JP6708338B2

JP6708338B2 - Wavelength selective switch

Info

Publication number: JP6708338B2
Application number: JP2015206853A
Authority: JP
Inventors: 池田　和浩; 和浩池田; 整河島; 恵治郎鈴木; 健谷澤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2035-10-21
Also published as: JP2017078786A

Description

本発明は、波長選択スイッチに関し、より具体的には、光ネットワークのノードにおいて使用される、波長毎に光の経路を切り替えることができる波長選択スイッチに関する。 The present invention relates to a wavelength selective switch, and more specifically to a wavelength selective switch used in a node of an optical network and capable of switching an optical path for each wavelength.

光ネットワークのノードにおいて使用される、波長毎に光の経路を切り替える波長選択スイッチ（ＷＳＳ）が従来からある。その波長選択スイッチは２種類に大別される。第１に、回折格子と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）等の面型スイッチング素子とを空間光学系で接続した空間光学型波長選択スイッチである。第２に、光導波路技術に基づく集積型波長選択スイッチである。空間光学型波長選択スイッチは、サイズが大きく、製造工程の複雑さから高価であるという欠点がある。一方、集積型波長選択スイッチは、省スペース、コストの面で有利である。 There is a wavelength selective switch (WSS) used in a node of an optical network for switching an optical path for each wavelength. The wavelength selective switch is roughly classified into two types. The first is a spatial optical wavelength selective switch in which a diffraction grating and a planar switching element such as MEMS (Micro Electro Mechanical System) or LCoS (Liquid Crystal on Silicon) are connected by a spatial optical system. Second is an integrated wavelength selective switch based on optical waveguide technology. The space-optical wavelength selective switch has drawbacks that it is large in size and expensive due to the complexity of the manufacturing process. On the other hand, the integrated wavelength selective switch is advantageous in terms of space saving and cost.

特許文献１は、集積型波長選択スイッチの一例として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）と、光スイッチと、マッハツェンダ干渉計型（ＭＺＩ）複合波長カプラとを備えるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを開示する。この波長選択スイッチでは、複数のマッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラを構成することにより、光回路の小型化を図るとともに、マッハツェンダ干渉計型ＷＳＳの出力ポート数Ｍ（Ｍは３以上の整数）を増大させている。 Patent Literature 1 discloses, as an example of an integrated wavelength selective switch, a Mach-Zehnder interferometer type wavelength including an arrayed waveguide grating (AWG), an optical switch, and a Mach-Zehnder interferometer type (MZI) compound wavelength coupler. A selection switch is disclosed. In this wavelength selective switch, a plurality of Mach-Zehnder interferometer-type wavelength couplers are integrated to form a Mach-Zehnder interferometer-type compound wavelength coupler, thereby reducing the size of the optical circuit and the number of output ports of the Mach-Zehnder interferometer-type WSS. M (M is an integer of 3 or more) is increased.

非特許文献１は、集積型波長選択スイッチの一例として、Ｓｉ半導体プロセスを用いて集積化（１チップ化）された１入力２出力（１×２）波長選択スイッチを開示する。この波長選択スイッチでは、波長選択スイッチを構成する光導波路、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）、ＭＺＩ光スイッチ、及び回折格子カプラがパターン化されたＳｉ層及びＳｉ_３Ｎ_４層によって形成されている。 Non-Patent Document 1 discloses, as an example of an integrated wavelength selective switch, a 1-input 2-output (1×2) wavelength selective switch integrated (made into one chip) using a Si semiconductor process. In this wavelength selective switch, an optical waveguide, an arrayed waveguide diffraction grating (AWG), an MZI optical switch, and a diffraction grating coupler which form the wavelength selective switch are formed by patterned Si layers and Si ₃ N ₄ layers. ..

特開２０１４−１６０２１６号公報JP, 2014-160216, A

Christopher R. Doerr, et al. ” Monolithic Flexible-Grid 1 x 2 Wavelength-Selective Switch in Silicon Photonics”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 30, NO. 4, FEBRUARY 15, 2012Christopher R. Doerr, et al. “Monolithic Flexible-Grid 1 x 2 Wavelength-Selective Switch in Silicon Photonics”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 30, NO. 4, FEBRUARY 15, 2012

特許文献１と非特許文献１の波長選択スイッチは、いずれもアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いており、たとえ集積化しても波長数が少なくても一定以上の大きさを必要とする。また、光導波路の交差数が多くなるため光量損失やクロストークが起こりやすい。さらに、ＡＷＧの透過特性が周期的であるため波長帯域に制限がある。 The wavelength selective switches of Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 both use an arrayed waveguide diffraction grating (AWG), and require a certain size or more even if they are integrated or have a small number of wavelengths. In addition, since the number of crossed optical waveguides increases, light quantity loss and crosstalk easily occur. Furthermore, since the transmission characteristics of the AWG are periodic, the wavelength band is limited.

本発明の目的は、光導波路の交差数を低減して光学特性を改善した、少ない波長数でも小型化できる、あるいは波長帯域制限のない、波長選択スイッチを提供することである。 An object of the present invention is to provide a wavelength selective switch in which the number of intersecting optical waveguides is reduced to improve optical characteristics, can be downsized even with a small number of wavelengths, or has no wavelength band limitation.

