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JP4146211B2 - Optical module, optical switch constituting the same, and optical matrix switch - Google Patents

Optical module, optical switch constituting the same, and optical matrix switch Download PDF

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JP4146211B2
JP4146211B2 JP2002323044A JP2002323044A JP4146211B2 JP 4146211 B2 JP4146211 B2 JP 4146211B2 JP 2002323044 A JP2002323044 A JP 2002323044A JP 2002323044 A JP2002323044 A JP 2002323044A JP 4146211 B2 JP4146211 B2 JP 4146211B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに応用可能な、電気で出力特性を制御する光モジュール、その光モジュールを構成する光スイッチ、および光マトリクススイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信の大容量化が進展し、伝送容量がWDM(波長分割多重)方式で増大する一方で、ノードにおける経路切替機能のスループットの増大が強く求められている。その経路切替は現在は伝送されてきた光信号を電気信号に変換した後に電気スイッチにより行われているが、高速で広帯域であるという光信号の特徴を生かすためには、光スイッチを用いて光信号のまま経路切替を行うことにより、ノードの装置を小型化・低消費電力化できるようにする必要がある。そのような光スイッチを用いた具体的なシステムとして、光クロスコネクトや光アド・ドロップ多重システムの実現が求められており、そのキーデバイスとして光スイッチが必要とされている。
【0003】
そのような光スイッチの従来例を図9に示す。図9の図面上部の部分が石英系光波回路(Planar Lightwave Circuit;以下、PLCと称する)の熱光学効果を用いた1×128の光スイッチ901の基板であり、その図面下側の部分がその光スイッチを駆動するIC(集積回路)925を実装した電気配線基板921であり、両者合わせて1×128光スイッチモジュールを構成している。
【0004】
PLC基板については、同図のように2入力2出力の単位光スイッチを1×2光スイッチ903として用い、その1×2光スイッチ903を複数個、7段ツリー状に用いることにより、1×128の光マトリクススイッチを同一基板上に構成している(非特許文献1を参照)。
【0005】
図9の1×2光スイッチ903の構成方法は様々な構成方法があるが、石英系PLCでは、図10に示すような熱光学位相シフター(薄膜ヒータ)1007を持った2本のアーム導波路1001の両端を2個の3dB結合器1003、1009で接続したマッハツェンダー干渉計型2×2光スイッチ(MZI光スイッチ)を用いている。本発明で用いる1×2光スイッチでは、例えば61bが未接続導波路となる。このMZI光スイッチで、2本のアーム導波路1001の長さが等しいものを対称型MZI光スイッチ、2本のアーム導波路1001に半波長の光路長差を設けているものを非対称型MZI光スイッチとここでは呼ぶことにする。
【0006】
対称型MZI光スイッチにおいては、熱光学位相シフター1007を駆動(通電)しないときには、公知の干渉原理によりクロス経路(61a→62b)で光が伝搬し、熱光学位相シフター1007を駆動し、熱光学効果により半波長の光路長差をつけたときにはバー経路(61a→62a)で伝搬する。
【0007】
また、熱光学ヒータ1007への駆動量を調整して2本のアーム導波路1001の光路長差をゼロから半波長に連続的に変化させると、光路がクロス経路からバー経路へと連続的に変化する。すなわち、ON/OFFスイッチとしてだけでなく、アナログスイッチとしても動作する。したがって、このMZI光スイッチは、クロス経路とバー経路の分配比を調整することで、減衰器として動作させたり、必要に応じマルチキャストやブロードキャストを行う分岐器等として動作させることができる。
【0008】
図10に示すこの基本光スイッチを図9に示すようにツリー状に構成することにより、1×128光スイッチ901が実現できる。なお、図9の8段目にはゲート光スイッチ905が消光比を高めるために加えられている。
【0009】
ゲート光スイッチ905については、非対称型のMZI光スイッチを用いている。この非対称型のMZI光スイッチにおいては、熱光学位相シフター1007を駆動(通電)しないときには、バー経路(61a→62a)で光が伝搬し、熱光学位相シフターを駆動し、熱光学効果により半波長の光路長差を打ち消したときにはクロス経路(61a→62b)で伝搬する。この非対称型のMZI光スイッチはクロス経路の方がクロストークが小さいことが知られており、また通常はゲート光スイッチは、1ポートのみ光を透過させ、その他のポートは光を遮断することが多い。したがって、ゲート光スイッチ905には、この非対称型光スイッチを用いた方が高い消光比のクロスポートを用いることができ、消費電力を節約できる。
【0010】
石英系導波路を用いた熱光学スイッチは、火炎堆積法(FHD)や化学気相堆積法(CVD)などのガラス膜堆積技術と反応性イオンエッチング法(RIE)などの微細加工技術を組み合わせて作製される。具体的には、シリコンウェハー等の基板1015上に、先ず下部クラッド層となるガラス膜を、次に屈折率がクラッド層よりもやや高いコア層を堆積する。そして、光回路となるコアパターン1011を微細加工技術によりパターン化し、引き続き、上部クラッド層1013となるガラス膜を堆積し、最後に、熱光学位相シフターとなる薄膜ヒータ1007とこれに給電を行う配線1005を形成して光スイッチチップが作製される。この光スイッチチップに給電線及び光ファイバーを接続し、放熱フィン付きケースに収納して、光スイッチモジュールが完成する。
【0011】
ヒータ1007の電気駆動回路について図11に示す。同図に示すように、個々の1×2光スイッチ903のMZIの片側のアームのヒータに駆動アナログ電源回路1101が接続され、これによりMZIを駆動する最適な電圧(電流)になるように個々に調整されており、そのヒータの逆側には電気デジタルスイッチ1103が接続されていて、光スイッチ903のオン/オフに対応して電気デジタルスイッチ1103をオン/オフする。この1×2光スイッチ903は255個存在するため、駆動電源回路1101も電気デジタルスイッチ1103も各々255個存在する。
【0012】
実際に製作された1×128光スイッチにおいて、平均挿入損失0.4dB、平均on/off消光比40dBの優れた特性が得られた。
【0013】
以上、光スイッチの例を示したが、同じMZI光スイッチを用い、位相の変化量をアナログ的に変化することにより、可変光減衰器も同様に構成可能であり、例えばPLCにより可変光減衰器が実際に作製されている。可変光減衰器は波長多重化された信号光の各波長の光強度を等しくするために必須なデバイスであり近年需要が高くなっている。
【0014】
その他の需要の高い光回路、例えば分散補償器、偏波分散補償回路、あるいは利得等化器等でも、上記と同様にMZI光スイッチを用いて、位相シフタや光導波路を組み合わせた回路で実現可能である。
【0015】
【非特許文献1】
T.Watanabe et.Al., "Silica-based PLC 1×128 thermo-optic switch," Proc. 27th ECOC' 01,Tu.L.1,2,Amsterdam, 2001
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上述の図9に示した1×128PLC熱光学スイッチ(PLC−TOSW)を例として、本願発明の課題を以下に説明する。この1×128PLC熱光学スイッチにおいては次のような課題が存在した。
(1)PLC基板内の電気配線部の面積が大規模化している。
(2)駆動用のアナログ電源回路が多数必要であり、上記の例では前述したように、255個もの電源回路が必要になる。
(3)PLC基板と駆動用IC実装基板との間のワイヤボンディング本数の増加する。図9の例では電極パッド911、915が255個、さらに上部の駆動回路に接続するための配線用電極パッドが255個、計510個の電極パッドが必要となる。
(4)検査工程にかなり数の多いピン数のプローバが必要になり、それに伴い高精度なプローバ調心装置が必要となる。
【0017】
以下、順に説明する。
(1)図9において駆動すべき熱光学位相シフター(ヒータ)は基板上に255個存在し、その両端は金配線907、909により基板端のワイヤ用電極パッド911に接続されている。そのため255本もの金配線907、909を基板上に交差なしでレイアウトする必要があり、その電気配線の面積は光回路の大規模化、多チャネル化に伴い大きく増大している。
【0018】
この電気配線面積を定量的に見積もる。TaN膜ヒータを駆動するための金配線は、反り等が存在する光導波路基板へパターン化することも考慮すると、金薄膜の1層配線にすることが望ましく、またヒータ駆動に必要な電流量を考慮すると幅50μm程度であることが望ましい。配線間のギャップも50μm程度あることが望ましい。この条件で電気配線の展開に必要な面積を見積もると、510本の配線では、配線幅が51.2mmとなる。図9の例では、基板サイズは60mm×60mmであり、概算として基板端まで引き回した時の配線長は平均4cmであるため、ヒータからデジタルスイッチ側の電気配線部の面積は、20cmとなる。小型化するのに適した許容曲げ半径が小さいコアとクラッドの比屈折率差が1.5%のものを用い、光回路自体の面積は、20mm×60mm=12cmまで小型化されている。光回路と電気配線自体は交差可能であるため、PLC光スイッチ基板の小型化は、電気配線部の面積により制限されていることになる。
【0019】
(2)図9の1×128PLC熱光学スイッチの例では、駆動する熱光学位相シフター(ヒータ)は基板上に255個存在する。そのため駆動用(電源)回路は255個も必要になる。
【0020】
(3)(1)でPLC基板上の配線510本は別基板に実装された駆動回路925と個々に接続する必要がある。ここで基板間の接続は、通常ワイヤボンディングで行う。そのワイヤボンディング用電極911、915を150μm幅とし、ギャップが50μmとすると、200μmピッチとなり、ワイヤボンディングの本数が510本とすると104mmもの長い幅になる。
【0021】
ここで、PLC基板と電子回路実装基板との固定方法としては、PLC基板をより大きな電子回路を含む基板の上に張りつける方法や、第3の基板にPLC基板と電子回路基板を並べて配置する方法がある。いずれの方法を採用したとしても、ワイヤボンディングは、例えば200℃で行われるため、各々の基板の熱膨張係数差による収縮の差により、ワイヤ913に応力が加わり信頼性が損なわれる可能性がある。
【0022】
(4)さらに、実際にモジュールを作製する工程では、PLC基板の段階で電極パッドに外部から電気プローバを接触してヒータを駆動して、光学特性、電気特性の評価を行う検査工程が必須である。この評価のために、従来例では510個の電極パッドに同時に電気プローバを接触する必要があり、特殊で高価な電気プローバと、それを高い精度で平行に電極パッドに接触できる調心装置を必要とした。
【0023】
以上、1×128光スイッチを例として、駆動用電気回路と光回路とを電気的に接続した光モジュールの課題を列挙した。この課題は近年大規模化、多チャネル(多ポート)化した光回路、電気回路それぞれが全体で最適化されていないことによって生じている。例えば,上記の例では、光導波基板上に存在する、電気回路で駆動すべきヒータが光回路特有の事情により、広く分散した場所に多数配置しているにも関わらず、電気回路が最適化されていないことに起因する。似たような状況は、1×N光スイッチ以外の光回路においても存在し、電気で出力特性を制御する光モジュールに共通する課題である。例えば、N×Nマトリクス光スイッチ、可変光減衰器やそのアレイモジュール、分散補償回路、利得等化回路においても同様な課題が存在する。
【0024】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、駆動用電気回路と光導波路回路とを電気的に接続した光モジュールにおいて、基板上での電気配線部の面積を減少させ、PLC基板から外部への接続ワイヤ数を減らし、アナログ駆動回路を減らすことで、光導波路基板を小型化し、信頼性が懸念される基板間の金ワイヤの本数を大幅に減少し、さらには光スイッチや光可変減衰器を駆動するためのIC実装基板を不要にして、モジュールサイズを小型化し、かつプローバの電極端子を少なくして特性評価を簡略化できるようにすることにある。
【0025】
