(57)【要約】【課題】光導波路内にコリメータレンズ機能及び１×Ｎスイッチ機能を集積し、煩雑な光配線のみ空間光学系で行う光入出力装置を提供すること。【解決手段】入力側ファイバアレーと、入力側ファイバアレーから入力された光を導波する第１の光導波路を有する第１の光導波路アレー及び第１の光導波路を導波した光を導波した光の位相に応じた出射角で出力する第１の光フェーズドアレー素子を含む第１の光フェーズドアレー部と、光の入射角に応じて異なる位置へ集光する集光部と、集光部により集光された光の位相に応じて光を結像可能な第２の光フェーズドアレー素子及び第２の光フェーズドアレー素子で結像された光を導波する第２の光導波路を有する第２の光導波路アレーを含む第２の光フェーズドアレー部と、出力側ファイバアレーと、を備えた光入出力装置である。【選択図】図３
2018124402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個の入力ファイバを有する入力側ファイバアレーと、
前記入力側ファイバアレーから入力された光をそれぞれ導波するＮ個の第１の光導波路を有する第１の光導波路アレーと、前記第１の光導波路を導波した光を前記導波した光の位相に応じた出射角で出力するＮ個の第１の光フェーズドアレー素子と、を含む第１の光フェーズドアレー部と、
前記第１の光フェーズドアレー部から出力された光が入射され、当該入射角に応じて異なる位置へ集光する集光部と、
前記集光部により集光された光を入力し、前記集光された光の位相に応じて前記集光された光を結像可能な第２の光フェーズドアレー素子と、前記第２の光フェーズドアレー素子で結像された光をそれぞれ導波するＮ個の第２の光導波路を有する第２の光導波路アレーと、を含む第２の光フェーズドアレー部と、
前記第２の光導波路を導波した光を出力するＮ個の出力ファイバを有する出力側ファイバアレーと、
を備えたことを特徴とする光入出力装置。
【請求項２】
前記第１の光フェーズドアレー素子は、前記第１の光導波路を介して入力された光を分波して出力する第１のスラブ導波路部と、前記第１のスラブ導波路部から出力された光を入力して前記出射角で出力する第１のアレー導波路部とを含み、
前記第２の光フェーズドアレー素子は、前記集光部により集光された光を入力し、前記集光された光の位相に応じて前記集光された光を結像可能な第２のアレー導波路部と、前記第２のアレー導波路部で結像された光を合流して前記第２の光導波路に出力する第２のスラブ導波路部と、を含み、
前記光入出力装置は、
前記第１のアレー導波路部上に設けられ、前記第１のアレー導波路部に電流又は電圧を印加する第１の制御電極と、
前記第２のアレー導波路部上に設けられ、前記第２のアレー導波路部に電流又は電圧を印加する第２の制御電極と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光入出力装置。
【請求項３】
前記第１の光フェーズドアレー素子は、前記第１の光導波路を介して入力された光をＮ個に分岐して出力する１×Ｎスプリッタと、前記１×ＮスプリッタでＮ個に分岐された光を入力し、それぞれ分波して出力する第１のスラブ導波路部と、前記第１のスラブ導波路部から出力された光を入力して前記出射角で出力する第１のアレー導波路部とを含み、
前記第２の光フェーズドアレー素子は、前記集光部により集光された光を入力し、前記集光された光の位相に応じて前記集光された光を結像可能な第２のアレー導波路部と、前記第２のアレー導波路部で結像された光を合流して前記第２の光導波路に出力する第２のスラブ導波路部と、を含み、
前記光入出力装置は、
前記第２のアレー導波路部上に設けられ、前記第２のアレー導波路部に電流又は電圧を印加する制御電極をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光入出力装置。
【請求項４】
前記第１の光フェーズドアレー素子は、前記第１の光導波路と結合され、グレーティングカプラが二次元アレー状に配列された第１のグレーティングカプラアレーを含み、
前記第２の光フェーズドアレー素子は、前記第２の光導波路と結合され、グレーティングカプラが二次元アレー状に配列された第２のグレーティングカプラアレーを含み、
前記光入出力装置は、
前記第１のグレーティングカプラアレーに入力される光の位相を制御するための第１の制御電極と、
