(57)【要約】【課題】構造の簡略化が可能で、しかも低消費電力で、スイッチング時間を短くできるマッハツェンダー干渉計型光スイッチ（ＭＺＩ型光スイッチ）の提供。【解決手段】２本の光導波路Ａ、Ｂが２カ所で近接されて方向性結合器が２カ所設けられるとともにこれら方向性結合器１３ａと１３ｂ間に２本のアーム光導波路ａ、ｂが設けられたＭＺＩ型光スイッチであって、２本の光導波路Ａ、Ｂは屈折率温度係数が互いに異符号を示すものであり、２本のアーム光導波路ａ、ｂのうち少なくとも一方を加熱可能な薄膜ヒータ（加熱手段）１５が設けられたＭＺＩ型光スイッチ。【選択図】  図１
2004317870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の光導波路が２カ所で近接されて方向性結合器が２カ所設けられるとともにこれら方向性結合器間に２本のアーム光導波路が設けられたマッハツェンダー干渉計型光スイッチであって、前記２本の光導波路は屈折率温度係数が互いに異符号を示すものであり、前記２本のアーム光導波路のうち少なくとも一方を加熱可能な加熱手段が設けられたことを特徴とするマッハツェンダー干渉計型光スイッチ。
【請求項２】
前記加熱手段は前記２本のアーム光導波路の両方を加熱可能なものであることを特徴とする請求項１記載のマッハツェンダー干渉計型光スイッチ。
【請求項３】
前記２本の光導波路のうち一方の光導波路は、ＴｉＯ２、ＰｂＭｏＯ４、Ｔａ２Ｏ５  のうちいずれか１種の屈折率温度係数が負の材料から構成され、他方の光導波路は、ＬｉＮｂＯ３  、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ＳｉＯｘＮｙのうちいずれか１種の屈折率温度係数が正の材料から構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマッハツェンダー干渉計型光スイッチ。
【請求項４】
前記マッハツェンダー干渉計型光スイッチは、δ／κ≦０．２（式中、δは２本の光導波路の伝播定数差／２、κは結合定数）
で示される関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマッハツェンダー干渉計型光スイッチ。
【請求項５】
前記２本の光導波路は、所定の波長の入射光に対する前記方向性結合器間の有効光路長が等しくなるように、異なる長さにされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のマッハツェンダー干渉計型光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いられる光スイッチの一種であるマッハツェンダー干渉計型光スイッチ（ＭＺＩ型光スイッチ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＭＺＩ型光スイッチとしては、図９に示すような構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
従来のＭＺＩ型光スイッチは、シリコン基板上に積層されたクラッド層中に形成された２本の石英系導波路８４、８４を２箇所で近接させてなる２つの３ｄＢ方向性結合器９３、９３と、これら方向性結合器を連結する２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂと、上記クラッド層の表面に設けられたＣｒ薄膜ヒータ８５が備えられている。薄膜ヒータ８５は、一方のアーム光導波路８４ａに熱光学効果を与えて伝搬光の位相をシフトするためのものである。この薄膜ヒータ（電極）８５の両側に、Ａｕ配線８５ａ、８５ｂが接続されている。
【０００３】
図９のＭＺＩ型光スイッチでは、薄膜ヒータ８５に電圧を印加しない場合、２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂは、その光路長が等しいため、一方の光導波路８４の一端部（第１の入力ポート９２ａ）から入射した光は、他方の光導波路８４の他端部（第２の出力ポート９２ｄ）から出射される。
次に、薄膜ヒータ８５に電圧を印加して加熱すると、一方の光導波路８４のアーム光導波路８４ａの温度が上昇するため、２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂに光路長差が発生し、第１の入力ポート９２ａから入射した光は、一方の光導波路８４の他端部（第１の出力ポート９２ｃ）から出射される。このようにすることで、スイッチオフ動作時（電極に電圧を印加しない時）に出力していた第２の出力ポート９２ｄから、第１の出力ポート９２ｃへと光を出力させる出力ポートを切り替えて、光のスイッチングが実現される。
【０００４】
ところが図９のＭＺＩ型光スイッチでは、一方のアーム光導波路８４ａのみ加温するため、位相シフトは片方のアーム光導波路８４ａでしか発生しない。その結果、スイッチングを行うのに必要な位相シフト量が生じさせるために必要な温度が高くなり、消費電力が大きい。また、昇温に時間がかかるため、スイッチング時間が長いという問題があった。
