JP2019191300A - 波長選択光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークと偏光依存性を低減し、かつ高速スイッチングが可能な小型の波長選択光スイッチを提供する。【解決手段】波長選択光スイッチ１００は、入力光信号を同一の偏光面を有する２つの光成分に分離する光学部品１０３と、２つの光成分の各々に含まれるＭ個の波長（Ｍは２以上の整数）を分離する波長分離手段１０６と、波長分離手段の出力に光学的に接続され２つの光成分の各々をＮ個（Ｎは２以上の整数）の方路に切り替える光回路１０８を有する。光回路１０８は、比屈折率差の大きい光導波路で形成されており、２つの光成分の各々に結合する２Ｍ個の回折格子カプラと、回折格子カプラの出力に接続される２Ｍ個のＮ出力光スイッチと、Ｎ個の方路の各々についてＭ個の波長を合波する合波器と、Ｎ個の方路の各々について２つの光成分の一方の偏光面を９０度回転させた後に２つの光成分を合波する偏光合波手段と、を有する。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、入射光を波長ごとに任意の方路に切り替えて出力する波長選択光スイッチに関する。

ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）方式の光通信ネットワークのＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer：光アド／ドロップマルチプレクサ）ノードでは、特定の光を取り出し、または追加するために波長選択光スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。ＷＳＳは、一般に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーまたはＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）空間光変調スイッチをスイッチングエンジンとしている（たとえば、特許文献２参照）。光ファイバからの出射光はレンズアレイでコリメートされ、回折格子などの分波器で分波され、波長ごとに対応するミラーに投射される。各ミラーによって反射方向が制御され、目的とする光ファイバに出力される。この方式は、ＭＥＭＳミラーまたはＬＣＯＳの動作にミリ秒以上の時間を要する、光学部品の偏向角度が小さく光学系が大きくなる、光路中に多数の光学部品が配置され、レンズの収差、取り付け位置誤差の影響が大きい、クロストークが生じやすい、などの課題がある。これらの課題に対処するために、導波路基板上に集積した波長選択光スイッチが開発されている（特許文献３、及び非特許文献１参照）。

図１に示すように、集積型の波長選択光スイッチでは、多数のアレイ導波路回折格子と光スイッチを基板上に集積するため、微細な光導波路で光回路の小型化をはかっている。特に、比屈折率差が大きく、かつ屈折率変調が可能な導波路を利用する必要があり、シリコン導波路などが利用されている。

特許第４４８７０８９号 特開２００６−１０６３０４号公報 米国特許７２５７２８５号

Christopher R. Doerr, et al., "Monolithic Flexible-Grid 1x2Wavelength-Selective Switch in Silicon Photonics", Journal of Lightwave Technology, Vol. 30, No. 4, February 15, 2012

光集積技術では、比屈折率差の大きい導波路を利用するため、導波路を伝搬する光の位相誤差（光路長誤差）が大きくなる。その結果、波長分離用のアレイ導波路回折格子の性能が低くなり、クロストークが大きくなる。また、比屈折率差の大きい導波路では、導波路の形状を高精度に対称にすることが困難であり、ＴＥモードとＴＭモードに対する実効屈折率が一致せずに偏光依存性が大きくなる。さらに、光回路を構成する基板面積に限りがあり、全てを集積するとスイッチングの規模を大きくすることが難しい。

以上を鑑みて、本発明は、クロストークと偏光依存性を低減し、かつ高速スイッチングが可能な小型の波長選択光スイッチを提供することを目的とする。

本発明では、波長分離には、回折格子あるいは比屈折率差の小さいアレイ導波路回折格子を利用してクロストークを低減し、スイッチングには高速動作する導波路型光スイッチを利用して動作速度を向上する。光導波路による光配線を利用して波長選択光スイッチを小型化している。

本発明の一態様では、波長選択光スイッチは、
入力光信号を同一の偏光面を有する２つの光成分に分離する光学部品と、
回折格子または第１の比屈折率差を有するアレイ導波路回折格子を用いて、前記２つの光成分の各々に含まれるＭ個の波長（Ｍは２以上の整数）を分離する波長分離手段と、
前記波長分離手段の出力に光学的に接続され、前記２つの光成分の各々をＮ個（Ｎは２以上の整数）の方路に切り替えるスイッチング手段を有する第１の光回路と、
前記Ｎ個の方路の各々について、前記Ｍ個の波長を合波する合波器と、
前記Ｎ個の方路の各々について前記２つの光成分の一方の偏光面を９０度回転させた後に前記２つの光成分を合波する偏光合波手段と、
を有し、
前記第１の光回路は、前記第１の比屈折率差よりも大きい第２の比屈折率差の光導波路で形成されており、前記２つの光成分の各々に結合する２個の回折格子カプラと、前記回折格子カプラの出力に接続される２Ｍ個のＮ出力光スイッチと、
を有する。

上記の構成により、クロストークと偏光依存性を低減し、かつ高速スイッチングが可能な小型の波長選択光スイッチが実現される。

従来の集積型の波長選択光スイッチの概略図である。 第１実施例の波長選択光スイッチをＹＺ面内で見たときの模式図であり、特に波長分離用の光学系の構成例を示す図である。 図２Ａの波長選択光スイッチをＸＺ面内で見たときの模式図である。 図２Ａの波長分離用の光学系の変形例を示す図である。 第１実施形態の波長選択光スイッチで用いられるスイッチング用の光回路の模式図である。 光回路に形成された回折格子カプラの模式図である。 光回路上で、回折格子カプラの出力に接続される１入力Ｎ出力（１×Ｎ）光スイッチの構成例を示す図である。 １×Ｎ光スイッチの出力に接続されるＭ入力１出力（Ｍ×１）のアレイ導波路回折格子の模式図である。 第２実施形態の波長選択光スイッチをＹＺ面内で見たときの模式図であり、特に入力光学系の構成例を示す図である。 第２実施形態の波長選択光スイッチで用いられる光回路の模式図である。 第２実施形態の光回路で用いられるＫ入力Ｎ出力（Ｋ×Ｎ）光スイッチの模式図である。 第３実施形態の波長選択光スイッチをＹＺ面内で見たときの模式図である。 図１１の波長選択光スイッチをＸＺ面内で見たときの模式図であり、波長分離用の光回路の構成例を示す図である。 図１２の波長分離用の光回路で用いられる分波器の一例を示す図である。 第３実施形態で用いられるスイッチング用の光回路の模式図である。 第４実施形態波長選択光スイッチをＹＺ面内で見たときの模式図であり、特に波長分離用の光学系の構成例を示す図である。 図１５の波長選択光スイッチをＸＺ面内で見たときの模式図である。 第４実施形態の波長選択光スイッチで用いられるスイッチング用の光回路の模式図である。 第５実施形態の波長選択光スイッチをＹＺ面内で見たときの模式図である。 図１８の波長選択光スイッチをＸＺ面内で見たときの模式図であり、波長分離用の光回路の構成例を示す図である。 第５実施形態で用いられるスイッチング用の光回路の模式図である。

