(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過導波路によって伝搬される光学信号パワーを検出するための２方向性光学タップモニタであって、
前記通過導波路によって伝搬される前記光学信号パワーの一部を結合するために、前記通過導波路の近傍に配置され、両端に２つのポートを含むタップ導波路と、
前記光学信号パワーの結合された一部を検出する単一の導波路型光検出器であって、前記タップ導波路の前記２つのポートにそれぞれ接続された２つのポートを含む、導波路型光検出器と、を含み、
光が前記通過導波路を１つの方向に伝搬する場合、前記光学信号パワーの結合された一部が前記タップ導波路の２つのポートの一方を介して前記光検出器に供給され、光が前記通過導波路を反対方向に伝搬する場合、前記光学信号パワーの結合された一部が前記タップ導波路の２つのポートのもう一方を介して前記光検出器に供給される、２方向性光学タップモニタ。
【請求項２】
前記タップ導波路が方向性カプラーである、請求項１に記載の光学タップモニタ。
【請求項３】
前記光検出器が光を吸収し、光学ループ寄生を抑制する、請求項１または２に記載の光学タップモニタ。
【請求項４】
前記光検出器が、少なくとも４０ｄＢの光学吸収を行う、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学タップモニタ。
【請求項５】
前記光検出器の出力を測定し、それによって前記光学信号パワーの強度の相対指示を提供する電気回路をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学タップモニタ。
【請求項６】
トランスインピーダンス増幅器をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学タップモニタ。
【請求項７】
トランスポンダ集約スイッチのための合波ロールと分波ロールとの間で構成可能な分合波フォトニックチップであって、
合波トランスポンダ集約スイッチか、または分波トランスポンダ集約スイッチのいずれかのためのスイッチング機能を集約的に実装するための複数のフォトニックスイッチセルと、
前記複数のフォトニックスイッチセルの制御のための複数の２方向性タップモニタと、を含み、
前記２方向性タップモニタのそれぞれが、通過導波路によって伝搬される光学信号パワーを検出するように適合され、前記２方向性タップモニタのそれぞれが、
前記通過導波路によって伝搬される前記光学信号パワーの一部を結合し、両端に２つのポートを含むタップ導波路と、
前記光学信号パワーの結合された一部を検出する、前記タップ導波路の前記２つのポートにそれぞれ接続された２つのポートを含む単一の導波路型光検出器と、を含み、
前記複数のフォトニックスイッチセルが前記合波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、前記光学信号パワーの結合された一部が前記タップ導波路の前記２つのポートの一方を介して前記光検出器に供給され、前記複数のフォトニックスイッチセルが前記分波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、前記光学信号パワーの結合された一部が前記タップ導波路の前記２つのポートの他方を介して前記光検出器に供給される、分合波フォトニックチップ。
【請求項８】
前記複数のタップモニタが複数のスイッチセル出力モニタを含み、そのそれぞれが関連するフォトニックスイッチセルの閉ループ制御のために使用される、請求項７に記載の分合波フォトニックチップ。
【請求項９】
前記複数のタップモニタがさらに複数の光学入力ポートモニタを含み、そのそれぞれが前記分合波フォトニックチップに到達する光パワーの検証のために使用される、請求項８に記載の分合波フォトニックチップ。
【請求項１０】
前記複数のフォトニックスイッチセルが前記合波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、前記複数のスイッチセル出力モニタが、関連するフォトニックスイッチセルに物理的に配置された、請求項８または９に記載の分合波フォトニックチップ。
【請求項１１】
前記複数のフォトニックスイッチセルが前記分波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、前記複数のスイッチセル出力モニタが、関連するフォトニックスイッチセルに物理的に配置された、請求項８または９に記載の分合波フォトニックチップ。
【請求項１２】
前記複数のフォトニックスイッチセルが、前記合波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、前記分合波フォトニックチップがさらに複数の光学入力ポート及びクライアント入力を含み、前記複数の光学入力ポートモニタが関連する光学入力ポート及びクライアント入力に物理的に配置された、請求項９に記載の分合波フォトニックチップ。
【請求項１３】
前記複数のフォトニックスイッチセルが、前記分波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、前記分合波フォトニックチップがさらに複数の光学入力ポートを含み、前記複数の光学入力ポートモニタが関連する光学入力ポートに物理的に配置された、請求項９に記載の分合波フォトニックチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本特許出願は、参照により本明細書に組み込まれた、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０８８７４号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、光学分合波フォトニックチップの設計及び実装に関し、具体的には、分合波フォトニックチップに関する光学タップモニタに関する。
【背景技術】
【０００３】
光学トランスポンダ集約スイッチは、光学ネットワークへの、及び光学ネットワークからのトラフィックを伝搬するための柔軟な光学ネットワーク素子である。トランスポンダ集約スイッチの各送信器Ｔｘ及び受信器Ｒｘは、複数の波長のいずれか１つと接続可能であり、トランスポンダ集約スイッチは、異なる波長の選択及び接続パターンの設定を実行するフォトニックスイッチを含む。トランスポンダ集約スイッチは、典型的には２つの光導波路モジュール、分波スイッチモジュール及び合波スイッチモジュールを含む。
