(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第１の方向性結合器と、
該第１の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタと、
該第１の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第２の方向性結合器と、
該第２の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の他方に対して形成され、この他方の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタと、
該第２の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第３の方向性結合器とを有し、
前記第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１であることを特徴とする光導波路型光スイッチ。
【請求項２】
コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第１の方向性結合器と、
該第１の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタと、
該第１の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第２の方向性結合器と、
該第２の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタと、
該第２の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第３の方向性結合器とを有し、
前記第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１であることを特徴とする光導波路型光スイッチ。
【請求項３】
前記第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１よりもそれぞれの略４％以内で長いことを特徴とする請求項１または２記載の光導波路型光スイッチ。
【請求項４】
前記第１および第２の位相シフタは、前記光導波路のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路型光スイッチ。
【請求項５】
前記光導波路のうち、少なくとも前記熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路は、高分子材料で構成されることを特徴とする請求項４記載の光導波路型光スイッチ。
【請求項６】
コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第１の方向性結合器と、該第１の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタと、該第１の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第２の方向性結合器と、該第２の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタと、該第２の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第３の方向性結合器と、該第３の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の他方に対して形成され、この他方の光導波路のコアの光学長を変化させる第３の位相シフタと、該第３の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第４の方向性結合器と、該第４の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の他方に対して形成され、この他方の光導波路のコアの光学長を変化させる第４の位相シフタと、該第４の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第５の方向性結合器とを有し、
前記第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１であることを特徴とする光導波路型光スイッチ。
【請求項７】
前記第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１よりもそれぞれの略４％以内で長いことを特徴とする請求項６記載の光導波路型光スイッチ。
【請求項８】
前記第１乃至第４の位相シフタは、前記光導波路のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタであることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の光導波路型光スイッチ。
【請求項９】
