(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個のカップラーと少なくとも１つの位相シフターからなるマッハツェンダー光干渉計回路を有し、前記位相シフターのＯＮ状態またはＯＦＦ状態時に前記カップラー２個を結ぶ光経路の光学的な光路長差が最適動作波長の２分の１に設定されている２入力２出力構造のマッハツェンダー光干渉計型スイッチを２個２段接続して構成される干渉計型光スイッチであって、
該干渉計型光スイッチの所望消光比と各段間での設定動作波長差が本願明細書図４（ａ）の関係を満たし、所望の消光比（前記図４（ａ）の横軸）に対応して各段間での設定動作波長差（前記図４（ａ）の縦軸）を設定し、
前記マッハツェンダー光干渉計型スイッチを第１段目スイッチと第２段目スイッチと２段接続し、入力１，入力２，出力１，出力２とする２入力２出力構造の前記干渉計型光スイッチであり、
前記入力１は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記入力２は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記出力１は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、前記出力２は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力と第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力は接続されていることを特徴とする干渉計型光スイッチ。
【請求項２】
請求項１の干渉計型光スイッチをスイッチ要素として複数個用いてマトリクス光スイッチを構成してなることを特徴とする干渉計型光スイッチ。
【請求項３】
２入力２出力光スイッチを光スイッチ要素としてＮ要素Ｎ群合計Ｎの二乗個用いて構成され、第１群の各光スイッチ要素の入力２をそれぞれＮ本の入力導波路とし入力１を空端子とし、第Ｎ群の各光スイッチ要素の出力２をそれぞれＮ本の出力導波路とし出力１を空端子とし、第ｊ群のｉ番目の光スイッチ要素（ここでｉ，ｊは正整数、且つｉ＜Ｎ，ｊ＜Ｎ）の出力１と出力２をそれぞれ第（ｊ＋１）群の（ｉ＋１）番目の光スイッチ要素の入力２と第（ｊ＋１）群のｉ番目の光スイッチ要素の入力１に接続し、第ｊ群のＮ番目の光スイッチ要素の出力１と出力２をそれぞれ第（ｊ＋１）群の１番目の光スイッチ要素の入力２と第（ｊ＋１）群のＮ番目の光スイッチ要素の入力１に接続して構成されているＮ×Ｎマトリクス光スイッチにおいて、
前記２入力２出力光スイッチは、２個のカップラーと少なくとも１つの位相シフターからなるマッハツェンダー光干渉計回路を有し、前記位相シフターのＯＮ状態またはＯＦＦ状態時に前記カップラー２個を結ぶ光経路の光学的な光路長差が最適動作波長の２分の１に設定されている２入力２出力構造のマッハツェンダー光干渉計型スイッチを２段接続して構成される干渉計型光スイッチであって、前記各段のマッハツェンダー光干渉計型スイッチの最適動作波長がそれぞれ異なった値に選ばれ、
かつ、前記２入力２出力光スイッチは、入力１，入力２，出力１，出力２とする２入力２出力構造の干渉計型光スイッチであって、前記入力１は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記入力２は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記出力１は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、前記出力２は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力と第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力は接続されており、
さらに、前記２入力２出力光スイッチの１段目の消光中心波長と２段目の最適動作波長の大小関係が、偶数群目にある２入力２出力光スイッチと奇数群目にある２入力２出力光スイッチで逆になっていることを特徴とする干渉計型光スイッチ。
【請求項４】
請求項３記載の干渉計型光スイッチにおいて、所望消光比と第１段目スイッチと第２段目スイッチでの設定動作波長差とが本願明細書図４（ａ）の関係を満たし、所望の消光比（前記図４（ａ）の横軸）に対応して第１段目スイッチと第２段目スイッチでの設定動作波長差（前記図４（ａ）の縦軸）を設定することを特徴とする干渉計型光スイッチ。
【請求項５】
基板上に光導波路を用いて光回路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の干渉計型光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いるマッハツェンダー干渉計型光スイッチに関するものであり、更に詳細には、動作波長帯域が広い干渉計型光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、動画像等の高ビットレート通信を含むマルチメディア通信の普及の高まりに伴い、通信網の大容量化と同時に高度化・高機能化が強く求められている。この実現に光通信技術が重要な役割を果たす事は疑いのない状況になってきている。
【０００３】
現在敷設されている光通信網は、個別にノード間を結ぶポイント−ポイントの光通信であるが、今後は更に、アクセス網を加えた複数のノード間を電気信号に変換することなく光信号のままで結ぶ網構造の光通信網に発展させる事が望まれてきている。
【０００４】
この光通信システムに必要なキー部品としては、光増幅器，光分岐結合器，光合分波器，光スイッチ等がある。中でも、光スイッチは光クロスコネクト装置に代表される光回線切換装置などに使われる重要な部品の一つである。
【０００５】
