(57)【要約】【課題】スイッチエレメントの間の間隔を狭くして小型化しつつ、クロストークを低減した光信号処理装置を提供する。【解決手段】複数の入力光導波路と、複数の出力光導波路と、複数の入力光導波路と複数の出力光導波路との間に配列された複数の光導波路素子と、接続光導波路とを備えた光信号処理装置であって、光導波路素子と近接する接続光導波路の伝搬定数が、当該近接する前記光導波路素子を構成する光導波路の伝搬定数と異なる。光導波路素子と近接する接続光導波路は、一端または両端が光導波路素子と接続されている接続光導波路または両端が光導波路素子と接続されていない接続光導波路である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力光導波路と、複数の出力光導波路と、前記複数の入力光導波路と前記複数の出力光導波路との間に配列された複数の光導波路素子と、接続光導波路とを備えた光信号処理装置であって、
前記光導波路素子と近接する前記接続光導波路の伝搬定数が、当該近接する前記光導波路素子を構成する光導波路の伝搬定数と異なる、光信号処理装置。
【請求項２】
前記接続光導波路は、少なくとも一端が前記光導波路素子と接続されている第１の接続光導波路を含み、前記第１の接続光導波路の伝搬定数が前記近接する前記光導波路素子を構成する光導波路の伝搬定数と異なる、請求項１に記載の光信号処理装置。
【請求項３】
前記接続光導波路は、少なくとも一端が前記光導波路素子と接続されていない第２の接続光導波路を含み、
前記第２の接続光導波路の伝搬定数が前記近接する前記光導波路素子を構成する光導波路の伝搬定数と異なる、または、
前記第２の接続光導波路の伝搬定数が、少なくとも一端が前記光導波路素子と接続されている第１の接続光導波路の伝搬定数と異なる、請求項１または２に記載の光信号処理装置。
【請求項４】
複数の入力光導波路と、複数の出力光導波路と、前記複数の入力光導波路と前記複数の出力光導波路との間に配列された複数の光導波路素子とを備えた光信号処理装置であって、
前記複数の光導波路素子の内の、光導波方向に直交する方向に近接して配列された２つの光導波路素子を構成する光導波路の伝搬定数が異なる、光信号処理装置。
【請求項５】
伝搬定数が互いに異なる２つの光導波路は光導波路幅が異なる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光信号処理装置。
【請求項６】
前記光導波路素子がマッハツェンダ干渉計を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光信号処理装置。
【請求項７】
前記複数の光導波路素子は、光導波路素子を多段構成したＰＩＯＳＳ構成を光導波方向に直交する方向に配列した多入力多出力光スイッチを構成する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光信号処理装置。
【請求項８】
前記多入力多出力光スイッチは、マルチキャストスイッチの機能を有する、請求項７記載の光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理装置に関し、より詳細には、光スイッチ機能を有する光信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信ネットワークでは、ＣＤＣ（Color-less， Direction-less， Contention-less）-ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）と呼ばれる光伝送通信方式の導入が進んでいる。ＣＤＣ−ＲＯＡＤＭネットワークのノードにおいて、マルチキャストスイッチ（MultiCast Switch：ＭＣＳ） は、ノードに収容されているトランスポンダを、信号光の波長に依存することなく（Color-less）、任意の方路に（Direction-less）別方路に割り当てられる同一波長の光信号を光ノード内で衝突せずに（Contention-less）接続することを可能とする、キーデバイスとなる光入出力装置である。
【０００３】
