(57)【要約】      （修正有）【課題】停電時における光通信チャネルのセキュリティ性の向上。【解決手段】入力導波セグメント１、出力導波セグメント２、エグゾースト導波セグメント３、遷移導波セグメント４、ヒータ５を具え、出力導波セグメントおよびエグゾースト導波セグメントが遷移導波セグメントに関して分岐して配置され、出力導波セグメントが入力導波セグメントの幅および高さの−５０％から＋１００％の幅および高さであり、遷移導波エレメントが入力導波セグメントの長手軸に関して幾何学的に非対称であり、エグゾースト導波セグメントおよび出力導波セグメントの幅比が少なくとも２：１である。【選択図】図１Ａ
2006072369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｙ字型のノーマルダーク・デジタル光スイッチまたはノーマルダーク可変光減衰器であるＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡであって、入力導波セグメント、出力導波セグメント、エグゾースト導波セグメント、遷移導波セグメント、該遷移導波セグメントと前記出力導波セグメントとに近接して配置されたヒータを具え、
前記遷移セグメントが前記入力導波セグメントと前記出力導波セグメントおよび前記エグゾースト導波セグメントとの間に配置され、前記出力導波セグメントおよび前記エグゾースト導波セグメントが前記遷移導波セグメントに関して分岐して配置され、前記出力導波セグメントが前記入力導波セグメントの幅および高さの−５０％から＋１００％の幅および高さであり、
前記遷移導波エレメントが前記入力導波セグメントの長手軸に関して幾何学的に非対称であり、
前記エグゾースト導波セグメントおよび前記出力導波セグメントの幅比が少なくとも２:１であることで特徴づけられ、
前記入力導波セグメント、前記出力導波セグメント、前記エグゾースト導波セグメントおよび前記遷移導波セグメントが有機ポリマーまたはシリカで構成され、前記入力導波セグメント、前記出力導波セグメント、前記エグゾースト導波セグメントおよび前記遷移導波セグメントが有機ポリマーで構成される場合には、さらに前記加熱手段および前記出力導波セグメント間で横方向にずれが設けられていることを特徴とするＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項２】
ノーマルダーク・デジタル光スイッチの形態である請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項３】
前記幅比が少なくとも５：１である請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項４】
前記幅比が少なくとも１５：１である請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項５】
前記幅比が少なくとも２５：１である請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項６】
前記ヒータが電気抵抗ヒータである請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項７】
有機ポリマーで構成されてなる請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項８】
前記入力導波セグメントの、その出力端における幅の少なくとも３倍、前記遷移導波セグメントが横方向にシフトされている請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項９】
前記横方向のシフトの量は、前記入力導波セグメントのその出力端における幅の少なくとも１０倍である請求項７のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１０】
それぞれの前記導波セグメントがコアおよびクラッドを有し、該コアおよびクラッドの屈折率が全体を通じて均一である請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１１】
それぞれの前記導波セグメントがコアおよびクラッドを有し、前記エグゾースト導波セグメントのコアの屈折率が前記出力導波セグメントのコアの屈折率より高くなっている請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１２】
前記遷移導波セグメントが１．５〜２．５ｍｍの長さをもつことで特徴づけられている請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１３】
前記遷移導波セグメントが、１０〜２００μｍの幅をもつコアによって特徴づけられている請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１４】
前記エグゾースト導波セグメントが平行四辺形状である請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１５】
伝播方向において前記エグゾースト導波セグメントの幅が線形かつ単調に増大するようにした請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１６】
前記エグゾースト導波セグメントが前記遷移導波セグメントの部分において切り欠かれている請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１７】
