JPS6218524A - 光マトリクススイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、小型基板上に構成した挿入損失の少ない大規
模な光マトリクススイッチに関するものである。

［従来の技術］ 従来、集積可能な光マトリクススイッチとしては、たと
えば第４図に示すような構成のものが挙げられる。これ
は特願昭５７−１８１１７号に詳述されているが、第４
図において、１は入力光導波路、２は出力光導波路、　
１１およびＩ２は入力光導波路１の入力端、０１および
０２は出力光導波路２の出力端、３は分岐回路、４は合
流回路、５は分岐光導波路である。　　Ｓ４　．５ｉｊ
（ｉ　＝１，２；ｊ　＝１．２）は各々ＰＮ接合を有す
る半導体光スイッチ素子を表わしており、前者は入力光
導波路１に挿入され、後者は分岐光導波路５に挿入され
て、マトリクスの形態に配置されている。

この光マトリクススイッチの動作を以下に説明する。い
ま、入力導波路１の入力端１１から出力導波路２の出力
端０２を選択する場合には、光スイッチ素子ＳｌとＳ＋
２に順方向電流を注入する。

入力光導波路１１から入射した信号光は分岐回路３で分
岐され、光スイッチ素子Ｓ！へ入射される。ここで、順
方向電流が光スイッチ素子Ｓ１に注入され、信号光の波
長がそのＰＮ接合素子のゲインスペクトル内に設定され
ている場合には、誘導放出によって信号光は増幅されて
出射される。一方、電流が注入されていない場合には、
基礎吸収（誘導吸収）によって大きく減衰されるため、
光信号は出射されない。

このような動作原理によって任意所望の出射端を選択す
ることができる。しかしながら、光導波路１，２．５お
よびＰＮ接合素子Ｓｊ、Ｓｉｊ共に単一モード導波系で
構成されるため、分岐回路３ではもちろんのこと、合流
回路４でも放射損失が生じ、原理上、３ｄＢの結合損失
が生じる。したがって、出力光導波路２に結合された光
信号は合流回路４を通過する度毎に３ｄＢの損失を生じ
、規模の大きいマトリクススイッチでは非常に大きい挿
入損失となる欠点がある。

しかもまた、出力端に近い位置の入力端と、出力端から
遠い位置の入力端との挿入損失には大きな差が生じ、光
通話路として使用する場合に、選択した通路によって大
きな出力レベル差が生じるという欠点があった。

さらにまた、第４図の構成でＮＸＮの規模のマトリクス
スイッチを構成するためには、　Ｎ２個の交差点にスイ
ッチ素子Ｓ４．Ｓｉｊを配置することが必要となり、大
規模なマトリクススイッチを構成する上で、放熱、製造
上の歩留り等の点に問題があった。

従来の光マトリクススイッチの他の代表例として、方向
性結合器形光スイッチを使用した例について説明する。

第５図はかかる方向性結合形光スイッチ素子の構成例を
示し、その詳細は文献「Ｒ。

Ｖ、Ｓｃｈｍｉｄｔ　ａｎｄ　Ｒ，Ｃ，ＡＩｆｅｒｎｅ
ｓｓ、　”Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｕｐｌｅｒ　５
ｗ１ｔｃｈｅｓ、　　ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ　ａｎｄ　
ｆｉｌｔｅｒｓｕｓｉｎｇ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇΔ
β　ｔｅｃｈｎ　１ｑｕｅｓ　、”ＩＥＥＥ　。

Ｔｒａｎｓ、　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅ
ｍｓ、ｖｏｌ、ｃＡｓ−２１３，ｐｐ。

１０９９−１１０８．１１１７９　Ｊに開示されている
。

第５図において、６は入力光導波路１と出力光導波路２
との間に連続して配置されている中間の光導波路であり
、互いに近接している。７は制御用電圧を光導波路６に
印加するための電極である。各導波路１，２．８はＬ　
１Ｎｂ０３結晶基板にＴｉを拡散することによって形成
される。第５図の構成は、２×２の光スイッチ素子とし
て動作する０例えば、入力端■１から入射してきた光信
号は、電極６に電圧Ｖが印加されていない場合には出力
端０１へ出射するが、電極６に電圧Ｖを印加した場合に
は出力端０２へ出射させることができる。入力端一１２
に関しても同様な動作を行うため、２×２の光スイッチ
動作を行うことができる。

