(57)【要約】【課題】低損失の自己保持型の光位相調整回路およびそれを用いた自己保持型の光スイッチを提供する。【解決手段】コア１０およびクラッドから構成される光導波路と、同一温度で複数の歪応力を発生可能な相変化材料２０またはガラス材料２２を含む物質であり、上記クラッド内で光導波路の伝搬損失に影響を与えない位置でありながら、上記光導波路に対して上記歪応力を印加可能な位置に配置された物質と、上記物質の歪応力を調整する調整手段としてのレーザ３０またはヒータ７０を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアおよびクラッドから構成される光導波路と、
同一温度で複数の歪応力を発生可能な物質であり、前記クラッド内で光導波路の伝搬損失に影響を与えない位置であり、且つ前記光導波路に対して前記応力を印加可能な位置に配置された物質と、
前記歪応力を調整する歪応力調整手段と
を備えたことを特徴とする光位相調整回路。
【請求項２】
前記光導波路がSiO2ガラスを主要組成とすることを特徴とする請求項１に記載の光位相調整回路。
【請求項３】
前記物質が相変化材料であり、前記相変化材料の相状態の違いにより、前記同一温度で複数の歪応力を発生することを特徴とする請求項１または２に記載の光位相調整回路。
【請求項４】
前記物質がガラス材料であり、前記物質は、前記ガラス材料を加熱溶融後、冷却して再びガラス化する際に、前記物質の相変化を発生しない範囲の異なる冷却速度で冷却されたことにより再びガラス化した後に前記同一温度で複数の歪応力を発生することを特徴とする請求項１または２に記載の光位相調整回路。
【請求項５】
前記歪応力調整手段がレーザであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光位相調整回路。
【請求項６】
前記歪応力調整手段が加熱素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光位相調整回路。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光位相調整回路を用いたマッハツェンダー型の光スイッチ。
【請求項８】
コアおよびクラッドから構成される光導波路と、同一温度で複数の歪応力を発生可能な物質であり、前記クラッド内で光導波路の伝搬損失に影響を与えない位置であり、且つ前記光導波路に対して前記応力を印加可能な位置に配置された物質と、前記歪応力を調整する歪応力調整手段とを備えたことを特徴とする光位相調整回路における光位相調整方法であって、
前記物質の材料を加熱溶融するステップと、
加熱溶融した前記材料を、発生させる歪応力に応じた冷却速度で冷却するステップと
を含むことを特徴とする光位相調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を基本とした光位相調整回路および方法、並びにそれを用いた光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信容量の大容量化に伴い、光通信設備が急速に増加している。さらにその光通信設備を効率的に運用するため、ROADM等による柔軟なパス設定が可能なネットワークが構築されている。パス設定の変更には光スイッチを用いた光クロスコネクトが採用されている。しかしながら、現在運用されている光スイッチは、常時通電する必要があり、災害時の停電に対する通信の確保、省エネルギー化という観点で不十分であった。
【０００３】
これを解決するために、マッハツェンダー型の光スイッチにおいて、位相変化を付与する側の光導波路の光導波路（光導波路を構成するコアの一部）内もしくは光導波路の近接位置（コアを取り囲むクラッドの内で光のフィールドと重なる位置）に相変化材料を設置し、光照射等により相変化材料の屈折率を変化させ、相変化材料中を全部もしくは大半が伝搬する信号光に位相変化を発生させ、光スイッチングを行う方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。