(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成され入力導波路及び第１出力導波路に接続される第１導波路と、
前記基板上に形成され前記第１導波路と所定の間隔を空けて第１導波路と平行に配置され、相変化材料で構成される第２導波路と、
前記基板上に形成され前記第１導波路とで第２導波路を挟むように第２導波路と所定の間隔を空けて第２導波路と平行に配置され、第２出力導波路に接続される第３導波路と
を備え、前記第１導波路乃至第３導波路によって方向性結合器を構成し、前記相変化材料のメモリ性によって前記第１導波路と第２導波路間及び第２導波路と第３導波路間の結合係数を変化させて、その結合状態をBAR状態とCROSS状態とにスイッチングすることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して平行に並んで配置されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して垂直に並んで配置されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記相変化材料は、テトラヘドラル系材料、Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、カルコゲナイド材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記第１及び第３導波路は、シリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、リン化インジウム、ヒ素化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ヒ素化インジウムガリウム、ヒ素化インジウムアルミニウム、ヒ素化インジウムガリウム、又は、ヒ素化窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記光スイッチが、該光スイッチを駆動する電子回路基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５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、光通信ネットワークノードにおけるスイッチング処理回路に適用して有効な光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の典型的な方向性結合器型光スイッチの構成を示す図である。図５(a)は、上面図である。従来の典型的な光スイッチは、入力導波路２０１、Ｓ字導波路部２０２、導波路近接部２０３、出力導波路２０４、近接部の導波路の屈折率を制御するための電極２０５から構成される。図５(b)は、図５(a)のＢ−Ｂ’における断面図である。n-InP基板２０６上に、n-InP下部クラッド２０７、i-InGaAsPコア２０８、p-InP上部クラッド２０９からなる導波路を構成し、近接部の片側の導波路には電流注入のためのp-InGaAs上部コンタクト層２１０、Au/AuZnNi電極層２１１を形成し、n-InP基板２０６下面にもAu/AuGeNi電極２１２を形成する。
【０００３】
電流を注入すると注入キャリアによるプラズマ効果のためにi-InGaAsPコア２０８の屈折率が最大０．５％程度変化する。このため、方向性結合部の結合長が変化し、入射信号の出力ポートを切り替えることができる。
【０００４】
しかしながら、従来の光スイッチは屈折率変化量が高々０．５％であるため、方向性結合部長を少なくとも１００μｍ以上とする必要がある。そのため、２×２スイッチの全長は数百μｍ以上となる。
【０００５】
また、他の従来技術として、石英導波路で構成された２×２スイッチでは、熱光学効果による屈折率変化が０．０５％程度であるため、スイッチ全長は数ｍｍになる。
【０００６】
さらに、これらのスイッチは、屈折率変化を維持するために、常に電流を流し続ける必要があるため、スイッチの消費電力は数百ｍＷとなる。またさらに、基板温度上昇を抑えるためのペルチェ素子を基板下面に取り付ける必要があり、消費電力の増大につながる。
【０００７】
そこで、本発明者らは、相変化材料を光スイッチに用いることを提案している（例えば、特許文献１参照。）。これによって、屈折率変化を維持するために、常に電流を流し続ける必要はなくなった。
【特許文献１】特開２００６−１８４３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、相変化材料を用いる特許文献１の発明においても、その相変化材料によって導波路近傍の屈折率を変化させるものであるので、等価屈折率変化量が小さいため、小型化することができなかった。あるいは、導波路中に相変化材料を挿入して配置するため、光散乱損失が大きかった。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑み、導波路を相変化材料で構成して等価屈折率変化量を大きくすることでスイッチを小型化し、さらに、スイッチング時にのみ電力を消費するので低電力化ができる光スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光スイッチは、基板と、該基板上に形成され入力導波路及び第１出力導波路に接続される第１導波路と、前記基板上に形成され前記第１導波路と所定の間隔を空けて第１導波路と平行に配置され、相変化材料で構成される第２導波路と、前記基板上に形成され前記第１導波路とで第２導波路を挟むように第２導波路と所定の間隔を空けて第２導波路と平行に配置され、第２出力導波路に接続される第３導波路とを備え、前記第１導波路乃至第３導波路によって方向性結合器を構成し、前記相変化材料のメモリ性によって前記第１導波路と第２導波路間及び第２導波路と第３導波路間の結合係数を変化させて、その結合状態をBAR状態とCROSS状態とにスイッチングすることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して平行に並んで配置されていることで、簡単な製造プロセスで製造することができる。
【００１２】
また、前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して垂直に並んで配置されていることで、一般に厚さ方法の形状精度は高いので、設計に近い形状のスイッチを作りやすい利点がある。
【００１３】
