(57)【要約】【課題】低損失、低クロストークおよび低経路依存性のすべてを兼ね備えた光スイッチを提供する。【解決手段】本発明のＮ×Ｎ完全非閉塞光スイッチは、図９に示されるように、外側の破線で表される円周上（より正確には２Ｎ角形の頂点）に白丸で表される２Ｎ個の１×２スイッチを配置し、内部に４つのＮ／２×Ｎ／２スイッチを配置する。４つのＮ／２×Ｎ／２スイッチの円周上にも白丸で表されるＮ個の１×２スイッチが配置されている。Ｎは４の倍数である。外側の円周上の１からＮまでの数字は入力または出力のポート番号を表す。また、５つの黒丸は、ポート番号１となる基準点を示し、各ポート番号に対応して位置する１×２スイッチを図９の実線で示すように配線するルール（構成）に従うことで、任意の２ｎ×２ｎ（ｎは２以上の自然数）スイッチを再帰的に作ることができる。【選択図】図９
2019197138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
完全非閉塞光スイッチであって、
４個の入力ポートＩＰ１〜ＩＰ４と、４個の出力ポートＯＰ１〜ＯＰ４とを含み、
入力ポートＩＰ１を基準に反時計回で順番に入力ポートＩＰ１、ＩＰ２、出力ポートＯＰ１、ＯＰ２、入力ポートＩＰ３、ＩＰ４、出力ポートＯＰ３、ＯＰ４となるように配置し、
８個の１入力２出力の単位光スイッチＳ１〜Ｓ８を含み、
単位光スイッチＳ１〜Ｓ８の各入力は、順番に入力ポートＩＰ１、ＩＰ２、出力ポートＯＰ１、ＯＰ２、入力ポートＩＰ３、ＩＰ４、出力ポートＯＰ３、ＯＰ４に接続し、
４個の２入力２出力の内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４を含み、
内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４の各々の２入力は、順番に単位光スイッチＳ１の１出力と単位光スイッチＳ２の１出力、単位光スイッチＳ１の他の１出力と単位光スイッチＳ２の他の１出力、単位光スイッチＳ５の１出力と単位光スイッチＳ６の１出力、単位光スイッチＳ５の他の１出力と単位光スイッチＳ６の他の１出力に接続し、
内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４の各々の２出力は、順番に単位光スイッチＳ７の１出力と単位光スイッチＳ８の１出力、単位光スイッチＳ３の１出力と単位光スイッチＳ４の１出力、単位光スイッチＳ３の他の１出力と単位光スイッチＳ４の他の１出力、単位光スイッチＳ７の他の１出力と単位光スイッチＳ８の他の１出力に接続し、
単位光スイッチＳ１〜Ｓ８及び内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４の各々のスイッチ状態を制御することにより、４個の入力ポートＩＰ１〜ＩＰ４と４個の出力ポートＯＰ１〜ＯＰ４との間に選択的に接続経路を形成し、１つの接続経路上での他の接続経路との交差数が内包光スイッチの内部を除いて２以下である、完全非閉塞光スイッチ。
【請求項２】
前記内包光スイッチは、２入力２出力のマッハツェンダー型干渉計からなる、請求項１に記載の完全非閉塞光スイッチ。
【請求項３】
前記内包光スイッチとして、４つの１入力２出力の単位光スイッチを出力側を内側にして２行２列のマトリクス状に配置し、当該光スイッチの一方の出力を、同じ行で隣接する単位光スイッチの未接続の出力に接続し、当該光スイッチの他方の出力を、同じ列で隣接する単位光スイッチの未接続の出力に接続することにより、
光配線の線路間の交差が存在しない内包光スイッチを構成する、請求項１に記載の完全非閉塞光スイッチ。
【請求項４】
完全非閉塞光スイッチであって、
２Ｎ個（Ｎは４の倍数）の光ポートを含み、
任意の光ポートを基準に、反時計回りで順番に、光ポートを（Ｎ／４）個ずつまとめた群をそれぞれ入力ポート群Ａ、Ｂ、出力ポート群Ａ、Ｂ、入力ポート群Ｃ、Ｄ、出力ポート群Ｃ、Ｄとし、
２Ｎ個の１入力２出力の単位光スイッチを含み、
各単位光スイッチの入力ポートを対応する光ポートにそれぞれ接続し、
各単位光スイッチの２つの出力ポートを出力ポート１、２とし、
４個の（Ｎ／２）入力（Ｎ／２）出力の内包光スイッチを含み、
内包光スイッチの各々では、任意の光ポートを基準に反時計回りに、光ポートを（Ｎ／４）個ずつまとめた群がそれぞれ入力ポート群ａ、出力ポート群ａ、入力ポート群ｂ、出力ポート群ｂとなっており、
入力ポート群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各々に空間的に最も近い４つの内包光スイッチを内包光スイッチ１、２、３、４とし、
入力ポート群Ａにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉ（ｉ＝１、２）を、内包光スイッチｉの入力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、
入力ポート群Ｂにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉの入力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、
入力ポート群Ｃにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）の入力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、
入力ポート群Ｄにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）の入力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、
出力ポート群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにそれぞれ空間的に最も近い４つの内包光スイッチを内包光スイッチ１’、２’、３’、４’とし、この場合内包光スイッチ１’、２’、３’、４’は、順番に内包光スイッチ２、３、４、１に等しく、
