(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１本の共通ポート用チャネル光導波路と、
複数の光導波路からなる位相調整用チャネル光導波路アレイと、
Ｎ（Ｎ≧２）本の分岐ポート用チャネル光導波路と、
前記共通ポート用チャネル光導波路および前記位相調整用チャネル光導波路アレイを結ぶ第一のスラブ光導波路と、
前記分岐ポート用チャネル光導波路および前記位相調整用チャネル光導波路アレイを結ぶ第二のスラブ光導波路と
を備えたフェーズアレイ型光スイッチにおいて、
前記位相調整用チャネル光導波路アレイの光の伝搬方向に配列されたＭ組（Ｍは２以上）のスイッチング制御器を有し、
前記Ｍ組のスイッチング制御器の各々は、
前記位相調整用チャネル光導波路アレイを構成する光導波路のアレイ方向に配列された複数の位相制御器を備え、前記複数の位相制御器は配線により接続されており、
各組において、前記複数の位相制御器のうち前記アレイ方向において隣接する位相制御器の長さの差は一定であり、
第ｍ組（ｍはＭ以下）のスイッチング制御器における前記位相制御器の長さの差は、第１組のスイッチング制御器における前記位相制御器の長さの差のｍ倍であり、前記第ｍ組のスイッチング制御器における前記位相制御器の長さは、最小から最大までの増加または最大から最小までの減少を、ｍ回繰り返す、
ことを特徴とするフェーズアレイ型光スイッチ。
【請求項２】
前記位相制御器が与える最大位相変化量は２π以下であり、
前記Ｍ組のスイッチング制御器を選択的に駆動することにより、前記少なくとも１本の共通ポート用チャネル光導波路から入力された光を前記Ｎ本の分岐ポート用チャネル導波路のいずれかにスイッチングすることを特徴とする請求項１に記載のフェーズアレイ型光スイッチ。
【請求項３】
前記位相制御器はヒータによって構成され、熱光学効果により位相を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のフェーズアレイ型光スイッチ。
【請求項４】
前記位相制御器は電極によって構成され、電気光学効果、キャリアプラズマ分散効果、光弾性効果のいずれかの効果により位相を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のフェーズアレイ型光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェーズアレイ型光スイッチに関し、より詳細には、電源装置の削減および消費電力の低減が可能なフェーズアレイ型光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、情報通信の大容量化・高速化実現のため、大規模な光スイッチが必要とされており、集積性、量産性、信頼性に優れた平面光波回路（ＰＬＣ）からなる光スイッチが有力視されている。ＰＬＣを構成する材料としては、石英やシリコンなどがあり、熱光学効果を用いたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型スイッチが広く用いられている。従来、ＰＬＣからなる光スイッチは、２×２または１×２のＭＺＩ型スイッチを基本回路としており、この単位スイッチをマトリックス状に組んだり、ツリー状につないだりして、多チャンネル化を図っていた（例えば、非特許文献１参照）。しかし、この方法は、チャンネル数の増加に伴って光回路が大きくなり、またヒータ駆動系が複雑化するという問題点を抱えていた。そこで、近年、単一の光スイッチで１×Ｎ光路切り替えを実現するフェーズアレイ型光スイッチが注目されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
図１は、従来のフェーズアレイ型光スイッチの一例を示す図である。なお、図１においては、位相調整用アレイ導波路１０２を構成する各導波路に設けられたヒータ１０５の配線や電極は省略している。フェーズアレイ型光スイッチは、入力導波路１００からの入力光を第一のスラブ導波路１０１にてアレイ導波路１０２に分岐し、アレイ導波路１０２中の各導波路において熱光学効果を用いて個別に位相変化量を与えることで、第二のスラブ導波路１０３において所望の出力ポート１０４に集光させることができる。ここで、アレイ導波路１０２を構成する各導波路に設けられたヒータ１０５の駆動電力は、隣接するヒータに対して、一定の位相差を順次与えるように調整される。
【０００４】
アレイ導波路１０２内の隣接する２つの導波路のコアの温度差をΔＴ、隣接する２つの導波路上のヒータ長の差をΔＬh 、アレイ導波路１０２内の導波路のコアを形成する材料の熱光学係数をｄｎ／ｄＴ、波長をλとすると、アレイ導波路１０２内の隣接した導波路間に与えられる位相差Δφは、
