(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力ポートに入射された複数の波長が多重化された光を波長別に分離して出力する光逆多重化器と、
波長別に分離された光を選択的に増幅または吸収する光増幅器と、
前記光増幅器の出力を選択的に偏向させる光偏向器と、
前記光偏向器の出力の内、選択的に偏向された光を回折して複数の出力ポートに出力し、選択的に偏向されなかった光を単一の出力ポートに出力する凹回折格子と、
を平面導波路回路として備え、前記光偏向器は、電流注入量によって偏向角を異ならせて偏向させることを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記光偏向器と前記凹回折格子とを接続する入力光導波路と、
前記凹回折格子と前記複数の出力ポートとを接続する出力光導波路と、
を平面導波路回路としてさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項３】
前記光偏向器は、前記凹回折格子で前記入射光が入射する入射面に位置することを特徴とする請求項２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記光偏向器は、複数の偏向器アレイを備え、各前記偏向器は、電流供給の有無によって光偏向如何が決定されることを特徴とする請求項３に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記光逆多重化器は、第１平面導波路回路基板に集積されるアレイ導波路格子であり、前記光増幅器、前記光偏向器及び前記凹回折格子は、第２平面導波路回路基板に集積されることを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項６】
前記光偏向器と前記凹回折格子とを接続する入力光導波路と、
前記凹回折格子と前記複数の出力ポートとを接続する出力光導波路と、
を平面導波路回路としてさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の波長選択スイッチ。
【請求項７】
前記出力光導波路間隔は、前記入力導波路間隔に比べて狭く配されることを特徴とする請求項６に記載の波長選択スイッチ。
【請求項８】
前記光偏向器は、前記凹回折格子で前記入射光が入射する入射面に位置することを特徴とする請求項６に記載の波長選択スイッチ。
【請求項９】
前記光偏向器は、複数の偏向器アレイを備え、各前記偏向器は、電流供給の有無によって光偏向如何が決定されることを特徴とする請求項７に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１０】
前記光逆多重化器、前記光増幅器、前記光偏向器及び前記凹回折格子は、一つの平面導波路回路基板に集積されることを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１１】
前記光逆多重化器は、前記多重化されて入射された光を回折して複数チャンネル光に分離する第１凹回折格子であり、前記凹回折格子は、前記光増幅器から出力される複数チャンネルの光を回折して多重化して出力する第２凹回折格子であることを特徴とする請求項１０に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１２】
前記第１及び第２凹回折格子は、
スラッブ光導波路と、
前記スラッブ光導波路を通じて入射した光を回折して前記スラッブ光導波路を通じて出力する回折格子と、
を備えた凹回折格子であることを特徴とする請求項１１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１３】
前記第１凹回折格子または第２凹回折格子は、前記凹回折格子の出力光導波路間隔が、入力導波路間隔に比べて狭く配されることを特徴とする請求項１１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１４】
前記多重化されて前記光逆多重化器に入射される光と前記凹回折格子によって多重化されて出力される光とは、前記平面導波路回路基板上で同じ面に入出力されることを特徴とする請求項１１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１５】
前記光偏向器は、前記第２凹回折格子の光入射面に位置することを特徴とする請求項１０に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１６】
前記光偏向器は、複数の偏向器アレイを備え、各前記偏向器は、電流供給の有無によって光偏向如何が決定されることを特徴とする請求項１０または１５に記載の波長選択スイッチ。