前記エグゾースト導波セグメントは、これが取り付けられるＰＬＣチップの手前に端部を有している請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１８】
前記エグゾースト導波セグメントの端部に傾斜ミラーを具えた請求項１７のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項１９】
前記エグゾースト導波セグメントが、湾曲した側部をもつことで特徴づけられる請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【請求項２０】
導波セグメント要素である前記エグゾースト導波セグメントおよびヒータが滑らかに湾曲している請求項１のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力損失が生じた場合の光通信経路のセキュリティを向上するスイッチデバイスに関し、より広くは光通信信号プロセッサにおけるスイッチングの分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタル光空間スイッチ（digital optical spatial switches；ＤＯＳ）が当該分野においてよく知られている。一クラスのかかるスイッチは「Ｙ字型デジタル光空間スイッチ」（ＤＯＳ）として知られる１×２デジタル光スイッチであり、「ベース」すなわち「Ｙ」の幹部分に入力した光が、出力ブランチの一方または双方の屈折率に効果的に変化を生じさせることより、出力ブランチの一方または他方に導かれる。スイッチはまた逆の動作を行うことも可能であり、「Ｙ」の「上部ブランチ」の一方または他方を入力チャネルとして選択し、「Ｙ」のベースが出力チャネルとなるようにすることも可能である。Ｙ字型は光回路の基礎的な構成要素であり、単独で用いられたり、種々の組み合わせにおいて用いられることでより複雑なスイッチングおよび連結デバイスを形成したりする。
【０００３】
Ｙ字型ＤＯＳは広範な産業に受け入れられている。これは主として、供給される電力、偏光（polarization）、波長、温度などの重要なパラメータの変動に対する信頼性があることや、拡大に対しても信頼性があり、デバイスの幾何学的変化に対してすら信頼性があることによる。一般的なＹ字型ＤＯＳは、２つの導波ブランチが交わってＹ形状の構造を形成するよう設計されている。ここでブランチの交点における角度は非常に小さいものとなっている。導波構造の構成材には、ニオブ酸リチウム、半導体類、シリカ、あるいはポリマーなど、広範で多種の材料が含まれ得る。Ｙ字型ＤＯＳは、出力導波路の一方における光の伝播方向を断熱的に変化させる（すなわち、急激に変化させるのではなく、ゆっくりと変化させる）ことにより、スイッチ機能を実行する。
【０００４】
特に、Ｙ字型ＤＯＳにおけるスイッチングは、一方の導波ブランチの屈折率を他方の屈折率と変化させることによって実現される。Ｙ字型ＤＯＳの特性の中でも特に重要なものは、ステップ状の応答性をもつことである。Ｙ字型ＤＯＳがスイッチングスレッショルド以上で作動するとき、偏光および波長の変化はＹ字型ＤＯＳのスイッチング能力に有意のインパクトを与えない。
【０００５】
光通信システムの設計者にとって困難な問題は、停電したときのデータ伝送のセキュリティに関連したものである。多くの光通信要素は本来的に電気−光学的要素である。停電が生じると、光データ信号が誤った方向に導かれかねない。重要なことは、停電している間、不慮の誤転送が生じないような確固たる光伝送を行うフェイルセーフ機構を備えることである。これは、ノーマルダーク（normally dark）のデジタル光スイッチ（ＮＤ−ＤＯＳ）またはその変形物に対して、ノーマルダークの可変光減衰器（ＮＤ−ＶＯＡ）を直列に配設することで実現される。またＮＤの特徴により、光検出器を破壊してしまうような高い光出力が生じるのを防ぐことができる。またＮＤの特徴により、電力消費を伴うことなく光出力を遮断することができるようになる。
【０００６】
ＮＤの特徴は、ＶＯＡの微小電気機械システムのスイッチ（microelectromechanical switch）および光機械スイッチにおいて容易に活用し得る。平面状光波回路（planar light wave ciricuit）において信号を所要レベルに減衰させようとする試みは特に困難である。光回路要素を近接配置しなければならず、またクロストークの発生率が高くなるからである。最も重要な応用に対しては４０ｄＢ以上の信号減衰が必要となる。ＰＬＣにＮＤの特徴を提供する本分野において示されたアプローチの１つは、非特許文献１に示されたような公知のMach-Zehnder Interferometer（ＭＺＩ）など、干渉設計を使用することである。しかしながら、利用可能なデバイスは、高波長依存性（high wavelength dependence）をもつ２０ｄＢ程度までの減衰を呈する。これらのデバイスはいくつかの応用には好適であるが、しかし改善が必要である。
【０００７】
Ｙ字型ブランチにおけるスイッチングは、ブランチの一方において屈折率の変化を生じさせることで実現される。本分野において、屈折率の所要の変化を生じさせるためのいくつかの方法が知られている。それらの方法には、電気光学効果、応力光学効果および熱光学効果が含まれる。本分野で知られている一般的なＹ字型熱光学ＤＯＳにおいては、「Ｙ」の２つの上部ブランチに配置された、一般的には金属薄膜である加熱手段が設けられている。この加熱手段は、作動時に対応ブランチの屈折率の変化を生じさせ、これにより「Ｙ」のベースに入力されたパワーを一方または他方のブランチに接続させる。一方のブランチの加熱をオンとし，他方のブランチの加熱をオフとすることによって、入来する光信号のスイッチングを行うことができる。両ブランチを同時に加熱すると、緩やかな信号減衰を生じさせることができる。
