(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力数が１以上、出力数が２以上である単位光スイッチを、その単位光スイッチの入力の１つを入力とし、その単位光スイッチの出力の２つを出力とした要素スイッチとし、
前記要素スイッチを複数個組み合わせて構成した入力数が前記単位光スイッチの入力数以下で、出力数が４以上の光スイッチであって、
前記要素スイッチの両方の出力がそれぞれ異なる他の要素スイッチの入力となる要素スイッチ１つ以上で構成され、入力から各出力までの段数が全て同じになるように構成するツリー型構成部と、
前記要素スイッチの一方の出力が前記光スイッチの出力となり、他方の出力が他の要素スイッチの入力、あるいはダミー出力となる要素スイッチを縦列に２以上接続するタップ型構成部とにより構成され、
前記ツリー型構成部と前記タップ型構成部のそれぞれを少なくとも１つ以上含み、
かつ、入力側を前記ツリー型構成部とし、その出力のそれぞれに前記タップ型構成部を接続し、
前記光スイッチのすべての出力が前記タップ型構成部の各要素スイッチの一方の出力であることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記タップ型構成部の各要素スイッチの一方の出力に光ゲートが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
入力側を１×２k または２×２k （ｋは１以上の整数）の前記ツリー型構成部とし、その２k 個の出力のそれぞれに前記タップ型構成部を接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記光スイッチの前記要素スイッチが、石英系光導波路で作製したマッハ・ツェンダ形光干渉計で構成した熱光学光スイッチであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記光スイッチが基板上にｉ×ｊ光スイッチ（ｉ，ｊは１以上の整数）を１または複数連Ｕ字状にレイアウトして配置したものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光スイッチに関し、特に光通信システムにおいて重要な導波型光部品の一つである空間分割型光スイッチの中で、主に入力数が１、出力数がＮ（Ｎ：３、４…）の１×Ｎ光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような導波型１×Ｎ空間分割型光スイッチは、光通信システムの中で、複数の光伝送路から任意の伝送路を選択したり、あるいは伝送路内に多重化された複数波長から任意の波長を光分波器と組み合わせて選択するのに用いられ、重要な光部品の一つである。
【０００３】
１×Ｎ光スイッチの回路構成には、１×２光スイッチを要素スイッチとして、樹形状に接続したツリー型と、縦列に接続したタップ型とが知られている。以下、要素スイッチとしての１×２光スイッチと１×４光スイッチを例としたツリー型とタップ型の構成、及び特徴を説明する。
【０００４】
図５に１×２光スイッチ５００  で構成した要素スイッチの基本構成を示す。光スイッチ部５０１  を駆動しないときは、入力Ｉ  ５０２を出力ＯＢ  ５０３に、光スイッチ部  ５０１を駆動したときには、入力Ｉ  ５０２を出力ＯＣ  ５０４に接続切り替えをする。ここで、入力Ｉ  ５０２を出力ＯＢ  ５０３、あるいは出力ＯＣ  ５０４に接続したときの損失（ｄＢ）をそれぞれＬＣ  ，ＬＢ  とし、非接続時と接続時の損失比である消光比（ｄＢ）をＥＲＣ  ，ＥＲＢ  とする。
【０００５】
図６に図５の要素スイッチを樹形状に２段接続したツリー型１×４光スイッチ６００  を示す。入力Ｉ  ６０１を出力Ｏ１  ６０２、Ｏ２  ６０３、Ｏ３  ６０４へ任意に接続するには、要素スイッチＳＷ１１  ６０６、ＳＷ２１  ６０７、ＳＷ２２  ６０８を駆動して接続する。すなわち、入力Ｉ  ６０１を出力Ｏ１  ６０２に接続するには、要素スイッチＳＷ１１  ６０６、ＳＷ２１  ６０７を駆動し、入力Ｉ  ６０１を出力Ｏ２  ６０３に接続するには要素スイッチＳＷ１１  ６０６を駆動し、入力Ｉ  ６０１を出力Ｏ３  ６０４に接続するには要素スイッチＳＷ２２  ６０８を駆動する。入力Ｉ  ６０１を出力Ｏ４  ６０５に接続するときは、両スイッチＳＷ１１  ６０６、ＳＷ２１  ６０７とも駆動しない。
【０００６】
一般に、出力数Ｎ（＝２ｋ  ：ｋ＝１、２…）のツリー型光スイッチは、Ｎ−１個の要素スイッチを樹形状にｋ段接続しており、その入出力の接続には最大ｋ個の要素スイッチを駆動する。また、そのときの損失はＬＢ  ×ｋ〜ＬＣ  ×ｋであり、その消光比はＥＲＢ  ×ｋ〜ＥＲＣ  ×ｋである。
【０００７】
図７にタップ型１×４光スイッチ７００  を示す。図５の要素スイッチを縦列に４段接続している。要素スイッチの出力ＯＢは次段の入力Ｉに接続し、出力ＯＣは１×４光スイッチ７００  の出力となる。入力Ｉ  ７０１は、出力ＯＩ  ７０２、Ｏ２  ７０３、Ｏ３  ７０４、Ｏ４  ７０５に対応したそれぞれの要素スイッチＳＷ１  ７０７、ＳＷ２  ７０８、ＳＷ３  ７０９、ＳＷ４  ７１０の１つを選択的に駆動することで対応する所望の出力に接続する。ツリー型光スイッチと異なり、タップ型光スイッチは要素スイッチを駆動しない限り、上記のどの出力にも接続されず、入力信号はダミー出力Ｏｄ  ７０６に出力する。
【０００８】
一般に、出力数Ｎ（Ｎは２以上の整数）のタップ型光スイッチは、Ｎ個の要素スイッチを縦列にＮ段接続しており、入出力の接続のための要素スイッチの駆動数は常に１個である。また、その損失はＬＣ  〜ＬＢ  ×（Ｎ−１）＋ＬＣ  、その消光比はＥＲＣ  〜ＥＲＢ  ×（Ｎ−１）＋ＥＲＣ  である。
