(57)【要約】【課題】光導波路を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置における電気配線を削減する。【解決手段】基板上に形成された光導波路を有する光信号処理装置であって、前記光導波路は少なくとも一つの入力ポートと、少なくとも一つの出力ポートを有し、前記入力ポートから入力された光信号に対して位相シフトを加える位相シフタを含む被駆動エレメントを複数有し、各前記被駆動エレメントは少なくとも二つの制御端子を有し、前記二つの制御端子間に時分割同期した制御信号を印加する制御配線を有し、前記被駆動エレメントへアクセスする前記制御配線が複数の被駆動エレメントで共有される光信号処理装置とした。【選択図】図２
2020042063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された光導波路を有する光信号処理装置であって、
前記光導波路は少なくとも一つの入力ポートと、少なくとも一つの出力ポートを有し、
前記入力ポートから入力された光信号に対して位相シフトを加える位相シフタを含む被駆動エレメントを複数有し、
各前記被駆動エレメントは少なくとも二つの制御端子を有し、
前記二つの制御端子間に時分割同期した制御信号を印加する制御配線を有し、
前記被駆動エレメントへアクセスする前記制御配線が複数の被駆動エレメントで共有され、
前記複数の被駆動エレメントは論理的にマトリックスに配置され、
前記制御配線は、前記マトリックスの行に対応する制御配線と前記マトリックスの列に対応する制御配線の２組の制御配線を含み、
前記マトリックスの行および列の交点に存在する前記被駆動エレメントの二つの制御端子が、前記２組の制御配線のそれぞれに接続され、
前記被駆動エレメントの前記位相シフタの各々に対して整流手段を有し、
前記２組の制御配線に接続され、前記２組の制御配線のそれぞれを選択的にアドレスする電気信号制御手段を有する
ことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項２】
前記電気信号制御手段は、
正極と負極をもつ少なくとも一つの電力発生手段と、
前記電力発生手段の一方の極を前記２組の制御配線の一方に接続する第１の配線選択手段と、
前記電力発生手段の他方の極を前記２組の制御配線の他方に接続する第２の配線選択手段とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
【請求項３】
前記第１または第２の配線選択手段の少なくとも一方を、個別の電力発生手段で駆動され、個別に制御される複数のON/OFFスイッチで構成した
ことを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
【請求項４】
前記光信号処理装置は、マトリックススイッチまたはマルチキャストスイッチ、もしくは光フィルタまたは光信号減衰器である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
【請求項５】
前記整流手段を、行または列の単位でまとめて光導波路とは別の基板に形成されたアレイダイオードで構成した
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
【請求項６】
前記２組の制御配線のそれぞれを選択的にアドレスすることは、第１および第２の配線選択手段により時分割して周期的に制御信号を出力して行い、
前記第１および第２の配線選択手段により所望の前記制御配線を選択的にアドレスする際に供給する前記制御信号の時間幅を段階的あるいは連続的に可変制御することにより、前記被駆動エレメントに供給する電力量を調整する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光信号処理装置の制御方法。
【請求項７】
前記２組の制御配線のそれぞれを選択的にアドレスすることは、第１および第２の配線選択手段により時分割して周期的に制御信号を出力して行い、
前記第１および第２の配線選択手段により所望の前記制御配線を選択的にアドレスする際に供給する前記制御信号の電流値または電圧値または電流値と電圧値の組み合わせを段階的あるいは連続的に可変制御することにより、前記被駆動エレメントに供給する電力量を調整する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光信号処理装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路により構成される光信号処理装置、特に外部から電気制御信号を印加してその状態を変えることが可能な光信号処理装置、およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路は、光を微小な領域に閉じ込めて制御することで様々な機能を発現する技術として、種々の光デバイスに使用されている。光導波路は一般的に、石英系材料、ポリマ、ニオブ酸リチウムなどの各種誘電体やシリコン（Ｓｉ）、インジウム燐（ＩｎＰ）などの半導体材料により構成される。
【０００３】
光導波路技術を用いたデバイスとして、熱光学効果（温度による屈折率の変化）を用いた光スイッチや光可変減衰器などがある。例えば、光スイッチであれば、熱光学効果を用いた位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計(Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＺＩ)（非特許文献１）を複数、直列および並列に組み合わせ配列構成することで、多入力多出力スイッチが実現できることが報告されている（非特許文献２、３）。この光スイッチでは、各ＭＺＩの位相シフタを電気信号で駆動して、熱光学効果で導波路を通過する光を位相変化させることにより、多数の入力光の出力先を同時にスイッチングすることができる。
【０００４】
また、光可変減衰器（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ：ＶＯＡ、非特許文献４）も報告されており、例えばＭＺＩを、位相シフタとともに複数集積することで、光可変減衰器をアレイ化することも可能である。
【０００５】
上述のような光導波路を用いた種々の光デバイスは、光通信システムの構成に不可欠であり、特に近年のＣＤＣ（Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ、Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓ，Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｌｅｓｓ）−ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）機能を有する光通信ノードにおいて、その重要性を増している。例えば、マルチキャストスイッチ（ＭｕｌｔｉＣａｓｔ  Ｓｗｉｔｃｈ：ＭＣＳ）は、ＣＤＣ−ＲＯＡＤＭ機能を実現するのに不可欠な光デバイスである。ＭＣＳのようなデバイスは、熱光学効果を用いた位相シフタにより、電気信号で光信号のスイッチ状態を変更するが、ＲＯＡＤＭ装置すなわち光ノードの規模が大きくなるにつれて、内包する位相シフタの数が増大する。
【０００６】
例えば、１６ｘ１６規模のＭＣＳでは、スイッチエレメントの数は少なくとも２５６個以上になる。光信号のオフ状態での消光比を確保するため、一つのスイッチエレメント（被駆動エレメント）は２つのＭＺＩで構成する方式が好ましく、位相シフタの数は５１２個にも及ぶこととなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】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.