【０００４】
コスト及びチップの大きさを最小化するために、スイッチモジュールは、典型的にはシリコンフォトニクスであるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）として実装可能である。光学帯域全体に存在するチャンネルの数及びＰＩＣチップの大きさに起因して、既存のＰＩＣチップは広帯域動作能力を有さず、現在の解決手段は、異なるチップ上に異なるサブ帯域を実装することを伴う。そのため、多くの応用例において、収率及びチップの大きさの限界に起因して、または作業者が別個の合波スイッチ及び分波スイッチを用いるネットワークを組み立てるのを好むため、分波スイッチモジュール及び合波スイッチモジュールを別個のスイッチに分離することが望ましい。これらは全て、回路、製造及びパッケージングの複雑さに寄与する因子である。
【０００５】
従って、トランスポンダ集約スイッチは大きな動作柔軟性を提供する一方で、製造のためにフォトニックチップの設計を簡略化し、市場での実施のためにコストを引き下げることを必要としている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の基礎的な理解が得られるように、本発明の実施形態のいくつかの態様の概要を以下に示す。この概要は、本発明の外縁的な概略ではない。本発明の鍵となる、または不可欠な要素を特定し、または本発明の範囲を詳述することを意図するものではない。その全目的は、後述するより詳細な説明に対する前置きとして、簡略化された形態における本発明のいくつかの実施形態を提示することにある。
【０００７】
本開示の１つの発明的態様は、通過導波路によって伝搬される光学信号パワーを検出するための２方向性光学タップモニタである。２方向性光学タップモニタは、通過導波路によって伝搬される光学信号パワーの一部を結合するために、通過導波路の近傍に配置されたタップ導波路と、光学信号パワーの結合された一部を検出する単一の導波路型光検出器と、を含む。タップ導波路はタップ導波路の両端に２つのポートを含み、導波路型光検出器は、タップ導波路の２つのポートにそれぞれ接続された２つのポートを含む。光が通過導波路を１つの方向に伝搬する場合、光学信号パワーの結合された一部がタップ導波路の２つのポートの一方を介して光検出器に供給され、光が通過導波路を反対方向に伝搬する場合、光学信号パワーの結合された一部がタップ導波路の２つのポートのもう一方を介して光検出器に供給される。
【０００８】
本開示のもう１つの発明的態様は、トランスポンダ集約スイッチのための、合波ロールと分波ロールとの間で構成可能な分合波フォトニックチップである。分合波フォトニックチップは、合波トランスポンダ集約スイッチか、または分波トランスポンダ集約スイッチのいずれかのためのスイッチング機能を集約的に実装するための複数のフォトニックスイッチセルと、複数のフォトニックスイッチセルの制御のための複数の２方向性タップモニタと、を含む。２方向性タップモニタのそれぞれが、通過導波路によって伝搬される光学信号パワーの一部を結合するためのタップ導波路と、光学信号パワーの結合された一部を検出する単一の導波路型光検出器と、を含む。タップ導波路は、タップ導波路の両端に２つのポートを含み、導波路型光検出器は、タップ導波路の２つのポートにそれぞれ接続された２つのポートを含む。複数のフォトニックスイッチセルが合波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、光学信号パワーの結合された一部がタップ導波路の２つのポートの一方を介して光検出器に供給され、複数のフォトニックスイッチセルが分波トランスポンダ集約スイッチのためのスイッチング機能を集約的に実装する場合、光学信号パワーの結合された一部がタップ導波路の２つのポートの他方を介して光検出器に供給される。
【０００９】
本開示のこれらの、及びその他の特徴は、以下に添付された図面を参照する説明から、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の１つの実施形態に従う、分波トランスポンダ集約スイッチを示す回路図を提示する。
【図２】本発明の１つの実施形態に従う、合波トランスポンダ集約スイッチを示す回路図を提示する。
【図３】本発明の１つの実施形態に従う２方向性タップモニタを示す。
【図４】本発明の１つの実施形態に従う、２方向性タップモニタを使用する２×２フォトニックスイッチセルを提示する。
【図５】本発明の１つの実施形態に従うトランスポンダ集約スイッチを使用する、高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）リングを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳細な説明は、本発明を完全に理解することができるように、説明の目的のために、様々な例示的な実施形態、実装形態、例及び特定の詳細例を含む。しかし、開示される実施形態は、いくつかの例において、これらの特定の詳細部を有さず、または等価な構成を有して実施されうることは明らかである。本記載は、本明細書で示され、説明された例示的な設計及び実施形態を含む、以下に示された例示的な実装形態、図面、及び技術に決して限定されるべきではなく、その等価物全体に従って、添付された特許請求の範囲内で改良されうる。
【００１２】
一般にネットワークからトラフィックを搬送する（「分波ロール」ともいう）ための分波トランスポンダ集約スイッチ（「受信集約スイッチ」ともいう）及びネットワークにトラフィックを搬送する（「合波ロール」ともいう）ための合波トランスポンダ集約スイッチ（「送信集約スイッチ」ともいう）を含む、光学装置である光学トランスポンダ集約スイッチを、以下に説明する。分波トランスポンダ集約スイッチは、分波スイッチモジュールを含み、合波トランスポンダ集約スイッチは合波スイッチモジュールを含む。これから明らかになるように、また文脈に応じて、「トランスポンダ集約スイッチ」との用語は、分波トランスポンダ集約スイッチもしくは合波トランスポンダ集約スイッチ、またはその両方の集約スイッチを指しうる。この明細書の目的に関して、光学トランスポンダ集約スイッチは、光学デマルチプレクサまたはマルチプレクサを含んでもよく、含まなくてもよい。
【００１３】
