JP2014160216A - マッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】波長選択スイッチの出力ポートの数を増大させるとともに、マッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して小型化する。
【解決手段】１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、波長分割多重信号を分波して、出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第１のアレイ導波路回折格子と、前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラと、前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力し、Ｍ本の出力ポートに出力する第２のアレイ導波路回折格子とを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、マッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチに関し、より詳細には、光通信ネットワークノードにおいて光スイッチとして機能する波長選択スイッチに関する。

近年、光通信デバイスの分野では波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）の研究が盛んに行われている。ＷＳＳは、次世代のＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）ノードを構成するために必要不可欠である。入力された波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）信号のうちの任意の波長を任意の出力ポートに選択的に出力できるデバイスであり、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ＷＳＳである。第２に、光導波路技術に基づく集積型ＷＳＳである。空間光学型ＷＳＳは、集積型ＷＳＳに比べ、多くのポートを収容でき、光学特性も良いことから主流となっている。しかしながら、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ＷＳＳは、空間光学型ＷＳＳに比べ、多くのポートを収容することが困難であるが、省スペース、コストの面で有利である。

図１に、従来の集積型ＷＳＳである光回路型１×２波長選択スイッチを示す。波長選択スイッチ１００は、Ｎ個の波長を含む波長分割多重信号を、１本の入力ポートＩＮ_１から入力し、２本の出力ポートＯＵＴ_１，ＯＵＴ_２から選択された波長を含む波長分割多重信号を出力する。波長選択スイッチ１００は、１個の入力導波路およびＮ個の出力導波路を含むアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）１０１と、Ｎ個の１×２光スイッチ１０２と、Ｎ−１個の２×１波長カプラ１０３と、Ｎ＋１個の入力導波路および２個の出力導波路を含むＡＷＧ１０４とを備える（例えば、非特許文献１参照）。

入力ポートＩＮ_１に入力された波長分割多重信号は、ＡＷＧ１０１によって分波され、出力導波路Ａ_１〜Ａ_Ｎ（最も長いアレイ導波路に近い側からＡ_１，Ａ_２，…，Ａ_Ｎとする）の各々に、各波長λ_１〜λ_Ｎの光信号が出力される。各波長の光信号は、１×２光スイッチ１０２によってスイッチされ、図の上側の出力導波路Ｂ_１または下側の出力導波路Ｂ_２のいずれかに出力される。各々の波長カプラ１０３は、１×２光スイッチ１０２の選択によって、（ａ）隣り合う波長の光信号を合波する、（ｂ）一方の波長の光信号のみを通す、（ｃ）隣り合う波長のいずれも通さない、の３つの動作をする。

ＡＷＧ１０４の入力導波路を、最も長いアレイ導波路に近い側からＨ_１，Ｈ_２，…，Ｈ_Ｎ＋１とする。ＡＷＧの対称性から、例えば、入力導波路Ｈ_２〜Ｈ_Ｎ＋１のそれぞれに、各波長λ_１〜λ_Ｎの光信号が入射されると、波長λ_１〜λ_Ｎを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ_１に出力される。入力導波路Ｈ_１〜Ｈ_Ｎのそれぞれに、各波長λ_１〜λ_Ｎの光信号が入射されると、波長λ_１〜λ_Ｎを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ_２に出力される。このようにして、任意の波長の光信号を、出力ポートＯＵＴ_１，ＯＵＴ_２のどちらかに出力させることができる。

しかしながら、従来の集積型ＷＳＳでは、出力ポート数が２と少なく、空間光学型WSSと比べてポート数の点で性能が劣っていた。

Yuichiro Ikuma, Takayuki Mizuno, Hiroshi Takahashi, Hiroyuki Tsuda, "Wavelength selective switches using silica optical waveguide," The Institute Of Electronics, Information And Communication Engineers, OPE2012-125, October 26, 2012

従来の集積型ＷＳＳにおいて、出力ポート数Ｍを増やすためには、光スイッチのポート数を増やし、Ｎ＋Ｍ−１個の波長カプラを備えなければならず、回路が大型化してしまうという問題があった。

