(57)【要約】【課題】デジタル応答及び小型化が可能な全反射光スイッチであって、駆動電圧または駆動電流が低く且つクロストークが少ない光スイッチを提供する。【解決手段】Ｙ交差部３０上には、制御電極としての上部電極２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃが配置されている。上部電極２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃの各々は、入射ポート１８から入射された信号光４４が、各電極のエッジに沿って形成された反射面で全反射され、出射ポート２０または２２に射出されるように、所定のレイアウトで配置されている。Ｘ交差では全反射補角は交差角の半分であるが、Ｙ交差としているので、全反射補角４０を交差角３８の１／４にすることができる。【選択図】図１
2006058837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性または半導電性の基板と、
前記基板上に形成され、光信号が入射する入射側チャネル導波路と該入射側チャネル導波路から分岐した複数の出射側チャネル導波路とを含む光導波路層と、
前記光導波路層上に形成され、前記基板と共に前記光導波路層に電圧を印加して前記光導波路層の屈折率を制御することにより、入射した光信号を反射する反射面を前記複数の出射側チャネル導波路の交差部近傍に形成し、前記光信号の伝搬経路を切り替える制御電極と、
を含む光スイッチ。
【請求項２】
導電性または半導電性の基板と、
前記基板上に形成され、光信号が入射する入射側チャネル導波路と該入射側チャネル導波路から分岐した複数の出射側チャネル導波路とを含み、互いに隣接する出射側チャネル導波路の間に溝が形成された光導波路層と、
前記光導波路層上に形成され、前記基板と共に前記光導波路層に電圧を印加して前記光導波路層の屈折率を制御することにより、前記光導波路層と前記溝との界面に連続し且つ入射した光信号を反射する反射面を前記複数の出射側チャネル導波路の交差部近傍に形成し、前記光信号の伝搬経路を切り替える制御電極と、
を含む光スイッチ。
【請求項３】
前記制御電極は、前記入射側チャネル導波路の中心線と前記制御電極の導波路側のエッジとが成す角度と、前記出射側チャネル導波路の中心線と前記制御電極の導波路側のエッジとが成す角度とが等しくなるように、前記光導波路層上に形成される請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
互いに隣接する前記出射側チャネル導波路の２本の中心線が交差する角度が、０．５°〜２．０°である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記入射側チャネル導波路の出射側に、光信号の伝搬方向に広がるテーパ部が形成されると共に、該テーパ部が連結部を介して前記出射側チャネル導波路の入射側に接続された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記出射側チャネル導波路の入射側に、光信号の伝搬方向に狭まる逆テーパ部が形成された請求項５に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記連結部が、前記入射側チャネル導波路の出射端と同じ幅の直線状チャネル導波路で構成された請求項５または６に記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記テーパ部のテーパ長が、２００μｍ〜２０００μｍである請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項９】
前記テーパ部の最大幅が、５μｍ〜５０μｍである請求項５乃至８のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
前記逆テーパ部のテーパ長が、２００μｍ〜２０００μｍである請求項５乃至９のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
前記逆テーパ部の最大幅が、５μｍ〜５０μｍである請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
前記基板が、導電性または半導電性の単結晶基板、または表面に導電性または半導電性の薄膜が設けられた単結晶基板であり、前記光導波路層が、エピタキシャルまたは単一配向性の酸化物強誘電体からなる請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１３】
前記基板と前記光導波路層との間に、エピタキシャルまたは単一配向性の酸化物からなり、前記光導波路層より小さい屈折率を有するバッファ層を設けた請求項１２に記載の光スイッチ。
【請求項１４】
前記光導波路層と前記制御電極との間に、酸化物からなり、前記光導波路層よりも小さい屈折率を有するクラッド層を設けた請求項１２または１３に記載の光スイッチ。
【請求項１５】
前記エピタキシャルまたは単一配向性の酸化物が、Ｐｂ１−ｘ  Ｌａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０）である請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１６】
前記導電性または半導電性の単結晶基板が、不純物元素をドープしたＳｒＴｉＯ３である請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１７】
前記単結晶基板上に設けられた導電性または半導電性の薄膜が、エピタキシャルまたは単一配向性の薄膜である請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１８】
前記チャネル導波路が、埋め込み型チャネル導波路である請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１９】
前記チャネル導波路が、リッジ型チャネル導波路である請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項２０】
前記基板が、表面に酸化物強誘電体からなる薄膜が設けられたシリコン基板である請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光スイッチが、同一基板上にマトリクス状に多数配列されたマトリクス光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチ及びマトリクス光スイッチに関し、特に、チャネル導波路を伝搬する光信号の経路を切り替える光スイッチと、この光スイッチがマトリクス状に多数配列されたマトリクス光スイッチとに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークは、個別にノード間を結ぶポイント間の光通信から、ポイント間でＡＤＭ（Add-Drop Multiplexing）を行う光通信、さらに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光通信へと発展しようとしている。このため、これに必要な光分岐結合器、光合波器、光分波器、光スイッチ等の各種光部品の開発が重要になっている。その中でもマトリクス光スイッチは、複数の光ファイバ間で需要に応じて光信号の経路を切り替えたり、ネットワークが故障した際に迂回路を確保するために光信号の経路を切り替えたりするのに用いられ、最も重要な部品の一つである。
【０００３】
