(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたリング共振器と、
前記基板上に形成され、ＷＤＭ信号を導波し、前記リング共振器と光学的に結合する第１の導波路と、
前記リング共振器中の光信号成分を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力信号に応じて駆動され、前記リング共振器の温度を変化させる温度制御装置と、
を備え、
前記リング共振器は、前記ＷＤＭ信号を構成する一の光信号成分の波長に対応する共振波長を有し、
前記リング共振器と前記光検出器と前記温度制御装置とは、前記リング共振器の共振波長を前記ＷＤＭ信号中の前記光信号成分の波長に対してロックさせるフィードバック制御系を構成し、
前記温度制御装置は、前記リング共振器を加熱するヒータと、前記ヒータを駆動する駆動電源と、操作されることにより前記光検出器の出力と前記駆動電源の一方を選択して前記ヒータに供給する始動スイッチとを含み、
前記始動スイッチが前記駆動電源を選択した場合、前記駆動電源は前記リング共振器を前記ヒータにより、前記リング共振器の共振波長が前記一の光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱することを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項２】
前記リング共振器が、前記リング共振器の共振波長が前記一の光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱された後、前記始動スイッチが前記光検出器の出力を選択することにより、前記リング共振器の波長が前記光信号成分の波長に対してロックされることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ素子。
【請求項３】
さらに前記光検出器の出力信号を処理する信号処理装置を備え、前記信号処理装置は前記光検出器の出力信号を、電流信号から電圧信号に変換する電流−電圧変換素子を含み、前記温度制御装置は前記電流−電圧変換素子により変換された電圧信号により駆動されることを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチ素子。
【請求項４】
前記温度制御装置は前記光検出器の出力信号から高周波成分を除去する低域フィルタを含み、前記温度制御装置は前記高周波成分を除去された前記光検出器の出力信号に応じて駆動され、前記リング共振器の温度を変化させることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の光スイッチ素子。
【請求項５】
前記温度制御装置は前記光検出器の出力信号を増幅する増幅器を含み、前記温度制御装置は前記増幅された前記光検出器の出力信号に応じて駆動され、前記リング共振器の温度を変化させることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の光スイッチ素子。
【請求項６】
前記増幅器は前記光検出器の出力信号を、前記リング共振器の温度が、前記リング共振器の共振波長と前記光信号成分の波長とが一致する温度を超えて昇温するように増幅することを特徴とする請求項５記載の光スイッチ素子。
【請求項７】
前記増幅器は線形増幅器であることを特徴とする請求項５記載の光スイッチ素子。
【請求項８】
前記増幅器は非線形増幅器であることを特徴とする請求項５記載の光スイッチ素子。
【請求項９】
前記信号処理装置は前記光検出器の出力信号に対してしきい値処理を行う比較器を含み、前記温度制御装置は前記比較器の出力信号により駆動されることを特徴とする請求項３記載の光スイッチ素子。
【請求項１０】
さらに前記基板上に形成され、前記リング共振器と光学的に結合し、前記ＷＤＭ信号の一信号成分を導波する第２の導波路を備え、前記光検出器は、前記第２の導波路に光学的に結合されていることを特徴とする請求項１〜９のうち、いずれか一項記載の光スイッチ素子。
【請求項１１】
前記基板上において前記リング共振器は溝部で区画された第１の領域に形成され、前記光検出器は前記第１の領域の外の第２の領域に形成され、前記第２の導波路が、
前記溝部の切れ目において前記第１の領域から前記第２の領域まで延在することを特徴とする請求項１０記載の光スイッチ素子。
【請求項１２】
前記光検出器は、前記リング共振器中に、前記リング共振器の一部として形成されていることを特徴とする請求項１〜９のうち、いずれか一項記載の光スイッチ素子。
【請求項１３】
基板と、
前記基板上に形成され、一端に供給されたＷＤＭ信号を他端まで導波する導波路と、
前記基板上に、前記導波路に沿って順次形成された複数の光スイッチ素子と、
を含み、
前記複数の光スイッチ素子の各々は、前記導波路に光学的に結合し、前記ＷＤＭ信号中の一の光信号成分に対応した共振波長を有するリング共振器と、
前記リング共振器中の光信号成分を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力信号を処理し、前記光信号成分に対応した電気信号を形成する信号処理装置と、
前記光検出器の出力信号に応じて駆動され、前記リング共振器の温度を変化させる温度制御装置と、
を備え、
前記リング共振器と前記光検出器と前記温度制御装置とは、前記リング共振器の共振波長を前記ＷＤＭ信号中の前記光信号成分の波長に対してロックさせるフィードバック制御系を構成し、
前記温度制御装置は、前記リング共振器を加熱するヒータと、前記ヒータを駆動する駆動電源と、操作されることにより前記光検出器の出力と前記駆動電源の一方を選択して前記ヒータに供給する始動スイッチとを含み、
前記始動スイッチが前記駆動電源を選択した場合、前記駆動電源は前記リング共振器を前記ヒータにより、前記リング共振器の共振波長が前記一の光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱することを特徴とする光復調器。
【請求項１４】
前記リング共振器が、前記リング共振器の共振波長が前記一の光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱された後、前記始動スイッチが前記光検出器の出力を選択することにより、前記リング共振器の波長が前記光信号成分の波長に対してロックされることを特徴とする請求項１３記載の光復調器。
