(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ独立した導波路型光スイッチを少なくとも２段に縦続して接続した導波路型光スイッチ回路において、
前記導波路型光スイッチは、所望の光路長差を設けた２本のアーム導波路を有するマッハツェンダー干渉計であり、少なくとも一方のアーム導波路に移相器を備えた干渉計型光スイッチであって、
初段を除く各段の前記導波路型光スイッチの入力には、その前段の１導波路型光スイッチからの出力のうち１出力のみが接続され、
初段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の入力の一つとし、
最終段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の出力の一つとし、
前記導波路型光スイッチ回路内の少なくとも一つの前記導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路と、前記導波路型光スイッチ回路内の他の前記導波路型光スイッチの少なくとも一つの導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路とが、それぞれの前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対側に配置されており、
前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチの数と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチの数との差が０または１であることを特徴とする導波路型光スイッチ回路。
【請求項２】
前記一方の導波路型光スイッチと、前記もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチが、交互に接続されて構成されることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項３】
前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が２段であり、
前段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の入力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の出力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうちもう一方を、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方に接続し、
後段の前記導波路型光スイッチの入力のうちもう一方の入力を前記導波路型光スイッチ回路の第２の入力とし、
後段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第２の出力とすることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項４】
前記第１の入力および前記第１の出力と、前記第２の入力および前記第２の出力とが、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項５】
前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が２段であり、
前段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第２の入力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の出力とし、
前段の前記導波路型光スイッチの出力のうちもう一方を、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方に接続し、
後段の前記導波路型光スイッチの入力のうちもう一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の入力とし、
後段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第２の出力とし、
前記第１の入力と後段の前記導波路型光スイッチの前記もう一方の入力を接続する導波路と、前記第１の出力と前段の前記導波路型光スイッチの前記一方の出力を接続する導波路と、が交差していることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項６】
前記第１の入力および前記第１の出力と、前記第２の入力および前記第２の出力とが、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、共に同じ側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項７】
前記導波路型光スイッチは、実効屈折率の平均的な面内分布に基づいて前記光路長差の値が補正されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項８】
前記導波路型光スイッチの全てに設けられた前記光路長差が前記所望の設計値よりも短く設定されるか、または長く設定されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項９】
前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチに設けられた前記光路長差と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチに設けられる前記光路長差について、
前記光路長差の一方が前記所望の設計値よりも短く設定され、かつ前記光路長差の他方が前記所望の設計値よりも長く設定されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項１０】
請求項４に記載の導波路型光スイッチ回路を単位光スイッチとしてＮ段（Ｎは２以上の整数）縦続接続して１入力Ｎ出力の光スイッチ回路を構成する導波路型光スイッチ回路であって、
１段目以外の各段の前記単位光スイッチの前記第１の入力が、当該単位光スイッチの１段前の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続され、
１段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、前記１入力Ｎ出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、
Ｎ段ある前記各単位光スイッチにおける前記第２の出力を、前記１入力Ｎ出力の光スイッチ回路の出力ポートとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路。
【請求項１１】
請求項４に記載の導波路型光スイッチ回路を単位光スイッチとしてＮ段（Ｎは２以上の整数）縦続接続してＮ入力１出力の光スイッチ回路を構成する導光波路型光スイッチ回路であって、
Ｎ段目以外の各段の前記単位光スイッチの前記第２の出力が、当該単位光スイッチの１段後の前記単位光スイッチの前記第２の入力に接続され、
Ｎ段ある前記各単位光スイッチにおける前記第１の入力を、前記Ｎ入力１出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、
Ｎ段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力を、前記Ｎ入力１出力の光スイッチ回路の出力ポートとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路。
【請求項１２】
請求項６に記載の導波路型光スイッチ回路を単位スイッチとしてＮ（Ｎは２以上の整数）段接続し、当該Ｎ段接続された導波路型光スイッチ回路を、更にＮ個並列に配列してＮ入力Ｎ出力の光スイッチ回路を構成する導光波路型光スイッチ回路であって、
ｉおよびｊを、１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｊ≦Ｎを満たす整数とするとき、
ｉ＋ｊが偶数である場合の、ｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの、前記第１及び第２の入力と、前記第１及び第２の出力との配置関係と、ｉ＋ｊが奇数である場合の、ｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの、前記第１及び第２の入力と、前記第１及び第２の出力との配置関係と、が前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対の方向に配置され、
１段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、前記Ｎ入力Ｎ出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、
Ｎ段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力を、前記Ｎ入力Ｎ出力の光スイッチ回路の出力ポートとし、
