JPS5945423A - マトリックス光スイッチの駆動方法 - 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】 本発明は基４ノｖ土に設（１：：７された光導波路を用
いて光路のＱ）撥えを１ｊなう；ｊ’ｉ、波形の光スィ
ッチに１９１シ、’ｌ”ｊに１つの基板上に複数の光ス
イッグ゛ニレメン１をイ４）４４’（シーＬ”＋）７　
ＬＭの入出力光導波路間の光路イ（電気的に制御ｌグＣ
任意に切換える仁とのできるマｌ−ＩＪソクス）’（、
ス・イッチに関−ｊ／、）。

光ｊＥｔ　（ｉｊシス゛フッ、の実用化がＡ（み、大著
■ｌ、やψ（（聾１ｊ１１をもつさらＩｉ（晶度のシス
テムへと開発が進めらノしている。光伝送１ｌ１１′ｒ
網の交換機ｆｉｌ−４、光データバ；（に訃りる端末間
のｉ−＋＋速接紛−１し月免λ−宿のやｉたら＋ブ隻能
が求めらｉ１″Ｌ１８．−リ、それらをｃ＋Ｊ能に１゛
る光スイツチングネットワークの必懸性が高μっている
。

光スィッチとしては、現在、電磁石等による機械的移動
を用いた光スィッチが実用化されているが、光スイツチ
ングネットワーク構成に必要である高速性、多点間の切
換え、信頼性等の性能に関しては十分な特性は得られな
い。上記の必侠性能をすべて満たし、さらに高効率、小
形で、単一モードファイバ糸への適応性を備えた導波形
光スイッチの開発が進められている。光スイツチングネ
ットワークを構成するためには特に複数の光伝送路間を
仕置に接続できるマトリックス入出力形の光スィッチが
必要とされる。導波形光スイッチは基板上に設置した光
導波路を用いて構成されるので、１つの基板上に複数の
光スイツチエレメントを集積化できるという特長があｐ
、比較的容易に７トリツクス形の光スイッチを得ること
ができる。

導波形の光スィッチには方向性結合形、全反射形、バラ
ンスドブリッヂ形、Ｙ分岐形等の方式があるが、光スィ
ッチにおいて特に重要なパラメータであるクロストーク
を比較的容易に低くでき、また構成が簡単でマ）　ＩＪ
ソックスし易いものは方向性結合形と全反射形の光スィ
ッチである。方向性結合形光スイッチは幅数μｍ〜数十
ＩＩＷＪの光導波路２本を数μｍの間隔で互いに近接さ
せて光方向性結合器を構成し、光導波路近傍に設けた制
御電極に電圧を印加することにより上記２本の光導波路
間の結合度を制御するものである。一方今反射形光スイ
ッチは２本の光導波路を数度の角度で交差させ、その交
差部に制御電極を設置して交差部における光の反射率を
制御するものである。全反射形光スイッチでは低りロタ
ストークを得るためには前記の交差角を大きくする必要
があるが、この場合、印加電圧日、逆に増加してしまう
という欠点がある。通常品ｙｓｒ、＋１−〕の高速駆動
回路を得るのは困難であるので、全反射形光スイッチは
高速スイッチングには不＋Ｗ＝ｅある。一方、方向性結
合形光スイッチは低電圧で動作し、しかも低クロス］・
−クを得るのも他の）ｒ、スイッチに比べ容易である。