光スイッチは、プリズム、ミラー、ファイバー等を機械的に可動させて光信号の経路を切り替えるバルク型と、光導波路型とに分類することができる。バルク型の光スイッチには、波長依存性が少なく、比較的低損失であるという利点があるが、スイッチング速度が遅い、小型化が難しくマトリクス化に不向きである、組立調整工程が煩雑であり量産には適さない、高価格である等、種々の問題点がある。一方、光導波路型の光スイッチは、スイッチング速度、小型化および集積化、量産性等の面で、バルク型と比較して非常に優れており、熱心に検討されている。
【０００４】
光導波路型のマトリクス光スイッチは、大きく２種類の形態に分けることができる。第一は、入力ポートと出力ポートとを分岐型チャネル導波路で接続し、分岐点の各々に所定原理で動作する光スイッチまたは光ゲートを配置して、伝搬する光信号の経路を切り替える形態である。第二は、入力ポートと出力ポートの間に光偏向器を設けて、入力ポートから入射された光を出力ポートへ向けて偏向する形態である。
これらの中では、第一の形態のマトリクス光スイッチが、設計に対する柔軟性が高く、光損失が少ないため、最も多く検討されている。第一の形態のマトリクス光スイッチでは、ＬｉＮｂＯ３、化合物半導体、石英、ポリマー等の薄膜にチャネル導波路を形成し、各経路の交差部などに、電気的に光の進行方向を制御する光スイッチまたは電気的に光の進行を開閉制御する光ゲートを設けるのが一般的である。
【０００５】
光スイッチの動作原理としては、二本の光導波路を近接配置した方向性結合器に電界を加えて光信号の経路を制御する方法、入力光を方向性結合器で二つに分離し、それぞれの経路を通る光の間に電界により生じさせた屈折率で位相差を与え出口側の方向性結合器での干渉状態を制御して出力端を切り替えるマッハ・ツェンダー型の方法、Ｘ交差部での光モード間の干渉を制御することで光信号の経路を切り替える方法、Ｙ分岐部または非対称Ｘ交差部において、光モードの横方向界分布を電界により生じさせた屈折率で制卸して光信号の経路を切り替えるデジタル型と呼ばれる方法、Ｘ交差部に電極を設けて屈折率を制御することによって全反射またはブラッグ反射させて光信号の経路を切り替える方法などがある（特許文献１、２）。
【０００６】
これらの中でも、デジタル型光スイッチは、一定の電圧または電流で光信号の経路が切り替わった後は、それ以上の電圧または電流を印加してもその状態を保持することができ、複数の動作点が発生せず、動作トレランスに優れている。また、偏波無依存化が可能である、波長依存性が小さい等の利点があり、光スイッチの中でも特に注目されている。
【特許文献１】特開平７−３１８９８６号公報
【特許文献２】特公平６−５３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のデジタル型光スイッチには、他の光スイッチと比較して駆動電圧が高くなる（または駆動電流が大きくなる）、電極長が長くなる、という問題があった。
【０００８】
また、デジタル型光スイッチとしては、図１８に示すＹ分岐型の構造が一般的であるが、この構造の光スイッチでは、Ｙ分岐型のチャネル導波路１の分岐部に、光制御部を構成する電極２が設けられる。チャネル導波路１の交差部の鋭角部は、１°未満の交差角度でチャネル間隔が次第に狭くなりゼロになる形状であるため、フォトリソグラフィによるパターンニング工程では、分解能の限界から理想形状を作製することは困難である。このため、通常は、図１９の鋭角部３のように、チャネル間の距離が１．５μｍ以上と先端が鈍った形状とせざるを得なかった。このような理想形状からのずれは、光制御部が交差部の光伝搬方向下流側にある分岐部に位置するため、損失やクロストークに非常に大きく影響する。
【０００９】
例えば、Ｙ分岐の開き角度を０．５°とし、分岐した一方の導波路の屈折率を電気光学効果などにより０．０００８程度低下させた場合は、鋭角部が図１８に示すような理想形状であれば、クロストークを低減すること、即ち、入射ポート２０からの光が出射ポート２１または２２へ導かれる場合の出射ポート間の光量差を２０ｄＢ以上と大きくすることが可能である。これに対して、図１９の鈍った形状の場合には、出射ポート間の光量差は１２ｄＢ程度まで悪化し、２０ｄＢとするためには、より大きな屈折率変化が必要になる。即ち、Ｙ分岐型のデジタル型光スイッチでは、駆動電圧または駆動電流が大きくなるという問題があった。
【００１０】
また、数ミクロン幅のチャネル導波路上に電極を形成するため、フォトリソグラフィによる作製誤差が生じ易く、スイッチ特性の対称性が損なわれ易い。
【００１１】
一方、図２０に示すＸ交差型の全反射光スイッチもデジタル型の動作が可能である。Ｘ交差型の全反射光スイッチは、電極長を他の方式よりも短くし易いために、高速応答に向いているほか、光制御部が交差部内に位置するために、Ｙ分岐型とは異なり上記のような作製限界に鈍感である。全反射光スイッチでは、入射光４はチャネル導波路１の屈折率が一様な場合には直進するが、電極２に電圧が印加され、反射面５の屈折率が全反射に必要な屈折率へと低下すると反射面５で全反射される。チャネル導波路１の交差角６、入射光４と反射面５とが成す角度（反射補角）７は、反射面５の屈折率低下の程度によって決まり、屈折率低下の度合いが小さいほど、即ち、低駆動電圧または低駆動電流であるほど、交差角６や反射補角７も小さくなる。交差角６は、通常０．５°程度まで小さくすることができる。
【００１２】
しかしながら、実際には、Ｘ交差部の交差角は１°〜２°程度であり、駆動電圧が高くなるか、またはクロストークが増加するという問題がある。
【００１３】
例えば、C.S. Tsai, et al., J. Quantum Electronics, (1978) 513には、ＬｉＮｂＯ３へチタン（Ｔｉ）拡散をすることによって交差角１．０°で幅４μｍのチャネル導波路を形成したＸ交差型の全反射光スイッチが記載されている。この全反射光スイッチでは、交差部にクロストークなどを低減するために最大幅４０μｍのテーパ型チャネル導波路を設けると共に、４μｍギャップの電極を設けることにより、５．９ＧＨｚの応答速度が得られると期待されているが、駆動電圧は５０Ｖと大きくなる。
【００１４】
また、K. Wasa, et al., J. Lightwave Technology, (1984) 710には、絶縁体であるサファイア基板上にエピタキシャルＰＬＺＴ薄膜導波路層を成長し、交差角２．０°、幅２０μｍのチャネル導波路を形成したＸ交差型の全反射光スイッチが記載されている。この全反射光スイッチでは、チャネル導波路上に４μｍギャップの電極を設けることにより、Ｘ交差型の全反射光スイッチを形成し、４．７Ｖにて１ＧＨｚの応答が得られているが、クロストークはやはり１２ｄＢ程度と極めて大きい。
【００１５】
なお、T. Ichigi et al. OFC 2002, 187には、ポリマー導波路を用いて形成した、交差角４．０°、幅１４μｍのＸ交差型の全反射光スイッチが記載されている。この全反射光スイッチでは、出射ポート間の光量差は３０ｄＢ以上とクロストークは低減されているが、熱光学効果を用いているために１００ｍＷもの駆動電力を要し、応答速度もわずか１ｍｓ程度である。即ち、Ｘ交差部の交差角度が比較的大きいとクロストークは低減されるが、消費電力が大きくなる。また、ポリマーを用いた光スイッチでは、熱光学効果を利用するために、全反射型のメリットである高速性を生かすことができない。
【００１６】
以上の通り、屈折率制御による全反射光スイッチは、デジタル型の応答が可能で、高速応答に適しているが、低駆動電圧または低駆動電流で且つクロストークの少ない光スイッチを得ることは困難であった。