【請求項１５】
基板と、前記基板上に形成され、一端に供給されたＷＤＭ信号を他端まで導波する導波路と、前記基板上に、前記導波路に沿って順次形成された複数の光スイッチ素子と、を含み、前記複数の光スイッチ素子の各々は、前記導波路に光学的に結合し、前記ＷＤＭ信号中の一の光信号成分に対応した共振波長を有するリング共振器と、前記リング共振器中の光信号成分を検出する光検出器と、前記光検出器の出力信号を処理し、前記光信号成分に対応した電気信号を形成する信号処理装置と、前記光検出器の出力信号に応じて駆動され、前記リング共振器の温度を変化させる温度制御装置と、を備え、前記リング共振器と前記光検出器と前記温度制御装置とは、前記リング共振器の共振波長を前記ＷＤＭ信号中の前記光信号成分の波長に対してロックさせるフィードバック制御系を構成し、前記温度制御装置は、前記リング共振器を加熱するヒータと、前記ヒータを駆動する駆動電源と、操作されることにより前記光検出器の出力と前記駆動電源の一方を選択して前記ヒータに供給する始動スイッチとを含み、前記始動スイッチが前記駆動電源を選択した場合、前記駆動電源は前記リング共振器を前記ヒータにより、前記リング共振器の共振波長が前記一の光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱する光復調器を使った光復調方法であって、
前記始動スイッチにより前記駆動電源を選択し、前記リング共振器を前記ヒータにより、前記リング共振器の共振波長が前記光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱する第１の手順と、
前記導波路にＷＤＭ信号を供給する第２の手順と、
前記第１および第２の手順の後、前記導波路に前記ＷＤＭ信号が供給されている状態において、前記始動スイッチにより前記光検出器の出力を選択し、前記リング共振器の波長を前記光信号成分の波長に対してロックさせる第３の手順と、
を含むことを特徴とする光復調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下に説明する実施形態は一般に光スイッチ素子、かかる光スイッチ素子を使った光復調器、および光復調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長多重化（ＷＤＭ）技術を使った大容量光ファイバ通信システムでは、波長の異なった多数の光源により形成された光信号が、単一の光ファイバ上をＷＤＭ信号の形で伝送される。すなわちＷＤＭ信号は波長が互いに異なった多数のチャネルを含み、ＷＤＭ信号の成分を構成する光信号が、それぞれのチャネルを、それぞれの波長の信号成分として伝送される。このような大容量光ファイバ通信システムでは、光ファイバ上を伝送されるＷＤＭ信号から所望のチャネルの光信号成分を分離するために光スイッチ素子が使われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７２２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＷＤＭ信号からいずれかのチャネルの光信号成分を分離する光スイッチ素子としては、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）を使った構成やエシェルグレイティング（Echelle Grating）を使った構成など、様々な提案がなされているが、特にリング共振器を使った光スイッチ素子は、光パワーの損失が少なく、またサイズも小さいため、有利である。リング共振器は周回光路を有する光導波路より構成され、前記周回光路の光路長あるいはその整数分の一の波長を有する光に対して共振する。
【０００５】
すなわち、ＷＤＭ信号を伝送する第１の光導波路に光結合して、目標とする信号成分の波長に同調したリング共振器を設けておくと、目標とする光信号成分のエネルギ、従って光信号成分を、前記第１の光導波路からリング共振器に移すことができる。またさらに前記リング共振器に光結合して第２の光導波路を設けておくと、前記所望の信号成分のエネルギを前記リング共振器から前記第２の光導波路に移すことができる。このように、リング共振器を使うことにより、所望の光信号成分を前記第２の光導波路に出力することが可能となる。
【０００６】
リング共振器の共振波長は、先にも述べたようにリング共振器中の周回光路長により決定される。一方、周回光路長はリング共振器の温度に依存して変化する。例えばリング共振器の温度が上昇すると熱光学効果により屈折率が増大し、周回光路長が実効的に増大し、共振波長は長波長側にずれる。逆にリング共振器の温度が下降すると、共振波長は短波長側にずれる。また、このようなリング共振器の作製精度によっても、共振波長は影響を受ける。
【０００７】
このため、ＷＤＭ信号の分離にリング共振器を使う場合には、その共振波長が目標とする信号成分の波長に合致するように温度を制御することが必要となる。このような温度の制御は簡単な構成により、多大な電力消費を伴わずに実行できるのが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
光スイッチ素子は、基板と、前記基板上に形成されたリング共振器と、前記基板上に形成され、ＷＤＭ信号を導波し、前記リング共振器と光学的に結合する第１の導波路と、前記リング共振器中の光信号成分を検出する光検出器と、前記光検出器の出力信号に応じて駆動され、前記リング共振器の温度を変化させる温度制御装置と、を備え、前記リング共振器は、前記ＷＤＭ信号を構成する一の光信号成分の波長に対応する共振波長を有し、前記リング共振器と前記光検出器と前記温度制御装置とは、前記リング共振器の共振波長を前記ＷＤＭ信号中の前記光信号成分の波長に対してロックさせるフィードバック制御系を構成し、前記温度制御装置は、前記リング共振器を加熱するヒータと、前記ヒータを駆動する駆動電源と、操作されることにより前記光検出器の出力と前記駆動電源の一方を選択して前記ヒータに供給する始動スイッチとを含み、前記始動スイッチが前記駆動電源を選択した場合、前記駆動電源は前記リング共振器を前記ヒータにより、前記リング共振器の共振波長が前記一の光信号成分の波長よりも長波長になる温度まで加熱する。