このような２×２の光スイッチ素子を使用して光マトリ
クスを構成した例を第６図に示す０図中、８は第５図に
示した２×２の光スイッチ素子を表わす、第６図におけ
る構成例は４×４の光゛マトリクススイッチを構成した
例である。この図かられかるように、光スイッチ素子８
は６個使用されており、光スイッチ素子を１６個用いる
前述の構成例に比較すると、素子数は削減されている。

しかしながら、この場合には、ある入力端からある出力
端への通路を使用していると、他の入力端から使用して
いない他の任意の出力端への通路が形成できないネット
ワーク、すなわちブロッキングネットワークとなり、交
換動作を行うための光通話路として使用することが困難
になる欠点がある。

さらにまた、この光スイッチ素子はパッシブ回路で構成
されているため、光スイッチ素子数が増加するにつれて
、挿入損失が比例的に増大し、大規模光スイッチマトリ
クスを構成することができない。

しかもまた、この光スイッチ素子では、光の位相条件を
制御してスイッチング動作させるので、光導波路の作製
条件が厳しく、入射光の偏光状態に特性が依存し、しか
も温度に対する安定性が悪いという欠点がある。さらに
大規模光マトリクスを構成するには、大型基板を必要と
する。例えば、単位光スイッチ素子の大きさを１０ｍｍ
Ｘ　１．５ｍ＋ａと仮定すると、８×８の規模では、約
？ＯｍｍＸ　９．Ｏｍｍの大型基板が必要となり、導波
路パターンを作製する上でも非常に困難となる欠点があ
った。

［発明が解決しようとする問題点］ そこで、本発明の目的は、小型な基板の上に大規模に構
成し、かつ挿入損失を小さく構成した光マトリクススイ
ッチを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明では、半導体の利
得と損失を適切に制御することによって２×２の光スイ
ッチ素子を構成し、この光スイッチ素子を使用して大規
模な光マトリクススイッチを構成する。

すなわち、本発明は、Ｎ個の入力導波路からＭ個の出力
導波路を選択して接続する光マトリクススイッチにおい
て、入力導波路と出力導波路との交差点のうち、対角線
に沿い、かつその対角線を除外してなる三角行列部分を
除いた交差点に、光スイッチ素子を配置し、光スイッチ
素子は、直交して配置された２つの入射端および２つの
出射端を有し、互いに隣接する入射端と出射端との間を
、ほぼ円弧状に形成され、かつＰＮ接合を有する半導体
光導波路を介して接続し、円弧状の半導体光導波路の間
には、対向する入射端と出射端との間に延在し、かつ互
いに交差する形状を有し、かつＰＮ横接合有する半導体
光導波路を配置し、ＰＮ接合の各々の順方向電流を制御
することによって、光スイッチ素子のスイッチ動作を行
わせるようにしたことを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、従来と対比して、挿入損失がなく、必
要とする光スイッチ素子の総数が少なく、しかも小型に
集積化することができる。

［実施例コ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明光スイッチ素子の一実施例として、２Ｘ
２の光スイッチ素子の場合の平面図を示す、第１図にお
いて、ｌおよび２はそれぞれ入力および出力光導波路、
１０はＰＮ接合導波路を有する半導体基板である。ここ
で、入射端１１と　■２とは直交し、出射端０１と０２
とは直交して配置し、入出射端１１とＯＬおよび入出射
端■２と０２を、それぞれ、ほぼ円弧状に形成され、Ｐ
Ｎ横接合有する半導体光導波路１２および１３で接続す
る。これら円弧状光導波路１２と１３との間には、入出
射端子１１と０２、入出射端子Ｉ２と０１に向けて、そ
れぞれ延在し、かつ互いに直交し、しかもＰＮ横接合有
する半導体光導波路１４および１５を配設する。　１１
３．１？および１日は、それぞれ、半導体光導波路１２
および１３および半導体光導波路１４と１５の交差点に
接続された電極であり、これら電極１８．１７および１
８にはＰＮ接合の順方向電流を制御する電圧を印加し、
その印加電圧に応じて、かかる基板１０上に形成された
光スイッチ素子の光通過／しゃ断の状態を制御する。

