(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波型マッハ・ツェンダ光干渉計からなる導波型光回路において、
使用する波長がλであり、光結合器間の２本の導波路の両方に熱光学位相器を具備し、
光結合器間の２本の光路長差がおおよそλ／４であり、
２つの前記熱光学位相器の少なくとも一方を動作させ、
光路長差をλ／２xi（ｉ：整数）となすように前記熱光学位相器の一方に電力を印可し、あるいは、光路長差を０となすように前記熱光学位相器の他方に電力を印加することで光路を切り替えることを特徴とする光スイッチとなる導波型光回路。
【請求項２】
請求項１記載の導波型光回路において、
前記熱光学位相器は、
基板上にコア及びそのコアを囲むクラッドよりなり、
コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高い光導波路と、
その光導波路に熱をかけるための薄膜ヒーターを光導波路上部近傍に装苛し、
上記薄膜ヒーター近傍のクラッドの屈折率をコア近傍のクラッドの屈折率より低くしたものであることを特徴とする導波型光回路。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の導波型光回路において、
光導波路が石英系ガラスよりなることを特徴とする導波型光回路。
【請求項４】
請求項３記載の導波型光回路において、
上記コアにＧｅＯ2が添加されていることを特徴とする導波型光回路。
【請求項５】
請求項４記載の導波型光回路において、
上記基板に平行な方向、あるいは、基板に垂直方向に複数のＧｅＯ2濃度が異なる層より形成した多層コアよりなることを特徴とする導波型光回路。
【請求項６】
請求項３〜５記載のいずれか一項の導波型光回路において、
光導波路のクラッドにＧｅＯ2が添加されていることを特徴とする導波型光回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波型光部品に関するものであり、光位相器を有する導波型光回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターネット利用の世界的な広がりにより、大容量データを高速に伝達できる光波長多重（ＷＤＭ）技術等を用いた光通信システムの構築が米国を中心に始まっている光通信システムを構成する光回路の実現形態としての導波型光回路は、ＬＳＩ微細加工技術等を応用して平面基板上に光導波路を一括形成することから集積性、量産性に優れ、複雑な回路構成を有する高機能回路を実現できる。特に、シリコン基板などの基板上に石英系ガラスにて形成された石英系光導波路は、石英系光ファイバとの整合性が良く、動作特性が安定で、高い信頼性を有する光回路を作製できることから、光分岐回路、光合分波回路、及び、光スイッチ等の種々の光回路が実用化されている。
【０００３】
石英系光導波路を用いた光回路では、光スイッチ等の能動的な光回路を熱光学効果による光位相器と光干渉回路を組み合わせて実現している。熱光学効果による光位相器を用いた熱光学スイッチでは切り替え速度が約１ｍｓと低速のため、最近、電気光学効果による光位相器を用いた電気光学スイッチの研究が進められ約１００ｎｓ以下で動作することを確認している。
【０００４】
図９に石英系熱光学光スイッチの構成例を示し、図１０にその断面構造を示す。図９に示すように、熱光学スイッチ１０１は、２本の光導波路１０２及び１０３と、２本の光導波路１０２及び１０３を２箇所で近接させた方向性結合器１０４及び１０５にて構成したマッハ・ツェンダ光干渉計に、方向性結合器１０４及び１０５の間の光導波路上（ここでは光導波路１０２）に薄膜ヒーター１０７を装苛した熱光学光位相器１０６により構成している。
【０００５】
上記熱光学位相器１０６の断面Ａ−Ａ′を図１０に示す。
図１０に示すように、基板１０８上にコア１０９とコアを囲むクラッド１１０により光導波路を形成し、コア上部のクラッド表面に金属薄膜にて薄膜ヒーター１１１を形成している。基板１０８は、スイッチ速度を速くするために、熱伝導が良いシリコン基板を用いている。
光路の切り替えは、熱光学位相器１０６の薄膜ヒーター１０７（１１１に同等）に電力を印加することで行う。薄膜ヒーター１０７に電力を印加すると、光導波路１０２の温度が変化し、熱光学効果による光導波路１０２の屈折率が変化する。この屈折率変化により光導波路１０２の光路長が変化し、熱光学位相器１０６を通過する光の位相が変化する。それゆえ、熱光学位相器１０６の薄膜ヒーター１０７（１１１に同等）に電力を、位相をπ／２の整数倍変化させることで光路が切り替わる。このπ／２の整数倍の位相変化は、方向性結合器１０４及び１０５の間の２本の光導波路１０２及び１０３の光路長差が、（切り替える光信号波長λ／２）の整数倍で変化することに相当する。石英系ガラスの屈折率は、温度に対して正の係数を持つので、熱光学位相器１０６の位相と印加電力は、おおよそ正の傾きを持つ比例関係で変化する。位相をπ／２変化させるための電力は、約０．５Ｗである。この値は、光導波路の構造によって異なる。例えば、コア１０９の下部のクラッド厚を厚くすることや、コア１０９の上部のクラッド厚を薄くすることにより小さな電力で同じ位相変化を起こすことができる。
