(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の入力ポートと、
第１及び第２の出力ポートと、
第１の入力ポートと第１の出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第１及び第２の波長選択カプラと、
第２の入力ポートと第２の出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第３及び第４の波長選択カプラと、
第１の波長選択カプラと第３の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第１の光スイッチと、
第２の波長選択カプラと第４の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第２の光スイッチと、を備え、
全ての前記光導波路と前記波長選択カプラと前記光スイッチは、Ｓｉ基板上に設けられ、前記光導波路の各々はＳｉ光導波路であり、前記波長選択カプラの各々は、Ｓｉ光導波路の幅以下の間隔で隣接する２本のＳｉ光導波路の各々の側面に設けられた回折格子構造を含み、前記第１及び前記第２の光スイッチは、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子からなる、波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記第１および第３の波長選択カプラは、接続する一方の光導波路に入力された波長分割多重信号から第１波長を含む光を選別し、接続する他方の光導波路へ出力し、
前記第２および第４の波長選択カプラは、接続する一方の光導波路に入力された波長分割多重信号から第１波長とは異なる第２波長を含む光を選別し、接続する他方の光導波路へ出力する、請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項３】
前記波長選択カプラの各々において、前記２本のＳｉ光導波路は異なる幅を有し、前記回折格子構造は前記２本のＳｉ光導波路の側面で異なる高さの凹凸を有する、請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子は、前記Ｓｉ基板上の２つのＳｉ光導波路に設けられた２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器の間に設けられた１つの位相シフタを含む、請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
Ｎport個の入力ポートと、
Ｎport個の出力ポートと、
Ｎport個の入力ポートの各々と順番に対応する出力ポートの各々との間に光導波路を介して直列に配置されたＮλ（列）×Ｎport（行）の波長選択カプラであって、１列目のＮport個の波長選択カプラからＮλ列目のＮport個の波長選択カプラまでの各列のＮport個の波長選択カプラは、入力ポートの１つに入力された波長分割多重信号から順番に波長λ１〜λＮλの各々を含む光を選択できるように構成される、Ｎλ（列）×Ｎport（行）の波長選択カプラと、
各列に１つ設けられ、各列内の波長選択カプラの間で光導波路を介して選択された波長を含む光を任意の出力ポートへ導くためのＮλ個の光スイッチと、を備え、
全ての前記光導波路と前記波長選択カプラと前記光スイッチは、Ｓｉ基板上に設けられ、前記光導波路の各々はＳｉ光導波路であり、前記波長選択カプラの各々は、Ｓｉ光導波路の幅以下の間隔で隣接する２本のＳｉ光導波路の各々の側面に設けられた回折格子構造を含み、前記光スイッチの各々は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子からなる、Ｎλチャネル１×Ｎport波長選択スイッチ。
【請求項６】
前記Ｎλ個の光スイッチの各々は、各列内の１つの波長選択カプラによって選択された波長を含む光を前記１つの波長選択カプラまたは前記列内の他の波長選択カプラの選択した１つに導く、請求項５に記載のＮλチャネル１×Ｎport波長選択スイッチ。
【請求項７】
前記波長選択カプラの各々において、前記２本のＳｉ光導波路は異なる幅を有し、前記回折格子構造は前記２本のＳｉ光導波路の側面で異なる高さの凹凸を有する、請求項６に記載のＮλチャネル１×Ｎport波長選択スイッチ。
【請求項８】
前記マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子は、前記Ｓｉ基板上の２つのＳｉ光導波路に設けられた２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器の間に設けられた１つの位相シフタを含む、請求項５に記載のＮλチャネル１×Ｎport波長選択スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択スイッチに関し、より具体的には、光ネットワークのノードにおいて使用される、波長毎に光の経路を切り替えることができる波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ネットワークのノードにおいて使用される、波長毎に光の経路を切り替える波長選択スイッチ（ＷＳＳ）が従来からある。その波長選択スイッチは２種類に大別される。第１に、回折格子と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）等の面型スイッチング素子とを空間光学系で接続した空間光学型波長選択スイッチである。第２に、光導波路技術に基づく集積型波長選択スイッチである。空間光学型波長選択スイッチは、サイズが大きく、製造工程の複雑さから高価であるという欠点がある。一方、集積型波長選択スイッチは、省スペース、コストの面で有利である。