【非特許文献２】Takashi Goh, Mitsuho Yasu, Kuninori Hattori, Akira Himeno, Masayuki Okuno, and Yasuji Ohmori, “Low Loss and High Extinction Ratio Strictly Nonblocking 16×16 Thermooptic Matrix Switch on 6-in Wafer Using Silica-Based Planar Lightwave Circuit Technology”, IEEE J. Lightwave Technol., vol. 19, no. 3, pp.371-379, 2001
【非特許文献３】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４】Kei Watanabe, Yasuaki Hashizume, Yusuke Nasu, Masaki Kohtoku, Mikitaka Itoh, and Yasuyuki Inoue, "Ultralow Power Consumption Silica-Based PLC-VOA/Switches", J. Lightwave Technol. 26, 2235-2244 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のＭＣＳでは、５１２個のＭＺＩを駆動するために、各ＭＺＩが有する位相シフタに対して、それぞれ制御電気信号を印加する必要がある。従来のＭＣＳなどの光スイッチデバイスでは、各位相シフタからチップ端まで電気配線をチップ上に形成し、チップ端からボンディングパッドを介してプリント基板（ワイヤボンディング基板）へワイヤボンディングすることで、各位相シフタへの制御電気信号のアクセスを行っていた。しかしながら、従来の方法ではチップ上に電気配線やボンディングパッドが占める面積が大きくなり、チップ面積が増大するという課題を有していた。電気配線の面積は、デバイスの規模が大きくなるほど顕著であり、例えば、図１に示す従来の１６ｘ１６程度の規模のＭＣＳチップであっても、チップ面積の半分は制御用の５１２本の電気配線１００および電気パッド２００に起因する面積で占められる（非特許文献２のＦｉｇ．３．より）。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、チップ基板に形成された光導波路を有する光信号処理装置において、チップ基板に形成された位相シフタを含む被駆動エレメントへアクセスする電気配線を、等価回路的に少なくとも２次元のマトリックスに構築することにより、制御回路に接続するために必要なワイヤボンディング用電気パッドの個数を削減し、電気配線を簡易化することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１１】
すなわち本発明は、基板上に形成された光導波路を有する光信号処理装置であって、光導波路は少なくとも一つの入力ポートと、少なくとも一つの出力ポートを有し、入力ポートから入力された光信号に対して位相シフトを加える位相シフタを含む被駆動エレメントを複数有し、各被駆動エレメントは少なくとも二つの制御端子を有する位相シフタを含む光導波路型の光デバイスであって、複数の被駆動エレメントを等価回路的に行列（アレイ、マトリックス）に配列し、同一の行に存在する各被駆動エレメントの一方の端子同士を電気的に接続する行配線と、同一の列に存在する各被駆動エレメントの他方の端子同士を電気的に接続する列配線を設け、行配線もしくは列配線のうち少なくとも一方を、電気的駆動手段で駆動ないし制御する光信号処理装置である。
【００１２】
また、複数の被駆動エレメント（素子）を駆動する制御方法としては、電気的駆動手段は列の数だけ存在し、各電気的駆動手段を時分割で列駆動するとともに、各行配線に列駆動状態に同期して行制御信号を印加することで被駆動エレメントを個別に制御する制御方法であり、列駆動信号と行制御信号で光信号処理装置を時分割制御する。ここで列駆動信号と行制御信号は合せて制御信号と総称することができ、行配線、列配線も同様に制御配線ということができる。
【００１３】
なお、行列やアレイ、マトリックス、配列の表現として一般的なことであるが、配列等の次元は２次元に限らず、各次元の表記の順番は置換可能、すなわち例えば２次元の場合の行と列を入れ替えても同等な構成を実現可能であることは自明である。
【００１４】
以下の説明では主にチップ（基板）平面上における行と列の２次元配列の構成を例に説明するが、本発明では例えば複数枚のチップを集積し実装して、３次元配列の光信号処理装置とすることもでき、さらにそのような３次元配列の光信号処理装置を単位として複数配列して３次元以上の多次元の配列としても構成が可能である。以下の説明に於ける行や列のなどの表現は、２次元配列の場合はもとより、３次元以上の多次元配列の構成における２次元部分配列についてのものとしても理解されるべきである。
【００１５】
また被駆動エレメント（素子）としてはスイッチング素子に限ることは無く、少なくとも独立な２つ以上の制御信号入力（端子、パッド）を有し位相シフタを有する素子であれば良い。更に、被駆動エレメントは必ずしも物理的に行列、アレイ、マトリックス状に配列されていることも必要ではなく、等価回路的に、あるいは論理的にそのようなマトリックスとして、独立な少なくとも２つ以上の方向からアクセス可能であれば本発明は適用可能である。
【００１６】
本発明の実施形態の構成の一例は下記の通りである。
【００１７】
（構成１）
基板に形成された光導波路を有する光信号処理装置であって、
前記光導波路は少なくとも一つの入力ポートと、少なくとも一つの出力ポートを有し、
前記入力ポートから入力された光信号に対して位相シフトを加える位相シフタを含む被駆動エレメントを複数有し、
各前記被駆動エレメントは少なくとも二つの制御端子を有し、
前記二つの制御端子間に時分割同期した制御信号を印加する制御配線を有し、
前記被駆動エレメントへアクセスする前記制御配線が複数の被駆動エレメントで共有され、
前記複数の被駆動エレメントは論理的にマトリックスに配置され、
前記制御配線は、前記マトリックスの行に対応する制御配線と前記マトリックスの列に対応する制御配線の２組の制御配線を含み、
前記マトリックスの行および列の交点に存在する前記被駆動エレメントの二つの制御端子が、前記２組の制御配線のそれぞれに接続され、
前記被駆動エレメントの前記位相シフタの各々に対して整流手段を有し、
前記２組の制御配線に接続され、前記２組の制御配線のそれぞれを選択的にアドレスする電気信号制御手段を有する
ことを特徴とする光信号処理装置。
【００１８】
（構成２）
前記電気信号制御手段は、
正極と負極をもつ少なくとも一つの電力発生手段と、
前記電力発生手段の一方の極を前記２組の制御配線の一方に接続する第１の配線選択手段と、
前記電力発生手段の他方の極を前記２組の制御配線の他方に接続する第２の配線選択手段とを含む
ことを特徴とする構成１に記載の光信号処理装置。
【００１９】
（構成３）
前記第１または第２の配線選択手段の少なくとも一方を、個別の電力発生手段で駆動され、個別に制御される複数のON/OFFスイッチで構成した
ことを特徴とする構成２に記載の光信号処理装置。
【００２０】
（構成４）
前記光信号処理装置は、マトリックススイッチまたはマルチキャストスイッチ、もしくは光フィルタまたは光信号減衰器である
ことを特徴とする構成１から３のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
【００２１】
（構成５）
前記整流手段を、行または列の単位でまとめて光導波路とは別の基板に形成されたアレイダイオードで構成した
