(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された２本の光導波路によって構成され、前記２本の光導波路が２箇所で近接して形成される２個の光カプラと、それらを結ぶ２本の連結光導波路と、前記連結光導波路上に装荷した位相制御器とを有するマッハツェンダ干渉計を単位スイッチ素子とし、前記単位スイッチを複数個組み合わせてなる導波路型光スイッチであって、
互いに平行に配置され、それぞれ１つの入力導波路と２つの出力導波路を有する第１および第２の単位スイッチ素子と、
前記第１および第２の単位スイッチ素子の前段に設けられ、２つの出力導波路を有し、前記２つの出力導波路のうちの１つを選択する第３の単位スイッチ素子と、
を備え、
前記第３の単位スイッチ素子の２つの出力導波路の一方を前記第１の単位スイッチ素子の前記１つの入力導波路に接続し、他方を前記第２の単位スイッチ素子の前記１つの入力導波路に接続し、
前記第１および第２の単位スイッチ素子が有する２本の前記連結光導波路のうち、所望の１本の連結光導波路を互いに光学的に結合しない距離を保って平行に配置し、前記平行に配置された２本の連結光導波路の位相を同時制御する１つの前記位相制御器を備えることを特徴とする導波路型光スイッチ。
【請求項２】
前記請求項１に記載の導波路型光スイッチにおいて、
前記光導波路及び前記連結光導波路がガラス光導波路であることを特徴とする導波路型光スイッチ。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載の導波路型光スイッチにおいて、
前記位相制御器が、熱光学移相器として動作する薄膜ヒータであることを特徴とする導波路型光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムの構築、光情報処理装置の作製などに用いられる導波路型光スイッチに適用して有効な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多くの波長に信号をのせ伝送容量を拡大させる波長多重伝送システムの普及が進んでいる。現在普及しているシステムは２点間を大容量伝送するポイントツーポイントシステム（Ｐｏｉｎｔ  Ｔｏ  Ｐｏｉｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ）であるが、更に高機能な光クロスコネクト（Ｃｒｏｓｓｃｏｎｎｅｃｔ：ＸＣ）システムや光アド・ドロップ多重（Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＡＤＭ）システムの開発が進められている。
【０００３】
光ＸＣシステムはノード部分（例えば、電話局）で伝送路の切り替えを行うシステムであり、光ＡＤＭシステムは多重化された信号光から特定の波長を抜き取り別の伝送路に分けたり、特定の波長に新たな信号を加えて送り出すシステムである。
【０００４】
従って、これらのシステムには光の合分波機能の他に光路の切り替え機能が必要であり、空間分割型光スイッチが必要とされている。各種の光スイッチ部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光スイッチは、フォトリソグラフイ技術及び微細加工技術によって光波長以下の高精度で再現良く量産でき、更にスイッチ素子が小型なため大規模化にも適しており、最も有望な光スイッチと考えられている。
【０００５】
従来の導波路型光スイッチは、導波路型光干渉計と位相制御器を搭載した光スイッチ素子を複数個組み合わせることで形成される。
【０００６】
従来の導波路型光干渉計としては、例えば、２個のカプラとそれらを結ぶ２本の連結導波路からなるマッハツェンダ干渉計（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｌｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＺＩ）が用いられていた。
【０００７】
図４に、従来の導波路型光スイッチの例として導波路型２×２光スイッチを示す。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す線分ＡＢで切った断面図である。
【０００８】
図４に示す導波路型２×２光スイッチは、上述したマッハツェンダ干渉計光回路に位相制御器（薄膜ヒータ）を搭載した光スイッチを１×２単位スイッチ素子として、これら４個を光導波路で結ぶことで２×２光スイッチを実現した光スイッチである。この様な２×２光スイッチは光ＡＤＭシステムでは必要不可欠な部品である。
【０００９】