例えば、薄膜ヒータ長さ１ｃｍ、入射する光の波長が１．５５μｍのとき、伝搬光の位相をπだけシフトさせるのに、アーム光導波路８４ａの温度を７．５℃上昇させないと、出力ポートを切り替えることができなかった。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するために図１０に示すようなＭＺＩ型光スイッチが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
図１０のＭＺＩ型光スイッチにおいてもクラッド層の表面にＣｒ薄膜ヒータ（電極）９５が設けられ、この薄膜ヒータ９５の両側にＡｕ配線９５ａ、９５ｂが形成されているが、この薄膜ヒータ９５は２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂに熱光学効果を与えて伝搬光の位相をシフトするようになっている。また、アーム光導波路８４ａ、８４ｂの途中に当該アーム光導波路８４ａ、８４ｂを分断する溝８６が配置され、熱光学効果を与えるべきアーム光導波路８４ａ、８４ｂの熱光学定数より大きい熱光学定数を持つ有機材料としてシリコーン樹脂が溝８６に充填されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２９０７９号公報（第２−４頁、図１、図２、図９）
【０００７】
図１０のＭＺＩ型光スイッチでは、薄膜ヒータ９５に電圧を印加しない場合、２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂは、全体として同じ光路長になるように設計されているため、第１の入力ポート９２ａから入射した光は、第２の出力ポート９２ｄから出射される。
次に、薄膜ヒータ９５に電圧を印加して加熱すると、図１０の斜線で示す領域９８の温度が上昇する。この場合、２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂにとって溝８６以外の部分は対称につくられているため光路長差は生じない。しかし、薄膜ヒータ９５によって温度上昇する領域９８には、第１のアーム光導波路８４ａにのみ溝８６が形成されており、その溝８６に充填したシリコーン樹脂の熱光学定数は石英系ガラスの熱光学定数よりも大きいために、２本のアーム光導波路８４ａ、８４ｂに光路長差が発生し、図９のものより低い温度で伝搬光の位相をπだけシフトさせることができ、第１の入力ポート９２ａから入射した光は、第１の出力ポート９２ｃから出射される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図１０のＭＺＩ型光スイッチは、図９のものに比べて低消費電力とできるが、上記のような溝８６を形成し、この溝８６内に有機材料を充填するものであるため、構造が複雑で、製造工程が煩雑になってしまうという問題があった。また、近年、急速に普及する光通信システムに伴って図１０のＭＺＩ型光スイッチよりさらに低消費電力で、スイッチング時間が短いＭＺＩ型光スイッチの実現が要望されている。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、構造の簡略化が可能で、しかも低消費電力で、スイッチング時間を短くできるＭＺＩ型光スイッチの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭＺＩ型光スイッチは、２本の光導波路が２カ所で近接されて方向性結合器が２カ所設けられるとともにこれら方向性結合器間に２本のアーム光導波路が設けられたマッハツェンダー干渉計型光スイッチであって、上記２本の光導波路は屈折率温度係数が互いに異符号を示すものであり、上記２本のアーム光導波路のうち少なくとも一方を加熱可能な加熱手段が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のＭＺＩ型光スイッチは、屈折率温度係数が互いに異符号を示す２本の光導波路が備えられたことにより、温度変化量を同じにした場合、同じ材料から構成した２本の光導波路（言い換えれば屈折率温度係数が同じ材料から構成した２本の光導波路）を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチに比べて一方のアーム光導波路を加熱したときの２本のアーム光導波路の光路長差を大きくでき、伝搬光の位相シフト量も大きくできる。
また、本発明のＭＺＩ型光スイッチは、同じ材料の２本の光導波路を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチよりも低い温度でスイッチングに必要な伝搬光の位相シフト量が得られるので、低消費電力とすることができ、しかも昇温時間が短くて済み、スイッチング時間を短縮できる。
また、本発明のＭＺＩ型光スイッチは、上記２本の光導波路の材料として屈折率温度係数が互いに異符号を示すものを選択すればよいので、アーム光導波路の途中に有機材料を充填した溝を設けたような従来のＭＺＩ型光スイッチに比べて構造及び製造工程を簡略化できる。
【００１２】
