JPH0743482B2 - 光マトリクススイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、光交換器における光マトリクススイッチに
関するものである。

（従来の技術） 光マトリクススイッチは、光交換機の重要な基本素子で
あり、このため、これに関する研究が従来から精力的に
なされている。

第４図は、この出願に係る出願人により特願昭62-25526
1号に提案されている光マトリクススイッチを概略的に
示した平面図である。

この光マトリクススイッチは、第一導波路11と第二導波
路13とを有する第一の方向性結合器15をｎ段（この例で
は３段）接続して構成した入力導波路17をｍ本（この例
では３本）、及び、第三導波路21と第四導波路23とを有
する第二の方向性結合器25をｍ段（この例では３段）接
続して構成した出力導波路27をｎ本（この例では３本）
具えると共に、前記第一導波路11及び前記第四導波路23
を全反射コーナ31を介し接続しかつ前記第二導波路13及
び前記第三導波路21を交差させて前記各入出力導波路1
7,27をマトリクス化したものであった。この光マトリク
ススイッチによれば、入力ポート17a,17b,17cと、出力
ポート27a,27b,27cとの間に構成される光の多数の伝搬
経路のいずれを用いる場合も光信号は全反射コーナを一
回通過するのみで良い構造となっているため、各構成成
分を公知のもので構成しても、光信号を伝搬させる際の
損失を従来のものより低減することが出来た。

また、方向性結合器に関しても種々の研究がなされてき
ており、例えばこの出願人に係る特願昭62-293360に提
案されているものがあった。この方向性結合器は、化合
物半導体材料から成り方向性結合器が有する２つの導波
路間にこれら導波路間の電界結合を高める層（結合層と
称することもある）を設けたもので、結合長Lcの短縮が
図れ従ってより小型化が図れるもので、これを組み込む
光回路素子の小型化を可能にするものであった。

そこで、この出願に係る発明者は、第４図に示した光マ
トリクススイッチの方向性結合器15,25を特願昭62-2933
60に提案されている方向性結合器で構成することを試み
た。なお、光マトリクススイッチは、AlGaAs/GaAs系の
化合物半導体材料を用いたストリップ装荷型導波路を有
する構成とした。

第５図、第６図、第７図及び第８図は、このような構成
とした光マトリクススイッチの説明に供する図であり、
第５図は第４図に対応させて示した平面図（但し、同様
な構成成分の番号の一部は省略している。）、第６図は
この光マトリクススイッチを第５図のＩ−Ｉ線に沿って
切って示した断面図（但し、断面を示すハッチングは省
略している。）、第７図は第５図にＰで示した領域を拡
大して示した斜視図、第８図は全反射コーナ31の部分を
拡大して斜視図である。いずれの図も概略図であること
は理解されたい。

この光マトリクススイッチでは、第５図の平面図に示す
ように、結合層40を各方向性結合器の２つの導波路（第
一方向性結合器15を例にとれば第一導波路11及び第二導
波路13）が対向する間（全反射コーナの在る領域も含
む）に設けてある。さらに、第６図に示すように、第一
導電型（この例ではｎ型）のGaAs基板を用いており、こ
のｎ型GaAs基板41上にはｎ型AlGaAs下側クラッド層43及
びｉ型GaAs光ガイド層45がこの順で設けてあり、さら
に、この光ガイド層45の第一導波路11及び第二導波路13
となる領域上にはｐ型AlGaAs上側クラッド層47及びｐ型
GaAsキャップ層49がこの順で設けてある。また、ｐ型Ga
Asキャップ層49の方向性結合器に対応する領域上にはｐ
側電極51が、ｎ型GaAs基板41の下側面にはｎ側電極53が
設けてある。また、第５図を用いて説明した結合層40は
上側クラッド層と同じ材料から成っていて、光ガイド層
45の、各方向性結合器の２つの導波路が対向する間（全
反射コーナ31の在る領域を含む）の部分45a上に、上側
クラッド層よりは薄い厚さに設けてある。この結合層40
により第一及び第二導波路11,13（第三及び第四導波路2
1,23）間の電界結合の増加が図れ、よって、結合長Lcの
短縮が図れる。なお、全反射コーナ31としては、第８図
に示すように、第一導波路11及び第四導波路23が接続さ
れた部分のｐ型キャップ層51、ｐ型AlGaAsクラッド層4
9、ｉ型GaAs光ガイド層45及びｎ型AlGaAs下側クラッド
層43を、基板41の主面に対し垂直に除去した構造のもの
を用いた。