【０００３】
特許文献１は、集積型波長選択スイッチの一例として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）と、光スイッチと、マッハツェンダ干渉計型（ＭＺＩ）複合波長カプラとを備えるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを開示する。この波長選択スイッチでは、複数のマッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラを構成することにより、光回路の小型化を図るとともに、マッハツェンダ干渉計型ＷＳＳの出力ポート数Ｍ（Ｍは３以上の整数）を増大させている。
【０００４】
非特許文献１は、集積型波長選択スイッチの一例として、Ｓｉ半導体プロセスを用いて集積化（１チップ化）された１入力２出力（１×２）波長選択スイッチを開示する。この波長選択スイッチでは、波長選択スイッチを構成する光導波路、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）、ＭＺＩ光スイッチ、及び回折格子カプラがパターン化されたＳｉ層及びＳｉ３Ｎ４層によって形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１６０２１６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Christopher R. Doerr, et al. ” Monolithic Flexible-Grid 1 x 2 Wavelength-Selective Switch in Silicon Photonics”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 30, NO. 4, FEBRUARY 15, 2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１と非特許文献１の波長選択スイッチは、いずれもアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いており、たとえ集積化しても波長数が少なくても一定以上の大きさを必要とする。また、光導波路の交差数が多くなるため光量損失やクロストークが起こりやすい。さらに、ＡＷＧの透過特性が周期的であるため波長帯域に制限がある。
【０００８】
本発明の目的は、光導波路の交差数を低減して光学特性を改善した、少ない波長数でも小型化できる、あるいは波長帯域制限のない、波長選択スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明一態様の波長選択スイッチは、第１及び第２の入力ポートと、第１及び第２の出力ポートと、第１入力ポートと第１出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第１及び第２の波長選択カプラと、第２入力ポートと第２出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第３及び第４の波長選択カプラと、第１の波長選択カプラと第３の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第１の光スイッチと、第２の波長選択カプラと第４の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第２の光スイッチと、を備える。
【００１０】
本発明の一態様の波長選択スイッチによれば、向かい合う２つの波長選択カプラの間に１つの光スイッチを配置する基本構成により、光導波路の交差数を低減することができ、その結果光量損失やクロストークを軽減することができる。
【００１１】
本発明の一態様のＮλチャネル１×Ｎport波長選択スイッチは、Ｎport個の入力ポートと、Ｎport個の出力ポートと、Ｎport個の入力ポートの各々と順番に対応する出力ポートの各々との間に光導波路を介して直列に配置されたＮλ（列）×Ｎport（行）の波長選択カプラであって、１列目のＮport個の波長選択カプラからＮλ列目のＮport個の波長選択カプラまでの各列のＮport個の波長選択カプラは、入力ポートの１つに入力された波長分割多重信号から順番に波長λ１〜λＮλの各々を含む光を選択できるように構成される、Ｎλ（列）×Ｎport（行）の波長選択カプラと、各列に１つ設けられ、各列内の波長選択カプラの間で光導波路を介して選択された波長を含む光を任意の出力ポートへ導くためのＮλ個の光スイッチと、を備える。