出力ポート群Ａにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉ’の出力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、
出力ポート群Ｂにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉ’の出力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、
出力ポート群Ｃにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）’の出力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、
出力ポート群Ｄにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）’の出力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、
各単位光スイッチ及び各内包光スイッチのスイッチ状態を制御することにより、Ｎ入力の光ポートとＮ出力の光ポートとの間に選択的に接続経路を形成し、１つの接続経路上での他の接続経路との交差数が内包光スイッチの内部を除いて（Ｎ−２）以下である、完全非閉塞光スイッチ。
【請求項５】
前記内包光スイッチを構成する光スイッチとして、２入力２出力のマッハツェンダー型干渉計の入力ポートの一方と、出力ポートの一方の空間的な位置をそれぞれ入れ替えたものを用いる、請求項４に記載の完全非閉塞光スイッチ。
【請求項６】
前記内包光スイッチを構成する光スイッチとして、
４つの１入力２出力の単位光スイッチを出力側を内側にして２行２列のマトリクス状に配置し、当該光スイッチの一方の出力を、同じ行で隣接する単位光スイッチの未接続の出力に接続し、当該光スイッチの他方の出力を、同じ列で隣接する単位光スイッチの未接続の出力に接続することにより、
光配線の線路間の交差が存在しない内包光スイッチを構成する、請求項４に記載の完全非閉塞光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチに関し、より具体的には、完全非閉塞光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光スイッチは多数（十〜数十）の光路を自在かつ動的につなぎ替えることのできる部品であり、光情報通信ネットワークの高品質化、大容量化、低消費電力化の実現につながると期待されている。光スイッチに求められる性能として、非閉塞性、低挿入損失、低クロストーク、損失の低経路依存性、フットプリントの小ささ等が挙げられる。光スイッチには様々な方式（アーキテクチャ）が存在するが、上記の特性をすべて兼ね備えたものは存在せず、どのアーキテクチャにも一長一短がある。非閉塞性とは、光スイッチの入出力ポート間をどの程度自在につなぎ替えることができるかを表す指標であり、次の４つに分類できる。
【０００３】
（ｉ）完全非閉塞(strictly nonblocking): 現在接続している経路にかかわらず、空いているポートをどのような順番でも任意に接続できる。
（ｉｉ）広義の非閉塞(wide-sense nonblocking): 上記以外で、空いているポートを任意に接続するアルゴリズムが存在する(どのような順番でもよいわけではない)。
（ｉｉｉ）再構成型非閉塞(rearrangeably nonblocking): 上記以外で、すべてのポートを任意に接続するアルゴリズムが存在する（接続の順番によっては、現在接続しているポートを一旦解放して、再構成する必要がある）。
（ｉｖ）閉塞(blocking): 上記以外（組み合わせによっては接続できない）。
（ｉ）〜（ｉｖ）の分類においては、上から下に行くにつれて汎用性が失われていく。特に高信頼性が必要となる応用においては、最も汎用性が高い完全非閉塞型の光スイッチが必要となる。
【０００４】
完全非閉塞光スイッチのアーキテクチャは、主として、（ａ）クロスバ(Crossbar)スイッチ（例えば非特許文献１）、（ｂ）Path-Independent Loss(PILOSS)スイッチ（例えば非特許文献２）、（ｃ）Switch and Selectスイッチ（例えば非特許文献３）の３つに分類できる。（ａ）クロスバ(Crossbar)スイッチは、挿入損失に大きな経路依存性が生じることが問題となる。（ｂ）Path-Independent Loss(PILOSS)スイッチは、どの経路においても同じ数のスイッチおよび導波路間交差を通過するため、挿入損失の経路依存性がない。一方で、通過するスイッチ要素の数は後述のSwitch and Selectスイッチより多いため、挿入損失が比較的大きいという問題がある。（ｃ）Switch and Selectスイッチは、通過スイッチ要素数が他のアーキテクチャより少ないため挿入損失に関しては有利である。一方で、非常に多くの導波路間交差が存在することにより、交差による損失およびその経路依存性が発生するといった問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R. Nagase, A. Himeno, M. Okuno, K. Kato, K.I. Yukimatsu, and M. Kawachi, “Silica-based 8×8 optical matrix switch module with hybrid integrated driving circuits and its system application”, J. Light. Technol., vol. 12, no. 9, pp. 1631-1639, 1994.