現在、実用に供されるファイバー光増幅器の帯域は３０ｎｍ程度であるが、最近の研究開発の進展に伴い増幅帯域が１００ｎｍを越えるものも開発されてきている（Ｈ．Ｍａｓｕｄａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１３，ｐ．１３４２）。これに伴い波長多重通信システムで用いられる波長帯域も広がることが予想され、光スイッチにおいても広帯域動作特性が強く求められている。
【０００６】
様々な形態の光部品の中で、導波路型光部品は、量産性・大規模化等の面で優れた光部品として期待されている。中でも、シリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり安定性及び光ファイバーとの整合性に優れるといった特徴を有し、実用的な光スイッチを構成する光導波路の最有力実現手段として注目されている。
【０００７】
本発明の対象の一例である従来の光スイッチとしては、例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、２入力２出力光スイッチが知られている（特開平６−５１３５４号公報）。図９（ａ）は２入力２出力光スイッチの平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ′線に沿う断面図である。
【０００８】
シリコン基板１の表面には石英系ガラスで形成されたクラッド層２が設けられているとともに、このクラッド層２の中層には石英系ガラスで形成されたコア部３が設けられ、光導波路が形成されている。また、クラッド層２の表面には薄膜ヒータ４が形成されている。前記光導波路及び薄膜ヒータ４等によって光回路が形成されている。
【０００９】
この２入力２出力光スイッチは、２個のマッハツェンダー光干渉計回路２１，２２と交差導波路１５から構成されており、これらマッハツェンダー光干渉計回路２１，２２は、２個の３ｄＢ方向性結合器２３と、これら方向性結合器２３間に設けられた薄膜ヒータ４を用いた移相器で構成されている。２個の方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜は、用途に応じ、零（｜△Ｌｏｐｔ｜＝０）または信号光波長λの２分の１（｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２）に設計されている。図９（ａ）は｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２の時の構成を示している。以下に、スイッチング動作を説明する。
【００１０】
光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜がλ／２に設計されている場合、薄膜ヒータ無通電〔オフ（ＯＦＦ）時〕のときは、公知の干渉原理によりマッハツェンダー光干渉計回路２１，２２はバー状態（導波路２４の光は導波路２６で導波し導波路２５の光は導波路２７へ導波する）となるので、入力導波路端１１に入射された信号光は出力導波路端１４に伝搬し、入力導波路端１２に入射された信号光は出力導波路端１３に伝搬し、２入力２出力光スイッチとしてはクロス状態となる。
【００１１】
方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の短い側の薄膜ヒータ４へ通電〔オン（ＯＮ）時〕し、熱光学効果により光学的な光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させると、方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜は打ち消され０となる。すると、マッハツェンダー光干渉計回路２１，２２はクロス状態（導波路２４の光は導波路２７で導波し導波路２５の光は導波路２６へ導波する）となるので、入力導波路端１１に入射された信号光は出力導波路端１３，１４のいずれにも伝搬せず、入力導波路端１２に入射された信号光は出力導波路端１４に伝搬し、２入力２出力光スイッチとしては片バー状態となる。光路長差が０に設計されている場合は、クロス／片バーが入れ替わった状態として動作する。
【００１２】
この２入力２出力光スイッチは、単独で導波路端１２，１４をそれぞれ入出力導波路端としたゲートスイッチとして用いられるだけでなく、図１０に示すように複数組み合わせて用いることでＮ×Ｎマトリクススイッチ（マトリクス光スイッチ）を構成することもできる（特願平８−１３２６６９号公報）。
【００１３】
このマトリクススイッチは、上記の２入力２出力光スイッチをスイッチ要素４１としてＮ要素含むスイッチ群４５をＮ群用いて基板上に構成されている（この図ではＮ＝８である）。ここで便宜上、スイッチ要素の番号付けを図１０に示すように付ける。図中の（ｉ，ｊ）とはｊ群目の第ｉ要素を指す。第１群の各光スイッチ要素の入力２をそれぞれＮ本の入力導波路４３とし入力１を空端子とし、第Ｎ群の各光スイッチ要素の出力２をそれぞれＮ本の出力導波路４４とし出力１を空端子とし、第ｊ群のｉ番目の光スイッチ要素（ここでｉ，ｊは正整数、且つｉ＜Ｎ，ｊ＜Ｎ）の出力１と出力２をそれぞれ第（ｊ＋１）群の（ｉ＋１）番目の光スイッチ要素の入力２と第（ｊ＋１）群のｉ番目の光スイッチ要素の入力１に接続し、第ｊ群のＮ番目の光スイッチ要素の出力１と出力２をそれぞれ第（ｊ＋１）群の１番目の光スイッチ要素の入力２と第（ｊ＋１）群のＮ番目の光スイッチ要素の入力１に接続している。
【００１４】
このマトリクススイッチにおいて、例えば入力導波路４３ｄに入射された光を出力導波路４４ｇに導くには、スイッチ要素（４，３）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。
【００１５】