ことを特徴とする構成１から４のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
【００２２】
（構成６）
前記２組の制御配線のそれぞれを選択的にアドレスすることは、第１および第２の配線選択手段により時分割して周期的に制御信号を出力して行い、
前記第１および第２の配線選択手段により所望の前記制御配線を選択的にアドレスする際に供給する前記制御信号の時間幅を段階的あるいは連続的に可変制御することにより、前記被駆動エレメントに供給する電力量を調整する
ことを特徴とする構成１から５のいずれか１項に記載の光信号処理装置の制御方法。
【００２３】
（構成７）
前記２組の制御配線のそれぞれを選択的にアドレスすることは、第１および第２の配線選択手段により時分割して周期的に制御信号を出力して行い、
前記第１および第２の配線選択手段により所望の前記制御配線を選択的にアドレスする際に供給する前記制御信号の電流値または電圧値または電流値と電圧値の組み合わせを段階的あるいは連続的に可変制御することにより、前記被駆動エレメントに供給する電力量を調整する
ことを特徴とする構成１から５のいずれか１項に記載の光信号処理装置の制御方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば光導波路を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置における電気配線を削減することができ、チップサイズの削減が可能である。加えて、従来個別の被駆動エレメント毎に設置していた電源等の駆動手段を、複数の被駆動エレメントを異なる時間タイミングで時分割して、行、列などの単位で共有することで、駆動手段の数を削減することが可能である。上記の効果により、光信号処理装置のチップサイズを削減し、量産性を向上し、部品点数の削減を通じて装置の低廉化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のＭＣＳチップ上面の電気配線および電気パッドの状態を示す写真である。
【図２】本発明の実施例１の光信号処理装置の電気回路構成を示すチップ平面図である。
【図３】図２の光信号処理装置の位相シフタのチップ断面図である。
【図４】図３の位相シフタを含むＭＺＩの平面図である。
【図５】本発明の実施例２の光信号処理装置の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の実施例２の光信号処理装置の制御信号を示す波形図である。
【図７】本発明の実施例３の光信号処理装置の構成を示す平面図である。
【図８】本発明の実施例３の光信号処理装置の別構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施例３の光信号処理装置の制御信号の一例を示す波形図である。
【図１０】実施例３の光信号処理装置の制御信号の他の例を示す波形図である。
【図１１】実施例３の光信号処理装置の制御信号の更に他の例を示す波形図である。
【図１２】切替周波数に対する位相シフタの位相変調量の変化を表す周波数特性図である。
【図１３】本発明の光信号処理装置においてアレイダイオードを用いた構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の実施例４のマトリックススイッチの構成を示す概念図である。
【図１５】本発明の実施例５のマルチキャストスイッチの構成を示す図である。
【図１６】（ａ）は本発明の実施例６のラティスフィルタの物理的回路構成例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の電気的等価回路を示す図である。
【図１７】本発明の実施例６において、交点に位相シフタを配置しない例を示す図である。
【図１８】本発明の実施例７を説明する、１６ＱＡＭ信号のコンスタレーションマップである。
【図１９】本発明の実施例７を説明する、位相変調素子を含むマッハツェンダ干渉計の各部の光信号を示す図である。
【図２０】図１９の光信号の関係を示す複素信号ベクトル図である。
【図２１】本発明の実施例７を説明する、位相変調素子の位相変調量と時分割駆動周波数の関係を示す周波数特性図である。
【図２２】本発明の実施例８の光スイッチ駆動電流の波形図である。
【図２３】本発明の実施例９の光スイッチ駆動電流の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１の光信号処理装置の電気回路構成を示すチップ平面図である。図２の光信号処理装置は、例えば３光入力、４光出力の光信号処理装置であって、基板として形成された光導波路チップ１０２上には、図示しない光導波路を通過する光信号の位相を変化させる１２個の位相シフタ１０３−１〜１０３−１２、および各位相シフタに対応する１２個のダイオード１０４−１〜１０４−１２が、図示のように４行３列のアレイ構成で配置されて、電気配線で接続されている。
【００２８】
図２において、左下の４つの行制御信号の電気配線パッド（端子）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、図示しない制御部から４つの行制御信号が供給されている。４つの行制御信号の配線は、左端の１列目のそれぞれの行位置で行方向に２分岐され、２分岐された一方の配線は１列目の位相シフタに接続されてこれを制御し、１列目のダイオードを経て、列駆動の電気配線パッド（端子）１に集線される。
【００２９】
左端の１列目において、４つの行制御信号の２分岐された他方の配線は、１行目は直接、１行目以外はワイヤボンディング配線１０６を経て、中央の２列目の分岐点に至る。２列目の分岐点において４つの行制御信号の配線は、それぞれの行位置で行方向にさらに２分岐される。
【００３０】
中央の２列目において２分岐された４つの行制御信号の一方の配線は、２列目の位相シフタに接続されてこれを制御し、２列目のダイオードを経て、列駆動の電気配線パッド（端子）２に集線される。
【００３１】
同様に、２列目において、４つの行制御信号の２分岐された他方の配線は、１行目は直接、１行目以外はワイヤボンディング配線１０６を経て、右端の３列目に至る。４つの行制御信号の配線は、３列目の位相シフタに接続されてこれを制御し、３列目のダイオードを経て、列駆動の電気配線パッド（端子）３に集線される。
【００３２】
４つの行制御信号（Ａ〜Ｄ）が集線された３つの列駆動の電気配線パッド（端子）１〜３は、図示しない列駆動手段からの列駆動信号により、行制御信号と同期して、それぞれ時分割駆動されている。
【００３３】
このような構成により、位相シフタを有する被駆動エレメントへアクセスする行制御信号や列駆動信号の制御配線が、複数の被駆動エレメントで共有されており、列駆動信号と行制御信号で光信号処理装置を時分割制御することができる。
【００３４】
（位相シフタの構造）
図３には、位相シフタ１０３−１〜１０３−１２の光導波路に直交する面における光導波路チップ１０２のチップ断面図を示す。被駆動エレメントを構成する位相シフタは、ヒータ１００１とその直下に配置された光導波路１００６からなり、位相シフタのヒータ１００１の両端に制御信号を印加することで発熱し、直下の光導波路１００６に熱光学効果を生じて、当該部分の光導波路１００６を通過する光信号の位相が位相シフト変調される。
【００３５】
光導波路１００６は、例えば、石英系光導波路、ポリマ導波路、シリコン等により形成される。図３では埋め込み導波路構造を例として説明するが、リブ型や拡散型などの他の構造でも構わない。
【００３６】
図４は、図３の位相シフタを含む被駆動エレメントの一例としてのＭＺＩ（マッハツェンダ干渉計）の平面図である。図３の位相シフタは、図４のＭＺＩのアーム光導波路１００６に設けられている。すなわち、図２の位相シフタ１０３−１〜１０３−１２の各々の箇所には、図４に示すＭＺＩが被駆動エレメントとして配置されている。