本発明一態様の波長選択スイッチは、第１及び第２の入力ポートと、第１及び第２の出力ポートと、第１入力ポートと第１出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第１及び第２の波長選択カプラと、第２入力ポートと第２出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第３及び第４の波長選択カプラと、第１の波長選択カプラと第３の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第１の光スイッチと、第２の波長選択カプラと第４の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第２の光スイッチと、を備える。 A wavelength selective switch according to one aspect of the present invention includes first and second input ports, first and second output ports, and a first input port and a first output port connected in series via an optical waveguide. First and second wavelength selection couplers arranged, third and fourth wavelength selection couplers arranged in series between the second input port and the second output port via an optical waveguide, and A first optical switch connected to the third wavelength selection coupler and the third wavelength selection coupler via an optical waveguide, and a second optical switch connected to the second wavelength selection coupler and the fourth wavelength selection coupler via an optical waveguide. 2 optical switches.

本発明の一態様の波長選択スイッチによれば、向かい合う２つの波長選択カプラの間に１つの光スイッチを配置する基本構成により、光導波路の交差数を低減することができ、その結果光量損失やクロストークを軽減することができる。 According to the wavelength selective switch of one aspect of the present invention, the basic configuration in which one optical switch is arranged between two wavelength selective couplers facing each other can reduce the number of crosses of the optical waveguides, resulting in a loss of light quantity and Crosstalk can be reduced.

本発明の一態様のＮ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチは、Ｎ_port個の入力ポートと、Ｎ_port個の出力ポートと、Ｎ_port個の入力ポートの各々と順番に対応する出力ポートの各々との間に光導波路を介して直列に配置されたＮ_λ（列）×Ｎ_port（行）の波長選択カプラであって、１列目のＮ_port個の波長選択カプラからＮ_λ列目のＮ_port個の波長選択カプラまでの各列のＮ_port個の波長選択カプラは、入力ポートの１つに入力された波長分割多重信号から順番に波長λ_１〜λ_Ｎλの各々を含む光を選択できるように構成される、Ｎ_λ（列）×Ｎ_port（行）の波長選択カプラと、各列に１つ設けられ、各列内の波長選択カプラの間で光導波路を介して選択された波長を含む光を任意の出力ポートへ導くためのＮ_λ個の光スイッチと、を備える。 The N _λ channel 1×N _port wavelength selective switch according to one aspect of the present invention is configured to include N _port input ports, N _port output ports, and N _port input ports each corresponding to an output port in order. a wavelength selective coupler of N _lambda disposed in series via an optical waveguide (columns) × N _port (line) between each, N _lambda th column from the first column of the N _port number of the wavelength selective coupler 's N _port number of each row of N _port number of the wavelength selective coupler to a wavelength selective coupler, the light including each wavelength lambda ₁ to [lambda] _{N [lambda} in order from the wavelength division multiplexed signal input to one of the input ports N _λ (columns)×N _port (rows) wavelength selective couplers that are configured to be selectable, and one wavelength selective coupler is provided in each column, and the wavelength selective couplers in each column are selected via an optical waveguide. N _λ optical switches for guiding light including different wavelengths to an arbitrary output port.

本発明の一態様のＮ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチによれば、向かい合う２つの波長選択カプラの間に１つの１×Ｎ_port光スイッチを配置する基本構成を１波長（λ_ｉ）選択のための基本構成とし、その基本構成を波長数（チャネル数）に応じて規則的に拡張していくことにより、任意の波長数（チャネル数）の場合においても、光導波路の交差数を低減し光量損失やクロストークを軽減することができる。 According to the N _λ channel 1×N _port wavelength selective switch of one aspect of the present invention, one wavelength (λ _i ) is selected as a basic configuration in which one 1×N _port optical switch is arranged between two facing wavelength selective couplers. The number of crossed optical waveguides is reduced even when the number of channels (number of channels) is arbitrary by expanding the basic configuration regularly according to the number of channels (number of channels). It is possible to reduce light amount loss and crosstalk.

本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength selective switch of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength selective switch of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のＮ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the N( _lambda) channel _1xNport wavelength selective switch of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の波長選択カプラの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength selection coupler of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の光スイッチの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical switch of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の波長選択スイッチの効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of the wavelength selective switch of one Embodiment of this invention.

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。図１の波長選択スイッチは、波長数（チャネル数）２の１入力・２出力（１×２）波長選択スイッチの構成例である。波長選択スイッチは、第１の入力ポート１と第１の出力ポート１を接続する光導波路１と、第２の入力ポート２と第２の出力ポート２を接続する光導波路２を含む。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength selective switch according to an embodiment of the present invention. The wavelength selective switch of FIG. 1 is a configuration example of a 1-input/2-output (1×2) wavelength selective switch having two wavelengths (number of channels). The wavelength selective switch includes an optical waveguide 1 that connects the first input port 1 and the first output port 1 and an optical waveguide 2 that connects the second input port 2 and the second output port 2.

光導波路１上に直列に第１の波長選択カプラ３と第２の波長選択カプラ４が設けられている。同様に、光導波路２上に直列に第３の波長選択カプラ５と第４の波長選択カプラ６が設けられている。対向する第１の波長選択カプラ３と第３の波長選択カプラ５の間に光導波路を介して第１の光スイッチ７が設けられている。同様に、対向する第２の波長選択カプラ４と第４の波長選択カプラ６の間に光導波路を介して第２の光スイッチ８が設けられている。 A first wavelength selection coupler 3 and a second wavelength selection coupler 4 are provided in series on the optical waveguide 1. Similarly, a third wavelength selection coupler 5 and a fourth wavelength selection coupler 6 are provided in series on the optical waveguide 2. A first optical switch 7 is provided between the first wavelength selecting coupler 3 and the third wavelength selecting coupler 5 which face each other via an optical waveguide. Similarly, a second optical switch 8 is provided between the second wavelength selection coupler 4 and the fourth wavelength selection coupler 6 which face each other via an optical waveguide.

