(57)【要約】【課題】挿入損失の極めて小さい光カプラースイッチを提供する。【解決手段】光カプラースイッチ１は、二つの入力ポート４及び二つの出力ポート５が接続される光カプラースイッチ部１０と、光カプラースイッチ部１０に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータ２０と、静電マイクロアクチュエータ２０の電極２２と、を含み、光カプラースイッチ部１０は、固定の第１の光導波路２と、可動の第２の光導波路３と、第１の光導波路２及び第２の光導波路３の周囲に配設されるシールド領域９と、からなり、第１の光導波路２の中央光導波路２ａと第２の光導波路３の中央光導波路３ａとの間隙が、静電マイクロアクチュエータ２０の可動部２４により変位する。挿入損失の極めて小さい光カプラースイッチが実現できる。【選択図】図１
2013178411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの入力ポート及び二つの出力ポートが接続される光カプラースイッチ部と、
上記光カプラースイッチ部に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータと、
静電マイクロアクチュエータの電極と、を含み、
上記光カプラースイッチ部は、固定の第１の光導波路と、可動の第２の光導波路と、上記第１の光導波路及び上記第２の光導波路の周囲に配設されるシールド領域とからなり、
上記第１の光導波路は、上記第２の光導波路に対向する中央光導波路と、該中央光導波路の一端に接続された第１の曲げ光導波路と、該中央光導波路の他端に接続された第２の曲げ光導波路とを有し、
上記第２の光導波路は、上記第１の光導波路の中央光導波路に対向して間隙を設けて配置された中央光導波路と、該中央光導波路の一端に接続された第３の曲げ光導波路と、該中央光導波路の他端に接続された第４の曲げ光導波路とを有し、
上記第１及び第２の光導波路は、周囲より高い誘電率を有するコアと、該コアの周囲に配設されるクラッドと、該クラッドの周囲に配設されるシールド領域とからなり、
上記シールド領域は、少なくとも上記光カプラースイッチ部に配設され、上記第１の光導波路及び第２の光導波路における上記コアと上記シールド領域との間隔を一定にし、
上記静電マイクロアクチュエータは、固定部と可動部とを有する櫛形アクチュエータからなり、かつ、該可動部は上記第２の光導波路に隣接して配設され、
上記静電マイクロアクチュエータの可動部は支持アームを備え、該支持ア−ムは上記第２の光導波路に接続されており、
上記第１の光導波路の中央光導波路と上記第２の光導波路の中央光導波路との間隙が、上記静電マイクロアクチュエータの可動部により変位する、光カプラースイッチ。
【請求項２】
前記光カプラースイッチは、Ｓｉ基板と該Ｓｉ基板上に配設されたＳｉＯ2からなる犠牲層と、該犠牲層上に配設された上層Ｓｉ層とからなるＳＯＩ基板に形成されている、請求項１に記載の光カプラースイッチ。
【請求項３】
前記コアは、Ｓｉからなる、請求項１又は２に記載の光カプラースイッチ。
【請求項４】
前記クラッドは、空気からなる、請求項１に記載の光カプラースイッチ。
【請求項５】
前記シールド領域は、パターンニングされていないＳＯＩ基板からなり、少なくとも、上記第１の光導波路の中央光導波路及び第１及び第２の曲げ光導波路の周囲の領域と、第２の光導波路と上記支持アームで囲まれる領域と、第１の光導波路の第１の曲げ導波路と第２の光導波路の第３の曲げ導波路とに挟まれる領域と、第１の光導波路の第２の曲げ導波路と第２の光導波路の第４の曲げ導波路とに挟まれる領域と、に配設される、請求項１又は２に記載の光カプラースイッチ。
【請求項６】
前記第１の光導波路の中央光導波路と、前記第２の光導波路の中央光導波路とは、平行に配設されている、請求項１に記載の光カプラースイッチ。
【請求項７】
前記光カプラースイッチ部及び前記静電マイクロアクチュエータは、前記平行な方向に対して垂直な軸方向に対称となるように配設される、請求項６に記載の光カプラースイッチ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の光カプラースイッチを単位とした少なくとも一つを用いて多段構成とし、Ｎ個（Ｎは自然数）の入力ポートとＭ個（Ｍは自然数）の出力ポートを有する、光マトリックススイッチ。
【請求項９】
請求項１〜７の何れかに記載の光カプラースイッチ構造を備える、方向性結合器。
【請求項１０】
請求項９に記載の方向性結合器を備える、パワー分割器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光カプラースイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の進展に伴い、方向性カプラーやカプラーを用いた光スイッチ等の光通信用部品の小型化が進められている。
特許文献１で開示された方向性カプラーは、二つの導波路の結合部を誘電率が温度とともに変化する誘電体材料を利用することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させるものである。この技術は、光を制御するために結合の都度、結合部全体を１００℃以上に加熱する必要があり、多くのエネルギーを消費する。
【０００３】
特許文献２で開示された光スイッチは、二つの導波路の結合部に電気光学効果を有する材料を利用することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させるものである。この技術は光を結合させるために、光波位相のタイミング調整する別回路を必要とする。