前記光導波路のうち、少なくとも前記熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路は、高分子材料で構成されることを特徴とする請求項８記載の光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、光通信および光信号処理システムにおいて使用される光導波路型光スイッチに関し、更に詳しくは、光導波路構造の作製誤差や光導波路材料の屈折率変化に対して許容度が大きくて、高消光比を維持することができる光導波路型光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路型光スイッチは、小型で集積化が容易なため、光通信網のクロスコネクトやアドドロップマルチプレクサ用光路切り替えスイッチ用として有望視されている。特に、石英ガラス製光導波路を用いて作製された熱光学光スイッチは、低挿入損失であり、１６×１６などの大規模光スイッチの実績もある（T.Goh et al.,"Low-Loss and High-Extinction-Ratio Silica-Based Strictly Nonblocking 16×16 Thermooptic Matrix Switch",IEEE Photonics Technol.Lett.,vol.10,No.6,pp.810-812,1998）。ここでは、２×２または１×２の単位光スイッチとしてマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型光スイッチが用いられている。石英ガラスＭＺＩ型熱光学スイッチは、その熱光学位相シフタに約４００ｍＷの加熱電力を与えることで光路切り替えを実現している。
【０００３】
一方、アクリル系高分子または紫外線硬化エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂またはポリイミドに代表される高分子光導波路材料は、石英ガラスのような無機ガラス光導波路材料に比べて熱光学定数が約１桁大きく、熱伝導率が約１桁小さいため、熱光学位相シフタの消費電力が約１００分の１となる特長がある。実際、約５ｍＷの低電力で動作する高分子光導波路ＭＺＩ型熱光学スイッチが報告されている（Y.Hida et al.,"Polymer Waveguide Thermooptic Switch with Low Electric Power Consumption at 1.3μm",IEEE Photonics Technol.Lett.,Vol.5,No.7,pp.782-784,1993）。
【０００４】
ＭＺＩ型光スイッチは、図１４に示すように、２つのコア１１が第１の方向性結合器（以下、方向性結合器をＤＣと略称する）１２、位相シフタ１７、第２のＤＣ１３を順次形成している。ポート１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂでの入力出光の複素振幅をψ1a，ψ1b，ψ2a，ψ2bとすると、
【数１】
0003664933.tif 000002
の関係が成り立つ。ただし、
【数２】
0003664933.tif 000003
ＬはＤＣ１２，１３の完全結合長、ｌは実際のＤＣ１２，１３の結合長、θは位相シフタ１７により与えられる位相差である。
【０００５】
式１を基にポート１ａ−２ａ間と１ａ−２ｂ間の透過率を計算した結果を図１５に示す。位相差０でクロスステイト、πでバーステイトとなり、消光比はｌ＝Ｌ／２の場合、理論上無限大となる（図１５実線）。なお、図１５において、実線３０はポート１ａ−２ｂ間のｌ（タイプ注：エルＬの小文字ｌです）＝Ｌ／２の場合の光透過率を示し、実線３１はポート１ａ−２ａ間のｌ＝Ｌ／２の場合の光透過率を示し、実線３２は実線３０と重なっているが、１ａ−２ｂ間のｌ＝Ｌ／２×１．０２の場合の光透過率を示し、点線３３は１ａ−２ａ間のｌ＝Ｌ／２×１．０２の場合の光透過率を示す。
【０００６】
しかしながら、光導波路作製誤差によりＤＣの結合長がずれるとクロスステイトでの消光比が悪化する。例えば、図１５点線のように２％結合長がずれるだけで、３０ｄＢが消光比の限界となる。また、位相シフタが与える位相シフト量の誤差は、バーステイトの消光比を悪化させる。この誤差は、例えば熱光学位相シフタの場合であると、光導波路材料の熱光学定数が環境温度等に依存して変化した場合に生じする。これらの消光比の低下を回避するために、前述の石英ガラスＭＺＩ型熱光学スイッチでは、ＭＺＩを複数段に接続して消光比の改善を図っている。
【０００７】
一方、高分子ＭＺＩ熱光学スイッチでは、位相シフタ動作に伴う水分の吸脱着による屈折率変化のため、ゆっくりと変化する位相誤差を生じ、動作点がドリフトする問題が指摘されている（Y.Hida et al.,"Moisture-induced drift in thermo-optec phase shifters composed of deuterated and fluorinated methacrylate polymer waveguide",Appl.Optics,Vol.35,No.27,pp.6828-6837,1997）。このため、高分子光導波路を用いた実用的なＭＺＩ型光スイッチは実現されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＭＺＩ型光スイッチは、上述したように、方向性結合器の結合長誤差、駆動用位相シフト量誤差の許容量が小さいため、単独では高消光比が得にくいという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、結合長誤差、位相シフト量誤差の許容量が大きく、高消光比を維持することができる光導波路型光スイッチを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第１の方向性結合器と、該第１の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタと、該第１の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第２の方向性結合器と、該第２の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の他方に対して形成され、この他方の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタと、該第２の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第３の方向性結合器とを有し、前記第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１であることを要旨とする。