【０００６】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）に石英系電気光学スイッチの２つの構成例を示し、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に各構成の電気光学光位相器の断面構造を示す。
図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、電気光学スイッチ２０１と２０２は、図９のマッハ・ツェンダ光干渉計の熱光学位相器を電気光学位相器に置き換えたものである。
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）の電気光学スイッチ２０１と電気光学スイッチ２０２の違いは、電気光学位相器２０７と電気光学位相器２０９の構成が異なる点である。
図１１（Ａ）の電気光学スイッチ２０１は、図９と同様に、２本の光導波路２０３及び２０４と、２本の光導波路２０３及び２０４を１箇所で近接させた方向性結合器２０５及び２０６にて構成したマッハ・ツェンダ光干渉計に、方向性結合器２０５及び２０６の間の光導波路上（ここでは光導波路２０４）に薄膜電極２０７を装苛した電気光学光位相器２０７により構成している。
図１１（Ａ）に示す電気光学光位相器２０７の断面Ｂ−Ｂ′を図１２（Ａ）に示す。基板２１１上にコア２１２とコアを囲むクラッド２１３により光導波路を形成し、コア上部のクラッド表面に金属薄膜にて薄膜電極２１４を形成している。基板は、薄膜電極２１４と対向する電極とするために、低抵抗シリコン基板を用いている。
【０００７】
図１１（Ｂ）の電気光学スイッチ２０２の構成は、図１１（Ａ）の電気光学スイッチ２０１の電気光学位相器２０７の構成が異なるもので、電気光学位相器２０７の構成は、所定の間隔で光導波路２０４を挟むように平行に薄膜電極２０９，２１０を配置したものである。
図１１（Ｂ）に示す電気光学位相器２０９の断面Ｃ−Ｃ′の構造を図１２（Ｂ）に示す。導波路構造は図１２（Ａ）と同じであり、薄膜電極２１５，２１６は、コア上部に所定の間隔を置いて一対の電極となるように形成している。基板を電極として用いないので、高抵抗シリコン基板や、石英基板等の絶縁性基板上に光位相器２０９を形成できる。
電気光学スイッチ２０１，２０２の光路の切り替えは、電気光学位相器２０７，２０９に電圧を印加することで行う。電気光学位相器２０７の薄膜電極２１４（２０８）と基板２１１間、あるいは、薄膜電極２０９と２１０間に電圧を印加することで、電気光学効果により光導波路２０４の屈折率が変化し、電気光学位相器２０７，２０９を通過する光の位相が変化する。位相をπ／２変化させるには、約１０００Ｖ〜数１０００Ｖの電圧を印加する。この印加電圧の差は、ポーリング方法、条件により異なる。
ポーリングは、電気光学効果（電気光学定数）を大きくするためのものであり、印加電圧を低減することができる。ポーリングとしては、電界を印加したまま温度を上げる熱ポーリング、電界を印加したまま外部より紫外レーザー光を照射する光ポーリング、電界を印加したまま紫外レーザー光を光導波路を伝播させる伝播照射光ポーリング等がある。伝播照射ポーリング（電気光学定数：１〜６ｐｍ／Ｖ）は、熱ポーリング（電気光学定数：〜０．０５ｐｍ／Ｖオーダー）に比べて、印加電圧を低減できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記熱光学位相器を用いた光回路、たとえば、上記の熱光学スイッチは、所定のスイッチの光位相器のヒーターに継続的な電力を印加する必要があり、熱光学スイッチを組み合わせた大規模なマトリクススイッチや、熱光学スイッチを複数集積したスイッチアレイでは、消費電力が極めて大きくなる問題がある。また、電気光学位相器を用いた光回路、例えば、電気光学スイッチでは、熱光学スイッチに比べて消費電力は少ないものの、電気光学位相器の駆動電圧が約１０００Ｖ〜数１０００Ｖの高電圧を継続的に印加する必要があり、実用的でない。
【０００９】