また、従来の集積型ＷＳＳでは、１×２波長選択スイッチの構成においては交差導波路を含まないのに対し、１×Ｍ波長選択スイッチの構成とすると、光回路中に交差導波路を多く含んでしまう。交差導波路は、交差角が小さいほど、交差する導波路間でクロストークを生じ、伝搬する光信号の特性を劣化させることになる。交差導波路を設ける場合は、クロストークを低減するために、交差導波路の交差角をできるだけ９０度に近づけることが望ましい。

本発明の目的は、集積型ＷＳＳの出力ポートの数を増大させるとともに、マッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して小型化することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、Ｎ個の波長分割多重信号を１本の入力ポートから入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数）の出力ポートから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力するマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチであって、前記１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、前記波長分割多重信号を分波して、前記出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第１のアレイ導波路回折格子と、前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラと、前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力し、Ｍ本の出力ポートに出力する第２のアレイ導波路回折格子とを備えたことを特徴とする。

第２の実施態様は、前記第１のアレイ導波路回折格子と前記第２のアレイ導波路回折格子とを、１つのアレイ導波路回折格子に集約したことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、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波長選択スイッチの出力ポート数Ｍ（Ｍは３以上の整数）を増大させることができる。

従来の集積型ＷＳＳである光回路型１×２波長選択スイッチを示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。 アレイ導波路回折格子の構成を説明するための図である。 １×Ｍ光スイッチの構成を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長カプラの構成を示す図である。 マッハツェンダ干渉計型波長カプラの他の構成を示す図である。 マッハツェンダ干渉計型波長カプラの透過帯域を比較するための図である。 マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラの構成を示す図である。 マッハツェンダ干渉計の段数と出力ポートの数の関係を示す図である。 マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラの実装方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。 １×Ｍ光スイッチとマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラとの接続方法を示す図である。 １×Ｍ光スイッチとマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラとの接続方法を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。波長選択スイッチ２００は、Ｎ個（図はＮ＝９の場合を示す）の波長を含む波長分割多重信号を、１本の入力ポートＩＮ_１から入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数、図はＭ＝４の場合を示す）の出力ポートＯＵＴ_１，ＯＵＴ_２，…，ＯＵＴ_Ｍから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力する。波長選択スイッチ２００は、１個の入力導波路およびＮ個の出力導波路Ａ_１〜Ａ_Ｎ（最も長いアレイ導波路に近い側からＡ_１，Ａ_２，…，Ａ_Ｎとする）を含むＡＷＧ２０１（第１のアレイ導波路回折格子）と、Ｎ個の１×Ｍ光スイッチ２０２（ＡＷＧ２０１の最も長いアレイ導波路に近い側からＳ_１，Ｓ_２，…，Ｓ_Ｎとする）と、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）２０３と、Ｎ＋Ｍ−１個の入力導波路（最も長いアレイ導波路に近い側からＥ_１，Ｅ_２，…，Ｅ_{Ｎ＋Ｍ−１}とする）およびＭ個の出力導波路を含むＡＷＧ２０４（第２のアレイ導波路回折格子）とを備えている。

ＭＺＣ２０３は、２個の１×１波長カプラ（すなわち１本のスルー光導波路）、２個の２（Ｍ−２）×１波長カプラ、２個の３（Ｍ−１）×１波長カプラ、Ｎ−Ｍ＋１個の４（Ｍ）×１波長カプラを含むように構成されている。波長カプラは、ＭＺＣ２０３の最も長いアレイ導波路に近い側からＣ_１，Ｃ_２，…，Ｃ_{Ｎ＋Ｍ−３}とする。最も長いアレイ導波路に近い側のスルー光導波路をＣ_０、最も短いアレイ導波路に近い側のスルー光導波路をＣ_{Ｎ＋Ｍ−２}とする。これにより、Ｎ個の１×Ｍ光スイッチ２０２からのＮ×Ｍ本の入力を、Ｚ×１波長カプラ（Ｚ＝１〜Ｍ）のＭ種類の波長カプラに入力して、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する。

図３を参照して、アレイ導波路回折格子の構成を説明する。アレイ導波路回折格子は、第１の入出力導波路３０１、第１のスラブ導波路３０２、アレイ導波路３０３、第２のスラブ導波路３０４、および第２の入出力導波路３０５から構成されている。ｄ_１は、第１のスラブ導波路３０２のアレイ導波路側の導波路設置間隔であり、ｄ_２は、第２のスラブ導波路３０４のアレイ導波路側の導波路設置間隔である。Ｄ_１は、第１のスラブ導波路３０２の入出力導波路側の導波路設置間隔であり、Ｄ_２は、第２のスラブ導波路３０４の入出力導波路側の導波路設置間隔である。ｆ_１は、第１のスラブ導波路３０２の長さであり、ｆ_２は、第２のスラブ導波路３０４の長さである。アレイ導波路回折格子は、（式１）を満たしているとする。

