(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された低屈折率のガラス層と、該ガラス層中にＸ字形状のパターンに形成された高屈折率で略矩形断面形状を有するガラスコア層と、上記パターンの交差部に上記パターンを二つのＶ字形状に分割するように形成されたポリマ材料からなる薄層と、該薄層の近傍に設けられた薄膜ヒータと、該薄膜ヒータに電圧を印加することによって上記薄層の屈折率を低下させ、一方のガラスコア層内を直線的に伝搬する光をＶ字状に曲げて伝搬させるための電源とを備え、上記Ｘ字形状のパターンの交差部近傍にポリマ材料からなる低屈折率層を設け、上記電源の電圧を調節することによってその低屈折率層の屈折率を低屈折率ガラス層の屈折率よりも低くなるように変化させることを特徴とする導波路型光スイッチ。
【請求項２】
上記ポリマ材料からなる薄層の屈折率は、電圧を調節することによって少なくともコア層の屈折率から低屈折率ガラス層の屈折率まで変化する請求項１に記載の導波路型光スイッチ。
【請求項３】
上記Ｘ字形状のパターンの交差角は１０°から６０°の範囲から選択される請求項１又は２に記載の導波路型光スイッチ。
【請求項４】
上記基板として、Ｓｉ基板を用いた請求項１から３のいずれかに記載の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、伝搬する光の光路の切り替えのために用いられる導波路型光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムが高度化するにつれて、低挿入損失、低クロストーク特性及び自己保持特性を有する空間分割形光スイッチのニーズが高まってきている。
【０００３】
従来、光スイッチの切り替え方式としては、図７に示すように光導波路の交差部にギャップを設け、このギャップ内への液体の注入／除去によって光導波路とギャップ界面との全反射条件を制御して光スイッチングを行う方式が提案されている。
【０００４】
図７（ａ）は導波路型光スイッチの従来例を示す側面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の上面図である。なお、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線断面図でもある。
【０００５】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、基板１上に低屈折率のバッファ層２を設け、その上に略矩形状の高屈折率のコア層５（５−１、５−２、５−３）をＴ字形状にパターン化し、Ｔ字の交差部１２にギャップ１３を設け、そのギャップ１３の両端部に屈折率整合用液体（コア層の屈折率と等しい値を有する液体）が充填された槽の液体充填部１６と空隙の槽の空隙部１７を設け、バッファ層２、コア層５、液体充填部１６、空隙部１７、交差部１２及びギャップ１３の上部に低屈折率のクラッド層４を形成した構成となっている。
【０００６】
なお、液体充填部１６及び空隙部１７の近傍には薄膜ヒータ７−１、７−２が設けられ、各薄膜ヒータ７−１、７−２にはリード部１９−１、１９−２、１９−３、１９−４が接続されている。リード部１９−１とリード部１９−２との間には電源２０−１とスイッチ１１−１とが接続され、リード部１９−３とリード部１９−４との間には、電源２０−２とスイッチ１１−２とが接続されている。
【０００７】
通常、スイッチ１１−１がオフで、スイッチ１１−２がオン状態で屈折率整合用液体は液体充填部１６及びギャップ１３内に充填されている。この状態では、コア層５−１内を伝搬してきた光入力信号９ー１は交差部１２を通過し、コア層５−２内を伝搬し、光出力信号９−２として出力される。
【０００８】
次にスイッチ１１−１をオンにし、スイッチ１１−２をオフにすると、液体充填部１６内及びギャップ１３内の液体が空隙部１７内に移動する。液体が空隙部１７内に移動すると、交差部１２は空隙になるので、コア層５−１内を伝搬していた光入力信号９−１は、空隙部１７で全反射されてコア層５−３内を伝搬し、光出力信号９−３として出力される。
【０００９】
以上のように空隙部１７の容積を液体充填部１６の容積よりも大きくしておき、スイッチ１１−１（１１−２）をオフ（オン）、オン（オフ）にすることにより、光入力信号９−１の方向を切り替えて光出力信号９−２（９−３）として伝搬させることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示した従来例には以下のような問題点があった。
【００１１】
（１）  光入力信号９−１を光出力信号９−２として出力させる場合と、スイッチを切り替えて光出力信号９−３として出力させる場合とで、光信号の減衰状態に極端なアンバランスが生じた。すなわち、光出力信号９−２は比較的低損失で伝搬させることができるが、スイッチを切り替えて光出力信号９−３として出力させる場合には、偏波依存性損失が加わるために、大きな損失を伴った。このように、光路を切り替えることによって光損失のアンバランスが生じると、光回線の設計が困難になってしまう。