【００１２】
本発明の一態様のＮλチャネル１×Ｎport波長選択スイッチによれば、向かい合う２つの波長選択カプラの間に１つの１×Ｎport光スイッチを配置する基本構成を１波長（λｉ）選択のための基本構成とし、その基本構成を波長数（チャネル数）に応じて規則的に拡張していくことにより、任意の波長数（チャネル数）の場合においても、光導波路の交差数を低減し光量損失やクロストークを軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態のＮλチャネル１×Ｎport波長選択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波長選択カプラの構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の光スイッチの構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の波長選択スイッチの効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。図１は、本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。図１の波長選択スイッチは、波長数（チャネル数）２の１入力・２出力（１×２）波長選択スイッチの構成例である。波長選択スイッチは、第１の入力ポート１と第１の出力ポート１を接続する光導波路１と、第２の入力ポート２と第２の出力ポート２を接続する光導波路２を含む。
【００１５】
光導波路１上に直列に第１の波長選択カプラ３と第２の波長選択カプラ４が設けられている。同様に、光導波路２上に直列に第３の波長選択カプラ５と第４の波長選択カプラ６が設けられている。対向する第１の波長選択カプラ３と第３の波長選択カプラ５の間に光導波路を介して第１の光スイッチ７が設けられている。同様に、対向する第２の波長選択カプラ４と第４の波長選択カプラ６の間に光導波路を介して第２の光スイッチ８が設けられている。
【００１６】
今、第１の入力ポート１に２つの波長λ1、λ2を含む波長分割多重信号が入力したとする。光導波路１上の第１の波長選択カプラ３は、入力された波長分割多重信号から第１波長λ1を含む光を選別（分波）する。分波された第１波長λ1を含む光は光導波路９を介して第１の光スイッチ７に導かれる。第１の光スイッチ７は、図１の例ではいわゆるクロス状態を形成して、第１波長λ1を含む光を第３の波長選択カプラ５に接続する光導波路１０へスイッチする。第３の波長選択カプラ５は、光導波路１０から受信した第１波長λ1を含む光を第２の出力ポート２へ導く。第２の出力ポート２から第１波長λ1を含む光が出力される。
【００１７】
光導波路１上の第２の波長選択カプラ４は、第１の入力ポート１に入力された波長λ1、λ2の光を含む波長分割多重信号から第２波長λ2を含む光を選別（分波）する。分波された第２波長λ2を含む光は光導波路１１を介して第２の光スイッチ８に導かれる。第２の光スイッチ８は、図１の例ではいわゆるバー状態を形成して、第２波長λ2を含む光を自らの第２の波長選択カプラ４に接続する光導波路１２へスイッチする。第２の波長選択カプラ４は、光導波路１２から受信した（戻ってきた）第２波長λ2を含む光を第１の出力ポート１へ導く。第１の出力ポート１から第２波長λ2を含む光が出力される。
【００１８】
ここで、図４を参照して、図１の本発明の一実施形態の波長選択カプラ３〜６について説明する。図４は、波長選択カプラとして、基板上の隣接する２本の光導波路５０、５１に設けられた回折格子構造５３を用いた場合の一例である。光導波路５０、５１は、Ｓｉ基板（チップ）上のＳｉＯ2からなるクラッド層中にＳｉ光導波路として形成されている。２つのＳｉ光導波路の厚さはいずれも２５０ｎｍである。光  導波路５０の幅は５５０ｎｍであり、光導波路５１の幅は４３０ｎｍである。回折格子（凹凸）構造５３は、光導波路５０、５１の各々の側面に形成され、その凹凸の深さ（高さ）はそれぞれ５０ｎｍ、３０ｎｍである。なお、これらのサイズ（数値）は、１.５５μｍ付近の波長を含む光を選択するための一例であって、選択すべき波長帯に応じて適宜設定される。
【００１９】
今、例えば、図４の光導波路５０、５１がそれぞれ図１の光導波路１、９に相当するとした場合、光導波路５０（図１の１）を伝播する波長λ1、λ2を含む光信号が回折格子構造５３の領域において分波され、波長λ１を含む光信号が隣の光導波路５１（図１の９）へ導かれる。同様に、例えば図４の光導波路５０、５１がそれぞれ図１の光導波路１０、２に相当するとした場合、光導波路５０（図１の１０）を伝播する波長λ1を含む光信号が回折格子構造５３の領域において選択されて隣の光導波路５１（図１の２）へ導かれる。このように、複数波長の中から、１つの波長だけを合分波する図４に例示されるような波長選択カプラを用いることにより、光導波路の交差数を減らすことが可能となる。
【００２０】