【発明の効果】
【０００９】
本実施形態による光スイッチ素子では、リング共振器と光検出器と温度制御装置により、前記リング共振器の波長温度依存性を利用して、前記リング共振器の共振波長を前記ＷＤＭ信号の信号成分の波長に対してロックさせるフィードバック動作を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態による光スイッチ素子の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の一部を詳細に示す平面図である。
【図３】図２中、線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図４】図２中におけるリング共振器の構成を示す、リング共振器の周方向に沿った断面図である。
【図５】図１中におけるフォトダイオードの構成を、協働する光導波路に沿って示す断面図である。
【図６】図１の光スイッチ素子の透過率を示す図である。
【図７】図１の光スイッチ素子におけるリング共振器の、加熱による共振波長のシフトを示す図である。
【図８】図７の図に対応した、リング共振器温度と共振波長の関係を示す図である。
【図９】図１の光スイッチ素子におけるリング共振器温度とリング共振波長の関係を示す図である。
【図１０】図１の光スイッチ素子においてなされる波長ロック動作を説明する図である。
【図１１】図１の光スイッチ素子の始動手順を説明するフローチャートである。
【図１２】図１１のフローチャートに対応した、図１の光スイッチ素子における波長ロック動作を説明する図である。
【図１３】図１１の始動手順の一変形例を示すフローチャートである。
【図１４】図１の光スイッチ素子の一変形例を示すブロック図である。
【図１５】図１の光スイッチ素子の他の変形例を示すブロック図である。
【図１６】図１５の光スイッチ素子の動作を説明する図である。
【図１７】図１５の光スイッチ素子の一構成例を示す回路図である。
【図１８】図１５の光スイッチ素子の他の構成例を示す回路図である。
【図１９】第２の実施形態による光スイッチ素子の構成を示すブロック図である。
【図２０】図１９中、線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図２１】図１９中、線Ｃ−Ｃ’に沿った断面図である。
【図２２】第３の実施形態による光スイッチ素子の構成を示すブロック図である。
【図２３】図２２中、線Ｄ−Ｄ’に沿った断面図である。
【図２４】図２２の光スイッチ素子の一変形例を、図２２中、線Ｄ−Ｄ’に沿った断面で示す断面図である。
【図２５】第４の実施形態による光スイッチ素子の構成を示すブロック図である。
【図２６】図２５の光スイッチ素子における波長ロック動作を説明する図である。
【図２７】第５の実施形態による光スイッチ素子の構成を示すブロック図である。
【図２８】図２７の光スイッチ素子で使われる非線形増幅器の例を示す回路図である。
【図２９】図２８の非線形増幅器の動作特性を説明する図である。
【図３０】図２４の光スイッチ素子における波長ロック動作を説明する図である。
【図３１】第６の実施形態によるＷＤＭ信号の復調装置の構成を示すブロック図である。
【図３２】図３１の復調装置の始動動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態による光スイッチ素子２０の構成を示すブロック図、図２は前記光スイッチ素子２０の一部を詳細に示す平面図、図３は図２中、線Ａ−Ａ’に沿った断面図、さらに図４は前記図２に示すリング共振器の周方向に沿った断面図を示す。
【００１２】
図１〜図４を参照するに、前記光スイッチ素子２０は図３，４に示すシリコン基板４１上に構成されており、リング共振器２１と、同じシリコン基板４１上に形成され、入力ポートを構成する端面２２ｉｎと出力ポートを構成する端面２２ｏｕｔを有し、例えば外部の光ファイバ１などから前記端面２２ｉｎにＷＤＭ信号を供給され前記リング共振器２１に結合箇所２２Ｃにおいて光学的に結合した第１の光導波路２２と、同じシリコン基板４１上に形成され、前記リング共振器２１に結合箇所２３Ｃにおいて光学的に結合し出力ポート２３ｏｕｔを有する第２の光導波路２３と、前記第２の導波路中の光信号パワーＰlightを検波するフォトダイオード２４とを含む。前記第１の光導波路２２に供給されるＷＤＭ信号は波長多重化信号であり、互いに波長の異なった光信号チャネルＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３，Ｃｈ４・・・を含む。また前記フォトダイオード２４は、前記光信号パワーＰlightに比例した出力電流Ｉを形成する。
【００１３】
さらに前記リング共振器２１上には接地端子２１Ｈａおよび入力端子２１Ｈｂを有するヒータ２１Ｈが、前記リング共振器２１の形状に対応してリング状に形成され、前記フォトダイオード２４の出力電流Ｉが、トランスインピーダンス抵抗器ＲＴと帰還キャパシタＣｐを備えたトランスインピーダンス増幅器２５により増幅され、出力電圧Ｖとして出力される。前記出力電圧Ｖは前記リング状ヒータ２１Ｈの入力端子２１Ｈｂに、後で説明する始動スイッチＳＷ１を介して供給される。前記始動スイッチＳＷ１は端子Ａと端子Ｂの間で切り替えられ、端子Ａが選択された場合には前記ヒータ２１Ｈには前記トランスインピーダンス増幅器２５からの駆動電圧Ｖが供給されるのに対し、端子Ｂが選択された場合には、始動電圧源２１ＨＢからの電圧が供給される。以下の説明では、明示しない限り、始動スイッチＳＷ１は端子Ａを選択しているものとする。なお前記始動スイッチＳＷ１は、オペレータが手動で操作してもよいが、例えばタイマを使ったシーケンサなどの制御装置１００により駆動することも可能である。
【００１４】
さらに前記フォトダイオード２４の出力信号は、前記リング共振器２１で分離された所望のチャネル、例えばチャネルＣｈ３の光信号成分に対応した電気信号を含んでおり、前記トランスインピーダンス増幅器２５から信号再生のため、リミティング増幅器２６に供給される。前記リミティング増幅器２６はしきい値動作をする増幅器であり、比較器により構成され、前記電気パルス信号を所定電圧のパルス信号の形に整形し、出力端子ＯＵＴから出力する。
【００１５】