１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉが１でないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、（ｉ−１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉが１であるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉがＮでないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、（ｉ＋１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉがＮであるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉが１でないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、（ｉ−１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉが１であるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉがＮでないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、（ｉ＋１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続し、
１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉがＮであるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続することを特徴とする導波路型光スイッチ回路。
【請求項１３】
前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が２段であり、当該２段縦続接続の導波路型光スイッチを２並列に配列して、前記導波路型光スイッチが２列２段に集積してなる２入力２出力の光スイッチ回路を構成し、
１列１段目の前記導波路型光スイッチの入力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第１の入力とし、
２列１段目の前記導波路型光スイッチの入力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第２の入力とし、
１列２段目の前記導波路型光スイッチの出力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第１の出力とし、
２列２段目の前記導波路型光スイッチの出力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第２の出力とし、
１列１段目の前記導波路型光スイッチの一方の出力を、１列２段目の前記導波路型光スイッチの一方の入力に接続し、
２列１段目の前記導波路型光スイッチの一方の出力を、２列２段目の前記導波路型光スイッチの一方の入力に接続し、
１列１段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の出力を、２列２段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の入力に接続し、
２列１段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の出力を、１列２段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の入力に接続していることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光スイッチ回路。
【請求項１４】
前記単位光スイッチの前段の導波路型光スイッチの光路が長い方のアーム導波路がレイアウトされている方向が、前記単位光スイッチの奇数列目と偶数列目で入れ替わって配置されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか1項に記載の導波路型光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光干渉計回路に係り、より詳細には導波路を使用する光干渉計を接続し光スイッチ、合分波器等を実現する導波路型光干渉計回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の通信網では、光スイッチ／合分波器などの各種光部品が使用されている。光スイッチは、通信障害時や需要に応じて柔軟に経路を切り替えるために使用される。合分波器は、一本の光ファイバーに多数のチャンネルを波長多重／分離するために使用され、現在の大容量光通信を支えている。これら光部品を実現する手段には各種の方法があるが、導波路を使用した方法は、小型集積が可能であり、可動部分を持たずに構造的に安定なため信頼性に優れ、またリソグラフィー技術により量産性に優れる、という多くの特徴を有している。
【０００３】
図１に、導波路を使用した光スイッチ１００の構成例を示す。光スイッチ１００は、２個の５０％方向性結合器１０１，１０２とこれを連結する短アーム側導波路１０３と、長アーム側導波路１０４の２本のアーム導波路からなるマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を基本構成とし、少なくとも一方（図では短アーム側導波路１０３側）の連結導波路には導波路の屈折率を変化させることで導波光の位相を変化させる移相器１０５が装備されている。この場合、長アーム側導波路１０４側に移相器１０６を装備してもよく、２本の連結導波路１０３，１０４の長さは、通常、等長若しくは動作波長λ０の半波長分の光路長
差のいずれかで設計される。図１では、後述の実施例との整合性を考えて、半波長分の導波路長差ΔＬ（＝λ０／２ｎeff；  ｎeff：導波路の実効屈折率）としている（図では、上側が短アーム側導波路１０３、下側が長アーム側導波路１０４として半波長の光路長差を設けている）。入力１からの信号光は、公知の干渉原理により、移相器が未動作時（Ｏｆｆ時）に出力１（バー経路）へ導かれ、移相器において半波長分の移相量πを発生させて上記のΔＬを打ち消したとき（Ｏｎ時）に出力２（クロス経路）へ導かれる。移相器で発生させる移相量がＯｎ／Ｏｆｆの中間値を取る場合には、各経路の出力（すなわち透過
率）は、移相量に応じてアナログ的に変化する。
【０００４】
理論上、スイッチＯｎＯｆｆ比（Ｏｆｆ時とＯｎ時の透過率比）は無限大となるが、実際に、作製される光スイッチでは製造上の不完全性（位相誤差、偏光変換、散乱光など）に起因して、無限大にはならない。従って、実用に供される導波路型光スイッチでは、高いＯｎＯｆｆ比を得るために、多くの場合、スイッチ素子を２個従属接続した２重ＭＺＩ構成を使用している。
【０００５】
図２に、２重ＭＺＩ光スイッチの構成を示す（例えば、特許文献１／非特許文献１を参照する）。図２（ａ）は、主に１×Ｎ用またはＮ×１用の光スイッチ２００の構成を示し、図２（ｂ）は、主にＮ×Ｍ用の光スイッチ２１０の構成を示す。図２（ａ）および図２（ｂ）は、入出力のポートの位置関係が異なるだけで、入力ポートから出力ポートへの経路（Ｏｎ経路）で、短側導波路２０３，２１３と長側導波路２０４，２１４とをそれぞれ備える前段ＭＺＩスイッチ素子２０１，２１１と、短側導波路２０５，２１５と長側導波路２０６，２１６とをそれぞれ備える後段ＭＺＩスイッチ素子２０２，２１２との２段の
ＭＺＩスイッチ素子を通るという接続構成は同じである。本スイッチは、Ｏｎ経路においては、１段目素子からの漏れ光が２段目素子でも遮断されるため、単素子のスイッチと比較すると、デシベル表記で概ね２倍のＯｎＯｆｆ比が得られる。一方、Ｏｆｆ経路（入力からＴｈｒ出力への経路やＴｈｒ入力から出力への経路）では、ＭＺＩスイッチ素子は一段分しか通らないので、単素子のスイッチと同じＯｎＯｆｆ比となる。
【０００６】
これらの２重ＭＺＩ光スイッチは、図３に示すような大規模の光スイッチを構成するために、しばしば、基本素子として使用される。図３（ａ）に示すタップ型の１×Ｎスイッチ３００では、図２（ａ）に示す光スイッチ２００を１入力２出力スイッチ３０１として使用している。Ｎ×１スイッチも入出力を入れ替えた構成で同様に構成され、図２（ａ）に示すスイッチ素子を２入力１出力スイッチとして使用する。また、図３（ｂ）に示すＮ×Ｎスイッチ３１０では、図２（ｂ）に示す光スイッチ２１０を２入力２出力スイッチ３１１，３１２として使用している。２入力２出力スイッチ３１１，３１２は、図３（ｂ）
に示すように、互いに上下に反転して配置したものである。これらの大規模スイッチのクロストーク特性は、そこで使用される各スイッチ素子のＯｎ経路でのＯｎＯｆｆ比でほぼ決定される。２重ＭＺＩ光スイッチ素子は、前述のように特にＯｎ経路でのＯｎＯｆｆ比が優れるので、これらの大規模スイッチへの適用に非常に合致した構成の１つである。
【０００７】
次に、図４に導波路を使用した合分波器の構成例を示す。図４（ａ）は、単一の合分波器４００の構成を示し、図４（ｂ）は、２段接続した合分波器４１０の構成を示す。合分波器４００は、図１に示す光スイッチとほぼ同じＭＺＩ構成であるが、長側導波路４０１と短側導波路４０２の差である導波路長差ΔＬがスイッチと比べると大きい値が設定される。また、通常、スイッチのような動的な動作は無いので、移相器は省略されることが多い。入力１からの信号光は、公知の干渉原理により、周波数ｆｅ（＝ｍ・ｃ／（ｎeff・ΔＬ）；  ｃ：光速、ｍ：正の整数）の信号光は出力２へ、周波数ｆｏ（＝（ｍ−０.５）・ｃ／（ｎeff・ΔＬ））の信号光は出力１へ、分波される。また、入出力を逆にすれば、周波数ｆｅの信号光と周波数ｆｏの信号光を合波することができる。このように、図４（ａ）に示す合分波器４１０は、偶数チャンネルの光ｆｅと奇数チャンネルの光ｆｏを合分波できるのでインターリーブフィルタとも呼ばれる。
