(57)【要約】交差導波路２２を伝播する光のスポットサイズを、光入力導波路２１ａ，２１ｂ、光出力導波路２３ａ，２３ｂ又は接続導波路２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを伝播する光のスポットサイズよりも大きくする。
2002023264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを、前記光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズよりも大きくしたことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ以上とし、前記光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ未満としたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の光デバイス。
【請求項３】
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ以上としたことを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
前記分岐／交差導波路の幅と厚さのうちの少なくとも一方を、前記光入力導波路及び光出力導波路の幅又は厚さより小さい値に設定したことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記分岐／交差導波路の幅に対する厚さの比を、１０／４以上としたことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項６】
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路の幅と厚さのうちの少なくとも一方を、前記光入力導波路及び光出力導波路の幅又は厚さより小さい値に設定したことを特徴とする光デバイス。
【請求項７】
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路の幅に対する厚さの比を、１０／４以上としたことを特徴とする光デバイス。
【請求項８】
前記分岐／交差導波路の幅及び厚さをそれぞれ、１０μｍ以上及び４μｍ以下としたことを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記分岐／交差導波路の交差／分岐角度を３−６°としたことを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記分岐／交差導波路を単一モード導波路で構成したことを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記接続導波路がテーパ状の導波路を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記光入力導波路に入力される光のスポットサイズを、前記光入力導波路に接続すべき光学素子又は光導波路から出力される光のスポットサイズにほぼ一致させたことを特徴とする請求の範囲第１項から第１１項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記光出力導波路から出力される光のスポットサイズを、前記光出力導波路に接続すべき光学素子又は光導波路に入力される光のスポットサイズにほぼ一致させたことを特徴とする請求の範囲第１項から第１２項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記分岐／交差導波路に入力された光の伝播方向を切り替える光スイッチ素子を更に具えることを特徴とする請求の範囲第１項から第１３項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記光スイッチ素子が、所定の電圧を印加し又は所定の電流を供給することによって前記分岐／交差導波路の屈折率を変化させる少なくとも１個の電極を有することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の光デバイス。
【請求項１６】
分岐／交差導波路を有するコア層と、
そのコア層が表面の一部に堆積され、所定の値の屈折率を有する第１クラッド層と、
その第１クラッド層と共に前記コア層を挟み、前記第１クラッド層の屈折率と異なる値の屈折率を有する第２クラッド層と、
所定の電圧を印加し又は所定の電流を供給することによって前記分岐／交差導波路の屈折率を変化させる少なくとも１個の電極とを具えることを特徴とする光デバイス。
【請求項１７】
前記第１クラッド層の厚さを４μｍと４０μｍとの間としたことを特徴とする請求の範囲第１６項記載の光デバイス。
【請求項１８】
前記第１クラッド層の厚さを４μｍと１５μｍとの間としたことを特徴とする請求の範囲第１７項記載の光デバイス。
【請求項１９】
前記コア層が、単一モード光入力導波路、単一モード分岐／交差光導波路及び単一モード光出力導波路を有し、
前記電極を、前記単一モード分岐／交差光導波路の付近に配置した矩形の電極とし、
前記導波路の幅に対する前記電極の幅を０．２倍以上に設定して、前記単一モード分岐／交差光導波路から前記第１クラッド層を経て再び前記単一モード分岐／交差導波路を伝播するように光の切替を行う機能を有することを特徴とする請求の範囲第１６項から第１８項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項２０】
前記コア層が、単一モード光入力導波路、単一モード分岐／交差光導波路及び単一モード光出力導波路を有し、
前記電極を、前記単一モード分岐／交差光導波路の付近に配置した矩形の電極とし、
前記導波路の幅に対する前記電極の幅を３倍以下に設定して、前記単一モード分岐／交差光導波路から前記第１クラッド層を経て再び前記単一モード分岐／交差導波路を伝播するように光の切替を行う機能を有することを特徴とする請求の範囲第１６項から第１８項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項２１】
前記第１及び第２クラッド層をそれぞれ、負の温度係数を有する材料で構成し、前記第１クラッド層の屈折率の値を、前記第２クラッド層の屈折率の値より低くしたことを特徴とする請求の範囲第１６項から第２０項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項２２】