スイッチングの時のみしか光照射を行わないため、常時通電する必要はなく、災害発生時の停電時でもスイッチの方路は自己保持される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】長田悠司，津田裕之，“相変化材料を用いた自己保持型光スイッチの提案”，電子情報通信学会総合大会，C-3-4，pp.60，2007年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、相変化材料を光導波路内もしく光導波路の近接位置に設置して行う自己保持型の光スイッチでは、一般的に高い光伝搬損失を有する相変化材料が光導波路内もしくは光導波路の近接位置にあるため、光導波路を伝搬する光の伝搬損失が大きくなったり、相変化材料の屈折率が光導波路と大きく異なる場合には相変化材料―光導波路間の高結合損失や高反射損失が発生したりして、モジュール全体での伝搬損失（挿入損失）や反射損失を小さくすることが難しかった。
【０００６】
本発明の目的は、低伝搬損失・低反射損失の自己保持型の位相調整回路およびそれを用いた自己保持型の光スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光位相調整回路であって、コアおよびクラッドから構成される光導波路と、同一温度で複数の歪応力を発生可能な物質であり、前記クラッド内で光導波路の伝搬損失に影響を与えない位置であり、且つ前記光導波路に対して前記応力を印加可能な位置に配置された物質と、前記歪応力を調整する歪応力調整手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の態様は、前記位相調整回路を用いたマッハツェンダー型の光スイッチである。
【０００９】
本発明の第３の態様は、コアおよびクラッドから構成される光導波路と、同一温度で複数の歪応力を発生可能な物質であり、前記クラッド内で光導波路の伝搬損失に影響を与えない位置であり、且つ前記光導波路に対して前記応力を印加可能な位置に配置された物質と、前記歪応力を調整する歪応力調整手段とを備えたことを特徴とする位相調整回路における光位相調整方法であって、前記物質の材料を加熱溶融するステップと、加熱溶融した前記材料を、発生させる歪応力に応じた冷却速度で冷却するステップとを含むことを特徴とする。
【００１０】
一実施形態では、前記光導波路がSiO2ガラスを主要組成とする。また、一実施形態では、前記物質が相変化材料とし、相変化材料の相変化により、同一温度で複数の歪応力を発生する。あるいは、一実施形態では、前記物質がガラス材料であり、該ガラス材料を加熱溶融後、冷却して再度ガラス化する際に冷却速度が相変化を発生しない範囲で異なる冷却速度を取ることで、ガラス化後の同一温度で複数の歪応力を発生させ。一実施形態では、歪応力調整手段がレーザあるは加熱素子である。上記の同一温度の温度範囲は、主に光部品の信頼性の評価基準である−40℃~＋85℃程度を想定することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、低損失の自己保持型の位相調整回路およびそれを用いた自己保持型の光スイッチを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一の実施の形態の位相調整回路の構成を説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）は挿入損失および光位相差の光導波路-歪応力発生材料間距離依存性を示す図であり、（ｂ）は光導波路と歪応力発生材料と間の距離を示す図である。
【図３】レーザ照射による光位相差の調整方法を説明する図である。
【図４】レーザ照射による光位相差の調整方法を説明する図である。
【図５】光位相差のレーザパワー依存性を示す図である。
【図６】第一の実施の形態の位相調整回路を用いたマッハツェンダー型の光スイッチの構成例を示す図であり、（ａ）はレンズにより空間的にレーザを相変化材料へ結合してする方法、（ｂ）は光導波路によるレーザを相変化材料へ結合する方法、（ｃ）は加熱素子を使用して相変化材料における位相変化を生じさせる方法を示す図である。
【図７】第一の実施の形態の各種位相調整回路の構成例を示す表である。
【図８】第二の実施の形態の位相調整回路の構成を説明する図である。
【図９】第二の実施の形態の位相調整回路における歪応力の発生メカニズムを説明するための図である。
【図１０】第二の実施の形態の位相調整回路における冷却速度と光位相差の関係を示す図である。
【図１１】第二の実施の形態の各種位相調整回路の構成例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