図２のＡＷＧ２０４が（式１）を満たしているとき、ＡＷＧの基本的特性から、ＡＷＧ２０４の入力導波路の位置に応じて、出力ポートＯＵＴ_１〜ＯＵＴ_４に振り分けられる。従って、ＡＷＧ２０１によって分波された、ある波長の光信号を、出力ポートＯＵＴ_１から出力ポートＯＵＴ_２に変更するには、この光信号が入射されているＡＷＧ２０４の入力導波路を、図中の１つ上側の入力導波路に変更すればよい。

図４を参照して、１×Ｍ光スイッチの構成を説明する。１×Ｍ光スイッチ２０２は、２×２対称型マッハツェンダ干渉計を組み合わせることによって構成される。２×２対称型マッハツェンダ干渉計４００ａは、２つの２×２カプラ４０１ａ，４０１ｂの間を接続する、等長の２本のアーム導波路４０２ａ，４０２ｂからなり、片方のアーム導波路４０２ｂに、位相を制御する位相シフタ４０３を備えている。位相シフタ４０３は、光導波回路上に集積されたヒータであり、光導波路の熱光学効果を利用して、光導波路内で生じる位相を制御する。

アーム導波路４０２ａ，４０２ｂ間に位相差が無い場合は、入力ポート４０４から入力された光信号は、クロスポート４０５に出力される。アーム導波路４０２ａ，４０２ｂ間位相差がπである場合は、入力された光信号は、バーポート４０６に出力される。クロスポート４０５およびバーポート４０６のそれぞれに、さらに２×２対称型マッハツェンダ干渉計４００ｂ，４００ｃを縦続接続することにより、Ｍ個（図はＭ＝４の場合を示す）の出力のスイッチングを行うことができる。

第１の実施形態の１×Ｍ光スイッチ２０２は、Ｎ個の１×Ｍ光スイッチＳ_ｋを含み、１×Ｍ光スイッチＳ_ｋは、Ｍ（＝４）本の出力ポートＰ_ｋ１，Ｐ_ｋ２，…，Ｐ_ｋＭのいずれかに、波長λ_ｋの光を出力する。

ＭＺＣ２０３は、２本のスルー光導波路（Ｃ_０，Ｃ_{Ｎ＋Ｍ−２}）、２個の２（Ｍ−２）×１波長カプラ（Ｃ_１，Ｃ_{Ｎ＋Ｍ−３}）、２個の３（Ｍ−１）×１波長カプラ（Ｃ_２，Ｃ_{Ｎ＋Ｍ−４}）、Ｎ−Ｍ＋１個の４（Ｍ）×１波長カプラ（Ｃ_３〜Ｃ_{Ｎ＋Ｍ−５}）を含む。１×Ｍ光スイッチＳ_ｋのＭ（＝４）本の出力ポートＰ_ｋ１，Ｐ_ｋ２，…，Ｐ_ｋＭは、それぞれ順に、ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラＣ_ｋ−１，Ｃ_ｋ，Ｃ_ｋ＋１，Ｃ_ｋ＋２に接続される。ＭＺＣ２０３の詳細については、後述する。

図２の波長選択スイッチ２００の動作を説明する。入力ポートＩＮ_１に入力された波長分割多重信号は、ＡＷＧ２０１によって分波され、出力導波路Ａ_１〜Ａ_Ｎの各々に、添え字に対応する各波長λ_１〜λ_Ｎの光信号がそれぞれ出力される。各波長の光信号は、１×Ｍ光スイッチ２０２によって、Ｍ個の出力ポートＰ_ｋ１，Ｐ_ｋ２，…，Ｐ_ｋＭのいずれかにスイッチされ、ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラＣ_ｋ−１，Ｃ_ｋ，Ｃ_ｋ＋１，Ｃ_ｋ＋２のいずれかに出力される。ＭＺＣ２０３に含まれる各々の波長カプラは、１×Ｍ光スイッチから入力された光信号を合波して、ＡＷＧ２０４の入力導波路Ｅ_１〜Ｅ_{Ｎ＋Ｍ−１}に出力する。