前記第１及び第２クラッド層をそれぞれ、正の温度係数を有する材料で構成し、前記第１クラッド層の屈折率の値を、前記第２クラッド層の屈折率の値より高くしたことを特徴とする請求の範囲第１６項から第２０項のうちのいずれか１項に記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば波長多重（ＷＤＭ）方式を利用したフォトニックネットワークに含まれる光デバイスに関するものである。
背景技術
フォトニックネットワークや、光交換技術の発展に伴って、光デバイス、例えば、光導波路を用いた光スイッチ、光変調器のような光導波路デバイス等が使用される頻度が高くなる傾向にある。
例えば、光スイッチについては、方向性結合器又はマッハツェンダ形干渉導波路を用いた第１のタイプや、分岐／交差導波路を用いた第２のタイプがある。
第１のタイプの光スイッチは、アナログ的に動作し、例えば、スイッチング動作のための印加電圧を増大させるに従って、出力光の強度がほぼ零になるまで次第に低減し、その後印加電圧を更に増大させるに従って、出力光の強度が再び増大する。それに対して、第２のタイプの光スイッチは、一般にデジタル的に動作し、所定の値以上の電圧が印加されることによってオンオフ動作を行う。
第１のタイプの光スイッチは、導波路内の光波の位相を変化させることによってオンオフ動作を行っている。したがって、例えば、電気光学効果を利用して導波路の屈折率を僅かに変化させるだけでスイッチング動作を行うことができるので、動作電圧を小さくすることができ、動作効率が比較的高いという利点を有する。
しかしながら、第１のタイプの光スイッチを構成するに当たり、サイズを比較的大きくする必要があるという不都合がある。また、オンオフ動作を行うために、動作電圧を、スイッチング特性に応じて適切な値に設定する必要がある。その結果、光スイッチ制御用の電子回路の構成が複雑になり、特に、マトリックススイッチのような複数のスイッチ要素を有するデバイスの場合、各スイッチに合わせて電圧の微調整を行う必要がある。
一方、第２のタイプの光スイッチは、サイズを比較的小さくすることができるという利点を有する。また、スイッチング動作を行うためには、所定の値以上の電圧を印加すればよいので、制御用の電気回路を省略することができ、第１のタイプの光スイッチに比べて制御が容易になるという利点がある。
図１Ａは、このような第１のタイプの上面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＩ−Ｉ断面を示す図であり、図１Ｃは、図１Ａにおいて破線で囲んだ部分を示す図である。この光デバイスは、交差導波路を有するコア層１と、クラッド層２と、交差導波路の上に配置した電極３と、クラッド層２を堆積した基板４とを具える。
この光デバイスは、スイッチング動作の際に光の全反射現象を利用している。すなわち、電極３に所定の電圧を印加し又は所定の電流を流すと、導波路材料の電気光学（ＥＯ）効果又は熱光学（ＴＯ）効果によって電極３の真下の導波路の屈折率を変化させる。
このような動作によって、導波路への入力光Ｐ０は、導波路を直進して出力光Ｐ１となり、又は電極３の真下の面での全反射によって出力光Ｐ２となる。
しかしながら、このような第２のタイプの光デバイスの場合、全反射を行うのに必要な導波路の屈折率変化を発生させるために、第１のタイプの光デバイスに比べて動作電圧を大きくする必要がある。
この場合、交差導波路の分岐角度θを小さくすることによって、全反射を行うのに必要な導波路の屈折率変化の量を小さくすることができるので、スイッチング動作の効率を改善することができる。しかしながら、分岐角度θを小さくすると、これに伴って光デバイスのサイズが大きくなるので、損失が著しく増加し又はクロストークが大きくなるという不都合がある。
この対策として、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２５，ｎｏ．１１，ｐｐ．７３０−７３１，１９８９に記載されているように、分岐／交差導波路のコア層の幅を光入力導波路及び光出力導波路のコア層の幅より広くすることによってクロストークを抑制する方法が用いられている。
この場合、分岐／交差導波路は、コア層の断面積が大きくなるので、導波路中の光閉じ込め効果が著しく強くなり、複数のモードを伝搬するいわゆる多モード導波路になる。
このために、製品の導波路中の僅かな形状・材質のばらつきに起因して、光入力導波路から入力した基本モード光がこの分岐／交差導波路中を伝搬するときに高次モード光に変換される。
このような変換によって生じる放射損失又は光出力導波路への結合損失が増大し、その結果、光デバイスの損失が著しく大きくなるおそれがある。
また、熱光学効果によって導波路の屈折率を変化させた場合、屈折率の変化量は、電極３が最も高温になるような温度分布に比例した大きさとなる。したがって、導波路の屈折率を変化させることによって形成された光の全反射面は、この温度分布の形状と同一になるので、クラッド層２の表面に対して垂直にならずに傾斜するので、全反射面で反射された光の一部が導波路から放射し、損失が増大する。また、このような光の一部が、光入力導波路に対向する光出力導波路に結合して、クロストークが悪化するおそれもある。
本発明の目的は、光の損失及びクロストークを低減させるとともに、動作効率を向上させた光デバイスを提供することである。
発明の開示
本発明による光デバイスは、
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを、前記光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズよりも大きくしたことを特徴とするものである。
光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路については、その光閉じ込めを強くして光のスポットサイズが小さくなるに従って、光入力導波路に接続すべき光学素子又は光導波路との結合損失及び接続導波路での放射損失が低減する。
それに対して、分岐／交差導波路については、光のスポットサイズが大きくなるに従って、光の回折が小さくなり、その結果、損失及びクロストークが低減する。
本発明によれば、分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを、光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズよりも大きくすることによって、光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路の光閉じ込めを強くするとともに、分岐／交差導波路における光の回折を小さくすることができるので、光デバイスにおける光の損失及びクロストークを低減させる。また、動作効率の観点から分岐角度を小さくするのが好ましいが、本発明によれば、分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを比較的大きくすることによって、光の損失及びクロストークを悪化させることなく分岐角度を比較的小さくすることができるので、その動作効率が向上する。