実施形態では、波長分離には、回折格子または比屈折率差の小さいアレイ導波路回折格子を利用してクロストークを低減し、スイッチングには高速動作する比屈折率差の大きい導波路型光スイッチを用いて動作速度を向上する。光回路において、シリコン細線等の光配線を利用して光スイッチを形成することで、光回路の小型化を実現する。さらに、偏光依存性のない状態でスイッチングを行い、スイッチング後にもとの偏光状態に戻して各出力ポートへ出力する。

以下で、図面を参照して、各実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図２Ａと図２Ｂは、第１実施形態の波長選択光スイッチ１００の模式図である。光ファイバ１０１から出射する光の光軸方向をＺ方向としたときに、図２ＡはＹＺ面内（たとえば側面）で見た図、図２ＢはＸＺ面内（たとえば上面）で見た図である。

波長選択光スイッチ１００は、波長ごとに光信号の方路を切り替える光回路１０８と、光ファイバ１０１から出射される信号光を波長ごとに分光して光回路１０８に入力する光学系１５１を有する。光ファイバ１０１から出射される信号光は、たとえばＷＤＭ信号であり、波長λ₁〜λ_MまでのＭ個（Ｍは２以上の整数）の異なる波長の信号が含まれている。以下の説明では光の波長を用いるが、波長を周波数に読み替えても意味は同じである。

光学系１５１は、レンズ１０２、偏光分離素子１０３、１／２波長板１０５、回折格子１０６、及びレンズ１０７を有する。光ファイバ１０１から波長選択光スイッチ１００に入力された光信号は、レンズ１０２によって平行光にコリメートされ、偏光分離素子１０３に入射する。偏光分離素子１０３として方解石結晶を利用すれば、入射光の偏光を互いに直交する２つの成分に分離することができる。方解石結晶に限らず、ルチル結晶、オルトバナジン酸イットリウム結晶など、その他の複屈折材料を用いてもよい。

図２Ａの例では、偏光分離素子１０３の中を直進する光は、Ｙ方向に偏光した直線偏光であり、偏光分離素子１０３で屈曲する光はＸ方向に偏光した直線偏光である。２つの偏光成分の一方は、１／２波長板１０５によってその偏光面が回転されて、同じ偏光面を有する光となる。

図２Ａ及び図２Ｂでは、１／２波長板１０５はガラス基板１０４の所定の領域に設けられているが、１／２波長板１０５単体で所望の位置に保持可能であれば、ガラス基板１０４を省略してもよい。

１／２波長板１０５は、その遅軸（または早軸）をＸ軸に対して４５度傾けて配置し、Ｘ方向に偏光した光をＹ方向に偏光した光に変換する。よって、回折格子１０６に入射する２本の光ビームは、いずれもＹ方向に偏光している。偏光分離素子１０３を直進する光が１／２波長板１０５を透過するように１／２波長板１０５を配置してもよい。その場合は、回折格子１０６に入射する２本の光ビームはいずれもＸ方向に偏光している。

図２Ｂに示すように、回折格子１０６は、２本の光ビームのそれぞれに含まれる各波長の光を異なる方向に回折させて分離する。分離された光は、レンズ１０７によって、光回路１０８上の回折格子カプラ１１０Ｐ及び１１０Ｓに入射する。レンズ１０７の前焦点が回折格子１０６上に位置し、後焦点が光回路１０８の回折格子カプラ１１０上に位置するようにレンズ１０７を配置することで、回折格子１０６を透過した２つの光ビームは、波長ごとに分散されて、回折格子カプラ１１０Ｐと回折格子カプラ１１０Ｓに投射される。

回折格子１０６は、入射光の波長、ブレーズ角、回折格子カプラ１１０の位置に応じてＹ軸を中心として回転させて配置される。図２Ａ及び図２Ｂでは、透過型の回折格子１０６を用いているが、反射型の回折格子を用いてもよい。回折格子カプラ１１０Ｐと１１０Ｓを異なる直線偏光用のカプラにする場合は、１／２波長板１０５を省略することもできる。その場合は、光回路１０８で、スイッチング前に一方の偏光面を９０°回転させて同じ偏光面とすることが望ましい。

図３は、波長選択光スイッチ１００の変形例を示す。波長選択光スイッチ１００Ａは、プリズム１０７−Ｐを有する光学系１５１Ａを有し、光回路１０８上の回折格子カプラ１１０Ｐと１１０Ｓは、図２Ａの配置よりもＹ軸方向に互いに離れて位置する。

回折格子カプラ１１０は、垂直入射よりも斜めに傾いて入射する方が結合効率が高くなる。図３のように、光学系１５１Ａにプリズム１０７−Ｐを挿入して、各波長の光が回折格子カプラ１１０に斜めに入射するようにしてもよい。

図４は、光回路１０８の構成例を示す。光回路１０８は、小型化のために比屈折率差の大きいシリコン導波路を光導波路１０９として利用する。光導波路コアとして、クラッドとの比屈折率差が大きく屈折率変調が容易であれば、シリコン以外の材料を用いてもよい。現時点では、シリコン導波路が最も適切である。

