(57)【要約】【課題】  フォトニッククリスタル構造を用いて一体型に製造することによって、コンパクトでその構造が簡単ながら機械的な動きのない２×２光スイッチ装置を提供する。【解決手段】  ２つの入力端と２つの出力端とを連結し、入力光信号の波長領域で固定されたフォトニックバンドギャップを有するフォトニッククリスタルから構成された４つの導波路を備える光ガイド及び４つの導波路のうち互いに重ならない部分をＰＢＧの制御が可能なフォトニッククリスタルに置換した分割状のスイッチ調節部を含み、光ガイドとスイッチ調節部が一体型に形成される２×２光スイッチ装置が開示される。本発明にかかる２×２光スイッチは、機械的な動きがなく、構造が簡単かつコンパクトで偏光の依存性が少ないので光ネットワークにおいて有効である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力端に入力される第１の光信号を第１及び第２の出力端にそれぞれガイドする第１及び第２の導波路と、第２の入力端に入力される第２の光信号を前記第２及び第１の出力端にそれぞれガイドする第３及び第４の導波路とを備え、前記第１及び第２の入力光信号の波長帯域にて完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニッククリスタルから形成された光ガイドと、
外部からの経路選択制御信号に応じて前記第１及び第２の光信号がそれぞれ前記第１及び第３の導波路の経路と、それぞれ前記第２及び第４の導波路の経路のうち何れか１つの経路とを介してガイドされるように制御するスイッチ調節部と、を含むことを特徴とするフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項２】
前記光ガイド及び前記スイッチ調節部は、一体型に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項３】
前記スイッチ調節部は、前記第１及び第３の導波路の内部の一領域に配される第１対のスイッチ調節セグメントと、前記第２及び第４の導波路の内部の一領域に配される第２対のスイッチ調節セグメントとを備え、前記第１及び第２対のスイッチ調節セグメントは、前記経路選択制御信号に対応して選択的に動作することを特徴とする請求項１に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項４】
前記スイッチ調節部は、フォトニックバンドギャップ（photonic band gap）の制御が可能なフォトニッククリスタルと、
前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタル内部の構成媒質の屈折率を可変する屈折率可変部とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項５】
前記屈折率可変部は、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタル内部を構成する媒質の温度を調節するための温度制御信号を出力する温度制御部と、
前記温度制御信号に応じて前記フォトニッククリスタル内部の媒質の温度を可変する加熱器と、を含むことを特徴とする請求項４に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項６】
前記屈折率可変部は、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタルの内部媒質に電場の強さを可変的に制御するための電場制御信号を出力する電場制御部と、
前記電場制御信号に応じて前記フォトニッククリスタルの内部媒質に電場を可変的に形成させる電極板とを含むことを特徴とする請求項４に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項７】
前記屈折率可変部は、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタルの内部媒質に印加される光学信号の光量を可変的に制御するための光量制御信号を出力する光量制御部と、
前記光量制御信号に応じて前記フォトニッククリスタルの内部媒質に可変的な光量の光学信号を印加する光源と、を含むことを特徴とする請求項４に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項８】
前記スイッチ調節部は、前記第１及び第２の光信号の波長帯域で完全ＰＢＧを有する２対のフォトニッククリスタルと、
前記経路選択制御信号に対応して前記２対のフォトニッククリスタルを前記第１ないし第４の導波路の内部へそれぞれ挿入及び除去する駆動部と、を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項９】
前記駆動部は、