本明細書中、分岐／交差導波路とは、分岐導波路又は交差導波路を意味するものとする。
光の損失及びクロストークを低減させるために、好適には、前記分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ以上とし、前記光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ未満とする。
本発明による他の光デバイスは、
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ以上としたことを特徴とするものである。
本発明のように分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ以上とした場合、光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズに関係なく光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路の光閉じ込めを強くするとともに、分岐／交差導波路における光の回折を小さくすることができ、光デバイスにおける光の損失及びクロストークを低減させる。
顕著なクロストーク低減効果を達成するために、前記分岐／交差導波路の幅と厚さのうちの少なくとも一方を、前記光入力導波路及び光出力導波路の幅又は厚さより小さい値に設定し、及び／又は、前記分岐／交差導波路の幅に対する厚さの比を、１０／４以上にするのが好適である。
本発明の他の光デバイスは、
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路の幅と厚さのうちの少なくとも一方を、前記光入力導波路及び光出力導波路の幅又は厚さより小さい値に設定したことを特徴とするものである。
本発明の他の光デバイスは、
光入力導波路と、
分岐／交差導波路と、
光出力導波路と、
前記光入力導波路と前記分岐／交差導波路との間及び前記光出力導波路と前記分岐／交差導波路との間をそれぞれ接続する接続導波路とを具え、
前記分岐／交差導波路の幅に対する厚さの比を、１０／４以上としたことを特徴とするものである。
好適には、前記分岐／交差導波路の幅及び厚さをそれぞれ、１０μｍ以上及び４μｍ以下とし、更に好適には、前記分岐／交差導波路の交差／分岐角度を３−６°とする。前記分岐／交差導波路を、例えば単一モード導波路で構成する。
好適には、前記接続導波路がテーパ状の導波路を有する。これによって、スポットサイズが互いに相違する導波路間のスポットサイズを徐々に変更させることができるので、光の損失を低減させることができる。
好適には、前記光入力導波路に入力される光のスポットサイズを、前記光入力導波路に接続すべき光学素子又は光導波路から出力される光のスポットサイズにほぼ一致させて、光入力導波路と、平面光回路（ＰＬＣ）や半導体光デバイスのような光学素子又は光ファイバのような光導波路との間の結合損失を低減させることができる。
前記光出力導波路から出力される光のスポットサイズを、前記光出力導波路に接続すべき光学素子又は光導波路に入力される光のスポットサイズにほぼ一致させた場合、光出力導波路と光学素子又は光導波路との間の結合損失を低減させることができる。
前記分岐／交差導波路に入力された光の伝播方向を切り替える光スイッチ素子を更に具えてもよく、この場合、前記光スイッチ素子は、例えば、所定の電圧を印加し又は所定の電流を供給することによって前記分岐／交差導波路の屈折率を変化させる少なくとも１個の電極を有する。
本発明による他の光デバイスは、
分岐／交差導波路を有するコア層と、
そのコア層が表面の一部に堆積され、所定の値の屈折率を有する第１クラッド層と、
その第１クラッド層と共に前記コア層を挟み、前記第１クラッド層の屈折率と異なる値の屈折率を有する第２クラッド層と、
所定の電圧を印加し又は所定の電流を供給することによって前記分岐／交差導波路の屈折率を変化させる少なくとも１個の電極とを具えることを特徴とするものである。
本発明によれば、第１クラッド層の屈折率の値が第２クラッド層の屈折率の値と異なるので、全反射面を第２クラッド層の表面に対してほぼ垂直にすることができる。その結果、全反射面で反射された光が導波路からほとんど放射しないので、損失が低減する。また、このような光の一部が、光入力導波路に対向する光出力導波路に結合して、クロストークが悪化するおそれが低減する。
結合損失低減の観点から、前記第１クラッド層の厚さを、好適には４μｍと４０μｍとの間とし、更に好適には４μｍと１５μｍとの間とする。
単一モード光導波路を有するコア層は、断面積が比較的小さいために導波路中の光閉じ込め効果が著しく強くならず、一般に偏平コア層と称されている。
前記コア層が、単一モード光入力導波路、単一モード分岐／交差光導波路及び単一モード光出力導波路を有し、
前記電極を、前記単一モード分岐／交差光導波路の付近に配置した矩形の電極とし、
前記導波路の幅に対する前記電極の幅を０．２倍以上及び／又は３倍以下に設定して、前記単一モード分岐／交差光導波路から前記第１クラッド層を経て再び前記単一モード分岐／交差導波路を伝播するように光の切替を行う機能を有することもできる。
この場合、光の閉じ込めが著しく強くないために、光導波路の幅に対する電極の幅を比較的大きくしても、過剰損を十分小さくすることができ、かつ、スイッチングの消光比を比較的大きくすることができる。なお、光導波路の幅に対する電極の幅は、電極の温度と駆動電力との関係から設定される。
例えば、前記第１及び第２クラッド層をそれぞれ、負の温度係数を有する材料で構成し、前記第１クラッド層の屈折率の値を、前記第２クラッド層の屈折率の値より低くする。
また、前記第１及び第２クラッド層をそれぞれ、正の温度係数を有する材料で構成し、前記第１クラッド層の屈折率の値を、前記第２クラッド層の屈折率の値より高くすることもできる。
発明を実施するための最良の形態
本発明による光デバイスの実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。以下説明する実施の形態では、コア層として偏平コア層を用いたものについて説明するが、特に説明しない限り、これに限定されるものではない。
図２Ａは、本発明による光デバイスの第１の実施の形態の上面図であり、図２Ｂは、図２ＡのＩＩ−ＩＩ断面である。１×２光スイッチとして構成したこの光デバイスは、コア層１１と、クラッド層１２と、交差導波路の上に配置した電極１３と、クラッド層２を堆積した基板１４とを具える。