【非特許文献２】T. Nishi, T. Yamamoto, and S. Kuroyanagi, “A polarization-controlled free-space photonic switch based on a PI-LOSS switch”, IEEE photonics Technol. Lett., vol. 5, no. 9, pp. 1104-1106, 1993.
【非特許文献３】G. Wenger et al., “Self-aligned packaging of an 8×8 InGaAsP-InP space switch”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 3, no. 6, pp. 1445-1456, 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した従来の完全非閉塞光スイッチのアーキテクチャにはどれも一長一短があり、低損失、低クロストークおよび低経路依存性のすべてを兼ね備えたアーキテクチャは存在しない。一方で、光スイッチを含むシステムをシンプルに保ちながら光スイッチを大規模化していくためには、これらの特性を備えた完全非閉塞光スイッチを実現することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の完全非閉塞光スイッチは以下の(１)〜(６)の構成を含む。
（１）４個の入力ポートＩＰ１〜ＩＰ４と、４個の出力ポートＯＰ１〜ＯＰ４とを含み、入力ポートＩＰ１を基準に反時計回で順番に入力ポートＩＰ１、ＩＰ２、出力ポートＯＰ１、ＯＰ２、入力ポートＩＰ３、ＩＰ４、出力ポートＯＰ３、ＯＰ４となるように配置し、（２）８個の１入力２出力の単位光スイッチＳ１〜Ｓ８を含み、単位光スイッチＳ１〜Ｓ８の各入力は、順番に入力ポートＩＰ１、ＩＰ２、出力ポートＯＰ１、ＯＰ２、入力ポートＩＰ３、ＩＰ４、出力ポートＯＰ３、ＯＰ４に接続し、
（３）４個の２入力２出力の内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４を含み、
（４）内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４の各々の２入力は、順番に単位光スイッチＳ１の１出力と単位光スイッチＳ２の１出力、単位光スイッチＳ１の他の１出力と単位光スイッチＳ２の他の１出力、単位光スイッチＳ５の１出力と単位光スイッチＳ６の１出力、単位光スイッチＳ５の他の１出力と単位光スイッチＳ６の他の１出力に接続し、
（５）内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４の各々の２出力は、順番に単位光スイッチＳ７の１出力と単位光スイッチＳ８の１出力、単位光スイッチＳ３の１出力と単位光スイッチＳ４の１出力、単位光スイッチＳ３の他の１出力と単位光スイッチＳ４の他の１出力、単位光スイッチＳ７の他の１出力と単位光スイッチＳ８の他の１出力に接続し、
（６）単位光スイッチＳ１〜Ｓ８及び内包光スイッチＩＳ１〜ＩＳ４の各々のスイッチ状態を制御することにより、４個の入力ポートＩＰ１〜ＩＰ４と４個の出力ポートＯＰ１〜ＯＰ４との間に選択的に接続経路を形成し、１つの接続経路上での他の接続経路との交差数が内包光スイッチの内部を除いて２以下である。
【０００８】
本発明の他の一態様の完全非閉塞光スイッチは以下の(Ａ)〜(Ｇ)の構成を含む。
（Ａ）２Ｎ個（Ｎは４の倍数）の光ポートを含み、任意の光ポートを基準に、反時計回りで順番に、光ポートを（Ｎ／４）個ずつまとめた群をそれぞれ入力ポート群Ａ、Ｂ、出力ポート群Ａ、Ｂ、入力ポート群Ｃ、Ｄ、出力ポート群Ｃ、Ｄとし、
（Ｂ）２Ｎ個の１入力２出力の単位光スイッチを含み、各単位光スイッチの入力ポートを対応する光ポートにそれぞれ接続し、各単位光スイッチの２つの出力ポートを出力ポート１、２とし、
（Ｃ）４個の（Ｎ／２）入力（Ｎ／２）出力の内包光スイッチを含み、内包光スイッチの各々では、任意の光ポートを基準に反時計回りに、光ポートを（Ｎ／４）個ずつまとめた群がそれぞれ入力ポート群ａ、出力ポート群ａ、入力ポート群ｂ、出力ポート群ｂとなっており、
（Ｄ）入力ポート群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各々に空間的に最も近い４つの内包光スイッチを内包光スイッチ１、２、３、４とし、
（Ｅ）入力ポート群Ａにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉ（ｉ＝１、２）を、内包光スイッチｉの入力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、入力ポート群Ｂにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉの入力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、入力ポート群Ｃにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）の入力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、入力ポート群Ｄにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）の入力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、