【００１１】
請求項１記載の本発明にあっては、光導波路が第１の方向性結合器、第１の位相シフタ、第２の方向性結合器、第２の位相シフタ、第３の方向性結合器を順次形成し、第１の位相シフタは一方の光導波路のコアに、第２の位相シフタは他方の光導波路のコアに同時に作用するように構成されているため、位相シフト量０または２πのクロスステイトにおいて高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きく、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに、高消光比を得ることができ、また、第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長がそれぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１である。
【００１２】
また、請求項２記載の本発明は、コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第１の方向性結合器と、該第１の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタと、該第１の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第２の方向性結合器と、該第２の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタと、該第２の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第３の方向性結合器とを有し、前記第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１であることを要旨とする。
【００１３】
請求項２記載の本発明にあっては、光導波路が第１の方向性結合器、第１の位相シフタ、第２の方向性結合器、第２の位相シフタ、第３の方向性結合器を順次形成し、第１および第２の位相シフタは一方の光導波路のコアに同時に作用するように構成されているため、位相シフト量π近傍のバーステイトにおいて高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きく、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに、高消光比を得ることができ、また、第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長がそれぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１である。
【００１６】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長が、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１よりもそれぞれの略４％以内で長いことを要旨とする。
【００１７】
請求項３記載の本発明にあっては、第１、第２、および第３の方向性結合器の結合長がそれぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１よりもそれぞれの略４％以内で長い。
【００１８】
また、請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第１および第２の位相シフタが、前記光導波路のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタであることを要旨とする。
【００１９】
請求項４記載の本発明にあっては、第１および第２の位相シフタが光導波路のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタである。
【００２０】
更に、請求項５記載の本発明は、請求項４記載の発明において、前記光導波路のうち、少なくとも前記熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路が、高分子材料で構成されることを要旨とする。
【００２１】
請求項５記載の本発明にあっては、少なくとも熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路が高分子材料で構成されている。
【００２２】
請求項６記載の本発明は、コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第１の方向性結合器と、該第１の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタと、該第１の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第２の方向性結合器と、該第２の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の一方に対して形成され、この一方の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタと、該第２の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第３の方向性結合器と、該第３の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の他方に対して形成され、この他方の光導波路のコアの光学長を変化させる第３の位相シフタと、該第３の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第４の方向性結合器と、該第４の方向性結合器に続いて前記２本の光導波路の他方に対して形成され、この他方の光導波路のコアの光学長を変化させる第４の位相シフタと、該第４の位相シフタに続いて前記２本の光導波路に形成され、該２本の光導波路の導波光を結合する第５の方向性結合器とを有し、前記第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器の結合長は、それぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１であることを要旨とする。