本発明の更なる目的はかかる光モジュールに好適な光スイッチ、および光マトリックスを提供することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光スイッチは、光スイッチと該光スイッチに屈折率変化を与えて出力特性を変動させるための複数個の駆動用の電子回路とにより構成された光モジュールにおいて、前記駆動用の電子回路が前記光スイッチと共に前記光スイッチの基板上に作製される1本の入力導波路と、N本( N は3以上の整数)の出力導波路と、該入力導波路と該出力導波路とを接続する複数の1×2光スイッチとから構成され、該出力導波路に、光を透過、遮断、あるいは光強度を可変可能なゲート光スイッチが設けられている1×N光スイッチであって、前記1×2光スイッチは前記駆動用の電子回路で制御される電気信号レベルにより連続的に経路が切り替わるアナログ光スイッチであり、該アナログ光スイッチは前記駆動用の電子回路からの前記電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、前記駆動用の電子回路は、前記駆動用の電子回路の個数が前記1×2光スイッチの個数よりも少なくなるように前記駆動用の電子回路が複数の前記1×2光スイッチで共有され、前記1×N光スイッチがスイッチ動作を行う時に各段の内1つの前記1×2光スイッチのみを駆動し、アナログ駆動電源から前記1×N光スイッチに接続する配線は、前記光スイッチの基板上で前記1×N光スイッチの各段ごとにそれぞれ1本に集約されて共有されており、前記電気デジタルスイッチは電子集積回路製造工程により集積されていることを特徴とする。
【0033】
また、本発明の光マトリックススイッチは、光スイッチと該光スイッチに屈折率変化を与えて出力特性を変動させるための複数個の駆動用の電子回路とにより構成された光モジュールにおいて、前記駆動用の電子回路が前記光スイッチと共に前記光スイッチの基板上に作製されるM本( Mは2以上の整数)の入力導波路とN本( Nは2以上の整数)の出力導波路とM × N 個の光クロスポイントスイッチからなり、( m , n ) 番の該光クロスポイントスイッチはm番目の前記入力導波路とn番目の前記出力導波路を接続する光クロスポイントスイッチ( ここで、1 ≦ m ≦ M , 1 ≦ n ≦ N) であり、前記光クロスポイントスイッチは1×2光スイッチと2×1光スイッチと光クロスポイントスイッチユニット内導波路から構成される二重型光スイッチであり、前記1×2光スイッチおよび前記2×1光スイッチは前記駆動用の電子回路で制御される電気信号レベルにより連続的に経路が切り替わるアナログ光スイッチであり、該アナログ光スイッチは前記駆動用の電子回路からの電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、前記駆前記駆動回路用の電子回路は、前記駆動回路用の電子回路の個数が前記二重型光スイッチの個数よりも少なくなるように前記駆動用の電子回路が複数の前記二重型光スイッチで共有され、前記光クロスポイントスイッチがスイッチ動作を行う時に前記入力導波路ごとにグループ化された前記二重型光スイッチの内の1つのみを駆動し、アナログ駆動電源から前記二重型光スイッチに接続する配線は、前記グループ化された二重型光スイッチを構成している1×2光スイッチ群と2×1光スイッチ群と2つに分けそれぞれ別々に前記光スイッチの基板上で1本に集約されて共有されていることを特徴とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明の個別の実施の形態を説明する前に、まず本発明の各実施の形態に共通の基本構成を図面を参照して以下に説明する。
【0035】
(基本構成)
図9に示したヒータを駆動する電気回路について、本発明者らは、光スイッチが動作時にON状態になる基本光スイッチは、全くランダムに存在するわけではなく、ある制約条件に従うこと、そしてその制約条件を整理すると、駆動電源回路が幾つかの回路に集約して共通化しても、全く、あるいはほとんど自由度が損なわれないことを新たに見いだした。
【0036】
ここでは、1×N光スイッチのツリー型の共有化された駆動電源の例を取り上げて説明する。1×N光スイッチが1×2光スイッチを基本スイッチとしてツリー型でn段で構成されているとして、任意のa段目(1≦a≦n)の基本スイッチ(例えば、3段目では3−1,3−2,3−3,3−4の4個の光スイッチが存在)の内で電流駆動状態(ON状態)となる基本光スイッチは1個だけであり、またある出力導波路上にあるN個のゲート光スイッチの内で電流駆動状態(ON状態)となるのは1個だけである。
【0037】
ここで、上記の1×2光スイッチが、図10に示すようなMZI光スイッチ回路の時には、その回路を駆動する電気回路例は図11で示す通りとなる。図11で示すように、ヒータ1007の電気配線の一方の端にはアナログ出力が可能な駆動電源(駆動回路)1101が設けられ、もう一方の端には電気デジタルスイッチ1103が接続されている。アナログ電源回路1101は各々の光スイッチ903の最適な駆動電圧に予めセットしておく。他方、電気デジタルスイッチ1103は、トランジスタ回路が多数集積されたIC(集積回路)を用いており、TTLレベルの入力により、導通/遮断(ON/OFF)動作をする。ここで図12の1×8光スイッチの例に示すように、アナログ駆動回路1101は各段の光スイッチ903で共有化されている。
【0038】
図13に図12のさらに詳細な回路構成を示す。同図に示すように、アナログ駆動回路1301を共有化しても、各段で同時にON状態になるものは1個のみであるため、アナログ駆動回路1301はそこの光スイッチ903に個別に調整した電圧を印加できる個別調整機能を損なうことはない。そして、この共有化をPLC基板上で行うことにより、基板上での電気配線部の面積を減少させ、PLC基板から外部への接続ワイヤ数を減らし、アナログ駆動回路を減らすことができる。
【0039】
しかし、近年の光スイッチの大規模化に伴い、基板上の電気配線をさらに減らして小型化を図る必要性が高くなっている。そこで、図9の1×128光スイッチの例に再び戻る。図9でアナログ給電側のアナログ駆動回路1101に接続されるのは図上側の駆動信号給電線907であり、電気デジタルスイッチ1103に接続されるのは、図下側のヒータ駆動用配線923である。アナログ給電側については、図12、図13を用いて上述した共有化に従い、各段で共有化することが可能である。
【0040】
一方、電気デジタルスイッチ側は、従来では、個々に金配線909で基板端まで引き回した後に、金ワイヤ用電極パッド911、915において外部基板921とワイヤ913で接続され、駆動用IC925に接続されている。このIC925を含めた電気回路を、本発明では、図14に示すような構成にする。図9のツリー型1×128光スイッチ901では、単位光スイッチ903が255個存在する(図14において#1〜#255で示す)。その単位光スイッチ903の各々のヒータ1107に対して4個の64bitの駆動用IC925−1〜925−4を図14に示すように接続する。これら駆動用IC925−1〜925−4は、シフトレジスタ(図示しない)及びラッチ(図示しない)を内蔵したCMOS LSI(CMOS型大規模集積回路)であり、前述のデジタルスイッチ1103と、シグナル/パラレル変換回路(図示しない)の両方の機能を有する。そして、駆動用IC925−1〜925−4は、図14に示すようにカスケード接続(多段接続)することにより、互いに同期し、64bit×4=256bitに拡大することができる。
【0041】
その駆動用IC925−1〜925−4に対して、図15に示すように、1MHzのクロック信号を用い、各ヒータ1107への出力のオン/オフをクロック毎に各時間軸に割り当てることにより、ラッチパルス0.26ms以内で各ゲート(図9の905)のオン/オフ動作を実現している。熱光学スイッチの切替速度は、例えば2msとクロック信号に比較して十分遅いため、入力、出力の関係では、3本の入力信号により、256個のヒータ1107のオン/オフを制御することが可能となる。
【0042】
図15の例では、クロック速度が1MHzの例を挙げたが、クロック速度を10倍にすれば、2,560個のヒータを0.26ms毎にラッチして切り替えることが容易に可能である。このように、クロック速度を適宜選択することにより数多くのヒータの制御が可能となる。
【0043】
そしてさらに、本発明では、図1を用いて後述するように、上記の駆動用IC925−1〜925−4を小型のベアチップ(その大きさは、例えば2mm×7mm)のまま、PLC基板上に実装するので、PLC基板上のヒータ〜IC間の配線を集約することができ、255本の配線をわずか3本の信号線に集約できる。このため、電気配線の面積が大幅に軽減し、PLC基板の面積を低減することが可能となる。
【0044】
さらに、本発明では、駆動用ICをPLC基板上に実装したため、PLC基板から外部に取り出すべき配線数も20個に大幅に減少する。その結果、PLC基板と電気駆動回路が実装された電気回路基板との間のワイヤの本数も20本となり、ワイヤボンディングの本数を510本から20本に大幅に削減することができる。
【0045】
また、本発明では、駆動用IC実装基板がなくなることにより、モジュールが大幅に小型化する。
【0046】
さらに、本発明では、駆動用ICをPLC基板上に実装したため、製造工程で、モジュール作製前にPLC基板レベルで検査する際のブローバの電極数が510本から20本に削減され、用いられる電気プローバやその調心に用いる装置を簡略化することが可能になる。
【0047】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0048】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態における光モジュールの構造を示す。本実施形態は、駆動用ICをPLC基板上に実装した本発明による1×128PLC熱光学スイッチの一例である。なお、図面の簡略化のため、4段以降の基本光スイッチの配線は省略してある。ここで、101は1×128PLC熱光学スイッチ(1×128光スイッチ)、103は1×2光スイッチ、104は光導波路、105はゲート光スイッチ、107はヒータ駆動用金配線、109は基本スイッチ駆動用IC(ベアチップ)、111は制御信号金配線、113は電極パット、115は金ワイヤ、117は電極パット、および119は駆動信号給電線(駆動電源回路用の給電線)である。
【0049】
本実施形態における1×2光スイッチ103や光導波路104の構成は前述した図10の構成と同じである。1×128PLC熱光学スイッチ101では、Si基板上に火炎堆積法により光導波路104が形成されており、1×2光スイッチ103のMZI回路は前述の図10に示す構造で形成されている。そして、ヒータ1007としてTaN膜がパターン化して形成されており、またそれをSi基板上で引き回すための電気配線1005はパターン化した金薄膜を用いている。
【0050】
本実施形態の構成が、従来例と異なるのは、以下の電気配線構造である。すなわち、図1に示すように、駆動電源回路用の給電線119をPLC基板上で共有化して電気配線面積を小型化しており、かつヒータ駆動用IC109はベアチップとしてPLC基板上に実装されている。
【0051】
ヒータ駆動用ICベアチップ109において、図2の拡大詳細図に示すように、電極パッド201、202を上向きにしてPLC基板上に固定する。一方の電極パッド201は基本光スイッチ103のヒータにつながる電極パッドである。他方の電極パッド202はゲート制御信号につながる電極パッドであり、図2の左から、GND端子,クロック端子、ラッチ端子、シグナル端子となっている。後者の電極パット202からは金薄膜配線111が引き出される。
【0052】
そして、そのPLC基板上の電極パッド201,202とヒータ駆動用IC109上の電極パッド203、204とを金ワイヤ205、206で接続する。さらに、このIC109と金ワイヤ205、206とをシリコーン樹脂(図示しない)で樹脂封止することで信頼性を高める。このようなICベアチップの実装形態自体は電気配線基板で汎用的に行われているものであり、図9に示すような基板間のワイヤボンディングと異なり信頼性が確保されている。
【0053】
ここで注意すべき点は、大規模の光スイッチの光導波路回路基板においては、数百個に及ぶ多数の位相シフタ(ヒータ)をその光導波路回路基板上の広い領域に分散して配置する必要があることである。しかし、光導波路回路基板はその基板上に微細な電気配線プロセスを作製するのが非常に困難であり、これらの位相シフタ(ヒータ)の駆動電気回路を上記同一基板(光導波路回路基板)上に作製することは、従来の電気回路、集積回路を作製することとは別の新たな問題であり、新たな課題である。
【0054】
この新たな課題を、前述の図14、図15で示したように、駆動用ICのゲートをSi基板上に実装してグループ化(共有化)することで、解決しており、本発明は、単にSi基板の上に駆動用ICを実装したということではないということに注目されたい。参考ながらPLC基板上へ光スイッチの駆動用ICあるいは制御用ICが実装された例は従来報告されていない。
【0055】
このICを用いた駆動回路については、図13〜図15で既に説明した通りであり、クロック、ラッチ、シグナル(データ)の3個のヒータ制御信号により、256個のヒータ1107を同時に駆動することができる。
【0056】
本実施形態では、以上説明したような構成にしたことにより、下記の効果が得られる。
(1)PLC基板内の電気配線の面積の低減
(2)IC実装基板が不要になることによる、モジュールサイズの低減
(3)PLC基板と電子回路基板との間のワイヤボンディング本数の低減
(4)検査工程の簡略化
【0057】
以下、順に説明する。
(1)PLC基板内の電気配線の面積の低減