ＡＷＧ２０１，２０４が（式１）を満たしているとき、ＡＷＧの基本的特性から、入力導波路Ｅ_Ｍ〜Ｅ_{Ｎ＋Ｍ−１}にそれぞれ波長λ_１〜λ_Ｎの光が入射したとすると、波長λ_１〜λ_Ｎを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ_１に出力される。入力導波路Ｅ_１〜Ｅ_Ｎにそれぞれ波長λ_１〜λ_Ｎの光が入射したとすると、波長λ_１〜λ_Ｎを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ_Ｍに出力される。このようにして、１×Ｍ光スイッチＳ_ｋに導波された波長λ_ｋの光が、出力ポートＰ_ｋ１にスイッチされたとすると、ＡＷＧ２０３の波長カプラを介して、ＡＷＧ２０４の出力ポートＯＵＴ_Ｍから出力される。また、波長λ_ｋの光が、出力ポートＰ_ｋＭにスイッチされたとすると、ＡＷＧ２０４の出力ポートＯＵＴ_１から出力される。

第１の実施形態において、アレイ導波路回折格子、光スイッチを構成する光導波回路は、例えば、石英またはシリコンからなる基板上に形成された、石英からなるクラッド層とコアとからなる。第１の実施形態では、Ｎ＝９、Ｍ＝４としたが、さらなる大規模化が可能であることは明らかである。

（マッハツェンダ干渉計型波長カプラ）
図５に、本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長カプラの構成を示す。ＭＺＣ２０３は、２×２非対称型マッハツェンダ干渉計を組み合わせることによって構成される。非対称型マッハツェンダ干渉計５００は、図５（ａ）に示すように、２つの２×２カプラ５０１ａ，５０１ｂの間を接続する、長さの異なる２本のアーム導波路５０２ａ，５０２ｂからなる。非対称型マッハツェンダ干渉器５００は、上下のアーム導波路間で位相差が波長λ_ｋに対しては０となり、波長λ_ｋ＋１に対してはπとなるように設計されているので、波長λ_ｋの光信号はクロスポートに、波長λ_ｋ＋１の光信号はバーポートに出力される。従って、波長λ_ｋとλ_ｋ＋１の光信号を、それぞれ異なる入力ポートに入力した場合には、２つの光信号が同じ出力ポートから出力される。光回路における入出力の対称性から、入力と出力とを入れ替えれば、異なる波長の光信号を合波する波長カプラとなる。

出力ポートが切り替わる周波数間隔は、長いアーム導波路と短いアーム導波路の長さの差ΔＬによって定まる。合波する２つの波長の差を周波数単位で表したものをΔν、真空中の光速をｃ、導波路の群屈折率をｎ_ｇとする。出力ポートが切り替わる周波数間隔がΔνとなるためのΔＬは、式（２）で与えられる。

しかし、式（２）で表されるΔＬをそのまま用いると、一般的には透過帯域が合波する波長に一致しない。そこで、ΔＬを式（２）からわずかに増減させる必要がある。この増減分の長さをＬ_ｓとする。波長λ_ｋがクロスポートに透過するようにするには、上下のアーム導波路間の位相差が０であればよいので、ｍを正の整数として、式（３）を満たすようなΔＬ’を用いる。Ｌ_ｓは、最大でも１波長以下にすることができ、Δνに与える影響は十分に小さい。

非対称型マッハツェンダ干渉器を組み合わせて波長カプラを構成する方法を、Ｍ＝４の場合を例に取り説明する。図５（ｂ）の波長カプラは、周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器５００と、非対称型マッハツェンダ干渉器５００の出力ポート５０５に接続された周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器５１０と、非対称型マッハツェンダ干渉器５００の出力ポート５０６に接続された周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器５２０とから構成されている。

次に、波長カプラの動作を説明する。非対称型マッハツェンダ干渉器５００の片方の入力ポート５０４に、周波数間隔Δνの波長λ１〜λ４を入射する。入力ポートに対してクロスポートとなる出力ポート５０５には、波長λ１，λ３の光信号が出力され、入力ポートに対してバーポートとなる出力ポート５０６には、波長λ２，λ４の光信号が出力される。非対称型マッハツェンダ干渉器５１０のクロスポートから波長λ１、バーポートから波長λ３の光信号が出力され、非対称型マッハツェンダ干渉器５２０のクロスポートから波長λ４、バーポートから波長λ２の光信号が出力される。