【００２３】
請求項６記載の本発明にあっては、光導波路が第１の方向性結合器、第１の位相シフタ、第２の方向性結合器、第２の位相シフタ、第３の方向性結合器、第３の位相シフタ、第４の方向性結合器、第４の位相シフタ、第５の方向性結合器を順次形成し、第１および第２の位相シフタは一方の光導波路のコアに、第３および第４の位相シフタは他方の光導波路のコアに作用するように構成されているため、クロスステイトおよびバーステイトの両方において高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きく、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに、高消光比を得ることができ、また、第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器の結合長がそれぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１である。
【００２６】
更に、請求項７記載の本発明は、請求項６記載の発明において、前記第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器の結合長が、それぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１よりもそれぞれの略４％以内で長いことを要旨とする。
【００２７】
請求項７記載の本発明にあっては、第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器の結合長がそれぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１よりもそれぞれの略４％以内で長い。
【００２８】
請求項８記載の本発明は、請求項６又は請求項７に記載の発明において、前記第１乃至第４の位相シフタが、前記光導波路のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタであることを要旨とする。
【００２９】
請求項８記載の本発明にあっては、第１乃至第４の位相シフタが光導波路のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタである。
【００３０】
また、請求項９記載の本発明は、請求項８記載の発明において、前記光導波路のうち、少なくとも前記熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路が、高分子材料で構成されることを要旨とする。
【００３１】
請求項９記載の本発明にあっては、熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路が高分子材料で構成される。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路型光スイッチの構成を示す図である。同図に示す光導波路型光スイッチは、コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第１の方向性結合器１２、この第１の方向性結合器１２に続いて２本の光導波路１１の一方である第１の光導波路に対して形成され、この第１の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタ１７、この第１の位相シフタに続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第２の方向性結合器１３、この第２の方向性結合器１３に続いて２本の光導波路１１の他方である第２の光導波路に対して形成され、この第２の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタ１８、およびこの第２の位相シフタ１８に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第３の方向性結合器１４から構成されている。なお、１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂはポートである。
【００３３】
また、図２は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路型光スイッチの構成を示す図である。同図に示す光導波路型光スイッチは、コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第１の方向性結合器１２、この第１の方向性結合器１２に続いて２本の光導波路の一方である第１の光導波路に対して形成され、この第１の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタ１７、この第１の位相シフタ１７に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第２の方向性結合器１３、該第２の方向性結合器１３に続いて２本の光導波路１１の一方である第１の光導波路に対して形成され、この第１の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタ１８、およびこの第２の位相シフタ１８に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第３の方向性結合器１４から構成されている。