前記第２のグレーティングカプラアレーに入力される光の位相を制御するための第２の制御電極と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光入出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信ネットワークに用いられる光入出力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットトラフィックの爆発的な増大に伴い、光ファイバ通信における通信容量増加へのニーズはますます高まっている。特に、光ファイバ網のノードにおいては、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のまま方路の切り替えが可能である光クロスコネクト（ＯＸＣ）への需要が高まっている。ＯＸＣは、それぞれＮ個の光入力ポート及び光出力ポートを備え、ある光入力ポートに入力された光が出力される出力ポートを自由に組み換えることができる装置である。
【０００３】
図１は、ＯＸＣの一般的な構成を示す。ＯＸＣは、一般的に、図１（ａ）に示すような２×２スイッチ１を多段に接続するマトリクス型構成と、図１（ｂ）に示すような１×Ｎスイッチ２を多連に配置するルート・アンド・セレクト（Ｒ＆Ｓ）型構成とに大別される。また、ＯＸＣは、図１（ｃ）に示すような、Ｒ＆Ｓ型構成における入力側の１×Ｎスイッチ２を１×Ｎスプリッタ３に変更したスプリット・アンド・セレクト（Ｓ＆Ｓ）型構成とすることもできる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】R. Kasahara, “New Structure of Silica-Based Planar LightwaveCircuits for Low-Power Thermooptic Switch and its Application to 8×8 Optical Matrix Switch,” J. Lightwave Technol. 20, 993 (2002).
【非特許文献２】T. Yamamoto, “A Three-Dimensional MEMS Optical Switching Module Having 100 Input and 100 Output Ports,” IEEE Photonics Technol. Lett. 15, 1360 (2003).
【非特許文献３】Y. Ikuma, “Low-Loss Transponder Aggregator Using Spatial and Planar Optical Circuit,” J. Lightwave Technol. 34, 67 (2016).
【非特許文献４】J. Sun, “Large-scale nanophotonic phased array,” Nature 11727 (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
表１は、マトリクス型、Ｒ＆Ｓ型及びＳ＆Ｓ型の各構成で必要となるスイッチ数、光配線数及び原理損を示す。
【０００６】
【表１】
2018124402.tif 000003
【０００７】
マトリクス型構成は、例えば非特許文献１に示されるように光導波路を用いて実現することが可能であるため、サイズ・コストを抑えたＯＸＣを実現することが可能である。しかしながら、表１から分かるように、マトリクス型構成では必要となるスイッチ数がＮの増加と共に爆発的に増加するため、大規模化には限界がある。
【０００８】
一方、Ｒ＆Ｓ型構成については、スイッチ数が２Ｎ個であるため、大規模なＯＸＣを構成する場合においてはこの構成が好適である。また、損失を許容する場合、Ｓ＆Ｓ型構成とすることで、スイッチ数を更に削減することも可能である。
【０００９】
しかしながら、Ｒ＆Ｓ型構成及びＳ＆Ｓ型構成においては、必要な光配線数がＮの増加に伴って爆発的に増加するため、光導波路や光ファイバを用いて光配線を行うことが困難になる。この光配線の煩雑性を回避する手法として、光導波路や光ファイバを用いた光配線ではなく、空間光学系を用いて光配線を行うＯＸＣが提案されている。
【００１０】
図２（ａ）は、空間光学系を用いたＯＸＣの従来構成を示す。図２（ａ）には、コリメータレンズ付き入力ファイバアレー１１及びコリメータレンズ付き出力ファイバアレー１２と、複数の偏向素子で構成された偏向素子アレー１３及び１４と、集光レンズ１５と、を含むＲ＆Ｓ型構成のＯＸＣが示されている。
【００１１】
図２（ａ）に示すＯＸＣでは、Ｎ個の入力ファイバを有する入力ファイバアレー１１にそれぞれ入力された光は、空間へ出射されて偏向素子アレー１３に入射する。偏向素子アレー１３に入射した光は、偏向素子アレー１３の各々の偏向素子により偏向され、フーリエレンズ１５を介して偏向素子アレー１４に入射する。偏向素子アレー１４に入射した光は、偏向素子アレー１４の各々の偏向素子により偏向されて、コリメータレンズ付き出力ファイバアレー１２に入射する。
【００１２】
