導波路型光スイッチ単位素子および導波路型マトリクス光スイッチ
【課題】マトリクス光スイッチ作製時に発生する誤差によって回路特性が変動する場合において、回路の組み合わせにより作製誤差によらない十分な消光比を備えたマトリクス光スイッチを提供する。
【解決手段】互いに交差する１本の入力光導波路１１ａ−１１ｂおよび１本の出力光導波路１２ａ−１２ｂ、さらに前記入出力光導波路１１ａ−１１ｂ，１２ａ−１２ｂを接続するバイパス光導波路１３ａ−１３ｂからなり、前記バイパス光導波路１３ａ−１３ｂと前記入力光導波路１１ａ−１１ｂとの間で１×２光スイッチ１８ａと、前記バイパス光導波路１３ａ−１３ｂと前記出力光導波路１２ａ−１２ｂとの間で２×１光スイッチ１８ｂと、前記１×２光スイッチ１８ａおよび前記２×１光スイッチ１８ｂ間に１×１光ゲートスイッチ１８ｃを備えていることを特徴とする。
【解決手段】互いに交差する１本の入力光導波路１１ａ−１１ｂおよび１本の出力光導波路１２ａ−１２ｂ、さらに前記入出力光導波路１１ａ−１１ｂ，１２ａ−１２ｂを接続するバイパス光導波路１３ａ−１３ｂからなり、前記バイパス光導波路１３ａ−１３ｂと前記入力光導波路１１ａ−１１ｂとの間で１×２光スイッチ１８ａと、前記バイパス光導波路１３ａ−１３ｂと前記出力光導波路１２ａ−１２ｂとの間で２×１光スイッチ１８ｂと、前記１×２光スイッチ１８ａおよび前記２×１光スイッチ１８ｂ間に１×１光ゲートスイッチ１８ｃを備えていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光スイッチ単位素子および導波路型マトリクス光スイッチに関する。特に、作製誤差に強く、消光比に優れた導波路型光スイッチの回路構成およびそれを単位素子として構成される導波路型マトリクス光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブロードバンド通信の爆発的普及によりネットワークコンテンツは多様性を増しており、その進歩に伴って通信トラフィックの増大を生み、通信網に対する大容量化、高速化、高機能化の要求を日増しに高めている。
【０００３】
近年、光通信技術はこれらの要求に応え得る重要な役割を果たしてきた。
【０００４】
これまでの光通信網では光−電気、電気−光変換によって信号処理を行う方式が主流となってきたが、今後はさらにアクセス網を含む全ての通信網上で電気信号に変換する事なく光信号のままで結ぶ構造の光通信網に発展させる事が重要となる。
【０００５】
この光通信システムに重要な部品の一つとして挙げられるのが、光スイッチである。
【０００６】
これは、光信号を光のままスイッチング（経路切替）あるいはルーティング（経路設定）するシステムにおいて中心的な役割を果たす部品であり、近年大規模化、高機能化、低コスト化が進められ、その重要性が増している。
【０００７】
光スイッチを構成する形態は様々なものが提案されており、バルク型、微小電機機械システム（ＭＥＭＳ：Micro−electro−mechanical systems）型、導波路型などがある。
【０００８】
バルク型は可動プリズムやレンズなどによって構成される機械駆動式の光スイッチであり、波長依存性が少なく、比較的低損失であるが、いくつかの部品を組み立てて作製されるため、工程が煩雑で量産や大規模化が難しいという問題点がある。
【０００９】
ＭＥＭＳ型は機械駆動式ではあるが、半導体の微細加工技術を応用して作製した多数のミラーアレイと光ファイバおよびコリメートレンズによって構成されており、波長依存性が少なく、低損失である上に、量産、大規模化が容易であり、現在開発が盛んに行われている部品である。
【００１０】
一方、導波路型は半導体微細加工技術を半導体の他、ガラスやポリマーなどの材料に適用して作製される光導波路を基本としており、量産性に優れるばかりでなく、回路構成の柔軟性や長期安定性に優れ、光ファイバの実装や光合分波器や光フィルタなど他の導波路型光部品との集積が容易であるなど多くの利点を持つ。
【００１１】
特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路の熱光学効果を利用した光スイッチは、低損失であり化学的安定性及び光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を有し、実用化が最も進んだ光スイッチの一つである。
【００１２】
光ルータなど光通信システムにおいて用いられる光スイッチとして本発明の対象である複数の入出力ポートを持つマトリクス光スイッチがある。
【００１３】
一例として４×４マトリクス光スイッチの構成概念図を図８（ａ）に示す。
【００１４】
このマトリクス光スイッチは互いに交差する４本の入力光導波路（１ａ−１ｄ〜４ａ−４ｄ）と４本の出力光導波路（１ｃ−１ｂ〜４ｃ−４ｂ）からなり、１６箇所の交差点には光スイッチ単位素子として２入力２出力の光スイッチｓ１１〜ｓ４４が配置されていて、入力光導波路と出力光導波路とが交差していることからクロスバースイッチと呼ばれることもある。
【００１５】
各光スイッチ単位素子は無通電（もしくはオフ）状態で図８（ｂ）に示すようなクロス状態となっており、通電（もしくはオン）状態で図８（ｃ）に示すようなバー状態に切り替わる。
【００１６】
このようなスイッチは任意の入力光導波路および出力光導波路を接続する経路に対して他の経路の影響をまったく受けない（他の経路にブロックされない）厳密ノンブロッキングな構成であり、かつただ一つのスイッチＳ１１〜Ｓ４４をバー状態にすることで経路が接続される。
【００１７】
図８に示した４×４マトリクス光スイッチが石英系ガラス光導波路の熱光学効果を利用して実現された導波路型４×４マトリクス光スイッチの構成図を図９に示す。
【００１８】
図８におけるマトリクス状の回路構成を対角線上で押しつぶしたような構成となっており、１〜４個の光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４４を並列に並べて７段接続している。
【００１９】
図９におけるスイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４４として用いた２重ゲート型光スイッチ単位素子（特許文献１参照）の光導波路構成図を図１０（ａ）に示し、図１０（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿った断面図を図１０（ｂ）に示す。
【００２０】
これらの光導波路は、火炎加水分解反応堆積法と反応性イオンエッチング技術との公知の組み合わせにより、シリコン基板上に作製されている。
【００２１】
即ち、光スイッチ単位素子は、互いに交差する入力光導波路１１ａ−１１ｂと出力光導波路１２ａ−１２ｂおよびバイパス光導波路１３ａ−１３ｂからなる構成を基本とし、入力光導波路１１ａ−１１ｂとバイパス光導波路１３ａ−１３ｂの一部と、出力光導波路１２ａ−１２ｂとバイパス光導波路１３ａ−１３ｂの一部とがそれぞれ２箇所で互いに近接して方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂを形成し、２個のマッハ・ツェンダー干渉計回路（図中破線で示す）１８ａ，１８ｂを構成している。
【００２２】
これら方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの結合率は信号光波長において５０％となるように設計され、またマッハ・ツェンダー干渉計１８ａ，１８ｂの２本のアーム光導波路における光路長差が信号光波長の２分の１となるように光導波路長が設計され、これらアーム光導波路の少なくとも一方に、石英系ガラスの熱光学効果を利用して光路長差を変化させるための光位相シフタとして薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂが装荷されており、薄膜ヒータ１６ａおよび１６ｂがオフのとき光スイッチ単位素子としてはクロス状態、オンのときバー状態となる。
【００２３】
このような構成は設計された方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの結合率に対して、作製誤差が生じた場合にも十分な光学特性を発揮することができる。
【００２４】
すなわち、クロス状態においては第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂで２個の方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの結合率が５０％に限らず同じである場合、干渉原理によって１００％信号光は入力光導波路１１ａ−１１ｂを通過し、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂへの光漏話は発生しない。
【００２５】
しかし、仮に２個の方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂにずれが生じる、あるいは他の要因によって、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂへの光漏話が生じた場合、それは第２のマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂにおいて、同様の原理によってほぼ１００％がバイパス光導波路１３ａ−１３ｂを通過し、出力光導波路１１ａ−１１ｂへは光漏話がほとんど発生しないことになる。
【００２６】
２つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８に装荷したヒータ１６ａ，１６ｂをオンにし、あらかじめ設けた信号光の２分の１波長分の光路長差をそれぞれ打ち消すと、信号光は入力光導波路１１ａ−１１ｂからバイパス光導波路１３ａ−１３ｂへ導かれ、さらにバイパス光導波路１３ａ−１３ｂから出力光導波路１１ａ−１１ｂへ導かれてバー状態となる。
【００２７】
このように２重ゲート型の光スイッチ単位素子は２つのマッハ・ツェンダー干渉計回路が２重の関門を形成してクロス状態における光漏話を抑制していることから、非常に高消光比の光スイッチを実現することができ、マトリクス光スイッチを用いた光通信システムヘの実用性を高めることが可能な技術である。
【００２８】
図８および図９に示したマトリクス光スイッチの構成は、入力光導波路の本数および出力光導波路の本数をそれぞれ任意に選んで構成することが容易であるが、接続される入力光導波路及び出力光導波路の経路によって、通過する光スイッチ単位素子と交差光導波路の数がまちまちであることより、経路による挿入損失ばらつきが問題となる。
【００２９】
この問題を解決するために考案された新しいマトリクス光スイッチの構成を図１１に示す（特許文献２参照）。
【００３０】
構成は入出力光導波路が同数のＮ×Ｎ（Ｎは正の整数）マトリクス光スイッチであり、ここでは４×４スイッチの構成を示す。
【００３１】
即ち、四つの入力光導波路１ａ−１ｄ〜４ａ−４ｄ、四つの出力光導波路１ｃ−１ｂ〜４ｃ−４ｂとを備え、光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４４はＮ2個に相当する１６個あり、前述の構成との相違点は通過する光スイッチ単位素子および交差光導波路の数がすべての経路において同数となるパス無依存構成である上、導波路型光スイッチの回路レイアウトも図９の構成と異なってＮ個の並列な光スイッチ単位素子をＮ段（図中の例では、Ｎ＝４段）並べて接続する構成となるため、図９の構成が２Ｎ−１段（２×４−１＝７段）となってしまうのに対して回路長が短くなり、伝搬損失を減少させることができるという利点がある。
【００３２】
マトリクス光スイッチとしての動作は前述と同様で、ただ一つの光スイッチ単位素子を駆動することにより、一つの経路が確立され、厳密ノンブロッキング構成である。
【００３３】
また、光スイッチ単位素子として先に述べた２重ゲート型を採用した導波路型マトリクス光スイッチ（特許文献３参照）も実用化されており、その有用性が実証されている。
【特許文献１】特開平６−５１３５４号公報
【特許文献２】特公平６−６６９８２号公報
【特許文献３】特開平９−２９７２３０号公報
【特許文献４】特開平３−２６７９０２号公報
【特許文献５】特開２００２−１６２５２８号公報
【非特許文献１】S. Sohma el al．，Electron‐Lett., Vol.38. No.3 , pp.127-128. 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
図１０に示した２重ゲート型光スイッチ単位素子は、方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの作製時における結合率のばらつきによる影響を受けることなく、十分な消光比を実現できる。
【００３５】
しかしながら、実際にはこの構成において予めマッハ・ツェンダー干渉計のアーム光導波路に設定した半波長分の光路長差が作製時に誤差を生じてしまい、オフ（無通電）時に十分な消光が得られない場合がある。
【００３６】
これは干渉計における位相がずれてしまっているためで、例えば熱光学型の光スイッチにおいてはヒータに供給する電力を調節することによって誤差を補正してクロスとバー２つの状態を設定することが可能であるが、光信号の経路をまったく切り替えない状態においても常に光スイッチを駆動している必要があり、電力コストの増加、放熱設計などシステム運用上の問題が生じてしまう。
【００３７】
この問題に関する対処法としてアーム光導波路に加えた局所的な熱応力によって熱履歴現象を発生させて恒常的な屈折率変化を誘起する技術（例えば、特許文献４参照）がある。
【００３８】
この方法によれば、すべての光スイッチ単位素子の特性をそろえることが可能で、スイッチング動作はオン・オフで可能となる上、高い消光比を得ることができる。
【００３９】
しかしながらこの技術によってランダムに発生する作製誤差を補正するためには、作製したすべての部品について検査を行い、すべての誤差を補正する必要が生じるため、作製時間、作製コストの増加を生じる一因となっていた。
【００４０】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、マトリクス光スイッチ作製時に発生する誤差によって回路特性が変動する場合において、回路の組み合わせにより作製誤差によらない十分な消光比を備えたマトリクス光スイッチを実現する技術である。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
前記目的を達成するために本発明の光スイッチ単位素子は、互いに交差する１本の入力光導波路と１本の出力光導波路、およびそれら入力光導波路と出力光導波路とを接続するバイパス光導波路からなり、バイパス光導波路と入力光導波路との間で入力光導波路を入力部とし、入力光導波路とバイパス光導波路を出力部とする１×２光スイッチを形成し、さらにバイパス光導波路と出力光導波路との間で出力光導波路およびバイパス光導波路を入力部とし、出力光導波路を出力部とする２×１光スイッチを形成し、これら１×２光スイッチおよび２×１光スイッチ間にあるバイパス光導波路の一部を入力部及び出力部とする１×１光ゲートスイッチとなっていることを特徴とする。
【００４２】
前記光スイッチ単位素子は、１×２光スイッチおよび２×１光スイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、もしくは２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、１×２スイッチの入力側と２×１スイッチの出力側にＹ分岐光導波路を配置し、１×２スイッチの出力側と２×１スイッチの入力側が２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、それらを結ぶ２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、Ｙ分岐型光導波路および位相シフタを装備した構成からなる光スイッチ、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチのいずれかの形態であることを特徴とする。
【００４３】
前記光スイッチ単位素子は、前述の１×２光スイッチおよび２×１光スイッチの形態によらず、１×１光ゲートスイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、もしくは２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、入力側にＹ分岐型光導波路、出力側に２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、Ｙ分岐型光導波路と方向性結合器を結ぶ２本のアーム米導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハーツェンダー干渉計型光スイッチ、２個のＹ分岐型光導波路および２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成される光スイッチ、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチのいずれかの形態であることを特徴とする。