図３および図４の断面図を参照するに、前記シリコン基板４１は例えばシリコン酸化膜４２を埋込酸化膜（ＢＯＸ：buried oxide）として含むＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板より構成され、前記シリコン酸化膜４２中にはリング状の単結晶シリコンパターン４３Ｒが、前記リング共振器２１のコアとして形成されている。また前記シリコンパターン４３Ｒの近傍には、前記光導波路２２および２３のコアとして、単結晶シリコンパターン４３Ａおよび４３Ｂがそれぞれ形成されている。
【００１６】
前記コア４３Ａ，４３Ｂおよび４３Ｒは平坦な主面を有し上部および左右クラッドとして機能するシリコン酸化膜４４により覆われ、さらに前記シリコン酸化膜４４の前記平坦主面上には、ＴｉやＷなどの好ましくは高融点金属よりなるリング状ヒータ２１Ｈが、前記リング状シリコンパターン４３Ｒを覆うように、好ましくは前記リング状シリコンパターン４３Ｒよりも多少大きな幅で形成されている。なお前記シリコン酸化膜４２は前記コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｒの下部クラッドを構成する。
【００１７】
一例では前記シリコン酸化膜４２は２μｍ〜３μｍの膜厚を有し、一方前記コア４３Ａ，４３Ｂおよび４３Ｒは、前記シリコン酸化膜４２上のシリコン単結晶膜をドライエッチングなどによりパターニングして形成されるもので、前記ＷＤＭ信号が１．３μｍ〜１．５μｍ帯域の光信号である場合、２００ｎｍ〜２５０ｎｍの高さと４００ｎｍ〜５５０ｎｍの幅を有するのが好ましい。前記コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｒは、前記シリコン酸化膜４２上において上面および両側壁面をシリコン酸化膜４４により囲まれて単一モード導波路のコアを形成するのが好ましい。
【００１８】
また前記ＷＤＭ信号が１．３μｍ〜１．５μｍ帯域の光信号である場合、前記コア４３Ａと４３Ｒは、それぞれが導波する光信号に光学的結合が生じるように、前記結合箇所２２Ｃにおいて５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で近接して配置され、また前記コア４３Ｂと４３Ｒも、それぞれが導波する光信号に光学的結合が生じるように、前記結合箇所２３Ｃにおいて５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で近接して配置されているのが好ましい。
【００１９】
そこで、前記リング共振器２１が前記ＷＤＭ信号中の例えばチャネルＣｈ３の光信号成分の波長に同調している場合、図２に矢印で示すように、前記チャネルＣｈ３の光信号成分のエネルギが結合箇所ＣＡにおいてリング共振器２１に移行し、リング共振器２１中を矢印方向に周回する共振信号を形成する。一方、前記ＷＤＭ信号中の残りの光信号成分は、そのまま前記光導波路２２中を、前記出力端２２ｏｕｔへと導かれる。前記リング共振器２１に移行したチャネルＣｈ３の光信号成分のエネルギは、さらに結合箇所ＣＢにおいて光導波路２３に移行し、その結果、当初の光導波路２２中を導波されていたチャネルＣｈ３の光信号成分は、光導波路２３中を矢印の方向に、出力ポート２３Ｏｕｔへ向かって導波される。
【００２０】
その結果、図６の図（ａ）に示すように、前記光導波路２３の出力端２３ｏｕｔには前記チャネルＣｈ３の光信号成分が現れ、一方、前記光導波路２２の出力端２２ｏｕｔには、図６の図（ｂ）に示すように、前記チャネルＣｈ３の光信号成分が脱落したＷＤＭ信号が現れる。ただし図６の図（ａ）は、前記光導波路２３の出力ポート２３ｏｕｔから見た光スイッチ素子２０全体の透過率、すなわち前記光導波路２２，リング共振器２１および光導波路２３の全体の透過率の波長依存性を、また図６の図（ｂ）は、前記光導波路２２の出力ポート２２ｏｕｔから見た、前記光スイッチ素子２０全体の透過率の波長依存性、従って前記導波路２２の透過率の波長依存性を表している。
【００２１】
図５は、前記光導波路２３の出力ポート２３ｏｕｔに結合されたフォトダイオード２４の構成を示す断面図である。
【００２２】
図５を参照するに、前記シリコン基板４１中には前記光導波路２３の出力ポート２３ｏｕｔに対応して溝部４１Ｇが形成され、前記溝部４１Ｇには前記フォトダイオード２４の下部クラッド層を構成するｎ型シリコン層２４Ｎがエピタキシャルに形成される。前記ｎ型シリコン層２４Ｎ上には非ドープのＳｉＧｅ混晶層２４Ｉが光吸収層として、前記シリコンパタ―ン４３Ｂの端面にバットジョイントをした状態で、やはりエピタキシャルに形成され、さらに前記ＳｉＧｅ混晶層２４Ｉ上には上部クラッド層を構成するｐ型シリコン層２４Ｐがエピタキシャルに形成される。前記ｐ型シリコン層２４Ｐ上には上部電極２４Ｅｔが形成され、また前記ｎ型シリコン層２４Ｎ上には、一部のＳｉＧｅ混晶層２４Ｉおよびｐ型シリコン層２４Ｐを除去した後、下部電極２４Ｅｂが形成される。
【００２３】
なお図５の構成において、ｐ型シリコン層２４Ｐとｎ型シリコン層２４Ｎを入れ替えることも可能である。さらに前記非ドープＳｉＧｅ混晶層に代えて、非ドープシリコン層や非ドープゲルマニウム層を使うことも可能である。さらにＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体よりなるフォトダイオードのチップを、前記溝部４１Ｇに嵌め込んでフォトダイオード２４を形成することも可能である。
【００２４】
なお図１の構成においてトランスインピーダンス増幅器２５は、先にも述べたようにフォトダイオード２４の微小な電流出力を、電圧出力Ｖに変換する増幅器であり、このために演算増幅器の入力端と出力端を接続して、トランスインピーダンスとなる抵抗ＲＴを接続している。キャパシタＣｐはトランジスタインピーダンス増幅器２５に負帰還を与えて動作を安定させるために設けられている。
【００２５】
また前記リミティング増幅器２６は、しきい値動作することにより、前記フォトダイオード２４の出力を一定振幅電圧のディジタル２値信号の形で出力するための増幅器であり、例えば比較器により実現することができる。
【００２６】
次に、図１および図２の光スイッチ素子２０において、リング共振器２１に温度変化を与えた場合の動作について、図７を参照しながら説明する。