従来の方向性結合形光スイッチを用いたマ）　ＩＪック
ス光スイノヂの構成の代表的な一例（平面図）を第１図
に示す。

第１図において、ニオブ酸リチウム等の誘電体又はＧ　
ａ　Ａ　ｓ等の半導体基板１の上に拡散や結晶成長等に
よって光導波路２，３，４．５が形成され、光導波路２
と３及び４と５がそれぞれ互いに近接して光方向性結合
器６，９及び７，１０を順次光透過方向に構成し、光方
向性結合器６．７と９，１０の間及び９．１０の出射側
に光導波路３と４によって光方向性結合器８，１１がそ
れぞれ構成されている。上記光方向性結合器６，７，８
，９，１０゜工１の光導波路上にはそれぞれ制御電極が
設置位されている。すなわち、第１図はそれぞれの光方
向性結合器を２×２光スイツチエレメントとしてそれを
６個組合せることによシ４×４マトリックス光スイッチ
を構成したものである。第１図の構成で、各方向性結合
形光スイッチの制御電極へ電圧を印加することにより基
板の電気光学効果あるいは自由キャリヤ濃度の増減効果
によって光導波路の屈折率を変化させ、２つの光導波路
間の結合度を０又は１００％とするように制御を行なう
。通常、結合度Ｏ及び１００悌の両状態を得るために制
御電極を第１図に示すように光透過方向に２分割し、そ
れぞれの電極に互いに逆向きの電界を基板中に誘起する
ようにｌＥ圧を印加する方法がよく用いられる。例えは
第１図の光方向性結合器９の電極端ｒ−１２と１３の間
に電圧が印加される。第２図はその印加電圧と１つの入
力ボートから光が入射した嚇合の２つの出力ボートから
の出力光レベルの関係を示す一例である。すなわち、光
方向性結合器９に光導波路２から光が入射した場合に、
バ；導波路３に結合して出力される光レベルが２０であ
り、）し導波路２に残った１壕出力される九レベルが２
１である。第２図において’ｉｌｌ、’圧Ｖ、のとき結
合度１００％ＩＥ圧■、のとき結合度Ｏとなる。そとで
従来の構成、ｊ−なわち第１図のように光方向性結合器
を２×２光スイツチエレメントとしてそし れを光透過す向に？Ｎ数個配列ｆ、Ｍ本の光導波路群だ
けでＭ×へ１のマトリックス光スィッチを構成する方法
では、−，１：　’ｔｉ己（ｙ）　ＬうＬ”ｌ　、Ｖ＊
　（７）　２値ノ’Ｋ　ＢＥ値が必９であった。しかも
通常それらの電圧値は光スイツチエレメントによって少
しづつ異なるので複雑な駆動回路が必要とされる。まだ
、方向性結合形光スイッチのクロストークは光導波路や
電極の不完全性や２つの光導波路間の非対称性によって
劣化を招くが、従来の構成では１００多結合及び結合Ｏ
の両状態で通常のシステムで必要とされる一２０ｄＢ以
下の低クロストーク特性をもつ必要があるので要求され
る製作精度が高く、製作歩止シは低い値であった。従来
の構成及び駆動方式においても１００％結合か結合０の
状態の一方を０ボルトで得ることも設計上は可能である
が、（）ボルトで一２０ｄｎ以下の低クロストークを得
るのは非常に高精度の製作を悶求されるので実際にはか
なｐ困難である。また、マトリックス光スィッチを高速
に駆動するだめにｅよよ、り低い電圧値が要求されてい
る。さらに従来の構成のマトリックス光スィッチの大き
な欠点は、ある組合せで多数の入出力ボート間が接続さ
れているときに、その中の任意の２組の入出力ボートを
入換える時に多くの光スイツチエレメントの結合状態を
同時に換えなければならないことである。すなわち、２
組の入出力ボートだけを入換えるときにもマトリックス
光スイツチ内の光路を大幅に変えるためスイッチ切換時
に他の入出力ボート間の接続が瞬時的に乱れたり、他の
出力ボートの出力光レベルが瞬時的に低下する現象が生
じてしまう。

本発明の目的は０ボルトと１電圧値の間でスイッチング
を行なうことが可能で、低クロストークが容易に得られ
、従来よシも低電圧で動作可能でさらに入出力ボート切
換時に、切換えを行なう入出力ボート以外のボートの接
続には全く影響を及本発明によノ１げ、誘電体又は、半
導体基板上に複数（Ｍ）本の第１の光導波路群と複数（
’Ｎ）本の第２の光導波路群を形成し、Ｍ−１≧Ｎ−１
≧ｉ≧１としたとき、前記第１の光導波路群の第１番目
と第１−１−１番目の光導波路とでｉ　ｆｌＸｌの光方
向性結合器を構成し、前記第２０光導波路群の第１番目
と第ｉ＋１番目の光導波路とでＮ−１固の光方向性結合
器を構成し、前記ＮＪ口の光導波路群の第Ｍ香目の光導
波路と前記第２の光導波路群の第１番目の光導波路とで
Ｎ個の光方向性結合器で構成し、１番目の光導波路とで
Ｎ個の光方向性結合器を構成して合計ＭＸＮ個の光方向
性結合器を構成し、上記光方向性結合器のそれぞれ近傍
に制御電極を設置して形成したマトリックス光スィッチ
を、多くともＮ個の光方向性結合器の制御電極への印加
電圧を０として該光方向性結合器を通過する光波エネル
ギーの少なくとも一部が入射した光導波路中に残存する
ようにし、他のすべての光方向性結合器の制御電極には
−ボの電圧を印加して該光方向性結合器を通過する光波
のエネルギーの１２とんとすべてが入射した光導波路か
ら他の光導波路へ能で、低クロストークが容易に得られ
、従来よりも低電圧で動作し、しかも、入出力ボート切
換時に、被切換ボート以外の入出力ボートに対しては影
響を及はさないマトリックス光スィッチが得られる。

