(57)【要約】      （修正有）【課題】低消費電力化を図るとともに、作製工程が簡易化された光スイッチを提供する。【解決手段】複数の入出力導波路１０１と、複数の入出力導波路１０１を一端に接続したスターカプラ１０２と、スターカプラ１０２の他端に接続されたアレイ導波路１０３と、アレイ導波路１０３の各導波路の一部に形成されたヒータ１０５からなる位相シフタと、アレイ導波路１０３のスターカプラ１０２が接続されていない端部に設けられた反射回路１０７とを含む光スイッチにおいて、アレイ導波路１０３の各導波路のうち位相シフタが形成されている部分から反射回路１０７までの第１の導波路と、反射回路１０７とは、シリコン光導波路で形成されている。【選択図】図３
2016057341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入出力導波路と、該複数の入出力導波路を一端に接続したスターカプラと、該スターカプラの他端に接続されたアレイ導波路と、該アレイ導波路の各導波路の一部に形成された位相シフタと、前記アレイ導波路の前記スターカプラが接続されていない端部に設けられた反射回路とを含む光スイッチにおいて、
前記アレイ導波路の各導波路のうち前記位相シフタが形成されている部分から前記反射回路までの第１の導波路と、前記反射回路とは、シリコン光導波路で形成されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記入出力導波路と、前記スターカプラと、前記アレイ導波路の各導波路のうち前記第１の導波路を除く第２の導波路は、石英系光導波路で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記入出力導波路と、前記スターカプラと、前記アレイ導波路の各導波路のうち前記第１の導波路を除く第２の導波路は、シリコン光導波路で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記アレイ導波路の各導波路は、前記スターカプラの他端から放射状に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記アレイ導波路の各導波路は、前記スターカプラの他端から前記反射回路までの長さが等しいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記アレイ導波路の各導波路は、前記スターカプラの他端から前記反射回路までの長さが、それぞれ隣接する導波路に対して等しい経路長差を有し、
前記複数の入出力導波路のうち、任意の入出力導波路が入力導波路として選択されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記アレイ導波路の各導波路の全ての位相シフタが動作していない状態において、前記複数の入出力導波路のうち入力導波路として選択されたた導波路から入射した光が、前記複数の入出力導波路のどの導波路にも結合しないことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記光反射回路は、シリコン光導波路を形成する導波路コアと、導波路コアが形成されていない間隙とが一定間隔で交互に並べられたグレーティング回路から構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチに関し、より詳細には、位相シフタアレイによる干渉型光スイッチであり、主としてシリコン光導波路で形成された平面光波回路からなる光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークにおいて、光スイッチは、信号光の方路を切り替える機能を有する基本的な要素回路である。最も単純な光スイッチは、２つの出力方路のうちの１つを選択する１×２光スイッチである。光通信ネットワークの高度化・複雑化に伴い、より規模の大きい１×Ｎ（Ｎ＞２）光スイッチの要求も高まってきている。
【０００３】
１×Ｎ光スイッチは、１×２光スイッチを複数組み合わせることにより実現できるが、Ｎがある程度大きい規模になると、回路サイズの増大が課題となる。そのため、Ｎが大きくても比較的小型に１×Ｎ光スイッチを構成できる、位相シフタアレイによる干渉型光スイッチが提案されている。
【０００４】
図１に、従来の位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す。干渉型光スイッチは、入力導波路９１０１に接続された、スラブ導波路により形成されたスターカプラ９１０２と、出力導波路９１０７に接続されたスターカプラ９１０６と、スターカプラ９１０２とスターカプラ９１０６との間に挿入されたアレイ導波路９１０３とを備えている。アレイ導波路９１０３の個々の導波路には、導波路を加熱するためのヒータ９１０４が設けられており、個々の導波路の間には、導波路の加熱効率を上げるための断熱溝９１０５が形成されている。
【０００５】
入力導波路９１０１から入力した光波は、スターカプラ９１０２においてアレイ導波路９１０３の各々の導波路に分岐される。ヒータ９１０４によって加熱することにより、アレイ導波路９１０３の各導波路の屈折率が個別に調整され、アレイ導波路９１０３を通過する光波の間に位相差が付与される。アレイ導波路９１０３を通過した光波は、スターカプラ９１０６で再び合波される。このとき、光波の位相が揃う方向に設けられた出力導波路９１０７のうちの１の導波路のみに光波が出力される。ヒータ９１０４への電力印加量を変えて位相差を調整することにより、出力される導波路を切り替えることができ、１×Ｎ光スイッチとして機能する。
【０００６】