本発明の目的は、規模拡大にともなう熱光学スイッチの消費電力増化や、電気光学スイッチの実用的でない高い印加電圧を低減し、低消費電力及び低印加電圧で動作する光回路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本発明の［請求項１］の光スイッチとなる導波型光回路の発明は、導波型マッハ・ツェンダ光干渉計からなる導波型光回路において、使用する波長がλであり、光結合器間の２本の導波路の両方に熱光学位相器を具備し、光結合器間の２本の光路長差がおおよそλ／４であり、２つの前記熱光学位相器の少なくとも一方を動作させ、光路長差をλ／２xi（ｉ：整数）となすように前記熱光学位相器の一方に電力を印可し、あるいは、光路長差を０となすように前記熱光学位相器の他方に電力を印加することで光路を切り替えることを特徴とする。
又、［請求項２］の発明は、請求項１の導波型光回路において、熱光学位相器が、基板上にコア及びそのコアを囲むクラッドよりなり、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高い光導波路と、その光導波路に熱をかけるための薄膜ヒーターを光導波路上部近傍に装苛し、上記薄膜ヒーター近傍のクラッドの屈折率をコア近傍のクラッドの屈折率より低くしたものであることを特徴とする。
【００１５】
［請求項３］の発明は、請求項１又は請求項２に記載の導波型光回路において、光導波路が石英系ガラスよりなることを特徴とする。
【００１６】
［請求項４］の発明は、請求項３記載の導波型光回路において、上記コアにＧｅＯ2が添加されていることを特徴とする。
【００１７】
［請求項５］の発明は、請求項４記載の導波型光回路において、上記基板に平行な方向、あるいは、基板に垂直方向に複数のＧｅＯ2濃度が異なる層より形成した多層コアよりなることを特徴とする。
【００１８】
［請求項６］の発明は、請求項３〜５記載のいずれか一項の導波型光回路において、光導波路のクラッドにＧｅＯ2が添加されていることを特徴とする。
【００２６】
【作用】
熱光学光位相器の薄膜ヒーターのクラッドの屈折率をコア近傍のクラッドの屈折率より低くすることにより、コアを伝播する光が薄膜ヒーターにより損失を生じさせることなく薄膜ヒーターとコア間のクラッドの厚みを薄くでき、薄膜ヒーターとコアを近接させることができる。薄膜ヒーターとコアを近接できることは、コアの温度を薄膜ヒーターの加熱温度により近づけることができることから、効率よくコアの温度を変化させることができ、低電力で位相を変化させることができる。これにより、本発明の目的である低消費電力の光回路を提供することができる。
【００２７】
電気光学位相器の薄膜電極近傍のクラッドの屈折率をコア近傍のクラッドの屈折率より低くすることにより、コアを伝播する光が薄膜電極により損失を生じさせることなく薄膜電極とコア間のクラッドの厚みを薄くできる。また、基板近傍のクラッドの屈折率をコア近傍のクラッドの屈折率より低くすることで、コアを伝播する光が基板により損失を生じさせることなく、基板とコア間のクラッドの厚みを薄くでき、薄膜電極と基板の間隔を狭くできる。図１２（Ｂ）の構造をもつ電気光学位相器では、コアを薄膜電極に近接させることで、コアにかかる電界強度を高くできることから、低電圧で位相器の位相を変化させることができる。また、図１２（Ａ）の構造をもつ電気光学位相器では、薄膜電極と基板の間隔を狭くできることから、コアにかかる電界を低電圧で実現でき、位相器の位相を低電圧で変化させることができる。これらにより、本発明の目的である低印加電圧の光回路を提供することができる。
【００２８】
電気光学位相器の電極をコアの両側に配置することにより、基板を電極として用いることなく、かつ、図１２（Ａ）の構造に比例して電界強度の高いよい領域にコアを配置できることによる低電圧化が図れる。さらに、電極近傍のクラッドの屈折率をコア近傍の屈折率より低くすることで、コアを伝播する光が薄膜電極により損失を生じさせることなく、薄膜電極間の間隔を狭くできることから、コアに掛かる電界強度を高くでき、低電圧化が図れる。これらにより、本発明の目的である低印加電圧の光回路を提供することができる。
【００２９】
また、石英系光導波路では、電気光学位相器の位相を変えるのに必要な印加電圧は、コアにＧｅＯ2 を添加することで低減できる。その印加電圧は、ＧｅＯ2 濃度にほぼ比例して減少させることができ、その傾きは−１より大きいことから、ＧｅＯ2 濃度が高いほど効率よく印加電圧を低減できる。それゆえ、コアをＧｅＯ2 濃度の異なる複数の層により形成することで、屈折率を増加させるドーパントであるＧｅＯ2 濃度の高い部分を有しながら、クラッドとコアの比屈折率差を所定の値にできる。これにより、コア内のＧｅＯ2 濃度が均一な電気光学光位相器に比べて、位相を低電圧で変化でき、本発明の目的である低印加電圧の光回路を提供することができる。
【００３０】