【０００４】
特許文献３で開示された導波路は、導波路の結合部にフォトニック結晶を利用することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させるものである。この技術は結合部に設けるフォトニック結晶の性質により利用できる光波長帯が限られる。
【０００５】
特許文献４で開示された光スイッチは、２本の導波路を交差させこれらの交差部に貫通部を設け、この貫通部に静電アクチュエータにて挿入と挿出ができるミラーを設け、このミラーを制御することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させている。この技術は複雑な構造をとるため、製作が困難である。
【０００６】
非特許文献１には、静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器が本発明者らにより報告されている。
図１３は、従来の非特許文献１で報告された静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器の平面図である。
図１３に示すように、方向性結合器は、２つの静電アクチュエータと、２つの静電アクチュエータで駆動される可動の光導波路と、この可動の光導波路に隙間を設けて配設された固定の光導波路と、から構成されている。可動の光導波路は、２つの静電アクチュエータに電圧を印加することにより固定の光導波路側に平行移動させる構造を有している。静電マイクロアクチュエータに印加する電圧を変えて間隙を狭くすると、固定の光導波路側の入力ポートに入力される光は、徐々に可動の光導波路の左端にある出力ポートであるドロップポートに出力される。電圧を０Ｖから２２．５Ｖまで印加したとき、ドロップポートには約５０％の光が出力された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１１１９６４号公報
【特許文献２】特開２００６−１７８２２５号公報
【特許文献３】再表２００５／０８５９２１号公報
【特許文献４】特開２００３−２２２８０６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】秋浜祐太、池田太郎、金森義明、羽根一博、「マイクロアクチュエータを用いた間隙可変シリコン導波路方向性結合器」第71回応用物理学会学術講演会、講演予稿集、16p-G-16、2010年9月16日発表
【非特許文献２】Tatsuhiko Fukazawa, Tomohisa Hirano, Fumiaki Ohno and Toshihiko Baba, "Low Loss Intersection of Si Photonic Wire Waveguides", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.2, pp.646-647, 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器は、可動導波路の間隙の変位と出力光強度は理論値とは相対変化は一致したが、ドロップポートへの出力には大きな挿入損失が生じていた。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み、挿入損失の極めて小さい光カプラースイッチを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の光カプラースイッチは、二つの入力ポート及び二つの出力ポートが接続される光カプラースイッチ部と、光カプラースイッチ部に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータと、静電マイクロアクチュエータの電極と、を含み、光カプラースイッチ部は、固定の第１の光導波路と、可動の第２の光導波路と、第１の光導波路及び第２の光導波路の周囲に配設されるシールド領域とからなり、第１の光導波路は、第２の光導波路に対向する中央光導波路と、中央光導波路の一端に接続された第１の曲げ光導波路と、中央光導波路の他端に接続された第２の曲げ光導波路とからなり、第２の光導波路は、第１の光導波路の中央光導波路に対向して間隙を設けて配置された中央光導波路と、中央光導波路の一端に接続された第３の曲げ光導波路と、中央光導波路の他端に接続された第４の曲げ光導波路とからなり、第１及び第２の光導波路は、周囲より高い誘電率を有するコアと、コアの周囲に配設されるクラッドからなり、シールド領域は、少なくとも光カプラースイッチ部に配設され、第１の光導波路及び第２の光導波路におけるコアとシールド領域との間隔を一定にし、静電マイクロアクチュエータは、固定部と可動部とからなる櫛形アクチュエータからなり、かつ、可動部は第２の光導波路に隣接して配設され、静電マイクロアクチュエータの可動部は支持アームを備えており、支持ア−ムは第２の光導波路に接続されており、第１の光導波路の中央光導波路と第２の光導波路の中央光導波路との間隙が、静電マイクロアクチュエータの可動部により変位するよう構成されている。
【００１２】
上記構成において、光カプラースイッチは、Ｓｉ基板とＳｉ基板上に配設したＳｉＯ2からなる犠牲層と、犠牲層上に配設したＳｉ層とでなるＳＯＩ基板で形成されている。
コアは、好ましくは上層Ｓｉ層からなる。クラッドは、好ましくは空気からなる。