このような光スイッチを動作させるには、ヒータを加熱するために電力が消費される。光スイッチの消費電力量は、導波路材料の熱光学定数、すなわち温度変化に対する屈折率変化が大きいほど、小さくなる関係にある。平面光波回路は、従来、伝搬損失など導波路の基本特性に優れた石英導波路が用いられてきたが、近年は、シリコン光導波路の検討も進められている。シリコン光導波路は、石英の約２０倍の熱光学定数を有し、光スイッチの低消費電力化が可能だが、伝搬損失などの光学特性では石英に及ばないのが現状である（全ての導波路をシリコン光導波路で作製した、位相シフタアレイによる干渉型光スイッチが、非特許許文献１に開示されている）。
【０００７】
そこで、ヒータで加熱を行う導波路近傍のみをシリコン光導波路で作製し、他の部位は石英導波路で作製することにより、低消費電力性と良好な光学特性を両立させる試みもある（例えば、非特許文献２参照）。また、低消費電力化の別の手法として、ヒータによって加熱される導波路を折り返して配置することにより、加熱される導波路の実効的な経路長を増やすことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図２に、従来の低消費電力化手法を用いた干渉型光スイッチの構成を示す（例えば、特許文献２参照）。干渉型光スイッチは、入出力導波路９２０１に接続された、スラブ導波路により形成されたスターカプラ９２０２と、スターカプラ９２０２と平面光波回路の端部９２０６との間に挿入されたアレイ導波路９２０３とを備えている。アレイ導波路９２０３の個々の導波路には、導波路を加熱するためのヒータ９２０４が設けられており、個々の導波路の間には、導波路の加熱効率を上げるための断熱溝９２０５が形成されている。また、平面光波回路の端部９２０６におけるアレイ導波路９２０３の出力端の先には、光反射膜９２０７が設けられている。
【０００９】
入出力導波路９２０１から入力した光波は、スターカプラ９２０２においてアレイ導波路９２０３の各々の導波路に分岐され、端部９２０６から空間へと出射されるが、光反射膜９２０７で反射されて、再びアレイ導波路９２０３に入射される。ヒータ９２０４によって加熱することにより、アレイ導波路９２０３の各導波路の屈折率が個別に調整され、アレイ導波路９２０３を通過する光波の間に位相差が付与される。光反射膜９２０７で反射した光波は、スターカプラ９２０２で再び合波される。このとき、光波の位相が揃う方向に設けられた入出力導波路９２０１のうちの１の導波路のみに光波が出力される。ヒータ９２０４への電力印加量を変えて位相差を調整することにより、出力される導波路を切り替えることができ、１×Ｎ光スイッチとして機能する。光波は、加熱されたアレイ導波路９２０３を２回通過するため、図１の光スイッチに比べて、低消費電力で出力導波路を切り替えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−３４４２号公報
【特許文献２】特開平８−１２２８３２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】C. Chen et al, “Demonstration of 1×8 silicon photonic switch based on optical phased array”, OECC/PS 2013, ThM1-5, (2013)
【非特許文献２】S. Katayose et al, “Silicon-Silica Hybrid Thermo-Optic Switch using Multi-Chip Integration Technique”, OECC/PS 2013, ThL3-3, (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、図２に記載された光スイッチは、低消費電力の面で優れているが、平面光波回路のチップの外部に光反射膜を設けるため、作製工程が複雑になり、作製時間が増大するという問題があった。
【００１３】
また、位相シフタアレイによる干渉型光スイッチにおいては、加熱するアレイ導波路の各導波路間の熱クロストークを抑制するため、各導波路の間隔をある程度あけておく必要があった。このため、スターカプラ９１０２，９２０２からヒータ９１０４，９２０４に至るまでのアレイ導波路と、ヒータ９１０４からスターカプラ９１０６に至るアレイ導波路とは、導波路間隔を所望の値以上にするために、ある程度の長さが必要であった。従って、導波路の長さが長くなる傾向にあり、平面光波回路の大型化、作製誤差によるアレイ導波路間の（ヒータを加熱しないときの）位相誤差を招くという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、低消費電力化を図るとともに、作製工程が簡易化された光スイッチを提供することにある。また、アレイ導波路の各導波路間の熱クロストークを抑制したまま、小型で、作製誤差の影響を受けにくい、光スイッチを提供することにある。
【００１５】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、複数の入出力導波路と、該複数の入出力導波路を一端に接続したスターカプラと、該スターカプラの他端に接続されたアレイ導波路と、該アレイ導波路の各導波路の一部に形成された位相シフタと、前記アレイ導波路の前記スターカプラが接続されていない端部に設けられた反射回路とを含む光スイッチにおいて、前記アレイ導波路の各導波路のうち前記位相シフタが形成されている部分から前記反射回路までの第１の導波路と、前記反射回路とは、シリコン光導波路で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
前記入出力導波路と、前記スターカプラと、前記アレイ導波路の各導波路のうち前記第１の導波路を除く第２の導波路は、石英系光導波路で形成することができる。
【００１７】
前記入出力導波路と、前記スターカプラと、前記アレイ導波路の各導波路のうち前記第１の導波路を除く第２の導波路は、シリコン光導波路で形成することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来の光スイッチと同様の機能を実現するとともに、光波が、加熱されたアレイ導波路を２回通過するため、低消費電力で出力導波路を切り替えることができる。また、アレイ導波路における反射回路を、シリコン光導波路で形成して集積しているために、平面光波回路のチップの外部に光反射膜を設ける必要が無く、作製工程を簡易化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す図である。
