JP4090286B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の伝播経路を切り換える光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号は、高速・大容量の信号伝送に適しており、長距離の基幹通信システムでは光信号を用いた信号伝送がすでに実用化されている。このようなシステムでは、光信号の伝送経路を切り換えるスイッチ機能が必須である。
【０００３】
従来、光信号の伝送経路の切り換えは、光信号を一旦電気信号に変換して信号伝達先を半導体スイッチで切り換え、その後に再び光信号に変換することにより行われていた。しかし、信号の高速化が進み、半導体スイッチを用いた電気的な切り換え方法ではもはや対応できなくなってきている。
【０００４】
そこで、電気信号への変換を行わずに光信号のまま伝送経路を切り換えることが可能な光スイッチの開発が進められている。このような光スイッチの実現手法としては複数の方式が提案されているが、例えば、光偏向素子を用いた光スイッチは、高速な切り換え動作が期待できる。光偏向素子は、電界により屈折率が変化する電気光学効果を有する結晶を光導波路として用い、この光導波路の上下にプリズム状の電極を形成して電圧を印加することにより、光導波路内を伝播する光を偏光させる。
【０００５】
図１１は、光偏向素子を用いた従来の光スイッチの構成例を示す図である。
図１１では例として、光信号に対して３×４チャンネルの入力および出力を有する光スイッチ８００の構成例を示している。この光スイッチ８００は、光入力導波路部８１０、コリメート部８２０、入力側光偏向素子部８３０、共通光導波路８４０、出力側光偏向素子部８５０、集光部８６０、および光出力導波路部８７０によって構成される。この光スイッチ８００では、例えば、光入力導波路部８１０、コリメート部８２０、共通光導波路８４０、集光部８６０、および光出力導波路部８７０が基板上に一体的に形成され、この基板上に入力側光偏向素子部８３０および出力側光偏向素子部８５０が実装されている。
【０００６】
光入力導波路部８１０には、各入力チャンネルに対応する複数本の光入力導波路８１１、８１２および８１３が形成され、各光導波路に光信号が入射される。また、光出力導波路部８７０にも同様に、各出力チャンネルに対応する複数本の光出力導波路８７１、８７２、８７３および８７４が形成され、各光導波路から光信号が出射される。
【０００７】
コリメート部８２０は、各入力側光導波路８１１〜８１３に対応する複数のコリメートレンズ８２１、８２２および８２３により構成される。各コリメートレンズ８２１〜８２３は、光入力導波路部８１０の各光入力導波路８２１〜８２３から放射状に広がって出射される光を平行光に変換して、入力側光偏向素子部８３０に入射させる。
【０００８】
入力側光偏向素子部８３０には、入力チャンネルに対応する光偏向素子８３１、８３２および８３３が設けられている。各光偏向素子８３１〜８３３では、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型導波路（図示せず）に対して、下部電極である２つのプリズム型電極８３１ａおよび８３１ｂと、上部電極である導電性基板（図示せず）とによって電圧が印加されることにより、スラブ型導波路内の屈折率が変化して、入射した光信号の伝播方向が変化される。
【０００９】
共通光導波路８４０はスラブ型導波路により構成され、入力側光偏向素子部８３０を通過した光を出力側光偏向素子部８５０に伝達する。
出力側光偏向素子部８５０には、各出力チャンネルに対応する複数の光偏向素子８５１、８５２、８５３および８５４が設けられている。各光偏向素子８５１〜８５４は、入力側光偏向素子部８３０に設けられた光偏向素子８３１〜８３３と同様な構造を有しており、入力側光偏向素子部８３０から共通光導波路８４０を介して入射した光の伝播方向を変化させて、集光部８６０内の対応する集光レンズ８６１、８６２、８６３および８６４に入射させる。
【００１０】
集光部８６０は、各光出力導波路８７０内の各光出力導波路８７１〜８７４に対応する複数の集光レンズ８６１〜８６４が設けられている。各集光レンズ８６１〜８６４は、出力側光偏向素子部８５０内の対応する光偏向素子８５１〜８５４を通過した光を集光して、光出力導波路部８７０の対応する光出力導波路８７１〜８７４に導く。
【００１１】
このような光スイッチ８００では、入力側光偏向素子部８３０および出力側光偏向素子部８５０の各光偏向素子に印加する電圧を制御することにより、各入力チャンネルから入力された光信号をいずれかの出力チャンネルに対して切り換えて伝達させることができる。また、入力側光偏向素子部８３０内および出力側光偏向素子部８５０内において各光偏向素子を同時に使用可能であるので、３つの入力チャンネルに同時に入力された光信号を、異なるいずれかの出力チャンネルに伝達させることが可能となっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来の光スイッチでは、光信号の入力側および出力側の双方に、チャンネル数だけの光偏向素子を設けなければならない。また、同様に、入出力のチャンネル数に応じたコリメートレンズおよび集光レンズを独立して形成しなければならない。このように、従来の光スイッチは構造が複雑で、製造コストを抑制することができなかった。
【００１３】
さらに、入出力のチャンネル数の増加に伴い、光スイッチの小型化に対する要求も強まっている。多チャンネル化した場合、特に光信号の伝達方向の長さを短くするためには、光偏向素子部の偏向角度を大きくする必要がある。このためには、光偏向素子部において印加する電圧を高めるか、あるいは電圧印加による屈折率変化の大きい材料を使用する必要があり、消費電力や製造コストを上昇させる結果となる。
【００１４】
また、上記構造の光スイッチで、入出力を１×ｎチャンネルとした場合では、複数入力された光信号について、出力側に一括切り換えするための用途に使用される場合が多い。ここで、一括切り換えとは、入力側のｍチャンネルに対して、出力側で各入力チャンネルに対応するｍ個の出力チャンネルをそれぞれ有する光導波路の組み合わせをｎ組だけ設け、入力されたｍチャンネル分の光信号を一括していずれかの光導波路の組み合わせに出力することを言う。
【００１５】
このような一括切り換えを行うためには、１×ｎチャンネルの入出力を有する光スイッチをｍ個だけ並列させ、その後段で、各光スイッチの光出力導波路をｎ組の光導波路束に組み替える必要がある。このため、全体の長さが長くなり、構造も複雑になることが問題となっていた。
【００１６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、構造が単純で装置を小型化することが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、光信号の伝播経路を切り換える光スイッチにおいて、外部から光信号の入力を受けるｍ本（ｍ：２以上の整数）の光入力導波路と、前記各光入力導波路を通過した光信号を個別にコリメートするコリメートレンズが一体に形成されたコリメート部と、前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切り換える複数の光偏向素子と、前記各光偏向素子を通過した光信号が伝播する共通光導波路と、前記光偏向素子から前記共通光導波路を通じて伝播する各光信号を結像させるｎ個（ｎ：２以上の整数）の集光レンズが一体に形成された集光部と、前記各光偏向素子から前記共通光導波路を介して伝播する光信号が前記各集光レンズにより結像するすべての位置に対応して配置され、入射した光信号を外部へ出力する（ｍ×ｎ）本の光出力導波路とを有することを特徴とする光スイッチが提供される。
【００１８】
このような光スイッチでは、外部から各光入力導波路に入力された光信号が、コリメート部においてコリメートされ、光偏向素子において伝播方向が切り換えられる。光偏向素子から出射した光信号は、共通光導波路を伝播していずれかの集光レンズに入射し、その出射側の光出力導波路に結像して外部に出力される。このとき、異なる光偏向素子から同じ集光レンズに入射した光信号は、集光レンズに対する入射角が異なるため、すべて異なる光出力導波路に結像して外部に個別に出力される。
【００１９】
ここで、光信号をコリメートする複数のコリメートレンズ、および光信号を結像させる複数の集光レンズは、それぞれ一体に形成される。このようなコリメート部および集光部は、例えば基板上に形成された光導波路にエッチング等を施すことにより容易に形成される。また、光偏向素子は各コリメートレンズの出射側にのみ設けられ、各集光レンズの入射側には個別の光偏向素子が設けられず、集光レンズには共通光導波路を伝播した光信号が直接入射する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【００２３】
図１に示す光スイッチ１００は、１つの入力チャンネルの光信号を複数の出力チャンネルに切り換えて出力する。図１では例として、１×４の入出力チャンネルを有する光スイッチ１００を示している。
【００２４】
この光スイッチ１００は、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部１６０によって構成される。
【００２５】
光入力導波路１１０には、入射側に例えば光ファイバ等が接続されて、外部から光信号が入射される。また、光出力導波路部１６０には、各出力チャンネルに対応する複数本の光出力導波路１６１、１６２、１６３および１６４が形成され、各光出力導波路１６１〜１６４より外部に対して光信号が出射される。
【００２６】
コリメートレンズ１２０は、光入力導波路１１０から放射状に広がって出射される光信号を平行光に変換して、光偏向素子１３０に入射させる。
光偏向素子１３０は、コリメートレンズ１２０を通過した光信号の伝播方向を変化させる。この光偏向素子１３０では、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型導波路（図示せず）に対して、下部電極である２つのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂと、上部電極である導電性基板（図示せず）とによって電圧が印加される。これにより、スラブ型導波路内の屈折率が変化して、コリメートレンズ１２０からスラブ導波路内に入射した光信号の伝播方向が変化する。なお、この光偏向素子１３０の構造については、後の図２において詳述する。
【００２７】
共通光導波路１４０は、スラブ型導波路により構成され、光偏向素子１３０を通過した光信号を集光部１５０に伝達する。
集光部１５０には、光出力導波路１６１〜１６４にそれぞれ対応する複数の集光レンズ１５１、１５２、１５３および１５４が一体に設けられている。各集光レンズ１５１〜１５４は、光偏向素子１３０から共通光導波路１４０を伝播した光信号を、対応する光出力導波路１６１〜１６４に結像させる。
【００２８】
このような光スイッチ１００は、以下のように動作する。
光入力導波路１１０に入射した光信号は、コリメートレンズ１２０によって平行光に変換されて、光偏向素子１３０に入射する。光偏向素子１３０では、各プリズム型電極に印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向を任意に変化させ、共通光導波路１４０を介して集光部１５０の集光レンズ１５１〜１５４のいずれかに入射させる。各集光レンズ１５１〜１５４に入射した光信号は、出射側に配置された対応する光出力導波路１６１〜１６４に結像されて入射し、各光出力導波路１６１〜１６４から光信号が外部に出力される。
【００２９】
これにより上記の光スイッチ１００では、光偏向素子１３０における印加電圧を制御することにより、入力された１チャンネルの光信号を任意の光出力導波路１６１〜１６４から出力することが可能となっている。
【００３０】