この導波路型２×２光スイッチは、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板２３上に作製された入力導波路５、第１の方向性結合器（カプラ）６ａ、第２の方向性結合器６ｂ、第１の連結導波路７ａ、第２の連結導波路７ｂ、第１の出力導波路８ａ及び第２の出力導波路８ｂ、熱光学移相器（薄膜ヒータ）２２ｃから構成される第１の単位スイッチ１と、入力導波路９、第１の方向性結合器１０ａ、第２の方向性結合器１０ｂ、第１の連結導波路１１ａ、第２の連結導波路１１ｂ、第１の出力導波路１２ａ及び第２の出力導波路１２ｂ、熱光学移相器（薄膜ヒータ）２２ｄから構成される第２の単位スイッチ２と、第１の入力導波路１３ａ及び第２の入力導波路１３ｂ、第１の方向性結合器１４ａ、第２の方向性結合器１４ｂ、第１の連結導波路１５ａ、第２の連結導波路１５ｂ、出力導波路１６、熱光学移相器（薄膜ヒータ）２２ｅから構成される第３の単位スイッチ３と、第１の入力導波路１７ａ及び第２の入力導波路１７ｂ、第１の方向性結合器１８ａ、第２の方向性結合器１８ｂ、第１の連結導波路１９ａ、第２の連結導波路１９ｂ、出力導波路２０、熱光学移相器（薄膜ヒータ）２２ｆから構成される第４の単位スイッチ４と、更に、第１の単位スイッチの第１の出力導波路８ａと第３の単位スイッチの第１の入力導波路１３ａを結ぶ導波路２１ａと、第１の単位スイッチの第２の出力導波路８ｂと第４の単位スイッチの第２の入力導波路１７ｂを結ぶ導波路２１ｂと、第２の単位スイッチの第２の出力導波路１２ｂと第３の単位スイッチの第２の入力導波路１３ｂを結ぶ導波路２１ｃと、第２の単位スイッチの第１の出力導波路１２ａと第４の単位スイッチの第１の入力導波路１７ａを結ぶ導波路２１ｄとから構成される。
この各導波路の材料には火炎堆積法により作製した石英ガラスを用いている。
【００１０】
また、その断面は図４（ｂ）に示すように、シリコン基板２３上に堆積された厚さ５０μｍのクラッド２４のほぼ中央に、寸法７μｍＸ７μｍの第１の単位スイッチの連結導波路（コア）７ａと７ｂと、第２の単位スイッチの連結導波路（コア）１１ａと１１ｂとが埋没され、更に熱光学移相器として動作する薄膜ヒータ２２ｃが連結導波路（コア）７ｂ上に、そして薄膜ヒータ２２ｄがコア１１ｂ上に装荷された構造である。このクラッドとコアの比屈折率差は０．７５％である。
【００１１】
単位スイッチの２本の連結導波路の光路長差は０もしくは半波長が通常用いられる。光路長差が半波長より大きくても光スイッチとして動作するが、波長依存性が大きくなるため普通は用いない。この従来例では連結導波路の光路長差を０として説明する。単位スイッチであるＭＺＩ光回路の光出力は以下の式で表される。
【００１２】
【数１】
0003678624.tif 000002
ただし、導波路アーム間の位相差△φは
【００１３】
【数２】
0003678624.tif 000003
である。ここで、Ｉ1は入力光、Ｉ3はスルーポート（例えば、図４（ａ）の第１の単位スイッチ１においてポート５→８ｂ）の光出力、Ｉ4はクロスポート（例えば図４（ａ）の第１の単位スイッチ１においてポート５→８ａ）の光出力である。また、ｋは方向性結合器の結合率、△ｎｌは連結導波路間に生じる光路長差であり、ｌは薄膜ヒータ長である。また、△ｎは熱光学効果による屈折率変化量であり、石英系導波路の場合、次式で表される。
【００１４】
【数３】
△ｎ＝０．９×１０-8（ｔ22−ｔ12）＋１．０２×１０-5（ｔ2−ｔ1）
ここで、ｔ1は薄膜ヒータを駆動する前の初期温度、ｔ2は薄膜ヒータ駆動後の温度である。
【００１５】
連結導波路上の熱光学移相器（薄膜ヒータ）を動作させたときの単位スイッチの光出力特性を図５に示す。まず、薄膜ヒータを動作させない場合、連結導波路間の光路長差は０（△φ＝０）であり、数１の式は、次式の数４と数５となる。
【００１６】
【数４】
Ｉ3／Ｉ1＝（１−２ｋ）2
【００１７】
【数５】
Ｉ4／Ｉ1＝４ｋ（１−ｋ）
ＤＣの結合率が５０％  （ｋ＝０．５）では、次式の数６と数７となる。
【００１８】
【数６】
Ｉ3／Ｉ1＝０
【００１９】
【数７】
Ｉ4／Ｉ1＝１
これにより、全ての光がクロスポート（第１の単位スイッチ１におけるポート５→８ａ）へ出力する。一方、片側の連結導波路上の薄膜ヒータを動作させ連結導波路を暖めて熱光学効果によって屈折率を高くすることで連結導波路間に半波長分の光路長差、つまり位相差をπだけ与えた場合、光出力はＤＣの結合率に関わらず、次式の数８と数９となり、
【００２０】
【数８】
Ｉ3／Ｉ1＝１
【００２１】
【数９】
Ｉ4／Ｉ1＝０
出力ポートが入れ替わる。このように、熱光学移相器によって光路長差を０と半波長間で動作させることで空間型光スイッチとして動作する。今後、薄膜ヒータを動作させない状態を「オフ状態」、ヒータを動作させ連結導波路間に半波長の光路長差を与えた状態を「オン状態」と記す。
【００２２】
スイッチングに必要な電力は、ヒータの長さが５ｍｍ、幅が５０μｍ程度の場合で約０．５Ｗである。また、ヒータの温度上昇は３０℃程度である。