Δφ＝２π／λ・（ｄｎ／ｄＴ）・ΔＴ・ΔＬh      （１）
と表される。
【０００５】
図１に示すスイッチでは、アレイ導波路１０２内の各導波路に設けられたヒータ長を一定としているが、この場合でも、隣接したヒータにΔＴに相当する電力を与えることで、スイッチングが可能となる。また、ΔＴにより与えられる位相差Δφ′が
Δφ′＝ Δφ″＋ ２πｍ      （ｍ＝０、１、２、・・・）      （２）
０ ≦ Δφ″＜ ２π
と表される場合において、位相差Δφ′は位相差Δφ″と置き換えても、光としては等価となる。よって、２π以上の位相変化量を与える場合、２πの倍数で折り返した位相変化量に置き換えることによって、スイッチング起動時に必要な電力を削減できる。
【０００６】
図２に、図１に示すスイッチにおいて、アレイ導波路１０２内の隣接する導波路に対して一定の位相差を順次与える場合（通常駆動）と、最大位相変化量を２πとする場合（２π駆動）の、各導波路に与える位相変化量の一例を示す。このように、フェーズアレイ型光スイッチでは、アレイ導波路内の導波路に個別に位相変化量を与えることで、１×Ｎの光路切り替えが可能となる。しかし、図１に示すスイッチでは、所望の出力ポートへのスイッチング時に、各ヒータに特定の位相差を与えるため、ヒータ毎に電源装置が必要となり、アレイ導波路を構成する導波路数の増加に伴い、電源装置が増加するという問題があった。
【０００７】
そこで、図３に示すような、１つの電源装置で駆動可能なスイッチ構成が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。これは、式（１）で示される所望の位相差をΔＴではなくΔＬhで与える。このスイッチは、アレイ導波路１０２に第一のヒータ領域３０１と第二のヒータ領域３０２が設けられており、それぞれのヒータは、スイッチを駆動した際に、アレイ導波路内の隣接する導波路に一定の光路長差を順次与える形状を有する。したがって、所望の出力ポートへのスイッチング時には、駆動する電源は一つでよく、ヒータの長さの差で与える光路長差により、１×Ｎ光スイッチとして動作する。しかし、出力する出力ポート毎に印加する電力を変える必要がある。また、図３に示すスイッチでは、ヒータ電力を個別に制御することができないため、最大印加電力を２πの位相変化量を与える電力とする駆動方法は適用できず、その電力消費量は大きくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Takashi Goh, “Recent advances in large-scale silica-based thermo-optic switches,” Proc. SPIE, APOC 2001, vol. 4582, pp.49-56
【非特許文献２】Takuo Tanemura and Yoshiaki Nakano, “Design and scalability analysis of optical phased-array 1×N switch on planar lightwave circuit,” IEICE Electronics Express, vol. 5, pp.603-609, 2008
【非特許文献３】C. R. Doerr and C. Dragone, “Proposed optical cross connect using a planar arrangement of beam steerers,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, issue 2, pp.197-199, 1999
【非特許文献４】S. Katayose, Y. Hashizume, and M. Itoh, “Silicon-silica hybrid thermo-optic switch using multi-chip integration technique,” OECC2013 ThL3-3, 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記の図１のスイッチでは、各アレイに設けられたヒータに対し、個別に位相変化量を与えるため、最大印加電力を２πの位相変化量を与える電力とする駆動方法が可能となるが、ヒータと同数の電源が必要という問題があった。一方、図３のスイッチでは、所望の位相変化量をヒータ長により与えるため、スイッチ駆動時に必要な電源は１つで済むが、最大印加電力を２πの位相変化量を与える電力とする駆動方法の適用はできず、消費電力が増大するという問題があった。