【０００８】
ポリマー製のＹブランチおよびガラス製のＹブランチの双方が知られている。ポリマーの屈折率は非常に高い温度依存性をもつことから、熱光学デジタル光スイッチとしてポリマーを用いるのが好ましい。
【０００９】
非特許文献２はポリマー性の２×２熱光学スイッチを開示しており、これはジューテロ化した（deuterated）、およびフルオロジューテロ化した（fluoro-deuterated）メタクリレートポリマーから作成された２つの結合Ｙブランチからなっている。その製造方法は、シリコン基板上にポリマー溶液をスピンコートし、次に通常のフォトリスグラフィによりＹ形状のコンポーネントを形成し、続いて反応性イオンエッチングによりコアリッジを形成する工程を含んでいる。上部ブランチには、電子ビーム蒸着およびウエットエッチングにより、クロムの薄膜ストリップヒータが形成されている。アームは２５０μｍ離れている。Ｃｒヒータのストリップは長さ５ｍｍ、幅５０μｍである。
【００１０】
非特許文献３はポリマー材料で作成された１×２光学スイッチを開示しており、そのＹブランチは２度未満の頂角に対して０．１ｄＢの挿入損失を呈する。そこで実施されているようなハロゲン化アクリレートを用いるダイレクトフォトリソグラフィ製造法（direct photolithographic fabrication method）が開示されており、これによりコンポーネントをくっきりとした輪郭に形成でき、比較的小角度の頂部からでも残部を除去できるものとなっている。
【００１１】
特許文献１は、Ｔｇ以上で作動する架橋重合体の導波路を用いた熱光学スイッチを開示している。実質的に長方形状の金属性ヒータが、導波路の伝播方向に僅かな角度をもって位置するようポリマー性光導波路表面に配置されることが開示されている。該ヒータは、ヒータの全領域にわたって導波路と均一な熱的接触を行うように配置されている。ポリマー性導波路材料の温度、従って屈折率はヒータからの距離に依存し、ヒータに最も近接した領域は離れたものより高温に曝されるものとなる。
【００１２】
特許文献２は、シリコン性の光学台の熱的誘導ガイドを示している。その図２には、用いられている種々の光学材料を通じた、局所加熱の結果としての温度プロフィールが開示されている。
【００１３】
非特許文献４は、約９μｍのコアを有するシリカ製クラッドのポリマー導波路で作成された角度０．１２度の「ほとんど完全な」頂部をもつＹブランチを開示している。「Ｙ」の上部ブランチはＴｉの薄膜ヒータでコートされている。出力ブランチ間では約１８０ｍＷのヒータパワーに対して２７ｄＢのクロストーク抑制が実現されている。
【００１４】
非特許文献５は、ポリマー製およびシリカ製の熱光学デジタルスイッチにおける熱光学スイッチングの物理的形態および熱移送の綿密な分析を示している。概してポリマーでは、特にポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレートでは、スイッチング電力を５０〜１００ｍＷの範囲とし、最小限の屈折率ばらつき（約０．００１）を実現するためには導波路のコアで温度を約１０℃とすることが必要であることが知られている。
【００１５】
非特許文献６は、光モニタタップに一体化された非対称ＤＯＳ／ＶＯＡ導波路を用いて作成されたポリマー製の旋回可能な光減衰器を開示している。ここでは、電力が供給されないときに減衰レベルが最小となるようにされている。
【００１６】
非特許文献７は、モード分離器（mode splitter）および出力分割器（power divider）として用いるための非対称Ｙ字型導波路を開示している。
【００１７】
【特許文献１】米国特許第６，２３６，７７４号明細書（Lackritz et al）
【特許文献２】米国特許第５，６２３，５６６号明細書（Lee et al）
【非特許文献１】Jinguji et al, IEEE J Lightwave Technology 14(10), 2301-2310(1996)
【非特許文献２】Hida et al, IEEE Photonics Technology Letters 5(7), 782-784(1997)
【非特許文献３】Eldada et al, Proc. SPIE, vol. 3950, pp. 78-89(2000)
【非特許文献４】Moosburger et al, Proc. 21th Eur. Conf. on Opt. Comm, pp. 1063-1067(1995)
【非特許文献５】Diemeer, Optical Materials 9, 192-200(1998)
【非特許文献６】Lee et al, IEEE Photonics Technology Letters 11(5), 1999, pp. 590-592
【非特許文献７】Tamir et al, Guided Wave Optoelectronics, Springer-Verlag, 1988 pp. 121-125
【非特許文献８】L. Eldada, Opt. Eng. 40, 1165(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、Ｙ字型のデジタル光スイッチおよび減衰器のデバイスに関し、停電時における光通信チャネルのセキュリティ性が高くなるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、Ｙ字型のノーマルダーク・デジタル光スイッチまたはノーマルダーク可変光減衰器であるＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡであって、入力導波セグメント、出力導波セグメント、エグゾースト導波セグメント、遷移導波セグメント、該遷移導波セグメントと前記出力導波セグメントとに近接して配置されたヒータを具え、