【００３４】
図１および図２に示す光導波路型光スイッチでは、方向性結合器１２，１３，１４の完全結合長Ｌに対して、実際の方向性結合器の結合長ｌがその半分、すなわちｌ＝Ｌ／２である場合、図１、図２に示すように、第２の方向性結合器１３の実際の結合長ｌに対して第１および第３の方向性結合器１２，１４の実際の結合長は、ｌ／２である。すなわち、第１、第２、および第３の方向性結合器１２，１３，１４の結合長は、それぞれ完全結合長の４分の１、２分の１、および４分の１である。また、第１、第２、および第３の方向性結合器１２，１３，１４の結合長は、それぞれ完全結合長の４分１、２分の１、および４分の１よりも僅かに長くてもよい。第１および第２の位相シフタ１７，１８は、光導波路１１のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタであり、少なくとも熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路は高分子材料で構成されている。
【００３５】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光導波路型光スイッチの構成を示す図である。同図に示す光導波路型光スイッチは、コアおよびクラッドから各々が構成される２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第１の方向性結合器１２、該第１の方向性結合器１２に続いて２本の光導波路１１の一方である第１の光導波路に対して形成され、この第１の光導波路のコアの光学長を変化させる第１の位相シフタ１７、この第１の位相シフタ１７に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第２の方向性結合器１３、該第２の方向性結合器１３に続いて２本の光導波路１１の一方である第１の光導波路に対して形成され、この第１の光導波路のコアの光学長を変化させる第２の位相シフタ１８、該第２の位相シフタ１８に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第３の方向性結合器１４、この第３の方向性結合器１４に続いて２本の光導波路１１の他方である第２の光導波路に対して形成され、この第２の光導波路のコアの光学長を変化させる第３の位相シフタ１９、この第３の位相シフタ１９に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第４の方向性結合器１５、この第４の方向性結合器１５に続いて２本の光導波路１１の他方である第２の光導波路に対して形成され、この第２の光導波路のコアの光学長を変化させる第４の位相シフタ２０、および該第４の位相シフタ２０に続いて２本の光導波路１１に形成され、該２本の光導波路１１の導波光を結合する第５の方向性結合器１６から構成されている。
【００３６】
図３に示す光導波路型光スイッチでは、方向性結合器１２，１３，１４，１５，１６の完全結合長Ｌに対して、実際の方向性結合器の結合長ｌ（タイプ注：エルＬの小文字ｌです）がその半分、すなわちｌ＝Ｌ／２である場合、図３に示すように、第１および第５の方向性結合器１２，１６の実際の結合長はｌ／４であるのに対して、第２、第３、第４の方向性結合器１３，１４，１５の実際の結合長はｌ／２である。すなわち、第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器１２，１３，１４，１５，１６の結合長は、それぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１である。また、第１、第２、第３、第４、および第５の方向性結合器１２，１３，１４，１５，１６の結合長はそれぞれ完全結合長の８分の１、４分の１、４分の１、４分の１、および８分の１よりも僅かに長くてもよい。第１乃至第４の位相シフタ１７，１８，１９，２０は、光導波路１１のコアに近接して設けられるヒータを有する熱光学位相シフタであり、少なくとも熱光学位相シフタが形成される部分の光導波路は高分子材料で構成されれている。
【００３７】
図１乃至図３に示した光導波路型光スイッチの構成において、上述した図１、図２、図３に示した光導波路型光スイッチをそれぞれＡ，Ｂ，Ｃタイプの光導波路型光スイッチと記載することにする。光導波路１１は、通常のシングルモード条件を満たす範囲でコアサイズおよびコア・クラッド間の屈折率差を設定することができる。方向性結合器（以下、ＤＣと略称する）は、２つのコアを光結合するまで隣接させた通常の構造の他、多モード干渉計を用いても同等の効果が得られる。位相シフタは、熱光学効果、電気光学効果など光導波路の光学長を可変とするものであれば何れでもよい。Ａ，Ｂ，Ｃタイプの構造の光スイッチの特性は、それぞれ式２、式３、式４で表される。式中の変数は式１と同じである。
【００３８】
【数３】
0003664933.tif 000004
これらの式を基に図１、図２、図３に示した光導波路型光スイッチの光透過率を計算した結果がそれぞれ図４、図５、図６に示すスイッチ特性である。図４、図５、図６に示すスイッチ特性において、実線３０は、ｌ＝Ｌ／２の場合のポート１ａ−２ｂ間の光透過率であり、実線３１は、ｌ＝Ｌ／２の場合のポート１ａ−２ａ間の光透過率であり、実線３０に重なっている点線３２は、ｌ＝Ｌ／２×１．０２の場合のポート１ａ−２ｂ間の光透過率であり、点線３３は、ｌ＝Ｌ／２×１．０２の場合のポート１ａ−２ａ間の光透過率である。また、細実線３４は、第１、第３のＤＣにおいてｌ＝Ｌ／２×１．０４の場合および第２のＤＣにおいてはｌ＝Ｌ／２の場合のポート１ａ−２ｂ間の光透過率である。