【００１７】
本発明は、上述した上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、デジタル応答及び小型化が可能な全反射光スイッチであって、駆動電圧または駆動電流が低く且つクロストークが少ない光スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために本発明の光スイッチは、導電性または半導電性の基板と、前記基板上に形成され、光信号が入射する入射側チャネル導波路と該入射側チャネル導波路から分岐した複数の出射側チャネル導波路とを含む光導波路層と、前記光導波路層上に形成され、前記基板と共に前記光導波路層に電圧を印加して前記光導波路層の屈折率を制御することにより、入射した光信号を反射する反射面を前記複数の出射側チャネル導波路の交差部近傍に形成し、前記光信号の伝搬経路を切り替える制御電極と、を含んで構成したことを特徴としている。
【００１９】
本発明の光スイッチでは、制御電極と基板とにより光導波路層に電圧を印加して、入射側チャネル導波路から分岐した複数の出射側チャネル導波路の交差部近傍に反射面を形成するので、デジタル型全反射光スイッチを構成することができ、出射側チャネル導波路の中心線と反射面とが成す角度（反射補角）を小さくすることができる。例えば、Ｙ分岐した出射側チャネル導波路の交差角が、Ｘ交差型の全反射光スイッチの交差角と同じでも、反射補角はＸ交差型の半分にすることができる。これにより、反射面での屈折率低下の度合いをより小さくすることができ、駆動電圧または駆動電流を低減することができる。交差角は、０．２５°〜２．０°の範囲が好ましい。また、分岐部の光伝搬方向上流側に位置する交差部近傍に反射面を形成するので、チャネル導波路の分岐形状や電極の作製誤差による影響を受け難く、従来のＹ分岐型の光スイッチに比べてクロストークが少なくなる。
【００２０】
上記の制御電極は、入射側チャネル導波路の中心線と制御電極の導波路側のエッジとが成す角度と、出射側チャネル導波路の中心線と制御電極の導波路側のエッジとが成す角度とが等しくなり、入射した光信号が反射面で全反射するように、光導波路層上に形成することが好ましい。
【００２１】
また、入射側チャネル導波路の出射側には、光信号の伝搬方向に広がるテーパ部を形成すると共に、該テーパ部が連結部を介して出射側チャネル導波路の入射側に接続されることが好ましい。交差部をテーパ状に形成することで、クロストークを更に低減することができる。なお、出射側チャネル導波路の入射側に、光信号の伝搬方向に狭まる逆テーパ部を形成すると共に、連結部を入射側チャネル導波路の出射端と同じ幅の直線状チャネル導波路で構成することが好ましい。
【００２２】
また、光導波路層には、互いに隣接する出射側チャネル導波路の間に溝が形成されていてもよい。溝が形成されている場合には、制御電極は、光導波路層と溝との界面に連続する反射面を形成する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように本発明によれば、デジタル応答及び小型化が可能な全反射光スイッチにおいて、駆動電圧または駆動電流が低減される共にクロストークが低減される、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
（光スイッチの構造）
図１は、本発明の実施の形態に係るＹ分岐型の光スイッチの平面図であり、図２は、そのＡ−Ａ´線断面図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、この光スイッチ１０は、下部電極となる導電性基板１２、信号光が伝搬するチャネル導波路２４及びクラッド部２５が形成された光導波路層１６、光導波路層１６より屈折率が低く、光導波路層１６を伝搬する光の導電性基板１２への染み出しを防止するバッファ層１４、及び下部電極と共に光導波路層１６に電圧を印加する上部電極２６を備えている。クラッド部２５は、光導波路層１６のチャネル導波路２４の周囲に形成される。
【００２６】
導電性基板１２上には、バッファ層１４を介して光導波路層１６が積層され、この光導波路層１６上には上部電極２６が形成されている。なお、光導波路層１６と上部電極２６との間に、光導波路層１６より屈折率が低いクラッド層を設けることもできる。この光スイッチ１０では、上下電極間に電圧を印加して光導波路層１６の屈折率を部分的に低下させることで、光導波路層１６内に上部電極２６のエッジに沿った反射面が形成され、信号光の伝搬経路が切り替えられる。
【００２７】
また、光スイッチ１０は、１つの入射ポート１８と２つの出射ポート２０、２２とを備えた１×２型の光スイッチであり、光導波路層１６にはＹ字状に分岐したチャネル導波路２４が形成されている。Ｙ字状のチャネル導波路２４は、入射ポート１８から光信号が入射するチャネル導波路２４Ａと、このチャネル導波路２４Ａから分岐し且つ出射ポート２０、２２の各々に光信号を射出するチャネル導波路２４Ｂ、２４Ｃとで構成されている。
【００２８】
図３に示すように、チャネル導波路２４Ａの出射側は、光信号の伝搬方向に向って拡がるテーパ状に形成され、このテーパ部３４Ａに連続して直線部３６Ａが付加されている。同様に、チャネル導波路２４Ｂ、２４Ｃの入射側は、光信号の伝搬方向と逆方向に向って拡がる逆テーパ状に形成され、このテーパ部３４Ｂ、３４Ｃの各々に連続して直線部３６Ｂ、３６Ｃが付加されている。従って、これらのチャネル導波路が交差するＹ交差部３０は、テーパ部３４Ａ、３４Ｂ及び３４Ｃと直線部３６Ａ、３６Ｂ及び３６Ｃとで幅広に形成され、クロストークが防止される。なお、テーパ部３４Ａ、３４Ｂ及び３４Ｃの重なり具合に応じて、直線部３６Ａ、３６Ｂ及び３６Ｃは適宜省略してもよい。
【００２９】
図４（Ａ）にチャネル導波路２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃの各中心線を図示する。チャネル導波路２４Ｂの中心線とチャネル導波路２４Ｃの中心線とが、Ｙ交差部３０において互いに交差する角度が交差角３８である。この交差角３８は、Ｘ交差でもＹ交差でも同じ値である。駆動電圧（または駆動電流）を５Ｖ〜２０Ｖ程度まで低減するためには、交差角３８を０．２５°〜２．０°の範囲とするのが好ましい。
【００３０】
図１に示すように、Ｙ交差部３０上には、制御電極としての上部電極２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃが配置されている。上部電極２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃの各々は、入射ポート１８から入射された信号光４４が、各電極のエッジに沿って形成された反射面で全反射され、出射ポート２０または２２に射出されるように、所定のレイアウトで配置されている。
【００３１】
例えば、信号光が出射ポート２０に結合される場合には、図４（Ｂ）に示すように、導電性基板１２と上部電極２６Ｂ、２６Ｃとの間に電圧が印加され、上部電極２６Ｂ、２６Ｃの導波路側のエッジに沿って反射面４２Ｂが形成される。入射ポート１８から入射した信号光４４は、チャネル導波路２４Ａの中心線に沿って伝搬され、反射面４２Ｂで全反射されて、チャネル導波路２４Ｂの中心線に沿って出射ポート２０に射出される。
【００３２】
チャネル導波路２４Ａの中心線と反射面４２Ｂとが成す角度と、チャネル導波路２４Ｂの中心線と反射面４２Ｂとが成す角度とが等しくなることが全反射の条件であり、このときの角度が全反射補角４０である。
【００３３】