【００１２】
（２）  光出力信号９−２と光出力信号９−３との光アイソレーションを大きくとれない（約１５ｄＢ）ことである。すなわち、光入力信号９−１を光出力信号９−２の方向へ伝搬させる場合、コア層５−３へも光入力信号が漏洩し、逆に光入力信号９−１を光出力信号９−３の方向へ伝搬させる場合に、光入力信号９−１がコア層５−２へ大きく漏洩し、クロストーク特性の劣化を引き起こしてしまう。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光路を切り替えても光損失のアンバランスが生じることがなく、しかもクロストーク特性に優れた導波路型光スイッチを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、基板と、基板上に形成された低屈折率のガラス層と、ガラス層中にＸ字形状のパターンに形成された高屈折率で略矩形断面形状を有するガラスコア層と、パターンの交差部にパターンを二つのＶ字形状に分割するように形成されたポリマ材料からなる薄層と、薄層の近傍に設けられた薄膜ヒータと、薄膜ヒータに電圧を印加することによって薄層の屈折率を低下させ、一方のガラスコア層内を直線的に伝搬する光をＶ字状に曲げて伝搬させるための電源とを備え、Ｘ字形状のパターンの交差部近傍にポリマ材料からなる低屈折率層を設け、電圧を調節することによってその低屈折率層の屈折率を低屈折率ガラス層の屈折率よりも低くなるように変化させる導波路型光スイッチである。
【００１５】
上記構成に加え本発明の導波路型光スイッチは、ポリマ材料からなる薄層の屈折率は、電圧を調節することによって少なくともコア層の屈折率から低屈折率ガラス層の屈折率まで変化するようにしてもよい。
【００１６】
上記構成に加え本発明の導波路型光スイッチは、Ｘ字形状のパターンの交差角は１０°から６０°の範囲から選択されるのが好ましい。
【００１７】
上記構成に加え本発明の導波路型光スイッチは、基板として、Ｓｉ基板を用いるのが好ましい。
【００１８】
上記構成によって、Ｘ字形状のコアパターン構成で光スイッチングができるので、小形サイズの導波路型光スイッチを実現することができる。その結果、導波路の伝搬損失を低くすることができる。また、ポリマ材料はわずかな温度範囲で屈折率を大きく変化させることができるので、高速の光スイッチングを行うことができる。さらに、Ｘ字形状のコアパターンの交差部での光パワー分布の拡がりを抑えるように低屈折率のポリマ材料で取り囲んでいるので、電気的なスイッチのオンオフ時の挿入損失の偏差が小さくなり、かつ大きな消光比を得ることができる。また、２入力２出力の光スイッチを複数個組み合わせて接続することにより、Ｎ入力Ｍ出力（Ｎ：≧２、Ｍ：≧４）、Ｍ入力Ｍ出力等のマトリクス光スイッチを小形サイズで形成することができる。さらにまた、温度をわずかに変えるだけで光スイッチングができるので、低消費電力の導波路形光スイッチを得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。なお、従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００２０】
図１（ａ）は本発明の導波路型光スイッチの一実施の形態を示す上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図である。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図でもある。
【００２１】
この導波路型光スイッチは、光の伝搬するコア層５（５−１〜５−４）のようにＸ字形状にパターニングし、コア層５−１〜５−４からなるコアパターンの交差部１２に、コアパターンを二つのＶ字形状に分割する屈折率制御層６を設けた構成となっている。この屈折率制御層６の上部には上部クラッド層４−３が設けられ、上部クラッド層４−３の上には薄膜ヒータ７が設けられている。薄膜ヒータ７には電源（例えば直流安定化電源或いは電池）８とスイッチ１１とが直列接続されている。スイッチ１１をオンすることによって電源８からの電圧が薄膜ヒータ７に印加され、屈折率制御層６が加熱される。この加熱によって屈折率制御層６の屈折率が大幅に低下する。このようなスイッチング操作により、コア層５−１に入射した光入力信号９−１は、スイッチ１１をオンにする前には矢印９−１−１、９−１−３の方向に伝搬し、光出力信号９−３として出力されていたが、スイッチ１１をオンにすることにより、光入力信号９−１は矢印９−１−１、９−１−２の方向に伝搬し、光出力信号９−２として切り替えられて出力される。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について図１を参照して説明する。