【００４４】
また本発明のマトリクス光スイッチは、互いに交差するＭ（Ｍは正の整数）本の入力光導波路およびＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路におけるＭ×Ｎ個の交差部に、前記導波路型光スイッチ単位素子を配置し、該導波路型光スイッチ単位素子を前記入出力光導波路にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００４５】
あるいは前記導波路型光スイッチ単位素子をＮ（Ｎは正の整数）行Ｎ列に配置し、第１列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の入力端子とし、第Ｎ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の出力端子とし、適切な１個の前記導波路型光スイッチ単位素子を選択、制御することによって任意の出力光導波路に接続される各入力光導波路からの経路すべてにおいて、導波路型光スイッチ単位素子を常に同数通過するように接続されており、その接続形態として１つには、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする。
【００４６】
また前述の入出力関係を入れ替えることによって実現されるもう１つの形態として、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする。
【００４７】
例えば、図１に示したように現在最も用いられている石英系ガラス光導波路を用いて作製され、前述の構成のうち１×２光スイッチ、２×１光スイッチ、１×１光ゲートスイッチがいずれも２本の光導波路を近接させて構成される方向性結合器が２個と、光路長差が信号光波長の２分の１に設定されている２本のアーム光導波路からなるマッハ・ツェンダー干渉計回路および熱光学位相シフタによって構成される導波路型光スイッチ単位素子によれば、１×２光スイッチを構成する第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路にあらかじめ設定された光路長差によって、オフ時に入力光導波路を伝搬する信号光は方向性結合器の結合率によらず、そのまま入力光導波路を通過して光スイッチ単位素子はクロス状態となる。
【００４８】
仮に、オフ時に第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路からわずかな光漏れ（クロストーク）がバイパス光導波路に生じた場合も、２×１光スイッチを構成する第２のマッハ・ツェンダー干渉計回路において、第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路同様にバイパス光導波路をそのまま通過するため出力光導波路へ漏れ出す信号光の割合はごく小さく、接続されていない出力光導波路へのクロストークを抑制することができる。
【００４９】
しかしながら実際の光スイッチ作製においては、方向性結合器の結合率誤差に加えて、マッハ・ツェンダー干渉計回路に設定した光路長差にも誤差が生じる場合がある。
【００５０】
その場合、光信号はオフ時に入力光導波路からバイパス光導波路に漏れ伝わってしまい、さらに出力光導波路へ伝搬しクロストークが発生してしまう。
【００５１】
そこで、前述のとおりバイパス光導波路において、１×１光ゲートスイッチを構成する第３のマッハ・ツェンダー干渉計回路のうち一方の光導波路を１×２光スイッチ（入力）側のバイパス光導波路に接続し、他方の光導波路を２×１光スイッチ（出力）側のバイパス光導波路に接続することにより、ゲートは遮断状態となっているため作製誤差によって劣化した消光比は補完され、光スイッチ単位素子全体として高消光比、すなわち低クロストークが実現される。
【００５２】
熱光学位相シフタを駆動するオン時には第１、第２および第３のマッハ・ツェンダー干渉計回路のそれぞれ一方の光導波路に入力される光信号は他方の光導波路へ導かれ、入力光導波路からバイパス光導波路、さらに開放状態の１×１光ゲートスイッチを経てバイパス光導波路から出力光導波路へと伝搬し、光スイッチ単位素子はバー状態となり、入力光導波路と出力光導波路は接続される。
【００５３】
上述のような構成は作製上の誤差によって方向性結合器の結合率およびマッハ・ツェンダー干渉計回路の光路長差が設定値とずれてしまい、マッハ・ツェンダー干渉計回路１個当たりの消光比が劣化した場合でも、作製行程の追加、光スイッチ駆動回路の増設などを必要とせず、光回路設計のみでクロストークの増加を抑制し、従来と同等の光学特性を実現することが可能となる。
【００５４】
すなわち本発明は光スイッチ単位素子がクロス状態の場合において作製誤差によって発生するクロストークを回路構成の工夫によって低減することを主眼としてなされたものであり、したがって前述のマッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する光結合器がマルチモード光結合器である場合、光結合器の一方がＹ分岐方光導波路で他方が方向性結合器である場合、もしくは光スイッチ単位素子を構成する１×２光スイッチあるいは２×１光スイッチがＹ分岐型光スイッチあるいは方向性結合器型光スイッチである場合にも適用できるものであり、また１×１光ゲートスイッチとして１×２スイッチあるいは２×１スイッチとして用いられた前述のマッハ・ツェンダー干渉計回路の他、２個のＹ分岐光導波路と２本のアー一ム光導波路で構成される光スイッチあるいは方向性結合器型光スイッチの一方のポートを使用した光スイッチである場合にも適用できるものである。
【００５５】
またこれらの光スイッチ単位素子を使用して、互いに交差するＭ（Ｍは正の整数）本の入力光導波路およびＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路によって構成される導波路型マトリクス光スイッチの低クロストーク化を実現することができる。
【００５６】
さらにＮ（Ｎは正の整数）本の入力光導波路とＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路に対してこれら光スイッチ単位素子をＮ行Ｎ列に配置し、適切な１個の導波路型光スイッチ単位素子を選択、制御することによって任意の出力光導波路に接続される各入力光導波路からの経路すべてにおいて、導波路型光スイッチ単位素子を常に同数通過するように接続されている導波路型マトリクス光スイッチの低クロストーク化も実現することができる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明に係るマトリクス光スイッチを構成する光スイッチ単位素子は、互いに交差する入力光導波路、出力光導波路およびバイパス光導波路からなり、入力光導波路とバイパス光導波路で１×２光スイッチを構成し、出力光導波路とバイパス光導波路で２×１光スイッチを構成し、前記１×２光スイッチと前記２×１光スイッチの間のバイパス光導波路に１×１光ゲートスイッチを備えることによって、オフ時に作製誤差によって出力光導波路に発生する光信号漏れ（クロストーク）を極めて低く抑制することができる。
【００５８】
つまり、作製後の補正処理や駆動回路の増設を必要とすることなく、作製精度を大幅に緩和しつつ消光比の優れたマトリクス光スイッチを容易に提供することができる。
【００５９】
また光スイッチを形成する材料および光導波路特性によってマッハ・ツェンダー干渉計回路やＹ分岐光導波路、方向性結合器などさまざまな回路形態を組み合わせて使用することも可能である。
【００６０】
本発明の光スイッチ単位素子およびそれを用いたマトリクス光スイッチは、低コストかつ実用性が高い光スイッチデバイスを提供する非常に有効な手段であり、さまざまな光信号の交換、切替を必要とする大容量光通信網の発展に大きく寄与するものであると期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
本発明を実施するための最良の形態は、以下に示す実施例１〜８である。
【００６２】
以下の実施例では、シリコン基板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用し、光スイッチの構成要素として熱光学効果を利用したマッハ・ツェンダー干渉計回路型光スイッチを採用した導波路型光スイッチ単位素子および導波路型マトリクス光スイッチについて説明する。
【００６３】
これはこの組み合わせが安定かつ集積化が容易であるためで、しかも石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光スイッチを提供できるためである。
【００６４】
しかしながら本発明はこれらの組み合わせに限定されるものではない。
【実施例１】
【００６５】
本発明に係るＮ×Ｎマトリクス光スイッチの実施例１としての４×４マトリクス光スイッチの概略構成を図１および図１１に示す。
【００６６】
図１１はマトリクス光スイッチの論理構成、図１はその構成要素である光スイッチ単位素子の構成図である。
【００６７】
図１（ａ）は本発明に係る光スイッチ単位素子の回路構成平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した線分Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。
【００６８】
図１１に示すマトリクス光スイッチは、前述した通り、通過する光スイッチ単位素子の数が経路によらない、パス無依存構成を採用しており、４×４＝１６個の光スイッチ単位素子を４行４列配置した構成となっている。
【００６９】
本実施例に係る光スイッチ単位素子は、図１に示すように、シリコン基板１上に作製され、石英系ガラスクラッド２に埋め込まれた構造の入力光導波路１１ａ−１１ｂと出力光導波路１２ａ−１２ｂが互いに交差しており、それらの近傍に配置されたバイパス光導波路１３ａ−１３ｂを基本要素とする。
【００７０】
バイパス光導波路１３ａ−１３ｂの一部は入力光導波路１１ａ−１１ｂと２箇所で間隔数μｍにまで近接して２個の方向性結合器１４ａおよび１５ａを形成し、２本の光導波路間でマッハ・ツェンダー干渉計回路（１×２光スイッチ）１８ａをなす。
【００７１】
方向性結合器１４ａおよび１５ａの結合率は、結合部における光導波路の間隔、長さを調節することにより５０％となるように設計されている。
【００７２】
マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａのアーム部分となる光導波路は、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂ側の実効光路長が入力光導波路１１ａ−１１ｂ側に対して信号光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように設計されている。
【００７３】
また図１（ｂ）に示すように、実効光路長が短い入力光導波路１１ａ−１１ｂ側のクラッド層２でアーム光導波路上の表面には、熱光学効果を利用する光位相シフタとして薄膜ヒータ１６ａが装荷されている。
【００７４】
同様に、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂの別の一部は出力光導波路１２ａ−１２ｂと２箇所で近接して２個の方向性結合器１４ｂおよび１５ｂを形成し、２本の光導波路間でマッハ・ツェンダー干渉計回路（２×１光スイッチ）１８ｂをなす。
【００７５】
方向性結合器１４ｂおよび１５ｂの結合率は５０％となるように設計され、マッハ・ツェンダー干渉計回路のアーム光導波路は、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂ側の実効光路長が出力光導波路１２ａ−１２ｂ側に対して信号光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように設計されている。
【００７６】
また実効光路長が短い出力光導波路１２ａ−１２ｂ側のクラッド層２でアーム光導波路上の表面には、熱光学効果を利用した光位相シフタとしての薄膜ヒータ１６ｂが装荷されている。
【００７７】
また、２つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂの間におけるバイパス光導波路１３ａ−１３ｂのさらに別の一部は、２本の干渉用光導波路１７ａと１７ｂが近接して２個の方向性結合器１４ｃおよび１５ｃを形成し、２本の光導波路間でなされるマッハ・ツェンダー干渉計回路（１×１光ゲートスイッチ）１８ｃに接続されている。
【００７８】
方向性結合器１４ｃおよび１５ｃの結合率は５０％となるように設計され、マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ｃのアーム光導波路は、一方の光導波路１７ｂが他方の光導波路１７ａ側に対して信合光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように設計されている。
【００７９】
また実効光路長が短い光導波路１７ａ側のクラッド層２でアーム光導波路上の表面には熱光学効果を利用した光位相シフタとしての薄膜ヒータ１６ｃが装荷されている。
【００８０】
入力光導波路１１ａ−１１ｂと出力光導波路１２ａ−１２ｂは互いに交差しており、交差部１９にてクロストークおよび放射損失を無視できる角度θで交差している。
【００８１】
薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃがオフ（無通電）時に光導波路の端点１１ａから入力した信号光は、マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａにおいて光導波路１１ａ−１１ｂを伝搬して通過し、光導波路１２ａ−１２ｂとの交差部１９を越えて光導波路端１１ｂへ出力される。
【００８２】
また、光導波路の端点１２ａから入力した信号光は、光導波路１１ａ−１１ｂとの交差部１９を越えて、マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ｂにおいて光導波路１２ａ−１２ｂを伝搬して通過し光導波路端１２ｂへ出力される。
【００８３】
すなわちマトリクス光スイッチにおいて、光スイッチ単位素子のオフ時の動作はクロス経路に接続された状態となる。
【００８４】
このとき、入力側の１×２スイッチ１８ａおよび出力側の２×１スイッチ１８ｂにおける方向性結合器１４ａ，１５ａ，１４ｂおよび１５ｂの結合率が設計値の５０％からずれた場合においても、マッハ・ツェンダー干渉計回路の２本のアーム光導波路における実効光路長差が信号光波長の２分の１に設定されていることにより、伝搬する光導波路をそのまま通過して他方の光導波路へは移行しないため、原理上高い消光比を実現できる。
【００８５】
また、仮に光導波路作動時の欠陥や誤差による高次モードの影響などから干渉に寄与しない光パワーが発生し、１×２スイッチ１８ａにおいて入力光導波路１１ａ−１１ｂからバイパス光導波路１３ａ−１３ｂへわずかな光漏れ（クロストーク）となった場合も、後段の２×１スイッチ１８ｂにおいて、同等の消光特性が得られるので、出力光導波路１２ａ−１２ｂへのクロストークを抑制することができる。
【００８６】
さらに、マッハ・ツェンダー干渉計回路のアーム光導波路に設定されている実効光路長差が設計や作製の誤差が原因となってさらなるクロストークが発生した場合にも、１×２スイッチ１８ａおよび２×１スイッチ１８ｂの間のバイパス光導波路１３ａ−１３ｂに接続されている１×１ゲートスイッチ１８ｃによって１×２スイッチ１８ａで発生したクロストークは遮断される。
【００８７】
仮に前述のような高次モードの影響などによりわずかなクロストークがゲートを通過した場合でも２×１スイッチ１８ｂによって出力光導波路１２ａ−１２ｂへの伝搬を阻止できるため、光スイッチ単位素子として非常に高い消光比を実現できる。
【００８８】
ここで本発明の特徴として強調すべき点は、設計あるいは作製の誤差によって光スイッチの動作点が変動し、クロストーク特性が劣化あるいは不均一になってしまう場合においても、作製後の新たな補正処理やオフセット動作のための駆動回路の増設を必要とすることなく、設計の工夫のみで特性劣化を緩和できることにある。
【００８９】
したがって、光スイッチの構成として、上述のようなマッハ・ツェンダー干渉計回路に限らず、Ｙ分岐光導波路やマルチモードカプラーあるいは方向性結合器を構成要素とする光スイッチ単位素子およびそれによって構成される導波路型マトリクス光スイッチにおいても同様の効果が得られるということになる。
【００９０】
薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃが互いに連動してオン（通電）状態となって適切な電力が加えられた場合には、３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃにおけるアーム光導波路の実効光路長差は熱光学効果によって零となり、一方の光導波路に入力された光信号は他方の光導波路へ導かれて伝搬する。
【００９１】
すなわち、１×２光スイッチ１８ａにおいて光導波路端１１ａから入力した光信号はバイパス光導波路１３ａ−１３ｂへと導かれ、また１×１光ゲートスイッチ１８ｃにおいて入力側に接続された光導波路１７ｂから出力側に接続された光導波路１７ａに導かれ、さらに２×１光スイッチ１８ｂにおいてバイパス光導波路１３ａ−１３ｂから出力光導波路１２ａ−１２ｂへと導かれ、最終的に光導波路端１２ｂに出力される。
【００９２】
これによって光スイッチ単位素子はバー経路に接続され、マトリクス光スイッチにおいて入力光導波路と出力光導波路が接続されることになる。
【００９３】
オン状態では方向性結合器１４ａ，１５ａ，１４ｂ，１５ｂ，１４ｃおよび１５ｃの結合率が５０％からずれてしまった場合、光導波路端１１ａから入力した信号光が１×２光スイッチ１８ａにおいて１００％バイパス光導波路１３ａ−１３ｂに導かれず、光導波路１１ａ−１１ｂへ漏れ出した信号光成分が交差部１９を経て光導波路端１１ｂへと伝搬してしまう。
【００９４】
しかしながら、この漏れた成分は結局、図４において使用されない光導波路端１ｄ，２ｄ，３ｄおよび４ｄに出力されるため、光スイッチ単位素子でのごく僅かな損失増加はあるものの、マトリクス光スイッチとして消光比の劣化とはならない。
【００９５】
また、３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃのアーム光導波路に設定した信号光波長の２分の１の実効光路長差が設計とずれてしまった場合には、それぞれの干渉計における動作点を適切に設定すればまったく問題はない。
【００９６】
あるいはシステム設計上、単一または数個の電源でマトリクス光スイッチを制御する必要が生じた場合には各光スイッチ単位素子を最適な動作点で駆動することはできなくなるが、その場合においても生じる損失増加はごく僅かである。
【００９７】
本実施例１における４×４マトリクス光スイッチは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示したとおり、厚さ１ｍｍ、直径４インチのシリコン基板１上に石英系ガラスによって形成されるクラッド層２および埋め込み型の単一モード光導波路を、ＳｉＣ１4やＧｅＣ１4などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃおよび給電のための電極（図示省略）をクラッド層２表面上に真空蒸着およびパターン化によって作製した。
作製した光導波路のコア寸法は４．５μｍ×４．５μｍであり、クラッド層２との比屈折率差Δは１．５％とした。
【００９８】
本実施例１における４×４マトリクス光スイッチは、この光導波路を用い、直線光導波路および曲がり半径２ｍｍの曲線光導波路を組み合わせることによって形成される。
【００９９】
光スイッチ単位素子およびそれらを接続する部分における交差光導波路の角度θは４０度とした。
【０１００】
また光スイッチ単位素子におけるマッハーツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃはアーム光導波路の実効光路長差が信号光波長１．５５μｍの２分の１である０．７７５μｍとなるように設定した。
【０１０１】
石英系ガラスの屈折率が１．４５であることを考慮すれば、実際のアーム光導波路長の差は０．７７５μｍ／１．４５＝０．５３４μｍである。
【０１０２】
熱光学効果による位相シフタとしてクラッド層２の表面上に形成した薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは厚さ０．１μｍ、幅３０μｍ、長さ１ｍｍ、とした。
【０１０３】
３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃと交差光導波路によって構成される本実施例１の光スイッチ単位素子は全長１１ｍｍであった。
【０１０４】
またこの光スイッチ単位素子を組み合わせて形成される４×４マトリクス光スイッチのチップサイズは１０ｍｍ×８０ｍｍとなった。
【０１０５】
この４×４マトリクス光スイッチチップをダイシングソーによって切り出した後、放熱板をシリコン基板１の下部に取り付け、入出力光導波路端にはシングルモード光ファイバアレイを接続した。
【０１０６】
光スイッチチップの給電端子は電気コネクタを設置した外部電気配線板と電気的に接続してモジュールが完成した。
【０１０７】
電気コネクタに電源を接続し、給電すべき薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを適切に選択することによって４入力４出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１０８】
任意の入出力ポートを接続するためにオン状態となった光スイッチ単位素子に装荷された３つの薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃに給電した電力は１つにつき０．４Ｗであったので、各光スイッチ単位素子の消費電力は１．２Ｗであり、４×４マトリクス光スイッチ全体では同時に駆動する光スイッチ単位素子が４個であるので、全消費電力は４．８Ｗ程度であった。
【０１０９】
マトリクス光スイッチの入力光導波路端から出力光導波路端に至る光ファイバ接続損失を含めた挿入損失は２ｄＢ程度で、マトリクス光スイッチ全体での消光比は６０ｄＢ以上であった。
【０１１０】
特に消光比は、製造誤差により方向性結合器の結合率が５０％±１０％程度と大きくずれ、設定した実効光路長差が設定した０．７７５μｍに対して１０〜２０％ずれた場合においても優れた消光特性を示し、本発明に係るマトリクス光スイッチが製造誤差に非常に強いことを示した。
【０１１１】
また、比較のため図２に示したような互いに交差するそれぞれ４本の入出力光導波路を基本として構成されるクロスバー型４×４マトリクス光スイッチも作製した。
【０１１２】
使用した光導波路の仕様は前述のパス無依存型４×４マトリクス光スイッチと同様である。
【０１１３】
本実施例による４×４マトリクス光スイッチは７段の光スイッチ群を集積した構成となっており、給電のための電極を含めたチップサイズは１０ｍｍ×１３０ｍｍであった。
【０１１４】
放熱板、光ファイバアレイを取り付けてモジュール化し、光学特性を測定したところ、マトリクス光スイッチとして挿入損失は１〜３ｄＢ、消光比は６０ｄＢ以上であった。
【０１１５】
また、マトリクス光スイッチ全体の消費電力は４．８Ｗであった。
【０１１６】
このように、本発明における光スイッチ単位素子を採用することによりマトリクス光スイッチの構成にかかわらず製造誤差に強い優れた消光特性を示した。
【実施例２】
【０１１７】
本発明に係るＭ×Ｎ（Ｍ，Ｎはそれぞれ異なる正の整数）マトリクス光スイッチの実施例として４×８マトリクス光スイッチの構成を図２に示す。
【０１１８】
図中、１ａ−１ｄ，２ａ−２ｄ〜４ａ−４ｄは入力光導波路、１ｃ−１ｂ，２ｃ−２ｂ〜８ｃ−８ｂは出力光導波路であり、４×８＝３２箇所の交差点には光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４８が配置されている。
【０１１９】
本実施例において使用した光導波路の仕様やチップ、モジュールの作製方法は実施例１における４×４マトリクス光スイッチと同様である。
【０１２０】
実施例１に対して、本実施例のマトリクス光スイッチは入出力光導波路の本数が異なることが特徴である。マトリクス構成はクロスバー型とした。
【０１２１】
この構成は任意の入出力光導波路本数が選べるという点でＭ×Ｎマトリクス光スイッチの実現に適しており、それぞれ１〜４個の光スイッチ単位素子の群を１１段接続して作製される。
【０１２２】
本実施例の４×８マトリクス光スイッチの基板上での回路配置図の概略を図３に示す。
【０１２３】
図３に示すように、入力光導波路束７０ａから出力光導波路束７０ｂに至る全１１段の光スイッチ単位素子群は９０度に曲げられた曲線光導波路および直線光導波路を適切に接続して、回路の全長をできるだけ短くかつ全体のサイズが小さくなるように設計されていることを特徴とする配置である。
【０１２４】
ここで、本実施例において用いている光導波路の仕様はクラッドとコアの比屈折率差Δが１．５％であり、それと接続されるシングルモード光ファイバとはコアを伝搬する光信号のスポットサイズに違いがあることから、結合損失が発生してしまうという問題がある。
【０１２５】
そこで、本実施例においてはテーパ構造を持つスポットサイズ変換光導波路（図示省略、特許文献５参照）を入出力光導波路端面付近に採用し、シングルモード光ファイバとの結合損失を低減することで、マトリクス光スイッチチップ全体としての挿入損失を低く抑えている。
【０１２６】
本実施例の４×８マトリクス光スイッチは厚さ１ｍｍのシリコン基板上に作製され、給電端子および電気配線を含めたチップサイズは６５ｍｍ×７０ｍｍであった。
【０１２７】
光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４８の回路構成、設計仕様およびモジュール作製方法は実施碗１と同様である。
【０１２８】
電気コネクタに電源を接続し、給電すべきヒータを適切に選択することによって４入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１２９】
任意の入出力ポートを接続するためにオン状態となった光スイッチ単位素子に装荷された３つの薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃに給電した電力は１つにつき０．４Ｗであったので、各光スイッチ単位素子の消費電力は１．２Ｗであり、４×８マトリクス光スイッチ全体では同時に駆動する光スイッチ単位素子が４個であるので、全消費電力は４．８Ｗ程度であった。
【０１３０】
マトリクス光スイッチの入力光導波路端から出力光導波路端に至る光ファイバ接続損失を含めた挿入損失は４ｄＢ以下で非常に低損失な値が得られた。
【０１３１】
また、マトリクス光スイッチ全体での消光比は方向性結合器や実効光路長差の製造後差が発生しても６０ｄＢ以上と優れた値を示した。
【実施例３】
【０１３２】
本発明に係る８×８マトリクス光スイッチの構成を図４に示す。
【０１３３】
本実施例ではパス無依存構成を採用し、光スイッチチップ上での回路レイアウトは実施例２と同様に曲線光導波路および直線光導波路を適切に接続して光スイッチ単位素子群を畳み込むように配置し、回路長および全体のサイズが小さくなるように設計した。
【０１３４】
本実施例において採用した光スイッチ単位素子の回路構成およびその構造を図５に示す。
【０１３５】
図５（ａ）は光スイッチ単位素子の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示した線分Ｃ−Ｃ’に沿って切った断面図、図５（ｃ）は線分Ｄ−Ｄ’に沿って切った断面図である。
【０１３６】
図５に示したとおり、本実施例ではマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃのアーム光導波路部分に沿ってそれぞれ３箇所に断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃを形成したものであり、その他の構成は前述した図１に示す光スイッチ単位素子の回路構成と同様である。
【０１３７】
本実施例で採用する断熱溝構造は、薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃから発生する熱が基板水平方向に拡散するのを断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃで抑制し、効率的にコアの温度を上昇させて屈折率変化を起こすことができるようになるため、熱光学型の光スイッチの低消費電力化に非常に有効な技術である（非特許文献１参照）。
【０１３８】
本実施例においては断熱溝同士の間隔やクラッド層２の厚さを調節することにより、光路の切替に必要となる電力が薄膜ヒータ１つ当たり従来の２５％となる０．１Ｗとなった。
【０１３９】
また、断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃを形成することによって隣接する光導波路への熱の伝搬を遮断できるので導波路間隔を狭めることができ、光回路の小型化も可能となる。
【０１４０】
具体的には従来の導波路間隔の半分以下に狭めることが可能となった。
【０１４１】
本実施例で作製した８×８マトリクス光スイッチは実施例１および２における光導波路と同様の仕様で作製し、また実施例２で用いたスポットサイズ変換光導波路も採用した。
【０１４２】
なお、断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃは反応性イオンエッチング技術によって形成した。
【０１４３】
厚さ１ｍｍのシリコン基板上に作製したスイッチチップのサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍで、従来０．７５％Δの光導波路で作製されていた８×８マトリクス光スイッチの面積比で半分程度まで小型化を実現した。
【０１４４】
実施例１および２と同様の工程を経てモジュールを作製し、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１４５】
各光スイッチ単位素子の消費電力は０．３Ｗであり、８×８マトリクス光スイッチ全体では同時に、駆動する光スイッチ単位素子が８個であるので、全消費電力は２．４Ｗ程度と非常に低消費電力であった。
【０１４６】
マトリクス光スイッチの入力光導波路端から出力光導波路端に至る光ファイバ接続損失を含めた挿入損失は５ｄＢ程度であった。
【０１４７】
また、マトリクス光スイッチ全体での消光比は方向性結合器や実効光路長差の製造後差が発生しても６０ｄＢ以上と優れた値を示した。
【０１４８】
以上、本発明の実施例１〜３では、図１に示したように光スイッチ単位素子を構成する１×１光ゲートスイッチ１８ｃが消光比を優先するためにマッハ・ツェンダー干渉計回路の対角の光導波路１７ｂから１７ａに接続されている部分について、回路の作製誤差が少なく、設計上の回路対称性を重要とする場合においては１×１光ゲートスイッチ１８ｃの入力側、出力側のいずれも光導波路１７ａに接続することで同様の効果を得ることは可能である。
【０１４９】
ただし、方向性結合器の結合率誤差が大きい場合は十分な消光比が得られない場合もあるので、用途と状況に応じて適宜設計指針を決定する必要がある。
【０１５０】
また、実施例１〜３では信号光波長が１．５５μｍである場合を取り扱ったが、本発明の構成手法によれば信号光波長が例えば１．３μｍである場合にも適用できることは明らかであり、使用する波長帯によって適切な設計を行うことができる。
【０１５１】
また、実施例１〜３では２個の方向性結合器からなるマッハ・ツェンダー干渉計回路を基本として構成される光スイッチ単位素子を用いたが、マッハ・ツェンダー干渉計を形成する要素は、例えばマルチモード光結合器あるいはＹ分岐型光導波路であっても良い。
【０１５２】
つまり目的とする効果を得るための手段として、回路構成はさまざまな組み合わせが可能であることを表しており、以下、実施例によってそれらを示す。
【実施例４】
【０１５３】
図４に示した８×８マトリクス光スイッチの光スイッチ単位素子について、１×１光ゲートスイッチの入力側を図１における光導波路１７ａに接続し、出力側も同様に光導波路１７ａに接続した形態からなる、新たな回路構成の８×８マトリクス光スイッチモジュールに関する実施例である。
【０１５４】
即ち、図１２に示すように、実施例４は実施例１の変形例であり、通常、消光比を大きく取るためにマッハ・ツェンダー干渉計回路はクロスに接続（入力と出力で接続される導波路が図面において上下異なる）されるところを、真ん中の１×１光ゲートスイッチ１８ｃのみ、スルーに接続（入力と出力で接続される導波路が同じ）した例である。
【０１５５】
但し、薄膜ヒータ１６ｃがオフ（無通電）のとき、アーム光導波路１７ａ，１７ｂの実効光路長差が０となり、薄膜ヒータ１６ｃがオン（通電）のとき、アーム光導波路１７ａ，１７ｂの実効光路長差が信号光波長１．５５μｍの２分の１である０．７７５μｍとなるように設定する。
【０１５６】
図１に示す実施例１の場合、１×１光ゲートスイッチ１８ｃは、方向性結合器１４ｃがどうしても非対称な設計になってしまうのに比較し、回路設計上対称性を極力保ちたい場合には、実施例４が有効である。
【０１５７】