図9に示したような従来例では、ヒータ駆動用金配線を全て基板端の電極パッドまで引き回す必要があったため、引き回す分だけ電気配線部の面積も大きくなり、基板全体が大型化した。それに対して、図1の本実施形態では、駆動用ICゲートをSi基板上に実装してグループ化するので、255本のヒータの配線は、その直近に配置された駆動用ICまでの引き回し(短距離)で済むため、PLC基板上の電気配線の面積が大幅に小型化する。
【0058】
この配線面積の減少を定量的に見積もる。TaN膜ヒータには例えば最大で60mAの電流を流す必要がある。そのための金配線は、反り率が存在したSi基板よりも製造プロセスが困難な光導波路基板へパターン化することも考慮すると、1層配線で幅が50μm程度あることが望ましい。配線間のギャップも50μmは必要である。この条件で電気配線展開に必要な面積を見積もると、256本の配線では、配線幅全体が25.6mmとなる。典型例として各ヒータからヒータ駆動用ICへの配線長を平均15mm、ヒータ駆動用ICを用いずに基板端までヒータ駆動用金配線を引き回した時の配線長を平均60mmとすると、ヒータからデジタルスイッチ側の電気配線部の面積は、1/4となる。
【0059】
この電気配線の面積の低減は、上記の(2)、(3)の効果と独立の話しであるから、ICの配置は、電気配線部の面積が最少になるように、あるいは配線が最短になるようにヒータ駆動用IC109を光導波路基板上へ配置すればよい。
【0060】
図1、図9は模式図であり、詳細な電気配線レイアウトは細かすぎで記載することができないが、図9に示す従来例の1×128光スイッチの光導波路基板の面積が、57mm×60mmであり、前述のようにPLC基板の小型化は、電気配線部によって律速されていた。これに対し、本実施形態では電気配線部の面積を1/4まで減少させることができ、それによりPLC基板を30mm×60mmに小型化することができる。
【0061】
(2)IC実装基板部が不要になることによる、モジュールサイズの低減
当然のことであるが、ヒータ駆動用ICをPLC基板上に実装したため、IC実装基板部分だけモジュールサイズが小さくなる。
【0062】
(3)PLC基板と電子回路基板との間のワイヤボンディング本数の低減
また、本実施形態では、ヒータ駆動用ICをPLC基板上に実装したため、基板間のワイヤボンディングの本数を大幅に少なくできる。今回の例では、基板間のワイヤ本数は従来例で約510本であるのに対して、本実施形態では、信号線の3本と他給電線等17本を加え全部で20本へと激減する。この20本程度の本数なら、従来例のように基板間のワイヤ接続が数十mm以上の幅に広がり、信頼性が懸念されるようなことは全くない。本実施形態では、ワイヤボンディングを行う領域が幅2.8mmに減少し、あるいはワイヤを用いずに個々にケーブル等で接続することも可能であるので、ワイヤボンディングについての問題は全く生じない。
【0063】
(4)検査工程の簡略化
さらに、本実施形態においても、実際にモジュールを作製する工程では、PLC基板の段階で外部から電気プローバを接触してヒータを駆動することにより所望の特性のものができているかを検査する工程が必須である。従来例では510個の電極パッドに同時に電気プローバを接触する必要があり、そのため特殊で高価な電気プローバとその電気プローバを高い平行度で接触できる調心装置とを必要とした。それに対して、図1の本実施形態では、接触すべき電極パッド数が14個と大幅に減少したため、廉価な電気プローバを電極パッドに容易に接触して検査することが可能となり、検査工程に必要な部材、装置のコストと作業時間を大幅に減少することができる。
【0064】
以上の説明をまとめると、本実施形態では、光スイッチを駆動するICをPLC基板上にベアチップで直接実装したことにより、電気配線部の引き回しが大幅に減少し、PLC基板を小型化し、基板間の金ワイヤの本数を256本から14本に大幅に減少し、歩留まり信頼性も向上させられる。また、本実施形態では、駆動用IC実装基板が不要となった分だけ、さらにモジュールサイズを大幅に小型化することができる。加えて、検査工程に必要なプローバと装置が簡略化され、コストダウンと作業時間の短縮が得られる。
【0065】
また、図1に示したような1個の大規模スイッチのみならず、例えば光アド・ドロップ合分波器に用いられる、2×2光スイッチの8アレーを同一のPLC基板に集積したものに本発明を適用しても、上記と同様の効果が得られる。図3にその構成例を示す。なお、図3においては、図面の簡略化のため、基本光スイッチ103とIC109との間の電気配線は省略した。
【0066】
また、可変光減衰器やそのアレイモジュール、分散補償回路、利得等化回路においても、本発明を適用することで、上記と同様な効果が得られる。
【0067】
また、PLC基板以外の光回路を用いた光スイッチ等においても、本発明を同様に適用することができ、PLC基板の場合と全く同様の効果があることは言うまでもない。例えば、LiNbO(LN)光導波路を用いた光スイッチにおいても、本発明を適用することで、PLC基板の場合と全く同様の効果を得ることができる。
【0068】
(第2の実施形態)
図4に本発明の第2の実施形態である4×4光マトリクススイッチの構成を示す。4×4光マトリクススイッチ401では、4本の入力導波路407と4本の出力導波路409が格子状に16箇所で交差しており、それらの交差点にそれぞれ二重型の光クロスポイントスイッチ411が置かれている。
【0069】
図5に二重型の光クロスポイントスイッチ411を拡大して示す。二重型光クロスポイントスイッチ411を構成する1×2光スイッチ415と2×1光スイッチ416間にはユニット内導波路421が接続されている。そして、図4に示すように、縦方向の4本の駆動信号給電線403がそれぞれ各ラインの1×2光スイッチ415と1×2光スイッチ用共有駆動(電源)回路間を接続している。また、横方向の4本の駆動信号給電線405が、それぞれ各ラインの2×1光スイッチ416と2×1光スイッチ用共有駆動(電源)回路間を接続している。
【0070】
この二重型の光クロスポイントスイッチ411および電気制御回路などの具体的な構成を図6に示す。同図において、401は光マトリックスチップ、411は二重型光スイッチユニット、601は上記の1×2光スイッチ用共有駆動(アナログ電源)回路、602は上記の2×1光スイッチ用共有駆動(アナログ電源)回路、603は電気デジタルスイッチである。
【0071】
二重型の光クロスポイントスイッチ411を構成する1×2光スイッチ415と2×1光スイッチ416には、それぞれ従来同様に半波長の光路長差が設けられているMZI光スイッチを用いている。各MZI光スイッチにおいて光路長が短いアーム導波路上の熱光学ヒータ617、618に電気配線が接続されている。電気配線の一方には電気デジタルスイッチ603が接続され、もう一方にはアナログ出力可能な駆動電源(駆動回路)601、602が接続されている。この電気デジタルスイッチ603は、トランジスタ回路が多数集積されたICを用いており、TTLレベルの入力により、導通/遮断(ON/OFF)動作をする。
【0072】
従来の構成と大きく異なる点は、図4および図5に示すように、
(1)アナログ駆動回路を1×2光スイッチ用に出力導波路毎に共有化し、2×1光スイッチ用に入力導波路毎に共有化している点、及び
(2)ヒータ駆動用ICはベアチップとしてPLC基板上に実装されている点である。
【0073】
次に、これを説明する。
図4および図5を参照して、まず(1)のアナログ駆動回路の共有化から説明する。共有駆動回路1aに4個の光クロスポイントスイッチSWx,1;x=1〜4の1×2光スイッチを並列接続し、同様に2a〜3aにSWx,2〜SWx,4を並列接続している。また、共有駆動回路1bに4個の光クロスポイントスイッチSW1,y;y=1〜4の2×1光スイッチを並列接続し、同様に2b〜3bにSW2,y〜SW4,yを並列接続している。
【0074】
これにより、駆動回路数を個別接続時の16個から8個に削減することができる。また、駆動回路への配線も共有駆動回路毎に部分的に共有化しているので、配線面積が削減すると共に、スイッチチップからの電気接続端子も併せて削減されている。
【0075】
また(2)ヒータ駆動用IC109を、PLC基板上にベアチップで実装している点が従来例と異なる。その実装形態は図2で説明した通りである。図4においては、ICベアチップ109とMZI回路各々32個がヒータ駆動用配線により接続され、電気デジタルスイッチ603としてMZI回路のオン/オフ動作を行う。N×Nマトリクススイッチにおいても、第1の実施形態と同様に、第1の実施形態で(1)〜(4)の項で詳細に説明したと同様な効果が生じる。例えば、32個の光クロスポイントに対応して、電気デジタルスイッチ603は32個存在するが、ヒータ618〜IC109間の距離はICで3本に集約されるため、電気配線部の面積は減少し、基板間のワイヤ本数も減少する。ここでは4×4マトリクススイッチで説明したが、このような削減効果は光マトリクススイッチチップの規模が大きいものほど、その効果が大きくなる。
【0076】
今回のMZI光スイッチ中の2個の3dB結合器(図10の1003、1007参照)には、2本の導波路を数μmまで近接して構成される方向性結合器を用いた。これは方向性結合器が他の手段に比べて挿入損失が低いためである。しかしながら、3dB結合器はこの構成に限定されるものではなく、他の手段、例えばマルチモード導波路を用いたマルチモード干渉計(MZI)カプラーや、これらカプラーを複数個従属接続して構成される波長無依存カプラー(WINC)などであってももちろん良い。
【0077】
(第3の実施形態)
図7には、本発明の第3の実施形態として、石英系PLC基板上に形成したMZI回路を用いた可変光減衰器を備える送信モジュールを例示する。この送信モジュールにおいては、同図左側に、複数のWDM信号用のLD素子701がλ〜λの波長分並んでおり、そのLD素子701の出力側に光ファイバ703を介して接続する、石英系PLCにより作製されたMZI回路を用いたマッハツェンダ型可変光減衰器707のアレイモジュールがPLC基板705上に形成されており、その可変光減衰器707の出力側に光ファイバ715を介して接続する、アレイ導波路格子(AWG)717を含むPLC基板がある(AWG等の光導波路は略し、図示していない)。
【0078】
そして、MZI回路には可変光減衰器707を駆動するためのIC709が同一基板上にベアチップで実装されている。ここで、711はヒータ駆動用の金配線であり、713はIC駆動用の金配線である。この可変光減衰器707は、前述の図10のMZI回路(マッハツェンダ干渉型光スイッチ)をアナログ的に連続的な電流で動作させたものである。但し、駆動用IC709は単なるゲートSW(スイッチ)のみならず、可変光減衰器707に流す電流量も制御しており、そのアナログ的な電流量はその流すべき電流量をデジタイズした別途制御信号によって制御している。この制御に用いるICは単独のものでも複数個を組み合わせたものであっても、結果として各可変光減衰器707をアナログ制御できるような構造になっていればよい。このような可変光減衰器707を含むPLC基板705においても、前述の第1の実施形態と同様に、基板上の電気配線が実装したICに集約されており、第1の実施形態で(1)〜(4)に列挙したと同様な効果を奏する。
【0079】
なお、本実施形態では、石英系PLCを用いた可変光減衰器を例を挙げたが、それ以外の材料の光導波路回路でも同様に本発明を適用できる。また、光回路の種類もMZIではなくとも、例えばY分岐を用いたものでも勿論よい。
【0080】
(第4の実施形態)
図8には、本発明の第4の実施形態として、PLC基板とLN光導波路基板とを端面結合することにより作製したPLC−LN型の光スイッチであって、多波長化された光信号から任意の波長を選択する波長セレクタを例示する。図8において、801はアレー導波路格子を含む第1のPLC基板、803は第2のLiNbO(LN)基板、805はアレー導波路格子を含む第3のPLC基板であって、この順にこれら3つの基板を接着剤等の結合手段により端面結合している。また、809は第2のLN基板803上に実装した駆動用IC,811はそのLN基板803上に形成したLiNbO光導波路、813はヒータ駆動用金配線、815はIC制御用金配線である。
【0081】
本実施形態では、PLC基板801、805にアレイ導波路格子(AWG)が用いられ(AWG等の光導波路は略し、図示していない)、またMZI回路807はPLC基板801上のカプラとLN基板803上のLN光導波路811とによって作製されている。そして、光スイッチ動作に必要な半波長分の位相変化は、LN光導波路811上のヒータに印加された電圧による電気光学効果によって与えられている。この例では、MZI光スイッチはON/OFF型の光ゲートスイッチとして用いられている。
【0082】
図8の左側の光入力ポートから入力したN波長のWDM信号(波長;λ,λ,λ,…λ)は、第1のPLC基板801上のAWGにより各波長に各々分けられる。続いて、その各波長は、中央部の第2の基板803上のMZI回路807によるゲートスイッチにより所望の波長のみ選択される。続いて、選択されたその1以上の波長は第3のPLC基板805上の出力側のAWGにより再び多重される。このように、本実施形態のPLC−LN型の光スイッチは、多波長化された光信号から任意の波長を選択する波長セレクタとして機能する。図8では一例として波長λの光信号のみ選択した例を掲げた。
【0083】
本実施形態のように、石英系PLC基板と他材料の光導波路回路との組合せをすることにより、PLC基板で実現されているAWGなどの豊富な光回路のメニューを用いることができ、また実績ある光導波路の曲率半径がPLCの方が小さいことから、高機能な回路を小型に作製できる長所がある。光スイッチとしても、LNを用いると高速な光スイッチングを低消費電力で実現できるという長所がある。