シールド領域は、好ましくは、パターンニングされていないＳＯＩ基板からなり、少なくとも、第１の光導波路の中央光導波路及び第１及び第２の曲げ光導波路の周囲で囲まれた領域と、第２の光導波路と支持アームで囲まれる領域と、第１の光導波路の第１の曲げ導波路と第２の光導波路の第３曲げ導波路とに挟まれる領域と、第１の光導波路の第２の曲げ導波路と第２の光導波路の第４曲げ導波路とに挟まれる領域と、に配設される。
第１の光導波路の中央光導波路と、第２の光導波路の中央光導波路とは、好ましくは平行に配設されている。
光カプラースイッチ部及び静電マイクロアクチュエータは、好ましくは平行な方向に対して垂直な軸方向に称対となるように配設される。
【００１３】
本発明の光マトリックススイッチは、上記の何れかに記載の光カプラースイッチを単位とした少なくとも一つを用いて多段構成とし、Ｎ個（Ｎは自然数）の入力ポートとＭ個（Ｍは自然数）の出力ポートを有する。
【００１４】
本発明の方向性結合器は、上記の何れかに記載の光カプラースイッチ構造を備えている。本発明のパワー分割器合器は、この方向性結合器から構成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、挿入損失の極めて小さい間隙可変光カプラースイッチが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の光カプラースイッチの基本構造を示す概略図である。
【図２】図１の拡大図である。
【図３】解析におけるカプラースイッチの断面構造を示す図である。
【図４】間隙Ｇに対して（１１）式を用いて計算した結合定数を示している。
【図５】アクチュエータ変位と間隙Ｇに対して計算したスルーポートとドロップポートの光強度を示す図である。
【図６】ＦＤＴＤ法（差分時間領域法）のシミュレーション結果の一例を示し、それぞれ、（ａ）は第１スイッチ位置（Ｇ＝２６０ｎｍ）において、光カプラースイッチ部１０における光波の伝搬の光強度分布、（ｂ）は導波路中の光強度の３次元表示、（ｃ）は第１導波路から第２導波路に移った光波が再び元の導波路に戻る場合における光波の伝搬の光強度分布、（ｄ）は導波路中の光強度の３次元表示を示している。
【図７】光カプラースイッチの製造方法を、順次に示す模式的な断面図である。
【図８】製作した光カプラースイッチの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の図である。
【図９】光カプラースイッチの光強度の間隙依存性を示す図である。
【図１０】製作した比較例の光カプラースイッチの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の図である。
【図１１】比較例の光カプラースイッチの光強度の間隙依存性を示す図である。
【図１２】本発明において、多段に接続した２×２の光カプラースイッチを５段接続した２入力６出力の光マトリックススイッチのパターンを示す図である。
【図１３】従来の非特許文献１で報告された静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の光カプラースイッチ１の基本構造を示す概略図であり、図２は、図１の拡大図である。
図１に示す光カプラースイッチ１は、二つの入力ポート４及び二つの出力ポート５が接続された光カプラースイッチ部１０と、光カプラースイッチ部１０に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータ２０と、静電マイクロアクチュエータ２０の電極２２と、を含んで構成されている。光カプラースイッチ部１０は、固定の第１の光導波路２と、可動の第２の光導波路３と、第１の光導波路２及び第２の光導波路３の周囲に配設されるシールド領域９とからなる。第１の光導波路２は、第２の光導波路３の下側に配設された固定の光導波路である。第２の光導波路３は、静電マイクロアクチュエータ２０で駆動される可動の光導波路である。
【００１８】
第１の光導波路２は、第２の光導波路３に対向する中央光導波路２ａと、中央光導波路２ａの一端に接続された第１の曲げ光導波路２ｂと、中央光導波路２ａの他端に接続された第２の曲げ光導波路２ｃとからなる。第１の曲げ導波路２ｂは、第１の入力光導波路４ａを介して第１の入力ポート４ｃに接続されている。第２の曲げ導波路２ｃは、第１の出力光導波路５ａを介して第１の出力ポート５ｃに接続されている。出力ポート５ｃをスルーポートと呼ぶ。第１の光導波路２、第１の入力光導波路４ａ及び第１の出力光導波路５ａは、空気中の自立導波路で、楕円導波路ブリッジ６により基板に固定されている。楕円導波路ブリッジ６の損失は０．１ｄＢより小さいと報告されている（非特許文献３参照）。第１の入力光導波路４ａ及び第１の出力光導波路５ａは、直線光導波路や、直線光導波路と曲げ光導波路とを組み合わせた光導波路とすることができる。
【００１９】
第２の光導波路３は、第１の光導波路２の中央光導波路２ａに対向して間隙を設けて配置された中央光導波路３ａと、中央光導波路３ａの一端に接続された第３の曲げ光導波路３ｂと、中央光導波路３ａの他端に接続された第４の曲げ光導波路３ｃとからなる。第３の曲げ導波路３ｂは、第２の入力光導波路４ｂを介して第２の入力ポート４ｄに接続されている。第４の曲げ導波路３ｃは、第２の出力光導波路５ｂを介して第２出力ポート５ｄに接続されている。第２出力ポート５ｄをドロップポートと呼ぶ。第２の光導波路３は、後述する静電マイクロアクチュエータ２０の支持アーム２５に接続されている。第２の入力光導波路４ｂ及び第２の出力光導波路５ｂは、空気中の自立導波路で、所定位置で楕円導波路ブリッジ６により固定されている。第２の入力光導波路４ｂ及び第２の出力光導波路５ｂは、直線光導波路や、直線光導波路と曲げ光導波路とを組み合わせた光導波路とすることができる。