以下の様々な実施形態において、合波スイッチモジュール、分波スイッチモジュールはそれぞれ、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）に実装された１つまたは複数のフォトニックスイッチ及び１つまたは複数のタップモニタを含む。合波スイッチモジュール、分波スイッチモジュールはそれぞれ、典型的にはシリコンフォトニクスまたはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどのその他の導波路材料系によってフォトニックスイッチセル及びタップモニタを構成する光導波路を含む。
【００１４】
光導波路の典型的な、しかし非限定的な構造において、高い屈折率を有するシリコンコアは、低屈折率材料、例えば二酸化シリコンによって取り囲まれている。この構造は、１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍ帯域などの通信波長において使用される光導波路を形成し、その波長では、シリコン及び二酸化シリコンが透明である。典型的なシリコンＰＩＣチップは、単一モード及び複数モードの導波路素子のリソグラフィで確定されたレイアウトを使用し、その全体がフォトニック回路を形成する。
【００１５】
Ｓｉフォトニクスでは、ＧｅまたはＳｉＧｅ光検出器（その全てはＩＶ族半導体である）がタップモニタについて使用可能である。ＧａＡｓフォトニクス及びＩｎＰフォトニクス（ＩＩＩ−Ｖ族半導体）では、ＩｎＧａＡｓまたは類似のＩＩＩ−Ｖ半導体材料光検出器がタップモニタについて使用可能である。ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどの非半導体フォトニクスでは、光検出器はＧｅ、ＳｉＧｅまたはＩｎＧａｓ（もしくはＩｎＧａＡｓに類似したＩＩＩ−Ｖ族材料）光検出器とすることができる。
【００１６】
様々な実施形態によれば、２方向性光学タップモニタは、前方伝搬または後方伝搬方向のいずれかで動作可能であるように設けられる。タップモニタは、通過光導波路の近傍に配置され、通過導波路によって伝搬される光学信号パワーの一部を結合するためのタップ導波路と、タップ導波路から結合された光学信号パワーの一部を検出するための単一導波路型光検出器と、を含む。タップ導波路は、このタップ導波路の両端に２つのポートを含み、導波路型光検出器は、このタップ導波路の２つのポートにそれぞれ接続された２つのポートを含む。光が通過導波路を１つの方向に通過すると、結合された光学信号パワーの一部はタップ導波路の２つのポートのうちの１つを介して光検出器に供給され、光が通過導波路を反対方向に通過すると、結合された光学信号パワーの一部はタップ導波路の２つのポートのもう一方を介して光検出器に供給される。
【００１７】
以下の説明では、合波スイッチモジュールは「合波スイッチ」または「合波ロールを行うＰＩＣ」と呼ばれ、分波スイッチモジュールは、「分波スイッチ」または「分波ロールを行うＰＩＣ」と呼ばれうる。合波スイッチ及び分波スイッチは、同じＰＩＣチップ上に、または別個のチップ上に設けられうる。
【００１８】
様々な実施形態によれば、合波トランスポンダ集約スイッチ及び分波トランスポンダ集約スイッチのために同じチップ回路構成を共有するトランスポンダ集約スイッチのフォトニックチップが提供される。より具体的には、合波スイッチ及び分波スイッチのために同じチップ回路構成を共有する分合波フォトニックチップが提供される。合波スイッチ及び分波スイッチを実装するために、製品要件が別個のチップを要求する場合、両チップを製造するためにただ１つの製造工程を使用することが可能である。代替的に、製品要件が合波スイッチ及び分波スイッチの両方を含む単一のダイを要求する場合、設計作業を低減しつつ、同じ設計をダイ上に重複させることができる。
【００１９】
別のシナリオでは、トランスポンダ集約スイッチのための合波ロールまたは分波ロールを実装するように構成可能な分合波フォトニックチップが提供され、これはいずれかの方向で使用可能である。１つの方向において、分合波フォトニックチップまたはチップの一部が合波ロールに使用可能であり、反対の方向において、分合波フォトニックチップまたはチップの同じ部分が分波ロールのために使用可能である。様々な実施形態において、分合波フォトニックチップは、合波ロールまたは分波ロールのいずれかのためのスイッチング機能を集合的に実装するための複数のフォトニックスイッチセルと、複数のフォトニックスイッチセルの制御のための複数の２方向性光学タップモニタと、を含む。複数のフォトニックスイッチセルが合波ロールのためのスイッチング機能を集合的に実装する場合、結合された光学信号パワーの一部はタップ導波路の２つのポートの一方を介して光検出器に供給され、複数のフォトニックスイッチセルが分波ロールのためのスイッチング機能を集合的に実装する場合、結合された光学信号パワーの一部はタップ導波路の２つのポートのもう一方を介して光検出器に供給される。
【００２０】
設計されるようなフォトニックチップは波長分割多重化（ＷＤＭ）またはその他の光学エッジもしくはコアメトロエリアネットワーク（ＭＡＮ）、受動光ネットワーク（ＰＯＮ）、無線集約スイッチネットワークまたはクラウド無線アクセスネットワーク（Ｃ−ＲＡＮ）などの様々な光ネットワークで使用可能である。いくつかの実施形態がリング構造ネットワークを参照するが、フォトニックチップは、線形構造ネットワークなどの他のネットワーク構造にも適用されることは理解すべきである。
【００２１】
図１は、本発明の１つの実施形態に従う分波トランスポンダ集約スイッチ１００の回路図を示す。図１に示された実施形態において、光は分波ロールのために、左から右へ、方向１０１の向きに進む。
【００２２】
図１の例によって示されるように、高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）入力線ファイバーなどの入力線ファイバー１０２は、光学デマルチプレクサ１０４に接続される。入力線ファイバー１０２は、異なる波長で進行する光学線信号のグループを搬送し、デマルチプレクサ１０４は信号を個々の波長ごとに別個のファイバー１０６に分離する。ファイバー１０６は、分波スイッチ１１０の光学線入力ポート１０８に接続される。分波スイッチ１１０はＰＩＣとして実装され、分波選択スイッチ１１２及び受信集約スイッチ１１４を含み、これは分波トランスポンダ集約スイッチ１００のためのスイッチング機能を集合的に実装する。分波選択スイッチ１１２は、受信集約スイッチ１１４に入力される線信号のサブセットを選択し、次いで信号を一団のクライアント受信器Ｒｘ１１６に切り替える。入力される線信号のバランスは、ＰＩＣの光学通過出力ポート１１８を介して光学通過信号として通過する。光学通過出力ポート１１８は、合波スイッチに接続されうる。合波スイッチへの通過線のいくつかは占有されていなくてもよい（使用されていなくてもよい）。各クライアント受信器Ｒｘ１１６は、波長が不明であってもよく、受信することとなる波長に調整されてもよい。
