン増幅器と、
前記第１のラマン増幅器及び前記第２のラマン増幅器の後段に設けられ、前記第１及び第２のラマン増幅器の出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、
前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポートの一方に配され、所定の減衰率で光信号を減衰させる減衰器と、
前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器とを備え、
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長をそれぞれ等しく設定するとともに、
前記ラマン増幅器の少なくとも一方に所定波長の励起光を入力し、当該ラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにした
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記減衰器の減衰率を１／（１＋√２）とし、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１＋√２とするか、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１＋√２、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１とするかで、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにした
ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、
前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、
前記第１のラマン増幅器及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第１のラマン増幅器の出力、及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、
前記第２の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第２のラマン増幅器と、
前記第２のラマン増幅器及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第２のラマン増幅器の出力、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器と、
前記第３の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第３のラマン増幅器と、
前記第３のラマン増幅器及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第３のラマン増幅器の出力、及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第４の非対称Ｘ結合器とを備え、
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第４の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長を、それぞれ等しく設定するとともに、
前記三つのラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにした
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を１とするか、前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を約３．３８３とするかで、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにした
ことを特徴とする請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなるとともに、
前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記第１から第３のラマン増幅器に対して、同一の励起光を入射する
ことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記光スイッチは、さらに、
前記第４の非対称Ｘ結合器のいずれか一方の出力ポートの出力を増幅する増幅器と、前記第４の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力を減衰する減衰器との、少なくともいずれか一方を備える
ことを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項９】
ラマン増幅器への励起光として、信号光とは異なる波長の励起光を用いる
ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項１０】
ラマン増幅器への励起光として、信号光と異なる偏波の励起光を用いる
ことを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
ラマン増幅器への励起光の入射に、励起光の波長に対してのみ結合する波長依存結合器を用いる
ことを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。
【請求項１】
導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、
前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、
前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートに設けられた第２のラマン増幅器と、
前記第１のラマン増幅器及び前記第２のラマン増幅器の後段に設けられ、前記第１及び第２のラマン増幅器の出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、
前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポートの一方に配され、所定の減衰率で光信号を減衰させる減衰器と、
前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記減衰器、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器とを備え、
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長をそれぞれ等しく設定するとともに、
前記ラマン増幅器の少なくとも一方に所定波長の励起光を入力し、当該ラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにした
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記減衰器の減衰率を１／（１＋√２）とし、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１＋√２とするか、前記第１のラマン増幅器の増幅率を１＋√２、前記第２のラマン増幅器の増幅率を１とするかで、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにした
ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
導波路幅が等しい二つの光信号入力ポートからの信号光を受け付け、導波路幅の異なる二つの出力ポートに光信号を出力する第１の非対称Ｘ結合器と、
前記第１の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第１のラマン増幅器と、
前記第１のラマン増幅器及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第１のラマン増幅器の出力、及び前記第１の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が等しい二つの出力ポートを備える第２の非対称Ｘ結合器と、
前記第２の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第２のラマン増幅器と、
前記第２のラマン増幅器及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第２のラマン増幅器の出力、及び前記第２の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第３の非対称Ｘ結合器と、
前記第３の非対称Ｘ結合器の二つの出力ポートの一方に設けられた第３のラマン増幅器と、
前記第３のラマン増幅器及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの後段に設けられ、前記第３のラマン増幅器の出力、及び前記第３の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力が各々に入力される二つの入力ポート、及び導波路幅が異なる二つの出力ポートを備える第４の非対称Ｘ結合器とを備え、
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第２の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第２の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第３の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポート始端から前記第４の非対称Ｘ結合器の入力ポート終端までの二本の光路の光路長を、それぞれ等しく設定するとともに、
前記三つのラマン増幅器の増幅率を所定の値とすることにより、前記ラマン増幅器に入力される励起光に対応する波長の信号光のみを、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に出力するようにした
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を１とするか、前記第１から第３のラマン増幅器の増幅率を約３．３８３とするかで、前記第４の非対称Ｘ結合器の出力ポートのいずれか一方に光信号を出力するようにした
ことを特徴とする請求項４に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第１の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第２の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなるとともに、
前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の広い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が狭い側の入力ポートとなり、前記第３の非対称Ｘ結合器の出力ポートのうち、幅の狭い側の光路は、前記第４の非対称Ｘ結合器に入力される際には幅が広い側の入力ポートとなる
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記第１から第３のラマン増幅器に対して、同一の励起光を入射する
ことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記光スイッチは、さらに、
前記第４の非対称Ｘ結合器のいずれか一方の出力ポートの出力を増幅する増幅器と、前記第４の非対称Ｘ結合器の他の出力ポートの出力を減衰する減衰器との、少なくともいずれか一方を備える
ことを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項９】
ラマン増幅器への励起光として、信号光とは異なる波長の励起光を用いる
ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項１０】
ラマン増幅器への励起光として、信号光と異なる偏波の励起光を用いる
ことを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
ラマン増幅器への励起光の入射に、励起光の波長に対してのみ結合する波長依存結合器を用いる
ことを特徴とする請求項９に記載の光スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１９７７４３（Ｐ２０１０−１９７７４３Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４２８７４（Ｐ２００９−４２８７４）
【出願日】平成２１年２月２５日（２００９．２．２５）
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２５日（２００９．２．２５）
【出願人】（３０４０２０２９２）国立大学法人徳島大学 (307)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]