(57)【要約】本発明の実施形態は、光電子ネットワークスイッチに向けられている。１実施形態では、光電子スイッチは、１組のほぼ平行な入力導波路と、該入力導波路にほぼ垂直に配置されたほぼ平行な１組の出力導波路を備える。該出力導波路の各々は該１組の入力導波路と交差する。光電子スイッチは、１つ以上の入力導波路上を伝送する１つ以上の光信号を１つ以上の交差する出力導波路へと切り換えるように構成された少なくとも１つのスイッチ素子を備える。【選択図】図１
2011518344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組のほぼ平行な入力導波路と、
前記入力導波路にほぼ垂直に配置された１組のほぼ平行な出力導波路であって、各出力導波路が、前記１組の入力導波路と交差する、１組のほぼ平行な出力導波路と、
１つ以上の入力導波路を伝送する１つ以上の光信号を１つ以上の交差する出力導波路に切り換えるように構成された少なくとも１つのスイッチ要素
を備える、光電子スイッチ。
【請求項２】
ソース導波路と、
１組のパワー導波路であって、各パワー導波路は、前記ソース導波路に光学的に結合されて、前記１組の出力導波路中の１つの出力導波路にほぼ平行に延在し、及び、前記１組の入力導波路中の各入力導波路とほぼ垂直に交差する、１組のパワー導波路と、
前記ソース導波路に光学的に結合され、及び、前記光学的に結合されたソース導波路を介して前記１組のパワー導波路中のパワー導波路の各々に１つ以上の持続波光信号を放出するように構成された光パワーソース
をさらに備える、請求項１のスイッチ。
【請求項３】
前記ソース導波路及びパワー導波路が、リッジ導波路またはフォトニック結晶導波路である、請求項２のスイッチ。
【請求項４】
１組の入力ポートであって、各入力ポートが、前記１組の入力導波路中の１つの入力導波路に光学的に結合され、かつ、前記１つ以上の光信号を前記入力導波路に放出するように構成されている、１組の入力ポートと、
１組の出力ポートであって、各出力ポートが、前記１組の出力導波路中の１つの出力導波路に光学的に結合され、かつ、前記出力導波路を伝送する１つ以上の光信号を受信するように構成されている、１組の出力ポート
をさらに備える、請求項１のスイッチ。
【請求項５】
前記入力導波路及び出力導波路が、リッジ導波路またはフォトニック結晶導波路からさらに構成される、請求項１のスイッチ。
【請求項６】
前記１組の入力導波路が第１の光学層に形成され、前記１組の出力導波路が第２の光学層に形成される、請求項１のスイッチ。
【請求項７】
前記１組の入力導波路と前記１組の出力導波路が、入力導波路と出力導波路が交差するように単一の光学層に形成される。請求項１のスイッチ。
【請求項８】
前記少なくとも１つのスイッチ要素が、
１組の電子的に調整可能な入力共振器であって、各入力共振器は、入力導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該入力共振器に印加されているときに、前記入力導波路からの光信号を結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な入力共振器と、
１組の電子的に調整可能な出力共振器であって、各出力共振器は、出力導波路及びパワー導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該出力共振器に印加されているときに、光信号を前記パワー導波路から前記出力導波路に結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な出力共振器と、
前記入力共振器の各々に電子的に結合され、かつ、前記入力導波路から結合された光信号に対応する電子信号を送信するように構成された受信機と、
前記受信機に電子的に結合され、かつ、前記受信機によって送信された電子信号の進路を変更するように構成された電子相互接続部と、
前記電子相互接続部及び前記１組の出力共振器に電子的に結合され、かつ、前記電子相互接続部から出力された前記進路変更された電子信号を受信し、これに応じて適切な電圧を前記出力共振器に印加するように構成された送信機
をさらに備えることからなる、請求項１のスイッチ。
【請求項９】
前記少なくとも１つのスイッチ要素が１組の検出器をさらに備え、各検出器が、入力共振器に隣接して配置され、かつ、前記入力導波路から結合された光信号を前記受信機によって送信される電子信号に変換するように構成されていることからなる、請求項８のスイッチ。
【請求項１０】
前記電子相互接続部がさらに、
直接電気接続部と、
電子クロスバー
のうちの１つを備える、請求項８のスイッチ。
【請求項１１】
前記電子相互接続部が、データパケットを格納するためのパケットバッファをさらに備える、請求項８のスイッチ。
【請求項１２】
前記共振器が、
マイクロリング共振器と、
共振器空胴
のうちの１つをさらに備える、請求項８のスイッチ。
【請求項１３】
前記ポートが、
プロセッサ、
メモリ、
回路基板、
サーバ、
ストレージサーバ、
外部ネットワーク接続、
他の任意のデータ処理装置、データ記憶装置、または、データ伝送装置
のうちの１つに光学的に結合される、請求項１のスイッチ。
【請求項１４】
１つ以上の持続波光信号を送信するように構成されたパワー導波路と、
前記パワー導波路にほぼ平行に配置された出力導波路と、
出力導波路と交差する入力導波路と、
前記入力導波路からの１つ以上の入力光信号を結合し、前記パワー導波路からの１つ以上の持続波光信号を結合し、前記１つ以上の入力光信号に符号化された情報を前記１つ以上の連続波光信号中に符号化して出力光信号を生成し、及び、該出力光信号を前記出力導波路に結合するように構成された光電子装置
を備える光電子スイッチ要素。
【請求項１５】
前記光電子装置が、
１組の電子的に調整可能な入力共振器であって、各入力共振器は、前記入力導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該入力共振器に印加されているときに、前記入力導波路からの前記１つ以上の入力光信号のうちの１つを結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な入力共振器と、
１組の電子的に調整可能な出力共振器であって、各出力共振器は、前記出力導波路及びパワー導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該出力共振器に印加されているときに、前記パワー導波路からの持続波光信号を前記出力導波路に結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な出力共振器と、
前記入力共振器の各々に電子的に結合され、かつ、前記入力導波路から結合された前記１つ以上の入力光信号に対応する電子信号を送信するように構成された受信機と、
前記受信機に電子的に結合され、かつ、前記受信機から送信された電子信号の進路を変更するように構成された電子相互接続部と、
前記電子相互接続部及び前記１組の出力共振器に電子的に結合され、かつ、前記電子相互接続部から出力された前記進路変更された電子信号を受信し、これに応じて適切な電圧を前記出力共振器に印加し、これによって、前記１つ以上の入力光信号に符号化された情報を前記１つ以上の連続波光信号中に符号化して出力光信号を生成するように構成された送信機
をさらに備えることからなる、請求項１３のスイッチ要素。
【請求項１６】
１組の検出器をさらに備え、各検出器が、入力共振器に隣接して配置され、かつ、前記入力導波路から結合された光信号を前記受信機によって送信される電子信号に変換するように構成されていることからなる、請求項１４のスイッチ要素。
【請求項１７】
前記電子相互接続部から前記送信機へと送信される電子信号を同期化するためのリタイミングロジックをさらに備える、請求項１４のスイッチ要素。
【請求項１８】
前記電子相互接続部がさらに、
直接電気接続部と、
電子クロスバー
のうちの１つを備える、請求項８のスイッチ。
【請求項１９】
前記導波路がさらに、
リッジ導波路と、
フォトニック結晶導波路
のうちの１つを備える、請求項１３のスイッチ要素。
【請求項２０】
前記共振器がさらに、
マイクロリング共振器と、
共振空胴