今、第１の入力ポート１に２つの波長λ₁、λ₂を含む波長分割多重信号が入力したとする。光導波路１上の第１の波長選択カプラ３は、入力された波長分割多重信号から第１波長λ₁を含む光を選別（分波）する。分波された第１波長λ₁を含む光は光導波路９を介して第１の光スイッチ７に導かれる。第１の光スイッチ７は、図１の例ではいわゆるクロス状態を形成して、第１波長λ₁を含む光を第３の波長選択カプラ５に接続する光導波路１０へスイッチする。第３の波長選択カプラ５は、光導波路１０から受信した第１波長λ₁を含む光を第２の出力ポート２へ導く。第２の出力ポート２から第１波長λ₁を含む光が出力される。 Now, assume that a wavelength division multiplexed signal including _two wavelengths λ ₁ and λ ₂ is input to the first input port 1. The first wavelength selective coupler 3 on the optical waveguide 1 selects (demultiplexes) the light including the first wavelength λ ₁ from the input wavelength division multiplexed signal. The demultiplexed light including the first wavelength λ ₁ is guided to the first optical switch 7 via the optical waveguide 9. In the example of FIG. 1, the first optical switch 7 forms a so-called cross state and switches the light including the first wavelength λ ₁ to the optical waveguide 10 that connects to the third wavelength selection coupler 5. The third wavelength selection coupler 5 guides the light including the first wavelength λ ₁ received from the optical waveguide 10 to the second output port 2. The light including the first wavelength λ ₁ is output from the second output port 2.

光導波路１上の第２の波長選択カプラ４は、第１の入力ポート１に入力された波長λ₁、λ₂の光を含む波長分割多重信号から第２波長λ₂を含む光を選別（分波）する。分波された第２波長λ₂を含む光は光導波路１１を介して第２の光スイッチ８に導かれる。第２の光スイッチ８は、図１の例ではいわゆるバー状態を形成して、第２波長λ₂を含む光を自らの第２の波長選択カプラ４に接続する光導波路１２へスイッチする。第２の波長選択カプラ４は、光導波路１２から受信した（戻ってきた）第２波長λ₂を含む光を第１の出力ポート１へ導く。第１の出力ポート１から第２波長λ₂を含む光が出力される。 The second wavelength selective coupler 4 on the optical waveguide 1 selects the light having the second wavelength λ ₂ from the wavelength division multiplexed signal including the light having the wavelengths λ ₁ and λ ₂ input to the first input port 1 ( Split). The demultiplexed light including the second wavelength λ ₂ is guided to the second optical switch 8 via the optical waveguide 11. The second optical switch 8 forms a so-called bar state in the example of FIG. 1 to switch the light including the second wavelength λ ₂ to the optical waveguide 12 which connects to the second wavelength selective coupler 4 of itself. The second wavelength selection coupler 4 guides the light including the second wavelength λ ₂ received (returned) from the optical waveguide 12 to the first output port 1. Light including the second wavelength λ ₂ is output from the first output port 1.

ここで、図４を参照して、図１の本発明の一実施形態の波長選択カプラ３〜６について説明する。図４は、波長選択カプラとして、基板上の隣接する２本の光導波路５０、５１に設けられた回折格子構造５３を用いた場合の一例である。光導波路５０、５１は、Ｓｉ基板（チップ）上のＳｉＯ₂からなるクラッド層中にＳｉ光導波路として形成されている。２つのＳｉ光導波路の厚さはいずれも２５０ｎｍである。光導波路５０の幅は５５０ｎｍであり、光導波路５１の幅は４３０ｎｍである。回折格子（凹凸）構造５３は、光導波路５０、５１の各々の側面に形成され、その凹凸の深さ（高さ）はそれぞれ５０ｎｍ、３０ｎｍである。なお、これらのサイズ（数値）は、１.５５μｍ付近の波長を含む光を選択するための一例であって、選択すべき波長帯に応じて適宜設定される。 Here, the wavelength selective couplers 3 to 6 of the embodiment of the present invention in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows an example in which a diffraction grating structure 53 provided on two adjacent optical waveguides 50 and 51 on a substrate is used as a wavelength selection coupler. The optical waveguides 50 and 51 are formed as Si optical waveguides in a clad layer made of SiO ₂ on a Si substrate (chip). The thickness of each of the two Si optical waveguides is 250 nm. The width of the optical waveguide 50 is 550 nm, and the width of the optical waveguide 51 is 430 nm. The diffraction grating (unevenness) structure 53 is formed on each side surface of the optical waveguides 50 and 51, and the depth (height) of the unevenness is 50 nm and 30 nm, respectively. It should be noted that these sizes (numerical values) are an example for selecting light including a wavelength in the vicinity of 1.55 μm, and are appropriately set according to the wavelength band to be selected.

