(57)【要約】【課題】光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−干渉計素子を用いて光路を切り替える光スイッチを提供する。【解決手段】入力ポート１，２、３ｄＢ方向性結合器３，７、２つの結合器をつなぐ光ファイバー５、６、駆動層４、出力ポート８，９より構成される。ポート１より入力された光信号は、駆動層４に電位をかけない状態では出力ポート９に出力される。駆動層４の伸縮により１８０度の位相差が生じた場合、光信号は出力ポート８に出力される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダー型光干渉計において、２つの３ｄＢ方向性結合器の間を結ぶ前記光ファイバーのいずれか乃至は両方の表面に、電極層、圧電体層、電極層を順次積層した駆動層が直接形成され、この駆動層に通電することで前記光ファイバーの光路長を微調することを特徴とするマッハ・ツェンダー型光干渉計。
【請求項２】
請求項１に記載のマッハ・ツェンダー型光干渉計において、前記駆動層は多結晶であり、前記駆動層を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないことを特徴とするマッハ・ツェンダー型光干渉計。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のマッハ・ツェンダー型光干渉計において、前記駆動層の厚みは５μｍ以上であることを特徴とするマッハ・ツェンダー型光干渉計。
【請求項４】
光路を変更あるいは光信号を減衰する光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の作製方法において、光ファイバー表面に電極層を形成し、次いで、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記電極層に向けて吹き付けて、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を形成し、次いで、この圧電体層の表面に電極層を形成することを特徴とする光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の作製方法。
【請求項５】
光路を変更あるいは光信号を減衰する光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の作製方法において、前記光ファイバー表面に、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吹き付けて、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を形成し、次いで、この圧電体層の長手方向の端面に電極層を形成することを特徴とする光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の作製方法。
【請求項６】
光路を変更あるいは光信号を減衰する、光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の作製方法において、前記光ファイバー表面に長手方向に離間した一対の電極層を形成し、次いで、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記光ファイバー表面に向けて吹き付け、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を前記一対の電極層に少なくとも一部が重なるように形成することを特徴とする光ファイバーにより構成された光干渉計の作製方法。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６に記載の光ファイバーにより構成された光干渉計の作製方法において、前記電極層の形成は、金属微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを光ファイバーに向けて吹き付けて金属微粒子材料を接合する方法、蒸着による方法または塗布による方法の何れかとしたことを特徴とする光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチ、光可変減衰素子として利用されるマッハ・ツェンダー型光干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークには、光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置や光挿入・分岐・多重（ＯＡＤＭ）装置が多数用いられている。
上記光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置や光挿入・分岐・多重（ＯＡＤＭ）装置には光信号を電気信号に変換することなくそのまま光路を切り替える光スイッチや光可変減衰素子が組み込まれている。
【０００３】
光スイッチや光可変減衰素子には各種方式があるが、マッハ・ツェンダー型光干渉計を用いたものが知られている。（例えば、特許文献１、特許文献２）