また、本発明のＭＺＩ型光スイッチにおいては、上記加熱手段は上記２本のアーム光導波路の両方を加熱可能なものであってもよい。
かかる構成のＭＺＩ型光スイッチでは、上記２本のアーム光導波路の両方を加熱できるので、１本のアーム光導波路のみ加熱する場合と比べて２本のアーム光導波路の光路長差を大きくでき、伝搬光の位相シフト量も大きくできる。従って、このＭＺＩ型光スイッチでは、１本のアーム光導波路のみ加熱する場合と比べて低い温度でスイッチング必要な伝搬光の位相シフト量が得られるので、昇温時間が短くて済み、スイッチング時間を速くできる。
また、このＭＺＩ型光スイッチでは、２本のアーム光導波路の両方加熱しても良いので、２本のアーム光導波路間に断熱構造を設けなくても済み、構造及び製造工程を簡略化でき、また、２本のアーム光導波路を近づけても良いので、曲げ角度も少なくて済み、光損失を小さくできるうえ、コンパクト化が可能である。
【００１３】
本発明のＭＺＩ型光スイッチにおいて、上記２本の光導波路のうち一方の光導波路は、ＴｉＯ２、ＰｂＭｏＯ４、Ｔａ２Ｏ５  のうちいずれか１種の屈折率温度係数が負の材料から構成され、他方の光導波路は、ＬｉＮｂＯ３  、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、ＳｉＯｘＮｙのうちいずれか１種の屈折率温度係数が正の材料から構成されていてもよい。特に、一方の光導波路の材料としてＴｉＯ２を選択し、他方の光導波路の材料としてＰＬＺＴを選択した場合には、屈折率温度係数の差が特に大きく、加温することにより２本のアーム光導波路の光路長差を大きくでき、伝搬光の位相シフト量も大きくできる点で好ましい。
【００１４】
また、本発明のＭＺＩ型光スイッチにおいては、δ／κ≦０．２（式中、δは２本の光導波路の伝播定数差／２、κは結合定数）
で示される関係を満たすことが、消光比を大きくできる点で好ましく、さらに好ましくはδ／κ≦０．１なる関係を満たすことが消光比３０ｄＢ以上とすることができる点で好ましい。δ／κ≦０．２なる関係を満たすには、上記δを小さくするか、あるいは上記κを大きくすればよい。上記δを小さくするには、例えば、光導波路の断面形状を変更すればよい。また、上記κを大きくするには、上記方向性結合器のところの２本の光導波路の間隔を狭くすればよい。
【００１５】
また、本発明のＭＺＩ型光スイッチにおいては、上記２本の光導波路は、所定の波長の入射光に対する上記方向性結合器間の有効光路長が等しくなるように、異なる長さにされていることがスイッチングにオフセットが生じるのを防止できる点で好ましい。
２本の光導波路として屈折率温度係数が互いに異符号を示すものを用いると、２本の光導波路の伝播定数の差が大きい場合があり、その場合に両アーム光導波路の有効光路長が異なると、信号光（入射光）が同じに伝播しなくなり、スイッチングにオフセットが生じてしまう。そこで、２本の光導波路の伝播定数差に応じて一方のアーム光導波路の物理的長さを他方のアーム光導波路の物理的長さと異ならせて、所定の波長の入射光に対する上記方向性結合器間の有効光路長を等しくすれば、スイッチングにオフセットが生じるのを防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態のＭＺＩ型光スイッチの概略構成を示す平面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
この実施形態のＭＺＩ型光スイッチは、図１乃至図３に示すようにシリコン等からなる基板２上に積層された下部クラッド層３ａと、この下部クラッド層３ａの表面に形成された２本の光導波路Ａ、Ｂと、これら２本の光導波路Ａ、Ｂと下部クラッド層３ａを覆うように積層された上部クラッド層３ｂと、上部クラッド３ｂの表面に設けられたＣｒ等からなる薄膜ヒータ１５とを備えている。
下部クラッド層３ａと上部クラッド層３ｂを構成する材料としては、屈折率は光導波路Ａ、Ｂを構成する材料の屈折率よりも小さく、しかも屈折率温度係数の絶対値は光導波路Ａ、Ｂを構成する材料の屈折率温度係数の絶対値よりも小さいものが用いられ、例えば、ＳｉＯ２が用いられる。
【００１７】
下部クラッド層３ａの表面に形成された２本の光導波路Ａ、Ｂは、２カ所で近接されることで２つの３ｄＢ方向性結合器１３ａ．１３ｂが設けられるとともにこれら方向性結合器間に２本のアーム光導波路ａ、ｂが設けられている。
２本の光導波路Ａ、Ｂは、屈折率温度係数が互いに異符号を示すものである。本実施形態では、一方の光導波路Ａは、下記式（１）で示される条件を満たす材料、即ち、屈折率温度係数が負の材料から構成されており、例えばＴｉＯ２、ＰｂＭｏＯ４、Ｔａ２Ｏ５  のうちから選択される１種が用いられる。
他方の光導波路Ｂは、下記式（２）で示される条件を満たす材料、即ち、屈折率温度係数が正の材料から構成されており、例えば、ＬｉＮｂＯ３  、ＰＬＺＴ、ＳｉＯｘＮｙのうちから選択される１種が用いられる。
光導波路に用いる材料の好ましい組み合わせとしては、光導波路Ａの材料としてＴｉＯ２が用いられ、光導波路Ｂの材料としてＰＬＺＴが用いられるのが先に述べた理由により好ましい。
【００１８】