【００２０】
第１及び第２の光導波路２、３は、周囲より高い誘電率を有する材料で構成されるコア２ｄ，３ｄと、コアの周囲に配設されるクラッド２ｅ，３ｅからなる（図２参照）。コア２ｄ、３ｄとしては、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＯ2を用いることができる。クラッド２ｅ，３ｅはコア２ｄ、３ｄよりも屈折率が低い材料であればよい。クラッド２ｅ、３ｅとしては、空気、各種ガス、真空、低誘電率のガラスや樹脂等を用いることができる。
【００２１】
光カプラースイッチ部１０は、周囲より高い誘電率を有する材料で構成される２本の光導波路２、３が、同一平面内において例えば、平行又はほぼ平行に保ち、かつ、光導波路２、３間の中心線に対して対称に自立するように配置されていてもよい。光波の非対称な電磁場分布を避けるため、光導波路の２、３の形は導波路の中央線に対して対称としてもよい。つまり、図１に示すように、光カプラースイッチ部１０及び静電マイクロアクチュエータ２０は、光導波路２、３の平行な方向に対して垂直な軸方向に対称となるように配設されてもよい。
【００２２】
第１の光導波路２の伝搬損失を低減するためには、第１及び第２の曲げ光導波路２ｂ、２ｃの半径ｒは、できるだけ大きいほうが好ましい。半径ｒは、例えば５μｍ以上が好ましい。
【００２３】
第２の光導波路３の伝搬損失を低減するためには、第１の光導波路２と同様に、第３及び第４の曲げ光導波路３ｂ、３ｃの半径ｒは、できるだけ大きいほうが好ましい。半径ｒは、例えば５μｍ以上が好ましい。
【００２４】
静電マイクロアクチュエータ２０は、所謂、櫛形静電マイクロアクチュエータであり、かつ、第２の光導波路３に隣接して配設されている。静電マイクロアクチュエータ２０は、固定部２３と可動部２４とからなる。静電マイクロアクチュエータ２０は、電極２２に接続され固定部となる第１の櫛歯領域２３ａと、第１の櫛歯領域２３ａに隣接して配設された可動部２４となる第２の櫛歯領域２４ａと、可動の第２の櫛歯領域２４ａと第２の光導波路３とを接続する支持アーム２５とを含んで構成されている。図示の場合には、静電マイクロアクチュエータ２０の可動部２４は、二つの支持アーム２５を含んで構成されている。支持アーム２５の一方は、第３の曲げ光導波路３ｂに接続され、支持アーム２５の他方は、第４の曲げ光導波路３ｃに接続されている。固定の第１の櫛歯領域２３ａに接続される電極２２には、図２に示すように直流電源３２から正電圧が印加され、第２の櫛歯領域２４ａに接続される一方の電極２８が接地される（図２参照）。支持アーム２５の数は、適宜に調整可能である。
【００２５】
図２に示す示す可動の第２の櫛歯領域２４ａは、編み目状の四角形の枠２６と、枠２６の下方に接続される二つの支持アーム２５と、枠２６に接続される４つの二重曲げのバネ２７とから構成されている。二重曲げのバネ２７は、後述するＳＯＩ基板に固定されている。二つの支持アーム２５は、支持アーム２５を介して可動の第２の光導波路３の曲げ光導波路３ｂ、３ｃに接続している。支持アーム２５は、網目構造を有している。
【００２６】
シールド領域９は、少なくとも、光カプラースイッチ部１０に配設され、第１の光導波路２及び第２の光導波路３におけるコア２ｄ，３ｄとクラッド２ｅ，３ｅとの間隔を一定にするように配設されている。コア２ｄ，３ｄはＳｉからなり、クラッド２ｅ，３ｅは空気とすることができる。つまり、シールド領域９は、第１及び第２の光導波路２、３の空気クラッド２ｅ，３ｅの幅がＳｉからなるコア２ｄ，３ｄに対して一定の幅となるように設けた領域であり、後述する光カプラースイッチ１の製造方法で用いるＳＯＩ基板そのもの、つまり、上層Ｓｉ層及び犠牲層を除去しない領域である。
【００２７】
図１及び２に示すように、シールド領域９は、少なくとも、４箇所設けてあり、第１の光導波路２の中央光導波路２ａ及び第１及び第２の曲げ光導波路２ｂ、２ｃの周囲の領域と、第２の光導波路３と支持アーム２５で囲まれる領域と、第１の光導波路２の第１の曲げ導波路２ｂと第２の光導波路３の第３の曲げ導波路３ｂとに挟まれる領域と、第１の光導波路２の第２の曲げ導波路２ｃと第２の光導波路３の第４の曲げ導波路３ｃとに挟まれる領域とに配設される。
【００２８】
図１では、下記箇所に設けたシールド領域９を点線で示している。
（イ）シールド領域９ａ：第１の光導波路２の中央光導波路２ａと、中央光導波路２ａに接続される曲げ光導波路２ｂ、２ｃの周囲の点線で示す領域。
（ロ）シールド領域９ｂ：第２の光導波路３と支持アーム２５との間の略矢印（↑）状の点線で示す領域。
（ハ）シールド領域９ｃ：第１の光導波路２の左側と第２の光導波路３の左側に挟まれ、略矢印（→）状の点線で示す領域。
（ニ）シールド領域９ｄ：第１の光導波路２の右側と第２の光導波路３の右側に挟まれ、略矢印（←）状の点線で示す領域。
【００２９】
シールド領域９は、第１の光導波路２及び第２の光導波路３のコア２ｄ、３ｄとクラッド２ｅ，３ｅとの間隔を一定にするために設けている。シールド領域９は、遮蔽領域とも呼ぶことができる。このため、シールド領域９を設けることにより、光カプラースイッチ１のカップラー近傍の光導波路は、空気クラッド２ｅ，３ｅの幅がコア２ｄ、３ｄに対して一定の幅となるので、第１及び第２の光導波路２、３の損失を、著しく低減することができる。
【００３０】
本発明の光カプラースイッチ１の動作について説明する。