図２（ａ）に示すＯＸＣによると、Ｎ個の入力ファイバに入力された光は、偏向素子アレー１３及び１４の各々の偏向素子の偏向角を調整することにより、これらの偏向素子に結合した出力ファイバから選択的に出射することができる（例えば、非特許文献２参照）。
【００１３】
図２（ａ）に示すＯＸＣでは、偏向素子アレー１３及び１４として、例えばＭＥＭＳミラーアレーやＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）などの空間光変調素子（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いることで、ＯＸＣを小型かつ大規模アレー化することができる。
【００１４】
しかしながら、空間光学系を用いる従来のＯＸＣでは、図２（ｂ）に示すように、入力ファイバに入力された光を空間光学系を用いて偏向素子アレー１３及び１４に入力しているため、空間光学系を用いる分、集積性や低コスト化が困難であるといった課題がある。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は、光導波路内にコリメータレンズ機能及び１×Ｎスイッチ機能を集積し、煩雑な光配線のみ空間光学系で行う光入出力装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様に係る光入出力回路は、Ｎ個の入力ファイバを有する入力側ファイバアレーと、前記入力側ファイバアレーから入力された光をそれぞれ導波するＮ個の第１の光導波路を有する第１の光導波路アレーと、前記第１の光導波路を導波した光を前記導波した光の位相に応じた出射角で出力するＮ個の第１の光フェーズドアレー素子と、を含む第１の光フェーズドアレー部と、前記第１の光フェーズドアレー部から出力された光が入射され、当該入射角に応じて異なる位置へ集光する集光部と、前記集光部により集光された光を入力し、前記集光された光の位相に応じて前記集光された光を結像可能な第２の光フェーズドアレー素子と、前記第２の光フェーズドアレー素子で結像された光をそれぞれ導波するＮ個の第２の光導波路を有する第２の光導波路アレーと、を含む第２の光フェーズドアレー部と、前記第２の光導波路を導波した光を出力するＮ個の出力ファイバを有する出力側ファイバアレーと、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様に係る光入出力回路では、前記第１の光フェーズドアレー素子は、前記第１の光導波路を介して入力された光を分波して出力する第１のスラブ導波路部と、前記第１のスラブ導波路部から出力された光を入力して前記出射角で出力する第１のアレー導波路部とを含み、前記第２の光フェーズドアレー素子は、前記集光部により集光された光を入力し、前記集光された光の位相に応じて前記集光された光を結像可能な第２のアレー導波路部と、前記第２のアレー導波路部で結像された光を合流して前記第２の光導波路に出力する第２のスラブ導波路部と、を含み、前記光入出力装置は、前記第１のアレー導波路部上に設けられ、前記第１のアレー導波路部に電流又は電圧を印加する第１の制御電極と、前記第２のアレー導波路部上に設けられ、前記第２のアレー導波路部に電流又は電圧を印加する第２の制御電極と、をさらに含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の態様に係る光入出力回路では、前記第１の光フェーズドアレー素子は、前記第１の光導波路を介して入力された光をＮ個に分岐して出力する１×Ｎスプリッタと、前記１×ＮスプリッタでＮ個に分岐された光を入力し、それぞれ分波して出力する第１のスラブ導波路部と、前記第１のスラブ導波路部から出力された光を入力して前記出射角で出力する第１のアレー導波路部とを含み、前記第２の光フェーズドアレー素子は、前記集光部により集光された光を入力し、前記集光された光の位相に応じて前記集光された光を結像可能な第２のアレー導波路部と、前記第２のアレー導波路部で結像された光を合流して前記第２の光導波路に出力する第２のスラブ導波路部と、を含み、前記光入出力装置は、前記第２のアレー導波路部上に設けられ、前記第２のアレー導波路部に電流又は電圧を印加する制御電極をさらに含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様に係る光入出力回路では、前記第１の光フェーズドアレー素子は、前記第１の光導波路と結合され、グレーティングカプラが二次元アレー状に配列された第１のグレーティングカプラアレーを含み、前記第２の光フェーズドアレー素子は、前記第２の光導波路と結合され、グレーティングカプラが二次元アレー状に配列された第２のグレーティングカプラアレーを含み、前記光入出力装置は、前記第１のグレーティングカプラアレーに入力される光の位相を制御するための第１の制御電極と、前記第２のグレーティングカプラアレーに入力される光の位相を制御するための第２の制御電極と、をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、光導波路内にコリメータレンズ機能及び１×Ｎスイッチ機能を集積し、煩雑な光配線のみ空間光学系で行う光入出力装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＯＸＣの一般的な構成を示す図である。