（第１の実施の形態）
図１に本実施形態に係る光位相調整回路の基本構成を示す。図１（ａ）は光位相調整回路の上面図を、図１（ｂ）は光位相調整回路の断面図を示す。本実施形態に係る光位相調整回路は、コア１０およびコアの周囲のクラッドから構成される光導波路と、同一温度で複数の歪応力を発生可能な材料として用いた相変化材料（同一温度であっても、相状態に応じて異なる歪応力を発生可能な材料）２０から構成される。本実施形態の光位相調整回路は相変化材料２０で発生した歪応力を光導波路へ印加することで光導波路を伝搬する信号光の位相状態を変えることを特徴とする。相変化材料２０は、クラッド内で光導波路の伝搬損失に影響を与えない位置（すなわち、光位相調整回路内において光のフィールドと重複しない（フィールドが存在しない）位置）であり、かつ相変化材料２０の歪応力を光導波路へ印加可能な位置に配置される。相変化材料２０としては、カルコゲナイト系(GeSbTe, GeBiTe, Sb-Te, As2Se3, As2S3等), テルライト系(TeO2), ビスマス系(Bi2O3), フッ化物系や有機材料（アントラセン等）等が使用可能である。
【００１４】
図２に、同一温度で複数の歪応力を発生可能な材料が光導波路の伝搬損失を与えない距離について示す。図２（ａ）は、図１の光位相調整回路において、歪応力を発生可能な材料２０（ここではカルコゲナイト系材料）と光導波路のコア１０の中心との距離ｄに対する光導波路の伝搬損失（コアサイズ:4.5×4.5μm, 比屈折率差:1.5%）および相変化材料に相変化させた（結晶相→アモルファス相）時の光位相差（Δφ）を示す。図２（ａ）から分かるように、距離ｄが10μmで伝搬損失0.1dB以下、距離ｄが15μmで0dBとなっている。従って光導波路の伝搬損失に影響を与えない距離は10μm以上、安全を見るならば15μm以上であることが分かる。しかしながらコアからの距離ｄが大きくなるにつれ、光導波路のコアに与える応力が小さくなるため、位相調整量（光位相差）が小さくなる。従って、光導波路の損失に影響を与えない距離で相変化材料をコアにできるだけ近づけることが理想であり、その結果、低損失で位相調整量の大きい光位相調整回路を実現可能となる。
【００１５】
歪応力調整手段としては、相変化材料を相変化させるため、レーザや加熱素子（ヒータ）を用いて、相変化材料を加熱し冷却する。徐冷時には（徐々にレーザパワーもしくはヒータパワーを下げる時には）結晶相となり、急冷時には（急速にレーザパワーもしくはヒータパワーを下げる時には）にはアモルファス相となる。アモルファス相は一般的に結晶相よりも容積が大きくなるため、歪応力が大きくなる。この歪応力の差を用いて位相調整を行う。また歪応力は相変化材料の光導波路からの距離だけではなくて、相変化材料の形状・体積によっても変化するので、これらのパラメータを含めた最適化が必要である。また常温（室温）では各相の状態が保持されるため、自己保持された位相調整が可能であり、当回路をマッハツェンダー型光スイッチに組み込んだ場合には自己保持型光スイッチとなる。
【００１６】
また相変化を使用する場合、２つの相で発生する２種類の歪応力で１つの光位相差と一般的には考えられるが、以下の方法で連続的な歪応力の変化およびそれに対応した連続的な多数の光位相差を実現可能である。図３にその原理を示す。歪応力調整手段であるレーザの出射光をレンズ等で集光し、相変化材料２０の微小領域に一定時間、連続光もしくはパルス光で照射する（照射前は結晶相の状態）。図３に示すように、レーザ光のパワーを調節し、レーザパワーが高い時（レーザパワー大の時）には相変化材料２０の全体が溶融し、レーザパワーが小さい時（レーザパワー中またはレーザパワー小）には相変化材料の一部が溶融する。その後、急冷すると溶融した部分だけがアモルファス相に変化する。照射するレーザパワーに応じて溶融する体積が異なり、アモルファス相の体積も異なるため、発生する歪応力も異なる。したがって、レーザパワーを異なる値に設定することで多数の歪応力を得ることが可能であり、光位相差を細かく調整することができる。図５に、光位相差の相変化材料に照射するレーザパワーの依存性の一例を示す。
【００１７】
