(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光導波路と、
前記第１の光導波路と交差する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と、前記第２の光導波路との交差部に、前記交差部を横断するように設けられ、内部に屈折率整合液と不活性ガスが封入される溝と、
前記屈折率整合液を加熱する加熱手段とを有し、
前記屈折率整合液を加熱することにより、前記屈折率整合液が前記交差部を横断する位置から出入りするように前記溝中を移動して光路を切り替える導波路型光スイッチであって、
前記屈折率整合液は、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が１６２以上、９２０以下であるジメチルジフェニルポリシロキサンであることを特徴とする導波路型光スイッチ。
【請求項２】
複数の光導波路を有する第１の光導波路群と、
前記第１の光導波路群の各光導波路と交差する複数の光導波路を有する第２の光導波路群と、
前記第１の光導波路群の各光導波路と、前記第２の光導波路群の各光導波路との交差部の少なくとも一部に、前記交差部を横断するように設けられ、内部に屈折率整合液と不活性ガスが封入される溝と、
前記屈折率整合液を加熱する加熱手段とを有し、
前記屈折率整合液を加熱することにより、前記屈折率整合液が前記交差部を横断する位置から出入りするように前記溝中を移動して光路を切り替える導波路型光スイッチであって、
前記屈折率整合液は、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が１６２以上、９２０以下であるジメチルジフェニルポリシロキサンであることを特徴とする導波路型光スイッチ。
【請求項３】
前記屈折率整合液は、重量平均分子量が、１６２以上６５６以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導波路型光スイッチ。
【請求項４】
前記屈折率整合液は、重量平均分子量が、１６２以上４０９以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導波路型光スイッチ。
【請求項５】
前記屈折率整合液は、重量平均分子量が１６２であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導波路型光スイッチ。
【請求項６】
前記屈折率整合液は、粘度が１０ｃＰ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導波路型光スイッチ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載された導波路型光スイッチのスイッチング時間の制御方法であって、
前記屈折率整合液の粘度を変化させることにより、前記屈折率整合液の移動時間を変化させて、所望のスイッチング時間を得ることを特徴とするスイッチング時間の制御方法。
【請求項８】
前記屈折率整合液の重量平均分子量を変化させることにより、前記屈折率整合液の粘度を変化させることを特徴とする請求項７に記載のスイッチング時間の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型光スイッチおよびスイッチング時間の制御方法に係わり、特に、ＦＴＴＤ（ファイバ・トウ・ザ・デスク）や光ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）等のユーザー系光ネットワーク、あるいは通信処理装置内の光インターコネクションに必須な、波長分割多重通信システム用光スイッチ、マトリクス型光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、及び光アド・ドロップマルチプレクサの構成要素に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
急速に普及するマルチメディア通信に対応するため、光化によるネットワークの大容量化が進められている。
光波長多重（ＷＤＭ）技術を用いたネットワークは、伝送容量の大幅な増大を可能とするだけでなく、クロスコネクト・交換等のノード機能を含めたネットワーク全体の光化を可能にする技術として注目されている。
そのＷＤＭ型ネットワークの実現においては、光通信システムに柔軟性、拡張性、及び信頼性を確保するために、光信号を電気信号に変換することなく、光のままで切り替えられる光スイッチが大量に必要となってくる。
このとき、光スイッチに要求される特性として、小型で低消費電力駆動であることはもとより、スイッチング時間が短いことが強く求められる。
【０００３】
本出願人は、前述のような目的を達成することができる「光スイッチ」として、「導波路光部品」（特願２０００−７５０５３号参照）を提案している。