また、クラッドの屈折率を高くすることは、クラッドとコアの比屈折率差を所定の値にしたまま、コアのＧｅＯ2 濃度を高くでき、電気光学位相器の位相を変える電圧を低減でき、本発明の目的である低駆動電圧の光回路を提供することができる。
【００３１】
また、クラッドにＧｅＯ2 をドープすることで、コアを伝播する光が感じるコア近傍のクラッドの屈折率を電気光学効果により効率よく変化させることができ、電気光学位相器の位相を変える電圧を低減でき、本発明の目的である低駆動電圧の光回路を提供することができる。
【００３２】
導波型光回路の中で、マッハ・ツェンダ光干渉計及びアレイ導波路格子において、特性の調整、光路の切り替えのために光位相器を具備することが多く、上記、構造の位相器を具備することは、本発明の目的である低消費電力あるいは低駆動電圧の光回路を提供することになる。
【００３３】
導波型マッハ・ツェンダ光干渉計からなる導波型光回路において、光路長差を使用する波長λの約１／４にし、２つの光位相器の少なくとも一方を動作させ光路長差のλ／２xi（ｉ：整数）となるようにして光路を切り替える光スイッチでは、光位相器の位相を約π／４（約λ／４に相当）変化させればよく、従来の位相をπ／２変えるのに比べて、半分ですみ、本発明の目的である低消費電力あるいは低駆動電圧の光回路を提供することになる。また、本発明の光位相器と組み合わせることで、さらに低消費電力あるいは低駆動電圧の光回路を提供することができる。
【００３４】
アレイ導波路格子において、導波路アレイに導波路間の位相差を一方は増加させ、他方は減少させる２つの光位相器を具備することで、光路を全出力ポート切り替えるのに必要であった位相変化をその半分の位相変化で実現でき、本発明の目的である低消費電力あるいは低駆動電圧の光回路を提供することになる。また、本発明の光位相器と組み合わせることで、さらに低消費電力あるいは低駆動電圧の光回路を提供することができる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施形態について述べるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３６】
［実施の形態１］
図１は本発明の光位相器の第１の実施形態を示すもので、熱光学位相器の断面構造である。基板３０１にシリコン基板を用い、コア３０２及び高屈折率クラッド３０３及び低屈折率クラッド３０４は石英系ガラスにより形成し、薄膜ヒーター３０５はＣｒ金属薄膜により形成している。
コア３０２は、高屈折率クラッド３０３に対する比屈折率差は０．７５％であり、寸法が６μｍ×６μｍである。低屈折率クラッド３０４の屈折率は、石英ガラスと同等とし、コア３０２との比屈折率差で１．５％とし、厚さは２μｍとした。高屈折率クラッド３０３の厚さは、コア下端で２０μｍ、コア上端で３μｍとした。薄膜ヒーターは、長さ５ｍｍ、幅５０μｍとした。
本実施の形態では、この位相器を有する図９に示す熱光学スイッチを形成した。
【００３７】
本実施の形態の位相器を有する熱光学スイッチは次のように製造した。基板３０１としてシリコン基板を用い、基板３０１上に火炎堆積法により石英系下部クラッド層（コア下部のクラッド）とコア層を形成する。下部クラッド層及びコア層には、屈折率を高めるためにＧｅＯ2 がそれぞれ７．５ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％添加されており、透明化温度を下げるために微量のＢ2 Ｏ3 とＰ2 Ｏ5 を添加している。次に、コア層の不要部分を反応性イオンエッチング法により除去し、リッジ状のコアを形成した後、コアをおおうように下部クラッドと同等の屈折率を有する上部クラッドを火炎堆積法により形成する。この下部クラッドと上部クラッドにより、高屈折率クラッド３０３が構成される。この高屈折率クラッド３０３の上部に火炎堆積法により低屈折率クラッド３０４を形成する。低屈折率クラッド３０４には、ＧｅＯ2 を添加していない。下部クラッド層とコア層、及び、上部クラッド層とその上に形成した低屈折率クラッド層の形成には、個別に２層を形成しても良く、あるいは、２層を連続で形成しても良い。そして、低屈折率クラッド３０４上部にＣｒ薄膜金属を蒸着・加工して薄膜ヒーター３０５を形成した。
作製した熱光学スイッチの波長１．５μｍ信号光の光路を切り替えるのに必要な電力は４０ｍＷであった。
【００３８】
比較のため図１０に示す従来構造の熱光学位相器を有する光スイッチを作製した。コア１０９は、クラッド１１０に対する比屈折率差は０．７５％であり、寸法が６μｍ×６μｍである。クラッド１１０の屈折率は、石英ガラスと同等とし、厚さは、コア下端で２０μｍ、コア上端で２５μｍとした。薄膜ヒーターは、長さ５ｍｍ、幅５０μｍとした。この従来構成にて、波長１．５μｍ信号光の光スイッチの光路を切り替えるのに必要な電力は６００ｍＷであった。
