(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカガラス内に形成された平面状導波路構造体と、
前記導波路構造体に関連して配置された制御可能な弾性表面波（ＳＡＷ）ソースとを有し、
前記導波路構造体は、第１及び第２の出力部分と、前記第１及び第２の出力部分に接続されたマルチモード導波路部分と、前記マルチモード導波路部分に接続された第１の入力部分とを有し、
前記入力部分及び出力部分は、シングルモード領域であり、
前記マルチモード導波路部分は、第１の伝送モードおよび／または第２の伝送モードで光学信号を伝搬する構造体を有し、
前記第１の出力部分は、前記マルチモード導波路部分内で前記第１の伝送モードで伝搬する光学信号のパワーを受領する構造体を有し、
前記第２の出力部分は、前記マルチモード導波路部分内で前記第２の伝送モードで伝搬する光学信号のパワーを受領する構造体を有し、
前記弾性表面波（ＳＡＷ）ソースは、前記マルチモード導波路部分に対して特定の位相適合角にて前記導波路構造体の屈折率を選択的に変更するための弾性表面波を選択的に向けて、前記マルチモード導波路部分で前記第１及び第２の伝送モードの間で光学信号パワーを結合することを特徴とするシリカ製光学回路スイッチ。
【請求項２】
前記第１伝送モードは、偶伝送モードであり、前記第２伝送モードは、高次の奇伝送モードであることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項３】
前記第１及び第２の出力部分は、前記マルチモード導波路部分から１．５°以下の分離角でのびることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項４】
前記第１及び第２の出力部分は、前記マルチモード導波路部分から０．２°〜１．０°の範囲の分離角でのびることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項５】
前記第１及び第２の出力部分の断面積は、互いに２０％以上異なることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項６】
前記第１及び第２の出力部分の断面積は、互いに５０％以上異なることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項７】
前記導波路構造体は、前記マルチモード導波路部分に接続された第２の入力部分をさらに有することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項８】
前記第２の入力部分は、前記第２の伝送モードで光学信号を前記マルチモード導波路部分に伝搬する構造体を有することを特徴とする請求項７記載のスイッチ。
【請求項９】
前記導波路構造体は、前記第１の入力部分と前記マルチモード導波路部分との間でアディアバティックなテーパー状を形成することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１０】
前記ＳＡＷソースは、前記導波路構造体を含むシリカ製光学回路の表面上に配置され、前記ＳＡＷソースは、前記マルチモード導波路部分の第１と第２の伝送モード間の位相適合条件に対応する周波数を有する弾性表面波を生成することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１１】
前記弾性表面波の周波数は、２５ＭＨｚ〜１．０ＧＨｚの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１２】
前記ＳＡＷソースは、前記導波路構造体を含むシリカ製光学回路の表面上に形成されたインタディジタルトランデューサであることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１３】
前記マルチモード導波路部分の長さＬは、０．５ｃｍ〜５ｃｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１４】
前記マルチモード導波路部分は、ＲＦ励起が前記ＳＡＷソースに与えられた場合には、光学信号のパワーの一部を前記第２の出力部分に向けることのできる長さを有することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１５】
前記導波路構造体を含むシリカ製光学回路上に形成された弾性エネルギーダンパを有し、前記弾性エネルギーダンパは、前記導波路構造体内を前記位相適合角以外の角度でもって伝搬する弾性波エネルギーを低減することを特徴とする請求項１記載のスイッチ。
【請求項１６】
前記弾性エネルギーダンパは、前記シリカ製光学回路内の溝内に配置された弾性エネルギー吸収材料を含むことを特徴とする請求項１５記載のスイッチ。
【請求項１７】
前記溝は、前記導波路構造体を含むシリカ製光学回路内に所定の深さまでエポキシを含有することを特徴とする請求項１６記載のスイッチ。
【請求項１８】
前記弾性エネルギー吸収材料は、エポキシであることを特徴とする請求項１６記載のスイッチ。
【請求項１９】
前記導波路構造体は、前記弾性エネルギーダンパと前記ＳＡＷソースとの間に配置されることを特徴とする請求項１６記載のスイッチ。
【請求項２０】
前記弾性エネルギーダンパは、前記光学集積回路の少なくとも１表面上に配置された弾性エネルギー吸収材料を含有することを特徴とする請求項１５記載のスイッチ。
【請求項２１】