【００２７】
図７中、図（ａ）は前記光スイッチ素子２０において前記ヒータ２１Ｈに駆動電流Ｉを供給し、前記リング共振器２１の温度を上昇させた場合の、前記光スイッチ素子２０の透過特性の変化をチャネルＣｈ３について、前記出力ポート２３ｏｕｔにおいて観察した様子を示す図、図（ｂ）は同様な光スイッチ素子２０の透過特性の変化を、前記出力ポート２２ｏｕｔにおいて観察した様子を示す。
【００２８】
図７を参照するに、駆動電流Ｉをゼロ、すなわち非制御状態から増加させるにつれて、透過率のピークが長波長側にシフトするのがわかる。これは、先にも説明したように、リング共振器２１の温度が上昇するにつれて熱光学効果によりコア４３Ｒおよび周辺クラッドの屈折率が増大し、その結果、周回光路長が実効的に増大し、リング共振器２１の共振波長が長波長側にずれたために生じる現象である。
【００２９】
図８は、リング共振器２１の共振波長と温度の関係を示す図である。
【００３０】
図８を参照するに、リング共振器２１の温度が上昇するにつれてリング共振波長が長波長側に、直線Ｌ１に沿ってシフトしているのがわかる。
【００３１】
一方、図１の光スイッチ素子２０では、前記フォトダイオード２４の出力電流Ｉに比例した前記トランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧Ｖが、前記リング共振器２１に設けられたヒータ２１Ｈにフィードバックされ、前記リング共振器２１を加熱しているのに注意すべきである。すなわち、前記フォトダイオード２４の出力電流Ｉは、図９に破線で示すように、前記ＷＤＭ信号から分離されたチャネルＣｈ３の光信号成分の波長λ３において最大になり、それより短波長側でも長波長側でもフォトダイオード２４の出力電流Ｉは低下する。図１の構成では、前記トランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧Ｖにより前記ヒータ２１Ｈが駆動されるため、前記ヒータ２１Ｈに投入されるパワーＷ、従って前記ヒータ２１Ｈの発熱量も前記波長λ３において最大となる。前記ヒータ２１Ｈの発熱量は、前記出力電圧Ｖの二乗に比例し（Ｗ＝Ｖ・Ｉ＝Ｖ２／Ｒ；Ｉはヒータ２１Ｈに流れる電流値、Ｒはヒータ２１Ｈの抵抗値）、図９中に実線で示したように、チャネルＣｈ３の光信号波長λ３において前記フォトダイオード２４が検出する光パワーＰlightよりもより鋭いピークを有する曲線Ｃ１で示す波長依存性を示す。
【００３２】
図１０は、前記図８の図に図９の図を重ねた図である。
【００３３】
図１０を参照するに、リング共振器２１の温度が増大すると共振波長も直線Ｌ１に沿って長波長側にシフトするが、前記リング共振器２１の共振波長が図１０中に「交点２」として示す、前記直線Ｌ１と前記曲線Ｃ１の短波長側半分との交点よりも短波長側にある場合には、前記リング共振器２１の温度が下がるとヒータ２１Ｈの発熱量も低下し、温度はそのまま、リング共振器２１が全く加熱されない交点１まで下がり続けてしまう。すなわち、この交点２ではリング共振器２１の共振波長は不安定、交点１では安定である。ただし交点１では前記リング共振器２１の共振波長は光スイッチ素子２０の環境温度により決定され、所望のチャネル、例えばチャネルＣｈ３の波長には同調していない。
【００３４】
これに対し、リング共振器２１が、その共振波長が図１０中の「交点２」よりも長波長側に位置するような温度に加熱されていた場合、温度がさらに上昇するとリング共振器２１の共振波長が長波長側にシフトし、かつヒータ２１Ｈの発熱量が増大するため動作点、すなわちリング共振器２１の共振波長はさらに長波長側にシフトする。しかし共振器波長が、前記直線Ｌ１が前記曲線Ｃ１の長波長側半分と交差する交点である「交点３」を超えて長波長側にシフトすると、前記ヒータ２１Ｈの発熱量は低下してしまい、これに伴ってリング共振器２１の温度は低下する。その結果、前記リング共振器２１の共振波長は前記「交点３」の波長に引き戻される。また前記「交点３」の温度から前記リング共振器２１の温度が下がると、これに伴ってリング共振器２１の共振波長は短波長側にシフトするが、このような「交点３」からの短波長側へのシフトはヒータ２１Ｈの発熱量の増加を招き、その結果、リング共振器２１の温度は再び上昇し、共振波長は前記「交点３」の波長に引き戻される。
【００３５】
このように本実施形態では、前記リング共振器２１，ヒータ２１Ｈ，フォトダイオード２４およびトランスインピーダンス増幅器２５は、前記リング共振器２１の共振波長を前記交点３の波長にロックするフィートバックループを形成する。
【００３６】
図１１は、前記図１の光スイッチ２０において前記フィードバック動作をスタートさせるための始動手順を説明するフローチャートである。
【００３７】
図１１を参照するに、ステップ１は前記リング共振器２１が加熱されていない初期状態であり、図１で説明した始動スイッチＳＷ１が端子Ａを選択している。この状態では図１２の図（ａ）に示すようにリング共振器２１の温度は環境温度に一致しており、これに伴ってリング共振器２１の共振波長は前記光信号波長λ３よりもはるかに短い波長になっている。この状態で前記フォトダイオード２４の出力をヒータ２１Ｈにフィードバックしても、出力電圧がゼロであるので、共振波長は変化しない。
【００３８】
次に図１１のステップ２において例えばオペレータが前記始動スイッチＳＷ１を操作して端子Ｂを選択させると、前記ヒータ２１Ｈには前記始動電圧源２１ＨＢより所定の定電圧Ｖｓが供給され、これに応じて図１２の図（ｂ）に示すように前記リング共振器２１の温度が上昇し、共振波長が長波長側にシフトする。そこで、前記オペレータは前記リング共振器２１の温度を、共振器波長が前記交点２の波長に到達するまで、あるいはより簡便には前記リング共振器２１が、前記チャネルＣｈ３の光信号成分の波長λ３よりも長波長になる温度に到達するまでモニタする。図１２（ｂ）の例では、前記リング共振器２１の温度は、共振波長が前記波長λ３をはるかに超えるような温度に設定されている。
【００３９】
次に図１１のステップ３において前記光導波路２２への前記ＷＤＭ信号の入射を開始する。これは実際には前記光導波路２２の入力ポート２２と光ファイバ１との間に光スイッチなどは設けられていないため、前記フォトダイオード２４を駆動することにより、等価的に実施することができる。
【００４０】