光導波路１０９を薄膜化されたシリコン細線導波路で形成することで、単一モード伝搬を得る。シリコン導波路コアの断面形状は、基板の垂直方向の高さが２２０ｎｍ、基板の面内方向の幅が４５０ｎｍである。導波路コアの上部及び下部には厚さ２０００ｎｍのＳｉＯ₂層が設けられている。熱光学効果による屈折率変調を行うため、屈折率変調部のコアの上部には厚さ１２００ｎｍのＳｉＯ₂層と、厚さ１００ｎｍのＴｉＮ層、及び厚さ８００ｎｍの保護層（たとえばＳｉＯ₂層）が設けられている。ＴｉＮ層は通電によりヒータとして機能する。また、シリコン導波路上に３００〜１０００ｎｍのＳｉＯ₂層を挟んで窒化シリコン導波路を構成することもできる。これらの積層構造は発明と直接関係しないので図示を省略する。

光回路１０８は、分離される波長数Ｍと同じ数のセグメントを有する回折格子カプラ１１０Ｐと、回折格子カプラ１１０Ｓを有する。回折格子カプラ１１０Ｐの各セグメントにＭ個の１×Ｎ光スイッチ１１１Ｐ−１〜１１１Ｐ−Ｍが接続され、回折格子カプラ１１０Ｓの各セグメントにＭ個の１×Ｎ光スイッチ１１１Ｓ−１〜１１１Ｓ−Ｍが接続されている。

各光スイッチ１１１のＮ個の出力は、Ｎ個のアレイ導波路回折格子１１２の入力に接続される。アレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎ、及び１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎのそれぞれは、Ｍ入力１出力の（Ｍ×１）アレイ導波路回折格子であり、Ｍ個の光スイッチ１１１から出力される光が合波されて出力される。アレイ導波路回折格子を窒化シリコン導波路で構成しても良い。その場合、層構造が複雑になるが、合波損失を低減することができる。

アレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎ、及び１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎに対応して、遅延回路１１３Ｐ−１〜１１３Ｐ−Ｎ、及び１１３Ｓ−１〜１１３Ｓ−Ｎが設けられ、２本のビーム間の光路長を合わせている。いずれか一方のビーム系（たとえばＰ系）に偏光ローテータ１１４−１〜１１４−Ｎが設けられて、伝搬光の偏光面が他方の系列の偏光に対して９０°回転される。互いに直交する偏光は偏光合波器１１５−１〜１１５−Ｎで合成されて、Ｎ本の光ファイバ１１６−１〜１１６−Ｎに出力される。

図５は、回折格子カプラ１１０Ｐの構成例である。回折格子カプラ１１０Ｐとして、公知のシリコン導波路用の回折格子カプラを用いることができる。シリコンコアに周期構造を構成して、光学系１５１から投射された各波長の光を対応する光導波路１０９に結合する。ここでは、ＴＥモードに結合すると仮定するが、ＴＭモードに合わせて回路を構成してもよい。

回折格子カプラ１１０Ｐは、格子部１１０−Ｇとテーパ導波路１１０−Ｔを有する。回折格子カプラ１１０Ｐは、Ｍ個のセグメントまたは部分カプラ（１１０Ｐ−１〜１１０Ｐ−Ｍ）を含む。Ｍ個の部分カプラは、波長λ₁から波長λ_Mのそれぞれで最大の結合効率が得られるように、僅かに格子周期を変えている。部分カプラ１１０Ｐ−ｒは、対応する光スイッチ１１１Ｐ−ｒ（ｒ=1, 2, ..., M）に接続される。もう一つの系列の回折格子カプラ１１０Ｓも、回折格子カプラ１１０Ｐと同じ構成を有する。

図６は、光スイッチ１１１Ｐ−１の模式図である。光スイッチ１１１Ｐ−１は、１×Ｎ光スイッチであり、図６の例では、１入力６出力の構成をとっている。

光スイッチ１１１は、入力側の遅延回路１１７Ａと、複数の１入力２出力の単位スイッチ１１８と、出力側の複数の遅延回路１１７Ｂを有する。単位スイッチ１１８の段数を変えることで出力数Ｎを所望の値に設定することができる。

入力側の遅延回路１１７Ａは、部分カプラ１１０Ｐ−ｒから光スイッチ１１１Ｐ−ｒまでの光路長と、部分カプラ１１０Ｓ−ｒから光スイッチ１１１Ｓ−ｒまでの光路長を等しくする。

単位スイッチ１１８は、たとえば、ＴｉＮヒータ加熱によるマッハツェンダ（ＭＺ）型の１×２光スイッチであり、スイッチング時間は約１００μｓ（マイクロ秒）である。ヒータ加熱型光スイッチに替えて、キャリア注入型の光スイッチを用いてもよい。この場合、スイッチング時間が１０ナノ秒程度の高速スイッチングが可能であるが、損失が若干大きくなる。

単位スイッチ１１８は、一般的に広帯域なので、すべて同一の設計でもよいが、良好な特性を得るためには、入力波長λ₁〜λ_Mに対して最適化した設計の光スイッチを利用してもよい。１入力Ｎ出力の光スイッチ１１１Ｐ−ｒに入力した光は、Ｍ入力１出力（Ｍ×１）のアレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎのいずれかに結合される。

光スイッチ１１１Ｐ−ｒの出力側の遅延回路１１７Ｂは、光スイッチ１１１Ｐ−ｒからアレイ導波路回折格子１１２Ｐ−ｑまでの光路長と、光スイッチ１１１Ｓ−ｒからアレイ導波路回折格子１１２Ｓ−ｑまでの光路長を等しくする。ここで、ｒは１〜Ｍまでの整数（ｒ＝１，２，…，Ｍ）、ｑは１〜Ｎまでの整数（ｑ＝１，２，…，Ｎ）である。

図７は、アレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１の模式図である。光回路１０８に形成されるアレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎ、及び１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎはすべて同じ設計であり、以下では「アレイ導波路回折格子１１２」と総称する。アレイ導波路回折格子１１２は、Ｍ本の入力導波路１１９、２つのスラブ導波路１２０、スラブ導波路１２０間に延びるアレイ導波路１２１、及び１本の出力導波路１２２を有する。