前記遷移セグメントが前記入力導波セグメントと前記出力導波セグメントおよび前記エグゾースト導波セグメントとの間に配置され、
前記出力導波セグメントおよび前記エグゾースト導波セグメントが前記遷移導波セグメントに関して分岐して（divergingly）配置され、前記出力導波セグメントが前記入力導波セグメントの幅および高さの−５０％から＋１００％の幅および高さであり、前記遷移導波エレメントが前記入力導波セグメントの長手軸に関して幾何学的に非対称であり、前記エグゾースト導波セグメントおよび前記出力導波セグメントの幅比が少なくとも２:１であることで特徴づけられ、
前記入力導波セグメント、前記出力導波セグメント、前記エグゾースト導波セグメントおよび前記遷移導波セグメントが有機ポリマーまたはシリカで構成され、前記入力導波セグメント、前記出力導波セグメント、前記エグゾースト導波セグメントおよび前記遷移導波セグメントが有機ポリマーで構成される場合には、さらに前記加熱手段および前記出力導波セグメント間で横方向にずれが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、停電時における光通信チャネルのセキュリティ性を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２２】
本発明の目的に対し、「ノーマルダーク（normally dark；ＮＤ）のデジタル光スイッチ（ＤＯＳ）」は電気的に制御される光信号デバイスであり、停電時に光信号の伝送を阻止するとともに、所定閾値をある程度超える電力が供給されたときに光信号の伝送を許容するものである。「ノーマルダークの可変光減衰器（ＶＯＡ）」は電気的に制御される光信号デバイスであり、ＶＯＡ機能を実行することに加えて、停電時に光信号の伝送を阻止する。
【００２３】
本発明の重要な要素がＹ字型ＤＯＳおよびＹ字型ＶＯＡに等しく適用されるため、「ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ」という用語が用いられるが、これはノーマルダークのＹ字型デジタル光スイッチまたはノーマルダークの可変光減衰器の双方を意味することを当業者は理解されたい。またこれとともに、ＤＯＳおよびＶＯＡは、本発明の要素がいずれかに関連しているというよりも、使用の方法に関して異なっていることを理解されたい。ＤＯＳまたはＶＯＡを明示して参照することが望ましい場合には、それぞれを明示するようにする。
【００２４】
特に明記しない限り、「減衰」という用語は、電気信号が供給されないときの本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの出力セグメントにおける光信号パワーの低減を言うものであることを理解されたい。「電気信号が供給されないとき」とは、主に「停電したとき」などである。
【００２５】
本発明の目的に対し、「幅比」という用語は出力導波セグメントの幅に対するエグゾースト導波セグメントの最大幅の比を言うものとして用いられる。従って、例えば幅比５：１とは、出力導波セグメントの幅に対してエグゾースト導波セグメントの最大幅が５倍の大きさであることを意味する。
【００２６】
本発明に従い、少なくとも１０ｄＢ、好ましくは少なくとも２０ｄＢ、最も好ましくは少なくとも４０ｄＢの減衰を行うＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡが設けられる。本発明の中心をなすものは、オン／オフスイッチとして動作することでＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ機能を実現する幾何学的に非対称のＹ字型光導波エレメントである。これは、停電時にはオフ（ブロック）モードとなる。そして、本発明のＮＤ−ＤＯＳの場合には、ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの近くに位置する少なくとも１つの熱光学的および／または電気光学的スイッチ電極に対し所定閾値の電力レベルを超える電気信号が供給されたときに、オン（伝送）モードとなる。「オン」状態では、Ｙ字型ブランチの入力セグメントに入る光が伝送セグメントを通って出力セグメントに導かれ、これによって光信号の連続した伝送が許容される。「オフ」状態では、光信号は伝送セグメントを通ってエグゾーストセグメントに導かれ、出力セグメントのパワーの減衰は、少なくとも−１０ｄＢ、好ましくは少なくとも−２０ｄＢ、最も好ましくは少なくとも−４０ｄＢとなる。すなわち、ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの挿入損失が非常に高くなる。本発明の非対称Ｙ字型ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡはどのようなＰＬＣにも配置可能であり、電力供給の停止時に光信号の伝送を阻止することができる。
【００２７】
本発明のＮＤ−ＶＯＡの場合には、ＮＤ−ＤＯＳについて述べたところが次のように変更される。すなわち、ヒータに加えられる電力が「オン」状態に対する閾値パワーレベルと非通電の「オフ」状態との中間にあるものとすればよい。
【００２８】