前記弾性エネルギー吸収材料は、前記光学集積回路の少なくとも１つのエッジ表面上に配置されることを特徴とする請求項２０記載のスイッチ。
【請求項２２】
前記弾性エネルギー吸収材料は、エポキシであることを特徴とする請求項２０記載のスイッチ。
【請求項２３】
請求項１記載のスイッチを光学的に接続したアレイを含むＮ×Ｍスイッチ（Ｍ、Ｎは各々、整数）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学信号用のスイッチングデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学伝送システムと光学処理システムは、様々な通信分野で使用されている。例えば電話システムとデータ伝送システムとは、長距離にわたり音声とデータを光学信号として伝送するために光ファイバを用いて実現されている。このようなシステムにおいては、ルーティングスイッチは、システム内の所望のパスを介して光学信号を配送するために、電気制御信号に基づいて、入力用光ファイバと出力用光ファイバとを接続している。例えばこのようなルーティングデバイスは、特定のパスに沿ってあるいはサービス外の部分をバイパスするような光学通信リンクを提供する。
【０００３】
複数の入力と出力とを有するスイッチは、小さな１×２および／または２×２のスイッチ要素の列構成から形成される。その結果、このようなスイッチは、小型で製造コストが安く、且つルーティングとスイッチング機能を実行する低電力光学集積回路として実現できる。この光学集積回路により、従来の集積回路チップ上にたくさんの電子デバイスを形成するのと同様に、小さな寸法の共通基板上に複数の光学要素を形成できるようになる。代表的な光学集積デバイスは、シリコン基板上に形成されたシリカガラス（ＳｉＯ２）内にガラス導波路構造を有するシリカ製光学回路である。このようなデバイスの基本的構造は、Ｃ．  Ｈ．  Ｈｅｎｒｙ  ｅｔ  ａｌ．著の”Ｇｌａｓｓ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｏｒ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ”，７  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｐｐ．１５３０−１５３９（１９８９）を参照のこと。
【０００４】
従来のシリカ製光学集積回路スイッチは、熱光学（ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ）スイッチを有する。このような代表的な熱光学スイッチ構成は、Ｍ．  Ｋａｗａｃｈｉ著の”Ｓｉｌｉｃａ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｏ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ−Ｏｐｔｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，”  ２２  Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｐｐ．  ３９１−４１６（１９９０）に記載されている。この光学スイッチは、シリカガラス内に埋設された第１と第２の方向性カプラを有するＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型の干渉系構造を用いている。シリカガラス内に埋設された２本の導波路アームが、第１カプラの出力を第２カプラの入力に接続する。クロム製のヒータストリップが導波路アーム上の上部クラッド層の表面上に堆積される。
【０００５】
このような装置の動作において、第１カプラの入力に入射する光信号の一部は、各導波路アーム内を伝搬するうちに、第２カプラに分離される。この第２カプラが光信号の一部を再結合して、この再結合された光信号をこのカプラの特定の出力に方向づける。電力が特定のヒータストリップに加えられると、その導波路アームは加熱され、屈折率が減少し、それに従って導波路アーム内を伝搬する光パスの有効長が減少する。この光パスの有効長が減少すると、第２カプラに入る光信号間に大きな位相差が生成され、これにより第２カプラの他方の出力に配送される再結合光信号の破壊的干渉を引き起こす（分離が完了する）。しかしこの熱光学スイッチは、埋設導波路の加熱を必要とするために、大きな電力を消費し、且つ比較的応答時間が長くなる欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、電力消費が少なく且つ応答時間（切替時間）の短い光学スイッチを提供することである。さらに本発明の目的は、音響光学効果を用いて光信号のルーティングを容易にするような小型の導波路構造を有するシリカ製の光学回路スイッチを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定の音響波である弾性表面波すなわちＲａｙｌｅｉｇｈ波は、十分な音響波エネルギーを埋設型マルチモード導波路に与え、これにより屈折率に十分な周期的変動を引き起こし、導波路の２つの伝送モード間の光エネルギーを結合するという認識に基づいてなされたものである。従って、偶伝送モードで伝搬する光信号のパワーは、次の高次の奇伝送モードに変換されるが、これは弾性表面波によって引き起こされる周期的屈折率変動に起因する。この動作原理を本発明は用いて、光学信号スイッチを生成するものである。
【０００８】