【０００８】
尚、物質の屈折率は、多くの場合、温度依存性すなわち熱光学効果を有する。前述の光スイッチの場合は、この効果を積極的に使用して移相器を実現したりするが、合分波器のように完全にパッシブの部品では、広い温度範囲で特性変動が無いほうが好ましいので、熱光学効果の無い材料を使用するか、又は、等価的に熱光学効果を打ち消す工夫をして温度無依存化を実現することがある。後者の具体例としては、導波路の実行屈率の温度変動ｄｎeff／ｄＴに対して、温度変動の符号が逆の特性である材料を導波路長差ΔＬが付加されている側の導波路に導入することで、光路長差の温度変動をキャンセルする方法がある。
【０００９】
さて、合分波器４００も製造上の不完全性により、出力２へｆｏの信号光が、出力１へｆｅの信号光がある程度漏れこみクロストークが発生してしまう。そこで、光スイッチの場合と同様に低クロストーク特性を得るために、図４（ｂ）に示す合分波器４１０のように、同一のＭＺＩを２段接続した構成を使用することもある。合分波器の場合は、出力１側も出力２側も特性を向上する必要があるため、２段目には出力１側経路／出力２側経路共に２段構成となるように、長側導波路４１４と短側導波路４１５を備える前段ＭＺＩ分波素子４１１と、長側導波路４１６，４１８と短側導波路４１７，４１９とをそれぞれ備える後段ＭＺＩ分波素子４１２，４１３との合計３素子のＭＺＩを接続している。
【００１０】
これらの干渉計光部品は、例えば、シリコン基板上に作製された石英系の導波路で実現される。また、光スイッチには、例えば、薄膜ヒータを使用した熱光学移相器が使用される。尚、製造方法としては、例えば、火炎堆積（ＦＨＤ）法等のガラス膜堆積技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の微細加工技術の組み合わせが使用されている。
【００１１】
具体的には、シリコン基板上に下部クラッド層となるガラス膜を堆積／透明化し、引き続き、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、光導波回路となるコアパターンを微細加工技術によりパターン化し、上部クラッド層となるガラス膜を堆積／透明化することにより埋め込み型の光導波路が得られる。最後に、上部クラッド表面に薄膜ヒータとなる金属を真空蒸着法等で堆積し、これを微細加工技術でパターン化し、熱光学移相器を装荷する。
【００１２】
【特許文献１】特許第３２５３００７号明細書（第１１図）
【非特許文献１】H.Takahashi, 他、"High Performance 8-arrayed 1x8 optical switch based on planar lightwave circuit for photonic networks"、ECOC2002、４.２.６（第１図及び第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このような導波路を使用した干渉計をベースとした光スイッチでは、製造上生じる導波路の光路長誤差すなわち位相誤差のために、２重ＭＺＩ構成を使用しているにも拘らず、しばしば仕様上要求されるＯｎＯｆｆ比が得られないという問題があった。同様の理由で合分波器においても、所望の低クロストーク特性が得られない、また、中心波長が所望の範囲の値に収まらないという問題があった。
【００１４】
本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製造誤差に強い導波路型光干渉計回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、それぞれ独立した導波路型光スイッチを少なくとも２段に縦続して接続した導波路型光スイッチ回路において、前記導波路型光スイッチは、所望の光路長差を設けた２本のアーム導波路を有するマッハツェンダー干渉計であり、少なくとも一方のアーム導波路に移相器を備えた干渉計型光スイッチであって、初段を除く各段の前記導波路型光スイッチの入力には、その前段の１導波路型光スイッチからの出力のうち１出力のみが接続され、初段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の入力の一つとし、最終段の前記導波路
型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の出力の一つとし、前記導波路型光スイッチ回路内の少なくとも一つの前記導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路と、前記導波路型光スイッチ回路内の他の前記導波路型光スイッチの少なくとも一つの導波路型光スイッチの光路の長い方のアーム導波路とが、それぞれの前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対側に配置されており、前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチの数と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチの数との差が０または１であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、前記一方の導波路型光スイッチと、前記もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチが、交互に接続されて構成されることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が２段であり、前段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の入力とし、前段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の出力とし、前段の前記導波路型光スイッチの出力のうちもう一方を、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方に接続し、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうちもう一方の入力を前記導波路型光スイッチ回路の第２の入力とし、後段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第２の出力とすることを特徴とする。また、請求項４に記載の発明は、前記第１の入力および前記第１の出力と、前記第２の入力および前記第２の出力とが、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明は、前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が２段であり、前段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第２の入力とし、前段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の出力とし、前段の前記導波路型光スイッチの出力のうちもう一方を、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうち一方に接続し、後段の前記導波路型光スイッチの入力のうちもう一方を前記導波路型光スイッチ回路の第１の入力とし、後段の前記導波路型光スイッチの出力のうち一方を前記導波路型光スイッチ回路の第２の出力とし、前記第１の入力と後段の前記導波路型光スイッチの前記もう一方の入力を接続する導波路と、前記第１の出力と前段の前記導波路型光スイッチの前記一方の出力を接続する導波路と、が交差していることを特徴とする。また、請求項６に記載の発明は、前記第１の入力および前記第１の出力と、前記第２の入力および前記第２の出力とが、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、共に同じ側に配置されていることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項７に記載の発明は、前記導波路型光スイッチは、実効屈折率の平均的な面内分布に基づいて前記光路長差の値が補正されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項８に記載の発明は、前記導波路型光スイッチの全てに設けられた前記光路長差が前記所望の設計値よりも短く設定されるか、または長く設定されることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明は、前記光路の長い方のアーム導波路が、前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、互いに反対側に配置されている前記導波路型光スイッチの内の一方の導波路型光スイッチに設けられた前記光路長差と、もう一方の光路の長い方のアーム導波路が反対の方向に配置された導波路型光スイッチに設けられる前記光路長差について、前記光路長差の一方が前記所望の設計値よりも短く設定され、かつ前記光路長差の他方が前記所望の設計値よりも長く設定されることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