Ｍ本の入力導波路１１９により、波長λ₁〜λ_Mの光が入力され、合波されて出力導波路１２２から出力される。一般に、シリコン導波路によるアレイ導波路回折格子は、クロストーク特性が悪いが、本実施例では合波部に利用するので問題とならない。

図４に戻って、アレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎは、遅延回路１１３Ｐ−１〜１１３Ｐ−Ｎと、偏光ローテータ１１４−１〜１１４−Ｎを介して、偏光合波器
１１５−１〜１１５−Ｎに接続される。伝搬光の伝搬モードは、偏光ローテータ１１４−１〜１１４−ＮによってＴＥモードからＴＭモードに変換される。偏光ローテータ１１４は、たとえば、導波路の一部をエッチングして断面に非対称構造を導入することで実現される。

一方、アレイ導波路回折格子１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎは、遅延回路１１３Ｓ−１〜１１３Ｓ−Ｎを介して偏光合波器１１５−１〜１１５−Ｎに接続される。遅延回路１１３Ｐ−１〜１１３Ｐ−Ｎ、及び遅延回路１１３Ｓ−１〜１１３Ｓ−Ｎは、アレイ導波路回折格子１１２Ｐ−ｑから偏光合波器１１５−ｑまでの光路長と、アレイ導波路回折格子１１２Ｓ−ｑから偏光合波器１１５−ｑまでの光路長を等しくする。

光学系１５１の偏光分離素子１０３で分離された対となる光成分が偏光合波器１１５−１〜１１５−Ｎによって合波され、出力用の光ファイバ１１６−１〜１１６−Ｎに結合される。

第１実施形態の波長選択光スイッチ１００は、波長λ₁から波長λ_MまでのＭ個の異なる波長の信号を波長ごとに異なるＮ本の出力ファイバに接続することが可能であり、１入力Ｎ出力、波長数Ｍの波長選択光スイッチとして機能する。

波長分離手段として、入力光学系１５１に配置される回折格子１０６を用いることでクロストークを低減し、スイッチング手段として光回路１０８に形成されたシリコン細線導波路の光スイッチ１１１を用いることで、高速スイッチングと光回路の小型化が実現される。また、スイッチングで同じ偏光面の光を扱うことで、偏光依存性を低減する。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態の波長選択光スイッチ１００ＢのＹＺ面内で見たときの模式図である。波長選択光スイッチ１００ＢのＸＺ面内で見たときの構成は第１実施形態の図２Ｂと同じであり、図示を省略する。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

第２実施形態では、複数の光ファイバ１０１−１、１０１−２から光信号が波長選択光スイッチ１００Ｂに入力される。図示及び説明の複雑化を避けるために、図８では入力側の光ファイバ１０１の数を２本にしているが、出力側の光ファイバ１１６の本数（Ｎ）以下であれば、何本の入力ファイバを接続してもよい。

光ファイバ１０１−１からの出力光と、光ファイバ１０１−２からの出力光の各々が、第１実施形態と同様に、レンズ１０２でコリメートされ、偏光分離素子１０３で互いに直交する２つの偏光成分に分離され、その一方の偏光面が１／２波長板１０５で回転されて同じ偏光面を有する２本の光ビームが生成される。各光ビームに含まれる複数の波長は回折格子１０６で分離され、レンズ１０７によって、光回路１０８Ｂ上の対応する回折格子カプラ１１０−１Ｐ、１１０−１Ｓ、１１０−２Ｐ、１１０−２Ｓに投射される。

図８では、入力側の光ファイバ１０１の数が２本なので、２対、４個の回折格子カプラ１１０が光回路１０８Ｂに形成されている。入力側の光ファイバ１０１の数がＫ本（Ｋ≦Ｎ）の場合は、２Ｋ個の回折格子カプラ１１０−１Ｐ〜１１０−ＫＰ、及び１１０−１Ｓ〜１１０−ＫＳが光回路１０８Ｂに形成されている。

図９は、光回路１０８Ｂの構成例を示す。光回路１０８Ｂは、２Ｍ個のＫ入力Ｎ出力（Ｋ×Ｎ）の光スイッチ１２３Ｐ−１〜１２３Ｐ−Ｍ、及び１２３Ｓ−１〜１２３Ｓ−Ｍを有する。Ｋ＝２（２入力）の例では、光スイッチ１２３Ｐ−ｒの入力に、一対の部分カプラ１１０−１Ｐ−ｒと１１０−２Ｐ−ｒの出力が接続され、光スイッチ１２３Ｓ−ｒの入力に、一対の部分カプラ１１０−１Ｓ−ｒと１１０−２Ｓ−ｒの出力が接続される。ｒは１〜Ｍの整数である（ｒ＝１，２，…，Ｍ）。Ｋ入力Ｎ出力の光スイッチ１２３として、Ｋ×Ｎマトリックススイッチなどの非閉塞型スイッチが利用される。

図１０は、Ｋ＝２、Ｎ＝４の場合の光スイッチ１２３Ｐ−１の構成例である。光スイッチ１２３Ｐ−１は、入力側の２つの遅延回路１１７Ａ、２つの１入力２出力の単位スイッチ１１８、２つの２入力２出力の光スイッチ１２４、及び出力側の４つの遅延回路１１７Ｂを有する。光スイッチ１２４はＴｉＮヒータ制御されるＭＺ型２×２スイッチである。２つの単位スイッチ１１８と、２つの光スイッチ１２４を組み合わせて、２×４マトリックススイッチが形成される。

光スイッチ１２３Ｐ−ｒ（ｒ＝１，２，…，Ｍ）のＮ個の出力は、Ｎ個のアレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎの入力に接続される。各アレイ導波路回折格子１１２Ｐ−ｑ（ｑ＝１，２，…，Ｎ）は、Ｍ個の光スイッチ１２３Ｐからの入力を合成して、１つの出力を生成し、偏光回転の後に、対応する偏光合波器１１５−ｑに入力される。