【0084】
このようなPLC−LN基板を組み合わせた光スイッチを含む回路においても、ICを光回路基板上に直接実装することにより、第1の実施形態の(1)〜(4)に記載したと同様の効果を奏する。
【0085】
なお、本実施形態では、波長セレクタの例を掲げたが、その他の光回路であっても同様の効果が生じる。例えば、本実施形態の構造を利用して、図1と同様のツリー状光スイッチ、例えば1×8光スイッチを構成することも可能である。その場合の1×8光スイッチにおいても、第1の実施形態の(1)〜(4)に記載したと同様の効果を奏することができる。
【0086】
(他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態をいくつか例示したが、本発明はこれら実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された範囲内であれば、それら実施形態の変形、同等の機能を有する他の素子等との置換、寸法、個数等の単なる設計変更等は、全て本発明の実施形態に含まれるものである。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光スイッチ等の光回路において、光導波路基板上の電気配線部を共有化により小型化することで、基板自体も小型化され、駆動用あるいは制御用のICをベアチップで光導波路基板上に実装することで、信頼性が懸念される基板間の金ワイヤの本数を大幅に減少し、さらに光スイッチや光可変減衰器を駆動するためのIC実装基板が不要となり、モジュールサイズを小型化できるという効果を奏する。
【0088】
さらに、本発明によれば、光回路の作製における検査工程として光導波路基板の特性を評価するのに用いるプローバの電極端子(電極パッド)の数が大幅に少なくなり、評価作業が簡略化され、コストダウンが図れるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態におけるICベアチップを実装した1×128PLC熱光学スイッチの構成を示す模式的平面図である。
【図2】図1のICベアチップの実装部の詳細を示す拡大図である。
【図3】本発明の第1の実施形態の変形例における2×2光スイッチの8アレイに、ICベアチップを実装した構成を示す模式的平面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態における4×4マトリックス光スイッチのPLCチップ上にICベアチップを実装した構成を示す模式的平面図である。
【図5】少ない駆動回路数で完全個別駆動可能な光マトリックススイッチを構成する図4の二重型光スイッチの拡大図である。
【図6】本発明の第2の実施形態における具体的な回路構成を示す回路図である。
【図7】本発明の第3の実施形態における可変光減衰器を備える送信モジュールの構成を示す模式的平面図である。
【図8】本発明の第4の実施形態における波長セレクタの構成を示す模式的平面図である。
【図9】従来例の1×128PLC熱光学スイッチの構成を示す模式的平面図である。
【図10】図9のマッハツェンダ干渉計型光スイッチの構成を示す図で、(A)は平面図、(B)はA−A´断面線に沿う断面図、(C)はB−B´断面線に沿う断面図である。
【図11】図9の電気駆動回路の回路構成を示す回路図である。
【図12】本発明の実施形態の基本構成である、駆動回路を格段で共有化した1×N光スイッチの構成例を示す模式的平面図である。
【図13】図12の1×N光スイッチのヒータ駆動回路の回路構成を示す回路図である。
【図14】本発明の実施形態の基本構成である、駆動用デジタルICを含む電気回路の構成を示す回路図である。
【図15】図14のヒータアレイに印加されるヒータ制御信号のタイミングを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
101 1×128PLC熱光学スイッチ(1×128光スイッチ)
103 1×2基本光スイッチ
104 光導波路
105 ゲート光スイッチ
107 ヒータ駆動用金配線
109 基本スイッチ駆動用IC(ベアチップ)
111 制御信号金配線(金薄膜配線)
113 電極パット
115 金ワイヤ
117 電極パット
119 駆動信号給電線(駆動電源回路用の給電線)
201、202 電極パッド
203、204 電極パッド
205、206 金ワイヤ
401 4×4光マトリクススイッチ(光マトリックスチップ)
403 駆動信号給電線
405 駆動信号給電線
407 入力導波路
409 出力導波路
411 二重型の光クロスポイントスイッチ(二重型光スイッチユニット)
415 1×2光スイッチ
416 2×1光スイッチ
421 ユニット内導波路
601 1×2光スイッチ用共有駆動(アナログ電源)回路
602 2×1光スイッチ用共有駆動(アナログ電源)回路
603 電気デジタルスイッチ
701 WDM信号用のLD素子
703 光ファイバ
705 PLC基板
707 石英系PLCにより作製されたマッハツェンダ型可変光減衰器
709 実装した可変光減衰器駆動用IC
711 ヒータ駆動用の金配線
713 IC駆動用の金配線
717 アレイ導波路格子(AWG)
801 アレー導波路格子を含む第1のPLC基板
803 第2のLiNbO(LN)基板
805 アレー導波路格子を含む第3のPLC基板
807 マッハツェンダ型回路
809 第2のLN基板803上に実装した駆動用IC
811 LN基板803上に形成したLiNbO光導波路
813 ヒータ駆動用金配線
815 IC制御用金配線
901 1×128光スイッチ
903 1×2光スイッチ
905 ゲート光スイッチ
907 駆動信号給電線
909、923 ヒータ駆動用金配線
911 電極パット
913 金ワイヤ
915 電極パット
921 光スイッチ駆動用IC実装基板
923 IC制御用金配線
925 駆動用ICモジュール(パッケージ)
1001 アーム導波路
1003、1009 3dB結合器
1005 配線
1007 熱光学位相シフター(薄膜ヒータ)
1011 コアパターン
1013 クラッド層
1015 シリコンウェハー等の基板
1101 駆動アナログ電源回路(未共有)
1103 電気デジタルスイッチ
1105 電気接続端子
1107 ヒータ
1201 駆動信号給電線
1301 共有駆動アナログ電源回路
1403 PLC基板上のヒータアレイ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is an optical module that can be applied to an optical communication system and whose output characteristics are controlled by electricity, an optical switch constituting the optical module, and an optical matrixOn the switchRelated.
[0002]
[Prior art]
While the increase in capacity of optical communication has progressed and the transmission capacity has been increased by the WDM (wavelength division multiplexing) system, an increase in the throughput of the path switching function in the node is strongly demanded. The path switching is currently performed by an electrical switch after converting the transmitted optical signal to an electrical signal, but in order to take advantage of the characteristics of the optical signal that is high speed and wideband, an optical switch is used to switch the path. It is necessary to reduce the size and power consumption of the node device by switching the path with the signal. As a specific system using such an optical switch, an optical cross-connect or an optical add / drop multiplexing system is required to be realized, and an optical switch is required as a key device.
[0003]
A conventional example of such an optical switch is shown in FIG. The upper part of the drawing in FIG. 9 is a substrate of a 1 × 128 optical switch 901 using the thermo-optic effect of a quartz lightwave circuit (PLC), and the lower part of the drawing is the lower part of the drawing. This is an electric wiring board 921 on which an IC (integrated circuit) 925 for driving the optical switch is mounted, and both constitute a 1 × 128 optical switch module.
[0004]
As for the PLC board, a unit optical switch with two inputs and two outputs is used as a 1 × 2 optical switch 903 as shown in the figure, and a plurality of 1 × 2 optical switches 903 are used in a 7-stage tree shape to obtain 1 × 128 optical matrix switches are formed on the same substrate (see Non-Patent Document 1).
[0005]
There are various construction methods for the 1 × 2 optical switch 903 in FIG. 9, but in a quartz-based PLC, two arm waveguides having a thermo-optic phase shifter (thin film heater) 1007 as shown in FIG. 10. A Mach-Zehnder interferometer type 2 × 2 optical switch (MZI optical switch) in which both ends of 1001 are connected by two 3 dB couplers 1003 and 1009 is used. In the 1 × 2 optical switch used in the present invention, for example, 61b is an unconnected waveguide. In this MZI optical switch, two arm waveguides 1001 having the same length are symmetric MZI optical switches, and two arm waveguides 1001 are provided with a half-wavelength optical path length difference. We will call it a switch here.
[0006]
In the symmetric MZI optical switch, when the thermo-optic phase shifter 1007 is not driven (energized), the light propagates in the cross path (61a → 62b) according to a known interference principle, and the thermo-optic phase shifter 1007 is driven to perform thermo-optics. When the optical path length difference of half wavelength is given due to the effect, it propagates in the bar path (61a → 62a).