載の導波路型光スイッチ回路を単位光スイッチとしてＮ段（Ｎは２以上の整数）縦続接続して１入力Ｎ出力の光スイッチ回路を構成する導波路型光スイッチ回路であって、１段目以外の各段の前記単位光スイッチの前記第１の入力が、当該単位光スイッチの１段前の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続され、１段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、前記１入力Ｎ出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、Ｎ段ある前記各単位光スイッチにおける前記第２の出力を、前記１入力Ｎ出力の光スイッチ回路の出力ポートとすることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項４に記載の導波路型光スイッチ回路を単位光スイッチとしてＮ段（Ｎは２以上の整数）縦続接続してＮ入力１出力の光スイッチ回路を構成する導光波路型光スイッチ回路であって、Ｎ段目以外の各段の前記単位光スイッチの前記第２の出力が、当該単位光スイッチの１段後の前記単位光スイッチの前記第２の入力に接続され、Ｎ段ある前記各単位光スイッチにおける前記第１の入力を、前記Ｎ入力１出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、Ｎ段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力を、前記Ｎ入力１出力の光スイッチ回路の出力ポートとすることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項６に記載の導波路型光スイッチ回路を単位スイッチとしてＮ（Ｎは２以上の整数）段接続し、当該Ｎ段接続された導波路型光スイッチ回路を、更にＮ個並列に配列してＮ入力Ｎ出力の光スイッチ回路を構成する導光波路型光スイッチ回路であって、ｉおよびｊを、１≦ｉ≦Ｎ、１≦ｊ≦Ｎを満たす整数とするとき、ｉ＋ｊが偶数である場合の、ｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの、前記第１及び第２の入力と、前記第１及び第２の出力との配置関係と、ｉ＋ｊが奇数である場合の、ｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの、前記第１及び第２の入力と、前記第１及び第２の出力との配置関係と、が前記導波路型光スイッチの入力側から出力側に引かれた中心線に対し、反対の方向に配置され、１段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、前記Ｎ入力Ｎ出力の光スイッチ回路の入力ポートとし、Ｎ段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力を、前記Ｎ入力Ｎ出力の光スイッチ回路の出力ポートとし、１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉが１でないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、（ｉ−１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続し、１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉが１であるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、ｉ
列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続し、１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉがＮでないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、（ｉ＋１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、１段目以外のｉ＋ｊが偶数であり、且つｉがＮであるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉが１でないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、（ｉ−１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続
し、１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉが１であるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第２の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第１の出力に接続し、１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉがＮでないｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、（ｉ＋１）列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続し、１段目以外のｉ＋ｊが奇数であり、且つｉがＮであるｉ列ｊ段目の前記単位光スイッチの前記第１の入力を、ｉ列（ｊ−１）段目の前記単位光スイッチの前記第２の出力に接続することを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１３に記載の発明は、前記導波路型光スイッチの縦続接続段数が２段であり、当該２段縦続接続の導波路型光スイッチを２並列に配列して、前記導波路型光スイッチが２列２段に集積してなる２入力２出力の光スイッチ回路を構成し、１列１段目の前記導波路型光スイッチの入力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第１の入力とし、２列１段目の前記導波路型光スイッチの入力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第２の入力とし、１列２段目の前記導波路型光スイッチの出力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第１の出力とし、２列２段目の前記導波路型光スイッチの出力を、前記２入力２出力の光スイッチ回路の第２の出力とし、１列１段目の前記導波路型光スイッチの一方の出力を、１列２段目の前記導波路型光スイッチの一方の入力に接続し、２列１段目の前記導波路型光スイッチの一方の出力を、２列２段目の前記導波路型光スイッチの一方の入力に接続し、１列１段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の出力を、２列２段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の入力に接続し、２列１段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の出力を、１列２段目の前記導波路型光スイッチのもう一方の入力に接続していることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１４に記載の発明は、前記単位光スイッチの前段の導波路型光スイッチの光路が長い方のアーム導波路がレイアウトされている方向が、前記単位光スイッチの奇数列目と偶数列目で入れ替わって配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、各導波路型光干渉計の光路長差ΔＬが付加された導波路側を、各段で実質的に逆向きにレイアウトすることにより、等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対するＯｎＯｆｆ比や低クロストーク劣化の確率が小さく、又、方位依存誤差による位相誤差による波長シフトの影響が打ち消し合うため、製造誤差に強い導波路型光干渉計回路を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図５に、本発明の第１の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として２重ＭＺＩ光スイッチのレイアウト構成を示す。図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図２（ａ）および図２（ｂ）に対応しており、図５（ａ）は、主に１×Ｎ用またはＮ×１用の光スイッチ５００の構成を示し、図５（ｂ）は、主にＮ×Ｍ用の光スイッチ５１０の構成を示す。
本実施形態のレイアウト構成は、概ね従来構成と同じであるが、以下の点で構成が異なる。従来構成では、前段ＭＺＩスイッチ２０１，２１１と、後段ＭＺＩスイッチ２０２，２１２共に上側が短側導波路２０３，２１３，２０５，２１５で、下側が長側導波路２０４，２１４，２０６，２１６であり、前段／後段で短側導波路と長側導波路の上下配置関係が同方向で揃っていた。しかしながら、本実施形態では、前段ＭＺＩスイッチ５０１，５１１は、上側が短側導波路５０３，５１３で、下側が長側導波路５０４，５１４であり、後段ＭＺＩスイッチ５０２，５１２は上側が長側導波路５０６，５１６で下側が短側導波
