(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置され、互いに平行なｍ本の光導波路からなる第１組の光導波路と、該第１組の光導波路と交差して前記基板上に配置され、互いに平行なｎ本の光導波路からなる第２組の光導波路と（ｍ，ｎは整数）、前記第１組の光導波路と前記第２組の光導波路との交差位置の各々に配置された光路を切り替えるためのスイッチング溝とを有する光導波路型マトリクス・スイッチにおいて、
前記第１組の光導波路の入力ポートから該第１組の光導波路の出力ポートに至る光路、ならびに前記第１組の光導波路の入力ポートから前記第２組の光導波路の出力ポートに至る光路の一方を選択するスイッチング部材であって、前記スイッチング溝に挿入可能に配置された反射面を有する挿入板であるスイッチング部材と、
前記基板上の前記光導波路以外の領域に配置された、前記スイッチング溝の深さよりも深い深溝領域とを備え、
前記スイッチング溝の各々を、前記第１組の光導波路と前記第２組の光導波路とが交差する点を結んだ仮想直線上に配置し、前記スイッチング溝の各々に、前記光導波路の屈折率に整合する屈折率を有する液体を充填したことを特徴とする光導波路型マトリクス・スイッチ。
【請求項２】
基板上に配置され、互いに平行なｍ本の光導波路からなる第１組の光導波路と、該第１組の光導波路と交差して前記基板上に配置され、互いに平行なｎ本の光導波路からなる第２組の光導波路と（ｍ，ｎは整数）、前記第１組の光導波路と前記第２組の光導波路との交差位置の各々に配置された光路を切り替えるためのスイッチング溝とを有する光導波路型マトリクス・スイッチにおいて、
前記第１組の光導波路の入力ポートから該第１組の光導波路の出力ポートに至る光路、ならびに前記第１組の光導波路の入力ポートから前記第２組の光導波路の出力ポートに至る光路の一方を選択するスイッチング部材であって、前記スイッチング溝に挿入可能に配置された反射面を有する挿入板であるスイッチング部材と、
前記第１組の光導波路のいずれかの入力ポートに配置された光を透過させる第１組のダミー溝と、前記第１組の光導波路のいずれかの出力ポートに配置された光を透過させる第２組のダミー溝と、前記第２組の光導波路のいずれかの出力ポートに配置された光を透過させる第３組のダミー溝と、
基板上の光導波路以外の領域に配置された、スイッチング溝の深さよりも深い深溝領域とを備え、
前記スイッチング溝および前記ダミー溝の各々を、前記第１組の光導波路と前記第２組の光導波路とが交差する点を結んだ仮想直線上に配置し、前記スイッチング溝および前記ダミー溝の各々に、前記光導波路の屈折率に整合する屈折率を有する液体を充填し、
前記第１組の光導波路の入力ポートに入射した光信号が、前記第１組の光導波路の出力ポートまたは前記第２組の光導波路の出力ポートから出力されるまでに、ｍ＋ｎ−１個の溝を通過するように、前記ダミー溝を配置したことを特徴とする光導波路型マトリクス・スイッチ。
【請求項３】
基板上に配置され、互いに平行なｍ本の光導波路からなる第１組の光導波路と、該第１組の光導波路と交差して前記基板上に配置され、互いに平行なｎ本の光導波路からなる第２組の光導波路と（ｍ，ｎは整数）、前記第１組の光導波路と前記第２組の光導波路との交差位置の各々に配置された光路を切り替えるためのスイッチング溝とを有する光導波路型マトリクス・スイッチの製造方法において、
前記基板上の前記光導波路以外の領域に、切刃が回転切削する深さよりも深い深溝領域を配置し、
前記第１組の光導波路および前記第２組の光導波路が形成された前記基板の上面を、前記切刃によって回転切削することにより、前記スイッチング溝の各々を、前記仮想直線上に形成することを特徴とする光導波路型マトリクス・スイッチの製造方法。
【請求項４】
前記光導波路型マトリクス・スイッチは、前記第１組の光導波路のいずれかの入力ポートに配置された光を透過させる第１組のダミー溝と、前記第１組の光導波路のいずれかの出力ポートに配置された光を透過させる第２組のダミー溝と、前記第２組の光導波路のいずれかの出力ポートに配置された光を透過させる第３組のダミー溝とを備え、