（∂Ｎ／∂Ｔ）Ａ＜０      ・・・式（１）
（∂Ｎ／∂Ｔ）Ｂ＞０      ・・・式（２）
上記式（１）中、式（２）中、Ｎは光導波路の屈折率、Ｔは温度（℃）である。
【００１９】
なお、上記光導波路に用いられる各材料の屈折率温度係数は、ＴｉＯ２が−７×１０−５℃−１、ＰｂＭｏＯ４が−４×１０−５℃−１、Ｔａ２Ｏ５が−１×１０−５℃−１であり、ＬｉＮｂＯ３が４．０×１０−５℃−１、ＰＬＺＴが１０×１０−５℃−１、ＳｉＯｘＮｙが１×１０−５℃−１である。
２本の光導波路ＡとＢは物理長が等しくなるように設けられており、また、２本のアーム光導波路ａとｂも物理長Ｌが等しくなるように設けられている。
【００２０】
薄膜ヒータ（加熱手段）１５は、少なくとも一方のアーム光導波路を加熱することにより、熱光学効果を与えて伝搬光の位相をシフトするためのものであり、本実施形態ではアーム光導波路ａとｂの上方に上部クラッド層３ｂを介して設けられているので、アーム光導波路ａとｂの両方を加熱できるようになっている。この薄膜ヒータ（電極とよぶこともある。）１５には、金属からなる配線１５ａ、１５ｂが接続されている。
【００２１】
また、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチにおいては、δ／κ≦０．２（式中、δは（βＢ−βＡ）／２、κは結合定数であり、上記βＡは光導波路Ａの伝播定数、βＢは光導波路Ｂの伝播定数）で示される関係を満たすことが、消光比を大きくできる点で好ましく、さらに好ましくはδ／κ≦０．１なる関係を満たすことが消光比３０ｄＢ以上とすることができる点で好ましい。
δ／κ≦０．２なる関係を満たすには、上記δを小さくするか、あるいは上記κを大きくすればよい。上記δを小さくするには、例えば、光導波路ＡやＢの断面形状を変更すればよい。また、上記κを大きくするには、上記方向性結合器１３ａや１３ｂのところの２本の光導波路ＡとＢの間隔を狭くすればよい。
このようなＭＺＩ型光スイッチの光導波路に入射させる光としては、例えば、１．３μｍまたは１．５５μｍの波長が用いられる。
【００２２】
次に、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチの動作について図１を用いて説明する。
なお、図１においてＡ０〜Ａ３、Ｂ０〜Ｂ３は、ＭＺＩ型光スイッチにおける各位置を示すものある。
Ａ０は光導波路Ａの一端部側に設けられた第１の入力ポート２２ａの位置（光導波路Ａに入射前の位置）、Ａ１は導波路Ａにおける一点であって、第１の入力ポート側の３ｄＢ方向性結合器１３ａの直後の位置、Ａ２は導波路Ａにおける一点であって、光導波路Ａの他端部側の３ｄＢ方向性結合器１３ｂの直前の位置、Ａ３は光導波路Ａの他端部側に設けられた第１の出力ポート２２ｃの位置である。
Ｂ０は光導波路Ｂの一端部側に設けられた第２の入力ポート２２ｂの位置（光導波路Ｂに入射前の位置）、Ｂ１は導波路Ｂにおける一点であって、第２の入力ポート側の３ｄＢ方向性結合器１３ａの直後の位置、Ｂ２は導波路Ｂにおける一点であって、光導波路Ｂの他端部側の３ｄＢ方向性結合器１３ｂの直前位置、Ｂ３は光導波路Ａの他端部側に設けられた第２の出力ポート２２ｄの位置である。
【００２３】
薄膜ヒータ１５に電圧を印加しない場合は、２本のアーム光導波路ａとｂは両方とも加熱されない。この場合に第１の入力ポート２２ａから例えば１．５５μｍの波長の光Ｒを入射すると、この光Ｒは第２の出力ポート２２ｄから出射される。なお、この場合のＡ０〜Ａ３とＢ０〜Ｂ３の各位置での光のパワーＰＡ０〜ＰＡ３、ＰＢ０〜ＰＢ３と波動複素振幅ＷＡ０〜ＷＡ３、ＷＢ０〜ＷＢ３を以下に示す。但し、通常伝播位相シフト分は差し引いてある。この場合の３ｄＢ方向性結合器１３ａと１３ｂの結合率はいずれも０．５のときである。
【００２４】
2004317870.tif 000003
Ａ３位置の出射光パワーは、ＰＡ３＝｜ＷＡ３｜２  ＝０であり、すなわち、出射光のパワーは０であり、Ａ３位置から光は出射されない。
2004317870.tif 000004
Ｂ３位置の出射光パワーは、ＰＢ３  ＝｜ＷＢ３｜２  ＝１であり、すなわち、出射光のパワーは１である。
【００２６】
薄膜ヒータ１５に電圧を印加する場合、薄膜ヒータ１５によって２本のアーム光導波路ａ、ｂは両方とも加熱されて、温度が上昇する。この場合、２本のアーム光導波路ａ、ｂは上記のように屈折率温度係数が互いに異符号を示すものであるので、屈折率温度係数が同じ材料から構成した光導波路を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチに比べて２本のアーム光導波路の光路長差が大きくなり、低い温度で伝搬光の位相をπだけシフトさせることができ、従って、第１の入力ポート２２ａから例えば１．５５μｍの波長の光Ｒを入射すると、この光Ｒは第１の出力ポート２２ｃから出射される。
なお、この場合のＡ０〜Ａ３とＢ０〜Ｂ３の各位置での光のパワーＰＡ０〜ＰＡ３、ＰＢ０〜ＰＢ３と波動複素振幅ＷＡ０〜ＷＡ３、ＷＢ０〜ＷＢ３を以下に示す。但し、通常伝播位相シフト分は差し引いてある。この場合の３ｄＢ方向性結合器１３ａと１３ｂの結合率はいずれも０．５のときである。