【００２３】
図２は、本実施形態に従う分波トランスポンダ集約スイッチ１００に対応する合波トランスポンダ集約スイッチ２００の回路図を示す。この図に示されるように、合波トランスポンダ集約スイッチ２００は、分波トランスポンダ集約スイッチ１００と同じチップ回路構成を有する。そのため、これもＰＩＣとして実装される合波スイッチ２１０は、図１の分波スイッチ１１０と共通のチップ回路構成を有する。合波ロールを実行する場合、光は分波トランスポンダ集約スイッチ１００と比較して反対の方向２０１に、合波トランスポンダ集約スイッチ２００を通って伝搬する。
【００２４】
図２の例によって示された実施形態において、光学通過信号は、光学通過入力ポート２１８を通って合波スイッチ２１０に入り、光学通過入力ポート２１８は分波スイッチ１１０等の分波スイッチに接続されうる。合波スイッチ２１０は、送信集約スイッチ２１４及び合波選択スイッチ２１２を含み、これは合波トランスポンダ集約スイッチ２００のためのスイッチング機能を集合的に実装する。送信集約スイッチ２１４はクライアント送信器Ｔｘ２１６から、光学通過信号によって占有されていない波長の信号のサブセットを選択し、合波選択スイッチ２１２は光学通過信号を、クライアント送信器Ｔｘ２１６から選択された信号のサブセットと併せて光学線出力ポート２０８に接続する。光学線出力ポート２０８は、異なる導波路の個別の出力ファイバー２０６に接続され、光学マルチプレクサ２０４は光学出力ポート２０８からＤＷＤＭ出力線ファイバーなどの出力線ファイバー２０２に信号を重畳する。各クライアント送信器Ｔｘ２１６は波長アジャイルであってもよく、占有することとなる波長に調整されてもよい。
【００２５】
図１及び２に示された実施形態は、説明の目的のために少数の入力及び出力を示しているが、Ｒｘ、Ｔｘ、入力ポート、出力ポート、及びこれらが搬送する波長は、特定の数に限定されるものではなく、いくつかの用途では等しくてもよく、他の用途では等しくなくてもよいことは理解されるべきである。そのため、スイッチング機能を説明するために、図１及び２に単一のスイッチマトリクスまたはスイッチマトリクスの適切な組合せが示されているが、どのような種類のスイッチマトリクスが使用されてもよい。典型的な製品では、１０から６４の入力／出力ポートが実装されうる。図１及び２は分波トランスポンダ集約スイッチ１００及び合波トランスポンダ集約スイッチ２００を別個の回路として示しているが、２つの回路は製品要件によって単一のダイに実装されうることは理解すべきである。
【００２６】
分波スイッチ１１０及び合波スイッチ２１０は共にフォトニックスイッチセル及び光学タップモニタを実装する光導波路を含むフォトニックスイッチを含む。
【００２７】
図１及び２を参照すると、分合波スイッチ１１０、２１０はそれぞれ複数のフォトニックスイッチセル１２０、２２０を含む。複数のスイッチセル１２０、２２０は、トランスポンダ集約スイッチのための合波ロールまたは分波ロールのいずれかのスイッチング機能を集合的に実装する。スイッチセル１２０、２２０は２×２スイッチセルであってもよく、そのそれぞれはスイッチ内で各役割に応じて１×２、２×２または２×１スイッチング機能として使用され、または１×２、２×２または２×１スイッチであってもよく、そのそれぞれはそれぞれ１×２、２×２または２×１スイッチング機能を実装する。
【００２８】
いくつかの実施形態によれば、各スイッチセル１２０、２２０のスイッチング機能はスイッチセル制御回路によって調整可能な１つまたは複数の調整可能位相シフターを含むマッハ−ツェンダー干渉器によって実現可能である。代替的に、スイッチセル１２０、２２０のそれぞれのスイッチング機能は、リング共振器干渉器素子、スプリッター及び電気吸収／電気増幅素子、または２つの出力ポートの一方に光を導くことができるその他任意の電気駆動素子として実装されてもよい。
【００２９】
様々な実施形態によれば、各分合波スイッチ１１０、２１０はまた、複数のタップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４を含む。各タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４は、光学信号パワーの小さな部分をタップするタップ導波路の形態の光学タップ及びタップされた光学信号パワーを検出する光検出器を含む。タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４はトランスインピーダンス増幅器も含みうる。光検出器またはトランスインピーダンス増幅器の出力は、光電流または電圧を測定する受信回路に接続されてもよく、それによって、光学信号パワーの大きさの相対指示を提供する。タップモニタは通常チップ上のかなりの空間を占有し、光学信号パワーを（いくらかの光をタッピングすることにより）減少させ、熱を（ほぼ制御回路において）発生させるため、タップモニタの数を最小化することが望ましい。そのため、各スイッチセルの入力パワーは一般的に監視されていない。
【００３０】
スイッチング機能自体は、合波スイッチ及び分波スイッチに関して対称である。例えば、分波スイッチの入力を出力として動作させ、出力を入力として動作させることによってスイッチング機能を反転させることができ、合波スイッチを作ることができる。しかし、従来の設計では、分合波スイッチのタップモニタの構造及び構成が対称性を破るため、合波スイッチのための回路及び分波スイッチのための回路は同じではない。従って、合波スイッチ及び分波スイッチのために異なるチップ回路構成が使用され、これは、合波スイッチ及び分波スイッチのための設計が同一である解決手段と比較して、予備のコスト及び在庫を製造するためのコストが重複することとなる。
【００３１】