コア層１１は、光入力導波路２１ａ，２１ｂと、交差導波路２２と、光出力導波路２３ａ，２３ｂと、光入力導波路２１ａ，２１ｂと交差導波路２２との間をそれぞれ接続する接続導波路２４ａ，２４ｂと、光出力導波路２３ａ，２３ｂと交差導波路２２との間をそれぞれ接続する接続導波路２５ａ，２５ｂとを有する。接続導波路２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂはそれぞれ、曲り導波路２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂと、テーパ状導波路２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂとを有する。これら光入力導波路２１ａ，２１ｂ、交差導波路２２、光出力導波路２３ａ，２３ｂ及び接続導波路２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂの全てを単一モード光導波路とする。
本実施の形態では、交差導波路２２の幅を、光入力導波路２１ａ，２１ｂの幅、光出力導波路２３ａ，２３ｂの幅及び曲り導波路２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂの幅よりも小さくする。また、交差導波路２２を伝播する光のスポットサイズを、光入力導波路２１ａ，２１ｂ、光出力導波路２３ａ，２３ｂ又は接続導波路２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを伝播する光のスポットサイズよりも大きくする。
図３は、交差導波路の分岐角度θと損失との関係を示す図であり、図４は、交差導波路の分岐角度θとクロストークとの関係を示す図である。図３及び４において、交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ，７．５μｍ，１０μｍ，１２．５μｍ及び１５μｍとしたときの関係をそれぞれプロットし、伝播する光の形状が円形であると仮定している。
また、計算を簡単にするために、交差導波路を伝搬する光波強度分布がガウス分布になっているものとして解析している。なお、通常の光閉じ込め効果を有する光入力導波路及び光出力導波路中の光波はガウス分布形状になっている。
なお、光入力導波路２１ａに光を入力して光出力導波路２３ｂから出力するスイッチ状態において、入力光の光パワーをＰ１０とし、光出力導波路２３ｂから出力する光のパワーをＰ１１とし、光出力導波路２３ａから出力する光のパワーをＰ１２とした場合、損失はＰ１１／Ｐ１０で表され、クロストークはＰ１２／Ｐ１０で表される。
交差導波路２２に入力される光は、回折の影響によって広がりながら進行するので、原理的には、交差導波路２２の出力側に対して光の損失及びクロストークが生じる。したがって、分岐角度θが小さくなるに従って、交差導波路２２の図２Ａにおける縦方向の寸法が増大し、その結果、光の損失及びクロストークが増大する。
単一モード光導波路の場合、その光閉じ込めを強くしてスポットサイズを小さくするに従って、曲がり導波路における光の放射損失が小さくなる。従来の光スイッチの場合、それに接続される光ファイバとの結合損失や、曲り導波路での放射損失を低減することができる。
従来の光スイッチにおいて、これらの結合損失や放射損失を低減させるために、光スイッチの導波路を伝播する光のスポットサイズを、単一モード光ファイバを伝播する光のスポットサイズにほぼ等しくなるように約５μｍ又は光閉じ込めを更に強くして５μｍ未満となるように導波路寸法及び材料を選択する。
図３及び４からわかるように、損失を１ｄＢ以下に低減するとともに、クロストークを５０ｄＢ以上確保するためには、分岐角度θを８°以上にする必要がある。また、分岐角度θが一定である場合、スポットサイズが大きくなるに従って損失が低減するとともにクロストークが改善される。さらに、損失及びクロストークが一定である場合、スポットサイズが大きくなるに従って分岐角度θが大きくなる。その理由は、スポットサイズが大きくなるに従って交差導波路における光の回折が小さくなるからである。
本実施の形態によれば、交差導波路２２を伝播する光のスポットサイズを、光入力導波路２１ａ，２１ｂ、光出力導波路２３ａ，２３ｂ又は接続導波路２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを伝播する光のスポットサイズよりも大きくすることによって、光デバイスの寸法を増大させることなく損失及びクロストークを低減させることができ、その結果、光デバイスの動作効率が向上する。
図５は、本発明の原理を説明するための図である。これは、屈折率がｎ１の媒体３１と屈折率がｎ２（ｎ１≧ｎ２）の媒体３２との境界面３３における光の全反射条件を示すものである。反射角をθｃとすると、
ｃｏｓθｃ＝ｎ２／ｎ１　　　　　　　　　（１）
の関係が成立する。
屈折率ｎ１の値が屈折率ｎ２の値とほぼ等しい場合、光は境界面３３を通過する。それに対して、屈折率ｎ１又はｎ２の値を変化させた場合、光が境界面３３で全反射され、スイッチング動作が行われる。ここで、交差導波路での全反射に必要な屈折率変化量Δｎｃは、以下の式で表される。
Δｎｃ＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ２　　　　　　（２）
この場合、スイッチング動作に必要な屈折率変化量Δｎｃと全反射が行われる反射角θｃとの関係は、表１のように表される。なお、表１において、ΔＴは、導波路材料としてポリマーを用いた場合、ポリマーのＴＯ効果（−１×１０−４／℃≦Δｎｃ≦−２×１０−４／℃）を考慮したときの屈折率変化量Δｎｃに必要な温度変化量の概算値である。
2002023264.tif 000003
したがって、分岐角度θが大きくなるに従って、全反射すなわちスイッチング動作に必要な屈折率変化量Δｎｃが大きくなり、その結果、動作温度が高くなるので、動作効率の観点から、分岐角度θをできるだけ小さくするのが好ましい。
図３及び４からわかるように、損失及びクロストークを一定にした場合、交差導波路の光のスポットサイズを比較的大きくすることによって、分岐角度θを比較的小さくすることができるので、スイッチング動作効率を従来に比べて大幅に向上させることができる。
図６Ａは、導波路を有するコア層の厚さが６μｍの場合の導波路寸法及び光ファイバとの結合損失との関係を示す図であり、図６Ｂは、導波路を有するコア層の厚さが２μｍの場合の導波路寸法及び光ファイバとの結合損失との関係を示す図である。これらは、コア層の厚さＴ及び幅Ｗ並びに光ファイバとの結合損失の関係を、有限要素法による定常界解析によって算出したものである。
この場合、導波路材料として、石英系やガラス又はポリマーのような屈折率ｎが１．５程度の大きさのものを用いた場合を示しており、コア層とクラッド層との屈折率差Δｎを０．５％とし、導波路を伝播する光の波長を１．５５μｍとする。なお、屈折率差Δｎは、コア層の屈折率をｎｃとし、クラッド層の屈折率をｎｓとした場合、以下の関係を有する。