さらにステップ４において前記スイッチＳＷ１が端子Ａに切り替えられ、これにより、ステップ５において前記フィードバック動作がスタートする。
【００４１】
以上の説明では、図１１のフローチャートにおいて、スイッチＳＷ１の操作やフォトダイオード２４の駆動などはオペレータの操作によっていたが、これを、例えばタイマーを使ったシーケンサなどの制御装置１００により、所定時間において実行することも可能である。
【００４２】
本実施形態では、例えば図１２の（ｂ）図よりわかるようにリング共振器２１のロック波長は、目標とする光信号成分の波長λ３に対して多少ずれる。しかし、ヒータ２１Ｈの発熱量は、先にも説明したようにフォトダイオード２４で検出される光パワーＰlightの二乗になっているため、ピーク値に対して規格化した割合で見ると、ロック波長における光パワーＰlightの割合は、ロック波長におけるヒータ発熱量の割合よりは高い。このため、フォトダイオード２４は前記ロック波長において、目標とするチャネルの光信号成分から、十分な検出電流Ｉを得ることができる。
【００４３】
なお図１３の変形例に示すように、前記ステップ２とステップ３は入れ替えても構わない。
【００４４】
なお本実施形態において、前記光スイッチ素子２０が形成される基板は図３，４で説明したＳＯＩ基板に限定されるものではなく、例えばＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板など、光導波路２２，２３やリング共振器２１を形成できる基板であれば、他の材料を使うことも可能である。例えばＧａＡｓ基板を前記シリコン基板４１の代わりに使う場合、前記コア４３Ａ，４３Ｂ，４３ＲをＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰにより形成することができ、またクラッド４４をＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓにより形成することができる。またＩｎＰ基板を前記シリコン基板４１の代わりに使う場合には、前記コア４３Ａ，４３Ｂ，４３ＲをＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓＰにより形成し、クラッド４４をＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｌＡｓにより形成することができる。前記基板４１，コア４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｒおよびクラッド４４をこれらの化合物半導体により形成する場合には、前記フォトダイオード２４をこれら化合物半導体のエピタキシャル層により形成することができ、フォトダイオード２４の形成が容易になる。
【００４５】
なお本実施形態において、図１４の変形例に示すように、前記トランスインピーダンス増幅器２５からリミティング増幅器２６に至る信号路から分岐して前記ヒータ２１Ｈに帰還される電圧信号Ｖの信号路に、低域フィルタ２５Ｆを設けることも可能である。なお図１４中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４６】
通常、ＷＤＭ信号のチャネルを伝送される光信号は非常に高速であり、低周波信号は含まないものであるが、このような低域フィルタ２５Ｆを設けることにより、仮に前記チャネルＣｈ３を伝送される信号が、前記ヒータ２１Ｈによるリング共振器２１の加熱動作に影響を与えるような比較的低周波の信号成分を含んでいたとしても、これらの成分の前記ヒータ２１Ｈによる加熱動作への影響を遮断することが可能となる。
【００４７】
さらに前記トランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧Ｖが小さく、そのためヒータ２１Ｈの発熱量が不十分で図１０で説明した交点３を得られない場合には、図１５の変形例に示すように、前記トランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧Ｖを所定の増幅率で増幅する線形増幅器２７を、前記トランスインピーダンス増幅器２５とヒータ２１Ｈの間に挿入してもよい。図示の例では、線形増幅器２７はスイッチＳＷ１とヒータ２１Ｈの端子２１Ｈｂの間に挿入されて前記出力電圧Ｖを、動作点の波長にかかわらず所定の増幅率で増幅しているが、線形増幅器２７は、フィルタ２５ＦとスイッチＳＷ１の間に挿入してもよい。また本実施形態においてフィルタ２５Ｆは、省略することも可能である。
【００４８】
このような線形増幅器２７を設けることにより、図１６に示すように光共振器２１の温度をトランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧では十分に昇温できないような場合でも、交点３が出現するような温度まで昇温させることができる。
【００４９】
換言すると図１５の構成では、前記線形増幅器２７が前記出力電圧Ｖを、前記リング共振器２１の温度が、図１６に白丸で示す信号波長λ３に対応した共振波長を与える温度Ｔλを超えるような増幅率で増幅するため、確実に交点３を出現させることが可能となる。
【００５０】
図１７は、前記図１５の構成を実現する回路の一例を示す回路図である。
【００５１】
図１７を参照するに、本実施形態では図１５の低域フィルタ２５Ｆが、前記電圧信号Ｖの帰還路に挿入されたコイル２７Ｌと、コイル２７Ｌを通過した電圧信号の高周波成分を除去するシャントキャパシタ２７Ｃより構成されている。
【００５２】
図１８は、前記図１５の構成を実現する回路の別の例を示す回路図である。
【００５３】
図１８を参照するに、本実施形態では前記増幅器２７が、非反転入力端子を接地され、反転入力端子に前記電圧信号Ｖを供給される演算増幅器２７Ａにより実現されており、前記演算増幅器２７Ａは、出力端子と反転入力端子との間にキャパシタと抵抗よりなるフィードバック回路が形成され、能動低域通過フィルタとして機能する。
【００５４】
［第２の実施形態］
図１９は、第２の実施形態による光スイッチ素子２０Ａの構成を示す平面図、図２０および図２１は、それぞれ図１９中、線Ｂ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’に沿った断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