図５（ｂ）のように、光回路上において、非対称型マッハツェンダ干渉器５１０，５２０の長いアーム導波路を、対向するように配置することにより、波長カプラの占有する面積を小さくすることができる。また、非対称型マッハツェンダ干渉器５１０，５２０の後段に交差導波路５３０を設けることにより、波長カプラの出力ポート５４０において、波長λ１〜λ４の光信号を添え字の順番に出力することができる。

光回路における入出力の対称性から、出力ポート５４０に１×Ｍ光スイッチ２０２の入力を接続し、入力ポート５０４にＡＷＧ２０４を接続することにより、波長カプラとして機能することができる。

図６を参照して、非対称型マッハツェンダ干渉器の異なる組み合わせ方法について説明する。周波数間隔が２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器６００を前段に置き、片方の入力ポート６０４に、周波数間隔Δνの波長λ_１〜λ_４を入射する。入力ポートに対してクロスポートとなる出力ポート６０５には、波長λ_１，λ_２の光信号が出力され、入力ポートに対してバーポートとなる出力ポート６０６には、波長λ_３，λ_４の光信号が出力される。次に、クロスポート６０５に周波数間隔Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器６１０を接続し、バーポート５０６にも周波数間隔Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器６２０を接続する。波長カプラの出力ポート６４０において、波長λ_１〜λ_４の光信号を添え字の順番に出力することができる。

図７に、図５（ｂ）に示した波長カプラと図６に示した波長カプラの透過帯域を示す。図７（ａ）は、図５（ｂ）に示した波長カプラの透過率であり、透過帯域が合波する波長に一致し、ピーク損失は約０ｄＢ、クロストークは約−４０ｄＢとなる。一方、図７（ｂ）は、図６に示した波長カプラの透過率であり、透過帯域が合波する波長に一致せず、ピーク損失は約０．５ｄＢ、クロストークは約−１２ｄＢとなる。図５（ｂ）に示した波長カプラは、交差導波路５３０を含むものの、伝送特性は、図６に示した波長カプラよりも優れている。本実施形態では、マッハツェンダ干渉計型波長カプラとして、前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器を配置する構成とした。

図８に、波長選択スイッチ２００に適用されるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＣＺ）の構成を示す。ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラのうち、４（Ｍ）×１波長カプラＣ_３〜Ｃ_６を示す。説明の便宜上、異なる波長の光信号を分波する波長カプラとして説明する。前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器を配置する構成とした。アーム導波路長の差がΔＬ_１、周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器８０１は、波長λ_１〜λ_Ｎの光信号を入力すると、添え字の奇数番目の波長の光信号をクロスポートに、添え字の偶数番目の光信号をバーポートに出力する。アーム導波路長の差がΔＬ_２、周波数間隔が２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器８０２は、波長λ_１，λ_５，λ_９，…の光信号をクロスポートに、波長λ_３，λ_７，λ_１１，…の光信号をバーポートに出力する。アーム導波路長の差がΔＬ_３、周波数間隔が２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器８０３は、波長λ_４，λ_８，λ_１２，…の光信号をクロスポートに、波長λ_２，λ_６，λ_１０，の光信号をバーポートに出力する。このようにして、残りの４（Ｍ）×１波長カプラＣ_７〜Ｃ_{Ｎ＋Ｍ−５}も構成することができる。

このようなマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、式（４）の場合に成り立つ。

ここで、ｎは波長カプラを構成するマッハツェンダ干渉計の段数、２^ｎは波長選択スイッチの最大出力ポート数（２出力のマッハツェンダ干渉計をｎ段接続すると、２のｎ乗となる）、ａは波長選択スイッチの最大出力ポート数から減ずるポート数である。交差導波路における交差の数は、ｎが増えるに従って増大し、ｎ＝２，ａ＝０で１個、ｎ＝３，ａ＝０で８個、ｎ＝４，ａ＝０で９個、ｎ＝５で２１個となる。