Δｎ＝（ｎｃ−ｎｓ）／ｎｓ
図６Ａ及び６Ｂにおけるｗｆは、光ファイバを伝播する光のスポットサイズを表す。なお、通常の光ファイバの場合、ｗｆ＝５μｍとなる。単一モード導波路の場合、厚さＴが一定の場合、幅Ｗが小さくなるに従って光閉じ込めが弱くなり、そのスポットサイズが大きくなる。したがって、結合損失が小さい状態では、その導波路寸法でそのスポットサイズｗｆをほとんど実現している。
なお、幅Ｗと厚さＴが互いに相違する導波路を伝播する光は、通常、楕円に近い形状を有する。横方向のスポットサイズをｗｘとし、縦方向のスポットサイズをｗｙとした場合、実効的なスポットサイズは（ｗｘ×ｗｙ）１／２で表される。
図６からわかるように、屈折率差Δｎが０．５％であるとともに、厚さＴが一定である場合、幅Ｗを変化させることによってスポットサイズｗｆを適切な大きさに設定することができる。例えば、スポットサイズｗｆを５μｍにするには、厚さＴが６μｍのときには幅Ｗを７μｍとし、厚さＴが２μｍのときには幅Ｗを８−１０μｍとする。また、スポットサイズｗｆを１０μｍにするには、厚さＴが６μｍのときには幅Ｗを２μｍとし、厚さＴが２μｍのときには幅Ｗを４−４．５μｍとする。したがって、導波路材料、屈折率差Δｎ、厚さＴ又は幅Ｗを適切に選択することによって、スポットサイズｗｆを所望の大きさにすることができる。
スポットサイズが互いに相違する導波路間では、図２に示す本発明の実施の形態のように、幅又は厚さが徐々に変化するテーパ状導波路２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂを形成し、そのテーパ長を、例えば数１０μｍから数百μｍ程度に設定することによって、導波路間の結合損失を低減させることができる。
なお、交差導波路及びそれ以外の領域での導波路の寸法を同一に構成するとともに、屈折率差を各領域で互いに相違するように構成してもスポットサイズを所望に応じて設定することができる。この場合、テーパ状導波路２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂの屈折率差が徐々に変化するようにする。
また、スポットサイズを拡大する方法として、コア層の厚さを一定にしてコア層の幅を狭くする方法を説明したが、コア層の厚さを十分に肉薄にしてコア層の幅を広くする方法や、複数の導波路層から構成される導波路構造をとる方法を適用することもでき、通常用いられる任意のスポットサイズ変換導波路構成を採用しても本発明の効果を得ることができる。これらの導波路は、通常のフォトリソグラフィック技術、成膜技術、エピタキシャル選択成長技術等を用いて形成することができる。
本実施の形態によれば、交差導波路を伝播する光のスポットサイズを、光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズよりも大きくすることによって、光デバイスにおける光の損失及びクロストークを低減させるとともに、その動作効率が向上する。
なお、光入力導波路に入力される光のスポットサイズを、光入力導波路に接続すべき光学素子又は光導波路から出力される光のスポットサイズにほぼ一致させて、光入力導波路と、平面光回路（ＰＬＣ）や半導体光デバイスのような光学素子又は光ファイバのような光導波路との間の結合損失を低減させることができる。
さらに、交差導波路以外の導波路については光閉じ込めを強くして光のスポットサイズを小さくすることによって放射損失が小さくなるように構成しているので、光スイッチ全体の損失を小さくすることができる。
図７は、本発明による光デバイスの第２の実施の形態を示す図である。これは、コア層として、幅Ｗ１及び厚さＴ１の光入力導波路１７１ａ，１７１ｂ及び光出力導波路１７２ａ，１７２ｂと、幅Ｗ２及び厚さＴ２の曲り導波路１７３ａ，１７３ｂ，１７４ａ，１７４ｂと、幅Ｗ３及び厚さＴ３の交差導波路１７５とを具える。この場合、Ｗ３≧Ｗ１及びＴ１≧Ｔ３の関係を有する。
曲り導波路１７３ａ，１７３ｂ，１７４ａ，１７４ｂと交差導波路１７５との間に介在するテーパ状導波路１７６，１７７，１７８，１７９は、曲り導波路１７３ａ，１７３ｂ，１７４ａ，１７４ｂから延在するテーパ部１７６ａ，１７７ａ，１７８ａ，１７９ａと、交差導波路１７５から延在するテーパ部１７６ｂ，１７７ｂ，１７８ｂ，１７９ｂとを有する。
これらテーパ部１７６ａ，１７７ａ，１７８ａ，１７９ａ及びテーパ部１７６ｂ，１７７ｂ，１７８ｂ，１７９ｂの各々によって、光のスポットサイズは低損失に変換される。なお、Ｗ３≧Ｗ１及びＴ１≧Ｔ３の関係を有する場合、これら光導波路を、横幅又は層厚をテーパ形状にすることによって単一のコア層で構成することもできる。
本実施の形態でも、交差導波路を伝播する光のスポットサイズを、光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズよりも大きくすることによって、光デバイスにおける光の損失及びクロストークを低減させるとともに、その動作効率が向上する。
図８は、第２の実施の形態におけるコア層の厚さが１μｍ及び２μｍにおけるコア層の幅とクロストークとの関係を示す図であり、図９は、第２の実施の形態におけるコア層の厚さが２μｍ及び４μｍにおけるコア層の幅とクロストークとの関係を示す図である。図８の場合、分岐角度θを４°にするとともに、コア層とクラッド層との間の屈折率差を０．５％にし、図９の場合、分岐角度θを４°にするとともに、コア層とクラッド層との間の屈折率差を０．３％にする。
図８及び９からわかるように、コア層の幅を大きくするに従ってクロストーク特性が向上し、従来の光デバイスのようにコア層の幅が１０μｍ以下の場合には良好なクロストークが得られないことがわかる。コア層の幅を大きくするに従ってクロストーク特性が向上するが、コア層の幅を所定の値より大きくすると、導波路が多モード状態となり、損失が増大する。
図８及び９からわかるように、コア層の幅を一定にした場合、コア層を薄くするに従ってクロストーク特性が向上する。なお、本実施の形態では、分岐／交差導波路を単一モード導波路構成とする。
さらに、第２の実施の形態において、通常の導波路構成よりも極端に薄いコア層を用いて導波中の光閉じ込め効果を小さくした構成にすることによって、従来の導波路構造に比べて著しく優れたクロストーク低減効果を実現している。以下、このような効果を得る原理を説明する。
図１０は、比較的薄いコア層を用いた本実施の形態において、分岐／交差導波路中を伝播する光波の導波路断面内での強度分布を示す。コア層ｃの横方向（ｘ方向）の強度分布はガウス分布に近い形状になっている。
一方、コア層ｃの縦方向（ｙ方向）では、通常の導波路と異なって指数関数状の強度分布をとる。これは、縦方向における導波路中の光閉じ込め効果が小さいために、縦方向での光波スポットサイズがコア層ｃの厚さＴより十分大きくなることに起因する。