【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（ＷＳＳ）に関し、より詳細には、物理的な変位なしに電気的に波長を選択またはスイッチングできる波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、情報通信部及び情報通信研究振興院がＩＴ新成長動力核心技術開発事業の一環として行った研究から導出されたものである［課題管理番号：２００７−Ｓ−０１１−０１、課題名：ＲＯＡＤＭ用光スイッチ技術開発］。
【０００３】
波長分割多重化（ＷＤＭ）伝送方式は、初期に大容量ノードの間を連結する２地点間伝送装置として使われたが、次第にＷＤＭ伝送方式が適用される区間が拡張及び多様化されつつ、各ノードで結合／分岐可能なＯＡＤＭ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術が要求された。ＯＡＤＭは、複数の波長が多重化された入／出力ポートと波長結合／分岐ポートとを備えた構造である。したがって、ＯＡＤＭを利用して伝送路に存在する中間ノードの間を波長単位で連結可能にすることによって、伝送網の連結性を拡張し、効率性を高めることができる。初期のＯＡＤＭ網は、主に固定された波長のみを結合／分岐できるＦ−ＯＡＤＭ（Ｆｉｘｅｄ ＯＡＤＭ）が適用された。Ｆ−ＯＡＤＭが適用された伝送網では、実際トラフィックの伝達に使われない波長が多くて伝送網資源を浪費していた。したがって、Ｆ−ＯＡＤＭを適用する際には、伝送網を設置する前にトラフィック予測が必要であり、その予測に合うように結合／分岐波長を設計せねばならないという煩わしさがあり、新たな波長割当時に運用費（ｏｐｅｘ：ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅ）が増加し、ノード連結状態をリアルタイムで確認できないという問題がある。
【０００４】
Ｒ−ＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ＯＡＤＭ）は、Ｆ−ＯＡＤＭの限界を克服できる代案としてＷＤＭ初期段階からその必要性が述べられてきた。ＲＯＡＤＭは、遠隔地でノードの結合／分岐波長を自由に再構成でき、全伝送網の波長連結状態を効率的に再構成して、トラフィック状況変化に柔軟に対処しうる。したがって、伝送網の維持／保守費（ｏｐｅｘ）を減らせるので、現在ほぼ限界に達した伝送網の初期装備購入費（ｃａｐｅｘ：ｃａｐｉｔａｌ ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅ）の低減方法の代案としてＲＯＡＤＭが注目されている。
【０００５】
現在のＲＯＡＤＭは、放送選択方式とスイッチ基盤方式とに区分しうる。放送選択方式は、ＤＣＥ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）またはＷＢ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｌｏｃｋｅｒ）を利用する方式があり、特に、ＤＣＥ基盤方式は、スイッチ基盤方式に比べて、通過経路の損失が少なくて多数のノードの受容に有利である。
【０００６】
スイッチ基盤方式のＲＯＡＤＭは、フルマトリックスを利用する方式では、具現が難しく、体積が大きく、コストが高いという短所がある。また、２×２スイッチを使用する場合には、使用波長数ほどの送／受信機対を備えるか、または結合／分岐経路にさらにフルマトリックススイッチを追加せねばならないという問題がある。しかし、シリコン基板を使用するＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術の発展で、多重化器（ＭＵＸ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）／逆多重化器（Ｄｅｍｕｘ：Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）と可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏ）、２×２または１×２スイッチの結合で構成されるｉＰＬＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）構造が量産及び低コスト化しうるという長所がある。
【０００７】
スイッチ基盤方式の他の形態は、ＷＳＳを使用するものであって、ノード間入出力の自由な選択が可能であるので、具現方式のうち、柔軟性が最も高い。現在ＷＳＳを利用したＲＯＡＤＭ用スイッチは、主にＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）またはＬＣ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を利用して開発されており、２次元方式と３次元方式とに区分される。