以上の光スイッチ１００では、コリメートレンズ１２０の出射側にのみ光偏向素子１３０が設けられ、この光偏向素子１３０から共通光導波路１４０を伝播した光信号が、集光部１５０の各集光レンズ１５１〜１５４に直接入射する構造になっている。従って、構造が単純であり、光偏向素子１３０の数が少ないので部品コストが抑制される。また、従来のように集光部１５０の入射側に光偏向素子が設けられていないため、入力側の光偏向素子における偏向角度を同じにした場合、この光偏向素子から出力側の集光レンズまでの距離を短くすることができる。従って、光スイッチ全体の大きさを抑制することができ、設置スペースの効率が高められる。
【００３１】
さらに、集光部１５０では各光出力導波路１６１〜１６４に対応する集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成されている。このような集光部１５０は単純な構造であり、後述するように例えばエッチング等により容易に形成することができるため、製造コストを抑制することができる。
【００３２】
次に、本実施の形態の光スイッチの製造方法の例について説明する。
上記の光スイッチ１００では、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、共通光導波路１４０、集光部１５０および光出力導波路部１６０が、石英等の基板上に一体的に形成され、この基板上に光偏向素子１３０が実装された構造を有している。
【００３３】
図２は、光偏向素子１３０の構成例を示す図である。図２（Ａ）は光偏向素子１３０の平面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
光偏向素子１３０は、導電性基板１３１上にスラブ型光導波路１３２が形成され、さらにプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂが設けられた構造を有する。導電性基板１３１としては、強誘電体であるＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）の単結晶にＮｂをドープして導電性を持たせたものを使用する。また、光導波路１３２には、ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒyＴｉ1-yＯ3））、ＰＬＺＴ（ＰｂxＬａ1-x（ＺｒyＴｉ1-yＯ3））をそれぞれコア、上下クラッドとして使用する。
【００３４】
スラブ型光導波路１３２は、導電性基板１３１上にＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴの順で、ゾルゲル法、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法またはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等を用いてヘテロエピタキシャル成長させることで積層される。
【００３５】
この後、スラブ型光導波路１３２の導電性基板１３１に対向する面に、三角形状のプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂを形成する。各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂは、互いの斜辺が対向するように配置され、導電性基板１３１との間で同相の電圧が印加された場合に、スラブ型光導波路１３２内を伝播する光信号をそれぞれ逆方向に偏向させる。これらのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂは、白金膜等の金属を用いてフォトリソグラフィ法およびスパッタリング法により成膜した後、所定のサイズに研磨することにより形成される。
【００３６】
なお、図２の例では偏向方向の異なる２つのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂが形成されているが、これらのいずれかのみが形成される場合もある。また、２つのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂの組が、光信号の伝播方向に並列されてもよい。さらに、導電性基板１３１を用いずに、スラブ型光導波路１３２を挟んで上下に同形状のプリズム型電極を設けるようにしてもよい。
【００３７】
次に、図１に戻って、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、共通光導波路１４０、集光部１５０および光出力導波路部１６０を形成する工程を説明する。
【００３８】
この工程は、一般的な光導波路の形成プロセスにより行うことができる。まず、これらを一体に形成するための基板を形成する。この基板としては石英やポリマー等が用いられる。石英の場合、この基板はこの上に形成されるスラブ型導波路の下部クラッドとしても機能する。この基板上に、Ｇｅを拡散させて屈折率を高めた石英によりコアを形成し、さらにこの上に、石英により上部クラッドを形成する。このコアおよび上部クラッドは、例えばＭＯＣＶＤ法等により形成する。これにより、基板上に一様なスラブ型光導波路が形成される。
【００３９】
この後、フォトリソグラフィ法およびスパッタリング法により、上部クラッドの表面に金属膜によるエッチングマスクを形成する。そして、これをマスクとして用い、フッ素系ガス等を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により石英をエッチングして、光入力導波路１１０、光出力導波路１６１〜１６４、コリメートレンズ１２０および集光部１５０と、光偏向素子１３０を搭載するための凹部を形成する。
【００４０】
ここで、集光部１５０では複数の集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成されるが、上記の方法によりこのような集光部１５０は、従来と同じ方法により容易に形成される。
【００４１】
この後さらに、光偏向素子１３０を搭載するための凹部の底面に、光偏向素子１３０のプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂと接続するための電極を設ける。これらの電極は、凹部の底面にレジストを塗布してパターニングを施した後、まずスパッタリング法でチタン膜を積層した後、さらにリフトオフ法により白金膜を積層することで形成される。
【００４２】
そして、この凹部に、光偏向素子１３０を、プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂを基板側に向けた状態で配設し、光導波路間の位置を合わせるとともに、対応する電極同士を半田バンプ等により接続および接着することによって、本実施の形態例である光スイッチ１００が形成される。
【００４３】
以上の光スイッチ１００では、光偏向素子１３０が光信号の入力側にのみ搭載されるため、搭載用の凹部も入力側にのみ設ければよく、製造効率が高められる。また、複数の集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成された集光部１５０は、従来と同じ方法により容易に形成される。従って、従来の光スイッチと比較して、光信号の伝播方向の長さが抑制されながら、製造が容易で製造コストを抑制することができる。
【００４４】
次に、上記の第１の実施の形態の変形例について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図３では、図１で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００４５】
図３に示す光スイッチ２００は、図１と同様に、１入力の光信号を複数の出力チャンネルに切り換えて出力し、その例として１×４の入出力チャンネルを有する光スイッチ２００を示している。
【００４６】
この光スイッチ２００の基本的な構成は、図１の第１の実施の形態の場合と同様であり、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０、共通光導波路１４０、集光部２５０、および光出力導波路部２６０を有している。
【００４７】
このうち、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０および共通光導波路１４０については、図１の場合と同様である。すなわち、外部からの光信号が光入力導波路１１０に入射され、光入力導波路１１０から出射した光信号がコリメートレンズ１２０によって平行光に変換されて、光偏向素子１３０に入射する。光偏向素子１３０では、各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂに印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向が変化して、共通光導波路１４０に出射される。
【００４８】
光信号の出力側には、光信号を外部に出力するための光出力導波路２６１、２６２、２６３および２６４により構成される光出力導波路部２６０と、各光出力導波路２６１〜２６４に光信号を結像させる集光レンズ２５１、２５２、２５３および２５４により構成される集光部２５０が設けられている。集光部２５０では、これらの集光レンズ２５１〜２５４が一体的に形成されている。
【００４９】
これらの集光レンズ２５１〜２５４と光出力導波路２６１〜２６４は、これらが有する光軸が、光偏向素子１３０から出射される光信号の光軸に一致するように配置されている。すなわち、集光レンズ２５１〜２５４と光出力導波路２６１〜２６４の光軸は、光偏向素子１３０上の偏向中心から放射状の方向に一致している。なお、光偏向素子１３０上の偏向中心は、厳密には偏向方向や各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂへの電圧印加状態によって変化する場合があるが、この偏向中心は概ね、光偏向素子１３０のプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂの設置部における中心部とすることができる。
【００５０】
このような配置により、光偏向素子１３０から出射された光信号は、共通光導波路１４０を介して各集光レンズ２５１〜２５４で結像され、対応する光出力導波路２６１〜２６４に入射する。このとき、光信号の光軸と、各集光レンズ２５１〜２５４および光出力導波路２６１〜２６４の光軸とが一致しているため、図１に示した光スイッチ１００と比較して、より高い効率で光信号を光出力導波路２６１〜２６４に光結合される。従って、全体として低損失な光スイッチを実現することが可能となる。
【００５１】
このような光スイッチ２００は、図１に示した光スイッチ１００と同様な方法により製造することが可能である。集光部２５０および光出力導波路部２６０は、各集光レンズ２５１〜２５４および光出力導波路２６１〜２６４が上記のように正しく配置されるようにエッチングマスクを形成し、光導波路のエッチングを行うことにより、図１の場合と同様に容易に形成することが可能である。従って、本発明の第２の実施の形態では、小型で製造コストが低減され、さらに光信号の伝播効率が高められた光スイッチが容易に実現される。
【００５２】
次に、上記のような１×ｎ（ｎ：２以上の整数）の入出力チャンネルを有する光スイッチを複数設けることにより、複数の入出力チャンネル同士の接続切り換えを実現した光スイッチモジュールについて説明する。
【００５３】
図４は、本発明の第３の実施の形態例である光スイッチモジュールの全体構成を示す平面図である。なお、図４では、図３で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００５４】
図４に示す光スイッチモジュール３００は、図３に示した構造を有する光スイッチが例として３つ並列された構造を有している。これらの光スイッチ３０１、３０２および３０３は、同一基板上に集積されている。各光スイッチ３０１〜３０３は同一の構造を有しているので、ここでは光スイッチ３０１についてのみ構成を説明する。