通常の光閉じ込め効果を有する導波路や従来の分岐／交差導波路のような光閉じ込め効果が比較的強い導波路では、光波の強度分布は、縦方向及び横方向において共にガウス分布に近い形状となる。このために、ガウス分布の光波を伝搬する分岐／交差導波路のクロストーク特性（図４）と比べると、本実施の形態は、図４に示す性質とは異なる性質を有する。
図１１−１３は、本発明においてコア層とクラッド層との屈折率差を０．２％にしたときにコア層ｃの厚さＴをそれぞれ４μｍ，３μｍ及び２μｍに設定した場合のクロストークと分岐／交差角度θの関係を表す。
図１１は、コア層ｃの厚さＴを比較的大きくして光閉じ込め効果が比較的強い導波路を構成した場合の特性を示す。図１１に示すように、図４に示すような特性と同様に、分岐／交差角度θ及びコア層ｃの幅Ｗが大きくなるに従ってクロストーク特性が向上する傾向がある。但し、図１１の場合、図４の場合と異なり、分岐／交差角度θが比較的大きい場合でも、クロストークの改善効果が顕著でない。
コア層ｃの厚さＴを更に小さくした場合、図１３に示すように、本実施の形態における分岐／交差角度θは、３−６°の範囲では、大きくなるに従ってクロストークが改善される。しかしながら、分岐／交差角度θが６°より大きくなると、クロストーク特性が悪化する傾向がある。
この場合、縦方向の光閉じ込め効果が比較的小さいために、コア層ｃを伝播する光波は、図１０に示すような指数関数状の強度分布を有する。このような指数関数状の光波は、光導波路の中央部（コア部）における実効的にスポットサイズが極めて小さい、すなわち、実効的に閉じ込めの強い光波と、光導波路の周辺部（クラッド部）におけるスポットサイズが比較的大きい光波とを重ね合わせた性質を有する。
このために、分岐／交差導波路において、スポットサイズが実効的に大きい成分は、回折効果によって光波の伝播方向に対して比較的大きな広がり角で広がりながら伝播する。交差／分岐角度θをこのような広がり角と同程度に設定した場合、その回折光が分岐／交差導波路と結合しやすくなり、クロストークを悪化させることになる。
したがって、本実施の形態では、比較的小さい角度の範囲で、クロストークが良好となる最適な交差／分岐角θが存在する。最適な交差／分岐角度θは、光導波路の材質や屈折率差・構造に依存する。なお、交差／分岐角度θを８°より大きく設定すると、通常のガウス分布状の光波を伝播させる光導波路の構成と同様に、交差／分岐角度θが大きくなるに従ってクロストーク特性が改善される傾向にある。
図８及び９では、コア層とクラッド層との間の屈折率差が０．５％及び０．３％の場合をそれぞれ示したが、コア層の屈折率がクラッド層の屈折率と異なる場合には、これらの屈折率差に応じてコア層の幅及び厚さを適切に設定することによって、本発明の効果を得ることができる。
図１４Ａは、本発明による光デバイスの第３の実施の形態の上面図であり、図１４Ｂは、図１４ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ断面である。本実施の形態では、交差導波路４１の交差部の真上に電極４２を配置することによって、２×２スイッチ構成をとっている。このような２×２スイッチ構成の光スイッチに対しても本発明を適用することができる。
図１５は、本発明による光デバイスの第４の実施の形態を示す図である。これは、交差導波路５１及び４個の電極４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを有する２×２スイッチ構成を有し、これに対しても本発明を適用することができる。
図１６は、本発明による光デバイスの第５の実施の形態を示す図である。これは、マトリックススイッチを構成したものであり、光導波路を有するコア層５１と、クラッド層５２と、入力側及び出力側に接続した光ファイバ５３と、交差導波路５４と、光スイッチ要素５５とを具える。
交差導波路５４に上記光スイッチ部のクロス導波路構造を使用し、光スイッチ要素５５として、上記第１タイプのスイッチと第２タイプのスイッチのうちのいずれのタイプを使用してもよい。この場合、本発明を適用した光スイッチマトリックスを実現することができる。
これまで光導波路として単一モード光導波路を用いた場合について説明したが、導波路長が短い又は高精細な導波路加工技術を用いて形成した導波路を用いる場合、多モード光導波路を光デバイスの一部に使用してもモード変換損失を低く抑えることができるので、本発明を適用することができる。また、光導波路を全て多オード光導波路とした場合でも、本発明を適用することができる。
上記実施の形態は、半導体中のキャリアによるプラズマ効果、多重量子井戸構造の効果等を利用した半導体光導波路デバイスや、ＥＯ効果を利用したニオブ酸リチウム等の強誘電体光導波路デバイスのような全ての光デバイスに適用することができ、最適には、ＴＯ効果を利用したガラス、ポリマー等の光デバイスによって構成する。
図１７は、本発明による光デバイスの第６の実施の形態を示す図である。これは、交差導波路の中央部の断面を示すものであり、光導波路を有する屈折率がｎｃのコア層１０１と、屈折率がｎｓ１である厚さｔｓ１の第１クラッド層１０２と、屈折率がｎｓ２である厚さｔｓ２の第２クラッド層１０３と、所定の電圧を印加し又は所定の電流を供給することによって交差導波路の屈折率を変化させる電極１０４と、基板１０５とを具える。
本実施の形態では、コア層１０１、クラッド層１０２及びクラッド層１０３をそれぞれ、負の温度係数を有するポリイミドのようなポリマー材料によって構成し、屈折率の関係を、
ｎｃ＞ｎｓ２＞ｎｓ１
とする。
図１８は、第１クラッド層の屈折率が第２クラッド層の屈折率と同一の従来の光デバイスの交差導波路近傍の実効的な温度分布を示す図であり、図１９−２１は、第１クラッド層の屈折率が第２クラッド層の屈折率と異なる本発明による光デバイスの交差導波路近傍の実効的な温度分布を示す図である。これらの温度分布は、有限要素法による計算値を表しており、図中の数値範囲はそれぞれ、図示しない基板の温度を基準にした電極１１３，１２３，１３３，１４３の温度で規格化した値を表している。また、第１クラッド層１１１，１２１，１３１，１４１の厚さをそれぞれ３０μｍとし、第２クラッド層１１２，１２２，１３２，１４２の厚さをそれぞれ１０μｍとする。また、第１クラッド層１１１，１２１，１３１，１４１、第２クラッド層１１２，１２２，１３２，１４２及びコア層１１４，１２４，１３４，１４４をそれぞれポリイミド材料で構成する。
ポリイミド材料は、高温になるに従って屈折率の値が小さくなるＴＯ効果を有する。したがって、これらの温度分布は、ＴＯ効果に基づく屈折率変化分の空間分布に対応し、高温になるに従って屈折率が小さいことを表す。
