光スイッチ
【課題】り簡単な構成で、マトリクス光スイッチが大規模化できるようにする。
【解決手段】電源１０６の電気出力端子の他方に接続されている給電線１０６ｂも、光スイッチ素子１０１〜１０４のヒータに対して共有されている。光スイッチ素子１０１に接続する選択給電線１０１ａ，１０１ｂは、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０２に接続する選択給電線１０２ａ，１０２ｂは、周波数２ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０３に接続する選択給電線１０３ａ，１０３ｂは、周波数３ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０４に接続する選択給電線１０４ａ，１０４ｂは、周波数４ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。
【解決手段】電源１０６の電気出力端子の他方に接続されている給電線１０６ｂも、光スイッチ素子１０１〜１０４のヒータに対して共有されている。光スイッチ素子１０１に接続する選択給電線１０１ａ，１０１ｂは、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０２に接続する選択給電線１０２ａ，１０２ｂは、周波数２ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０３に接続する選択給電線１０３ａ，１０３ｂは、周波数３ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０４に接続する選択給電線１０４ａ，１０４ｂは、周波数４ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ伝送を利用する光通信システムや装置間接続システムに用いられる導波路型の光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信システムにおいては、通常、伝送路では光信号が用いられ、信号処理には電気信号が用いられる。しかし、近年の高速化に伴い、伝送路の途中で光電変換を伴う信号処理を削減していくことが期待されている。
【０００３】
光ファイバ通信システムにおいて、ネットワークとしての柔軟性や拡張性を維持しながら光電変換を削減していくためには、光電変換をすることなく、光信号を用いた制御を導入していくことが望まれる。このような光制御を行う上で必須となるデバイスの一つが、光信号の経路切り替えを行う光スイッチである。光スイッチの代表的な形態としては、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）型、および導波路型をあげることができる。
【０００４】
ＭＥＭＳ型では、光ファイバ中を伝送されてきた光信号を空間伝搬ビームとして取り出し、機械的に駆動する微小なミラーを用いて取り出したビームの経路切り替えを行っている。
【０００５】
一方、導波路型では、光ファイバ中を伝送されてきた光信号を、導波路で構成される光スイッチ素子に入力し、この光スイッチ素子を制御することにより経路切り替えを行う。この導波路型光スイッチに対しては、小型、低駆動電力、機能集積、安定性、量産性などが期待される。導波路型光スイッチは、通常、２入力ポート２出力ポートを有する導波路光スイッチ素子をマトリクス状に組み合わせて構成される。導波路光スイッチ素子やこれを用いて構成されるマトリクス光スイッチは、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００６】
図５に、マトリクス光スイッチの構成を示す。この光スイッチは、１６個の２入力ポート２出力ポート光スイッチ素子５０１〜５１６で構成され、４つの入力ポート５２１〜５２４、および４つの出力ポート５２５〜５２８を備える。
【０００７】
光スイッチ素子は、図６の斜視図に示すように、シリコン基板６０３の上に形成した２つのコア６０２と、この上に形成されたクラッド６０３とによる光導波路で構成されている。コア６０２は、ゲルマニウムをドーピングした石英から構成され、クラッド６０３は、コア６０２よりも約１％低い屈折率を有する石英で構成されている。
【０００８】
この２つの光導波路により、２つの入力ポート６０７，６０８本、２つの出力ポート６０９，６１０、および２つのコアを近設させて構成した２つの方向性結合器６１１，６１２を備えるマッハ・ツェンダ型光スイッチ素子が形成される。また、２つの２つの方向性結合器６１１，６１２の間の一方の光導波路には、ヒータ６０６を備えて屈折率を変化させることを可能としている。ヒータ６０６には、電極端子６０４，６０５より電流（電力）が供給可能とされている。
【０００９】
方向性結合器６１１、６１２では、光分岐・光合波がなされる。入力ポート６０７または入力ポート６０８から入力される光信号は、方向性結合器６１１で分岐され、方向性結合器６１２で合波・干渉する。干渉する際の光の位相差に応じて出力ポート６０９または出力ポート６１０のいずれかに光信号を出射させるかを選択することができる。方向性結合器６１２で光が干渉する際の位相差は、ヒータ６０６に電流を印加してこの直下の光導波路を局部的に加熱して屈折率を変化させることによって制御する。
【００１０】
例えば、入力ポート６０７から入力される光信号は、ヒータ６０６による熱印加を行わない場合、ポート６１０へ出力される。一方、ヒータ６０６で熱印加を行う場合、入力ポート６０７から入力される光信号は、ポート６０９へ出力される。なお、非特許文献１では、シリコン基板上においてクラッドもコアも石英を用いて形成した光導波路が記載されているが、非特許文献２に記載されているように、シリコン基板上においてクラッドに石英を用いコアにシリコンを用いて形成した光導波路、等を用いても同様のマトリクス光スイッチの構成が可能である。
【００１１】
マトリクス光スイッチにおいて光信号の経路を設定するためには、光スイッチ素子の各々におけるヒータに印加する電流値を独立に設定する必要がある。光スイッチ素子の各々に対し独立に電源を接続する場合には、電源から各々の光スイッチ素子までの給電線を形成する必要がある。
【００１２】