ここで示す例は、ΔφＡ，Ｂ＝ΔφＢ−ΔφＡ＝π（ΔφＡは加熱されたアーム光導波路ａを通過する入射光の位相、ΔφＢはアーム光導波路ｂを通過する入射光の位相）となる温度まで加熱し、しかもＬＡ＝ＬＢ＝Ｌ（ＬＡはアーム光導波路ａで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、ＬＢはアーム光導波路ｂで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ）、ＮＡ≠ＮＢ（ＮＡは光導波路Ａの屈折率、ＮＢは光導波路Ｂの屈折率）である場合である。
【００２７】
2004317870.tif 000005
【００２８】
2004317870.tif 000006
となるが、上記のようにΔφＢ−ΔφＡ＝πであるので、これを上記式に代入すると、
2004317870.tif 000007
Ｂ３位置の出射光パワーは、ＰＢ３  ＝｜ＷＢ３｜２  ＝０であり、すなわち、出射光のパワーは０であり、Ｂ３位置から光は出射されない。
【００２９】
なお、φＡ  は下記式（３−Ａ）で計算でき、φＢは下記式（３−Ｂ）で計算できる。
φＡ＝（２πＬ／λ）ＮＡ    ・・・式（３−Ａ）
上記式（３−Ａ）中、Ｌはアーム光導波路ａで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、ＮＡは光導波路Ａの屈折率である。
φＢ＝（２πＬ／λ）ＮＢ    ・・・式（３−Ｂ）
上記式（３−Ｂ）中、Ｌはアーム光導波路ｂで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、ＮＢは光導波路Ｂの屈折率である。
また、ΔφＡは下記式（３−１）で計算でき、ΔφＢは下記式（３−２）で計算できる。
ΔφＡ＝（２πＬ／λ）（∂Ｎ／∂Ｔ）Ａ  ΔＴ    ・・・式（３−１）
上記式（３−１）中、Ｌはアーム光導波路ａで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、λは入射光の波長、ΔＴは温度の変化量である。
【００３０】
ΔφＢ＝（２πＬ／λ）（∂Ｎ／∂Ｔ）Ｂ  ΔＴ    ・・・式（３−２）
上記式（３−２）中、Ｌはアーム光導波路ｂで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、λは入射光の波長、ΔＴは温度の変化量である。
また、ΔφＡ，Ｂ  は下記式（３−Ｃ）で計算できる。
2004317870.tif 000008
【００３１】
本実施形態のＭＺＩ型光スイッチは、屈折率温度係数が互いに異符号を示す２本の光導波路ＡとＢが備えられたことにより、温度変化量を同じにした場合、同じ材料から構成した２本の光導波路（言い換えれば屈折率温度係数が同じ材料から構成した２本の光導波路）を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチに比べて、アーム光導波路を加熱したときの２本のアーム光導波路の光路長差を大きくでき、伝搬光の位相シフト量も大きくできる。
また、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチは、同じ材料の２本の光導波路を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチよりも低い温度でスイッチングに必要な伝搬光の位相シフト量が得られるので、低消費電力とすることができ、しかも昇温時間が短くて済み、スイッチング時間を短縮できる。
【００３２】
同じ材料の２本の光導波路を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチでは、スイッチングに必要な伝搬光の位相シフト量がπであるとき、位相をπだけシフトさせるに必要な温度の変化量（ΔＴ）πは、下記式（４）で計算できる。
（ΔＴ）π  ＝λ／［２Ｌ（∂Ｎ／∂Ｔ）］        ・・・式（４）
上記式（４）中、Ｌはアーム光導波路で薄膜ヒータで覆われている部分の物理的長さ、λは入射光の波長である。なお、ここでの従来のＭＺＩ型光スイッチのアーム光導波路や屈折率等の条件は、ＬＡ＝ＬＢ＝Ｌ、ＮＡ＝ＮＢである。
【００３３】
これに対して本実施形態のＭＺＩ型光スイッチでは、スイッチングに必要な伝搬光の位相シフト量がπであるとき、位相をπだけシフトさせる（ΔφＢ−ΔφＡ＝π）に必要な温度の変化量（ΔＴ）πは、下記式（５）で計算できる。
（ΔＴ）π  ＝λ／［２Ｌ｛（∂Ｎ／∂Ｔ）Ｂ＋｜（∂Ｎ／∂Ｔ）Ａ  ｜｝］                                                      ・・・式（５）
上記式（５）中、Ｌはアーム光導波路で薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、λは入射光の波長である。
このように式（５）の分母は、式（４）の分母より大きいので、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチの（ΔＴ）π  は、従来のＭＺＩ型光スイッチの（ΔＴ）πより小さくなる。