前述の「導波路光部品」は、各々平行な光軸を有するｍ本の第１の光導波路群と、各々平行な光軸を有し第１の光導波路群と各々交差するｎ本の第２の波路群を有するｍ×ｎ格子状光導波路とを有し、第１の光導波路群からの任意の光を該第２の光導波路群へ切り替えることのできる構造として、第１の光導波路群からの光を第２の光導波路群へ全反射させる反射壁面で、当該反射壁面が、前記第１の光導波路群の入力側寄りに配置されているスリット（溝）を設け、該スリット中に、光の透過が可能な屈折率整合液を適当量充填し、その他の部分は光が光導波路と溝壁面の界面で全反射し、かつ前記屈折率整合液と混じりあわない気体として空気で満たされる構成を有し、前記屈折率整合液を駆動させることで光路切替を実現するものであり、前記屈折率整合液として、分子量分布図のピークが１つとなる単一成分系メチルフェニルシリコーンオイル等が用いられている。
ここで、屈折率整合液を単一成分系で構成する必要があるのは、以下のような理由による。
即ち、屈折率整合液の屈折率制御には、分子量（粘度）が異なった材料系を組み合わせ（多成分系）で実現することが多いが、このような形態を取ると、低分子量（低粘度）の材料系が選択的に揮発するため、屈折率が要求仕様値からずれてしまうことになり、実用上使えないことになる。
このように、多成分系により合成された屈折率整合液には、実用上において問題があるが、単一成分系の屈折率整合液では、これらの点が回避できるため大きなメリットとなる。
この提案済みの光スイッチでは、小型で低消費電力駆動（＜０．１５Ｗ）であることはもとより、挿入損失（＜３ｄＢ）・消光比（＞５０ｄＢ）・クロストーク（＜−５０ｄＢ）といった極めて良好な光学特性を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の提案済みの光スイッチでは、小型で低消費電力駆動（＜０．１５Ｗ）であることはもとより、挿入損失（＜３ｄＢ）・消光比（＞５０ｄＢ）・クロストーク（＜−５０ｄＢ）といった極めて良好な光学特性を有しているにも関わらず、スイッチング時間は５０ｍｓ程度を要するといった問題点があった。
即ち、このスイッチング時間は、予備系切替用光スイッチとして用いる場合には何ら問題はないが、クロスコネクト用光スイッチ、あるいは、アド・ドロップマルチプレクサー用光スイッチ等の展開を図る際には、必ずしも十分であるとは言えない。
従って、前述の提案済みの光スイッチにおいて、スイッチング時間を通信速度に見合った短いものとすること、具体的な例として、１０Ｇｂｐｓの通信速度を想定するとマージンを考慮して、６ｍｓ以下にすることが至上の課題であった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、導波路型光スイッチおよびそのスイッチング時間の制御方法において、通信速度に見合った短いスイッチング時間、具体的な例としては、６ｍｓ以下のスイッチング時間を達成することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、各々平行な光軸を有するｍ本の第１の光導波路群と、各々平行な光軸を有し前記第１の光導波路群と各々交差するｎ本の第２の光導波路群を有するｍ×ｎ格子状光導波路で、前記第１の光導波路群からの光を前記第２の光導波路群へ切り替えできる反射構造を有し、前記第１の光導波路群および前記第２の光導波路群のコアの屈折率がガラスと等価であり、且つ、前記反射構造物の内側が、透過時にコアの屈折率と等価な屈折率整合液で満たされ、反射時に気体で満たされる反射構造付き交差光導波路を有し、前記屈折率整合液を駆動させることで光路切替を実現する導波路型光スイッチにおいて、そのスイッチング時間は、前記屈折率整合液の粘度と比例することを、本発明に至る過程において見いだした。即ち、適用するシステムが要求するスイッチング時間は、屈折率整合液の粘度を調整することにより実現できる。
さらに、前記屈折率整合液の粘度は、前記屈折率整合液の重量平均分子量と比例することも本発明に至る過程において判明した。即ち、屈折率整合液の粘度調整は、屈折率整合液の重量平均分子量を調整することにより実現できる。
【０００６】
本願発明は、前記知見に基づいて成されたものであり、本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
即ち、本発明は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路と交差する第２の光導波路と、前記第１の光導波路と、前記第２の光導波路との交差部に、前記交差部を横断するように設けられ、内部に屈折率整合液と不活性ガスが封入される溝と、前記屈折率整合液を加熱する加熱手段とを有し、前記屈折率整合液を加熱することにより、前記屈折率整合液が前記交差部を横断する位置から出入りするように前記溝中を移動して光路を切り替える導波路型光スイッチであって、前記屈折率整合液は、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が１６２以上、９２０以下であるジメチルジフェニルポリシロキサンであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、複数の光導波路を有する第１の光導波路群と、前記第１の光導波路群の光導波路と交差する複数の光導波路を有する第２の光導波路群と、前記第１の光導波路群の各光導波路と、前記第２の光導波路群の各光導波路との交差部の少なくとも一部に、前記交差部を横断するように