以下、４個の光スイッチ素子を用いたマトリクス光スイッチを例に、上述した給電線の構成について説明する。図７は、光回路チップ７０５の上に形成された４つの光スイッチ素子７０１〜７０４に対し、４つの電源７１１〜７１４を接続する給電線の構成を示す構成図である。この場合には、光スイッチ素子７０１〜７０４と電源７１１〜７１４との間に４本の給電線を形成する必要がある。
【００１３】
マトリクス光スイッチの大規模化に向けて、これを構成する光スイッチ素子の数は著しく増加する。図７を用いて説明した構成と同様にすることで、Ｎ個の入力ポートおよびＮ個の出力ポートとした場合、光スイッチ素子の数はＮ2となるため、各光スイッチ素子へ給電する給電線および電源の数は、各々Ｎ2となり、著しく増加することになる。
【００１４】
大規模化したマトリクス光スイッチの給電線や電源の数を抑えるための構成としては、例えば特許文献１に記載された構成があげられる。この構成は、図８に示すように、光回路チップ８０５の上にマトリクス配置された光スイッチ素子８０１〜８０４に対し、マトリクスの行に並ぶ光スイッチ素子８０１，８０２および光スイッチ素子８０３，８０４は、行毎に共通の給電線に接続している。また、マトリクスの列に並ぶ光スイッチ８０１，８０３および光スイッチ８０２，８０４においても、列毎に共通の給電線に接続している。また、共通化した各給電線に電気スイッチ８３２〜８３５を設け、１つの電源８３１で行および列の切り替えを可能としている。
【００１５】
このマトリクス光スイッチでは、電源８０１の正側に電気スイッチ８３２を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０１のヒータと光スイッチ素子８０２のヒータの両方に共有されて接続している。同様に、電源８０１の正側に電気スイッチ８３３を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０３のヒータと光スイッチ素子８０４のヒータの両方に共有されて接続している。
【００１６】
一方、電源８３１の負側に電気スイッチ８３４を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０１のヒータと光スイッチ素子８０３のヒータの両方に共有されて接続している。同様に、電源８３１負側に電気スイッチ８３５を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０２のヒータと光スイッチ素子８０４のヒータの両方に共有されて接続している。
【００１７】
このマトリクス光スイッチの動作について簡単に説明すると、図９のタイミングチャートに示すように、電気スイッチ８３２〜８３５のオンオフ制御により、電源８３１からの電流は、光スイッチ素子８０１〜８０４に対して時分割で供給される。まず、図９の（ａ）に示すように、時刻ｔ１からｔ２の間、電気スイッチ８３２および電気スイッチ８３４をオン状態とすると、光スイッチ８０１のヒータに電流が供給される。次に、図９の（ｂ）に示すように、時刻ｔ２からｔ３の間、電気スイッチ８３２および電気スイッチ８３５をオン状態とすると、光スイッチ８０２のヒータに電流が供給される。
【００１８】
次に、図９の（ｃ）に示すように、時刻ｔ３からｔ４の間、電気スイッチ８３３および電気スイッチ８３４をオン状態とすると、光スイッチ８０３のヒータに電流が供給される。次に、図９の（ｄ）に示すように、時刻ｔ４からｔ５の間、電気スイッチ８３３および電気スイッチ８３５をオン状態とすると、光スイッチ８０４のヒータに電流が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開平１０−３０８９６１号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】郷他著「ジャーナル・オブ・ライトウェイブ・テクノロジー」誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、第１７巻、第１１９２頁〜第１１９９頁、１９９９年。
【非特許文献２】チュー他著「オプティクス・エクスプレス」誌（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ）、第１３巻、第１０１０９頁〜第１０１１４頁、２００５年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ところで、上述したように複数の電気スイッチを用いて時分割で各光スイッチ素子へ給電を行う技術では、時分割で印加する電流の繰り返し間隔やデューティー比に対する制限から、短パルスの給電が要求される。例えば、光スイッチ素子が熱印加による屈折率変化を利用している場合、熱印加をオンする状態を保持するためには熱光学効果の緩和時間に比べて短い繰り返し間隔で電流を印加し続ける必要がある。また、給電線が共通化されている熱光スイッチ素子の数が増えると、デューティー比を小さくせざるを得なくなる。
【００２２】
電気スイッチを用いる技術では、前述したように給電配線や電源の個数の増加を抑制できるが、上述したように、時分割された印加電流のパルス幅が短くなると、短パルスの電気信号を給電用の配線に流す必要が生じ、広い周波数帯域で電流印加が可能となるようにする必要があるため、構造の複雑化などの問題を招く。このように、電気スイッチを用いて時分割で各光スイッチ素子へ給電を行う技術では、給電線および電源の数の増加は抑制できるが、短パルスの電気信号を流すための構成が複雑になるという問題がある。
【００２３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より簡単な構成で、マトリクス光スイッチが大規模化できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る光スイッチは、複数の光スイッチ素子と、各々の光スイッチ素子が並列に接続された電源供給手段と、各々の光スイッチ素子に接続して透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線とを少なくとも備え、電源供給手段は、選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給する。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、各々の光スイッチ素子に、透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線を接続し、電源供給手段により、選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給するようにしたので、より簡単な構成で、マトリクス光スイッチが大規模化できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、光スイッチ素子１０１〜１０４に対して供給する電流波形を示す特性図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す構成図である。