【図２】空間光学系を用いたＯＸＣの従来構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る光入出力装置を示す図である。
【図４】本発明における空間ビーム変換器（ＳＢＴ）について説明するための図である。
【図５】本発明の実施例１に係る光入出力装置における、最大偏向角θmax、ビーム径ｗ、定数ｋ、焦点距離ｆの関係を示す図である。
【図６】Ｎとｆの関係について、４通りの最大偏角θmaxの場合でそれぞれ計算した結果を示す図である。
【図７】λ＝１．５５μｍの場合のＦＳＲとｄの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る光入出力装置を示す図である。
【図９】１×Ｎスプリッタ４０で分岐された光が入力側ＳＢＴ２５から出力される様子を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る光入出力装置を示す図である。
【図１１】本発明の実施例３における、光フェーズドアレー素子を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施例１）
図３（ａ）は、本発明の実施例１に係る光入出力装置を示す。図３（ａ）には、Ｎ個の入力ファイバ２１を含む入力ファイバアレー２１1乃至２１Nと、Ｎ個の出力ファイバ２２を含む出力ファイバアレー２２1乃至２２Nと、入力側ファンイン・ファンアウト（ＦＩＦＯ）部２３及び出力側ＦＩＦＯ部２４と、Ｎ個の入力側空間ビーム変換器（ＳＢＴ：Spatial Beam Transformer）２５を含む入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nと、Ｎ個の出力側ＳＢＴ２６を含む出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nと、Ｎ個の入力側制御電極２７を含む入力側制御電極アレー２７1乃至２７Nと、Ｎ個の出力側制御電極２８を含む出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nと、入射した光信号の入射角に応じて異なる位置へ光信号を集光する集光レンズ２９と、を含むＲ＆Ｓ型構成の光入出力装置が示されている。以下、説明のため、図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、光波の進行方向をｚ軸とし、導波路アレーの配列方向をｙ軸と定義する。
【００２３】
入力側ＦＩＦＯ部２３は、入力ファイバアレー２１1乃至２１Nと入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nとの光接続を行う。同様に、出力側ＦＩＦＯ部２４は、出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nと出力ファイバアレー２２1乃至２２Nとの光接続を行う。
【００２４】
入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nは、入力ファイバアレー２１1乃至２１Nから入力側ＦＩＦＯ部２３を介して入力した光信号を、その設計や入力側制御電極２７の制御により所定の出射角及びビーム径で出射端から空間へと出射する。出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nは、その設計や出力側制御電極２８の制御により空間から所定の角度で入射した光を導波して出力側ＦＩＦＯ部２４を介して出力ファイバアレー２２1乃至２２Nに出力する。従って、入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５N及び出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nは、制御可能な光フェーズドアレー部として機能することができる。
【００２５】