また、前記相変化材料は、テトラヘドラル系材料、Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、カルコゲナイド材料を含むことが望ましい。
【００１４】
また、前記第１及び第３導波路は、シリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、リン化インジウム、ヒ素化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ヒ素化インジウムガリウム、ヒ素化インジウムアルミニウム、ヒ素化インジウムガリウム、又は、ヒ素化窒化ガリウムを含むことが望ましい。
【００１５】
また、前記光スイッチが、該光スイッチを駆動する電子回路基板上に形成されていることで、光スイッチを駆動する回路を集積化し、小型な光スイッチモジュールを構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
(1) 相変化材料の屈折率変化量が大きいので、全長十数μｍの超小型光スイッチを構成することができる。
(2) 相変化材料はメモリ性を有しているため、スイッチング時にのみ電力を消費するので低電力化ができる。結果として温度制御用のペルチェ素子が不要になる。
(3) 基板垂直方向に方向性結合回路を構成することで素子作成の精度を高め、歩留まり良くスイッチを構成することができる。
(4) 電子回路基板上に構成し、駆動回路も一体化して小型なスイッチモジュールを構成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１による光スイッチの構成を示す図である。図１(a)は、その斜視図、図１(b)は、上面図、図１(c)は、図１(a)のＣ−Ｃ’における断面図である。本実施例１の光スイッチは、相変化材料で構成される導波路１０１、Si導波路１０２、SiO2クラッド１０３、Si基板１０４、及び相変化材料で構成される導波路１０１に電流を流す配線１０５からなる。これにより一種の方向性結合器型光スイッチを構成している。波長1.55μｍの通信波長帯において、GeSbTe系カルコゲナイド系材料の結晶状態及びアモルファス状態の複素屈折率は、それぞれ、5.1+0.5i、3.6+0.01iである。Si導波路１０２及びSiO2クラッド１０３の複素屈折率は、それぞれ、3.46+0.00i、1.45+0.00iである。
【００１９】
図２は、本発明の実施例１による光スイッチの動作を説明する図である。図１(b)における、Ｗ、Ｄ、Ｌの値を、それぞれ、0.19μｍ、4.1μｍ、0.16μｍと仮定する。図２は、これらの値を元に光スイッチの動作をビーム伝搬法によって計算した結果を示す。相変化材料の屈折率変化に伴い、導波路間の光結合が変化し、相変化材料が結晶状態の場合（図２(a)）、スイッチはBAR状態（Port1から入射した光がPortA、Port2から入射した光がPortBから出力）になり、逆に相変化材料がアモルファス状態の場合（図２(b)）、スイッチはCROSS状態（Port1から入射した光がPortB、Port2から入射した光がPortAから出力）となる。なお、従来の方向性結合型光スイッチでは、屈折率変化量が僅かであったため、屈折率変化に伴う結合長の変化によってスイッチングしていたが、相変化材料では屈折率変化量が大きいため、結合係数そのものが大きく変化してスイッチングしているので、スイッチング原理も異なる。スイッチ寸法は、約3μｍ×14μｍとすることができる。例としてSi導波路を利用する場合を示したが、他材料の導波路でも同様のスイッチを構成できることは言うまでもない。また、電流パルスで駆動する構成を示したが、相変化材料は光パルスの照射によっても、結晶状態とアモルファス状態を遷移させることができるので、光パルス駆動型にすることができることも言うまでもない。
【実施例２】
【００２０】
図３は、本発明の実施例２による光スイッチの構成を示す図である。図３(a)は、その斜視図、図３(b)は、図３(a)のＢ−Ｂ’における断面図である。実施例１の光スイッチは、基板に対して平行に導波路を近接させて並べて方向性結合部を構成したが、本実施例２の光スイッチは、基板に対して垂直に導波路を近接させて並べて方向性結合部を構成した点が実施例１と相違する。一般に厚さ方法の形状精度は高いので、設計に近い形状のスイッチを作りやすい利点がある。実施例２の光スイッチの動作は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００２１】
図４は、本発明の実施例３による光スイッチの構成を示す斜視図である。実施例１の光スイッチは、基板をSi基板としたが、本実施例２の光スイッチは、基板を電子回路が形成されている電子回路基板１０６で構成した点が実施例１と相違する。これによって、光スイッチを駆動する回路を集積化し、小型な光スイッチモジュールを構成することができる。また、多段構成の例を示したが、光スイッチ単体の動作は、実施例１と同様である。
【００２２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１による光スイッチの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１による光スイッチの動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施例２による光スイッチの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例３による光スイッチの構成を示す斜視図である。
【図５】従来の典型的な方向性結合器型光スイッチの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０１  導波路
１０２  Si導波路
１０３  SiO2クラッド
１０４  Si基板
１０５  配線
１０６  電子回路基板
２０１  入力導波路
２０２  Ｓ字導波路部
２０３  導波路近接部
２０４  出力導波路
２０５  電極
２０６  n-InP基板
２０７  n-InP下部クラッド
２０８  i-InGaAsPコア
２０９  p-InP上部クラッド
２１０  p-InGaAs上部コンタクト層
２１１  Au/AuZnNi電極層
２１２  Au/AuGeNi電極
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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