次に、図５を参照して、図１の本発明の一実施形態の光スイッチ７、８について説明する。図５は、光スイッチとしてマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子を用いた場合の一例である。図５の光スイッチは、入力ポート１と出力ポート１の間に設けられた第１の光導波路６１と、入力ポート２と出力ポート２の間に設けられた第２の光導波路６２を含む。光スイッチは、さらに２つの光方向性結合器（光カプラ、ＤＣ）６３、６４と、これらの間の光導波路６１、６２に設けられたヒータ（抵抗Ｒ）からなる位相制御器（Ｐｈ）６５、６６を含む。なお、位相制御器６５、６６はいずれか一方だけの場合でも良い。なお、光をスイッチする出力ポートの数が２以上になる場合は、出力ポート数に応じて上記の光方向性結合器及び位相制御器の構成の数を増やすことにより、対応することができる。
【００２１】
図５の入力ポート１に光入力（信号）が入ったとする。光スイッチは、位相制御器６５、６６のヒータパワー（ｍＷ）を制御することにより、光出力を出力ポート１または２の間で切り替える。具体的には、例えば位相制御器６５のヒータパワーを４５ｍＷ程度にして、２つの光導波路の光学的光路長差を半波長（λ／２、位相差π）にすることにより、光スイッチにおいてバー状態を形成して、光出力を出力ポート１から出力させる。また、位相制御器６５のヒータパワーをゼロにして、２つの光導波路の光学的光路長差をゼロ（位相差０）にすることにより、光スイッチにおいてクロス状態を形成して、光出力を出力ポート２から出力させる。
【００２２】
図５に例示される本発明の一実施形態の光スイッチは、図４の波長選択カプラの場合と同様に、例えば従来からあるＳｉ半導体プロセスを用いて作成することがでる。その場合、例えば、光方向性結合器と光導波路は、いずれも基板（Ｓｉ基板等）上の半導体材料層（Ｓｉ、ＳｉＯ2等）からなり、位相制御器（ヒータ）は光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなるように形成することができる。
【００２３】
図１の光スイッチ７、８の動作を図５の光スイッチの動作に対応させて説明すると、光スイッチ７の位相制御器６５のヒータパワーをゼロにして、２つの光導波路の光学的光路長差をゼロ（位相差０）にすることにより、光スイッチにおいてクロス状態を形成して、光出力を光導波路１０へ出力させる。光スイッチ８の位相制御器６５のヒータパワーを４５ｍＷ程度にして、２つの光導波路の光学的光路長差を半波長（λ／２、位相差π）にすることにより、光スイッチにおいてバー状態を形成して、光出力を光導波路１２へ出力させる。
【００２４】
次に、図２を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図２は、本発明の他の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。図２の波長選択スイッチは、波長数（チャネル数）４の１入力・４出力（１×４）波長選択スイッチの構成例である。波長選択スイッチは、第１の入力ポート１と第１の出力ポート１を接続する光導波路２１と、第２の入力ポート２と第２の出力ポート２を接続する光導波路２２と、第３の入力ポート３と第３の出力ポート３を接続する光導波路２３と、第４の入力ポート４と第４の出力ポート４を接続する光導波路２４を含む。
【００２５】
光導波路２１上に直列に４つの波長選択カプラ２５が設けられている。光導波路２２上に直列に４つの波長選択カプラ２６、２７、２８、３０が設けられている。同様に、光導波路２３、２４において、それぞれ直列に４つの波長選択カプラ２９、３１が設けられている。光導波路２２と２３に設けられた対向する２つの波長選択カプラ間の各々に、光導波路を介して順番に４つの光スイッチ３２、３３、３４、３５が設けられている。
【００２６】
図２において、今、第２の入力ポート２に４つの波長λ1〜λ4を含む波長分割多重信号が入力したとする。第２の入力ポート２に接続する光導波路２２上の波長選択カプラ２６は、入力された波長分割多重信号から第１波長λ1を含む光を選別（分波）する。分波された第１波長λ1を含む光は光導波路３６を介して光スイッチ３２に導かれる。光スイッチ３２は、第１波長λ1を含む光を波長選択カプラ２５に接続する光導波路３７へスイッチする。波長選択カプラ２５は、光導波路３７から受信した第１波長λ1を含む光を第１の出力ポート１へ導く。第１の出力ポート１から第１波長λ1を含む光が出力される。
【００２７】
光導波路２２上の２番目の波長選択カプラ２７は、入力された波長分割多重信号から第２波長λ２を含む光を選別（分波）する。分波された第２波長λ2を含む光は、光導波路３８を介して光スイッチ３３に導かれる。光スイッチ３３は、第２波長λ２を含む光を自らの２番目の波長選択カプラ２７に接続する光導波路３９へスイッチする。２番目の波長選択カプラ２７は、光導波路３９から受信した（戻ってきた）第２波長λ2を含む光を第２の出力ポート２へ導く。第２の出力ポート２から第２波長λ２を含む光が出力される。
【００２８】
光導波路２２上の３番目の波長選択カプラ２８は、入力された波長分割多重信号から第３波長λ3を含む光を選別（分波）する。分波された第３波長λ３を含む光は光導波路４０を介して光スイッチ３４に導かれる。光スイッチ３４は、第３波長λ3を含む光を波長選択カプラ２９に接続する光導波路４１へスイッチする。波長選択カプラ２９は、光導波路４１から受信した第３波長λ3を含む光を第３の出力ポート３へ導く。第３の出力ポート３から第３波長λ3を含む光が出力される。