今、例えば、図４の光導波路５０、５１がそれぞれ図１の光導波路１、９に相当するとした場合、光導波路５０（図１の１）を伝播する波長λ₁、λ₂を含む光信号が回折格子構造５３の領域において分波され、波長λ_１を含む光信号が隣の光導波路５１（図１の９）へ導かれる。同様に、例えば図４の光導波路５０、５１がそれぞれ図１の光導波路１０、２に相当するとした場合、光導波路５０（図１の１０）を伝播する波長λ₁を含む光信号が回折格子構造５３の領域において選択されて隣の光導波路５１（図１の２）へ導かれる。このように、複数波長の中から、１つの波長だけを合分波する図４に例示されるような波長選択カプラを用いることにより、光導波路の交差数を減らすことが可能となる。 Now, for example, assuming that the optical waveguides 50 and 51 of FIG. 4 correspond to the optical waveguides 1 and 9 of FIG. 1, respectively, an optical signal including wavelengths λ ₁ and λ ₂ propagating through the optical waveguide 50 (1 of FIG. 1). Is demultiplexed in the region of the diffraction grating structure 53, and the optical signal containing the wavelength λ ₁ is guided to the adjacent optical waveguide 51 (9 in FIG. 1). Similarly, for example, when the optical waveguides 50 and 51 in FIG. 4 correspond to the optical waveguides 10 and 2 in FIG. 1, respectively, the optical signal including the wavelength λ ₁ propagating in the optical waveguide 50 (10 in FIG. 1) is transmitted to the diffraction grating. It is selected in the region of the structure 53 and guided to the adjacent optical waveguide 51 (2 in FIG. 1). As described above, by using the wavelength selective coupler as illustrated in FIG. 4 which multiplexes and demultiplexes only one wavelength from a plurality of wavelengths, it is possible to reduce the number of intersections of the optical waveguides.

次に、図５を参照して、図１の本発明の一実施形態の光スイッチ７、８について説明する。図５は、光スイッチとしてマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子を用いた場合の一例である。図５の光スイッチは、入力ポート１と出力ポート１の間に設けられた第１の光導波路６１と、入力ポート２と出力ポート２の間に設けられた第２の光導波路６２を含む。光スイッチは、さらに２つの光方向性結合器（光カプラ、ＤＣ）６３、６４と、これらの間の光導波路６１、６２に設けられたヒータ（抵抗Ｒ）からなる位相制御器（Ｐｈ）６５、６６を含む。なお、位相制御器６５、６６はいずれか一方だけの場合でも良い。なお、光をスイッチする出力ポートの数が２以上になる場合は、出力ポート数に応じて上記の光方向性結合器及び位相制御器の構成の数を増やすことにより、対応することができる。 Next, referring to FIG. 5, the optical switches 7 and 8 of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described. FIG. 5 shows an example in which a Mach-Zehnder interferometer (MZI) type element is used as an optical switch. The optical switch of FIG. 5 includes a first optical waveguide 61 provided between the input port 1 and the output port 1, and a second optical waveguide 62 provided between the input port 2 and the output port 2. The optical switch further includes a phase controller (Ph) 65 including two optical directional couplers (optical couplers, DC) 63 and 64, and a heater (resistor R) provided in the optical waveguides 61 and 62 between them. , 66 are included. The phase controllers 65 and 66 may be either one. If the number of output ports for switching light is two or more, it can be dealt with by increasing the number of the configurations of the optical directional coupler and the phase controller according to the number of output ports.

図５の入力ポート１に光入力（信号）が入ったとする。光スイッチは、位相制御器６５、６６のヒータパワー（ｍＷ）を制御することにより、光出力を出力ポート１または２の間で切り替える。具体的には、例えば位相制御器６５のヒータパワーを４５ｍＷ程度にして、２つの光導波路の光学的光路長差を半波長（λ／２、位相差π）にすることにより、光スイッチにおいてバー状態を形成して、光出力を出力ポート１から出力させる。また、位相制御器６５のヒータパワーをゼロにして、２つの光導波路の光学的光路長差をゼロ（位相差０）にすることにより、光スイッチにおいてクロス状態を形成して、光出力を出力ポート２から出力させる。 It is assumed that an optical input (signal) enters the input port 1 of FIG. The optical switch switches the optical output between the output ports 1 and 2 by controlling the heater power (mW) of the phase controllers 65 and 66. Specifically, for example, the heater power of the phase controller 65 is set to about 45 mW, and the optical optical path length difference between the two optical waveguides is set to a half wavelength (λ/2, phase difference π), thereby making A state is formed and an optical output is output from the output port 1. Further, the heater power of the phase controller 65 is set to zero and the optical optical path length difference between the two optical waveguides is set to zero (phase difference 0), thereby forming a cross state in the optical switch and outputting an optical output. Output from port 2.

図５に例示される本発明の一実施形態の光スイッチは、図４の波長選択カプラの場合と同様に、例えば従来からあるＳｉ半導体プロセスを用いて作成することがでる。その場合、例えば、光方向性結合器と光導波路は、いずれも基板（Ｓｉ基板等）上の半導体材料層（Ｓｉ、ＳｉＯ₂等）からなり、位相制御器（ヒータ）は光導波路の近傍に配置された薄膜抵抗からなるように形成することができる。 The optical switch according to the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 5 can be manufactured by using a conventional Si semiconductor process, for example, as in the case of the wavelength selective coupler in FIG. In that case, for example, the optical directional coupler and the optical waveguide are both made of a semiconductor material layer (Si, SiO ₂ , etc.) on a substrate (Si substrate, etc.), and the phase controller (heater) is provided near the optical waveguide. It can be formed to consist of thin film resistors arranged.

図１の光スイッチ７、８の動作を図５の光スイッチの動作に対応させて説明すると、光スイッチ７の位相制御器６５のヒータパワーをゼロにして、２つの光導波路の光学的光路長差をゼロ（位相差０）にすることにより、光スイッチにおいてクロス状態を形成して、光出力を光導波路１０へ出力させる。光スイッチ８の位相制御器６５のヒータパワーを４５ｍＷ程度にして、２つの光導波路の光学的光路長差を半波長（λ／２、位相差π）にすることにより、光スイッチにおいてバー状態を形成して、光出力を光導波路１２へ出力させる。 The operation of the optical switches 7 and 8 of FIG. 1 will be described in correspondence with the operation of the optical switch of FIG. 5. The heater power of the phase controller 65 of the optical switch 7 is set to zero, and the optical path lengths of the two optical waveguides are set. By setting the difference to zero (phase difference 0), a cross state is formed in the optical switch, and the optical output is output to the optical waveguide 10. By setting the heater power of the phase controller 65 of the optical switch 8 to about 45 mW and setting the optical optical path length difference between the two optical waveguides to a half wavelength (λ/2, phase difference π), the bar state is changed in the optical switch. It is formed and the optical output is output to the optical waveguide 12.