【図４】図４は、給電線３０１ａ，３０１ｂの周波数特性、および給電線３０２ａ，３０２ｂの周波数特性について示す特性図である。
【図５】図５は、マトリクス光スイッチの構成を示す構成図である。
【図６】図６は、光スイッチ素子の構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、マトリクス光スイッチの構成を示す構成図である。
【図８】図８は、マトリクス光スイッチの構成を示す構成図である。
【図９】図９は、マトリクス光スイッチの動作について説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２８】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す構成図である。この光スイッチは、４個の光スイッチ素子１０１，１０２，１０３，１０４と、１つの電源（電源供給手段）１０６を備える。光スイッチ素子１０１〜１０４は、光回路チップ１０５の上に形成されている。光スイッチ素子１０１〜１０４は、例えば、一方のアーム（光導波路）に屈折率を変化させるための局所加熱を行うヒータを備えて構成されたマッハ・ツェンダ型光スイッチ素子である。
【００２９】
この光スイッチでは、電源１０６の電気出力端子の一方に接続されている給電線１０６ａは、光スイッチ素子１０１〜１０４のヒータに対して共有されている。また、電源１０６の電気出力端子の他方に接続されている給電線１０６ｂも、光スイッチ素子１０１〜１０４のヒータに対して共有されている。
【００３０】
また、光スイッチ素子１０１に接続する選択給電線１０１ａ，１０１ｂは、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０２に接続する選択給電線１０２ａ，１０２ｂは、周波数２ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０３に接続する選択給電線１０３ａ，１０３ｂは、周波数３ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０４に接続する選択給電線１０４ａ，１０４ｂは、周波数４ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。
【００３１】
各々の光スイッチ素子１０１〜１０４に対して供給する電流波形を図２に示す。本実施の形態においては、各光スイッチのヒータの動作に寄与する電源の電流波形となる。図２の（ａ）に示す周波数ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０１に対する加熱に寄与する。また、図２の（ｂ）に示す周波数２ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０２に対する加熱に寄与する。また、図２の（ｃ）に示す周波数３ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０３に対する加熱に寄与する。また、図２の（ｄ）に示す周波数４ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０４に対する加熱に寄与する。
【００３２】
電源１０６において、例えば、周波数ｆ、２ｆ、３ｆ、４ｆの振幅を調整した後に合成することで、共通化された共通給電線１０６ａ，１０６ｂを用いても、各々の光スイッチ素子１０１〜１０４に印加する電力の配分を調整することが可能となる。このように、本実施の形態は、電源１０６が、選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給するようにしたところに特徴がある。周波数ｆは、熱光学効果の緩和時定数の逆数よりも十分高くしておく必要がある。例えば、周波数ｆは１００ｋＨｚ以上であればよい。しかしながら、デューティー比の小さい短パルスを用いる必要はなく、光スイッチ素子の状態を保持する上でのゆらぎは小さく抑えられる。
【００３３】
また、給電線が備えるべき周波数特性も、短パルスを給電する場合には広い周波数帯域が必要となるのに対し、本実施の形態によれば、所定の周波数の印加が可能であればよく、給電線の周波数特性に対する設計が簡単になる。なお、上述では、周波数ｆ，周波数２ｆ，周波数３ｆ，周波数４ｆとしたが、これに限るものではなく、各々の周波数が異なっていればよい。また、各周波数の差は、例えば、６０ＭＨｚ以上であればよい。
【００３４】
なお、上述では、例えば、選択給電線１０１ａ，１０１ｂの両方が、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有しているものとしたが、これに限らず、選択給電線１０１ａおよび選択給電線１０１ｂの一方が、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有していればよい。また、例えば、選択給電線１０１ａの全域がフィルター機能を有している必要はなく、選択給電線１０１ａの一部にフィルター機能が備えられていればよい。
【００３５】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、実施の形態２における光スイッチの構成を示す構成図である。この光スイッチは、４個の光スイッチ素子３０１，３０２，３０３，３０４と、２つの電源３０６，３０７を備える。光スイッチ素子３０１〜３０４は、光回路チップ３０５の上に形成されている。光スイッチ素子３０１〜３０４は、例えば、一方のアーム（光導波路）に屈折率を変化させるための局所加熱を行うヒータを備えて構成されたマッハ・ツェンダ型光スイッチ素子である。