のうちの１つ備える、請求項１３のスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電デバイス、特に、光電スイッチに向けられている。
【背景技術】
【０００２】
交換網（またはスイッチ網）は、プロセッサ、メモリ、回路基板、サーバ、記憶サーバ（ストレージサーバ）、外部ネットワーク接続、または、他の任意のデータ処理、データ記憶装置、またはデータ送信装置を含む、種々の種類のノードの入力ポートに出力ポートからデータを送るために利用されている。大規模なコンピュータシステムでは、スケーラブルなパケット交換ネットワークがポートを接続するために使用される。多数のポートに拡張可能な交換網を構築するために、基本となるスイッチ要素（または、交換機要素。以下同じ）が、可能な限り多くの入力及び出力を有することが望ましい。このことは、交換網が全てのポートをカバーすることができ、かつ、該交換網をより少ない段数で構成できることを意味する。ClosネットワークなどのＮlog（Ｎ）の成長特性を有する交換網では、これは、底（基数）が高いルータ（high radix router）と呼ばれる。というのは、スイッチ要素のサイズが大きいと、ネットワークの複雑さにおける対数成長項を減少させるからである。電子デバイスが交換処理に使用される場合には、それぞれのスイッチ要素の全体的な外部帯域幅が制限されるために、システム設計者は、スイッチをオン及びオフするチャンネルの数とチャンネルの帯域幅との間で妥協を強いられる。たとえば、同じシリコン技術は、各チャンネルが４０Gbit/sで動作する６４×６４スイッチ、または、各チャンネルが１６０Gbit/sで動作する１６×１６スイッチを実施することができる。この制約は、１つのパッケージにおける信号接続の最大数、及び、信号自体のデータレートから生じる。信号データレートは、電力及び信号の完全性を考慮して決定される。
【０００３】
交換網は、しばしば、コンピューティング環境のデータ処理ボトルネックになりうる。典型的な交換網は、たとえば、絶えず高まる、多くのアプリケーションのデータ処理及びデータ伝送の必要性に対応するコンピューティング環境能力の範囲を制限する場合がある。なぜなら、多くの交換網は、「その日のポート率（port-rate）」及び「その日のポートカウント（port-count）」だけに対応するように作製され、かつ、将来のアプリケーションに効果的に対応するために必要になりうるより大きな帯域幅に対応するようには作製されないからである。具体的には、所定のポート間でデータが交換される量及び頻度は、いくつかのポートに対するものの方が他のポートに対するものよりも大きい場合があり、かつ、ほとんどの交換網によって利用される遅延が小さい、金属−信号線を使用すると帯域幅が制限される。その結果、ポート間を伝送させることができるデータ量が、アプリケーションによって各時点で利用されるポートのデータ転送要求に十分に合致しない場合があり、これは、データ処理及び／または伝送遅延をしばしば引き起こす。交換網は、任意の入力を任意の出力に接続するための必要から生じる多数の長い信号線によるチップ内接続を有する。これらの長い信号線は、電子的伝送損失を克服するために必要とされるリピータ（中継器）において大きな電力を消費する。
【０００４】
信号線を介して伝送される電子信号に関連する多くの問題は、導波路を介して伝送される光の特定の波長またはチャンネルにおける同じ情報を符号化することによって大幅に低減することができる。第１に、導波路によってはるかに大きな帯域幅が提供されるためにデータ伝送レートを大幅に高めることができる。第２に、導波路を介して伝送される光の単位長さ当たりの劣化または損失は、信号線を介して伝送される電子信号よりもはるかに小さい。したがって、伝送されるビット当たりの電力消費は、導波路を介して光を伝送する場合の方が、信号線を介して同じデータを電子信号で送信する場合よりも小さい。
【０００５】
光スイッチの要素（コンポーネント）は、マイクロマシン技術（または微小電気機械システム）、及び磁気光学効果などの種々の異なる技術を用いて構成されている。しかしながら、これらのスイッチは、全て回線スイッチ（または回線交換機。以下同じ）であって、そのスイッチの構成は、別個の、全体的に電子的な制御プレーンによって実施される。パケットスイッチ（またはパケット交換機。以下同じ）は、入力データストリームに埋め込まれたルーティング情報（経路指定情報）にしたがって接続を行う能力によって回線スイッチと区別される。パケットスイッチは、典型的には、要求された出力が使用されているときには入力データのバッファリングを可能にする。多くの電子パケットスイッチが構築されている。しかしながら、これらのネットワークスイッチは、将来のより高性能の処理の要求を満たすように拡張する能力に制限がある。２つの制限要因がある。第１は、パッケージング技術（実装技術）によって制限された入力／出力（「ＩＯ」）の数と、信号の完全性を考慮することによって制限されたＩＯ速度の両方の点で、ルーターチップをオン及びオフする帯域幅が制限されていることである。第２は、チップ間及びチップ内の通信に必要な電力は、ＩＯ数が多くなり、及びデータレート（データ転送速度）が高くなると大幅に増えることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
技術者は、種々のデータ処理装置、データ格納装置、または、データ伝送装置間でデータを大量に伝送するための媒体（伝達手段）として、データ符号化された光に対応できる高速のネットワークスイッチが必要であることを認識している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、光電子ネットワークスイッチに向けられている。１実施形態では、光電子スイッチは、１組のほぼ平行な入力導波路と、入力導波路にほぼ垂直に配置された１組のほぼ平行な出力導波路を備える。出力導波路の各々は、１組の入力導波路と交差する。光電子スイッチは、１つ以上の入力導波路を伝送する１つ以上の光信号を、交差する１つ以上の出力導波路へと切り換えるように構成された少なくとも１つのスイッチ要素を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態にしたがって構成された第１の光電子ネットワークスイッチの略図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態にしたがって構成された第１の回線スイッチ要素の概略及びその動作を示す。
【図２Ｂ】本発明の実施形態にしたがって構成された第２の回線スイッチ要素の概略及びその動作を示す。
【図３Ａ】本発明の実施形態にしたがって構成されたパケットスイッチ要素の概略及びその動作を示す。
【図３Ｂ】本発明の実施形態にしたがって構成されたパケットスイッチ要素の概略及びその動作を示す。
【図４】本発明の実施形態にしたがって構成された第２の光電子ネットワークスイッチの略図である。
【図５】本発明の実施形態にしたがって構成された２×２パケットスイッチ要素の略図である。
【図６】本発明の実施形態にしたがう、４つの１×１スイッチ要素、及び、単一の２×２スイッチ要素を示す。
【図７Ａ】本発明の実施形態にしたがう、２つの個別の光学層に形成された交換要素の組立分解等角図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態にしたがう、単一の光学層に形成された交換要素の等角図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態にしたって構成されたマイクロリング共振器、及び、隣接するリッジ導波路の一部との等角図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態にしたがうマイクロリングに関する透過率対波長のプロットを示す。
【図９Ａ】本発明の実施形態にしたがって光検出器として使用されるマイクロリング共振器を示す。
【図９Ｂ】本発明の実施形態にしたがって、第１の導波路から第２の導波路に光信号を結合するために使用されるマイクロリング共振器を示す。