【００２３】
単位スイッチ１つでも２×２光スイッチとして動作しするが、図５及び数４の式から数９の式まででわかるように、単位スイッチの消光比、つまり光が出力している時の光出力と光が消光している時の光出力の比は方向性結合器の結合率が５０％からずれるとスルーパス（例えば、図４（ａ）の第１の単位スイッチ１における入力導波路５から出力導波路８ｂへのパス）において劣化する。
【００２４】
図６に方向性結合器の結合率とスルーパスにおける消光比を示す。
図６に示すように、例えば、２０ｄＢ以上の消光比を得るために許される方向性結合器の結合率の範囲は５０％±５％であり、通信システムが求める４０ｄＢ以上では５０％±０．０５％である。
【００２５】
また、方向性結合器の結合率は作製誤差によって変動し、石英系ＰＬＣ回路の場合、最大５０％±１０％程度であることから、２０ｄＢ以上の消光比が得られる歩留まりも小さく、更に４０ｄＢ以上の消光比が得られる歩留まりはほとんどないと考えられる。
【００２６】
そこで４０ｄＢ以上の消光比を得るためにどのパスも２個の単位スイッチ素子を通過し、且つ通過する単位スイッチのうち１つはスルーパスとなる構成が図４である。例えば、単位スイッチ１と２が連結導波路７ａと７ｂ及び１１ａと１１ｂの光路長が等しい対称型マッハツェンダ干渉計であり、単位スイッチ３と４が連結導波路１５ａと１５ｂ及び１９ａと１９ｂの光路長差が半波長である非対称型マッハツェンダ干渉計である場合、全ての単位スイッチがオフ状態では、第１の単位スイッチ１の入力導波路５から入射した光は第１の出力導波路８ａから出射し、更に導波路２１ａを通過し、第３の単位スイッチ３の第１の入力導波路１３ａへ入射し、そして出力導波路１６から出射する。
【００２７】
また、第２の単位スイッチ２の入力導波路９から入射した光は第１の出力導波路１２ａから出射し、更に導波路２１ｄを通過し、第４の単位スイッチ４の第１の入力導波路１７ａへ入射し、そして出力導波路２０から出射する。
【００２８】
つまり、２×２光スイッチ全体としてはスルー（バー）状態となる。全てのスイッチ素子を対称型マッハツェンダ干渉計や非対称マッハツェンダ干渉計としても回路は実現できるが、システムが例えば停電等で機能停止しても回線が遮断されないように、全てのスイッチがオフ状態でも光が出力導波路から出射する構成とするのが一般的である。
【００２９】
この例の場合、単位スイッチ３はスルーパスの状態にあり、単位スイッチ２の入力導波路９から入射し導波路２１ｃへ漏れた光が第２の入力導波路１３ｂから入っても出力導波路１６には到達しない。従って、クロストークは原理的には存在せず、無限大の値を持つ。
【００３０】
また、単位スイッチ４も同様にスルーパスの状態にあり、単位スイッチ１の入力導波路５から入射した光も単位スイッチ４の出力導波路２０から出射せず、クロストークは発生しない。
【００３１】
一方、全ての単位スイッチがオン状態の場合、第１の単位スイッチ１の入力導波路５から入射した光は第２の出力導波路８ｂから出射し、更に導波路２１ｂを通過し、第４の単位スイッチ４の第２の入力導波路１７ｂへ入射し、そして出力導波路２０から出射する。
【００３２】
また、第２の単位スイッチ２の入力導波路９から入射した光は第２の出力導波路１２ｂから出射し、更に導波路２１ｃを通過し、第３の単位スイッチ３の第２の入力導波路１３ｂへ入射し、そして出力導波路１６から出射する。
【００３３】
つまり、２×２光スイッチ全体としてはクロス状態となる。この場合、第１の単位スイッチ１がスルーパスの状態にあり出力導波路８ａへ光が漏れないことからクロストークは発生しない。
【００３４】
また、第２の単位スイッチの入力導波路９から入射した光も同様に第１の出力導波路１２ａへ漏れないことからクロストークが発生しない。これは、例えば、単位スイッチ１と２が導波路アームに半波長の光路長差のある非対称型マッハツェンダ干渉計であり、単位スイッチ３と４が対称型マッハツェンダ干渉計である場合でも、全ての単位スイッチがオフ状態では単位スイッチ１と２が、そして全ての単位スイッチがオン状態では単位スイッチ３と４がスルーパス状態となり、前記の例と同じようにクロストークが原理的に発生しない。
【００３５】
石英系ＰＬＣ回路の場合、単位スイッチからの漏れ光はスルーパスにおいて原理的には存在しないが、作製誤差等によって実際には３０ｄＢ程度である。また、クロスパスの漏れ光は図６で説明したように方向性結合器の結合率に依存し、石英系ＰＬＣ回路の場合、結合率が５０％±１０％の範囲でばらつくことから、最大１５ｄＢ程度である。従って、図４の構成では、光がスルーパスとクロスパスを必ず通過するのでクロストークは４５ｄＢ以上が得られる。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記２×２光スイッチ（導波路型光スイッチ）には以下に示すような問題点があった。