このように構成した光マトリクススイッチは、第７図か
らも明らかなように、第一及び第二導波路11,13で挟ま
れる領域から全反射コーナ31の在る領域を経て第三及び
第四導波路21,23で挟まれる領域までに渡って結合層40
（斜線を付して示す。）が設けられた構造となってい
た。なお、この光マトリクススイッチの主な部分の寸法
は、各方向性結合器の上側クラッド層47の幅Ｗ（リブ幅
とも云える）が２〜５μｍ、第一及び第二導波路上の上
側クラッド層47間の間隙Ｓ（リブ間隔）が２〜５μｍ、
上側クラッド層47の高さＨ（リブの高さ）が約１μｍ、
光ガイド層45の厚さが0.1〜１μｍ程度であった。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、第５図乃至第７図を用いて説明した光マ
トリクススイッチでは、第７図からも明らかなように、
各々の方向性結合器を結ぶ導波路のうちの第二導波路13
及び第三導波路21が全反射コーナ31のすぐ近くに配置さ
れてしまうという問題点があった。

一般に、導波路がストリップ装荷型導波路の場合の導波
路近傍での導波路に直交しかつ基板面に平行な方向での
電界強度は、光ガイド層45の上側クラッド層47（リブ4
7）直下の部分で最大となるがリブ47が無い部分でもあ
る程度の値を示す。ところが、上述した第二導波路13や
第三導波路21のように全反射コーナ31のすぐ近くを通る
導波路の場合、全反射コーナ31付近の導波路の近くの光
ガイド厚部分が全反射コーナ31を構成するために一部除
去されていることから導波路構造が非対称になり、電界
強度分布が大幅に変化してしまう。具体的に説明すれ
ば、第二導波路13の全反射コーナ近くの部分近傍での電
界強度分布は、第７図にＩを付して示すようになり強度
の中心が導波路の幅方向の中心から全反射コーナ31とは
反対側の方向にずれてしまう。一方、第一及び第二導波
路間の電界結合を高めるための結合層40が在る部分の第
一及び第二導波路での電界強度分布は、第７図にIIを付
して示すようになり両導波路の強度分布の中心が互いに
近づくようなものとなる。従って、第５図乃至第７図に
示したような構造では、第二導波路13の電界強度分布は
全反射コーナ31のところで急激に変化（II→Ｉ）するの
で、方向性結合器内を導波し第二導波路13に移った光は
第二導波路13の全反射コーナ31の付近で電界強度分布が
一致しない分だけ導波せず、損失が生じてしまうことに
なる。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、従
ってこの発明の目的は、導波路での光損失が少ない光マ
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） この目的の達成を図るため、この発明によれば、第一導
波路と第二導波路とを有する第一の方向性結合器をｎ段
接続して構成した入力導波路をｍ本、及び、第三導波路
と第四導波路とを有する第二の方向性結合器をｍ段接続
して構成した出力導波路をｎ本具えると共に、前述の第
一導波路及び前述の第四導波路を全反射コーナを介し接
続しかつ前述の第二導波路及び前述の第三導波路を交差
させて前述の各入出力導波路をマトリクス化した光マト
リクススイッチであって、前述の各第一導波路乃至第四
導波路を、基板上に順次に設けた下側クラッド層及び光
ガイド層と、この光ガイド層の当該第一乃至第四導波路
となる領域上に設けた上側クラッド層とを有するストリ
ップ装荷型導波路で構成してある、化合物半導体から成
る光マトリクススイッチにおいて、 前述の第一方向性結合器各々の第一導波路及び第二導波
路が対向する間の光ガイド層部分の前述の全反射コーナ
からは離間した領域上に前述の上側クラッド層と同じ材
料から成りこの上側クラッド層よりも薄厚な第一の結合
層をそれぞれ設け、 前述の第二方向性結合器各々の第三導波路及び第四導波
路が対向する間の光ガイド層部分の前述の全反射コーナ
からは離間した領域上に前述の上側クラッド層と同じ材
料から成りこの上側クラッド層よりも薄厚な第二の結合
層をそれぞれ設けたことを特徴とする。

（作用） このような構成によれば、全反射コーナの周辺には方向
性結合器が有する２つの導波路間の電界結合を高める結
合層が無い構造になる。このため、各導波路の電界強度
分布の中心は、結合層と接する部分では対向導波路側に
ずれていても、全反射コーナの方向に向う途中の結合層
が無くなった部分で各々の導波路の幅方向の中心側に戻
る。

また、導波路の全反射コーナ付近では導波路の両側共に
結合層即ちクラッド層が無い構造になるので従来問題と
なっていた全反射コーナの導波路に及ぼす影響が緩和さ
れるようになる。このため、この付近での電界強度分布
の中心は第７図にＩで示した状態から導波路の中心側に
近づくようになる。従って、同一導波路の結合部と接す
る部分の電界強度分布と、全反射コーナ近傍の部分の電
界強度分布とが類似してくるようになる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の光マトリクススイッチ
の実施例につき説明する。しかしながら以下の説明に用
いる各図は、この発明が理解出来る程度に概略的に示し
てあるにすぎず、従って、各構成成分の寸法、形状、配
置関係及び各構成成分間の寸法比等も概略的であり、こ
の発明が図示例のみに限定されるものでないことは理解
されたい。また、以下の実施例を、入力導波路数ｍを３
とし出力導波路数ｎを３とした、３×３の光マトリクス
スイッチにこの発明を適用した例で説明する。また、光
マトリクススイッチを作製する材料としては従来と同様
にAlGaAs/GaAs系の化合物半導体を用いた。