従来の設計では、タップモニタは方向性を有している。例えば、タップモニタは通常、通過導波路の近傍に配置されたタップ導波路によって構築された方向性カプラーなどの光学タップを含む。通過経路は通過導波路によって搬送され、タップ導波路は通過導波路によって搬送された光学パワーのテールに配置され、少量の光学パワーが通過導波路からタップ導波路に移送される。タップ導波路は、前面側ポート及び背面側ポートを含む。通過導波路に沿って前方に進む光は、部分的に前面側ポートの外に結合し、導波路光検出器の入力に供給される。従来の設計では、タップ導波路の背面側ポートはビーム終端器（例えば吸収媒体）に接続されて光学信号の品質を低下させうる後方反射及び迷光を防ぎうる。
【００３２】
本発明の様々な実施形態によれば、前方及び後方に対称的である２方向性タップモニタが実装される。タップモニタは、タップモニタが前方伝搬方向または後方伝搬方向のいずれかで動作可能であるという意味において「２方向性」として呼ばれる。換言すれば、２方向性タップモニタは、切替え可能な方向を有する。様々な実施形態において、タップ導波路の背面側ポートは、タップ導波路の前面側ポートに接続された同じ光検出器の別のポート（それまで使用されていなかった）に接続される。光検出器は、いずれかの方向の光学信号を検出するのに使用可能である。
【００３３】
図３は、本発明の１つの実施形態に従う２方向性タップモニタ３００を示している。タップモニタ３００は、通過導波路３０１によって搬送される光学信号パワーの一部を結合するように設計されている。タップモニタ３００は、通過導波路３１６の近傍に配置され、通過導波路３０１によって搬送される光学信号パワーの小さな部分または一部（例えば１％、２％など）をタップする方向性カプラーなどのタップ導波路３０２の形態の光学タップを含む。タップモニタ３００はまた、タップ導波路３０２に接続され、光学信号パワーのタップされた部分を検出するための導波路型光検出器３０４を含む。図３に示されるように、タップ導波路３０２は、このタップ導波路の両端において、２つのポート３０６、３０８を含む。２つのポート３０６、３０８は、それぞれ光検出器３０４の２つのポート３１０、３１２に接続される。光が通過導波路３０１を介して１つの方向に（図３の実施形態では左から右へ）伝搬する場合、光はポート３０６を介してタップ導波路３０２から外に結合され、ポート３１０を介して光検出器３０４に入る。反対に、光が反対方向（図３の実施形態では右から左へ）へ伝搬する場合、光はポート３０８を介してタップ導波路３０２から外へ結合し、ポート３１２を介して光検出器３０４に入る。このようにして、タップモニタ３００は、前方に伝搬する光及び後方に伝搬する光の両方に反応し、光検出器３０４はいずれかの方向の光学信号パワーのタップされた部分を検出する。光検出器３０４はさらに、トランスインピーダンス増幅器３１４に接続されうる。光検出器３０４またはトランスインピーダンス増幅器３１４の出力は、電気回路３１６に接続されて、通過導波路３０１によって伝搬される光学信号パワーの強度の相対指示を提供するために、光電流または電圧を測定しうる。
【００３４】
本実施形態におけるタップ導波路３０２は通過導波路３０１との方向性カプラーの形態で設けられるが、２方向性タップモニタ３００の目的のために他の形態のカプラーを設けることができる。図３は直線の通過導波路３０１を示し、導波路３０１、３０２はそれぞれ同じ大きさの一定の断面を含み、導波路３０１と３０２との間に一定の間隔を有しているが、これらの条件の１つ以上はカプラーの所望の性能及び製造性に応じて変更可能である。
【００３５】
図４は、本発明の１つの実施形態に従う、２方向性タップモニタ３００と接続して使用される２×２フォトニックスイッチセル４００を示している。２×２フォトニックスイッチセル４００は、一方の側の２つのポート４０２及び他方の側の２つのポート４０４を含む。光が前方４０１（図４の実施形態では左から右へ）へ伝搬する場合、ポート４０２は光入力として働き、ポート４０４は光出力として働く。光が後方４０３（図４の実施形態では右から左へ）へ伝搬する場合、ポート４０４は光入力として働き、ポート４０４は光出力として働く。スイッチセル４００は、光が１つの方向に伝搬する場合には分波ロールとして使用され、光が反対方向に伝搬する場合には合波ロールとして使用されうる。スイッチセル４００は、スイッチング素子の端部を形成する光学スプリッター４０６、例えばマッハ−ツェンダー干渉器、及びスイッチングを実行する、すなわちスイッチング機能を実現する調整可能な光学位相シフター４０８も含む。この２×２フォトニックスイッチセル４００において、２つのタップモニタ３００はポート４０４の近くに配置され、単一の導波路型光検出器３０４によって、前方に伝搬する光及び後方に伝搬する光の両方にそれぞれ反応する。
【００３６】
導波路光検出器３０４は、光学ループ寄生が抑制されるように光を吸収するように設計されうる。例えば、導波路光検出器３０４は、例えば適切に長い長さの光検出材料を選択することによって、少なくとも４０ｄＢの光吸収を有するように構成されうる。ＰＩＣがシリコン導波路を含む場合、光検出材料はゲルマニウムでありうる。光検出器を通る漏洩が、接続されるタップ導波路３０２の２つのポート３０６、３０８が顕著な光学ループを発生させない程度に十分小さいため、大きな光学信号の完全性へのペナルティを導入しない。
【００３７】
また、本実施形態に従う２方向性タップモニタ３００は、スイッチセル設計で現在使用される光学タップを利用し、タップ導波路３０２の２つのポートを光検出器３０４の両端に接続することによって方向性の切り替えを実現するため、２つの方向性タップモニタを使用する場合と比較して、いかなる追加的な損失も追加させない。
【００３８】
図４は２×２フォトニックスイッチセルを示すだけであるが、１×２または２×１スイッチセルも同様に実施可能であることは了解されるべきである。１×２または２×１スイッチセルの使用されない光学ポートは、スイッチセル内のビームダンプに終端されうる。さらに、タップモニタ３００は図４ではポート４０４の近くに配置されているが、タップモニタ３００はポート４０２の近くまたは他の位置に配置可能であり、これはスイッチセル４００内に物理的に配置され、またはその他何らかの方法で物理的に配置されうることは明らかであるべきである。
【００３９】
説明の目的のためのこの特定の実施形態において、トランスポンダ集約スイッチ１００が分波ロールを実行する場合、光は前方に伝搬し、トランスポンダ集約スイッチ２００が合波ロールを実行する場合、光は後方に伝搬する。しかし、光の方向と集約スイッチのロールとの間の対応性は反対であってもよいことは理解されるべきである。いかなる事象においても、タップ導波路３０２のポート３０６、３０８の１つが合波ロールのために光を外部に結合するように使用され、その一方ポート３０６、３０８の他の１つが分波ロールのために光を外部に結合するように使用される。