光スイッチ１２３Ｓ−ｒ（ｒ＝１，２，…，Ｍ）のＮ個の出力は、Ｎ個のアレイ導波路回折格子１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎの入力に接続される。各アレイ導波路回折格子１１２Ｓ−ｑ（ｑ＝１，２，…，Ｎ）は、Ｍ個の光スイッチ１２３Ｓからの入力を合成して、１つの出力を対応する偏光合波器１１５−ｑに供給する。

偏光合波器１１５−１〜１１５−Ｎで合波された光は、出力用の光ファイバ１１６−１〜１１６−Ｎに結合される。

第２実施形態では、Ｋ組の波長λ₁〜λ_MまでのＭ個の異なる波長の信号を、波長ごとに異なる出力ファイバに接続することが可能であり、Ｋ入力Ｎ出力、波長数Ｍの波長選択光スイッチ１００Ｂとして機能する。

第２実施形態でも、各入力光の波長分離を光学系１５１Ａに挿入された回折格子１０６で行ってクロストークを低減する。一方、スイッチングは光回路１０８Ｂにシリコン細線導波路で形成された光スイッチ１２３Ｐ−１〜１２３Ｐ−Ｍ、及び１２３Ｓ−１〜１２３Ｓ−Ｍで行って、高速動作と小型化を実現する。また、スイッチングで同じ偏光面の光を扱うことで偏光依存性を低減する。

［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態の波長選択光スイッチ２００をＹＺ面内で見たときの模式図、図１２は、波長選択光スイッチ２００をＸＺ面内でみたときの模式図である。第３実施形態では、波長分離用の光学系１５１に替えて、波長分離用の第２の光回路１２５とシリンドリカルレンズ１２６、及びレンズ１０７を用いる。

波長選択光スイッチ２００は、２本の光ファイバ１０１−１と１０２からの入力光信号の方路を切り替える構成としているが、第１実施形態のように１本の光ファイバで入力されたＷＤＭ信号の方路の切り替える場合にも適用可能である。

波長選択光スイッチ２００は、第２の光回路１２５、シリンドリカルレンズ１２６、レンズ１０７、及びスイッチング用の光回路２０８を有する。スイッチング用の光回路２０８を「第１の光回路」と呼んでもよい。

第２の光回路１２５は、低クロストークの分光を行うために、比屈折率差の小さい導波路、例えば石英導波路で形成されている。比屈折率差の典型的な値は、０．７％から２．５％である。

図１２を参照すると、第２の光回路１２５は、入力側の光ファイバ１０１−１と１０１−２の各々に光学的に接続される接続用の導波路１２７を有する。導波路１２７の比屈折率差が０．７％の場合は、コアの幅と高さは６μｍ程度である。

第２の光回路１２５は、偏光分離／合波素子１２８−１と１２８−２（適宜、「偏光分離／合波素子１２８」と総称する）、偏光ローテータ１２９−１、１２９−２（適宜、「偏光ローテータ１２９」と総称する）、及びアレイ導波路回折格子１３０−１Ｐ、１３０−１Ｓ、１３０−２Ｐ、及び１３０−２Ｓ（適宜、「アレイ導波路回折格子１３０」と総称する）を有する。

偏光分離／合波素子１２８は、入力側の導波路１２７から入射する光をＴＥ成分とＴＭ成分に分離して、別々の導波路１２７に出力する。偏光分離／合波素子１２８は、たとえば、石英導波路でＭＺ干渉計を形成して導波路に溝を掘り、結晶軸の直交する１／４波長板を挿入して形成できる。偏光ローテータ１２９は、入射した光の偏光面を９０度回転して出力する。偏光ローテータ１２９は、たとえば石英導波路に溝を掘り、１／２波長板をその結晶軸を基板面から４５度回転して挿入して形成される。

アレイ導波路回折格子１３０−１Ｐ、１３０−１Ｓ、１３０−２Ｐ、及び１３０−２Ｓは同一の構造を有する。図１２は、入力光ファイバの数がＫ＝２のときの例であるが、Ｋ本の入力ファイバに対応して、アレイ導波路回折格子１３０−１Ｐ〜１３０−ＫＰと、１３０−１Ｓ〜１３０−ＫＳが配置される。

図１３は、アレイ導波路回折格子１３０−Ｐ１の構成例である。アレイ導波路回折格子１３０−１Ｐは、入力導波路１３１、スラブ導波路１３２、及びアレイ導波路１３３を有する。第２の光回路１２５で用いられるアレイ導波路回折格子１３０は、通常のアレイ導波路回折格子と異なり、出力側のスラブ導波路を持たない１入力Ｍ出力アレイ導波路回折格子である。アレイ導波路１３３の各導波路は、スラブ導波路１３２との接続部から基板端までの光路長が、順番に一定長ずつ長くなる。そのため、入射光は、回折格子と同様に波長に依存して基板端から異なる方向に出射される。

出射光は、シリンドリカルレンズ１２６によってＹ方向への広がりが少ない光線にコリメートされ（図１１参照）、レンズ１０７によって光回路２０８上の回折格子カプラ１１０−１Ｐ、１１０−１Ｓ、１１０−２Ｐ、１１０−２Ｓに結合される（図１２参照）。

図１４は、光回路２０８の構成例である。光回路２０８は、第２実施形態の光回路１０８Ｂ（図９参照）とレイアウトは異なるが、同一の機能素子で構成され、同一の機能を有する。光回路１０８Ｂは、比屈折率差が大きく屈折率制御が可能なシリコン細線導波路で形成され、高速のスイッチングが可能である。

第３実施形態の波長選択光スイッチ２００は、Ｋ組の波長λ₁〜λ_MのＭ個の異なる波長の信号を波長ごとに異なる出力ファイバに接続することが可能であり、Ｋ入力Ｎ出力、波長数Ｍの波長選択光スイッチとして機能する。

波長分離手段として、比屈折率差の小さいアレイ導波路回折格子１３０を用いてクロストークを低減し、スイッチング手段として、比屈折率差の大きなシリコン細線導波路の光スイッチ１２３を用いて高速動作と光回路の小型化を実現する。また、スイッチングで同じ偏光面の光を扱うことで偏光依存性を低減する。