【００３９】
Ａタイプの光導波路型光スイッチは、図４に特性を示すように、位相シフト量０または２πのクロスステイトにおいて高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きいことがわかる。例えば、消光比が３０ｄＢを越える範囲は、従来のＭＺＩ型が±０．０２π程度なのに対して±０．１π以上に改善されている。更に、図４の点線で表記したような、ＤＣの結合長が２％長い場合では、消光比が３０ｄＢを越える位相シフト量範囲がさらに広がる。必要とされる消光比に合わせて、結合長を長めに設計することで、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに高消光比を得ることができることがわかる。
【００４０】
Ｂタイプの光導波路型光スイッチは、図５に特性を示すように、位相シフト量π近傍のバーステイトにおいて高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きいことがわかる。例えば、消光比が３０ｄＢを越える範囲は、±０．１π以上に改善されている。更に、図５の細実線で表記した第１と第３のＤＣ１２，１４ではｌ＝Ｌ／２×１．０４、第２のＤＣ１３ではｌ＝Ｌ／２の場合は、消光比が３０ｄＢを越える位相シフト量範囲がさらに広がる。
【００４１】
Ｃタイプの光導波路型光スイッチは、図６に特性を示すように、クロスステイト、バーステイトの両方において高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きいことがわかる。クロスステイト、バーステイトで消光比が３０ｄＢを越える範囲は、それぞれ±０．０８π、±０．１π程度に改善されている。更に、実際の素子中のＤＣの結合長を長めにすることで、クロスステイトで消光比が３０ｄＢを越える範囲が±０．１２π程度にまで改善される。
【００４２】
上述したように、図１、図２、図３に示す光導波路型光スイッチは、クロスステイト、バーステイト、またはその両方において作製誤差などの影響を最小限にとどめ、高消光比を実現することがわかる。
【００４３】
石英ガラス製光導波路と薄膜ヒータによる位相シフタ用いた光導波路型光スイッチに本発明の構造を使用すると、環境温度に影響されず高消光比を得ることができる。更に、ＤＣの作製誤差の許容量が大きくなるために作製歩留まりが向上する利点もある。
【００４４】
本発明は広い位相誤差許容量をもつため、高分子光導波路の欠点であった動作点のドリフトの影響を受けにくい。これにより、高分子光導波路を使用して低消費電力の実用的な光スイッチを実現できることになる。
【００４５】
次に、図１、図２、図３に示したＡ，Ｂ，Ｃタイプの光導波路型光スイッチを適用した種々の実施例について説明する。
【００４６】
まず、実施例１として、高分子光導波路を用いて、図１、図２、図３に示すＡ，Ｂ，Ｃタイプの光導波路型熱光学光スイッチを作製した場合について説明する。この実施例１では、ＤＣはコア間ギャップ３μｍ、結合長パラメータｌ＝１．０ｍｍとし、位相シフタはコア間ギャップ１００μｍ、薄膜ヒータの長さ２ｍｍ、幅２０μｍとした。ＤＣと位相シフタの間は、曲率半径３０ｍｍのＳ字光導波路で結ばれている。光スイッチ全長は、入力出用直線光導波路を含めてＡ，Ｂタイプは２６ｍｍ、Ｃタイプは３８ｍｍである。
【００４７】
屈折率１．４８９の重水素化シリコーン樹脂をコアに、屈折率１．４８３の重水素化シリコーン樹脂をクラッドに用いて、シリコン基板上に上述した図１〜図３の光導波路を作製した。シリコーン樹脂光導波路の作製方法は、「熱光学デバイス」（特願平９−３６１３８３号）に準じた。コア断面サイズは７．５μｍ×７．５μｍ、下層クラッド厚、コア上の上部クラッド厚は、それぞれ１６μｍ、１４μｍとした。導波路上に金薄膜をスパッタ法で形成し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング法を用いて、位相シフタ部のコア上にストリップ状の薄膜抵抗ヒータを作製した。
【００４８】
波長１．５５μｍのＬＥＤ光源を１ａポートに、２つの光パワーメータを２ａ，２ｂポートにそれぞれ接続し、ＡタイプおよびＢタイプでは２つの、Ｃタイプでは４つのヒータに等しい加熱電力を与えて、スイッチ特性を測定した。１ヒータ当たりの加熱電力と透過率の測定結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
0003664933.tif 000005
この結果から、Ａタイプはクロスステイトで、Ｂタイプはバーステイトで、Ｃタイプはその両方で高消光比を達成していることがわかった。動作温度を０〜６０℃に変化させても、これらの高消光比状態は、大きく変化しなかった。一方、ＡタイプおよびＢタイプでは２つの、Ｃタイプでは４つのヒータに与える加熱電力が等しくない場合は消光比の低下が認められた。
【００５０】
次に、実施例２として、実施例１と同様の光スイッチを結合長パラメータｌ＝１．０１ｍｍとして作製した。実施例１と同様の測定を行った結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
0003664933.tif 000006
この結果からＡタイプとＣタイプのクロスステイトで消光比の向上が観測された。
【００５２】