前記２対のフォトニッククリスタルのうち１対のフォトニッククリスタルを前記第１の導波路及び第３の導波路の内部の所定領域にそれぞれ挿入し、他の１対のフォトニッククリスタルを前記第２の導波路及び第４の導波路から除去することを特徴とする請求項８に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【請求項１０】
前記駆動部は、
前記２対のフォトニッククリスタルのうち１対のフォトニッククリスタルを前記第１の導波路及び第３の導波路から除去し、他の１対のフォトニッククリスタルを前記第２の導波路及び第４の導波路内部の所定領域にそれぞれ挿入することを特徴とする請求項８に記載のフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチ装置に関し、特に、フォトニッククリスタルの構造を用いた２×２光スイッチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光スイッチ装置は、既存の電子式スイッチ技術の限界を克服して情報処理の速度及びスイッチ用量の増大を可能にさせ、光通信、光交換、光プロセス、光コンピューターなどにおいて不可欠なものである。
現在、インターネット用量の増加推移は、毎年４〜５倍の成長で、これから１０年以内に１００Ｔｂ/ｓの超大用量の情報通信が予測されるものの、不幸ながら現科学技術がこのような超大用量の情報通信を支援するにはその限界を抱えている。
【０００３】
例えば、光ネットワーク分野において、多チャンネル並列処理の長所を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）形態の自由空間光スイッチと、高速処理の長点を有する光導波路形態の半導体スイッチとが使用されている。しかし、ＭＥＭＳスイッチは、多チャンネル接続の長所はあるものの、根本的にスイッチングの時間が遅い（ｍｓ- μｓ ）。半導体スイッチの場合には、相対的にスイッチングの時間が短いものの（ｎｓ-ｐｓ）、チャンネル数の増加に伴う処理速度が極めて遅延される短所をもつ。従って、前述した１００Ｔｂ/ｓ伝送用量のために１００チャンネルから構成されたＷＤＭ（Wavelength division Multiplexing）ネットワークを考慮する際、チャンネル当り伝送帯域幅はおよそ１ＴＨｚが必要とされるが、現在の科学技術では未だ確保されたものがない。よって、大用量の（１００Ｔｂ/ｓ）情報を超高速（１ＴＨｚ）に処理できる光スイッチ技術が早めに確保すべき課題である。
【０００４】
光ネットワークにおいて光スイッチの応用分野は、保護交換（Protection switch）、光合波/分波器（Optical Add/Drop Multiplex；ＯＡＤＭ）、光クロスコンネクト（optical crossconnect）などがあり、２×２光スイッチは、回線復旧用にアクセスとメトロ網に使用され、メトロ網のＯＡＤＭ用で使用される。
２×２光スイッチは、２つの入力信号と２つの出力信号を連結させる構造であって、スイッチステートに従って、入力と連結される出力ポートが交換される。現在、２×２光スイッチに応用される代表的な技術は大きくバルク-メカニカル/光-メカニカル（bulk-Mechanical/opto-Mechanical）方法、２Ｄ-ＭＥＭＳ、熱光学導波（thermo-optic waveguide）、バブル（bubble）方法などがある。
【０００５】
バルク-メカニカル/光-メカニカルの場合、モータ、電磁気力の駆動装置、ピエゾなどを使用して光繊維、ミラー、レンズを直接駆動することによって光経路が変えられる方法であって、機械的な動きのため駆動部の性能低下が起りやすく、高価部品の精密な組立が必要とされる。２Ｄ-ＭＥＭＳの場合においても駆動部が存するためその信頼性の確保問題がある。一方、熱光学導波の場合は大量生産が有利であるが、熱により動作するため周りの温度変化に影響が受け易く、また熱を発生させるために電力消耗が割合に大きい。バブルの場合は、挿入損失、漏話などといった光学的特性がよくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前述した問題を解決するために案出されたもので、その目的は、フォトニッククリスタルで形成された光ガイドと光ガイドの一領域に制御可能なフォトニッククリスタルを挿入してスイッチ調節部を一体化させることにより、その構造がコンパクトかつ簡単ながら機械的な動きのない２×２光スイッチ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するため本発明に係るフォトニッククリスタル構造を用いた２×２の光スイッチ装置は、第１の入力端に入力される第１の光信号を第１及び第２の出力端にそれぞれガイドする第１及び第２の導波路と、第２の入力端に入力される第２の光信号を前記第２及び第１の出力端にそれぞれガイドする第３及び第４の導波路とを備え、前記第１及び第２の入力光信号の波長帯域にて完全フォトニックバンドギャップを有するフォトニッククリスタルから形成された光ガイドと、外部の経路選択制御信号に応じて前記第１及び第２の光信号がそれぞれ前記第1及び第３の導波路の経路と、それぞれ前記第２及び第４の導波路の経路のうち何れか１つの経路を介してガイドされるように制御するスイッチ調節部とを含む。