また図１１に、今回の発明の対象となる別の一例である２×２光スイッチの例を示す。図１１（ａ）は２×２光スイッチ光回路の平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＣ−Ｃ′線に沿う断面図で、図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＤ−Ｄ′線に沿う断面図である。１はシリコン基板、２は石英系ガラスからなるクラッド層、３はクラッド層２に埋め込まれた石英系ガラスからなるコア部、４はコア部３上部のクラッド層２の表面に形成された薄膜ヒータである。
【００１６】
この２×２光スイッチは、４個のマッハツェンダー光干渉計回路３１，３２，３３，３４と交差導波路１５から構成されており、これらマッハツェンダー光干渉計回路は２個の３ｄＢマルチモード干渉計カップラー（ＭＭＩ）３５と薄膜ヒータ４を用いた移相器で構成されている。２個のマルチモード干渉計カップラー３５を結んでいる２本の導波路の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜は、用途に応じ、ゼロ（｜△Ｌｏｐｔ｜＝０）もしくは信号光波長λの２分の１（｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２）に投計されている。図１１（ａ）は｜△Ｌｏｐｔ｜＝０の時の構成を示している。
【００１７】
また、図１２は他の構造の２×２光スイッチを示す図である。この２×２光スイッチは、一見すると図１１（ａ）に示す２×２光スイッチと違うように見えるが、マッハツェンダー光干渉計回路３３，３４の配置場所が入れ替わり、マッハツェンダー光干渉計回路３１，３２の上下の向きがひっくり返っただけで、論理的な構成は図１１（ａ）の構成と同じである。以下に、スイッチング動作を説明する。
【００１８】
２入力２出力光スイッチのマッハツェンダー光干渉計と同様に、光路長差が０に設計されている場合、薄膜ヒータ無通電（ＯＦＦ時）のときは、公知の干渉原理によりマッハツェンダー光干渉計回路３１，３２，３３，３４はクロス状態（導波路３６の光は導波路３９で導波し導波路３７の光は導波路３８へ導波する）となるので、入力導波路端１１に入射された信号光は出力導波路端１３へ伝搬し、入力導波路端１２に入射された信号光は出力導波路端１４に伝搬し、２×２光スイッチとしてはバー状態となる。
【００１９】
マルチモード干渉計カップラー３５を結んでいる２本の導波路のいずれか一方の薄膜ヒータ４へ通電（ＯＮ時）し、熱光学効果により光学的な光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させ、マルチモード干渉計カップラー３５を結んでいる２本の導波路の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜をλ／２相当にすると、マッハツェンダー光干渉計回路３１，３２，３３，３４はバー状態（導波路３６の光は導波路３８で導波し導波路３７の光は導波路３９へ導波する）となるので、入力導波路端１１に入射された信号光は出力導波路端１４に伝搬し、入力導波路端１２に入射された信号光は出力導波路端１３に伝搬し、２×２光スイッチとしてはクロス状態となる。光路長差がλ／２に設計されている場合は、クロス／バーが入れ替わった状態として動作する。
【００２０】
以上のような石英系光導波路を用いた光スイッチは、図１３に示した方法により作製される。まず、図１３（ａ）に示すように、シリコン基板１を用意した後、図１３（ｂ）に示すように、前記シリコン基板１上に火炎加水分解反応堆積技術によって下部クラッド層２ａと導波路コア層３ａを形成する。
【００２１】
次に、図１３（ｃ）に示すように、後に導波路コア部３となる部分のみを残し、不要な部分を反応性イオンエッチング技術により除去する。
【００２２】
次に、図１３（ｄ）に示すように、再び火炎加水分解反応堆積技術によって上部クラッド層２ｂを形成する。
【００２３】
最後に、図１３（ｅ）に示すように、真空蒸着技術及びウェットエッチング技術によって、移相器となる薄膜ヒータ４や薄膜ヒータ４に電気的にアクセスする電気配線を上部クラッド層２ｂ上に形成する。
【００２４】
以上のように、石英系光導波路はＳｉＣｌ４やＧｅＣｌ４などの原料ガスの加水分解反応を利用したガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術およウェットエッチング技術の公知の組み合わせにより作製される。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような２入力２出力光スイッチは次のような問題があった。
光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜が０以外であるマッハツェンダー光干渉計回路は原理的に波長特性を持つ。すなわち光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜は信号光波長λにおいて最適化されて設定されるため、使用信号光の波長がλからずれるに従い光路の切替が不完金となり消光比の劣化が生じる。
【００２６】
２入力２出力光スイッチを例に用いて詳しく説明すると、一般に、マッハツェンダー光干渉計回路のバー経路（導波路２４から導波路２６への経路、および導波路２５から導波路２７への経路）での透過光波長特性Ｉｂａｒ（λ）及び、クロス経路（導波路２４から導波路２７への経路、及び導波路２５から導波路２６への経路）での透過光波長特性Ｉｃｒｏｓｓ（λ）は次式（数１）で表される。
【００２７】
【数１】
0003555842.tif 000002
【００２８】
ここで、κ（λ）は方向性結合器の結合率であり３ｄＢ結合付近ではわずかにスロープを持った波長特性を持つ。λ０は最適動作波長である。光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜がλ０／２に設計されている場合、φはＯＦＦ状態でφ＝π、ＯＮ状態でφ＝０である。
【００２９】