設けられ、内部に屈折率整合液と不活性ガスが封入される溝と、前記屈折率整合液を加熱する加熱手段とを有し、前記屈折率整合液を加熱することにより、前記屈折率整合液が前記交差部を横断する位置から出入りするように前記溝中を移動して光路を切り替える導波路型光スイッチであって、前記屈折率整合液は、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が１６２以上、９２０以下であるジメチルジフェニルポリシロキサンであることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前述の導波路型光スイッチのスイッチング時間の制御方法であって、前記屈折率整合液の粘度を変化させることにより、前記屈折率整合液の移動時間を変化させて、所望のスイッチング時間を得ることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記屈折率整合液の重量平均分子量を変化させることにより、前記屈折率整合液の粘度を変化させることを特徴とする。
【００１０】
前記手段によれば、第１の光導波路と、第２の光導波路との交差部に、前記交差部を横断するように設けられる溝内に、屈折率整合液と不活性ガスとを封入し、前記屈折率整合液を加熱することにより、前記屈折率整合液を移動させて光路を切り替える導波路型光スイッチ導波路型光スイッチにおいて、屈折率整合液として、従来使用していた「分子量分布図のピークが１つとなる単一成分系メチルフェニルシリコーンオイル」のうち、特に、図１に示す重量平均分子量が１６２以上、９２０以下に限定されたジメチルジフェニルポリシロキサンのみを使用することにより、６ｍｓ以下のスイッチング時間を達成することが可能となる。
図１に示すように、ジメチルジフェニルポリシロキサンは、主鎖がシロキサン（−Ｓｉ−０−）ｎで構成され、側鎖に２ｍ個のメチル基と、２ｐ個のフェニル基を有する分子である。ここで、ｎ＝ｍ＋ｐの関係を有する。
重量平均分子量が、最小のジメチルジフェニルポリシロキサンは、上記化学構造式のｍ＝０、ｐ＝０のときであり、このときの重量平均分子量は１６２である。よって、この値が重量平均分子量の下限となる。
また、「本発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、本発明に関わる光スイッチに要求されるスイッチング速度は６ｍｓであり、これを実現するための重量平均分子量が、９２０に相当している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一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。
図２は、本発明の実施の形態の導波路型光スイッチの基本的概念を示す模式図である。
本実施の形態の導波路型光スイッチは、屈折率整合液として、分子量分布図のピークが１つであり、且つ、重量平均分子量が９２０のジメチルジフェニルポリシロキサンを使用した例である。
本実施の形態の導波路型光スイッチは、図２に示すように、光導波路基板５の表層部に、各々平行な光軸を有する三本の第１の光導波路群１と、これらと交差し各々平行な光軸を有する三本の第２の光導波路群２からなる３×３格子状光導波路が形成されている。
さらに、第１の光導波路群１の各々の光導波路と第２の光導波路群２の各々の光導波路との交差部で、一意に決定される交差部にスリット（溝）３が、形成されている。
【００１２】
このスリット（溝）３は、第１の光導波路群１の入力側（図２のＡ側）寄りに配置されたスリット壁面で、第１の光導波路群１のＡ側からの光を第２の光導波路群２のＤ側へ全反射させ、第２の光導波路群の入力側（図２のＣ側）寄りに配置されたスリット壁面で、第２の光導波路群１のＣ側からの光を第１の光導波路群２のＢ側へ全反射させる両側反射壁面を有する。
ここで、前述の光導波路構造として、コア径が８×８μｍ、コア／クラッド間の比屈折率差が０．３％の石英系光導波路を用いた。
また、スリット（溝）３の構造として、溝幅１３μｍ、溝探さ４０μｍ、溝長さ１２４μｍに設定した。
【００１３】
スリット（幅）３は、内部に、光の透過が可能な屈折率整合液４として、分子量分布図のピークが１つであり、且つ、重量平均分子量が９２０のジメチルフェニルジフェニルポリシロキサンが、液柱長さ６０μｍとなるように適当量充填されており、その他の部分は、光が光導波路とスリット壁面の界面で全反射し、かつ屈折率整合液４と混じりあわない空気、または、ヘリウムガス、窒素ガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスのうちいずれか一つもしくはこれらの混合ガスの不活性ガスが充填されている。
さらに、光スイッチング動作（光路切替）に必要な屈折率整合液４の駆動は、屈折率整合液４を、スリット（幅）３近傍に設けた複数の薄膜マイクロヒータ（図示していない）で加熱することにより駆動させる構造をとっている。
ただし、前記薄膜マイクロヒータの構造として、幅１０μｍ、厚さ５０００Åのタンタル（Ｔａ）を用いた。
この駆動方法の原理について説明する。
液体の表面張力は、温度に依存し、一般に臨界温度より充分低い温度領域では温度の上昇に対して直線的に低下する。