【００４０】
本発明の様々な実施形態によれば、複数のタップモニタ３００は、分合波スイッチ１１０、２１０の制御のために設けられる。各タップモニタ３００は、分合波スイッチ１１０、２１０の機能またはロールに応じて、スイッチセル出力モニタまたは光入力ポートモニタとして使用されうる。
【００４１】
スイッチセル出力モニタは、スイッチセル１２０、２２０の閉ループ制御を実装するために使用される。各スイッチセル１２０、２２０は、各出力ポートにおける所望の最大または最小光学信号パワーを達成するために、スイッチセル内でスイッチング機能を調整する、例えば調整可能な位相シフタを調整するスイッチセル制御回路を含む。そのため、スイッチセル１２０、２２０は、光をスイッチ回路を通して所望の光路に導くための空間スイッチとして使用可能である。スイッチセル出力モニタは、スイッチセル１２０、２２０内のスイッチング機能を実行するスイッチ素子、例えばマッハ−ツェンダー干渉器の出力アームの出力パワーをモニタするように通常配置される。スイッチ素子としてマッハ−ツェンダー干渉器を有する場合、各出力ポートにおいて入る電流及び出る光学パワーを有するトランスファー機能は本質的にアナログであるが、スイッチセル出力モニタによって補助された閉ループ制御を使用するデジタルスイッチングロールを実行する。
【００４２】
光学入力ポートモニタは、ＰＩＣの光学入力のために使用され、これはＰＩＣに到達する光学信号の存在またはパワーレベルを検証することができる。これは、システム較正及び故障検出のため、並びにどのライン入力ファイバーがダイまで到達しているか、またはどのＴｘからの入力ファイバーがダイまで到達しているかについて使用される。従って、分波スイッチ１００では、各光学ライン入力ポート１０８のための光学入力ポートモニタが通常存在し、合波スイッチでは、クライアント送信器Ｔｘ２１６からの各入力及び各光学通過入力ポート２１８のための光学入力ポートモニタが通常存在する。
【００４３】
各ＰＩＣの各光学出力の前の最後のタップモニタ（または任意の中間タップモニタ）は、光学パワーレベリングのためにも使用可能であり、そのため各光学出力ポートは他の光学出力ポートに対して所望の光学パワーレベルを有する。
【００４４】
図１に例として示された実施形態において、分波スイッチ１１０は、それぞれが関連するフォトニックスイッチセル１２０の閉ループ制御のために使用される複数のスイッチセル出力モニタ１２２と、それぞれが分波スイッチに到達する光学パワーの検証のために使用される複数の光学入力ポートモニタ１２４と、を含む。本実施形態によれば、複数のスイッチセル出力モニタ１２２は、それらの関連するフォトニックスイッチセル１２０に物理的に配置され、複数の光学入力ポートモニタ１２４は、関連する光学入力ポート１０８に物理的に配置される。
【００４５】
説明から明らかなように、従来の設計では光の方向が合波トランスポンダ集約スイッチを設計するために反転されると、タップモニタの物理的配置、より具体的には光学入力ポートモニタ及びスイッチセル出力モニタの物理的配置は変更されなければならなくなる。
【００４６】
これと比較して、図２で例として示された実施形態では、タップモニタ２２２、２２４は、分波スイッチ１１０と同様に合波スイッチ２１０に物理的に配置される。しかし合波ロールを実行する場合、各タップモニタ２２２は、スイッチセル出力モニタの制御ロールまたは機能が与えられ、これは、点線２３０で示されるように対応する最も近い上流のスイッチセル２２０への各タップモニタ２２０の関連性を設定することによってなされる。同様に、合波ロールを実行する場合、各タップモニタ２２４は、対応する最も近い上流デバイスへの各タップモニタ２２４の関連性を設定することによって、光学入力ポートモニタの制御ロールまたは機能が与えられ、デバイスは光学通過入力ポート２１８または送信器Ｔｘ２１６である。
【００４７】
従って、分合波スイッチ１１０、２１０は、タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４の同じ物理的レイアウトを有して設けられ、これは合波ロールまたは分波ロールのいずれかとして使用可能であり、タップモニタの機能またはロールは、ネットワークの設置またはネットワークの再構成の際に設定、または変更可能である。分合波スイッチ１１０、２１０は、各スイッチセル１２０、２２０のための閉ループ制御セルと、スイッチ内の全スイッチセル１２０、２２０の状態を監視し、制御を行うための全システム状態コントローラと、を含む制御回路を含む。各機能または制御ロールへのタップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４の関連性を設定または変更する能力は、分合波スイッチ１１０、２１０の、コントローラ、制御デバイス、制御手段またはその他の制御実装方法、例えば制御回路への改良によって実現される。この明細書の目的に関して、「コントローラ」という用語はハードウェア、ソフトウェアまたはファームウェア内にある全ての制御デバイス、制御実装方法、制御手段を包含するものとして使用される。
【００４８】
様々な実施形態によれば、コントローラ（または制御実装方法）は、分合波スイッチ１１０、２１０間のタップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４の機能または制御ロールを変更する能力を提供する。複数のタップモニタの制御ロールの変更は、スイッチセル出力モニタを、１つのスイッチセルに関連付けられた状態から他のスイッチセルに関連付けられた状態に変更すること、または１つのタップモニタをスイッチセル出力モニタである状態と光学入力ポートモニタである状態との間で切り替えることを含みうる。この明細書の目的に関して、タップモニタの制御ロールは、対応するスイッチセルに関するスイッチセル出力モニタとして働く、または対応する光学ライン入力ポート、光学通過入力ポートまたはクライアント入力に関する光学入力ポートモニタとして働くタップモニタを含む。タップモニタの、対応する制御ロールとの関連性は、フィードバックループを完成させるために、タップモニタ出力を対応するスイッチセル、光学ライン入力ポート、光学通過入力ポートまたはクライアント入力に供給することを含む。
【００４９】