静電マイクロアクチュエータ２０の第２の櫛歯領域２４が静電気力にて駆動され、可動の第２の光導波路３が、第１の光導波路２側にほぼ平行移動又は平行移動し、第１の光導波路２の中央光導波路２ａと第２の光導波路３の中央光導波路３ａとの間の間隙（Ｇ）が変化する。つまり、静電マイクロアクチュエータ２０に電圧を加えることで、第２の光導波路３の中央光導波路３ａは間隙を小さくするようにほぼ平行移動又は平行移動し、第１の光導波路２と第２の光導波路３との間の結合を強くできる。この際に生じる第１の光導波路２の中央光導波路２ａと第２の中央光導波路３ａとの間の電磁波結合作用により、本発明の光カプラースイッチ１は、光スイッチの動作をする。つまり、光カプラースイッチ１の入力ポート４ｃに入力される入力光は、静電マイクロアクチュエータ２０に電圧を印加しないときには、第１の光導波路のスルーポート５ｃに出力される。静電マイクロアクチュエータ２０に徐々に電圧を印加して静電マイクロアクチュエータの変位量が大きくなると、第１の光導波路のスルーポート５ｃに出力される光が減少し、減少した光は第２の光導波路３を介してドロップポート５ｄに出力される。静電マイクロアクチュエータ２０に十分に電圧を印加し、間隙を狭くすると、入力ポート４ｃに入力される入力光は、第１の出力光導波路５ａのスルーポート５ｃに出力されずに、第１の出力光導波路５ａのドロップポート５ｄに出力されるようになる。
【００３１】
本発明の導波路カプラースイッチ１の特性を解析するため、理論的モデルにより考察を行った。
導波路は矩形導波路で、基本的な導波路であるので、導波路カプラーの研究の初期より解析が行われて来た。二つの平行結合導波路の一般的な表現において、結合定数は下記（１）式により与えられる。以下の解析では、光導波路を単に導波路と呼ぶ。
【数１】
2013178411.tif 000003
ここで、一般にはｐモードの光波が第１導波路を伝搬しており、ｑモードの光波が第２導波路を伝搬していると考え、Ｅ1p、Ｅ2q、Ｈ1p、Ｈ2qをそれぞれのモードの電場と磁場を表すとする。Ｎ（ｘ，ｙ）は２つの導波路が存在するときの断面屈折率分布を表す関数である。Ｎ2（ｘ，ｙ）は第２の導波路のみが存在する場合の断面屈折率分布を表す。その他の係数は一般の導波路解析で用いられる定義と同様であり、導波方向はｚ軸方向である。
【００３２】
図３は、解析におけるカプラースイッチの断面構造を示す図である。図３において、導波路１は、図１の第１の光導波路２に対応し、導波路２は、図１の第２の光導波路３に対応している。
図３に示すように、本発明のカプラースイッチ１において、導波路は矩形で例えば空気中に自立している。導波路は幅２ａで厚さ２ｄである。二つの導波路の間の中心間の距離をＤ、導波路の側面間の距離をＧとする。静電マイクロアクチュエータ２０によりＧとＤの値が変えられると仮定する。したがって、本発明の光カプラースイッチ１の特性は、間隙Ｇをパラメータとした矩形断面導波路の結合係数を求めることで、特性が評価できる。
【００３３】
（１）式の分子の積分は、導波路１の領域だけで零でない値を持つので、この領域の２つの導波路の電場の掛け算（Ｅ1p×Ｅ2q）を積分する。電場として、最も低次のＴＥモードを仮定してＥxとＨyのみが主要で他の成分は無視できると仮定し、（１）式を簡単化すると、下記（２）式が得られる。
【数２】
2013178411.tif 000004
【００３４】
導波路における電磁波を解析的に求めるため、実際にはＴＥＭモードではないが、簡単のためにこれまで用いられている基本的な近似を用いた。一般には導波路とクラッド部の屈折率差が小さいと仮定して、解析解が求められる。Ｓｉの自立導波路では、この仮定は成り立たないが、解析解を得て、導波路からなる光カプラースイッチ１の定性的な傾向を得るために、この仮定のままで解析を試みた。具体的な定量的解析には、厳密電磁界解析のソフトウエアを利用し、設計を行っている。（２）式の積分を評価するため、最低次モードの磁場成分としてＴＥモード近似において、下記に示す（３）式を用いた。
【００３５】
【数３】
2013178411.tif 000005
【００３６】
（３）式において、波数間の関係は下記（４）式、最低次モードの分散は下記（５）式を用いた。
【数４】
2013178411.tif 000006
【数５】
2013178411.tif 000007
【００３７】
これらの関係式を用いて、導波路結合定数は、下記（６）式で表される。
【数６】
2013178411.tif 000008
ここで、Ｇは導波路間隙である。Δは下記（７）式、νは下記（８）式で与えられる。
【数７】
2013178411.tif 000009
【数８】
2013178411.tif 000010
【００３８】
スルーポート５ｃにおける導波路１の透過光および、ドロップポート５ｄにおける導波路２の出力光の強度は、下記（９）式で求めた。
【数９】
2013178411.tif 000011
ここで、Ｌzは結合長である。カプラー長の増加により、出力の光強度は正弦波的に変化する。同様に、Ｇの変化に対して、強度は振動的に変化することが（９）式より分かる。
【００３９】
本発明のスイッチでは、導波路が空間に浮いているので、高さ方向（ｙ方向）に製作誤差等による２つの導波路の高低差が生じる可能性がある。高さ方向の導波路のわずかな高低差を図３に示すようにｓとし、高低差の影響を粗い近似により評価した。領域(1)のＥ1xとＥ2xの積分はｙ方向にシフトしたＥ2xで置き換えて評価した。これによりわずかなシフトｓに対して、下記（１０）式に示す係数Ｆ（ｓ）を得た。
【数１０】
2013178411.tif 000012
【００４０】