【０００９】
ツリー型とタップ型構成を、スイッチ性能として重要であるサイズ、消費電力、損失、消光比で比較する。出力数Ｎを２ｋ  （ｋ＝１、２…）とした時の、ツリー型とタップ型の構成、及びスイッチ特性を表１にまとめた。
【００１０】
【表１】
0003583302.tif 000002
【００１１】
光スイッチのサイズは、おおよそ要素スイッチの縦列接続数に依存し、ツリー型はｋ段であるのに比べて、タップ型はＮ（＝２ｋ  ）段であることから、ツリー型の方が小型化を図りやすい。例えば、後述する石英系光導波路で作製したマッハ・ツェンダ干渉計で構成した熱光学スイッチを要素スイッチとした場合、要素スイッチの縦横寸法（横が入出力間の長さ）は〜０．５ｍｍ×１０ｍｍであり、寸法比で横（入出力間の長さ）方向が２０倍程度長い。それゆえ、部品サイズは、おおよそ要素スイッチの縦列接続数で比較できる。
【００１２】
消費電力は要素スイッチの駆動数に比例し、ツリー型が最大ｋ個駆動するのに対して、タップ型は１個であるので、タップ型の方が低消費化が図れる。また、タップ型は入出力の接続に対応して駆動するスイッチが一意的に決まるが、ツリー型は複数のスイッチを組み合わせて駆動することから、タップ型の方がスイッチを制御する電気回路が簡単になる。
【００１３】
損失は、ＬＣ  ／ＬＢ  ＜（２ｋ  −１）／（ｋ−１）のときツリー型の方が、ＬＣ  ／ＬＢ  ＞（２ｋ  −１）／（ｋ−１）のときタップ型の方が小さい。タップ型とツリー型の損失が等しくなるＬＣ  ／ＬＢ  は（２ｋ  −１）／（ｋ−１）であり、例えば、ｋが２，３，４，５，６のとき、ＬＣ  ／ＬＢ  は３，３．５  ，５，７．８  ，１２．６である。ＬＣ  がＬＢ  の３倍以下ではツリー型の方が損失を小さくできるが、ＬＣ  がＬＢ  の３倍以上では、特に小規模スイッチの場合に、タップ型の方が損失を小さくできる。
【００１４】
消光比はＥＲＣ  ＜ＥＲＢ  のときツリー型の方が、ＥＲＣ  ＞ＥＲＢ  のときタップ型の方が大きくなるが、１×２光スイッチの消光比の大きい方の出力を要素スイッチのＯＣとすれば、ＥＲＣ  ＞ＥＲＢ  となるので、タップ型の方が高消光比化を図りやすい。
【００１５】
以上の説明により、ＬＣ  ／ＬＢ  ＜３の場合、ツリー型は損失と部品サイズに利点があり、タップ型は消光比と駆動スイッチ数で利点があるということが分かる。
【００１６】
次に、シリコン基板上の石英系光導波路を用いて１×８光スイッチを作製した場合のツリー型及びタップ型構成の特性を述べる。石英系光導波路は導波路損失が小さく、物性的に高い安定性を有し、光ファイバと整合性が良く、コア形状が矩形であることから光回路の理論設計が容易である等の特徴を有している。それゆえ、低損失、高消光比、高安定動作の光スイッチが実現できる。要素スイッチは、マッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチを用いて構成している。
【００１７】
図８にマッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチ  ８００の構成を示す。入力Ｉ１  ８０１と出力Ｏ１  ８０２間、入力Ｉ２  ８０３と出力Ｏ２  ８０４間を２本の導波路  ８０５、８０６  で結び、途中２箇所で導波路  ８０５、８０６  を数ミクロンに近接させて３ｄＢ方向性結合器  ８０７、８０８  を構成している。３ｄＢ方向性結合器  ８０７、８０８  間の導波路  ８０９、８１０  の一方、あるいは両方に位相器を設ける。ここでは、導波路  ８１０上に薄膜ヒーター８１１  を装荷することで、熱光学効果を用いた位相器を形成している。
【００１８】
導波路  ８０９、８１０  の光路長差が０の場合に、薄膜ヒーター８１１  に電力無印加時は、入力Ｉ１  ８０１と出力Ｏ２  ８０４、入力Ｉ２  ８０３と出力Ｏ１  ８０２がそれぞれ接続される。位相がπ／２（光路長λ／２）となる電力を薄膜ヒーター８１１  に印加すると、入力Ｉ１  ８０１と出力Ｏ１  ８０２、入力Ｉ２  ８０３と出力Ｏ２  ８０４がそれぞれ接続される。
【００１９】
導波路  ８０９、８１０  の光路長差をλ／２とした場合に、電力無印加時は、入力Ｉ１  ８０１と出力Ｏ１  ８０２、入力Ｉ２  ８０３と出力Ｏ２  ８０４がそれぞれ接続され、電力を薄膜ヒーター８１１  に印加すると入力Ｉ１  ８０１と出力Ｏ２  ８０４、入力Ｉ２  ８０３と出力Ｏ１  ８０２がそれぞれ接続される。通常、マッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチ  ８００は、上記導波路  ８０９、８１０  の光路長差をλ／２設け、入力Ｉ１  ８０１を図５の入力Ｉ  ５０２とし、出力Ｏ１  ８０２を図５の出力ＯＢ  ５０３とし、出力Ｏ２  ８０４を図５の出力ＯＣ  ５０４として、要素スイッチに用いる。
【００２０】
マッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチの損失、消光比は、主に３ｄＢ方向性結合器  ８０７、８０８  の結合比に依存する。方向性結合器  ８０７、８０８  の結合比をＫ−ΔＫ、Ｋ＋ΔＫと置き、導波路  ８０９、８１０  の光路長差で生じる損失差が十分小さいとすると、入力導波路と同じ導波路の出力（入力がＩ１  ８０１のときの出力Ｏ１  ８０２、入力がＩ２  ８０３のときの出力Ｏ２  ８０４）でのスイッチの接続時Ｔｔｈｏｎ、非接続時Ｔｔｈｏｆｆ  の透過率は、次式（１）、（２）となる。
【００２１】
【数１】
0003583302.tif 000003