トランスポンダ集約スイッチがどのように構成されるかに応じて、コントローラまたは制御実装方法は、２つの方法のうち一方で実現可能である。どちらの方法でも、合波ロールである一方の状態と、分波ロールである他方の状態の２つの状態の間で選択可能なグローバル電気スイッチが設けられる。タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４の制御ロールは、１つの実施形態ではブーリアン状態であり、グローバル電気スイッチは全回路１１０、２１０について設けられる。
【００５０】
制御回路がデジタル電子機器内にソフトウェアまたはハードウェアを用いて、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ）またはその他のプログラム可能な回路などの外部コントローラによって実装される場合、制御の実装は、タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４を各制御ロールにマップするデジタル電子機器内のファームウェアまたはソフトウェアのマッピングまたはルックアップテーブルを変更することによってなされうる。タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４の制御ロールの変更を実装するためのデジタルコントローラ上の命令が送信されうる。
【００５１】
制御回路がアナログ電子フィードバックを用いて実装される場合、スマートピクセル制御回路が改良されて、タップモニタ１２２、１２４、２２２、２２４の光検出器からの電流またはタップモニタのトランスインピーダンス増幅器からの電圧を、２つのあり得るフィードバック回路の対応する方に接続しうる。
【００５２】
そのような実施形態において、制御回路は、例えば相補性金属−酸化物−半導体（ＣＭＯＳ）で製造されたフリップチップ取付けされたスマートピクセル制御チップでありうる。各スイッチセル１２０、２２０は、スイッチセルと同じ面積のフットプリントを有し、ダイ積層技術（例えばフリップチップ技術または貫通基板ビア技術）によってフォトニックチップの上面または底面に取り付けられた１つまたは少数のＣＭＯＳチップに実装された、関連するＣＭＯＳマイクロ制御セルを有しうる。この場合、マッピングテーブルをサポートすることができるファームウェアまたはソフトウェアは存在しない。その代わり、タップモニタ電流または電圧は、関連するＣＭＯＳマイクロ制御セルに物理的に接続される。
【００５３】
１つの実施形態において、電流ステアリング回路が、タップモニタの光検出器の出力に接続される。電流ステアリング回路は、トランジスタからなり、タップモニタからの１つの入力及び２つの出力を有する電流誘導ゲートを含み、１つの出力は、設計が合波スイッチ回路として実装される場合に使用され、もう一方の出力は、設計が分波スイッチ回路として実装される場合に使用される。単一の選択電極が、全ての電流誘導ゲートに共通に接続され、選択電極の状態は、全電流が合波スイッチとして機能するか、または分波スイッチとして機能するかを決定する。
【００５４】
同様に代替的な実施形態では、電圧ステアリング回路が、２つの可能なフィードバック回路に接続するために、トランスインピーダンス増幅器などの光検出器の電気的受信増幅器の出力に接続される。単一の選択電極が全ての電圧誘導ゲートに共通に接続され、選択電極の状態は、全回路が合波スイッチとして機能するか、分波スイッチとして機能するかを決定する。
【００５５】
図１及び２に示されるような実施形態において、分波スイッチ１１０に関してタップモニタ１２２、１２４のそれぞれは、その関連するスイッチセル１２０内、またはその関連する光学入力ポート１０８に物理的に配置される。代替的な実施形態において、合波スイッチ２１０に関してタップモニタ２２２、２２４のそれぞれは、その関連するスイッチセル２２０内、またはその関連する光学入力ポート１１８及びクライアント入力１１６に物理的に配置されうる。さらに他の代替的な実施形態において、タップモニタ２２２、２２４は、他の何らかの方法で物理的に配置され、それらは、分波スイッチまたは合波スイッチのいずれかに関して、その関連するスイッチセルまたは関連する光学入力ポートに物理的に近接しない。タップモニタの制御ロールを変更するように適合された制御実装方法とともに、タップモニタの様々な物理的レイアウトが可能になることは理解すべきである。
【００５６】
前述の様々な実施形態によれば、合波ロールまたは分波ロールは、ネットワークの設置または再構成の際に設定される。しかし、設計によって、回路が一方の方向の動作から他の方向の動作へと動作中に切り替え可能になることは了解すべきである。従って、方向性（すなわち、トランスポンダ集約スイッチが合波ロールまたは分波ロールのいずれかを実行すること）は、ネットワークの動作中に変更されてもよく、電気的な選択がリセットされてもよい。動作中のスイッチングの方向は、Ｔｘの機能がＲｘの機能と異なるため、Ｔｘ及びＲｘの設備を物理的に交換することを伴いうる。
【００５７】
図５は、本発明の１つの実施形態に従うトランスポンダ集約スイッチ１００、２００の典型的な応用例を示すＤＷＤＭリングを示す。各トランスポンダは、一団のＲｘ及び／または一団のＴｘをＷＤＭラインファイバーに接続しうる。この例では６つの波長λ１からλ６が示されているが、トランスポンダ集約スイッチは、波長の数または入力及び出力の数によって制限されないことは理解すべきである。
【００５８】
ＤＷＤＭリングにおいて、各トランスポンダ集約スイッチ１００、２００は、（合波ロールと分波ロールのいずれを実行するかに応じて）単一の方向についてのみ使用され、同時に両方向では使用されない。
【００５９】
しかし、ダイを通る異なる経路が同時に異なる方向で動作可能であるように設計を改良可能であることは了解すべきである。改良された設計は、両方向における光が、例えばＰＯＮまたはＷＤＭ  ＰＯＮネットワーク内で１つのファイバーを共有するネットワーク構造で使用可能である。そのような応用例では、各スイッチセルは、任意の所定の瞬間にいて１方向からの光を取り扱うのみであり、スイッチセルは両方向の光経路を共有しない。
【００６０】
前述の様々な実施形態によれば、タップモニタの数は、従来の設計と比較して増加しないが、その制御ロールは光の方向に応じて変更可能である。
【００６１】