したがって、屈折率整合液４を局所的に加熱した場合、局所的に温度の上昇した部分の表面張力が他の部分の表面張力に比べて低下するため、場所による表面張力の違いによって、屈折率整合液４は加熱された場所を避けるように移動する。
そのため、スリット（幅）３の長さ方向に配置された複数の薄膜マイクロヒータを順次導通させて、屈折率整合液４を加熱することにより、屈折率整合液４をスリット内で移動させることができる。
【００１４】
本実施の形態では、例えば、スリット（溝）３における、第１の光導波路群１の入力側（図２のＡ側）寄りに配置されたスリット壁面を、交差部の略中央部に配置し、屈折率整合液４を移動させて、スリット（溝）３の公差部領域に不活性ガスが位置するようにした場合には、第１の光導波路群１のＡ側からの光は、第２の光導波路群２のＤ側へ全反射される。
また、屈折率整合液４を移動させて、スリット（溝）３の交差部領域に屈折率整合液４が位置するようにした場合には、第１の光導波路群１のＡ側からの光は、スリット（溝）３を横切って第１の光導波路群１のＢ側に直進する。
同様に、例えば、スリット（溝）３における、第２の光導波路群２の入力側（図２のＣ側）寄りに配置されたスリット壁面を、交差部の略中央部に配置し、屈折率整合液４を移動させて、スリット（溝）３の交差部領域に不活性ガスが位置するようにした場合には、第２の光導波路群２のＣ側からの光は、第１の光導波路群１のＢ側へ全反射される。
また、屈折率整合液４を移動させて、スリット（溝）３の交差部領域に屈折率整合液４が位置するようにした場合には、第２の光導波路群２のＣ側からの光は、スリット（溝）３を横切って第２の光導波路群２のＤ側に直進する。
【００１５】
本実施の形態の導波路型光スイッチを使用することにより、光路切替を実現する光スイッチや、多連２×２光スイッチアレイ、あるいは光アド・ドロップマルチプレクサを、３ｄＢ以下の挿入損失で、且つ、５０ｄＢ以上の高消光比／５０ｄＢ以下の低クロストークで精度よく完成させることができた。
本実施の形態の導波路型光スイッチと対比するために、屈折率整合液として、分子量分布図のピークが１つであり、且つ、重量平均分子量が３０７０のジメチルジフェニルポリシロキサンを用いた導波路型光スイッチ（以下、従来の導波路型光スイッチという）を作成した。
屈折率整合液４として、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が３０７０のジメチルジフェニルポリシロキサンを用いる導波路型光スイッチを使用した場合には、光路切替を実現する光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、あるいは、光アド・ドロップマルチプレクサにおいて、印加電力が０．１５Ｗで、且つ、印加時間が５０ｍｓのとき、スイッチング時間はすべて５０ｍｓであった。
【００１６】
一方、本実施の形態の導波路型光スイッチ（屈折率整合液４として、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が９２０のジメチルジフェニルポリシロキサンを用いる導波路型光スイッチ）を使用することにより、光路切替を実現する光スイッチ、マトリクス型光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、あるいは、光アド・ドロップマルチプレクサにおいて、印加電力が０．１５Ｗで、且つ、印加時間が５０ｍｓのとき、スイッチング時間はすべて６ｍｓであった。
図３に、本実施の形態の屈折率整合液（重量平均分子量９２０のジメチルジフェニルポリシロキサン）４の分子量分布を示す。なお、この図３において、縦軸は分子数相当の物理量、横軸は分子量である。
この図３から明らかなように、本実施の形態の屈折率整合液４では、屈折率整合液を構成する分子がガウス関数的に分布し、そのピークが一つであることがわかる。
このことは、「従来の技術」の欄で述べたように、多成分系により合成された屈折率整合液で問題となる屈折率整合液の揮発性、それに伴う屈折率の変化、粘度の変化等がないことから、実用上において極めて大きなメリットである。
さらに、ジメチルジフェニルポリシロキサン自身、揮発性が小さく、高い耐熱性を有するといった優れた特性も併せ持つことから、本実施の形態の導波路光スイッチを使用することにより、高い信頼性を併せて持った光路切替を実現する光スイッチ、マトリクス型光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、あるいは、光アド・ドロップマルチプレクサ等の導波路型光部品を実現することが可能となる。
【００１７】
ここで、屈折率整合液４として、分子量分布図のピークが一つであり、且つ、重量平均分子量が６５６、４０９、１６２等の、９２０より小さなジメチルジフェニルポリシロキサンを用いる導波路型光スイッチを使用することにより、光路切替を実現する光スイッチや、この光スイッチを用いたマトリクス型光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、あるいは光アド・ドロップマルチプレクサにおいては、同様の印加条件（印加電力：０．１５Ｗ、印加時間：５０ｍｓ）で、そのスイッチング時間はすべて６ｍｓを切ることは言うまでもない。