次に、図２を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図２は、本発明の他の一実施形態の波長選択スイッチの構成を示す図である。図２の波長選択スイッチは、波長数（チャネル数）４の１入力・４出力（１×４）波長選択スイッチの構成例である。波長選択スイッチは、第１の入力ポート１と第１の出力ポート１を接続する光導波路２１と、第２の入力ポート２と第２の出力ポート２を接続する光導波路２２と、第３の入力ポート３と第３の出力ポート３を接続する光導波路２３と、第４の入力ポート４と第４の出力ポート４を接続する光導波路２４を含む。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a wavelength selective switch according to another embodiment of the present invention. The wavelength selective switch of FIG. 2 is a configuration example of a 1-input/4-output (1×4) wavelength selective switch having four wavelengths (number of channels). The wavelength selective switch includes an optical waveguide 21 that connects the first input port 1 and the first output port 1, an optical waveguide 22 that connects the second input port 2 and the second output port 2, and a third An optical waveguide 23 connecting the input port 3 and the third output port 3 and an optical waveguide 24 connecting the fourth input port 4 and the fourth output port 4 are included.

光導波路２１上に直列に４つの波長選択カプラ２５が設けられている。光導波路２２上に直列に４つの波長選択カプラ２６、２７、２８、３０が設けられている。同様に、光導波路２３、２４において、それぞれ直列に４つの波長選択カプラ２９、３１が設けられている。光導波路２２と２３に設けられた対向する２つの波長選択カプラ間の各々に、光導波路を介して順番に４つの光スイッチ３２、３３、３４、３５が設けられている。 Four wavelength selection couplers 25 are provided in series on the optical waveguide 21. Four wavelength selection couplers 26, 27, 28, 30 are provided in series on the optical waveguide 22. Similarly, in the optical waveguides 23 and 24, four wavelength selection couplers 29 and 31 are provided in series, respectively. Four optical switches 32, 33, 34, and 35 are sequentially provided between the two opposing wavelength selection couplers provided on the optical waveguides 22 and 23 via the optical waveguides.

図２において、今、第２の入力ポート２に４つの波長λ₁〜λ₄を含む波長分割多重信号が入力したとする。第２の入力ポート２に接続する光導波路２２上の波長選択カプラ２６は、入力された波長分割多重信号から第１波長λ₁を含む光を選別（分波）する。分波された第１波長λ₁を含む光は光導波路３６を介して光スイッチ３２に導かれる。光スイッチ３２は、第１波長λ₁を含む光を波長選択カプラ２５に接続する光導波路３７へスイッチする。波長選択カプラ２５は、光導波路３７から受信した第１波長λ₁を含む光を第１の出力ポート１へ導く。第１の出力ポート１から第１波長λ₁を含む光が出力される。 In FIG. 2, it is assumed that a wavelength division multiplexed signal including _four wavelengths λ _{1 to} λ 4 is now input to the second input port 2. The wavelength selection coupler 26 on the optical waveguide 22 connected to the second input port 2 selects (demultiplexes) the light including the first wavelength λ ₁ from the input wavelength division multiplexed signal. The demultiplexed light including the first wavelength λ ₁ is guided to the optical switch 32 via the optical waveguide 36. The optical switch 32 switches the light including the first wavelength λ ₁ to the optical waveguide 37 connected to the wavelength selection coupler 25. The wavelength selection coupler 25 guides the light including the first wavelength λ ₁ received from the optical waveguide 37 to the first output port 1. Light including the first wavelength λ ₁ is output from the first output port 1.

光導波路２２上の２番目の波長選択カプラ２７は、入力された波長分割多重信号から第２波長λ_２を含む光を選別（分波）する。分波された第２波長λ₂を含む光は、光導波路３８を介して光スイッチ３３に導かれる。光スイッチ３３は、第２波長λ_２を含む光を自らの２番目の波長選択カプラ２７に接続する光導波路３９へスイッチする。２番目の波長選択カプラ２７は、光導波路３９から受信した（戻ってきた）第２波長λ₂を含む光を第２の出力ポート２へ導く。第２の出力ポート２から第２波長λ_２を含む光が出力される。 The second wavelength selection coupler 27 on the optical waveguide 22 selects (demultiplexes) the light including the second wavelength λ ₂ from the input wavelength division multiplexed signal. The demultiplexed light including the second wavelength λ ₂ is guided to the optical switch 33 via the optical waveguide 38. The optical switch 33 switches the light including the second wavelength λ ₂ to the optical waveguide 39 connected to the second wavelength selection coupler 27 of itself. The second wavelength selection coupler 27 guides the light including the second wavelength λ ₂ received (returned) from the optical waveguide 39 to the second output port 2. Light including the second wavelength λ ₂ is output from the second output port 2.