このような２×２の光スイッチ素子の斜視図を第２図に
示す、第２図において、本例では、ＩｎＰ系の半導体基
板１０上に本発明による２Ｘ２の光スイッチ素子を構成
する。すなわち、ｐ型のＩｎＰ基板１０上にｎ型のＩｎ
Ｐ層２１を配置し、その上にｐ型のＩｎＰ層２２を配置
する。２３は光導波路１２，１３゜１４．１５の形状に
沿って形成されたｎ型ＩｎＰ層、２４はこのｎ型ＩｎＰ
層２３と基板１０との間に光導波路＋２．１３，１４．
１５に沿って形成されたＩｎＧａＡｓＰの活性層である
。２５は基板１０の下面に配置された下部電極層であり
、Ａｕ−Ｐｔなどの合金で形成される。

活性層導波路２４は第１図における電極パターン１２．
１３，１４ｊ５の下に形成されており、入射端１、　、
Ｉ２と出射端Ｏ１，０２との間を結ぶ導波路構造をなし
ている。

ここで、文献ｒ　Ｍ、Ｉｋｅｄａ、　”　Ｌａ５ｅｒ　
ｄｉｏｄｅｓｗｉｔｃｈ”　、　　Ｅｅｃｔｒｏｎ、　
Ｌｅｔｔ、、ｖｏｌ、１７．　Ｎｏ、２３．　ｐｐ。

８９９−１００．１９８１　Ｊに報告されているように
、伝搬軸に沿ってＰＮ接合を配置した半導体導波路１４
．１５に光信号が注入されたときに、そのＰＮ接合部に
電流が注入されていない場合には、入射光は活性層２４
において吸収され、出射しないが、ＰＮ接合部に順方向
に電流が注入されている場合には、入射光はかかる活性
層２４で増幅されて出射される。

第２図のような構造において、伝搬軸に沿ったさが２０
０ｇｍ程度である場合には、利得として３０ｄＢ、吸収
損失として５０ｄＢの値が得られる。したがって、電極
１８．１７．１８への注入電流をオン、オフすることに
よって、入射光信号のスイッチングを行うことができる
。

ここで、第１図に示した２×２の光スイッチ動作を説明
する。電極１８に順方向電流を注入し、電極１７には電
流を流さない場合には、入射端ＩＩから入射した光信号
は２方向に分岐され、出射端０２の方向へは増幅されて
出射するが、出射端０１の方向へは吸収されて出射され
ない、入射端■２から入射した光信号に対しては同様な
動作で、光信号は出射端０□へのみ出射される。

また、２つの電極１６と１７に同時に順方向電流を注入
し、電極１８には電流を流さない場合には、上述した状
態とは逆の状態、すなわち入射端工１から入射した光信
号は出射端０１へ出射し、入射端Ｉ２から入射した光信
号は出射端ｏ２へ出射される。

各々の場合に、分岐および合流の部分で原理的に各３ｄ
Ｂの損失があり、かつ曲がり導波路や散乱による損失を
も考慮すると、約８ｄＢの挿入損失がある。しかしなが
ら、この場合には、利得を最大３０ｄＢとれるため、８
ｄＢの挿入損失を補償することは容易であり、全体とし
て利得も１０ｄＢ程度得ることができる。したがって、
本発明の光スイッチ素子では、挿入損失がなくアイソレ
ーションの大きい２×２の光スイッチ素子を構成するこ
とができる。

次に本発明の２×２光スイッチ素子を用いて大規模光ス
イッチマトリクスを構成した実施例を説明する。

第３図は本発明光マトリクススイッチの一実施例であり
、ここでは、８×８のマトリクススイッチを構成する０
図中、３ｏは第１図に示した２×２の光スイッチ素子を
表わしている。このスイッチネットワークは、図から明
らかなように、必要とする総素子数が少なくて済む構成
となる。すなわち、ＮＸＮのマトリクスを構成する場合
には、対角線を境に、三角行列部分にのみ素子を配置す
るだけでよいから、素子の総数は１／２Ｎ（Ｎ＋１）と
なる。

従来のマトリクス構成では　Ｎ２個の素子が必要となる
ため、その差は１／２Ｎ（Ｎ−１）となり、大規模なマ
トリクスを構成する場合には、ほぼ１７２Ｎ”に比例し
て素子数を減少させることができる１例えば、８×８の
マトリクスの場合には、本発明の構成では、３６個の光
スイッチ素子で済むため、従来の構成で必要となる６４
個より２８個削減することができる。