従って、２入力２出力光スイッチをゲートスイッチとして用いた場合の入力導波路端１２と出力導波路端１４の間のＯＮ状態での透過特性ＩＯＮ（λ）及びＯＦＦ状態での特性ＩＯＦＦ（λ）は、第１段目と第２段目のマッハツェンダー光干渉計回路の透過特性をそれぞれ
【００３０】
【数２】
0003555842.tif 000003
【００３１】
【数３】
0003555842.tif 000004
【００３２】
【数４】
0003555842.tif 000005
【００３３】
【数５】
0003555842.tif 000006
【００３４】
図１４に従来の構成の場合の透過特性を示す。ここで信号光波長すなわち最適動作波長λ０は１５２０ｎｍとした。この図から消光比〔＝ＩＯＦＦ（λ）／ＩＯＮ（λ）が５０ｄＢ以上確保できる波長帯域は、１００ｎｍ程度である。
【００３５】
実際に作製された２入力２出力光スイッチやこれを集積した前記マトリクススイッチ（Ｎ＝８）においても、消光比５０ｄＢを確保できる波長帯域は１００ｎｍ程度に限られており、波長多重通信システムにおいて広がりつつある波長帯域に対応することが課題となっていた。
【００３６】
本発明は、上記従来技術に鑑みて成されたものであり、広い波長範囲で動作が可能な光スイッチ（干渉計型光スイッチ）を提供することを目的とするものである。
【００３７】
【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うち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）２個のカップラーと少なくとも１つの位相シフターからなるマッハツェンダー光干渉計回路を有し、前記位相シフターのＯＮ状態またはＯＦＦ状態時に前記カップラー２個を結ぶ光経路の光学的な光路長差が最適動作波長の２分の１に設定されている２入力２出力構造のマッハツェンダー光干渉計型スイッチを２個２段接続して構成される干渉計型光スイッチであって、
該干渉計型光スイッチの所望消光比と各段間での設定動作波長差が本願明細書図４（ａ）の関係を満たし、所望の消光比（前記図４（ａ）の横軸）に対応して各段間での設定動作波長差（前記図４（ａ）の縦軸）を設定し、
前記マッハツェンダー光干渉計型スイッチを第１段目スイッチと第２段目スイッチと２段接続し、入力１，入力２，出力１，出力２とする２入力２出力構造の前記干渉計型光スイッチであり、
前記入力１は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記入力２は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記出力１は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、前記出力２は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力と第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力は接続されていることを特徴とする。前記各マッハツェンダー光干渉計型スイッチの最適動作波長は各段間で１０ｎｍ程度以上、例えば１０〜４００ｎｍ程度異なっている。基板上に光導波路を用いて光回路が形成されている。
【００３８】
マッハツェンダー光干渉計型スイッチを第１段目スイッチと第２段目スイッチと２段接続し、入力１，入力２，出力１，出力２とする２入力２出力構造の前記干渉計型光スイッチであって、前記入力１は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記入力２は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端に接続され、前記出力１は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、前記出力２は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端に接続され、第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力と第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力は接続されている。
【００３９】
（２）前記マッハツェンダー光干渉計型光スイッチを二組並列配置することにより２×２光スイッチ構造の干渉計型光スイッチが構成される。
【００４０】
この干渉計型光スイッチは、前記マッハツェンダー光干渉計型スイッチを４個２段２要素に配し、入力１，入力２，出力１，出力２とする２×２光スイッチ構造の干渉計型光スイッチであって、第１段１要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端を前記入力１とし、第２段１要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端を前記出力１とし、第１段２要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力端を前記入力２とし、第２段２要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力端を前記出力２とし、第１段１要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端と第２段１要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端を接続し、第１段２要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力端と第２段２要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力端を接続し、第１段１要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力端と第２段２要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端を接続し、第１段２要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端と第２段１要素目のマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力端を接続してなる構成になっている。