【図２】従来の低消費電力化手法を用いた干渉型光スイッチの構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す図である。
【図４】図３における線分Ａ−Ａ’の断面を示す図である。
【図５】図３における部分Ｂの拡大図である。
【図６】図５における線分Ｄ−Ｄ’の断面を示す図である。
【図７】図３における線分Ｃ−Ｃ’の断面を示す図である。
【図８】干渉型光スイッチの反射回路の構成を示す図である。
【図９】干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す図である。
【図１０】干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す図である。
【図１１】シャットダウン機能付き干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す図である。
【図１２】シャットダウン機能付き干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す図である。
【図１４】図１３における線分Ｆ−Ｆ’の断面を示す図である。
【図１５】干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す図である。
【図１７】図１６における線分Ｇ−Ｇ’の断面を示す図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す図である。
【図１９】干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す図である。
【図２０】干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す図である。
【図２１】低消費電力化された干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す図である。
【図２２】低消費電力化された干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
［第１の実施形態］
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す。干渉型光スイッチは、入出力導波路１０１に接続された、スラブ導波路により形成されたスターカプラ１０２と、スターカプラ１０２に接続された石英系−アレイ導波路１０３とを備え、それぞれ石英系光導波路で作製されている。石英系−アレイ導波路１０３の各導波路の端部には、シリコン光導波路で形成されたアレイ導波路１０４の各導波路が接続されている。ここで、石英系−アレイ導波路１０３の各導波路は、すべて等長であり、シリコン−アレイ導波路１０４の各導波路も、すべて等長になるように設計されている。
【００２２】
シリコン−アレイ導波路１０４の個々の導波路の一部に、導波路を加熱するためのヒータ１０５が設けられており、個々の導波路の間には、導波路の加熱効率を上げるための断熱溝１０６が形成されている。また、シリコン−アレイ導波路１０４の端部には、反射回路１０７が設けられている。第１の実施形態では、入出力導波路１０１とスターカプラ１０２とを石英系光導波路で作製し、アレイ導波路のうち位相シフタ１０５が形成されている部分から反射回路１０７までの導波路をシリコン−アレイ導波路１０４により一体的に形成し、アレイ導波路のうち残りの部分を石英系−アレイ導波路１０３により形成している。
【００２３】
第１の実施形態では、アレイ導波路の本数は２４本であり、シリコン−アレイ導波路１０４の各導波路の間隔は１００μｍに設定されている。この間隔を実現するために、石英系−アレイ導波路１０３の各導波路の長さは約３４００μｍである。
【００２４】
図４に、図３における線分Ａ−Ａ’の断面を示す。シリコン基板２０１の上に、石英ガラスからなる下部クラッド２０２と上部クラッド２０３とが形成されており、この中に導波路コア２０４が埋め込まれて、石英系−アレイ導波路１０３が構成されている。導波路コア２０４のサイズは３μｍ×３μｍ、コアとクラッドの比屈折率差は３％である。下部クラッド２０１と上部クラッド２０３の厚みは任意であるが、それぞれ導波路コア２０４と同等以上の厚みが好ましい。
【００２５】
図５に、図３における部分Ｂ、すなわち石英−アレイ導波路１０３とシリコン−アレイ導波路１０４の接続部分の拡大図を示す。石英−アレイ導波路１０３とシリコン−アレイ導波路１０４との境界線３０３の左側が石英−アレイ導波路１０３であり、上部クラッド２０３に挟まれた導波路コア２０４が形成されている。境界線３０３の右側がシリコン−アレイ導波路１０４であり、導波路コア２０４につながる石英ガラス３０２が、ここでは上部クラッドの役割を果たし、上部クラッド３０２に挟まれたシリコン導波路コア３０４が形成されている。シリコンのテーパ導波３０１は、シリコン導波路コア３０４に接続され、境界線３０３から石英−アレイ導波路１０３の導波路コア２０４に内包されるように形成されている。
【００２６】
図６に、図５における線分Ｄ−Ｄ’の断面を示す。シリコン基板２０１の上に、石英ガラスからなる下部クラッド２０２と上部クラッド２０３とが形成されており、この中に導波路コア２０４が埋め込まれて、石英系−アレイ導波路１０３が構成されている。さらに、導波路コア２０４には、テーパ導波３０１が内包されている。テーパ導波路３０１の長さは境界線３０３から先端まで２００μｍ、先端の幅は０．１５μｍ、シリコン導波路コア３０４の幅は０．５μｍである。テーパ導波３０１およびシリコン導波路コア３０４の厚さは０．２２μｍである。