入力導波路と異なる導波路の出力（入力がＩ１  ８０１のときの出力Ｏ２  ８０４、入力がＩ２  ８０３のときの出力Ｏ１  ８０２）でのスイッチの接続時Ｔｃｒｏｎ、非接続時Ｔｃｒｏｆｆ  の透過率は、次式（３）、（４）となる。
【００２２】
【数２】
0003583302.tif 000004
Γは、伝播損失、曲げ損失、方向性結合器で生じる過剰損失の和である。石英系光導波路では、結合比Ｋが５０±１０％、結合比差２・ΔＫが約３％以内であることから、
【００２３】
【数３】
Ｔｔｈｏｎ〜Γ                                                                            （５）
Ｔｔｈｏｆｆ  〜Γ・（１−２ｋ  ）２                                              （６）
Ｔｃｒｏｎ〜Γ・４・Ｋ・（１−Ｋ）                                    （７）
Ｔｃｒｏｆｆ  〜Γ・４・ΔＫ２                                                  （８）
と近似でき、入力と同じ導波路出力、および入力と異なる導波路出力の消光比ＥＲｔｈ、ＥＲｃｒは、
【００２４】
【数４】
ＥＲｔｈ〜（１−２Ｋ）２
ＥＲｃｒ〜ΔＫ２  ／（Ｋ・（１−Ｋ））
とあらわせる。Γが約０．２ｄＢであり、結合比Ｋが５０±１０％、結合比差２・ΔＫが約３％以内であることから損失の最大値、消光比の最小値は、
【００２５】
【数５】
Ｔｔｈｏｎ〜０．２ｄＢ
ＥＲｔｈ〜１４ｄＢ
Ｔｃｒｏｎ〜０．４ｄＢ
ＥＲｃｒ〜３０ｄＢ
である。これより、
【００２６】
【数６】
ＬＣ  （＝０．４ｄＢ）／ＬＢ  （＝０．２ｄＢ）＜３
ＥＲＣ  （＝３０ｄＢ）＞ＥＲＢ  （＝１４ｄＢ）
となる。
【００２７】
この要素スイッチの特性により、１×Ｎ光スイッチ構成としては、損失の点からツリー型が、消光比の点からタップ型が適している。１×８光スイッチでは、損失、サイズの点で利点のあるツリー型で実現されており、損失は約１．２ｄＢ、消光比は約１５ｄＢ、サイズはヒーター用の電気配線を含み１５ｍｍ×６０ｍｍである。駆動電力は要素スイッチ１個あたり０．３５Ｗであることから、最大約１．１Ｗ消費する。さらに高い消光比を得るために、出力の後段に光ゲート（図８のマッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチ８００  においての入力Ｉ１  ８０１を光ゲート入力に、出力Ｏ２  ８０４を光ゲート出力にしたもの）が接続された構成も実現され、その損失は約１．６ｄＢ、最小消光比は約４４ｄＢ、サイズは１５ｍｍ×７０ｍｍ、消費電力は約１．４Ｗである。
【００２８】
上記では、入力数１、及び出力数Ｎの１×Ｎ光スイッチ構成としたが、要素スイッチとして用いたマッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチは２×２光スイッチでもあり、２×２光スイッチとして１×Ｎ光スイッチの入力となる要素スイッチ（図６のＳＷ１１  ６０６、図７のＳＷ１  ７０７）を用いると、１×Ｎの構成のままで、２×Ｎ構成とすることができる。ツリー型２×Ｎ光スイッチの特性は、上記で説明した１×Ｎ光スイッチと同じである。
【００２９】
タップ型２×Ｎ光スイッチの特性は、損失において
【００３０】
【数７】
ｍｉｎ（ＬＢ  ，ＬＣ  ）〜ｍａｘ（ＬＢ  ，ＬＣ  ）＋ＬＢ  ×（Ｎ−２）＋ＬＣ
となり、１×Ｎよりも最大値がＬＢ  とＬＣ  の差だけ大きくなる。消光比は、
【００３１】
【数８】
ｍｉｎ（ＥＲＢ  ，ＥＲＣ  ）〜ｍａｘ（ＥＲＢ  ，ＥＲＣ  ）＋ＥＲＢ  ×（Ｎ−２）＋ＥＲＣ
となり、ツリー型構成の最小消光比と同じになる。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、石英系光導波路で作製したツリー型１×８光スイッチ１回路当たりの最大消費電力が１Ｗを越えるため、装置内の電源容量、冷却能力により容積あたりの装置内実装スイッチ数を決める。さらにスイッチ規模が大きくなり、例えば１×１６光スイッチにおいて、高消光比化のための光ゲートを追加すると消費電力は２Ｗ近くになり、さらに装置内実装スイッチ数が制限されることとなる。
【００３３】
消費電力、消光比の点でタップ型の適用も考えられるが、光スイッチのサイズが大きくなること、及び損失が高くなることからサイズの面でスイッチ個数が制限されたり、光学特性の面で適用システムが制限されることとなる。
【００３４】
したがって、本発明の目的は、ツリー型の利点である低損失、小型サイズの特徴を生かし、タップ型の利点である低消費電力かつ高消光比が実現できる主に入力数が１、出力数がＮ（Ｎ：３、４…）の１×Ｎ光スイッチを提供することにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１の光スイッチの発明は、入力数が１以上、出力数が２以上である単位光スイッチを、その単位光スイッチの入力の１つを入力とし、その単位光スイッチの出力の２つを出力とした要素スイッチとし、前記要素スイッチを複数個組み合わせて構成した入力数が前記単位光スイッチの入力数以下で、出力数が４以上の光スイッチであって、前記要素スイッチの両方の出力がそれぞれ異なる他の要素スイッチの入力となる要素スイッチ１つ以上で構成され、入力から各出力までの段数が全て同じになるように構成するツリー型構成部と、前記要素スイッチの一方の出力が前記光スイッチの出力となり、他方の出力が他の要素スイッチの入力、あるいはダミー出力となる要素スイッチを縦列に２以上接続するタップ型構成部とにより構成され、前記ツリー型構成部と前記タップ型構成部のそれぞれを少なくとも１つ以上含み、かつ、入力側を前記ツリー型構成部とし、その出力のそれぞれに前記タップ型構成部を接続し、前記光スイッチのすべての出力が前記タップ型構成部の各要素スイッチの一方の出力であることを特徴とする。従来、ツリー型あるいはタップ型のみで光スイッチを構成していたが、本発明ではこれら両タイプを組み合わせ、入力側をツリー型構成とし、その後段をタップ型構成とすることで、同じ出力数で比較して縦列接続数を最小にする構成がとれ、小型化が図れることが従来技術と異なる。