その他の回路構成、レイアウト、作製方法については実施例３と同様である。
【０１５８】
本実施例で作製された８×８マトリクス光スイッチモジュールは、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１５９】
消費電力、挿入損失は実施例３と同様であり、マトリクス光スイッチ全体での消光比は５５ｄＢ以上であった。
【０１６０】
実施例３と比較して消光比ではやや劣ったものの、設計上、回路の対称性が良いため、作製誤差が少なく、特に挿入損失の均一性は、実施例３において最大と最小損失の差が１ｄＢを超えるものもあったのに対して、０．５ｄＢ程度と改善された。
【実施例５】
【０１６１】
図４に示した８×８マトリクス光スイッチの光スイッチ単位素子について、１×２光スイッチ、２×１光スイッチ、１×１光ゲートスイッチをそれぞれ構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の、光結合器部分をマルチモード光結合器とした形態からなる、新たな回路構成の８×８マトリクス光スイッチモジュールに関する実施例である。
【０１６２】
その他の回路構成、レイアウト、作製方法については実施例３と同様である。
本実施例で作製された８×８マトリクス光スイッチモジュールは、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１６３】
消費電力は実施例３と同様であり、挿入損失はやや高く７ｄＢ程度であった。
【０１６４】
マトリクス光スイッチ全体での消光比は６０ｄＢ以上で優れた値を示した。
【０１６５】
挿入損失はやや高かったものの、光結合器の結合率均一性良く、回路も若干小さくなるため、デバイスを小型化し、挿入損失の均一性を上げるためには有効な手段であった。
【実施例６】
【０１６６】
図４に示した８×８マトリクス光スイッチの光スイッチ単位素子について、１×２光スイッチを構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の入力側光結合器、２×１光スイッチを構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の出力側光結合器、１×１光ゲートスイッチを構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の入力側光結合器をＹ分岐型光導波路とし、いずれも他方を方向性結合器とした形態からなる、新たな回路構成の８×８マトリクス光スイッチモジュールに関する実施例である。
【０１６７】
その他の回路構成、レイアウト、作製方法については実施例３と同様である。
【０１６８】
本実施例で作製された８×８マトリクス光スイッチモジュールは、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１６９】
消費電力は実施例３と同様であり、挿入損失は６ｄＢ程度であった。
【０１７０】
マトリクス光スイッチ全体での消光比は６０ｄＢ以上で優れた値を示した。
【０１７１】
マッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する一方の光結合器をＹ分岐型光導波路とすることで結合率の製造誤差が改善され、実施例３と同程度の光学特性で、挿入損失の均一性が向上した。
【０１７２】
以上、実施例１〜６においては光スイッチ単位素子を構成する３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路の光結合器部分における回路構成が、いずれも同様の構成となっているが、要求される光学仕様および光スイッチ回路規模、回路レイアウトなどに応じて、実施例１〜６で述べたマッハ・ツェンダー干渉計回路のいずれかの形態を任意に組み合わせて、光スイッチ単位素子を構成しても同様の効果が得られる。
【０１７３】
また実施例１〜６ではシリコン基板上の石英系ガラスを基本とするマトリクス光スイッチについて説明したが、マッハーツェンダー干渉計回路を用いた光スイッチを構成できる他の材料、例えば高分子光導波路やイオン拡散型光導波路、更には電気光学効果を用いる位相シフタを備えたニオブ酸リチウム系光導波路などにも本発明が適用可能である。
【０１７４】
また実施例１〜６ではマッハ・ツェンダー干渉計回路を要素とした光スイッチ単位素子、およびそれによって構成されるマトリクス光スイッチについて述べたが、光スイッチ単位素子を構成する要素は例えば、Ｙ分岐光導波路やマルチモードカプラーあるいは方向性結合器であっても同様の効果が得られるということを重ねて述べる。
【実施例７】
【０１７５】
その一実施例としてシリコン基板１上に作製される高分子光導波路３２を用い、Ｙ分岐光導波路３０および熱光学位相シフタ３１を要素とする光スイッチ単位素子の概略を図６に示す。
【０１７６】
図６（ａ）は回路平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）における線分Ｅ−Ｅ’の断面図、図６（ｃ）は線分Ｆ−Ｆ’の断面図である。
【０１７７】
即ち、シリコン基板１上に作製された高分子光導波路３２により、互いに交差する入力光導波路及び出力光導波路と、それらの近傍に配置されたバイパス光導波路を構成している。
【０１７８】
バイパス光導波路と入力光導波路とがＹ分岐光導波路３０を形成すると共にその上に装備された熱光学位相シフタ３１により１×２光スイッチが構成され、バイパス光導波路と出力光導波路とがＹ分岐光導波路３０を形成すると共にその上に装備された熱光学位相シフタ３１により２×１光スイッチが構成され、更に、二つのＹ分岐光導波路３０とその間の２本のアーム導波路の一方に装備された熱光学位相シフタ３１により１×１光ゲートスイッチが構成されている。
【０１７９】
つまり、実施例１と同様に、パス無依存構成で光スイッチ単位素子を組み合わせて４×４マトリクス光スイッチを作製したものであり、光学特性を調べたところ、６０ｄＢ以上の消光比を得た。
【実施例８】
【０１８０】
また、ニオブ酸リチウム系光導波路は電気光学効果による導波路型光スイッチを作製することが出来る。
【０１８１】
この場合、回路要素としては方向性結合器を用い、近接する２本の導波路の間に電界をかけることで、経路切替を行う。
【０１８２】
本発明の実施例８に係るニオブ酸リチウム系光導波路を用いた光スイッチ単位素子の概略を図７に示す。
【０１８３】
図７（ａ）は回路平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）における線分Ｇ−Ｇ’の断面図、図７（ｃ）は線分Ｈ−Ｈ’の断面図である。
【０１８４】
図７に示すように、本実施例に係る光スイッチ単位素子は、ニオブ酸リチウム系基板４０上に作製されるニオブ酸リチウム系光導波路コア４４により、互いに交差する入力導波路と出力導波路、及びその近傍のバイパス導波路を構成し、絶縁膜４５で覆ったものである。
【０１８５】
バイパス光導波路と入力光導波路とが方向性結合器４１を形成すると共にその近接する２本の導波路上に装備された電界印加電極４３ａ，４３ｂにより１×２光スイッチが構成され、バイパス光導波路と出力光導波路とが方向性結合器４１を形成すると共にその近接する２本の導波路上に装備された電界印加電極４３ａ，４３ｂにより２×１光スイッチが構成され、更に、その間の２本の導波路及び近接する２本の導波路上に装備された電界印加電極４３ａ，４３ｂにより１×１光ゲートスイッチが構成されている。
【０１８６】
つまり、実施例１と同様に、パス無依存構成で光スイッチ単位素子を組み合わせて４×４マトリクス光スイッチを作製したものであり、光学特性を調べたところ、６０ｄＢ以上の消光比を得た。
【０１８７】
なお、これらの回路要素を任意に組み合わせて光スイッチ単位素子を構成することも可能であることは勿論であり、いずれの組み合わせを用いて構成しても同様の効果を得ることが可能である。
【０１８８】
このように説明したように、本発明の導波路型光スイッチ単位素子は、図１に示すように、従来の２×２スイッチに１×１ゲートスイッチ１８ｃを追加したところに特徴があり、本発明の導波路型マトリックス光スイッチは、前記の導波路型光スイッチ単位素子を構成単位としてマトリックス光スイッチを構成した点に特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【０１８９】
本発明は、光ルータなど光通信システムにおいて用いられる光スイッチとして広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１９０】
【図１】本発明の実施例１における１×２光スイッチ、２×１光スイッチおよび１×１光スイッチを備えた光スイッチ単位素子の構成を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の実施例２における４×８マトリクス光スイッチの構成を示す全体平面図である。
【図３】本発明の実施例２における４×８マトリクス光スイッチチップの回路配置の概略を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例３における８×８マトリクス光スイッチの構成を示す全体平面図である。
【図５】本発明の実施例３における１×２光スイッチ、２×１光スイッチおよび１×１光スイッチを備え、断熱溝構造を有する光スイッチ単位素子の構成を示す平面図および断面図である。
【図６】本発明の一実施形態であるＹ分岐光導波路を構成要素とした光スイッチ単位素子の平面図である。
【図７】本発明の一実施形態である方向性結合器を構成要素とした光スイッチ単位素子の平面図である。
【図８】４×４マトリクス光スイッチの基本構成の一例を示す全体平面図および各光スイッチ単位素子の動作状態を説明する図である。
【図９】本実施例１の一形態である図１の４×４マトリクス光スイッチを石英系ガラス光導波路で実現した導波路型４×４マトリクス光スイッチの全体平面図である。
【図１０】従来の２重ゲート型光スイッチ単位素子の平面図および断面図である。
【図１１】本実施例１の一形態であるパス無依存構成４×４マトリクス光スイッチの構成を示す全体平面図である。
【図１２】本発明の実施例４における１×２光スイッチ、２×１光スイッチおよび１×１光スイッチを備えた光スイッチ単位素子の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１９１】
１ａ−１ｄ，２ａ−２ｄ〜８ａ−８ｄ 入力光導波路
１ｃ−１ｂ，２ｃ−２ｂ〜８ｃ−８ｂ 出力光導波路
１ シリコン基板
２ クラッド層
１１ａ−１１ｂ 入力光導波路
１２ａ−１２ｂ 出力光導波路
１３ａ−１３ｂ バイパス光導波路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 方向性結合器
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 薄膜ヒータ（熱光学位相シフタ）
１７ａ，１７ｂ １×１光ゲートスイッチとしてのマッハ・ツェンダー干渉計回路を形成する光導波路
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ マッハ・ツェンダー干渉計回路
１９ 光導波路交差部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 断熱溝
３０ Ｙ分岐光導波路
３１ 薄膜ヒータ（熱光学位相シフタ）
３２ 高分子光導波路
４０ ニオブ酸リチウム系基板
４１ 方向性結合器（１×２スイッチまたは２×１スイッチ）
４２ 方向性結合器（１×１スイッチ）
４３ａ 電界印加電極
４３ｂ 電界印加電極
４４ ニオブ酸リチウム系光導波路コア
４５ 絶縁膜
７０ａ 入力光導波路束
７０ｂ 出力光導波路束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光スイッチ単位素子および導波路型マトリクス光スイッチに関する。特に、作製誤差に強く、消光比に優れた導波路型光スイッチの回路構成およびそれを単位素子として構成される導波路型マトリクス光スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブロードバンド通信の爆発的普及によりネットワークコンテンツは多様性を増しており、その進歩に伴って通信トラフィックの増大を生み、通信網に対する大容量化、高速化、高機能化の要求を日増しに高めている。
【０００３】
近年、光通信技術はこれらの要求に応え得る重要な役割を果たしてきた。
【０００４】
これまでの光通信網では光−電気、電気−光変換によって信号処理を行う方式が主流となってきたが、今後はさらにアクセス網を含む全ての通信網上で電気信号に変換する事なく光信号のままで結ぶ構造の光通信網に発展させる事が重要となる。
【０００５】
この光通信システムに重要な部品の一つとして挙げられるのが、光スイッチである。
【０００６】
これは、光信号を光のままスイッチング（経路切替）あるいはルーティング（経路設定）するシステムにおいて中心的な役割を果たす部品であり、近年大規模化、高機能化、低コスト化が進められ、その重要性が増している。
【０００７】
光スイッチを構成する形態は様々なものが提案されており、バルク型、微小電機機械システム（ＭＥＭＳ：Micro−electro−mechanical systems）型、導波路型などがある。
【０００８】
バルク型は可動プリズムやレンズなどによって構成される機械駆動式の光スイッチであり、波長依存性が少なく、比較的低損失であるが、いくつかの部品を組み立てて作製されるため、工程が煩雑で量産や大規模化が難しいという問題点がある。
【０００９】
ＭＥＭＳ型は機械駆動式ではあるが、半導体の微細加工技術を応用して作製した多数のミラーアレイと光ファイバおよびコリメートレンズによって構成されており、波長依存性が少なく、低損失である上に、量産、大規模化が容易であり、現在開発が盛んに行われている部品である。
【００１０】
一方、導波路型は半導体微細加工技術を半導体の他、ガラスやポリマーなどの材料に適用して作製される光導波路を基本としており、量産性に優れるばかりでなく、回路構成の柔軟性や長期安定性に優れ、光ファイバの実装や光合分波器や光フィルタなど他の導波路型光部品との集積が容易であるなど多くの利点を持つ。
【００１１】
特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路の熱光学効果を利用した光スイッチは、低損失であり化学的安定性及び光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を有し、実用化が最も進んだ光スイッチの一つである。
【００１２】
光ルータなど光通信システムにおいて用いられる光スイッチとして本発明の対象である複数の入出力ポートを持つマトリクス光スイッチがある。
【００１３】
一例として４×４マトリクス光スイッチの構成概念図を図８（ａ）に示す。
【００１４】
このマトリクス光スイッチは互いに交差する４本の入力光導波路（１ａ−１ｄ〜４ａ−４ｄ）と４本の出力光導波路（１ｃ−１ｂ〜４ｃ−４ｂ）からなり、１６箇所の交差点には光スイッチ単位素子として２入力２出力の光スイッチｓ１１〜ｓ４４が配置されていて、入力光導波路と出力光導波路とが交差していることからクロスバースイッチと呼ばれることもある。
【００１５】
各光スイッチ単位素子は無通電（もしくはオフ）状態で図８（ｂ）に示すようなクロス状態となっており、通電（もしくはオン）状態で図８（ｃ）に示すようなバー状態に切り替わる。
【００１６】
このようなスイッチは任意の入力光導波路および出力光導波路を接続する経路に対して他の経路の影響をまったく受けない（他の経路にブロックされない）厳密ノンブロッキングな構成であり、かつただ一つのスイッチＳ１１〜Ｓ４４をバー状態にすることで経路が接続される。
【００１７】
図８に示した４×４マトリクス光スイッチが石英系ガラス光導波路の熱光学効果を利用して実現された導波路型４×４マトリクス光スイッチの構成図を図９に示す。
【００１８】
図８におけるマトリクス状の回路構成を対角線上で押しつぶしたような構成となっており、１〜４個の光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４４を並列に並べて７段接続している。
【００１９】
図９におけるスイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４４として用いた２重ゲート型光スイッチ単位素子（特許文献１参照）の光導波路構成図を図１０（ａ）に示し、図１０（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿った断面図を図１０（ｂ）に示す。
【００２０】
これらの光導波路は、火炎加水分解反応堆積法と反応性イオンエッチング技術との公知の組み合わせにより、シリコン基板上に作製されている。
【００２１】