（Ｆ）出力ポート群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにそれぞれ空間的に最も近い４つの内包光スイッチを内包光スイッチ１’、２’、３’、４’とし、この場合内包光スイッチ１’、２’、３’、４’は、順番に内包光スイッチ２、３、４、１に等しく、出力ポート群Ａにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉ’の出力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、出力ポート群Ｂにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉ’の出力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、出力ポート群Ｃにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）’の出力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、出力ポート群Ｄにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）’の出力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、
（Ｇ）各単位光スイッチ及び各内包光スイッチのスイッチ状態を制御することにより、Ｎ入力の光ポートとＮ出力の光ポートとの間に選択的に接続経路を形成し、１つの接続経路上での他の接続経路との交差数が内包光スイッチの内部を除いて（Ｎ−２）以下である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低挿入損失、低クロストークおよび低経路依存性を兼ね備えた完全非閉塞光スイッチを得ることができる。本発明の完全非閉塞光スイッチは、単層光回路で構成する場合に光学特性（挿入損失、低経路依存性、クロストーク）が最も良いという特徴を持っている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の構成を示す図である。
【図２】図１の本発明の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の接続例を示す図である。
【図３】本発明の他の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を示す詳細図である。
【図６】本発明の他の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の構成を示す図である。
【図７】本発明の他の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を示す模式図である。
【図８】本発明の他の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を示す詳細図である。
【図９】本発明の一実施形態のＮ×Ｎ完全非閉塞光スイッチの構成を示す模式図である。
【図１０】挿入損失の最大値の比較結果を示す図である。
【図１１】挿入損失の経路依存性の比較結果を示す図である。
【図１２】経路依存性と最大挿入損失の比較結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。最初に本発明の一実施形態の完全非閉塞光スイッチ（以下、単に光スイッチとも呼ぶ）を構成する基本ユニット（２×２光スイッチ）について説明する。本発明で使用する２×２光スイッチは、一般的には「２入力と２出力をもつ光スイッチであって、入力ポートは左上と右下、出力ポートは左下と右上に配置される光スイッチ」と定義することができる。その具体例として、図１に本発明の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の構成を示す。
【００１２】
図１（ａ）において、実線は光導波路を表し、２つの入力ポートＩＮ１、ＩＮ２は左上と右下にあり、２つの出力ポートＯＵＴ１、ＯＵＴ２は左下と右上に在る。４つの丸印ＳＷ１〜ＳＷ４は、１×２光スイッチを表しており、順番に入力ポートＩＮ１、入力ＩＮ２、出力ポートＯＵＴ１、出力ＯＵＴ２に接続している。１×２光スイッチＳＷ１〜ＳＷ４としてマハツェンダー型（ＭＺＩ）スイッチを用いた場合の具体的な光回路構造を図１（ｂ）に示す。同図中にＳＷと示した部分が（ａ）の１×２光スイッチに対応しており、位相シフタ領域１、２とその前後の光カプラ３、４を含む。例えばシリコン（Ｓｉ）光導波路を用いた場合、図１（ｂ）の構造の大きさは横３４０μｍ×縦１８０μｍ程度となる。