図９に、マッハツェンダ干渉計の段数と出力ポートの数の関係を示す。出力ポート数が３以上波長選択スイッチを実現したいので、マッハツェンダ干渉計の段数はｎ≧２となる。各段において、アーム導波路長の差と周波数間隔との関係から、減らすことのできるポート数ａは決まっており、ａの最大値ａｍａｘ＝２^{（ｎ−１）−１}となる。

マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に複数の周波数間隔２Δνの非対称型配置マッハツェンダ干渉器を縦続接続する。図９に示したように、ｎとａとＭの関係から、マッハツェンダ干渉計の段数ｎとａとを選択することにより、１×Ｍ（Ｍは３以上の整数）波長選択光スイッチのいずれの入力ポート数Ｍも、構成することができる。

図１０を参照して、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラの、より小型な実装方法を説明する。隣接する波長カプラにおいて、前段の周波数間隔Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器９０１ａ，９０１ｂの長いアーム導波路が対向するように配置することにより、図８に示した構成よりも、さらに波長カプラの占有する面積を小さくすることができる。

（第２の実施形態）
図１１に、本発明の第２の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。波長選択スイッチ１０００は、Ｎ個（図はＮ＝９の場合を示す）の波長を含む波長分割多重信号を、１本の入力ポートＩＮ_１から入力し、Ｍ本（Ｍ≧３、Ｍ＝整数、図はＭ＝４の場合を示す）の出力ポートＯＵＴ_１，ＯＵＴ_２，…，ＯＵＴ_Ｍから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力する。波長選択スイッチ１０００は、第１の実施形態のマッハツェンダ干渉計型波長カプラ２００のＡＷＧ２０１とＡＷＧ２０４とを、１つのＡＷＧ１００１に集約した形態である。

ＡＷＧ１００１は、１本の入力ポートＩＮ_１と、ＡＷＧ２０４の入力導波路に相当するＮ＋Ｍ−１個の入力導波路とを有する（最も長いアレイ導波路に近い側からＦ_１，Ｆ_２，…，Ｆ_Ｎ＋Ｍとする）。また、ＡＷＧ２０１の出力導波路に相当するＮ個の出力導波路と、ＡＷＧ２０４の出力ポートＯＵＴ_１，ＯＵＴ_２，…，ＯＵＴ_Ｍに相当する出力ポートとを有する（最も長いアレイ導波路に近い側からＧ_１，Ｇ_２，…，Ｇ_Ｎ＋Ｍとする）。ＡＷＧ１００１は、（式１）を満たしているものとする。

入力ポートＩＮ_１に入力された波長分割多重信号が入力導波路Ｆ_１に入力されたとき、ＡＷＧの基本的特性から、出力導波路Ｇ_Ｎ＋Ｍに中心波長が出力される。出力導波路Ｇ_Ｍ＋１〜Ｇ_Ｎ＋Ｍに出力される光の波長をそれぞれλ_１〜λ_Ｎとすると、波長λ_ＮがＡＷＧ１００１の中心波長となる。したがって、ＡＷＧ１００１は、波長分割多重信号のうち、最も長波長の波長を中心波長として選択して設計する。

図１１の波長選択スイッチ１０００の動作を説明する。入力ポートＩＮ_１に入力された波長分割多重信号は、ＡＷＧ１００１によって分波され、出力導波路Ｇ_Ｍ＋１〜Ｇ_Ｎ＋Ｍの各々に、各波長（λ_１〜λ_Ｎ）の光信号が出力される。各波長の光信号は、１×Ｍ光スイッチ（Ｓ_ｋ）２０２によって、出力ポートＰ_ｋ１，Ｐ_ｋ２，…，Ｐ_ｋＭのいずれかにスイッチされ、ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラＣ_ｋ−１，Ｃ_ｋ，Ｃ_ｋ＋１，Ｃ_ｋ＋２のいずれかに出力される。ＭＺＣ２０３に含まれる各々の波長カプラは、１×Ｍ光スイッチから入力された光信号を合波して、ＡＷＧ１００１の入力導波路Ｆ_２〜Ｆ_Ｎ＋Ｍに出力する。