【００１０】
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、このようなフェーズアレイ型光スイッチにおける必要な電源装置の数を削減し、かつ、低消費電力な駆動が可能なフェーズアレイ型光スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明の一態様であるフェーズアレイ型光スイッチは、少なくとも１本の共通ポート用チャネル光導波路と、複数の光導波路からなる位相調整用チャネル光導波路アレイと、Ｎ（Ｎ≧２）本の分岐ポート用チャネル光導波路と、前記共通ポート用チャネル光導波路および前記位相調整用チャネル光導波路アレイを結ぶ第一のスラブ光導波路と、前記分岐ポート用チャネル光導波路および前記位相調整用チャネル光導波路アレイを結ぶ第二のスラブ光導波路とを備える。
【００１２】
一実施形態では、フェーズアレイ型光スイッチは、位相調整用チャネル光導波路アレイの光の伝搬方向に配列されたＭ組（Ｍは２以上）のスイッチング制御器を有する。各スイッチング制御器は、位相調整用チャネル光導波路アレイを構成する光導波路のアレイ方向に配列された複数の位相制御器であり、配線により接続され複数の位相制御器を備える。各組において、スイッチング制御器内の複数の位相制御器のうち位相調整用チャネル光導波路アレイを構成する光導波路のアレイ方向において隣接する位相制御器の長さの差は一定である。第ｍ組（ｍはＭ以下）のスイッチング制御器における位相制御器の長さの差は、第１組のスイッチング制御器における位相制御器の長さの差のｍ倍である。第ｍ組のスイッチング制御器における位相制御器の長さは、最小から最大までの増加または最大から最小までの減少を、ｍ回繰り返す。
【００１３】
一実施形態では、各位相制御器が与える最大位相変化量は２π以下としてもよい。Ｍ組のスイッチング制御器を選択的に駆動することにより、少なくとも１本の共通ポート用チャネル光導波路から入力された光を前記Ｎ本の分岐ポート用チャネル導波路のいずれかにスイッチングすることができる。
【００１４】
一実施形態では、位相制御器はヒータによって構成され、熱光学効果により位相を制御してもよく、あるいは位相制御器は電極によって構成され、電気光学効果、キャリアプラズマ分散効果、光弾性効果のいずれかの効果により位相を制御してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したとおり本発明によれば、スイッチングに必要な電源装置の数を削減し、かつ、低消費電力な駆動が可能なフェーズアレイ型光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のフェーズアレイ型光スイッチの概略構成図である。
【図２】フェーズアレイ型光スイッチにおいてアレイ導波路内の各導波路に与える位相変化量を示すグラフである。
【図３】従来のフェーズアレイ型光スイッチの概略構成図である。
【図４】本発明の一実施形態のフェーズアレイ型スイッチの概略構成図である。
【図５】図４のフェーズアレイ型スイッチのスイッチング制御器領域Ａを拡大した図である。
【図６】本発明の一実施形態の１×６フェーズアレイ型光スイッチのスイッチング特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
（第一の実施形態）
図４に本発明のフェーズアレイ型光スイッチの実施の形態の一例として、アレイ数６本の１×６のフェーズアレイ型光スイッチを示す。また、図５に図４のスイッチング制御器領域Ａを拡大した平面図を示す。これは、回路に入力された光信号を、所望の出力ポートに出力する機能を有する。
【００１８】
本実施形態の回路構成を説明する。このフェーズアレイ型光スイッチは、１本の入力光導波路４０１に接続された第一のスラブ導波路４０２と、６本の分岐ポート用チャネル光導波路からなる出力導波路４０５に接続された第二のスラブ導波路４０４と、第一のスラブ導波路４０２と第二のスラブ導波路４０４とに接続された位相調整用アレイ導波路４０３（位相調整用チャネル光導波路アレイ４０３とも言う。）とを備え、位相調整用アレイ導波路４０３の光導波路上部には、６個のスイッチング制御器４０６〜４１１が配置されている。
【００１９】
図４において、１本の入力光導波路４０１が、第一のスラブ導波路４０２の中央に接続されているが、複数の入力光導波路を第一のスラブ導波路４０２の接続し、複数の入力光導波路のうちのいずれかから選択的に光を入力し、所望の分岐ポート用チャネル光導波路にスイッチングするようにスイッチング制御器４０６〜４１１を制御するようにしても良い。
【００２０】