同様に、信号光が出射ポート２２に結合される場合には、図４（Ｃ）に示すように、導電性基板１２と上部電極２６Ａ、２６Ｃとの間に電圧が印加され、上部電極２６Ａ、２６Ｃの導波路側のエッジに沿って反射面４２Ａが形成される。入射ポート１８から入射した信号光４４が、チャネル導波路２４Ａの中心線に沿って伝搬され、反射面４２Ａで全反射されて、チャネル導波路２４Ｃの中心線に沿って出射ポート２２に射出される。
【００３４】
上部電極２６Ｃは、反射面４２Ａに沿ったエッジと反射面４２Ｂに沿ったエッジとを二辺とする三角形状に形成されており、信号光４４がいずれの出射ポートに結合される場合にも電圧が印加される共通電極として使用される。また、上部電極２６Ｃを形成する代わりに、図１０に示すように、上部電極２６Ｃ対応する部分のチャネル導波路をエッチング等で取り除き、溝部（トレンチ）４６を形成してもよい。この光スイッチ５０では、２箇所に設けた上部電極に電圧を印加するだけでよく、屈折率の制御が容易になる。
【００３５】
Ｘ交差では全反射補角は交差角の半分であるが、上記構造の光スイッチではＹ交差としているので、全反射補角４０を交差角３８の１／４にすることができる。このため、反射面４２Ｂでの屈折率低下の度合いは小さくて済み、駆動電圧または駆動電流を低減することができる。また、分岐したチャネル導波路２４Ｂ、２４Ｃ上ではなく、Ｙ交差部３０上に電極を設けて反射面を形成するので、分岐部の形状や上部電極２６の作製誤差による影響を受け難く、従来のＹ分岐型の光スイッチに比べてクロストーク悪化が少なくなる。特に、本実施の形態では、面積の広いＹ交差部３０上に上部電極２６を形成するので、上部電極２６の作製誤差によるスイッチング特性の劣化が生じ難い。
【００３６】
（テーパ部の構造）
次に、チャネル導波路２４のテーパ部、直線部の好適な構造について説明する。
テーパ部の最大幅は、５μｍ〜５０μｍの範囲とすることが好ましく、光導波路層の屈折率、チャネル導波路とクラッド部との屈折率差、チャンネル導波路幅、交差角度などに応じて適宜最適化される。
【００３７】
図６に、本実施の形態に係る光スイッチに関し、下記条件の下でテーパ部の最大幅を種々変化させた場合に、２０ｄＢのクロストークを得るために必要な屈折率変化の計算結果を示す。
【００３８】
光導波路層の屈折率：２．４３
チャネル導波路とクラッド部との屈折率差：０．３％または０．４％、
チャネル導波路幅：４μｍ
テーパ長（図３のＬ１）：７００μｍ
Ｙ交差角：０．５°
【００３９】
図６から分るように、テーパ部の最大幅が１０μより狭い場合には、急激に大きな屈折率変化が必要となる。従って、スイッチング特性の劣化が発生しないように、テーパ部の最大幅を少なくとも１０μｍ以上とすることが望ましく、１８μｍ以上がより好ましい。また、テーパ部の最大幅が２６μｍを超える範囲でも大きな屈折率変化が必要となるため、テーパ部の最大幅を少なくとも２６μｍ以下とすることが望ましく、２４μｍ以下がより好ましい。
【００４０】
また、テーパ長は、２００μｍ〜２０００μｍの範囲とすることが好ましく、光導波路層の屈折率、チャネル導波路とクラッド部との屈折率差、チャンネル導波路幅、交差角度などに応じて適宜最適化される。テーパ長が２００μｍより短いと、スイッチング特性の劣化や放射損失の増大が発生する。一方、テーパ長が２０００μｍより長い場合にも、スイッチング特性が次第に劣化する。また、テーパ長が長くなると、デバイスが大きくなる等の問題がある。
【００４１】
図７に、本実施の形態に係る光スイッチに関し、下記条件の下でテーパ長を種々変化させた場合に、２０ｄＢのクロストークを得るために必要な屈折率変化の計算結果を示す。
光導波路層の屈折率：２．４３
チャネル導波路とクラッド部との屈折率差：０．３％または０．４％、
チャネル導波路幅：４μｍ
テーパ部の最大幅：２２μｍ
Ｙ交差角：０．５°
【００４２】
図７から分るように、テーパ長が６００μｍより短い場合には、急激に大きな屈折率変化が必要となる。従って、スイッチング特性の劣化が発生しないように、テーパ長を６００μｍ以上とすることが望ましい。また、テーパ長が７００μｍ〜８００μｍの範囲でも若干大きな屈折率変化が必要となるが、著しいスイッチング特性の劣化ではないため、デバイスをコンパクト化する観点から、テーパ長を１０００μｍ以下とすることが望ましい。
【００４３】
また、入射側のチャネル導波路と出射側のチャネル導波路とで、テーパ長を異なる値とすることができる。異なる長さとすることで、スイッチング特性の最適化を図ることも可能である。
【００４４】
また、テーパ部に連結される直線部の長さ（図３のＬ２）は、主にテーパ長との関係で決めることができるが、１６００μｍ以下の範囲とすることが好ましく、光導波路層の屈折率、チャネル導波路とクラッド部との屈折率差、チャンネル導波路幅、交差角度などに応じて適宜最適化される。直線部の長さが２００μｍより短いと、スイッチング特性の劣化が発生する傾向が生じる。一方、直線部の長さが１６００μｍより長い場合にも、スイッチング特性が劣化する。また、デバイスが大きくなる等の問題がある。
【００４５】
図８に、本実施の形態に係る光スイッチに関し、下記条件の下で直線部の長さを種々変化させた場合に、２０ｄＢのクロストークを得るために必要な屈折率変化の計算結果を示す。
【００４６】
光導波路層の屈折率：２．４３
チャネル導波路とクラッド部との屈折率差：０．４％、
チャネル導波路幅：４μｍ
テーパ部の最大幅：２２μｍ
テーパ長Ｌ１：７００μｍ
Ｙ交差角：０．５°
【００４７】
図８から分るように、直線部は２００μｍ〜８００μｍの長さとすることが望ましい。
以上のテーパ部の構造は、チャネル導波路とクラッド部との屈折率差によって最適値が決まるものであり、以上の数値範囲を主とするが当然その前後範囲も含まれる。
【００４８】
（各層の構成材料）
次に、光スイッチを構成する各層について説明する。
【００４９】
一般に、基板上に設けられた光導波路層に光が導入されると、全光強度の一部が透明性が低い導電性基板へ染み出し、染みだした成分が基板に吸収され、光伝搬に伴い伝搬損失が発生する。しかしながら、図５のように、この染みだしている領域の厚さ分を吸収のないバッファ層１４で置き換えれば、導電性基板１２による吸収はなくなり、伝搬損失の低減が可能となる。バッファ層１４がこのように光導波路層１６と導電性基板１２との隔離層として機能するためには、バッファ層１４の材料の屈折率が光導波路層１６の材料の屈折率よりも小さいことが必要である。
【００５０】
また、光導波路層１６の表面や層内に存在する粒界による散乱に起因する光伝播損失を実用レベルまで低減するためには、バッファ層１４の材料は、導電性基板や光導波路層の材料とのエピタキシ関係を保持できることが不可欠である。また、光導波路層１６の材料は、高い電気光学係数を有することが望ましく、導電性基板１２の材料は、低い抵抗率を有することが望ましい。バッファ層１４と光導波路層１６との膜厚比は、伝搬損失を１ｄＢ／ｃｍ以下に低減するためには、少なくとも０．１以上が必要である。また、ＴＥ０のシングルモードでの動作を前提とする際には、０．５以上とすることが適切である。
【００５１】
次に、光導波路層１６上に上部電極２６が設けられるため、導電性基板１２と光導波路層１６との間にバッファ層１４が存在すると、上下電極間に印加した電圧は光導波路層１６とバッファ層１４のそれぞれの容量に従って分配され、光導波路層１６に印加できる実効電圧は低下する。しかしながら、一定の膜厚を有する高誘電率のバッファ層１４を用いることにより、高い実効電圧を光導波路層１６に印加することが可能となる。
【００５２】
上記構造の光スイッチには、導波路材料として、ＬｉＮｂＯ３、化合物半導体、石英、ポリマー等を適宜利用することができるが、高速応答、低消費電力、低光損失、小型化の観点から、特に以下の材料を用いることが望ましい。