[0007]
Further, when the drive amount to the thermo-optic heater 1007 is adjusted to continuously change the optical path length difference between the two arm waveguides 1001 from zero to a half wavelength, the optical path is continuously changed from the cross path to the bar path. Change. That is, it operates not only as an ON / OFF switch but also as an analog switch. Therefore, the MZI optical switch can be operated as an attenuator by adjusting the distribution ratio between the cross path and the bar path, or can be operated as a branching unit that performs multicasting or broadcasting as necessary.
[0008]
By configuring this basic optical switch shown in FIG. 10 in a tree shape as shown in FIG. 9, a 1 × 128 optical switch 901 can be realized. Note that a gate optical switch 905 is added to the eighth stage in FIG. 9 to increase the extinction ratio.
[0009]
As the gate optical switch 905, an asymmetric MZI optical switch is used. In this asymmetric type MZI optical switch, when the thermo-optic phase shifter 1007 is not driven (energized), light propagates in the bar path (61a → 62a), drives the thermo-optic phase shifter, and the half-wavelength due to the thermo-optic effect. When the difference in optical path length is canceled, the light propagates through the cross path (61a → 62b). This asymmetric MZI optical switch is known to have less crosstalk in the cross path, and normally, the gate optical switch transmits light through only one port and the other ports block light. Many. Therefore, a cross-port with a higher extinction ratio can be used for the gate optical switch 905 when this asymmetric optical switch is used, and power consumption can be saved.
[0010]
Thermo-optic switches using quartz waveguides combine glass film deposition techniques such as flame deposition (FHD) and chemical vapor deposition (CVD) with microfabrication techniques such as reactive ion etching (RIE). Produced. Specifically, on a substrate 1015 such as a silicon wafer, a glass film to be a lower cladding layer is first deposited, and then a core layer having a refractive index slightly higher than that of the cladding layer is deposited. Then, the core pattern 1011 to be an optical circuit is patterned by a microfabrication technique, and subsequently a glass film to be the upper clad layer 1013 is deposited. Finally, a thin film heater 1007 to be a thermo-optic phase shifter and wiring for supplying power thereto 1005 is formed to produce an optical switch chip. A power supply line and an optical fiber are connected to the optical switch chip, and the optical switch module is completed by storing it in a case with a radiation fin.
[0011]
An electric drive circuit of the heater 1007 is shown in FIG. As shown in the figure, a driving analog power supply circuit 1101 is connected to the heater of one arm of the MZI of each 1 × 2 optical switch 903 so that an optimum voltage (current) for driving the MZI is obtained. The electrical digital switch 1103 is connected to the opposite side of the heater, and the electrical digital switch 1103 is turned on / off in response to the on / off of the optical switch 903. Since there are 255 1 × 2 optical switches 903, there are 255 drive power supply circuits 1101 and 255 electric digital switches 1103, respectively.
[0012]
In the actually manufactured 1 × 128 optical switch, excellent characteristics of an average insertion loss of 0.4 dB and an average on / off extinction ratio of 40 dB were obtained.
[0013]
Although an example of an optical switch has been described above, a variable optical attenuator can be similarly configured by using the same MZI optical switch and changing the amount of phase change in an analog manner. Is actually made. The variable optical attenuator is an essential device for equalizing the light intensity of each wavelength of the wavelength-multiplexed signal light, and has recently been in high demand.
[0014]
Other high-demand optical circuits, such as dispersion compensators, polarization dispersion compensation circuits, or gain equalizers, can be realized with MZI optical switches and circuits that combine phase shifters and optical waveguides as described above. It is.
[0015]
[Non-Patent Document 1]
T. Watanabe et. Al., "Silica-based PLC 1 × 128 thermo-optic switch," Proc. 27th ECOC '01, Tu.L.1,2, Amsterdam, 2001
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The problem of the present invention will be described below using the 1 × 128 PLC thermo-optic switch (PLC-TOSW) shown in FIG. 9 as an example. This 1 × 128 PLC thermo-optic switch has the following problems.
(1) The area of the electric wiring part in the PLC substrate is enlarged.
(2) A large number of driving analog power supply circuits are required. In the above example, as described above, as many as 255 power supply circuits are required.
(3) The number of wire bondings between the PLC substrate and the driving IC mounting substrate increases. In the example of FIG. 9, 255 electrode pads 911 and 915 and 255 electrode pads for connection to the upper drive circuit are required, for a total of 510 electrode pads.
(4) A prober having a considerably large number of pins is required for the inspection process, and accordingly, a highly accurate prober aligning device is required.
[0017]
Hereinafter, it demonstrates in order.
(1) In FIG. 9, there are 255 thermo-optic phase shifters (heaters) to be driven on the substrate, and both ends thereof are connected to wire electrode pads 911 on the substrate end by gold wirings 907 and 909. Therefore, as many as 255 gold wirings 907 and 909 need to be laid out on the substrate without crossing, and the area of the electrical wiring is greatly increased as the scale of the optical circuit increases and the number of channels increases.
[0018]
This electric wiring area is estimated quantitatively. Ta2The gold wiring for driving the N-film heater is preferably a gold thin-layer wiring considering the patterning on the optical waveguide substrate where warpage or the like exists, and the amount of current necessary for driving the heater is reduced. Considering the width, it is desirable that the width is about 50 μm. It is desirable that the gap between the wirings is about 50 μm. If the area required for the development of the electrical wiring is estimated under these conditions, the wiring width is 51.2 mm with 510 wirings. In the example of FIG. 9, the substrate size is 60 mm × 60 mm, and the wiring length when it is routed to the end of the substrate is an average of 4 cm. Therefore, the area of the electric wiring portion from the heater to the digital switch side is 20 cm.2It becomes. Using a core with a small allowable bending radius suitable for miniaturization and a clad having a relative refractive index difference of 1.5%, the area of the optical circuit itself is 20 mm × 60 mm = 12 cm.2It is downsized. Since the optical circuit and the electrical wiring itself can intersect, the downsizing of the PLC optical switch substrate is limited by the area of the electrical wiring portion.
[0019]
(2) In the example of the 1 × 128 PLC thermo-optic switch in FIG. 9, there are 255 thermo-optic phase shifters (heaters) to be driven on the substrate. Therefore, as many as 255 driving (power supply) circuits are required.
[0020]
(3) In (1), the 510 wires on the PLC board need to be individually connected to the drive circuit 925 mounted on another board. Here, the connection between the substrates is usually performed by wire bonding. If the wire bonding electrodes 911 and 915 are 150 μm wide and the gap is 50 μm, the pitch is 200 μm, and if the number of wire bonding is 510, the width is as long as 104 mm.
[0021]
Here, as a method of fixing the PLC substrate and the electronic circuit mounting substrate, a method of sticking the PLC substrate on a substrate including a larger electronic circuit, or a method of arranging the PLC substrate and the electronic circuit substrate side by side on the third substrate. There is. Regardless of which method is used, wire bonding is performed at 200 ° C., for example, and therefore, there is a possibility that stress is applied to the wire 913 due to the difference in contraction due to the difference in thermal expansion coefficient of each substrate and the reliability is impaired. .
[0022]
(4) Furthermore, in the process of actually producing the module, an inspection process for evaluating the optical characteristics and electrical characteristics by driving the heater by contacting an electrode prober from the outside at the stage of the PLC substrate is essential. is there. For this evaluation, in the conventional example, it is necessary to contact the electric prober with 510 electrode pads at the same time, and a special and expensive electric prober and a aligning device capable of contacting the electrode pad in parallel with high accuracy are required. It was.
[0023]
The problems of the optical module in which the driving electric circuit and the optical circuit are electrically connected have been listed by taking the 1 × 128 optical switch as an example. This problem is caused by the fact that the optical circuits and electrical circuits that have been increased in scale and multi-channel (multi-port) have not been optimized as a whole. For example, in the above example, the electrical circuit is optimized even though a large number of heaters that are to be driven by the electrical circuit on the optical waveguide substrate are arranged in widely dispersed locations due to circumstances specific to the optical circuit. Due to not being. A similar situation exists in optical circuits other than the 1 × N optical switch, and is a problem common to optical modules whose output characteristics are controlled by electricity. For example, a similar problem exists in an N × N matrix optical switch, a variable optical attenuator and its array module, a dispersion compensation circuit, and a gain equalization circuit.
[0024]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce the area of an electric wiring portion on a substrate in an optical module in which a driving electric circuit and an optical waveguide circuit are electrically connected. By reducing the number of connecting wires from the PLC board to the outside and reducing the number of analog drive circuits, the optical waveguide board can be downsized, and the number of gold wires between boards where reliability is a concern can be greatly reduced. The object is to eliminate the need for an IC mounting substrate for driving an optical switch or an optical variable attenuator, to reduce the module size, and to simplify the characteristic evaluation by reducing the electrode terminals of the prober.
[0025]
It is a further object of the present invention to provide an optical switch and an optical matrix suitable for such an optical module.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above object, an optical switch according to the present invention is an optical module comprising an optical switch and a plurality of electronic circuits for driving for changing the output characteristics by changing the refractive index of the optical switch. The driving electronic circuit is connected to the optical switch together with the optical switch.One input waveguide fabricated on a substrate, N (N is an integer greater than or equal to 3) output waveguides, and a plurality of 1 × 2 optical switches connecting the input waveguides and the output waveguides The 1 × N optical switch is provided with a gate optical switch capable of transmitting, blocking, or changing light intensity in the output waveguide.AboveAn analog optical switch whose path is continuously switched by an electric signal level controlled by an electronic circuit for driving, and the analog optical switch includes an electric digital switch for cutting off the electric signal level from the electronic circuit for driving ,The driving electronic circuit is shared by the plurality of 1 × 2 optical switches such that the number of the driving electronic circuits is smaller than the number of the 1 × 2 optical switches, When the 1 × N optical switch performs a switching operation, only one of the 1 × 2 optical switches in each stage is driven, and wiring connecting from the analog driving power source to the 1 × N optical switch is a substrate of the optical switch. In the above, each stage of the 1 × N optical switch is aggregated and shared by one,The electrical digital switch is integrated by an electronic integrated circuit manufacturing process.
[0033]
The optical matrix switch of the present invention isAn optical module comprising an optical switch and a plurality of electronic circuits for driving for changing the output characteristics by changing the refractive index of the optical switch, the electronic circuit for driving together with the optical switch and the optical switch SwitchIt consists of M (M is an integer greater than or equal to 2) input waveguides, N (N is an integer greater than or equal to 2) output waveguides, and M × N optical crosspoint switches fabricated on a substrate. , N) No. optical crosspoint switch is an optical crosspoint switch that connects the mth input waveguide and the nth output waveguide (where 1 ≦ m ≦ M, 1 ≦ n ≦ N) The optical cross point switch is a double optical switch composed of a 1 × 2 optical switch, a 2 × 1 optical switch, and a waveguide in the optical cross point switch unit, the 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 Optical switchAboveAnalog optical switch whose path is continuously switched by the electric signal level controlled by the driving electronic circuit.InThe analog optical switch includes an electric digital switch for cutting off an electric signal level from the driving electronic circuit;The electronic circuit for the drive circuit is shared by the plurality of dual optical switches so that the number of electronic circuits for the drive circuit is smaller than the number of the dual optical switches. When the optical cross point switch performs a switching operation, only one of the dual optical switches grouped for each input waveguide is driven and connected to the dual optical switch from an analog driving power source. The wiring is divided into two parts, a 1 × 2 optical switch group and a 2 × 1 optical switch group constituting the grouped dual optical switch, and each is separately integrated on the optical switch substrate. SharedIt is characterized by that.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Before describing individual embodiments of the present invention, first, a basic configuration common to each embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0035]
(Basic configuration)
With respect to the electric circuit for driving the heater shown in FIG. 9, the present inventors have found that the basic optical switch that is turned on when the optical switch is in operation does not exist at random, but obeys certain constraints, and By arranging the constraints, we have newly found that even if the drive power supply circuit is integrated into several circuits and used in common, the degree of freedom is not impaired at all or almost.