【００４１】
（３）前記手段（１）の干渉計型光スイッチまたは前記手段（２）の干渉計型光スイッチをスイッチ要素として複数個用いてマトリクス光スイッチが構成されている。
【００４２】
（４）前記手段（２）の２入力２出力光スイッチを光スイッチ要素としてＮ要素Ｎ群合計Ｎの二乗個用いて構成され、第１群の各光スイッチ要素の入力２をそれぞれＮ本の入力導波路とし入力１を空端子とし、第Ｎ群の各の光スイッチ要素の出力２をそれぞれＮ本の出力導波路とし出力１を空端子とし、第ｊ群のｉ番目の光スイッチ要素（ここでｉ，ｊは正整数、且つｉ＜Ｎ，ｊ＜Ｎ）の出力１と出力２をそれぞれ第（ｊ＋１）群の（ｉ＋１）番目の光スイッチ要素の入力２と第（ｊ＋１）群のｉ番目の光スイッチ要素の入力１に接続し、第ｊ群のＮ番目の光スイッチ要素の出力１と出力２をそれぞれ第（ｊ＋１）群の１番目の光スイッチ要素の入力２と第（ｊ＋１）群のＮ番目の光スイッチ要素の入力１に接続して構成されているＮ×Ｎマトリクス光スイッチにおいて、
前記２入力２出力光スイッチの１段目の消光中心波長と２段目の最適動作波長の大小関係が、偶数群目にある２入力２出力光スイッチと奇数群目にある２入力２出力光スイッチで逆になっている。
【００４３】
前記（１）の手段によれば、マッハツェンダー光干渉計型２×２光スイッチを２段以上接続して構成される光スイッチにおいて、ＯＮ状態時もしくはＯＦＦ状態時の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜すなわち最適動作波長λ（｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２）を各段でわずか異なった値に設定し、各段で消光させる波長域を分けて分担することにより、消光波長領域を拡大することができる。
【００４４】
前記２入力２出力光スイッチの例を用いて具体的に説明する。図３に、第１段目のマッハツェンダー光干渉計回路２１と第２段目のマッハツェンダー光干渉計回路２２で光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜をずらして設定した場合の透過特性を示す。図３（ａ）は第１段目の最適動作波長λ０を１４９５ｎｍに第２段目を１５４５ｎｍに、すなわち５０ｎｍずらした場合の透過特性である。
【００４５】
図３（ｂ）は第１段目の最適動作波長λ０を１４７０ｎｍに第２段目を１５７０ｎｍに、すなわち１００ｎｍずらした場合の透過特性である。消光比５０ｄＢ以上確保できる波長領域は、５０ｎｍずらした場合で約１２０ｎｍ、１００ｎｍずらした場合で約１４０ｎｍである。ただし、これ以上ずらすと中心波長である１５２０ｎｍ付近で消光比５０ｄＢを割り込む。従って、所望消光比に合わせて適度にずらす必要がある。
【００４６】
図４（ａ）に所望消光比と設定波長の最適なずらし量の関係を示す。図４（ｂ）に、最適なずらし量に設定した場合とずらさない従来の場合の、所望消光比と所望消光比を確保できる波長帯域の関係を示す。このように、一段目と２段目で適度に最適動作波長λ０  をずらすことにより、所望消光比を確保できる波長領域を約４割拡大することができる。
【００４７】
マッハツェンダー光干渉計型２×２光スイッチを３段以上接続して構成される光スイッチにおいても、同様の概念で波長域拡大を図ることができる。
【００４８】
前記（２）の手段によれば、前記手段（１）の干渉計型光スイッチと同様に動作帯域の広い２×２光スイッチ構造の干渉計型光スイッチを提供することができる。
前記（３）の手段によれば、前記手段（１）の干渉計型光スイッチと同様に動作帯域の広いマトリクス光スイッチを提供することができる。
前記（４）の手段によれば、前記手段（１）の干渉計型光スイッチと同様に動作帯域の広いＮ×Ｎマトリクス光スイッチを提供することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
以下の実施形態では、平面光導波路を用いしかも光導波路としてはシリコン基板上に形成した石英系単一モード光導波路によって実現されている光スイッチについて説明する。これは平面光導波路が集積性に優れ、スイッチ規模の大規模化や作製費用の低コスト化に優れるためであり、さらにこの組み合わせの光導波路が低損失で安定でありしかも石英系光ファイバーとの整合性に優れているためである。しかしながら本発明はこれらの組み合わせに限定されるものではない。
【００５０】
（実施形態１）
図１乃至図４は本発明の一実施形態（実施形態１）である干渉計型光スイッチ（２入力２出力光スイッチ）に係わる図やグラフである。
【００５１】
図１は２入力２出力光スイッチの概略を示す模式図であり、図２は図１のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′に沿う断面図である。
【００５２】
２入力２出力光スイッチは、シリコン基板１の表面にいずれも石英系ガラスで形成されるコア部３及びクラッド層２を設けるとともに、所定のクラッド層２の表面に薄膜ヒータ４を設けて光回路を構成した構造になっている。
【００５３】
このような光スイッチは、厚さ１ｍｍ、直径４インチのシリコン基板１上に、従来と同様に、石英系導波路はＳｉＣｌ４  やＧｅＣｌ４  などの原料ガスの加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆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４は真空蒸着法及び化学エッチングにより作製した。
【００５４】
