(57)【要約】【課題】方向性結合器の分岐比が50/50でなくとも、良好な消光比と漏話特性が得られるような、光スイッチの構成を提供する。【解決手段】本発明は、4つの方向性結合器と、これら４つの方向性結合器を結合する導波路中にそれぞれ挿入される3つの位相変化部を備える。両側に位置する第１及び第４の方向性結合器には、それぞれ、第１及び第２の入力ポートと、第１及び第２の出力ポートが結合される。中央に位置する第２の位相変化部は、クロス状態とバー状態間の切り替えに用い、これを前後に挟み込む第１及び第３の位相変化部は、前記バー状態で分配される強度と、前記クロス状態で分配される強度との比である分岐比を調整するようにそれぞれの位相Φ1、Φ3を設定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力ポートからの入力を第１の出力ポートに、そして第２の入力ポートからの入力を第２の出力ポートに出力するバー状態と、第１の入力ポートからの入力を第２の出力ポートに、そして第２の入力ポートからの入力を第１の出力ポートに出力するクロス状態との間で切り替える2入力2出力の光スイッチにおいて、
第１，第２，第３及び第４の4つの方向性結合器と、これら４つの方向性結合器を結合する導波路中にそれぞれ挿入される第１，第２，及び第３の3つの位相変化部を備え、
両側に位置する第１及び第４の方向性結合器には、それぞれ、第１及び第２の入力ポートと、第１及び第２の出力ポートが結合され、
中央に位置する第２の位相変化部は、クロス状態とバー状態間の切り替えに用い、これを前後に挟み込む第１及び第３の位相変化部は、前記バー状態で分配される強度と、前記クロス状態で分配される強度との比である分岐比を調整するようにそれぞれの位相Φ1、Φ3を設定する、
ことから成る2入力2出力の光スイッチ。
【請求項２】
前記第２の位相変化部の分岐比が14.6/85.4〜85.4/14.6の場合、理想的な50/50の分岐比に調整する請求項１に記載の2入力2出力の光スイッチ。
【請求項３】
前記第１及び第３の位相変化部は、それぞれの位相をΦ1＝Φ3に設定した請求項１に記載の2入力2出力の光スイッチ。
【請求項４】
前記第１〜第３の位相変化部における位相設定は、前後を方向性結合器の間に挟まれた上下各1本の導波路直上にヒーターを設け、これに通電して発熱させ、直下の導波路を昇温することにより行う請求項１に記載の2入力2出力の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロス・バー状態間の切り替えに用いる2入力2出力の光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、「干渉計型光スイッチ」（非特許文献１参照）が公知である。図1は、そうした標準型の、導波路型MZI(Mach-Zehnder Interferometer)を示す図である。光導波路による平面光回路(Planar Light Circuits, PLC)において、マッハツェンダー干渉計(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)型光スイッチは、最も標準的な2×2の光スイッチであり、図1に示す通り、2つの方向性結合器と1つの位相変化部を備える。方向性結合器は半透過ミラーと同じ働きを持つ。入力端1または2から入射した光は、左側の方向性結合器で2つの光波に分けられ、長さの等しい上下の光路をそれぞれ伝播した後、右側の方向性結合器で合波される。端子1’,2’からの出力のされ方は、図2が示す通り、与える位相変化Φによって変化する。
【０００３】
方向性結合器は、上下2つのいずれからの入力についても、光電力を等分して次段の2本の導波路に受け渡す。2本の導波路は等長とする。その一方には、例えばヒーターで導波路をある長さに渡って昇温することによって、決まった値の位相変化Φを与える。2つに分けられた光は、2つ目の方向性結合器(その構造は1つ目の方向性結合器と同じである)によって合波される。合波の結果は、与える位相値に応じて、変わる。