【図１０】本発明の実施形態にしたがって、マイクロリング及びリッジ導波路を囲むドーピング領域の概略を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施形態にしたがって構成された導波路及び共振空胴を有するフォトニック結晶の平面図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態にしたがって構成された共振空胴の等角図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態にしたがって構成された第１の電子的に調整可能な共振空胴の断面図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施形態にしたがって構成された第２の電子的に調整可能な共振空胴の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の種々の実施形態は光電子ネットワークスイッチに向けられている。これらの実施形態は、広帯域のチップ−チップ相互接続のために、電子相互接続よりも必要な電力が少ない直接ナノフォトニック相互接続を使用することによって入力及び出力帯域幅を大幅に高める。さらに、本発明の実施形態は、高密度波長分割多重（Dense Wave Division Multiplexing：ＤＷＤＭ）を利用して多数の光信号をデバイス（装置）に接続する。ＤＷＤＭは、単一の導波路において異なる波長の光信号を多重化する。ネットワークスイッチは、入力導波路を出力導波路に接続するスイッチ要素（スイッチ素子ともいう。以下同じ）を備え、光信号を複数のポートに分配する。本発明の実施形態は、該スイッチ全体における多くのポイントに光信号を接続する能力を利用して、長い内部電子接続の必要性を排除する。ある距離閾値より上では、チップ上の光通信（オンチップ光通信）は電子通信よりも効率がよい。なぜなら、所与の距離において、光導波路の伝送損失の方が小さいためにリピーターが不要になるからである。
【００１０】
本発明の実施形態の説明において、「光信号」という用語は、データを符号化するために、変調されているか、または「オン」及び「オフ」にされている特定の波長の電磁放射を指す。たとえば、光信号の振幅の大きな部分をビット「１」に、該振幅の小さな部分をビット「０」にそれぞれ対応させることができ、または、光信号の「オン」の部分、「オフ」の部分をビット「１」、「０」にそれぞれ対応させることができる。「光信号」は、電磁スペクトルの可視部分だけにある波長に限定されず、赤外部分や紫外部分などの、可視部分以外の波長を有する古典電磁放射及び量子的電磁放射を指す場合もある。同じ材料から構成されるいくつかの構造的に類似の要素（コンポーネント）には、同じ参照番号が付されており、簡略化のために、それらの構造及び機能の説明は繰り返さない。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態にしたがって構成された光電子ネットワークスイッチ１００の略図である。スイッチ１００は、８個の垂直な入力導波路１０２−１０９の組（８個で１組）、８個の水平な出力導波路１１０−１１７の組（８個で１組）、及び、出力導波路１１０−１１７にほぼ平行な８個の水平な光パワー導波路（光電力導波路ともいう。以下同じ）１１８−１２５の組（８個で１組）を備える。このパワー導波路１１８−１２５は、ソース導波路１２６に光学的に結合され、その結果、光パワーソース（光電力源ともいう。以下同じ）１２７に光学的に接続されている。入力導波路１０２−１０９は、出力導波路及びパワー導波路１１０−１２５に対してほぼ垂直に向けられており、各入力導波路は、該出力導波路及びパワー導波路１１０−１２５と交差して、図１の破線のボックスで示されているスイッチ要素１２８などのスイッチ要素を介して出力導波路の各々に光学的に結合されている。図１に示すように、スイッチ１００は、スイッチ要素の８×８の配列を備え、各スイッチ要素は、出力導波路と交差する入力導波路を備える。たとえば、スイッチ要素１２８は、出力導波路１１３と交差する入力導波路１０７を備える。スイッチ要素の実施形態については、図２−図３を参照してより詳細に後述する。
【００１２】
導波路１０２−１２６の各々は、ＤＷＤＭを使用して複数の光信号を伝送することができる。光パワーソース１２７は、ＤＷＤＭを用いて、複数の持続波（または連続波）（「ＣＷ」）（すなわち、変調されていない、または、ほぼ一定の振幅及び波長）である光波（光波の各々は異なる波長を有する）をソース導波路１２６上に出力する。各光波の一部は、パワー導波路１１８−１２５の各々中へと結合され、これによって、パワー導波路１１８−１２５の各々は、光パワーソース１２７からの同じ光波出力の組を伝送する。光波は、矢印１２９によって示される方向にパワー導波路１１８−１２５に沿って伝送される。入力導波路１０２−１０９は、入力ポート１３２−１３９にそれぞれ別個に結合されており、出力導波路１１８−１２５は、出力ポート１４０−１４７にそれぞれ別個に結合されている。入力光信号は、対応する入力ポート１３２−１３９によって入力導波路１０２−１０９に配置され、矢印１３０によって示される方向に伝送される。出力光信号は、スイッチ要素によって出力導波路１１０−１１７に配置されて、矢印１３１によって示される方向に伝送される。入力光信号及び出力光信号は、データ符号化された（すなわち振幅変調された）光信号である。入力ポート及び出力ポート１３２−１４７を、プロセッサ、メモリ、回路基板、サーバ、ストレージサーバ（記憶サーバ）、外部ネットワーク接続、他のスイッチ、または、他の任意のデータ処理装置、データ記憶装置、もしくは、データ送信装置に接続することができる。
【００１３】
スイッチ１００は回線スイッチとして動作することができる。スイッチ１００が、入力ポート１３７から出力ポート１４３にデータを送信するように指示されているとする。外部スイッチ制御（不図示）がスイッチ要素１２８を作動させる。入力ポート１３７は、データを符号化している入力光信号を方向１３０へと入力導波路１０７に配置する。スイッチ要素１２８は、入力光信号と、方向１２９へとパワー導波路１２１に沿って伝送された光波とを取り出す。スイッチ要素１２８は、次に、取り出した光波を変調し、または、「オン」及び「オフ」して、出力光信号を生成することによって、入力光信号中に符号化されたデータを該光波に符号化する。この出力光信号は、方向１３１へと出力導波路１１３から出力ポート１４３まで送信される。
【００１４】
光電子ネットワークスイッチの実施形態は、正方形の８×８ネットワークスイッチ１００に限定されない。他の実施形態では、スイッチ要素の行及び列の数を、必要に応じて多くしたり少なくしたりすることができる。一般的に、本発明の実施形態はＮ×Ｎのネットワークスイッチを備え、ここで、Ｎは、スイッチ要素の同じ数の行と列を表す正の整数である。他のネットワークスイッチの実施形態では、行の数は列の数とは異なる場合がある。一般に、ネットワークスイッチの実施形態ではＭ×Ｎとすることができ、ここで、Ｍ、Ｎは、それぞれ、スイッチ要素の行と列の数を表す正の整数である。
【００１５】
図２Ａは、本発明の実施形態にしたがって構成された第１の回線スイッチ要素２００の略図である。スイッチ要素２００は、入力導波路２０２、出力導波路２０４、及び、パワー導波路２０６を備える。入力導波路２０２は６個の入力共振器２０７−２１２に光学的に結合され、パワー導波路２０６は６個の出力共振器２１４−２１９に光学的に結合されており、該出力共振器は、出力導波路２０４に光学的に結合されている。６個の入力共振器２０７−２１２は、受信装置２２０に電子的に結合された検出器に光学的に結合されている。たとえば、検出器２２２は、入力共振器２０７に隣接して該入力共振器に光学的に結合されており、かつ、受信装置２２０に電子的に結合されている。検出器は、入力共振器２０７−２１２に閉じこめられた入力光信号を吸収して、受信機２２０に送信される対応するデータ符号化された電子信号を生成する。該受信機は、電子相互接続を介して該電子信号を送信機２２６に送信する。この直接電気接続部は、矢印２２４などの矢印によって表されている。スイッチ状態コントローラ２２８は、スイッチ要素用の構成データ（コンフィグレーションデータ）を保持し、どの入力をどの出力に接続するかを決定する。
【００１６】