光導波路２２上の３番目の波長選択カプラ２８は、入力された波長分割多重信号から第３波長λ₃を含む光を選別（分波）する。分波された第３波長λ_３を含む光は光導波路４０を介して光スイッチ３４に導かれる。光スイッチ３４は、第３波長λ₃を含む光を波長選択カプラ２９に接続する光導波路４１へスイッチする。波長選択カプラ２９は、光導波路４１から受信した第３波長λ₃を含む光を第３の出力ポート３へ導く。第３の出力ポート３から第３波長λ₃を含む光が出力される。 The third wavelength selection coupler 28 on the optical waveguide 22 selects (demultiplexes) the light including the third wavelength λ ₃ from the input wavelength division multiplexed signal. The demultiplexed light including the third wavelength λ ₃ is guided to the optical switch 34 via the optical waveguide 40. The optical switch 34 switches the light including the third wavelength λ ₃ to the optical waveguide 41 connected to the wavelength selection coupler 29. The wavelength selection coupler 29 guides the light including the third wavelength λ ₃ received from the optical waveguide 41 to the third output port 3. Light including the third wavelength λ ₃ is output from the third output port 3.

光導波路２２上の４番目の波長選択カプラ３０は、入力された波長分割多重信号から第４波長λ₄を含む光を選別（分波）する。分波された第４波長λ₄を含む光は、光導波路４２を介して光スイッチ３５に導かれる。光スイッチ３５は、第４波長λ₄を含む光を波長選択カプラ３１に接続する光導波路４３へスイッチする。波長選択カプラ３１は、光導波路４３から受信した第４波長λ₄を含む光を第４の出力ポート４へ導く。第４の出力ポート４から第４波長λ₄を含む光が出力される。 The fourth wavelength selection coupler 30 on the optical waveguide 22 selects (demultiplexes) the light including the fourth wavelength λ ₄ from the input wavelength division multiplexed signal. The demultiplexed light including the fourth wavelength λ ₄ is guided to the optical switch 35 via the optical waveguide 42. The optical switch 35 switches the light including the fourth wavelength λ ₄ to the optical waveguide 43 connected to the wavelength selection coupler 31. The wavelength selection coupler 31 guides the light including the fourth wavelength λ ₄ received from the optical waveguide 43 to the fourth output port 4. Light including the fourth wavelength λ ₄ is output from the fourth output port 4.

図３は、図２の本発明の一実施形態の波長選択スイッチの構成をさらにＮ_l個の波長λ₁〜λ_n（Ｎ_lチャネル）、１入力Ｎ_port出力まで拡張した場合のＮ_lチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチの構成を示す図である。図３の構成は、Ｎ_port個の入力ポート１〜Ｎ_portと、Ｎ_port個の出力ポート１〜Ｎ_portと、Ｎ_port個の入力ポートの各々と対応する出力ポートの各々との間の光導波路上に直列に配置されたＮ_l個の波長選択カプラを含む。波長選択カプラは各光導波路（行）上にＮ_l個あるので、Ｎ_port行の光導波路全体で（Ｎ_port×Ｎ_l）個ある。 Figure 3 is a further N _l number of wavelengths λ ₁ ~λ _n (N _l channels) the configuration of a wavelength selective switch according to an embodiment of the present invention in FIG. 2, N _l channels when extended to 1 input N _port outputs It is a figure which shows the structure of a _{1xN port} wavelength selective switch. Arrangement of Figure 3, the optical between the N _port input ports 1 to N _port, and N _port output ports 1 to N _port, with each of the corresponding output port and each of the N _port input ports It includes N _l wavelength selective couplers arranged in series on the waveguide. Since there are N _l wavelength selective couplers on each optical waveguide (row), there are (N _port ×N _l ) optical couplers on the entire N _port rows.

１列目のＮ_port個の波長選択カプラからＮ_l列目のＮ_port個の波長選択カプラまでの各列のＮ_port個の波長選択カプラは、入力ポートの１つに入力された波長分割多重信号から順番に波長λ₁〜λ_Nlの各々を含む光を選択できるように構成される。図３の構成は、さらに、各列に１つ設けられ、各列内の波長選択カプラの間で光導波路を介して選択された波長を含む光を任意の出力ポートへ導くためのＮ_l個の１×Ｎ_port光スイッチを含む。 The N _port wavelength selective couplers in each row from the N _port wavelength selective couplers in the first row to the N _port wavelength selective couplers in the N _l row are wavelength division multiplexed input to one of the input ports. It is configured so that light including each of the wavelengths λ ₁ to λ _Nl can be selected in order from the signal. The configuration shown in FIG. 3 is further provided in each column, and N _l pieces for guiding the light including the wavelength selected through the optical waveguide between the wavelength selection couplers in each column to an arbitrary output port. 1×N _port optical switch.

図３の破線のブロックＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・は、順番に波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、・・を選択するために必要となる波長選択カプラと光スイッチの組み合わせを示している。波長数（チャネル数）に応じて、ブロックの数が横方向に増減し、出力ポート数に応じて各ブロックの縦（上下）方向の長さが増減する。図３の各ブロック内での波長選択カプラと光スイッチの動作は、図２の構成を用いて上述した動作と同様であり、入力ポート２に入力された波長λ₁〜λ_Nlを含む波長分割多重信号から波長選択された波長λ₁、λ₂、・・・の各々を含む光が、それぞれ１×Ｎ_port光スイッチによって選択された任意の出力ポートから出力される。 The broken-line blocks A, B, C, D,... In FIG. 3 are wavelength selective couplers and optical switches necessary for sequentially selecting wavelengths λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ , λ ₄ ,. Shows the combination of. The number of blocks increases or decreases in the horizontal direction according to the number of wavelengths (the number of channels), and the length in the vertical (vertical) direction of each block increases or decreases according to the number of output ports. The operation of the wavelength selection coupler and the optical switch in each block of FIG. 3 is similar to the operation described above using the configuration of FIG. 2, and the wavelength division including the wavelengths λ _{1 to} λ _Nl input to the input port 2 is performed. The light including each of the wavelengths λ ₁ , λ ₂ ,... Of which the wavelength is selected from the multiplex signal is output from any output port selected by the 1×N _port optical switch.