【００３４】
また、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチは、２本のアーム光導波路ａとｂの両方を加熱できるので、１本のアーム光導波路のみ加熱する場合と比べて２本のアーム光導波路の光路長差を大きくでき、伝搬光の位相シフト量も大きくできる。従って、このＭＺＩ型光スイッチでは、１本のアーム光導波路のみ加熱する場合と比べて低い温度でスイッチング必要な伝搬光の位相シフト量が得られるので、昇温時間が短くて済み、スイッチング時間を速くできる。
また、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチでは、２本のアーム光導波路ａとｂの両方加熱しても良いので、２本のアーム光導波路間に断熱構造を設けなくても済み、構造及び製造工程を簡略化でき、また、２本のアーム光導波路を近づけても良いので、曲げ角度も少なくて済み、光損失を小さくできるうえ、コンパクト化が可能である。
さらに、本実施形態のＭＺＩ型光スイッチでは、上記２本の光導波路Ａ、Ｂの材料として屈折率温度係数が互いに異符号を示すものを選択すればよいので、アーム光導波路の途中に有機材料を充填した溝を設けたような従来のＭＺＩ型光スイッチに比べて構造及び製造工程を簡略化できる。
【００３５】
なお、上記実施形態ではアーム光導波路ａとｂの両方を加熱可能な薄膜ヒータ１５が設けられた場合について説明したが、２本のアーム光導波路のうち一方のみ加熱可能な薄膜ヒータであってもよく、例えば、アーム光導波路ａのみ加熱可能な薄膜ヒータ（他の例の薄膜ヒータという）が備えられていてもよく、上記他の例の薄膜ヒータはアーム光導波路ａの上方に上部クラッド層３ｂを介して設けられており、アーム光導波路ｂの上方には設けられていない。
【００３６】
上記のような他の例の薄膜ヒータが備えられた以外は第１の実施形態と同様のＭＺＩ型光スイッチの動作について図１を用いて説明する。
他の例の薄膜ヒータの電極に電圧を印加しない場合は、先に述べた第１の実施形態のＭＺＩ型光スイッチと同様に動作し、第１の入力ポート２２ａから例えば１．５５μｍの波長の光Ｒを入射すると、この光Ｒは第２の出力ポート２２ｄから出射される。
【００３７】
他の例の薄膜ヒータの電極に電圧を印加する場合、薄膜ヒータによってアーム光導波路ａが加熱されて、温度が上昇する。この場合、２本のアーム光導波路ａ、ｂは上記のように屈折率温度係数が互いに異符号を示すものであるので、屈折率温度係数が同じ材料から構成した光導波路を用いた従来のＭＺＩ型光スイッチに比べて２本のアーム光導波路の光路長差が大きくなり（なお、ここでの光路長差はアーム光導波路ａ、ｂの両方を加熱する場合よりは小さい。）、低い温度で伝搬光の位相をπだけシフトさせることができ、従って、第１の入力ポート２２ａから例えば１．５５μｍの波長の光Ｒを入射すると、この光Ｒは第１の出力ポート２２ｃから出射される。
なお、この場合のＡ０〜Ａ３とＢ０〜Ｂ３の各位置での光のパワーＰＡ０〜ＰＡ３、ＰＢ０〜ＰＢ３と波動複素振幅ＷＡ０〜ＷＡ３、ＷＢ０〜ＷＢ３を以下に示す。但し、通常伝播位相シフト分は差し引いてある。この場合の３ｄＢ方向性結合器１３ａと１３ｂの結合率はいずれも０．５のときである。
ここで示す例は、ΔφＡ＝−π（ΔφＡは加熱されたアーム光導波路ａを通過する入射光の位相差）となる温度まで加熱し、しかもΔφＡ＜０である場合である。
【００３８】
2004317870.tif 000009
【００３９】
Ａ２位置の波動複素振幅は、ＷＡ２＝ＷＡ１×ｅｉ（ΔφＡ）  ＝（１／√２）×ｅｉ（ΔφＡ）
Ａ２位置の伝播光パワーは、ＰＡ２＝｜ＷＡ２｜２  ＝１／２
Ｂ２位置の波動複素振幅は、
ＷＢ２＝ＷＢ１×ｅｉ（ΔφＢ）  となるが、ΔφＢ＝０であるので、これを上記式に代入すると、
ＷＢ２＝ＷＢ１＝（１／√２）×ｅｉ・（−π／２）
Ｂ２位置の伝播光パワーは、ＰＢ２  ＝｜ＷＢ２｜２  ＝１／２
Ａ３位置の波動複素振幅は、
2004317870.tif 000010
となるが、上記のようにΔφＡ＝−πであるので、これを上記式に代入すると、
ＷＡ３＝（１／２）×ｅｉπ＋（１／２）×ｅｉ（−π）  ＝−１
Ａ３位置の出射光パワーは、ＰＡ３＝｜ＷＡ３｜２  ＝１であり、すなわち、出射光のパワーは１である。
Ｂ３位置の波動複素振幅は、
2004317870.tif 000011
となるが、上記のようにΔφＡ＝−πであるので、これを上記式に代入すると、
ＷＢ３＝（１／２）×ｅｉ（−π／２）×（１−１）＝０
Ｂ３位置の出射光パワーは、ＰＢ３  ＝｜ＷＢ３｜２  ＝０であり、すなわち、出射光のパワーは０であり、Ｂ３位置から光は出射されない。
【００４０】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係る第２の実施形態のＭＺＩ型光スイッチの概略構成を示す平面図である。