これにより、本発明の光位相器の構成により光位相器への印加電力の低減を図れ、本光位相器を用いた光回路の消費電力を低減できることがわかる。
【００３９】
［実施の形態２］
図２は本発明の光位相器の第２の実施形態を示すもので、電気光学位相器の断面構造である。基板４０１に高抵抗シリコン基板を用い、コア４０２及び高屈折率クラッド４０３及び低屈折率クラッド４０４は石英系ガラスにより形成し、薄膜電極４０５，４０６は、Ｐｔ金属薄膜により形成した。導波路パラメータは実施例１と同じとした。薄膜電極は、長さ３００ｍｍであり、薄膜電極４０５，４０６の間隔は１０μｍである。
【００４０】
本実施の形態では、この位相器を有する図１１（Ｂ）に示す電気光学スイッチを形成した。
本実施の形態の位相器を有する電気光学スイッチは、実施例１と同じ手順で作製した。本実施例ではＣｒの代わりにＰｔを用いたことが異なる。電極形成の後、電気炉中にて、薄膜電極４０５，４０６に高電界を印加する熱ポーリングを行った。
波長１．３μｍの信号光の光路を切り替えるのに必要な電圧は４００Ｖであった。
比較のため、図１２（Ｂ）に示す電気光学位相器の構造を有する光スイッチを作製した。コア２０２は、クラッド２１３に対する比屈折率差は０．７５％であり、寸法が６μｍ×６μｍである。クラッド２１３の屈折率は、石英ガラスと同等とし、厚さは、コア下端で２０μｍ、コア上端で１３μｍとした。薄膜電極は、長さ３００ｍｍであり、薄膜電極２１５，２１６の間隔は１０μｍである。
この従来構成の光スイッチにて波長１．３μｍの信号光の光路を切り替えるのに必要な電圧は１７００Ｖであった。本実施例で低印加電圧化ができたのは、従来に比例して、コアと電極が近接し、コアのＧｅＯ2 濃度が２倍になったことによる。
本発明の光位相器の構成により光位相器への印加電圧を低減でき、本光位相器を用いた光回路の低印加電圧化ができる。
【００４１】
［実施の形態３］
図３は本発明の光位相器の第３の実施形態を示すもので、電気光学位相器の断面構造である。基板５０１に低抵抗シリコン基板を用い、コア５０２及び高屈折率クラッド５０３及び低屈折率クラッド５０４，５０５は石英系ガラスにより形成し、薄膜電極５０６は、Ｐｔ金属薄膜により形成した。
コア５０２は、高屈折率クラッド５０３に対する比屈折率差は１．５％であり、寸法が４μｍ×４μｍである。低屈折率クラッド５０４，５０５の屈折率は、石英ガラスと同等とし、コア５０２との比屈折率差で３％とし、厚さは１．５μｍとした。高屈折率クラッド５０３の厚さは、コア上下端から２．５μｍとした。薄膜電極は、長さ３００ｍｍである。
本実施の形態では、この位相器を有する図１１（Ａ）に示す電気光学スイッチを形成した。
本実施の形態の位相器を有する電気光学スイッチは、基板上に低屈折率クラッド層５０５を火炎堆積法により形成した後、実施例１と同じ手順で作製した。低屈折率クラッド層、下部クラッド層とコア層の形成は、３層を個別に形成しても良く、連続で形成しても良い。高屈折率クラッド５０３及びコア５０２には、屈折率を高めるためにＧｅＯ2 がそれぞれ１５ｍｏｌ％、３０ｍｏｌ％添加されており、コア５０２、高屈折率クラッド５０３、及び低屈折率クラッド５０４，５０５には透明化温度を下げるために微量のＢ2 Ｏ3 とＰ2 Ｏ5 を添加している。
電極形成の後、電気炉中にて、薄膜電極５０６に高電界を印加する熱ポーリングを行なった。
波長１．３μｍの信号光の光路を切りえるのに必要な電圧は３５０Ｖであった。
【００４２】
比較のため、図１２（Ａ）に示す電気光学位相器の構造を有する光スイッチを作製した。コア２１２は、クラッド２１３に対する比屈折率差は１．５％であり、寸法が４μｍ×４μｍである。クラッド２１３の屈折率は、石英ガラスと同等とし、厚さは、コア下端で１０μｍ、コア上端で１０μｍとした。薄膜電極は、長さ３００ｍｍである。
この従来構成の光スイッチの光路を切り替えるのに必要な電圧は７００Ｖであった。
これにより、本発明の位相器の構成により位相器への印加電圧を低減でき、本位相器を用いた光回路の低印加電圧化ができる。
【００４３】
［実施の形態４］
図４は本発明の光位相器の第４の実施の形態を示すもので、電気光学位相器の断面構造である。基板６０１にシリコン基板を用い、コア６０２及び高屈折率クラッド６０５、及び低屈折率クラッド６０６，６０７は石英系ガラスにより形成し、薄膜電極６０７は、Ｐｔ金属薄膜により形成した。コア６０４は、第１コア層６０２、及び、第２コア層６０３の多層構造である。実施の形態３のコア５０２を多層構造のコア６０４に置き換えたものである。
コア６０４を構成する第１コア層６０２、及び、第２コア層６０３の高屈折率クラッド６０５との比屈折率差Δ、層厚ｔ、総数Ｎを、