【００３７】
また、好ましくは、前記タップ型構成部の各要素スイッチの一方の出力に光ゲートが接続されているとすることができる。
【００３９】
また、入力側を１×２ｋ  または２×２ｋ  （ｋは１以上の整数）の前記ツリー型構成部とし、その２ｋ  個の出力のそれぞれに前記タップ型構成部を接続したことを特徴とすることができる。
【００４２】
また、好ましくは、前記光スイッチの前記要素スイッチが、石英系光導波路で作製したマッハ・ツェンダ形光干渉計で構成した熱光学スイッチであるとすることができる。
【００４３】
また、好ましくは、前記光スイッチが基板上にｉ×ｊ光スイッチ（ｉ，ｊは１以上の整数）を１または複数連Ｕ字状にレイアウトして配置したものであるとすることができる。
【００４４】
（作用）
本発明による、主に入力数が１、出力数がＮ（Ｎ：３、４…）となる１×Ｎ光スイッチ構成は、ツリー型構成とタップ型構成を組み合わせている。
【００４５】
本発明では、ツリー型構成を設けることで、要素光スイッチの縦列接続数の削減による、損失およびスイッチサイズの低減、タップ型構成で同時に駆動する要素スイッチ数の削減による消費電力の削減をしている。
【００４６】
また、本発明では、要素スイッチの消光比が２つの出力ポートで異なる場合に、タップ型構成をすべての出力の直前に置くことで、高い消光比が得られる。
【００４７】
さらに、本発明では、入力側をツリー型構成とし、その後段をタップ型構成とすることで、同じ出力数で比較して、縦列接続数を最小にする構成がとれ、小型化が図れる。ここで、石英系光導波路で作製したマッハ・ツェンダ干渉計で構成した熱光学スイッチを本発明で用いる要素スイッチとした場合には、従来技術の項で例示したような要素スイッチの２つの出力で消光比や損失に差が生じること、及び駆動電力が１要素あたり０．３５Ｗと大きいことから、本発明の構成が非常に有効となる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施形態に基づいてこの発明をさらに詳しく説明する。なお、これらの実施形態によりこの発明が限定されるものでない。
【００４９】
（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態における１×１６光スイッチ  １００の構成を示す。１つの入力Ｉ  １０１と複数の出力Ｏ１  １０２、Ｏ２  １０３、Ｏ３  １０４、Ｏ４  １０５、Ｏ５  １０６、Ｏ６  １０７、Ｏ７  １０８、Ｏ８  １０９、Ｏ９  １１０、Ｏ１０  １１１、Ｏ１１  １１２、Ｏ１２  １１３、Ｏ１３  １１４、Ｏ１４  １１５、Ｏ１５  １１６、Ｏ１６  １１７の間を、入力Ｉ  １０１側の１×２のツリー型構成部  １１８と、その後段に並列に接続した２つの１×８のタップ型構成部  １１９、１２０  とで構成した１×１６光スイッチ１００  によって接続切り替えをする。
【００５０】
ツリー型構成部  １１８は、ツリー型構成の要素スイッチＳＷ０  １２１で構成している。要素スイッチＳＷ０  １２１において、前述の図５の出力ＯＢ  ５０３に対応する出力を一方の第１のタップ型構成部  １１９に接続し、図５の出力ＯＣ  ５０４に対応する出力を他方の第２のタップ型構成部  １２０に接続している。
【００５１】
第１のタップ型構成部  １１９は、要素スイッチＳＷ１  １２２、ＳＷ２  １２３、ＳＷ３  １２４、ＳＷ４  １２５、ＳＷ５  １２６、ＳＷ６  １２７、ＳＷ７  １２８、ＳＷ８  １２９を順次縦列に接続している。そして、高消光比化を図るために、各要素スイッチＳＷ１  １２２〜ＳＷ８  １２９の出力に光ゲートを接続している。
【００５２】
即ち、要素スイッチＳＷ１  １２２の出力を光ゲートＧ１  １３０に接続し、この光ゲートを出力Ｏ１  １０２に接続している。同様に、要素スイッチＳＷ２  １２３の出力は光ゲートＧ２  １３１に接続し、この光ゲートは出力Ｏ２  １０３に接続し、また要素スイッチＳＷ３  １２４は光ゲートＧ３  １３２に接続し、この光ゲートは出力Ｏ３  １０４に接続し、また要素スイッチＳＷ４  １２５は光ゲートＧ４  １３３に接続し、この光ゲートは出力Ｏ４  １０５に接続し、また要素スイッチＳＷ５  １２６は光ゲートＧ５  １３４に接続し、この光ゲートは出力Ｏ５  １０６に接続し、また要素スイッチＳＷ６  １２７は光ゲートＧ６  １３５に接続し、この光ゲートは出力Ｏ６  １０７に接続し、また要素スイッチＳＷ７  １２８は光ゲートＧ７  １３６に接続し、この光ゲートは出力Ｏ７  １０８に接続し、また要素スイッチＳＷ８  １２９は光ゲートＧ８  １３７に接続し、この光ゲートは出力Ｏ８  １０９に接続している。
【００５３】
第２のタップ型構成部  １２０は、第１のタップ型構成  １１９と同様に、複数の要素スイッチＳＷ１６  １４５、ＳＷ１５  １４４、ＳＷ１４  １４３、ＳＷ１３  １４２、ＳＷ１２  １４１、ＳＷ１１  １４０、ＳＷ１０  １３９、ＳＷ９  １３８を順次縦列に接続して構成している。そして、高消光比化を図るために、各要素スイッチＳＷ９  １３８〜ＳＷ１６  １４５の出力に光ゲートを配置している。