図１Ａを参照するに、負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの一実施形態が示されている。本発明は、入力導波セグメント１、出力導波セグメント２、エグゾースト導波セグメント３、遷移導波セグメント４、該遷移導波セグメント４のエグゾースト導波コンポーネントの左縁上部に配置されたヒータ５を具えている。ヒータ５は出力導波セグメントの内側縁に沿っているが、接触はしておらず、その上にあってギャップ６の分だけ横方向に離れている。図１Ａでは、出力導波路の内側縁に正しく沿うヒータが示されているが、図示の経路から幾分それていてもよい。遷移セグメントは入力導波セグメント１、出力およびエグゾースト導波セグメント２，３間に配置され、出力導波セグメントおよびエグゾースト導波セグメントが遷移導波セグメントに関して分岐して（divergingly）配置されている。出力導波セグメントは前記入力導波セグメントの幅および高さの−５０％から＋１００％の幅および高さをもつ。前記遷移導波エレメントは前記入力導波エレメントの長手軸に関して幾何学的に非対称であり、幅比は少なくとも２:１よりも大きい。
【００２９】
図１Ｂは遷移導波セグメント４の断面図であり、クラッド７上に配置され、エグゾースト導波セグメント３のコア８の内側領域に直上にあるヒータ５が示されている。図１Ｂにはまたヒータ平面９が示され、出力導波セグメントのコア１０の水平縁１０はヒータ平面に近接している。
【００３０】
本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの各導波セグメントは、本発明の動作性を阻害しない範囲で組成および屈折率が異なったものとすることができる。しかし実際的な見地からは、本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡ全体の各導波セグメントが単一の組成であることが好ましい。本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡはシリカまたは有機ポリマーで構成されたものとすることができる。好ましくは、本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡは有機ポリマーで構成される。
【００３１】
本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの出力導波セグメントは、入力導波セグメントと寸法および形状が等しい。出力導波セグメントの幅は、入力導波セグメントの幅の５０％小から１００％大までの範囲とすることができる。しかしながら、出力導波セグメントの寸法はは入力導波セグメントと等しいことが好ましい。
【００３２】
本発明では、入力導波セグメントの長手方向軸に関して、遷移導波エレメントが幾何学的に非対称である。入力導波セグメントの長手方向軸は入来する光波の伝播方向に対応する。非対称とするレベルは、図１Ｃに示すように、入力導波路の、その端部における中心（Ａ）と、遷移導波路の、その端部における中心（Ｂ）との間の横方向ずれ量ｄ２によって決定される。本発明では、これによって測定されるずれ量が、入力導波セグメントの、その出力端における幅ｄ１の少なくとも３倍、好ましくは少なくとも１０倍となっている。
【００３３】
さらに本発明では、先に定義したように、幅比が２：１以上、好ましくは少なくとも５：１、より好ましくは少なくとも１５：１、最も好ましくは少なくとも２５：１となっている。
【００３４】
代表的な実施形態において、本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの導波セグメントのコアおよびクラッドの屈折率は全体的に均等であり、コアの屈折率はクラッドより約０．５％高くなっている。この実施形態では、本発明を実現するにあたり、幅比が少なくとも５：１、より好ましくは少なくとも１５：１、最も好ましくは少なくとも２５：１であることがわかった。
【００３５】
他の実施形態では、コアおよびクラッド間の屈折率の差を０．５％より大きくし、幅比が２：１程度と低い場合にも十分な信号減衰の実現が可能となるようにした。加えて、エグゾースト導波セグメントが、そのコアの屈折率が出力導波セグメントより高くなるように作成されているとすれば、そのような実施形態では十分な信号減衰に必要な幅比を２：１から５：１の範囲で実現することができる。
【００３６】
図１Ａにおいて符号５で示す加熱エレメントは、遷移導波セグメント４および出力導波セグメント２の近傍に配置されている。加熱エレメントは、熱光学効果による屈折率変化を生じさせるために導波コアを加熱するのに用いられる。
【００３７】
図１Ａから１Ｃに示した実施形態では、加熱エレメントは、少なくとも、ヒータが駆動された場合の導波モード（guided mode）のモードフィールド直径（mode field diameter）によって定まる距離だけ、出力導波セグメントのコアの中心軸から離れて配置されている。加熱エレメントは好ましくは導波路の上部（top）または底部に配置される。「導波路の上部」とはチップ支持体からの距離が導波路コアがある位置よりも遠くに配置されることを意味し、一方「導波路の底部」とはチップ支持体からの距離が導波路コアがある位置よりも近くに配置されることを意味する。底部にヒータを配置することが好ましい。
【００３８】
導波材の熱光学係数の符号に従い、ヒータは次の位置の１つに配置される。図１Ａ〜１Ｃに示された有機ポリマーなどのように、導波材が負の熱光学係数を有している場合、すなわちｄｎ／ｄＴ＜０（ｎは屈折率、Ｔは温度）の場合、加熱エレメントはエグゾースト導波セグメントの内側部分に沿って遷移セグメントの上部または底部に好ましく配置される。ここで、加熱エレメントは遷移セグメントの外側端から距離ｄ３（図１Ｃ）だけ離れている。これはすなわち、少なくとも入力または出力セグメントの幅ｄ２よりは小さいが、入力または出力セグメントの幅に、ヒータ平面９および導波コアの水平端１０間の距離ｄ４（図１Ｂ）の１０倍を加えた量以下である。