入力側ＳＢＴ２５は、入力導波路３０と、光導波路３０に接続されたスラブ導波路３１と、スラブ導波路３１に接続され、複数の導波路が配列されたアレー導波路３２とを含む光回路である。出力側ＳＢＴ２６は、複数の孤立導波路が配列されたアレー導波路３３と、アレー導波路３３に接続されたスラブ導波路３４と、スラブ導波路３４に接続された出力導波路３５とを含む光回路である。入力側ＳＢＴ２５及び出力側ＳＢＴ２６は、例えば石英やシリコンを用いた光導波路で形成することができる（例えば非特許文献３参照）。
【００２６】
入力ファイバ２１から入力側ＦＩＦＯ部２３を介して入力側ＳＢＴ２５に入力された光信号は、入力導波路３０を介してスラブ導波路３１に入力され、スラブ導波路３１中で拡散しながら伝搬し、それぞれ同じ長さの複数の孤立導波路から形成されるアレー導波路３２へと分波されて入力される。アレー導波路３２に入力された光信号は、アレー導波路３２の各孤立導波路内において波面を保ちながら、すなわち光波間の位相関係を保持しつつアレー導波路３２の出射端に到達する。複数の孤立導波路の出射端に到達した光波はそれぞれ、出射端にて互いに干渉してアレー導波路３２の出射端全体で平面波を形成するため、アレー導波路３２の出射端は独立した波源とみなすことができる。アレー導波路３２の出射端における光信号の位相分布・強度分布を調整することにより、出射する光信号の出射角度やビーム形状を操作することができる。
【００２７】
図４は、入力側ＳＢＴ２５及び入力側制御電極２７の機能を説明するための図である。本発明の実施例１に係る光入出力装置では、図４（ａ）に示すように、アレー導波路３２を伝搬する光の屈折率を電圧または電流の印加によって調整できるように、アレー導波路３２上に入力側制御電極２７を形成している。アレー導波路３２を伝搬する光の光路長の分布は屈折率の変化に応じて変化するため、入力側制御電極２７に印加する電圧または電流の値を調整することにより光の出射角度をアクティブに調整することができる。このような屈折率の変化には、例えば熱光学効果や電気光学効果を利用することができる。
【００２８】
入力側制御電極２７は例えば、図４（ａ）に示すように三角形状に構成することができる。このように構成することにより、アレー導波路３２の各孤立導波路で屈折率分布を線形的に変更することができるため、波面揺らぎに伴う高次光の発生を抑制することができる。この場合、プラス側偏向とマイナス側偏向の一方の偏向方向にしか光の屈折率を変更できないが、例えば図４（ｂ）に示すように１つのアレー導波路に対してプラス側偏向用とマイナス側偏向用の２つの入力側制御電極２７ａ及び２７ｂを付与することでプラス側偏向とマイナス側偏向の両方向に光を偏向することもできる。
【００２９】
アレー導波路３２から出力される光信号の出射角度は、スラブ導波路３２への光の入力位置で選択することもできる。例えば、図４（ｃ）に示すようにスラブ導波路３１の中心から光信号を入力する場合は、アレー導波路３２の各孤立導波路から出射される光信号の位相が全て等しいため、ｚ軸方向へ光信号が出射する。また、図４（ｄ）に示すようにスラブ導波路３１の中心からずらして光信号を入力する場合、アレー導波路３２の各孤立導波路の出射端において光の位相傾斜が形成されるため、アレー導波路３２からはｚ軸方向に対してその位相傾斜に応じた偏向角で光信号が出力される。このように、入力側ＳＢＴ２５では、スラブ導波路３１への光の入力位置に応じて光信号の出射方向を制御することもできる。図４（ｅ）に示すように、スラブ導波路３１への光信号の入力位置を中心からずらして配置して、片側偏向における走査角を広くとっても構わない。
【００３０】
また、アレー導波路３２から出力される光信号のビーム半径は、スラブ導波路３１の長さ、アレー導波路３２のアレーピッチ及びアレー本数で制御可能である。
【００３１】
同様にして、出力側ＳＢＴ２６においては、出力側制御電極２８の制御により所定の角度で入射した光を選択導波して、出力側ＦＩＦＯ２４を介して出力ファイバアレーへ出力することができる。
【００３２】
次に、本発明の実施例１に係る光入出力装置の動作について記述する。入力ファイバアレー２１1乃至２１Nにそれぞれ入力される光信号は、入力側ＦＩＦＯ２３を介して入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nに入力され、入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nの入力導波路３０、スラブ導波路３１及びアレー導波路３２内を伝搬して空間へと出射される。入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nの各アレー導波路３２上には、それぞれ対応した入力側制御電極２７1乃至２７Nが設けられており、入力側制御電極２７1乃至２７Nにそれぞれ印加する電流値や電圧値を調整することにより、入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nから出射される光信号の出射角度をそれぞれ選択することができる。