本発明におけるシリカ製光学回路スイッチは、弾性表面波（ｓｕｒｆａｃｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅ  ：ＳＡＷ）ソースと、シリカガラス内に形成されたカプラ導波路構造体とを有する。この導波路構造体は、第１と第２の出力部分と、この出力部分に接続されるマルチモード部分と、このマルチモード部分に接続される入力部分とを有する。この入力部分は、光学信号が偶（すなわち対称）伝送モードで伝搬できるような構造を有する。このマルチモード部分は、光学信号が偶伝送モードおよび高次の奇（すなわち非対称）伝送モードで伝搬できるような構造を有する。第１の出力部分は、マルチモード部分の偶伝送モードで伝搬する光学信号は受け付けるが、奇伝送モードの光学信号は受け付けない。これに対し第２出力部分は、マルチモード部分の奇伝送モードで伝搬する光学信号は受け付けるが、偶伝送モードの光学信号は受け付けない。
【０００９】
次に本発明の動作について説明する。弾性表面波が生成されないときには、カプラ導波路構造により入力部分からの光学信号はマルチモード部分を介して偶伝送モードで第１出力部分に伝搬できる。しかし、ＳＡＷソースが特定の位相マッチング角θでもって、弾性表面波をマルチモードの導波路部分に向けると、入力部分に入る光学信号はマルチモード部分内で第１伝送モードから第２伝送モードに結合され、その結果このパワーは第２伝送モードで転送される。その後、この第２伝送モードの光学信号は、第２出力部分内に受領される。その結果本発明の構造により、シリカ製の光学回路スイッチは小型で高速の切替が可能で且つ光学信号をルーティングするのに比較的少ないパワーでよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、弾性表面波が十分な音響波エネルギーをシリカ製光学回路導波路のマルチモード部分に与え、それにより第１伝送モードで伝搬している光学信号のパワーを第２伝送モードに結合するために、屈折率の周期的変化を引き起こさせるという原理に基づいている。このようなマルチモード導波路部分は、マルチモード導波路部分からの第１と第２の伝送モードの光学信号をそれぞれ受領する異なる構造体を有する第１と第２のシングルモード出力導波路部分と共に用いられる。
【００１１】
かくして本発明のスイッチは、弾性表面波が生成されないときには、第１伝送モードでマルチモード部分に入射する光学信号は、第１伝送モードで第１出力部分に伝搬する。しかし、弾性表面波がマルチモード部分に向けられた場合には、第１伝送モードで入射する光学信号のパワーは、マルチモード部分で第２伝送モードに結合され、その結果、モード変換のない伝送（ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｍｏｄｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）に起因して、第２出力部分内に伝搬する光学信号を生成する。従って弾性表面波は、選択的に生成され導波路構造を介して光信号の所望のルーティング（分配）を与えることができる。
【００１２】
Ｒａｙｌｅｉｇｈ波とも称する弾性表面波は、音響波の一種である。弾性表面波、すなわちＲａｙｌｅｉｇｈ波は、指数関数的にその構成材料の深さ方向に振幅が減衰するような組成材料の平面状表面に沿って導波される音響波である。音響波は、通常１Ｈｚ〜数十ＧＨｚの範囲の周波数を有する弾性非電磁波である。音響波は、慣性と弾性（媒体の一部を元の状態に戻すような力の存在）を有する媒体中を伝搬し、変位した物体が隣接する物体に運動量を転換して、それ自身が元の位置に戻るようなものである。しかし、表面弾性波のエネルギーの約９０％は、平面状表面から弾性波の１波長に相当する深さを伝搬する（それ故表面弾性波と称する）。弾性表面波に関しての詳細は、Ｄ．  Ｐ．  Ｍｏｒｇａｎ著のＳｕｒｆａｃｅ−Ｗａｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂ．  Ｃｏ．，  Ｎ．Ｙ．，  １９８５）（Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｗａｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ文献）に記載されている。
【００１３】
シリカ製光学回路構造は、構造体の平面状表面の近傍に形成された光学導波路を有し、弾性表面波のエネルギーの９０％が表面の音響波１波長分の深さのところを伝搬するために、本発明の光学信号ルーティングスイッチ用に比較的短い長さのマルチモード導波路部分の利用が可能となるような弾性表面波長を選択することができる。様々な種類のシリカ製光学スイッチ構成は、本発明の光学信号ルーティングスイッチに用いることができる。本明細書には、代表的な構成を図面に開示し説明するが、これらは本発明を制限するためのものではない。代表的な１×２のシリカ製光学回路スイッチ１が図１に示されている。
【００１４】
図１において本発明のスイッチ１は、本発明の第１実施例による平面状導波路構造１５を有するシリカ製光学構造体１０の表面１１上に形成された弾性表面波（ＳＡＷソース）５を有する。平面状導波路構造１５は、シリカ製光学構造体１０の表面２５上に形成されたシリカガラス２０内に配置される。弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５は、生成された弾性表面波が図２に示すような伝送モード結合を生成する導波路構造１５のマルチモード部分１０５に対しある位相適合角を有するよう導波路構造１５に配置される。例えばトレンチ（溝）ような弾性波ダンパ３０は、音響エネルギー吸収材料から構成され、この弾性波ダンパ３０は所望の位相適合角以外の角度で平面状導波路構造１５の方向に向けられた音響波反射を低減する。