光伝送装置の効率化のためには、ＭＣＳを小型化することが求められる。これまでに、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：平面光回路）を利用し、ＰＩＬＯＳＳ（Path-Independent insertion-Loss）と呼ばれる構成を採用した小型ＭＣＳが報告されている。（下記非特許文献１、２参照）
【０００４】
上記のようなＭＣＳやＰＩＬＯＳＳスイッチでのスイッチエレメントとしてマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）スイッチ（非特許文献３）が多く採用されている。
【０００５】
図１（ａ）は、光導波路で構成されたスイッチエレメントとして機能する素子であるＭＺＩスイッチを示す図である。図１（ａ）に示すＭＺＩスイッチにおいて、左端の２つの光導波路のいずれかより入力された光信号は、左側の方向性結合器において上下２つの光導波路（アーム）に分岐され、２つのアーム光導波路の少なくとも一方に形成された位相シフタにより位相変化が与えられ、右側の方向性結合器において再び合波され干渉した結果、位相変化に応じて右端の２つの光導波路のいずれかより切り替え（スイッチング）出力される。
【０００６】
図１（ｂ）は、複数のＭＣＳスイッチやＰＩＬＯＳＳスイッチなどのスイッチエレメントを複数段接続して構成された光信号処理装置（スイッチ）を示す図である。図１（ｂ）に示すように複数のＭＣＳスイッチやＰＩＬＯＳＳスイッチをスイッチエレメントとして用い、これらをｚ軸方向に複数段接続することで、スイッチの消光比を上げることができる。この場合、同じ規模のスイッチを構成するために必要なＭＺＩスイッチの数は倍になる 。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T． Watanabe， et． al．， “Silica-based PLC Transponder Aggregateors for Colorless， Directionless， and Contentionless ROADM”， OFC/NFOEC2012， OTh3D．1， March 8， 2012， Los Angeles
【非特許文献２】Takashi Goh， Akira Himeno， Masayuki Okuno， Hiroshi Takahashi， and Kuninori Hattori， "High-Extinction Ratio and Low-Loss Silica-Based 8x8 Strictly Nonblocking Thermooptic Matrix Switch"， J． Lightwave Technology． VOL-17， NO．7， p-p 1192-1199， JULY 1999
【非特許文献３】T． Shibata et al．， "Silica-based waveguide-type 16 x 16 optical switch module incorporating driving circuits，" in IEEE Photonics Technology Letters， vol． 15， no． 9， pp． 1300-1302， Sept． 2003．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図２は、従来の光信号処理装置の基本構造の平面図を示す。本明細書において、光の全体的な導波方向をｚ軸として、ＭＺＩによるスイッチエレメントの列の方向をｙ軸として、ｙ−ｚ平面がＰＬＣ（平面光回路）の基板平面にあたるものとして表現している。
【０００９】
図２に示す光信号処理装置は、左端の入力側に４個のスイッチエレメントであるＭＺＩスイッチおよび右端の出力側に４個のスイッチエレメントであるＭＺＩスイッチを配置し、さらに入力側のＭＺＩと出力側のＭＺＩスイッチとの間にもスイッチエレメントであるＭＺＩスイッチを配置し、ＭＺＩスイッチ間を光導波路で接続した構成である。ｙ軸方向の各列においてＭＺＩスイッチが４段に接続されている。図２には、各列の前段のＭＺＩスイッチの出力と後段のＭＺＩスイッチの入力を接続する光導波路の他に、ｙ−ｚ平面に配列されたＭＺＩの内、ｙ軸方向の２列目において３段に接続されたＭＺＩスイッチの列と３列目において３段に接続されたＭＺＩスイッチの列と間に形成された光導波路が含まれている。
【００１０】