【００２３】
基板（通常はＳｉ基板を用いるが、セラミックスやガラス基板でもよい。但し、熱伝導性の点からはＳｉ基板が好ましい）１上にバッファ層２が形成されている。このバッファ層２は光透過性の良いＳｉＯ２或いはＳｉＯ２に屈折率制御用添加物Ｆ、Ｂ、Ｐ等を添加したものが用いられる。このバッファ層２の上には光の伝搬するコア層５及び屈折率制御層６が形成されており、このコア層５及び屈折率制御層６の側面には側面クラッド層４−１、４−２が形成されている。
【００２４】
コア層５、屈折率制御層６及び側面クラッド層４−１、４−２の上には上部クラッド層４−３が形成され、上部クラッド層４−３の表面（或いは内面、内部）には薄膜ヒータ７が形成されている。コア層５にはＳｉＯ２或いはＳｉＯ２にＴｉ、Ｇｅ、Ｐ等の屈折率を高める屈折率制御用添加物を添加したものが用いられる。このコア層５とバッファ層２との比屈折率差Δは０．３％から２％の範囲から選ばれる。この比屈折率差Δはできる限り大きい方が角度θ１を大きくとることができる。
【００２５】
上部クラッド層４−３はバッファ層２と同一の材料のものが用いられる。
【００２６】
屈折率制御層６にはポリマ材料を用いるのが好ましい。以下その理由について述べる。コア層５−１〜５−４をパターニングした後、上部クラッド層４−３で覆い、上部クラッド層４−３の表面から上部クラッド層４−３及びコア層５−１〜５−４内に溝を形成する（この溝形成はドライエッチングプロセスにより形成する）。その後でこの溝内に屈折率制御用の液体を注入し、加熱して硬化させて屈折率制御層６を形成する。その後で上部クラッド層４−３の溝を埋め、最後に薄膜ヒータ７を形成する。このように、溝を形成してその溝内に材料を埋めるには液状のポリマ材料が好適である。
【００２７】
次にコア層５にＴｉ或いはＧｅを添加したＳｉＯ２を用い、屈折率（波長０．６３μｍでの値）１．４６９のものを用いる場合には、屈折率制御層６には例えば図２に示すような屈折率の温度依存性を有するシリコーン（東レ・ダウコーング社製、オプティカルコンパウンドＳＣ１０７）が用いられる。
【００２８】
なお、図２は光通信用シリコーン材料の屈折率の温度特性を示す図であり、横軸が温度軸、縦軸が屈折率軸である。
【００２９】
このシリコーンの温度２０℃での屈折率は約１．４６９であり、コア層５の屈折率と同じ値である。すなわち、温度２０℃付近ではコア層５の屈折率と屈折率制御層６の屈折率は略等しく約１．４６９であり、コア層５とバッファ層（上部クラッド層４−３及び側面クラッド層４−１、４−２も同じＳｉＯ２を用いる）２の比屈折率差Δは約１％である。この状態では光入力信号９−１は矢印９−１−１、９−１−３の方向へ伝搬し光出力信号９−３として出力される。
【００３０】
次にスイッチ１１をオンにして、薄膜ヒータ７に電圧を印加し、屈折率制御層６の温度を約５０℃にすると、この屈折率制御層６の屈折率は約１．４５８となる。また、コア層５の屈折率（１．４６９）とバッファ層２、上部クラッド層４−３及び側面クラッド層４−１、４−２の屈折率（１．４５８）は、薄膜ヒータ７による加熱ではほとんど変化しない。その結果、コア層５と屈折率制御層６との比屈折率差Δは約１％となり、光入力信号９−１は、この屈折率制御層６が反射面となるため、矢印９−１−２方向にコア層５−２を伝搬し、光出力信号９−２として出射する。すなわち、光のスイッチングが起こったことになる。
【００３１】
ここで、スイッチ１１をオンにしたとき、光入力信号９−１をできるだけ多く矢印９−１−２方向へ導くためには角度θ１を小さくし、角度θ２を大きくするか、或いは屈折率制御層６の屈折率変化を大きくしなければならない。具体的には、上記実施例の場合、角度θ１は１０°から６０°の範囲、角度θ２は１７０°から１２０°の範囲から選択される。
【００３２】
図３は、図１に示した導波路型光スイッチの上面図である。
【００３３】
薄膜ヒータ（Ｃｒ、Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ等）７が屈折率制御層６の上面の上部クラッド層４−３の表面に形成され、この薄膜ヒータ７にスイッチ１１と電源８とが直列接続されている。
【００３４】
図４（ａ）は本発明の導波路型光スイッチの他の実施例を示す上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の側面図である。なお、図４（ａ）は図４（ｂ）のＥ−Ｅ線断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ線断面図でもある。
【００３５】
この導波路型光スイッチは、図１に示した導波路型光スイッチのＸ字形状の交差部１２の近傍に低屈折率層１０−１〜１０−４を設けた構造を有している。この低屈折率層１０−１〜１０−４は、バッファ層２、側面クラッド層４−１、４−２及び上部クラッド層４−３の屈折率よりもさらに低い値の屈折率を有するものが用いられる。例えば、図５に示すような特性を有するシリコーン（信越化学製シリコーンＯＦ８）が用いられる。