すなわち、シリコン基板１の表面に、いずれも石英系ガラスからなる下部クラッド層とコア層を形成し、その後前記コア層を反応性イオンエッチング技術によって選択的に除去し、次に再び石英系ガラスからなる上部クラッド層を形成してコア部３をクラッド層２で覆い、その後薄膜ヒータ４や薄膜ヒータ４に電気的にアクセスする電気配線をクラッド層２に形成し、図１に示すように、マッハツェンダー光干渉計回路を有する２入力２出力型のマッハツェンダー光干渉計型スイッチを２段に設けた光回路を製造する。
【００５５】
コア（コア部３）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４のサイズは、厚さ０．１μｍ、幅４０μｍ、長さ４ｍｍである。マッハツェンダー光干渉計回路２１，２２を構成している２個の方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の間隔は２５０μｍにした。
【００５６】
この２入力２出力光スイッチは、２個のマッハツェンダー光干渉計回路２１，２２と交差導波路１５から構成されており、これらマッハツェンダー光干渉計回路２１，２２は、２個の３ｄＢ方向性結合器２３と、これら方向性結合器２３間に設けられた薄膜ヒータ４を用いた移相器で構成されている。２個の方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜は、用途に応じ、零（｜△Ｌｏｐｔ｜＝０）もしくは信号光波長λの２分の１（｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２）に設計されている。図１は｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２の時の構成を示している。
【００５７】
本実施形態１では、信号光波長λによって決定される光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜を、第１段目のマッハツェンダー光干渉計回路２１とマッハツェンダー光干渉計回路２２でわずかにずらして設計・作製している。具体的には所望消光比を５０ｄＢと設定し、最適動作波長λ０を１００ずらした。
【００５８】
すなわち、光路長差は｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ０／２で、第１段目は最適動作波長λ０＝１４７０ｎｍに、第２段目はλ０＝１５７０ｎｍとした。この２入力２出力光スイッチが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て、また、人出力導波路にはシングルモードファイバーを接続し、薄膜ヒータ４には給電リードを接続し、２入力２出力光スイッチモジュールとした。
【００５９】
本実施形態１の干渉計型光スイッチは入力として、入力１（入力導波路端１１），入力２（入力導波路端１２）を有し、出力として出力１（出力導波路端１３），出力２（出力導波路端１４）を有する構造になっている。これら入力１，入力２，出力１，出力２と第１段目及び第２段目のマッハツェンダー光干渉計回路の導波路（導波路２４〜２６）端との接続関係は以下の通りになっている。
【００６０】
すなわち、入力１は第２段目のマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端（導波路２４端）に接続され、入力２は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１入力端（導波路２４端）に接続され、出力１は第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端（導波路２６端）に接続され、出力２は第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第１出力端（導波路２６端）に接続され、第１段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２出力（導波路２７端）と第２段目スイッチのマッハツェンダー光干渉計回路の第２入力（導波路２５端）は接続されている。
【００６１】
次に、スイッチング動作を説明する。
光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜がλ／２に設計されている場合、薄膜ヒータ無通電〔オフ（ＯＦＦ）時〕のときは、公知の干渉原理によりマッハツェンダー光干渉計回路２１，２２はバー状態（導波路２４の光は導波路２６で導波し導波路２５の光は導波路２７へ導波する）となるので、入力導波路端１１に入射された信号光は出力導波路端１４に伝搬し、入力導波路端１２に入射された信号光は出力導波路端１３に伝搬し、２入力２出力光スイッチとしてはクロス状態となる。
【００６２】
方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の短い側の薄膜ヒータ４へ通電〔オン（ＯＮ）時〕し、熱光学効果により光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させると、方向性結合器２３を結んでいる２本の導波路の光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜は打ち消され０となる。すると、マッハツェンダー光干渉計回路２１，２２はクロス状態（導波路２４の光は導波路２７で導波し導波路２５の光は導波路２６へ導波する）となるので、入力導波路端１１に入射された信号光は出力導波路端１３，１４のいずれにも伝搬せず、入力導波路端１２に入射された信号光は出力導波路端１４に伝搬し、２入力２出力光スイッチとしては片バー状態となる。光路長差が０に設計されている場合は、クロス／片バーが入れ替わった状態として動作する。
【００６３】
この２入力２出力光スイッチは、単独で波路端１２，１４をそれぞれ入出力導波路端としたゲートスイッチとして用いることができる。