別のよりコンパクトでない実施形態では、別個の後方に面したタップモニタが各スイッチセルの他端（例えば図１の実施形態ではスイッチセルの左側の端部）、またはスイッチ回路の光学出力に追加されてもよい。別個の前方に面したタップモニタ及び後方に面したタップモニタを形成することにより、同じスイッチチップが合波ロール及び分波ロールの両方を実行可能である。２つのタップモニタの２つの光検出器が、１つのトランスインピーダンス増幅器と並列に接続可能であり、または異なるモニタ回路に接続可能である。コントローラは、修正出力をフィードバック回路に接続するように適合されることとなる。
【００６２】
しかし、タップモニタの数を増加させない前述の実施形態と比較して、この具体的な実施形態は、チップ面積の増加及び電気的受信回路の数の増加をもたらしうる。そのため、各光経路が光伝搬の方向に関わらず、タップモニタの数を２倍にすることとなるため、この実施形態は光学損失を増大させうる。
【００６３】
本明細書に開示されたいずれの方法も、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組み合わせに実装されうる。ソフトウェアとして実装された場合、本方法のステップ、挙動または操作は、コンピュータ可読命令としてプログラムまたはコードされ、固定された永続的な、不揮発性の、または非一時的なコンピュータ可読媒体、コンピュータ可読メモリ、機械可読メモリまたはコンピュータプログラム製品に、電気的、磁気的または光学的に記録されうる。換言すれば、コンピュータ可読メモリまたはコンピュータ可読媒体は、メモリにロードされ、コンピューティングデバイスのプロセッサ上で実行されると、コンピューティングデバイスに、前述の方法の１つまたは複数を実行させるコード内の命令を含む。
【００６４】
コンピュータ可読媒体は、プログラムを命令実行システム、装置またはデバイスによって、またはこれらと接続して使用するために、含み、保存し、通信し、伝達し、または伝送する任意の手段とすることができる。コンピュータ可読媒体は、電気的、磁気的、光学的、電磁的、赤外的、または任意の半導体システムもしくはデバイスでありうる。例えば、本明細書に開示された方法を実行するコンピュータで実行可能なコードは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ，ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは任意の適切なメモリカードまたはデータ保存デバイスを含むがそれに限定されないコンピュータ可読媒体上に有形的に記録されうる。本方法は、ハードウェアに実装されてもよい。ハードウェアの実装は、データ信号への論理機能を実装するための論理ゲートを有する個別の論理回路、適切な組合せの論理ゲートを有する特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはその等価物を採用しうる。
【００６５】
「１つの」、「その」という単数形は、そうでないと明確に指示されていない限り、複数の指示対象を含むことは理解されなければならない。そのため、例えば、「１つのデバイス」という言及は、１つまたは複数のそのようなデバイスへの言及を含み、すなわち、少なくとも１つのデバイスが存在することの言及を含む。「備える」、「有する」、「含む」及び「収容する」との用語は、そうでないと記載されない限り、制約がない用語である（すなわち、「含むが、それに限定されない」ことを意味する）ものとして解釈されるべきである。本明細書で説明されたすべての方法は、本明細書にそうではないと示され、または文脈によって明確にそうではないものとは矛盾するのでなければ、任意の適切な順序で実行可能である。例または例語（例えば、「など」）の使用は、単に本発明の実施形態をより良く示し、または記載することを意図するものであり、そうでないと記載されていない限り、本発明の範囲を限定することを意図しない。
【００６６】
いくつかの実施形態が本開示で提供されているが、開示されたシステムおよび方法は、本開示の思想または範囲から逸脱することなく、多数の他の特定の形態に実施されうることは理解すべきである。この例は、説明的なものとして考えるべきであり、限定的なものとして考えるべきではなく、その意図は、本明細書で与えられた詳細に限定するものではない。例えば、様々な素子または構成要素が、他のシステムに結合もしくは集積されてもよく、または特定の特徴が省略されてもよく、もしくは実装されなくてもよい。
【００６７】
さらに、様々な実施形態において、個別または別個であるとして説明され、図示された技術、システム、サブシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術または方法に結合され、または集積されうる。互いに結合され、直接結合され、または連通するものとして図示され、議論された他の要素は、電気的、機械的またはその他のいずれかで、何らかのインターフェース、デバイスまたは中間構成要素を通じて間接的に結合され、または連通されてもよい。変更、置換及び交換の他の例は、当業者によって確認可能であり、本明細書に開示された思想及び範囲から逸脱することなくなされうる。
【符号の説明】
【００６８】
１００  分波トランスポンダ集約スイッチ
１０２  入力線ファイバー
１０４  光学デマルチプレクサ
１０６  ファイバー
１０８  光学線入力ポート
１１０  分波スイッチ
１１２  分波選択スイッチ
１１４  受信集約スイッチ
１１６  クライアント受信器Ｒｘ
１１８  光学通過出力ポート
１２０  フォトニックスイッチセル
１２２、１２４  タップモニタ
２００  合波トランスポンダ集約スイッチ
２０２  出力線ファイバー
２０４  光学マルチプレクサ
２０６  出力ファイバー
２０８  光学出力ポート
２１０  合波スイッチ
２１２  選択スイッチ
２１４  送信集約スイッチ
２１６  クライアント送信器Ｔｘ
２１８  光学通過入力ポート
２２０  フォトニックスイッチセル
２２２、２２４  タップモニタ
３００  ２方向性タップモニタ
３０１  通過導波路
３０２  タップ導波路
３０４  導波路型光検出器
３０６、３０８  ポート
３１０、３１２  ポート
３１４  トランスインピーダンス増幅器
３１６  通過導波路
４００  ２×２フォトニックスイッチセル
４０２、４０４  ポート
４０６  光学スプリッター
４０８  光学位相シフター
【図１】
0006425220.tif 000002
【図２】
0006425220.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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