従って、この係数を結合定数にかけて、わずかな高さ誤差ｓの影響を取り入れて、下記（１１）式に示す結合定数χを求めた。
【数１１】
2013178411.tif 000013
【００４１】
本発明では、導波路を単一モードとなるように設計し、導波路の幅を４００ｎｍ、高さを２６０ｎｍとした。また、導波路を構成する材料はＳｉとし、屈折率は１．５μｍの波長において３．４７を用いた。他の定数としてΔ＝０．４６、ａ＝２００ｎｍ、ｋx＝７．６×１０6ｍ-1、γx＝１．１×１０7ｍ-1、ν＝２．７、ｋy＝８．１×１０6ｍ-1、γy＝１．１×１０7ｍ-1を用いた。
【００４２】
図４は、間隙（Ｇ）に対して（１１）式を用いて計算した結合定数を示している。図４に示すように、結合定数はＧの増加とともに低下し、１０００ｎｍの間隙において１０-5μｍ-1と十分小さい値となるので、スイッチがオフの状態としてこの間隙を用いることとした。図４では、高さ誤差ｓに対する正規化した結合定数の変化を示している。計算は粗いが、３０ｎｍの誤差に対して１０％程度の結合定数の変化であることが示された。
【００４３】
図５は、静電マイクロアクチュエータ２０の変位と間隙（Ｇ）に対して計算したスルーポート５ｃとドロップポート５ｄの光強度を示す図である。
図５は、（９）式を用いて１０μmの結合長の導波路を仮定して間隙（Ｇ）の関数として計算した光カプラースイッチ１のスルーポート５ｃとドロップポート５ｄの規格化した光強度である。間隙Ｇの変化に対して、スルーポート５ｃの強度は振動的に変化し、ドロップポート５ｄの強度は位相が反転しているが、同様に振動的に変化する。この計算結果より、スイッチ位置として２か所が存在することが分かった。
一つは静電マイクロアクチュエータ２０の変位が８７０ｎｍで間隙Ｇが１２０ｎｍ程度における点（第１スイッチ位置）であり、もう一つは９７０ｎｍの変位で間隙Ｇが３０ｎｍの点（第２のスイッチ位置）である。
【００４４】
従って、二つのスイッチ位置を利用した光カプラースイッチ１においては、第１のスイッチ位置の場合、静電マイクロアクチュエータ２０に静止位置より８７０ｎｍの変位を発生させることでスイッチできる。第２のスイッチ位置の場合は、第１スイッチ位置から第２スイッチ位置まで約９０ｎｍの変位を静電マイクロアクチュエータ２０により発生させればよいことが分かる。
【００４５】
本発明の光カプラースイッチ１のスルーポート５ｃとドロップポート５ｄの光強度の波長依存性を第１スイッチ位置において計算した。最大の消光比が１．５５μｍになるように設計する場合、３０ｄＢの消光比が得られる範囲は約２０ｎｍの波長範囲となり、消光比が２０ｄＢの場合は６０ｎｍの波長範囲となる。光カプラースイッチ部１０における第１の光導波路と第２の光導波路３とからなるカプラーの間隙をそれぞれの波長に対して最適化すれば、それぞれの波長で最大消光比が得られる。
【００４６】
本発明の光カプラースイッチ１の特性は上に述べたように、解析解により定性的に求められたが、スイッチ特性を厳密電磁界を用いるソフトウエアを用いて求めた。具体的には、ＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain Method、差分時間領域法とも呼ばれる。）のソフトウエアを用いてモードプロファイルと結合状態を確認した。
【００４７】
図６は、ＦＤＴＤ法（差分時間領域法）のシミュレーション結果の一例を示し、それぞれ、（ａ）は第１スイッチ位置（Ｇ＝２６０ｎｍ）において、光カプラースイッチ部１０における光波の伝搬の光強度分布、（ｂ）は導波路中の光強度の３次元表示、（ｃ）は第１導波路から第２導波路に移った光波が再び元の導波路に戻る場合における光波の伝搬の光強度分、（ｄ）は導波路中の光強度の３次元表示を示している。
図６（ａ）に示すように、１．５５μｍの波長において、入力の光波は導波路１から導波路２に損失なく、伝搬していることが分かる。第１スイッチ位置における間隙Ｇの値は、解析解で得られた値より幾分大きいことが分かる。
図６（ｂ）に示すように、導波路の曲げ領域においても光損失はほとんど見られない。
【００４８】
図６（ｃ）に示すように、間隙（Ｇ）をさらに小さくし、１５０ｎｍにすると導波路の結合が強くなり、第１導波路から第２導波路に移った光波が再び元の導波路に戻る。
【００４９】
上記シミュレーション結果によれば、本発明の光カプラースイッチ１の導波路が平行になっている部分の長さを１０μｍとし、光カプラースイッチ１がオン状態のための間隙範囲を１００ｎｍから３００ｎｍとするように設計することとした。
上記シミュレーション結果によれば、可動領域のスイッチ位置等の特性値は解析解と幾分異なるが、シミュレーションと解析解により、本発明の光カプラースイッチ１の特性が説明できることを示した。
【００５０】
（光カプラースイッチ１の製造方法）
本発明の光カプラースイッチ１は、半導体を用いたマイクロマシンの製造技術により製作することができる。以下の説明では、第１及び第２の光導波路２、３と静電マイクロアクチュエータ２０の材料はＳｉであるとして説明する。
図７は、光カプラースイッチ１の製造方法を、順次に示す模式的な断面図である。
図７（Ａ）に示すように、光カプラースイッチ１の基板として、ＳＯＩ構造を有するＳＯＩ基板４０を用いる。ＳＯＩ基板４０においては、Ｓｉ基板４１上にＳｉＯ2から成る犠牲層４２と上層Ｓｉ層４３が順に層されている。具体的には、例えば、厚さが６２５μｍのシリコン基板４１の表面に、厚さ２μｍのＳｉＯ2から成る犠牲層４２を介して、厚さ２６０ｎｍの上層Ｓｉ層４３が形成されている。
次に、図７（Ｂ）に示すように、この第１の基板の表面に、レジスト層４４を形成する。