レーザパワーを変える他に、レーザの照射時間を変える場合や、冷却時に瞬時にレーザパワーを落とすのではなく徐々に減少させその減少速度を変える場合でも同様の効果を得ることができる。当然ながらガラス化した相変化材料を加熱し、徐冷することで結晶相に戻すことができる。また全体が結晶相の状態から全部もしくは一部をアモルファス化（ガラス化）する方法とは反対に、全体をガラス状態にしてから全部もしくは一部を結晶相にする方法もある（図４）。アモルファス相の領域を大きくするためには長時間冷却速度を大きい状態を保持、小さくするためには短時間冷却速度が大きい状態を保持する。一方、結晶相の領域を大きくするためには、長時間冷却速度を小さい状態を保持、小さくするためには短時間冷却速度が小さい状態を保持する。
【００１８】
図６に、上述した光位相調整回路を用いたマッハツェンダー型の光スイッチの構成図を示す。マッハツェンダースイッチの２つある光導波路の一方の光導波路の周辺に相変化材料２０を設置する。相変化材料の形状は、上面から見た場合については単純な矩形型の形状、や三角形状や多数の分割された形状、断面から見た場合については光導波路に対して左右もしくは上下もしくは上下左右に設置される場合等が考えられる。またレーザの種類として300~2000nm半導体レーザやCO2レーザ, YAGレーザ、Arレーザ等が使用可能である。レーザの相変化材料２０への結合方法は、図６（ａ）に示すようにレンズ４０により空間的に結合する方法、図６（ｂ）に示すようにレーザ光源３０からレーザを光導波路５０を導波させ結合する方法等がある。また相変化を発生する別な方法として図６（ｃ）に示すように、加熱素子を使用する方法があり、相変化材料２０に近接した位置にヒータ７０が設置される。
【００１９】
表１（図７）にマッハツェンダー型光スイッチの位相調整部について各諸条件での詳細な実施例を示す。挿入損失はマッハツェンダー型光スイッチ全体での値である。表の結果から低損失の自己保持型光スイッチが実現できている。
【００２０】
（第２の実施の形態）
図８に本実施形態に係る光位相調整回路の基本構成を示す。本実施形態に係る光位相調整回路は、コアおよびクラッドから構成される光導波路と、同一温度で複数の歪応力を発生可能な材料として用いるガラス材料２２から構成される。ガラス材料２２としては石英ガラス、カルコゲナイドガラス、テルライトガラス、ビスマスガラス、フッ化物系ガラス、フツリン酸ガラス等がある。本実施の形態の歪応力を発生する材料においても、加熱・溶融後、冷却速度を調整することで、常温付近で複数の歪応力が得られる点では第一の実施の形態と同じであるが、相変化を起こさず、常にガラス（アモルファス）状態を保持していることが特徴である。相変化を起こさずに、歪応力を複数発生するメカニズムを図９に示す。
【００２１】
図９に示すように最初に加熱し、ガラスを溶融状態にする。徐冷する場合（低速で冷却する場合）には、殆ど歪応力は発生しない。一方、急冷すると（高速で冷却すると）、ガラス材料の表面から固化してガラス状態になる。先に固化した表面は冷却に伴う収縮率は小さいが、融液状態にあるガラス材料内部の収縮率が大きいため、図の矢印に示す方向で歪応力が発生する。応力の方向性を光導波路の方向に向けるようにガラス材料を設置することで、光導波路に歪応力を印加し、位相調整が可能となる。
【００２２】
図１０に冷却速度と光位相差の関係の一例を示す。石英系光導波路で歪応力を発生する材料としてフッ化物ガラス用いた場合である。冷却速度が増加するにつれて光位相差が大きくなることを示している。基本的な傾向は同じであるが、組成により冷却速度の範囲は大きく変化する場合がある。歪応力調整手段は第１の実施の形態と同様のものを使用可能である。表２（図１１）に本実施の形態の光位相調整回路を用いたマッハツェンダー型光スイッチの位相調整部について各諸条件での詳細な実施例を示す。挿入損失はマッハツェンダー型光スイッチ全体での値である。表の結果から低損失の自己保持型光スイッチが実現できている。
【符号の説明】
【００２３】
１０  光導波路（コア）
２０  同一温度で複数の歪応力を発生可能な材料
２２  同一温度で複数の歪応力を発生可能なガラス材料
３０  レーザ光源
４０  レンズ
５０  光導波路
６０  電気配線
７０  加熱ヒータ
【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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