図１９を参照するに、本実施形態では前記リング共振器２１を囲んで前記シリコン基板４１上に、前記シリコン基板４１中にまで侵入する深い溝部２０ＡＧが形成されている。
【００５６】
図２１の断面図を参照するに、かかる溝部２０ＡＧを形成することにより、ヒータ２１Ｈからの熱は、フォトダイオード２４に伝導される際に、前記溝部２０ＡＧの下を迂回する経路を辿る必要があることがわかる。このため、前記シリコン基板４１のうち、前記リング共振器２１が形成されている領域は、フォトダイオード２４が形成されている領域に対し、熱的に分離され、前記ヒータ２１Ｈの熱がフォトダイオード２４に伝導されてその温度を変化させるのが抑制される。図２０の断面図からもわかるように、前記フォトダイオード２４が形成されている領域と前記リング共振器２１が形成されている領域は、幅のせまい領域２１Ｇに限定され、フォトダイオード２４への熱の流入が効果的に抑制される。
【００５７】
［第３の実施形態］
図２２は、第３の実施形態による光スイッチ素子２０Ｂの構成を示す平面図、図２３は、図２２中、線Ｄ−Ｄ’に沿った断面図である。
【００５８】
図２２の平面図を参照するに、本実施形態では第２の光導波路２３が除去され、前記リング共振器２１中のチャネルＣｈ３の光信号成分を検出するために、前記リング共振器２１の一部にフォトダイオード２４が形成されている。
【００５９】
図２３の断面図を参照するに、本実施形態では前記基板４１がｎ型ＩｎＰ基板より構成され、前記コア４３Ｒが前記ＩｎＰ基板４１にエピタキシャルに形成された非ドープのＩｎＧａＡｓＰ層より構成されている。図示しないが同様に、本実施形態では前記導波路２２のコア４３Ａも、非ドープＩｎＧａＡｓＰ層より構成されている。また本実施形態ではクラッド４４が前記基板４１上にエピタキシャルに形成されたｐ型ＩｎＰ層により構成されている。
【００６０】
さらに本実施形態では前記ＩｎＰ基板４１の下主面には前記フォトダイオード２４の下部電極２４Ｅｂが一様に形成されており、また前記クラッド４４上には前記ヒータ２１Ｈを構成するリング状のパタ―ンが形成されている。また前記端子２１Ｈａと２１Ｈｂの間のヒータ２１Ｈの切れ目に対応して、前記クラッド４４上にフォトダイオード２４の上部電極２４Ｅｔが形成されている。
【００６１】
このような構成によれば、図１の実施形態における第２の光導波路２３を省略し、フォトダイオード２４をリング共振器２１内に集積化して形成することが可能となり、光スイッチ２０Ｂの寸法を縮小することが可能となる。先にも説明した通り、図１の実施形態においても、光スイッチ素子２０をＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板などの化合物半導体基板上に形成することが可能である。
【００６２】
なお本実施形態においても図２４の変形例にしめすように、前記光スイッチ素子２０Ｂを、図３，図４で説明したＳＯＩ基板を使って構成し、図５と同様な構成のフォトダイオードをリング共振器２１の切れ目に集積化して形成することも可能である。図２４の変形例において、前記下部電極２４Ｅｂは紙面から手前側に引き出して形成すればよい。図２４中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６３】
［第４の実施形態］
図２５は、第４の実施形態による光スイッチ素子２０Ｃの構成を示す平面図である。図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６４】
図２５を参照するに、本実施形態では前記トランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧信号Ｖが前記ヒータ２１Ｈに、前記リミティング増幅器２６を通った後に、出力電圧信号Ｖｐとして供給されるように構成されている。
【００６５】
リミティング増幅器２６は先に説明したようにしきい値動作をする増幅器であるため、かかる構成によれば、前記トランスインピーダンス増幅器２５の出力電圧信号Ｖがしきい値電圧以下であればリミティング増幅器２６の出力電圧信号Ｖｐはゼロとなり、しきい値電圧以上であれば所定電圧となる。従って、前記リング共振器２１の温度が変化し電圧信号Ｖの値が変化した場合、前記ヒータ２１Ｈに供給される電圧信号Ｖｐは、所定の波長範囲内において図２６に示すように急激に増大し、曲線Ｃ２で示すように、曲線Ｃ１で示す先の図９のものよりもはるかに急峻な波長依存性を示す。このため曲線Ｃ２の長波長側半分に形成される交点３と交点３’の波長はほとんど同じになり、仮にリング共振器２１の共振波長が製造誤差などで、室温環境において大きくずれていたとしても、本実施形態によれば、前記曲線Ｃ２で表される非常に鋭い波長依存性を使ったフィードバック動作により、リング共振器２１の動作時における共振波長を、所定の波長とほぼ同じ波長にロックすることが可能となる。
【００６６】
すなわち、例えば前記リング共振器２１が、製造時のばらつきなどに起因して、先に説明した共振波長の温度依存性Ｌ１とは多少ずれた波長依存性Ｌ１’を有していた場合を考えると、環境温度においてはそれぞれの共振波長Ｌ１λ，Ｌ１λ’が図２６に示すように大きく離れていても、それぞれ交点３および交点３’により与えられる動作時における共振波長は、ほとんど差がないことがわかる。
【００６７】
なお図２６において直線Ｌ１およびＬ１’の傾きは、前記リング共振器２１を構成する光導波路を構成する材料の熱光学効果により決定されるものであり、リング共振器２１のパターニング精度には余り依存しない。
【００６８】
［第５の実施形態］
図２７は、第５の実施形態による光スイッチ素子２０Ｄの構成を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６９】
図２７を参照するに、前記光スイッチ素子２０Ｄは図１５の光スイッチ素子と同様な構成を有しているが、線形増幅器２７の代わりに図２７に示す構成と図２８に示す入出力特性を有する非線形増幅器３７を使っている点で相違している。
【００７０】