【０００８】
従来の３Ｄ ＭＥＭＳ基盤のＷＳＳ構造は、特許文献１及び２に開示されている。さらに他の導波路構造では、特許文献３に開示されている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許ＵＳ６,６２５,３４６号明細書
【特許文献２】米国特許ＵＳ７,２３６,６６０号明細書
【特許文献３】米国特許ＵＳ６,３８９,１９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、機械的変位なしにスイッチングし、バルクタイプ構造の単位光部品を２次元ハイブリッドまたは単一集積して、動作及び構成の簡単な無変位型ＷＳＳを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を達成するための本発明の波長選択スイッチは、入力ポートに入射された複数の波長が多重化された光を波長別に分離して出力する光逆多重化器と、波長別に分離された光を選択的に増幅または吸収する光増幅器と、前記光増幅器の出力を選択的に偏向させる光偏向器と、前記光偏向器の出力の内、選択的に偏向された光を回折して複数の出力ポートに出力し、選択的に偏向されなかった光を単一の出力ポートに出力する凹回折格子と、を平面導波路回路として備え、前記光偏向器は、電流注入量によって偏向角を異ならせて偏向させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるＷＳＳ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）は、光逆多重化器、光増幅器、光偏向器、光多重化器が異なるチャンネルの入力光信号に対して、光増幅器アレイの電流注入によってチャンネル波長を選択し、選択されたチャンネル波長に対して偏向器内の電気信号の印加によってスイッチングすることによって、従来のバルクタイプの機械的な変位でスイッチングする素子に比べて信頼性が高く、素子の体積が少なく、単位部品を２次元ハイブリッド集積または単一集積することによって、単位部品間の光整列を最小化させるか、または除去することができる。
【００１３】
また、従来の機械的にスイッチングする構造に比べて、構造的に安定であり、スイッチング速度を画期的に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付された図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明によるＷＳＳの構成に関するブロック図である。図示したように、ＷＳＳは、光逆多重化器１、光増幅器２、光偏向器３及び光多重化器４を備える。
【００１６】
光逆多重化器１は、入射された光を波長別に分離する。光増幅器２は、波長別に分離された光をそれぞれ増幅または吸収する。光偏向器３は、光増幅器２から出力される光を、偏向角を調節して光の進行方向を変化させる。光多重化器４は、波長別に分離された光を多重化する。
【００１７】
本実施例で、光逆多重化器１または光多重化器４でアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）または凹回折格子（ＣＧ：Ｃｏｎｃａｖｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）が使われる。
【００１８】
ＡＷＧは、複数の光信号波長に対して導波モードの位相を均一に変化させて放射角の変化または角分散を通じて特定位置に該当波長を選択して到達させる。これを線形分散という。
【００１９】
ＣＧは、周期的な格子構造で入射ビームを波長別に回折させると同時に、凹状の構造によって入射されるビームの位相を変化させて、出力方向にフォーカシングして角分散及び線形分散を得る。
【００２０】
光増幅器２は、本実施例では、半導体素子として製作されるＳＯＡ（Ｓｅｍｉｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。光半導体素子で、光増幅器は、電流注入によって半導体媒質の光利得を得て入射ビームを増幅あるいは減衰させる。光増幅器は、通常ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア基板上に利得媒質、すなわち、活性層が成長され、動作波長によって基板及び活性層の物質組成が変わる。
【００２１】
本実施例によるＳＯＡは、Ｃ−バンド（１５３０〜１５７０ｎｍ）またはＬ−バンド（１５７０〜１６１２ｎｍ）で動作するので、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓ物質の活性層を成長させる。
【００２２】