前記スイッチング溝および／または前記ダミー溝の各々を、前記仮想直線上に形成することを特徴とする請求項３に記載の光導波路型マトリクス・スイッチの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路型マトリクス・スイッチおよびその製造方法に関し、より詳細には、深くて垂直な断面を有する均一な溝を備え、通過損失のばらつきが少ないマトリクス・スイッチを構成する光導波路型マトリクス・スイッチおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信ネットワークの進展により、光ファイバを介して伝搬するデジタル情報は多岐にわたり、サービスの多様化、ネットワークの高度化が図られている。このような状況において、全光スイッチに対する需要が高まるとともに、規模の大きな光スイッチの必要性が高まっている。
【０００３】
代表的な光スイッチとして、バブル型マトリクス・スイッチが知られている。入力数をｍ、出力数をｎとすると、バブル型マトリクス・スイッチは、互いに平行なｍ本の光導波路と互いに平行なｎ本の光導波路とを交差させ、それぞれの交差位置に溝を形成し、交差する光導波路のコア部分を切削している。溝には、光導波路の屈折率と同一の屈折率を有するマッチングオイルを充填して、光が通過するように構成されている。溝の下部にはヒータが設置されており、ヒータを熱することで、溝の中にバブル（気泡）を発生させる。バブルの屈折率が光導波路より小さいので、光を全反射するようになっており、全反射した光の角度を調整することによって、所望の光導波路に光を通すことができる。
【０００４】
従来、マトリクス・スイッチは、低損失の導波路を実現できる石英ガラスが用いられる。石英ガラス（ＳｉＯ２）は、ＣＨＦ系のガスによりドライエッチングを行い、Ｆ系活性種がＳｉを、ＣＨ系活性種がＯを除去する役割を果たす。しかし、Ｓｉ−Ｏの結合エネルギーが大きいため、この結合を切るために活性種に大きなエネルギーが必要となり、エッチングに寄与する主な活性種は、電圧で加速できるイオンとなる。イオンが主体となるドライエッチングでは、加速電圧方向が、エッチングの形状に大きな影響を与え、アスペクト比が高くなる細い溝では、側壁が影になって底面に到達するイオンの数が減るため、エッチング速度が低減するという問題があった。
【０００５】
また、側壁のシャドウイング効果により、溝の底面には、均一にイオンが照射されず、溝の断面形状がテーパ状になりやすい。さらに、エッチングする部分の割合が、マスクされている部分より多くなると、溝の底面へのイオン到達量に差が生じ、エッチングが不均一になりやすいという問題もあった。そこで、エッチング条件の精密な制御が必要となり、その結果、エッチングのスループットが低下するとともに、装置の高機能化、高価格化を招いていた。
【０００６】
本発明の目的は、深くて垂直な断面を有する均一な溝を備え、通過損失のばらつきが少ない光導波路型マトリクス・スイッチ、および、均一な溝を経済的に形成するための光導波路型マトリクス・スイッチの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、基板上に配置され、互いに平行なｍ本の光導波路からなる第１組の光導波路と、第１組の光導波路と交差して基板上に配置され、互いに平行なｎ本の光導波路からなる第２組の光導波路と（ｍ，ｎは整数）、第１組の光導波路と第２組の光導波路との交差位置の各々に配置された光路を切り替えるためのスイッチング溝とを有する光導波路型マトリクス・スイッチにおいて、第１組の光導波路の入力ポートから第１組の光導波路の出力ポートに至る光路、ならびに第１組の光導波路の入力ポートから第２組の光導波路の出力ポートに至る光路の一方を選択するスイッチング部材であって、スイッチング溝に挿入可能に配置された反射面を有する挿入板であるスイッチング部材と、基板上の光導波路以外の領域に配置された、スイッチング溝の深さよりも深い深溝領域とを備え、スイッチング溝の各々を、第１組の光導波路と第２組の光導波路とが交差する点を結んだ仮想直線上に配置し、スイッチング溝の各々に、光導波路の屈折率に整合する屈折率を有する液体を充填したことを特徴とする。