図２８を参照するに、非線形増幅器３７はダイオード接続され入力電圧信号Ｖｉｎを供給されるＭＯＳトランジスタ３７Ａと、前記ＭＯＳトランジスタ３７Ａの出力電圧を反転入力端子に供給され、非反転入力端子が接地され、帰還抵抗３７Ｒを有する演算増幅器より構成されており、図２８に示す放物型の入出力電圧特性を有しており、入力電圧Ｖｉｎに対応して出力電圧Ｖｏｕｔをその二乗、すなわちＶｉｎ２に比例して発生させる。
【００７１】
図３０の図（ａ）は、かかる非線形増幅器３７を使った光スイッチ素子２０Ｄのフィードバック動作を説明する図である。
【００７２】
図３０の図（ａ）を参照するに、本実施形態では前記入力電圧Ｖｉｎの二乗に比例する出力電圧Ｖｏｕｔを生じる非線形増幅器３７を使っているため、先の図２６の図と同様に、前記ヒータ２１Ｈの発熱量とリング共振器２１の波長の共鳴関係が、ズ２９の図（ｂ）に示した図１０のものよりも鋭くなり、直線Ｌ１が多少平行移動しても、動作点となる交点３における共振器波長の変化はわずかとなる。
【００７３】
［第６の実施形態］
図３１は、前記図１の光スイッチ２０と同じ構成の光スイッチ２０１，２０２，・・・２０Ｎを使ったＷＤＭ信号の復調器３０の概略的構成を示す図である。
【００７４】
図３１を参照するに、入力端２２ｉｎにチャネル１，２，・・・ＮのＷＤＭ信号が入来する光導波路２２が、先に図３，図４で説明したＳＯＩ基板４１上を延在し、前記光導波路に前記光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎが、順次光結合される。なお図３１の各光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎにおいて、トランスインピーダンス増幅器２５およびリミティング増幅器２６、さらに始動スイッチＳＷ１および始動電圧源２１ＨＢを一括して電気回路２８で示している。前記ＷＤＭ信号中に含まれ、それぞれの光スイッチ２０１，２０２，・・・２０Ｎにより分離された光信号成分は、対応する光スイッチ２０１，２０２，・・・２０Ｎの電気回路２８より、２値ディジタル電気出力信号として出力される。
【００７５】
図３２は、図３１に示した各々の光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎにより、共振波長をロックさせて行われる、前記入力ＷＤＭ信号からの信号成分の分離動作の手順を説明する図である。
【００７６】
図３２を参照するに、図（ａ）は光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎが前記図１１のフローチャートのステップ１の状態に対応して環境温度に放置されている状態に対応しており、透過率のディップで示される各々の光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎは、それぞれの共振波長λ１’，λ２’，・・・λＮ’が、チャネルＣｈ１，Ｃｈ２，・・・ＣｈＮの光信号成分波長λ１，λ２，・・・λＮに対して短波長側にずれるように製造されている。
【００７７】
そこで前記図１１のステップ２に対応して前記始動スイッチＳＷ１を端子Ｂ側に切り替えて、各々の光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎにおいてヒータ２１Ｈを始動電源２１ＨＢにより加熱し、リング共振器２１の共振波長λ１’，λ２’，・・・λＮ’を、図３２の（ｂ）の図に示すように、それぞれ対応する光信号成分波長λ１，λ２，・・・λＮよりも長波長側にシフトさせる。
【００７８】
さらに図１１のステップ３でＷＤＭ信号の供給を開始し、ステップ４において前記始動スイッチＳＷ１を端子Ａ側に切り替える。これによりそれぞれの光スイッチ素子２０１，２０２，・・・２０Ｎにおいてリング共振器２１の共振波長λ１’，λ２’，・・・λＮ’が前記波長λ１，λ２，・・・λＮに対し、その近傍においてロックされ、ステップ５の分離動作が開始される。
【００７９】
なお上記の説明は、先の図１の光スイッチ素子２０を使った場合についてのものであったが、本実施形態の分離動作は、先に説明した光スイッチ素子２０Ａ〜２０Ｄのいずれを使っても、同様に実行することが可能である。
【００８０】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１  光ファイバ
２０，２０Ａ〜２０Ｄ  光スイッチ素子
２０ＡＧ  溝部
２１  リング共振器
２１Ｇ  領域
２１Ｈ  ヒータ
２１Ｈａ，２１Ｈｂ  ヒータ端子
２１ＨＢ  始動電源
２２，２３  光導波路
２２ｉｎ  光入力ポート
２２ｏｕｔ，２３ｏｕｔ  光出力ポート
２４  フォトダイオード
２４Ｅｂ  下部電極
２４Ｅｔ  上部電極
２４Ｉ  光吸収層
２４Ｎ  ｎ型シリコンエピタキシャル層
２４Ｐ  ｐ型シリコンエピタキシャル層
２５  トランスインピーダンス増幅器
２５Ｆ  低域フィルタ
２６  リミティング増幅器
２７  線形増幅器
３７  非線形増幅器
４１  シリコン基板
４１Ｇ  溝部
４２  下部クラッド層
４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｒ  シリコンコア
４４  上部クラッド層
【図１】
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【図２】
0005831206.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005831206.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005831206.tif 000008
【図８】
0005831206.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005831206.tif 000011
【図１１】
0005831206.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0005831206.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0005831206.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
0005831206.tif 000032
【図３２】
0005831206.tif 000033