【００５５】
光スイッチ３０１は、図３の光スイッチ２００と同様に１×４の入出力チャンネルの接続を切り換えるものであり、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０、共通光導波路１４０、集光部２５０、および光出力導波路部２６０を有している。
【００５６】
この光スイッチ３０１では、外部からの光信号が光入力導波路１１０に入射され、光入力導波路１１０から出謝した光信号がコリメートレンズ１２０によって平行光に変換されて、光偏向素子１３０に入射する。光偏向素子１３０では、各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂに印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向が変化して、この光信号が共通光導波路１４０に出射される。共通光導波路１４０を伝播した光信号は、集光部２５０において一体的に形成された各集光レンズ２５１〜２５４に入射し、さらに出射側の各光出力導波路２６１〜２６４に結像してこれらに入射し、各光出力導波路２６１〜２６４から外部に出射される。
【００５７】
これらの集光レンズ２５１〜２５４と光出力導波路２６１〜２６４は、これらが有する光軸が、光偏向素子１３０から出射される光信号の光軸に一致するように配置されている。このような配置により、光偏向素子１３０から出射された光信号は、各集光レンズ２５１〜２５４を通じて各光出力導波路２６１〜２６４に対して低損失で光結合される。
【００５８】
以上の光スイッチ３０１により、１×４の入出力チャンネル間の接続切り換えが行われる。光スイッチモジュールでは、同様の構成を有する３つの光スイッチ３０１〜３０３が並列されることにより、３つの入力チャンネルからのそれぞれの光信号を個別に４つの出力チャンネルに振り分けることが可能となっている。この光スイッチモジュールでは、集光部２５０の入射側に光偏向素子が設けられないため、構造が単純となり、特に部品コストの低減効果が大きい。また、光信号の伝播方向の長さが抑制され、装置全体を小型化することができる。
【００５９】
なお、以上の第３の実施の形態では、図３に示した構造の光スイッチを並列した例を示したが、例えば図１に示した構造の光スイッチを並列することにより実現されてもよい。ただしこの場合は、光信号の伝播効率が低くなる。
【００６０】
ところで、図４に示した光スイッチモジュール３００は、複数の入力チャンネルからの光信号について、出力側に一括切り換えするための用途に使用される場合が多い。ここで、一括切り換えとは、入力側のｍ（ｍ：２以上の整数）チャンネルに対して、出力側で各入力チャンネルに対応するｍ個の出力チャンネルをそれぞれ有する光導波路の組み合わせをｎ組だけ設け、入力されたｍチャンネル分の光信号を一括していずれかの光導波路の組み合わせに出力することを言う。
【００６１】
図５は、複数の入力チャンネルの一括切り換えを行う場合の構成例を模式的に示す図である。
図５では、３つの入力チャンネルＩＮ１１、ＩＮ１２およびＩＮ１３からの光信号を、３チャンネルずつ４系統の出力系ＯＵＴ３１、ＯＵＴ３２、ＯＵＴ３３およびＯＵＴ３４に一括して切り換えるための構成を示している。この図５において、各入力チャンネルＩＮ１１〜１３からの光信号が光スイッチモジュール３００に入力される。この光スイッチモジュール３００は図４で示した通り、それぞれ１×４の入出力チャンネルを有する光スイッチ３０１〜３０３が並列されている。ここで、各光スイッチ３０１〜３０３が有する４チャンネルずつの出力系をＯＵＴ２１、ＯＵＴ２２およびＯＵＴ２３とする。なお、図５では光信号の伝播経路のみを模式的に表しており、各光スイッチ３０１〜３０３内の構造については省略している。
【００６２】
光スイッチモジュール３００の出射側には光配線の組み替え部３７０が設けられ、この組み替え部３７０により光スイッチモジュール３００の出力系ＯＵＴ２１〜ＯＵＴ２３の各光導波路と、最終的な出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４の各光導波路とが結合される。ここで、各出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３３には、各光スイッチ３０１〜３０３の出力系ＯＵＴ２１〜２３から１本ずつの光導波路を接続する。すなわち、出力系ＯＵＴ２１〜２３のそれぞれにおける第１チャンネルを、出力系ＯＵＴ３１の各チャンネルに接続する。同様に、出力系ＯＵＴ２１〜２３の各第２チャンネルを出力系ＯＵＴ３２に接続し、第３チャンネルを出力系ＯＵＴ３３に接続し、第４チャンネルを出力系ＯＵＴ３４に接続する。
【００６３】
このような構成において、各光スイッチ３０１〜３０３における経路切り換えの際に、それぞれの出力系ＯＵＴ２１〜２３内の同じチャンネルに切り換えるように動作させる。例えば、光スイッチ３０１で出力系２１の第１チャンネルに切り換えた場合は、他の光スイッチ３０２および３０３においてもともに出力系２２および２３内の第１チャンネルに対する切り換えを行う。このような動作により、３つの入力チャンネルＩＮ１１〜ＩＮ１３の光信号を一括して出力系３１〜３４のいずれかに切り換えて出力することができる。
【００６４】
このような構成では、光スイッチモジュール３００と、最終的な出力系ＯＵＴ３１〜３４の光導波路との間に、光配線の組み替え部３７０が必ず必要となることから、光スイッチモジュール３００の小型化への要求が高かった。従って、光スイッチモジュール３００に対して図１および図３に示した本発明の光スイッチを適用することにより、光スイッチモジュール３００について、光信号の伝播方向の長さが抑制され、装置全体を小型化することが可能となる。
【００６５】
次に、図１に示した光スイッチに対して、光偏向素子を複数設けることにより、複数の入力チャンネルからの光信号の経路切り換えを可能とした光スイッチについて説明する。
【００６６】
図６は、本発明の第４の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図６では、図１で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００６７】
図６に示す光スイッチ４００は、光入力導波路部４１０、コリメート部４２０、光偏向素子部４３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部４６０を有している。
【００６８】
光入力導波路部４１０には、各入力チャンネルに対応する光入力導波路４１１、４１２および４１３が形成されており、各光入力導波路４１１〜４１３に外部から光信号が入力される。コリメート部４２０では、各光入力導波路４１１〜４１３に対応するコリメートレンズ４２１、４２２および４２３が一体的に形成されている。各コリメートレンズ４２１〜４２３は、各光入力導波路４１１〜４１３から放射状に広がって出射される光を平行光に変換して、光偏向素子部４３０に入射させる。
【００６９】
光偏向素子部４３０には、各入力チャンネルに対応する光偏向素子４３１、４３２および４３３が設けられている。各光偏向素子４３１〜４３３の基本的な構造は、図１の光スイッチに設けられた光偏向素子と同じである。ここで代表して光偏向素子４３１についてのみ説明すると、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型導波路に対して、下部電極である２つのプリズム型電極４３１ａおよび４３１ｂと、上部電極である導電性基板（図示せず）とによって電圧が印加されることにより、スラブ型導波路内の屈折率が変化して光信号の伝播方向が変化される。
【００７０】
なお、光偏向素子部４３０では、各光偏向素子４３１〜４３３を構成するスラブ型光導波路と導電性基板とを共通の部材として形成することができる。この場合、共通の導電性基板上にＰＬＺＴおよびＰＺＴ等によりそれぞれ上下クラッドおよびコアを形成した後、上クラッド上に各光偏向素子４３１〜４３３が具備するプリズム型電極を一度に成膜することにより、各光偏向素子４３１〜４３３が一体となった光偏向素子部４３０を容易に形成することができる。
【００７１】
光偏向素子４３１〜４３３を出射した各光信号は、共通光導波路１４０を伝播して集光部１５０に入射する。集光部１５０には、例として４つの集光レンズ１５１、１５２、１５３および１５４が一体に設けられている。各集光レンズ１５１〜１５４は、光偏向素子１３０から共通光導波路１４０を伝播した光信号を、光出力導波路部４６０内の対応する光出力導波路に結像させ、外部に出力させる。
【００７２】
ここで、光偏向素子４３１〜４３３のそれぞれから伝播した光信号は、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれに対してすべて入射角度が異なる。このため、これらの光信号が各集光レンズ１５１〜１５４によって結像される位置もすべて異なる。このことから、光スイッチ４００では、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれ出射側において、各光偏向素子４３１〜４３３からの光信号の結像位置のすべてに、光出力導波路部４６０の光出力導波路を配置する。例えば、集光レンズ１５１の出射側には３本の光出力導波路４６１、４６２および４６３が配置される。これにより、３つの光偏向素子４３１〜４３３に対応する３本ずつの光出力導波路が、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれの出射側に配置され、光出力導波路部４６０内には合計１２本の光出力導波路が設けられる。
【００７３】
このような光スイッチ４００では、集光レンズ１５１〜１５４のいずれの出射側においても、光偏向素子４３１〜４３３のそれぞれから出射された光信号を独立して取り出すことができる。例えば、各光偏向素子４３１〜４３３から集光レンズ１５１に入射した光信号は、それぞれ光出力導波路４６１〜４６３に入射して、個別に出力させることができる。
【００７４】
以上の光スイッチ４００では、コリメート部４２０の出射側にのみ光偏向素子４３１〜４３３が設けられ、これらから出射して共通光導波路１４０を伝播した光信号が、集光部１５０の各集光レンズ１５１〜１５４に直接入射する構造になっている。また、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれは、入力側の全光偏向素子４３１〜４３３によって共用される。従って、構造が単純で製造効率が高められるとともに、光偏向素子の数が少ないので部品コストが抑制される。また、従来のように集光部の入射側に光偏向素子が設けられていないため、入力側の光偏向素子における偏向角度を同じにした場合、光偏向素子から集光レンズまでの距離を短くすることができる。従って、光スイッチ４００の全体を小型化することができる。
【００７５】
さらに、集光部１５０では各集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成されているとともに、コリメート部４２０でも各コリメートレンズ４２１〜４２３が一体に形成されている。このような集光部１５０およびコリメート部４２０はエッチング等により容易に形成することができるため、製造コストを高めることなく上記効果を得ることができる。
【００７６】
ところで、この光スイッチ４００は、例えば、図５で示したような複数の入力チャンネルの一括切り換えを行う用途に使用することができる。図７は、この光スイッチ４００を用いた複数の入力チャンネルの一括切り換えについて説明するための図である。
【００７７】
図７では、上記の光スイッチ４００における入出力チャンネルの接続切り換えについて模式的に示している。この図７において、光スイッチ４００は光入力導波路４１２〜４１３に対応する３つの入力チャンネルＩＮ１１、ＩＮ１２およびＩＮ１３を有している。また、出力側には、３チャンネルずつ４系統の出力系ＯＵＴ３１、ＯＵＴ３２、ＯＵＴ３３およびＯＵＴ３４が設けられている。すなわち、出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４内の合計１２の出力チャンネルが、光出力導波路部４６０内の各光出力導波路に対応している。