路５０５，５１５であり、前段／後段で導波路が中心線に対して対称に配置されている点が異なっている。すなわち、前段ＭＺＩスイッチ５０１，５１１と後段ＭＺＩスイッチ５０２，５１２の長アーム／短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点が従来構成と大きく異なる。
【００３０】
図６に、本発明の第２の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として２重ＭＺＩ光スイッチのレイアウト構成を示す。図６（ａ）および図６（ｂ）に示す光スイッチ６００，６１０は、それぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）に示す光スイッチ５００，５１０にそれぞれ対応する。本実施形態のレイアウト構成は、短側導波路６０３，６１３と長側導波路６０４，６１４とをそれぞれ備える前段ＭＺＩスイッチ６０１，６１１と、短側導波路６０５，６１５と長側導波路６０６，６１６とをそれぞれ備える後段ＭＺＩスイッチ６０２，６１２が折り返された配置になっている点が第１の実施形態と異なっているが、前
段ＭＺＩスイッチ６０１，６１１と後段ＭＺＩスイッチ６０２，６１２の長アーム／短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点は第１の実施形態と同様である。
【００３１】
これらの本発明が、従来構成と比較して製造誤差に強い回路である理由について、以下に説明する。
導波路の光路長誤差すなわち位相誤差は、材料の屈折率変動、導波路コアサイズの変動、回路パターンの変形等による導波路の物理長そのものの変動等の製造上の様々な要因で発生する。この製造する回路の位相誤差を統計的に分析してみると、誤差は、全く無秩序に発生するのではなく、ある傾向を有する２つの誤差、等方性の誤差δφbaseと、非等方性の誤差δφdirと、傾向を有さない無秩序な誤差δφramの３種類に分類できることが、近年の実験検討により判明した。
【００３２】
１つ目の等方性の位相誤差δφbaseは、ウェハー全体、或いは素子が集積されているチップ内といった領域に限定した見た場合に、どの素子にも一様な値として発生する誤差であり、且つ、方位依存性を有さない。すなわち、あるウェハー、或いはあるチップを取り出したときに、その中に製作された素子のδφbaseは、全て同じ値となる。この誤差をもたらす製造上の要因としては、材料屈折率のずれや、コア膜厚ずれ／コア幅加工ずれ等により発生する実効屈折率の変動がある。実効屈折率の変動δｎeffは、光路長差の変動をもたらし、δφbase＝−２π・δｎeff・ΔＬ／λ０の位相誤差をもたらす。また、設計
波長λ０に対して実際の使用波長が異なる場合にも、一様な位相誤差が発生するので、等価的に等方性の位相誤差が発生する。例えば、図１に示した半波長分の導波路長差で設計されたＭＺＩスイッチの場合、波長ズレδλに対して、δφbase＝−π・（λ０／λ−１）≒π・δλ／λ０の位相誤差が発生する。尚、ΔＬ＝０の干渉計回路では、実効屈折率の変動δｎeffが発生しても、各導波路で誤差が等量となり各経路の差分として打ち消し合うため、等方性の位相誤差δφbaseは発生しない。
【００３３】
２つ目の非等方性の誤差δφdirは、方位依存性を有する位相誤差であり、ある特定の方位の導波路の光路長が常に長くなる誤差である。例えば、ウェハーのボトム側（オリフラ側）の導波路がトップ側の導波路よりも常に長くなるか、または、ウェハーの中心側の導波路が周囲側の導波路よりも常に長くなるといった類の誤差である。この誤差をもたらす製造上の要因としては、材料屈折率や、コア膜厚／コア幅加工等のウェハー面内分布による実効屈折率の面内分布などがある。この非等方性の誤差δφdirは、導波路の相対的な位置関係で発生する誤差であるため、ΔＬ＝０の干渉計回路でも発生する。
【００３４】
３つ目の無秩序な誤差δφramは、局所的な実効屈折率の揺らぎにより発生する文字通りランダムな誤差で、同一チップ内の近接した干渉計回路間や同一相対位置関係にある干渉計回路間でも無相関に発生する誤差である。
【００３５】
位相誤差δφは、上記のそれぞれの誤差の和として、δφ＝δφbase＋δφdir＋δφramとなるが、説明を簡単にするために、以降の説明では、δφram の項が十分小さいものとして無視する。
【００３６】
図１に示したＭＺＩ光スイッチ素子の位相誤差がδφ[rad]である場合、入力１から出力２への経路におけるＯｆｆ時の透過率Ｔoff[dB]は、以下に示す式（１）となる。なお、スイッチとしてのｏｆｆの動作は、移相器に電流ないしは電圧を印加しないときのもの
である。
【００３７】
【数１】
0005642132.tif 000002
【００３８】
また、上述の分布形状の起伏周期に比べて十分近接した干渉計回路では、前段ＭＺＩスイッチ素子の誤差δφbaseと後段ＭＺＩスイッチ素子の誤差δφbase、及び前段ＭＺＩスイッチ素子の誤差δφdirと後段ＭＺＩスイッチ素子の誤差δφdirは、それぞれほぼ同じ値になる。従って、図２に示した従来の２重ＭＺＩ光スイッチでは、短アーム／長アームの上下関係（方向関係）が同じになるので、前段ＭＺＩスイッチ素子、後段ＭＺＩスイッチ素子、共に位相誤差はδφ＝δφbase＋δφdirとなり、図２に示した従来の２重ＭＺＩ光スイッチの入力から出力までの経路におけるＯｆｆ時の透過率Ｔoff[dB]は、以下に示す式（２）となる。
【００３９】
【数２】
0005642132.tif 000003
【００４０】
一方、本発明の２重ＭＺＩ光スイッチでは、短アーム／長アームの上下関係（方向関係）が反転しているので、前段と後段で方位性位相誤差δφdirの符号が反転する。従って、前段ＭＺＩスイッチ素子の位相誤差がδφ＝δφbase＋δφdirである場合、後段ＭＺＩスイッチ素子の位相誤差は、δφ＝δφbase−δφdirとなり、図５や図６に示した本発明の２重ＭＺＩ光スイッチの入力から出力までの経路におけるＯｆｆ時の透過率Ｔoff[dB]は、以下に示す式（３）となる。
【００４１】
【数３】
0005642132.tif 000004
【００４２】
図７に、上記の式で計算した透過率の等方性位相誤差δφbase依存性を、方位性位相誤差δφdirをパラメーターにして示す。図７（ａ）は、従来技術の構成における結果を示し、図７（ｂ）は、本発明の構成における結果を示す。ＯｎＯｆｆ比[dB]（＝Ｔon−Ｔoff；  Ｔon：Ｏｎ時透過率[dB]で理論上は０ｄＢである）の仕様上の要求値が４０ｄＢ以上であった場合、すなわちＯｆｆ時透過率の要求値が−４０ｄＢ以下であった場合、従来技術の構成では、方位依存位相誤差δφdirが＋０.０６π[rad]生じると等方性位相誤差δφbaseの＋側の余裕が殆どなくなることになる。一方、本発明の構成では、同様の方位依存位相誤差が生じても、等方性位相誤差に対して＋側／−側共に０.０π[rad]以上の余裕があるため、等方性位相誤差と方位依存位相誤差が同時に発生してもＯｆｆ時透過率の要求値を満足する確率が従来技術の構成と比較して高い。
【００４３】
図８は、さらに詳細に各位相誤差δφbase、δφdirによるＯｎＯｆｆ比の特性低下を調べるために、図７をＯｎＯｆｆ比の等高線図として図示し直したものである。また、図７と同様に、図８（ａ）は、従来技術の構成における結果を示し、図８（ｂ）は、本発明の構成における結果を示す。各位相誤差δφbase、δφdirは、ほぼ独立事象であると考えられるので、各位相誤差の標準偏差σが０.０２π[rad]であるとすると、±３σである半径０.０６π[rad]の円の中に、ほぼ全てのケースが分布していることになる。図８（ｂ）に示す本発明の構成では、半径０.０６π[rad]の円内において４０ｄＢのＯｎＯｆｆ比が確保できているのと比較して、図８（ａ）の従来技術の構成では、一部分（ハッチングして図示している部分）において４０ｄＢのＯｎＯｆｆ比が確保できていないことが分かる。このように、本発明の構成は、従来技術の構成と比較して、等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対する特性低下の確率が小さく、製造誤差に強い構成であるといえる。
【００４４】
尚、動作波長をある程度広く保証する場合に発生する位相誤差（例えば、１４８０〜１６５０ｎｍ動作保証の場合、前述の計算式により、最大約±０.０６π[rad]の位相誤差が原理的に発生することが分かる）が等方性位相誤差の大半を占める場合は、図８の横軸は、この当方性位相誤差の範囲で確実に発生しうる事象になるので、上述の分布は、円ではなく四角（図中一点鎖線）に拡大して考える必要がある。図を見て分かるように、この場合には、図８（ａ）に示す従来構成では、４０ｄＢのＯｎＯｆｆ比が確保できていない領域が更に増加するのに対して、図８（ｂ）に示す本発明の構成では、拡大した領域においても所望のＯｎＯｆｆ比を確保できている。このように、動作波長領域の拡大という観点からも本発明の構成は有効な構成であることがわかる。
【００４５】
また、Ｏｎ時に移相器で発生させる移相量は、通常πであるが、位相誤差δφがある場合は、その分を加味したδφ＋πが透過率最大となる最適移相量となる。従って、従来構成では、前段／後段ＭＺＩスイッチ素子、共に最適移相量は、δφbase＋δφdir＋πとなり、各位相誤差に応じて最適移相量が変化する。これに対し、本発明の構成では、前段ＭＺＩスイッチ素子の最適移相量は、δφbase＋δφdir＋π、後段ＭＺＩスイッチ素子の最適移相量は、δφbase−δφdir＋πで、その平均値はδφbase＋πとなりδφdirの影響を受けないので、平均値における最適移相量の変動が少なくなるというメリットが発生する。