光偏向器３は、波長選択のための核心要素であって、光導波路構造で電流注入に対して可変プリズムの役割を行う。光偏向器３は、ＡＷＧの自由伝搬領域（ＦＰＲ：Ｆｒｅｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｏｎ）またはＣＧのスラッブ光導波路内に集積された形態で具現されるので、放射ビームに対する光偏向が発生するようにパターン設計が要求される。しかし、三角形または任意の形態の光偏向器が備えられたＡＷＧでＦＰＲ領域の一部分に、例えば、エッチングまたは再成長を通じて導波路構造を部分的に変形して偏向された信号の位相を追加的に補正するか、または二つのＦＰＲの間に位置した導波路アレイに追加的に位相調節が可能な構造を挿入させて放射ビームの位相を調整しうる。また、任意の形態の光偏向器が備えられたＣＧでも、スラッブ導波路の一部分に部分的なエッチングまたは格子のピッチ調節を通じて偏向特性を一部変更させうる。したがって、本発明における光偏向器パターンは、電流注入以外に電圧印加を通じて導波路の屈折率を変化させて光を偏向させる構造にも具現しうる。
【００２３】
前述したように、ＷＳＳを具現するためには、前述した光偏向器３をＡＷＧまたはＣＧに適用したチューナブルスイッチ及び特定チャンネルの信号を増幅あるいは減衰させる可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）としてＳＯＡが必要である。
【００２４】
図２は、本実施例による１×Ｎ ＷＳＳを示したものである。図面で、図１に表示された参照番号と同じ参照番号は、同じ構成要素を表す。１１は、光逆多重化器１として使われたシリカＡＷＧを表し、２０は、ＩｎＰ ＣＧチップを表す。
【００２５】
図示されたＡＷＧ １１は、単一チャンネルの入力導波路１１０、第１ ＦＰＲ １１１、導波路アレイ１１２、第２ ＦＰＲ １１３及び複数チャンネルの出力導波路１１４を備え、入力された単一チャンネルの光を複数チャンネルの光に分離する。このような構造を有するＡＷＧ １１は、当業者にはよく知られた技術であるので、ここで詳細な説明は省略する。
【００２６】
ＣＧチップ２０は、入力導波路２０１、光増幅器２、光偏向器３、光多重化器として、ＣＧ ４、及び出力導波路２０２を備える。また、ＣＧ ４は、回折格子４１とスラッブ導波路４２とを備える。
【００２７】
図示された構造は、ＡＷＧ １１とＣＧチップ２０とは、ハイブリッド集積を通じて具現された。
【００２８】
通常、シリカ基盤ＡＷＧは、製作及び特性において、非常に安定した素子であるが、ＳＯＡのような光能動素子が製作できない。本実施例で、ＡＷＧ １１は、入力光信号を逆多重化する。
【００２９】
ＡＷＧ １１によって該当チャンネル別に逆多重化された信号は、ＡＷＧ １１の出力導波路１１４でＣＧチップ２０の入力導波路２０１に伝えられ、ＳＯＡ ２は、ＶＯＡ機能を行う。
【００３０】
光偏向器３は、ＣＧ ４の光入射面に具現されて、ＳＯＡ ２から入射される光をスラッブ導波路４２を通過して回折格子４１に出力する。光偏向器３は、電流が供給されない場合、各チャンネル別の光を回折格子４１の何れか１ヶ所に集中し、回折格子４１は、集中した光を一つのビームとして出力導波路２０２の何れか一導波路に出力する。
【００３１】
光偏向器３に電流が供給されれば、各チャンネル別の光は、偏向されてそれぞれ異なる入射角で回折格子４１に入射され、回折格子４１によって放射されてそれぞれ異なる出力導波路２０２に出力される。
【００３２】
図２において点線で表示された部分は、便宜上ローランド円基盤のＣＧを表す。このとき、回折格子４１のピッチによって直線、楕円、または任意形態の軌跡も可能である。
【００３３】
光偏向器３は、ｍ個の偏向器アレイで構成され、各偏向器は、独立的に動作する。電流注入されていない状態で、回折格子４１は、各チャンネル別入射ビームの波長（λ１〜λｍ）と入射角（α１〜αｍ）とに対して同じ回折角、すなわち、β１となるように設計されて、入射される色々な波長を多重化する。光偏向器３に電気信号を印加すれば、偏向パターン内の屈折率変化、さらに詳細には、屈折率の低下によって該当チャンネルの入射角が変わる。したがって、入射角の変化に対して回折角がβ１〜βＮに移動するように回折格子４１を設計することが重要である。
【００３４】
このようなＣＧ ４構造で、出力導波路２０２のチャンネル数Ｎを増加させるためには、光偏向器３内の同一電流注入に対して大きい屈折率変化を発生させる構造を有するか、または同じ屈折率変化に対してビーム偏向が大きく発生するパターン構造に設計することが望ましい。
【００３５】