第１コア層６０２  Δ＝1.91％、ｔ＝0.42μｍ、Ｎ＝７
第２コア層６０３  Δ＝0.37％、ｔ＝0.18μｍ、Ｎ＝６
とし、高屈折率クラッド６０５とコアの比屈折率差１．５％、コア寸法４μｍ×４μｍとした。他のパラメータは、実施の形態３と同じである。
本実施の形態では、この位相器を有する図１１（Ａ）に示す電気光学スイッチを形成した。
【００４４】
本実施の形態の位相器を有する電気光学スイッチは、実施の形態３と同じ手順で作製した。多層構造のコア６０４は、第１コア層にＧｅＯ2 を３４．１ｍｏｌ％添加し、第２コア層はＧｅＯ2 を１８．７ｍｏｌ％添加し、形成には火炎堆積法を用いた。
波長１．３μｍの信号光の光路を切りえるのに必要な電圧は１５０Ｖであった。実施の形態３よりさらに印加電圧を低減でき、本位相器を用いた光回路の低印加電圧化ができる。
【００４５】
［実施の形態５］
図５は本発明の光位相器の第５の実施の形態を示すもので、電気光学位相器の断面構造である。基板７０１に高抵抗シリコン基板を用い、コア７０２及び高屈折率クラッド７０３、及び低屈折率クラッド７０４，７０５は石英系ガラスにより形成し、薄膜電極７０６，７０７は、コア７０２の両側に基板７０１とほぼ垂直方向となるようにＰｔ金属薄膜により形成した。
実施の形態３では、基板５０１と薄膜電極コア５０６を電極とし、基板に垂直方向に電界を掛ける構成としたが、本実施例では、薄膜電極７０６，７０７を電極とし、基板に水平方向に電界を掛ける構成としたことが異なる。
コア７０２は、高屈折率クラッド７０３に対する比屈折率差は１．５％であり、寸法が４μｍ×４μｍである。低屈折率クラッド７０４，７０５の屈折率は、石英ガラスと同等とし、コア７０２との比屈折率差で３％とし、厚さは１．５μｍとした。高屈折率クラッド７０３の厚さは、コア左右端から２．５とし、コア上下端から１０μｍとした。薄膜電極は、長さ３００ｍｍである。
本実施の形態では、この位相器を有する図１１（Ｂ）に示す電気光学スイッチを形成した。
【００４６】
本実施の形態の位相器を有する電気光学スイッチは次のように製造した。低屈折率クラッド層の形成までは、実施の形態１と同じであり、情報上部クラッド層を形成した後、低屈折率クラッド７０４，７０５、及び、薄膜電極７０６，７０７を形成するための溝７０８，７０９を形成し、スパッタ法により低屈折率クラッド７０４，７０５、薄膜電極７０６，７０７を形成した。図に示していないが、溝７０８，７０９の低部，側壁，高屈折率クラッドの上層に低屈折率クラッドの層ができているが、本実施の形態の機能に影響はない。また、同様に薄膜電極も形成されるが、不要な部分は除去している。コア７０２に均一な電界を掛けるために、溝７０８，７０９の深さは、コアの下部より下方の深さに薄膜電極７０６，７０７が形成できる深さとし、溝７０８，７０９の幅は、基板方向を変えながら膜形成をするスパッタ法により溝７０８，７０９のコア側の側壁に低屈折率クラッド７０４，７０５、及び、薄膜電極７０６，７０７が形成できる幅が必要である。今回は、深さが２０μｍ、幅が３００μｍとした。高屈折率クラッド７０３及びコア７０２には、屈折率を高めるためにＧｅＯ2 がそれぞれ１５ｍｏｌ％、３０ｍｏｌ％添加されており、コア７０２、高屈折率クラッド７０３、及び低屈折率クラッド７０４，７０５には透明化温度を下げるために微量のＢ2 Ｏ3 とＰ2 Ｏ5 を添加している。電極形成の後、電気炉中にて、薄膜電極７０６，７０７に高電界を印加する熱ポーリングを行なった。
波長１．３μｍの信号光の光路を切りえるのに必要な電圧は、実施の形態３と同程度の３７０Ｖであった。
【００４７】
［実施の形態６］
図６は本発明の導波型光回路の第６の実施の形態を示すもので、マッハ・ツェンダ干渉計で構成した熱光学スイッチ８０１の回路構成である。
熱光学スイッチ８０１の構成は、図９の熱光学スイッチ１０１の方向性結合器１０４，１０５間の２本の導波路１０２，１０３に熱光学位相器を具備し、方向性結合器１０４，１０５間の２本の導波路１０２，１０３の光路長差を光路を切り替える信号のおおよそ中心となる波長λのおよそ１／４設けたことが異なる。すなわち、２本の光導波路８０２及び８０３と、２本の光導波路８０２及び８０３を２箇所で近接させた方向性結合器８０４及び８０５にて３ｄＢ結合器とした構成であるマッハ・ツェンダ光干渉計に、方向性結合器８０４及び８０５の間の光導波路上に薄膜ヒーター８０７，８０９を装苛して熱光学位相器８０６，８０８を形成した構成である。光路を切り替える信号が１．５３μｍであるので、光導波路８０２は光導波型８０３に比べて、光路長差で０．３８μｍ長くした。熱光学位相器８０６，８０８は、実施の形態１と同じ熱光学位相器を用いた。