【００３９】
負の熱光学係数を持つ導波材とともに用いて好適な本発明の他の実施形態が図１Ａ〜１Ｃおよび図２Ａ〜２Ｆに示されている。図１は本発明のＮＤ−ＤＯＳの一実施形態を示し、ここでは平行四辺形状のエグゾースト導波セグメントが出力導波セグメントの２倍の幅となっている。図２Ａは、伝播方向においてエグゾースト導波セグメントの幅が線形かつ単調に増大するようにした実施形態を示している。図２Ｂは、エグゾースト導波セグメントが遷移導波セグメントの部分において切り欠かれ（clip）、光ビームが分岐時に大きく突き当たらないようにした実施形態を示している。図２Ｃは、図２Ｂと同様の実施形態であるが、２つのアームが交わるポイントから横方向に切り欠きが始まるようにした極端な場合である。図２Ｄは、エグゾースト導波セグメントの端部がＰＬＣチップの手前にあり、傾けたミラー１２などの構造物を端部に配置できるようにした実施形態である。当該構造物はエグゾースト導波セグメントからの出射光をＰＬＣからそらし、支持体に向かうよう、あるいは覆っている媒体（通常空気またはその他の気体、あるいは真空）に向かうようにするものである。図２Ｅおよび２Ｆは本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡのさらなる実施形態であり、本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡを構成するコンポーネントである導波セグメントおよびヒータは滑らかに湾曲している。
【００４０】
図３Ａはシリカ（これに限られるものではない）など正の熱光学係数をもつ、すなわちｄｎ／ｄＴ＞０であることに特徴がある材料を用いて好適な本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの実施形態を示す。本実施形態において、加熱エレメントは、図３Ｂに示すように遷移導波セグメントの上部に配置され、遷移セグメントの出力領域上、入力／出力の幅に等しい（または、これらの幅が等しくない場合には入力幅と出力幅との間の）幅の範囲の内側に配置されている。
【００４１】
本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡは、チップマウントタイプの光導波路を調製するのに好適な、技術分野においてよく知られたいかなるプロセスによっても作製することができる。ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡが有機ポリマーで作成される場合、特に有効なものは、非特許文献８に記載されたような、好ましい光透過性をもつフォトレジストポリマー（suitably transparent photoresistive polymer）に適用されるダイレクト・フォトリソグラフィプロセスである。導波路を形成するのにフォトレジストポリマー自体を利用できるので、技術分野の他のプロセスで要しているイオンエッチング工程は不要である。リアクティブ・イオン・エッチングが導波路壁に条線を生じさせることが知られており、これは分散損失および偏向従属損失（polaraization dependent loss；ＰＤＬ）の悪化につながる。分散損失およびＰＤＬは、ダイレクト・フォトリソグラフィを用いることで最小限にされる。非特許文献８に教示されたプロセスによって得られた導波路はグレーデッド・インデックス・ポリマー導波路であり、伝播信号の分散損失およびＰＤＬを低減できるものである。
【００４２】
シリカまたはドープ・シリカ（doped silica）で構成される本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡを調製するには、リアクティブ・イオン・エッチングを含め、他のフォトリソグラフィ法が好適である。
【００４３】
技術分野においては、有機ポリマーについてのｄｎ／ｄＴの絶対等級（absolute magnitude）は、ほぼ等級オーダで無機ガラスのそれを超えていることが知られている。この理由により、有機ポリマーを用いる実施形態が好ましい。しかしながら、半導体および無機ガラス、特にシリカやシリコンなどの無機材料で作成されたＹ字型ブランチも本発明の範囲にある。
【００４４】
ここで述べる代表的な実施形態では、ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの全長は２．５〜５ｍｍの範囲であり、遷移導波セグメントは１．５〜２．５ｍｍの範囲である。入力および出力導波セグメントのコアの幅（上から見下ろした場合の）は５〜１０μｍの範囲であり、遷移セグメントのコアの幅（上から見下ろした場合の）は１０〜２００μｍの範囲である。エグゾースト導波セグメントの屈折率については、出力導波セグメントと等しくするか、または０．０５程度大とすることができる。非通電状態で４０ｄＢの信号減衰を実現するのに要する幅比は、屈折率が増すほど減らされる。幅比は、遷移導波セグメントの長さの増大とともに屈折率の増大にも従うものである。
【００４５】
本発明は、技術分野において知られたような適宜のいかなる加熱手段とともに実施可能である。これは、誘導加熱、放射加熱および電気抵抗加熱を含むことができる。実装の容易化の観点からは、電気抵抗加熱が好ましい。電気抵抗加熱は技術分野においてよく知られた手段によって実現可能である。一法としては、所望のヒータ形状を得るためのマスクを用いて導波路上に金属ストリップをスパッタコーティングするものが挙げられる。出力ブランチの全長にわたる表面上にヒータを配置しない場合には、直下にコアが無いチップのオーバークラッドの部分の上にヒータを配置する。