【００４６】
例えば、熱光学移相器を使用した場合、本発明の構成の光スイッチでは従来構成の光スイッチと比較して、移相器での消費電力の平均値変動が少なくなり、デバイスの放熱設計精度を向上させることが可能となる。また、デバイスの構成を簡易化するために前段／後段ＭＺＩスイッチの移相器の電気接続配線を直列接続や並列接続し共通駆動することがあるが、この際の最適駆動点は前段／後段ＭＺＩスイッチの平均値になるので、消費電力同様、本発明の構成の光スイッチでは、従来構成の光スイッチと比較して、駆動点の変動が少なくなり、定電圧源や定電流源といった駆動デバイスへの駆動範囲の要求を緩和できるというメリットもある。
【００４７】
尚、方位依存位相誤差をもたらす実効屈折率等の面内分布形状は、ウェハー毎に微妙に異なるが、同一回路を同一装置で作り込みをして作製した場合、概ね似た分布になることが多い、従って、平均的な分布形状を基にした設計補正を行うことで、ある程度、方位依存位相誤差の影響を低減することが可能である。このように、ある程度は設計で補正した上で、ウェハー毎に異なる面内分布や設計で補正し切れず残存した面内分布を、本発明の構成でその影響の低減を行うことにより、更に良好な特性を得ることができる。
【００４８】
次に、本願発明の第３の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として２重ＭＺＩ光スイッチの構成について説明する。基本的な構成は、第１の実施形態又は第２の実施形態と同じであり、前段ＭＺＩスイッチと後段ＭＺＩスイッチの長アーム／短アームの上下配置の相対関係が反転している構成であるが、これに加えて、半波長分の光路長差に僅かなオフセットを付加している。通常の構成では、半波長分の光路長差、すなわち位相差π、を設けてＭＺＩを構成するが、本実施形態ではこれに僅かなオフセット位相αを付加してＭＺＩを構成する。このとき透過率Ｔoff[dB]は、以下に示す式４となる。
【００４９】
【数４】
0005642132.tif 000005
【００５０】
例えば、α＝０.０４π[rad]とし、半波長分の導波路長差よりもΔＬを僅かに長くした場合、ＯｎＯｆｆ比の等高線図は、図９（ａ）のようになる。図９（ｂ）は、比較として再掲した第１および第２の実施形態における等高線図である。図９（ａ）は、図９（ｂ）と比較して、等高線図が右方向に＋０.０４π[rad]シフトしている。
【００５１】
従って、本実施形態は、誤差に以下のような傾向がある場合に特にメリットが得られる。方位依存位相誤差δφdirの標準偏差σ（δφdir）が等方性位相誤差δφbaseの標準偏差σ（δφbase）よりも大きく、例えば、σ（δφdir）＝０.０２２π[rad]、σ（δφbase）＝０.００８π[rad]である場合、ほぼ全てのケースが分布すると考えられる領域は、図９中の破線で示したように縦長の楕円の領域になる。図９（ａ）と図９（ｂ）を比較して分かるように、本実施形態では、４０ｄＢのＯｎＯｆｆ比が確保できるのに対し、第１および第２の実施形態では、一部分（ハッチングで図示している部分）において４０ｄ
ＢのＯｎＯｆｆ比が確保できていない。このように、本実施形態は、方位依存位相誤差によるバラツキ（標準偏差）が等方性位相誤差によるバラツキ（標準偏差）よりも大きい場合に有利な構成であるといえる。
【００５２】
尚、上記の説明では、ΔＬを長くしてαをプラス値としたが、ΔＬを短くしてマイナス値にした場合は、等高線図が左方向にシフトする点だけが異なる。従って、マイナス値の場合も上記同様の利点が得られる。
【００５３】
また、オフセット位相量αの値は、σ（δφdir）とσ（δφbase）の比と要求ＯｎＯｆｆ比により最適値が決定される。基本的には、要求ＯｎＯｆｆ比の等高線に、σ（δφdir）とσ（δφbase）の比を縦横比とする楕円が、大きさを適宜調整した上で、図９（ａ）に示すように３点で接するようなオフセット量が最適値となる。尚、この３点とは、αがプラス値の場合は上下側の等高線及び左側の等高線の３点となり、αがマイナス値の場合は上下側の等高線及び右側の等高線の３点になる。
【００５４】
次に、本願発明の第４の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として２重ＭＺＩ光スイッチの構成について説明する。基本的な構成は、第３の実施形態と同じであり、第１の実施形態又は第１の実施形態の構成に加えてＭＺＩの半波長分の光路長差に僅かなオフセット位相αを付加しているが、前段ＭＺＩスイッチと後段ＭＺＩスイッチで付加するオフセット位相の正負の符号が反転している点が、第３の実施形態と異なる。すなわち、前段ＭＺＩスイッチに＋αのオフセット位相を付加した場合には、後段ＭＺＩスイッチには−αのオフセット位相を付加する。このとき透過率Ｔoff[dB]は、以下に示す式（５）となる。
【００５５】
【数５】
0005642132.tif 000006
【００５６】
例えば、α＝−０.０４π[rad]とし、半波長分の導波路長差よりもΔＬを前段ＭＺＩスイッチについては僅かに短く、後段ＭＺＩにスイッチついては長くした場合、ＯｎＯｆｆ比の等高線図は、図１０（ａ）のようになる。図１０（ｂ）は、比較として再掲した第１および第２の実施形態での等高線図である。図１０（ａ）は、図１０（ｂ）と比較して、等高線図が下方向に＋０.０４π[rad]シフトしている。
【００５７】
従って、本実施形態は、誤差に以下のような傾向がある場合に、特にメリットが得られる。等方性位相誤差δφbaseの標準偏差σ（δφbase）が方位依存位相誤差δφdirの標準偏差σ（δφdir）よりも大きく、例えば、σ（δφbase）＝０.０２２π[rad]、σ（δφdir）＝０.００８π[rad]である場合、ほぼ全てのケースが分布すると考えられる領域は、図１０中の破線で示したように横長の楕円の領域になる。図１０（ａ）と図１０（ｂ）を比較して分かるように、本実施形態では、４０ｄＢのＯｎＯｆｆ比が確保できるのに対し、第１および第２の実施形態では一部分（ハッチングで図示している部分）において４０ｄＢのＯｎＯｆｆ比が確保できていない。このように、本実施形態は、等方性位相誤差によるバラツキ（標準偏差）が方位依存位相誤差によるバラツキ（標準偏差）よりも大きい場合に有利な構成であるといえる。
【００５８】
尚、上記の説明ではαをマイナス値としたが、プラス値にした場合は等高線図が上方向にシフトする点だけが異なる。従って、プラス値の場合も上記同様の利点が得られる。
【００５９】
また、オフセット位相量αの値は、第３の実施形態と同様に、σ（δφdir）とσ（δφbase）の比と要求ＯｎＯｆｆ比によって最適値が決定される。基本的には、要求ＯｎＯｆｆ比の等高線に、σ（δφdir）とσ（δφbase）の比を縦横比とする楕円が、大きさを適宜調整した上で、図１０（ａ）に示すように３点で接するようなオフセット量が最適値となる。尚、この３点とは、αがマイナス値の場合は、上側の等高線及び左右側の等高線の３点となり、αがプラス値の場合は、下側の等高線及び左右側の等高線の３点となる。
【００６０】
以上の第１〜第４の実施形態では、半波長分の導波路長差をベースとしたＭＺＩで構成しているが、これは動作波長範囲を広く確保するためである。導波路長差ΔＬ（＝ｋ・｛λ０／２ｎeff｝；  ｋ：整数）の場合、ＭＺＩのアーム導波路の位相差Δφは、Δφ＝２π・ｎeff・ΔＬ／λ０であるので、ΔＬが大きいほど、λ０の僅かな違いでも位相差Δφが大きく動くので、動作波長範囲が狭くなる。従って、光スイッチとしてはΔＬが一番短いｋ＝１のケースである半波長分の導波路長差の設計が望ましい。即ち、光スイッチにおいては、半波長分の光路長差が所望の光路長差となる。しかしながら、単一波長λ０のみの動作で良い等の条件であれば、ｋ＝１以外の導波路長差であっても構わない。尚、ｋが奇数の場合には、Ｏｆｆ時にバー動作、ｋが偶数の場合には、Ｏｆｆ時にクロス動作になる。
【００６１】
いずれにしても、半波長分の導波路長差以外であっても、第１および第２の実施形態で示したように前段ＭＺＩスイッチと後段ＭＺＩスイッチの長アーム／短アームの上下配置方向の相対関係を反転することにより、この構成が等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対する特性低下の確率が小さくなり、製造誤差に強い構成になることに変わりは無い。また、等方性位相誤差によるバラツキ（標準偏差）と方位依存位相誤差によるバラツキ（標準偏差）が異なる場合、第３および第４の実施形態で示したオフセット位相を付加することにより、更に位相誤差耐力が最適化できることに変わりは無い。
【実施例１】
【００６２】
［１６連１×４スイッチ］
第１の実施例として作製した１６連１×４スイッチチップ７００の構成を図１１に示す。１６連１×４スイッチチップ７００の１×４スイッチ７０１は、１×２スイッチ素子７０２をカスケードに４段接続したタップ構成になっている。各１×２スイッチ素子７０２には、本発明の構成である図５（ａ）に示した方位反転配置の２重ＭＺＩ光スイッチ素子５００の構成を使用した。２重ＭＺＩ光スイッチ素子７０２を構成している前段ＭＺＩスイッチ７０３と後段ＭＺＩスイッチ７０４の各ＭＺＩには、半波長分の導波路長差を設け、前段ＭＺＩスイッチ７０３は、上側を短アーム７０５に下側を長アーム７０６にし、後段ＭＺＩスイッチ７０４は、上側を長アーム７０８に下側を短アーム７０７にしている。今回、ＥＤＦＡの増幅帯域であるＣ帯／Ｌ帯（動作波長域：１５２０〜１６２０ｎｍ）での使用を前提として、動作波長中心λ０は１５７０ｎｍとした。
【００６３】