【００１５】
シリカ製光学構造体１０を製造する代表的なプロセスは、次の通りである。シリカガラス製のベース層が、シリコン基板のような表面２５上に、例えば低圧ＶＣＤ法あるいは火炎加水分解法（ｆｌａｍｅ  ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ）を用いて堆積され、その後ドープしたシリカガラス製の薄いコア層がこのシリカガラス製のベース層上に堆積され、その後このコア層は標準のリソグラフ技術（例えばリソグラフィーとエッチング）を用いて平面状導波路構造１５の所望の構造に合うように成形され、その後ドープしたシリカガラス製の層が前記のコア層の上に上部クラッド層として機能するよう堆積される。このドープしたシリカガラス用のドーピングプロファイルは、均一のステップインデックス分布である。上記の説明は、シリコン製の導波路デバイス上に形成されたシリカについて説明したものであるが、他の材料、例えば溶融水晶（ｆｕｓｅｄ  ｑｕａｒｔｚ）、セラミック、ＩＩＩ−Ｖ族材料（ＩｎＰまたはＧａＡｓ）上に回路を形成することも可能である。
【００１６】
シリカガラス製の上部クラッド層とシリカガラス製のベース層とは、シリカガラス２０を形成する。ベース層とコア層と上部クラッド層のそれぞれの厚さは、１０μｍ〜２０μｍと４μｍ〜８μｍと０μｍ〜２０μｍである。ベース層に対し１０μｍ以下の厚さは、基板に対する光損失が大きくなるため好ましくなく、２０μｍ以上の厚さは、形成するのに必要な堆積時間が長くなるために好ましくない。シリコン上のガラス製導波路とその製造方法の詳細な議論は、例えばＣ．  Ｈ．  Ｈｅｎｒｙ著の”Ｇｌａｓｓ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｆｏｒ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ”  ７  Ｊ  ｌｉｇｈｉｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  ｐｐ．１５３０−１５３９（１９８９）を参照のこと。
【００１７】
シリカ製光学構造体１０内に弾性表面波を生成するデバイス、あるいは装置は、本発明の必須要件ではない。弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５ような代表的なデバイスは、従来のインターディジタルトランデューサ、および他のＺｎＯトランデューサがあり、これらは前掲のサーフェスウェーブデバイス文献を参照されたい。
【００１８】
シリカ製光学構造体１０の平面状導波路構造１５の上面図を図２に示す。図１の弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５と弾性波ダンパ３０は図２には示されていない。図２において平面状導波路構造１５は、入力部分１００とマルチモード部分１０５と第１出力部分１１０と第２出力部分１１５とを有する。入力部分１００はシングルモード部分で偶伝送モードで光学信号を伝搬する。マルチモード部分１０５は、この偶伝搬モードおよび次の高次の奇伝搬モードで光学信号を伝搬できる。
【００１９】
第１出力部分１１０と第２出力部分１１５は、シングルモード部分で偶伝送モードで光学信号を伝搬する。しかし第１出力部分１１０は、マルチモード部分１０５内を偶伝送モードで伝搬する光学信号のパワーは受領するが、マルチモード部分１０５の奇伝送モードの光学信号パワーは受領しない。これに対応して第２出力部分１１５は、マルチモード部分１０５内を奇伝送モードで伝搬する光学信号のパワーは受領するが、偶伝送モードの光学信号のパワーは受領しない。第１出力部分１１０と第２出力部分１１５は、マルチモード部分１０５から分離角αでもって分離してのびている。
【００２０】
図１の弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５により生成された弾性表面波の位相フロント１２５は、マルチモード部分１０５に対し位相適合角θで傾斜しており、これによりマルチモード部分１０５内に周期的屈折率変動の条件を形成する。このような位相適合性により、第１伝送モードと第２伝送モード間の光学信号のパワーの所望の結合が達成できる。さらにまた、マルチモード部分１０５は、その間で弾性表面波がこのような条件を作り出す相互作用長さＬを有する。
【００２１】
導波路部分が伝搬する伝送モードの数は、その部分のＶ数として公知の導波路正規化周波数パラメータから決定できる。このＶ数は、伝搬すべき信号波長と導波路部分の断面積と導波路部分と周囲のシリカガラス間の屈折率差によって決められる。このＶ数の詳細は、Ｄ．  Ｍａｒｃｕｓｅ著のＬｉｇｈｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｃｈ．８，ｐ．３２７（Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ  Ｃｏ．，Ｎ．Ｙ．，１９９２）を参照のこと。
Ｖ＝（２π／λ）ａ（ｎ１２−ｎ２２）１／２
ここでλは光学信号の波長で、ａは導波路部分の幅で、ｎ１はコア層の屈折率で、ｎ２はクラッド層の屈折率である。そしてシリカ製コア層の屈折率ｎ１は１．４８であり、クラッド層の屈折率ｎ２は１．４６である。
【００２２】