【０００８】
好ましくは、前記光ガイド及び前記スイッチ調節部は、一体型に結合され、前記スイッチ調節部は、前記第１及び第３の導波路の内部一領域に配される第１対のスイッチ調節セグメントと、前記第２及び第４の導波路の内部の一領域に配される第２対のスイッチ調節セグメントと、を備え、前記第１及び第２対のスイッチ調節セグメントは、前記経路選択制御信号に対応して選択的に動作する。
【０００９】
そして、前記スイッチ調節部は、ＰＢＧの制御が可能なフォトニッククリスタルと、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタル内部の構成媒質の屈折率を可変する屈折率可変部とを更に含む。
好ましくは、前記屈折率可変部は、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタル内部を構成する媒質の温度を調節するための温度制御信号を出力する温度制御部と、該温度制御部から入力される温度制御信号に応じて前記フォトニッククリスタル内部の媒質の温度を可変する加熱器とを備える。
【００１０】
好ましくは、前記屈折率可変部は、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタルの内部媒質に電場の強さを可変的に制御するための電場制御信号を出力する電場制御部と、該電場制御部から入力される電場制御信号に応じて前記フォトニッククリスタルの内部媒質に電場を可変的に形成させる電極板とを備える。
好ましくは、前記屈折率可変部は、前記経路選択制御信号に対応して前記フォトニッククリスタルの内部媒質に印加される光学信号の光量を可変的に制御するための光量制御信号を出力する光量制御部と、該光量制御部から入力される光量制御信号に応じて前記フォトニッククリスタルの内部媒質に可変的な光量の光学信号を印加する光源とを備える。
【００１１】
好ましくは、前記スイッチ調節部は、入力光信号の波長帯域で完全ＰＢＧを有する２対のフォトニッククリスタルと、前記経路選択制御信号に対応して前記２対のフォトニッククリスタルを前記第１の導波路ないし第４の導波路の内部へそれぞれ挿入及び除去する駆動部とを含む。つまり、前記駆動部は、前記２対のフォトニッククリスタルのうち１対のフォトニッククリスタルを前記第１の導波路及び第３の導波路の内部の所定領域にそれぞれ挿入し、他の１対のフォトニッククリスタルを前記第２の導波路及び第４の導波路から取り除くが、あるいは逆に、前記２対のフォトニッククリスタルのうち１対のフォトニッククリスタルを前記第１の導波路及び第３の導波路から取り除き、他の１対のフォトニッククリスタルを前記第２の導波路及び第４の導波路内部の所定領域にそれぞれ挿入してスイッチさせ得る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、フォトニッククリスタルを用いて光ガイドとスイッチ調節部を一体化させることにより、コンパクトで構造が簡単ながら機械的な動きもなく、信頼性も高い２×２光スイッチ装置を具現することができる。特に、配列して作る場合、個別素子のサイズが小さければ有利であり、デマルチプレクサー（demultiplexer）、ＶＯＡ（variable optical attenuator）など、他の素子と集積するためには、一体型の構造が可能な技術が効果的である。さらに、本発明では完全ＰＢＧが用いられるので導波路を構成する物質として偏光依存性のないものが使用されれば、偏光に係わる問題を減少され得ると共に、スイッチ調節部に熱、電気、光などの種々の制御信号を各特性に応じて用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明を詳説する。
【実施例】
【００１４】
図１は、本発明にかかる２×２光スイッチ装置の概念図である。同図を参照すると、本２×２光スイッチ装置は、入力端Ａ1、Ａ2、出力端Ｂ1、Ｂ2、導波路１０、２０、３０、４０を備える光ガイド１及びスイッチ調節部１００から構成される。
本２×２光スイッチ装置は、第１の入力端Ａ1に入射した第１の光信号を第１の出力端Ｂ1に、第２の入力端Ａ2に入射した第２の光信号を第２の出力端Ｂ2に誘導したり、第１の入力端Ａ1に入射した第１の光信号を第２の出力端Ｂ2に、第２の入力端Ａ2に入射した第２の光信号を第１の出力端Ｂ1に誘導できる。
【００１５】
光ガイド１は、入力光信号の周波数領域について完全ＰＢＧを有するフォトニッククリスタル構造の媒質から構成されており、その内部に誘電物質から構成された４つの導波路１０、２０、３０、４０を備える。
第１の導波路１０は、第１の入力端Ａ1に入射した第１の光信号を第１の出力端Ｂ1にガイドし、第２の導波路２０は第１の入力端Ａ1に入射した第１の光信号を第２の出力端Ｂ2にガイドする。尚、第３の導波路は、第２の入力端Ａ2に入射した第２の光信号を第２の出力端Ｂ2にガイドし、第４の導波路４０は第２の入力端Ａ2に入射した第２の光信号を第１の出力端Ｂ1にガイドする。