【０００４】
図2は、標準型MZIによる2×2スイッチを示す図である。単位強度の光を、端子1から入力したとき、端子1’, 2’から出力される光強度を、位相変化Φの関数としてプロットした。計算には後述する転送行列を用いた。図2に示すように、ポート1からの入力は、Φが0ラジアンであれば、ポート2’へ出力される。Φがπラジアンのとき、ポート１’へ出力される。初段にポート2から入力する場合も同様に、Φが0ラジアンのとき出力はポート1’、πラジアンのとき出力はポート2’に生じる。入出力の結果的な接続関係を見て、1が2’に、2が1’につながっている状態をクロス状態、1が1’に、2が2’につながっている状態をバー状態と呼び、2×2スイッチが取るべき2つの状態である。このように、MZIは、適切な位相変化を与えてクロス、バーのいずれかの状態をとらせることによって、2×2スイッチとして機能する。このような2×2スイッチは、非特許文献１が示す通り、石英系PLCとして、実用化され普及している。
【０００５】
一方、周りを酸化物（SiO2）で囲まれたシリコン細線が、光通信に用いられる波長1.3〜1.5μmの光に対して、低損失の光導波路として良好に機能とすることが知られており、これがシリコンCMOSプロセスを利用して作製できることから、石英系PLCを凌駕する素子の集積性、ロジックIC混載による高機能化を実現する技術として、近年注目を集めている。
【０００６】
上に述べたMZIの働きは、方向性結合器で光電力が等分配されることを仮定した、理想的なものである。周りをSiO2で囲まれた、幅400nm、厚み220nmの標準的なシリコン細線光導波路の場合、平行部線路間隔を200nm、平行部線路長を3397nmとしたとき、分岐比50/50の方向性結合器となる。線路間隔が10nm増え（減っ）ただけで、分岐比は60/40（40/60）となる。このとき、2×2スイッチの消光比は出力端1’で13.9dB、漏話はクロス状態で13.7dBにまで劣化する。
【０００７】
図3は、方向性結合器の分岐比と2×2スイッチの消光比・漏話特性を示す図である。図2と同じく出力端1’,2’の光強度を位相Φの関数としてプロットした。ただし方向性結合器の分岐比を百分率で60/40とした場合の計算である。分岐比が正確に50/50である図2の場合と異なり、Φが0ラジアンのとき、端子1’には、2’の出力レベルと比べて13.7dB下の漏話成分が生じる。このため、Φの0-π間の切り替えに伴う端子1’の強度変化（消光比）は、13.9dBに留まる。方向性結合器における光の分岐は、2線路が近接したところで生じ、分岐比は線路間隔に強く依存する。その傾向は、シリコン細線光導波路の場合、特に顕著で、後述する図7に示す通り、線路間隔が設計値200nmから10nmずれただけで、分岐比は60/40(または40/60)になる。
図４は、特許文献１、２に開示の改良型MZIを示す図である。この改良型MZIは、図３に示した標準的なMZIスイッチの消光比と漏話特性の改善を目指したものであり、１）バー状態について、標準型MZIのクロス状態と同等の漏話が残留していること、２）交差部を一箇所含んでおり、その交差部は漏話がゼロの理想的なものが想定されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R. Nagase, A. Himeno, M. Okuno, K. Kato, K. Yukimasa, M. Kawachi, “Silica-Based 8×8 Optical Matrix Switch Module with Hybrid Integrated Driving Circuits and its System Application”, Journal of Lightwave Technology, Vol.12, no.9, 1631 (1994).