第１図及び第２図は、実施例の光マトリクススイッチの
説明に供する図であり、第１図は全体構成を模式的に示
した平面図、第２図は第１図にＱで示した部分を拡大し
て示した斜視図である。なお、各図において従来の構成
成分と同様な構成成分については、同一の符号を付して
示してある。また、第１図においては図面が煩雑化する
ことを回避するため同様な構成成分の番号付けを一部省
略している。

この実施例の光マトリクススイッチは、第１図の平面図
に示すように、第一導波路11と第二導波路13とを有する
第一の方向性結合器15を３段接続して構成した入力導波
路17を３本、及び、第三導波路21と第四導波路23とを有
する第二の方向性結合器25を３段接続して構成した出力
構成路を３本具えると共に、第一導波路11及び第四導波
路23を全反射コーナ31を介し接続しかつ第二導波路13及
び前記第三導波路23を交差させて各入出力導波路17,27
をマトリクス化してある。そして、各第一導波路〜各第
四導波路を、第６図を用いて既に説明したように、ｎ型
GaAs基板41上に順次に設けたｎ型AlGaAs下側クラッド層
43及びｉ型GaAs光ガイド層45と、この光ガイド層45の当
該第一乃至第四導波路となる領域上に順次に設けた上側
クラッド層47及びｐ型GaAsキャップ層49とから成るスト
リップ装荷型導波路で構成してある。また、ｐ型GaAsキ
ャップ層49の方向性結合器に対応する領域上にはｐ側電
極51が、ｎ型GaAs基板41の下側面にはｎ側電極53が設け
てある（なお第１図及び第２図ではキャップ層49、ｐ側
電極51及びｎ側電極53の図示を省略してある）。

さらに、この光マトリクススイッチでは、第１図及び第
２図に示すように、各第一方向性結合器の第一導波路11
及び第二導波路13が対向する間の光ガイド層部分の全反
射コーナ31からｌ₁だけ離間した領域上に、上側クラッ
ド層47と同じ材料から成りこの上側クラッド層47よりも
薄厚な第一の結合層61（斜線を付して示す）をそれぞれ
設け、各第二方向性結合器25の第三導波路21及び第四導
波路23が対向する間の光ガイド層部分の全反射コーナ31
からｌ₂だけ離間した領域上に上側クラッド層47と同じ
材料から成りこの上側クラッド層47よりも薄厚な第二の
結合層63（斜線を付して示す）をそれぞれ設けてある。
なお、第一の結合層61及び第二の結合層63のそれぞれの
厚さは、設計に応じて変更されるものであるが、この例
の場合では0.01〜0.1μｍの範囲内の値としている。ま
た、第一結合層61の長さL₁、第二結合層63の長さL₂（第
２図参照）は、設計に応じ決定する。また、第一の結合
層61の全反射コーナ31からの離間距離ｌ₁及び第二の結
合層63の全反射コーナ31からの離間距離ｌ₂は、それぞ
れ設計に応じて変更されるものであるが、この例の場合
では導波路の幅ｗ（第２図参照）に対しｌ₁＞2W、ｌ₂＞
2Wの好適な値としている。

次に、実施例の光マトリクススイッチにおける導波路で
の電界強度分布を第７図に示した従来の電界強度分布と
対比して説明する。

先ず、第一及び第二導波路11,13間の第一の結合層61の
在る部分の第一及び第二導波路での電界強度分布は、第
２図にIIを付して示すようになりこれは第７図にIIを付
して示した従来のものと同様である。

次に、第一及び第二導波路11,13間の第一の結合層61が
無い部分でかつ全反射コーナ31までには至らない部分の
第一及び第二導波路での電界強度分布は、第２図にIII
を付して示すようになり第一の結合層61がある部分の電
界強度分布IIに比し中心がそれぞれの導波路の幅方向の
中心側によってくる。

また、第二導波路13の全反射コーナ側の部分近傍での電
界強度分布は、結合層が無い分だけ全反射コーナ31の影
響を受けにくくなるため、第２図にIVを付して示すよう
なものになり、第７図にＩを付して示したものに比し強
度の中心が導波路の幅方向に中心側によってくる。