入力共振器２０７−２１２及び出力共振器２１４−２１９は、それぞれ、電子的に調整可能であって、適切な電圧が印加されると、光学的に結合された導波路に沿って伝搬する光の特定の波長と共振するように構成されている。この場合には、共振器は「オン」にされているという。「オン」にされている各共振器は、エバネッセント結合（evanescent coupling）を介して、導波路から光の少なくとも一部を取り出して、取り出した光をある時間だけ、共振器内に閉じ込める。電圧が「オフ」にされると、共振器の共振波長は、該光の波長から離れる方にシフトし、該光は、光学的に結合された導波路に沿って邪魔されずに伝搬して、共振器を通過する。この場合には、共振器は「オフ」にされているという。入力共振器２０７−２１２及び出力共振器２１４−２１９の構成及び動作については、下記の「マイクロリング共振器及びリッジ導波路」及び「フォトニック結晶及び共振空胴」というサブセクションでより詳細に説明する。
【００１７】
スイッチ要素２００の動作を特定の例を参照してこれから説明する。以下の説明では、特定の波長の光波がλによって表され、同じ波長のデータ符号化された入力光信号または出力光信号は、
【数１】
2011518344.tif 000003
によって表される。さらに、全ての入力光信号がデータを伝送するために使用され、全てのパワー信号が同じデータを符号化している出力光信号を生成するために使用される。入力共振器２０７−２１２及び出力共振器２１４−２１９は、「オン」にされると、６個の異なる波長λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、及びλ６の１つとそれぞれ共振するように構成されている。図２Ａに示すように、パワー導波路２０６は、光パワーソース（不図示）からの６個の光波出力を伝送する。６個の共振器２０７−２１２は、「オン」にされて、導波路２０２からの６個の入力光信号
【数２】
2011518344.tif 000004
とそれぞれエバネッセント結合（または一時的に結合）する。６個の入力光信号は、出力導波路２０４に接続された出力ポート（不図示）に送られるデータを符号化する。対応する検出器は、共振器２０７−２１２中で共振している６個の入力光信号を、直接電気接続部を介して送信機２２６に送られる６個の電子信号に変換する。リタイミングロジック２３０が、送信機における電子信号の到着を同期化するために使用される。なぜなら、入力信号は、それらが入力導波路２０２から取り出されるときには位相が異なっている場合があるからである。送信機２２６は、データを６個の波長λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、及びλ６に符号化して、出力導波路２０４に沿って送信される６個の出力光信号
【数３】
2011518344.tif 000005
を生成する。
【００１８】
６個の光波へのデータの符号化は、出力共振器２１４−２１９へと送信される電子信号の「０」及び「１」ビットにしたがって出力共振器２１４−２１９を「オン」及び「オフ」することによって達成できる。たとえば、出力共振器２１４が、ビット「０」に対応する時間期間だけ「オン」にされると、出力共振器２１４は、光波λ１の少なくとも一部をパワー導波路２０６から出力導波路２０４へとエバネッセント結合（または一時的に結合）する。出力共振器２１４が、ビット「１」に対応する時間期間だけ「オフ」にされると、光波λ１は出力共振器２１４を邪魔されずに通過する。結果物２３２は、入力光信号によって伝送されるデータを符号化している振幅変調された、または、「オン」及び「オフ」する出力光信号
【数４】
2011518344.tif 000006
である。
【００１９】
いくつかの実施形態では、入力光信号の波長を出力光信号の波長に対応させる（または同じにする）ことができるが、他の実施形態では、入力光信号の波長を出力光信号の波長に対応させる（または同じにする）必要はないことに留意されたい。たとえば、いくつかの実施形態では、入力光信号
【数５】
2011518344.tif 000007
によって伝送されるデータを、光波λ２に符号化して、同じデータを伝送する出力信号
【数６】
2011518344.tif 000008
を生成することができるが、他の実施形態では、入力光信号
【数７】
2011518344.tif 000009
を光波λ４に符号化して、同じデータを伝送する出力信号
【数８】
2011518344.tif 000010
を生成することができる。
【００２０】
図２Ｂは、本発明の実施形態にしたがって構成された第２の回線スイッチ要素２５０の略図である。スイッチ要素２５０は、該スイッチ２５０が、受信機２２０及び送信機２２６に電子的に結合された電子クロスバー２５２を備える点を除いてスイッチ要素２００とほぼ同じである。電子クロスバー２５２は、スイッチ状態コントローラ２２８によって制御されて、受信機２２０からの電子信号出力を送信機２２６へと（経路指定して）送る。
【００２１】
スイッチ要素２５０を用いて、６個の全ての入力光信号に符号化されたデータによって生成された電気信号を転送し、図２Ａを参照して説明したように、６個の全ての出力信号に符号化されたデータを生成することができる。他の実施形態では、６個の全ての入力光信号におけるデータを受信して全ての出力光信号を使用するのではなく、スイッチ要素２５０を用いて、いくつかの入力光信号に符号化されたデータを受信して、それとは異なる数の出力光信号におけるデータを出力することができる。たとえば、入力ポート（不図示）は、入力光信号
【数９】
2011518344.tif 000011
を入力導波路２０２に配置する。これらの２つの入力光信号
【数１０】
2011518344.tif 000012
は、出力導波路２０４に結合された出力ポート（不図示）に向けて送られるデータで符号化される。図２Ｂに示すように、共振器２０８及び２１０が「オン」にされているときは、入力光信号
【数１１】
2011518344.tif 000013
は入力導波路２０２からエバネッセント結合（または一時的に結合）される。対応する検出器は、入力光信号
【数１２】
2011518344.tif 000014
を同じデータを符号化している電子信号に変換して、該電子信号を受信機２２０に送信する。電子クロスバー２２４は、受信機２２０からこの電子信号を受信して、この電子信号を送信機２２６に向けて送る。入力光信号の伝送（送信）のタイミング（または時刻）は同期していない場合があるので、スイッチ要素２００は、送信機２２６への電子信号の伝送を同期化するためのリタイミングロジック２３０を備えることができる。送信機２２６は、データを３つの波長λ１、λ２、及びλ４に符号化して、出力導波路２０４に沿って伝送される出力光信号
【数１３】
2011518344.tif 000015
を生成する。
【００２２】
スイッチ要素２００の直接電子相互接続と、スイッチ要素２５０の電子クロスバーは、受信機２２０から送信機２２６に電気信号を送信するために使用できる多くの異なる種類の電気的相互接続のうちの２つに過ぎないことに留意されたい。
【００２３】
一般に、スイッチ要素の実施形態を、任意の数の入力光信号においてデータを受信して、任意の数の出力光信号においてデータを出力するように構成することができる。図２を参照して説明した例とは異なり、いくつかの実施形態では、スイッチ要素の共振器を、１組の波長を有する入力光信号を受信して、それとは異なる組の波長を有する出力光信号を生成するように構成することができる。さらに、スイッチ要素の実施形態は、６個の入力共振器と６個の出力共振器に限定されない。他の実施形態では、任意の好適な数の入力共振器及び出力共振器を使用することができ、入力共振器の数を、出力共振器の数とは異なるものとすることができる。
【００２４】
スイッチ１００を、各スイッチ要素にデータパケットバッファを設けることによってデータパケットスイッチとして動作させることもできる。アービトレーションを用いて、複数の入力パケットのうちのどれを特定の出力ポートに送信するかを選択することができる。図３Ａ−図３Ｂは、本発明の実施形態にしたがってデータパケットを伝送するように構成されたパケットスイッチ要素３００の略図である。スイッチ要素３００は、電子相互接続２５２が、電子相互接続とパケットバッファ３０２の組み合わせによって置き換えられている点を除いてスイッチ要素２５０とほぼ同じである。パケットバッファを、出力ポートへの送信を待っているパケットを格納するために確保された追加のメモリ空間とすることができる。図３Ａに示すように、第１の段階では、スイッチ要素は、共振器２０７を「オン」にするようにアービトレーション３０４によって指示される。光信号λ’１は、入力導波路２０２からマイクロリング２０７へとエバネッセント結合（または、一時的に結合）され、スイッチ要素３００は、残りの共振器２０８−２１２を「オン」にすることによって入力光信号を受信する準備をする。図３Ｂに示すように、第２の段階では、入力光信号