【００７８】
ここで、光スイッチ４００では、入力チャンネルＩＮ１１は、各出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４内の第１チャンネルに接続することができる。同様に、入力チャンネルＩＮ１２は各出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４内の第２チャンネルに接続され、入力チャンネルＩＮ１３は第３チャンネルに接続される。従って、光スイッチ４００において、入力チャンネルＩＮ１１〜ＩＮ１３のすべての光信号を、必ず同じ出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４に接続させるような切り換え動作を行うことで、入力された複数チャンネルの光信号を一括して切り換えることが可能となる。
【００７９】
ところで、図５の構成で一括切り換えを行う場合は、光スイッチモジュール３００と最終的な出力チャンネルとなる光出力導波路との間に光配線の組み替え部３７０を設ける必要があった。しかし、本実施の形態の光スイッチを用いた一括切り換えでは、図７に示すように出力段に光配線の組み替え部を設ける必要がない。このため、構造が単純で製造効率が高まるとともに、素子サイズを大幅に縮小することが可能となる。従って、本実施の形態の光スイッチがこのような複数入力された光信号を一括して切り換えるための用途に適している。
【００８０】
次に、上記の第４の実施の形態の変形例について説明する。
図８は、本発明の第５の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図８では、図６で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００８１】
図８に示す光スイッチ５００の基本的な構成は、図６で示した光スイッチと同様であり、光入力導波路部４１０、コリメート部４２０、光偏向素子部４３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部５６０を有している。このうち、光入力導波路部４１０、コリメート部４２０、光偏向素子部４３０、共通光導波路１４０および集光部１５０については、図６の場合と同様である。
【００８２】
すなわち、外部からの光信号が光入力導波路部４１０内の光入力導波路４１１〜４１３にそれぞれ入射され、これらから出射した光信号がコリメート部４２０の各コリメートレンズ４２１〜４２３によって平行光に変換されて、光偏向素子部４３０の各光偏向素子４３１〜４３３に入射する。光偏向素子４３１〜４３３では、各プリズム型電極に印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向が変化して、共通光導波路１４０を介して、集光部１５０内の各集光レンズ１５１〜１５４に入射する。ここで、各光偏向素子４３１〜４３３からの光信号の入射角度が異なることから、各集光レンズ１５１〜１５４による結像位置もそれぞれ異なる。従って、光出力導波路部５６０には、各集光レンズ１５１〜１５４について３本ずつ合計１２本の光出力導波路が設けられる。
【００８３】
ここで、この光スイッチ５００では、光出力導波路部５６０の各光出力導波路の光軸が、集光レンズ１５１〜１５４から出射される対応する光信号の光軸と一致するように、各光出力導波路が配置されている。例えば、集光レンズ１５１の出射側において、光出力導波路５６１の光軸は、光偏向素子４３１から集光レンズ１５１を介して伝播する光信号の光軸に一致し、光出力導波路５６２の光軸は、光偏向素子４３２から集光レンズ１５１を介して伝播する光信号の光軸に一致し、光出力導波路５６３の光軸は、光偏向素子４３３から集光レンズ１５１を介して伝播する光信号の光軸に一致している。これにより、図６に示した第４の実施の形態と比較して、各光出力導波路に対する光信号の結合効率が高められるため、本実施の形態では、接続切り換え動作に伴う光信号の損失がより小さい光スイッチを実現することが可能となる。
【００８４】
次に、上記の第４の実施の形態の光スイッチに対する第２の変形例について説明する。図９は、本発明の第６の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図９では、図６で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００８５】
図９に示す光スイッチ６００の基本的な構成は、図６で示した光スイッチと同様であり、光入力導波路部６１０、コリメート部６２０、光偏向素子部６３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部４６０を有している。このうち、共通光導波路１４０、集光部１５０および光出力導波路部４６０については、図６の場合と同様である。
【００８６】
光スイッチ６００では、光入力導波路部６１０の各光入力導波路６１１、６１２および６１３と、各光入力導波路６１１〜６１３に対応するコリメート部６２０のコリメートレンズ６２１、６２２および６２３、および光偏向素子部６３０の光偏向素子６３１、６３２および６３３のそれぞれの光軸が、集光部１５０のほぼ中央部から放射状の方向に一致するようにされている。ここで、これらの光軸は、集光部１５０内の各集光レンズ１５１、１５２、１５３および１５４の有するすべてのレンズ曲面に対する接線上の中央部を通ることが望ましい。
【００８７】
このような構成の光スイッチ６００と、図６に示した光スイッチとの相違点は以下のようになる。まず、光偏向素子の中央部から集光レンズまでの距離を同じにした場合、本実施の形態の光スイッチ６００では、各光偏向素子６３１〜６３３において、４つの集光レンズ１５１〜１５４に入射させるための偏向角が、光軸に対して左右方向（図中の上下方向）でほぼ均等となる。このため、図６の光スイッチと比較して、各光偏向素子６３１〜６３３において必要な最大の偏向角（絶対値）が小さくなるため、光偏向素子部６３０における印加電圧を低減して、消費電力を抑制することができる。あるいは、光偏向素子６３１〜６３３の具備するプリズム型電極の面積を小さくすることができ、光偏向素子部６３０を小型化することができる。
【００８８】
逆に、光スイッチ６００の光偏向素子部６３０に対して、図６の光スイッチにおいて必要な印加電圧を適用した場合には、各光偏向素子６３１〜６３３における偏向角に余裕が出ることから、光偏向素子部６３０と集光部１５０との間の距離を短縮することができ、光スイッチ６００の全体の大きさを小型化することが可能となる。なお、この場合には、集光レンズ１５１〜１５４に対する最大に入射角が大きくなることから、図８に示した光スイッチのように、光出力導波路の光軸を集光レンズから出射される光信号の光軸に一致させて、光信号の損失増加を防止することが望ましい。
【００８９】
次に、上記の第４、第５および第６の実施の形態の光スイッチについて、各集光レンズに対応する光出力導波路からの出力を合波して取り出すことが可能な光スイッチについて説明する。以下では例として、図８に示した第５の実施の形態に対してこのような機能を付加した構成を挙げる。
【００９０】
図１０は、本発明の第７の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図１０では、図８で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００９１】
図１０に示す光スイッチ７００は、図８で示した光スイッチの出力段に、さらに合波部７７０を設けた構成を有している。この合波部７７０には、集光部１５０の各集光レンズ１５１〜１５４に対応する４つの合波器７７１、７７２、７７３および７７４が設けられている。
【００９２】
この光スイッチ７００では、各光偏向素子４３１〜４３３から入射した光信号が、各集光レンズ１５１〜１５４により別の位置に結像し、これらの各結像位置に光出力導波路が配置される。従って、各集光レンズ１５１〜１５４の出射側には、３本ずつの光出力導波路が配置される。各合波器７７１〜７７４はさらに、このような入射側において集光レンズ１５１〜１５４を共用している３本ずつの光出力導波路の出射光を、１本の光出力導波路に光結合させて外部に出射する。合波器７７１〜７７４としては、例えば、Ｙ分岐型等の分岐光導波路や、方向性結合器、マルチモード干渉型合波器等を適用することができる。
【００９３】
このような光スイッチ７００では、複数の入力チャンネルを複数の出力チャンネルに接続する単純な接続切り換え動作が実現される。また、合波器７７１〜７７４として適用可能な上記の分岐光導波路、方向性結合器、マルチモード干渉型合波器はいずれも、基板上に形成された光導波路に必要なマスクパターンを形成してエッチングするといった容易な方法により形成することが可能である。従って、本実施の形態では、単純な構造で製造効率の高い光スイッチを実現することが可能である。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光スイッチでは、光信号をコリメートする複数のコリメートレンズ、および光信号を結像させる複数の集光レンズが、それぞれ一体に形成される。このようなコリメート部および集光部は、例えば基板上に形成された光導波路にエッチング等を施すことにより容易に形成される。また、光偏向素子は各コリメートレンズの出射側にのみ設けられ、各集光レンズの入射側には個別の光偏向素子が設けられない。従って、構造が単純で製造が容易であるとともに、光信号の伝播方向に対する長さを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図２】光偏向素子の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態例である光スイッチモジュールの全体構成を示す平面図である。
【図５】複数の入力チャンネルの一括切り換えを行う場合の構成例を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態である光スイッチを用いた複数の入力チャンネルの一括切り換えについて説明するための図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図１１】光偏向素子を用いた従来の光スイッチの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１０ 光入力導波路
１２０ コリメートレンズ
１３０ 光偏向素子
１３０ａ、１３０ｂ プリズム型電極
１４０ 共通光導波路
１５０ 集光部
１５１、１５２、１５３、１５４ 集光レンズ
１６０ 光出力導波路部
１６１、１６２、１６３、１６４ 光出力導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の伝播経路を切り換える光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号は、高速・大容量の信号伝送に適しており、長距離の基幹通信システムでは光信号を用いた信号伝送がすでに実用化されている。このようなシステムでは、光信号の伝送経路を切り換えるスイッチ機能が必須である。
【０００３】
従来、光信号の伝送経路の切り換えは、光信号を一旦電気信号に変換して信号伝達先を半導体スイッチで切り換え、その後に再び光信号に変換することにより行われていた。しかし、信号の高速化が進み、半導体スイッチを用いた電気的な切り換え方法ではもはや対応できなくなってきている。
【０００４】