従ってマルチモード部分１０５の断面積および／または、マルチモード部分１０５とその周囲のシリカガラス２０との間の屈折率差は、マルチモード部分１０５が第１の（すなわち偶）伝送モードおよび第２の（すなわち次の高次の奇）伝送モードで光信号を伝搬できるように採用される。さらにマルチモード部分１０５の断面積とマルチモード部分１０５および／またはその周囲のシリカガラス２０との間の屈折率差は、入力部分１００、第１出力部分１１０、第２出力部分１１５が偶伝送モードで広いバンド幅にわたって光学信号を伝搬できるよう採用されている。しかし、断面積および／または屈折率差は、第１出力部分１１０および第２出力部分１１５が偶伝送モードで伝搬する光学信号のパワーが第１出力部分１１０に入り、第２出力部分１１５には入らず、且つ奇伝送モードで伝搬する光学信号のパワーは第２出力部分１１５に入り、第１出力部分１１０には入らないように選択される。
【００２３】
例えば、５μｍの範囲の幅と４μｍ〜８μｍの範囲の高さと周囲のシリカガラス２０の屈折率ｎ２より０．６４％以上大きい屈折率ｎ１を有する入力部分１００、第１出力部分１１０、第２出力部分１１５の代表的なシングルモード導波路構造は、対称（偶）あるいは非対称（奇）の伝送モードで、１．２５μｍ〜１．６μｍの範囲の波長を有する光学信号を伝搬する。さらにまた、１７．０μｍの幅と４μｍ〜８μｍの範囲の高さと周囲のシリカガラス２０の屈折率ｎ２より０．６４％高い屈折率である共通屈折率ｎ１を有するマルチモード部分１０５のマルチモード構造も同様に１．２５μｍ〜１．６μｍの範囲の波長を有する光学信号を伝搬する。
【００２４】
図１に示したような断面が一定の高さを有する導波路構造は、前述の製造方法を用いて低コストで製造することができる。一定の屈折率を有する導波路部分の製造も従来の技術を用いて比較的低コストで製造することができる。従って、導波路の幅の変化により図１、図２に示したようなシングルモード導波路部分とマルチモード導波路部分を製造することができる。
【００２５】
かくして、シングルモードの入力部分１００と第１出力部分１１０が、それぞれマルチモード部分１０５の幅ＷＭよりも小さい幅ＷＩ、Ｗ０１を有し、偶伝送モードで光学信号を伝送できることが可能となる。同様に、シングルモードの第２出力部分１１５は、マルチモード部分１０５内の第２伝送モードで伝搬される光学信号を受容するのに適した幅Ｗ０２を有する。この幅Ｗ０２は通常、幅Ｗ０１よりも狭い。さらに、マルチモード部分１０５を奇伝送モードで伝送する光学信号のパワーは、マルチモード部分１０５と第２出力部分１１５の間の遷移で対応する偶伝送モードに変換されるが、これは、第２出力部分１１５内の信号パワーの連続的伝搬を可能にするモード変換なしの移行（ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｍｏｄｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）に起因する。所望の動作を達成するための第１出力部分１１０と第２出力部分１１５の一般的な幅およびこの出力部分の間の分離角は、図４、５で説明する。
【００２６】
図２の平面状導波路構造１５のアディアバティック（モード変換なし）であるテーパー部１２０は、入力部分１００とマルチモード部分１０５の間の遷移が入力部分１００内の第１伝送モードで放射される光学信号がマルチモード部分１０５内でそのモードでの伝搬を継続できるようにする。このようなアディアバティックな遷移（移行）は、従来技術の設計のものである。例えば、平面状導波路構造１５の方向に従来のアディアバティックな遷移の方向の長さは、伝搬光学信号で搬送される波長の長さの１０〜１００倍である。図に示した弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５は、矩形の断面積を有するが、他の導波路の断面積、例えば、楕円、環状も本発明で用いることができる。
【００２７】
本発明の装置の動作について述べると、音響信号（弾性表面波）が入射されない場合には、入力部分１００内へ放射される光学信号は、テーパー部１２０とマルチモード部分１０５を介して偶伝送モードで第１出力部分１１０に伝搬し続ける。この光学信号のパワーのほとんどは、第２出力部分１１５には伝搬しない。その結果、光学信号は、図２の第１出力部分１１０内に配送される。
【００２８】
図１の弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５により生成された弾性表面波が、マルチモード部分１０５内を位相適合角θでもって伝搬すると、マルチモード部分１０５の相互作用長さＬにわたって有効屈折率の周期的変動が発生する。このような周期的な屈折率変動は、マルチモード部分１０５内の偶伝送モードと奇伝送モードの結合を引き起こす。その結果入力部分１００から偶伝送モードでマルチモード部分１０５内に伝搬する光学信号のパワーは、奇伝送モードに変換されて第２出力部分１１５内に伝搬する光学信号を生成する。この光学信号のほとんどは第１出力部分１１０内には伝搬しない。
【００２９】
かくして、入力部分１００内に入射された光学信号を第１出力部分１１０に、図１の弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５へのＲＦ励起を中断することにより配送できる。別法として入力部分１００内に放射される光学信号を第２出力部分１１５に図１の弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５へのＲＦ励起を与えることにより配送することが可能となる。