ただし、ジメチルジフェニルポリシロキサンの最小（重量平均）分子量は１６２であるので、この値が下限となることは明らかである。
ここで、屈折率整合液４として使用されるジメチルジフェニルポリシロキサンの重量平均分子量が、１６２以上６５６以下の範囲であれば、より安定で高精度なスイッチング動作が可能である。
また、重量平均分子量が１６２以上４０９以下の範囲であれば、その安定性はさらに向上し、かつ、より高速スイッチング動作が可能である。
本実施の形態の導波路型光スイッチのスイッチング時間と屈折率整合液の重量平均分子量との関係を図４に示す。
なお、図４において、□は、重量平均分子量が１６２のジメチルジフェニルポリシロキサンを使用する本実施の形態の導波路型光スイッチ、■は、重量平均分子量が９２０のジメチルジフェニルポリシロキサンを使用する本実施の形態の導波路型光スイッチ、○は、重量平均分子量が３０７０のジメチルジフェニルポリシロキサンを使用する従来の導波路型光スイッチのスイッチ時間を示す。
この図４より、単一成分系の重量平均分子量が９２０、あるいは１６２の屈折率整合液（ジメチルジフェニルポリシロキサン）４を用いることにより、各々６ｍｓ、２ｍｓのスイッチング時間が得られることが明らかとなった。
【００１８】
また、本実施の形態で使用した屈折率整合液４の粘度と重量平均分子量の関係を図５に示す。
本実施の形態における、１６２、並びに９２０の重量平均分子量を持つ屈折率整合液（ジメチルジフェニルポリシロキサン）４の粘度は、分析の結果、各々２ｃＰ、１０ｃＰであることがわかった。
図４、図５に示すこれらの結果から、導波路型光スイッチのスイッチング時間を短縮化するには、本実施の形態のように屈折率整合液４の重畳平均分子量を低減させること（換言すれば、粘度を低減すること）が重要であり、かつ、所望のスイッチング速度を得るためには、適切な重量平均分子量（粘度）が存在することが明らかである。
以上説明したように、本発明に関わる分子量分布のピークが一つであり、かつ、重畳平均分子量が１６２以上、９２０以下であるジメチルジフェニルポリシロキサンを用いることにより、本発明の光スイッチに要求されるスイッチング速度を初めて達成することが可能となった。
【００１９】
なお、前述の説明では、本発明を、各々平行な光軸を有する三本の第１の光導波路群１と、これらと交差し各々平行な光軸を有する三本の第２の光導波路群２の各々の光導波路との交差部で、一意に決定される交差部にスリット（溝）３が、形成された導波路型光スイッチに適用した実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１の光導波路と、第１の光導波路と交差する第２の光導波路との交差部にスリット（溝）３が形成された導波路型光スイッチにも適用可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく（例えば、前記光スイッチを用いたマトリクス型光スイッチ等）、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
本願において開示される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）本発明によれば、６ｍｓという極めて短いスイッチング時間で光路切替が可能な光スイッチ、マトリクス型光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、及び光アド・ドロップマルチプレクサ等の導波路型光部品を実現することが可能となる。
（２）本発明によれば、高い信頼性を併せて持った光スイッチ、マトリクス型光スイッチ、多連２×２光スイッチアレイ、及び光アド・ドロップマルチプレクサ等の導波路型光部品を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実現するために不可欠な屈折率整合液の化学構造式を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の導波路型光スイッチの基本的概念を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態の屈折率整合液（重量平均分子量９２０のジメチルジフェニルポリシロキサン）の分子量分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態の導波路型光スイッチのスイッチング時間と屈折率整合液の重量平均分子量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態で使用した屈折率整合液の粘度と重量平均分子量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…第１の光導波路群、２…第２の光導波路群、３…スリット（溝）、４…屈折率整合液、５…光導波路基板。
【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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