そこで、電気信号への変換を行わずに光信号のまま伝送経路を切り換えることが可能な光スイッチの開発が進められている。このような光スイッチの実現手法としては複数の方式が提案されているが、例えば、光偏向素子を用いた光スイッチは、高速な切り換え動作が期待できる。光偏向素子は、電界により屈折率が変化する電気光学効果を有する結晶を光導波路として用い、この光導波路の上下にプリズム状の電極を形成して電圧を印加することにより、光導波路内を伝播する光を偏光させる。
【０００５】
図１１は、光偏向素子を用いた従来の光スイッチの構成例を示す図である。
図１１では例として、光信号に対して３×４チャンネルの入力および出力を有する光スイッチ８００の構成例を示している。この光スイッチ８００は、光入力導波路部８１０、コリメート部８２０、入力側光偏向素子部８３０、共通光導波路８４０、出力側光偏向素子部８５０、集光部８６０、および光出力導波路部８７０によって構成される。この光スイッチ８００では、例えば、光入力導波路部８１０、コリメート部８２０、共通光導波路８４０、集光部８６０、および光出力導波路部８７０が基板上に一体的に形成され、この基板上に入力側光偏向素子部８３０および出力側光偏向素子部８５０が実装されている。
【０００６】
光入力導波路部８１０には、各入力チャンネルに対応する複数本の光入力導波路８１１、８１２および８１３が形成され、各光導波路に光信号が入射される。また、光出力導波路部８７０にも同様に、各出力チャンネルに対応する複数本の光出力導波路８７１、８７２、８７３および８７４が形成され、各光導波路から光信号が出射される。
【０００７】
コリメート部８２０は、各入力側光導波路８１１〜８１３に対応する複数のコリメートレンズ８２１、８２２および８２３により構成される。各コリメートレンズ８２１〜８２３は、光入力導波路部８１０の各光入力導波路８２１〜８２３から放射状に広がって出射される光を平行光に変換して、入力側光偏向素子部８３０に入射させる。
【０００８】
入力側光偏向素子部８３０には、入力チャンネルに対応する光偏向素子８３１、８３２および８３３が設けられている。各光偏向素子８３１〜８３３では、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型導波路（図示せず）に対して、下部電極である２つのプリズム型電極８３１ａおよび８３１ｂと、上部電極である導電性基板（図示せず）とによって電圧が印加されることにより、スラブ型導波路内の屈折率が変化して、入射した光信号の伝播方向が変化される。
【０００９】
共通光導波路８４０はスラブ型導波路により構成され、入力側光偏向素子部８３０を通過した光を出力側光偏向素子部８５０に伝達する。
出力側光偏向素子部８５０には、各出力チャンネルに対応する複数の光偏向素子８５１、８５２、８５３および８５４が設けられている。各光偏向素子８５１〜８５４は、入力側光偏向素子部８３０に設けられた光偏向素子８３１〜８３３と同様な構造を有しており、入力側光偏向素子部８３０から共通光導波路８４０を介して入射した光の伝播方向を変化させて、集光部８６０内の対応する集光レンズ８６１、８６２、８６３および８６４に入射させる。
【００１０】
集光部８６０は、各光出力導波路８７０内の各光出力導波路８７１〜８７４に対応する複数の集光レンズ８６１〜８６４が設けられている。各集光レンズ８６１〜８６４は、出力側光偏向素子部８５０内の対応する光偏向素子８５１〜８５４を通過した光を集光して、光出力導波路部８７０の対応する光出力導波路８７１〜８７４に導く。
【００１１】
このような光スイッチ８００では、入力側光偏向素子部８３０および出力側光偏向素子部８５０の各光偏向素子に印加する電圧を制御することにより、各入力チャンネルから入力された光信号をいずれかの出力チャンネルに対して切り換えて伝達させることができる。また、入力側光偏向素子部８３０内および出力側光偏向素子部８５０内において各光偏向素子を同時に使用可能であるので、３つの入力チャンネルに同時に入力された光信号を、異なるいずれかの出力チャンネルに伝達させることが可能となっている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来の光スイッチでは、光信号の入力側および出力側の双方に、チャンネル数だけの光偏向素子を設けなければならない。また、同様に、入出力のチャンネル数に応じたコリメートレンズおよび集光レンズを独立して形成しなければならない。このように、従来の光スイッチは構造が複雑で、製造コストを抑制することができなかった。
【００１３】
さらに、入出力のチャンネル数の増加に伴い、光スイッチの小型化に対する要求も強まっている。多チャンネル化した場合、特に光信号の伝達方向の長さを短くするためには、光偏向素子部の偏向角度を大きくする必要がある。このためには、光偏向素子部において印加する電圧を高めるか、あるいは電圧印加による屈折率変化の大きい材料を使用する必要があり、消費電力や製造コストを上昇させる結果となる。
【００１４】
また、上記構造の光スイッチで、入出力を１×ｎチャンネルとした場合では、複数入力された光信号について、出力側に一括切り換えするための用途に使用される場合が多い。ここで、一括切り換えとは、入力側のｍチャンネルに対して、出力側で各入力チャンネルに対応するｍ個の出力チャンネルをそれぞれ有する光導波路の組み合わせをｎ組だけ設け、入力されたｍチャンネル分の光信号を一括していずれかの光導波路の組み合わせに出力することを言う。
【００１５】
このような一括切り換えを行うためには、１×ｎチャンネルの入出力を有する光スイッチをｍ個だけ並列させ、その後段で、各光スイッチの光出力導波路をｎ組の光導波路束に組み替える必要がある。このため、全体の長さが長くなり、構造も複雑になることが問題となっていた。
【００１６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、構造が単純で装置を小型化することが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、光信号の伝播経路を切り換える光スイッチにおいて、外部から光信号の入力を受けるｍ本（ｍ：２以上の整数）の光入力導波路と、前記各光入力導波路を通過した光信号を個別にコリメートするコリメートレンズが一体に形成されたコリメート部と、前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切り換える複数の光偏向素子と、前記各光偏向素子を通過した光信号が伝播する共通光導波路と、前記光偏向素子から前記共通光導波路を通じて伝播する各光信号を結像させるｎ個（ｎ：２以上の整数）の集光レンズが一体に形成された集光部と、前記各光偏向素子から前記共通光導波路を介して伝播する光信号が前記各集光レンズにより結像するすべての位置に対応して配置され、入射した光信号を外部へ出力する（ｍ×ｎ）本の光出力導波路とを有することを特徴とする光スイッチが提供される。
【００１８】
このような光スイッチでは、外部から各光入力導波路に入力された光信号が、コリメート部においてコリメートされ、光偏向素子において伝播方向が切り換えられる。光偏向素子から出射した光信号は、共通光導波路を伝播していずれかの集光レンズに入射し、その出射側の光出力導波路に結像して外部に出力される。このとき、異なる光偏向素子から同じ集光レンズに入射した光信号は、集光レンズに対する入射角が異なるため、すべて異なる光出力導波路に結像して外部に個別に出力される。
【００１９】
ここで、光信号をコリメートする複数のコリメートレンズ、および光信号を結像させる複数の集光レンズは、それぞれ一体に形成される。このようなコリメート部および集光部は、例えば基板上に形成された光導波路にエッチング等を施すことにより容易に形成される。また、光偏向素子は各コリメートレンズの出射側にのみ設けられ、各集光レンズの入射側には個別の光偏向素子が設けられず、集光レンズには共通光導波路を伝播した光信号が直接入射する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【００２３】
図１に示す光スイッチ１００は、１つの入力チャンネルの光信号を複数の出力チャンネルに切り換えて出力する。図１では例として、１×４の入出力チャンネルを有する光スイッチ１００を示している。
【００２４】
この光スイッチ１００は、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部１６０によって構成される。
【００２５】
光入力導波路１１０には、入射側に例えば光ファイバ等が接続されて、外部から光信号が入射される。また、光出力導波路部１６０には、各出力チャンネルに対応する複数本の光出力導波路１６１、１６２、１６３および１６４が形成され、各光出力導波路１６１〜１６４より外部に対して光信号が出射される。
【００２６】
コリメートレンズ１２０は、光入力導波路１１０から放射状に広がって出射される光信号を平行光に変換して、光偏向素子１３０に入射させる。
光偏向素子１３０は、コリメートレンズ１２０を通過した光信号の伝播方向を変化させる。この光偏向素子１３０では、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型導波路（図示せず）に対して、下部電極である２つのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂと、上部電極である導電性基板（図示せず）とによって電圧が印加される。これにより、スラブ型導波路内の屈折率が変化して、コリメートレンズ１２０からスラブ導波路内に入射した光信号の伝播方向が変化する。なお、この光偏向素子１３０の構造については、後の図２において詳述する。
【００２７】
共通光導波路１４０は、スラブ型導波路により構成され、光偏向素子１３０を通過した光信号を集光部１５０に伝達する。
集光部１５０には、光出力導波路１６１〜１６４にそれぞれ対応する複数の集光レンズ１５１、１５２、１５３および１５４が一体に設けられている。各集光レンズ１５１〜１５４は、光偏向素子１３０から共通光導波路１４０を伝播した光信号を、対応する光出力導波路１６１〜１６４に結像させる。
【００２８】
このような光スイッチ１００は、以下のように動作する。
光入力導波路１１０に入射した光信号は、コリメートレンズ１２０によって平行光に変換されて、光偏向素子１３０に入射する。光偏向素子１３０では、各プリズム型電極に印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向を任意に変化させ、共通光導波路１４０を介して集光部１５０の集光レンズ１５１〜１５４のいずれかに入射させる。各集光レンズ１５１〜１５４に入射した光信号は、出射側に配置された対応する光出力導波路１６１〜１６４に結像されて入射し、各光出力導波路１６１〜１６４から光信号が外部に出力される。
【００２９】
これにより上記の光スイッチ１００では、光偏向素子１３０における印加電圧を制御することにより、入力された１チャンネルの光信号を任意の光出力導波路１６１〜１６４から出力することが可能となっている。
【００３０】
以上の光スイッチ１００では、コリメートレンズ１２０の出射側にのみ光偏向素子１３０が設けられ、この光偏向素子１３０から共通光導波路１４０を伝播した光信号が、集光部１５０の各集光レンズ１５１〜１５４に直接入射する構造になっている。従って、構造が単純であり、光偏向素子１３０の数が少ないので部品コストが抑制される。また、従来のように集光部１５０の入射側に光偏向素子が設けられていないため、入力側の光偏向素子における偏向角度を同じにした場合、この光偏向素子から出力側の集光レンズまでの距離を短くすることができる。従って、光スイッチ全体の大きさを抑制することができ、設置スペースの効率が高められる。
【００３１】
さらに、集光部１５０では各光出力導波路１６１〜１６４に対応する集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成されている。このような集光部１５０は単純な構造であり、後述するように例えばエッチング等により容易に形成することができるため、製造コストを抑制することができる。
【００３２】
次に、本実施の形態の光スイッチの製造方法の例について説明する。