図１８からわかるように、電極１１３に近くなるに従って、温度分布の等温線がｘ軸に対して垂直に近い状態となり、かつ、高温となる。ただし、交差導波路すなわちコア部１１４が電極１１３に近くなるに従って、電極１１３による光の吸収損失が生じる。このような影響を軽減し、かつ、高温・等温線のｘ軸に対する垂直性や必要なスイッチング速度を考慮して、コア層１１４の位置及び第１クラッド層１１１の厚さと第２クラッド層１１２の厚さとの和を設定する。
この場合、第２クラッド層１１２の表面から約１０μｍの深さで、電極１１３の端部からｘ軸方向に約１０−２０μｍ離間した位置にコア層１１４の中心を設定するのが好適である。しかしながら、コア層１１４の近傍で、温度分布の等温線がｙ−ｚ軸面すなわちｘ軸に対する垂直面に対して傾斜し、交差導波路に入力する光の全反射面がｘ軸に対する垂直面からずれて、反射された光の一部が放射するという不都合がある。
図１９−２１において、第１クラッド層１２１，１３１，１４１の屈折率の値を、第２クラッド層１２２，１３２，１４２の屈折率の値よりも低くする。図１６の場合、第１クラッド層１２１，１３１，１４１の屈折率と第２クラッド層１２２，１３２，１４２の屈折率との屈折率差を０．０５％とし、図１７の場合、屈折率差を０．１％とし、図１８の場合、屈折率差を０．２％とする。
図１９−２１の場合も、第１クラッド層１２１，１３１，１４１及び第２クラッド層１２２，１３２，１４２の実際の温度分布は図１５と同様であるが、ポリイミドが−１×１０−４／℃程度の負の温度係数のＴＯ効果を有することを考慮すると、第１クラッド層１２１，１３１，１４１の屈折率と第２クラッド層１２２，１３２，１４２の屈折率との屈折率差０．０１％当たり第１クラッド層１２１，１３１，１４１全体を１℃だけ温度を上昇させたことになる。
例えば、電極１２３，１３３，１４３を１００℃だけ温度を上昇させると、第１クラッド層１２１，１３１，１４１は、屈折率差０．０１％当たり規格化温度に換算して０．０１だけ大きくなる。このような効果を考慮した実効的温度分布の計算結果を示したものが図１６−１８となる。すなわち、屈折率差を０．０５−０．１％程度に設定すると、コア層付近の温度分布（等温線）がｘ軸に対してほぼ垂直になる。
この原理を利用することによって、導波路材料のＴＯ効果又はＥＯ効果の影響及びコア層の位置を考慮するとともに、クラッド層の厚さ及び屈折率差を適切に設定することによって、光の全反射に伴う損失やクロストークを低減することができる。これらの導波路構成は、例えば導波路材料としてポリマー材料を用いた場合、屈折率の大きさを、適切な組成配合などによって設定することができ、厚さを、固化前のポリマー材料の粘度やスピナー回転速度を調整することによって設定することができ、通常のフォトリソグラフィック技術や成膜技術を用いて実現することができる。
図２２は、本発明による光デバイスの第７の実施の形態を示す図である。これは、交差導波路の中央部の断面を示すものであり、光導波路を有する屈折率がｎｃのコア層１５１と、屈折率がｎｓ１１である厚さｔｓ１１の第１クラッド層１５２と、屈折率がｎｓ１２である厚さｔｓ１２の第２クラッド層１５３と、屈折率がｎｓ１３である厚さｔｓ１３の第３クラッド層１５４と、所定の電圧を印加し又は所定の電流を供給することによって交差導波路の屈折率を変化させる電極１５５と、基板１５６とを具える。
本実施の形態では、コア層１５１、クラッド層１５２、クラッド層１５３及びクラッド層１５４をそれぞれ、負の温度係数を有するポリイミドのようなポリマー材料によって構成し、屈折率の関係を、
ｎｃ＞ｎｓ１２＞ｎｓ１１＞ｎｓ１３
とする。
このように第３クラッド層１５４を更に具える場合にも、本発明を適用することができる。なお、第２クラッド層と基板との間に２層以上のクラッド層を介在させてもよい。
図２３Ａは、本発明による光デバイスの第８の実施の形態の上面図であり、図２３Ｂは、図２３ＡのＩＶ−ＩＶ断面である。本実施の形態では、分岐導波路１６１の上に２個の電極１６２，１６３を配置している。この場合も本発明を適用することができる。
これまで、ＴＯ効果を得るために、負の温度係数を有するポリイミド材料を用いた場合について説明したが、正の温度係数を有する材料を用いてコア層、クラッド層を構成することもできる。このような材料としてＬｉＮｂＯ３，ＰＬＺＴ、光学ガラス等を用いる場合、第５の実施の形態において、屈折率の関係は、
ｎｓ２＜ｎｓ１
の関係を有する必要があり、第７の実施の形態において、屈折率の関係は、
ｎｓ１２＜ｎｓ１１＜ｎｓ１３
の関係を有する必要がある。
なお、ＥＯ効果を利用する場合、印加電圧によって電極−基板間で形成される電界強度分布を、半導体の電流注入効果（プラズマ効果）を利用し、電流密度分布を考慮してクラッド層の屈折率及び厚さを構成すればよく、任意の光学材料に対しても、本発明の原理を利用することができる。
次に、第１クラッド層（例えば、図７のクラッド層１０２）の厚さと結合損失との関係を、図２４及び２５を参照して説明する。
図２４に示したように、第１クラッド層の厚さが１５μｍより小さくなるに従って結合損失が小さくなる。しかしながら、第１クラッド層の厚さが４μｍより小さくなると、第１クラッド層から光が漏洩し、伝搬損失が悪化するおそれがある。その結果、第１クラッド層の厚さを４μｍ以上にするのが好ましい。
一方、第１クラッド層の厚さが１５μｍ以上になると結合損失がほぼ飽和状態となり、接続損失の大幅な低減が達成されない。また、図２５に示したように、第１クラッド層の厚さが４０μｍを超えると、供給電力の増加の割合が顕著になる。その結果、第１クラッド層の厚さを、好適には４０μｍ以下とし、更に好適には１５μｍ以下にする。
次に、２×２光デバイス（２入力２出力タイプの光スイッチ）の場合、本発明の好適な実施の形態における光導波路の幅に対する電極の幅を、従来の光デバイスと比較しながら、図２６−２８を用いて説明する。
従来の２×２光デバイスの場合、コア層の断面積が比較的大きく、光閉じ込め効果が著しく強い導波路を使用しているので、過剰損を小さくするために、図２６において、分岐導波路２７１の付近の中央部に配置された電極２７２の幅ｔ、すなわち、導波路の幅ｄに対する電極２７２の幅ｔ（ｔ／ｄ）を比較的狭くする必要がある。しかしながら、幅ｔが小さい場合、電極２７２の分岐導波路２７１に対する位置合わせが困難であり、電極２７２に電流を流すと断線しやすい傾向にある。
本発明の好適な実施の形態によれば、コア層の断面積が比較的小さく、光閉じ込め効果が著しく強くない単一モード光導波路を使用することによって、図２７に示す分岐導波路２７３の付近に配置された電極２７４の幅ｔ、すなわち、導波路の幅ｄに対する電極２７４の幅ｔ（ｔ／ｄ）を比較的大きくして、矢印で示すように分岐光導波路２７３から第１クラッド層２７５を経て再び分岐導波路２７３を伝播するように光の切替を行う。