【００３６】
この光スイッチでは、電源３０６の電気出力端子の一方に接続されている共通給電線３０６ａは、光スイッチ素子３０１，３０２のヒータに対して共有されている。また、電源３０６の電気出力端子の他方に接続されている共通給電線３０６ｂも、光スイッチ素子３０１，３０２のヒータに対して共有されている。
【００３７】
同様に、電源３０７の電気出力端子の一方に接続されている共通給電線３０７ａは、光スイッチ素子３０３，３０４のヒータに対して共有されている。また、電源３０７の電気出力端子の他方に接続されている共通給電線３０７ｂも、光スイッチ素子３０３，３０４のヒータに対して共有されている。
【００３８】
本実施の形態では、マトリクス光スイッチを構成する複数の光スイッチ素子のうちの一部に対し、電源と共通給電線を共有化したものであり、前述した実施の形態１における４つの光スイッチの中で、２つの光スイッチに対し、電源と共通給電線を共有化している。
【００３９】
本実施の形態において、光スイッチ素子３０１に接続する選択給電線３０１ａ，３０１ｂは、例えば、周波数１５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するバンドパスフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子３０２に接続する選択給電線３０２ａ，３０２ｂは、例えば、周波数７５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子３０３に接続する選択給電線３０３ａ，３０３ｂは、例えば、周波数１５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するバンドパスフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子３０４に接続する選択給電線３０４ａ，３０４ｂは、例えば、周波数７５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するバンドパスフィルター機能を有している。一例として、本実施の形態における選択給電線３０１ａ，３０１ｂの周波数特性、および選択給電線３０２ａ，３０２ｂの周波数特性について、図４に示す。
【００４０】
また、例えば、光スイッチ素子３０１のヒータ抵抗は２００Ωであり、このヒータに３０ｎＦのキャパシタンスと２μＨのインダクタンスを直列に接続している。また、光スイッチ素子３０２のヒータ抵抗は２００Ωであり、このヒータに５０ｎＦのキャパシタンスと３０μＨのインダクタンスを直列に接続している。
【００４１】
光スイッチ素子３０１〜３０４の熱光学効果の緩和時定数は、３０μｓ〜３００μｓであるから、１５ＭＨｚあるいは７５ＭＨｚの交流電気信号に対して光スイッチ素子の経路切り替え動作は追随しない。すなわち、電源３０６において、１５ＭＨｚの電気信号強度および７５ＭＨｚの電気信号強度を独立に設定することで、光スイッチ素子３０１および光スイッチ素子３０２への熱印加用電力を独立に設定することが可能となる。
【００４２】
また、電源３０７を電源とする光スイッチ素子３０３および光スイッチ素子３０４においても、各々の選択給電線に対応する周波数成分の電流強度を電源３０７で調整することにより、光スイッチ素子３０３と光スイッチ素子３０４のそれぞれに印加する加熱電力を調整することができる。
【００４３】
以上に説明したように、本発明は、光スイッチの構成要素である複数の光スイッチ素子に対し、電源や給電線を共通化しつつ個別の光スイッチ素子に対する制御電力を配分する方法として、周波数分割を用いたことが特徴である。共通の電源に接続された光スイッチ素子の制御電気配線（選択給電線）は、各々異なる周波数特性を有している。また、電源（電源供給手段）では、異なる周波数成分の強度を調整してこれらを合成することにより制御用電気信号を生成する。このため、共通の電源に接続された光スイッチ素子の制御電気配線に対し、供給する電力の配分を調整することが可能となる。
【００４４】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、４個の光スイッチ素子で構成されるマトリクス光スイッチの場合を例にとり説明したが、光スイッチ素子の数は４に限定されるものではない。４個を超えたより多くの数の光スイッチ素子が用いられる構成においても、同様である。
【００４５】
また、上述では、光スイッチ素子として、マッハ・ツェンダ型光スイッチ素子を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、リング共振器を用いた光スイッチ素子など、光導波路より構成されて一部の光導波路をヒータにより加熱することで導波する光の経路を切り替える光スイッチ素子であっても同様に適用できる。また、熱印加に限らず、電圧印加あるいはキャリア注入により光導波路よりなる光路切り替えを行う光スイッチで構成される場合についても同様の効果が得られる。
【００４６】
上記実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されるが、以下には限られない。
【００４７】
（付記１）
複数の光スイッチ素子と、各々の前記光スイッチ素子が並列に接続された電源供給手段と、各々の前記光スイッチ素子に接続して透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線とを少なくとも備え、前記電源供給手段は、前記選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給することを特徴とする光スイッチ。
【００４８】
（付記２）
付記１記載の光スイッチにおいて、前記光スイッチ素子は、一部の光導波路をヒータにより加熱することで導波する光の経路を切り替えるものであり、各々の前記光スイッチ素子のヒータが前記電源供給手段に並列に接続されていることを特徴とする光スイッチ。
【符号の説明】
【００４９】