【００２７】
図７に、図３における線分Ｃ−Ｃ’の断面を示す。シリコン基板２０１の上に、石英ガラスからなる下部クラッド２０２と上部クラッド３０２，２０３とが形成されており、この中にシリコン導波路コア３０４が埋め込まれて、シリコン−アレイ導波路１０４が構成されている。ヒータ１０５は、シリコン導波路コア３０４の上部の上部クラッド２０３上に形成されている。シリコン−アレイ導波路１０４の各導波路の間には、シリコン基板２０１の表面に達する断熱溝１０６が形成されている。ヒータ１０５は、長さ１００μｍ、幅１０μｍであり、断熱溝１０６は、長さ２５０μｍ、幅７０μｍとなっている。
【００２８】
図８に、干渉型光スイッチの反射回路の構成を示す。図８（ａ）は、反射回路１０７の平面図であり、図８（ｂ）は、線分Ｅ−Ｅ’の断面図である。反射回路１０７は、シリコン導波路コア３０４に接続されたテーパ導波路５０１と、シリコン導波路コア５０２とコアが形成されていない間隙５０３とが一定間隔で交互に並べられたグレーティングとから構成されている。シリコン導波路コア３０４，５０２の厚さは０．２２μｍである。テーパ導波路５０１の長さは２０μｍ、シリコン導波路コア３０４側の端部の幅は０．５μｍ、シリコン導波路コア５０２側の端部の幅は２μｍである。シリコン導波路コア５０２の長さは０．４μｍ、間隙５０３の長さは０．１５μｍである。シリコン導波路コア５０２の数に関係なく反射回路の機能は実現されるが、数が少なすぎると反射率が小さい。より高い反射率を実現するために、シリコン導波路コア５０２の数は４以上が好ましい。
【００２９】
図９に、干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す。スターカプラ１０２の長さは１０８６μｍである。アレイ導波路１０３の接続面での間隔は１０μｍ、入出力導波路１０１の接続面での間隔は１２．５μｍである。アレイ導波路１０３および入出力導波路１０１の各導波路の幅は、３μｍである。なお、アレイ導波路１０３とスターカプラ１０２との接続部、および入出力導波路１０１とスターカプラ１０２との接続部においては、テーパ導波路によって接続面での導波路幅を広げることにより、回路損失を抑制することができる。
【００３０】
第１の実施形態の干渉型光スイッチは１×８光スイッチである。説明の便宜上、１入力８出力の光スイッチとして説明するが、光波の相反性から８入力１出力の光スイッチとしても機能することも明らかである。図９に示したように、９本の入出力導波路１０１が、スターカプラ１０２の中心軸に対して、対称になるように配置されている。＃１の導波路を１入力とし、残りの＃２〜９の導波路を８出力として使用する。＃１導波路より入射した光波は、スターカプラ１０２でビームが広がり、アレイ導波路１０３の各導波路に分岐される。各導波路に分岐された光波は、シリコン−アレイ導波路１０４を伝搬し、反射回路１０７で反射され、再度スターカプラ１０２に入射される。各導波路に出射された光波は、スターカプラ１０２において干渉し、入出力導波路１０１との境界面上に集光する。
【００３１】
このとき、アレイ導波路１０３の各導波路から出射される光波の位相関係によって、集光位置が変化する。第１の実施形態においては、石英−アレイ導波路１０３およびシリコン−アレイ導波路１０４の各導波路は等長に設計されているので、ヒータ１０５への電力の印加がなければ、光波は入力した＃１導波路と対称の位置、すなわち＃９導波路との接続点に集光し、＃９導波路から出射される。すなわち、ヒータ１０５に電力を供給しないＯＦＦ状態では、＃１導波路と＃９導波路とが常時接続されていることになる。
【００３２】
ここで、各々のヒータ１０５に電力を与え、各ヒータ近傍のアレイ導波路を加熱すると、導波路の実効屈折率が増大し、実効的な光路長が長伸する。これにより、スターカプラ１０２に入射する各光波に位相差を与えることができる。ここで、スターカプラ１０２の中心軸に対して、＃１導波路と同じ側にあるシリコン−アレイ導波路１０４の導波路（図３では上方に位置する導波路）のヒータ１０５に、より大きい電力を印加するように調整すれば、＃９導波路から出射されていた光波は、＃８導波路→＃７導波路→…→＃２導波路へと、出射する導波路をシフトさせることができる。
【００３３】
図１０に、干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す。ここでヒータ番号とは、図３示したヒータ１０５において、図の上方のヒータから下方のヒータに向かって順番に１、２、…、２３、２４と与えられている。＃９導波路を出力導波路として、光波をスイッチングする場合には、全てのヒータ１０５に電力を供給しない。一方、＃２導波路に光波をスイッチングする場合には、各ヒータへの印加電力が最も大きくなる。各ヒータへの印加電力の平均は、およそ６５ｍＷであり、印加電力の総和すなわちスイッチングの消費電力はおよそ１．５Ｗである。
【００３４】
一般的に光スイッチは、ＯＦＦ状態では、いずれの入出力間も接続されないシャットダウン状態であることを要望される場合が多い。シャットダウンが要求される場合、シャットダウン時の消光特性も同時に要求される。
【００３５】
図１１に、シャットダウン機能付き干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す。図９に示したスターカプラとは、入出力導波路１０１の配列が異なっている。＃２〜＃９の導波路の配置は、図９に示したスターカプラと同じであるが、＃１導波路は、＃２導波路からさらに間隔を空けて配置されている。このとき、ＯＦＦ状態では、＃１導波路から入射した光波は、点線で示した＃１０導波路との接続点に集光する。＃１０導波路の位置には導波路を配置しなければ、スターカプラ１０２の＃１０導波路との接続点に集光し、そこからクラッドへと拡散し、＃２〜＃９導波路のいずれにも出力されない。
【００３６】