入力光を光導波路８０３に入力した場合、熱光学位相器８０８の薄膜ヒーター８０９に０．２０Ｗの電力を印加すると、光導波路８０２側が光路長差としてさらに０．３８μｍ長くなり、光導波路８０２と８０３の位相差の大きさがπ／２（λ／２に相当）となり、入力光は光導波路７０３の出力に出射する。熱光学位相器８０６の薄膜ヒーター８０７に０．２Ｗの電力を印加すると、光導波路８０２と８０３の光路長差が０となり、光導波路８０２と８０３の位相差が０となり、入力光は光導波路８０２の出力に出射する。
実施の形態１と比較すると、本実施の形態により、光スイッチの光路切り替えに必要な印加電力が低減しており、本発明の目的である導波型回路の低消費電力化が図れることがわかる。
熱光学位相器の代わりに電気光学位相器を用いた場合は、従来構成に比較して、印加電圧を半分にできる。
【００４８】
［実施の形態７］
図７は本発明の導波型光回路の第７の実施の形態を示すもので、アレイ導波路格子による熱光学スイッチである。アレイ導波路格子は、２つのスラブ導波路９０５，９０６間に導波路アレイ９０７を接続し、入力導波路９０３と出力導波路９０４をそれぞれ別のスラブ導波路９０５，９０６に接続した構成である。導波路アレイ９０７には、薄膜ヒーター９０９，９１０により、２つの熱光学位相器にて構成される熱光学位相器９０８を具備している。導波路アレイ９０７の各導波路間の長さは一定の光路長差に設定している。薄膜ヒーター９０９と９１０の導波路アレイ９０７の各導波路上での長さは、一方は一定の割合で長くなり、他方は一定の割合で短くなっている。図７では、薄膜ヒーター９０９の長さは、導波路長の長い導波路で長くなり、薄膜ヒーター９１０は、逆に、短くなっている。この場合、薄膜ヒーター９０９は、印加電力に比例して導波路長の長い導波路の光路長が長くなる、すなわち、導波路アレイ９０７の導波路間の位相差を大きくする光位相器として働き、薄膜ヒーター９１０は、印加電力に比例して、導波路アレイ９０７の導波路間の光路長差を短くする、すなわち、アレイ導波路の導波路間の位相差を小さくする光位相器として働く。
熱光学位相器９０８に電力を印加しない状態で、入力光が出力導波路９０４の中央付近に出力するように導波路アレイ９０７の光路長差を設定すると、熱光学位相器９０８の一方の熱光学位相器により出力導波路９０４の中央の出力から一方の端の出力まで入力光が切り替わり、熱光学位相器９０８の他方の熱光学位相器により出力導波路９０４の中央の出力から他方の端の出力まで入力光を切り替えられる。
導波路構造、及び、光位相器の断面構造は、実施の形態１と同じ構造とした。アレイ導波路格子は、１００ＧＨｚ間隔で光を分波するために、スラブ導波路９０５，９０６の曲率半径を９３８１μｍ、導波路アレイの導波路間光路長差を１８３μｍとした。薄膜ヒーター９０９，９１０は、ヒーター幅を５０μｍ、ヒーター長さを最短で１ｍｍとし、順次１ｍｍづつ長くしている。
本構造で、薄膜ヒーター９０９，９１０に最大１１Ｗ電力を印加することで、全ての出力に入力光を切り替えることができる。従来のように一方の薄膜ヒーターのみを用いた熱光学位相器では、最大２２Ｗの電力を必要とした。
これにより、本発明の目的である導波型回路の低消費電力化が図れることがわかる。
【００４９】
［実施の形態８］
図８は本発明の導波型光回路の第８の実施の形態を示すもので、実施の形態７の熱光学位相器９０８を電気光学位相器９１１に置き換えたものである。電気光学位相器９１１は、導波路アレイ９０７上に薄膜電極９１３，９１４に装苛した２つの電気光学位相器により形成した。
薄膜電極９１２は、薄膜電極９１２と９１３の導波路アレイ９０７の各導波路上での長さは、一方は一定の割合で長くなり、他方は一定の割合で短くなっている。図８では、薄膜電極９１２の長さは、導波路長の長い導波路で長くなり、薄膜電極９１３は、逆に、短くなっている。それゆえ、薄膜電極９１２は、印加電圧に比例して導波路長の長い導波路で光路長が長くなる、すなわち、導波路アレイ９０７の導波路間の位相差を大きくする光位相器として働き、薄膜電極９１３は、印加電圧に比例して、導波路アレイ９０７の導波路間の光路長差を短くする、すなわち、アレイ導波路の導波路間の位相差を小さくする光位相器として働く。
アレイ導波路格子の構成は、実施の形態６と同等とし、電気光学位相器の断面構造は、実施の形態４と同等とした。
本構造で、薄膜電極９１２，９１３に最大電圧を７５Ｖ印加することで、全ての出力に入力光を切り替えることができる。従来のように一方の薄膜電極のみを用いた電気光学位相器では、最大１５０Ｖの電圧を必要とした。
これにより、本発明の目的である導波型回路の低印加電圧化が図れることがわかる。
上記実施の形態では、ガラス膜の形成に火炎堆積法を用いたが、その他、スパッタ法、プラズマＣＶＤやＥＣＲ−ＣＶＤ等ＣＶＤ法などで形成しても良い。