次に、実施例３として、高分子光導波路を用いて、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８、図９に示すＤ，Ｅ，Ｆタイプの光導波路型熱光学光スイッチを作製した。図７〜図９において、Ａ部は図１の構造、Ｂ部は図２の構造を表している。Ａ部、Ｂ部を結ぶ部分は、直線または曲率半径３０ｍｍの曲線光導波路で構成した。光導波路の材料と作製法、ＡまたはＢ部分の構造は実施例１と同じとした。
【００５３】
波長１．５５μｍのＬＥＤ光源を１ａポートに、２つの光パワーメータを２ａ，２ｂポートにそれぞれ接続して透過率を測定した。
【００５４】
Ｄタイプは、すべてのヒータを非加熱とすると、すべての入力出間の透過率が−４２ｄＢ以下のカットオフ状態となった。ＳＷ１とＳＷ２のヒータを加熱してバーステイトとすると、Ｄタイプスイッチ全体ではバーステイトとなる。ＳＷ３とＳＷ４のヒータを加熱してバーステイトとすると、Ｄタイプスイッチ全体ではクロスステイトとなる。消光比は何れの場合も４０ｄＢ以上得られた。
【００５５】
Ｅタイプは、すべてのヒータを非加熱とすると、クロスステイトとなる。ＳＷ１からＳＷ４のすべてのヒータを加熱してバーステイトとすると、Ｅタイプスイッチ全体ではバーステイトとなる。消光比は何れの場合も４２ｄＢ以上得られた。
【００５６】
Ｆタイプは、すべてのヒータを非加熱とすると、バーステイトとなる。ＳＷ１からＳＷ４のすべてのヒータを加熱してバーステイトとすると、Ｆタイプスイッチ全体ではクロスステイトとなる。消光比は何れの場合も４２ｄＢ以上得られた。
【００５７】
次に、実施例４として、本発明の光導波路型光スイッチを大規模集積光スイッチに適用した一実施例として、図１０に示す接続構造を持つＮ×Ｎマトリクススイッチ（Ｎ＝８）を作製した。このマトリクススイッチは、入力出ポート４４間に交差導波路４２で連結された２入力２出力光スイッチ要素４１をＮ個含むスイッチ群４３をＮ段基板上に配置しており（図１０ではＮ＝８）、各段間は交差導波路を含む直線導波路や曲線導波路で接続されている。本マトリクススイッチに使用されている２×２光スイッチ要素（Ｇタイプ）４１を図１１に示す。
【００５８】
図１１に示すＧタイプの２×２光スイッチ要素４１は、２本のアーム導波路１１の光路長差を２分の１波長相当に設定した、すなわち光路長λ／２の余長をコア４５に与えたＢタイプの２×２光スイッチ１１１および交差導波路４０を用いて構成されている。この２×２光スイッチ要素は、位相シフタ１７，１８がＯＦＦ状態のときクロス状態となり、位相シフタ１７，１８がＯＮ状態のときバー状態となる。このスイッチ要素において、位相シフタへ加える電力と光出力の関係は、図４と等価である。マトリクススイッチにおいては、各スイッチ要素のバー経路への消光比が大きいことが特性上重要であるが、このスイッチ要素はバー経路への消光比を確保するにあたり、干渉計の位相儀差に対して許容度が大きい。
【００５９】
このマトリクススイッチにおいて、任意の入力導波路に入射された光を任意の出力導波路に導くには、該入力導波路から各段のスイッチ要素をクロスにたぐっていった経路と該出力導波路から各段のスイッチ要素をクロスにたぐっていった経路の交点となる２×２スイッチ要素のみをＯＮすればよく、適切なスイッチ要素をＮ個ＯＮ（１経路につき１個をＯＮ）にすることにより、Ｎ本の入力導波路とＮ本の出力導波路を任意の組み合わせ（任意のＮ経路）で光学的に接続することができる。
【００６０】
本実施例の８×８マトリクス光スイッチは、厚さ１ｍｍのシリコン基板上に作製した。従来と同様に、石英系導波路はＳｉＣ１４やＧｅＣ１４などの原料ガスの加水分解反応利用した石英系ガラス膜の推積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、薄膜ヒータは真空蒸着法および化学エッチングにより作製した。コアの断面寸法は６μｍ角であり、コアとクラッド間の比屈折率差は０．７５％である。薄膜ヒータのサイズは、厚さ０．１μｍ、幅４０μｍ、長さ４ｍｍである。干渉計回路を構成している２本の導波路の間隔は２５０μｍにした。曲がり導波路の最小曲げ半径は５ｍｍとした。２×２光スイッチ要素の長さは約２５ｍｍとなった。直径４インチの基板上に８段のスイッチ段４９を図１２に示すように配置した。各スイッチ段４９は８個の該２×２光スイッチ要素４１およびマトリクススイッチ段間の交差導波路４２を組み合わせた構成として導波路長の短縮を謀った構成とした。
【００６１】
作製されたチップをダイシングにより切り出し、シリコン基板下部には放熱板を設け、また入力出導波路にはシングルモードファイバを接続し、薄膜ヒータには給電リードを接続し、マトリクス光スイッチモジュールとした。
【００６２】
１．５５μｍ帯の半導体ＬＤ光源を用いて、本実施例の８×８マトリクス光スイッチの光学特性を測定した。スイッチングに必要な１ヒータ当たりの電力は約４００ｍＷであった。挿入損失は約６ｄＢであり、スイッチ消光比はＯＦＦ状態時に位相誤差相殺用のバイアス電力を加えることなく約４５ｄＢの良好な値が得られた。
【００６３】
次に、実施例５として、実施例４のマトリクススイッチにおいて２×２光スイッチ要素に図１３に示す構成（Ｈタイプ）を用いたマトリクススイッチを作製した。結合長Ｌ／４相当の多モード（マルチモード）干渉計型光結合器４７と結合長Ｌ／２相当の多モード（マルチモード）干渉計型光結合器４８とからなるＨタイプの２×２光スイッチ要素は、２本のアーム導波路の光路長差をゼロに設定したＡタイプの２×２光スイッチで構成され、方向性結合器（カップラー）にマルチモード干渉計型光結合器４８を用いた。マルチモード干渉計型光結合器は結合率の作製誤差が通常の方向性結合器に比べて小さく、結合率の作製誤差を２％程度に抑えることができる。図４からわかるように、この２×２光スイッチ要素もバー経路への消光比を確保するにあたり、干渉計の位相誤差に対して許容度が大きい。本実施例の石英系８×８マトリクス光スイッチも実施例４と同様の作製方法で作製し、モジュールとした。
【００６４】