【００１６】
スイッチ調節部１００は、図２ａ及び図２ｂに図示されたように、分割された形態の４つのスイッチ調節セグメント１１０、１２０、１３０、１４０からなり、それぞれのスイッチ調節セグメント１１０、１２０、１３０、１４０は４つの導波路１０、２０、３０、４０の互いに重ならない４つの領域にそれぞれ配される。図面を参照すると、４つのスイッチ調節セグメントは、第１対１１０、１３０及び第２対１２０、１４０のように対をなして経路選択制御信号に応じて選択的に動作する。
【００１７】
スイッチ調節部１００は、入射した第１及び第２の光信号が経路信号選択制御信号に応じて第１の出力端Ｂ1あるいは第２の出力端Ｂ2のうち相異なる何れか１つをそれぞれ選択して誘導されるようにスイッチングする。つまり、スイッチ調節部１００により第１の光信号が第１の出力端Ｂ1にスイッチされる際に、第２の光信号は第２の出力端Ｂ2にスイッチングされる。一方、スイッチ調節部１００によって第１の光信号が第２の出力端Ｂ2にスイッチングされる時、第２の光信号は第１の出力端Ｂ1にスイッチングされる。
【００１８】
図２ａのステート１においては、第１対１１０、１３０のスイッチ調節セグメントが作動し、第１の入力端Ａ1に入射した第１の光信号は第１の導波路に沿って第１の出力端Ｂ1に、第２の入力端Ａ2に入射した第２の光信号は第３の導波路に沿って第２の出力端Ｂ2にガイドされているのが示される。
一方、図２ｂのステート２にては、第２対１２０、１４０のスイッチ調節セグメントが作動し、第１の入力端Ａ1に入射した第１の光信号は第２の導波路に沿って第２の出力端Ｂ2に、第２の入力端Ａ2に入射した第２の光信号は第４の導波路に沿って第１の出力端Ｂ1にガイドされているのが示される。
【００１９】
スイッチ調節部１００は、ＰＢＧの制御が可能なフォトニッククリスタル及び屈折率可変部を備える。
フォトニッククリスタルは、誘電定数が相異なる物質を周期的に配列して電磁気波のエネルギースペクトルにＰＢＧが形成されるようにした人工結晶のことを指し、ＰＢＧ内に属する波長を有する電磁気波が入射する際、媒質内に電波されず反射されるため効果的な反射ミラーとなる。言い換えれば、一般の結晶が自然状態で原子のオングストローム（angstrom）単位での周期的な配列から得られる自然結晶であれば、フォトニッククリスタルはナノ/マイクロメートル単位（nano/micro meter scale）からバルク（bulk）単位の物質を周期的に配列して得られた人工結晶である。かかるフォトニッククリスタルは光に対して禁止された帯域が存在する構成とすることができ、これをフォトニックバンドギャップまたはＰＢＧで表す。つまり、フォトニッククリスタルは誘電物質を周期的に配列して形成されたものであって、屈折率と周期、周期的な構造の形態に従ってＰＢＧのサイズや位置が可変する。このような特性によりフォトニッククリスタルは分岐フィルター、光導波管、光遅延素子、レーザーなどのような光機能素子に使用される。
【００２０】
前述のような特性を有するフォトニッククリスタルを用いた本発明のスイッチ原理を説明すれば次の通りである。フォトニッククリスタルの内部媒質の屈折率を周りの媒質の屈折率と同一に変化させＰＢＧを形成させなかったり、あるいは屈折率を変化させＰＢＧの位置が入力光信号の波長領域から外れるようにすると、フォトニッククリスタルは入射光信号を通過させ、屈折率を変化させなければＰＢＧがそのまま維持されるため、フォトニッククリスタルは入射光信号を反射して通過させないようにすることによってスイッチング効果が得られる。
【００２１】
フォトニッククリスタルの内部構成媒質の屈折率を可変する方法には、媒質の温度を可変する方法、媒質に電場を形成させる方法、媒質に光学的な信号を印加する方法及び機械的な方法などがある。
図３は、図２ｂのスイッチ調節セグメント１１０を温度によるスイッチ調節する場合の実施形態でより詳細に示す図面である。同図を参照すると、媒質の温度を可変することにより媒質の屈折率を可変する実施形態につき説明する。
【００２２】
スイッチ調節セグメント１１０は、フォトニッククリスタル１１５、加熱器１１６ａ、１１６ｂ及び温度制御部１１７を備え、加熱器１１６ａ、１１６ｂは及び鈍度制御部１１７は屈折率可変部を備える。
温度制御部１１７は、経路選択制御信号に対応してフォトニッククリスタル１１５の内部媒質の温度を可変するための温度制御信号を出力し、前記出力信号に応じて加熱器が作動して前記内部媒質の温度を変化させる。
【００２３】
前記フォトニッククリスタル１１５の内部媒質の温度変化に応じて誘電物質から形成されたフォトニッククリスタル１１５の内部媒質の屈折率が変化する。フォトニッククリスタルの内部媒質の屈折率を周りの媒質と同一に変化させてＰＢＧを形成させなかったり、屈折率を変化させてＰＢＧの位置が使用する波長から外れるようにすると、フォトニッククリスタルは入射光を通過させ、屈折率を変化させなければＰＢＧがそのまま維持されるため、フォトニッククリスタルは前記ＰＢＧに相応する波長領域の入射光を反射する。