以−ト、図面を参照し７て本発明の詳細な説明する。

第３図ｔよ本発明の一実施例である２×２マトリツクス
光スイツヂの平面図を示す。誘電体又は半導体基板１」
二に第１の光導波路群をなす先導波路３１と３２及び第
２の光導波路群を々す光導波路３３と３４がぞわぞれ形
成されている。光導波路３１吉３２Ｆｉ光方向性結合器
４１を構成し、光導波路３３と：３４は光力向性結合器
４４を構成し、さらに光方向性結合Ｈ＜、ｎ、４４の両
側に光導波路３２と３３によって光方向性結合器４２．
４３がそれぞれ構成さｉｌている。ぞれらの光方向性結
合器上には、第１図に示した光方向性結合器の制御電極
と同様な制御箱、（途がそれぞれ設置されている。

本実施例においては、基板１の一例としてニオブ酸すチ
ウノ・結晶を用い、光導波路３１，３２．３３゜３４は
ブタンを熱拡散して形成した。また、上記光導波路の幅
はそれぞれ数μｍ〜数十μｍであシ、光方向性結合器を
構成する２本の光導波路の間隔は数ｔｔｙｎ＆ｉ度、光
方向性結合器の長さ？′ｉ数−〜十数ｎである。

本実施例に用いられる光方向性結合器４１，４２゜４３
（，４４はそれぞれ第１図に示した光方向性結合器と同
様に第２図に示す印加１Ｅ圧特性をもつ。本実施例にお
いては、入力光３５　、３６はそれぞれ光導波路３３．
３４に入射し、光方向性結合器は電圧■１が印加された
結合１００％の状態であるか、または電圧Ｏの状態のい
ずれかである。但し、光方向性結合器４１，４２，４３
．４４は電圧０の状態で結合量が０〜２０％となるよう
に設計されている。本実施例において、出力光３９　、
４０は光導波路３３゜３４のそれぞれ出射端よシ得られ
る。光方向性結合器４１．４４が電圧Ｏで光方向性結合
器４２．４３が電圧Ｖ、結合１００チの状態のときには
入力光３５のエネルギーの８０〜１００％が出力光３９
．０〜２０％が光導波路３１へ結合ｌ〜出射光３７とな
シ、入力光３６のエネルギーの８０〜１００饅が出力光
４０．０〜２０％が光導波路３２へ結合し、出射光３８
となる。本実施例においては出射光３７゜３８は使用さ
れないで除去される。一方、光方向性結合器４２，４３
が電圧Ｏで４１．４４が電圧Ｖ、のとき入力光３５及び
３６のエネルギーの８０〜１００憾はそれぞれ出力光４
０．３９となる。

本実施例において、電圧０のとき完全に結合量０とする
のは先に述べたように困雛であるが、結合器を３〜１０
％程度とするのは容易であるので、本実施例のマトリッ
クス光スィッチの損失となる出射光３７．３８の光計を
数慢以下にすることは容易である。まだ、同じ形状の光
方向性結合器を考えた場合、必要電圧はＶ、であるので
第１図の従来例のＶｔ、１：りもかなり低電圧で動作が
可能である。

第４図は本発明の他の実施例である４×４マトリツクス
光スイツチの平面図である。第４図において、１は第３
図の実施例と同様な誘電体又は半導体基板であり、基板
１上に光導波路５１，５２　。