【００５４】
即ち、要素スイッチＳＷ９  １３８は光ゲートＧ９  １４６に接続し、この光ゲートは出力Ｏ９  １１０に接続し、また要素スイッチＳＷ１０  １３９は光ゲートＧ１０  １４７に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１０  １１１に接続し、また要素スイッチＳＷ１１  １４０は光ゲートＧ１１  １４８に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１１  １１２に接続し、また要素スイッチＳＷ１２  １４１は光ゲートＧ１２  １４９に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１２  １１３に接続し、また要素スイッチＳＷ１３  １４２は光ゲートＧ１３  １５０に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１３  １１４に接続し、また要素スイッチＳＷ１４  １４３は光ゲートＧ１４  １５１に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１４  １１５に接続し、また要素スイッチＳＷ１５  １４４は光ゲートＧ１５  １５２に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１５  １１６に接続し、また要素スイッチＳＷ１６  １４５は光ゲートＧ１６  １５３に接続し、この光ゲートは出力Ｏ１６  １１７に接続している。
【００５５】
入力Ｉ  １０１を出力Ｏ１  １０２から出力Ｏ８  １０９のいずれかの出力に接続する場合には、その出力に対応した第１のタップ型構成部  １１９の要素スイッチ（ＳＷ１〜ＳＷ８）と光ゲート（Ｇ１〜Ｇ８）を駆動する。例えば、入力Ｉ  １０１を出力Ｏ１  １０２に接続する場合は、要素スイッチＳＷ１  １２２および光ゲートＧ１  １３０を駆動する。
【００５６】
入力Ｉ  １０１を出力Ｏ９  １１０から出力Ｏ１６  １１７のいずれかの出力に接続する場合には、その出力に対応した第２のタップ型構成部１２０  のスイッチの要素スイッチ（ＳＷ９〜ＳＷ１６）と光ゲート（Ｇ１０〜Ｇ１６）を駆動するとともに、ツリー型構成部  １１８の要素スイッチＳＷ０  １２１を駆動する。例えば、入力Ｉ  １０１を出力Ｏ１６  １１７に接続する場合は、要素スイッチＳＷ０  １２１、要素スイッチＳＷ１６  １４５および光ゲートＧ１６  １５３を駆動する。これらスイッチを駆動しない場合は、ダミー出力Ｏｄ１  １５４に接続されている。ツリー型の要素スイッチＳＷ０のみを駆動した場合は、ダミー出力Ｏｄ２  １５５に接続されている。
【００５７】
本発明の構成のように、入力側にｉ段のツリー型スイッチとその出力の後段にｊ段のタップ型スイッチを接続し、２ｉ×ｊの出力数Ｎを有する１×Ｎ光スイッチ（光ゲートを除く）を構成した場合には、要素スイッチ数は（２ｉ−１＋２ｉ×ｊ）個、要素スイッチの駆動数は（ｉ＋１）個であり、損失はｍｉｎ（ＬＣ，ＬＢ）×ｉ＋ＬＣ〜ｍａｘ（ＬＣ，ＬＢ）×ＬＢ×（ｊ−１）＋ＬＣ、消光比はＥＲＣ〜maｘ（ＥＲＣ，ＥＲＢ）×ｉ＋ＥＲＢ×（ｊ−１）＋ＥＲＣである。
【００５８】
本実施形態では、１×１６光スイッチ  １００を従来技術の項で述べた石英系光導波路により作製した。導波路構造は下部クラッド厚約４０μｍ、コア径６μｍ×６μｍ、上部クラッド厚１５μｍ、コアとクラッドの比屈折率差０．７５％である。要素スイッチは、図８に示すマッハ・ツェンダ干渉計構成の熱光学スイッチである。曲げ半径は５ｍｍ、方向性結合器部の導波路間隔は３μｍで設計した。ヒーター材料には、高信頼性を有するＴａ２  Ｎを用い、ヒーターサイズは長さ４ｍｍ、幅４０μｍである。スイッチ駆動は、ヒーターに約０．３５Ｗの電力を印加することで行う。
【００５９】
図２に上記仕様で作製したチップ２００  を示す、１×１６光スイッチをＵ字状にレイアウトし、２連配置している。要素スイッチは、入力２０１  、２０２  と出力２０３  、２０４  との間に、１０ブロックに分けて配置した。具体的には、ブロック＃１  ２０５には、図１のＳＷ０  １２１を、ブロック＃２  ２０６には、ＳＷ１  １２２、ＳＷ１６  １４５を、ブロック＃３  ２０７には、ＳＷ２  １２３、ＳＷ１５  １４４、Ｇ１  １３０、Ｇ１６  １５３を、ブロック＃４  ２０８には、ＳＷ３  １２４、ＳＷ１４  １４３、Ｇ２  １３１、Ｇ１５  １５２を、ブロック＃５  ２０９には、ＳＷ４  １２５、ＳＷ１３  １４２、Ｇ３  １３２、Ｇ１４  １５１を、ブロック＃６  ２１０には、ＳＷ５  １２６、ＳＷ１２  １４１、Ｇ４  １３３、Ｇ１３  １５０を、ブロック＃７  ２１１には、ＳＷ６  １２７、ＳＷ１１  １４０、Ｇ５  １３４、Ｇ１２  １４９を、ブロック＃８  ２１２には、ＳＷ７  １２８、ＳＷ１０  １３９、Ｇ６  １３５、Ｇ１１  １４８を、ブロック＃９  ２１３には、ＳＷ８  １２９、ＳＷ９  １３８、Ｇ７  １３６、Ｇ１０  １４７を、ブロック＃１０  ２１４には、Ｇ８  １３７、Ｇ９  １４６を配置した。Ｕ字状に配置するとともに、入力２０１  、２０２  と出力２０３  、２０４  をチップの片側に持ってくることで、チップの小型化を図っている。チップサイズは３５ｍｍ×７５ｍｍである。
【００６０】
タップ型構成部は、出力導波路により信号が通過する要素スイッチ数が異なり、要素スイッチの損失のために、信号通過素子数の違いが、出力ポートごとの損失値ばらつきの主要因となる。そのため、光ゲートの後段に図８に示すマッハ・ツェンダ干渉計の方向性結合器８０７  、８０８  の結合比を０％とし、ヒーターを装荷しないダミーのスイッチ（出力は図５のＯＢ  ５０３）を複数接続し、信号が通過する要素スイッチ数をどの出力に対しても同数になるようにしている。