図６は、本発明の一実施形態の波長選択スイッチの効果を説明するための図である。ポート数をＮ_port、波長数をＮ_λとすると、従来のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使った構成では、経路の中で最大の光導波路の交差数は、

（Ｎ_port−１）×（Ｎ_λ−１）（１）

と表すことができる。一方、本発明の波長選択カプラ（ＷＳＣ）を使った構成では、経路の中で最大の交差数は、

（Ｎ_port／２−１）×Ｎ_λ （２）

と表すことができる。 FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the wavelength selective switch according to the embodiment of the present invention. Assuming that the number of ports is N _port and the number of wavelengths is N _λ , in the configuration using the conventional arrayed-waveguide diffraction grating (AWG), the maximum number of intersections of optical waveguides in a path is

(N _port −1)×(N _λ −1) (1)

It can be expressed as. On the other hand, in the configuration using the wavelength selective coupler (WSC) of the present invention, the maximum number of intersections in the path is

(N _port /2-1)×N _λ (2)

It can be expressed as.

式（１）と（２）において、波長数Ｎ_λを４、８とした場合のポート数Ｎ_portと最大交差数の関係をプロットして得られたのが図６である。図６から本発明の波長選択カプラ（ＷＳＣ）を使った構成では、波長数Ｎ_λが４、８のいずれの場合でも従来のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使った構成よりも光導波路の交差数が大幅に減少しており、光量損失やクロストーク等の光学特性を向上させることができることがわかる。また、本発明のＷＳＣは、透過特性に周期性を持たないため、自由スペクトル領域の制限を持たず、帯域制限がない波長選択スイッチを実現できる。 In Equations (1) and (2), FIG. 6 is obtained by plotting the relationship between the number of ports N _port and the maximum number of intersections when the number of wavelengths N _λ is 4 and 8. As shown in FIG. 6, in the configuration using the wavelength selective coupler (WSC) of the present invention, the number of wavelengths N _λ is 4 or 8, the optical waveguide is more effective than the conventional configuration using the arrayed waveguide diffraction grating (AWG). It can be seen that the number of intersections is significantly reduced, and optical characteristics such as light amount loss and crosstalk can be improved. Further, since the WSC of the present invention does not have periodicity in transmission characteristics, it can realize a wavelength selective switch that does not have a restriction on the free spectrum region and has no band restriction.

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。 Embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments. Furthermore, the present invention can be carried out in a mode in which various improvements, modifications and variations are added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.

本発明の光スイッチは、光通信（ネットワーク）のノードにおいて使用される波長選択スイッチとして、光回路あるいは光集積回路の一部として利用することができる。 The optical switch of the present invention can be used as a wavelength selective switch used in an optical communication (network) node as a part of an optical circuit or an optical integrated circuit.

１、２、９、１０、１１、１２、２１、２２、２３、２４、３６、３７、３８、３９、４９、４１、４２、４３、５０、５１、６１、６２、：光導波路
３、４、５、６、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１：波長選択カプラ
７、８、３２、３３、３４、３５：光スイッチ
５３：回折格子構造
６３、６４：光方向性結合器（光カプラ）
６５、６６：位相制御器（ヒータ）

1, 2, 9, 10, 11, 12, 21, 22, 23, 24, 36, 37, 38, 39, 49, 41, 42, 43, 50, 51, 61, 62: optical waveguides 3, 4 5, 6, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31: Wavelength selection couplers 7, 8, 32, 33, 34, 35: Optical switch 53: Diffraction grating structure 63, 64: Optical directional coupler (Optical coupler)
65, 66: Phase controller (heater)

Claims

第１及び第２の入力ポートと、
第１及び第２の出力ポートと、
第１の入力ポートと第１の出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第１及び第２の波長選択カプラと、
第２の入力ポートと第２の出力ポートとの間に光導波路を介して直列に配置された第３及び第４の波長選択カプラと、
第１の波長選択カプラと第３の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第１の光スイッチと、
第２の波長選択カプラと第４の波長選択カプラに光導波路を介して接続された第２の光スイッチと、を備え、
全ての前記光導波路と前記波長選択カプラと前記光スイッチは、Ｓｉ基板上に設けられ、前記光導波路の各々はＳｉ光導波路であり、前記波長選択カプラの各々は、Ｓｉ光導波路の幅以下の間隔で隣接する２本のＳｉ光導波路の各々の側面に設けられた回折格子構造を含み、前記第１及び前記第２の光スイッチは、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子からなる、波長選択スイッチ。 First and second input ports,
First and second output ports,
First and second wavelength selective couplers arranged in series between the first input port and the first output port via an optical waveguide,
Third and fourth wavelength selective couplers arranged in series between the second input port and the second output port via an optical waveguide,
A first optical switch connected to the first wavelength selection coupler and the third wavelength selection coupler via an optical waveguide;
A second wavelength selective coupler and a second optical switch connected to the fourth wavelength selective coupler via an optical waveguide,
All the optical waveguides, the wavelength selection couplers, and the optical switches are provided on a Si substrate, each of the optical waveguides is a Si optical waveguide, and each of the wavelength selection couplers has a width equal to or less than a width of the Si optical waveguide. look including a diffraction grating structure provided on each side of two adjacent Si optical waveguides at an interval, said first and said second optical switch consists of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) type element, the wavelength selection switch.