上記の光スイッチ１００では、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、共通光導波路１４０、集光部１５０および光出力導波路部１６０が、石英等の基板上に一体的に形成され、この基板上に光偏向素子１３０が実装された構造を有している。
【００３３】
図２は、光偏向素子１３０の構成例を示す図である。図２（Ａ）は光偏向素子１３０の平面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
光偏向素子１３０は、導電性基板１３１上にスラブ型光導波路１３２が形成され、さらにプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂが設けられた構造を有する。導電性基板１３１としては、強誘電体であるＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）の単結晶にＮｂをドープして導電性を持たせたものを使用する。また、光導波路１３２には、ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒyＴｉ1-yＯ3））、ＰＬＺＴ（ＰｂxＬａ1-x（ＺｒyＴｉ1-yＯ3））をそれぞれコア、上下クラッドとして使用する。
【００３４】
スラブ型光導波路１３２は、導電性基板１３１上にＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴの順で、ゾルゲル法、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法またはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等を用いてヘテロエピタキシャル成長させることで積層される。
【００３５】
この後、スラブ型光導波路１３２の導電性基板１３１に対向する面に、三角形状のプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂを形成する。各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂは、互いの斜辺が対向するように配置され、導電性基板１３１との間で同相の電圧が印加された場合に、スラブ型光導波路１３２内を伝播する光信号をそれぞれ逆方向に偏向させる。これらのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂは、白金膜等の金属を用いてフォトリソグラフィ法およびスパッタリング法により成膜した後、所定のサイズに研磨することにより形成される。
【００３６】
なお、図２の例では偏向方向の異なる２つのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂが形成されているが、これらのいずれかのみが形成される場合もある。また、２つのプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂの組が、光信号の伝播方向に並列されてもよい。さらに、導電性基板１３１を用いずに、スラブ型光導波路１３２を挟んで上下に同形状のプリズム型電極を設けるようにしてもよい。
【００３７】
次に、図１に戻って、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、共通光導波路１４０、集光部１５０および光出力導波路部１６０を形成する工程を説明する。
【００３８】
この工程は、一般的な光導波路の形成プロセスにより行うことができる。まず、これらを一体に形成するための基板を形成する。この基板としては石英やポリマー等が用いられる。石英の場合、この基板はこの上に形成されるスラブ型導波路の下部クラッドとしても機能する。この基板上に、Ｇｅを拡散させて屈折率を高めた石英によりコアを形成し、さらにこの上に、石英により上部クラッドを形成する。このコアおよび上部クラッドは、例えばＭＯＣＶＤ法等により形成する。これにより、基板上に一様なスラブ型光導波路が形成される。
【００３９】
この後、フォトリソグラフィ法およびスパッタリング法により、上部クラッドの表面に金属膜によるエッチングマスクを形成する。そして、これをマスクとして用い、フッ素系ガス等を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により石英をエッチングして、光入力導波路１１０、光出力導波路１６１〜１６４、コリメートレンズ１２０および集光部１５０と、光偏向素子１３０を搭載するための凹部を形成する。
【００４０】
ここで、集光部１５０では複数の集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成されるが、上記の方法によりこのような集光部１５０は、従来と同じ方法により容易に形成される。
【００４１】
この後さらに、光偏向素子１３０を搭載するための凹部の底面に、光偏向素子１３０のプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂと接続するための電極を設ける。これらの電極は、凹部の底面にレジストを塗布してパターニングを施した後、まずスパッタリング法でチタン膜を積層した後、さらにリフトオフ法により白金膜を積層することで形成される。
【００４２】
そして、この凹部に、光偏向素子１３０を、プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂを基板側に向けた状態で配設し、光導波路間の位置を合わせるとともに、対応する電極同士を半田バンプ等により接続および接着することによって、本実施の形態例である光スイッチ１００が形成される。
【００４３】
以上の光スイッチ１００では、光偏向素子１３０が光信号の入力側にのみ搭載されるため、搭載用の凹部も入力側にのみ設ければよく、製造効率が高められる。また、複数の集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成された集光部１５０は、従来と同じ方法により容易に形成される。従って、従来の光スイッチと比較して、光信号の伝播方向の長さが抑制されながら、製造が容易で製造コストを抑制することができる。
【００４４】
次に、上記の第１の実施の形態の変形例について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図３では、図１で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００４５】
図３に示す光スイッチ２００は、図１と同様に、１入力の光信号を複数の出力チャンネルに切り換えて出力し、その例として１×４の入出力チャンネルを有する光スイッチ２００を示している。
【００４６】
この光スイッチ２００の基本的な構成は、図１の第１の実施の形態の場合と同様であり、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０、共通光導波路１４０、集光部２５０、および光出力導波路部２６０を有している。
【００４７】
このうち、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０および共通光導波路１４０については、図１の場合と同様である。すなわち、外部からの光信号が光入力導波路１１０に入射され、光入力導波路１１０から出射した光信号がコリメートレンズ１２０によって平行光に変換されて、光偏向素子１３０に入射する。光偏向素子１３０では、各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂに印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向が変化して、共通光導波路１４０に出射される。
【００４８】
光信号の出力側には、光信号を外部に出力するための光出力導波路２６１、２６２、２６３および２６４により構成される光出力導波路部２６０と、各光出力導波路２６１〜２６４に光信号を結像させる集光レンズ２５１、２５２、２５３および２５４により構成される集光部２５０が設けられている。集光部２５０では、これらの集光レンズ２５１〜２５４が一体的に形成されている。
【００４９】
これらの集光レンズ２５１〜２５４と光出力導波路２６１〜２６４は、これらが有する光軸が、光偏向素子１３０から出射される光信号の光軸に一致するように配置されている。すなわち、集光レンズ２５１〜２５４と光出力導波路２６１〜２６４の光軸は、光偏向素子１３０上の偏向中心から放射状の方向に一致している。なお、光偏向素子１３０上の偏向中心は、厳密には偏向方向や各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂへの電圧印加状態によって変化する場合があるが、この偏向中心は概ね、光偏向素子１３０のプリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂの設置部における中心部とすることができる。
【００５０】
このような配置により、光偏向素子１３０から出射された光信号は、共通光導波路１４０を介して各集光レンズ２５１〜２５４で結像され、対応する光出力導波路２６１〜２６４に入射する。このとき、光信号の光軸と、各集光レンズ２５１〜２５４および光出力導波路２６１〜２６４の光軸とが一致しているため、図１に示した光スイッチ１００と比較して、より高い効率で光信号を光出力導波路２６１〜２６４に光結合される。従って、全体として低損失な光スイッチを実現することが可能となる。
【００５１】
このような光スイッチ２００は、図１に示した光スイッチ１００と同様な方法により製造することが可能である。集光部２５０および光出力導波路部２６０は、各集光レンズ２５１〜２５４および光出力導波路２６１〜２６４が上記のように正しく配置されるようにエッチングマスクを形成し、光導波路のエッチングを行うことにより、図１の場合と同様に容易に形成することが可能である。従って、本発明の第２の実施の形態では、小型で製造コストが低減され、さらに光信号の伝播効率が高められた光スイッチが容易に実現される。
【００５２】
次に、上記のような１×ｎ（ｎ：２以上の整数）の入出力チャンネルを有する光スイッチを複数設けることにより、複数の入出力チャンネル同士の接続切り換えを実現した光スイッチモジュールについて説明する。
【００５３】
図４は、本発明の第３の実施の形態例である光スイッチモジュールの全体構成を示す平面図である。なお、図４では、図３で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００５４】
図４に示す光スイッチモジュール３００は、図３に示した構造を有する光スイッチが例として３つ並列された構造を有している。これらの光スイッチ３０１、３０２および３０３は、同一基板上に集積されている。各光スイッチ３０１〜３０３は同一の構造を有しているので、ここでは光スイッチ３０１についてのみ構成を説明する。
【００５５】
光スイッチ３０１は、図３の光スイッチ２００と同様に１×４の入出力チャンネルの接続を切り換えるものであり、光入力導波路１１０、コリメートレンズ１２０、光偏向素子１３０、共通光導波路１４０、集光部２５０、および光出力導波路部２６０を有している。
【００５６】
この光スイッチ３０１では、外部からの光信号が光入力導波路１１０に入射され、光入力導波路１１０から出謝した光信号がコリメートレンズ１２０によって平行光に変換されて、光偏向素子１３０に入射する。光偏向素子１３０では、各プリズム型電極１３０ａおよび１３０ｂに印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向が変化して、この光信号が共通光導波路１４０に出射される。共通光導波路１４０を伝播した光信号は、集光部２５０において一体的に形成された各集光レンズ２５１〜２５４に入射し、さらに出射側の各光出力導波路２６１〜２６４に結像してこれらに入射し、各光出力導波路２６１〜２６４から外部に出射される。