[0036]
Here, an example of a 1 × N optical switch tree-type shared drive power supply will be described. Assuming that the 1 × N optical switch is configured in a tree-type and n stages using the 1 × 2 optical switch as a basic switch, an arbitrary a-stage (1 ≦ a ≦ n) basic switch (for example, 3 in the third stage) -1, 3-2, 3-3, and 3-4), there is only one basic optical switch that is in the current drive state (ON state), and there is a certain output waveguide Of the N gate optical switches on the road, only one is in the current drive state (ON state).
[0037]
Here, when the 1 × 2 optical switch is an MZI optical switch circuit as shown in FIG. 10, an example of an electric circuit for driving the circuit is as shown in FIG. As shown in FIG. 11, a driving power source (driving circuit) 1101 capable of analog output is provided at one end of the electric wiring of the heater 1007, and an electric digital switch 1103 is connected to the other end. The analog power supply circuit 1101 is set in advance to an optimum driving voltage for each optical switch 903. On the other hand, the electric digital switch 1103 uses an IC (integrated circuit) in which a large number of transistor circuits are integrated, and performs a conduction / cut-off (ON / OFF) operation in response to a TTL level input. Here, as shown in the example of the 1 × 8 optical switch in FIG. 12, the analog drive circuit 1101 is shared by the optical switches 903 in each stage.
[0038]
FIG. 13 shows a more detailed circuit configuration of FIG. As shown in the figure, even if the analog drive circuit 1301 is shared, only one unit is in the ON state at each stage at the same time. Therefore, the analog drive circuit 1301 is individually adjusted to the optical switch 903. There is no loss of the individual adjustment function that can be applied. By performing this sharing on the PLC substrate, the area of the electric wiring portion on the substrate can be reduced, the number of connection wires from the PLC substrate to the outside can be reduced, and the analog drive circuit can be reduced.
[0039]
However, with the recent increase in the scale of optical switches, there is an increasing need for further reduction in size by reducing the electrical wiring on the substrate. Therefore, returning to the example of the 1 × 128 optical switch in FIG. In FIG. 9, the driving signal feeding line 907 on the upper side of the figure is connected to the analog driving circuit 1101 on the analog feeding side, and the heater driving wiring 923 on the lower side of the figure is connected to the electric digital switch 1103. . The analog power supply side can be shared at each stage according to the sharing described above with reference to FIGS.
[0040]
  On the other hand, the electric digital switch side is conventionally connected to the external substrate 921 and the wire 913 at the gold wire electrode pads 911 and 915 after being individually routed to the substrate end by the gold wiring 909 and connected to the driving IC 925. Yes. In the present invention, the electric circuit including the IC 925 is configured as shown in FIG. In the tree type 1 × 128 optical switch 901 in FIG. 9, there are 255 unit optical switches 903 (indicated by # 1 to # 255 in FIG. 14). Four 64-bit driving ICs 925-1 to 925-4 are connected to each heater 1107 of the unit optical switch 903 as shown in FIG. 14. These driving ICs 925-1 to 925-4 are CMOS LSIs (CMOS large-scale integrated circuits) incorporating a shift register (not shown) and a latch (not shown), and the above-mentioned digital switch 1103 and signal / parallel. It has both functions of a conversion circuit (not shown). The driving ICs 925-1 to 925-4 are connected in cascade as shown in FIG.MultistageBy connecting), they can be synchronized with each other and expanded to 64 bits × 4 = 256 bits.
[0041]
For the driving ICs 925-1 to 925-4, as shown in FIG. 15, by using a 1 MHz clock signal and assigning on / off of the output to each heater 1107 to each time axis for each clock, The ON / OFF operation of each gate (905 in FIG. 9) is realized within a latch pulse of 0.26 ms. The switching speed of the thermo-optic switch is 2 ms, for example, which is sufficiently slow compared to the clock signal. Therefore, on the relationship between input and output, it is possible to control the on / off of 256 heaters 1107 with three input signals. It becomes.
[0042]
In the example of FIG. 15, an example in which the clock speed is 1 MHz is given. However, if the clock speed is increased 10 times, 2,560 heaters can be easily latched and switched every 0.26 ms. As described above, it is possible to control many heaters by appropriately selecting the clock speed.
[0043]
Further, in the present invention, as will be described later with reference to FIG. 1, the driving ICs 925-1 to 925-4 are placed on the PLC substrate while keeping the small bare chip (the size is, for example, 2 mm × 7 mm). Since it is mounted, the wiring between the heater and the IC on the PLC substrate can be integrated, and 255 wirings can be integrated into only three signal lines. For this reason, the area of the electrical wiring is greatly reduced, and the area of the PLC substrate can be reduced.
[0044]
Furthermore, in the present invention, since the driving IC is mounted on the PLC board, the number of wirings to be taken out from the PLC board is greatly reduced to 20. As a result, the number of wires between the PLC board and the electric circuit board on which the electric drive circuit is mounted is also 20, and the number of wire bonding can be greatly reduced from 510 to 20.
[0045]
In the present invention, the module is greatly reduced in size by eliminating the driving IC mounting substrate.
[0046]
Furthermore, in the present invention, since the driving IC is mounted on the PLC board, the number of blower electrodes when inspecting at the level of the PLC board before manufacturing the module is reduced from 510 to 20 in the manufacturing process. It is possible to simplify the prober and the apparatus used for alignment.
[0047]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0048]
(First embodiment)
FIG. 1 shows the structure of an optical module according to the first embodiment of the present invention. This embodiment is an example of a 1 × 128 PLC thermo-optic switch according to the present invention in which a driving IC is mounted on a PLC substrate. For simplification of the drawing, the wiring of the basic optical switches after the fourth stage is omitted. Here, 101 is a 1 × 128 PLC thermo-optic switch (1 × 128 optical switch), 103 is a 1 × 2 optical switch, 104 is an optical waveguide, 105 is a gate optical switch, 107 is a gold wire for driving a heater, 109 is a basic switch A driving IC (bare chip), 111 is a control signal gold wiring, 113 is an electrode pad, 115 is a gold wire, 117 is an electrode pad, and 119 is a driving signal feeding line (feeding line for driving power supply circuit).
[0049]
The configuration of the 1 × 2 optical switch 103 and the optical waveguide 104 in the present embodiment is the same as the configuration of FIG. 10 described above. In the 1 × 128 PLC thermo-optic switch 101, an optical waveguide 104 is formed on a Si substrate by a flame deposition method, and the MZI circuit of the 1 × 2 optical switch 103 is formed with the structure shown in FIG. And as heater 1007, Ta2The N film is formed in a pattern, and a patterned gold thin film is used for the electric wiring 1005 for routing the N film on the Si substrate.
[0050]
The configuration of this embodiment is different from the conventional example in the following electrical wiring structure. That is, as shown in FIG. 1, the feeder line 119 for the drive power supply circuit is shared on the PLC substrate to reduce the electrical wiring area, and the heater drive IC 109 is mounted on the PLC substrate as a bare chip. .
[0051]
In the heater driving IC bare chip 109, as shown in the enlarged detail view of FIG. 2, the electrode pads 201 and 202 are fixed upward on the PLC substrate. One electrode pad 201 is an electrode pad connected to the heater of the basic optical switch 103. The other electrode pad 202 is an electrode pad connected to the gate control signal, and is a GND terminal, a clock terminal, a latch terminal, and a signal terminal from the left in FIG. A gold thin film wiring 111 is drawn out from the latter electrode pad 202.
[0052]
Then, the electrode pads 201 and 202 on the PLC substrate and the electrode pads 203 and 204 on the heater driving IC 109 are connected by gold wires 205 and 206. Further, the IC 109 and the gold wires 205 and 206 are sealed with a silicone resin (not shown) to improve reliability. Such an IC bare chip mounting form itself is generally used in an electric wiring board, and reliability is ensured unlike wire bonding between boards as shown in FIG.
[0053]
It should be noted here that in an optical waveguide circuit board of a large-scale optical switch, it is necessary to disperse and arrange a large number of hundreds of phase shifters (heaters) over a wide area on the optical waveguide circuit board. Is that there is. However, it is very difficult to produce a fine electric wiring process on the optical waveguide circuit board, and the drive electric circuit of these phase shifters (heaters) is placed on the same substrate (optical waveguide circuit board). Manufacturing is a new problem different from manufacturing a conventional electric circuit and integrated circuit, and is a new problem.
[0054]
This new problem has been solved by mounting the gates of the driving ICs on the Si substrate and grouping (sharing) them as shown in FIG. 14 and FIG. Note that it is not simply that the driving IC is mounted on the Si substrate. For reference, there has been no report on an example in which an optical switch driving IC or control IC is mounted on a PLC board.
[0055]
The drive circuit using this IC is as already described with reference to FIGS. 13 to 15, and 256 heaters 1107 are driven simultaneously by three heater control signals of clock, latch, and signal (data). Can do.
[0056]
In the present embodiment, the following effects can be obtained by adopting the configuration described above.
(1) Reduction of the area of electrical wiring in the PLC board
(2) Reduction in module size by eliminating the need for an IC mounting board
(3) Reduction of the number of wire bondings between the PLC board and the electronic circuit board
(4) Simplification of inspection process
[0057]
Hereinafter, it demonstrates in order.
(1) Reduction of the area of electrical wiring in the PLC board
In the conventional example as shown in FIG. 9, since it is necessary to route all the heater driving gold wirings to the electrode pads on the substrate end, the area of the electrical wiring portion is increased by the amount of routing, and the entire substrate is enlarged. On the other hand, in the present embodiment shown in FIG. 1, the driving IC gates are mounted on the Si substrate and grouped, so that 255 heater wirings are routed to the driving ICs arranged in the immediate vicinity ( Short distance), the area of the electrical wiring on the PLC substrate is greatly reduced.
[0058]
This reduction in wiring area is estimated quantitatively. Ta2For example, a maximum current of 60 mA needs to flow through the N film heater. For this purpose, it is desirable that the gold wiring has a width of about 50 [mu] m in consideration of patterning into an optical waveguide substrate that is more difficult to manufacture than a Si substrate having a warp rate. The gap between wirings must be 50 μm. If the area required for the electric wiring development is estimated under these conditions, the total wiring width of 256 wirings is 25.6 mm. As a typical example, if the wiring length from each heater to the heater driving IC is 15 mm on average and the wiring length when the heater driving gold wiring is routed to the end of the substrate without using the heater driving IC is 60 mm on average, The area of the electrical wiring part on the switch side is 1/4.
[0059]
Since this reduction in the area of the electrical wiring is independent of the effects (2) and (3) above, the layout of the IC should be such that the area of the electrical wiring is minimized or the wiring is minimized. The heater driving IC 109 may be arranged on the optical waveguide substrate so as to achieve this.
[0060]
1 and FIG. 9 are schematic diagrams, and the detailed electrical wiring layout is too fine to describe, but the area of the optical waveguide substrate of the conventional 1 × 128 optical switch shown in FIG. 9 is 57 mm × 60 mm. Therefore, as described above, the downsizing of the PLC substrate is limited by the electric wiring portion. On the other hand, in the present embodiment, the area of the electric wiring portion can be reduced to ¼, whereby the PLC substrate can be reduced to 30 mm × 60 mm.