【００４６】
あるいは、蒸着その他の金属堆積プロセスにてヒータを形成してもよい。本発明による電気抵抗加熱に適切な金属にはクロム、チタン、アルミニウム、ニッケル、金、プラチナなどが含まれるが、これらに限られるものでもない。好ましいものはクロム、チタン、ニッケルおよび金である。
【００４７】
Ｙ字型ブランチの全長寸法を超えるものでない限り、および本発明の目的を達成するのに必要な局部加熱を行うものである限り、ヒータストリップのサイズについては特に制限はない。しかし、２〜３ｍｍのヒータ長、３〜３０μｍの範囲、より好ましくは５〜１５μｍの範囲のヒータ幅、０．０５〜１μｍ、より好ましくは０．１〜０．５μｍのヒータ厚とすることが好ましい。
【００４８】
本発明を実現するについて、伝播方向に沿ったヒータ長の１ｍｍあたり１０〜１００ｍＷの電力レベルとすることが、−２〜−５×１０-4／℃の範囲のｄｎ／ｄＴをもつことに特徴があるポリマーのスイッチングを行うのに効果的であることがわかった。かかるポリマーの例としては、ポリアクリレート、ポリフルオロアクリレートおよびポリクロロアクリレートなどが挙げられるが、これらに限られるものでもない。−０．５〜−２×１０-4／℃の範囲のｄｎ／ｄＴをもつことに特徴があるポリマーに対しては、伝播方向に沿ったヒータ長の１ｍｍあたり３０〜３００ｍＷの電力レベルとすることが効果的であることがわかった。かかるポリマーの例としては、ポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレートなどが挙げられるが、これらに限られるものでもない。本発明の代表的な実施形態では、導波路全体が同じ重合体系で作成されている。
【実施例】
【００４９】
Ｙ字型ＮＤ−ＤＯＳは、シリコンウェハ上の熱光学ポリマー（thermo-optic polymer）導波路として設計され、製造された。図２Ｆの設計が製造に用いられた。出力導波路セグメントは２ｃｍの曲率半径および７μｍの幅を有していた。エグゾースト導波セグメントは本質的に均一の幅２００μｍを有していた。出力導波路セグメントおよびエグゾースト導波路セグメントの内側端の間の初期のアーム分離角は３．５度であった。
【００５０】
９４重量％のエトキシル化（ethoxylated）ペルフルオロポリエーテル・ジアクリレート（ＭＷ１１００）、４重量％のジトリメチロールプロパン・テトラアクリレート、および、チバ・ガイギー社から入手可能な光開始剤である２重量％のDarocur 1173を組み合わせることで、Ｂ３で表される組成を準備した。
【００５１】
９８重量％のエトキシル化（ethoxylated）ペルフルオロポリエーテル・ジアクリレート（ＭＷ１１００）および２重量％のDarocur 1173を組み合わせることで、ＢＦ３で表される組成を準備した。
【００５２】
９１重量％のエトキシル化（ethoxylated）ペルフルオロポリエーテル・ジアクリレート（ＭＷ１１００）、６．５重量％のジトリメチロールプロパン・テトラアクリレート、２重量％のDarocur 1173、および、チバ・ガイギーから入手可能な別の光開始剤である０．５重量％のDarocur 4265を組み合わせることで、Ｃ３で表される組成を準備した。
【００５３】
６インチの酸化シリコン基体をＫＯＨにより清浄化し、（３−アクリルオキシプロピル）トリクロロシラン（Ｇｅｌｅｓｔ社）を用いて処理した。そのように準備したウェハの中心５インチの領域に、ネガティブトーン感光性モノマーを用いて、ポリマー導波路を以下の方法で形成した。すなわち、ウェハ上に２ｍｌのＢＦ３成分をデポジットし、CEE-100スピンコータ（Brewer Scientific社）上で１３秒間、１０００ｒｐｍで回転させ、１０μｍ厚のＢＦ３アンダークラッド層を形成した。そのように準備したコート済み基体を、０．０２Ｔｏｒｒの窒素雰囲気内で１０００Ｗの水銀灯からの３５０ｎｍのＵＶ光（Ｈｇ−ｉライン）を用いて処理した。かかる層に適用したのと同様の方法で、成分Ｃ３の７μｍ厚のコア層をデポジットした。
【００５４】
１０００Ｗの水銀灯から３５０ｎｍのＵＶ光（Ｈｇ−ｉライン）を暗視野（dark-field）フォトマスクを通して照射し、エチルアセテート（ＨＰＬＣ等級、Fisher Scietific社）を用いて非露光領域を現像することで、本発明のＮＤ−ＤＯＳのＹ字型ブランチをパターニングしてコーティングした。パターニングしたウェハ上にＢ３の成分を３ｍｌ置き、CEE-100スピンコータ上で１４秒間、７００ｒｐｍで回転させ、１７μｍ厚のＢ３のオーバークラッド層を形成した。そのように準備したコート層を、大気圧の窒素雰囲気内で、１０００Ｗの水銀灯からのＨｇ−ｉラインを用いて処理した。
【００５５】
幅８μｍ、長さ２．４４ｍｍおよび厚み０．３μｍをもち、２９．５μｍの遷移導波セグメントの外側面の外側縁から横方向に分離するヒータを、金属であるニッケルの層、続いて金の層をポリマーコーティングされたウェハ上にスパッタ堆積することで形成し、２層ヒータスタックを形成した。そのように形成されたヒータスタックを、ポジ型フォトレジストおよび明視野（clear-field）フォトマスク（Shipley社から入手可能なType 1808）を用いてパターニングし、続いて酸エッチング法を用いることで、ヒータおよび相互接続／ワイヤボンディングパッドのベースを形成した。チタンの層、続いて金の層からなる電気めっきベースをヒータスタック上部にスパッタ堆積し、スピンコート法によりフォトレジスト（Shipley社のSJR5740）を塗布した。暗視野フォトマスクを用いたＵＶ露光を相互接続／ワイヤボンディングパッドのベースに対して施した。