本スイッチチップは、シリコン基板７０９上に石英系導波路７１０にて作製した。導波路７１０のコア７１１とクラッド７１２の比屈折率差は、１.５％である。チップサイズは、６５×１３ｍｍであった。また、熱光学移相器である薄膜ヒータ７１３の周辺のクラッド７１２は、消費電力低減のため微細加工技術により削除し、断熱溝７１４を形成している。尚、図中には示していないが、各ヒータ７１３へは、駆動電流を給電するための電気配線パターンが形成されており、ＯｎＯｆｆスイッチの為の駆動電流は、短アーム７０５，７０７側のヒータ７１３に給電している。また、Ｏｎ時の消費電力は１ＭＺＩあたり約１００ｍＷであった。Ｏｎ時の挿入損失は、ファイバー接続損失込みで約２ｄＢであった。
【００６４】
各２重ＭＺＩ光スイッチ素子７０２のＯｎＯｆｆ比は、動作波長域の１５２０〜１６２０ｎｍにおける最悪値で評価した。また、チップ中には、合計６４個の２重ＭＺＩ光スイッチ素子７０２が集積されているが、チップ出荷時においては、最も特性の悪い素子における値が判定基準となるので、最悪素子における値をチップのＯｎＯｆｆ比最悪値として評価した。
【００６５】
図１２に、５０チップ分のＯｎＯｆｆ比最悪値データをまとめたものを示す。図１２（ａ）は、本実施例の結果であり、図１２（ｂ）は、比較のために同時に作製した従来の同方向配置構成２重ＭＺＩ光スイッチ素子によるスイッチチップの結果である。従来構成では、いくつかのチップでＯｎＯｆｆ比最悪値が４０ｄＢを下回り、中には３５ｄＢ程度しか得られないチップもあったが、本発明の構成では、全てのチップにおいて４３ｄＢ以上の特性を安定に得ることができた。
【実施例２】
【００６６】
［８×８マトリクススイッチ］
第２の実施例として作製した８×８のマトリクススイッチのレイアウトを図１３に示す。８×８のマトリクススイッチ８００全体の構成は、基本的に図３（ｂ）に示した構成をＮ＝８に直した構成とし、内部で使用される各２×２スイッチ素子８０１，８０２には、本発明の構成である図５（ｂ）に示した方位反転配置の２重ＭＺＩ光スイッチ素子５１０の構成を使用した。２重ＭＺＩ光スイッチ素子を構成している各ＭＺＩには、半波長分の導波路長差ΔＬを設け、前段ＭＺＩスイッチと後段ＭＺＩスイッチで、短アーム側／長アーム側を上下反転している。今回、ＥＤＦＡの増幅帯域であるＣ帯（動作波長域：１５３０〜１５６０ｎｍ）での使用を前提として、動作波長中心λ０は、１５４５ｎｍとし、更に本実施例では、オフセット位相を２％付加した。すなわち、通常のΔＬよりも２％長い導波路長差を設けた。
【００６７】
図１３中、破線で囲んだ部分がそれぞれ２×２スイッチ素子８０１，８０２になっている。図３（ｂ）に示した図よりもやや複雑に見えるが、これは各２×２スイッチ素子８０１，８０２の後段ＭＺＩスイッチを次列にある２×２スイッチの前段ＭＺＩスイッチと同じ段にレイアウトすることで、チップ長を短縮しているためである。尚、図面下部に記載している番号（１）〜（８）は２×２スイッチ素子８０１，８０２の各列の番号を表している。
【００６８】
尚、今回の実施例では、奇数列目（１），（３），（５），（７）にある２×２スイッチ素子８０１の前段ＭＺＩスイッチ８０３は、上側を短アーム８０５に、後段ＭＺＩスイッチ８０４は、下側を短アーム８０７とし、偶数列目（２），（４），（６），（８）にある２×２スイッチ素子８０２の前段ＭＺＩスイッチ８０４は下側を短アーム８０７に、後段ＭＺＩスイッチ８０３は上側を短アーム８０５として、奇数列目と偶数列目で前段ＭＺＩでの短アーム配置を上下入れ替えている。このような構成Ａ以外に、全ての２×２スイッチ素子の前段ＭＺＩスイッチは、上側を短アームに、後段ＭＺＩスイッチは、下側を短アームとして、前段ＭＺＩでの短アーム配置を統一する構成Ｂもある。いずれの構成も、前段ＭＺＩスイッチ／後段ＭＺＩスイッチで、短アーム側／長アーム側を上下反転するという本発明の構成である事に変わりはないが、前者の奇数列目と偶数列目で前段ＭＺＩでの短アーム配置を上下入れ替える構成Ａの方が、以下の点で有利となる。
【００６９】
位相誤差は、Ｏｎ経路におけるＯｎＯｆｆ比の低下をもたらすだけでなく、同時にＯｆｆ経路における損失の増加も引き起こす。この損失増加は、ＯｎＯｆｆ比低下に比較すると小さな量なので、多くの場合それ程大きな問題にならないが、本実施例のように通過スイッチ素子数が多い大規模なスイッチでは問題になってくる。構成Ｂの場合、方位依存誤差により例えば上側アームが長めになったとすると、全ての前段ＭＺＩスイッチのΔＬはやや短めになり、全ての後段ＭＺＩスイッチのΔＬはやや長めになる。ΔＬがやや短めの場合、動作波長がやや短波よりにシフトするので、Ｏｆｆ経路における損失増加は長波側でより顕著になる。ΔＬがやや長めの場合は、この逆で短波側の損失増加が顕著になる。例えば、入力２から出力８への経路では、列（１）〜（７）までは前段ＭＺＩスイッチ（Ｏｆｆ経路となっている）のみを通り、列（８）の２×２スイッチ素子で前段／後段ＭＺＩスイッチ両方（Ｏｎ経路となっている）を通るので、構成Ｂの場合は、長波側の損失増加のみが累積し、損失の波長依存性が大きくなる。
【００７０】
一方、構成Ａの場合は、方位依存誤差により、奇数列目（１），（３），（５），（７）の２×２スイッチ素子８０１の前段ＭＺＩスイッチ８０３のΔＬがやや短めになっても、偶数列目（２），（４），（６），（８）の２×２スイッチ素子８０２の前段ＭＺＩスイッチ８０４のΔＬはやや長めになり、ΔＬのズレが各列で入れ替わっているため、上記入力２から出力８への経路において、長波側の損失増加のみが累積することはなく、損失の波長依存性が緩和される。このように、奇数列目と偶数列目で前段ＭＺＩでの短アーム配置を上下入れ替える構成Ａは、方位依存誤差による損失の波長依存性をいずれの経路においても緩和する効果がある。
【００７１】
このことは、本実施例のＮ×Ｎマトリクススイッチに特有の問題なのではなく、実施例１の１×Ｎタップスイッチにおいても同様であることは明確である。Ｎが大きい大規模な１×Ｎスイッチでは、本実施例同様に、奇数列目と偶数列目で前段ＭＺＩでの短アーム配置を上下入れ替える工夫を盛り込んだ方が望ましい。
【００７２】
本スイッチチップも、実施例１同様にシリコン基板上に石英系導波路にて作製した。導波路のコアとクラッドの比屈折率差は、０.７５％である。チップサイズは１３×１０６ｍｍであった。また、熱光学移相器である薄膜ヒータ８０９の周辺は、消費電力低減のため微細加工技術により削除し、断熱溝８１０を形成している。Ｏｎ時の消費電力は、１ＭＺＩあたり約２００ｍＷであった。Ｏｎ時の挿入損失は、ファイバー接続損失込みで約２ｄＢであった。
【００７３】
各２重ＭＺＩ光スイッチ素子のＯｎＯｆｆ比は、実施例１同様に動作波長域（１５２０〜１５６０ｎｍ）における最悪値で評価した。また、チップ中には合計６４個の２重ＭＺＩ光スイッチ素子が集積されているが、チップ出荷時においては、最も特性の悪い素子における値が判定基準となるので、最悪素子における値をチップのＯｎＯｆｆ比最悪値として評価した。
【００７４】
図１４に、５０チップ分のＯｎＯｆｆ比最悪値データをまとめたものを示す。図１４（ａ）は、本実施例の結果であり、図１４（ｂ）は、比較のために同時に作製した２％オフセット位相付加が無いチップにおける結果であり、図１４（ｃ）は、比較のために同時に作製した従来の同方向配置構成２重ＭＺＩ光スイッチ素子における結果である。今回の実施例では、動作波長範囲が狭いこともあり、図１４（ｃ）の従来構成でもＯｎＯｆｆ比最悪値が４０ｄＢをかろうじて上回ったが、本発明の構成である図１４（ａ）、図１４（ｂ）では、全てのチップにおいて４３ｄＢ以上の特性を得ることができた。また、本実施例のオフセット位相を付加した構成である図１４（ａ）では最悪値４４ｄＢ以上が得られ、付加しない構成である図１４（ｂ）の４３ｄＢ以上と比べて、僅かではあるが特性を向上できた。動作波長範囲が狭いことは、等価的に等方性位相誤差が小さくなることを意味するので、今回の実施例ではオフセット位相付加が有効に働いたといえる。
【実施例３】
【００７５】
［２×２スイッチ］
第３の実施例として作製した高消光比２×２スイッチチップ９００の構成を図１５に示す。図２に示す２重ＭＺＩ光スイッチ２００，２１０は、Ｔｈｒ入力からＴｈｒ出力への経路は存在しない２入力２出力のスイッチであったが、本実施例の光スイッチ９００は、４つのＭＺＩスイッチ素子９０１，９０２，９０３，９０４で構成し、全ての入出力組み合わせが存在する２×２の光スイッチに、本発明を適用したものである。
【００７６】
各ＭＺＩスイッチ素子９０１，９０２，９０３，９０４には半波長分の導波路長差を設け、前段ＭＺＩスイッチ素子９０１，９０２は、上側を短アーム９０５，９０７に下側を長アーム９０６，９０８にし、後段ＭＺＩスイッチ素子９０３，９０４は、上側を長アーム９１０，９１２に下側を短アーム９０９，９１１にしている。いずれにしても、前段ＭＺＩスイッチと後段ＭＺＩスイッチの長アーム／短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点は前述の実施例と同じである。実施例１と同様に動作波長域１５２０〜１６２０ｎｍでの使用を前提として、動作波長中心λ０は１５７０ｎｍとした。
【００７７】
本スイッチチップも、実施例１および２と同様にシリコン基板上に石英系導波路にて作製した。導波路のコアとクラッドの比屈折率差は０.７５％である。チップサイズは５×２０ｍｍであった。今回は、断熱溝を形成しておらず、Ｏｎ時の消費電力は、１ＭＺＩあたり約５００ｍＷであった。Ｏｎ時の挿入損失は、ファイバー接続損失込みで約１ｄＢであった。
【００７８】