【００３７】
ＭＺＩにおいては、その入力光導波路１００２から入力された光信号が、方向性結合器１００４によりアーム光導波路１００６および１００７に２分岐される。一方のアーム光導波路１００６の上部には、図３のようにヒータ１００１が設置されており、制御信号が印加されて熱光学効果によりアーム光導波路１００６を通過する光信号の位相を位相シフト変調する。アーム光導波路１００６および１００７を経由した光信号は、次に、方向性結合器１００５により合波され、合波される２つの光信号間の位相差に応じて、ＭＺＩの出力光導波路１００３もしくは１００８に分配されて出力される。
【００３８】
このような位相シフタを含むＭＺＩを用いて、光スイッチや光減衰器などの機能を有する光素子を構成して、本願発明の光信号処理装置の被駆動エレメントとすることができる。
【００３９】
（位相シフタのアドレス）
図２以下の本発明の実施例では、行制御信号（以下、行電極パッドの端子名と同じＡ〜Ｄで示す）と列駆動信号（同様に、列電極パッドの端子名１〜３で示す）で選択アクセスされる位相シフタ１０３−１〜１０３−１２を、行列状に配置してアドレス付けし、行をアルファベットで、列を数字で表している。行と列の表示の順番は任意であるが、例えば位相シフタ１０３−１〜１０３−１２が行方向優先の順で、それぞれＡ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３、Ｃ１〜Ｃ３、Ｄ１〜Ｄ３のアドレスに対応する。図では簡明に表現するため、四隅の位相シフタのアドレスＡ１、Ａ３、Ｄ１、Ｄ３のみを例示している。
【００４０】
同一の行に存在する位相シフタの一方の電極（図２ではヒータの入力側）を横方向の行配線で接続し、他方の電極（図２ではダイオードのカソード側）同士を縦方向の列配線で接続する。本構成では、４行３列に位相シフタを配列している。
【００４１】
図２では、行配線と列配線の交差をワイヤボンディング１０６によって跨ぐことで実現しているが、他の方法を用いても構わない。例えば、光導波路上の電気配線を多層化することにより配線を跨いでもよい。
【００４２】
（位相シフタの駆動）
図２に示す光信号処理装置において、例えば、一番左の列かつ一番上の行の位相シフタ（Ａ１）には、行配線用パッドＡに高電位を供給し列配線用パッド１に低電位を供給して、電位差を発生させることで給電する。同様に、一番右の列かつ一番下の行の位相シフタ（Ｄ３）には、行配線用パッドＤと列配線用パッド３の間に電位差を発生させることで給電する。
【００４３】
位相シフタに電力を供給する際には、複数の位相シフタが電気的に接続されていることから、意図しない位相シフタにも電流が回り込むことで、電力が供給されてしまう可能性がある。これを防止するため、各位相シフタへの電気配線に直列にダイオード１０４−１〜１０４−１２を付けることで、回り込む電流を防止し、意図しない位相シフタに給電することを抑止する。このダイオードは電気的整流特性のある素子、整流手段であればよく、ｐｎ接合やショットキーダイオードを使用することが可能である。また、シリコン導波路やＩｎＰ導波路などの半導体材料による光導波路においては、光導波路内にｐｎ接合を作りこむことで、整流特性を持たせることもできる。
【００４４】
（電気パッド数、配線数）
上記のように電気配線を行うことにより、本実施例１では光導波路を有するチップから取り出される電気パッドの数は、位相シフタの数１２に対して、７に削減される。これは、本発明では配線は行と列で共有され、配線数＝行数＋列数になるためであり、従来の構成では、電極パッド数がヒータ数と等しい（行数×列数）ことを考えると、より多くの位相シフタを使用する場合にはより大きな効果が得られる。
【００４５】
更に別の数値例で示すと、行方向に２０、列方向に５の位相シフタが存在する場合、従来の配線方法では、２０×５＝１００の配線が必要であったのに対して、本発明では制御配線が共有される結果、２０＋５＝２５と顕著な配線削減効果が得られる。
【００４６】
また、行と列は可能な限り同数となるように行列を設定するのが、配線数を最小にする点で好ましい。制御すべき位相シフタの数をＫとする場合、行配線数Ｍと列配線数Ｎとしたとき、
Ｋ＝Ｍ×Ｎ
の関係がある。配線数Ｍ＋Ｎの最小値はＭ＝Ｎのときに実現され、このときの配線数は２×Ｋ1/2である。例えば、２５６個の位相シフタを有する場合、Ｍ＝Ｎ＝１６として配線数は行配線、列配線を合わせて３２本設置する場合が、もっとも配線数が少なく配線面積削減に効果がある。
【００４７】
（実施例２）
図５は、本発明の実施例２の光信号処理装置として構成した光スイッチを示す平面図である。図５に示すように、光スイッチの光導波路チップ１０２は、行制御信号（Ａ〜Ｄ）と列駆動信号（１〜３）を生成する制御信号発生部１０１０（電気信号制御手段）へと接続されている。制御信号発生部１０１０は、制御したい位相シフタをアドレスするように行配線電気パッドＡ〜Ｄのうち少なくとも一つと、列配線電気パッド１〜３のうち少なくとも一つに、時分割で同期した電気制御信号として行制御信号（Ａ〜Ｄ）と列駆動信号（１〜３）を与える。
【００４８】
図５には、光スイッチの入力光信号を与える３本の入力ファイバ１０１−１〜１０１−３、光スイッチの出力光信号を与える４本の出力ファイバ１０５−１〜１０５−４も示されており、それぞれの光入力端、光出力端が、光導波路チップ１０２の基板に形成された光導波路の入力ポート、出力ポートを構成している。図５の実施例２のその他の部分は、図２の実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００４９】
（制御信号の時間波形）
図６は、実施例２の光信号処理装置（光スイッチ）の制御方法を説明する、制御信号発生部１０１０が出力する制御信号の波形図である。図６で、Ａ〜Ｄが行電極パッドの電位、１〜３が列電極パッドの電位を示す。
【００５０】
図６では、時間軸（横軸）の時刻は、位相シフタの熱時定数τよりも十分短い切替周期Ｔを更に４つの時間スロット（ｓｌｏｔ１〜４）に分けて、複数の制御信号の時間波形のレベルを高電位と低電位の間で同期して変化させる時分割制御信号とした例について説明する。図５のダイオードの導通する向きから明らかなように、行制御信号（Ａ〜Ｄ）は高電位が有意信号（正論理）であり、列駆動信号（１〜３）は低電位が有意信号（負論理）である。図６には、各時間スロット（ｓｌｏｔ１〜４）で選択される位相シフタのアドレス（Ａ１，Ｂ２，Ｄ３，（Ｃ１，Ｃ３））を示している。
【００５１】
ｓｌｏｔ１においては、行配線のうち電気パッドＡのみに対して高電位を与え、列配線のうち電気パッド１のみに低電位を与える。したがって、ｓｌｏｔ１においては、位相シフタＡ１のみに電位差が印加され、位相シフタＡ１がアドレスされる。
【００５２】
ｓｌｏｔ２においては、行配線のうち電気パッドＢのみに対して高電位を与え、列配線のうち電気パッド２に低電位を与える。したがって、ｓｌｏｔ２においては、位相シフタＢ２のみに電位差が印加され、位相シフタＢ２がアドレスされる。
【００５３】
ｓｌｏｔ３においては、行配線のうち電気パッドＤのみに対して高電位を与え、列配線のうち電気パッド３に低電位を与える。したがって、ｓｌｏｔ３おいては、位相シフタＤ３のみに電位差が印加され、位相シフタＤ３がアドレスされる。
【００５４】
ｓｌｏｔ４においては、行配線のうち電気パッドＣのみに対して高電位を与え、列配線のうち電気パッド１および３に低電位を与える。したがって、ｓｌｏｔ４においては、位相シフタＣ１とＣ３に電位差が印加され、位相シフタＣ１およびＣ３がアドレスされる。
【００５５】
このような時間波形で、行制御信号（Ａ〜Ｄ）と列駆動信号（１〜３）が時間スロットで同期した時分割制御信号として、複数の時間スロットを含む切替周期Ｔの時間波形の単位で反復して光信号処理装置の光導波路チップ１０２の電極パッドに印加されて、各位相シフタを制御する。