【０００８】
さらに、第１組の光導波路のいずれかの入力ポートに配置された光を透過させる第１組のダミー溝と、第１組の光導波路のいずれかの出力ポートに配置された光を透過させる第２組のダミー溝と、第２組の光導波路のいずれかの出力ポートに配置された光を透過させる第３組のダミー溝とを備え、ダミー溝の各々を、第１組の光導波路と第２組の光導波路とが交差する点を結んだ仮想直線上に配置し、ダミー溝の各々に、光導波路の屈折率に整合する屈折率を有する液体を充填し、第１組の光導波路の入力ポートに入射した光信号が、第１組の光導波路の出力ポートまたは第２組の光導波路の出力ポートから出力されるまでに、ｍ＋ｎ−１個の溝を通過するように、ダミー溝を配置することもできる。
【０００９】
本発明によれば、スイッチ規模の拡大に伴い、損失特性に影響を与える透過状態における溝部分の挿入損失を一定水準以下に抑えることが可能となる。また、深くて垂直な断面を有する細い溝を、均一に、かつ経済的に製造することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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。本実施形態においては、マッチングオイルが充填された溝に、ミラーを挿入してスイッチングを行うミラー型マトリクス・スイッチについて説明する。
【００１１】
図１に、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチを示す。光導波路型マトリクス・スイッチは、入力数をｍ、出力数をｎとする。光導波路型マトリクス・スイッチは、ｍ本の平行する光導波路１１１〜１１ｍと、ｎ本の平行する光導波路１２１〜１２ｎとを交差させ、それぞれの交差位置にスイッチング溝ａを形成する。また、光導波路１１１〜１１ｍの入力側および出力側と、光導波路１２１〜１２ｎの出力側には、ダミー溝ｂを形成する。
【００１２】
本実施形態において、スイッチング溝ａには、マッチングオイルを充填して、光が通過するように構成されている。マッチングオイルは、光導波路の屈折率に整合する屈折率を有する液体である。光路を変更する場合には、反射面を有する挿入板（ミラー）を、スイッチング溝ａに挿入する。挿入板が挿入されると、例えば、光導波路１１１の入力ポートから入射された光信号（signal light）は、スイッチング溝ａに挿入された挿入板により反射されて、光導波路１２１の出力ポートから出力される。
【００１３】
ダミー溝ｂにも、マッチングオイルを充填するが、挿入板は挿入せず、常に透過状態にある。ダミー溝ｂは、光導波路１１１の入力ポートにｍ−１個、光導波路１１２の入力ポートにｍ−２個、順次１個づつ減って、光導波路１１ｍ−１の入力ポートに１個配置する。光導波路１１ｍの入力ポートにダミー溝ｂは形成されていない。また、光導波路１１２の出力ポートに１個、光導波路１１３の出力ポートに２個、順次１個づつ増えて、光導波路１１ｎの出力ポートにｎ−１個のダミー溝ｂを配置する。一方、光導波路１２２の出力ポートに１個、光導波路１２３の出力ポートに２個、順次１個づつ増えて、光導波路１２ｎの出力ポートにｎ−１個のダミー溝ｂを配置する。
【００１４】
このような構成により、光導波路１１１〜１１ｍの入力ポートから光導波路１１１〜１１ｍの出力ポートまで、または光導波路１１１〜１１ｍの入力ポートから光導波路１２１〜１２ｎの出力ポートまでの、いずれの経路を通っても、光が通過する溝の個数は、ｍ＋ｎ−１であり、光路選択による通過損失のばらつきを小さくすることができる。
【００１５】
次に、溝の寸法の具体例について説明する。溝の通過損失は、溝の幅が狭いほど小さい。実用的な光導波路型マトリクス・スイッチの容量を、ｍ×ｎ＝３２×３２、６４×６４、１２８×１２８の３つの場合について考える。通過する溝の数は、それぞれ６３個、１２７個、２５５個となり、透過する溝の個数は、それぞれ６２個、１２６個、２５４個となる。光導波路型マトリクス・スイッチを、光ファイバネットワークに適用する場合、スイッチの全挿入損失は、１０ｄＢ以下であることが望ましい。全挿入損失には、スイッチとファイバとの入出力結合損失、反射状態にある溝部分の通過損失なども含まれる。これらの損失の合計は、数ｄＢに及ぶことから、透過状態の溝に許容される損失は、少なくとも１０−３＝７ｄＢ程度以下であることが要求される。従って、スイッチの容量に応じて、一箇所の溝に許容される通過損失は、以下の通りとなる。