【００１３】
図１（ｂ）の構成では、位相シフタ領域１、２の屈折率を電気的に制御することで、光カプラ３を介して入力する光をｃｒｏｓｓまたはｂａｒ状態に切り替えて光カプラ４を介して出力することにより光を所定の経路へスイッチすることができる。図２は、図１の本発明の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の光スイッチ後の接続例を示す図である。図２（ａ）に示すように、各ＭＺＩスイッチの位相シフタを設定（制御）すると、左上の入力ポートＩＮ１と左下の出力ポートＯＵＴ１を接続でき、さらに右下の入力ポートＩＮ２と右上の出力ポートＯＵＴ２を接続できる。また、図２（ｂ）に示すように、各ＭＺＩスイッチの位相シフタを設定（制御）すると、左上の入力ポートＩＮ１と右上の出力ポートＯＵＴ２を接続でき、さらに右下の入力ポートＩＮ２と左下の出力ポートＯＵＴ１を接続できる。
【００１４】
図３は、本発明の他の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の構成を示す図である。図３の構成は、単一のＭＺＩスイッチ（ＳＷ）のみで構成する場合の例である。ＭＺＩスイッチ（ＳＷ）の位相シフタを設定（制御）することにより、左上の入力ポートＩＮ１と左下の出力ポートＯＵＴ１または右上の出力ポートＯＵＴ２とを接続でき、さらに右下の入力ポートＩＮ２と右上の出力ポートＯＵＴ２または左下の出力ポートＯＵＴ１とを接続することができる。
【００１５】
図４は、本発明の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を示す模式図である。８つの丸印で示す１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８が破線で示す８角形の頂点に配置されており、左上のＩＮ１、ＩＮ２、右下のＩＮ３、ＩＮ４の４つが入力ポート、左下のＯＵＴ１、ＯＵＴ２、右上のＯＵＴ３、ＯＵＴ４の４つが出力ポートとなる。１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８は、破線で示す８角形を左回りに順番に入力ポートＩＮ１、ＩＮ２、出力ポートＯＵＴ２、ＯＵＴ１、入力ポートＩＮ４、ＩＮ３、出力ポートＯＵＴ３、ＯＵＴ４と接続する。
【００１６】
図４中の内側の４つのＳＷ１〜ＳＷ４は、上述した図１または図３で例示される基本ユニット（２×２光スイッチ）であり、外側の１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８とは図に示すように接続する。すなわち、２×２光スイッチＳＷ１では、入力ａ１とａ２は１×２光スイッチＳ１とＳ２に接続し、出力ｂ３とｂ４は１×２光スイッチＳ７とＳ８に接続する。２×２光スイッチＳＷ２では、入力ａ１とａ２は１×２光スイッチＳ１とＳ２に接続し、出力ｂ１とｂ２は１×２光スイッチＳ４とＳ３に接続する。２×２光スイッチＳＷ３では、入力ａ３とａ４は１×２光スイッチＳ６とＳ５に接続し、出力ｂ１とｂ２は１×２光スイッチＳ４とＳ３に接続する。２×２光スイッチＳＷ４では、入力ａ３とａ４は１×２光スイッチＳ６とＳ５に接続し、出力ｂ３とｂ４は１×２光スイッチＳ７とＳ８に接続する。
【００１７】
図５は、本発明の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を示す詳細図である。図５では、１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８として、及び２×２光スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を構成する１×２光スイッチとして、ＭＺＩスイッチを用いる場合の構成例を示している。各ＭＺＩスイッチは、図１（ｂ）場合と同様に、位相シフタ領域１、２とその前後の光カプラ３、４を含む。図５の構成では、矢印で示す縦と横のサイズが７００μｍに収まるコンパクトな配置とすることができる。図５の４×４完全非閉塞光スイッチの入力ポートＩＮ１〜４と出力ポートＯＵＴ１〜４の間の各径路における通過交差数は、どの経路を通っても同数２の交差となる。したがって、挿入損失の経路依存性はゼロとなる。
【００１８】
図４を参照しながら本発明の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの動作例について説明する。ここでは、入力ポートＩＮ１から出力ポートＯＵＴ２まで接続する場合について説明する。まず、入力ポートＩＮ１から入った光は、図４中の１×２光スイッチＳ１に入る。この光スイッチを切り替えることで、図４中の１２時の方向の２×２光スイッチＳＷ１の入力ａ１に接続するか、９時の方向の２×２光スイッチＳＷ２の入力ａ１に接続するかを選ぶことができる。２×２スイッチ光ＳＷ１の入力ａ１に接続すると、出力ｂ３、ｂ４を介して出力ポートＯＵＴ３、ＯＵＴ４のいずれかに接続できる。２×２光スイッチＳＷ２の入力ａ１に接続すると出力ｂ１、ｂ２を介して出力ポートＯＵＴ１、ＯＵＴ２のいずれかに接続できる。ここでは出力ポートＯＵＴ２に接続するため、２×２スイッチ光ＳＷ２の入力ａ１に接続するように１×２光スイッチＳ１を設定する。次に、出力ポートＯＵＴ２に接続するために、２×２光スイッチＳＷ２の入力ａ１―出力ｂ２間を接続するように設定する。最後に、１×２光スイッチＳ３を、出力ポートＯＵＴ２と、２×２スイッチ光ＳＷ２の出力ｂ２を接続するように設定する。以上の設定制御により、入力ポートＩＮ１から出力ポートＯＵＴ２までの間を接続することができる。同様にして、任意の入力ポートを任意の出力ポートに接続することができる。