[0061]
(2) Reduction in module size by eliminating the need for an IC mounting board
As a matter of course, since the heater driving IC is mounted on the PLC board, the module size is reduced only in the IC mounting board portion.
[0062]
(3) Reduction of the number of wire bondings between the PLC board and the electronic circuit board
In this embodiment, since the heater driving IC is mounted on the PLC substrate, the number of wire bondings between the substrates can be greatly reduced. In this example, the number of wires between the substrates is about 510 in the conventional example, but in this embodiment, 3 signal lines and 17 other power lines are added to drastically reduce to 20 in total. To do. With this number of about 20, the wire connection between the substrates spreads over a width of several tens mm or more unlike the conventional example, and there is no concern about reliability. In the present embodiment, the area for wire bonding is reduced to a width of 2.8 mm, or it is possible to connect them individually with a cable or the like without using a wire, so there is no problem with wire bonding.
[0063]
(4) Simplification of inspection process
Further, also in the present embodiment, in the process of actually producing a module, there is a process of inspecting whether or not a product having a desired characteristic is formed by driving an electric prober from the outside at the stage of the PLC board. It is essential. In the conventional example, it is necessary to simultaneously contact the 510 electrode pads with the electric prober. Therefore, a special and expensive electric prober and a aligning device capable of contacting the electric prober with high parallelism are required. On the other hand, in the present embodiment shown in FIG. 1, the number of electrode pads to be contacted is greatly reduced to 14, so that an inexpensive electric prober can be easily in contact with the electrode pads and inspected. The cost and working time of necessary members and devices can be greatly reduced.
[0064]
To summarize the above description, in this embodiment, the IC for driving the optical switch is directly mounted on the PLC substrate with a bare chip, so that the routing of the electric wiring part is greatly reduced, the PLC substrate is downsized, and the space between the substrates is reduced. The number of gold wires can be greatly reduced from 256 to 14 and the yield reliability can be improved. Further, in the present embodiment, the module size can be further reduced by the amount that the driving IC mounting substrate becomes unnecessary. In addition, the prober and apparatus required for the inspection process are simplified, and cost reduction and work time can be reduced.
[0065]
Further, not only one large-scale switch as shown in FIG. 1, but also an 8 × 2 optical switch array used in, for example, an optical add / drop multiplexer / demultiplexer is integrated on the same PLC substrate. Even if the present invention is applied, the same effect as described above can be obtained. FIG. 3 shows an example of the configuration. In FIG. 3, the electrical wiring between the basic optical switch 103 and the IC 109 is omitted for simplification of the drawing.
[0066]
Also, the same effects as described above can be obtained by applying the present invention to the variable optical attenuator, its array module, dispersion compensation circuit, and gain equalization circuit.
[0067]
Further, the present invention can be similarly applied to an optical switch using an optical circuit other than the PLC substrate, and it goes without saying that the same effect as that of the PLC substrate can be obtained. For example, LiNbO3Even in an optical switch using an (LN) optical waveguide, by applying the present invention, it is possible to obtain the same effect as in the case of a PLC substrate.
[0068]
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of a 4 × 4 optical matrix switch according to the second embodiment of the present invention. In the 4 × 4 optical matrix switch 401, four input waveguides 407 and four output waveguides 409 intersect at 16 points in a lattice shape, and a double-type optical crosspoint switch 411 is provided at each of the intersections. It has been placed.
[0069]
FIG. 5 shows an enlarged view of the double type optical cross point switch 411. An intra-unit waveguide 421 is connected between the 1 × 2 optical switch 415 and the 2 × 1 optical switch 416 constituting the double type optical crosspoint switch 411. As shown in FIG. 4, four drive signal feed lines 403 in the vertical direction respectively connect the 1 × 2 optical switch 415 and the shared drive (power supply) circuit for the 1 × 2 optical switch in each line. . Also, four drive signal power supply lines 405 in the horizontal direction connect between the 2 × 1 optical switch 416 and the shared drive (power supply) circuit for the 2 × 1 optical switch, respectively.
[0070]
Specific configurations of the double type optical cross point switch 411 and the electric control circuit are shown in FIG. In the figure, 401 is an optical matrix chip, 411 is a dual optical switch unit, 601 is a shared drive (analog power) circuit for the 1 × 2 optical switch, and 602 is a shared drive (analog) for the 2 × 1 optical switch. A power supply circuit 603 is an electric digital switch.
[0071]
As the 1 × 2 optical switch 415 and the 2 × 1 optical switch 416 constituting the double type optical crosspoint switch 411, MZI optical switches provided with a half-wavelength optical path length difference are used as in the prior art. In each MZI optical switch, electrical wiring is connected to thermo-optic heaters 617 and 618 on an arm waveguide having a short optical path length. An electrical digital switch 603 is connected to one of the electrical wirings, and drive power supplies (drive circuits) 601 and 602 capable of analog output are connected to the other. The electric digital switch 603 uses an IC in which a large number of transistor circuits are integrated, and performs a conduction / cut-off (ON / OFF) operation in response to a TTL level input.
[0072]
As shown in FIG. 4 and FIG.
(1) The analog drive circuit is shared for each output waveguide for the 1 × 2 optical switch, and shared for each input waveguide for the 2 × 1 optical switch, and
(2) The heater driving IC is mounted on the PLC substrate as a bare chip.
[0073]
Next, this will be described.
With reference to FIGS. 4 and 5, the sharing of the analog drive circuit (1) will be described first. Four optical crosspoint switches SW in the shared drive circuit 1ax, 1; 1 × 2 optical switches with x = 1 to 4 are connected in parallel, and SW is similarly switched to 2a to 3ax, 2~ SWx, 4Are connected in parallel. The shared drive circuit 1b includes four optical crosspoint switches SW.1, y; 2 × 1 optical switches with y = 1 to 4 are connected in parallel, and similarly SW to 2b to 3b2, y~ SW4, yAre connected in parallel.
[0074]
Thereby, the number of drive circuits can be reduced from 16 at the time of individual connection to 8. In addition, since the wiring to the drive circuit is partially shared for each shared drive circuit, the wiring area is reduced and the electrical connection terminals from the switch chip are also reduced.
[0075]
Further, (2) the heater driving IC 109 is mounted on the PLC substrate with a bare chip, which is different from the conventional example. The mounting form is as described in FIG. In FIG. 4, the IC bare chip 109 and 32 MZI circuits each are connected by heater driving wirings, and the MZI circuit is turned on / off as the electric digital switch 603. Also in the N × N matrix switch, the same effects as described in detail in the items (1) to (4) in the first embodiment are produced as in the first embodiment. For example, there are 32 electrical digital switches 603 corresponding to 32 optical crosspoints, but the distance between the heaters 618 to IC109 is integrated into 3 in the IC, so the area of the electrical wiring section is reduced. The number of wires between the substrates is also reduced. Although the 4 × 4 matrix switch has been described here, such a reduction effect becomes more significant as the scale of the optical matrix switch chip is larger.
[0076]
For the two 3 dB couplers (see 1003 and 1007 in FIG. 10) in the MZI optical switch this time, directional couplers having two waveguides close to several μm were used. This is because the directional coupler has a lower insertion loss than other means. However, the 3 dB coupler is not limited to this configuration, and is configured by other means, for example, a multimode interferometer (MZI) coupler using a multimode waveguide or a plurality of these couplers connected in cascade. Of course, a wavelength independent coupler (WINC) may be used.
[0077]
    (Third embodiment)
  FIG. 7 illustrates a transmission module including a variable optical attenuator using an MZI circuit formed on a quartz-based PLC substrate as a third embodiment of the present invention. In this transmission module, a plurality of LD elements 701 for WDM signals are arranged on the left side of FIG.1~ ΛNMach-Zehnder type using an MZI circuit made of silica-based PLC that is connected to the output side of the LD element 701 via an optical fiber 703.Variable lightThe array module of the attenuator 707 is formed on the PLC substrate 705, and theVariable lightThere is a PLC substrate including an arrayed waveguide grating (AWG) 717 connected to the output side of the attenuator 707 via an optical fiber 715 (optical waveguides such as AWG are omitted and not shown).
[0078]
In the MZI circuit, an IC 709 for driving the variable optical attenuator 707 is mounted on the same substrate with a bare chip. Here, 711 is a gold wiring for driving the heater, and 713 is a gold wiring for driving the IC. This variable optical attenuator 707 is obtained by operating the above-described MZI circuit (Mach-Zehnder interference type optical switch) of FIG. 10 with an analog continuous current. However, the driving IC 709 controls not only the mere gate SW (switch) but also the amount of current that flows to the variable optical attenuator 707, and the analog amount of current is determined by a separate control signal that digitizes the amount of current to flow. I have control. The IC used for this control may be a single IC or a combination of a plurality of ICs as long as the variable optical attenuator 707 can be analog-controlled as a result. Also in the PLC substrate 705 including such a variable optical attenuator 707, the electrical wiring on the substrate is integrated into an IC mounted in the same manner as in the first embodiment, and in the first embodiment (1 ) To (4) have the same effects as listed.
[0079]
In the present embodiment, a variable optical attenuator using a silica-based PLC has been described as an example. However, the present invention can be similarly applied to optical waveguide circuits made of other materials. Of course, the type of optical circuit is not MZI, but it is of course possible to use, for example, a Y branch.
[0080]
(Fourth embodiment)
FIG. 8 shows, as a fourth embodiment of the present invention, a PLC-LN type optical switch manufactured by end-bonding a PLC substrate and an LN optical waveguide substrate, from an optical signal having multiple wavelengths. The wavelength selector which selects arbitrary wavelengths is illustrated. In FIG. 8, 801 is a first PLC substrate including an arrayed waveguide grating, and 803 is a second LiNbO.3The (LN) substrate 805 is a third PLC substrate including an arrayed waveguide grating, and these three substrates are end-face bonded in this order by a bonding means such as an adhesive. Reference numeral 809 denotes a driving IC mounted on the second LN substrate 803, and 811 denotes LiNbO formed on the LN substrate 803.3An optical waveguide, 813 is a heater driving gold wiring, and 815 is an IC control gold wiring.
[0081]
In this embodiment, an arrayed waveguide grating (AWG) is used for the PLC substrates 801 and 805 (optical waveguides such as AWG are omitted and not shown), and the MZI circuit 807 includes a coupler and an LN substrate on the PLC substrate 801. And an LN optical waveguide 811 on 803. Then, the phase change corresponding to the half wavelength necessary for the optical switch operation is given by the electro-optic effect due to the voltage applied to the heater on the LN optical waveguide 811. In this example, the MZI optical switch is used as an ON / OFF type optical gate switch.
[0082]
An N wavelength WDM signal (wavelength; λ) input from the optical input port on the left side of FIG.1, Λ2, Λ3, ... λN) Is divided into each wavelength by the AWG on the first PLC substrate 801. Subsequently, each desired wavelength is selected by a gate switch by the MZI circuit 807 on the second substrate 803 at the center. Subsequently, the selected one or more wavelengths are multiplexed again by the output AWG on the third PLC substrate 805. As described above, the PLC-LN type optical switch according to the present embodiment functions as a wavelength selector that selects an arbitrary wavelength from the multi-wavelength optical signal. In FIG. 8, as an example, the wavelength λ2An example of selecting only the optical signal is given.
[0083]
As in this embodiment, by combining a quartz PLC substrate with an optical waveguide circuit of another material, a menu of abundant optical circuits such as AWG realized by the PLC substrate can be used. Since the curvature radius of a certain optical waveguide is smaller in the PLC, there is an advantage that a highly functional circuit can be manufactured in a small size. As an optical switch, when LN is used, there is an advantage that high-speed optical switching can be realized with low power consumption.