ＡＷＧの基本的特性から、入力導波路Ｆ_Ｍ＋１〜Ｆ_Ｎ＋Ｍにそれぞれ波長λ_１〜λ_Ｎの光が入射したとすると、波長λ_１〜λ_Ｎを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ_１に出力される。入力導波路Ｆ_２〜Ｆ_Ｎ＋１にそれぞれ波長λ_１〜λ_Ｎの光が入射したとすると、波長λ_１〜λ_Ｎを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ_Ｍに出力される。このようにして、１×Ｍ光スイッチＳ_ｋに導波された波長λ_ｋの光が、出力ポートＰ_ｋ１にスイッチされたとすると、ＭＺＣ２０３の波長カプラを介して、ＡＷＧ１００１の出力ポートＯＵＴ_Ｍから出力される。また、波長λ_ｋの光が、出力ポートＰ_ｋＭにスイッチされたとすると、ＡＷＧ１００１の出力ポートＯＵＴ_１から出力される。

本実施形態によれば、アレイ導波路回折格子型波長選択スイッチの出力ポートの数を増大させることができ、複数個の波長カプラを１個のＡＷＧで置き換えることより、回路の小型化も実現することができる。

（光導波路の設置方法）
図１２および１３を参照して、１×Ｍ光スイッチとマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラとの接続方法を説明する。図１１の波長選択スイッチにおいて、各波長の光信号は、１×Ｍ光スイッチ（Ｓ_ｋ）１２０２によって、出力ポートＰ_ｋ１，Ｐ_ｋ２，…，Ｐ_ｋＭのいずれかにスイッチされ、ＭＺＣ１２０３に含まれる波長カプラＣ_ｋ−１，Ｃ_ｋ，Ｃ_ｋ＋１，Ｃ_ｋ＋２のいずれかに出力される。出力ポートＰ_ｋ１，Ｐ_ｋ２，…，Ｐ_ｋＭの最小導波路間隔をｐとし、等間隔とする。隣接する２つの１×Ｍ光スイッチ１２０２の間の最小導波路間隔をｓとする。同様に、ＭＺＣ１２０３の入力ポートの最小導波路間隔をｐとし、等間隔とする。隣接する２つのＭＺＣ１２０３の最小導波路間隔をｓとする。

図１３において、波長カプラＣ_ｋ−１，Ｃ_ｋ，Ｃ_ｋ＋１，Ｃ_ｋ＋２の入力ポートをＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４とする。１×Ｍ光スイッチ（Ｓ_ｋ）１２０２出力ポートＰ_ｋ１を、ＭＺＣ１２０３の波長カプラＣ_ｋ−１の入力ポートＵ４に接続し、出力ポートＰ_ｋ２を波長カプラＣ_ｋの入力ポートＵ３に接続し、出力ポートＰ_ｋ３を波長カプラＣ_ｋ＋１の入力ポートＵ２に接続し、
出力ポートＰ_ｋＭを波長カプラＣ_ｋ＋２の入力ポートＵ１に接続する。このようにして接続された４本の光導波路は、１×Ｍ光スイッチ（Ｓ_ｋ）１２０２の出力ポートの中心を通るｘ軸に対して対称となっている。

一実施例として、ｓ＝１７００μｍ、ｐ＝５０μｍとし、光導波路の曲げ半径Ｒ＝３０００μｍとすると、

として求められ、θ１＝約９０°となる。このとき、θ２＝約７０°となる。１本の光導波路は、他の３本の光導波路と交差することになるが、図１２に示したように、２本の光導波路との交差角を９０度に、他の１本の光導波路の交差角を９０度に近づけるように光導波路を設置することができる。

（第３の実施形態）
図１４に、本発明の第３の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。図２示した第１の実施形態においては、４種類の波長カプラを含むマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）を用いた。第３の実施形態では、１種類の４（Ｍ）×１波長カプラのみを使ってＭＺＣ１３０３を構成する。すなわち、Ｎ＋Ｍ−１個のＭ×１波長カプラのみにより、ＭＺＣ１３０３を構成する。

２個の１×１波長カプラ（すなわち１本のスルー光導波路）、２個の２（Ｍ−２）×１波長カプラ、および２個の３（Ｍ−１）×１波長カプラに相当するＭ×１波長カプラは、入力ポートの一部が、１×Ｍ光スイッチ２０２の出力ポートに接続されない。これにより、波長カプラにおける透過特性は、光信号がどの経路を伝搬しても等しくなるので、挿入損失を均一化することができる。