第一のスラブ導波路４０２は、入力光導波路４０１からの光を、位相調整用チャネル光導波路アレイ４０３を構成する各導波路へ分配する。第二のスラブ導波路４０４は、アレイ導波路４０３を導波してきた光を出力導波路４０５へと集光する。出力導波路４０５を構成する６本の分岐ポート用チャネル光導波路は、等間隔で第二のスラブ導波路４０４で接続されている。また、位相調整用チャネル光導波路アレイ４０３を構成する各導波路は等長であり且つ導間隔で第一のスラブ導波路４０２および第二のスラブ導波路４０４と接続されている。
【００２１】
６つのスイッチング制御器４０６〜４１１はそれぞれ、位相調整用チャネル光導波路アレイ４０３を構成する導波路のそれぞれの上部に配置された薄膜ヒータ５０１からなる位相制御器と、アレイ導波路の隣接する導波路上の位相制御器同士を接続する配線５０２から構成されている。位相制御器は、図５に示すように、アレイ導波路内の隣接する導波路に対して一定の位相変化量を順次与えるため、ヒータ長の差ΔＬhを順次与える形状を有している。
【００２２】
例えば、スイッチング制御器４０８は、アレイ導波路４０３の内のｉ番目（ｉは５以下の整数）の導波路のヒータ長は、ｉ＋１番目の導波路のヒータ長よりも短く、いずれのｉについてもヒータ長の差が一定となるように構成されている。また、スイッチング制御器４０９は、アレイ導波路４０３の内のｉ番目の導波路のヒータ長は、ｉ＋１番目の導波路のヒータ長よりも長く、いずれのｉについてもヒータ長の差が一定でありスイッチング制御器４０８におけるヒータ長の差と等しくなるように構成されている。
【００２３】
さらに、スイッチング制御器４０６は、アレイ導波路４０３の内のｉ番目の導波路のヒータ長は、ｉ＋１番目の導波路のヒータ長よりも短く、いずれのｉについてもヒータ長の差が一定でありスイッチング制御器４０８におけるヒータ長の差の２倍となるように構成されている。ただし、ヒータが与える位相変化量が２πの倍数を超える場合は、２πで折り返した位相変化量に置き換えたヒータ長としている（以下、同じ）。また、スイッチング制御器４０７は、アレイ導波路４０３の内のｉ番目の導波路のヒータ長は、ｉ＋１番目の導波路のヒータ長よりも長く、いずれのｉについてもヒータ長の差が一定でありスイッチング制御器４０６におけるヒータ長の差と等しくなるように構成されている。
【００２４】
さらまた、スイッチング制御器４１０は、アレイ導波路４０３の内のｉ番目の導波路のヒータ長は、ｉ＋１番目の導波路のヒータ長よりも短く、いずれのｉについてもヒータ長の差が一定でありスイッチング制御器４０８におけるヒータ長の差の３倍となるように構成されている。また、スイッチング制御器４１１は、アレイ導波路４０３の内のｉ番目の導波路のヒータ長は、ｉ＋１番目の導波路のヒータ長よりも長く、いずれのｉについてもヒータ長の差が一定でありスイッチング制御器４１０におけるヒータ長の差と等しくなるように構成されている。
【００２５】
ここで、前記薄膜ヒータ群からなるスイッチング制御器は、６本ある各分岐ポートへのスイッチング時にそれぞれ所望の位相シフトを与える必要があるため、各分岐ポートに対応して、図４に示すように位相調整用チャネル光導波路アレイ４０３上に６個設けられている。ただし、ヒータを駆動しない場合に、ある分岐ポートに出力するようフェーズアレイ型光スイッチを設計すれば、分岐ポート数Ｎ本に対し、必要なスイッチング制御器（位相シフタ）の数は（Ｎ−１）個でよい。
【００２６】
また、消費電力の低減のため、前記薄膜ヒータが与える最大位相変化量は２π以下となるようアレイ導波路上の各薄膜ヒータの長さを決めるが、この時、いずれかのアレイ導波路上の位相変化量が０、すなわち必要なヒータ長が０になるように分岐ポートを配置すれば、必要な電力をさらに低減することができる。例えば、図２に示すように、アレイ導波路４０３の内のアレイ番号４の導波路に与える位相変化量が０になるように分岐ポートを配置すれば、消費電力を低減できる。
【００２７】
コア径３．５μｍ×４．５μｍ、比屈折率差２．５％の石英系ＰＬＣからなるアレイ数６本の１×６のフェーズアレイ型光スイッチにおいて、式（１）における加熱による温度上昇ΔＴが３０℃である場合、１．５５μｍ波長の光源を用いると、図５における位相制御器（例えば、図４のスイッチング制御器４０６）の最大長Ｌmaxは５．２ｍｍ、２番目の分岐ポートに出力するために必要な位相制御器の長さの差ΔＬhは０．９ｍｍとなった。また、図４のスイッチング制御器４０８を駆動して３番目の分岐ポートに出力するために必要な位相制御器の長さの差ΔＬhは、２番目の分岐ポートに出力するために駆動されるスイッチング制御器４０６の位相制御器の長さの差ΔＬhの１／２となる。図４のスイッチング制御器４１０を駆動して１番目の分岐ポートに出力するために必要な位相制御器の長さの差ΔＬhは、２番目の分岐ポートに出力するために駆動されるスイッチング制御器４０６の位相制御器の長さの差ΔＬhの３／２となる。