即ち、光スイッチ単位素子は、互いに交差する入力光導波路１１ａ−１１ｂと出力光導波路１２ａ−１２ｂおよびバイパス光導波路１３ａ−１３ｂからなる構成を基本とし、入力光導波路１１ａ−１１ｂとバイパス光導波路１３ａ−１３ｂの一部と、出力光導波路１２ａ−１２ｂとバイパス光導波路１３ａ−１３ｂの一部とがそれぞれ２箇所で互いに近接して方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂを形成し、２個のマッハ・ツェンダー干渉計回路（図中破線で示す）１８ａ，１８ｂを構成している。
【００２２】
これら方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの結合率は信号光波長において５０％となるように設計され、またマッハ・ツェンダー干渉計１８ａ，１８ｂの２本のアーム光導波路における光路長差が信号光波長の２分の１となるように光導波路長が設計され、これらアーム光導波路の少なくとも一方に、石英系ガラスの熱光学効果を利用して光路長差を変化させるための光位相シフタとして薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂが装荷されており、薄膜ヒータ１６ａおよび１６ｂがオフのとき光スイッチ単位素子としてはクロス状態、オンのときバー状態となる。
【００２３】
このような構成は設計された方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの結合率に対して、作製誤差が生じた場合にも十分な光学特性を発揮することができる。
【００２４】
すなわち、クロス状態においては第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂで２個の方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの結合率が５０％に限らず同じである場合、干渉原理によって１００％信号光は入力光導波路１１ａ−１１ｂを通過し、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂへの光漏話は発生しない。
【００２５】
しかし、仮に２個の方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂにずれが生じる、あるいは他の要因によって、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂへの光漏話が生じた場合、それは第２のマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂにおいて、同様の原理によってほぼ１００％がバイパス光導波路１３ａ−１３ｂを通過し、出力光導波路１１ａ−１１ｂへは光漏話がほとんど発生しないことになる。
【００２６】
２つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８に装荷したヒータ１６ａ，１６ｂをオンにし、あらかじめ設けた信号光の２分の１波長分の光路長差をそれぞれ打ち消すと、信号光は入力光導波路１１ａ−１１ｂからバイパス光導波路１３ａ−１３ｂへ導かれ、さらにバイパス光導波路１３ａ−１３ｂから出力光導波路１１ａ−１１ｂへ導かれてバー状態となる。
【００２７】
このように２重ゲート型の光スイッチ単位素子は２つのマッハ・ツェンダー干渉計回路が２重の関門を形成してクロス状態における光漏話を抑制していることから、非常に高消光比の光スイッチを実現することができ、マトリクス光スイッチを用いた光通信システムヘの実用性を高めることが可能な技術である。
【００２８】
図８および図９に示したマトリクス光スイッチの構成は、入力光導波路の本数および出力光導波路の本数をそれぞれ任意に選んで構成することが容易であるが、接続される入力光導波路及び出力光導波路の経路によって、通過する光スイッチ単位素子と交差光導波路の数がまちまちであることより、経路による挿入損失ばらつきが問題となる。
【００２９】
この問題を解決するために考案された新しいマトリクス光スイッチの構成を図１１に示す（特許文献２参照）。
【００３０】
構成は入出力光導波路が同数のＮ×Ｎ（Ｎは正の整数）マトリクス光スイッチであり、ここでは４×４スイッチの構成を示す。
【００３１】
即ち、四つの入力光導波路１ａ−１ｄ〜４ａ−４ｄ、四つの出力光導波路１ｃ−１ｂ〜４ｃ−４ｂとを備え、光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４４はＮ2個に相当する１６個あり、前述の構成との相違点は通過する光スイッチ単位素子および交差光導波路の数がすべての経路において同数となるパス無依存構成である上、導波路型光スイッチの回路レイアウトも図９の構成と異なってＮ個の並列な光スイッチ単位素子をＮ段（図中の例では、Ｎ＝４段）並べて接続する構成となるため、図９の構成が２Ｎ−１段（２×４−１＝７段）となってしまうのに対して回路長が短くなり、伝搬損失を減少させることができるという利点がある。
【００３２】
マトリクス光スイッチとしての動作は前述と同様で、ただ一つの光スイッチ単位素子を駆動することにより、一つの経路が確立され、厳密ノンブロッキング構成である。
【００３３】
また、光スイッチ単位素子として先に述べた２重ゲート型を採用した導波路型マトリクス光スイッチ（特許文献３参照）も実用化されており、その有用性が実証されている。
【特許文献１】特開平６−５１３５４号公報
【特許文献２】特公平６−６６９８２号公報
【特許文献３】特開平９−２９７２３０号公報
【特許文献４】特開平３−２６７９０２号公報
【特許文献５】特開２００２−１６２５２８号公報
【非特許文献１】S. Sohma el al．，Electron‐Lett., Vol.38. No.3 , pp.127-128. 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
図１０に示した２重ゲート型光スイッチ単位素子は、方向性結合器１４ａ，１５ａおよび１４ｂ，１５ｂの作製時における結合率のばらつきによる影響を受けることなく、十分な消光比を実現できる。
【００３５】
しかしながら、実際にはこの構成において予めマッハ・ツェンダー干渉計のアーム光導波路に設定した半波長分の光路長差が作製時に誤差を生じてしまい、オフ（無通電）時に十分な消光が得られない場合がある。
【００３６】
これは干渉計における位相がずれてしまっているためで、例えば熱光学型の光スイッチにおいてはヒータに供給する電力を調節することによって誤差を補正してクロスとバー２つの状態を設定することが可能であるが、光信号の経路をまったく切り替えない状態においても常に光スイッチを駆動している必要があり、電力コストの増加、放熱設計などシステム運用上の問題が生じてしまう。
【００３７】
この問題に関する対処法としてアーム光導波路に加えた局所的な熱応力によって熱履歴現象を発生させて恒常的な屈折率変化を誘起する技術（例えば、特許文献４参照）がある。
【００３８】
この方法によれば、すべての光スイッチ単位素子の特性をそろえることが可能で、スイッチング動作はオン・オフで可能となる上、高い消光比を得ることができる。
【００３９】
しかしながらこの技術によってランダムに発生する作製誤差を補正するためには、作製したすべての部品について検査を行い、すべての誤差を補正する必要が生じるため、作製時間、作製コストの増加を生じる一因となっていた。
【００４０】
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、マトリクス光スイッチ作製時に発生する誤差によって回路特性が変動する場合において、回路の組み合わせにより作製誤差によらない十分な消光比を備えたマトリクス光スイッチを実現する技術である。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
前記目的を達成するために本発明の光スイッチ単位素子は、互いに交差する１本の入力光導波路と１本の出力光導波路、およびそれら入力光導波路と出力光導波路とを接続するバイパス光導波路からなり、バイパス光導波路と入力光導波路との間で入力光導波路を入力部とし、入力光導波路とバイパス光導波路を出力部とする１×２光スイッチを形成し、さらにバイパス光導波路と出力光導波路との間で出力光導波路およびバイパス光導波路を入力部とし、出力光導波路を出力部とする２×１光スイッチを形成し、これら１×２光スイッチおよび２×１光スイッチ間にあるバイパス光導波路の一部を入力部及び出力部とする１×１光ゲートスイッチとなっていることを特徴とする。
【００４２】
前記光スイッチ単位素子は、１×２光スイッチおよび２×１光スイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、もしくは２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、１×２スイッチの入力側と２×１スイッチの出力側にＹ分岐光導波路を配置し、１×２スイッチの出力側と２×１スイッチの入力側が２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、それらを結ぶ２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、Ｙ分岐型光導波路および位相シフタを装備した構成からなる光スイッチ、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチのいずれかの形態であることを特徴とする。
【００４３】
前記光スイッチ単位素子は、前述の１×２光スイッチおよび２×１光スイッチの形態によらず、１×１光ゲートスイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、もしくは２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチ、入力側にＹ分岐型光導波路、出力側に２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、Ｙ分岐型光導波路と方向性結合器を結ぶ２本のアーム米導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハーツェンダー干渉計型光スイッチ、２個のＹ分岐型光導波路および２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成される光スイッチ、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチのいずれかの形態であることを特徴とする。
【００４４】
また本発明のマトリクス光スイッチは、互いに交差するＭ（Ｍは正の整数）本の入力光導波路およびＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路におけるＭ×Ｎ個の交差部に、前記導波路型光スイッチ単位素子を配置し、該導波路型光スイッチ単位素子を前記入出力光導波路にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００４５】
あるいは前記導波路型光スイッチ単位素子をＮ（Ｎは正の整数）行Ｎ列に配置し、第１列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の入力端子とし、第Ｎ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の出力端子とし、適切な１個の前記導波路型光スイッチ単位素子を選択、制御することによって任意の出力光導波路に接続される各入力光導波路からの経路すべてにおいて、導波路型光スイッチ単位素子を常に同数通過するように接続されており、その接続形態として１つには、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする。
【００４６】
また前述の入出力関係を入れ替えることによって実現されるもう１つの形態として、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする。
【００４７】
例えば、図１に示したように現在最も用いられている石英系ガラス光導波路を用いて作製され、前述の構成のうち１×２光スイッチ、２×１光スイッチ、１×１光ゲートスイッチがいずれも２本の光導波路を近接させて構成される方向性結合器が２個と、光路長差が信号光波長の２分の１に設定されている２本のアーム光導波路からなるマッハ・ツェンダー干渉計回路および熱光学位相シフタによって構成される導波路型光スイッチ単位素子によれば、１×２光スイッチを構成する第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路にあらかじめ設定された光路長差によって、オフ時に入力光導波路を伝搬する信号光は方向性結合器の結合率によらず、そのまま入力光導波路を通過して光スイッチ単位素子はクロス状態となる。
【００４８】
仮に、オフ時に第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路からわずかな光漏れ（クロストーク）がバイパス光導波路に生じた場合も、２×１光スイッチを構成する第２のマッハ・ツェンダー干渉計回路において、第１のマッハ・ツェンダー干渉計回路同様にバイパス光導波路をそのまま通過するため出力光導波路へ漏れ出す信号光の割合はごく小さく、接続されていない出力光導波路へのクロストークを抑制することができる。
【００４９】
しかしながら実際の光スイッチ作製においては、方向性結合器の結合率誤差に加えて、マッハ・ツェンダー干渉計回路に設定した光路長差にも誤差が生じる場合がある。
【００５０】
その場合、光信号はオフ時に入力光導波路からバイパス光導波路に漏れ伝わってしまい、さらに出力光導波路へ伝搬しクロストークが発生してしまう。
【００５１】
そこで、前述のとおりバイパス光導波路において、１×１光ゲートスイッチを構成する第３のマッハ・ツェンダー干渉計回路のうち一方の光導波路を１×２光スイッチ（入力）側のバイパス光導波路に接続し、他方の光導波路を２×１光スイッチ（出力）側のバイパス光導波路に接続することにより、ゲートは遮断状態となっているため作製誤差によって劣化した消光比は補完され、光スイッチ単位素子全体として高消光比、すなわち低クロストークが実現される。
【００５２】
熱光学位相シフタを駆動するオン時には第１、第２および第３のマッハ・ツェンダー干渉計回路のそれぞれ一方の光導波路に入力される光信号は他方の光導波路へ導かれ、入力光導波路からバイパス光導波路、さらに開放状態の１×１光ゲートスイッチを経てバイパス光導波路から出力光導波路へと伝搬し、光スイッチ単位素子はバー状態となり、入力光導波路と出力光導波路は接続される。
【００５３】
上述のような構成は作製上の誤差によって方向性結合器の結合率およびマッハ・ツェンダー干渉計回路の光路長差が設定値とずれてしまい、マッハ・ツェンダー干渉計回路１個当たりの消光比が劣化した場合でも、作製行程の追加、光スイッチ駆動回路の増設などを必要とせず、光回路設計のみでクロストークの増加を抑制し、従来と同等の光学特性を実現することが可能となる。
【００５４】
すなわち本発明は光スイッチ単位素子がクロス状態の場合において作製誤差によって発生するクロストークを回路構成の工夫によって低減することを主眼としてなされたものであり、したがって前述のマッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する光結合器がマルチモード光結合器である場合、光結合器の一方がＹ分岐方光導波路で他方が方向性結合器である場合、もしくは光スイッチ単位素子を構成する１×２光スイッチあるいは２×１光スイッチがＹ分岐型光スイッチあるいは方向性結合器型光スイッチである場合にも適用できるものであり、また１×１光ゲートスイッチとして１×２スイッチあるいは２×１スイッチとして用いられた前述のマッハ・ツェンダー干渉計回路の他、２個のＹ分岐光導波路と２本のアー一ム光導波路で構成される光スイッチあるいは方向性結合器型光スイッチの一方のポートを使用した光スイッチである場合にも適用できるものである。
【００５５】
またこれらの光スイッチ単位素子を使用して、互いに交差するＭ（Ｍは正の整数）本の入力光導波路およびＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路によって構成される導波路型マトリクス光スイッチの低クロストーク化を実現することができる。
【００５６】