ｍ×ｎ＝３２×３２    ：７／６３＝０．１１ｄＢ
ｍ×ｎ＝６４×６４    ：７／１２７＝０．０６ｄＢ
ｍ×ｎ＝１２８×１２８：７／２５５＝０．０３ｄＢ
【００１６】
図２に、溝の幅と光損失の関係を示す。光導波路の比屈折率差△を変えたときの、溝の幅と回析損失との関係を示したものである。コアサイズ７μｍ×７μｍの標準的な光導波路の場合には△＝０．４５％である。低損失化のために比屈折率差を低くした場合（コアサイズ８μｍ×８μｍ）には、△＝０．３６％，０．３０％である。図２の△＝０．３０％の場合に、上述した通過損失を実現するために、光ビームの入射方向からみた実効的な溝の幅は、
ｍ×ｎ＝３２×３２    ：約１５μｍ（０．１１ｄＢ）
ｍ×ｎ＝６４×６４    ：約１２μｍ（０．０６ｄＢ）
ｍ×ｎ＝１２８×１２８：約１０μｍ（０．０３ｄＢ）
となる。
【００１７】
上述したように、このような細くて深い溝をエッチングにより形成すると、溝の形状や深さの均一性が保てないという問題があった。そこで、図１に示したように、スイッチング溝ａとダミー溝ｂのいずれもが一直線上に並ぶように、各々の光導波路と溝とを配置した。すなわち、光導波路１１１〜１１ｍと光導波路１２１〜１２ｎとが交差する点を結んだ仮想直線（一点鎖線ｘ−ｘ’，ｙ−ｙ’で示した。）上に配置した。このようにして、各々のスイッチング溝ａとダミー溝ｂとは、円盤状切刃（ダイシングソー）により、回転切削を行って形成することができる。
【００１８】
この方法によれば、切刃のアドレス回数を減らすことができるので、アドレス時の誤差の累積が少なく、溝を形成する時間を短縮することができる。また、切刃によれば、テーパもなく、溝の形状や深さが一定であるスイッチング溝ａおよびダミー溝ｂを、容易に形成することができる。
【００１９】
しかし、ダイシングソーは、その用途から、切刃の幅の薄いもので、約２０〜１５μｍ程度のものが市販されているに過ぎない。溝幅１０μｍを切削するための極薄い切刃は、特注品であり、消耗が激しく頻繁に交換しなければならず、経済的ではない。
【００２０】
図３に、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの構造を示す。切刃の切削による消耗は、切削体積を減らすほど少なくなる。そこで、切刃により回転切削を行う領域を小さくするために、光導波路の周辺に深い溝ｃを設けた。深い溝ｃの領域の深さは、切刃の切削する深さ程度またはそれよりも深い。一方、スイッチング溝ａは、光導波路１１１，１１２，１２１，１２２の、各々のコア３１１，３１２，３２１，３２２を切削するのに十分な深さを有する。
【００２１】
このようにして、切刃は、光導波路１１１，１１２，１２１，１２２の交差位置にあるスイッチング溝ａを切削するが、予め深い溝ｃを形成することにより、切刃による切削体積を減らすことにより、切刃の消耗を極力抑えることができる。
【００２２】
図４Ａに、図３に示した光導波路型マトリクス・スイッチおけるＩＶＡ−ＩＶＡの断面を示す。図４Ｂに、図３に示した光導波路型マトリクス・スイッチおけるＩＶＢ−ＩＶＢの断面を示す。光導波路の間隔は、これに接続する光ファイバを最も緻密に並列配置した場合には、２５０μｍ間隔である。光導波路１１１，１１２，１２１，１２２の、各々のコア３１１，３１２，３２１，３２２およびクラッド領域の幅は、３０μｍあればよいので、深い溝ｃを、２２０μｍの幅で設けることができる。
【００２３】
従って、スイッチング溝ａまたはダミー溝ｂと深い溝ｃとの比率は、１２：８８となるので、深い溝ｃがない場合に比較して、切刃の消耗による寿命は、８８／１２程度改善することができる。なお、深い溝ｃは、大きい面積の領域を一括して形成してもよいし、小さい面積の領域に分割して形成してもよい。