しかしながら図２の従来の光信号処理装置の構成において、例えば光信号処理装置の小型化の理由により、スイッチエレメント間のｙ軸方向の間隔が小さくなると、ＭＺＩスイッチを構成する光導波路と光導波路が近接する必要が出てくる。光導波路同士が近接する場合、伝搬モードの結合が起こり、光信号が一方の光導波路から他方の光導波路に乗り移ることが知られている。そのため、スイッチエレメント間隔を狭めると光信号同士の光信号の漏れ（クロストーク）が発生し、光信号の信号特性を劣化させてしまう。
【００１１】
これを回避するためには、スイッチエレメントの間の間隔を十分に広くとる必要があり、結果的にＰＬＣのチップサイズを大きくしてしまうという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、スイッチエレメントの間の間隔を狭くして小型化しつつ、クロストークを低減した光信号処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の態様は、光信号処理装置である。一実施形態にかかる光信号処理装置は、複数の入力光導波路と、複数の出力光導波路と、複数の入力光導波路と複数の出力光導波路との間に配列された複数の光導波路素子と、接続光導波路とを備え、光導波路素子と近接する接続光導波路の伝搬定数が、当該近接する前記光導波路素子を構成する光導波路の伝搬定数と異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチエレメントの間の間隔を狭くしつつ、クロストークを低減した光信号処理装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は光導波路で構成されたスイッチエレメント（ＭＺＩスイッチ）を示すであり、（ｂ）は複数のスイッチエレメントを接続して構成された光信号処理装置（スイッチ）を示す図である。
【図２】複数のスイッチエレメントをｙ軸およびｚ軸方向に配列して、スイッチエレメントの出力と入力とを接続して構成された光信号処理装置（スイッチ）を示す図である。
【図３】（ａ）は第１の実施例の光信号処理装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の一部であり、スイッチエレメント同士を接続する光導波路とスイッチエレメントには接続されない光導波路とが近接する領域の拡大図を示す図である。
【図４】第２の実施例の光信号処理装置の構成を示す図である。
【図５】第３の実施例の光信号処理装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の基本的な考え方は、例えば以下の（ｉ）−（ｉｉｉ）と言うことができる。
【００１７】
（ｉ）ＰＩＬＯＳＳ構成の多入力多出力の光スイッチは、多段接続されたスイッチエレメントの内の前段のスイッチエレメントの出力と後段のスイッチエレメントの入力とを接続した構成である。
【００１８】
（ｉｉ）特定の段のスイッチエレメントをスキップしたスイッチエレメント同士の接続等では、スイッチエレメント同士の間に光導波路を通す必要がある。（例えば、ｐ列において多段に配列されたスイッチエレメントの内の、ｎ段目のスイッチエレメントの出力とｎ＋２番目のスイッチエレメントの入力とを接続する場合には、ｎ＋１番目のスイッチエレメントをスキップするための光導波路を、ｐ列目のｎ＋１番目のスイッチエレメントとｐ＋１列目（またはｐ−１列目）のｎ＋１番目のスイッチエレメントとの間に形成して接続する必要がある。）
【００１９】
（ｉｉｉ）上記（ｉｉ）のスイッチエレメントの間に形成された光導波路における伝搬定数を、スイッチエレメントを構成する光導波路の伝搬定数と異ならせることにより、スイッチエレメントを構成する光導波路とスイッチエレメントの間に形成された光導波路との間で生じる得る光信号のクロストーク（ＴＸ）を抑えることができる。
【００２０】
以上を満たすように光信号処理装置を構成することで、低クロストーク特性を確保しつつ、スイッチエレメントの間の間隔を狭くすることが可能となる。
【００２１】
なお、スイッチエレメントは通常、例えばＭＺＩなどの光導波路を主体とした素子で構成されるため（図１（ａ））、以降の記載においては光導波路素子と称する。