【００１９】
図６は、本発明の他の一実施形態の基本ユニット（２×２光スイッチ）の構成を示す図である。図６の構成は、２×２Ｂｉｎａｒｙ  ｔｒｅｅ構造を用いた場合の構成例である。図６（ａ）において、実線は光導波路を表し、２つの入力ポートＩＮ１、ＩＮ２は左側にあり、２つの出力ポートＯＵＴ１、ＯＵＴ２は右側に在る。４つの丸印ＳＷ１〜ＳＷ４は、１×２光スイッチを表しており、順番に入力ポートＩＮ１、入力ＩＮ２、出力ポートＯＵＴ１、出力ＯＵＴ２に接続している。１×２光スイッチＳＷ１〜ＳＷ４としてマハツェンダー型（ＭＺＩ）スイッチを用いた場合の具体的な光回路構造を図６（ｂ）に示す。同図中にＳＷと示した部分が（ａ）の１×２光スイッチに対応しており、位相シフタ領域１、２とその前後の光カプラ３、４を含む。例えばシリコン（Ｓｉ）光導波路を用いた場合、図６（ｂ）の構造のサイズは横３４０μｍ×縦１８０μｍ程度となる。
【００２０】
図６（ｂ）の構成では、位相シフタ領域１、２の屈折率を電気的に制御することで、光カプラ３を介して入力する光をｃｒｏｓｓまたはｂａｒ状態に切り替えて光カプラ４を介して出力することにより光を所定の経路へスイッチすることができる。すなわち、左上の入力ポートＩＮ１と右側の出力ポートＯＵＴ１またはＯＵＴ２とを接続でき、さらに左下の入力ポートＩＮ２と右側の出力ポートＯＵＴ１またはＯＵＴ２とを接続することができる。
【００２１】
図６の基本ユニット（２×２光スイッチ）を用いた場合の一実施形態の４×４完全非閉塞光スイッチの構成を図７（模式図）と図８（詳細図）に示す。図７において、８つの丸印で示す１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８が破線で示す８角形の頂点に配置されており、左上のＩＮ１、ＩＮ２、右下のＩＮ３、ＩＮ４の４つが入力ポート、左下のＯＵＴ１、ＯＵＴ２、右上のＯＵＴ３、ＯＵＴ４の４つが出力ポートとなる。１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８は、破線で示す８角形を左回りに順番に入力ポートＩＮ１、ＩＮ２、出力ポートＯＵＴ２、ＯＵＴ１、入力ポートＩＮ４、ＩＮ３、出力ポートＯＵＴ３、ＯＵＴ４と接続する。
【００２２】
図７中の内側の４つのＳＷ１〜ＳＷ４は、上述した図６で例示される基本ユニット（２×２光スイッチ）であり、外側の１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８とは図に示すように接続する。すなわち、２×２光スイッチＳＷ１では、入力ａ１とａ２は１×２光スイッチＳ１とＳ２に接続し、出力ｂ３とｂ４は１×２光スイッチＳ７とＳ８に接続する。２×２光スイッチＳＷ２では、入力ａ１とａ２は１×２光スイッチＳ１とＳ２に接続し、出力ｂ１とｂ２は１×２光スイッチＳ４とＳ３に接続する。２×２光スイッチＳＷ３では、入力ａ３とａ４は１×２光スイッチＳ６とＳ５に接続し、出力ｂ１とｂ２は１×２光スイッチＳ４とＳ３に接続する。２×２光スイッチＳＷ４では、入力ａ３とａ４は１×２光スイッチＳ６とＳ５に接続し、出力ｂ３とｂ４は１×２光スイッチＳ７とＳ８に接続する。
【００２３】
図８では、１×２光スイッチＳ１〜Ｓ８として、及び２×２光スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を構成する１×２光スイッチとしてＭＺＩスイッチを用いる場合の構成例を示している。各ＭＺＩスイッチは、図６（ｂ）場合と同様に、位相シフタ領域１、２とその前後の光カプラ３、４を含む。図８の構成では、矢印示す縦と横の長さが７００μｍに収まるコンパクトな配置とすることができる。図８の４×４完全非閉塞光スイッチの入力ポートＩＮ１〜４と出力ポートＯＵＴ１〜４の間の各径路における通過交差数は、４つの経路（ＩＮ１―ＯＵＴ４、ＩＮ２−ＯＵＴ２、ＩＮ３−ＯＵＴ３、ＩＮ４−ＯＵＴ１）においてゼロとなり、他の経路では同数２の交差となる。したがって、図５の４×４完全非閉塞光スイッチの場合（経路依存性無し）に比べて挿入損失の経路依存性は若干悪くなるがその依存性は小さい。
【００２４】
図９は本発明の一実施形態のＮ×Ｎ完全非閉塞光スイッチの構成を示す模式図である。同図において、外側の破線で表される円周上（より正確には２Ｎ角形の頂点）に白丸で表される２Ｎ個の１×２スイッチを配置し、内部に４つのＮ／２×Ｎ／２スイッチを配置する。４つのＮ／２×Ｎ／２スイッチの円周上にも白丸で表されるＮ個の１×２スイッチが配置されている。Ｎは４の倍数である（以下同様）。外側の円周上の１からＮまでの数字は入力または出力のポート番号を表している。また、図中の５つの黒丸は、ポート番号１となる基準点を示している。各ポート番号に対応して位置する１×２スイッチを図９に実線で示すように配線する。具体的には、以下に示すルール（構成）に従うことで、任意の２ｎ×２ｎ（ｎは２以上の自然数）スイッチを再帰的に作ることができる。