１０１，１０２，１０３，１０４…光スイッチ素子、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ…選択給電線、１０５…光回路チップ、１０６…電源、１０６ａ，１０６ｂ…共通給電線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ伝送を利用する光通信システムや装置間接続システムに用いられる導波路型の光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信システムにおいては、通常、伝送路では光信号が用いられ、信号処理には電気信号が用いられる。しかし、近年の高速化に伴い、伝送路の途中で光電変換を伴う信号処理を削減していくことが期待されている。
【０００３】
光ファイバ通信システムにおいて、ネットワークとしての柔軟性や拡張性を維持しながら光電変換を削減していくためには、光電変換をすることなく、光信号を用いた制御を導入していくことが望まれる。このような光制御を行う上で必須となるデバイスの一つが、光信号の経路切り替えを行う光スイッチである。光スイッチの代表的な形態としては、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）型、および導波路型をあげることができる。
【０００４】
ＭＥＭＳ型では、光ファイバ中を伝送されてきた光信号を空間伝搬ビームとして取り出し、機械的に駆動する微小なミラーを用いて取り出したビームの経路切り替えを行っている。
【０００５】
一方、導波路型では、光ファイバ中を伝送されてきた光信号を、導波路で構成される光スイッチ素子に入力し、この光スイッチ素子を制御することにより経路切り替えを行う。この導波路型光スイッチに対しては、小型、低駆動電力、機能集積、安定性、量産性などが期待される。導波路型光スイッチは、通常、２入力ポート２出力ポートを有する導波路光スイッチ素子をマトリクス状に組み合わせて構成される。導波路光スイッチ素子やこれを用いて構成されるマトリクス光スイッチは、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００６】
図５に、マトリクス光スイッチの構成を示す。この光スイッチは、１６個の２入力ポート２出力ポート光スイッチ素子５０１〜５１６で構成され、４つの入力ポート５２１〜５２４、および４つの出力ポート５２５〜５２８を備える。
【０００７】
光スイッチ素子は、図６の斜視図に示すように、シリコン基板６０３の上に形成した２つのコア６０２と、この上に形成されたクラッド６０３とによる光導波路で構成されている。コア６０２は、ゲルマニウムをドーピングした石英から構成され、クラッド６０３は、コア６０２よりも約１％低い屈折率を有する石英で構成されている。
【０００８】
この２つの光導波路により、２つの入力ポート６０７，６０８本、２つの出力ポート６０９，６１０、および２つのコアを近設させて構成した２つの方向性結合器６１１，６１２を備えるマッハ・ツェンダ型光スイッチ素子が形成される。また、２つの２つの方向性結合器６１１，６１２の間の一方の光導波路には、ヒータ６０６を備えて屈折率を変化させることを可能としている。ヒータ６０６には、電極端子６０４，６０５より電流（電力）が供給可能とされている。
【０００９】
方向性結合器６１１、６１２では、光分岐・光合波がなされる。入力ポート６０７または入力ポート６０８から入力される光信号は、方向性結合器６１１で分岐され、方向性結合器６１２で合波・干渉する。干渉する際の光の位相差に応じて出力ポート６０９または出力ポート６１０のいずれかに光信号を出射させるかを選択することができる。方向性結合器６１２で光が干渉する際の位相差は、ヒータ６０６に電流を印加してこの直下の光導波路を局部的に加熱して屈折率を変化させることによって制御する。
【００１０】
例えば、入力ポート６０７から入力される光信号は、ヒータ６０６による熱印加を行わない場合、ポート６１０へ出力される。一方、ヒータ６０６で熱印加を行う場合、入力ポート６０７から入力される光信号は、ポート６０９へ出力される。なお、非特許文献１では、シリコン基板上においてクラッドもコアも石英を用いて形成した光導波路が記載されているが、非特許文献２に記載されているように、シリコン基板上においてクラッドに石英を用いコアにシリコンを用いて形成した光導波路、等を用いても同様のマトリクス光スイッチの構成が可能である。
【００１１】
マトリクス光スイッチにおいて光信号の経路を設定するためには、光スイッチ素子の各々におけるヒータに印加する電流値を独立に設定する必要がある。光スイッチ素子の各々に対し独立に電源を接続する場合には、電源から各々の光スイッチ素子までの給電線を形成する必要がある。
【００１２】
以下、４個の光スイッチ素子を用いたマトリクス光スイッチを例に、上述した給電線の構成について説明する。図７は、光回路チップ７０５の上に形成された４つの光スイッチ素子７０１〜７０４に対し、４つの電源７１１〜７１４を接続する給電線の構成を示す構成図である。この場合には、光スイッチ素子７０１〜７０４と電源７１１〜７１４との間に４本の給電線を形成する必要がある。
【００１３】
マトリクス光スイッチの大規模化に向けて、これを構成する光スイッチ素子の数は著しく増加する。図７を用いて説明した構成と同様にすることで、Ｎ個の入力ポートおよびＮ個の出力ポートとした場合、光スイッチ素子の数はＮ2となるため、各光スイッチ素子へ給電する給電線および電源の数は、各々Ｎ2となり、著しく増加することになる。
【００１４】
大規模化したマトリクス光スイッチの給電線や電源の数を抑えるための構成としては、例えば特許文献１に記載された構成があげられる。この構成は、図８に示すように、光回路チップ８０５の上にマトリクス配置された光スイッチ素子８０１〜８０４に対し、マトリクスの行に並ぶ光スイッチ素子８０１，８０２および光スイッチ素子８０３，８０４は、行毎に共通の給電線に接続している。また、マトリクスの列に並ぶ光スイッチ８０１，８０３および光スイッチ８０２，８０４においても、列毎に共通の給電線に接続している。また、共通化した各給電線に電気スイッチ８３２〜８３５を設け、１つの電源８３１で行および列の切り替えを可能としている。
【００１５】
このマトリクス光スイッチでは、電源８０１の正側に電気スイッチ８３２を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０１のヒータと光スイッチ素子８０２のヒータの両方に共有されて接続している。同様に、電源８０１の正側に電気スイッチ８３３を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０３のヒータと光スイッチ素子８０４のヒータの両方に共有されて接続している。