５３．５４からなる第１の光導波路群と、光導波路５５
．５６，５７．５８からなる第２の光導波路群が設置さ
れ、光導波路５１と５２で１個、５２と５３とで２個、
５３と５４とで３個、５４と５５とで４個、５５と５６
とで３個、５６と５７とで２個、５７と５８で１個の光
方向性結合器がそれぞれ構成され、全部で１６の光方向
性結合器が形成されている。各光方向性結合器上には第
３図の実施例と同様な制御電極が設置されており、各光
方向性結合器の印加電圧特性は第３図の実施例と同様に
印加１ｊ、圧０で結合度０〜２０％、印加電圧Ｖ１で結
合度ｉｏｏ％となっている。

本実施例において、入力光６１，６２，６３．６４はそ
れぞれ光導波路５５．５Ｇ、５７．５８の一端に入射し
、出力光６５，６６．６７．６８はそれぞれ光導波路５
５．５６，５７．５８の他端から出射する。い寸、光導
波路５２と５３で構成された光方向性結合器７０、光導
波路５４と５５で構成された光方向性結合″ａ７１、光
導波路５３と５４で構成された光方向性結合器７２、光
導波路５７と５８で構成された光方向性結合器７３のそ
れぞれの制御電極への印加電圧を０とし、他のすべての
光方向性結合器の制御電極へ印加電圧ｖ１を印加すると
、入力光６１．６２，６３．６４のエネルギーの８ＯＮ
ｉｏｏ条はそれぞれ出力光６６．６７．６５．６８とな
シ、残シの工ネルギーは光導波路５１．．５２，５３．
５４の一端から出射し除去される。すなわち、入力光６
１→出力九６６、入力光６２→出力光６７、入力光６３
→出力光６５、入力光６４→出力光６８の組合せで入出
力が接続される。ここで２つの入出力の組合せを入換え
る場合、例えば上記の組合せを入力光６１−→出力光６
５、入力光６３→出力九６６とする場合には光方向性結
合器７０と７２の印加電圧をＶ、とし、光導波路５１と
５２で構成される光方向性結合器７４及び光導波路５４
と５５で構成される光方向性結合器７５の印加電圧を０
とすればよい。このとき、他の２つの入出力組合せ入力
光６２→出力九〇７、人力光６４→出力九６８のそれぞ
れを結ぶ光路中の光方向性結合器の状態は変化しないの
で、これらの出力光６７．６８には上記切換えの影響は
生じない。

以上述べたように本発明によれば、０ポルトド１電圧値
の間でスイッチングを行なうことが可能で、低クロスト
ークが容易に得られ、従来よシも低電圧で動作可能で、
さらに入出力ポートの切換時に切換えを行なう入出力ボ
ート以外のボートの接続には全く影響を及ぼさない切換
えが可能な７トリツクス光スイッチ及びその駆動方法が
（４）もれる。