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の各実施例の図において、光信号処理装置の左端を入力側、右端を出力側として説明するが、光導波路素子およびこれらを接続する光導波路における光の伝搬方向は可逆であって、右端を入力側、左端の出力側としてもよい。また、光信号処理装置は多段構成として、各段の光導波路素子の出力側の光導波路を次段の光導波路素子の入力側の光導波路に接続してもよい。あるいは、前段の出力側の光導波路素子が後段の入力側の光導波路素子となっていてもよい。
【００２３】
（実施例１）
図３（ａ）は、本発明の実施例１に係る光信号処理装置の、接続光導波路とスイッチエレメントの平面図を示す。
【００２４】
図３（ａ）において、簡単のため、図１の従来例と同じく左端の入力側に４個、右端の出力側に４個の計８個の光導波路素子を有する光信号処理装置が示される。入力側の４個の光導波路素子と出力側の４個の光導波路素子の間には、さらに８個の光導波路素子が配置されている。合計１６個の光導波路素子は、ｙ−ｚ平面内に４行４列に配列されている。入力側と出力側の光導波路素子の間は、２組４本の接続光導波路で接続されている。また、図３（ａ）には、図示された１６個のスイッチエレメントには接続されない光導波路が左から右へとスイッチエレメント間（ｙ軸方向の２列目に配置されたスイッチエレメントと３列目に配列されたスイッチエレメントとの間）を通っている。前述したように、光導波路素子のｙ軸方向の間隔が狭いと光導波路同士の伝搬モードが結合し、光導波路間でクロストークが発生する。
【００２５】
図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるｙ軸方向の２列目及び３列目の３段目（左から３番目）のスイッチエレメント間に形成された光導波路を示す図である。図３（ｂ）は、スイッチエレメントがＭＺＩであった場合の、図３（ａ）におけるｙ軸方向の２列目及び３列目の２段目（左から２番目）のスイッチエレメントと４段目（同４番目）のスイッチエレメントをそれぞれ接続する光導波路（あるいはスイッチエレメントを構成する光導波路）と図示されたスイッチエレメントには接続されない光導波路とが近接する領域の拡大図を示す。
【００２６】
近接する光導波路の伝搬モードの結合強度は光導波路間隔が近くなると近接している距離が短くても強くなる。そのため、光導波路が近づき過ぎると、光信号のクロストークが発生してしまう。また、この結合強度は両者の伝搬定数が同一の時にもっとも大きくなり、両者の伝搬定数が異なる場合にはその値は小さくなる。
【００２７】
光導波路の伝搬定数はコアとクラッドの屈折率差や屈折率分布およびコアの形状により変化する。光信号処理装置が一つのチップ上に光導波路で形成されている場合、通常はコアとクラッドの屈折率は作成時に決まってしまうが、近接する光導波路の形状で伝搬定数を制御することは可能である。特に光導波路の太さはコアを形成する際の露光マスクで制御することができ、変更することが容易である。
【００２８】
本実施例では、図３（ｂ）に示すように、近接する光導波路の太さを変えることにより、両者の伝搬定数を変化させ、両者間での伝搬モードの結合およびその結果もたらされるクロストークを抑えることができる。図３（ｂ）においては、３本の隣接する光導波路の内の中心の光導波路の太さ（ｙ軸方向の幅）を他の２本の光導波路の太さよりも太く構成している。図３（ｂ）の中心の光導波路以外の２本の光導波路が、図３（ａ）のｙ軸方向の２列目及び３列目の３段目（左から３番目）のスイッチエレメントを構成する光導波路と隣接する場合には、これらを伝搬する光信号間のクロストークを低減するために、図３（ｂ）の中心の光導波路以外の他の２本の光導波路の伝搬定数を、図３（ａ）のスイッチエレメントを構成する光導波路の伝搬定数と異ならせてもよい。
【００２９】
例えば、隣接する光導波路の間隔（ｙ軸方向の距離）が４０μｍのとき、２つの光導波路の太さ（ｙ軸方向の幅）の比が、１．０３倍となるように２つの光導波路を構成することで、両者の伝搬係数を異ならせることにより、クロストークを抑えることができる。
【００３０】