【００１６】
一方、電源８３１の負側に電気スイッチ８３４を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０１のヒータと光スイッチ素子８０３のヒータの両方に共有されて接続している。同様に、電源８３１負側に電気スイッチ８３５を介して接続する給電線には、光スイッチ素子８０２のヒータと光スイッチ素子８０４のヒータの両方に共有されて接続している。
【００１７】
このマトリクス光スイッチの動作について簡単に説明すると、図９のタイミングチャートに示すように、電気スイッチ８３２〜８３５のオンオフ制御により、電源８３１からの電流は、光スイッチ素子８０１〜８０４に対して時分割で供給される。まず、図９の（ａ）に示すように、時刻ｔ１からｔ２の間、電気スイッチ８３２および電気スイッチ８３４をオン状態とすると、光スイッチ８０１のヒータに電流が供給される。次に、図９の（ｂ）に示すように、時刻ｔ２からｔ３の間、電気スイッチ８３２および電気スイッチ８３５をオン状態とすると、光スイッチ８０２のヒータに電流が供給される。
【００１８】
次に、図９の（ｃ）に示すように、時刻ｔ３からｔ４の間、電気スイッチ８３３および電気スイッチ８３４をオン状態とすると、光スイッチ８０３のヒータに電流が供給される。次に、図９の（ｄ）に示すように、時刻ｔ４からｔ５の間、電気スイッチ８３３および電気スイッチ８３５をオン状態とすると、光スイッチ８０４のヒータに電流が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開平１０−３０８９６１号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】郷他著「ジャーナル・オブ・ライトウェイブ・テクノロジー」誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、第１７巻、第１１９２頁〜第１１９９頁、１９９９年。
【非特許文献２】チュー他著「オプティクス・エクスプレス」誌（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ）、第１３巻、第１０１０９頁〜第１０１１４頁、２００５年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ところで、上述したように複数の電気スイッチを用いて時分割で各光スイッチ素子へ給電を行う技術では、時分割で印加する電流の繰り返し間隔やデューティー比に対する制限から、短パルスの給電が要求される。例えば、光スイッチ素子が熱印加による屈折率変化を利用している場合、熱印加をオンする状態を保持するためには熱光学効果の緩和時間に比べて短い繰り返し間隔で電流を印加し続ける必要がある。また、給電線が共通化されている熱光スイッチ素子の数が増えると、デューティー比を小さくせざるを得なくなる。
【００２２】
電気スイッチを用いる技術では、前述したように給電配線や電源の個数の増加を抑制できるが、上述したように、時分割された印加電流のパルス幅が短くなると、短パルスの電気信号を給電用の配線に流す必要が生じ、広い周波数帯域で電流印加が可能となるようにする必要があるため、構造の複雑化などの問題を招く。このように、電気スイッチを用いて時分割で各光スイッチ素子へ給電を行う技術では、給電線および電源の数の増加は抑制できるが、短パルスの電気信号を流すための構成が複雑になるという問題がある。
【００２３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より簡単な構成で、マトリクス光スイッチが大規模化できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る光スイッチは、複数の光スイッチ素子と、各々の光スイッチ素子が並列に接続された電源供給手段と、各々の光スイッチ素子に接続して透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線とを少なくとも備え、電源供給手段は、選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給する。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、各々の光スイッチ素子に、透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線を接続し、電源供給手段により、選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給するようにしたので、より簡単な構成で、マトリクス光スイッチが大規模化できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、光スイッチ素子１０１〜１０４に対して供給する電流波形を示す特性図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における光スイッチの構成を示す構成図である。
【図４】図４は、給電線３０１ａ，３０１ｂの周波数特性、および給電線３０２ａ，３０２ｂの周波数特性について示す特性図である。
【図５】図５は、マトリクス光スイッチの構成を示す構成図である。
【図６】図６は、光スイッチ素子の構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、マトリクス光スイッチの構成を示す構成図である。
【図８】図８は、マトリクス光スイッチの構成を示す構成図である。
【図９】図９は、マトリクス光スイッチの動作について説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２８】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光スイッチの構成を示す構成図である。この光スイッチは、４個の光スイッチ素子１０１，１０２，１０３，１０４と、１つの電源（電源供給手段）１０６を備える。光スイッチ素子１０１〜１０４は、光回路チップ１０５の上に形成されている。光スイッチ素子１０１〜１０４は、例えば、一方のアーム（光導波路）に屈折率を変化させるための局所加熱を行うヒータを備えて構成されたマッハ・ツェンダ型光スイッチ素子である。