【００３０】
弾性表面波のエネルギーの約９０％が、弾性波の波長の距離内にとどまるために十分な弾性波エネルギーを図１の表面１１の１４μｍ〜１８μｍの範囲内のシリカ製光学回路内に与えることが可能となり、これは４５ＭＨｚ〜９０ＭＨｚの範囲の周波数で行われ、マルチモード部分１０５の長い相互作用長、あるいは弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５用の高い電力を必要とせず行うことができる。
【００３１】
マルチモード部分１０５の偶伝送モードと奇伝送モードの間のパワーの結合が行われるのは、生成された弾性表面波のマルチモード部分１０５に対する角度θが、位相適合条件が２つの伝送モード間に発生するような場合である。例えば、必要な角度θは次式で与えられる。
ｓｉｎθ＝（βｅ−βｏ）／Ｋ
Ｋ＝（２πｆａ）／νａ
ここでβｅとβｏはそれぞれマルチモード部分１０５の偶伝送モードと奇伝送モードの伝搬定数であり、νａは弾性表面波の速度、例えばシリカガラス中では３４００ｍ／秒であり、ｆａは弾性表面波の周波数である。従って弾性表面波のマルチモード部分１０５に対する角度θは、弾性表面波の周波数に依存している。
【００３２】
さらにまた、結合された偶伝送モードと奇伝送モードの間で移行される光学信号パワーの量は、弾性表面波により引き起こされる屈折率の変化およびこのような屈折率変化が発生するマルチモード部分１０５の長さに依存する。約２×１０−５〜６×１０−５のマルチモード部分１０５の屈折率変化は、２５ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の周波数を有し、マルチモード部分１０５の１ｃｍあたり１Ｗのオーダーのパワーを与えた弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５を用いて本発明により達成できる。さらにまた、光学信号のパワーの９０％〜１００％を第２伝送モードに２００ＭＨｚの周波数で２ｃｍ〜６ｃｍの長さＬを有するマルチモード部分に対し、０．４Ｗ〜２．０Ｗの範囲の弾性表面波のエネルギーを生成する弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５を用いて結合することができる。
【００３３】
図３のグラフ２００は、偶伝送モードの光学信号パワーを次の高次の奇伝送モードに完全に移送するために図２のマルチモード部分１０５の相互作用長さＬと弾性表面波の周波数との関係を表す。グラフ２００の特徴を有するスイッチは、幅５μｍで高さ２μｍで屈折率１．５のマルチモード部分１０５を有し、これは表面１１の周囲のシリカガラス２０の屈折率１．４６に対応するものである。さらに、グラフ２００の特徴を有するスイッチは、マルチモード部分１０５の相互作用長さＬにわたって１ｃｍ当たり１．０Ｗの音響パワーを与える弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５を有する。グラフ２００は、２つの伝送モード間での光信号パワーの完全な交換を実現するためには、約１００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚの範囲の弾性表面内の周波数では、２ｃｍ〜５ｃｍのオーダーの相互作用長さに作用することが可能であることを示している。
【００３４】
図２に戻って、第１出力部分１１０と第２出力部分１１５は、マルチモード部分１０５から分離角αでのびている。この分離角αと第１出力部分１１０と第２出力部分１１５の周囲のシリカガラス２０に対する断面積および／または相対屈折率は、偶伝送モードまたは奇伝送モードで伝搬する光学信号パワーの第１出力部分１１０または第２出力部分１１５への受け入れを容易にする。第１出力部分１１０と第２出力部分１１５が同一の相対屈折率と共通の導波路高さとを有するので、分離角αとともに部分幅Ｗ０１とＷ０２は、第１出力部分１１０と第２出力部分１１５への光学信号パワーの受容を容易にする。
【００３５】
図４のグラフ２５０は、弾性表面波の存在下で第１出力部分１１０と第２出力部分１１５へ伝搬する光学信号パワーを表すカーブ２６０、２６５、２７０を示す。これらはそれぞれ、分離角αと導波路部分幅Ｗ０１とＷ０２の３種類の比率に基づいたものである。パワーＰでマルチモード部分１０５内に伝搬する光学信号の部分Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ第１出力部分１１０、第２出力部分１１５内に伝搬し続けるものをパワー比Ｐ１／Ｐ２で表す。この３種類のカーブ２６０、２６５、２７０はそれぞれ、幅の比Ｗ０１／Ｗ０２が＝１．２、＝１．５、＝２．０のものを示す。さらに、この３種類のカーブ２６０、２６５、２７０は組み合わせ長さＷ０１＋Ｗ０２が５．５μｍで、マルチモード部分の幅ＷＭが５．５μｍに基づいている。しかし、結合幅Ｗ０１＋Ｗ０２は、本発明による信号ルーティングで所望のアディアバティックのモード転換を与えるためには、マルチモード部分の幅ＷＭよりも大きくても、あるいは小さくても良い。即ち、以下の表のようになる。
パワー比Ｐ１／Ｐ２              幅の比Ｗ０１／Ｗ０２
２６０のカーブ              １．２
２６５のカーブ                    １．５
２７０のカーブ                    ２．０
【００３６】