すなわち、２×２光スイッチとして動作させるためには、全ての単位スイッチをオフ状態かオン状態とする必要があり、４つの単位スイッチが同時に駆動している場合、２×２光スイッチ全体では２Ｗ程度の発熱が生じる。
【００３７】
これによりこの２×２光スイッチが集積されているチップ温度が上昇し、例えば、スイッチチップに入出力用の光ファイバが接着剤で固定されている場合などでは温度によっては接着剤が変質し光学的な劣化が生たり、場合によってはファイバがはずれることもある。そのために、このチップを冷却するための機構、例えば空冷用のフインなどが必要となっている。
【００３８】
また、２×２光スイッチを用いるシステムでは、このスイッチを数多く使う場合がほとんどであり、この２×２光スイッチを１チップ上に多数個、例えば８個や１６個集積する場合が多い。そのため１チップの発熱量が極めて大きくなり、それを冷却するために大きく、且つ複雑な冷却機構が必要となるという問題点があった。
【００３９】
更に、位相制御器である薄膜ヒータに電力を給電する方法として、光回路が集積された導波路チップ上面の周囲端に給電用のパッドを配置し、薄膜ヒータと給電用パッド間を金薄膜などで電気配線を形成して行うのが最も一般的である。そのため、この２×２光スイッチを多数個集積した場合、チップ上面に複雑な電気配線を形成する必要がある。
【００４０】
また、位相制御器（薄膜ヒータ）に給電するためにスイッチの外部に駆動用の電気回路を用意する必要があるが、薄膜ヒータに対応した数だけ用意する必要があり、電気回路用の配線が複雑になるとともに、その回路が占める面積や駆動回路からの発熱などの問題もあり、位相制御器（薄膜ヒータ）数をできるだけ少なくすることが望まれていた。
【００４１】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、導波路型光スイッチに用いられる位相制御器数を削減し、それによって発生する発熱量を低減することである。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００４２】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）基板上に形成された２本の光導波路によって構成され、前記２本の光導波路が２箇所で近接して形成される２個の光カプラと、それらを結ぶ２本の連結光導波路と、前記連結光導波路上に装荷した位相制御器とを有するマッハツェンダ干渉計を単位スイッチ素子とし、前記単位スイッチを複数個組み合わせてなる導波路型光スイッチであって、互いに平行に配置され、それぞれ１つの入力導波路と２つの出力導波路を有する第１および第２の単位スイッチ素子と、前記第１および第２の単位スイッチ素子の前段に設けられ、２つの出力導波路を有し、前記２つの出力導波路のうちの１つを選択する第３の単位スイッチ素子と、を備え、前記第３の単位スイッチ素子の２つの出力導波路の一方を前記第１の単位スイッチ素子の前記１つの入力導波路に接続し、他方を前記第２の単位スイッチ素子の前記１つの入力導波路に接続し、前記第１および第２の単位スイッチ素子が有する２本の前記連結光導波路のうち、所望の１本の連結光導波路を互いに光学的に結合しない距離を保って平行に配置し、前記平行に配置された２本の連結光導波路の位相を同時制御する１つの前記位相制御器を備える。
【００４３】
（２）（１）の導波路型光スイッチにおいて、前記光導波路及び前記連結光導波路がガラス光導波路である。
【００４４】
（３）（１）、または（２）の導波路型光スイッチにおいて、前記位相制御器が、熱光学移相器として動作する薄膜ヒータである。
【００４５】
これにより、導波路型光スイッチを構成する複数個の単位スイッチ素子のうち、互いに平行に配置され、かつ同一のスイッチ動作を行う２個の単位スイッチに対しては、互いの単位スイッチの間隔を狭くでき、かつそれら２つの単位スイッチは位相を制御する位相制御器（薄膜ヒータ）を１つで共有するので、導波路型光スイッチに用いられる位相制御器数（薄膜ヒータ）を削減し、それによって発生する発熱量を低減することが可能になる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施形態では、光導波路としてシリコン基板上に形成した石英系光導波路を使用した導波路型光スイッチについて説明する。これは、この組み合わせが単一モード光ファイバとの接続に優れた光スイッチを提供できるからである。
【００４７】