【００２４】
フォトニッククリスタルの屈折率の制御方法が電場である場合、温度制御部１１７を電場制御部に、加熱器１１６ａ、１１６ｂを電極板に置き換えることによって、前述のような効果が得られる。
さらに、フォトニッククリスタルの屈折率の制御方法が光量である場合、温度制御部１１７を光量制御部に、加熱器１１６ａ、１１６ｂを光源に置き換えることによって前述のような効果が得られる。
【００２５】
本発明の他の実施形態にて、スイッチ調節部１００は入力光信号の波長帯域でＰＢＧを有する４つのフォトニッククリスタル及び駆動部を備える。駆動部は、経路選択制御信号に対応して１対のフォトニッククリスタルを第１の導波路１０及び第３の導波路３０内部の一領域にそれぞれ挿入し、残り１対のフォトニッククリスタルを第２の導波路２０及び第４の導波路４０から除去することで、ステート２のスイッチングができる。逆に、１対のフォトニッククリスタルを第１の導波路１０及び第３の導波路３０から除去し、残り１対のフォトニッククリスタルを第２の導波路２０及び第４の導波路４０内部の一領域に挿入することによって、ステート１のスイッチングができる
図４ａ及び図４ｂは、本発明にかかる光スイッチ装置のスイッチ効果を示すＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）を用いたシミュレーションである。正規化された周波数０．２７ないし０．４２にてＰＢＧのある穴型三角形（triangular）フォトニッククリスタル構造で、周波数０．３５である場合に対する光スイッチの効果を表す。同図を参照すると、スイッチ装置下端の中間に入力端が配され、左側及び右側端の中間にそれぞれ出力端が配される。入力端の導波路の幅は５ａ、出力端は４．３ａであって、ａは穴と穴との距離である。
【００２６】
図４ａ及び図４ｂを参照すると、屈折率が３．３７６である基板にエアー穴を開けた場合、右側のエアー穴中の屈折率を調節して屈折率を３．３７６に変化させれば、右側に導波路が形成されこれを介して入射光がガイドされる。左側のエアー穴の屈折率を３．３７６変化させれば、左側に導波路が形成され、これを介して入射光がガイドされる。屈折率の変化が充分で動作時間が短いのであれば、スイッチ装置に用いられることを確認した。
【００２７】
以上本発明の望ましい実施形態について示しかつ説明したが、本発明は前記実施形態に限らず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する分野において通常の知識を持つ者ならば誰でも多様な変形実施が可能なことは勿論、そのような変形は請求の範囲の記載内にある。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明に従って製造された光スイッチは、光ネットワークで保護交換（protection switch）、光合波/分波器（Optical Add/Drop Multiplex；ＯＡＤＭ）、光クロスコンネクト（optical crossconnect）などに用いられ、２×２光スイッチは、回線復旧用にアクセスとメトロ網に使用され、メトロ網のＯＡＤＭ用で使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明にかかるフォトニッククリスタル構造を用いた２×２光スイッチ装置の概念図である。
【図２ａ】本発明にかかる２×２光スイッチ装置において、ステート１のスイッチ状態を示す図面である。
【図２ｂ】本発明にかかる２×２光スイッチ装置において、ステート２のスイッチ状態を示す図面である。
【図３】図２ｂのスイッチ調節セグメントを温度によるスイッチ調節する場合の実施形態でより詳細に示す図面である。
【図４ａ】本発明にかかる光スイッチ装置のスイッチ効果を示すＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）を用いたシミュレーションである。
【図４ｂ】本発明にかかる光スイッチ装置のスイッチ効果を示すＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）を用いたシミュレーションである。
【符号の説明】
【００３０】
１   光ガイド
１０、２０、３０、４０   導波路
１００スイッチ調節部
１１０、１２０、１３０、１４０   スイッチ調節セグメント
１１５   制御可能なフォトニッククリスタル
１１６ａ、１１６ｂ   加熱器
Ａ1、Ａ2   入力端
Ｂ1、Ｂ2   出力端
【図１】
2004170976.tif 000003
【図２ａ】
2004170976.tif 000004
【図２ｂ】
2004170976.tif 000005
【図３】
2004170976.tif 000006
【図４ａ】
2004170976.tif 000007
【図４ｂ】
2004170976.tif 000008