【００６１】
入力２０１  、２０２  と出力２０３  、２０４  は３ブロックに分け、出力２０３  の１６本の内１０本を入出力ブロック２１５  に、出力２０３  の残り６本と出力２０４  の１６本の内６本を入出力ブロック２１６  に、出力２０４  の残り１０本と入力２０１  、２０２  を入出力ブロック２１７  に配置した。各入出力ブロック２１５  〜２１７  内の導波路間隔は２５０μｍである。
【００６２】
このように入出力を３ブロックに分けたのは、光ファイバとの接続にともなう損失増加を抑えるためである。即ち、この光スイッチは、入出力導波路に光ファイバを接続した形態で装置に組み込まれる。入出力導波路と光ファイバの接続は、複数の光ファイバを一列に整列したガラスブロック（２１５  ，２１６  ，２１７  ）を、導波路端に接着固定する方法を用いた。導波路と光ファイバの接続にともなう損失増加は、ガラスブロック内での光ファイバ間のピッチが若干異なること、チップに微妙なそりがあること等により生じる。それゆえ、ブロックの光ファイバ数が少ない方が、損失低減に有利である。そのため、チップサイズを変えずに、我々当業者が標準的に用いている光ファイバブロックを用いて接続できる最大数の３個に分割した。
【００６３】
チップ２００  の下端側に電気パッド２１８  を配置した。この電気パッドは６７個あり、６６個のパッドはヒーター（図８の８１１  ）の一方の端と電気配線で接続し、残り１個のパッドはすべてのヒーターの他方の端を電気配線で接続した。電気配線は薄膜ヒーターと同様に金属薄膜を装荷したもので、抵抗を下げるためにＡｕを用いている。
【００６４】
分散シフトファイバを接続したスイッチ性能は、損失２．６ｄＢ±０．３ｄＢ、消光比４８ｄＢ以上であった。損失は、要素スイッチの損失の他に、入出力導波路および要素スイッチ間接続のための導波路損失約０．４ｄＢ、ファイバ接続損失約０．３ｄＢを含む。
【００６５】
本実施形態での構成が有効であることを示すために、ツリー型構成、タップ型構成での特性を見積もるとともに、ツリー型の段数を変えた場合の特性を見積もった（下記の表２参照）。この見積もりには、本実施形態の光ゲートは含んでいない。
【００６６】
【表２】
0003583302.tif 000005
【００６７】
表２から、ツリー型に比較してツリー型＋タップ型である本実施形態（表２で太線の枠で囲んで示す）の構成は、消費電力が半減でき、消光比が大幅に改善できることがわかる。損失は０．６ｄＢ程度の増加に抑えられる。但し、ツリー型に比較して本実施形態の構成は、縦列接続数が２倍に増加するためチップサイズが大きくなるが、実際は、電気配線や入出力導波路等の配置のための領域があるので、１．３倍程度の面積増加に抑えられる。
【００６８】
ツリー型を２段、およびタップ型を４段にする構成は、消費電力を２５％程度しか低減できないが、損失増加はほとんどなく、消光比は大幅に改善される。この場合のチップサイズは、ツリー型を１段およびタップ型を８段の構成の本実施形態とほぼ同程度であった。適用するシステムの仕様により、ツリー型の段数とタップ型の段数を適宜選択すれば良い。
【００６９】
本実施形態では、図１の要素スイッチＳＷ０  １２１の入力数を１としたが、従来例で示したようにマッハ・ツェンダ干渉計は２×２光スイッチとしてできるので、本実施形態の１×１６光スイッチを２×１６光スイッチとしても用いることができる。この場合のスイッチ特性は、入力側がツリー型構成であることから、本実施形態の１×１６光スイッチと同じである。
【００７０】
本実施形態の１×１６光スイッチを２連にしたレイアウトでは、図２に示すように、入力２０１  、２０２  を隣接させ、出力２０３  、２０４  を隣接させたが、入力２０１  と出力２０４  を隣接させ、入力２０２  と出力２０３  を隣接させるように要素スイッチを配置しても良い。
【００７１】
本実施形態では、入力２０１  、２０２  と出力２０３  、２０４  は、２１５、２１６、２１７  の３ブロックに分けたが、光ファイバ間のピッチ精度が良い光ファイバを一列に整列したガラスブロックを選択することで、２ブロックでも損失をほとんど増加させずに光ファイバを接続できる。さらに、導波路間隔を上記の半分にすれば、１ブロックでも損失をほとんど増加させずに光ファイバを接続できる。
【００７２】
（第２の実施形態）
図３に本発明の第２の実施形態である１×３２光スイッチ３００  の構成を示す。この１×３２光スイッチ３００  は、ツリー型構成の要素スイッチ３０１  に第１の実施形態に示した構成の１×１６光スイッチ３０２  、３０３  を並列に接続したものであり、１×４ツリー型構成のそれぞれの出力に１×８タップ型構成を接続したスイッチ構成のものである。
【００７３】
入力と出力の接続には、出力が含まれるタップ型構成に繋がるようにツリー型の要素スイッチを駆動し、出力に対応したタップ型構成の要素スイッチを駆動する。その際の最大スイッチ駆動数は３である。
【００７４】
本実施形態の１×３２光スイッチ３００  も、第１の実施形態と同様に、石英系光導波路を用い、チップレイアウトは、図２の１×１６光スイッチの入力２０１  、２０２  の前段に図３のＳＷ０  ３０１に対応する要素スイッチを配置した。また、本実施形態は第１の実施形態と同様にダミーのスイッチを損失補償のために配置している。チップサイズは３５ｍｍ×８５ｍｍである。
【００７５】
分散シフトファイバを接続したスイッチ性能は、損失３．１ｄＢ±０．３ｄＢ、消光比４６ｄＢ以上であった。損失は、要素スイッチの損失の他に、入出力導波路および要素スイッチ間接続のための導波路損失約０．５ｄＢ、及びファイバ接続損失０．３ｄＢを含む。