【００５３】
下部電極である導電性基板１２としては、導電性または半導電性の単結晶基板、あるいはエピタキシャルまたは単一配向性の導電性または半導電性の薄膜を表面に設けた基板を用いることができる。導電性または半導電性の材料としては、ＮｂやＬａなどをドープしたＳｒＴｉＯ３、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＲｕＯ２、ＢａＰｂＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ＳｒＶＯ３、ＬａＮｉＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、Ｍｇ２ＴｉＯ４、ＭｇＴｉ２Ｏ４などの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属などを用いることができる。
【００５４】
エピタキシャルまたは単一配向性の導電性または半導電性の薄膜を表面に設ける場合の基板材料としては、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３８％−ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどの酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイアモンドなどの単体半導体、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，Ｃｄｔｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ系の化合物半導体などを用いることができる。非酸化物基板へ導電性または半導電性の薄膜を設ける場合には、非酸化物基板表面へＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３８％−ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどの酸化物をバッファ層として形成した後、導電性または半導電性の薄膜を形成することが有効である。
【００５５】
バッファ層１４には、光導波路層１６の材料よりも屈折率が小さく且つ比誘電率が８以上の材料が用いられる。また、バッファ層１４の比誘電率と光導波路層１６の比誘電率との比は０．００２以上が好ましく、０．００６以上がより好ましい。また、バッファ層１４の材料は、導電性基板１２の材料及び光導波路層１６の材料とのエピタキシ関係を保持できることが必要である。このエピタキシ関係を保持できる条件としては、結晶構造が類似で、格子定数の差が１０％以下であることが挙げられるが、必ずしもこの条件に従わなくともエピタキシ関係を保持できれば良い。
【００５６】
具体的には、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、三方晶、斜方晶または擬立方晶系として、例えば、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ＴｉＯ３（０＜ｘ＜１．０）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（０＜ｘ＜０．３、０＜ｙ＜１．０、ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３などが挙げられ、六方晶系として、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などに代表される強誘電体が挙げられる。また、タングステンブロンズ型酸化物では、ＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、この他にはＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、ＺｎＯ、又はこれらの置換誘導体が挙げられる。
【００５７】
バッファ層１４の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。また、上述した通り、バッファ層１４の膜厚と光導波路層１６の膜厚の比は０．１以上が好ましく、０．５以上がより好ましい。
【００５８】
光導波路層１６には、バッファ層１４の材料よりも屈折率が大きな酸化物が用いられる。具体的には、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型では、正方晶、三方晶、斜方晶または擬立方晶系として、例えば、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘ  Ｌａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（ｘおよびｙの値によりＰＺＴ、ＰＬＴ、ＰＬＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３などが挙げられ、六方晶系として、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などに代表される強誘電体が挙げられる。また、タングステンブロンズ型では、ＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、この他にはＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、又はこれらの置換誘導体が挙げられる。
【００５９】
光導波路層１６の膜厚は、通常、０．１μｍ〜１０μｍの間に設定されるが、これは目的に応じて適宜選択することができる。
【００６０】
クラッド層を設ける場合には、クラッド層には、バッファ層１４と同様の材料を用いることができる。なお、クラッド層の材料については、光導波路層に対してエピタキシ関係を保持できることは必ずしも必要ではなく、多結晶薄膜でも良いが、均一な界面を得る必要がある場合には、光導波路層の材料とのエピタキシ関係を保持できることが必要である。このエピタキシ関係を保持できる条件としては、結晶構造が類似で、格子定数の差が１０％以下であることが挙げられるが、必ずしもこの条件に従わなくともエピタキシ関係を保持できれば良い。
【００６１】
具体的には、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物では、正方晶、三方晶、斜方晶または擬立方晶系として、例えば、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）ＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、ＫＮｂＯ３などが挙げられ、六方晶系として、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などに代表される強誘電体が挙げられる。また、タングステンブロンズ型酸化物では、ＳｒｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、ＰｂｘＢａ１−ｘＮｂ２Ｏ６、この他にはＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５、Ｋ３Ｌｉ２Ｎｂ５Ｏ１５、ＺｎＯ、又はこれらの置換誘導体が挙げられる。
【００６２】
クラッド層の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。また、クラッド層の膜厚と光導波路層１６の膜厚の比は０．１以上が好ましく、０．５以上がより好ましい。