【００２９】
この光スイッチでは、電源１０６の電気出力端子の一方に接続されている給電線１０６ａは、光スイッチ素子１０１〜１０４のヒータに対して共有されている。また、電源１０６の電気出力端子の他方に接続されている給電線１０６ｂも、光スイッチ素子１０１〜１０４のヒータに対して共有されている。
【００３０】
また、光スイッチ素子１０１に接続する選択給電線１０１ａ，１０１ｂは、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０２に接続する選択給電線１０２ａ，１０２ｂは、周波数２ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０３に接続する選択給電線１０３ａ，１０３ｂは、周波数３ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子１０４に接続する選択給電線１０４ａ，１０４ｂは、周波数４ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有している。
【００３１】
各々の光スイッチ素子１０１〜１０４に対して供給する電流波形を図２に示す。本実施の形態においては、各光スイッチのヒータの動作に寄与する電源の電流波形となる。図２の（ａ）に示す周波数ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０１に対する加熱に寄与する。また、図２の（ｂ）に示す周波数２ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０２に対する加熱に寄与する。また、図２の（ｃ）に示す周波数３ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０３に対する加熱に寄与する。また、図２の（ｄ）に示す周波数４ｆの電流波形の電源が、光スイッチ素子１０４に対する加熱に寄与する。
【００３２】
電源１０６において、例えば、周波数ｆ、２ｆ、３ｆ、４ｆの振幅を調整した後に合成することで、共通化された共通給電線１０６ａ，１０６ｂを用いても、各々の光スイッチ素子１０１〜１０４に印加する電力の配分を調整することが可能となる。このように、本実施の形態は、電源１０６が、選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給するようにしたところに特徴がある。周波数ｆは、熱光学効果の緩和時定数の逆数よりも十分高くしておく必要がある。例えば、周波数ｆは１００ｋＨｚ以上であればよい。しかしながら、デューティー比の小さい短パルスを用いる必要はなく、光スイッチ素子の状態を保持する上でのゆらぎは小さく抑えられる。
【００３３】
また、給電線が備えるべき周波数特性も、短パルスを給電する場合には広い周波数帯域が必要となるのに対し、本実施の形態によれば、所定の周波数の印加が可能であればよく、給電線の周波数特性に対する設計が簡単になる。なお、上述では、周波数ｆ，周波数２ｆ，周波数３ｆ，周波数４ｆとしたが、これに限るものではなく、各々の周波数が異なっていればよい。また、各周波数の差は、例えば、６０ＭＨｚ以上であればよい。
【００３４】
なお、上述では、例えば、選択給電線１０１ａ，１０１ｂの両方が、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有しているものとしたが、これに限らず、選択給電線１０１ａおよび選択給電線１０１ｂの一方が、周波数ｆの電気信号が通過するフィルター機能を有していればよい。また、例えば、選択給電線１０１ａの全域がフィルター機能を有している必要はなく、選択給電線１０１ａの一部にフィルター機能が備えられていればよい。
【００３５】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、実施の形態２における光スイッチの構成を示す構成図である。この光スイッチは、４個の光スイッチ素子３０１，３０２，３０３，３０４と、２つの電源３０６，３０７を備える。光スイッチ素子３０１〜３０４は、光回路チップ３０５の上に形成されている。光スイッチ素子３０１〜３０４は、例えば、一方のアーム（光導波路）に屈折率を変化させるための局所加熱を行うヒータを備えて構成されたマッハ・ツェンダ型光スイッチ素子である。
【００３６】
この光スイッチでは、電源３０６の電気出力端子の一方に接続されている共通給電線３０６ａは、光スイッチ素子３０１，３０２のヒータに対して共有されている。また、電源３０６の電気出力端子の他方に接続されている共通給電線３０６ｂも、光スイッチ素子３０１，３０２のヒータに対して共有されている。
【００３７】
同様に、電源３０７の電気出力端子の一方に接続されている共通給電線３０７ａは、光スイッチ素子３０３，３０４のヒータに対して共有されている。また、電源３０７の電気出力端子の他方に接続されている共通給電線３０７ｂも、光スイッチ素子３０３，３０４のヒータに対して共有されている。
【００３８】
本実施の形態では、マトリクス光スイッチを構成する複数の光スイッチ素子のうちの一部に対し、電源と共通給電線を共有化したものであり、前述した実施の形態１における４つの光スイッチの中で、２つの光スイッチに対し、電源と共通給電線を共有化している。
【００３９】
本実施の形態において、光スイッチ素子３０１に接続する選択給電線３０１ａ，３０１ｂは、例えば、周波数１５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するバンドパスフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子３０２に接続する選択給電線３０２ａ，３０２ｂは、例えば、周波数７５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子３０３に接続する選択給電線３０３ａ，３０３ｂは、例えば、周波数１５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するバンドパスフィルター機能を有している。また、光スイッチ素子３０４に接続する選択給電線３０４ａ，３０４ｂは、例えば、周波数７５ＭＨｚを中心とした電気信号が通過するバンドパスフィルター機能を有している。一例として、本実施の形態における選択給電線３０１ａ，３０１ｂの周波数特性、および選択給電線３０２ａ，３０２ｂの周波数特性について、図４に示す。