クロス経路（入力１から出力２、及び入力２から出力１）ＯｎＯｆｆ比は、ＭＺＩの位相誤差で決定されるのではなく、主に方向性結合器の５０％結合値からのズレで決定されるので、評価項目とはせず、バー経路（入力１から出力１、及び入力２から出力２）のみのＯｎＯｆｆ比を実施例１および２と同様に最悪値で評価した。
【００７９】
本構成のチップでは、複数のチップにおいて４２ｄＢ以上のＯｎＯｆｆ比が安定に得られたのに対して、比較のために作製した前段／後段ＭＺＩスイッチ共に上側を短アームにした構成のチップでは、３５ｄＢ程度しか得られないチップが散見された。
【実施例４】
【００８０】
［合分波インターリーブフィルタ］
第４の実施例は、本発明を合分波器に適用したものである。図１６に本実施例の合分波器１０００の構成を示す。合分波器１０００は、前述の光スイッチの実施例と基本的な考え方は同じであり、前段ＭＺＩ分波素子１００１は、下側を短アーム１００４にし、後段ＭＺＩ合分波素子１００２，１００３は、上側を短アーム１００６，１００８にして、前段ＭＺＩ合分波素子と後段ＭＺＩ合分波素子の長アーム／短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点が、図４（ｂ）に示す従来の構成である合分波器４１０と根本的に異なる。
【００８１】
上述の構成とすることにより、スイッチの場合と同様の理由で、等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対するクロストーク特性低下の確率が小さくなり、製造誤差に強い構成になる。
【００８２】
また、動作波長に関しても、以下に説明するように、製造誤差による波長シフトを受けにくい構成になっている。方位依存誤差により例えば上側アームが長めになったとすると、前段ＭＺＩ合分波素子のΔＬは、やや短めになり、後段ＭＺＩ合分波素子のΔＬは、やや長めになる。ΔＬがやや短めの場合は動作波長がやや短波よりにシフトし、ΔＬがやや長めの場合は動作波長がやや長波よりにシフトする。よって、前段ＭＺＩ合分波素子１００１と後段ＭＺＩ合分波素子１００２，１００３の動作波長シフトは、キャンセルし合うので、２段トータルで見た時の動作波長中心はシフトしない。一方、従来構成の合分波器
では、方位依存誤差による波長シフトが前段ＭＺＩ合分波素子と後段ＭＺＩ合分波素子で同じ方向にずれるので、方位依存誤差の影響がそのまま現れてしまう。このように、本実施例の構成は、方位依存誤差による波長シフトを受けにくい構成になっている。
【００８３】
尚、本実施例では、２本のアーム導波路からなる２光束の干渉計において、前段合分波素子と後段合分波素子の長アーム側／短アーム側の上下配置方向の相対関係が反転してレイアウトする構成が、方位依存誤差による波長シフトを受けにくいことを示したが、この考え方は、多数のアーム導波路からなる多光束の干渉計に拡張しても同様に得られることは明らかである。
【００８４】
以上、４つの実施例では、シリコン基板上の石英系導波路をベースとした光回路で実現したが、これは信頼性に優れ、光ファイバーとの接続親和性が高く、また、生産技術としても確立された技術で量産に向くためである。しかしながら、他の材料系の導波路、例えば、シリコン導波路や、ＬＮ導波路や高分子導波路等でも本実施例等で示した効果が同様に得られることに変わりは無いことを付記しておく。
【００８５】
また、以上の実施例並びに実施形態では、ＭＺＩを構成するカプラに方向性結合器を使用したが、本発明は、これに限定するものではなく、例えば、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラを使用しても、もちろん良い。また、１×２カプラや２×１カプラにおいては、１×２分岐器や２×１合流器を使用しても良い。但し、これらを同一のＭＺＩ中に混在して使用する場合には、位相特性が方向性結合器と異なるので、その分を光路長差として補正して使用する必要がある。いずれにしても、本発明が、所望の光路長差設計に対して方位依存位相誤差の影響が光学特性に及びにくい構成であることに変わりは無い。
【００８６】
また、以上の実施例並びに実施形態では、２重ＭＺＩ素子、すなわち２段のＭＺＩ素子による光干渉計回路について説明をしてきたが、これは、多くの実用光回路では、２段の素子を使用すれば十分なＯｎＯｆｆ比や低クロストークが得られるためである。しかしながら、より高い特性を求める用途においては、この限りではなく、要求特性に応じてより多段の素子を使用することもある。この場合は、短アームが上側にあるＭＺＩ素子と短アームが下側にあるＭＺＩ素子を対にして考えれば、これまで述べてきた効果が得られることは、明らかである。従って、入力から出力までの間において、短アーム側が上側にあるＭＺＩ素子と短アーム側が下側にあるＭＺＩ素子が混在するよう配置すれば良く、好ましくは、ＭＺＩ素子の長アーム／短アームの上下配置方向の数を均衡させる、すなわち、ＭＺＩ素子の段数が奇数個の場合は差が１、偶数個の場合は差が０になるようにレイアウトすれば良いことが分かる。
【００８７】
尚、対にするＭＺＩ素子は、可能な限り近傍にあった方が、実行屈折率の分布形状が同一であると見なせる、すなわち、誤差δφbaseや誤差δφdirは、ほぼ同じ値になる確率が高くなる。従って、各段のＭＺＩ素子の長アーム／短アームの上下配置方向の数を単に均衡させるだけでなく、短アームが上側にあるＭＺＩ素子と短アームが下側にあるＭＺＩ素子を交互に配置して、この対となるＭＺＩ素子を近傍に配置した方がより好ましい。
【００８８】
図１７、図１８に３段以上のＭＺＩ素子を使用した導波路型光干渉計回路の配置の例を示す。図１７は、それぞれ短アーム１１０５，１１０７，１１０９，１１１１と長アーム１１０６，１１０８，１１１０，１１１２とを備えるＭＺＩスイッチ素子１１０１，１１０２，１１０３，１１０４の４段を接続した光スイッチ１１００の構成を示す図であり、図１８は、それぞれ短アーム１２０８，１２１０，１２１２，１２１４，１２１６，１２１８，１２２０と、長アーム１２０９，１２１１，１２１３，１２１５，１２１７，１２１９，１２２１とを備えるＭＺＩ合分波素子１２０１〜１２０７の４段を接続した合分波器１２００の構成を示す図である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】導波路を使用するマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型光スイッチの構成を示す図である。
【図２】従来技術による２重ＭＺＩ型光スイッチの構成を示す図である。
【図３】従来技術による大規模集積光スイッチの構成を示す図である。
【図４】従来技術による導波路を使用したＭＺＩ型合分波器の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として２重ＭＺＩ型光スイッチの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として２重ＭＺＩ型光スイッチの構成を示す図である。
【図７】従来技術と本発明の第１および第２の実施形態におけるＯｆｆ時透過率の位相誤差依存性を比較して示す図である。
【図８】従来技術と本発明の第１および第２の実施形態における位相誤差に対するＯｎＯｆｆ比分布を比較して示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による同位相オフセットを加えた構成とそうでない場合におけるＯｎＯｆｆ比分布を比較して示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による逆位相オフセットを加えた構成とそうでない場合におけるＯｎＯｆｆ比分布を比較して示す図である。
【図１１】本発明の実施例１の導波路型光干渉計回路である１６連１×４スイッチの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１と従来技術におけるＯｎＯｆｆ比の最悪値ヒストグラムを比較して示す図である。
【図１３】本発明の実施例２の導波路型光干渉計回路である８×８マトリクススイッチの構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施例２と、位相オフセットのない場合と、従来技術におけるＯｎＯｆｆ比の最悪値ヒストグラムを比較して示す図である。
【図１５】本発明の実施例３の導波路型光干渉計回路である高消光比２×２スイッチの構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施例４の導波路型光干渉計回路である合分波インターリーブフィルタの構成を示す図である。
【図１７】本発明による導波路型光干渉計回路の一例としてＭＺＩ素子が３段以上で構成される光スイッチの構成を示す図である。
【図１８】本発明による導波路型光干渉計回路の一例としてＭＺＩ素子が３段以上で構成される光合分波器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
５００，５１０，６００，６１０  ２重ＭＺＩ型光スイッチ
５０１，５１１，６０１，６１１  前段ＭＺＩスイッチ素子
５０２，５１２，６０２，６１２  後段ＭＺＩスイッチ素子
５０３，５０５，５１３，５１５，６０３，６０５，６１３，６１５  短側導波路
５０４，５０６，５１４，５１６，６０４，６０６，６１４，６１６  長側導波路
【図１】
0005642132.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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