また、導波路型光スイッチの説明は、一般的に広く用いられているマッハツェンダ干渉計型２×２単位スイッチ素子を４つ集積した２×２光スイッチ（第１の実施形態）と、ツリー状に７つ集積した１×８光スイッチ（第２の実施形態）を例に取り挙げて説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他のスイッチに関しても同様に適応可能である。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の２×２光スイッチの構成を説明するための図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す線分ＡＢで切った断面図である。
【００４９】
第１の実施形態の２×２光スイッチは、シリコン基板上に作製された２個のカプラとそれらを結ぶ２本の連結導波路からなるマッハツェンダ干渉計光回路に位相制御器を搭載した光スイッチを１×２単位スイッチ素子として、これらを４個光導波路で結ぶことで構成している。
【００５０】
この第１の実施形態の２×２光スイッチは、図１に示すように、シリコン基板２３上に作製された入力導波路５、第１の方向性結合器６ａ、第２の方向性結合器６ｂ、第１の連結導波路７ａ、第２の連結導波路７ｂ、第１の出力導波路８ａ及び第２の出力導波路８ｂから構成される第１の単位スイッチ１と、入力導波路９、第１の方向性結合器１０ａ、第２の方向性結合器１０ｂ、第１の連結導波路１１ａ、第２の連結導波路１１ｂ、第１の出力導波路１２ａ及び第２の出力導波路１２ｂから構成される第２の単位スイッチ２と、第１の入力導波路１３ａ及び第２の入力導波路１３ｂ、第１の方向性結合器１４ａ、第２の方向性結合器１４ｂ、第１の連結導波路１５ａ、第２の連結導波路１５ｂ、出力導波路１６から構成される第３の単位スイッチ３と、第１の入力導波路１７ａ及び第２の入力導波路１７ｂ、第１の方向性結合器１８ａ、第２の方向性結合器１８ｂ、第１の連結導波路１９ａ、第２の連結導波路１９ｂ、出力導波路２０から構成される第４の単位スイッチ４と、第１の単位スイッチの第１の出力導波路８ａと第３の単位スイッチの第１の入力導波路１３ａを結ぶ導波路２１ａと、第１の単位スイッチの第２の出力導波路８ｂと第４の単位スイッチの第２の入力導波路１７ｂを結ぶ導波路２１ｂと、第２の単位スイッチの第２の出力導波路１２ｂと第３の単位スイッチの第２の入力導波路１３ｂを結ぶ導波路２１ｃと、第２の単位スイッチの第１の出力導波路１２ａと第４の単位スイッチの第１の入力導波路１７ａを結ぶ導波路２１ｄとから構成される。
【００５１】
また、単位スイッチ１と２は連結導波路７ａと１１ａが光学的に結合しない程度に近接し、連結導波路７ａと１１ａの上に熱光学移相器（薄膜ヒータ）２２ａが装荷され、単位スイッチ３と４も同様に近接し、連結導波路１５ａと１９ａの上に熱光学移相器（薄膜ヒータ）２２ｂが装荷された構成である。すなわち、単位スイッチが互いに隣接配置される場合に、互いの単位スイッチの連結導波路を光の結合が起こらない程度に近接させ、通常各々単位スイッチが独立して有していた熱光学移相器（薄膜ヒータ）を共有利用することで、熱光学移相器（薄膜ヒータ）を削減した構成を有する。
これらの各導波路材料には火炎堆積法により作製した石英ガラスを用いている。
【００５２】
また、その断面は図１（ｂ）に示すように、シリコン基板２３上に堆積された厚さ５０μｍのクラッド２４のほば中央に、寸法７μｍｘ７μｍの第１の単位スイッチの連結導波路（コア）７ａと７ｂ、第２の単位スイッチの連結導波路（コア）１１ａと１１ｂが埋没され、更に熱光学移相器として動作する薄膜ヒータ２２ａが連結導波路（コア）７ａと１１ａの上に装荷された構造である。クラッドとコアの比屈折率差は０．７５％である。
【００５３】
また、第１の実施形態の２×２光スイッチにおいて、単位スイッチ１と２が導波路アーム７ａと７ｂ及び１１ａと１１ｂの光路長が等しい対称型マッハツェンダ干渉計であり、単位スイッチ３と４が導波路アーム１５ａと１５ｂ及び１９ａと１９ｂの光路長差が半波長である非対称型マッハツェンダ干渉計である場合、全ての単位スイッチがオフ状態では２×２光スイッチ全体としてはスルー（バー）状態となる。さらに、単位スイッチ３及び４がスルーパスの状態にあることからクロストークは原理的には存在しない。
【００５４】
一方、全ての単位スイッチがオン状態の場合、２×２光スイッチ全体としてはクロス状態となり、単位スイッチ１及び２がスルー状態となることからクロストークは存在しない。
【００５５】
また、各単位スイッチ１〜４では、導波路アームを成す薄膜ヒータ直下の導波路コアがある温度に上昇し、それによって屈折率が変化し、実効的な光路長が半波長に相当するだけ長くなることで切り替えを行う。
【００５６】
第１の実施形態の２×２光スイッチは、従来、各単位スイッチごとに熱光学移相器を装荷し、それぞれ個別に駆動していたが、図１に示すように、互いに隣接して配置され、同時に動作する単位スイッチに対しては、光の結合が起こらない程度に近接させ、それら導波路アームを１つの薄膜ヒータで同一温度にし、１つのヒータで２つの単位スイッチを駆動する。