【００５７】
これらの集光レンズ２５１〜２５４と光出力導波路２６１〜２６４は、これらが有する光軸が、光偏向素子１３０から出射される光信号の光軸に一致するように配置されている。このような配置により、光偏向素子１３０から出射された光信号は、各集光レンズ２５１〜２５４を通じて各光出力導波路２６１〜２６４に対して低損失で光結合される。
【００５８】
以上の光スイッチ３０１により、１×４の入出力チャンネル間の接続切り換えが行われる。光スイッチモジュールでは、同様の構成を有する３つの光スイッチ３０１〜３０３が並列されることにより、３つの入力チャンネルからのそれぞれの光信号を個別に４つの出力チャンネルに振り分けることが可能となっている。この光スイッチモジュールでは、集光部２５０の入射側に光偏向素子が設けられないため、構造が単純となり、特に部品コストの低減効果が大きい。また、光信号の伝播方向の長さが抑制され、装置全体を小型化することができる。
【００５９】
なお、以上の第３の実施の形態では、図３に示した構造の光スイッチを並列した例を示したが、例えば図１に示した構造の光スイッチを並列することにより実現されてもよい。ただしこの場合は、光信号の伝播効率が低くなる。
【００６０】
ところで、図４に示した光スイッチモジュール３００は、複数の入力チャンネルからの光信号について、出力側に一括切り換えするための用途に使用される場合が多い。ここで、一括切り換えとは、入力側のｍ（ｍ：２以上の整数）チャンネルに対して、出力側で各入力チャンネルに対応するｍ個の出力チャンネルをそれぞれ有する光導波路の組み合わせをｎ組だけ設け、入力されたｍチャンネル分の光信号を一括していずれかの光導波路の組み合わせに出力することを言う。
【００６１】
図５は、複数の入力チャンネルの一括切り換えを行う場合の構成例を模式的に示す図である。
図５では、３つの入力チャンネルＩＮ１１、ＩＮ１２およびＩＮ１３からの光信号を、３チャンネルずつ４系統の出力系ＯＵＴ３１、ＯＵＴ３２、ＯＵＴ３３およびＯＵＴ３４に一括して切り換えるための構成を示している。この図５において、各入力チャンネルＩＮ１１〜１３からの光信号が光スイッチモジュール３００に入力される。この光スイッチモジュール３００は図４で示した通り、それぞれ１×４の入出力チャンネルを有する光スイッチ３０１〜３０３が並列されている。ここで、各光スイッチ３０１〜３０３が有する４チャンネルずつの出力系をＯＵＴ２１、ＯＵＴ２２およびＯＵＴ２３とする。なお、図５では光信号の伝播経路のみを模式的に表しており、各光スイッチ３０１〜３０３内の構造については省略している。
【００６２】
光スイッチモジュール３００の出射側には光配線の組み替え部３７０が設けられ、この組み替え部３７０により光スイッチモジュール３００の出力系ＯＵＴ２１〜ＯＵＴ２３の各光導波路と、最終的な出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４の各光導波路とが結合される。ここで、各出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３３には、各光スイッチ３０１〜３０３の出力系ＯＵＴ２１〜２３から１本ずつの光導波路を接続する。すなわち、出力系ＯＵＴ２１〜２３のそれぞれにおける第１チャンネルを、出力系ＯＵＴ３１の各チャンネルに接続する。同様に、出力系ＯＵＴ２１〜２３の各第２チャンネルを出力系ＯＵＴ３２に接続し、第３チャンネルを出力系ＯＵＴ３３に接続し、第４チャンネルを出力系ＯＵＴ３４に接続する。
【００６３】
このような構成において、各光スイッチ３０１〜３０３における経路切り換えの際に、それぞれの出力系ＯＵＴ２１〜２３内の同じチャンネルに切り換えるように動作させる。例えば、光スイッチ３０１で出力系２１の第１チャンネルに切り換えた場合は、他の光スイッチ３０２および３０３においてもともに出力系２２および２３内の第１チャンネルに対する切り換えを行う。このような動作により、３つの入力チャンネルＩＮ１１〜ＩＮ１３の光信号を一括して出力系３１〜３４のいずれかに切り換えて出力することができる。
【００６４】
このような構成では、光スイッチモジュール３００と、最終的な出力系ＯＵＴ３１〜３４の光導波路との間に、光配線の組み替え部３７０が必ず必要となることから、光スイッチモジュール３００の小型化への要求が高かった。従って、光スイッチモジュール３００に対して図１および図３に示した本発明の光スイッチを適用することにより、光スイッチモジュール３００について、光信号の伝播方向の長さが抑制され、装置全体を小型化することが可能となる。
【００６５】
次に、図１に示した光スイッチに対して、光偏向素子を複数設けることにより、複数の入力チャンネルからの光信号の経路切り換えを可能とした光スイッチについて説明する。
【００６６】
図６は、本発明の第４の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図６では、図１で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００６７】
図６に示す光スイッチ４００は、光入力導波路部４１０、コリメート部４２０、光偏向素子部４３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部４６０を有している。
【００６８】
光入力導波路部４１０には、各入力チャンネルに対応する光入力導波路４１１、４１２および４１３が形成されており、各光入力導波路４１１〜４１３に外部から光信号が入力される。コリメート部４２０では、各光入力導波路４１１〜４１３に対応するコリメートレンズ４２１、４２２および４２３が一体的に形成されている。各コリメートレンズ４２１〜４２３は、各光入力導波路４１１〜４１３から放射状に広がって出射される光を平行光に変換して、光偏向素子部４３０に入射させる。
【００６９】
光偏向素子部４３０には、各入力チャンネルに対応する光偏向素子４３１、４３２および４３３が設けられている。各光偏向素子４３１〜４３３の基本的な構造は、図１の光スイッチに設けられた光偏向素子と同じである。ここで代表して光偏向素子４３１についてのみ説明すると、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型導波路に対して、下部電極である２つのプリズム型電極４３１ａおよび４３１ｂと、上部電極である導電性基板（図示せず）とによって電圧が印加されることにより、スラブ型導波路内の屈折率が変化して光信号の伝播方向が変化される。
【００７０】
なお、光偏向素子部４３０では、各光偏向素子４３１〜４３３を構成するスラブ型光導波路と導電性基板とを共通の部材として形成することができる。この場合、共通の導電性基板上にＰＬＺＴおよびＰＺＴ等によりそれぞれ上下クラッドおよびコアを形成した後、上クラッド上に各光偏向素子４３１〜４３３が具備するプリズム型電極を一度に成膜することにより、各光偏向素子４３１〜４３３が一体となった光偏向素子部４３０を容易に形成することができる。
【００７１】
光偏向素子４３１〜４３３を出射した各光信号は、共通光導波路１４０を伝播して集光部１５０に入射する。集光部１５０には、例として４つの集光レンズ１５１、１５２、１５３および１５４が一体に設けられている。各集光レンズ１５１〜１５４は、光偏向素子１３０から共通光導波路１４０を伝播した光信号を、光出力導波路部４６０内の対応する光出力導波路に結像させ、外部に出力させる。
【００７２】
ここで、光偏向素子４３１〜４３３のそれぞれから伝播した光信号は、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれに対してすべて入射角度が異なる。このため、これらの光信号が各集光レンズ１５１〜１５４によって結像される位置もすべて異なる。このことから、光スイッチ４００では、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれ出射側において、各光偏向素子４３１〜４３３からの光信号の結像位置のすべてに、光出力導波路部４６０の光出力導波路を配置する。例えば、集光レンズ１５１の出射側には３本の光出力導波路４６１、４６２および４６３が配置される。これにより、３つの光偏向素子４３１〜４３３に対応する３本ずつの光出力導波路が、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれの出射側に配置され、光出力導波路部４６０内には合計１２本の光出力導波路が設けられる。
【００７３】
このような光スイッチ４００では、集光レンズ１５１〜１５４のいずれの出射側においても、光偏向素子４３１〜４３３のそれぞれから出射された光信号を独立して取り出すことができる。例えば、各光偏向素子４３１〜４３３から集光レンズ１５１に入射した光信号は、それぞれ光出力導波路４６１〜４６３に入射して、個別に出力させることができる。
【００７４】
以上の光スイッチ４００では、コリメート部４２０の出射側にのみ光偏向素子４３１〜４３３が設けられ、これらから出射して共通光導波路１４０を伝播した光信号が、集光部１５０の各集光レンズ１５１〜１５４に直接入射する構造になっている。また、集光レンズ１５１〜１５４のそれぞれは、入力側の全光偏向素子４３１〜４３３によって共用される。従って、構造が単純で製造効率が高められるとともに、光偏向素子の数が少ないので部品コストが抑制される。また、従来のように集光部の入射側に光偏向素子が設けられていないため、入力側の光偏向素子における偏向角度を同じにした場合、光偏向素子から集光レンズまでの距離を短くすることができる。従って、光スイッチ４００の全体を小型化することができる。
【００７５】
さらに、集光部１５０では各集光レンズ１５１〜１５４が一体に形成されているとともに、コリメート部４２０でも各コリメートレンズ４２１〜４２３が一体に形成されている。このような集光部１５０およびコリメート部４２０はエッチング等により容易に形成することができるため、製造コストを高めることなく上記効果を得ることができる。
【００７６】
ところで、この光スイッチ４００は、例えば、図５で示したような複数の入力チャンネルの一括切り換えを行う用途に使用することができる。図７は、この光スイッチ４００を用いた複数の入力チャンネルの一括切り換えについて説明するための図である。
【００７７】
図７では、上記の光スイッチ４００における入出力チャンネルの接続切り換えについて模式的に示している。この図７において、光スイッチ４００は光入力導波路４１２〜４１３に対応する３つの入力チャンネルＩＮ１１、ＩＮ１２およびＩＮ１３を有している。また、出力側には、３チャンネルずつ４系統の出力系ＯＵＴ３１、ＯＵＴ３２、ＯＵＴ３３およびＯＵＴ３４が設けられている。すなわち、出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４内の合計１２の出力チャンネルが、光出力導波路部４６０内の各光出力導波路に対応している。
【００７８】
ここで、光スイッチ４００では、入力チャンネルＩＮ１１は、各出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４内の第１チャンネルに接続することができる。同様に、入力チャンネルＩＮ１２は各出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４内の第２チャンネルに接続され、入力チャンネルＩＮ１３は第３チャンネルに接続される。従って、光スイッチ４００において、入力チャンネルＩＮ１１〜ＩＮ１３のすべての光信号を、必ず同じ出力系ＯＵＴ３１〜ＯＵＴ３４に接続させるような切り換え動作を行うことで、入力された複数チャンネルの光信号を一括して切り換えることが可能となる。
【００７９】