［第４実施形態］
図１５は、第４実施形態の波長選択光スイッチ３００をＹＺ面内で見た模式図、図１６は波長選択光スイッチ３００をＸＺ面内で見た模式図である。第４実施形態では、第１実施形態の光回路１０８上のアレイ導波路回折格子１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎ、及び１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎを省き、代わりに、スイッチング用の光回路の外部にＮ個の第２の回折格子１３４を配置する。

光ファイバ１０１から出射した光は、レンズ１０２でコリメートされ、偏光分離素子１０３で偏光分離され、ガラス基板１０４及び１／２波長板１０５により同じ偏光面のビームとなる。回折格子１０６によって分光された光は、レンズ１０７により、スイッチング用の光回路３０８の回折格子カプラ１１０Ｐと１１０Ｓに投影される。ここまでの構成は第１実施形態と同じである。

光回路３０８は、回折格子カプラ１４０−１〜１４０−Ｎを有し、回折格子カプラ１４０−１〜１４０−ＮからＹ方向に偏光したＮ本の光ビーム対が出力される。Ｎ本の光ビーム対はレンズ１０７によって第２の回折格子１３４−１〜１３４−Ｎに投射され、各波長の光が合波される。第２の回折格子１３４−１〜１３４−Ｎのそれぞれの出力は、２本のビームとなり、一方が対応する１／２波長板１３５−ｑ（ｑは１〜Ｎの整数）によってＸ方向に偏光した光に変換される。互いに直交する２つの偏光は、対応する偏光コンバイナ１３７−ｑによって偏光合成され、レンズ１３８−ｑによって集光され、光ファイバ１３９−ｑに結合する。

図１７は、光回路３０８の構成例である。Ｍ個のセグメントを有する回折格子カプラ１１０Ｐの出力は、Ｍ個の１入力Ｎ出力の光スイッチ１１１Ｐ−１〜１１１Ｐ−Ｍの入力に接続される。Ｍ個のセグメントを有する回折格子カプラ１１０Ｓの出力は、Ｍ個の１入力Ｎ出力の光スイッチ１１１Ｓ−１〜１１１Ｓ−Ｍの入力に接続される。

光スイッチ１１１Ｐ−ｒ（ｒは１〜Ｍの整数）のＮ個の出力は、回折格子カプラ１４０−１Ｐ〜１４０−ＮＰの入力に接続され、対応するセグメント（部分カプラ）に入力される。同様に、光スイッチ１１１Ｓ−ｒのＮ個の出力は、回折格子カプラ１４０−１Ｓ〜１４０−ＮＳの入力に接続され、対応するセグメントに入力される。

回折格子カプラ１４０は、Ｙ方向に偏光した光を光回路３０８の外部に出力する。光回路３０８から出射された各波長の光が合波され、ビーム対の一方の偏光面が回転されて偏光合成されることは、上述したとおりである。

第４実施形態の波長選択光スイッチ３００は、波長λ₁〜λ_MのＭ個の異なる波長の信号を波長ごとに異なる出力ファイバ１３９−１〜１３９−Ｎに接続することが可能であり、１入力Ｎ出力、波長数Ｍの波長選択光スイッチとして機能する。

光回路３０８をスイッチング機能に特化して、Ｍ個の波長成分の合波を光回路３０８の外部の回折格子１３４−１〜１３４−Ｎで行うことで、光回路３０８を小型化することができる。

［第５実施形態］
図１８は、第５実施形態の波長選択光スイッチ４００をＹＺ面内で見たときの模式図、図１９は、波長選択光スイッチ４００をＸＺ面内で見たときの模式図である。第５実施形態は、第３実施形態と第４実施形態を組み合わせている。第３実施形態と同様に、比屈折率差の小さい第２の光回路１５０を用いて、波長分離を行い、第４実施形態と同様に、スイッチング用の光回路４０８の外部で各波長の光を合波して、出力用の光ファイバ１４２−１〜１４２−２に結合する。

図１９では、図示と説明の簡単化のために、入力用の光ファイバ１０１の本数を１本、出力用の光ファイバの本数を２本にしているが、第３実施形態と同様に、複数入力の実施形態とすることもできし、出力数Ｎの値を３以上にしてもよい。

第２の光回路１５０は、波長分離用のアレイ導波路回折格子１３０Ｐ、１３０Ｓに加えて、波長合波用のアレイ導波路回折格子１４１−１Ｐ、１４１−１Ｓ、１４１−２Ｐ、及び１４１−２Ｓを有する。これらの波長分離及び波長合波のアレイ導波路回折格子は、比屈折率差の導波路で形成され、クロストークを低減している。

アレイ導波路回折格子１３０Ｐと１３０Ｓは、図１３のアレイ導波路回折格子１３０−１Ｐと同じ構成である。波長合波用の回折格子１４１−１Ｐ〜１４１−ＮＰ（図１９ではＮ＝２）と、回折格子１４１−１Ｓ〜１４１−ＮＳ（Ｎ＝２）も同じ構成である。

図２０は、スイッチング用の光回路４０８の構成例である。それぞれがＭ個のセグメント（部分カプラ）を有する回折格子カプラ１１０Ｐと１１０Ｓに入射した光は、波長成分ごとに１入力Ｎ出力の光スイッチ１１１Ｐ−１〜１１１Ｐ−Ｍ、及び光スイッチ１１１Ｓ−１〜１１１Ｓ−Ｍに入射する。各光スイッチ１１１ＰのＮ個の出力（図２０ではＮ＝２）は、回折格子カプラ１４０−１Ｐと１４０−２Ｐの対応するセグメントに結合し、各光スイッチ１１１ＳのＮ個の出力（Ｎ＝２）は、回折格子カプラ１４０−１Ｓ〜１４０−２Ｓの対応するセグメントに結合する。