１．５５μｍ帯の半導体ＬＤ光源を用いて、本実施例の８×８マトリクス光スイッチの光学特性を測定した。スイッチングに必要な１ヒータ当たりの電力は約４００ｍＷであった。挿入損失は約７ｄＢであり、スイッチ消光比はＯＦＦ状態時に位相誤差相殺用のバイアス電力を加えることなく約３５ｄＢの良好な値が得られた。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路が第１の方向性結合器、第１の位相シフタ、第２の方向性結合器、第２の位相シフタ、第３の方向性結合器を順次形成し、第１の位相シフタは一方の光導波路のコアに、第２の位相シフタは他方の光導波路のコアに同時に作用するように構成されているので、位相シフト量０または２πのクロスステイトにおいて高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きく、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに、結合長誤差や位相シフト量誤差に対する許容量が大きく、高消光比である光導波路型光スイッチを実現することができる。
【００６６】
また、本発明によれば、光導波路が第１の方向性結合器、第１の位相シフタ、第２の方向性結合器、第２の位相シフタ、第３の方向性結合器を順次形成し、第１および第２の位相シフタは一方の光導波路のコアに同時に作用するように構成されているので、位相シフト量π近傍のバーステイトにおいて高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きく、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに、結合長誤差や位相シフト量誤差に対する許容量が大きく、高消光比である光導波路型光スイッチを実現することができる。
【００６７】
更に、本発明によれば、光導波路が第１の方向性結合器、第１の位相シフタ、第２の方向性結合器、第２の位相シフタ、第３の方向性結合器、第３の位相シフタ、第４の方向性結合器、第４の位相シフタ、第５の方向性結合器を順次形成し、第１および第２の位相シフタは一方の光導波路のコアに、第３および第４の位相シフタは他方の光導波路のコアに作用するように構成されているため、クロスステイトおよびバーステイトの両方において高消光比を示す位相シフト量の範囲が大きく、結合長誤差や位相シフト量誤差に影響されずに、結合長誤差や位相シフト量誤差に対する許容量が大きく、高消光比である光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】本発明の第１の実施形態に係る光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図４】図１に示す光導波路型光スイッチのスイッチ特性を示すグラフである。
【図５】図２に示す光導波路型光スイッチのスイッチ特性を示すグラフである。
【図６】図３に示す光導波路型光スイッチのスイッチ特性を示すグラフである。
【図７】４つのＡタイプまたはＢタイプの光導波路型光スイッチで構成されるＤタイプの光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図８】ＡタイプとＢタイプを２つずつ使用して構成されるＥタイプの光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図９】ＡタイプとＢタイプを２つずつ使用して構成されるＦタイプの光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図１０】Ｎ×Ｎマトリクススイッチ（Ｎ＝８）の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示すＮ×Ｎマトリクススイッチを構成するＧタイプの光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図１２】図１０に示したＮ×Ｎマトリクススイッチを基板上に配置した構造を示す図である。
【図１３】図１０に示したＮ×Ｎマトリクススイッチを構成するＨタイプの光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図１４】従来のマッハツェンダー干渉計光導波路型光スイッチの構成を示す図である。
【図１５】図１４に示した従来のマッハツェンダー干渉計光導波路型光スイッチのスイッチ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１  光導波路（コア）
１２，１３，１４，１５，１６  第１、第２、第３、第４、第５の方向性結合器
１７，１８，１９，２０  第１、第２、第３、第４の位相シフタ
４１  ２×２光スイッチ要素
４２，４６  交差光導波路
４３  スイッチ群
４４  入力出ポート
４５  光路長λ／２の余長を与えたコア
４７  結合長Ｌ／４相当の多モード干渉計型光結合器
４８  結合長Ｌ／２相当の多モード干渉計型光結合器
４９  ２×２光スイッチ要素群および交差導波路を含むブロック
【図１】
0003664933.tif 000007
【図２】
0003664933.tif 000008
【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】
0003664933.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003664933.tif 000018
【図１３】
0003664933.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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