さらにＮ（Ｎは正の整数）本の入力光導波路とＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路に対してこれら光スイッチ単位素子をＮ行Ｎ列に配置し、適切な１個の導波路型光スイッチ単位素子を選択、制御することによって任意の出力光導波路に接続される各入力光導波路からの経路すべてにおいて、導波路型光スイッチ単位素子を常に同数通過するように接続されている導波路型マトリクス光スイッチの低クロストーク化も実現することができる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明に係るマトリクス光スイッチを構成する光スイッチ単位素子は、互いに交差する入力光導波路、出力光導波路およびバイパス光導波路からなり、入力光導波路とバイパス光導波路で１×２光スイッチを構成し、出力光導波路とバイパス光導波路で２×１光スイッチを構成し、前記１×２光スイッチと前記２×１光スイッチの間のバイパス光導波路に１×１光ゲートスイッチを備えることによって、オフ時に作製誤差によって出力光導波路に発生する光信号漏れ（クロストーク）を極めて低く抑制することができる。
【００５８】
つまり、作製後の補正処理や駆動回路の増設を必要とすることなく、作製精度を大幅に緩和しつつ消光比の優れたマトリクス光スイッチを容易に提供することができる。
【００５９】
また光スイッチを形成する材料および光導波路特性によってマッハ・ツェンダー干渉計回路やＹ分岐光導波路、方向性結合器などさまざまな回路形態を組み合わせて使用することも可能である。
【００６０】
本発明の光スイッチ単位素子およびそれを用いたマトリクス光スイッチは、低コストかつ実用性が高い光スイッチデバイスを提供する非常に有効な手段であり、さまざまな光信号の交換、切替を必要とする大容量光通信網の発展に大きく寄与するものであると期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
本発明を実施するための最良の形態は、以下に示す実施例１〜８である。
【００６２】
以下の実施例では、シリコン基板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用し、光スイッチの構成要素として熱光学効果を利用したマッハ・ツェンダー干渉計回路型光スイッチを採用した導波路型光スイッチ単位素子および導波路型マトリクス光スイッチについて説明する。
【００６３】
これはこの組み合わせが安定かつ集積化が容易であるためで、しかも石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光スイッチを提供できるためである。
【００６４】
しかしながら本発明はこれらの組み合わせに限定されるものではない。
【実施例１】
【００６５】
本発明に係るＮ×Ｎマトリクス光スイッチの実施例１としての４×４マトリクス光スイッチの概略構成を図１および図１１に示す。
【００６６】
図１１はマトリクス光スイッチの論理構成、図１はその構成要素である光スイッチ単位素子の構成図である。
【００６７】
図１（ａ）は本発明に係る光スイッチ単位素子の回路構成平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した線分Ｂ−Ｂ’に沿って切った断面図である。
【００６８】
図１１に示すマトリクス光スイッチは、前述した通り、通過する光スイッチ単位素子の数が経路によらない、パス無依存構成を採用しており、４×４＝１６個の光スイッチ単位素子を４行４列配置した構成となっている。
【００６９】
本実施例に係る光スイッチ単位素子は、図１に示すように、シリコン基板１上に作製され、石英系ガラスクラッド２に埋め込まれた構造の入力光導波路１１ａ−１１ｂと出力光導波路１２ａ−１２ｂが互いに交差しており、それらの近傍に配置されたバイパス光導波路１３ａ−１３ｂを基本要素とする。
【００７０】
バイパス光導波路１３ａ−１３ｂの一部は入力光導波路１１ａ−１１ｂと２箇所で間隔数μｍにまで近接して２個の方向性結合器１４ａおよび１５ａを形成し、２本の光導波路間でマッハ・ツェンダー干渉計回路（１×２光スイッチ）１８ａをなす。
【００７１】
方向性結合器１４ａおよび１５ａの結合率は、結合部における光導波路の間隔、長さを調節することにより５０％となるように設計されている。
【００７２】
マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａのアーム部分となる光導波路は、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂ側の実効光路長が入力光導波路１１ａ−１１ｂ側に対して信号光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように設計されている。
【００７３】
また図１（ｂ）に示すように、実効光路長が短い入力光導波路１１ａ−１１ｂ側のクラッド層２でアーム光導波路上の表面には、熱光学効果を利用する光位相シフタとして薄膜ヒータ１６ａが装荷されている。
【００７４】
同様に、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂの別の一部は出力光導波路１２ａ−１２ｂと２箇所で近接して２個の方向性結合器１４ｂおよび１５ｂを形成し、２本の光導波路間でマッハ・ツェンダー干渉計回路（２×１光スイッチ）１８ｂをなす。
【００７５】
方向性結合器１４ｂおよび１５ｂの結合率は５０％となるように設計され、マッハ・ツェンダー干渉計回路のアーム光導波路は、バイパス光導波路１３ａ−１３ｂ側の実効光路長が出力光導波路１２ａ−１２ｂ側に対して信号光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように設計されている。
【００７６】
また実効光路長が短い出力光導波路１２ａ−１２ｂ側のクラッド層２でアーム光導波路上の表面には、熱光学効果を利用した光位相シフタとしての薄膜ヒータ１６ｂが装荷されている。
【００７７】
また、２つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂの間におけるバイパス光導波路１３ａ−１３ｂのさらに別の一部は、２本の干渉用光導波路１７ａと１７ｂが近接して２個の方向性結合器１４ｃおよび１５ｃを形成し、２本の光導波路間でなされるマッハ・ツェンダー干渉計回路（１×１光ゲートスイッチ）１８ｃに接続されている。
【００７８】
方向性結合器１４ｃおよび１５ｃの結合率は５０％となるように設計され、マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ｃのアーム光導波路は、一方の光導波路１７ｂが他方の光導波路１７ａ側に対して信合光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように設計されている。
【００７９】
また実効光路長が短い光導波路１７ａ側のクラッド層２でアーム光導波路上の表面には熱光学効果を利用した光位相シフタとしての薄膜ヒータ１６ｃが装荷されている。
【００８０】
入力光導波路１１ａ−１１ｂと出力光導波路１２ａ−１２ｂは互いに交差しており、交差部１９にてクロストークおよび放射損失を無視できる角度θで交差している。
【００８１】
薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃがオフ（無通電）時に光導波路の端点１１ａから入力した信号光は、マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａにおいて光導波路１１ａ−１１ｂを伝搬して通過し、光導波路１２ａ−１２ｂとの交差部１９を越えて光導波路端１１ｂへ出力される。
【００８２】
また、光導波路の端点１２ａから入力した信号光は、光導波路１１ａ−１１ｂとの交差部１９を越えて、マッハ・ツェンダー干渉計回路１８ｂにおいて光導波路１２ａ−１２ｂを伝搬して通過し光導波路端１２ｂへ出力される。
【００８３】
すなわちマトリクス光スイッチにおいて、光スイッチ単位素子のオフ時の動作はクロス経路に接続された状態となる。
【００８４】
このとき、入力側の１×２スイッチ１８ａおよび出力側の２×１スイッチ１８ｂにおける方向性結合器１４ａ，１５ａ，１４ｂおよび１５ｂの結合率が設計値の５０％からずれた場合においても、マッハ・ツェンダー干渉計回路の２本のアーム光導波路における実効光路長差が信号光波長の２分の１に設定されていることにより、伝搬する光導波路をそのまま通過して他方の光導波路へは移行しないため、原理上高い消光比を実現できる。
【００８５】
また、仮に光導波路作動時の欠陥や誤差による高次モードの影響などから干渉に寄与しない光パワーが発生し、１×２スイッチ１８ａにおいて入力光導波路１１ａ−１１ｂからバイパス光導波路１３ａ−１３ｂへわずかな光漏れ（クロストーク）となった場合も、後段の２×１スイッチ１８ｂにおいて、同等の消光特性が得られるので、出力光導波路１２ａ−１２ｂへのクロストークを抑制することができる。
【００８６】
さらに、マッハ・ツェンダー干渉計回路のアーム光導波路に設定されている実効光路長差が設計や作製の誤差が原因となってさらなるクロストークが発生した場合にも、１×２スイッチ１８ａおよび２×１スイッチ１８ｂの間のバイパス光導波路１３ａ−１３ｂに接続されている１×１ゲートスイッチ１８ｃによって１×２スイッチ１８ａで発生したクロストークは遮断される。
【００８７】
仮に前述のような高次モードの影響などによりわずかなクロストークがゲートを通過した場合でも２×１スイッチ１８ｂによって出力光導波路１２ａ−１２ｂへの伝搬を阻止できるため、光スイッチ単位素子として非常に高い消光比を実現できる。
【００８８】
ここで本発明の特徴として強調すべき点は、設計あるいは作製の誤差によって光スイッチの動作点が変動し、クロストーク特性が劣化あるいは不均一になってしまう場合においても、作製後の新たな補正処理やオフセット動作のための駆動回路の増設を必要とすることなく、設計の工夫のみで特性劣化を緩和できることにある。
【００８９】
したがって、光スイッチの構成として、上述のようなマッハ・ツェンダー干渉計回路に限らず、Ｙ分岐光導波路やマルチモードカプラーあるいは方向性結合器を構成要素とする光スイッチ単位素子およびそれによって構成される導波路型マトリクス光スイッチにおいても同様の効果が得られるということになる。
【００９０】
薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃが互いに連動してオン（通電）状態となって適切な電力が加えられた場合には、３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃにおけるアーム光導波路の実効光路長差は熱光学効果によって零となり、一方の光導波路に入力された光信号は他方の光導波路へ導かれて伝搬する。
【００９１】
すなわち、１×２光スイッチ１８ａにおいて光導波路端１１ａから入力した光信号はバイパス光導波路１３ａ−１３ｂへと導かれ、また１×１光ゲートスイッチ１８ｃにおいて入力側に接続された光導波路１７ｂから出力側に接続された光導波路１７ａに導かれ、さらに２×１光スイッチ１８ｂにおいてバイパス光導波路１３ａ−１３ｂから出力光導波路１２ａ−１２ｂへと導かれ、最終的に光導波路端１２ｂに出力される。
【００９２】
これによって光スイッチ単位素子はバー経路に接続され、マトリクス光スイッチにおいて入力光導波路と出力光導波路が接続されることになる。
【００９３】
オン状態では方向性結合器１４ａ，１５ａ，１４ｂ，１５ｂ，１４ｃおよび１５ｃの結合率が５０％からずれてしまった場合、光導波路端１１ａから入力した信号光が１×２光スイッチ１８ａにおいて１００％バイパス光導波路１３ａ−１３ｂに導かれず、光導波路１１ａ−１１ｂへ漏れ出した信号光成分が交差部１９を経て光導波路端１１ｂへと伝搬してしまう。
【００９４】
しかしながら、この漏れた成分は結局、図４において使用されない光導波路端１ｄ，２ｄ，３ｄおよび４ｄに出力されるため、光スイッチ単位素子でのごく僅かな損失増加はあるものの、マトリクス光スイッチとして消光比の劣化とはならない。
【００９５】
また、３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃのアーム光導波路に設定した信号光波長の２分の１の実効光路長差が設計とずれてしまった場合には、それぞれの干渉計における動作点を適切に設定すればまったく問題はない。
【００９６】
あるいはシステム設計上、単一または数個の電源でマトリクス光スイッチを制御する必要が生じた場合には各光スイッチ単位素子を最適な動作点で駆動することはできなくなるが、その場合においても生じる損失増加はごく僅かである。
【００９７】
本実施例１における４×４マトリクス光スイッチは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示したとおり、厚さ１ｍｍ、直径４インチのシリコン基板１上に石英系ガラスによって形成されるクラッド層２および埋め込み型の単一モード光導波路を、ＳｉＣ１4やＧｅＣ１4などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃおよび給電のための電極（図示省略）をクラッド層２表面上に真空蒸着およびパターン化によって作製した。
作製した光導波路のコア寸法は４．５μｍ×４．５μｍであり、クラッド層２との比屈折率差Δは１．５％とした。
【００９８】
本実施例１における４×４マトリクス光スイッチは、この光導波路を用い、直線光導波路および曲がり半径２ｍｍの曲線光導波路を組み合わせることによって形成される。
【００９９】
光スイッチ単位素子およびそれらを接続する部分における交差光導波路の角度θは４０度とした。
【０１００】
また光スイッチ単位素子におけるマッハーツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃはアーム光導波路の実効光路長差が信号光波長１．５５μｍの２分の１である０．７７５μｍとなるように設定した。
【０１０１】
石英系ガラスの屈折率が１．４５であることを考慮すれば、実際のアーム光導波路長の差は０．７７５μｍ／１．４５＝０．５３４μｍである。
【０１０２】
熱光学効果による位相シフタとしてクラッド層２の表面上に形成した薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは厚さ０．１μｍ、幅３０μｍ、長さ１ｍｍ、とした。
【０１０３】
３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂおよび１８ｃと交差光導波路によって構成される本実施例１の光スイッチ単位素子は全長１１ｍｍであった。
【０１０４】
またこの光スイッチ単位素子を組み合わせて形成される４×４マトリクス光スイッチのチップサイズは１０ｍｍ×８０ｍｍとなった。
【０１０５】
この４×４マトリクス光スイッチチップをダイシングソーによって切り出した後、放熱板をシリコン基板１の下部に取り付け、入出力光導波路端にはシングルモード光ファイバアレイを接続した。
【０１０６】
光スイッチチップの給電端子は電気コネクタを設置した外部電気配線板と電気的に接続してモジュールが完成した。
【０１０７】
電気コネクタに電源を接続し、給電すべき薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂ，１６ｃを適切に選択することによって４入力４出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１０８】
任意の入出力ポートを接続するためにオン状態となった光スイッチ単位素子に装荷された３つの薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃに給電した電力は１つにつき０．４Ｗであったので、各光スイッチ単位素子の消費電力は１．２Ｗであり、４×４マトリクス光スイッチ全体では同時に駆動する光スイッチ単位素子が４個であるので、全消費電力は４．８Ｗ程度であった。
【０１０９】
マトリクス光スイッチの入力光導波路端から出力光導波路端に至る光ファイバ接続損失を含めた挿入損失は２ｄＢ程度で、マトリクス光スイッチ全体での消光比は６０ｄＢ以上であった。
【０１１０】
特に消光比は、製造誤差により方向性結合器の結合率が５０％±１０％程度と大きくずれ、設定した実効光路長差が設定した０．７７５μｍに対して１０〜２０％ずれた場合においても優れた消光特性を示し、本発明に係るマトリクス光スイッチが製造誤差に非常に強いことを示した。
【０１１１】
また、比較のため図２に示したような互いに交差するそれぞれ４本の入出力光導波路を基本として構成されるクロスバー型４×４マトリクス光スイッチも作製した。
【０１１２】
使用した光導波路の仕様は前述のパス無依存型４×４マトリクス光スイッチと同様である。
【０１１３】
本実施例による４×４マトリクス光スイッチは７段の光スイッチ群を集積した構成となっており、給電のための電極を含めたチップサイズは１０ｍｍ×１３０ｍｍであった。
【０１１４】
放熱板、光ファイバアレイを取り付けてモジュール化し、光学特性を測定したところ、マトリクス光スイッチとして挿入損失は１〜３ｄＢ、消光比は６０ｄＢ以上であった。
【０１１５】
また、マトリクス光スイッチ全体の消費電力は４．８Ｗであった。
【０１１６】
このように、本発明における光スイッチ単位素子を採用することによりマトリクス光スイッチの構成にかかわらず製造誤差に強い優れた消光特性を示した。
【実施例２】