入力端子Ｉｉから出力端子Ｏｊを選択する場合には、次
のような手順で各交差点の状態を設定する。すなわち、
ｉ≧ｊの場合には、通路を、そのｉ番目の入数路からｊ
番目の山数路まで直線上に伸ばし、（ｉ　、　ｊ）の交
差点で山数路側へ通路を切換えるものとする。他方、ｌ
＜ｊの場合には、先ず（ｉ、ｉ）の交差点まで通路を入
数路から直線上に伸ばし、以後は１段ずつ山数路側へ切
換えて、ざらに山数路番号が増える方向に切換え、ｊの
山数路に達したら通路をｊの山数路まで伸ばす操作を行
う。第３図には入射端Ｉ４から出射端０５を選択する通
路を太い実線で示しである。

既に占有されている通路がある場合には、その占有され
ている通路も含めて前述の手順で通路を再設定すること
にすれば、ブロッキングされることなく通路を設定する
ことができる。この手順はあらかじめプログラムとして
制御装置に組み込んでおくことができ、それによって容
易に通路の設定を行うことが可能である。

第１図の場合に説明したように、２×２の光スイッチ素
子を第３図における単位格子として構成すると、入力端
から出力端まで損失が零の状態で光通路を設定すること
ができる。しかも、単位格子の大きさを２００　ｐ、ｔ
ｐで構成すると、第３図に示した８Ｘ８のマトリクスス
イッチを１、Ｉｌｔｍｍ　Ｘ　１．８ｍｍの基板上に形
成することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、入数路と山数路
を直交する方向に２×２の光スイッチ素子を構成するこ
とができ、しかもＰＮ接合を有した半導体導波路で光マ
トリクススイッチを構成するので、以下のような利点が
ある。

ｉ）半導体プロセスで製造するため小型に集積化できる
。

ｉｉ）必要とする総素子数が少なくてすむ。

ｉ目）挿入損失がなく、利得さえも得ることができる。

ｉｉ）入数路と山数路とを直角に配置することができる
。

マ）光スイッチ素子は電流注入による制御でスイッチン
グ動作するので、ｉｎｓ程度の高速スイッチングが可能
である。

ｖｉ）スイッチング動作は損失と利得の切替え型のため
、導波路の作製精度をそれ程高くする必要はない。

マｉｔ）光マトリクススイッチの寿命が半永久的に長い
。

ｖｉｉｉ）大量生産が可能であり、経済性が良好である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における２×２光スイッチ素子の一実施
例の構造を示す平面図、 第２図は第１図示の光スイッチ素子を一部斃断面で示す
斜視図、 第３図は本発明８×８光マトリクススイッチの構成の一
例を示す線図、 第４図はＰＮ接合素子をスイッチ素子として用いた従来
の光マトリクススイッチの構成例を示す線図、 第５図は従来の光スイッチ素子としての方向性結合型２
×２光スイッチの構造例を示す線図、第６図は第５図の
素子を用いて構成した４×４光マトリクススイッチの一
例を示す構成図である。 １・・・大刃先導波路。 ２・・・出力光導波路、 ３・・・分岐回路、 ４・・・合流回路、 ５・・・分岐光導波路、 ６・・・中間光導波路。 ７・・・電極、 ８・・・２×２光スイッチ素子、 １０・・・ｐ型１ｎＰ基板、 １２．１３・・・円弧状半導体光導波路、１４．１５・
・・直交半導体光導波路。 ＩＥＩ、１７．１８・・・電極、 ２１００．ｎ型ＩｎＰ層、 ２２・・・ｐ型１ｎＰ層。 ２３・・・ｎ型ＩｎＰ層、 ２４・・−１ｎＧａＡｓＰの活性層、 ２５・・・電極、 ３０・・・２Ｘ２の光スイッチ素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　Ｎ個の入力導波路からＭ個の出力導波路を選択して接
   続する光マトリクススイッチにおいて、前記入力導波路
   と前記出力導波路との交差点のうち、対角線に沿い、か
   つその対角線を除外してなる三角行列部分を除いた交差
   点に、光スイッチ素子を配置し、 前記光スイッチ素子は、直交して配置された２つの入射
   端および２つの出射端を有し、互いに隣接する入射端と
   出射端との間を、ほぼ円弧状に形成され、かつＰＮ接合
   を有する半導体光導波路を介して接続し、該円弧状の半
   導体光導波路の間には、対向する入射端と出射端との間
   に延在し、かつ互いに交差する形状を有し、かつＰＮ接
   合を有する半導体光導波路を配置し、前記ＰＮ接合の各
   々の順方向電流を制御することによって、前記光スイッ
   チ素子のスイッチ動作を行わせるようにしたことを特徴
   とする光マトリクススイッチ。