第２の実施形態のＭＺＩ型光スイッチが、図１乃至図３に示した第１の実施形態のＭＺＩ型光スイッチと異なるところは、２本の光導波路ＡとＢ’は、所定の波長の入射光Ｒに対する方向性結合器間の有効光路長が等しくなるように異なる長さにされており、即ち、所定の波長の入射光に対する方向性結合器間の有効光路長が等しくなるように光導波路Ａのアーム光導波路ａの物理長よりも光導波路Ｂ’のアーム光導波路ｂ’の物理長が長くされた点である。
本実施形態においても光導波路Ａは、第１の実施形態で用いたものと同様の屈折率温度係数が負の材料からなるものであり、光導波路Ｂ’は第１の実施形態で光導波路Ｂで用いたものと同様の屈折率温度係数が正の材料からなるものである。
【００４１】
ＭＺＩ型光スイッチを上記のような構成した理由について以下に述べる。
図１乃至図３に示したＭＺＩ型光スイッチのように２本の光導波路Ａ、Ｂとして屈折率温度係数が互いに異符号を示すものを用いると、２本の光導波路Ａ、Ｂの伝播定数の差が大きい場合があり、その場合に両アーム光導波路ａ、ｂの有効光路長が異なると、信号光（入射光）が同じに伝播しなくなり、スイッチングにオフセットが生じてしまう。
【００４２】
図１のＭＺＩ型光スイッチにおいて入力ポート２２ａからパワーが１の入射光を入射させたときの出力ポート２２ｃのエネルギー出射率は下記式（６）により求めることができる。
｜Ａ３／Ａ０｜２  ＝｛ｃｏｓ２（ｑｌ）−（ｓｉｎ２（ｑｌ）  ／ｑ２）（δ２＋κ２ｃｏｓ（Δφ’））｝２＋（ｓｉｎ２（ｑｌ）  ／ｑ２  ）（２δｃｏｓ（ｑｌ）−（κ２／ｑ）ｓｉｎ（ｑｌ）ｓｉｎ（Δφ’））２                ・・・式（６）
上記式（６）中、Ａ０は入力ポート２２ａの入射光の入射振幅、Ａ３は出力ポート２２ｃ  の出射振幅、ｑは有効結合定数、ｌは３ｄＢ方向性結合器の結合長さ、Δφ’は有効位相変化、κは結合定数、δは２本の光導波路の伝播定数差／２である。
【００４３】
入力ポート２２ａからパワーが１の入射光を入射させたときの出力ポート２２ｃの出射率と出力ポート２２ｄのエネルギー出射率の合計が１のとき、出力ポート２２ｄのエネルギー出射率は下記式（７）により求めることができる。
｜Ｂ３／Ａ０｜２  ＝１−｜Ａ３／Ａ０｜２            ・・・式（７）
上記式（７）中、Ｂ３は出力ポート２２ｄの出射振幅である。
【００４４】
また、上記δは下記式（８）により求めることができる。
δ＝（βＢ−βＡ）／２          ・・・式（８）
上記式（８）中、βＡは光導波路Ａの伝播定数、βＢは光導波路Ｂの伝播定数である。
【００４５】
また、上記のように光導波路ＡとＢの伝播定数が異なる場合には、実際の結合定数（有効結合定数）ｑは結合定数κからずれてしまい、また、アーム光導波路ａとｂを加熱したときの実際の位相変化（有効位相変化）Δφ’はΔφからずれてしまう。
【００４６】
有効結合係数ｑは、下記式（９）により求めることができる。
ｑ２＝κ２＋δ２                ・・・式（９）
有効位相変化Δφ’は、下記式（１０）により求めることができる。
Δφ’＝Δφ−２δ（Ｌ−ｌ）    ・・・式（１０）
上記式（１０）中、Δφは同じ材料から構成された光導波路の場合における位相差）であり、Ｌはアーム光導波路で薄膜ヒータで覆われている部分の物理的長さ、ｌは３ｄＢ方向性結合器の結合長さである。
【００４７】
そこで、本実施形態では、所定の波長の入射光Ｒに対する方向性結合器間の有効光路長が等しくなるように光導波路Ａのアーム光導波路ａの物理長よりも光導波路Ｂ’のアーム光導波路ｂ’の物理長を長くした。下記式（１１）にアーム光導波路ａとｂ’の物理長さの関係を示す。
ＬＢ＝ＬＡ＋ΔＬ        ・・・式（１１）
上記式（１１）中、ＬＡはアーム光導波路ａで薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、ＬＢはアーム光導波路ｂ’で薄膜ヒータ１５で覆われている部分の物理的長さ、ΔＬはＬＢとＬＡの差である。
【００４８】
スイッチングにオフセットが生じないように調整した式は、下記式（１２）で示すことができる。
ΔＬ＝（１−βＡ／βＢ）（ＬＡ  −ｌ＋ｃ／（２κ））  ・・・式（１２）
【００４９】
上記式（１１）に示す関係を満たすようにしたことにより、Δφ’は下記式（１０−２）で示す式に変更される。
Δφ’＝Δφ−２δ（ＬＡ−ｌ）＋βＢΔＬ    ・・・式（１０−２）
式（１０−２）中、ｌは３ｄＢ方向性結合器の結合長さである。
この式（１０−２）と式（１２）より、下記式（１３）が得られる。
Δφ’＝Δφ＋ｃ（δ／κ）            ・・・式（１３）
なお、上記式（１３）中、ｃはフィッティングパラメータであり、オフセットが０になるとき数値計算によりｃ≒１．５（但し、δ／κ＝０．５の場合）とした。
通常の導波路と異なり、異なる伝搬定数βＡ、βＢを用いることにより、物理長さを同じにしても位相差が生じ、これがオフセットの原因となるので、これをなくすために物理長さを調節したが上記式（１２）である。
【００５０】
本実施形態のＭＺＩ型光スイッチでは、２本の光導波路の伝播定数差に応じてアーム光導波路ｂ’の物理的長さをアーム光導波路ａの物理的長さより長くすることで、所定の波長の入射光Ｒに対する上記方向性結合器間の有効光路長を等しくしたので、スイッチングにオフセットが生じるのを防止することができる。