【００５７】
なお、上述のパラメータを有する導波路の場合では、２つの導波路コアの中心間の距離を少なくとも１５μｍ以上にするとよい。これにより、同時に動作する単位スイッチにおける光の結合はほとんど起こらない。
【００５８】
図１に示す第１の実施形態の２×２光スイッチでは、単位スイッチ１，２が１つの薄膜ヒータ２２ａによって駆動され、単位スイッチ３，４が１つの薄膜ヒータ２２ｂによって駆動される。
【００５９】
次に、上述の薄膜ヒータ２２ａ，２２ｂによって生じる温度分布について説明する。薄膜ヒータ２２ａ，２２ｂは同一のものであるため、ここでは、薄膜ヒータ２２ａを取り挙げて説明する。
【００６０】
図２は、シリコン基板２３上の厚さ５０μｍのクラッド２４の表面に第１の実施形態で用いる薄膜ヒータ２２ａを装荷し、その薄膜ヒータ２２ａを駆動したときの温度分布を有限要素法で求めた計算結果を示した図である。図２は、薄膜ヒータ２２ａから距離（ｘ軸及びｙ軸）に対する温度分布を示した温度分布図であり、温度は薄膜ヒータ２２ａの中央部分を”１”として規格化した値で示してある。
【００６１】
図２に示すように、薄膜ヒータ２２ａによる温度は、薄膜ヒータ２２ａの中心を通るクラッド表面と垂直な縦軸線（ｙ軸）に対して対称に分布していることがわかる。
【００６２】
従来、導波路コアは薄膜ヒータ２２ａの中心を通るクラッド表面と垂直な線上に配置され、深さはクラッドの中央（約２５μｍ）とするのが一般的である。
【００６３】
図２に示す温度分布図では、深さ２５μｍの値が”０．４”であることから、この従来の導波路コアの温度はヒータの温度に対して４０％程度であることがわかる。
【００６４】
一方、第１の実施形態の２×２光スイッチにおける２本の導波路コア（図１に示す７ａ，１１ａ）を１つのヒータで同時に暖める場合、同じ温度に上昇させるためには、２本の導波路コアをヒータの中心線（図２に示すｙ軸）に対して対称な位置に配置すればよいことがわかる。
【００６５】
例えば、深さが２５μｍで、２本の導波路コア７ａ，１１ａの中心の距離が３０μｍ（ｘ＝±１５μｍ）とすると、導波路コアの温度はどちらもヒータ中心の温度に対して３７％の温度となる。この場合、従来と同様な４０％の温度を得るためには、スイッチングに必要なヒータの消費電力は従来の単位スイッチよりも８％大きくなる。
【００６６】
このことから、消費電力電力は１つのヒータ当たりは若干増加するものの、１つのヒータで２つの単位スイッチを同時に駆動することが可能であることから、２つの単位スイッチ当たりでは９２％もの電力の削減が可能となり、熱光学スイッチの低電力化に極めて有効であることがわかる。
【００６７】
更に、単位スイッチの間隔を狭くでき、かつ２つの単位スイッチに対して薄膜ヒータを制御するヒータ制御器が１つで済むことからスイッチの小型化にも有効である。
【００６８】
以上のように、図１に示す第１の実施形態の２×２光スイッチを構成した場合、ヒータ数を半分に低減できると共に、発生する発熱量を低減することが可能である。また、それによって消費電力も大幅に低減でき、更にスイッチの小型化も可能である。
【００６９】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の１×８光スイッチの構成を説明するための図である。
【００７０】
第２の実施形態の１×８光スイッチは、シリコン基板上に作製された２個のカプラとそれらを結ぶ２本の連結導波路からなるマッハツェンダ干渉計を１×２単位スイッチ素子として、これら７個を最初の段に１個、２段目に２個、３段目に４個というようにツリー状に連結することで１×８光スイッチを実現した光スイッチである。
【００７１】
この第２の実施形態の１×８光スイッチは、図３に示すように、入力導波路３２、第１の方向性結合器３３ａ、第２の方向性結合器３３ｂ、第１の連結導波路３４ａ、第２の連結導波路３４ｂ、第１の出力導波路３５ａ及び第２の出力導波路３５ｂから構成される第１段目の単位スイッチ２５と、入力導波路３６、第１の方向性結合器３７ａ、第２の方向性結合器３７ｂ、第１の連結導波路３８ａ、第２の連結導波路３８ｂ、第１の出力導波路３９ａ及び第２の出力導波路３９ｂから構成される第２段目の第１の単位スイッチ２６と、入力導波路４０、第１の方向性結合器４１ａ、第２の方向性結合器４１ｂ、第１の連結導波路４２ａ、第２の連結導波路４２ｂ、第１の出力導波路４３ａ、第２の出力導波路４３ｂから構成される第２段目の第２の単位スイッチ２７と、入力導波路４４、第１の方向性結合器４５ａ、第２の方向性結合器４５ｂ、第１の連結導波路４６ａ、第２の連結導波路４６ｂ、第１の出力導波路４７ａ及び第２の出力導波路４７ｂから構成される第３段目の第１の単位スイッチ２８と、入力導波路４８、第１の方向性結合器４