【００２５】
図９の完全非閉塞光スイッチは以下の（Ａ）〜（Ｇ）の構成を含む。
（Ａ）２Ｎ個の光ポートを含み、任意の光ポート（図９では１２時の方向の黒丸）を基準に、反時計回りで順番に、光ポートを（Ｎ／４）個ずつまとめた群をそれぞれ入力ポート群Ａ、Ｂ、出力ポート群Ａ、Ｂ、入力ポート群Ｃ、Ｄ、出力ポート群Ｃ、Ｄとする。
（Ｂ）２Ｎ個の１入力２出力の単位光スイッチを含み、各単位光スイッチの入力ポートを対応する光ポートにそれぞれ接続し、各単位光スイッチの２つの出力ポートを出力ポート１、２とする。
（Ｃ）４個の（Ｎ／２）入力（Ｎ／２）出力の内包光スイッチ（Ｎ／２×Ｎ／２）を含み、内包光スイッチの各々では、任意の光ポートを基準に反時計回りに、光ポートを（Ｎ／４）個ずつまとめた群がそれぞれ入力ポート群ａ、出力ポート群ａ、入力ポート群ｂ、出力ポート群ｂとする。
（Ｄ）入力ポート群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各々に空間的に最も近い４つの内包光スイッチを内包光スイッチ１、２、３、４とする。
（Ｅ）入力ポート群Ａにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉ（ｉ＝１、２）を、内包光スイッチｉの入力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、入力ポート群Ｂにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉの入力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、入力ポート群Ｃにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）の入力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、入力ポート群Ｄにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）の入力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続する。
（Ｆ）出力ポート群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにそれぞれ空間的に最も近い４つの内包光スイッチを内包光スイッチ１’、２’、３’、４’とし、この場合内包光スイッチ１’、２’、３’、４’は、順番に内包光スイッチ２、３、４、１に等しい。出力ポート群Ａにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉ’の出力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続し、出力ポート群Ｂにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチｉ’の出力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、出力ポート群Ｃにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）’の出力ポート群ｂの未接続ポートにそれぞれ接続し、出力ポート群Ｄにつながるすべての単位光スイッチの出力ポートｉを、内包光スイッチ（ｉ＋２）’の出力ポート群ａの未接続ポートにそれぞれ接続する。
（Ｇ）各単位光スイッチ及び各内包光スイッチのスイッチ状態を制御することにより、Ｎ入力の光ポートとＮ出力の光ポートとの間に選択的に接続経路を形成し、１つの接続経路上での他の接続経路との交差数が内包光スイッチの内部を除いて（Ｎ−２）以下である。
【００２６】
図９の完全非閉塞光スイッチの動作例について説明する。例として、入力ポート群Ａ中の入力ポート１と出力ポート群Ａ中の出力ポートＮ／４＋１’を接続する場合について説明する。まず、図９中のＳ１で示した１２時方向の１×２スイッチを設定する。出力ポート群Ａ、Ｂ中の出力ポート１’〜Ｎ／２’に接続する場合は９時の方向のＮ／２×Ｎ／２スイッチ（２（１’））に接続し、出力ポート群Ｃ、Ｄ中の出力ポートＮ／２＋１’〜Ｎ’に接続する場合は１２時の方向のＮ／２×Ｎ／２スイッチ（１（４’））に接続する。ここでは、入力ポート１を９時の方向のＮ／２×Ｎ／２スイッチ（２（１’））のＳ２で示した１×２スイッチに接続する。次に、１×２スイッチのＳ２とＳ３の間を接続する経路に設定する。最後に、出力ポートＮ／４＋１’に対応して位置するＳ４で示した１×２スイッチと１×２スイッチのＳ３との間を接続するように設定する。同様にして任意の入力ポートと出力ポートの間を接続することが可能となる。
【００２７】