上記例において、両端がスイッチエレメントに接続された光導波路は、少なくとも一端がスイッチエレメントには接続された光導波路に置き換えてもよく、および／または、両端がスイッチエレメントに接続されていない光導波路は、少なくとも一端がスイッチエレメントには接続されない光導波路に置き換えてもよい。または、上記例において、両端がスイッチエレメントに接続された光導波路および両端がスイッチエレメントに接続されていない光導波路のいずれか一方が無い構成としてもよい。この場合、少なくとも一端がスイッチエレメントに接続された光導波路の伝搬定数を、ｙ軸方向において近接して配置されたスイッチエレメントを構成する光導波路の伝搬定数を異ならせてもよい。または少なくとも一端がスイッチエレメントに接続された光導波路の伝搬定数を、ｙ軸方向において近接して配置されたスイッチエレメントを構成する光導波路の伝搬定数を異ならせてもよい。
【００３１】
また、上記例において、両端がスイッチエレメントに接続された光導波路および両端がスイッチエレメントに接続されていない光導波路が無い構成とし、ｙ軸方向において近接して配置されたスイッチエレメントにおいて、当該スイッチエレメントを構成する光導波路の伝搬定数を異ならせてもよい。
【００３２】
（実施例２）
図４は、本発明の実施例２に係る光信号処理装置の構成を簡易的に示す図である。本実施例の光信号処理装置は４入力３出力のＰＩＬＯＳＳスイッチであり、入力および出力光導波路と、ｙ−ｚ平面に２次元に配置されたＭＺＩスイッチであるスイッチエレメントと、スイッチエレメント間を接続する接続光導波路とを含む。このような入力と出力が非対称なＰＩＬＯＳＳスイッチでは、多段に並んだスイッチエレメントの各段をスキップし、次の段のスイッチエレメントに接続する接続光導波路が存在する。
【００３３】
上述したように、スイッチエレメント間はできるだけ近づけることでスイッチ全体のサイズを縮小することができる。しかし、ｙ軸方向のスイッチエレメントとスイッチエレメントとの間隔が小さすぎると、スイッチエレメント間に形成された接続光導波路とスイッチエレメントを構成する（ＭＺＩスイッチを構成する）光導波路との間で伝搬モード結合と光信号のクロストークが発生してしまう。
【００３４】
これに対し、スイッチエレメント間に形成された接続光導波路の太さを、スイッチエレメントを構成する光導波路の太さと異ならせることにより、両者の伝搬定数が変化し、伝搬モード結合を弱くすることで光信号のクロストークを抑えることができる。よって、光信号処理装置における光導波路間隔を小さくすることができ、チップを小型化することが可能となる。
【００３５】
また、各段のＭＺＩスイッチをスキップするためにＭＺＩスイッチ間に形成された光導波路のみならず、近接するＭＺＩスイッチにおいて、当該ＭＺＩスイッチを構成する光導波路の伝搬定数を変化させることで、ＭＺＩスイッチ間での光信号のクロストークを抑制することもできる。これは、隣接するＭＺＩスイッチにおいて、幅が異なる光導波路を採用することで達成することができる。
【００３６】
（実施例３）
図５は、本発明の実施例３の光信号処理装置の構成を簡易的に示す図である。本実施例の光信号処理装置は４入力３出力のＰＩＬＯＳＳ構成を採用したマルチキャストスイッチ（ＭＣＳ）であり、入力および出力光導波路と、ｙ−ｚ平面に２次元に配置されたＭＺＩスイッチであるスイッチエレメントと、スイッチエレメント間を接続する接続光導波路と、光スプリッタとを含む。このような入力と出力が非対称なＰＩＬＯＳＳ構成を採用したスイッチでは、実施例２と同様に、多段に並んだスイッチエレメントの各段をスキップし、次の段のスイッチエレメントに接続する接続光導波路が存在する。そのため、実施例２と同様に、スイッチエレメント間に形成された接続光導波路の太さを、スイッチエレメントを構成する光導波路の太さと異ならせることにより、両者の伝搬定数が変化し、伝搬モード結合を弱くすることで光信号のクロストークを抑えることができる。さらに、各段のＭＺＩスイッチをスキップするためにＭＺＩスイッチ間に形成された光導波路のみならず、近接するＭＺＩスイッチにおいて、当該ＭＺＩスイッチを構成する光導波路の伝搬定数を変化させることで、ＭＺＩスイッチ間での光信号のクロストークを抑制することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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