最後に、ポジ型フォトレジストを現像し、前記電気めっきベースに酸エッチングを施し、ＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡをもつチップのあるウェハを得た。そのように準備されたウェハは、同じデザインの、中心間距離が２５０μｍの８個のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡを有するものであった。チップ内に形成された８個のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡのすべてが、停電時に４０ｄＢ減衰を超えるデジタルスイッチング性能を示した。８個のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの１つについて実験で得た伝送曲線を図４に示す。これは、ヒータ電力ゼロで４０ｄＢを超える減衰を示しており、従ってＮＤ特性が実証された。「デジタル」性能は、デバイスがＮＤ−ＤＯＳとして使用されるときに特に有効なものであるが、７０ｍＷ以上の本質的に一定のヒータ電力が加えられたときに最高の伝送性を示すものであることに注意されたい。以上のように作成されたＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡはまた、波長（□）依存性も低いものであった。
【００５６】
以上のように作成された８個のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡで得られた減衰のデータを表１に示す。これは、８個のデバイスのすべてについて、４９．４ｄＢを超える受動的（電力がないことを示す）減衰が得られたことを示している。観測される減衰には製造プロセスにおけるばらつきが関与している可能性があるが、測定技術も少なくとも同程度関与している可能性がある。
【００５７】
【表１】
2006072369.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの一実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面（top-down）図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した実施形態の遷移導波エレメントの断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａと同じ実施形態であり、遷移導波エレメントの非対称性を特徴づけるのに用いられるパラメータを示す図である。
【図２Ａ】負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの他の実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図２Ｂ】は負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの他の実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図２Ｃ】負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの他の実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図２Ｄ】負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの他の実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図２Ｅ】負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの他の実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図２Ｆ】負の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの他の実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図３Ａ】正の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの一実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す上面図である。
【図３Ｂ】正の熱光学係数をもつ導波材を具えた本発明のＮＤ−ＤＯＳ／ＶＯＡの一実施形態であり、コンポーネント配置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  入力導波セグメント
２  出力導波セグメント
３  エグゾースト導波セグメント
４  遷移導波セグメント
５  ヒータ
６  ギャップ
７  クラッド
８  コア
【図１Ａ】
2006072369.tif 000004
【図１Ｂ】
2006072369.tif 000005
【図１Ｃ】
2006072369.tif 000006
【図２Ａ】
2006072369.tif 000007
【図２Ｂ】
2006072369.tif 000008
【図２Ｃ】
2006072369.tif 000009
【図２Ｄ】
2006072369.tif 000010
【図２Ｅ】
2006072369.tif 000011
【図２Ｆ】
2006072369.tif 000012
【図３Ａ】
2006072369.tif 000013
【図３Ｂ】
2006072369.tif 000014
【外国語明細書】
2006072369000001.pdf