レジスト層４４を形成した後、図７（Ｃ）に示すように、電子ビーム露光を行い、マスクパターンを形成する。そして、図７（Ｄ）に示すように、マスクパターンが形成されていない開口部に露出した上層Ｓｉ層４３を、犠牲層４２に達するまでエッチングする。これにより、第１及び第２の光導波路２、３、静電マイクロアクチュエータ２０が形成される。
続いて、図７（Ｅ）に示すように、レジスト層４４を除去し、図示しない静電マイクロアクチュエータ２０の電極２２を形成する。電極としては、例えばｐ型の上層Ｓｉ層４３を使用することができる。
その後、図７（Ｆ）に示すように、ＳＯＩ基板４０に多数形成した光カプラースイッチ１を、ダイシングして個別のチップとする。
最後に、図７（Ｇ）に示すように、例えば気相フッ酸等により、犠牲層４２の領域を除去する。これにより、第１及び第２の光導波路２、３のコア２ｄ、３ｄとなる上層Ｓｉ層４３は、シリコン基板４１から解放され、浮いた状態で、楕円導波路ブリッジ６により支持された状態となる。同様に、静電マイクロアクチュエータ２０の駆動部となる上層Ｓｉ層４３は、シリコン基板４１から解放され、浮いた状態で、二重曲げのバネ２７によりＳＯＩ基板４０に支持された状態となる。
以上で、光カプラースイッチ１が作製される。
【００５１】
（２ｘ２の光カプラースイッチの設計）
上記理論解析に基づいて、２ｘ２の光カプラースイッチ１を設計した。図２に示すように、本発明の光カプラースイッチ１のマスクパターンでは、カプラーの相互作用を得るための領域として、中央光導波路２ａの平行な導波路長さは１０μｍとした。間隙は１０００ｎｍから２０ｎｍまで静電マイクロアクチュエータ２０により変化できるように設計した。
【００５２】
第１及び第２の光導波路２、３の厚さは、２６０ｎｍであり、幅が４００ｎｍである。何れの曲げ導波路２ｂ、２ｃ、３ｂ，３ｄの半径は６μｍである。第２の光導波路３の自立導波路は、１．３μｍ幅で８．０μｍの長さの楕円導波路ブリッジ６によりＳＯＩ基板４０に固定されている。この楕円導波路ブリッジ６は、第２の光導波路３と静電マイクロアクチュエータ２０の支持アーム２５を０．２μｍ幅で１．６μｍ長さのシリコンビームにより結合している。二つの楕円導波路ブリッジ６の間の距離は５２μｍである。支持アーム２５の内側の三角領域には、網目構造がパターニングされているが、電子ビームの近接効果による不均一ドーズを避けるためのフィラー構造を有している。フィラー構造は、ＳｉＯ2のエッチング後にＳｉ基板４１上に落下するように設計されている。第１の固定の光導波路２も自立しているが、楕円導波路ブリッジ６により基板に固定されている。
【００５３】
静電マイクロアクチュエータ２０は２０本の櫛歯で構成されている。個々の櫛歯は１．７３μｍ長さで２００ｎｍ幅である。静電マイクロアクチュエータ２０の二重曲げばね２７は、幅が２００ｎｍで長さが１５μｍである。静電マイクロアクチュエータ２０の全ばね定数は０．３１５Ｎ／ｍである。
【００５４】
静電マイクロアクチュエータ２０の発生力は理論的に推定でき、印加電圧が２３Ｖにおいて０．３２μＮである。上層Ｓｉ層４３において分離された二つの領域に電圧をかけている。
【００５５】
なお、光カプラースイッチ１において浮いた状態にされる箇所は、上層Ｓｉ層４３がエッチングされ、次に犠牲層４２もエッチングされる領域である。この光カプラースイッチ１においては、出力光導波路５ａ、５ｂの先端は尖った形状にし、観測用の光を放射し、該導波路の反射光を減らすように設計した。
【００５６】
（マトリクススイッチ）
本発明の光カプラースイッチ１は２ｘ２のスイッチとして動作するので、これらを並列や直列に接続することで、マトリクススイッチを実現できる。例えば、本発明の２ｘ２の光カプラースイッチ１を単位とした少なくとも一つを用いて多段構成とすれば、Ｎ個(Ｎは自然数)の入力ポートとＭ個(Ｍは自然数)の出力ポートを有する光マトリックススイッチが実現できる。
【００５７】
（方向性結合器）
本発明の光カプラースイッチ１は、静電マイクロアクチュエータ２０に印加する直流電圧を変えると消光比を変えることができ、方向性結合器として使用できる。
【００５８】
（方向性結合器を備えたパワー分割器）
本発明の光カプラースイッチ１は、静電マイクロアクチュエータ２０に印加する直流電圧を変えると消光比を変えることができ、入力ポート４ｃからスルーポート５ｃ及びドロップポート５ｄに入力される電力を分割できるので、方向性結合器を備えたパワー分割器として使用できる。
【実施例１】
【００５９】
（光カプラースイッチの製作）
設計した２ｘ２の光カプラースイッチ１を、図７で説明した製造方法で作製した。
図８は、製作した光カプラースイッチ１の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。自立したシリコン導波路がよく製作されている。可動導波路３は静電マイクロアクチュエータ２０に接続され、静電マイクロアクチュエータ２０の可動部２４もＳｉからなる二重曲げのばね２７により支えられていることが分かる。
【００６０】
光カプラースイッチ１の各光導波路２、３の間隙は設計値より１００ｎｍ程度大きく、光導波路の幅は設計値より５％ほど狭い。光導波路２、３の側面粗さは走査型電子顕微鏡の写真から推定すると１５ｎｍより少ない。
【００６１】