【００６４】
本実施形態１の干渉計型光スイッチを１．５５μｍ帯の可変波長光源を用いて、ゲートスイッチとしての特性を測定したところ、図３（ｂ）に示すように、消光比５０ｄＢ以上が得られる波長領域は１４５０ｎｍから１５９０ｎｍの範囲で得られ、１４０ｎｍの帯域を確保できた。挿入損失もこの波長領域で１．２ｄＢから１．７ｄＢの良好な値が得られた。ただし、最適動作波長λ０を第１段目と第２段目との間でこれ以上ずらすと中心波長である１５２０ｎｍ付近で消光比５０ｄＢを割り込む。従って、所望消光比に合わせて適度にずらす必要がある。
【００６５】
図３は、第１段目のマッハツェンダー光干渉計回路２１と第２段目のマッハツェンダー光干渉計回路２２で光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜をずらして設定した場合の透過特性を示すグラフであり、図３（ａ）は第１段目の最適動作波長λ０を１４９５ｎｍに第２段目を１５４５ｎｍに、すなわち５０ｎｍずらした場合の透過特性である。この場合も、消光比５０ｄＢ以上が得られる波長領域は１４６０ｎｍから１５８０ｎｍの範囲に及び、１２０ｎｍの帯域を確保できた。
【００６６】
図４（ａ）に所望消光比と設定波長の最適なずらし量の関係を示す。図４（ｂ）に、最適なずらし量に設定した場合とずらさない従来の場合の、所望消光比と所望消光比を確保できる波長帯域の関係を示す。このように、一段目と２段目で適度に最適動作波長λ０をずらすことにより、所望消光比を確保できる波長領域を約４割拡大することができる。
【００６７】
また、本実施形態ではカップラーが方向性結合器の場合を取り上げたが、カップラーがマルチモード干渉計である２入力２出力光スイッチを作製した場合も、両様の効果が得られた。また、位相シフターは薄膜ヒータによる構成としたが、他の構成でもよい。
【００６８】
（実施形態２）
本発明の他の実施形態（実施形態２）としてのＮ×Ｎマトリクススイッチ（Ｎ＝８）を図５に示す。構成要素、及びその接続などの大まかな構成は、図１０に示した従来のＮ×Ｎマトリクススイッチ（マトリクス光スイッチ）と同じである。
【００６９】
徒来の構成とは異なる点は、実施形態１で説明した光路長差をわずかにずらした２入力２出力光スイッチをスイッチ要素として用い、且つ、奇数群目にある２入力２出力光スイッチは第１段目の最適動作波長λ０＝１４７０ｎｍに第２段目はλ０＝１５７０ｎｍとしたのに対し、偶数群目にある２入力２出力光スイッチ第１段目の最適動作波長λ０＝１５７０ｎｍに第２段目はλ０＝１４７０ｎｍとして、奇数群目と偶数群目で最適動作波長のずらし方を逆にした点である。
【００７０】
このように、最適動作波長のずらし方を逆にしたのは次のような理由による。最適動作波長のずらし方を逆にしなかった場合、このＮ×Ｎマトリクススイッチの入力導波路４３と出力導波路４４の間のＯＮ状態（経路設定状態）での透過特性ＩＭＯＮ（λ）及びＯＦＦ状態（経路未設定状態）での特性ＩＭＯＦＦ（λ）は、第１段目（λ０＝１４７０ｎｍ）と第２段目（λ０＝１５７０ｎｍ）のマッハツェンダー光干渉計回路の透過特性をそれぞれ、
【００７１】
【数６】
0003555842.tif 000007
【００７２】
【数７】
0003555842.tif 000008
【００７３】
【数８】
0003555842.tif 000009
【００７４】
ここで、ｎは経路上ＯＮ状態のスイッチ要素があるスイッチ群の番号（ｎ＝１〜Ｎ）である。例えば入力導波路４３ｄに入射された光を出力導波路４４ｇに導く経路では、ＯＮ状態スイッチはスイッチ要素（４，３）であるので、スイッチ群番号ｎは３になる。
【００７５】
従って、数８を見て分かるように経路の違いによるｎの差により、波長特性に経路依存性が生じることになる。例えばｎ＝１の時とｎ＝８の時の波長依存性を図６（ａ）に示す。この図を見て分かるように波長帯域の端の領域、１４５０ｎｍや１５９０ｎｍでは経路により０．４ｄＢ程度の損失差が生じることが分かる。
【００７６】
本実施形態２のように、奇数群目と偶数群目で最適動作波長のずらし方を逆にした場合、透過特性は経路上ＯＮ状態のスイッチ要素が奇数群目にある場合はｎ＝３、偶数群目にある場合はｎ＝４となり、図６（ｂ）に示したように経路による差が逆にしない場合と比べてかなり小さくなる。
【００７７】
実際に、実施形態１と同様な作製方法・設計パラメータにて４インチシリコン基板上に８×８マトリクススイッチモジュールを作製した。６４通りの全ての経路に関して光学特性を測定したところ、消光比５０ｄＢ以上が得られる波長領域は１４５０ｎｍから１５９０ｎｍの範囲で得られ、１４０ｎｍの帯域を確保できた。挿入損失もこの波長領域で４．０ｄＢから４．６ｄＢの良好な値が得られた。
【００７８】
奇数群目と偶数群目で最適動作波長のずらし方を逆にしなかった場合も作製してみたが、消光比５０ｄＢ以上が得られる波長領域は１４５０ｎｍから１５９０ｎｍの範囲で得られ、１４０ｎｍの帯域を確保できたが、挿入損失はこの波長領域で４．０ｄＢから５．０ｄＢであり、１４５０ｎｍや１５９０ｎｍの波長では経路によって０．４ｄＢ程度の損失差が見られた。
【００７９】
よって、損失の均一化といった観点から奇数群目と偶数群目で最適動作波長のずらし方を逆にしたほうが好ましいことが分かる。
【００８０】
また、本実施形態ではカップラーが方向性結合器の場合を取り上げたが、カップラーがマルチモード干渉計である場合も、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８１】
（実施形態３）
図７は本発明の他の実施形態（実施形態３）である２×２光スイッチの構成を示す模式図である。図８は本実施形態３の変形例である２×２光スイッチの構成を示す模式図であり、図１２と同様の構成のものに対して本実施形態３の構成を適用したものである。
【００８２】
本実施形態３の２×２光スイッチは、構成要素、及びその接続などの大まかな構成は、図１１に示した従来の２×２光スイッチと同じである。