【００３６】
なお図５は石英ガラス及びシリコーンの屈折率の温度依存性を示す図であり、横軸が温度軸、縦軸が屈折率軸である。
【００３７】
このシリコーンは、室温２０℃付近では屈折率は約１．４３６であるが、５０℃近くになると、屈折率は約１．４２５となる。すなわち、スイッチ１１がオフのときにはコア層５と低屈折率層１０−１〜１０−４との比屈折率差Δは約２．２５％であったが、スイッチ１１がオンのときには比屈折率差Δは約３％近くになり、よりコア層５内への光の閉じ込めが強くなって、光入力信号９−１はほとんどが矢印９−１−２方向へ切り替えられて伝搬する。したがって、Ｘ字形状のパターンの交差部１２での伝搬モードの不要な拡がりによる伝搬損失を抑えることができ、消光比の大きい光スイッチを実現することができる。なお、この低屈折率層１０−１〜１０−４には、ポリマ材料を用いるのが好ましい（温度２０℃で屈折率が約１．４５、温度５０℃で屈折率が約１．４４程度のもの）。
【００３８】
次にバッファ層２、側面クラッド層４−１、４−２、上部クラッド層４−３に多成分系のガラス材料を用いた場合には、屈折率制御層６には、例えば図６に示すような特性の形状記憶ポリマ（三菱重工業製ＭＭ４５００）を用いることができる。なお図６は形状記憶ポリマの屈折率の温度依存性を示す図であり、横軸が温度軸、縦軸が屈折率軸である。
【００３９】
本発明は上述した実施例には限定されない。まず図１に示した導波路型光スイッチを多段に組み合わせてＮ入力Ｍ出力（Ｎ：≧２、Ｍ：≧４）の光スイッチやＭ入力Ｍ出力の光スイッチ等のマトリクス光スイッチを構成することができることはいうまでもない。薄膜ヒータ７は側面クラッド層４−１、４−２内やバッファ層２の中や下面に設けてもよい。なお、薄膜ヒータ７は常時オン状態にしておき、電源８の電圧を調節することによって屈折率制御層６の温度を２０℃から５０℃の範囲内で調節してもよい。また、薄膜ヒータ７による温度制御は、光スイッチをパッケージ（金属製或いはセラミックス製）内に収納し、パッケージ内に温度センサを配置し、その温度センサの信号を基にして制御してもよい。
【００４０】
以上において本発明の導波路型光スイッチは、
（１）  Ｘ字形状のパターンの交差部での光パワー分布の拡がりを抑えることができるので、電気スイッチのオンオフ時の挿入損失の偏差が小さく、かつ大きな消光比が得られる。すなわち、光路を切り替えても光損失のアンバランスが生じることがない。
【００４１】
（２）  Ｘ字形状のパターンの交差角を１０°から６０°の範囲から選択することにより、クロストーク特性を向上させることができる。
【００４２】
（３）  小形サイズのため、低損失である。
【００４３】
（４）  わずかな温度可変範囲でＸ字形状のパターンの交差部の屈折率が変化するので、高速の光スイッチングを行うことができる。
【００４４】
（５）  わずかな温度可変範囲で光スイッチングを行うので、低消費電力を実現できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４６】
光路を切り替えても光損失のアンバランスが生じることがなく、しかもクロストーク特性に優れた導波路型光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の導波路型光スイッチの一実施の形態を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図２】  光通信用シリコーン材料の屈折率の温度特性を示す図である。
【図３】  図１に示した導波路型光スイッチの上面図である。
【図４】  （ａ）は本発明の導波路型光スイッチの他の実施例を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図５】  石英ガラス及びシリコーンの屈折率の温度依存性を示す図である。
【図６】  形状記憶ポリマの屈折率の温度依存性を示す図である。
【図７】  （ａ）は導波路型光スイッチの従来例を示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
４−１、４−２  側面クラッド層
４−３  上部クラッド層
５（５−１〜５−４）  コア層
６  屈折率制御層
７  薄膜ヒータ
８  電源
１１  スイッチ
【図１】
0003713942.tif 000002
【図２】
0003713942.tif 000003
【図３】
0003713942.tif 000004
【図４】
0003713942.tif 000005
【図５】
0003713942.tif 000006
【図６】
0003713942.tif 000007
【図７】
0003713942.tif 000008