また、上記実施の形態では、光導波路を石英系ガラスにて形成したが、プラスチック導波路、半導体導波路、ＬＮなどの他の材料系導波路にも適用できる。特に、高濃度になるほど非線形性が強くなる材料では、実施の形態４で述べた多層構造のコアなどは有効である。
また、上記の実施形態で、基板を電極として用いる場合は、低抵抗シリコン基板を、電極として用いない場合は、高抵抗シリコン基板を用いたが、基板を電極として用いる場合は、導電性の基板、または、基板表面に導電性薄膜を形成し電極とした基板を用いても良く、電極として用いない場合は、石英基板等の絶縁性基板を用いても良い。
また、上記の実施形態で、低屈折率クラッドを一定屈折率層としているが、高屈折率クラッド層に比較して屈折率が低く、屈折率が分布している層でも良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、低消費電力化を図った熱光学位相器及び低印加電圧化を図った電気光学位相器を具備したマッハ・ツェンダ光干渉計やアレイ導波路格子で構成した光スイッチなどの導波型光回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の熱光学位相器の断面構造を示す説明図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の電気光学位相器の断面構造を示す説明図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の電気光学位相器の断面構造を示す説明図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の電気光学位相器の断面構造を示す説明図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の電気光学位相器の断面構造を示す説明図。
【図６】本発明の第６の実施の形態のマッハ・ツェンダ光干渉計による熱光学光スイッチの構成を示す説明図。
【図７】本発明の第７の実施の形態のアレイ導波路格子による熱光学光スイッチの構成を示す説明図。
【図８】本発明の第８の実施の形態のアレイ導波路格子による電気光学光スイッチの構成を示す説明図。
【図９】従来のマッハ・ツェンダ光干渉計による熱光学スイッチの構成を示す説明図。
【図１０】従来の熱光学位相器の断面構造を示す説明図。
【図１１】マッハ・ツェンダ光干渉計による電気光学スイッチの構成を示す説明図。
【図１２】従来電気光学位相器の断面構造を示す説明図。
【符号の説明】
１０１  熱光学スイッチ
１０２，１０３  光導波路
１０４，１０５  方向性結合器
１０６  熱光学位相器
１０７  薄膜ヒーター
１０８  基板
１０９  コア
１１０  クラッド
１１１  薄膜ヒーター
２０１，２０２  電気光学スイッチ
２０３，２０４  光導波路
２０５，２０６  方向性結合器
２０７，２０９  電気光学位相器
２０８，２１０  薄膜電極
２１１  基板
２１２  コア
２１３  クラッド
２１４，２１５，２１６  薄膜電極
３０１  基板
３０２  コア
３０３  高屈折率クラッド
３０４  低屈折率クラッド
３０５  薄膜ヒーター
４０１  基板
４０２  コア
４０３  高屈折率クラッド
４０４  低屈折率クラッド
４０５，４０６  薄膜電極
５０１  基板
５０２  コア
５０３  高屈折率クラッド
５０４，５０５  低屈折率クラッド
５０６  薄膜電極
６０１  基板
６０２  第１コア層
６０３  第２コア層
６０３  コア
６０４  高屈折率クラッド
６０５  低屈折率クラッド
５０７  薄膜電極
７０１  基板
７０２  コア
７０３  高屈折率クラッド
７０４，７０５  低屈折率クラッド
７０６，７０７  薄膜電極
７０８，７０９  溝
８０１  熱光学スイッチ
８０２，８０３  光導波路
８０４，８０５  方向性結合器
８０６，８０８  熱光学位相器
８０７，８０９  薄膜ヒーター
９０１  熱光学スイッチ
９０２  電気光学スイッチ
９０３  入力導波路
９０４，９０６  スラブ導波路
９０５  出力導波路
９０７  導波路アレイ
９０８  熱光学位相器
９０９，９１０  薄膜ヒーター
９１１  電気光学位相器
９１２，９１３  薄膜電極
【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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【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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