【００７６】
第１の実施形態と同様に、本実施形態の構成が有効であることを示すために、ツリー型構成、タップ型構成の特性を見積もるとともに、ツリー型の段数を変えた場合の特性を見積もった（下記の表３参照）。この見積もりには、本実施形態で組み込んだ光ゲートは含まない。
【００７７】
【表３】
0003583302.tif 000006
【００７８】
表３からわかるように、ツリー型に比較して、表３で太線の枠で囲んだ本実施形態は、消費電力が４０％削減でき、消光比が大幅に改善できる。ツリー型に比較して、本実施形態は、損失は０．６ｄＢ程度の増加に、チップサイズは面積で１．４倍程度の増加に抑えられる。
【００７９】
また、ツリー型を３段、およびタップ型を４段にした場合、消費電力を２０％程度しか低減できないが、損失増加はほとんどく、消光比は大幅に改善される。チップサイズは、１．１倍程度の増加に抑えられる。ツリー型を１段、およびタップ型を１６段にした場合は、消費電力を６０％低減できるが、損失が１．８ｄＢと大幅に増加する。消光比は改善されるが、チップサイズは、面積で２倍程度増加する。ツリー型とタップ型の段数は、特性のバランスから本実施形態の段数が適当であるが、第１の実施形態で述べたように適用するシステムの仕様により適宜選択することが望ましい。
【００８０】
本実施形態では、図３の要素スイッチＳＷ０  ３０１の入力数を１としたが、第１の実施形態と同様に、入力数を２とすることで、１×３２光スイッチを２×３２光スイッチとしても用いることができる。スイッチ特性は、入力側がツリー型構成であることから、本実施形態の１×３２光スイッチと同じである。
【００８１】
（参考例）
図４に本発明の参考例である１×４光スイッチ400の構成を示す。入力Ｉ  401側に要素スイッチＳＷ１  406、  ＳＷ２  407を２段縦列接続したタップ型構成に、ツリー型構成となる要素スイッチＳＷ３  408を接続している。出力Ｏ１  402、Ｏ２  403、  Ｏ３  404はそれぞれ対応する要素スイッチＳＷ１  406、ＳＷ２  407，ＳＷ３  408を駆動することで入力Ｉ  401と接続し、出力Ｏ４  405はこれら要素スイッチを駆動しない場合に接続する。
【００８２】
従来例で示したツリー型ではスイッチを最大2個駆動する必要があるが、本参考例では駆動する必要のあるスイッチは1個のみである。また、本参考例の要素スイッチ数は従来例のツリー型の要素スイッチ数と同数で良い。また、本参考例のものは、従来例のタップ型よりは要素スイッチを１個減らせる。従って、本参考例のように、小規模な構成でも、タップ型とツリー型を組み合わせることは有用である。
【００８３】
本参考例において、分散シフトファイバを接続したスイッチ性能は、損失１．１ｄＢ±０．２ｄＢ，消光比１５ｄＢ以上であった。損失は、要素スイッチの損失の他に、入出力導波路および要素スイッチ間接続のための導波路損失約０．３ｄＢ、及びファイバ接続損失０．３ｄＢを含む。
【００８４】
本参考例では、要素スイッチＳＷ１  406の入力数を１としたが、第1および第2の実施形態と同様に、入力数を２とすることで、１×４光スイッチを２×４光スイッチとしても用いることができる。ただし、この場合の光スイッチの特性は、入力側がタップ型構成であることから、損失の最大値が０．２ｄＢ増加する。なお、本参考例の変形として、タップ型構成部の後段にツリー型構成部を設け、さらにその後段にタップ型構成部を設けることで、後段のタップ型構成に接続されている出力損失を小さくできる。
【００８５】
（他の実施形態）
上記の説明では、導波路材料として石英系光導波路を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば多成分ガラス導波路、ＬｉＮｂ３  光導波路、半導体光導波路、プラスチック光導波路等を適用できる。また、１×２要素スイッチ構成としてマッハ・ツェンダ干渉計構成を用いたが、交差導波路型、方向性結合器型、ゲート型等も適用できる。
【００８６】
また、上記の説明では、２×２光スイッチとして用いることができるマッハ・ツェンダ干渉計で構成した熱光学スイッチを１×２要素スイッチとしたが、本発明はこれに限定されず、例えばｉ×ｊ（ｉ：１、２、３…、ｊ：１、２、３…）スイッチのｉ個の入力の１つを要素スイッチの入力とし、ｊ個の出力の２つを要素スイッチの出力とすることができる。このｉ×ｊ光スイッチは要素スイッチを組み合わせて構成し、それを要素スイッチとして用いることも含まれる。
【００８７】
また、上記の説明では、１×Ｎ光スイッチの入力と出力を説明の便宜上区別したが、入力を出力とし、出力を入力としても使用できる。
【００８８】
また、上記説明では、入力側をツリー型構成、出力側をタップ型構成として１×１６、１×３２の光スイッチを実施形態として示したが、本発明はこれに限定されず、さらに多出力の大規模スイッチや１×４、１×８の小規模光スイッチにも有効である。
【００８９】
具体的には、上記の第１、第２実施形態で使用した石英系導波路を用い、ツリー型構成を１段とし、タップ型構成を１×４光スイッチでは２段、１×８光スイッチでは４段とした場合には、従来のツリー型構成に比較して、消費電力は、１×４光スイッチでは同じ、１×８光スイッチでは約３０％（１／３）削減できる。その損失は、１×４，１×８の両光スイッチとも約０．２ｄＢ増加するのみであり、最小消光比は、１×４、１×８の両光スイッチとも約１４ｄＢから約３０ｄＢと高くできる。チップサイズは、ツリー型に比較して要素スイッチの縦列接続数が１×４スイッチで１．５倍、１×８スイッチで１．６倍になるため、大きくなるが、消費電力、損失、消光比の点で、小規模でも本発明が有効であることがわかる。