図４において、カーブ２６０は、第２導波路部分の幅Ｗ０２よりも２０％広い第１出力部分の幅Ｗ０１を使用することにより、光学信号の約９８から９０％を第２出力部分１１５にルーティングすることを達成するために分離角αは０．５°〜０．６°の範囲が使用可能であることを示している。さらにまたカーブ２６５は、第２導波路部分の幅Ｗ０２よりも５０％広い第１出力部分の幅Ｗ０１を用いることにより、光学信号パワーの９８％〜９０％が第２出力部分１１５にルーティングできるようにするためには１．０°〜１．３°の範囲の分離角を使用可能であることを示している。しかし、カーブ２７０は、第２導波路部分の幅Ｗ０２よりも１００％広い（倍の）第１出力導波路部分の幅Ｗ０１を使用することは、意外なことに光学信号パワーの９８％と９０％が第２出力部分１１５にルーティングできるようにするためには、０．５°と１．５°の分離角αの使用のみが可能となることを示している。
【００３７】
従ってグラフ２５０は、出力導波路部分の幅の差が大きくなると、その幅の比率Ｗ０１／Ｗ０２が１．５までは、光学信号パワーの少なくとも９０％を第２出力部分１１５に向けるために、大きな分離角αの値を使用することができるようになることを表している。しかし、より大きな幅の比Ｗ０１／Ｗ０２が１．５を越えると許容可能な分離角αについては劇的な増加は見られない。かくして、９０％以上の第２出力部分１１５への光学信号のパワー分離を達成するためには、幅の比Ｗ０１／Ｗ０２は、１．５で分離角は１．５°以下を用いるのが望ましい。
【００３８】
さらにまた、図２のマルチモード部分１０５と第１出力部分１１０、第２出力部分１１５との間の所望のアディアバティックなモード位相を達成するために、ある分離角では第１出力部分１１０と第２出力部分１１５の長さＬＯをこれらの導波路部分の結合幅Ｗ０１＋Ｗ０２の少なくとも４倍に維持するのが好ましい。所望のアディアバティックなモード遷移を達成するために第１出力部分１１０と第２出力部分１１５の合成幅Ｗ０１＋Ｗ０２の４倍の長さは、平面状導波路構造１５の屈折率が１．４８で周囲のシリカガラス２０の屈折率が１．４６に基づいた場合の例示である。しかし、また平面状導波路構造１５が周囲のシリカガラスに対し大きな屈折率を有する場合には、第１出力部分１１０と第２出力部分１１５のこれよりも短い長さＬＯを採用することもできる。
【００３９】
カーブ２６０、２６５、２７０は、図２の第２出力部分１１５内に光学信号パワーを向けるために弾性表面波が生成されたときのパワー比Ｐ１／Ｐ２を単に例示のために示すものである。別の値のパワー比Ｐ２／Ｐ１も同様に、弾性表面波が生成されない場合に、マルチモード部分１０５の偶伝送モードで伝搬する光学信号のパワーを第１出力部分１１０に向けるために分離角αを３．０°以下にすることによっても達成できる。図５は、出力部分の幅の比Ｗ０１／Ｗ０２が１．５に対する図４にも示されたパワー比Ｐ１／Ｐ２のカーブ２６５を比較するグラフ２８０を示す。さらにグラフ２８０において、カーブ２８６は、マルチモード部分１０５からの光学信号が第１出力部分１１０にルーティングされるパワー比Ｐ２／Ｐ１を示す。グラフ２８０に示すようにそれぞれのパワー比は、分離角が３．０°以下の場合にはほぼ等しい。
【００４０】
図１に戻って弾性波ダンパ３０は、音響波エネルギーを吸収および／または低下させ、平面状導波路構造１５に戻る音響エネルギーの反射に対する障害物を提供する。このような弾性波の反射は、マルチモード部分１０５内を伝搬して、所望の結合性能の劣化を引き起こす所望の位相適合角θ以外の角度で伝搬する。このような反射は、シリカ製光学構造体１０のエッジまたはシリカ製光学構造体１０のエッジおよび他の表面であるいはシリカガラス２０内に形成された他の要素部分で発生する。弾性波ダンパ３０に使用される形状は、本発明にとって必須事項ではない。従って、弾性表面波を吸収する材料製の溝を含む弾性波ダンパ３０は、単なる例示のためである。代表的な弾性波吸収材料は、エポキシである。
【００４１】
さらにまた弾性波ダンパ３０の配置は、平面状導波路構造１５が弾性表面波（ＳＡＷ）ソース５と弾性波ダンパ３０の間に配置され、生成された弾性表面波が平面状導波路構造１５内に伝搬するようにするのが好ましい。また、本発明の弾性波吸収材料は、例えばエポキシでシリカ製光学構造体１０の端部表面および表面１１の上に形成されて、このような表面で弾性波の反射を阻止するのが好ましい。本発明に使用可能なダンパの他の例は、例えばシリコンのような他の接着剤を含む。図１の弾性波ダンパ３０を有しない本発明の音響光学スイッチを提供することも可能である。
【００４２】
図１、２の代表的なスイッチ構成は、１×２スイッチ用の導波路構造を示すが、これは単なる例示である。さらに同様な方法により２×２のスイッチ用に本発明の導波路構造を提供することができる。本発明の２×２音響光学シリカ製の光学回路スイッチ用の代表的な導波路構造３００の上面図を図６に示す。図２と図６の類似の構成要素は、マルチモード部分１０５と第１出力部分１１０と第２出力部分１１５である。図２の入力部分１００は、図６の第１入力導波路部分２００に相当する。導波路構造３００と共に使用されるＳＡＷソースと、光学ダンパは示されていない。
【００４３】
導波路構造３００は、第１入力導波路部分２００とマルチモード部分１０５と第１出力部分１１０と第２出力部分１１５を有し、これは図２の平面状導波路構造１５に相当する。導波路構造３００はさらに第２入力導波路部分３１０を有する。この第２入力導波路部分３１０は、この部分に入射した光学信号がアディアバティックなモード移行に起因して、第２伝送モードでマルチモード部分１０５内を伝搬し続けるようにする。従って、第２入力導波路部分３１０は、幅Ｗ１２を有し、これは平面状導波路構造１５のＷ０２に相当する。