【数１４】
2011518344.tif 000016
は、共振器２０７−２１２にエバネッセント結合され（または一時的に結合され）、スイッチ要素３００は、図２Ａを参照して上述したように、出力光信号
【数１５】
2011518344.tif 000017
において同じデータパケットを出力する。他の実施形態では、データパケットを、図２Ｂを参照して上述したように、いくつかの入力光信号を用いて送信し、異なるかもしくは同じ出力光信号において出力することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、出力ポートがビジーでない（または使用中でないとき）は、直ちにパケットを、「カットスルー（cut-through）」と呼ばれる技術を使って出力ポートに向けて送ることができる。代替的には、出力ポートが他の入力ポートによって使用中であるときに、パケットをパケットバッファに格納して、出力ポートが利用可能になったときに送信する。アービトレーション３０４を用いて、パケットを要求している可能性のある任意のスイッチ要素の中からスイッチ要素が選択される。
【００２６】
図１を参照すると、いくつのスイッチの実施形態では、光パワーの消費を低減するために、データを２つの段階で送ることができる。第１の段階では、スイッチ要素の各々が異なる共振器を「オン」にして、第１の時間間隔内で対応する光信号を受信するのを待つ。スイッチ要素は全て、出力ポートを特定する同じ光信号を受信する。しかしながら、光信号は、選択された出力ポートに結合されたスイッチ要素の特定の共振器と共振する。このスイッチ要素は、第２の段階中、いくつかの入力光信号に符号化されたデータを受信する準備をすることによって応答する。残りのスイッチ要素は、光信号の共振に整合する共振器を「オン」にしなかったので、それらのスイッチ要素は、第１の時間間隔中に光信号を受信せず、それらの共振器を「オフ」にすることによって応答し、第２の段階中にデータが送信されるのを待つ。たとえば、最初に、８個の異なるスイッチ要素１５０−１５７の各々が異なる共振器を「オン」にする。それらの共振器の各々は、波長λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７、及びλ８を有する８個の異なる光信号のうちの１つに対応することができる。入力ポート１３６が出力ポート１４５にデータを送信する場合を考える。入力ポート１３６は、スイッチ要素１５５によって「オン」にされた共振器と共振する波長の（１個のパルスなどの）単一の光信号を出力する。光信号を受信すると、スイッチ要素１５５は、それの対応する共振器を「オン」にすることによって応答して、入力ポート１３６からの入力光信号を受信するのを待ち、一方、残りのスイッチ要素１５０−１５４、１５６、及び１５７は、それらの対応する入力共振器を「オフ」にする。第２の段階では、入力ポート１３６は入力光信号を送信し、該入力光信号はスイッチ要素１５５によって受信されて、出力ポート１４５に送信される。
【００２７】
他のスイッチの実施形態では、単一のアドレス光信号を用いて、選択された出力ポートに結合されたスイッチ要素を作動させることができる。たとえば、第１の段階において、出力ポート１４０−１４７の各々に異なるアドレスを割り当てることができる。全てのスイッチ要素１５０−１５７は、アドレス光信号の波長と共振する共振器を「オン」にして、該アドレス光信号を受信するのを待つことができる。入力ポートは、導波路１０６を介して出力ポート１４５のアドレスをアドレス光信号において送信する。スイッチ要素１５５は、アドレス光信号を受信して、入力光信号を受信する準備をする。残りのスイッチ要素１５０−１５４、１５６及び１５７もアドレス光信号を受信するが、該アドレスは、それらが光学的に結合された出力ポートのアドレスとは一致しないので、それらの残りのスイッチ要素１５０−１５４、１５６及び１５７は、それらの入力共振器を「オフ」にすることによって応答する。第２の段階では、入力ポート１３６が入力光信号を送信し、該入力光信号は、スイッチ要素１５５によって受信されて出力ポート１４５に送信される。
【００２８】
光電子ネットワークスイッチの実施形態は、各入力導波路と出力導波路の交差ポイントにおいて単一のスイッチ要素を使用することに限定されない。短距離の交換（または切り換え）及び通信が電子的に実行される階層的方式を適用して、共振器、受信機、及び送信機の数を少なくする一方で、入力導波路と出力導波路の数は同じに維持することができる。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態にしたがって構成された第２の光電子ネットワークスイッチ４００の略図である。スイッチ４００は、図１を参照して上述したスイッチ１００と同じ導波路１０２−１２６、光パワーソース１２７、及びポート１３２−１４７を備える。スイッチ１００と同様に、スイッチ４００のスイッチ要素もまた、入力導波路１０２−１０９で受信した入力光信号を出力導波路１１０−１１７によって伝送される出力光信号へと切り換える（交換する）。しかしながら、１つの入力導波路によって伝送される入力光信号を出力導波路によって伝送される出力光信号に切り換える（交換する）ために単一のスイッチ要素を使用するのではなく、スイッチ４００は、２つの入力導波路のうちの１つによって伝送される入力光信号を２つの出力導波路のうちの１つによって伝送されることができる出力光信号に切り換える（交換する）ために２×２スイッチ要素を使用する。たとえば、２×２スイッチ要素４０２は、入力導波路１０４または入力導波路１０５において入力光信号を受信することができ、及び、出力導波路１１４または出力導波路１１５上に対応する出力光信号を配置することができる。
【００３０】
図５は、本発明の実施形態にしたがって構成された２×２パケットスイッチ要素５００の略図である。スイッチ要素５００は、２つの入力導波路５０２及び５０４と２つの出力導波路５０６及び５０８を備える。入力導波路５０２及び５０４の各々は、受信機５１０及び５１２にそれぞれ電子的に結合された６個の共振器からなる１組の共振器に光学的に結合される。出力導波路５０６及び５０８の各々は、また、パワー導波路５１４及び５１６にそれぞれ光学的に結合された６個の共振器からなる１組の共振器に光学的に結合され、及び、送信機５１８及び５２０にそれぞれ電子的に結合される。共振器は、図２を参照して上述したように動作する。スイッチ要素５００は、受信機５１０及び５１２から電子パケットを受信し、パケットバッファにデータパケットを格納し、及び、該パケットを送信機５１８または送信機５２０のいずれかに送信する２×２電子相互接続及びパケットバッファ５２４を備える。それらのパケットは、図２を参照して上述したように、送信機５１８及び５２０によって光波に符号化される。他の実施形態では、パケットバッファを除去して、送信機５１８及び５２０の各々と２×２電子相互接続及びパケットバッファ５２４との間に図２を参照して説明したリタイミングロジックを含め、及び図２を参照して上述したスイッチ構成状態を含めることによって回線スイッチ用に２×２パケットスイッチ要素５００を変更することができる。
【００３１】
図６は、本発明の実施形態にしたがう４つの１×１スイッチ要素６０１−６０４と単一の２×２スイッチ要素６０６を示す。４つの１×１スイッチ要素６０１−６０４は、図３を参照して上述した４つの隣接するパケットスイッチ要素を大まかに表している。１×１スイッチ要素６０１−６０４の各々は、対応する入力共振器及び出力共振器の組、受信機（Ｒ）、送信機（Ｔ）、及び、電子相互接続及びパケットバッファ（ＥＩ＆ＰＢ）を備え、合計すると、４つの受信機、４つの送信機、４つの電子相互接続、及び、４８個の共振器となることに留意されたい。これとは対照的に、図６はまた、２×２回線スイッチ要素、または、２×２パケットスイッチ要素５００を大まかに表す単一の２×２スイッチ要素６０６を示している。単一の２×２スイッチ要素６０６は、４つの１×１スイッチ要素６０１−６０４によって実行されるのと同じ交換動作を実行することができるが、共振器、受信機、及び送信機の数は半分である。