製作した光カプラースイッチ１の特性測定には１．５μｍ帯の波長可変レーザを用いた。入力ポート４ｃへの光の結合には、レンズ付き単一モード導波路を用いた。作製した光カプラースイッチ１のドロップポート５ｄ又はスルーポート５ｃから放射される出力光のスポット像を、赤外ＣＣＤイメージセンサにより観測し、出力光の相対強度を導出した。スルーポート５ｃ又はドロップポート５ｄから放射される光出力強度は、可動の第２の光導波路３の移動距離、すなわち静電マイクロアクチュエータ２０に加える電圧を変えて測定した。光源のレーザパワーは８０μＷで波長は１．５５μｍである。静電マイクロアクチュエータ２０に印加する電圧は、移動量つまり変位量が０ｎｍから１１００ｎｍに相当する０Ｖから３０．５Ｖまで変えた。
【００６２】
次に、製作した光カプラースイッチ１の光強度の間隙依存性について説明する。
図９は、実施例１の光カプラースイッチ１の光強度の間隙依存性を示す図である。電圧印加前の間隙（Ｇ）は１０００ｎｍであり、第１及び第２の光導波路２、３間の結合は無視できるほど小さい。可動の第２の光導波路３の移動距離が９５０ｎｍであるとき、スルーポート５ｃの光強度は極小になり、ドロップポート５ｄの光出力強度は極大となる。この条件はスイッチ位置と判断でき、光導波路間隙は５０ｎｍ、印加電圧は２８．７Ｖであった。実施例１で得た最大の消光比は、前述のスイッチ点で得られた３６ｄＢであった。
【００６３】
実施例１の光カプラースイッチ１の応答周波数を静電マイクロアクチュエータ２０の共振周波数より推定した。静電マイクロアクチュエータ２０の共振周波数は約１５０ＫＨｚであったので、スイッチ時間は数１０μ秒と推定される。
【００６４】
（比較例）
実施例１に対してシールド領域９ａ、９ｂ，９ｃ，９ｄを設けていない光カプラースイッチを比較例として、実施例１と同様に作製した。
図１０は、製作した比較例の光カプラースイッチの走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ）である。実施例１の光カプラースイッチ１に設けたシールド領域９ａ、９ｂ，９ｃ，９ｄが形成されていないことが分かる。
【００６５】
図１１は、比較例の光カプラースイッチの光強度の間隙依存性を示す図である。図１１に示すように、比較例の光カプラースイッチにおいても、逆位相を持った振動する光出力強度がスルーポート５ｃとドロップポート５ｄにおいて得られた。可動導波路の移動量が約７６０ｎｍすなわち、導波路の間隙が約２４０ｎｍの第１スイッチ位置において、消光比は７．１ｄＢであった。
【００６６】
上記実施例１及び比較例によれば、本発明の光カプラースイッチ１は挿入損失の極めて小さいことが分かった。これにより、本発明の光カプラースイッチ１は、高速で、かつ、１ｎＷ以下の低消費電力で動作し、ＭＥＭＳの製造方法で作製できるので低コストである。
【実施例２】
【００６７】
（光マトリックススイッチ）
実施例１の２×２光カプラースイッチ１を多段接続した光マトリックススイッチ５０を作製した。
図１２は、多段に接続した２×２光カプラースイッチ１を５段接続した２入力６出力の光マトリックススイッチ５０のパターンを示す図である。
図１２に示すように、光マトリックススイッチ５０は、上側に配設される３個の２×２光カプラースイッチ１と、下側に配設される２個の２×２光カプラースイッチ１とから構成されている。図示するように、上側に配設される３個の２×２光カプラースイッチ１にそれぞれ、２１Ｖ、２１．８Ｖ、２３Ｖを印加すると、入力光５１が、上側の左に配設された２×２光カプラースイッチ１のドロップポート５５に出力される。出力したスポットの光出力強度の値から、２×２光カプラースイッチ１の挿入損失の大まかな値を求めると１ｄＢから２．５ｄＢ程度となった。
【００６８】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、第１及び第２の光導波路の曲げ光導波路の半径や、シールド領域９の形状等は使用する光の波長に応じて、光カプラースイッチ１の挿入損失が低減するように適宜に設計することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：光カプラースイッチ
２：第１の光導波路
２ａ：中央光導波路
２ｂ、２ｃ：曲げ光導波路
２ｄ：コア
２ｅ：クラッド
３：第２の光導波路
３ａ：中央光導波路
３ｂ、３ｃ：曲げ光導波路
３ｄ：コア
３ｅ：クラッド
４：入力ポート
４ａ，４ｂ：入力光導波路
５：出力ポート
５ａ，５ｂ：出力光導波路
５ｃ：スルーポート
５ｄ：ドロップポート
６：楕円導波路ブリッジ
９：シールド領域
１０：光カプラースイッチ部
２０：静電マイクロアクチュエータ
２２、２８：電極
２３：固定部
２３ａ：第１の櫛歯領域
２４ａ：第２の櫛歯領域
２４：可動部
２５：支持アーム
２６:枠
２７：二重曲げのバネ
３２：直流電源
４０：ＳＯＩ基板
４１：シリコン基板
４２：犠牲層
４３：上層Ｓｉ層
５０：マトリクススイッチ
５１：入力光
５５：ドロップポート
【図３】
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【図１】
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【図２】
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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】
2013178411.tif 000022
【図１０】
2013178411.tif 000023
【図１１】
2013178411.tif 000024
【図１２】
2013178411.tif 000025
【図１３】
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