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２１３０４２号公報
【特許文献２】特開２０００−２５８８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
標準的なMZIで20dB以上の消光比と漏話特性を得るためには、線路間隔に許される作製誤差は5nm以下と厳しくなり、量産が困難となる。
本発明は、方向性結合器の分岐比が50/50でなくとも、良好な消光比と漏話特性が得られるような、光スイッチの構成を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の2入力2出力の光スイッチは、第１の入力ポートからの入力を第１の出力ポートに、そして第２の入力ポートからの入力を第２の出力ポートに出力するバー状態と、第１の入力ポートからの入力を第２の出力ポートに、そして第２の入力ポートからの入力を第１の出力ポートに出力するクロス状態との間で切り替える。この2入力2出力の光スイッチは、第１，第２，第３及び第４の4つの方向性結合器と、これら４つの方向性結合器を結合する導波路中にそれぞれ挿入される第１，第２，及び第３の3つの位相変化部を備える。両側に位置する第１及び第４の方向性結合器には、それぞれ、第１及び第２の入力ポートと、第１及び第２の出力ポートが結合される。中央に位置する第２の位相変化部は、クロス状態とバー状態間の切り替えに用い、これを前後に挟み込む第１及び第３の位相変化部は、前記バー状態で分配される強度と、前記クロス状態で分配される強度との比である分岐比を調整するようにそれぞれの位相Φ1、Φ3を設定する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バー状態、クロス状態の両方について、漏話レベルを限りなくゼロに近づけることを可能にし、なおかつ、特許文献１、２が必要としたような交差部を含まない。
方向性結合器の分岐比が85.4/14.6〜14.6/85.4の範囲にあれば、消光比と漏話を理想的な特性に戻すことが可能である。上に述べたシリコン細線光導波路の場合、この範囲は、図7に示す通り、160〜290nmに及ぶ広範囲の線路間隔に対応しており、大きな作製誤差が許容される結果、製造後のチップ選別は不要となり、量産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】公知の標準的な導波路型MZI(Mach-Zehnder Interferometer)を示す図である。
【図２】公知の標準的なMZIによる2×2スイッチを示す図である。
【図３】方向性結合器の分岐比と2×2スイッチの消光比・漏話特性を示す図である。
【図４】特許文献１、２に開示の消光比・漏話特性改良型のMZI構成を表す図である。
【図５】本発明を具体化する2×2スイッチを例示する図である。
【図６】特性改善例（その1）を示す図である。
【図７】特性改善例（その2）を示す図である。
【図８】特性改善例（その3）を示す図である。
【図９】分岐比と最適位相の関係を示す図である。
【図１０】位相変化の方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図５は、本発明を具体化する2×2スイッチ（2入力2出力の光スイッチ）を例示する図である。図示の2×2スイッチは、4つの方向性結合器と、3つの位相変化部からなる。これは、図1の構造中の方向性結合器をMZIに置き換えたものでもある。中央の位相変化Φは、図2と同じく、クロス・バー状態間の切り替えに用いる。これを前後に挟み込む2つのMZIの位相Φ1、Φ3を調整して、前・後段それぞれのMZIが50/50の理想的な分岐として働くようにすれば、図2で示した理想的な消光比と漏話特性が回復する。
このように、例示の2×2スイッチには、4つの方向性結合器が含まれるが、半導体微細加工のプロセスを考えると、これら4つは同じ分岐特性を持つと考えてよい。位相変化を与える所は3箇所あり、中央のそれ（Φ）はクロス・バー状態間の切り替え用である。その両側で与える位相変化（Φ１，Φ３）は、消光比や漏話などの特性を改善するための調整用であり、最適値に固定して使われる。
【００１５】
標準的な転送行列の手法を用いて、方向性結合器の働きを
【数１】
2010276897.tif 000003
位相挿入部の働きを
【数２】
2010276897.tif 000004
で表す。Φは挿入される位相値である。θは分岐比に対応する指数で、以下の通り、定義する。方向性結合器の入力端の一方に光を入力したとき、その入力端側導波路と一続きである出力端（バー側出力端と呼ぶ）へ分配される強度と入力端側導波路と対向する導波路の端である出力端（クロス側出力端と呼ぶ）へ分配される強度の比、即ち、バー側出力端強度/クロス側出力端強度、を分岐比と呼ぶと、分岐比＝cos2/sin2となるθを常に決めることが出来、分岐比の替わりに上記の行列DC(θ)の計算に用いる。例えば、分岐比50/50にはθ＝π/4、同60/40にはθ＝ ( π/4)×0.87、同40/60にはθ＝ ( π/4)×1.13、が対応する。
【００１６】
図５のスイッチの特性は、