【００３３】
入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nからそれぞれ出射された光信号は、集光レンズ２９に入射し、集光レンズ２９によって、入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nから出射される各々の光信号の出射角度に応じて、入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nと対向するいずれかの出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nのアレー導波路３３上に集光されて入射する。出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nのアレー導波路３３上にも出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nが形成されており、出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nの駆動によってシフトされた光の位相と入射した光の位相とが一致した場合にのみアレー導波路３３に入射した光信号がアレー導波路３３で結像して、スラブ導波路３４によって合流されて出力導波路３５を介して出力ファイバ２２へ至る。
【００３４】
以上から、ｉ番目の入力ファイバ２１iに入力された光信号が接続されるｊ番目の出力ファイバ２２jは、ｉ番目の入力側ＳＢＴ２５iから出射される光の出射角と、ｊ番目の出力側ＳＢＴ２６jを導波する光の位相によって選択可能である。これらは、入力側制御電極２７i及び出力側制御電極２８jで印加する電流または電圧の値によって選択可能であるため、ｉ番目の入力ファイバ２１iに入力された光信号が接続されるｊ番目の出力ファイバ２２jは任意に設定可能である。この動作は、任意のｉとｊの組み合わせで有効であるため、入力側制御電極アレー２７1乃至２７N及び出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nをそれぞれ独立に駆動することで、光クロスコネクト動作が可能である。
【００３５】
従って、本発明の実施例１に係る光入出力装置によると、図３（ｂ）に示すように、Ｒ＆Ｓ型構成におけるコリメータレンズ機能及び１×Ｎスイッチ機能を光導波路内に集積し、煩雑な光配線のみ空間光学系で行うことができる。これは、図２（ｂ）に示す従来構成と比較して、小型化、集積性や低コスト化の観点で優れる。
【００３６】
以下、本発明の実施例１に係る光入出力装置の設計の一例について説明する。入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nから出射して出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nに入射する際の光のビーム径を一定の値ｗとし、導波路を２−ｆ光学系で構成する場合、入出力数Ｎとフーリエレンズ２９の焦点距離ｆの間には以下の（式１）で示す関係がある。
【００３７】
【数１】
2018124402.tif 000004
【００３８】
ただし、θmaxはＳＢＴで設定できる最大偏向角、λは光波長、ｋは隣接するＳＢＴの間隔に関する定数である。
【００３９】
図５は、本発明の実施例１に係る光入出力装置における、最大偏向角θmax、ビーム径ｗ、定数ｋ、焦点距離ｆの関係を示す図である。図５に示すように、ｋが大きい程、ＳＢＴ間のアレーピッチ間隔が大きくなるため、クロストークを低減することができる。
【００４０】
図６は、Ｎとｆの関係について、４通りの最大偏角θmax＝±２°、±５°、±１０°、±２０°の場合でそれぞれ計算した結果を示す図である。図６から理解されるように、ｆ及びθmaxが増加するほど、入出力数Ｎが大きい大規模なＯＸＣを実現することができる。
【００４１】
ここで、ｆは光学系のサイズに直結するため、必要なＮかつ実現可能なθmaxの範囲で最小の値を選択することが望ましい。θmaxは、ＳＢＴを構成するアレー導波路のアレーピッチｄに関するパラメータであり、以下の（式２）で求まる自由スペクトル領域（ＦＳＲ）に適当な係数ｍを乗算して、以下の（式３）を用いて求めることができる。
ＦＳＲ＝ｓｉｎ（λ／ｄ）      （式２）
θmax＝ｍＦＳＲ      （式３）
【００４２】
ｍが小さい程、偏向に伴う損失が低いため、ＯＸＣの低損失化に資する。
【００４３】