【０１１７】
本発明に係るＭ×Ｎ（Ｍ，Ｎはそれぞれ異なる正の整数）マトリクス光スイッチの実施例として４×８マトリクス光スイッチの構成を図２に示す。
【０１１８】
図中、１ａ−１ｄ，２ａ−２ｄ〜４ａ−４ｄは入力光導波路、１ｃ−１ｂ，２ｃ−２ｂ〜８ｃ−８ｂは出力光導波路であり、４×８＝３２箇所の交差点には光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４８が配置されている。
【０１１９】
本実施例において使用した光導波路の仕様やチップ、モジュールの作製方法は実施例１における４×４マトリクス光スイッチと同様である。
【０１２０】
実施例１に対して、本実施例のマトリクス光スイッチは入出力光導波路の本数が異なることが特徴である。マトリクス構成はクロスバー型とした。
【０１２１】
この構成は任意の入出力光導波路本数が選べるという点でＭ×Ｎマトリクス光スイッチの実現に適しており、それぞれ１〜４個の光スイッチ単位素子の群を１１段接続して作製される。
【０１２２】
本実施例の４×８マトリクス光スイッチの基板上での回路配置図の概略を図３に示す。
【０１２３】
図３に示すように、入力光導波路束７０ａから出力光導波路束７０ｂに至る全１１段の光スイッチ単位素子群は９０度に曲げられた曲線光導波路および直線光導波路を適切に接続して、回路の全長をできるだけ短くかつ全体のサイズが小さくなるように設計されていることを特徴とする配置である。
【０１２４】
ここで、本実施例において用いている光導波路の仕様はクラッドとコアの比屈折率差Δが１．５％であり、それと接続されるシングルモード光ファイバとはコアを伝搬する光信号のスポットサイズに違いがあることから、結合損失が発生してしまうという問題がある。
【０１２５】
そこで、本実施例においてはテーパ構造を持つスポットサイズ変換光導波路（図示省略、特許文献５参照）を入出力光導波路端面付近に採用し、シングルモード光ファイバとの結合損失を低減することで、マトリクス光スイッチチップ全体としての挿入損失を低く抑えている。
【０１２６】
本実施例の４×８マトリクス光スイッチは厚さ１ｍｍのシリコン基板上に作製され、給電端子および電気配線を含めたチップサイズは６５ｍｍ×７０ｍｍであった。
【０１２７】
光スイッチ単位素子Ｓ１１〜Ｓ４８の回路構成、設計仕様およびモジュール作製方法は実施碗１と同様である。
【０１２８】
電気コネクタに電源を接続し、給電すべきヒータを適切に選択することによって４入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１２９】
任意の入出力ポートを接続するためにオン状態となった光スイッチ単位素子に装荷された３つの薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃに給電した電力は１つにつき０．４Ｗであったので、各光スイッチ単位素子の消費電力は１．２Ｗであり、４×８マトリクス光スイッチ全体では同時に駆動する光スイッチ単位素子が４個であるので、全消費電力は４．８Ｗ程度であった。
【０１３０】
マトリクス光スイッチの入力光導波路端から出力光導波路端に至る光ファイバ接続損失を含めた挿入損失は４ｄＢ以下で非常に低損失な値が得られた。
【０１３１】
また、マトリクス光スイッチ全体での消光比は方向性結合器や実効光路長差の製造後差が発生しても６０ｄＢ以上と優れた値を示した。
【実施例３】
【０１３２】
本発明に係る８×８マトリクス光スイッチの構成を図４に示す。
【０１３３】
本実施例ではパス無依存構成を採用し、光スイッチチップ上での回路レイアウトは実施例２と同様に曲線光導波路および直線光導波路を適切に接続して光スイッチ単位素子群を畳み込むように配置し、回路長および全体のサイズが小さくなるように設計した。
【０１３４】
本実施例において採用した光スイッチ単位素子の回路構成およびその構造を図５に示す。
【０１３５】
図５（ａ）は光スイッチ単位素子の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示した線分Ｃ−Ｃ’に沿って切った断面図、図５（ｃ）は線分Ｄ−Ｄ’に沿って切った断面図である。
【０１３６】
図５に示したとおり、本実施例ではマッハ・ツェンダー干渉計回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃのアーム光導波路部分に沿ってそれぞれ３箇所に断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃを形成したものであり、その他の構成は前述した図１に示す光スイッチ単位素子の回路構成と同様である。
【０１３７】
本実施例で採用する断熱溝構造は、薄膜ヒータ１６ａ，１６ｂおよび１６ｃから発生する熱が基板水平方向に拡散するのを断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃで抑制し、効率的にコアの温度を上昇させて屈折率変化を起こすことができるようになるため、熱光学型の光スイッチの低消費電力化に非常に有効な技術である（非特許文献１参照）。
【０１３８】
本実施例においては断熱溝同士の間隔やクラッド層２の厚さを調節することにより、光路の切替に必要となる電力が薄膜ヒータ１つ当たり従来の２５％となる０．１Ｗとなった。
【０１３９】
また、断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃを形成することによって隣接する光導波路への熱の伝搬を遮断できるので導波路間隔を狭めることができ、光回路の小型化も可能となる。
【０１４０】
具体的には従来の導波路間隔の半分以下に狭めることが可能となった。
【０１４１】
本実施例で作製した８×８マトリクス光スイッチは実施例１および２における光導波路と同様の仕様で作製し、また実施例２で用いたスポットサイズ変換光導波路も採用した。
【０１４２】
なお、断熱溝２０ａ，２０ｂおよび２０ｃは反応性イオンエッチング技術によって形成した。
【０１４３】
厚さ１ｍｍのシリコン基板上に作製したスイッチチップのサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍで、従来０．７５％Δの光導波路で作製されていた８×８マトリクス光スイッチの面積比で半分程度まで小型化を実現した。
【０１４４】
実施例１および２と同様の工程を経てモジュールを作製し、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１４５】
各光スイッチ単位素子の消費電力は０．３Ｗであり、８×８マトリクス光スイッチ全体では同時に、駆動する光スイッチ単位素子が８個であるので、全消費電力は２．４Ｗ程度と非常に低消費電力であった。
【０１４６】
マトリクス光スイッチの入力光導波路端から出力光導波路端に至る光ファイバ接続損失を含めた挿入損失は５ｄＢ程度であった。
【０１４７】
また、マトリクス光スイッチ全体での消光比は方向性結合器や実効光路長差の製造後差が発生しても６０ｄＢ以上と優れた値を示した。
【０１４８】
以上、本発明の実施例１〜３では、図１に示したように光スイッチ単位素子を構成する１×１光ゲートスイッチ１８ｃが消光比を優先するためにマッハ・ツェンダー干渉計回路の対角の光導波路１７ｂから１７ａに接続されている部分について、回路の作製誤差が少なく、設計上の回路対称性を重要とする場合においては１×１光ゲートスイッチ１８ｃの入力側、出力側のいずれも光導波路１７ａに接続することで同様の効果を得ることは可能である。
【０１４９】
ただし、方向性結合器の結合率誤差が大きい場合は十分な消光比が得られない場合もあるので、用途と状況に応じて適宜設計指針を決定する必要がある。
【０１５０】
また、実施例１〜３では信号光波長が１．５５μｍである場合を取り扱ったが、本発明の構成手法によれば信号光波長が例えば１．３μｍである場合にも適用できることは明らかであり、使用する波長帯によって適切な設計を行うことができる。
【０１５１】
また、実施例１〜３では２個の方向性結合器からなるマッハ・ツェンダー干渉計回路を基本として構成される光スイッチ単位素子を用いたが、マッハ・ツェンダー干渉計を形成する要素は、例えばマルチモード光結合器あるいはＹ分岐型光導波路であっても良い。
【０１５２】
つまり目的とする効果を得るための手段として、回路構成はさまざまな組み合わせが可能であることを表しており、以下、実施例によってそれらを示す。
【実施例４】
【０１５３】
図４に示した８×８マトリクス光スイッチの光スイッチ単位素子について、１×１光ゲートスイッチの入力側を図１における光導波路１７ａに接続し、出力側も同様に光導波路１７ａに接続した形態からなる、新たな回路構成の８×８マトリクス光スイッチモジュールに関する実施例である。
【０１５４】
即ち、図１２に示すように、実施例４は実施例１の変形例であり、通常、消光比を大きく取るためにマッハ・ツェンダー干渉計回路はクロスに接続（入力と出力で接続される導波路が図面において上下異なる）されるところを、真ん中の１×１光ゲートスイッチ１８ｃのみ、スルーに接続（入力と出力で接続される導波路が同じ）した例である。
【０１５５】
但し、薄膜ヒータ１６ｃがオフ（無通電）のとき、アーム光導波路１７ａ，１７ｂの実効光路長差が０となり、薄膜ヒータ１６ｃがオン（通電）のとき、アーム光導波路１７ａ，１７ｂの実効光路長差が信号光波長１．５５μｍの２分の１である０．７７５μｍとなるように設定する。
【０１５６】
図１に示す実施例１の場合、１×１光ゲートスイッチ１８ｃは、方向性結合器１４ｃがどうしても非対称な設計になってしまうのに比較し、回路設計上対称性を極力保ちたい場合には、実施例４が有効である。
【０１５７】
その他の回路構成、レイアウト、作製方法については実施例３と同様である。
【０１５８】
本実施例で作製された８×８マトリクス光スイッチモジュールは、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１５９】
消費電力、挿入損失は実施例３と同様であり、マトリクス光スイッチ全体での消光比は５５ｄＢ以上であった。
【０１６０】
実施例３と比較して消光比ではやや劣ったものの、設計上、回路の対称性が良いため、作製誤差が少なく、特に挿入損失の均一性は、実施例３において最大と最小損失の差が１ｄＢを超えるものもあったのに対して、０．５ｄＢ程度と改善された。
【実施例５】
【０１６１】
図４に示した８×８マトリクス光スイッチの光スイッチ単位素子について、１×２光スイッチ、２×１光スイッチ、１×１光ゲートスイッチをそれぞれ構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の、光結合器部分をマルチモード光結合器とした形態からなる、新たな回路構成の８×８マトリクス光スイッチモジュールに関する実施例である。
【０１６２】
その他の回路構成、レイアウト、作製方法については実施例３と同様である。
本実施例で作製された８×８マトリクス光スイッチモジュールは、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１６３】
消費電力は実施例３と同様であり、挿入損失はやや高く７ｄＢ程度であった。
【０１６４】
マトリクス光スイッチ全体での消光比は６０ｄＢ以上で優れた値を示した。
【０１６５】
挿入損失はやや高かったものの、光結合器の結合率均一性良く、回路も若干小さくなるため、デバイスを小型化し、挿入損失の均一性を上げるためには有効な手段であった。
【実施例６】
【０１６６】
図４に示した８×８マトリクス光スイッチの光スイッチ単位素子について、１×２光スイッチを構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の入力側光結合器、２×１光スイッチを構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の出力側光結合器、１×１光ゲートスイッチを構成するマッハ・ツェンダー干渉計回路の入力側光結合器をＹ分岐型光導波路とし、いずれも他方を方向性結合器とした形態からなる、新たな回路構成の８×８マトリクス光スイッチモジュールに関する実施例である。
【０１６７】
その他の回路構成、レイアウト、作製方法については実施例３と同様である。
【０１６８】
本実施例で作製された８×８マトリクス光スイッチモジュールは、電気コネクタに電源を接続して給電すべきヒータを適切に選択することにより、８入力８出力のポート間を任意に切替、接続する光スイッチ動作が確認された。
【０１６９】
消費電力は実施例３と同様であり、挿入損失は６ｄＢ程度であった。
【０１７０】
マトリクス光スイッチ全体での消光比は６０ｄＢ以上で優れた値を示した。
【０１７１】
マッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する一方の光結合器をＹ分岐型光導波路とすることで結合率の製造誤差が改善され、実施例３と同程度の光学特性で、挿入損失の均一性が向上した。
【０１７２】
以上、実施例１〜６においては光スイッチ単位素子を構成する３つのマッハ・ツェンダー干渉計回路の光結合器部分における回路構成が、いずれも同様の構成となっているが、要求される光学仕様および光スイッチ回路規模、回路レイアウトなどに応じて、実施例１〜６で述べたマッハ・ツェンダー干渉計回路のいずれかの形態を任意に組み合わせて、光スイッチ単位素子を構成しても同様の効果が得られる。
【０１７３】
また実施例１〜６ではシリコン基板上の石英系ガラスを基本とするマトリクス光スイッチについて説明したが、マッハーツェンダー干渉計回路を用いた光スイッチを構成できる他の材料、例えば高分子光導波路やイオン拡散型光導波路、更には電気光学効果を用いる位相シフタを備えたニオブ酸リチウム系光導波路などにも本発明が適用可能である。
【０１７４】
また実施例１〜６ではマッハ・ツェンダー干渉計回路を要素とした光スイッチ単位素子、およびそれによって構成されるマトリクス光スイッチについて述べたが、光スイッチ単位素子を構成する要素は例えば、Ｙ分岐光導波路やマルチモードカプラーあるいは方向性結合器であっても同様の効果が得られるということを重ねて述べる。
【実施例７】
【０１７５】
その一実施例としてシリコン基板１上に作製される高分子光導波路３２を用い、Ｙ分岐光導波路３０および熱光学位相シフタ３１を要素とする光スイッチ単位素子の概略を図６に示す。
【０１７６】
図６（ａ）は回路平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）における線分Ｅ−Ｅ’の断面図、図６（ｃ）は線分Ｆ−Ｆ’の断面図である。
【０１７７】
即ち、シリコン基板１上に作製された高分子光導波路３２により、互いに交差する入力光導波路及び出力光導波路と、それらの近傍に配置されたバイパス光導波路を構成している。
【０１７８】
バイパス光導波路と入力光導波路とがＹ分岐光導波路３０を形成すると共にその上に装備された熱光学位相シフタ３１により１×２光スイッチが構成され、バイパス光導波路と出力光導波路とがＹ分岐光導波路３０を形成すると共にその上に装備された熱光学位相シフタ３１により２×１光スイッチが構成され、更に、二つのＹ分岐光導波路３０とその間の２本のアーム導波路の一方に装備された熱光学位相シフタ３１により１×１光ゲートスイッチが構成されている。
【０１７９】
つまり、実施例１と同様に、パス無依存構成で光スイッチ単位素子を組み合わせて４×４マトリクス光スイッチを作製したものであり、光学特性を調べたところ、６０ｄＢ以上の消光比を得た。
【実施例８】
【０１８０】
また、ニオブ酸リチウム系光導波路は電気光学効果による導波路型光スイッチを作製することが出来る。
【０１８１】
この場合、回路要素としては方向性結合器を用い、近接する２本の導波路の間に電界をかけることで、経路切替を行う。
【０１８２】
本発明の実施例８に係るニオブ酸リチウム系光導波路を用いた光スイッチ単位素子の概略を図７に示す。
【０１８３】
図７（ａ）は回路平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）における線分Ｇ−Ｇ’の断面図、図７（ｃ）は線分Ｈ−Ｈ’の断面図である。
【０１８４】
図７に示すように、本実施例に係る光スイッチ単位素子は、ニオブ酸リチウム系基板４０上に作製されるニオブ酸リチウム系光導波路コア４４により、互いに交差する入力導波路と出力導波路、及びその近傍のバイパス導波路を構成し、絶縁膜４５で覆ったものである。
【０１８５】
バイパス光導波路と入力光導波路とが方向性結合器４１を形成すると共にその近接する２本の導波路上に装備された電界印加電極４３ａ，４３ｂにより１×２光スイッチが構成され、バイパス光導波路と出力光導波路とが方向性結合器４１を形成すると共にその近接する２本の導波路上に装備された電界印加電極４３ａ，４３ｂにより２×１光スイッチが構成され、更に、その間の２本の導波路及び近接する２本の導波路上に装備された電界印加電極４３ａ，４３ｂにより１×１光ゲートスイッチが構成されている。
【０１８６】