図１９に戻って、回折格子カプラ１４０−１Ｐ、１４０−１Ｓ、１４０−２Ｐ、及び１４０−２Ｓから光回路４０８の外部に出射された光は、レンズ１０７とシリンドリカルレンズ１２６を介して、第２の光回路１５０上のアレイ導波路回折格子１４１−１Ｐ〜１４１−ＮＰ、及び１４１−１Ｓ〜１４１−ＮＳに結合され、各波長成分が合波される。

アレイ導波路回折格子１４１−１Ｐと１４１−２Ｐの出射光は偏光ローテータ１２９によって偏光面が９０度回転され、それぞれアレイ導波路回折格子１４１−１Ｓと１４１−２Ｓからの出射光と偏光分離／合波素子１２８によって結合される。偏光分離／合波素子１２８からの出射光は、出力用の光ファイバ１４２−１と１４２−２に結合される。

第５実施形態では、波長λ₁〜λ_MまでのＭ個の異なる波長の信号を、波長ごとに異なる出力ファイバに接続することが可能であり、１入力Ｎ出力、波長数Ｍの波長選択光スイッチが実現する。

スイッチング部は、比屈折率差の大きい光回路４０８で実現し、波長分離と合波を比屈折率の比較的小さい第２の光回路１５０で実現することで、クロストークを低減し、高速スイッチングを実現する。また、同一偏光面の光でスイッチング処理することで、偏光依存性を低減する。

以上述べたように、従来技術では、ＭＥＭＳミラーやＬＣＯＳをスイッチングエンジンに用いているが、どちらも偏向角が小さい。また、光ビームの位置変化は偏向角×伝搬距離で表されることから、波長選択光スイッチが不可避的に大きくなる。

本発明においては、光ビームの位置変化は、光スイッチの特性と無関係に、入出力の回折格子カプラ１１０、１４０の位置によって自由に設定することが可能であり、波長選択光スイッチを小型に構成することが可能になる。

第３及び第５実施形態のように、分光にアレイ導波路回折格子１３０を用いることで、基板に溝を掘って作製する通常の回折格子を利用するよりも、さらに、小型化することができる。回折格子カプラ１１０，１４０は、大きさと中心波長の異なる複数の部分カプラ（セグメント）で形成することができるので、回折格子の分光特性に合わせて等周波数間隔に分割して光信号を取り出すなど、構成の自由度が高い。

従来のＭＥＭＳミラーやＬＣＯＳのラー寸法や画素寸法は、均一な特性を得るために全て等しい。このため、信号光を等周波数間隔に分光することが難しい。また、従来のＭＥＭＳミラーやＬＣＯＳによるスイッチの動作速度は、ミリ秒以上であるのに対して、本発明では、半導体光スイッチを利用するので、熱光学効果を利用する場合で１００マイクロ秒、キャリアプラズマ効果を利用する場合でナノ秒オーダの高速スイッチングが可能である。

従来構成では、分光と合波の光学系が完全に共有されているため、別々に最適な配置とすることができず、位置合わせも困難である。本発明の第１〜第３の実施形態では、分光の光学系のみ位置調整をすればよいので、組み立てが容易である。

従来構成では、複数入力の波長選択光スイッチを構成するためには、ＭＥＭＳミラーやＬＣＯＳを多段に接続する必要があり、光学系がさらに大型化・複雑化して組み立てが困難になり、付随的に損失やクロストークが増大する。本発明では、光導波路によるマトリックス光スイッチを利用するので、組み立てが困難になることはない。

従来の集積型の光スイッチ構成では、モノリシックに分光用のアレイ導波路回折格子、光スイッチ、合波用アレイ導波路回折格子をすべて集積している。光導波路の有効屈折率は、導波路コア寸法に依存するので、作製の誤差や揺らぎによって、光導波路の屈折率が変動する。この変動量は導波路の比屈折率差が大きくなるほど顕著となる。この揺らぎが大きくなるとアレイ導波路回折格子の分光特性が悪くなり、クロストークが大きくなる。

上述のように、光回路を小型化し、熱光学効果による光スイッチの動作速度を速くするためには、導波路コア寸法が小さく比屈折率差の大きい光導波路を利用する必要がある。モノリシックに全ての素子を集積した波長選択光スイッチでは、分光特性を良くすることと、小型化・高速化することがトレードオフの関係にある。例えば、石英導波路を用いて作製すると、分光特性は良好でクロストークを−４０ｄＢ以下にできるが、４０チャネルで１入力４出力の波長選択光スイッチの寸法は１０ｃｍ×１０ｃｍ程度となり、スイッチング時間も１０ミリ秒程度となる。

一方、シリコン導波路を用いると、４０チャネルで１入力４出力の波長選択光スイッチの寸法は１ｃｍ×１ｃｍ程度であり、スイッチング時間も１００マイクロ秒程度となるが、クロストークは−１５ｄＢと高い。