前記第１および第３の波長選択カプラは、接続する一方の光導波路に入力された波長分割多重信号から第１波長を含む光を選別し、接続する他方の光導波路へ出力し、
前記第２および第４の波長選択カプラは、接続する一方の光導波路に入力された波長分割多重信号から第１波長とは異なる第２波長を含む光を選別し、接続する他方の光導波路へ出力する、請求項１に記載の波長選択スイッチ。 The first and third wavelength selection couplers select light including the first wavelength from the wavelength division multiplexed signal input to one of the optical waveguides to be connected, and output it to the other optical waveguide to be connected,
The second and fourth wavelength selective couplers select light having a second wavelength different from the first wavelength from the wavelength division multiplexed signals input to one of the optical waveguides to be connected to the other optical waveguide to be connected. The wavelength selective switch according to claim 1, which outputs.

前記波長選択カプラの各々において、前記２本のＳｉ光導波路は異なる幅を有し、前記回折格子構造は前記２本のＳｉ光導波路の側面で異なる高さの凹凸を有する、請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。 In each of the wavelength selection couplers, the two Si optical waveguides have different widths, and the diffraction grating structure has irregularities of different heights on the side surfaces of the two Si optical waveguides. The wavelength selective switch described in.

前記マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子は、前記Ｓｉ基板上の２つのＳｉ光導波路に設けられた２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器の間に設けられた１つの位相シフタを含む、請求項１に記載の波長選択スイッチ。 The Mach-Zehnder interferometer (MZI) type element includes two optical directional couplers provided in two Si optical waveguides on the Si substrate, and one optical directional coupler provided between the two optical directional couplers. The wavelength selective switch according to claim 1 , comprising a phase shifter.

Ｎ_port個の入力ポートと、
Ｎ_port個の出力ポートと、
Ｎ_port個の入力ポートの各々と順番に対応する出力ポートの各々との間に光導波路を介して直列に配置されたＮ_λ（列）×Ｎ_port（行）の波長選択カプラであって、１列目のＮ_port個の波長選択カプラからＮ_λ列目のＮ_port個の波長選択カプラまでの各列のＮ_port個の波長選択カプラは、入力ポートの１つに入力された波長分割多重信号から順番に波長λ_１〜λ_Ｎλの各々を含む光を選択できるように構成される、Ｎ_λ（列）×Ｎ_port（行）の波長選択カプラと、
各列に１つ設けられ、各列内の波長選択カプラの間で光導波路を介して選択された波長を含む光を任意の出力ポートへ導くためのＮ_λ個の光スイッチと、を備え、
全ての前記光導波路と前記波長選択カプラと前記光スイッチは、Ｓｉ基板上に設けられ、前記光導波路の各々はＳｉ光導波路であり、前記波長選択カプラの各々は、Ｓｉ光導波路の幅以下の間隔で隣接する２本のＳｉ光導波路の各々の側面に設けられた回折格子構造を含み、前記光スイッチの各々は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子からなる、Ｎ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチ。 N _port input ports,
N _port output ports,
A wavelength selective coupler of N _λ (columns)×N _port (rows) arranged in series via an optical waveguide between each of the N _port input ports and each of the corresponding output ports in order, the first column of the N _port number the columns from the wavelength selective coupler to N _port number of the wavelength selective coupler of N _lambda-th column of the N _port number of wavelength selective coupler, a wavelength division multiplexed input to one of the input ports a wavelength selective coupler configured so as to select light having a respective wavelength lambda ₁ to [lambda] _{N [lambda} sequentially, N _lambda (columns) × N _port (row) from the signal,
An optical switch for guiding light including a selected wavelength to an arbitrary output port via an optical waveguide between the wavelength selective couplers in each row, and N _λ optical switches,
All the optical waveguides, the wavelength selection couplers, and the optical switches are provided on a Si substrate, each of the optical waveguides is a Si optical waveguide, and each of the wavelength selection couplers has a width equal to or less than a width of the Si optical waveguide. a diffraction grating structure provided on each side of two adjacent Si optical waveguides viewed contains at intervals, each of said optical switch is formed of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) type element, N _lambda channel 1 × N _port Wavelength selective switch.

前記Ｎ_λ個の光スイッチの各々は、各列内の１つの波長選択カプラによって選択された波長を含む光を前記１つの波長選択カプラまたは前記列内の他の波長選択カプラの選択した１つに導く、請求項５に記載のＮ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチ。 Each of the N _λ optical switches outputs light including a wavelength selected by one wavelength-selective coupler in each row, to a selected one of the one wavelength-selective coupler or another wavelength-selective coupler in the row. The N _λ channel 1×N _port wavelength selective switch according to claim 5 , which leads to.

前記波長選択カプラの各々において、前記２本のＳｉ光導波路は異なる幅を有し、前記回折格子構造は前記２本のＳｉ光導波路の側面で異なる高さの凹凸を有する、請求項６に記載のＮ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチ。 In each of the wavelength selective coupler, said having two Si optical waveguide different widths, the diffraction grating structure has irregularities of different heights at the side of the two Si optical waveguides, according to claim 6 N _λ channel 1×N _port wavelength selective switch.

前記マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型素子は、前記Ｓｉ基板上の２つのＳｉ光導波路に設けられた２つの光方向性結合器と、前記２つの光方向性結合器の間に設けられた１つの位相シフタを含む、請求項５に記載のＮ_λチャネル１×Ｎ_port波長選択スイッチ。 The Mach-Zehnder interferometer (MZI) type element includes two optical directional couplers provided in two Si optical waveguides on the Si substrate, and one optical directional coupler provided between the two optical directional couplers. The N _λ channel 1×N _port wavelength selective switch according to claim 5 , including a phase shifter.