【００９０】
また、上記の説明では、図８のマッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチの導波路８０９  、８１０  の光路長差をλ／２設け、入力Ｉ１  ８０１を図５の入力Ｉ  ５０２と、出力Ｏ１  ８０２を図５の出力ＯＢ  ５０３と、出力Ｏ２  ８０４を図５の出力ＯＣ  ５０４としたが、本発明はこれに限定されず、例えば、導波路８０９  、８１０  の光路長差を設けず、出力Ｏ１  ８０２を出力ＯＣ  ５０４と、出力Ｏ２  ８０４を出力ＯＢ  ５０３とすることもできる。しかしながら、第１〜第３実施形態で用いたマッハ・ツェンダ光干渉計型熱光学スイッチでは、ＬＣ  ＝０．２ｄＢ、ＬＢ  ＝０．４ｄＢ、ＥＲＣ  ＝１４ｄＢ、ＥＲＢ  ＝３０ｄＢとなり、ツリー型構成部の特性は変わらないが、タップ型構成部で、さらに損失は増加し、消光比は劣化するため、上記の実施形態の構成とした。
【００９１】
また、上記の説明では、１×Ｎ光スイッチ単体での構成を示したが、本構成は、回路構成の一部としても適用でき、例えば、光分波回路であるアレー導波路回折格子のＮ本の出力にＮ×１光スイッチを接続した波長選択回路のＮ×１光スイッチに適用できる。
【００９２】
上記の第１および第２の実施形態では、２つのタップ型構成部に１×８光スイッチを用い、特性見積もりでも、出力数を２の倍数にしたが、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、第１の実施形態では、一方のタップ型構成部の出力数を７段、他方のタップ型構成部を８段とすることで、１×１５光スイッチとすることができる。また、一方のタップ型構成部の出力数を７段、他方のタップ型構成部を９段とすることで１×１６光スイッチとすることもできるが、タップ型構成部の出力数を極力同じ段数にすることで、縦列接続数を最小にでき、小型化、低損失化が図れる。ツリー型構成でも、同様のことが言え、ツリー型構成の段数を極力同じにすることで、小型化が図れる。
【００９４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、入力側をツリー型構成とし、その後段をタップ型構成とすることで、同じ出力数で比較して、縦列接続数を最小にする構成がとれ、小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の１×１６光スイッチの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の２連配置の１×１６光スイッチのレイアウト図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の１×３２光スイッチの構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の１×４光スイッチの構成図である。
【図５】本発明の参考例の１×４光スイッチの構成図である。
【図６】図５の要素スイッチを樹形状に２段接続した従来のツリー型１×４光スイッチの構成図である。
【図７】図５の要素スイッチを縦列に４段接続した従来のタップ型１×４光スイッチの構成図である。
【図８】従来の要素スイッチとしてのマッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチの構成図である。
【符号の説明】
１００    １×１６光スイッチ
１０１    入力
１０２〜１１７    出力
１１８    ツリー型構成部
１１９，１２０    タップ型構成部
１２１    ツリー型構成の要素スイッチ
１２２〜１２９、１３８〜１４５    タップ型構成の要素スイッチ
１３０〜１３６、１４７〜１５３    光ゲート
１５４，１５５    ダミー出力
２００    １×１６光スイッチ
２０１，２０２    入力
２０３，２０４    出力
２０５〜２１４    スイッチブロック
２１５〜２１７    出力ブロック
２１８    電気パット
３００    １×３２光スイッチ
３０１    ツリー型構成の要素スイッチ
３０２，３０３    １×１６光スイッチ
４００    １×４光スイッチ
４０１    入力
４０２〜４０４    出力
４０５    要素スイッチを駆動しないときに接続する出力
４０６，４０７    タップ型構成の要素スイッチ
４０８    ツリー型構成となる要素スイッチ
５００    要素スイッチ
５０１    光スイッチ部
５０２    入力
５０３    出力ＯＢ
５０４    出力ＯＣ
６００    ツリー型１×４光スイッチ
６０１    入力
６０２〜６０５    出力
６０６〜６０８    要素スイッチ
７００    タップ型１×４光スイッチ
７０１    入力
７０２〜７０５    出力
７０６    ダミー出力
７０７〜７１０    要素スイッチ
８００    マッハ・ツェンダ干渉計型熱光学スイッチ
８０１，８０３    入力
８０２，８０４    出力
８０５，８０６    導波路
８０７，８０８    ３ｄＢ方向性結合器
８０９，８１０    導波路
８１１    薄膜ヒーター
【図１】
0003583302.tif 000007
【図２】
0003583302.tif 000008
【図３】
0003583302.tif 000009
【図４】
0003583302.tif 000010
【図５】
0003583302.tif 000011
【図６】
0003583302.tif 000012
【図７】
0003583302.tif 000013
【図８】
0003583302.tif 000014