なお、クラッドへと拡散するだけでは、平面光波回路の他の回路に影響を与える恐れもある。そこで、＃１０導波路を形成しておき、導波路の端部で光波が吸収されるような構成とすれば、より確実に、高い消光比のシャットダウン状態が得られる。
【００３７】
図１２に、シャットダウン機能付き干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す。ここでヒータ番号は、図１０の場合と同じである。＃２〜＃９導波路へのスイッチングのための電力の調整は、図１０の場合と同様であり、＃９導波路へのスイッチングが、各ヒータへの印加電力が最も小さく、＃２導波路へのスイッチングが、各ヒータへの印加電力が最も大きくなる。各ヒータへの印加電力平均は、およそ７５ｍＷで、印加電力の総和すなわちスイッチングの消費電力はおよそ１．８Ｗである。
【００３８】
第１の実施形態の干渉型光スイッチは、従来の光スイッチと同様の機能を実現するとともに、光波が、加熱されたアレイ導波路を２回通過するため、低消費電力で出力導波路を切り替えることができる。また、アレイ導波路における反射回路を、シリコン光導波路で形成して集積しているために、平面光波回路のチップの外部に光反射膜を設ける必要が無く、作製工程が簡便であるという利点がある。さらに、入出力導波路の配置を変えることにより、シャットダウン機能付き干渉型光スイッチも実現することができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
図１３に、本発明の第２の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す。第１の実施形態においては、入出力導波路とスラブ導波路とを石英系光導波路で作製し、アレイ導波路を石英系−アレイ導波路１０３とシリコン−アレイ導波路１０４とにより構成したが、第２の実施形態では、全ての導波路をシリコン導波路で構成する。
【００４０】
干渉型光スイッチは、入出力導波路１１０１に接続された、スラブ導波路により形成されたスターカプラ１１０２と、スターカプラ１１０２に接続されたシリコン−アレイ導波路１１０３とを備えている。ここで、シリコン−アレイ導波路１１０３の各導波路は、スターカプラ１１０２との接続点から反射回路１０７までの長さが、すべて等長になるように設計されている。シリコン−アレイ導波路１１０３の個々の導波路には、導波路を加熱するためのヒータ１０５が設けられており、個々の導波路の間には、導波路の加熱効率を上げるための断熱溝１０６が形成されている。また、シリコン−アレイ導波路１１０３の端部には、光反射回路１０７が設けられている。
【００４１】
第２の実施形態では、アレイ導波路の本数は２４本であり、シリコン−アレイ導波路１１０３の各導波路の間隔は、スターカプラ１１０２との接続点では１μｍ、ヒータ１０５が形成された領域では１００μｍに設定されている。この間隔を実現するために、シリコン−アレイ導波路１１０３の各導波路の長さは、スターカプラ１１０２との接続点からヒータ１０５に至るまで約８００μｍである。
【００４２】
図１４に、図１３における線分Ｆ−Ｆ’の断面を示す。シリコン基板２０１の上に、石英ガラスからなる下部クラッド２０２と上部クラッド２０３とが形成されており、この中にシリコン導波路コア１１０４が埋め込まれて、シリコン−アレイ導波路１１０３が構成されている。シリコン導波路コア１１０４のコア幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍである。下部クラッド２０１と上部クラッド２０３の厚みは任意であるが、それぞれシリコン導波路コア１１０４と同等以上の厚みが好ましい。
【００４３】
ヒータ１０５は、シリコン導波路コア１１０４の上部の上部クラッド２０３上に形成されている。シリコン−アレイ導波路１１０３の各導波路の間には、シリコン基板２０１の表面に達する断熱溝１０６が形成されている。ヒータ１０５は、長さ１００μｍ、幅１０μｍであり、断熱溝１０６は、長さ２５０μｍ、幅７０μｍとなっている。
【００４４】
図１５に、干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す。スターカプラ１１０２の長さは３６μｍであり、入出力導波路１１０１の接続面での間隔は１．４μｍである。また、入出力導波路１１０１の各導波路の厚さは０．２２μｍであり、幅は０．５μｍである。なお、シリコン−アレイ導波路１１０３とスターカプラ１１０２との接続部、および入出力導波路１１０１とスターカプラ１１０２との接続部においては、テーパ導波路によって接続面での導波路幅を広げることにより、回路損失を抑制することができる。
【００４５】
第２の実施形態の干渉型光スイッチは１×８光スイッチである。その動作および消費電力は、第１の実施形態に述べた通りである。ヒータ１０５に電力を供給しないＯＦＦ状態では、＃１導波路と＃９導波路とが常時接続されていることになる。入出力導波路１１０１の配列を変えることにより、第１の実施形態と同様に、シャットダウン機能付き干渉型光スイッチを構成することもできる。
【００４６】
第２の実施形態の干渉型光スイッチは、従来の光スイッチと同様の機能を実現するとともに、光波が、加熱されたアレイ導波路を２回通過するため、低消費電力で出力導波路を切り替えることができる。また、アレイ導波路における反射回路を、シリコン光導波路で形成して集積しているために、平面光波回路のチップの外部に光反射膜を設ける必要が無く、作製工程が簡便であるという利点がある。
【００４７】
第１の実施形態は、光導波路の多くの部分を石英系光導波路で構成しているので、作製誤差に対するトレランスが大きく、入出力導波路と光ファイバとを低損失で接続できるという利点を有する。一方、第２の実施形態は、全ての光導波路をシリコン光導波路で構成しているので、導波路をより小さい曲げ半径で形成することができ、アレイ導波路の長さを大幅に短くすることができる。また、スラブ導波路により形成されたスターカプラの長さも小さく設計できることから、より小型の光スイッチを実現でき、作製工程もより簡便にできるという利点を有する。