【００６３】
導電性基板、バッファ層、光導波路層、及びクラッド層の材料の組み合わせとしては、上記の条件を満たす各種のものが可能であるが、ドープしたＳｒＴｉＯ３単結晶半導体基板またはドープしたＳｒＴｉＯ３半導体薄膜を導電性基板として用いること、またはＳｉ単結晶へＭｇＯバッファ層を成長した後に導電性ＳｒＲｕＯ３薄膜を成長した基板を用いることが好ましく、この導電性基板を用いた場合には、バッファ層、光導波路層、及びクラッド層のそれぞれの層には、Ｐｂ１−ｘＬａｘ（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３（ＰＬＺＴ）を用いることが最も有効である。ＰＬＺＴは、上記の導電性基板に対して同様のペロブスカイト構造を有し、格子常数の差が小さく良好なエピタキシャル成長が可能であり、導電性基板の屈折率２．３９９よりも屈折率が大きく且つ高い電気光学係数を有している。また、組成、即ち、Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉの比を変化させるだけで、各層の屈折率を大きく変化させることが可能である。
【００６４】
上部電極２６には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕなどの各種金属電極や合金、ＡｌドープＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＲｕＯ２、ＢａＰｂＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ、ＳｒＶＯ３、ＬａＮｉＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、ＣｄＧａ２Ｏ４、Ｍｇ２ＴｉＯ４、ＭｇＴｉ２Ｏ４などの酸化物を用いることが可能である。クラッド層を用いる場合には、微細加工が容易な金属電極を用いることが望ましく、クラッド層を用いない場合には酸化物電極、望ましくはＩＴＯ等の透明酸化物電極を用いることが有効である。また、動作時間に伴って疲労やＤＣドリフトなどが生じる場合には、酸化物電極を用いることが有効である。
【００６５】
クラッド層、光導波路層、バッファ層の各々は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティング、Ｒｆ−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビーム・スパッタリング、レーザ・アブレーション、ＭＢＥ、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなどの気相エピタキシャル成長法、上記気相成長により形成されたアモルファス薄膜を加熱する固相エピタキシャル成長法、ゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスにより作製されたアモルファス薄膜を加熱する固相エピタキシャル成長法の何れかにより作製することができる。
【００６６】
エピタキシャル成長法の中でも、固相エピタキシャル成長法が、導波路品質および導波路パターンニングの点より好ましい。また、ゾルゲル法やＭＯＤ法などのウエット・プロセスにより金属アルコキシドや有機金属塩などの金属有機化合物の溶液を基板に塗布する塗布工程と、加熱によるアモルファス化工程と、加熱による結晶化工程より構成される固相エピタキシャル成長は、各種気相成長法と比較して設備コストが低く、基板面内での均一性が良いだけでなく、バッファ層、光導波路層、およびクラッド層の構造制御にとって重要な屈折率の制御が容易であり、再現性良く光スイッチを製造することができる。これにより、光伝搬損失が低いバッファ層等を成長することが可能である。また、アモルファス薄膜を形成する工程を含むためにパターンニングにも最も適している。
【００６７】
また、上記の各層をエピタキシャル成長して光スイッチを作製するため、従来の材料および構造と比べて基板、バッファ層、薄膜光導波路、およびクラッド層の各屈折率と厚さの制御が容易になる。例えば、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１．０）をバッファ層、薄膜光導波路、及びクラッド層に用いた場合は、波長０．６３３μｍの屈折率としては、２．４５から２．７０程度の広い範囲に渡って組成に応じた値を選択することが可能となると共に、相互の結晶整合性も良好である。さらに、各層を薄膜成長プロセスによって作製することにより、各種形状のチャネル導波路が容易に作製できる。これにより、チャネル光導波路の実効屈折率またはチャネル光導波路と外部の屈折率差を大きな範囲に渡って設計でき、曲がりチャンネルの曲率を必要に応じて放射損失を押えたまま大きくできるために、大規模なマトリックス光スイッチを作製することが容易である。
【００６８】
（変形例）
なお、上記の実施の形態では、光導波路層に凸部を設けたリッジ構造のチャネル光導波路を形成する例について説明したが、チャネル光導波路としては、一般的に適用される埋め込み型、リッジ型、リブ型のいずれかの方式を用いることができる。エピタキシャル成長により薄膜を積層する場合には、光導波路層に凸部を設けたリッジ構造、光導波路層に凸部を設けた後にクラッド層で被覆した埋め込み構造、バッファ層に凹部を設けた後に光導波路層を設けたリブ構造が容易に作製できる。
【００６９】
また、本発明者らは、下部電極となる導電性または半導電性の単結晶基板上にエピタキシャルまたは単一配向性のバッファ層を設け、その上にバッファ層よりも大きい屈折率を持ちエピタキシャルまたは単一配向性の電気光学効果を有する酸化物薄膜光導波路を設け、その上には必要に応じて光導波路よりも小さい屈折率を持つ高誘電率のクラッド層を設け、さらにその上に上部電極を設けた構造を先に発明し（特願平10-192709）、酸化物強誘電体材料でも光導波路を上下電極でサンドイッチ状に挟んだ構造を可能とし、低光伝搬損失特性を損なうことなく低電圧で大きな屈折率変化を誘起することを可能とした。
【００７０】
本発明者らの検討によれば、上記のように下部電極となる導電性または半導電性の単結晶基板上に、エピタキシャルまたは単一配向性のバッファ層を設け、その上にバッファ層よりも大きい屈折率を持ちエピタキシャルまたは単一配向性の電気光学効果を有する酸化物薄膜光導波路を設け、さらにその上に上部電極を設けることにより、電圧印加による屈折率変化が効率的に行なわれ、全反射型スイッチに必要な明瞭な屈折率コントラストを得ることができる。従って、駆動電圧を低減するのに極めて有効であり、各電極の長さを大幅に短縮することが可能である。
【００７１】
また、上記の各層をエピタキシャル成長して光スイッチを作製するため、従来の材料および構造と比べて基板、バッファ層、薄膜光導波路、およびクラッド層の各屈折率と厚さの制御が容易になる。例えば、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１．０）をバッファ層、薄膜光導波路、及びクラッド層に用いた場合は、波長０．６３３μｍの屈折率としては、２．４５から２．７０程度の広い範囲に渡って組成に応じた値を選択することが可能となると共に、相互の結晶整合性も良好である。さらに、各層を薄膜成長プロセスによって作製することにより、各種形状のチャネル導波路が容易に作製できる。これにより、チャネル光導波路の実効屈折率またはチャネル光導波路と外部の屈折率差を大きな範囲に渡って設計でき、曲がりチャンネルの曲率を必要に応じて放射損失を押えたまま大きくできるために、大規模なマトリックス光スイッチを作製することが容易である。