【００３２】
本発明のスイッチ要素の実施形態は、上述した２×２スイッチ要素に限定されない。実際には、スイッチ要素のサイズは、チップ内光通信とチップ内電子通信との間の効率の交差ポイントによって決定される。他の実施形態では、３×３、４×４、５×５、またはより大きなスイッチ要素を含むようにスイッチ要素を拡張することができる。一般的には、Ｍ×Ｎのネットワークスイッチは、Ｍ×Ｎの受信機及びＭ×Ｎの送信機を有し、パケットネットワークスイッチの場合には、各アービタは、Ｍ個の入力を多重化する必要がある。Ｎ×Ｎのネットワークスイッチを、それと同じ数の入力導波路及び出力導波路に対するＰ×Ｑネットワークスイッチで（Ｍ＞Ｐ、Ｎ＞Ｑであり、ＭはＰで割り切れ、ＮはＱで割り切れる）置き換えることによって、受信機の数はＮ／Ｑに少なくなり、各出力アービタは、Ｍ／Ｐ個の入力を多重化するだけですむようになる。合計でＮ×Ｍのネットワークスイッチは、Ｎ×Ｍ／Ｐ個の受信機とＭ×Ｎ／Ｑ個の送信機を使用する。パケットネットワークスイッチでは、単一の電子相互接続の使用によって、バッファリソースの共有も可能となり、該電子相互接続が、Ｍ×ＮネットワークスイッチのＭ×Ｎ個のバッファ要件を緩和する。
【００３３】
いくつかの光電子ネットワークスイッチの実施形態では、入力導波路の組と出力導波路の組を２つの別個の光学層に作製することができる。図７Ａは、本発明の実施形態にしたがう２つの別個の光学層に形成されたスイッチ要素２００の組立分解等角図である。入力導波路２０２及び光学的に結合された共振器２０７−２１２は第１の光学層７０２において実施され、出力導波路２０４、パワー導波路２０６、及び出力共振器２１４−２１９は、第２の光学層７０４において実施されている。図７Ａに示すように、入力、出力、及びパワー導波路２０２、２０４、及び２０６は、リッジ導波路を使用して実施され、入力共振器２０７−２１２及び出力共振器２１４−２１９は、より詳細に後述するマイクロリング共振器を用いて実施される。他の実施形態では、入力導波路の組及び出力導波路の組を単一の光学層において実施することができる。図７Ｂは、本発明の実施形態にしたがって単一の光学層７０６に形成されたスイッチ要素２００の等角図である。入力導波路２０２と出力導波路２０４及びパワー導波路２０６とのそれぞれの間の交差部７０８及び７１０にはクロストークはほとんど生じない。
【００３４】
本発明のスイッチの実施形態は、チップ間通信用に統合化された（または集積化された）光ＩＯ構造を使用することによって電子スイッチだけの場合よりも帯域幅及びスイッチのサイズをより大きくするように拡張可能である。これらは、同じデータレート（データ転送速度）で動作する等価な電子ＩＯよりも電力消費が少ない。光学オンチップ相互接続によって接続されたより小さな電子スイッチの配列を用いる階層的内部構造を使用することによって、非常に長いオンチップの電子相互接続を不要にすることができ、一方で、光から電子への変換器、及び電子から光への変換器の使用が最適化される。光スイッチ（光交換機）だけの場合に比べると、本発明の光電子ネットワークスイッチは、パケットスイッチ及びバッファリングを実装する能力があるためによりフレキシブルであるが、これは、多くの汎用計算アプリケーションに対する要件である。
【００３５】
マイクロリング共振器及びリッジ導波路
いくつかのシステムの実施形態では、導波路２０２、２０４、及び２０６をリッジ導波路とすることができ、共振器をマイクロリング共振器とすることができる。図８Ａは、本発明の実施形態にしたがって構成された、基板８０６の表面に配置されたマイクロリング共振器８０２、及び隣接するリッジ導波路８０４の一部の等角図である。導波路８０４に沿って伝送される光信号は、該光信号が共振条件ｎeffＣ＝ｍλを満たすときには、導波路８０４からマイクロリング８０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）される。ここで、ｎeffはマイクロリング８０２の実効屈折率、Ｃはマイクロリング８０２の円周、ｍは整数、λは光信号の波長である。換言すれば、波長λの整数倍である波長を有する光信号は、導波路８０４からマイクロリング８０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）される。
【００３６】
図８Ｂは、図８Ａに示すマイクロリング８０２及び導波路８０４についての透過率対波長のプロットを示す。水平線８０８は波長軸を表し、垂直線８１０は透過率軸を表し、曲線８１２はマイクロリング８０２を通過するある波長の範囲にわたる光信号の透過率を表す。マイクロリング８０２を通過する光信号の透過率は、Ｔ＝Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎによって定義される。ここで、Ｉｉｎは、マイクロリング８０２に到達する前に導波路８０４に沿って伝搬する光信号の強度であり、Ｉｏｕｔは、マイクロリング８０２を通過した後に導波路８０４に沿って伝搬する光信号の強度である。透過率曲線８１２の最小値８１４及び８１６は、波長ｍλ及び（ｍ＋１）λを有する光信号のゼロ透過率に対応し、一定間隔で配置された多くの最小値のうちの２つのみを表している。これらの光信号は、上記の共振条件を満たし、マイクロリング８０２と「強い共振」状態にあるといわれ、導波路８０４からマイクロリング８０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）される。波長ｍλと（ｍ＋１）λの周囲の狭い波長領域では、透過率曲線８１２は、光信号の波長が波長ｍλ及び（ｍ＋１）λから離れるにしたがい透過率が急激に増加している。換言すれば、共振の強度、並びに、導波路８０４からマイクロリング８０２へと結合された光信号の一部は、光信号の波長が波長λの整数倍から離れるにしたがい減少する。領域８１８−８２０の波長を有する光信号は、ほぼ邪魔されることなくマイクロリング８０２を通過する。
【００３７】
マイクロリング共振器のエバネッセント結合特性のために、マイクロリング共振器を用いて、隣接する導波路に沿って伝送する特定の光信号を検出すること、すなわち、マイクロリング共振器を用いて、特定の波長の光信号を隣接する一方の導波路から隣接するもう１つの導波路へと結合することができる。図９Ａは、本発明の実施形態にしたがって光検出器として使用されるマイクロリング共振器８０２を示す。マイクロリング８０２と共振する波長を有する光信号は、導波路８０４からマイクロリング８０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）され、ある時間中、導波路８０２内を循環しながら閉じ込められたままとなる。検出器９０２は、マイクロリング８０２に隣接する基板８０６の表面に配置される。検出器９０２は、マイクロリング８０２内を循環している光信号を吸収して、該光信号を、信号線を介して電子装置（電子デバイス）に送信されることができる電子信号に変換する。検出器９０２を、ゲルマニウム（「Ｇｅ」）、または、他の任意の適切な光吸収要素または光吸収化合物から構成することができる。図９Ｂは、本発明の実施形態にしたがって、光信号を導波路８０４から第２の導波路９０４へ結合するために使用されるマイクロリング共振器８０２を示す。マイクロリング８０２と共振する波長を有する光信号は、導波路８０４からマイクロリング８０２へとエバネッセント結合（または一時的に結合）される。該光信号は、マイクロリング８０２内を循環し、導波路９０４へとエバネッセント結合（または一時的に結合）される。該光信号は、導波路８０４に沿って一方の方向に伝送され、第２の導波路９０４に結合された光信号は、該一方の方向とは反対の方向に伝送されることに留意されたい。
【００３８】