９ａ、第２の方向性結合器４９ｂ、第１の連結導波路５０ａ、第２の連結導波路５０ｂ、第１の出力導波路５１ａ及び第２の出力導波路５１ｂから構成される第３段目の第２の単位スイッチ２９と、入力導波路５２、第１の方向性結合器５３ａ、第２の方向性結合器５３ｂ、第１の連結導波路５４ａ、第２の連結導波路５４ｂ、第１の出力導波路５５ａと第２の出力導波路５５ｂから構成される第３段目の第３の単位スイッチ３０と、入力導波路５６、第１の方向性結合器５７ａ、第２の方向性結合器５７ｂ、第１の連結導波路５８ａ、第２の連結導波路５８ｂ、第１の出力導波路５９ａ及び第２の出力導波路５９ｂから構成される第３段目の第４の単位スイッチ３１と、更に、第１段目の単位スイッチ２５の第１の出力導波路３５ａと第２段目の第１の単位スイッチ２６の入力導波路３６とを結ぶ導波路６０ａ、第１段目の単位スイッチ２５の第２の出力導波路３５ｂと第２段目の第２の単位スイッチ２７の入力導波路４０とを結ぶ導波路６０ｂ、第２段目の第１の単位スイッチ２６の第１の出力導波路３９ａと第３段目の第１の単位スイッチ２８の入力導波路４４とを結ぶ導波路６１ａと、第２段目の第１の単位スイッチ２６の第２の出力導波路３９ｂと第３段目の第２の単位スイッチ２９の入力導波路４８とを結ぶ導波路６１ｂと、第２段目の第２の単位スイッチ２７の第１の出力導波路４３ａと第３段目の第３の単位スイッチ３０の入力導波路５２とを結ぶ導波路６１ｃと、第２段目の第２の単位スイッチ２７の第２の出力導波路４３ｂと第３段目の第４の単位スイッチ３１の入力導波路５６とを結ぶ導波路６１ｄとから構成される。
【００７２】
図３に示す単位スイッチ２６と２７は連結導波路３８ｂと４２ａが光学的に結合しない程度に近接し、連結導波路３８ｂと４２ａの上に熱光学移相器（薄膜ヒータ）６２ｂが装荷され、更に単位スイッチ２８と２９、単位スイッチ３０と３１も同様に近接し、近接した連結導波路上に熱光学移相器（薄膜ヒータ）６２ｃ及び６２ｄが装荷された構成である。
【００７３】
ここで、例えば、全ての単位スイッチが連結導波路間に光路長差の無い対称型マッハツェンダ干渉計とした場合、光を出力導波路４７ａに出力させる時は全ての熱光学移相器をオフ状態とし、出力導波路４７ｂへ出力する時は熱光学位相器６２ｃを動作させオン状態とすることで達成できる。更に、出力導波路５１ａへ出力する時は、熱光学移相器６２ｂと６２ｃを、出力導波路５１ｂへ出力させる時は熱光学移相器６２ｂを、出力導波路５５ａへ出力させる時は熱光学移相器６２ａ、６２ｂを、出力導波路５５ｂへ出力させる時は熱光学移相器６２ａ、６２ｂ、６２ｄを、出力導波路５９ａへ出力させる時は熱光学移相器６２ａ、６２ｄを、そして出力導波路５９ｂへ出力させる時は熱光学移相器６２ａをオン状態とすることで達成できる。
【００７４】
つまり、従来、７個の各単位スイッチに熱光学移相器をそれぞれ独立配置（７個配置）することで切り替えを達成していたが、本発明の構成を用いれば４個の熱光学移相器で全く同じ切り替え動作が達成できる。
【００７５】
つまり、本発明を用いれば、１×Ｎ光スイッチ（Ｎは整数）における熱光学移相器の数は、（（Ｎ／２−１）＋１）個となり、１×４光スイッチ以上の規模のスイッチにおいても熱光学移相器の数を低減することが可能となる。
【００７６】
それによって、薄膜ヒータまでの配線が簡素化でき、更に駆動用電気回路の大幅な低減が可能となると共に、単位スイッチの間隔を狭くできることからスイッチの小型化に有効である。
【００７７】
以上、説明してきたように、連結光導波路上に装荷した位相制御器とを有するマッハツェンダ干渉計を備えた単位スイッチ素子を複数個組み合わせてなる導波路型光スイッチでは、それら複数個の単位スイッチ素子のうち、互いに平行に配置され、かつ同一のスイッチ動作を行う２個の単位スイッチに対しては、それぞれの単位スイッチ素子の所望１本の連結光導波路を互いに光学的に結合しない距離を保って平行に配置し、前記平行に配置された２本の連結光導波路の位相を同時制御する１つの一つの薄膜ヒータを備えることにより、互いの単位スイッチの間隔を狭くでき、かつその２つの単位スイッチは位相を制御する位相制御器（薄膜ヒータ）を１つで共有するので、導波路型光スイッチに用いられるヒータ数を削減し、かつそれによって発生する発熱量を低減することが可能になる。
【００７８】
また、導波路型光スイッチでは、発生する発熱量を低減することが可能になるので、それを冷却するための大きな冷却機構が必要なくなる。
【００７９】
さらに、位相制御器の数が減少するので、光スイッチが集積された導波路チップ上面の周囲端に給電用のパッドを配置し、薄膜ヒータと給電用パッド間を接続する金薄膜などの電気配線を複雑にすることなく形成できる。
【００８０】
さらに、薄膜ヒータに給電するためにスイッチの外部に用意する駆動用の電気回路も、薄膜ヒータの数が減少することにより、電気回路用の配線がより簡単にでき、その回路が占める面積や駆動回路からの発熱も低減できる。