【００７２】
さらに、Ｎ×Ｍマトリクス光スイッチの各種構成を鋭意検討した結果、該単結晶基板の両端にＮ本の光ファイバーからの入射用の端面および光ファイバーへの出射用の端面を設け、入射用端面と出射用端面との間を全反射型スイッチを構成するチャンネル光導波路と曲がり光導波路で配線し、各光ファイバーから入射用端面を介して入射した光ビームを、全反射型スイッチの交差部上へ設けた上部電極と下部電極との間に電圧を印加することにより全反射型スイッチとして機能させることができる。これによって、所望のＭ本の光ファイバーへ光経路を切り替えることができ、適切な間隔のポート間の切り替えを低駆動電圧で実現でき、電極長や曲がりチャンネル光導波路長も必要に応じて短縮できるため、従来と同様のサイズの基板ウエハにより多数の光スイッチを集積でき、大規模なマトリックス光スイッチを得ることができる。
【実施例】
【００７３】
以下、本発明を実施例につき詳細に説明する。
（実施例１）
上述したＹ分岐型の１×２光スイッチの具体的な実施例について説明する。
図５に示すように、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶半導体からなる導電性基板１２上に、波長１．５５μｍでの屈折率が２．４１０の組成のＰＬＺＴバッファ層１４を２０００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長した後、屈折率が２．４４６の組成のＰＬＺＴ光導波路層１６を２５００ｎｍの膜厚で固相エピタキシャル成長した。
固相エピタキシャル成長の詳細は次の通りである。無水酢酸鉛Ｐｂ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、ジルコニウム・イソプロポキシド  Ｚｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４、ランタン・イソプロポキシドＬａ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）３およびチタン・イソプロポキシドＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を出発原料として、２−メトキシエタノールに溶解し、蒸留と還流とを行い、最終的にＰｂ濃度で０．６ＭのＰＬＺＴバッファ層用前駆体溶液を得た。
【００７４】
次いで、この前駆体溶液を、洗浄、エッチング、乾燥を行ったＮｂドープＳｒＴｉＯ３（１００）単結晶基板上にスピンコーティングした。Ｏ２雰囲気中で昇温して３５０℃にて保持し、さらに７５０℃にて保持の後、冷却する。これを繰り返すことによりＰＬＺＴバッファ層１４を固相エピタキシャル成長した。同様にして、ＰＬＺＴ光導波路層１６を固相エピタキシャル成長した。
【００７５】
次に、フォトリソグラフィによって電極パターンを形成し、ＰＬＺＴ光導波路層１６上に、膜厚３００ｎｍのＩＴＯ薄膜と膜厚２００ｎｍのＡｕ薄膜とを積層した積層薄膜を成膜した後、リフト・オフ法によって図１に示す上部電極２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃのパターンを形成した。
【００７６】
更に、フォトリソグラフィによって同じく図１に示すチャネル導波路２４のパターンを形成し、ＩＣＰドライエッチングによってリッジ構造のチャネル導波路２４を形成した。チャネル導波路幅は４μｍ、テーパ長は７００μｍ、テーパ部の最大幅は２０μｍ、直線部の長さは４００μｍ、Ｙ交差角は１．０°である。チャネル導波路２４とクラッド部２５との屈折率差は０．４％である。
【００７７】
最後に、ダイシングによって全長約６ｍｍの光スイッチチップに切り分け、入射端面および出射端面を研磨によって形成した。
【００７８】
得られた光スイッチ１０の各層の結晶学的関係は、単一配向のＰＬＺＴ（１００）薄膜光導波路／／ＰＬＺＴ（１００）バッファ層／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３（１００）導電性基板、面内方位ＰＬＺＴ［００１］光導波路層／／ＰＬＺＴ［００１］バッファ層／／Ｎｂ−ＳｒＴｉＯ３［００１］導電性基板である。
【００７９】
ＰＬＺＴ光導波路層の電気光学係数ｒとしては、下部ＮｂドープＳｒＴｉＯ３基板電極と上部電極との間に初期化電圧、すなわちポーリング電圧として５０Ｖを印加した後、８５ｐｍ／Ｖが得られた。
【００８０】
本実施例の１×２光スイッチの入射端面および出射端面にシングル・モード光ファイバを配置し、光ファイバから波長１．５５μｍのレーザ光を入射ポート１８へ導入し、導電性基板１２と上部電極２６Ｂ、２６Cとの間に電圧を印加することにより、電極間の光導波路層１６の屈折率が低下し、入射ポート１８から導入されたレーザ光はＹ交差部３０で全反射され、出射ポート２０を選択し、デジタル型スイッチとして光ファイバー経路のスイッチングがなされた。また、導電性基板１２と上部電極２６Ａ、２６Cとの間に電圧を印加した場合には、出射ポート２２を選択し、同様のデジタル型スイッチとして光ファイバー経路のスイッチングがなされた。
【００８１】
図９に、この光スイッチで得られた駆動電圧とクロストーク（出射ポート間の光量差）との関係を示す。図９から分るように、電圧８Ｖで２０ｄＢのクロストークとなり、８Ｖ以上の電圧を印加する限り２０ｄＢ以上のクロストークが保たれる、というデジタル特性が得られた。
【００８２】
以上の通り、作製された１×２光スイッチ１０は、全長６ｍｍ程度と小型であるにもかかわらず、その駆動電圧は８Ｖと、従来の方法でＬｉＮｂＯ３を用いて１×２光スイッチを構成した場合と比べて数分の１程度の大きさである。また、スイッチング速度は３ｎｓ、クロストークは２０ｄＢ以下、挿入損失は３ｄＢ以下であり、偏波依存性が無く良好な特性の１×２光スイッチが得られた。
【００８３】
（実施例２）
実施例２では、チャネル導波路２４とクラッド部２５との屈折率差を０．３％とし、チャネル導波路幅を４μｍ、テーパ長を９００μｍ、テーパ部の最大幅を２４μｍ、直線部の長さを４００μｍ、Ｙ交差角を０．５°とした。また、図１１に示すように、上部電極２６Ｃを形成する代わりに溝部４６を形成すると共に、チャネル導波路２４を略覆うように上部電極２６Ｄ、２６Ｅのパターンを形成した。これら以外は、実施例１と同様にして、１×２光スイッチ６０を作製した。
【００８４】
光スイッチ６０を実施例１と同様に評価したところ、図１２に示す駆動電圧とクロストークとの関係が得られた。図１２から分るように、電圧５Ｖで２０ｄＢのクロストークとなり、５Ｖ以上の電圧を印加する限り２０ｄＢ以上のクロストークが保たれる、というデジタル特性が得られた。
【００８５】
以上の通り、作製された１×２光スイッチ６０は、全長６ｍｍ程度と小型であるにもかかわらず、その駆動電圧は５ＶとＣＭＯＳ駆動可能な範囲であり、従来の方法でＬｉＮｂＯ３を用いて１×２光スイッチを構成した場合と比べて１０分の１程度の大きさである。また、スイッチング速度は４ｎｓ、クロストークは２０ｄＢ以下、挿入損失は３ｄＢ以下であり、偏波依存性が無く良好な特性の１×２光スイッチが得られた。
【００８６】
なお、ＩｎＧａＰなどの半導体導波路材料を用いた場合にも、図１１と略同様の平面構造の光スイッチを作製することができる。また、ＬｉＮｂＯ３単結晶ウエハにＴｉ拡散によりチャンネル導波路が形成された基板を用いる場合には、コプレーナ型電極パターンとして、図１７の上部電極２６Ｈ、２６Ｉのパターンを形成することができる。
【００８７】