【００５６】
上述のように、制御したい位相シフタに対して時分割同期して周期的に制御信号を印加することで、任意の位相シフタを個別に制御することが可能である。ここで各位相シフタがアドレスされる周期（切替周期Ｔ）は、位相シフタの時定数τよりも十分短く（Ｔ＜τ）設定する。
【００５７】
例えば、石英系光導波路における熱光学位相シフタの時定数は数ｍｓ程度であるから、切替周波数（ｆｓ＝１／Ｔ）を数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚとする。位相シフタが光信号に与える位相シフトは熱光学的に作用するため、位相シフタのヒータの発生する熱（電力）に対して時定数を持って作用する。位相シフタの熱変化の時定数は電気信号の時定数に比べ十分長いため、制御信号の１つの時間スロットないし切替周期Ｔの時間内には位相シフタが光信号に与える位相シフトは応答しない。しかし、複数の切替周期Ｔにわたって所定のパターンで制御信号の時間波形を反復することによって、アドレス選択された位相シフタの発生する熱（電力）が積分されて熱光学作用して、アドレス選択された位相シフタの光位相シフトに寄与する。
【００５８】
なお、上記で制御信号を、複数の切替周期Ｔにわたって所定のパターンで反復するというのは、図示のように各切替周期Ｔ内の制御信号の時間波形が、反復される各切替周期Ｔにおいて、毎回同じ時間波形で繰り返すパターンであっても良いが、異なる時間波形で繰り返すパターンであっても良い。このような異なる時間波形で繰り返すパターンは、例えば各切替周期Ｔ毎に毎回、時間スロットの順番を巡回的に、あるいはランダムに入れ替えるなどして生成することができ、スイッチングノイズの低減に効果がある。
【００５９】
この場合でも、パターンの周期（ｎＴ：ｎ＞１の整数）は、位相シフタの時定数（τ）よりは短いのが望ましく、各パターンの周期において、同じ位相シフタの組が同じ回数だけ駆動されるようにするのが望ましい。
【００６０】
この様に制御することで、限られた数の電気配線によって、配列された全ての位相シフタの位相シフトを、熱変化の時定数の範囲内で自在に制御することが可能となる。単純に、選択された位相シフタが熱応答して位相変化を起こすまで待ってから制御信号を切り替えていたのでは、単に制御信号の切り替えが遅くなるのみならず、その間にアドレス選択されていない他の位相シフタが熱応答（温度低下）して位相変化を起こしてしまい、全ての位相シフタの自在な制御は実現できない。
【００６１】
また、ｓｌｏｔ１〜３のように、特定の時間スロットにおいては単一の位相シフタを選択してアドレスすることも可能であるし、ｓｌｏｔ４のように、同じ行または列における複数の位相シフタを同時にアドレス選択することも可能である。制御すべき位相シフタの数に応じて、切替周期Ｔに含まれる時間スロットの数を増やし、あるいは減らして変更することも可能である。
【００６２】
（実施例３）
図７は、本発明の実施例３の光信号処理装置（光スイッチ）の構成を示す平面図である。本実施例３の光信号処理装置は実施例２（図５）と同様な３光入力、４光出力の光信号処理装置であって、光導波路チップ１０２の基板上には、１２個の位相シフタ１０３−１〜１０３−１２、および各位相シフタに対応する１２個のダイオード１０４−１〜１０４−１２が、４行３列のアレイ構成で配置されて、電気配線で接続されている。
【００６３】
光信号処理装置の光導波路チップ１０２は、列駆動信号（１〜３）と行制御信号（Ａ〜Ｄ）を生成する制御信号発生部１０１０へと接続されており、３本の入力ファイバ１０１−１〜１０１−３からの入力光信号を、４本の出力ファイバ１０５−１〜１０５−４へ切り替え制御する光スイッチとして動作する。
【００６４】
図７の実施例３において、制御信号発生部１０１０（電気信号制御手段） は、１対多（多対１）の入出力端子を有する切り替えスイッチ（配線選択手段）により構成された２つの電気スイッチ１０６，１０７、該電気スイッチを制御する制御回路１０８、例えば正負の２つの極を有する電源１０９（電力発生手段）を有している。図７において電源１０９は電流源として表現しているが、電源１０９を電圧源にして制御信号は電圧信号として駆動しても良い。
【００６５】
実施例１の図２、あるいは実施例２の図５で示したと同様な構造により、各位相シフタ１０３へのアクセス電気配線は、行電気パッドＡ〜Ｄおよび列電気パッド１〜３を介して制御信号発生部１０１０へと接続されている。行配線の電気パッドＡ〜Ｄから取り出された電気配線は、電気スイッチ１０６の多数端子側に、列配線の電気パッド１〜３から取り出された電気配線は、電気スイッチ１０７の多数端子側に接続される。
【００６６】
電気スイッチ１０６の単一端子側は、電源１０９の一方の極、例えば正極に接続され、電気スイッチ１０７の単一端子側は、電源１０９の他方の極、例えば負極に接続され、各電気パッドに電力を供給することができるようになっている。また、制御回路１０８が、これらの電気スイッチ１０６，１０７の切り替えタイミングを制御するように接続されている。
【００６７】
図８は、本発明の実施例３の光信号処理装置の別構成を示す平面図である。図７の実施例３では電源１０９（電力発生手段）を１つとしたが、図８の実施例３の別構成では、負極が共通接続された複数の電源１０９−１〜４を用意している。また、例えば行駆動の電気スイッチ１０６（配線選択手段）を１対多（多対１）の切り替えスイッチではなく、個別の電源１０９−１〜４（電力発生手段）で駆動され、個別に制御される複数のON/OFFスイッチ１０６−１〜４で構成しており、複数のON/OFFスイッチ１０６−１〜４がそれぞれ個別に行制御信号Ａ〜Ｄを駆動している。そして、制御回路１０８が、個別にON/OFFスイッチ１０６−１〜４のON/OFFを制御している。この構成により、行または列の配線を同時に複数、駆動することができる。
【００６８】
一般に、光導波路を用いた多入力多出力光スイッチでは、ＭＺＩを例えば非特許文献２のＦｉｇ．１にあるように複数接続していくことにより実現される。実施例３の光スイッチでは、入力光ファイバ１０１から入力された信号光が、どの出力ファイバ１０５から出力されるかを、どの位相シフタ１０３を駆動するかにより選択する。本実施例３のスイッチは、３入力４出力のスイッチであるため、入出力間の１対１接続のスイッチ状態としては３ｘ４＝１２通り存在する。１２通りの状態を独立に設定するためには、１２の自由度が必要であり、１２個の位相シフタを独立して制御する必要がある。
【００６９】
（制御方法と制御信号の波形例）
図９から図１１に、本実施例３の光信号処理装置の制御方法の説明として、制御信号発生部１０１０の発生する制御信号の波形図を例示する。
【００７０】
図７、８の実施例３においても、実施例２（図５）で示したと同様の構造により、各位相シフタ１０３へのアクセス電気配線は、行電気パッドＡ〜Ｄおよび列電気パッド１〜３を介して制御信号発生部１０１０へと接続される。
【００７１】
上記構成により、例えば、図７の一番上の行かつ一番左の列の位相シフタ（Ａ１）には、行電気パッドＡと列電気パッド１の間に電位差を発生することで給電でき、一番下の行かつ一番右の位相シフタ（Ｄ３）には、行電気パッドＤと列電気パッド３の間に電位差を発生することで給電できる。制御信号発生部１０１０は、このような電位差を発生する制御信号を生成・送信する。
【００７２】
制御信号発生部１０１０では、各電極に時分割で制御信号（電位差、電力等）を与えることが可能であれば、どのようなものを使用しても構わない。例えば、図６のような２値パルス波形に限らず任意波形発生器を用いて、時間的に電位が任意に変化するような信号を生成・送信することもできる。また、ＦＰＧＡ、ＣＰＵ、ＤＳＰなどのＧＰＩＯピンを直接電極パッドＡ〜Ｄ、１〜３に接続しても構わない。