従って第２図からも理解できるようにこの実施例の構造
によれば、同一導波路この図示例では第二導波路13の第
一の結合部61と接する部分の電界強度分布と、全反射コ
ーナ31近傍の分布の電界強度分布とが類似してくるよう
になり然も電界強度分布の変化が従来に比し緩やかにな
るので、導波光の損失が小さくなる。このことは、全反
射コーナ31の側を通る第三導波路21についても同様であ
る。

なお、この発明は上述した実施例にのみ限定されるもの
ではなく種々の変更を加えることが出来る。

例えば光マトリクススイッチの第一導波路乃至第四導波
路の接続関係は、第１図に示したものに限られるもので
はなく、例えば第３図に平面図を以って示したような接
続関係を有する基本単位を繰り返した構造のものとして
も良い。

また、上述した実施例は３×３の光マトリクススイッチ
の例を説明しているが、これは単なる一例にすぎず、入
出力導波路の数m,nをそれぞれ異なる数にした場合で
も、また、入出力導波路の数を同数のまま他の数に変更
した場合でも、この発明を適用出来ること明らかであ
る。

また、上述した実施例では、ｎ型GaAs基板を用いた例で
説明しているが、基板をｐ型のものとし各半導体層を実
施例とは反対の導電型としても勿論良い。また、実施
例、変形例共に光ガイド層はｉ型に限られるものではな
くｐ型でもｎ型でも良い。さらに、光マトリクススイッ
チの構成材料を、InGaAsP/InP系等の他の材料としても
良い。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の光マト
リクススイッチによれば、全反射コーナの周辺には方向
性結合器が有する２つの導波路間の電界結合を高める結
合層が無い構造になる。このため、各導波路の電界強度
分布の中心は、結合層と接する部分では対向導波路側に
ずれていても、全反射コーナの方向に向う途中の結合層
が無くなった部分で各々の導波路の幅方向の中心側に戻
る。さらに、導波路の全反射コーナ付近では導波路の両
側共に結合層即ちクラッド層が無い構造になるので、従
来問題となっていた全反射コーナの導波路に及ぼす影響
が緩和されるようになる。このため、特願昭62-293360
に提案されている方向性結合器を用いても、同一導波路
の結合部と接する部分の電界強度分布と、全反射コーナ
近傍の部分の電界強度分布とが類似してくるようになる
ので、個々の全反射コーナ部分近傍にある導波路での光
損失が第７図の場合に比し小さくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の光マトリクススイッチの説明に供す
る平面図、 第２図は、実施例の光マトリクススイッチの説明に供す
る部分的斜視図、 第３図は、この発明の変形例の説明に供する図、 第４図は、従来の光マトリクススイッチの一構成例を示
す平面図、 第５図は、従来の光マトリクススイッチの他の構成例を
示す平面図、 第６図は、第５図に示した光マトリクススイッチの一部
の断面図、 第７図は、第５図に示した光マトリクススイッチの一部
を拡大して示す斜視図、 第８図は、全反射コーナの説明に供する斜視図である。 11……第一導波路、13……第二導波路 15……第一の方向性結合器 17……入力導波路 17a,17b,17c……入力ポート 21……第三導波路、23……第四導波路 25……第二の方向性結合器 27……出力導波路 27a,27b,27c……出力ポート 31……全反射コーナ 41……基板（ｎ型GaAs基板） 43……下側クラッド層（ｎ型AlGaAs層） 45……光ガイド層（ｉ型GaAs層） 47……上側クラッド層（ｐ型AlGaAs層） 61……第一の結合層、63……第二の結合層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一導波路と第二導波路とを有する第一の
   方向性結合器をｎ段接続して構成した入力導波路をｍ
   本、及び、第三導波路と第四導波路とを有する第二の方
   向性結合器をｍ段接続して構成した出力導波路をｎ本具
   えると共に、前記第一導波路及び前記第四導波路を全反
   射コーナを介し接続しかつ前記第二導波路及び前記第三
   導波路を交差させて前記各入出力導波路をマトリクス化
   した光マトリクススイッチであって、前記各第一導波路
   乃至第四導波路を、基板上に順次に設けた下側クラッド
   層及び光ガイド層と、該光ガイド層の当該第一乃至第四
   導波路となる領域上に設けた上側クラッド層とを有する
   ストリップ装荷型導波路で構成してある、化合物半導体
   から成る光マトリクススイッチにおいて、 前記第一方向性結合器各々の第一導波路及び第二導波路
   が対向する間の光ガイド層部分の前記全反射コーナから
   は離間した領域上に前記上側クラッド層と同じ材料から
   成り該上側クラッド層よりも薄厚な第一の結合層をそれ
   ぞれ設け、 前記第二方向性結合器各々の第三導波路及び第四導波路
   が対向する間の光ガイド層部分の前記全反射コーナから
   は離間した領域上に前記上側クラッド層と同じ材料から
   成り該上側クラッド層よりも薄厚な第二の結合層をそれ
   ぞれ設けたことを特徴とする光マトリクススイッチ。