本発明では、分光または波長分離に通常の回折格子、あるいは石英導波路などの低比屈折率差の導波路によるアレイ導波路回折格子を用いることで、クロストークを−４０ｄＢ以下にすることができる。同時に、光スイッチにはシリコン光導波路を利用することで、スイッチング時間も１００マイクロ秒以下とすることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、２以上の実施形態を組み合わせることも可能である。たとえば、第２〜第５実施形態のいずれにおいても、図３のように、集光用のレンズ１０７とスイッチング用の光回路の間にプリズム１０７−Ｐを挿入して、回折格子カプラとの結合効率を高めてもよい。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００、３００、４００：波長選択光スイッチ、
１０１，１０１−１、１０１−２：入力用の光ファイバ、
１０２：レンズ、１０３：偏光分離素子、１０４：ガラス基板、１０５：１／２波長板、１０６：回折格子、１０７：レンズ（集光レンズ）、１０７−Ｐ：プリズム、
１０８、１０８Ｂ、２０８、３０８、４０８：光回路（第１の光回路）、
１１０Ｐ、１１０Ｓ：回折格子カプラ、
１１０Ｐ−１〜１１０Ｐ−Ｍ、１１０Ｓ−１〜１１０Ｓ−Ｍ：部分カプラ、
１１１、１１１Ｐ−１〜１１１Ｐ−Ｍ、１１１Ｓ−１〜１１１Ｓ−Ｍ：１入力Ｎ出力の光スイッチ、
１１２Ｐ−１〜１１２Ｐ−Ｎ、１１２Ｓ−１〜１１２Ｓ−Ｎ：Ｍ入力１出力のアレイ導波路回折格子、
１１３P-1〜１１３P-N：遅延回路、１１３S-1〜１１３S-N：遅延回路、
１１４−１〜１１４−Ｎ，１２９：偏光ローテータ、
１１５−１〜１１５−N：偏光合波器、
１１６−１〜１１６−Ｎ：出力用の光ファイバ、
１１７Ａ、１１７Ｂ：遅延回路、
１２３Ｐ−１〜１２３Ｐ−Ｍ、１２３−１〜１２３Ｓ−Ｍ：Ｋ入力Ｎ出力の光スイッチ、
１２４：ＭＺ型の２×２光スイッチ、
１２５、１５０：光回路（第２の光回路）、
１２６：シリンドリカルレンズ、１２８：偏光分離／合波素子、
１３０−１Ｐ〜１３０−ＫＰ、１３０−１Ｓ〜１３０−ＫＳ：アレイ導波路回折格子、
１３４−１〜１３４−Ｎ：第２の回折格子、
１４０−１Ｐ〜１４０−ＮＰ、１４０−１Ｓ〜１４０−ＮＳ：第２の回折格子カプラ、
１４１−１Ｐ〜１４１−ＮＰ、１４１−１Ｓ〜１４１−ＮＳ：第２のアレイ導波路回折格子

Claims (11)

1. 入力光信号を同一の偏光面を有する２つの光成分に分離する光学部品と、
   回折格子または第１の比屈折率差を有するアレイ導波路回折格子を用いて、前記２つの光成分の各々に含まれるＭ個の波長（Ｍは２以上の整数）を分離する波長分離手段と、
   前記波長分離手段の出力に光学的に接続され、前記２つの光成分の各々をＮ個（Ｎは２以上の整数）の方路に切り替えるスイッチング手段を有する第１の光回路と、
   前記Ｎ個の方路の各々について、前記Ｍ個の波長を合波する合波器と、
   前記Ｎ個の方路の各々について前記２つの光成分の一方の偏光面を９０度回転させた後に前記２つの光成分を合波する偏光合波手段と、
   を有し、
   前記第１の光回路は、前記第１の比屈折率差よりも大きい第２の比屈折率差の光導波路で形成されており、前記２つの光成分の各々に結合する２個の回折格子カプラと、前記回折格子カプラの出力に接続される２Ｍ個のＮ出力光スイッチと、
   を有することを特徴とする波長選択光スイッチ。
2. 前記波長分離手段は、前記２つの光成分のそれぞれを前記Ｍ個の波長に分光する前記回折格子であり、
   前記回折格子で分光された前記２つの光成分は、集光レンズを介して前記第１の光回路の前記回折格子カプラに結合されることを特徴とする請求項１に記載の波長選択光スイッチ。
3. 前記波長分離手段は、前記第１の比屈折率差の導波路を有する第２の光回路に形成された２個の１入力Ｍ出力アレイ導波路回折格子であり、
   ２個の前記１入力Ｍ出力アレイ導波路回折格子から出射された前記２つの光成分は、シリンドリカルレンズと集光レンズによって、前記第１の光回路の前記回折格子カプラに結合されることを特徴とする請求項１に記載の波長選択光スイッチ。
4. 前記光学部品は、前記回折格子の前段に配置されて、入力光ファイバから出力される前記入力光信号を互いに直交する２つの偏光に分離する偏光分離素子と、前記２つの偏光の一方の偏光面を９０度回転させる偏光回転手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の波長選択光スイッチ。
5. 前記光学部品は前記第２の光回路に形成され、前記１入力Ｍ出力アレイ導波路回折格子の前段で前記入力光信号を互いに直交する２つの偏光に分離する偏光分離素子と、前記２つの偏光の一方の偏光面を９０度回転させる偏光回転手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の波長選択光スイッチ。
6. 前記合波器は前記第１の光回路に形成され、前記Ｎ出力光スイッチのＮ個の出力の各々に接続される２Ｎ個のＭ入力１出力アレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の波長選択光スイッチ。
7. 前記合波器は前記第２の光回路に形成される２Ｎ個のＭ入力１出力アレイ導波路回折格子であり、
   前記第１の光回路は、前記Ｎ出力光スイッチのＮ個の出力の各々に接続されて前記Ｎ出力光スイッチから出力される光を前記第２の光回路の前記Ｍ入力１出力アレイ導波路回折格子に結合させる２Ｎ個の第２の回折格子カプラを有することを特徴とする請求項３に記載の波長選択光スイッチ。
8. 前記偏光合波手段は前記第１の光回路に形成され、対を成す２つの前記Ｍ入力１出力アレイ導波路回折格子の一方の出力に接続されるＮ個の偏光ローテータと、前記偏光ローテータの出力、及び前記対を成す２つの前記Ｍ入力１出力アレイ導波路回折格子の他方の出力に接続されるＮ個の偏光合波器を有することを特徴とする請求項６に記載の波長選択光スイッチ。
9. 前記偏光合波手段は前記第２の光回路に形成され、対を成す２つの前記Ｍ入力１出力アレイ導波路回折格子の一方の出力に接続されるＮ個の偏光ローテータと、前記偏光ローテータの出力、及び前記対を成す２つの前記Ｍ入力１出力アレイ導波路回折格子の他方の出力に接続されるＮ個の偏光合波器を有することを特徴とする請求項７に記載の波長選択光スイッチ。
10. 前記波長分離手段と前記第１の光回路の間に挿入されて、前記回折格子カプラへの入射角を制御するプリズム、
    をさらに有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の波長選択光スイッチ。
11. Ｋ本の入力光ファイバから（Ｋは１以上、Ｎ以下の整数）、前記波長選択光スイッチにＫ個の前記入力光信号が入力され、
    前記第１の光回路は、２Ｋ個の前記回折格子カプラと、２Ｍ個のＫ入力Ｎ出力光スイッチを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の波長選択光スイッチ。