屈折率変化量を増加させるためには、導波路で光が進む部分であるコアを、バンドギャップ波長が動作波長、すなわち、チャンネル波長に近接した材質で選択して製造しうる。しかし、この場合、光損失が増加しうるので、これを考慮して材質を選択せねばならない。ビームが大きく偏向されるパターン構造は、ビームの進行方向に対して偏向パターンの左右が可能な限り非対称となるように設計せねばならない。また、放射ビームの位相変化量の差と関連する値である偏向パターン内の屈折率変化量の差を増加させるためには、偏向パターンの位置を偏向器アレイの入力導波路の末端から可能な限り遠く離隔して設計せねばならない。しかし、偏向パターンの位置は、放射ビームを十分に受容できるサイズでなければならないので、無理に離隔して設計する場合、偏向パターンが大きくなって、スラッブ導波路４２の付近にある偏向器アレイの入力導波路間の間隔が広くなって、全体ＣＧ ４のサイズが増大しうる。
【００３６】
前述した設計または最適化された導波路構造及び偏向パターンに対して出力導波路２０２の数を追加的に増加させるためには、回折格子４１の格子半径を減らすか、または回折次数を減らす方法がありうる。しかし、この方法は、ＣＧ ４のスペクトラル通過帯域が広くなるため、望ましくない。したがって、設計されたＣＧ ４構造でローランド円上の出力導波路間隔を狭めることが一定の回折角の変化に対しても多くの出力導波路が受容できるので、望ましい。また、ＣＧ ４の出力導波路間隔を入力導波路間隔に比べて狭く配することによって、狭い偏向角でも広いスイッチングが可能である。
【００３７】
一方、光偏向器３をＣＧ ４に挿入する代わりに、ＡＷＧ １１のＦＰＲ １１１,１１３に挿入しうる。また、シリカ材質以外にも、ポリマー、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造でもＡＷＧ １１またはＣＧ４を具現しうる。
【００３８】
図３は、本発明の他の実施例のＩｎＰ基盤の単一集積１×Ｎ ＷＳＳ構造５を示すものである。
【００３９】
図示されたＷＳＳ構造５は、入力導波路５１と出力導波路列５７とが同一面７０に位置する構造であって、この面は、無反射コーティングされる。
【００４０】
図３に示したように、入射されたｍ個の異なる波長が多重化された光は、入力導波路５１を経て入力導波路５１の末端でαの入射角を有して第１ ＣＧ ５２に入射される。第１ ＣＧ ５２では、各チャンネル波長に該当する回折角（β１〜βｍ）でｍ個の信号を第１出力導波路５３に伝達する。図示された第１及び第２ ＣＧ ５２,５４は、図２に示されたＣＧ ４と同じ構造を有し、同じ方式で動作する。
【００４１】
ＳＯＡ ２は、第１出力導波路５３から入射された各チャンネル別光を増幅あるいは減衰する。光偏向器３は、第２ ＣＧ ５４内に具現され、入射された光を（δ１〜δｍ）の入射角を有するように偏向させる。第２ ＣＧ ５４の回折格子は、光偏向器３が動作しないとき、γ１の回折角を有するように設計されて、入射された光を第１出力ポート５６に出力し、光偏向器３の動作によって入射された光が（γ１〜γＮ）の回折角を有するように偏向して各チャンネル別に出力する。
【００４２】
したがって、この場合、第ｉチャンネル波長を出力させる場合、ＳＯＡ ２で第ｉ増幅器のみをターンオンさせれば、第１出力ポート５６で該当チャンネル光が得られる。もし、第ｉチャンネル波長を他の出力ポートにスイッチングする場合、光偏向器３の偏向器アレイのうち第ｉ偏向器に電流を注入すれば、第ｉ偏向器は、入射された光を偏向して入射角を変更することによって、他の出力ポートを通じて光が得られる。各チャンネル別出力ポートは、第２出力導波路列５７にそれぞれ連結される。このような所望のチャンネルを選択的にスイッチングする方法は、図２に示されたＷＳＳにもそのまま適用しうる。
【００４３】
したがって、図示された構造は、図２に示された構造に比べて、単一チップで製作しうるので、２次元ハイブリッド集積時にかかる時間的・経済的コストを減らせ、素子のサイズを小さくでき、信頼性が相対的に高いという長所がある。
【００４４】
本発明は、図面に示した実施形態を参照して説明されたが、それは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。  
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、ネットワーク関連の技術分野に好適に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるＷＳＳの構成についてのブロック図である。
【図２】本実施例による１×Ｎ ＷＳＳを示す図面である。
【図３】本発明の他の実施例のＩｎＰ基盤の単一集積１×Ｎ ＷＳＳ構造を示す図面である。
【符号の説明】
【００４７】
１  光逆多重化器
２  光増幅器
３  光偏向器
４  光多重化器
【図１】
0004759033.tif 000002
【図２】
0004759033.tif 000003
【図３】
0004759033.tif 000004