【００７３】
このとき、駆動する必要のある位相シフタに対し、時間を分割して順次給電する。例えば、図９に示すように一定の切替周期Ｔを３つの時間スロットに分割し、分割された各時間スロットでは、制御信号発生部１０１０の時分割同期制御により異なる位相シフタに給電するように動作させることもできる。図９では、Ａ１，Ｂ２，Ｄ３の３つの位相シフタを駆動する際の制御信号発生部１０１０の発生する制御信号のパッド電位の時間波形の一例を示す。実施例２と同様に、制御信号の時間波形を、複数の切替周期Ｔにわたって同一又は異なる所定のパターンで反復してもよい。
【００７４】
（制御信号の波形図の他の例）
図１０、図１１は、切替周期Ｔを３つの時間スロットに分割する時分割制御のために、制御信号発生部１０１０が生成する制御信号の波形図の他の例である。図１０では、スロット１において同じ行Ａの位相シフタＡ１とＡ２に、スロット２において位相シフタＢ２に、スロット３において位相シフタＤ３に電位差を印加する。一方、図１１では、スロット１において同じ列１の位相シフタＡ１とＣ１に、スロット２において位相シフタＢ２に、スロット３において位相シフタＤ３にそれぞれ電位差を印加する。
【００７５】
図１０、図１１に示す波形例は、どちらもスロット１において複数の位相シフタを同じタイミングで駆動する例であるが、他のスロット２，３であってもよい。すなわち、単一のスロットで行配線、列配線それぞれのうちで複数の配線に対して電位を制御することにより、同一の行もしくは同一の列に存在する複数の位相シフタを、単一のスロットで同時に駆動して光スイッチを制御することができる。
【００７６】
さらに、ひとつの位相シフタで一つのスイッチ要素を駆動してもよいし、複数の位相シフタを用いて一つのスイッチ要素を駆動してもよい。この場合、一つのスイッチ要素を駆動するために使用する位相シフタを同時に駆動することで、時間分割スロット数を少なくすることも可能である。実施例２と同様に、制御信号の時間波形を、複数の切替周期Ｔにわたって同一又は異なる所定のパターンで反復してもよい。
【００７７】
このような制御が可能な光信号処理装置としては、複数の位相シフタを用いるマトリックススイッチやマルチキャストスイッチ、ラティスフィルタやトランスバーサルフィルタ、可変光減衰器アレイなどが挙げられる。
【００７８】
（位相変調量の周波数特性と切替周波数）
制御信号発生部１０１０が生成する位相シフタの制御信号の切替周期Ｔは、位相シフタが反応する熱応答の時定数τよりも充分に短い時間とする。すなわち制御信号の切替周波数ｆｓ（＝１／Ｔ）は、位相シフタが反応する熱応答の時定数τに対応する周波数（カットオフ周波数ｆｃ）よりも充分に高い周波数で行う。
【００７９】
図１２は、切替の周波数ｆに対する位相シフタの位相変調量の変化を表す周波数特性図である。ゆっくりとした切替の周波数ｆ（ｆ＜ｆｃ：カットオフ周波数）の場合には、位相シフタの応答が１周期の間で追従するものの、その間に時分割で同時に制御している他の位相シフタの位相が変動してしまう。そのため、位相シフタの位相が変動しない程度に高い周波数で切り替えを行う（ｆｃ＜ｆｓ＝１／Ｔ）ことにより、時分割で制御する複数の位相シフタに対して、同時に電力を供給することができ、それぞれを駆動することができる。
【００８０】
図６および図９〜１１の制御信号の波形図の例では、切替周期Ｔや各スロットの時間幅は等しくしているが、駆動する複数の位相シフタのそれぞれに供給する電力量の割合を個別に制御したい場合には、たとえば切替周期Ｔの中で各位相シフタに割り当てるスロットの数や時間幅を変えてもよい。より多くの、あるいはより長い時間のスロットを割り当てることにより、該当する位相シフタへの供給電力の割合を上げることができる。または、スロットごとに電源１０９が出力する電流値もしくは電圧値を変化させても良い。
【００８１】
時分割制御を行うに当たり、図１２にあるように、被駆動エレメント（位相シフタ）の周波数特性は、高い周波数では位相変調量が減衰する。したがって、被駆動エレメントの応答が遅い（応答時間が長い、ｆｃが小さい）ほうが、切替周波数（ｆｓ）も低くてもよくなるため、制御が容易になる。熱光学効果を用いた被駆動エレメントは比較的応答時間が遅く、したがって、制御が容易である。
【００８２】
熱光学効果を用いた位相シフタのほかにも、磁気光学効果による偏波変調素子や、高速な応答を示す電気光学効果による光学変調素子においても、各被駆動エレメントに対してコンデンサ等を設置することで応答時間を等価的に長くすることで、本発明の効果を得ることが可能である。
【００８３】
（整流手段）
また、電力を供給する際には、複数の位相シフタが電気的に接続されていることから、意図しない位相シフタにも電流が回り込むことで、電力が供給されてしまうのを防ぐための整流手段として、各位相シフタには直列にダイオードが設けられている。例えば図７でダイオードが無い場合には、位相シフタＡ１を駆動する際に、例えば電気パッドＡに高電位を電気パッド１に低電位を印加する場合、アクセス配線のパスとして、電気パッドＡ→位相シフタＡ２→位相シフタＢ２→位相シフタＢ１→電気パッド１の順で電流が流れ、予期しない位相シフタも駆動されることが起こりえる。
【００８４】
これを防止するため、各位相シフタの出力側の電気配線（列駆動信号１〜３の配線）にダイオードを付けることで、電流の回り込みを防止し、意図しない位相シフタに給電することを抑止できる。このダイオードは位相シフタの入力側の電気配線（行制御信号Ａ〜Ｄの配線）に設けてもよく、制御信号のレベルを反転すれば逆向きであってもよく、整流特性のある素子であればよく、ｐｎ接合やショットキーダイオードを使用することが可能である。好ましくは逆回復時間の短いスイッチングダイオードを用いるのが望ましい。さらに、シリコンやＩｎＰによる半導体光導波路であれば、光導波路内にｐｎ接合を作りこむことで、整流特性を持たせることもできる。
【００８５】
（ダイオードアレイ）
また、各位相シフタの片側は行または列の単位で集線されて電源もしくは電気スイッチに接続されるので、複数の整流素子を行または列の単位でまとめて、そのアノードもしくはカソードを行配線または列配線に接続して共通化したアレイとすることが可能である。
たとえば、図１３に示すように、同一の列に並んだ位相シフタの出力側に接続されたダイオードのカソードを列配線に接続して共通化し、光導波路チップ１０２とは別の基板で１チップのアレイダイオード１０４Ａとすることができる。図１３では、簡単のため、行配線Ａ〜Ｄと列配線１のみの部分を表示している。同一の行に並んだ位相シフタの入力側に接続されたダイオードのアノードを行配線に接続して共通化してもよい。
【００８６】
図２の実施例１では、行配線と列配線の交差をワイヤボンディング１０６により実現したが、図１３に示すダイオードアレイ１０４Ａを用いた構成では、列配線が行配線とは別の基板上に形成されるため、行配線と列配線の交差を実現することが可能である。
【００８７】
すなわち、図１３では、光導波路チップ１０２の基板上に１列分のアレイダイオード１０４Ａの基板を設置し、ワイヤボンディングにより各行配線Ａ〜Ｄをアレイダイオード１０４Ａ上の対応する各ダイオードのアノードに接続している。一方、アレイダイオードの共通カソードには列配線の電気パッド１が結線されている。このように、アレイダイオードのチップ基板上に列（もしくは行）の配線を設置することで、電気配線の交差を実現することができる。
【００８８】
この場合、アレイダイオード１０４Ａの光導波路チップ１０２上への実装には、図１３のようにワイヤボンディングを用いても構わないが、アレイダイオード１０４Ａのチップにビアや裏面へ廻り込む延長電極を設ければ、ワイヤボンディングによらず半田付けしても構わないことは明らかである。特に、半田リフロー等によりアレイダイオード１０４Ａのチップを設置すれば、光導波路チップ１０２上でのワイヤボンディング工程を削減することができ、工程の短縮、コストの削減に寄与する。