【００８３】
従来の構成とは異なる点は、薄膜ヒータ４に通電（ＯＮ時）して熱光学効果により光路長を信号光波長の２分の１相当分位相変化させ、マルチモード干渉計カップラー３５を結んでいる２本の導波路の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜をλ／２相当に設定したときに、このＯＮ時の光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜を、第１段目のマッハツェンダー光干渉計回路３１，３２と第２段目のマッハツェンダー光干渉計回路３３，３４でわずかにずらして動作させる点である。
【００８４】
具体的には所望消光比を５０ｄＢと設定し、最適動作波長λ０＝２×｜△Ｌｏｐｔ｜を１００ｎｍずらした。
【００８５】
本実施形態３の２×２光スイッチも、実施形態１・２と同様な作製方法及び設計パラメータにて４インチ基板上に作製した。
【００８６】
同様に１．５５μｍ帯の可変波長光源を用いて、光学特性を測定したところ消光比５０ｄＢ以上が得られる波長領域はバー経路で１４５０ｎｍから１５９０ｎｍの範囲で得られ、クロス経路ではより広い波長領域で５０ｄＢ以上の消光比が得られ、１４０ｎｍの帯域を確保できた。挿入揖失もこの波長領域で１．２ｄＢから１．７ｄＢの良好な値であった。
【００８７】
さて、これら実施形態においては、位相シフターとして薄膜ヒータを用いた熱光学位相シフターから成る構成について説明したが、これ以外の位相シフター、例えば電気光学効果を用いた位相シフターでも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００８８】
また、上記実施形態ではシリコン基枚上の石英系ガラスを基本とする光回路について説明したが、他材料、他の作製法（拡散法、低温膜作製法）においても、多段にマッハツェンダー干渉計を接続して構成した光スイッチにおいて、動作波長帯域を拡大するための手段として本発明が本質であることは、以上の説明で明らかである。
【００８９】
従って、例えば、プラスチック光導波路、高分子導波路やイオン拡散型導波路などあるいはバルク型の光スイッチにおいても、本発明を適用できることを、付記しておく。
【００９０】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なもの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。
マッハツェンダー光干渉計型２×２スイッチを多段に接続して構成される光スイッチにおいて、ＯＮ時もしくはＯＦＦ時の光学的な光路長差｜△Ｌｏｐｔ｜すなわち最適動作波長λ（｜△Ｌｏｐｔ｜＝λ／２）を各段でわずかに異なった値に設定し、各段で消光させる波長領域を分けて分担することにより、消光波長領域を拡大することができる。
本発明は、広い波長範囲で動作が可能な光スイッチを実用化する上できわめて効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である２入力２出力光スイッチの概略を示す模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′に沿う断面図である。
【図３】本実施形態１の２入力２出力光スイッチにおける光学特性を説明するグラフである。
【図４】本実施形態１の２入力２出力光スイッチにおける最適なパラメータ及び効果の程度を説明するグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態（実施形態２）であるＮ×Ｎマトリクススイッチ（Ｎ＝８）の構成を示す模式図である。
【図６】本実施形態２のＮ×Ｎマトリクススイッチにおける光学特性を説明するグラフである。
【図７】本発明の他の実施形態（実施形態３）である２×２光スイッチの構成を示す模式図である。
【図８】本実施形態３の変形例である２×２光スイッチの構成を示す模式図である。
【図９】従来の２入力２出力光スイッチの構成を示す模式図である。
【図１０】従来のＮ×Ｎマトリクススイッチの構成を示す模式図である。
【図１１】従来の２×２光スイッチの構成を示す模式図である。
【図１２】従来の他の２×２光スイッチの構成を示す模式図である。
【図１３】従来の２入力２出力光スイッチにおける光導波路の作製工程を示す模式的断面図である。
【図１４】従来の２入力２出力光スイッチにおける光学特性を説明するグラフである。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…クラッド層、２ａ…下部クラッド層、２ｂ…上部クラッド層、３…コア部、３ａ…導波路コア層、４…薄膜ヒータ、１１…入力導波路端、１２…入力導波路端、１３…出力導波路端、１４…出力導波路端、１５…交差導波路、２１，２２…マッハツェンダー光干渉計回路、２３…方向性結合器、２４〜２７…導波路、３１，３２，３３，３４…マッハツェンダー光干渉計回路、３５…マルチモード干渉計カップラー、３６〜３９…導波路、４１…スイッチ要素、４３…入力導波路、４４…出力導波路、４５…スイッチ群。
【図１】
0003555842.tif 000010
【図２】
0003555842.tif 000011
【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】
0003555842.tif 000016
【図８】
0003555842.tif 000017
【図９】
0003555842.tif 000018
【図１０】
0003555842.tif 000019
【図１１】
0003555842.tif 000020
【図１２】
0003555842.tif 000021
【図１３】
0003555842.tif 000022
【図１４】
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