なお本発明に用いる基板材料、光導波路及び光方向性結
合器の形状、制御電極の形状、等Ｑよ上記実施例に限定
されないの（ζｊ、いうまでもない。

例えば、基板材料とｔ、ては、タンタル酸リチウム結晶
、１．ｎＰ結晶、及び他のＩ　−Ｖ族化合物半導体結晶
等を、制御箱、極とし７ては光透過方向に数分割し／こ
電袷を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマトリックス光スィッチを示す平面図、
第３図、第４図は本発明の実施例である７トリツクス光
スイッチを示す平面図、第２図はマトリックス光スィッ
チの動作を説明するだめの図であシ、光方向性結合器の
印加電圧特性の一例を示す。図において１は基板、２，
３，４，５，３１゜３２．３３，３４，５１．．５２，
５３，５４，５５，５６，５７　。 ５８は光導波路、６，７，８，９，１０，４１，４２，
４３゜４４．７１，７２，７３，７４．７５は光方向性
結合器である。 才　　ｊ　ロ す　２　ロ 矛　　５　凶 手続補正占（自発） ！、１１．ｉ’ｔ’　Ｉ　’＋長゛１′１　　殿１、す
「ｆ′１の１５．ｔ＋ぐ　　昭和５７に１−　特許　１
９ｉ（ｉ第］！；５４５６け２、　　　の名＋４、　　
　　フトリソクス光スイ７ブ及びその駆動方法３、補正
６・４ると ’Ｊｌ’ｌとの１シ汀系　　　　　　　出　１’）ｒｉ
　　人東号１古１；イ（ト１メ、′之　１１．　　Ｉ’
１１３３１　１　　シｊ（４２３）　　　日本電気株式
会社 代ノ、！ｔ１　　関本忠弘 ４、代理人 〒１０８　　屯弓−古ＨｉｉｕＫ、Ｊ　Ｉｆ、　ＩＮ　
１３７ｉＹ’ｒ　８　”ｒ’；　　ｆｌ友　Ｉｌｌ　Ｌ
ｆ’　ＩＬ、！、、１：１．　　、、　　　　　　　　
　　　（−中ｆ！ｉ　ＳＬ　　　ｌ　１　本／ｌ［’ｆ
ｉ株、（会ｉｌ：　　ｆ、Ｙ、ｆ’ｒｒ’化））、１ （１）　　明細碧の発明の詳細な説明の欄（２）　　明
細書の図面の簡単な説明の欄（３）図面 ６　補正の内容 （１）図面第５図、ｆ′Ｒ６１ン１を別紙図ｍ１０通り
追加する。 （２）　　明細■第１５頁第１６行目の後に」ソ下の文
章を挿入する。 ［第５図１１本発明の他の実施例である半導体１／−ザ
アレイ及び出力光）丁ｒバーｆ　＋／イを接続し、た４
×４７）　ＩＪクス光スイノヂの平面図である。本実施
例では、誘ｍ体又はゝｒ導体かｒっ々る基板１の」二に
、第４図び）実Ｍｌｉ例と全く同様に光導波路５１．５
２．５３．５４からなる第Ｊの光導波路群と光Ｉｎ波路
５５，５６，５７．５８からなる第２の光導波路群によ
って金側１６個の光方向性結合器が形成され、それぞれ
に制御Ｗｌ極が設置６され１いる。但１２、第５図にお
いては、光方向性結合器の部分は破線で囲んだ領域８０
のように略して示されている。本実施例では、光導波路
５５，５６．ｒｉ７．５８の入射端面にけそＪｌぞれ駆
動回路に接続された半導体レーザ７６．７７．７８．７
９が結合さＪｌており、また、それらの光導波路の出射
端面にけ出力光ファイバ６５゜６６．６７．６８がそれ
ぞれ接続されている。半導体レーザ７６．７７．７８．
７９の出射光は各光方向性結合器への印加電圧により制
岬され、出力光Ｆｉ５．（ｉ６゜６７．６８の（八ずれ
かとなり、）