【００４０】
また、例えば、光スイッチ素子３０１のヒータ抵抗は２００Ωであり、このヒータに３０ｎＦのキャパシタンスと２μＨのインダクタンスを直列に接続している。また、光スイッチ素子３０２のヒータ抵抗は２００Ωであり、このヒータに５０ｎＦのキャパシタンスと３０μＨのインダクタンスを直列に接続している。
【００４１】
光スイッチ素子３０１〜３０４の熱光学効果の緩和時定数は、３０μｓ〜３００μｓであるから、１５ＭＨｚあるいは７５ＭＨｚの交流電気信号に対して光スイッチ素子の経路切り替え動作は追随しない。すなわち、電源３０６において、１５ＭＨｚの電気信号強度および７５ＭＨｚの電気信号強度を独立に設定することで、光スイッチ素子３０１および光スイッチ素子３０２への熱印加用電力を独立に設定することが可能となる。
【００４２】
また、電源３０７を電源とする光スイッチ素子３０３および光スイッチ素子３０４においても、各々の選択給電線に対応する周波数成分の電流強度を電源３０７で調整することにより、光スイッチ素子３０３と光スイッチ素子３０４のそれぞれに印加する加熱電力を調整することができる。
【００４３】
以上に説明したように、本発明は、光スイッチの構成要素である複数の光スイッチ素子に対し、電源や給電線を共通化しつつ個別の光スイッチ素子に対する制御電力を配分する方法として、周波数分割を用いたことが特徴である。共通の電源に接続された光スイッチ素子の制御電気配線（選択給電線）は、各々異なる周波数特性を有している。また、電源（電源供給手段）では、異なる周波数成分の強度を調整してこれらを合成することにより制御用電気信号を生成する。このため、共通の電源に接続された光スイッチ素子の制御電気配線に対し、供給する電力の配分を調整することが可能となる。
【００４４】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、４個の光スイッチ素子で構成されるマトリクス光スイッチの場合を例にとり説明したが、光スイッチ素子の数は４に限定されるものではない。４個を超えたより多くの数の光スイッチ素子が用いられる構成においても、同様である。
【００４５】
また、上述では、光スイッチ素子として、マッハ・ツェンダ型光スイッチ素子を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、リング共振器を用いた光スイッチ素子など、光導波路より構成されて一部の光導波路をヒータにより加熱することで導波する光の経路を切り替える光スイッチ素子であっても同様に適用できる。また、熱印加に限らず、電圧印加あるいはキャリア注入により光導波路よりなる光路切り替えを行う光スイッチで構成される場合についても同様の効果が得られる。
【００４６】
上記実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されるが、以下には限られない。
【００４７】
（付記１）
複数の光スイッチ素子と、各々の前記光スイッチ素子が並列に接続された電源供給手段と、各々の前記光スイッチ素子に接続して透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線とを少なくとも備え、前記電源供給手段は、前記選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給することを特徴とする光スイッチ。
【００４８】
（付記２）
付記１記載の光スイッチにおいて、前記光スイッチ素子は、一部の光導波路をヒータにより加熱することで導波する光の経路を切り替えるものであり、各々の前記光スイッチ素子のヒータが前記電源供給手段に並列に接続されていることを特徴とする光スイッチ。
【符号の説明】
【００４９】
１０１，１０２，１０３，１０４…光スイッチ素子、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂ…選択給電線、１０５…光回路チップ、１０６…電源、１０６ａ，１０６ｂ…共通給電線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光スイッチ素子と、
各々の前記光スイッチ素子が並列に接続された電源供給手段と、
各々の前記光スイッチ素子に接続して透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線と
を少なくとも備え、
前記電源供給手段は、前記選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給する
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記光スイッチ素子は、一部の光導波路をヒータにより加熱することで導波する光の経路を切り替えるものであり、
各々の前記光スイッチ素子のヒータが前記電源供給手段に並列に接続されている
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項１】
複数の光スイッチ素子と、
各々の前記光スイッチ素子が並列に接続された電源供給手段と、
各々の前記光スイッチ素子に接続して透過する電力の周波数が各々異なる選択給電線と
を少なくとも備え、
前記電源供給手段は、前記選択給電線の各々に対応する周波数の電力を各々制御して供給する
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、
前記光スイッチ素子は、一部の光導波路をヒータにより加熱することで導波する光の経路を切り替えるものであり、
各々の前記光スイッチ素子のヒータが前記電源供給手段に並列に接続されている
ことを特徴とする光スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２２１８４（Ｐ２０１２−２２１８４Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６０６６２（Ｐ２０１０−１６０６６２）
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]