ここで、マッハ・ツェンダー型光干渉計とは２つの方向性結合器と、それを連結する二つの光路より構成されるものである。図７はその構成を示す。入力ポート１より入射した光信号は３ｄＢの結合率をもつ方向性結合器３により、２つの光路１２、１３に分岐され、再び、３ｄＢの結合率をもつ方向性結合器７を通過する。このとき２つの光路間の位相差がない場合、光信号は９に出力さる。光路１２、には位相シフタ１１が取り付けられており、位相シフタを動作させ光路１２，１３間に１８０度の位相差を生じた場合は光信号は８に出力される。また位相差を０度から１８０度の間で変化させることにより、出力ポート８、９への出力比を可変することができる。
【０００４】
そして、２つの光路１２，１３間に位相差を生じさせるために、特許文献１、においては、ＬｉＮｂＯ３導波路とマイクロ波を用いた電気光効果を使用しており、特許文献２においては、石英系光導波路とヒーター加熱を用いた熱光効果を使用している。
【０００５】
【特許文献１】
特許２６５１１８３号公報
【特許文献２】
特公平６−７２９６４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１においては、電気光効果を用いているため、高速に位相差を生じえるが、ＬｉＮｂＯ３は光の損失が大きいく、この方法で素子を形成した場合３〜６ｄＢ以上の損失が避けられないという問題があった。この問題を解決するため、石英系光導波路に位相シフタとしてヒータを組み合わせた熱光効果を用いた光スイッチ（特許文献２）が提案されている。この方法では石英系光導波路により形成された、マッハ・ツェンダー型光干渉計の３ｄＢ方向性結合器により分岐された導波路部分にヒーターを内蔵し、その温度変化により導波路の屈折率を変化せせることにより、分岐された二つの導波路間に位相差を生じさせる、いわゆる、熱光効果によりスイッチングが行われている。この方式においては、挿入損失は改善されるものの、ヒーターが発熱し導波路が昇温するまで、熱伝導による遅れが生じ、高速なスイッチングを行うことができない。また、切り替えチャンネル数の増加に伴い上記、マッハ・ツェンダー型光干渉計を高密度に基板上に集積した場合、放熱が難しい、あるいは、基板上に成型されたマッハ・ツェンダー型光干渉計の温度制御は、周辺温度の影響が大きく、多チャンネルのスイッチを精度よく制御するには高度な制御回路が要求される、などの多くの問題があった。さらに、十分な屈折率変化を得るためには、屈折率温度依存性の高いＴｉＳｉＯ２ガラスなどを用いる必要があり、製造工程を複雑にしていた。また、石英系導波路ではＬｉＮｂＯ３系導波路に比べ挿入損失は小さいもの、依然として、コアが矩形断面を持つ光導波路と光ファイバーの接続は接続損失が大きく１〜２ｄＢの挿入損失は避けられないという問題があった。
【０００７】
光ファイバーにより、同様の熱光効果スイッチを作製した場合、光ファイバーとの接続性は改善され、挿入損失を低く抑えられるが、通常の石英光ファイバーでは屈折率変化の温度依存性が低いため、十分な特性を得ることができない。Ｔｉドープを行った特殊ファイバーによりマッハ・ツェンダー型光干渉計光スイッチを実現することも可能であるが、特殊ファイバーは高価である。また、石英系導波路の場合と同様に熱伝導によるスイッチング速度の制限は改善されない。
【０００８】
特に多チャンネルの光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置等に組み込む場合には、スイッチング速度、スイッチング特性の安定性が要求されるため要求特性を達成できない。
【０００９】
機械的に光ファイバーを伸縮させ、熱伝達にかかわる諸問題を解決し、応答性を高めることは可能であるが、装置が大型化し、高集積化には不向きである。
【００１０】
小型で、応答性の高いマッハ・ツェンダー型光干渉計を得るには、ＣＶＤなどの蒸着法によって光ファイバーの一部に直接圧電体層などを形成することは可能であるが、１〜２μｍ程度の極めて薄い膜しか形成することができず、十分な駆動力を得ることができない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明に係る光スイッチあるいは光可変減衰素子は、位相シフトにより光路を変更せしめる、または減衰量を可変せしめる、光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計の２つの３ｄＢ結合器を結ぶ光ファイバー部に、エアロゾルデポジション法によって位相シフトを発生させるのに十分な駆動力を発揮する駆動層を直接形成した。
【００１２】
即ち、本発明に係る光スイッチにおいて、前記光ファイバー表面には、電極層、圧電体層、電極層を順次積層した駆動層が直接形成され、この駆動層に通電することで光ファイバーを伸縮せしめる構成とした。また、本発明に係る光可変減衰素子も光スイッチ同様に、光ファイバー表面に駆動層が直接形成された構成とした。光ファイバー表面に形成された駆動層を伸縮させることにより、ファイバー長あるいはファイバー屈折率を変化させ、伝送信号に操作を生じることが可能である。したがって、これまでの熱光効果を用いた素子に見られる、熱伝導による遅れ、放熱、高度な温度制御などの問題を生じない。また通常用いられる、安価なシングルモード光ファイバーを用いて十分な特性を得ることができる。
【００１３】