【００８９】
（実施例４：マトリックススイッチ）
実施例４の光信号処理装置として光スイッチがマトリックススイッチである場合、切替周期Ｔを時間分割するタイムスロットの最大数は、位相シフタの数よりも小さくすることができる。このような多入力多出力スイッチの概念図を、図１４に示す。
【００９０】
図１４の光マトリックススイッチでは、入力側（横軸左端のＩＮ−１〜３）から入ってきた３つの光信号を、４つのどの出力側(縦軸下端のＯＵＴ１〜４)に接続するかを、３ｘ４＝１２個のスイッチ要素ＳＷのON/OFFによって選ぶことができる。
【００９１】
横軸と縦軸の各交点に配置されたスイッチ要素ＳＷの状態は、横軸左側から入力した光信号を縦軸下方向に接続する状態（ON状態、図１４の黒丸のＳＷ、縦軸上方向から入力した光信号は、横軸右側に接続する）と、縦軸に接続しない状態（OFF状態、図１４の白丸のＳＷ、光信号は縦軸または横軸のまま交差して、ＳＷを通過する）とで切り替えることができる。
【００９２】
各交点に配置された光スイッチ要素ＳＷのON/OFF状態を、位相シフタで制御することで、多入力多出力スイッチとして機能する。この時、位相シフタに給電しない場合にはOFFになるように光スイッチ要素ＳＷを設計することで、入力数と出力数の少ない方の数が給電する必要がある位相シフタの最大数となり、光スイッチの駆動電力も低減できる。
【００９３】
したがって、同時に給電する必要のある位相シフタの最大数が、多入力多出力スイッチの入力数と出力数の少ない方の数であることから、時分割するタイムスロットの最大数も入力数と出力数の少ない方の数となる。
【００９４】
本実施例４で示したように、タイムスロットの時分割数を削減にすることにより時分割周期Ｔを短縮、すなわち切替周波数を高く設定することができ、時分割駆動に起因する残留位相によるノイズ、歪みの低減に寄与する。
【００９５】
（実施例５：マルチキャストスイッチ）
実施例５の光信号処理装置として光スイッチがマルチキャストスイッチ（ＭＣＳ）である場合、前述のタイムスロットの時間分割数の最大数は、位相シフタの数よりも小さくすることができる。このような多入力多出力スイッチの構成図を図１５に示す。
【００９６】
図１５（ａ）に示すＭＣＳの光導波路の概略構成図では、入力ポート（ＩＮ−１〜３）からの３つの信号光は、入力側の３つのスプリッタ１５０１によりそれぞれ４分岐され、各出力ポート（ＯＵＴ−１〜４）に、どの入力ポート（ＩＮ−１〜３）からの信号光を接続するかを、スイッチ要素（位相シフタ１０３−１〜１２）で選択している。
【００９７】
図１５（ｂ）に示すように制御信号発生部（電気信号制御手段）とアクセス電気配線を設けて位相シフタを制御することで、各出力ポート（ＯＵＴ−１〜４）に向けて、どの入力ポート（ＩＮ−１〜３）の信号光をつなげるかを選択することができる。例えば３入力４出力のＭＣＳであった場合には、出力ポートごとに３つのスイッチ要素が配置され、それらを１２個の位相シフタ１０３−１〜１２により制御する。
【００９８】
この時、出力ポートに接続できる入力ポートはそれぞれ１つであることから、給電しない状態での光スイッチでは入力ポートからの信号が接続されないように設計することで、出力ポートごとに１つずつ位相シフタを制御すれば、全出力ポートへのスイッチングを実現することができる。この時、最大で駆動する位相シフタの数は３であり、タイムスロットの時分割の最大数も３とすることができる。
【００９９】
また、ＭＣＳでは、光の可逆性から入力ポートと出力ポートを反転して使用することもできるが、この時にはスプリッタがカプラとして機能するために、スイッチの機能が変化する。そのため、この時には駆動する最大位相シフタ数とタイムスロットの時分割数は、入力ポート数となる。
【０１００】
（実施例６：ラティスフィルタ）
本発明の光信号処理装置においては、位相シフタへの配線は行配線と列配線により行列（マトリックス）を構成することで、少ない電気配線の取り出しで各位相シフタの制御を実現することができる。この電気配線は、物理的に行列状に配線されていなくとも、等価回路として論理的に行列構成となっていればよい。
【０１０１】
図１６（ａ）は、本発明の実施例６のラティスフィルタの物理的回路構成例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の電気的等価回路を示す図である。図１６（ａ）では、光導波路基板上の実際の光導波路と位相シフタ１０３−１〜１０３−６、および位相シフタを制御する電気配線（行配線Ａ，Ｂおよび列配線１〜３）の物理的レイアウトを示している。図１６（ａ）には、整流手段としてのダイオードも示されている。
【０１０２】
光導波路の特性上、物理的に光導波路に極端な曲げを設けることは困難を伴うが、電気配線のレイアウトには制約が少ない。このため、図１６（ａ）に示すように、複数の位相シフタは物理的には一直線にレイアウトされることが多い。この場合においても、電気回路部分を等価回路に変換した図１６（ｂ）の電気的等価回路に示すように、論理的には行列状に位相シフタが配置されたものとして扱うことが可能である。
【０１０３】
また、本実施例６では、ラティスフィルタを例として説明したが、トランスバーサルフィルタやリング共振器によるフィルタ、ＭＺＩを用いる可変光減衰器アレイや、さらにはそれらを組み合わせた光信号処理装置にも本発明は適用可能である。さらに、実施例１〜４に示した光スイッチに適用することも可能である。
【０１０４】
また、図１７に示すように、行配線と列配線の交点には必ずしも位相シフタなどの被駆動エレメントは存在しなくても構わない。図１７では、行配線Ｂと列配線２の交点には位相シフタ１０３−５を配置しない例を示す。上述の行列状の配線においては、２次元にアクセス配線を展開することが眼目であり、厳密な行列を構成する必要はないことは明らかである。すなわち本発明に於ける行列（配列、アレイ、マトリックス）とは、部分的に空き要素を含むものであっても良く、粗（スパース）な配列であっても全体としてアクセス配線を展開することが可能であれば良い。
【０１０５】
（実施例７：ＱＡＭ光変調器）
上述の実施例１〜６に記載のように、被駆動エレメントへのアクセスを時分割で行うことで、被駆動エレメントへのアクセス配線数を削減することが可能である。本発明の実施例７では、各被駆動エレメントへ時分割アクセスを行うの際の時分割駆動周波数ｆｓ（実施例１〜６における、切替周期Ｔに対応する周波数）について検討する。
【０１０６】
近年の光通信システムでは、周波数利用効率を高めるため、直交振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）フォーマットを用いて信号を伝送することが一般的である。ＱＡＭ信号の生成には位相変調素子が必要となるが、被駆動エレメントが位相変調素子であるとき、時分割駆動周波数ｆｓが十分高くない場合、位相変調素子の時分割駆動信号による位相変調成分がノイズとして、光変調されたＱＡＭ信号に重畳され、通信品質を劣化させる可能性がある。したがって、時分割駆動周波数は、位相変調素子の応答よりも十分高いことが好ましい。
【０１０７】
図１８〜図２１は、上記の考え方に基づく実施例７を説明する概念図である。実施例７の図１８〜図２１では、１６ＱＡＭ信号を例に説明するが、ＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）や６４ＱＡＭ等の他の変調フォーマットでも同様であることは明らかである。
【０１０８】
図１８は、１６ＱＡＭ信号のコンスタレーションマップである。各シンボル点は情報に対応し、これらが十分に分離していることが正確な情報伝達には重要である。