次に、本発明と従来の各種方式について挿入損失の最大値（最大挿入損失）をポート数ごとに比較した結果を図１０に示す。図１０において、（Ａ）Double crossbarと（Ｂ）MEMS crossbarは、いずれもクロスバ(Crossbar)スイッチの派生形（（Ａ）はＭＺＩスイッチを二重化し、（Ｂ）はＭＥＭＳアクチュエータで光導波方向を変更したもの）であり、（Ｃ）Double-gate PILOSSは、Path-Independent Loss(PILOSS)スイッチにおいてＭＺＩを２重化した方式であり、（Ｄ）Binary treeはSwitch and Selectスイッチを１×２スイッチのみで構成したものであり、（Ｅ）This Workは本発明の完全非閉塞光スイッチである。これらは後述する図１１及び図１２においても同様である。
【００２８】
図１０より、ポート数が１６以下の領域では本発明の（Ｅ）完全非閉塞光スイッチの挿入損失が最も小さくなり、ポート数が１６より上の領域では（Ｂ）MEMS crossbarと（Ｅ）本発明が同程度となることがわかる。また、通過交差数が多いために（Ｄ）Binary treeの挿入損失は（Ｅ）本発明よりも常に大きいことがわかる。（Ａ）Double crossbarは通過交差数が非常に多いために損失は最も大きくなる。（Ｅ）本発明で１６×１６スイッチを構成したときの挿入損失は２．６ｄＢ以下であり、全ての従来の方式の中で最小レベルであることがわかる。
【００２９】
次に、本発明と従来の各種方式について挿入損失の経路依存性（経路依存性損失）を比較した結果を図１１ に示す。図中の（Ａ）〜（Ｅ）は、図１０の場合と同様である。図１１より、（Ｃ）Double-gate PILOSSは挿入損失の経路依存性がない。（Ａ）Double crossbar、（Ｂ）MEMS crossbar、（Ｄ）Binary treeでは、通過交差数のばらつきにより挿入損失の経路依存性が生じている。一方で、（Ｅ）本発明の挿入損失の経路依存性は（Ｃ）Double-gate PILOSSを除いて最小となっている。また、１６×１６スイッチの場合でも（Ｅ）本発明の損失値は０．２ｄＢであり、無視できる程度に小さいことがわかる。
【００３０】
１６×１６の本発明と従来の各種スイッチにおける挿入損失の経路依存性（経路依存性損失）および最大挿入損失を同時に比較した結果を図１２に示す。図１２において、（Ｃ）Double-gate PILOSSは挿入損失の経路依存性がないものの最大挿入損失が大きい。一方で（Ｂ）MEMS crossbarや（Ｄ）Binary treeは最大挿入損失が小さいものの挿入損失の経路依存性が大きいことがわかる。一方で、（Ｅ）本発明はこれら２つの特性が良好である、すなわち最大挿入損失と挿入損失の経路依存性の両方が小さいことがわかる。なお、（Ａ）Double crossbarは図１２の枠内に収まらず同図右上の枠外となるので記載されていない。また、本発明を含む全ての方式（スイッチ）においてクロストークは同程度に小さいため、本発明の完全非閉塞光スイッチは、クロストーク特性を含めて各種スイッチの中でも光学的特性が最良となることがわかる。
【００３１】
本発明の完全非閉塞光スイッチは、従来からの他の各種スイッチに比べて、入出力ポートがチップの左右に分散して配置されているという特徴を持つ。平面導波路型光回路(PLC)やシリコンフォトニクス技術などを用いた光スイッチチップをシステム(ラック等)に組み込む際は、チップの入出力ポートを光ファイバへと接続したのちに、システムに組み込まれる。したがって、入出力ポートがチップの左右に分散していても、システムの入出力ポート(ファイバー端面)のフロントパネルにおける並べ方はチップ上の入出力ポートの並びと無関係に決められるため、本発明においても他のスイッチと同様にシステムへと組み込むことができる。
【００３２】
本発明の完全非閉塞光スイッチにより例えば１６×１６シリコンフォトニクススイッチを構成すると、最大挿入損失は約２．５ｄＢ、クロストークは約２５．６ｄＢ、挿入損失の経路依存性は約０．２ｄＢとなると見積もられる。挿入損失の絶対値が小さいためより多ポートの光スイッチも構成できるほか、挿入損失の経路依存性が小さいため損失の均一化のための追加素子が不要となり、システムをシンプルに保つことができる。従って、本発明により、低コストかつ小型で高性能な光スイッチの実現につながり、ひいては光情報通信ネットワークの信頼性の向上、および低消費電力化につながると期待される。
【００３３】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の完全非閉塞光スイッチは光学的特性については光スイッチとして望ましい特性を全て兼ね備えており、光回路、光集積回路を構成する部品として様々な規模の光スイッチに対して幅広くすることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１、２：位相シフタ領域
３、４：光カプラ
【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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