つまり、実施例１と同様に、パス無依存構成で光スイッチ単位素子を組み合わせて４×４マトリクス光スイッチを作製したものであり、光学特性を調べたところ、６０ｄＢ以上の消光比を得た。
【０１８７】
なお、これらの回路要素を任意に組み合わせて光スイッチ単位素子を構成することも可能であることは勿論であり、いずれの組み合わせを用いて構成しても同様の効果を得ることが可能である。
【０１８８】
このように説明したように、本発明の導波路型光スイッチ単位素子は、図１に示すように、従来の２×２スイッチに１×１ゲートスイッチ１８ｃを追加したところに特徴があり、本発明の導波路型マトリックス光スイッチは、前記の導波路型光スイッチ単位素子を構成単位としてマトリックス光スイッチを構成した点に特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【０１８９】
本発明は、光ルータなど光通信システムにおいて用いられる光スイッチとして広く利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１９０】
【図１】本発明の実施例１における１×２光スイッチ、２×１光スイッチおよび１×１光スイッチを備えた光スイッチ単位素子の構成を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の実施例２における４×８マトリクス光スイッチの構成を示す全体平面図である。
【図３】本発明の実施例２における４×８マトリクス光スイッチチップの回路配置の概略を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例３における８×８マトリクス光スイッチの構成を示す全体平面図である。
【図５】本発明の実施例３における１×２光スイッチ、２×１光スイッチおよび１×１光スイッチを備え、断熱溝構造を有する光スイッチ単位素子の構成を示す平面図および断面図である。
【図６】本発明の一実施形態であるＹ分岐光導波路を構成要素とした光スイッチ単位素子の平面図である。
【図７】本発明の一実施形態である方向性結合器を構成要素とした光スイッチ単位素子の平面図である。
【図８】４×４マトリクス光スイッチの基本構成の一例を示す全体平面図および各光スイッチ単位素子の動作状態を説明する図である。
【図９】本実施例１の一形態である図１の４×４マトリクス光スイッチを石英系ガラス光導波路で実現した導波路型４×４マトリクス光スイッチの全体平面図である。
【図１０】従来の２重ゲート型光スイッチ単位素子の平面図および断面図である。
【図１１】本実施例１の一形態であるパス無依存構成４×４マトリクス光スイッチの構成を示す全体平面図である。
【図１２】本発明の実施例４における１×２光スイッチ、２×１光スイッチおよび１×１光スイッチを備えた光スイッチ単位素子の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１９１】
１ａ−１ｄ，２ａ−２ｄ〜８ａ−８ｄ 入力光導波路
１ｃ−１ｂ，２ｃ−２ｂ〜８ｃ−８ｂ 出力光導波路
１ シリコン基板
２ クラッド層
１１ａ−１１ｂ 入力光導波路
１２ａ−１２ｂ 出力光導波路
１３ａ−１３ｂ バイパス光導波路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 方向性結合器
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 薄膜ヒータ（熱光学位相シフタ）
１７ａ，１７ｂ １×１光ゲートスイッチとしてのマッハ・ツェンダー干渉計回路を形成する光導波路
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ マッハ・ツェンダー干渉計回路
１９ 光導波路交差部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 断熱溝
３０ Ｙ分岐光導波路
３１ 薄膜ヒータ（熱光学位相シフタ）
３２ 高分子光導波路
４０ ニオブ酸リチウム系基板
４１ 方向性結合器（１×２スイッチまたは２×１スイッチ）
４２ 方向性結合器（１×１スイッチ）
４３ａ 電界印加電極
４３ｂ 電界印加電極
４４ ニオブ酸リチウム系光導波路コア
４５ 絶縁膜
７０ａ 入力光導波路束
７０ｂ 出力光導波路束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに交差する１本の入力光導波路および１本の出力光導波路、さらに前記入力光導波路と前記出力光導波路とを接続するバイパス光導波路からなり、前記バイパス光導波路と前記入力光導波路との間で、前記入力光導波路を入力部となし、前記入力光導波路および前記バイパス光導波路を出力部とする１×２光スイッチと、前記バイパス光導波路と前記出力光導波路との間で、前記出力光導波路および前記バイパス光導波路を入力部となし、前記出力光導波路を出力部とする２×１光スイッチと、前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチ間の前記バイパス光導波路を入力部および出力部とする１×１光ゲートスイッチを備えていることを特徴とする導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項２】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタとによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項３】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタとによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項４】
前記１×２光スイッチの入力側および前記２×１光スイッチの出力側にＹ分岐型光導波路、前記１×２光スイッチの出力側および前記２×１光スイッチの入力側に２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、Ｙ分岐型光導波路と方向性結合器を結ぶ２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項５】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、Ｙ分岐型光導波路および位相シフタを装備した構成からなる光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項６】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項７】
前記１×１光ゲートスイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項８】
前記１×１光ゲートスイッチが、２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項９】
前記１×１光ゲートスイッチの入力側にＹ分岐型光導波路、出力側に２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、Ｙ分岐型光導波路と方向性結合器を結ぶ２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項１０】
前記１×１光ゲートスイッチが、２個のＹ分岐型光導波路および２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成される光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項１１】
前記１×１光ゲートスイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項１２】
互いに交差するＭ（Ｍは正の整数）本の入力光導波路およびＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路におけるＭ×Ｎ個の交差部に、請求項１〜１１に記載の導波路型光スイッチ単位素子を配置し、該導波路型光スイッチ単位素子を前記入出力光導波路にそれぞれ接続することを特徴とする導波路型マトリクス光スイッチ。
【請求項１３】
請求項１〜１１に記載の導波路型光スイッチ単位素子をＮ（Ｎは正の整数）行Ｎ列に配置し、第１列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の入力端子とし、第Ｎ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の出力端子とし、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする導波路型マトリクス光スイッチ。
【請求項１４】
請求項１〜１１に記載の導波路型光スイッチ単位素子をＮ（Ｎは正の整数）行Ｎ列に配置し、第１列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の入力端子とし、第Ｎ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の出力端子とし、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする導波路型マトリクス光スイッチ。
【請求項１】
互いに交差する１本の入力光導波路および１本の出力光導波路、さらに前記入力光導波路と前記出力光導波路とを接続するバイパス光導波路からなり、前記バイパス光導波路と前記入力光導波路との間で、前記入力光導波路を入力部となし、前記入力光導波路および前記バイパス光導波路を出力部とする１×２光スイッチと、前記バイパス光導波路と前記出力光導波路との間で、前記出力光導波路および前記バイパス光導波路を入力部となし、前記出力光導波路を出力部とする２×１光スイッチと、前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチ間の前記バイパス光導波路を入力部および出力部とする１×１光ゲートスイッチを備えていることを特徴とする導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項２】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタとによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項３】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタとによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項４】
前記１×２光スイッチの入力側および前記２×１光スイッチの出力側にＹ分岐型光導波路、前記１×２光スイッチの出力側および前記２×１光スイッチの入力側に２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、Ｙ分岐型光導波路と方向性結合器を結ぶ２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項５】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、Ｙ分岐型光導波路および位相シフタを装備した構成からなる光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項６】
前記１×２光スイッチおよび前記２×１光スイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項７】
前記１×１光ゲートスイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器２個と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項８】
前記１×１光ゲートスイッチが、２個のマルチモード光結合器と２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項９】
前記１×１光ゲートスイッチの入力側にＹ分岐型光導波路、出力側に２本の近接した光導波路からなる方向性結合器を配置し、Ｙ分岐型光導波路と方向性結合器を結ぶ２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成されるマッハ・ツェンダー干渉計型光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項１０】
前記１×１光ゲートスイッチが、２個のＹ分岐型光導波路および２本のアーム光導波路およびアーム光導波路の少なくともいずれか一方に装備した位相シフタによって構成される光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項１１】
前記１×１光ゲートスイッチが、２本の近接した光導波路からなる方向性結合器および少なくともいずれか１本の光導波路に装備した位相シフタによって構成される光スイッチであることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の導波路型光スイッチ単位素子。
【請求項１２】
互いに交差するＭ（Ｍは正の整数）本の入力光導波路およびＮ（Ｎは正の整数）本の出力光導波路におけるＭ×Ｎ個の交差部に、請求項１〜１１に記載の導波路型光スイッチ単位素子を配置し、該導波路型光スイッチ単位素子を前記入出力光導波路にそれぞれ接続することを特徴とする導波路型マトリクス光スイッチ。
【請求項１３】
請求項１〜１１に記載の導波路型光スイッチ単位素子をＮ（Ｎは正の整数）行Ｎ列に配置し、第１列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の入力端子とし、第Ｎ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の出力端子とし、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする導波路型マトリクス光スイッチ。
【請求項１４】
請求項１〜１１に記載の導波路型光スイッチ単位素子をＮ（Ｎは正の整数）行Ｎ列に配置し、第１列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の入力端子とし、第Ｎ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路Ｎ本をそれぞれＮ個の出力端子とし、第１行（２ｋ−１）列（ｋは整数、２≦２ｋ＜Ｎ）に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第２行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行（２ｋ−１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、Ｎが奇数のとき第（Ｎ−１）行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第１行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は第２行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第１行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路にそれぞれ接続し、第Ｎ行２ｋ列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路および出力光導波路は、Ｎが偶数のとき第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続し、Ｎが奇数のとき第Ｎ行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の入力光導波路と第（Ｎ−１）行（２ｋ＋１）列に配置された光スイッチ単位素子の出力光導波路に接続されていることを特徴とする導波路型マトリクス光スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−３８８９７（Ｐ２００６−３８８９７Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１３９１６（Ｐ２００４−２１３９１６）
【出願日】平成１６年７月２２日（２００４．７．２２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２２日（２００４．７．２２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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