図７は、λ＝１．５５μｍの場合のＦＳＲとｄの関係を示す図である。図７から分かるように、ｄを小さくするほどＦＳＲが大きくなるため、アレー導波路間の結合や物理配置上の困難を避ける範囲で最もｄを小さくすることが望ましい。また、導波路のスポット径が小さい程、ｄを小さくすることができるため、高い比屈折率差Δで導波路を形成することが望ましい。以上の関係から、例えばＮ＝５０の規模でＯＸＣを実現する場合、例えばアレー導波路のピッチｄ＝９μｍ、ｍ＝１、ｋ＝３で入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５N及び出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nを設計し、ｆ＝１２センチの集光レンズ２９を選択すればよい。
【００４４】
なお、上記では、制御電極２７及び２８の電極形状を三角形状とすることについて言及したが、所望の光路長差が得られるように形成する手段は無数存在する。例えば、制御電極２７及び２８の電極形状を階段状に形成してもよい。
【００４５】
（実施例２）
図８（ａ）は、本発明の実施例２に係る光入出力装置を示す。図８（ａ）には、入力ファイバアレー２１1乃至２１Nと、出力ファイバアレー２２1乃至２２Nと、入力側ＦＩＦＯ部２３及び出力側ＦＩＦＯ部２４と、入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５Nと、出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nと、出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nと、集光レンズ２９と、Ｎ個の分岐導波路を含むＮ個の１×Ｎスプリッタ４０を含む１×Ｎスプリッタアレー４０1〜４０Nと、を含むＳ＆Ｓ型構成の光入出力装置が示されている。１×Ｎスプリッタアレー４０1〜４０Nは、入力導波路３０とスラブ導波路３１との間に設けられている。実施例１との相違点は、入力側制御電極アレーがなく、１×Ｎスプリッタ４０で分岐された入力光が入力側ＳＢＴ２５に複数入射され、それぞれの方向に出射されることである。
【００４６】
図９は、１×Ｎスプリッタ４０で分岐された光が入力側ＳＢＴ２５から出力される様子を示す。実施例２では、ＳＢＴの動作については実施例１で説明したとおりであるが、光信号が入力導波路３０を介して１×Ｎスプリッタ４０に入力され、図９に示すように１×Ｎスプリッタ４０でＮ個に分岐された光がスラブ導波路３１に入力され、スラブ導波路３１を介してそれぞれ異なる出射角度でアレー導波路３２の出射端から出力されている。１×Ｎスプリッタ４０の各分岐導波路は、各分岐導波路を導波する光が出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nにそれぞれ入力されるように、スラブ導波路３１の異なる入力位置に接続されている。これにより、１個の入力ファイバ２１から入力された光信号を出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nの全てのアレー導波路３３上に集光させることができる。
【００４７】
次に、本発明の実施例２に係る光入出力装置の動作について記述する。Ｎ個の入力ファイバアレー２１1〜２１Nより入力されるＮ個の光信号は、入力側ＦＩＦＯ部２３及び入力導波路３０を介して１×Ｎスプリッタアレー４０1乃至４０Nにそれぞれ入力される。１×Ｎスプリッタ４０に入力された光信号は１×Ｎスプリッタ４０でＮ個に分岐されてスラブ導波路３１に入力される。スラブ導波路３１に入力されたＮ個の光信号は、アレー導波路３２を介してアレー導波路３２の出射端から空間へとそれぞれ出射される。出射されたＮ個の光信号は、集光レンズ２９によって、集光レンズ２９への入射角度に応じて入力側ＳＢＴアレー２５1〜２５Nと対向する出力側ＳＢＴアレー２６1〜２６N上のそれぞれ異なる位置へと集光される。
【００４８】
本発明の実施例２に係る光入出力装置では、１個の入力側ＳＢＴ２５から、１×Ｎスプリッタ４０で分岐されたＮ個の光信号が出力されており、これらが出力側ＳＢＴアレー２６1〜２６N上にそれぞれ集光されて入射している。出力側ＳＢＴアレー２６1〜２６Nには、出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nが形成されており、この出力側制御電極アレー２８1乃至２８Nの駆動によってシフトされた光の位相と入射した光の位相とが一致した場合にのみアレー導波路３３に入射した光信号がアレー導波路３３で結像して、スラブ導波路３４によって合流されて出力導波路３５を介して出力ファイバ２２へ至る。これによって、任意の入力ファイバに入力された光信号を任意の出力ファイバに結合させることが可能である。すなわち、図８（Ｂ）に示すように、Ｓ＆Ｓ型構成におけるスプリッタ機能を入力側導波路へ、１×Ｎスイッチ機能を出力側導波路へ集積することができる。