光ファイバーを伸縮させるための駆動層としては、５μｍ以上の厚さが必要であり、これ以下では駆動力が不足するおそれがある。このためには、後述するエアロゾルデポジション法によって少なくとも圧電体層を形成することが望ましい。この圧電体層の形成に際しては、エアロゾルデポジション法の加工時間をあまり長くしないために２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下とする。
【００１４】
また、本発明に係るマッハ・ツェンダ−型光干渉計を構成する光ファイバーの作製方法は、光ファイバー表面に電極層を形成し、次いで、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記電極層に向けて吹き付けて、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を形成し、次いで、この圧電体層の表面に電極層を形成する。
尚、電極層の形成は、エアロゾルデポジション法に限らず、蒸着や塗布でもよいが、エアロゾルデポジション法は焼成工程がないため焼成に起因する寸法誤差や光ファイバーの劣化がないので好ましい。
【００１５】
ここで、上記のセラミック微粒子をガス中に分散したエアロゾルを基板に吹き付けて、基板上にセラミックの構造物を形成する方法はエアロゾルデポジション法と呼ばれる。特許第３２６５４８１号、国際出願特許ＷＯ  ０１／２７３４８Ａ１に開示されるものが知られている。このエアロゾルデポジション法は常温で実施する。ここで常温とは、セラミックスの焼成温度に対して十分低い室温付近の温度のことであり、実質的に２００℃以下の温度を言う
【００１６】
また、エアロゾルデポジション法により作製される構造物（圧電体層）は多結晶であり、前記構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないものとすることができ、硬さ、耐摩耗性、耐食性などの機械的・化学的特性に優れた圧電素子となる。また、エアロゾルデポジション法による直接接合部はアンカー部を形成し、接着剤を用いることなく強固な接合が達成される。
前記圧電体材料としては強誘電性を示すチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸鉛系材料、チタン酸ジルコン系材料、チタン酸ジルコン酸鉛系材料、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどを用いることができるがこれらに限定されるものではない。
【００１７】
なお、本明細書では上記多結晶等については以下のように定義する。
（多結晶）
本件では結晶子が接合・集積してなる構造体を指す。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成しその径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。
（結晶配向性）
本件では多結晶である構造物中での結晶軸の配向具合を指し、配向性があるかないかは、一般には実質的に配向性のないと考えられる原料粉体微粒子を測定したデータあるいは粉末Ｘ線回折などによって標準データとされたＪＣＰＤＳ（ＡＳＴＭ）データ、を指標として判断する。
構造物中の脆性材料結晶を構成する物質を挙げたこの指標における主要な回折３ピークのピーク強度を１００％として、構造物の同物質測定データ中、最も主要なピークのピーク強度をこれに揃えた場合に、他の２つのピークのピーク強度が指標の値と比較して３０％以内にそのずれが収まっている状態を，本件では実質的に配向性がないと称する。
（界面）
本件では結晶子同士の境界を構成する領域を指す。
（粒界層）
界面あるいは焼結体でいう粒界に位置するある厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層で、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。
（アンカー部）
本件においてアンカー部とは、基材と構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。図１は光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計を用いた光スイッチを示す。入力ポート１，２、３ｄＢ方向性結合器３，７、２つの結合器をつなぐ光ファイバー５、６、駆動層４、出力ポート８，９より構成される。ポート１より入力された光信号は、駆動層４に電位をかけない状態では出力ポート９に出力される。駆動層４の伸縮により１８０度の位相差が生じた場合、光信号は出力ポート８に出力される。同様の構成で、位相を０度から１８０度の間の任意の値で変化させた場合、光可変減衰素子となる。
【００１９】
駆動層４を光ファイバー５、６の両方に設け、逆位相の動作をすることで駆動電圧を低減することも可能である。
【００２０】
また同様の光スイッチを複数連結することにより、マトリックススイッチの構成が可能となる。
【００２１】
図２は前記光スイッチの駆動層４の拡大図であり、光ファイバーの全周にＰＺＴなどの圧電体層が形成されている。この駆動層は同などの電極層４ａ、ＰＺＴなどの圧電体層４ｂ、銅などの電極層４ｃを順次積層した構成となっている。
【００２２】
駆動層４の作用は、電極層４ａ、４ｃを介して圧電体層４ｂに通電することで圧電体４ｂが伸縮し、光ファイバーの光路長が変化することにより、光信号の位相シフトが起きる。