【０１０９】
図１９は、本実施例７において説明する光信号処理装置の位相変調素子１５３を含むマッハツェンダ干渉計の各部の光信号を示す図である。マッハツェンダ干渉計では、入力光信号Ｅinがカプラ１５１により二分岐され、少なくともその一方が位相シフタである位相変調素子１５３により位相変調を受けたのちに、カプラ１５２を介して合波されてＥoutとして出力される。この際、２分岐された光信号Ｅ1とＥ2との位相関係により、２つの出力のどちらに出力されるかが決定される。
【０１１０】
図１９の場合、位相変調素子（位相シフタ）１５３により光信号Ｅ2が変調されるが、本発明の時分割駆動を用いる場合、Ｅ2に残留する駆動周波数成分が図２０の複素信号ベクトル図に示されるように、変調光信号に重畳される。すなわち、光信号のマッハツェンダ出力後の光電界Ｅoutは、位相変調を付与されないアームを経由した光電界Ｅ1のフェーザ上の終点Ｐに、位相変調素子を有するアームを経由した光電界Ｅ2をベクトル合成したものであり、位相変調素子により付与される残留位相成分ΔφによりＥoutは位相変調を受ける。
【０１１１】
ここで、出力光信号により付与される位相変調量は、図２０中に重畳位相ψで示される位相量である。図１８のＱＡＭ信号のコンスタレーションマップにおいて、この位相量ψ（残留変動成分）が、シンボル分離に必要な位相量θよりも大きくなる場合に信号誤りを生じ、正しく情報伝送ができなくなる。したがって、時分割駆動の周波数ｆｓを位相変調素子の応答周波数ｆｃよりも十分高く設定し、
ψ＜θ
とするのが好ましい。好ましくは、
ψ＜０．１×θ                            （１）
と設定する。
【０１１２】
図２１は、位相変調素子の周波数応答（時定数τに対応するカットオフ周波数ｆｃ）と残留位相Δφおよび時分割駆動周波数ｆｓの関係を示す周波数特性図である。
【０１１３】
熱光学効果による光位相変調素子（位相シフタ）の場合、その応答特性は一次ローパスフィルタの特性であり、カットオフ領域では１０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を有する。したがって、（１）の関係を満たすためには、位相シフタの熱光学時定数をτとしたとき、そのカットオフ周波数ｆｃ＝１／τに対して、時分割駆動の周波数ｆｓを
ｆｓ＞１０×１／τ
とする。
【０１１４】
例えば、典型的な石英系光導波路の場合では、位相シフタの熱光学時定数τは１ｍｓ程度であるから、ｆ＝１０ｋＨｚとすることでＱＡＭ信号に影響を与えることなく、本発明の光信号処理装置を制御することが可能である。
【０１１５】
（実施例８）
本実施例８では、各位相シフタに供給する電力量を個々に制御する手法を説明する。例えば、光信号処理装置上に配置される位相シフタごとに、供給電力に対して要求される位相シフト量が異なる場合、あるいは、フィルタや可変光減衰器などにおいて、オンオフのみならず中間位相値を設定する必要がある場合などにおいて、異なる電力量を位相シフタに印加して個別に位相シフト量を細かく制御したい状況がある。
【０１１６】
実施例２ないし３の図６、９〜１１の制御信号の時間波形図に示したように、固定長の時間幅のタイムスロットにおいてオンオフの２値パルス波形の制御信号として、切り替え周期Ｔないし複数の切替周期Ｔにわたる所定のパターンの周期の中で、制御したい位相シフタを駆動するタイムスロットの数を変えて電力量を制御しても良いが、位相シフト量をより細かく連続的に制御したい場合には、位相シフタに供給する電力量をアナログ的に制御できれば好適である。
【０１１７】
図２２の実施例８の光スイッチ駆動電流波形図は、電流駆動の場合に、固定幅のタイムスロット内で電流を流すパルスの時間幅を変えて電力量をアナログ的に制御する例である。図２２においては、例えば４ｘ４のマトリックススイッチにおいて各光スイッチの番号を１〜１６としたとき、上端１行目に示される番号の光スイッチの位相シフタを駆動する電流Ｉの時間波形が、４つ例示されている。
【０１１８】
この手法は、実施例３図７または８の電源１０９がタイムスロット内で電流を出力する時間ないし、電気スイッチ１０６、１０７の導通する時間幅を、制御回路１０８によって細かく段階的に、あるいは連続的に制御することで実現できる。
【０１１９】
なお、タイムスロット内に複数のパルスを発生させ、その数を変えるなどの方法によっても同じ効果が得られる。この制御方法によれば、位相シフタに流れる実効的な電流値を連続的に変化させるという特長が得られる。例えば、可変減衰器では、印加する電力を段階的あるいは連続的に変化することができ、出力光信号の強度を段階的あるいは連続的に変化させることが可能である。
【０１２０】
（実施例９）
図２３の実施例９では、電力供給を時間的に制御するのではなく、固定のタイムスロット幅で、タイムスロット毎にパルスの波高レベルを変えて制御する例を示す。図２３の光スイッチ駆動電流波形図は、図２２と同様に上端１行目の番号の光スイッチの位相シフタを駆動する電流Ｉの時間波形を、４つ例示している。
【０１２１】
図２３の実施例９では、タイムスロット幅およびパルス幅は一定のまま、電源１０９が出力するパルスの電流値をタイムスロットごとに段階的あるいは連続的なレベルで変化させ、位相シフタ毎に異なる電力を供給している。
【０１２２】
実施例８ないし実施例９のいずれの方法によっても、各位相シフタの位相シフト量をアナログ的により細かく制御することができる。実施例８、９の両方法を組み合わせても良いことはもちろんである。この場合は制御レベルの可変範囲（ダイナミックレンジ）を、より広く取ることが可能となる。
【０１２３】
また、実施例８、９の図２２，２３では電流駆動として光スイッチ電流を示したが、実施例２ないし３の図６、９〜１１の制御信号の時間波形図におけると同様に、電圧駆動として電圧値を制御しても良く、あるいは電圧値と電流値の組み合わせで制御しても良いことも明らかであり、この場合は制御レベルの可変範囲（ダイナミックレンジ）を、更により広く取ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
以上述べたように、本発明によれば光導波路を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置における電気配線を削減することができ、チップサイズの削減が可能である。加えて、光導波路従来個別の位相シフタ毎に設置していた電源等の駆動手段を、複数の位相シフタで異なる時間タイミングで共有することで、電源等の駆動手段の数を削減することが可能である。上記の効果により、非信号処理装置の量産性を向上し、部品点数の削減を通じて装置の低廉化に寄与する。
【符号の説明】
【０１２５】
１００  電気配線
２００  電気パッド
１０２  光導波路チップ
１０３−１〜１０３−１２  位相シフタ
１０４−１〜１０４−１２  ダイオード
１０４Ａ  ダイオードアレイ
Ａ〜Ｄ  電気配線パッド（行制御信号端子）
１〜３  電気配線パッド（列駆動信号端子）
１０６  ワイヤボンディング配線
１０１−１〜１０１−３  入力ファイバ
１０５−１〜１０５−４  出力ファイバ
１５３  位相変調素子
１００１  ヒータ
１００２  入力光導波路
１００３、１００８  出力光導波路
１００４、１００５、１５１，１５２  方向性結合器（カプラ）
１００６、１００７  （アーム）光導波路
１０１０  制御信号発生部
１０６、１０６−１〜４、１０７  電気スイッチ（配線選択手段）
１０８  制御回路
１０９、１０９−１〜４  電源（電力発生手段）
１５０１  スプリッタ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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