[0084]
Even in a circuit including an optical switch in which such a PLC-LN substrate is combined, by mounting the IC directly on the optical circuit substrate, the same as described in (1) to (4) of the first embodiment. There is an effect.
[0085]
In the present embodiment, an example of the wavelength selector has been described, but the same effect can be obtained with other optical circuits. For example, a tree-like optical switch similar to that shown in FIG. 1, for example, a 1 × 8 optical switch can be configured using the structure of the present embodiment. In the 1 × 8 optical switch in that case, the same effects as described in (1) to (4) of the first embodiment can be obtained.
[0086]
(Other embodiments)
As mentioned above, although several preferable embodiment of this invention was illustrated, this invention is not limited to these embodiment, if it is in the range described in each claim of the claim, these embodiment Such modifications, replacement with other elements having equivalent functions, simple design changes such as dimensions and number, etc. are all included in the embodiments of the present invention.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in an optical circuit such as an optical switch, the size of the electric wiring portion on the optical waveguide substrate is reduced by sharing, so that the substrate itself is also reduced in size for driving or control. IC mounting board for driving optical switches and optical variable attenuators by significantly reducing the number of gold wires between boards where reliability is a concern by mounting the IC on the optical waveguide board with bare chips Is eliminated, and the module size can be reduced.
[0088]
Furthermore, according to the present invention, the number of electrode terminals (electrode pads) of the prober used for evaluating the characteristics of the optical waveguide substrate as an inspection process in the production of an optical circuit is greatly reduced, and the evaluation work is simplified. There is also an effect that the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a 1 × 128 PLC thermo-optic switch mounted with an IC bare chip according to a first embodiment of the present invention.
2 is an enlarged view showing details of a mounting portion of the IC bare chip of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view showing a configuration in which an IC bare chip is mounted on 8 arrays of 2 × 2 optical switches in a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view showing a configuration in which an IC bare chip is mounted on a PLC chip of a 4 × 4 matrix optical switch according to a second embodiment of the present invention.
5 is an enlarged view of the dual optical switch of FIG. 4 constituting an optical matrix switch that can be completely individually driven with a small number of drive circuits.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a specific circuit configuration in a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic plan view illustrating a configuration of a transmission module including a variable optical attenuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic plan view illustrating a configuration of a wavelength selector according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view showing a configuration of a conventional 1 × 128 PLC thermo-optic switch.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing the configuration of the Mach-Zehnder interferometer type optical switch of FIG. 9, wherein FIG. 10A is a plan view, FIG. It is sectional drawing which follows a section line.
11 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the electric drive circuit of FIG. 9. FIG.
FIG. 12 is a schematic plan view showing a configuration example of a 1 × N optical switch that is a basic configuration of an embodiment of the present invention and in which a drive circuit is markedly shared.
13 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a heater driving circuit of the 1 × N optical switch of FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of an electric circuit including a driving digital IC, which is a basic configuration of the embodiment of the present invention.
15 is a time chart showing the timing of heater control signals applied to the heater array of FIG.
[Explanation of symbols]
  101 1 × 128 PLC thermo-optic switch (1 × 128 optical switch)
  103 1 × 2 basic optical switch
  104 Optical waveguide
  105 Gate optical switch
  107 Gold wiring for heater drive
  109 Basic switch drive IC (bare chip)
  111 Control signal gold wiring (gold thin film wiring)
  113 electrode pad
  115 gold wire
  117 electrode pad
  119 Drive signal feed line (feed line for drive power supply circuit)
  201, 202 electrode pad
  203, 204 electrode pads
  205,206 Gold wire
  401 4 × 4 optical matrix switch (optical matrix chip)
  403 Drive signal feed line
  405 Drive signal feeder
  407 Input waveguide
  409 Output waveguide
  411 Double optical cross point switch (double optical switch unit)
  415 1 × 2 optical switch
  416 2 × 1 optical switch
  421 In-unit waveguide
  601 Shared drive (analog power supply) circuit for 1 × 2 optical switch
  602 2x1 optical switch shared drive (analog power supply) circuit
  603 Electric digital switch
  701 LD element for WDM signal
  703 optical fiber
  705 PLC board
  707 Mach-Zehnder type made of quartz PLCVariable lightAttenuator
  709 IC for driving variable optical attenuator
  711 Gold wiring for heater drive
  713 Gold wiring for IC drive
  717 Arrayed Waveguide Grating (AWG)
  801 first PLC substrate including array waveguide grating
  803 Second LiNbO3(LN) substrate
  805 Third PLC substrate including array waveguide grating
  807 Mach-Zehnder type circuit
  809 Driving IC mounted on the second LN substrate 803
  811 LiNbO formed on LN substrate 8033Optical waveguide
  813 Heater drive gold wiring
  815 Gold wiring for IC control
  901 1 × 128 optical switch
  903 1 × 2 optical switch
  905 Gate optical switch
  907 Drive signal feed line
  909, 923 Heater driving gold wiring
  911 electrode pad
  913 gold wire
  915 electrode pad
  921 IC mounting board for driving optical switch
  923 IC control gold wiring
  925 IC module for driving (package)
  1001 Arm waveguide
  1003, 1009 3 dB coupler
  1005 Wiring
  1007 Thermo-optic phase shifter (thin film heater)
  1011 Core pattern
  1013 Clad layer
  1015 Substrate such as silicon wafer
  1101 Drive analog power supply circuit (unshared)
  1103 Electric digital switch
  1105 Electrical connection terminal
  1107 Heater
  1201 Drive signal feed line
  1301 Shared drive analog power supply circuit
  1403 Heater array on PLC substrate

Claims (2)

光スイッチと該光スイッチに屈折率変化を与えて出力特性を変動させるための複数個の駆動用の電子回路とにより構成された光モジュールにおいて、
前記駆動用の電子回路が前記光スイッチと共に前記光スイッチの基板上に実装され、
前記光スイッチは、前記光スイッチの基板上に作製される1本の入力導波路と、N本( Nは3以上の整数)の出力導波路と、該入力導波路と該出力導波路とを接続する複数の1×2光スイッチとから構成され、光を透過、遮断、あるいは光強度を可変可能なゲート光スイッチが該出力導波路に設けられている1×N光スイッチであって、
前記1×2光スイッチは前記駆動用の電子回路で制御される電気信号レベルにより連続的に経路が切り替わるアナログ光スイッチであり、
該アナログ光スイッチは前記駆動用の電子回路からの前記電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、
前記駆動用の電子回路は、前記駆動用の電子回路の個数が前記1×2光スイッチの個数よりも少なくなるように前記駆動用の電子回路が複数の前記1×2光スイッチで共有され、前記1×N光スイッチがスイッチ動作を行う時に各段の内1つの前記1×2光スイッチのみを駆動し、
アナログ駆動電源から前記1×N光スイッチに接続する配線は、前記光スイッチの基板上で前記1×N光スイッチの各段ごとにそれぞれ1本に集約されて共有されており、
前記電気デジタルスイッチは電子集積回路製造工程により集積されていることを特徴とする光モジュール。
In the optical module configured by an electronic circuit of a plurality of drive for varying the output characteristics given refractive index change in the optical switch and the optical switch,
The electronic circuit for driving is mounted on the substrate of the optical switch together with the optical switch ,
The optical switch includes one input waveguide formed on a substrate of the optical switch and N ( N is an integer of 3 or more) and a plurality of 1 × 2 optical switches that connect the input waveguide and the output waveguide, allowing light to be transmitted, blocked, or variable in light intensity A 1 × N optical switch in which a gate optical switch is provided in the output waveguide,
The 1 × 2 optical switch is an analog optical switch whose path is continuously switched by an electric signal level controlled by the driving electronic circuit,
The analog optical switch includes an electric digital switch for cutting off the electric signal level from the driving electronic circuit,
The driving electronic circuit is shared by the plurality of 1 × 2 optical switches such that the number of the driving electronic circuits is smaller than the number of the 1 × 2 optical switches, When the 1 × N optical switch performs a switch operation, only one 1 × 2 optical switch of each stage is driven,
Wirings connecting from the analog drive power source to the 1 × N optical switch are aggregated and shared for each stage of the 1 × N optical switch on the optical switch substrate,
The optical digital switch is integrated by an electronic integrated circuit manufacturing process .
光スイッチと該光スイッチに屈折率変化を与えて出力特性を変動させるための複数個の駆動用の電子回路とにより構成された光モジュールにおいて、
前記駆動用の電子回路が前記光スイッチと共に前記光スイッチの基板上に実装され、
前記光スイッチは、前記光スイッチの基板上に作製されるM本( Mは2以上の整数)の入力導波路とN本( Nは2以上の整数) の出力導波路とM × 個の光クロスポイントスイッチからなり、( 番の該光クロスポイントスイッチはm番目の前記入力導波路とn番目の前記出力導波路を接続する光クロスポイントスイッチ( ここで、1 N) であり、 前記光クロスポイントスイッチは1×2光スイッチと2×1光スイッチと光クロスポイントスイッチユニット内導波路から構成される二重型光スイッチであり、
前記1×2光スイッチおよび前記2×1光スイッチは前記駆動用の電子回路で制御される電気信号レベルにより連続的に経路が切り替わるアナログ光スイッチであり、
該アナログ光スイッチは前記駆動用の電子回路からの電気信号レベルを遮断する電気デジタルスイッチを備え、
前記駆動回路用の電子回路は、前記駆動回路用の電子回路の個数が前記二重型光スイッチの個数よりも少なくなるように前記駆動用の電子回路が複数の前記二重型光スイッチで共有され、前記光クロスポイントスイッチがスイッチ動作を行う時に前記入力導波路ごとにグループ化された前記二重型光スイッチの内の1つのみを駆動し、
アナログ駆動電源から前記二重型光スイッチに接続する配線は、前記グループ化された二重型光スイッチを構成している1×2光スイッチ群と2×1光スイッチ群と2つに分けそれぞれ別々に前記光スイッチの基板上で1本に集約されて共有されていることを特徴とする光モジュール。
In the optical module configured by an electronic circuit of a plurality of drive for varying the output characteristics given refractive index change in the optical switch and the optical switch,
The electronic circuit for driving is mounted on the substrate of the optical switch together with the optical switch ,
The optical switch includes M (on the substrate of the optical switch) M is an integer of 2 or more) input waveguides and N ( N is an integer of 2 or more) Output waveguide and M × N Consisting of 1 optical crosspoint switch ( m , n ) The optical crosspoint switch of No. is an optical crosspoint switch that connects the mth input waveguide and the nth output waveguide ( Where 1 m M , 1 n N) The optical cross point switch is a double optical switch composed of a 1 × 2 optical switch, a 2 × 1 optical switch, and an optical cross point switch unit waveguide,
The 1 × 2 optical switch and the 2 × 1 optical switch are analog optical switches whose paths are continuously switched according to an electric signal level controlled by the driving electronic circuit,
The analog optical switch includes an electric digital switch for cutting off an electric signal level from the driving electronic circuit,
The electronic circuit for the driving circuit is shared by the plurality of the dual optical switches so that the number of electronic circuits for the driving circuit is smaller than the number of the dual optical switches, Driving only one of the dual optical switches grouped for each of the input waveguides when the optical crosspoint switch performs a switch operation;
The wiring connecting the analog drive power source to the duplex optical switch is divided into two 1 × 2 optical switch groups and 2 × 1 optical switch groups constituting the grouped dual optical switches, and each is separately provided. An optical module, wherein the optical modules are aggregated and shared on a substrate of the optical switch .
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