図２８は、従来および本発明の２×２光デバイスにおいて、スイッチング動作時の損失（：反射損失）と電極幅の規格値ｔ／ｄの関係を示す。ここでは、コア形状（：Ｔ／ｄ，Ｔ：コア厚）をパラメータにとっている。図２８から、従来の閉じ込めの強い光導波路を用いた光デバイスでは、ｔ／ｄを極めて小さく設定した場合、損失は小さいが、ｔ／ｄが大きくなるにしたがって、損失が著しく増加することが分かる。この現象は、スイッチング動作時に電極端部２７２−１，２７２−２が導波光に対する全反射面として機能し、ｔ／ｄが大きくなるにしたがって、反射光がクラッドに漏洩して大きな損失が生ずる。
一方、本発明の場合、ｔ／ｄが小さい時、スイッチング動作時に僅かな過剰損失が生ずる。これは、閉じ込めが弱い単一モード導波路を使用しているために、分岐交差部にて生ずる損失に起因する。しかしながら、ｔ／ｄを大きくしても損失は僅かな増加に抑えることが出来る。これは、本発明では、例えば図２２中に示す屈折率が相対的に小さい第３クラッド層１５４を配置してあるために、クラッド領域２７５に漏洩した反射光は再び分岐導波路２７３に結合して損失の増加が抑制される。したがって、ｔ／ｄを０．２以上に設定した場合、従来例と比較して反射損失を大幅に低減できる。
電極２７４の幅ｔが所定の範囲内の値よりも大きい場合、電極の消費電力が大きくなる問題が生ずる。また、コア層として機能する領域の幅が大きくなり、光が出力側の導波路に到達すると、コア層として機能する領域のエバネッセント波が出力側の導波路に漏れ出し、消光比が低下する。したがって、電極２７４の幅ｔの最適な範囲は、クラッド層の厚さやコア層の幅ｄに依存するが、コア層２７１の幅ｄの３倍以下とすることによって、最大の消光比が得られる。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、本発明を、１本の入力導波路、３本以上の出力導波路及びこれらを接続する分岐導波路を有する光デバイスや、３本以上の入力導波路、１本の出力導波路及びこれらを接続する分岐導波路を有する光デバイスや、２本以上の入力導波路、３本以上の出力導波路及びこれらを接続する交差導波路を有する光デバイスや、３本以上の入力導波路、２本以上の出力導波路及びこれらを接続する交差導波路を有する光デバイスに適用することもできる。
上記実施の形態において、光スイッチ素子を具える光デバイスについて説明したが、光スイッチ素子を省略した光デバイスについても本発明を適用することができる。
上記第１の実施の形態において、分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズが光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズよりも大きい場合について説明したが、分岐／交差導波路を伝播する光のスポットサイズを５μｍ以上とした場合、光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路を伝播する光のスポットサイズに関係なく光入力導波路、光出力導波路又は接続導波路の損失を小さくするとともに、分岐／交差導波路における光の回折を小さくすることができ、光デバイスにおける光の損失及びクロストークを低減させる。このような光デバイスを、例えば、図１の光スイッチにおいて、光入力導波路に入力される光をレンズ又はスポット拡大導波路で結合するとともに、光出力導波路から出力される光をレンズ又はスポット拡大導波路で結合することによって構成することができる。この場合、例えば、分岐／交差導波路、光入力導波路、光出力導波路及び接続導波路を伝播する光のスポットサイズを、全て５μｍ以上とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の光スイッチを示す図である。
図２は、本発明による光デバイスの第１の実施の形態を示す図である。
図３は、交差導波路の分岐角度θと損失との関係を示す図である。
図４は、交差導波路の分岐角度θとクロストークとの関係を示す図である。
図５は、本発明の原理を説明するための図である。
図６は、導波路寸法及び光ファイバとの結合損失との関係を示す図である。
図７は、本発明による光デバイスの第２の実施の形態を示す図である。
図８は、第２の実施の形態におけるコア層の厚さが１μｍ及び２μｍにおけるコア層の幅とクロストークとの関係を示す図である。
図９は、第２の実施の形態におけるコア層の厚さが２μｍ及び４μｍにおけるコア層の幅とクロストークとの関係を示す図である。
図１０は、本発明による光デバイスの第２の実施の形態の分岐／交差導波路中の光強度分布を示す図である。
図１１は、コア層の厚さが４μｍのときの交差導波路中の分岐角度θとクロストークとの関係を示す図である。
図１２は、コア層の厚さが３μｍのときの交差導波路中の分岐角度θとクロストークとの関係を示す図である。
図１３は、コア層の厚さが２μｍのときの交差導波路中の分岐角度θとクロストークとの関係を示す図である。
図１４は、本発明による光デバイスの第３の実施の形態を示す図である。
図１５は、本発明による光デバイスの第４の実施の形態を示す図である。
図１６は、本発明による光デバイスの第５の実施の形態を示す図である。
図１７は、本発明による光デバイスの第６の実施の形態を示す図である。
図１８は、従来の光デバイスの温度分布を示す図である。
図１９は、屈折率差が０．０５％の本発明による光デバイスの温度分布を示す図である。
図２０は、屈折率差が０．１０％の本発明による光デバイスの温度分布を示す図である。
図２１は、屈折率差が０．２０％の本発明による光デバイスの温度分布を示す図である。
図２２は、本発明による光デバイスの第７の実施の形態を示す図である。
図２３は、本発明による光デバイスの第８の実施の形態を示す図である。
図２４は、第１クラッド層の厚さと結合損失との関係を示す図である。
図２５は、第１クラッド層の厚さと消費電力との関係を示す図である。
図２６は、従来の光デバイスにおける光導波路の幅に対する電極の幅について説明するための図である。
図２７は、本発明による光デバイスにおける光導波路の幅に対する電極の幅について説明するための図である。
図２８は、本発明による光デバイスにおける光導波路の幅に対する電極の幅と電極の温度及び駆動電力との関係を説明するための図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【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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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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