（実施例３）
実施例３では、チャネル導波路２４とクラッド部２５との屈折率差を０．２％とし、チャネル導波路幅を４μｍ、テーパ長を７００μｍ、テーパ部の最大幅を２４μｍ、直線部の長さを４００μｍ、Ｙ交差角を０．５°とした以外は、実施例２と同様にして、上部電極２６Ｄ、２６Ｅのパターンが形成された１×２光スイッチ６０を作製した。
【００８８】
光スイッチ６０を実施例１と同様に評価したところ、図１３に示す駆動電圧とクロストークとの関係が得られた。図１３から分るように、電圧９Ｖで２０ｄＢのクロストークとなり、９Ｖ以上の電圧を印加する限り２０ｄＢ以上のクロストークが保たれる、というデジタル特性が得られた。
【００８９】
以上の通り、作製された１×２光スイッチ６０は、全長６ｍｍ程度と小型であるにもかかわらず、その駆動電圧は９Ｖと、従来の方法でＬｉＮｂＯ３を用いて１×２光スイッチを構成した場合と比べて数分の１程度の大きさである。また、スイッチング速度は３ｎｓ、クロストークは２０ｄＢ以下、挿入損失は３ｄＢ以下であり、偏波依存性が無く良好な特性の１×２光スイッチが得られた。
【００９０】
（実施例４）
実施例４では、図１４に示すように、同一基板５２上に実施例２の１×２光スイッチを複数組合わせて配列し、複数分岐のチャネル導波路５４が形成された１×８光スイッチ７０を構成した。光スイッチ７０の入射端面には１本のシングル・モード光ファイバを配置すると共に、出射端面には２５４μｍ間隔で８本のシングル・モード光ファイバ・アレイを配置した。
【００９１】
光ファイバから波長１．５５μｍのレーザ光を本実施例の１×８光スイッチの入射ポートへ導入し、導電性基板１２と上部電極２６Ｄとの間に８Ｖの電圧を印加することにより、入射ポートから導入されたレーザ光はデジタル型スイッチとして光ファイバ経路のスイッチングがなされた。
【００９２】
実施例１と同様に評価したところ、作製された１×８光スイッチ７０は、全長２０ｍｍ程度と小型であるにもかかわらず、その駆動電圧は５ＶとＣＭＯＳ駆動可能な範囲であり、従来の方法でＬｉＮｂＯ３を用いて１×８光スイッチを構成した場合と比べて１０分の１程度の大きさである。また、スイッチング速度は４ｎｓ、クロストークは２０ｄＢ以下、挿入損失は５ｄＢ以下であり、偏波依存性が無く良好な特性の１×８光スイッチが得られた。
【００９３】
（実施例５）
実施例５では、同一基板上に実施例２の１×２光スイッチを１１２個組合わせて配列し、デジタル型で完全非閉塞型の８×８光スイッチ８０を構成した。本発明の他の実施例として、実施例２と同様の構成の１×２光スイッチを１１２個組み合わせて、デジタル型で完全非閉塞型の８×８光スイッチを構成した。入射端面、出射端面、１×２光スイッチはＳ字型、直線型、およびＸ交差型のチャンネル光導波路で接続される。入射端面および出射端面には、それぞれ８本のファイバーを１２７μｍ間隔で設けたシングル・モード光ファイバ・アレイを配置した。
【００９４】
実施例１と同様に評価したところ、作製された８×８光スイッチは、全長３０ｍｍ程度と小型であるにもかかわらず、その駆動電圧は５Ｖと、従来の方法でＬｉＮｂＯ３を用いて８×８光スイッチを構成した場合と比べて１０分の１程度の大きさである。また、スイッチング速度は４ｎｓ、クロストークはスイッチが２段構成となったことによって４０ｄＢ以下となり、挿入損失は７ｄＢ以下であり、偏波依存性が無く良好な特性の８×８光スイッチが得られた。
【００９５】
（実施例６）
実施例６では、Ｓｉ（１００）単結晶半導体からなる導電性基板上にエピタキシャルＭｇＯ（１００）膜１７を成長し、更に導電性薄膜のＳｒＲｕＯ３（１００）１９を下部電極として成長した後に、ＰＬＺＴバッファ層１４とＰＬＺＴ光導波路層１６とを設け、チャネル導波路２４とクラッド部２５との屈折率差を０．２％とし、チャネル導波路幅を４μｍ、テーパ長を６００μｍ、テーパ部の最大幅を２４μｍ、直線部の長さを４００μｍ、Ｙ交差角を０．５°とした。また、図１５及び図１６に示すように、上部電極２６Ｃを形成する代わりに溝部４６を形成すると共に、高速化のために電極長を短縮した上部電極２６Ｆ、２６Ｇのパターンを形成した。また、光導波路層１６上にはクラッド層としてポリマー層５６を形成した。これら以外は、実施例２と同様にして、１×２光スイッチ８０を作製した。
【００９６】
実施例１と同様に評価したところ、作製された１×２光スイッチ８０は、全長６ｍｍ程度と小型であるにもかかわらず、その駆動電圧は電圧１２Ｖでクロストーク２０ｄＢのデジタル特性が得られ、スイッチング速度は２ｎｓ、挿入損失３ｄＢ以下であり、偏波依存性が無く良好な特性の１×２光スイッチが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施の形態に係るＹ分岐型の１×２光スイッチの構造を示す平面図である。
【図２】図１の１×２光スイッチのＡ−Ａ´線断面図である。
【図３】図１の１×２光スイッチの導波路構造を示す平面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１の１×２光スイッチの動作を説明するための平面図である。
【図５】図１の１×２光スイッチの光伝搬方向に沿った断面図である。
【図６】テーパ部の最大幅を変化させた場合に２０ｄＢのクロストークを得るために必要な屈折率変化の計算結果を示す線図である。
【図７】テーパ長を変化させた場合に２０ｄＢのクロストークを得るために必要な屈折率変化の計算結果を示す線図である。
【図８】直線部の長さを変化させた場合に２０ｄＢのクロストークを得るために必要な屈折率変化の計算結果を示す線図である。
【図９】実施例１の１×２光スイッチでの駆動電圧とクロストークとの関係を示す線図である。
【図１０】本発明のＹ分岐型の１×２光スイッチの他の構造を示す平面図である。
【図１１】実施例２の１×２光スイッチの構造を示す平面図である。
【図１２】実施例２の１×２光スイッチでの駆動電圧とクロストークとの関係を示す線図である。
【図１３】実施例３の１×２光スイッチでの駆動電圧とクロストークとの関係を示す線図である。
【図１４】実施例４の１×８光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図１５】実施例６の１×２光スイッチの構造を示す平面図である。
【図１６】図１５の１×２光スイッチのＢ−Ｂ´線断面図である。
【図１７】ＬｉＮｂＯ３導波路によるＹ分岐型１×２光スイッチの構造を示す平面図である。
【図１８】従来のＹ分岐型１×２光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図１９】図１８の光スイッチの分岐部の構造を拡大して示す部分拡大図である。
【図２０】従来のＸ交差型の全反射型光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０  光スイッチ
１２  導電性基板
１４  バッファ層
１６  光導波路層
２４  チャネル導波路
２６  上部電極
１８  入射ポート
２０，２２  出射ポート
３０  Ｙ交差部
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ  テーパ部
３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ  直線部
３８  交差角
４０  全反射補角
４２Ａ，４２Ｂ  反射面
４４  信号光
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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