【、ファイバ８１．Ｒ２゜８３．８４のＬ
／１１’　ｈかに結冶さノ１ろ。本実施例では４人力電
気信号が４つの駆動回路及びそノ１らに接続さｆｌだ半
導体レーリ゛７６．７７．７８．７９にそＪ］、ぞｈ−
印加さり、ることによって４個の光信号に変換され、そ
の光信号の状態でスイッチされて出力光ファイバ６５，
６（ｉ、６７、ｆｉｌ’ｌに結合さ）する。同様な機能
は４人力面気信号を電気的なスイッチング回路によ、っ
て切替え、その後、切替えられたＷｉ気倍信号よって半
導体レーザを駆動し、光ファイバに結合することによっ
ても得られるが、本実施例のように光信号の状態で切替
えた方が、信号帯域とクロストークは相関がないので広
帯域信号に対Ｉ、てクロストークを小さく　Ｌ、やすし
という特長がある。 第６図は本発明による実施例である入出力部に光電変換
部を設置し７た４×４マトリクス光スイツチの平面図を
示す。本実施例も、第４図と同様な構成の１６個の光方
向性結合器が基板１の上に形成されており、第５図ど同
様にそれらは破線で囲んだ領域８０に略し２て示す。本
実施例では、光導波路５５，５６，５７．５８の入射端
には、光検出器、電気増幅回路、駆動回路、半導体レー
ザかもなる光レピータ９１．９２，９３．９４がそれぞ
れ設置されており、それらの入力側の光検出器には入力
光ファイバ８５，８６，８７．８８が結合され、それら
の出力側の半導体レーザは光導波路５５，５６，５７．
５８の入射端面釦結合している。オた光導波路５５，５
６゜５７．５８の出射端には上記と同様な光レピータ９
５゜９６．９７．９８がそれぞれ役Ｉ府され、それらの
出力側の半導体レーザは出力光７アイパｓ】、ｓ２．ｓ
３゜８４　Ｋそれぞれ結合されている。本実施例は４人
力光信号を一旦光一電気一光変換をした後スイ。 ヂンを行々い、円び’）’（ニー電気−光変換をして出
力光ファイバに結合するものであ７）。光レピータ９１
゜９２．９３．９４及び９５．９ｆｉ、９７．９８を用
い外１ハで直接光ｒ７１波路端而と毘ファイバ端面を結
合１７ても原理的には木す施例と同様外機能が得られる
が、本￥施例けその場合に比較して、入力信号を電気的
に増幅できるので用失が小さいこと、半導体レーリ゛光
が直接）を導波路に入射されるので光ファイバを伝送六
ハた入射）Ｙ：の偏光状態が乱れていてもスイッチフグ
性能に悪影響がないこと等の特長があＺ）。、１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （υ　Ｍ、ＮをＭ≧Ｎ≧２なる整数とするとき、基板上
   にＭ本の九梼、波路からなる第１の光導波路群とＮ本の
   光導波路からなる第２の光導波路群とを般的゛し、；を
   Ｎ−１≧ｊ≧１なる整数と［−だとき、前記第１の光導
   波路群の第１番目と２４゛日−ト１番目の電導（２ヴ路
   とで４’ｌ’ｉ成した１個の光方向性結合器と、前出ｉ
   第２の）Ｙ、導波路群の第１番［１とｔ１′日→−１’
   ？ｆｒ目の）Ｙ、導波路とで構成したＮ−１個の光方向
   性結合器と、１）１ｆ記単１の光導波路群の第Ｍ番目の
   ）Ｙ；導波路と前記第２の光導波路７ｆｆの第１番目の
   光導波路とで＋ＩＩ７成したＮ閘の九ノ）同性結合器と
   を少なくとも含むＭｘＮ個の光方向性結合器をもち、十
   記尤方向性結合２：÷のそれぞｈ近傍に制御電極を設置
   ｉ’ｊ：　ｔ、たことを’１．′１′徴とするＭ入力Ｎ
   出力又はＮ入力Ｍ出力のマ）　ＩＪックス光スイッヂ。 （２）Ｍ、ＮをＭ＞Ｎ≧２なる整数とするとき、基板上
   にＭ本の光導波路からなる第１の光導波路／ｎ’とＮ本
   の光導波路からなる第２の光導波路！１工゛とを設置し
   、１をＮ−１≧ｉ≧Ｊなる整数としたとき、前記第１の
   光導波路群の第１番１」と第ｉ＋１番［Ｉの光導波路と
   で構成した３個の光方向性結合器と、前記第２の光導波
   路ｔｔＶの第１番目とｍｉ　＋１番目の光導波路とで構
   成し７たＮ　−１個の光方向性結合器と、前記第１の光
   導波路群の第Ｍ番目の）℃：導波路と前記第２の光導波
   路群の第１番口の光２７％波路とで構成したＮ個の光方
   向性結合２に七を少なくとも含むＭｘＮ個の光方向性結
   合器全もち、」−記）１（。 方向性結合器のそれぞれ近傍に制御電極を設置ｉ／ｌ“
   、したマトリックス光スィッチにおいて、多くともＮ個
   の光方向性結合器の制御電極への印加’ｒＫ圧をＯとす
   ることにより該光方向性結合器を、７［ｎ過する光波の
   エネルギーの少なくとも一部が入射した光導波路中に残
   存するような光結合状態とし、他のすべての光方向性結
   合器の制御電極へ一定の電圧を印加“ｊる仁とに、しり
   該光力向性結合？ｇを、】１゛ｂ過するＡ′、波の、：
   ＋：、ｉルギーのｅ′Ｌ占んどずべてが入射しプと一ゲ
   （、；　５７ＩＬ波ＩＲｔ力・らｆｌｔｔの九泗、波瞬
   ｊへ結合するような光結合状態とする７トリツクス九ス
   ・イッチの駆動方法。