マイクロリング８０２及び導波路８０４を囲む基板８０６の領域に適切な電子供与体及び電子受容体原子または不純物をドーピング（注入）することによって、マイクロリング８０２を電子的に調整することができる。図１０は、本発明の実施形態にしたがう、マイクロリング８０２及びリッジ導波路８０４を囲むドーピングされた領域を大まかに表す平面図である。いくつかの実施形態では、マイクロリング８０２は真性半導体から構成される。ｐ型半導体領域１００１を、マイクロリング８０２の内部の半導体基板に形成することができ、ｎ型半導体領域８０２及び８０３を、導波路８０４の反対側においてマイクロリング８０２の外側を囲む半導体基板８０６に形成することができる。ｐ型領域１００１とｎ型領域１００２及び１００３は、マイクロリング８０２の周りにp-i-n接合を形成する。他の実施形態では、ドーパントを逆にして、マイクロリング８０２の内側の基板にｎ型半導体領域１００１を、マイクロリング８０２の外側を囲む基板にｐ型半導体領域１００２及び１００３を形成することができる。
【００３９】
適切な電圧がマイクロリングを囲む領域に印加されているときに、隣接する導波路からの光の進路を変更し、または、該光をエバネッセント結合（または一時的に結合）するように、電子的に調整可能なマイクロリング８０２を構成することができる。たとえば、導波路８０４に沿って伝搬する波長λの光信号が共振条件を満たさない、すなわち、
【数１６】
2011518344.tif 000018
となるような周囲の長さ（円周の長さ）Ｃ及び実効屈折率ｎｅｆｆ’を有する電子的に制御されるマイクロリング８０２を構成することができる。この光信号はマイクロリング８０２を邪魔されずに通過し、この場合、マイクロリング８０２は「オフ」にされているといわれる。他方で、適切な電圧がマイクロリング８０２に印加されているときに、実効屈折率ｎｅｆｆ’が屈折率値ｎｅｆｆへとシフトし、光信号が共振条件を満たす、すなわち、
【数１７】
2011518344.tif 000019
となるように、マイクロリング８０２を適切な材料で形成することができる。光信号は、今や、導波路８０４からマイクロリング８０２へと結合されており、この場合、マイクロリング８０２は「オン」にされているといわれる。電圧がその後「オフ」にされると、マイクロリング８０２の実効屈折率はｎｅｆｆ’にシフトして戻り、同じ光信号が、導波路８０４に沿って邪魔されずに伝搬する。
【００４０】
フォトニック結晶及び共振空胴
いくつかのシステムの実施形態では、導波路がフォトニック結晶導波路であり、共振器が共振空胴である２次元フォトニック結晶を用いて、光電子ネットワークスイッチを実施することができる。フォトニック結晶は、２つ以上の異なる材料からなるフォトニックデバイスであり、該材料は、規則的なパターンで互いに組み合わされると光信号の伝搬特性を変更することが可能な誘電特性を有する。２次元フォトニック結晶を、誘電性スラブまたは半導体スラブに作製された円筒孔の規則的格子（または正則格子）から構成することができる。円筒孔を、スラブの誘電材料とは異なる誘電材料で充填された空気孔（エアホール）または孔とすることができる。２次元フォトニック結晶を、指定された周波数帯内の光信号を反射するように設計することができる。その結果、２次元フォトニック結晶を、該フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の周波数を有する光信号の伝搬を阻止するための周波数帯域消去フィルタ（周波数バンドストップフィルタ）として設計して作製することができる。一般的に、円筒孔のサイズ及び相対的な間隔によって、光信号のどの波長が２次元フォトニック結晶中を伝搬するのを阻止されるかが制御される。しかしながら、欠陥を円筒孔の格子に導入して、特定の局在化したコンポーネントを生成することができる。具体的には、「点欠陥」とも呼ばれる共振空胴を作製して、狭い波長範囲の光信号を一時的に閉じこめる共振器を設けることができる。「線欠陥」とも呼ばれる導波路を作製して、フォトニックバンドギャップのある波長範囲内にある波長を有する光信号を伝送することができる。
【００４１】
図１１は、本発明の実施形態にしたがう、スラブ１１０６に形成されたフォトニック結晶導波路１１０２及び共振空胴１１０４の平面図である。円１１０８などの円は、スラブ１１０６の高さにわたる（延在する）孔を表している。選択された円筒孔を削除し、そのサイズを大きくし、または、小さくすることによって、共振空胴を形成することができる。具体的には、共振空胴１１０４は、円筒孔を削除することによって生成される。フォトニック結晶導波路は、フォトニック結晶バンドギャップの特定の波長範囲内の光信号を導くために使用することができる光伝送路である。列または行に並んだ円筒孔内の所定の円筒孔の直径を変更することによって、または、円筒孔の（いくつかの）行または列を削除することによって、導波路を作製することができる。導波路１１０２は、円筒孔の１行全体を削除することによって生成される。共振空胴１１０４を囲んでいる孔並びに導波路１１０２は、フォトニック結晶バンドギャップの周波数範囲内の光信号を一時的に閉じこめる２次元ブラッグミラーを形成する。網状に分岐する導波路を用いて、フォトニック結晶を通過する種々の異なる経路で光信号を送ることができる。導波路に沿って伝搬する電磁信号の直径をλ／３ｎ（ｎはスラブの屈折率）ほどに小さくすることができ、一方で、共振空胴の調和モード（または高調波モード）ボリュームを２λ／３ｎほどに小さくできる。
【００４２】
光信号が導波路及び共振空胴をじかに囲む領域に逃れるのを阻止する該導波路及び共振空胴の効果は、１００％より小さい場合がある。たとえば、導波路に沿って伝搬するフォトニックバンドギャップにおけるある周波数範囲内の光信号は、導波路を囲む領域に拡散する傾向もある。導波路１１０２または共振空胴１１０４を囲んでいる領域に入る光信号は、「エバネッセンス（evanescence）」と呼ばれるプロセスにおいて振幅が指数関数的に減衰する。その結果、共振空胴１１０４は、導波路１１０２から短い距離内に配置されて、導波路１１０２によって運ばれる光信号の所定の波長を、矢印１１１０で示すように、導波路１１０２から共振空胴１１０４へとエバネセント結合（または一時的に結合）できるようにする。共振空胴１１０４のＱ因子に依存して、抽出された光信号は、共振空胴１１０４内に閉じこめられた状態を維持して、しばらくの間共振することができる。
【００４３】
図１２Ａは、本発明の実施形態にしたがって構成された共振空胴１２０２、及びスラブ１２０４の一部を示す。共振空胴１２０２は、円筒孔を削除することによって生成される。共振空胴１２０２の直径と、円筒孔１２０６などの該共振空胴１２０２を囲む円筒孔のパターン及び直径とを、共振空胴１２０２内の光信号の特定の波長を一時的に閉じこめるように選択することができる。スラブ１２０４は、ガラス基板１２０８の上部に配置される。図１２Ａに示すように、いくつかの実施形態では、スラブ１２０４を、ｐ型半導体層１２１２とｎ型半導体層１２１４との間に挟まれた真性層１２１０（これらは、p-i-n接合共振空胴１２０２を形成する）から構成することができる。
【００４４】
図１２Ｂは、本発明の実施形態にしたがって構成された第１の電子的に調整可能な共振空胴の断面図である。共振空胴１２０２は、２つの電極１２２０と１２２２との間に挟まれている。スラブ１２０４を、p-i-n接合層１２１０、１２１２、及び１２１４、または、単一の誘電層もしくは単一の半導体層から構成することができる。共振空胴１２０２（の両端）にある電圧を印加することによって、該共振空胴１２０２の実効屈折率を変更し、これによって、共振空胴１２０２を、近くの導波路（不図示）中を伝搬する光信号の特定の波長と共振するように、または、共振しないようにシフトさせることができる。
【００４５】
図１２Ｃは、本発明の実施形態にしたがって構成された第２の電子的に調整可能な共振空胴の断面図である。共振空胴１２０２は、２つの電極１２２４と１２２６との間に挟まれている。スラブ１２０４を、p-i-n層１２１０、１２１２、及び１２１４、または、単一の誘電層もしくは単一の半導体層などの単一層から構成することができる。共振空胴１２０２（の両端）にある電圧を印加することによって、該共振空胴１２０２の実効屈折率を変更し、これによって、共振空胴１２０２を、近くの導波路（不図示）中を伝搬する光信号の特定の波長と共振するように、または、共振しないようにシフトさせることができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、共振空胴を、上述した検出器９０２などの検出器を共振空胴に隣接して配置することによって、電子的に調整可能な光検出器として動作させることができる。
【００４７】