（第４の実施形態）
図１５に、本発明の第４の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。図１１示した第２の実施形態においては、４種類の波長カプラを含むマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）を用いた。第４の実施形態では、１種類の４（Ｍ）×１波長カプラのみを使ってＭＺＣ１４０３を構成する。すなわち、Ｎ＋Ｍ−１個のＭ×１波長カプラのみにより、ＭＺＣ１４０３を構成する。これにより、波長カプラにおける透過特性は、光信号がどの経路を伝搬しても等しくなるので、挿入損失を均一化することができる。

本実施形態によれば、波長選択スイッチの出力ポートの数を増大させるとともに、マッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して小型化することができる。また、光スイッチと波長カプラとを適切に配置することにより、交差導波路の交差角をできるだけ９０度に近づけることができ、導波路交差で交差方向へのクロストークを低減することができる。

１００，２００，１０００，１３００，１４００ 波長選択スイッチ
１０１，１０４，２０１，２０４，６０１，１００１ ＡＷＧ
１０２，２０２，１２０２ １×２光スイッチ
１０３ 波長カプラ
２０３，１２０３，１３０３，１４０３ マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）
３０１ 第１の入出力導波路
３０２ 第１のスラブ導波路
３０３ アレイ導波路
３０４ 第２のスラブ導波路
３０５ 第２の入出力導波路
４００ 対称型マッハツェンダ干渉計
４０１，５０１ ２×２カプラ
４０２，５０２ アーム導波路
４０３ 位相シフタ
４０４，５０４，６０４ 入力ポート
４０５，５０５，６０５ クロスポート
４０６，５０６，６０６ バーポート
５００，５１０，５２０，６００，６１０，６２０，８０１〜８０３，９０１〜９０３ 非対称型マッハツェンダ干渉計
５３０ 交差導波路
５４０，６４０ 出力ポート

Claims (9)

1. Ｎ個の波長分割多重信号を１本の入力ポートから入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数）の出力ポートから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力するマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチであって、
   前記１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、前記波長分割多重信号を分波して、前記出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第１のアレイ導波路回折格子と、
   前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、
   前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラと、
   前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力し、Ｍ本の出力ポートに出力する第２のアレイ導波路回折格子と
   を備えたことを特徴とするマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
2. Ｎ個の波長分割多重信号を１本の入力ポートから入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数）の出力ポートから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力するマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチであって、
   前記１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、前記波長分割多重信号を分波して、前記出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第３のアレイ導波路回折格子と、
   前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、
   前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラを備え、
   前記第３のアレイ導波路回折格子は、前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力する入力導波路とＭ本の出力ポートとをさらに含み、前記Ｎ個の光信号を前記Ｍ本の出力ポートに出力することを特徴とするマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
3. 前記１×Ｍ光スイッチは、２×２対称型マッハツェンダ干渉計を縦続接続することにより構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
4. 前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、Ｚ×１波長カプラ（Ｚ＝１〜Ｍ）のＭ種類の波長カプラであって、０番目からＮ＋Ｍ−２番目のＮ＋Ｍ−１個の波長カプラを含み、
   ｋ番目の１×Ｍ光スイッチのＭ個の出力ポートのそれぞれが、ｋ−１，ｋ，ｋ＋１，…，ｋ＋Ｍ−２番目の波長カプラの入力導波路に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
5. 前記Ｚ×１波長カプラは、非対称型マッハツェンダ干渉計により構成されることを特徴とする請求項４に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
6. 前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、Ｎ＋Ｍ−１個のＭ×１波長カプラを含み、
   ｋ番目の１×Ｍ光スイッチのＭ個の出力ポートのそれぞれが、ｋ−１，ｋ，ｋ＋１，…，ｋ＋Ｍ−２番目の波長カプラの入力導波路に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
7. 前記Ｍ×１波長カプラは、非対称型マッハツェンダ干渉計により構成されることを特徴とする請求項６に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
8. 前記非対称型マッハツェンダ干渉計は、前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に複数の周波数間隔２Δνの非対称型配置マッハツェンダ干渉器が縦続接続されていることを特徴とする請求項５または７に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
9. 前記出力ポートの数Ｍは、ｎは波長カプラを構成するマッハツェンダ干渉計の段数、ａは波長選択スイッチの最大出力ポート数から減ずるポート数とすると、
   

   

   の関係にあることを特徴とする請求項８に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。

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