【００４８】
［第３の実施形態］
図１６に、本発明の第３の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す。第３の実施形態においては、第２の実施形態と同様に、全ての導波路をシリコン導波路で構成する。光スイッチの構成要素は、第１および第２の実施形態と同じだが、レイアウトに特徴を有する。
【００４９】
干渉型光スイッチは、入出力導波路２１０１に接続された、スラブ導波路により形成されたスターカプラ２１０２と、スターカプラ２１０２に接続されたシリコン−アレイ導波路２１０３とを備えている。ここで、シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路は、スターカプラ２１０２との接続点から反射回路１０７までの長さが、すべて等長になるように設計されている。シリコン−アレイ導波路２１０３の個々の導波路には、導波路を加熱するためのヒータ１０５が設けられており、個々の導波路の両側には、導波路の加熱効率を上げるための断熱溝２１０５が形成されている。また、シリコン−アレイ導波路２１０３の端部には、光反射回路１０７が設けられている。
【００５０】
第３の実施形態では、アレイ導波路の本数は２４本であり、シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路の間隔は、スターカプラ２１０２との接続点では１μｍ、ヒータ１０５が形成された領域では１００μｍ以上となるように設定されている。この間隔を実現するために、シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路の長さは、スターカプラ２１０２との接続点からヒータ１０５に至るまで約４５０μｍである。
【００５１】
図１７に、図１６における線分Ｇ−Ｇ’の断面を示す。シリコン基板２０１の上に、石英ガラスからなる下部クラッド２０２と上部クラッド２０３とが形成されており、この中にシリコン導波路コア２１０４が埋め込まれて、シリコン−アレイ導波路２１０３が構成されている。シリコン導波路コア２１０４のコア幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍである。下部クラッド２０１と上部クラッド２０３の厚みは任意であるが、それぞれシリコン導波路コア２１０４と同等以上の厚みが好ましい。
【００５２】
ヒータ１０５は、シリコン導波路コア２１０４の上部の上部クラッド２０３上に形成されている。シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路の両側には、シリコン基板２０１の表面に達する断熱溝２１０５が形成されている。ヒータ１０５は、長さ１００μｍ、幅１０μｍであり、断熱溝２１０５は、長さ２５０μｍ、幅７０μｍとなっている。
【００５３】
第３の実施形態の干渉型光スイッチは、第１および第２の実施形態と同じ構成要素より構成されるが、シリコン−アレイ導波路のレイアウトが異なる。シリコン−アレイ導波路２１０３は、各導波路が、スターカプラ２１０２との接続点からそれぞれ異なる方向に曲げられ、スターカプラ２１０２を中心に反射回路１０７まで放射状に広がるように配置されている。シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路が等長であり、各ヒータ１０５の間隔を、一定以上にするという条件のもとでは、第３の実施形態のレイアウトによるシリコン−アレイ導波路２１０３の導波路長は、第２の実施形態のレイアウトによる導波路長よりも短くすることができる。
【００５４】
第３の実施形態では、スターカプラ２１０２の長さは３６μｍであり、入出力導波路２１０１の接続面での間隔は１．４μｍである。また、入出力導波路２１０１の各導波路の厚さは０．２２μｍであり、幅は０．５μｍである。なお、シリコン−アレイ導波路２１０３とスターカプラ２１０２との接続部、および入出力導波路２１０１とスターカプラ２１０２との接続部においては、テーパ導波路によって接続面での導波路幅を広げることにより、回路損失を抑制することができる。
【００５５】
第３の実施形態の干渉型光スイッチは１×８光スイッチである。その動作および消費電力は、第１の実施形態に述べた通りである。ヒータ１０５に電力を供給しないＯＦＦ状態では、＃１導波路と＃９導波路とが常時接続されていることになる。入出力導波路２１０１の配列を変えることにより、第１の実施形態と同様に、シャットダウン機能付き干渉型光スイッチを構成することもできる。
【００５６】
第３の実施形態の干渉型光スイッチは、従来の光スイッチと同様の機能を実現するとともに、光波が、加熱されたアレイ導波路を２回通過するため、低消費電力で出力導波路を切り替えることができる。また、アレイ導波路における反射回路を、シリコン光導波路で形成して集積しているために、平面光波回路のチップの外部に光反射膜を設ける必要が無く、作製工程が簡便であるという利点がある。
【００５７】
第３の実施形態の干渉型光スイッチは、第２の実施形態と比較すると、アレイ導波路の各導波路の長さをさらに短くできるため、シリコン光導波路であっても作製誤差に対するトレランスを確保することができる。加えて、より小型の光スイッチを実現することができる。
【００５８】
［第４の実施形態］
図１８に、本発明の第４の実施形態にかかる位相シフタアレイによる干渉型光スイッチの構成を示す。第４の実施形態の干渉型光スイッチの構成は、第３の実施形態の干渉型光スイッチ（図１６）と同一だが、シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路の長さが異なる。具体的には、図１８において、シリコン−アレイ導波路２１０３の右側の導波路から反時計まわりに、左側の導波路に向かって、順次、導波路の長さが等しい経路長差（ここでは、０．０２７μｍ）をもって長くなるように設計されている（図１８では経路長差を強調して描いてある）。
【００５９】