【数３】
2010276897.tif 000005
から調べられる。入力端1に単位強度の光を入力したとして、出力端1’、2’での光強度はそれぞれ、
【数４】
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で与えられる。先に述べた通り、4つの方向性結合器の分岐比は揃っていると考えてよいので、θ1＝θ2＝θ3＝θ4＝θとする。分岐比（百分率）60/40、40/60、70/30、30/70、80/20、20/80、85.4/14.6、14.6/85.4、50/50の場合について、消光比と漏話特性が最も良くなるような、Φ２、Φ３の値を探索した。その結果得られた最適化特性を、出力端強度のスイッチ位相Φ依存性として、図６、７、８に、それぞれ(a)〜(i)として、示した。
【００１７】
図６は、特性改善例（その1）を示している。図５の出力端1’、2’での光強度をスイッチ用位相Φの関数としてプロットした。計算は計算には上述の転送行列を用いた。方向性結合器の分岐比は、(a) 60/40、(b)40/60、(c)70/30、(d)30/70。特性改善に用いた位相Φ1(=Φ3)の最適値は、図９の通りである。図７は、特性改善例（その2）を示している。方向性結合器の分岐比は、(e)80/20、(f)20/80、(g)85.4/14.6、(h)14.6/85.4である。図８は特性改善例（その3）を示している。方向性結合器の分岐比は、(i) 分岐比50/50である。
【００１８】
図６(a)は、分岐比60/40の場合であり、図3の場合の改良結果にあたる。消光比は、出力端1’,2’ともに58dBを越え、同時に、漏話レベルも、クロス状態、バー状態ともに58dBを越えており、位相調整部を備える前の図3の場合と比べて、改善効果は明瞭である。58dBという数字は、数値計算の有効数字の桁数不足に由来するものであり、事実上、図2の理想的な特性が回復したと理解してよい。同様に、(b)から(i)に至るいずれの分岐比の場合も、図６、７、８が示す通り、理想的な消光比と漏話特性が得られた。
【００１９】
Φ１とΦ３の最適化は、図５の前・後段のMZIの出力強度を等化することに他ならず、最適値においてはΦ1＝Φ3である。方向性結合器の分岐比と最適位相Φ1（＝Φ3）の関係（左側縦軸）を図９に示した。分岐比は、入力と同じ側の線路（バー端側）への分配比（百分率）で表記した。シリコン細線光導波路を想定した線路間隔を右側縦軸にプロットした。改善が見込める分岐比の範囲は、線路間隔で160〜290nmの範囲に対応する。許容製造誤差としては、十分に大きい。分岐比が14.6/85.4〜85.4/14.6の範囲を外れる場合については、理想特性は回復できない。しかし、上に述べたシリコン細線光導波路の場合、対応可能な範囲の分岐比は、図１０に示す通り、160〜290nmに及ぶ広範囲の線路間隔に対応している。
【００２０】
スイッチ位相Φ、調整位相Φ1、Φ3の印加には、種々の方法が使える。その一例は、熱光学効果を利用する方法であり、石英系PLCに実装され広く使われている。Si細線光導波路の場合について、その具体的な方法を図9に示す。
【００２１】
図１０は、スイッチ位相Φ、調整位相Φ1、Φ3を与える方法を示している。位相変化を起こしたい区間において、前後を方向性結合器の間に挟まれた上下各1本の導波路直上にヒーターをつける。これに通電して発熱させ、直下の導波路を昇温する。加熱された側の光路長が伸び、加熱されない側の導波路との間に、光路長差が生じ、これが挿入される位相となる。加熱する導波路は上下のどちらか一方であり、挿入したい位相の符号によって、上下を決める（上が正）。調整位相Φ1、Φ3用のヒーターは、Φ1、Φ3の最適値を与える発熱量に固定する。スイッチ位相Φ用のヒーターは、使いたいスイッチの状態に応じて、発熱量を切り替える。例えば、図６ (a)に示した分岐比60/40の場合、位相Φを0.2πラジアン、1.2πラジアンにしたとき、それぞれバー状態、クロス状態となるので、上側ヒーターに通電し、比較的発熱量が小さいところでバー状態、発熱量の大きいところでクロス状態にできる。下側ヒーターに通電して、Φ = -0.8・πラジアンに対応したクロス状態にすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
光通信機器ROADMや光クロスコネクトOXCと呼ばれる通信機器には、消光比と漏話特性に優れたマトリックススイッチが必要とされる。本発明が提案する光スイッチは、こうしたマトリックススイッチの単位素子として利用される。特に、シリコン細線光導波路を用いることで、石英系平面光回路を大きく上回る多入力・多出力のマトリックススイッチを実現する途が拓ける。
【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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【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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