【００８１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００８２】
例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型光スイッチの場合、導波路アームの両脇に配置した薄膜電極によって導波路に電界を与え、電気光学効果により屈折率変調を起こさせることで切り替えを行うが、この電極を本発明の構成を用いることで２つの干渉計で共有することが可能である。
【００８３】
また、上記各実施形態では、光スイッチに限定し光路長差が０もしくは半波長のマッハツェンダ干渉計について述べたが、本発明の構成は光路長差がそれら実施形態よりも大きく、波長の分離、合波、選択を行う可変フィルタとして動作するマッハツェンダ干渉計に対しても適用可能である。
【００８４】
【発明の効果】
本願において開示される発明によって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
導波路型光スイッチを形成する複数個の単位スイッチ素子のうち、互いに平行に配置され、かつ同一のスイッチ動作を行う２個の単位スイッチは、互いの単位スイッチの間隔を狭くでき、かつその２つの単位スイッチは位相を制御する位相制御器（薄膜ヒータ）を１つで共有するので、導波路型光スイッチに用いられる位相制御器数（薄膜ヒータ）を削減し、それによって発生する発熱量を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる導波路型光スイッチの構成を説明するための図である。
【図２】熱光学位相器（薄膜ヒータ）を駆動した時に生ずるクラッド中の温度分布を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかる導波路型光スイッチの構成を説明するための図である。
【図４】従来の導波路型光スイッチの構成を説明するための図である。
【図５】マッハツェンダ干渉計型単位スイッチの熱光学位相器駆動電力に対する光出力特性を示したグラフである。
【図６】マッハツェンダ干渉計型単位スイッチのスルーパスにおける方向性結合器の結合率に対する消光比を示したグラフである。
【符号の説明】
１，２，３，４…１×２単位スイッチ、５…入力導波路、６ａ，６ｂ…方向性結合器、７ａ，７ｂ…連結導波路、８ａ，８ｂ…出力導波路、９…入力導波路、１０ａ，１０ｂ…方向性結合器、１１ａ，１１ｂ…連結導波路、１２ａ，１２ｂ…出力導波路、１３ａ，１３ｂ…入力導波路、１４ａ，１４ｂ…方向性結合器、１５ａ，１５ｂ…連結導波路、１６…出力導波路、１７ａ，１７ｂ…入力導波路、１８ａ，１８ｂ…方向性結合器、１９ａ，１９ｂ…連結導波路、２０…出力導波路、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…導波路、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ…熱光学移相器（薄膜ヒータ）、２３…シリコン基板、２４…クラッド、２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１…１×２単位スイッチ、３２…入力導波路、３３ａ，３３ｂ…方向性結合器、３４ａ，３４ｂ…連結導波路、３５ａ，３５ｂ…出力導波路、３６…入力導波路、３７ａ，３７ｂ…方向性結合器、３８ａ，３８ｂ…連結導波路、３９ａ，３９ｂ…出力導波路、４０…入力導波路、４１ａ，４１ｂ…方向性結合器、４２ａ，４２ｂ…連結導波路、４３ａ，４３ｂ…出力導波路、４４…入力導波路、４５ａ，４５ｂ…方向性結合器、４６ａ，４６ｂ…連結導波路、４７ａ，４７ｂ…出力導波路、４８…入力導波路、４９ａ，４９ｂ…方向性結合器、５０ａ，５０ｂ…連結導波路、５１ａ，５１ｂ…出力導波路、５２…入力導波路、５３ａ，５３ｂ…方向性結合器、５４ａ，５４ｂ…連結導波路、５５ａ，５５ｂ…出力導波路、５６…入力導波路、５７ａ，５７ｂ…方向性結合器、５８ａ，５８ｂ…連結導波路、５９ａ，５９ｂ…出力導波路、６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ…導波路、６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ…熱光学移相器（薄膜ヒータ）。
【図１】
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【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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