【００２９】
光導波路２２上の４番目の波長選択カプラ３０は、入力された波長分割多重信号から第４波長λ4を含む光を選別（分波）する。分波された第４波長λ4を含む光は、光導波路４２を介して光スイッチ３５に導かれる。光スイッチ３５は、第４波長λ4を含む光を波長選択カプラ３１に接続する光導波路４３へスイッチする。波長選択カプラ３１は、光導波路４３から受信した第４波長λ4を含む光を第４の出力ポート４へ導く。第４の出力ポート４から第４波長λ4を含む光が出力される。
【００３０】
図３は、図２の本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成をさらにＮl個の波長λ1〜λn（Ｎlチャネル）、１入力Ｎport出力まで拡張した場合のＮlチャネル１×Ｎport波長選択スイッチの構成を示す図である。図３の構成は、Ｎport個の入力ポート１〜Ｎportと、Ｎport個の出力ポート１〜Ｎportと、Ｎport個の入力ポートの各々と対応する出力ポートの各々との間の光導波路上に直列に配置されたＮl個の波長選択カプラを含む。波長選択カプラは各光導波路（行）上にＮl個あるので、Ｎport行の光導波路全体で（Ｎport×Ｎl）個ある。
【００３１】
１列目のＮport個の波長選択カプラからＮl列目のＮport個の波長選択カプラまでの各列のＮport個の波長選択カプラは、入力ポートの１つに入力された波長分割多重信号から順番に波長λ1〜λNlの各々を含む光を選択できるように構成される。図３の構成は、さらに、各列に１つ設けられ、各列内の波長選択カプラの間で光導波路を介して選択された波長を含む光を任意の出力ポートへ導くためのＮl個の１×Ｎport光スイッチを含む。
【００３２】
図３の破線のブロックＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・は、順番に波長λ1、λ2、λ3、λ4、・・を選択するために必要となる波長選択カプラと光スイッチの組み合わせを示している。波長数（チャネル数）に応じて、ブロックの数が横方向に増減し、出力ポート数に応じて各ブロックの縦（上下）方向の長さが増減する。図３の各ブロック内での波長選択カプラと光スイッチの動作は、図２の構成を用いて上述した動作と同様であり、入力ポート２に入力された波長λ1〜λNlを含む波長分割多重信号から波長選択された波長λ1、λ2、・・・の各々を含む光が、それぞれ１×Ｎport光スイッチによって選択された任意の出力ポートから出力される。
【００３３】
図６は、本発明の一実施形態の波長選択スイッチの効果を説明するための図である。ポート数をＮport、波長数をＮλとすると、従来のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使った構成では、経路の中で最大の光導波路の交差数は、
（Ｎport−１）×（Ｎλ−１）        （１）
と表すことができる。一方、本発明の波長選択カプラ（ＷＳＣ）を使った構成では、経路の中で最大の交差数は、
（Ｎport／２−１）×Ｎλ            （２）
と表すことができる。
【００３４】
式（１）と（２）において、波長数Ｎλを４、８とした場合のポート数Ｎportと最大交差数の関係をプロットして得られたのが図６である。図６から本発明の波長選択カプラ（ＷＳＣ）を使った構成では、波長数Ｎλが４、８のいずれの場合でも従来のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使った構成よりも光導波路の交差数が大幅に減少しており、光量損失やクロストーク等の光学特性を向上させることができることがわかる。また、本発明のＷＳＣは、透過特性に周期性を持たないため、自由スペクトル領域の制限を持たず、帯域制限がない波長選択スイッチを実現できる。
【００３５】
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】
【００３６】
本発明の光スイッチは、光通信（ネットワーク）のノードにおいて使用される波長選択スイッチとして、光回路あるいは光集積回路の一部として利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１、２、９、１０、１１、１２、２１、２２、２３、２４、３６、３７、３８、３９、４９、４１、４２、４３、５０、５１、６１、６２、：光導波路
３、４、５、６、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１：波長選択カプラ
７、８、３２、３３、３４、３５：光スイッチ
５３：回折格子構造
６３、６４：光方向性結合器（光カプラ）
６５、６６：位相制御器（ヒータ）
【図１】
0006708338.tif 000002
【図２】
0006708338.tif 000003
【図３】
0006708338.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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