図１９に、干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す。第４の実施形態の干渉型光スイッチは１×８光スイッチである。９本の入出力導波路２１０１が、スターカプラ２１０２の中心軸に対して、対称になるように配置されている。＃１の導波路を１入力とし、残りの＃２〜９の導波路を８出力として使用する。第１〜３実施形態のように、アレイ導波路の各導波路が等長になるように設計されていれば、ヒータ１０５に電力を供給しないＯＦＦ状態では、＃１導波路と＃９導波路とが常時接続されていることになる。
【００６０】
一方、第４の実施形態では、アレイ導波路２１０３の各導波路の長さが等長ではなく、スターカプラ２１０２の中心軸に対して、＃９導波路と同じ側にあるシリコン−アレイ導波路２１０３の導波路（図１８では右側に位置する導波路）から、＃１導波路と同じ側にあるシリコン−アレイ導波路２１０３の導波路（図１８では左側に位置する導波路）に向かって、順次長くなっている。これにより、シリコン−アレイ導波路２１０３の各導波路を通過する光波に対して、ＯＦＦ状態においても一定の位相差が付与されることになる。この結果、＃１導波路から入射した光波は、点線で示した＃１０導波路との接続点に集光する。＃１０導波路の位置には導波路を配置しなければ、スターカプラ１０２の＃１０導波路との接続点に集光し、そこからクラッドへと拡散し、＃２〜＃９導波路のいずれにも出力されない。
【００６１】
なお、クラッドへと拡散するだけでは、平面光波回路の他の回路に影響を与える恐れもある。そこで、＃１０導波路を形成しておき、導波路の端部で光波が吸収されるような構成とすれば、より確実に、高い消光比のシャットダウン状態が得られる。
【００６２】
ここで、＃２〜＃９導波路へのスイッチングのための電力の調整は、第１〜３実施形態の場合と同様であり、スターカプラ２１０２の中心軸に対して、＃１導波路と同じ側にあるシリコン−アレイ導波路２１０３の導波路（図１８では左側に位置する導波路）のヒータ１０５に、より大きい電力を印加するように調整すれば、＃９導波路から出射されていた光波は、＃８導波路→＃７導波路→…→＃２導波路へと、出射する導波路をシフトさせることができる。
【００６３】
図２０に、干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す。ここでヒータ番号とは、図１８示したヒータ１０５において、図の左側のヒータから右側のヒータに向かって順番に１、２、…、２３、２４と与えられている。＃９導波路へのスイッチングが、各ヒータへの印加電力が最も小さく、＃２導波路へのスイッチングが、各ヒータへの印加電力が最も大きくなる。各ヒータへの印加電力平均は、およそ７５ｍＷで、印加電力の総和すなわちスイッチングの消費電力はおよそ１．８Ｗである。
【００６４】
図２１に、低消費電力化された干渉型光スイッチのスターカプラの構成を示す。図１９に示したスターカプラとは、入出力導波路２１０１の配列が異なっている。ここでは、＃５の導波路を１入力とし、残りの＃２〜４、＃６〜９の導波路を８出力として使用する。また、ＯＦＦ状態において集光させる＃１０導波路は、＃５導波路と＃６の導波路との間に配置される。第４の実施形態では、アレイ導波路２１０３の各導波路の長さが等長ではなく、ＯＦＦ状態では、＃５導波路から入射した光波は、点線で示した＃１０導波路との接続点に集光する。＃１０導波路の位置には導波路を配置しなければ、スターカプラ１０２の＃１０導波路との接続点に集光し、そこからクラッドへと拡散し、＃２〜４、＃６〜９導波路のいずれにも出力されない。
【００６５】
なお、クラッドへと拡散するだけでは、平面光波回路の他の回路に影響を与える恐れもある。そこで、＃１０導波路を形成しておき、導波路の端部で光波が吸収されるような構成とすれば、より確実に、高い消光比のシャットダウン状態が得られる。
【００６６】
ここで、＃１〜＃４導波路または＃６〜＃９導波路へのスイッチングのための電力の調整は、第１〜３実施形態の場合と同様であり、スターカプラ２１０２の中心軸に対して、＃１導波路と同じ側にあるシリコン−アレイ導波路２１０３の導波路（図１８では左側に位置する導波路）のヒータ１０５に、より大きい電力を印加するように調整すれば、＃５導波路から出射されていた光波は、＃５導波路→＃４導波路→…→＃１導波路へと、出射する導波路をシフトさせることができる。同様に、スターカプラ２１０２の中心軸に対して、＃９導波路と同じ側にあるシリコン−アレイ導波路２１０３の導波路（図１８では右側に位置する導波路）のヒータ１０５に、より大きい電力を印加するように調整すれば、＃５導波路から出射されていた光波は、＃６導波路→＃７導波路→…→＃９導波路へと、出射する導波路をシフトさせることができる。
【００６７】
図２２に、低消費電力化された干渉型光スイッチのヒータに印加する電力を示す。ここでヒータ番号は、図２０の場合と同じである。＃２導波路または＃９導波路へのスイッチングが、各ヒータへの印加電力が最も大きくなる。各ヒータへの印加電力平均はおよそ３７ｍＷで、印加電力の総和すなわちスイッチングの消費電力はおよそ０．９Ｗである。
【００６８】
ここで、スイッチングの消費電力は、図１９に示した入出力導波路の配置の場合には、最大１．８Ｗであるのに対し、図２１に示した入出力導波路の配置の場合には、最大０．９Ｗと約半分に抑制できることが分かる。これは、ＯＦＦ状態で出力される入出力導波路（またはその位置）である＃１０導波路の配置による。ヒータ１０５への印加電力を大きくすれば、スターカプラ２１０２において、アレイ導波路２１０３からスターカプラ２１０２の内部に出射する光波の集光方向の角度（回折角度）が大きくなる。従って、ＯＦＦ状態に出力される入出導波路の位置と、スイッチングして出力される入出力導波路の位置とが離れるほど、ヒータ１０５への印加電力は大きくなる。
【００６９】