【００５１】
【実施例】
δ／κを０．０１〜０．５の範囲で変更した以外は図１乃至図３に示した第１の実施形態と同様のＭＺＩ型光スイッチを作製した。このＭＺＩ型光スイッチの３ｄＢ方向性結合器の結合器パラメータ条件は、ｑｌ＝π／４である。上記式中、ｑは有効結合定数、ｌは方向性結合器の結合長さ、πは位相シフト量である。作製したＭＺＩ型光スイッチの消光比について調べた。ここでの消光比は、第１の入力ポート２２ａから１．５５μｍの入射光を入射し、第１の出力ポートの出射パワーを測定し、位相シフトを電極電圧をに置き換えることにより調べた。
その結果を図５乃至図８に示す。
図５は、δ／κ＝０．０１としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量（ｒａｄ）と相対出力光強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
図６は、δ／κ＝０．１としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量（ｒａｄ）と相対出力光強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
図７は、δ／κ＝０．２としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量（ｒａｄ）と相対出力光強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
図８は、δ／κ＝０．５としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量（ｒａｄ）と相対出力光強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【００５２】
図５乃至図８に示した結果からδ／κ＝０．５とした比較例のＭＺＩ型光スイッチは、消光比が１４ｄＢしか得られないが、δ／κ≦０．２とした実施例のＭＺＩ型光スイッチでは、消光比が２８ｄＢ程度以上得られており、特に、δ／κ≦０．１とした実施例のＭＺＩ型光スイッチでは、消光比が４０ｄＢ程度以上得られており、従って、実用上好ましいとされる３０ｄＢ以上の消光比が得るには、δ／κ≦０．１とすることが好ましいことがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＭＺＩ型光スイッチによれば、２本の光導波路として屈折率温度係数が互いに異符号を示すものが用いられたことにより、構造の簡略化が可能で、しかも低消費電力で、スイッチング時間を短くできるＭＺＩ型光スイッチを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る第１の実施形態のＭＺＩ型光スイッチの概略構成を示す平面図。
【図２】図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
【図４】図４は、本発明に係る第２の実施形態のＭＺＩ型光スイッチの概略構成を示す平面図。
【図５】図５は、δ／κ＝０．０１のときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量と相対出力光強度の関係を示すグラフ。
【図６】図６は、δ／κ＝０．１としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量と相対出力光強度の関係を示すグラフ。
【図７】図７は、δ／κ＝０．２としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量と相対出力光強度の関係を示すグラフ。
【図８】図８は、δ／κ＝０．５としたときのＭＺＩ型光スイッチの位相シフト量と相対出力光強度の関係を示すグラフ。
【図９】従来のＭＺＩ型光スイッチの例を示す平面図。
【図１０】従来のＭＺＩ型光スイッチの他の例を示す平面図。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ…光導波路、ａ，ｂ，ｂ’…アーム光導波路、２…基板、３ａ…下部クラッド層、３ｂ…上部クラッド層、１３ａ…方向性結合器、１３ｂ…方向性結合器、１５…薄膜ヒータ（加熱手段）、１５ａ、１５ｂ…配線、２２ａ…第１の入力ポート、２２ｂ…第２の入力ポート、２２ｃ…第１の出力ポート、２２ｄ…第２の出力ポート。
【図１】
2004317870.tif 000012
【図２】
2004317870.tif 000013
【図３】
2004317870.tif 000014
【図４】
2004317870.tif 000015
【図５】
2004317870.tif 000016
【図６】
2004317870.tif 000017
【図７】
2004317870.tif 000018
【図８】
2004317870.tif 000019
【図９】
2004317870.tif 000020
【図１０】
2004317870.tif 000021