【００２３】
図３は光ファイバー表面に駆動層を作製する装置の概略図、図４（ａ）〜（ｄ）は光ファイバー表面に駆動層を作製する手順を説明した図であり、図３において、作製装置４０は窒素ガスボンベ４０１がガス搬送管４０２を介して、サブミクロン粒径の誘電体セラミックス微粒子又は金属微粒子を内蔵するエアロゾル発生器４０３に接続し、エアロゾル搬送管４０４を介して形成室４０５内に設置された、縦０．４ｍｍ横５ｍｍの開口を持つノズル４０６に接続されている。ノズル４０６の先には光ファイバー１０を回転させる機構をもつステージ４０７が設置され、光ファイバー１０が配置される。形成室４０５は真空ポンプ４０９に接続されている。光ファイバー１０の表面または表面から若干離れた位置には、形成する駆動層７のサイズに応じた貫通孔があけられたマスク４１０が設けられている。
【００２４】
以上の構成からなる作製装置４０による駆動層４の作製手順を述べる。窒素ガスボンベ４０１を開栓し、窒素ガスを搬送管４０２を通じてエアロゾル発生器４０３に導入させ、金属微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾルは搬送管４０４を通じてノズル４０６へと送られ、ノズル４０６の開口より高速で回転する光ファイバー１０の表面に噴出される。このとき真空ポンプの作動により、形成室４０５内は数ｋＰａの減圧環境下におかれている。その結果、図４（ａ）に示すように、光ファイバー１０の表面に電極層４ａが形成される。
【００２５】
次いで、前記同様にしてＰＺＴなどの圧電材料微粒子を含むエアロゾルを発生させ、ノズル４０６の開口より高速で光ファイバー１０の表面に既に形成した電極層４ａの上に噴出する。すると、圧電材料微粒子が電極層４ａに高速で衝突し、破砕・変形などを起こして粒子や断片がお互いに接合し、図４（ｂ）に示すように電極層４ａの上に圧電体層４ｂが形成される。
【００２６】
この後、前記と同様にして圧電体層４ｂの上に電極層４ｃを形成することで、厚みが５μｍ以上の駆動層４が形成される。尚、以上の操作は常温環境下で行われる。
【００２７】
また、駆動層の形成方法としては、図５に示すように光ファイバー１０の表面にエアロゾルデポジション法で先ず圧電体層４ｂを形成し、この圧電体層４ｂの両端部にかかるようにエアロゾルデポジション法若しくは他の方法で電極層４ａ，４ｃを形成するか、光ファイバー１０の表面にエアロゾルデポジション法若しくは他の方法で電極層４ａ、４ｃを形成した後に、これら電極層４ａ，４ｃに少なくともその一部が重なるようにエアロゾルデポジション法で圧電体層４ｂを形成する方法が考えられる。
【００２８】
実施例１  上記方法にてシングルモード光ファイバーにＰＺＴ圧電体層を含む駆動層を形成する。続いて、もう一本のファイバーと接触させ、光信号をモニターしながらバーナーで過熱延伸することにより３ｄＢ方向性結合器を作成する。同様にして、もう一対の３ｄＢ方向性結結合器を作製することによりマッハ・ツェンダ−型光干渉計が構成される。この基本構成を２段に組み合わせることで１ｘ４の分岐スイッチとなる。この構成図を図６（ａ）に示す
【００２９】
実施例２  マッハ・ツェンダ−型光干渉計を２段にし、より高い消光比を得るために、上記基本構成を４つ用いて２ｘ２のマトリックススイッチを構成することができる。この構成を図６（ｂ）に示す。
【００３０】
【本発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、エアロゾルデポジション法によって、光ファイバーにより構成されたマッハ・ツェンダ−型光干渉計を用いて光路を変更するようにした光スイッチにおいて、２つの３ｄＢカプラ−の間を結ぶ光ファイバーのいずれか乃至は両方の表面に駆動層を形成したので、光スイッチ等を小型化でき、応答性に優れた光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光スイッチまたは光可変減衰素子の構成を説明した図
【図２】同光スイッチまたは光可変減衰素子に組み込まれる光ファイバー駆動層の拡大図
【図３】本発明に係る光スイッチに組み込む光ファイバーに駆動層を作成するための装置の概略図
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、可動光ファイバ表面に駆動層を作製する手順を説明した図
【図５】別実施例に係る光ファイバーの拡大図
【図６】実施例に係る光スイッチの構成を示した図
【図７】一般的なマッハ・ツェンダ−型光干渉計の概念図
【符号の説明】
１、２…入力ポート、３，７…３ｄＢ方向性結合器、５，６…光ファイバ−、４…駆動層、８，９…出力ポート、１０…光ファイバー、４ａ，４ｃ…電極層、４ｂ…圧電体層、１１…位相シフタ，１２，１３…光路、４０…作製装置、４０１…窒素ガスボンベ，４０２…ガス搬送管，４０３…エアロゾル発生器、４０４…エアロゾル搬送管、４０５…形成室、４０６…ノズル、４０７…光ファイバー回転ステージ、４０９…真空ポンプ、４１０…マスク。
【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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