図２１に示した入出力導波路の配置によれば、＃１０導波路の位置をスターカプラ１０２の中心軸付近に配置したので、スイッチングして出力される入出力導波路の位置との最大の回折角度差は、図１９に示した入出力導波路の配置の半分となる。従って、消費電力も半減できることになる。
【００７０】
第４の実施形態の干渉型光スイッチは、従来の光スイッチと同様の機能を実現するとともに、光波が、加熱されたアレイ導波路を２回通過するため、低消費電力で出力導波路を切り替えることができる。また、アレイ導波路における反射回路を、シリコン光導波路で形成して集積しているために、平面光波回路のチップの外部に光反射膜を設ける必要が無く、作製工程が簡便であるという利点がある。
【００７１】
第４の実施形態の干渉型光スイッチは、第２の実施形態と比較すると、アレイ導波路の各導波路の長さをさらに短くできるため、シリコン光導波路であっても作製誤差に対するトレランスを確保することができる。加えて、より小型の光スイッチを実現することができる。
【００７２】
また、第４の実施形態の干渉型光スイッチは、第３の実施形態と比較すると、アレイ導波路の各導波路が、それぞれ隣接する導波路に対して等しい経路長差を有することにより、ＯＦＦ状態での入出力導波路の位置を自由に設定することができ、スイッチングの最大消費電力を大幅に低減できるという利点を有する。
【００７３】
［まとめ］
第１〜４の実施形態によれば、低消費電力化を図るとともに、作製工程が簡易化された光スイッチを実現することができ、アレイ導波路の各導波路間の熱クロストークを抑制したまま、小型で、作製誤差の影響を受けにくい、光スイッチを実現することができる。
【００７４】
第１〜４の実施形態においては、全ての実施の形態では、石英導波路またはシリコン導波路の設計パラメータを特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、このパラメータに限定されるものではない。スラブ導波路を除く導波路は、高次モード光の発生を防ぐため、シングルモード条件、またはそれに近い設計であることが好ましい。なお、シリコン導波路のシングルモード条件は、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率によって異なるが、概ね導波路コアの断面積が０．２μｍ２以下であることが必要である。
【００７５】
第１〜４の実施形態においては、１×８光スイッチを例に説明したが、本発明の適用範囲は、この規模に限定されるものではない。Ｎを２以上の整数として、任意の１×Ｎ規模の光スイッチに適用が可能である。
【００７６】
第２〜４の実施形態においては、上部クラッドおよび下部クラッドの材料として石英ガラスを用いたが、本発明の適用範囲は、この材料に限定されるものではない。シリコンより屈折率の低い材料で形成されれば良い。また、上部クラッドおよび下部クラッドの厚さとして特定の値を用いたが、本発明の適用範囲は、この値に限定されるものではない。
【００７７】
第１〜４の実施形態においては、反射回路であるグレーティングにおいて、特定の導波路コアの幅と間隙の幅を設定したが、本発明の適用範囲はこの数値に限定されるものではない。導波路クラッドの厚さ、上部クラッドおよび下部クラッドの各材料の屈折率によって異なる値を選択することができる。なお、本実施形態で示した数値は、波長１．５５μｍ付近で反射率が最大となるよう設定されている。他の波長で光スイッチを動作させる場合には、波長に応じて導波路コアの設置間隔を変えればよい。例えば、動作波長が１．５５μｍのα倍である場合、導波路コアの設置間隔もα倍にすればよい。
【００７８】
第１〜４の実施形態においては、位相シフタとしてヒータを用い、熱光学効果により導波路の屈折率を変化させることで位相を調整した。本発明の適用範囲はこの手法に限定されるものではなく、位相シフタを実現する任意の手法を適用することができる。例えば、シリコン導波路に不純物をドーピングしてダイオードを形成し、電流を注入してキャリアを増大させることによって、導波路の屈折率を変化させ、位相を調整することもできる。
【符号の説明】
【００７９】
１０１、１１０１、２１０１、９２０１  入出力導波路
１０２、１１０２、２１０２、９１０２、９１０６、９２０２  スターカプラ
１０３、１０４、１１０３、２１０３、９１０３、９２０３  アレイ導波路
１０５、９１０４、９２０４  ヒータ
１０６、２１０５，９１０５、９２０５  断熱溝
１０７  反射回路
９１０１  入力導波路
９１０７  出力導波路
９２０６  端部
９２０７  光反射膜
２０１  シリコン基板
２０２  下部クラッド
２０３，３０２  上部クラッド
２０４  導波路コア
３０１，５０１  テーパ導波路
３０３  境界線
３０４，５０２，１１０４，２１０４  シリコン導波路コア
５０３  間隙
【図１】
2016057341.tif 000003
【図２】
2016057341.tif 000004
【図３】
2016057341.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016057341.tif 000007
【図６】
2016057341.tif 000008
【図７】
2016057341.tif 000009
【図８】
2016057341.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2016057341.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
2016057341.tif 000016
【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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【図２１】
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【図２２】
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