【００４４】
次に図６のデバイスの動作について説明する。弾性表面波が生成されない場合には、第１入力導波路部分２００に入射する光学信号は、マルチモード部分１０５内を第１伝送モードで伝搬して第１出力部分１１０を出る（図２の平面状導波路構造１５内と同様）。同様にして第２入力導波路部分３１０内に入射した光学信号は、第２伝送モードでマルチモード部分１０５内を伝搬して第２出力部分１１５から出る。しかし、弾性表面波が生成されると、第１入力導波路部分２００または第２入力導波路部分３１０内のいずれかに入射した信号は、マルチモード部分１０５内でそれぞれ他の伝送モードに結合して、それぞれ第２出力部分１１５または第１出力部分１１０を出る。
【００４５】
従って導波路構造３００は、２×２光学信号ルーティングスイッチとして動作するが、この場合光学信号は第１入力導波路部分２００から第１出力部分１１０または第２出力部分１１５のいずれかにＲＦ励起を対応するＳＡＷソースに接続するか、あるいは切断するかによって配送される。同様に光学信号は、第２入力導波路部分３１０から第２出力部分１１５または第１出力部分１１０のいずれかに同様な方法で配送される。図６の導波路構造３００は、第１入力導波路部分２００と第２入力導波路部分３１０が第１出力部分１１０と第２出力部分１１５に対し特定の場所にあるように描かれているが、別法として第１入力導波路部分２００と第２入力導波路部分３１０の位置を変更することも可能で、この場合第２入力導波路部分３１０は、図６の入力部分１００に相当する。
【００４６】
本発明の音響光学スイッチを１×２の光学スイッチまたは２×２の光学スイッチ、あるいはＮ×Ｍの光学スイッチを形成する様々な列構成の１要素として用いることができる。ここでＮとＭは、正整数である。本発明の２×８の光学ルーティングスイッチの導波路構造４００を図７に示す。この導波路構造４００は、２×２スイッチ要素４１０と１×２スイッチ要素４２０の列により形成される。図２の１５と図６の導波路構造３００を接続して導波路構造４００の２×２スイッチ要素４１０と１×２スイッチ要素４２０を提供することができる。２×２スイッチ要素４１０と１×２スイッチ要素４２０の出力部分の間の必要な分離角は、図面の性質上性格には描かれていない。さらにそれぞれのＳＡＷソースは、２×２スイッチ要素４１０と１×２スイッチ要素４２０の所望の切替機能を実現するために必要である。このデバイスの動作は、ＲＦ励起をＳＡＷソースと切断したり接続したりして、２個の入力部分の一方の入力部分からの信号を導波路構造４００内の所望の出力部分に配送するようにすることができる。
【００４７】
図１、２、６、７のスイッチ構成は、光学信号パワーを第１出力部分あるいは第２出力部分のいずれかに配送するために、第１伝送モードからのパワーを第２伝送モードへ完全に移行させるように記載しているが、別法としてマルチモード部分の相互作用長さＬまたはＳＡＷソースのＲＦ励起パワーを光学信号パワーの所望量がそれぞれの出力部分に分離、すなわち割り当てるようにすることもできる。このような構成においては、ＲＦ励起をＳＡＷソースに与える場合には、光学信号パワーの特定のＸ％（例えば５０％）を第１出力部分に、そしてこの光学信号パワーのＹ％（１００％−Ｘ％）を第２出力部分に配送することも可能である。
【００４８】
本発明の変形例として、２×２スイッチ要素４１０と１×２スイッチ要素４２０は図６の単一の共通光学集積回路内に形成されているが、このようなスイッチ要素を１個あるいは複数の光学集積回路に形成して、それらを互いに光学的に結合することも可能である。さらにまた、図７の導波路構造４００と図１、２、６の平面状導波路構造１５と導波路構造３００は、他の光学デバイスを有する光学集積回路内に形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例によるシリカ製光学回路スイッチの斜視図。
【図２】図１のシリカ製光学回路スイッチに用いられる導波路構造の上面図。
【図３】本発明の導波路構造用の光学信号ルーティングを行うための図１、２の導波路構造の一部の弾性表面波周波数と必要な結合長さとの間の関係を示すグラフ。
【図４】図１、図２の出力用導波路部分内に伝搬する光学信号パワーにおけるこの導波路部分の長さと、この導波路部分の分離角の違いにより引き起こされるパワー比率を表すグラフ。
【図５】図１、図２の出力用導波路部分内に伝搬する光学信号パワーにおけるこの導波路部分の長さと、ＳＡＷ生成器にＲＦ励起の存否に起因するパワー比率を表すグラフ。
【図６】本発明の第２の実施例によるシリカ製光学回路スイッチに使用される図２に示したのとは別の導波路構造を表す上面図。
【図７】図１、２、４の導波路構造を用いた本発明による２×８のシリカ製光学スイッチの上面図。
【符号の説明】
１  本発明のスイッチ
５  弾性表面波（ＳＡＷソース）
１０  シリカ製光学構造体
１１  表面
１５  平面状導波路構造
２０  シリカガラス
２５  表面
３０  弾性波
４０  音響エネルギー吸収材料
１００  入力部分
１０５  マルチモード部分
１１０  第１出力部分
１１５  第２出力部分
１２０  テーパー部
１２５  位相フロント
２００  第１入力導波路部分
３００  導波路構造
３１０  第２入力導波路部分
４００  導波路構造
４１０  ２×２スイッチ要素
４２０  １×２スイッチ要素
【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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