本発明のシステムの実施形態は、マイクロリング共振器及びフォトニック結晶共振空胴に限定されないことに留意されたい。他の実施形態では、導波路に沿って伝搬する光信号の特定の波長と結合するように構成可能な任意の適切な共振器を使用することができる。
【００４８】
上記では、本発明を十分に理解できるようにするために、説明を目的として特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために特定の細部は必要ではないことが当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態に関する上記説明は、例示及び説明のために提示されたものである。それらは、本発明を網羅することも本発明を開示した形態そのものに限定することも意図していない。上記の教示に照らして多くの修正及び変形が可能であることは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的応用を最も良く説明し、これによって、当業者が、意図する特定の用途に適するように種々の変更を加えつつ本発明及び種々の実施形態を最良に利用できるようにするために図示し及び説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって画定されることが意図されている。
【図１】
2011518344.tif 000020
【図２Ａ】
2011518344.tif 000021
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年10月14日(2010.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組のほぼ平行な入力導波路（１０２−１０９）と、
前記入力導波路にほぼ垂直に配置された１組のほぼ平行な出力導波路（１１０−１１７）であって、各出力導波路が、前記１組の入力導波路と交差する、１組のほぼ平行な出力導波路と、
１つ以上の入力導波路を伝送する１つ以上の光信号を１つ以上の交差する出力導波路に切り換えるように構成された少なくとも１つのスイッチ要素（１２８）
を備える、光電子スイッチ（１００）。
【請求項２】
ソース導波路（１２６）と、
１組のパワー導波路（１１８−１２５）であって、各パワー導波路は、前記ソース導波路に光学的に結合されて、前記１組の出力導波路中の出力導波路にほぼ平行に延在し、及び、前記１組の入力導波路中の各入力導波路とほぼ垂直に交差する、１組のパワー導波路と、
前記ソース導波路に光学的に結合され、及び、前記光学的に結合されたソース導波路を介して前記１組のパワー導波路中のパワー導波路の各々に１つ以上の持続波光信号を放出するように構成された光パワーソース（１２７）
をさらに備える、請求項１のスイッチ。
【請求項３】
１組の入力ポート（１３２−１３９）であって、各入力ポートが、前記１組の入力導波路中の入力導波路に光学的に結合され、かつ、前記１つ以上の光信号を前記入力導波路に放出するように構成されている、１組の入力ポートと、
１組の出力ポート（１４０−１４７）であって、各出力ポートが、前記１組の出力導波路中の出力導波路に光学的に結合され、かつ、前記出力導波路を伝送する１つ以上の光信号を受信するように構成されている、１組の出力ポート
をさらに備える、請求項１のスイッチ。
【請求項４】
前記少なくとも１つのスイッチ要素が、
１組の電子的に調整可能な入力共振器（２０７−２１２）であって、各入力共振器は、入力導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該入力共振器に印加されているときに、前記入力導波路からの光信号を結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な入力共振器と、
１組の電子的に調整可能な出力共振器（２１４−２１９）であって、各出力共振器は、出力導波路及びパワー導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該出力共振器に印加されているときに、光信号を前記パワー導波路から前記出力導波路に結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な出力共振器と、
前記入力共振器の各々に電子的に結合され、かつ、前記入力導波路から結合された光信号に対応する電子信号を送信するように構成された受信機（２２０）と、
前記受信機に電子的に結合され、かつ、前記受信機によって送信された電子信号の進路を変更するように構成された電子相互接続部と、
前記電子相互接続部及び前記１組の出力共振器に電子的に結合され、かつ、前記電子相互接続部から出力された前記進路変更された電子信号を受信し、これに応じて適切な電圧を前記出力共振器に印加するように構成された送信機（２２６）と、
１組の検出器（２２２）であって、各検出器が、入力共振器に隣接して配置され、かつ、前記入力導波路から結合された光信号を前記受信機によって送信される電子信号に変換するように構成されている、１組の検出器
をさらに備えることからなる、請求項１のスイッチ。
【請求項５】
前記電子相互接続部がさらに、
直接電気接続部（２２４）と、
電子クロスバー（２５２）と、
データパケットを格納するためのパケットバッファ（３０２）
のうちの１つを備える、請求項４のスイッチ。
【請求項６】
１つ以上の持続波光信号を送信するように構成されたパワー導波路（２０６）と、
前記パワー導波路にほぼ平行に配置された出力導波路（２０４）と、
出力導波路と交差する入力導波路（２０２）と、
前記入力導波路からの１つ以上の入力光信号を結合し、前記パワー導波路からの１つ以上の持続波光信号を結合し、前記１つ以上の入力光信号に符号化された情報を前記１つ以上の連続波光信号中に符号化して出力光信号を生成し、及び、該出力光信号を前記出力導波路に結合するように構成された光電子装置
を備える光電子スイッチ要素（２００）。
【請求項７】
前記光電子装置が、
１組の電子的に調整可能な入力共振器（２０７−２１２）であって、各入力共振器は、前記入力導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該入力共振器に印加されているときに、前記入力導波路からの前記１つ以上の入力光信号のうちの１つを結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な入力共振器と、
１組の電子的に調整可能な出力共振器（２１４−２１９）であって、各出力共振器は、前記出力導波路及びパワー導波路に光学的に結合され、かつ、適切な電圧が該出力共振器に印加されているときに、前記パワー導波路からの持続波光信号を前記出力導波路に結合するように構成されている、１組の電子的に調整可能な出力共振器と、
前記入力共振器の各々に電子的に結合され、かつ、前記入力導波路から結合された前記１つ以上の入力光信号に対応する電子信号を送信するように構成された受信機（２２０）と、
前記受信機に電子的に結合され、かつ、前記受信機から送信された電子信号の進路を変更するように構成された電子相互接続部と、
前記電子相互接続部及び前記１組の出力共振器に電子的に結合され、かつ、前記電子相互接続部から出力された前記進路変更された電子信号を受信し、これに応じて適切な電圧を前記出力共振器に印加し、これによって、前記１つ以上の入力光信号に符号化された情報を前記１つ以上の連続波光信号中に符号化して出力光信号を生成するように構成された送信機（２２６）
をさらに備えることからなる、請求項１３のスイッチ要素。
【請求項８】
１組の検出器（２２２）をさらに備え、各検出器が、入力共振器に隣接して配置され、かつ、前記入力導波路から結合された光信号を前記受信機によって送信される電子信号に変換するように構成されていることからなる、請求項１４のスイッチ要素。
【請求項９】
前記電子相互接続部から前記送信機へと送信される電子信号を同期化するためのリタイミングロジック（２３０）をさらに備える、請求項１４のスイッチ要素。
【請求項１０】
前記電子相互接続部がさらに、
直接電気接続部（２２４）と、
電子クロスバー（２５２）
のうちの１つを備える、請求項８のスイッチ。
【国際調査報告】
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