【００２８】
次に、本実施の形態の動作原理について説明する。入力導波路４０１に入射した光は、第一のスラブ導波路４０２で広がり、薄膜ヒータを備えた位相調整用アレイ導波路４０３に分配される。ここで、アレイ導波路上にある６個のスイッチング制御器うち、所望のスイッチング制御器を加熱することにより、所望の位相変化量が各アレイ導波路４０３に与えられ、第二のスラブ導波路４０４を伝搬する光の集光位置が移動し、信号光が出力する出力ポートを選択することができる。
【００２９】
前述したように、図４に示すスイッチでは、ある１つの分岐ポートへの出力には、それに対応した１個のスイッチング制御器を駆動させているが、複数のスイッチング制御器を同時に駆動することによっても、分岐ポートへの出力は可能である。例えば、図４には位相制御器の長さの差ΔＬhが±１、±２、±３（ΔＬhが最小の場合をΔＬh＝１とおく）の計６個のスイッチング制御器があるが、ΔＬhが１と２のスイッチング制御器を同時に駆動すればΔＬhは３になるので、スイッチング制御器が４個でも、１×６スイッチへの出力が可能となり、スイッチング制御器を削減することができる。（例えば、スイッチング制御器４０８におけるΔＬhを＋１、スイッチング制御器４０９におけるΔＬhを−１、スイッチング制御器４０６におけるΔＬhを＋２、スイッチング制御器４０７におけるΔＬhを−２とし、これらのスイッチング制御器の１つまたは複数を同時に駆動させることで、分岐ポートへの出力することができる。）ただし、この場合、スイッチング時に必要な電源装置は２つとなり、また総電力も増加するので、電源装置の削減と消費電力の低減のためには、Ｎ（Ｎ≧２）本の分岐ポート用チャネル光導波路に対し、各分岐ポートに対応したＮまたはＮ−１個のスイッチング制御器を備えることが望ましい。
【００３０】
図６に前記１×６フェーズアレイ型光スイッチの分岐ポート１〜６にスイッチングした場合の各ポートの光出力強度を示す。波長１．５５μｍの光源を用いる場合、スイッチング特性は、全分岐ポート中で最大挿入損失が３．６ｄＢ、最大クロストークが−２３ｄＢとなり、１×６スイッチとして働いていることが確認できた。
【００３１】
なお、前記フェーズアレイ型光スイッチでは、位相制御器に薄膜ヒータを用い、熱光学効果を利用して位相の制御を行っている。
【００３２】
位相制御の方法としては、熱光学効果を利用する方法の他に、導波路および位相制御部にニオブ酸リチウム光導波路や電気光学高分子光導波路および電界付与電極を用いた電気光学効果を利用する方法、半導体光導波路および電流注入電極を用いたキャリアプラズマ分散効果を利用する方法、ピエゾ素子および応力付与部品を用いた光弾性効果を利用する方法などがあり、これらの方法を用いても、出力ポート毎に所望の位相シフト量を与える形状とすることで、フェーズアレイ型光スイッチとして動作する。
【００３３】
また、本発明は、導波路を構成するコアとクラッド間の比屈折率差および基板材料に依存せず適用可能であり、導波路の膜厚や寸法にも依存しない。
【００３４】
加えて、本発明は、位相調整用アレイ導波路部分に高い位相変調効率が得られる材料を適用したマルチチップ集積型のスイッチにも適用できる（例えば、非特許文献４参照）。例えば、位相調整用アレイ導波路部分は熱光学係数の大きいシリコン導波路、入出力導波路およびスラブ導波路部分は光学特性に優れた石英系導波路で構成された石英−シリコンマルチチップ集積型のフェーズアレイ型光スイッチにおいて、本発明を適用することにより、より低消費電力な光スイッチの作製が可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１００  入力導波路
１０１  第一のスラブ導波路
１０２  位相調整用アレイ導波路
１０３  第二のスラブ導波路
１０４  出力導波路
１０５  薄膜ヒータ
３０１  第一のヒータ領域
３０２  第二のヒータ領域
４０１  入力導波路
４０２  第一のスラブ導波路
４０３  位相調整用アレイ導波路
４０４  第二のスラブ導波路
４０５  出力導波路
４０６，４０７，４０８，４０９，４１０，４１１  スイッチング制御器
５０１  薄膜ヒータ
５０２  配線
【図１】
0006023680.tif 000002
【図２】
0006023680.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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