ところで、図５の構成で一括切り換えを行う場合は、光スイッチモジュール３００と最終的な出力チャンネルとなる光出力導波路との間に光配線の組み替え部３７０を設ける必要があった。しかし、本実施の形態の光スイッチを用いた一括切り換えでは、図７に示すように出力段に光配線の組み替え部を設ける必要がない。このため、構造が単純で製造効率が高まるとともに、素子サイズを大幅に縮小することが可能となる。従って、本実施の形態の光スイッチがこのような複数入力された光信号を一括して切り換えるための用途に適している。
【００８０】
次に、上記の第４の実施の形態の変形例について説明する。
図８は、本発明の第５の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図８では、図６で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００８１】
図８に示す光スイッチ５００の基本的な構成は、図６で示した光スイッチと同様であり、光入力導波路部４１０、コリメート部４２０、光偏向素子部４３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部５６０を有している。このうち、光入力導波路部４１０、コリメート部４２０、光偏向素子部４３０、共通光導波路１４０および集光部１５０については、図６の場合と同様である。
【００８２】
すなわち、外部からの光信号が光入力導波路部４１０内の光入力導波路４１１〜４１３にそれぞれ入射され、これらから出射した光信号がコリメート部４２０の各コリメートレンズ４２１〜４２３によって平行光に変換されて、光偏向素子部４３０の各光偏向素子４３１〜４３３に入射する。光偏向素子４３１〜４３３では、各プリズム型電極に印加する電圧を制御することにより、入射した光信号の伝播方向が変化して、共通光導波路１４０を介して、集光部１５０内の各集光レンズ１５１〜１５４に入射する。ここで、各光偏向素子４３１〜４３３からの光信号の入射角度が異なることから、各集光レンズ１５１〜１５４による結像位置もそれぞれ異なる。従って、光出力導波路部５６０には、各集光レンズ１５１〜１５４について３本ずつ合計１２本の光出力導波路が設けられる。
【００８３】
ここで、この光スイッチ５００では、光出力導波路部５６０の各光出力導波路の光軸が、集光レンズ１５１〜１５４から出射される対応する光信号の光軸と一致するように、各光出力導波路が配置されている。例えば、集光レンズ１５１の出射側において、光出力導波路５６１の光軸は、光偏向素子４３１から集光レンズ１５１を介して伝播する光信号の光軸に一致し、光出力導波路５６２の光軸は、光偏向素子４３２から集光レンズ１５１を介して伝播する光信号の光軸に一致し、光出力導波路５６３の光軸は、光偏向素子４３３から集光レンズ１５１を介して伝播する光信号の光軸に一致している。これにより、図６に示した第４の実施の形態と比較して、各光出力導波路に対する光信号の結合効率が高められるため、本実施の形態では、接続切り換え動作に伴う光信号の損失がより小さい光スイッチを実現することが可能となる。
【００８４】
次に、上記の第４の実施の形態の光スイッチに対する第２の変形例について説明する。図９は、本発明の第６の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図９では、図６で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００８５】
図９に示す光スイッチ６００の基本的な構成は、図６で示した光スイッチと同様であり、光入力導波路部６１０、コリメート部６２０、光偏向素子部６３０、共通光導波路１４０、集光部１５０、および光出力導波路部４６０を有している。このうち、共通光導波路１４０、集光部１５０および光出力導波路部４６０については、図６の場合と同様である。
【００８６】
光スイッチ６００では、光入力導波路部６１０の各光入力導波路６１１、６１２および６１３と、各光入力導波路６１１〜６１３に対応するコリメート部６２０のコリメートレンズ６２１、６２２および６２３、および光偏向素子部６３０の光偏向素子６３１、６３２および６３３のそれぞれの光軸が、集光部１５０のほぼ中央部から放射状の方向に一致するようにされている。ここで、これらの光軸は、集光部１５０内の各集光レンズ１５１、１５２、１５３および１５４の有するすべてのレンズ曲面に対する接線上の中央部を通ることが望ましい。
【００８７】
このような構成の光スイッチ６００と、図６に示した光スイッチとの相違点は以下のようになる。まず、光偏向素子の中央部から集光レンズまでの距離を同じにした場合、本実施の形態の光スイッチ６００では、各光偏向素子６３１〜６３３において、４つの集光レンズ１５１〜１５４に入射させるための偏向角が、光軸に対して左右方向（図中の上下方向）でほぼ均等となる。このため、図６の光スイッチと比較して、各光偏向素子６３１〜６３３において必要な最大の偏向角（絶対値）が小さくなるため、光偏向素子部６３０における印加電圧を低減して、消費電力を抑制することができる。あるいは、光偏向素子６３１〜６３３の具備するプリズム型電極の面積を小さくすることができ、光偏向素子部６３０を小型化することができる。
【００８８】
逆に、光スイッチ６００の光偏向素子部６３０に対して、図６の光スイッチにおいて必要な印加電圧を適用した場合には、各光偏向素子６３１〜６３３における偏向角に余裕が出ることから、光偏向素子部６３０と集光部１５０との間の距離を短縮することができ、光スイッチ６００の全体の大きさを小型化することが可能となる。なお、この場合には、集光レンズ１５１〜１５４に対する最大に入射角が大きくなることから、図８に示した光スイッチのように、光出力導波路の光軸を集光レンズから出射される光信号の光軸に一致させて、光信号の損失増加を防止することが望ましい。
【００８９】
次に、上記の第４、第５および第６の実施の形態の光スイッチについて、各集光レンズに対応する光出力導波路からの出力を合波して取り出すことが可能な光スイッチについて説明する。以下では例として、図８に示した第５の実施の形態に対してこのような機能を付加した構成を挙げる。
【００９０】
図１０は、本発明の第７の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。なお、図１０では、図８で示した光スイッチと対応する構成要素には同じ符号を付して示しており、その説明は省略する。
【００９１】
図１０に示す光スイッチ７００は、図８で示した光スイッチの出力段に、さらに合波部７７０を設けた構成を有している。この合波部７７０には、集光部１５０の各集光レンズ１５１〜１５４に対応する４つの合波器７７１、７７２、７７３および７７４が設けられている。
【００９２】
この光スイッチ７００では、各光偏向素子４３１〜４３３から入射した光信号が、各集光レンズ１５１〜１５４により別の位置に結像し、これらの各結像位置に光出力導波路が配置される。従って、各集光レンズ１５１〜１５４の出射側には、３本ずつの光出力導波路が配置される。各合波器７７１〜７７４はさらに、このような入射側において集光レンズ１５１〜１５４を共用している３本ずつの光出力導波路の出射光を、１本の光出力導波路に光結合させて外部に出射する。合波器７７１〜７７４としては、例えば、Ｙ分岐型等の分岐光導波路や、方向性結合器、マルチモード干渉型合波器等を適用することができる。
【００９３】
このような光スイッチ７００では、複数の入力チャンネルを複数の出力チャンネルに接続する単純な接続切り換え動作が実現される。また、合波器７７１〜７７４として適用可能な上記の分岐光導波路、方向性結合器、マルチモード干渉型合波器はいずれも、基板上に形成された光導波路に必要なマスクパターンを形成してエッチングするといった容易な方法により形成することが可能である。従って、本実施の形態では、単純な構造で製造効率の高い光スイッチを実現することが可能である。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光スイッチでは、光信号をコリメートする複数のコリメートレンズ、および光信号を結像させる複数の集光レンズが、それぞれ一体に形成される。このようなコリメート部および集光部は、例えば基板上に形成された光導波路にエッチング等を施すことにより容易に形成される。また、光偏向素子は各コリメートレンズの出射側にのみ設けられ、各集光レンズの入射側には個別の光偏向素子が設けられない。従って、構造が単純で製造が容易であるとともに、光信号の伝播方向に対する長さを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図２】光偏向素子の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態例である光スイッチモジュールの全体構成を示す平面図である。
【図５】複数の入力チャンネルの一括切り換えを行う場合の構成例を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態である光スイッチを用いた複数の入力チャンネルの一括切り換えについて説明するための図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態例である光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図１１】光偏向素子を用いた従来の光スイッチの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１０ 光入力導波路
１２０ コリメートレンズ
１３０ 光偏向素子
１３０ａ、１３０ｂ プリズム型電極
１４０ 共通光導波路
１５０ 集光部
１５１、１５２、１５３、１５４ 集光レンズ
１６０ 光出力導波路部
１６１、１６２、１６３、１６４ 光出力導波路
Claims (5)
- 光信号の伝播経路を切り換える光スイッチにおいて、
外部から光信号の入力を受けるｍ本（ｍ：２以上の整数）の光入力導波路と、
前記各光入力導波路を通過した光信号を個別にコリメートするコリメートレンズが一体に形成されたコリメート部と、
前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切り換える複数の光偏向素子と、
前記各光偏向素子を通過した光信号が伝播する共通光導波路と、
前記光偏向素子から前記共通光導波路を通じて伝播する各光信号を結像させるｎ個（ｎ：２以上の整数）の集光レンズが一体に形成された集光部と、
前記各光偏向素子から前記共通光導波路を介して伝播する光信号が前記各集光レンズにより結像するすべての位置に対応して配置され、入射した光信号を外部へ出力する（ｍ×ｎ）本の光出力導波路と、
を有することを特徴とする光スイッチ。 - 前記各光偏向素子は、
電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型光導波路と、
前記スラブ型光導波路の光信号通過域を上下に挟み込むように配置され、少なくともその一方が１または複数のプリズム型電極によってなる電極対と、
を有することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。 - 前記各光出力導波路は、その光軸が集光レンズから入射する光信号の光軸に一致するように配置されることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
- 前記各光入力導波路および前記コリメート部の前記各コリメートレンズの光軸と、前記各光偏向素子において偏向角０度の場合に伝播する光信号の光軸が、前記集光部の中心部から放射状の方向に一致するように、前記各光入力導波路、前記各コリメート部および前記各光偏向素子が配置されることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
- 前記各集光レンズの出射側に配置されたｍ本ずつの前記光出力導波路内を伝播する光信号を合波して出射するｎ個の合波器をさらに有することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
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