【００４９】
本構成は、入力側ＳＢＴ２５をパッシブ部材で構成可能であるため、信頼性や製造容易性、製造コストの観点で優れる。しかしながら、Ｓ＆Ｓ型構成のＯＸＣであるため、上述したように２０ｌｏｇ（１／Ｎ）の原理損が発生する。従って、本発明の実施例２に係る光入出力装置は、Ｎが比較的小さい場合に好適である。
【００５０】
（実施例３）
図１０は、本発明の実施例３に係る光入出力装置を示す。図１０には、入力ファイバアレー５１1乃至５１Nと、出力ファイバアレー５２1乃至５２Nと、入力側ＦＩＦＯ部５３及び出力側ＦＩＦＯ部５４と、Ｎ個の入力側光フェーズドアレー素子５５を含む入力側光フェーズドアレー部５５1乃至５５Nと、Ｎ個の出力側光フェーズドアレー素子５６を含む出力側光フェーズドアレー部５６1乃至５６Nと、集光レンズ２９と、を含むＲ＆Ｓ型構成の光入出力装置が示されている。
【００５１】
図１１は、本発明の実施例３における、光フェーズドアレー素子を説明するための図である。図１１に示されるように、入力側光フェーズドアレー素子５５は、光導波路基板上で複数の光出射回路６２を複数の光導波路部６１の各々に沿って二次元アレー状に並べて構成されている。光出射回路６２は、光導波路部６１と結合している。また、本発明の実施例３に係る光入出力装置は、光導波路部６１にそれぞれ電圧又は電流を印加して各光出射回路６２に入力される光の位相を制御するための複数の制御電極５７をさらに含む。光出射回路６２としては、例えばグレーティングカプラを利用することが出来る。
【００５２】
出力側光フェーズドアレー素子５６は、入力側光フェーズドアレー素子５５と同様の構成を有する。出力側でも同様に、出力側光フェーズドアレー素子５６の光出射回路６２に入力された光の位相を制御するために光導波路部に電圧又は電流を印加する複数の制御電極が設けられている。入力側光フェーズドアレー素子５５及び出力側光フェーズドアレー素子５６のように、２次元上に光出射回路６２をアレー化される手法としては、例えば非特許文献４に記載のような複数のグレーティングカプラが二次元アレー状に配列されたグレーティングカプラアレーを利用することができる。
【００５３】
入力側光フェーズドアレー素子５５では、入力ファイバ５１に入力された光は、入力側ＦＩＦＯ５３を介して光導波路部６１に入射し、光導波路部６１を導波して光出射回路６２から光導波路基板の面外方向に出射される。制御電極５７に印加する電流値や電圧値を調整することにより、入力側光フェーズドアレー素子５５から出射される光信号の出射角度を二次元方向に選択することができる。
【００５４】
入力側光フェーズドアレー部５５1乃至５５Nからそれぞれ出射された光信号は、集光レンズ２９に入射し、集光レンズ２９によって、入力側光フェーズドアレー部５５1乃至５５Nから出射される各々の光信号の出射角度に応じて、出力側光フェーズドアレー素子５６1乃至５６N上に集光されて入射する。出力側光フェーズドアレー素子５６では、制御電極の駆動によってシフトされた光の位相と入射した光の位相とが一致した場合にのみ出力側光フェーズドアレー素子５６に入射した光信号が結像して、光導波路部及び出力側ＦＩＦＯ部５４を介して出力ファイバ５２へ至る。
【００５５】
上記実施例１及び２では、光出射回路アレーとしての入力側ＳＢＴアレー２５1乃至２５N及び出力側ＳＢＴアレー２６1乃至２６Nが一次元の構成であったため、一次元の方向にしか光の出射角度を掃引できない。
【００５６】
一方で、本実施例３では、図１０に示すように、光導波路基板の面外方向に光ビームを出射可能な光出射回路６２を二次元アレー状に配列することで、各入力側光フェーズドアレー素子５５からの光の出射角度を二次元方向に掃引可能であるため、更なる入出力ポートの拡大が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
２×２スイッチ  １
１×Ｎスイッチ  ２
１×Ｎスプリッタ  ３、４０
コリメータレンズ付き入力ファイバアレー  １１
コリメータレンズ付き出力ファイバアレー  １２
偏向素子アレー  １３、１４
集光レンズ  １５、２９
入力ファイバ  ２１、５１
出力ファイバ  ２２、５２
ＦＩＦＯ部  ２３、２４、５３、５４
ＳＢＴ  ２５、２６
制御電極  ２７、２８
入力導波路  ３０
スラブ導波路  ３１、３４
アレー導波路  ３２、３３
出力導波路  ３５
光フェーズドアレー素子  ５５、５６
光導波路部  ６１
光出射回路  ６２
【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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