【００２４】
図５を参照して、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの動作を説明する。図３における光導波路１１１，１２１の交差位置を拡大したものである。スイッチング溝ａには、反射面を有する挿入板５１を、上下動またはスイッチング溝ａと平行して移動することにより、光路間に挿入されるようにする。挿入板５１が挿入されると、光導波路１１１のコア３１１に入力された光ビームは、図５に実線で示したように光導波路１２１のコア３２１に出力される。挿入板５１が挿入されていない状態では、光導波路１１１のコア３１１に入力された光ビームは、図５に点線で示したように、そのまま光導波路１１１のコア３１１を直進して出力される。
【００２５】
例えば、挿入板５１のアクチュエーターとして、カンチレバーを用いて挿入板５１を挿入可能に移動させることができる。
【００２６】
図６Ａ−６Ｅに、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの製造方法を示す。図６Ａにおいて、基板６１上に光導波路の下部クラッドとなる石英膜６２と、コアとなる石英膜６３とを順次堆積し、図６Ｂにおいて、フォトリソグラフィで石英光導波路６４を形成する。図６Ｃにおいて、この光導波路を上部クラッドとなる石英膜６５で埋め込む。フォトリソグラフィで石英光導波路を形成する際には、回転切削を行う切刃のアドレスのために、スタート位置、ストップ位置および切削方向を示すための位置合わせマークを同時に形成しておく。
【００２７】
エッチングにより深い溝ｃを形成し、スイッチング溝ａおよびダミー溝ｂを切刃６６により切削する。スイッチング溝ａおよびダミー溝ｂの切削の位置合わせは、光学顕微鏡のモニタを使って行う。位置合わせマーク上にダイシングソーを置き、石英膜を所望の深さと長さに切削する。ダイシングソーの切刃の円周周りには、通常硬質の粒子が付着させてあり、水などの液体を供給しながら高速回転することにより光導波路を切削する。
【００２８】
このとき、ダイシングソーの切刃によるスイッチング溝ａまたはダミー溝ｂの深さは、深い溝ｃの深さと同程度であればよく、厳密な設定精度は必要としない。図６Ｅにおいて、切刃の切削する深さが、深い溝ｃの底部よりわずかに浅い位置（ｈ１）である場合には、切刃は、深い溝ｃの領域を切削することがないので、切刃の消耗が最も小さい。また、切刃の切削する深さが、深い溝ｃの底部よりわずかに深い位置（ｈ２）である場合にも、切刃は、深い溝ｃの領域をわずかに切削するだけなので、切刃の消耗を極力抑えることができる。
【００２９】
本実施形態によれば、ｍ＋ｎ≦２５６の規模を有する光導波路型マトリクス・スイッチの、スイッチングのための溝を均一に形成し、かつ経済的に提供することができる。また、透過状態における溝部分における挿入損失のばらつきを抑えることができる。
【００３０】
［産業上の利用可能性］
以上説明したように、本発明によれば、通信系の規模の拡大に応じて、柔軟に適用可能な光導波路型マトリクス・スイッチの基本構成要素を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチを示した構成図。
図２は、溝の幅と光損失の関係を示した図。
図３は、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの構造を示した平面図。
図４Ａおよび４Ｂは、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの構造を示した断面図。
図５は、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの動作を説明するための図。
図６Ａ−６Ｅは、本発明の一実施形態にかかる光導波路型マトリクス・スイッチの製造方法を説明するための図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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