JP2013178411A - Optical coupler switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光カプラースイッチに関する。 The present invention relates to an optical coupler switch.
光通信の進展に伴い、方向性カプラーやカプラーを用いた光スイッチ等の光通信用部品の小型化が進められている。
特許文献１で開示された方向性カプラーは、二つの導波路の結合部を誘電率が温度とともに変化する誘電体材料を利用することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させるものである。この技術は、光を制御するために結合の都度、結合部全体を１００℃以上に加熱する必要があり、多くのエネルギーを消費する。
With the progress of optical communication, miniaturization of optical communication components such as directional couplers and optical switches using couplers has been promoted.
The directional coupler disclosed in Patent Document 1 controls light by using a dielectric material whose dielectric constant changes with temperature at the coupling portion of two waveguides, and generates coupling between the waveguides. It is. In this technique, it is necessary to heat the entire coupling portion to 100 ° C. or more every time coupling is performed in order to control light, which consumes a lot of energy.
特許文献２で開示された光スイッチは、二つの導波路の結合部に電気光学効果を有する材料を利用することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させるものである。この技術は光を結合させるために、光波位相のタイミング調整する別回路を必要とする。 The optical switch disclosed in Patent Document 2 controls light by using a material having an electro-optic effect at a coupling portion between two waveguides, thereby generating coupling between the waveguides. This technique requires a separate circuit that adjusts the timing of the lightwave phase in order to couple the light.
特許文献３で開示された導波路は、導波路の結合部にフォトニック結晶を利用することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させるものである。この技術は結合部に設けるフォトニック結晶の性質により利用できる光波長帯が限られる。 The waveguide disclosed in Patent Document 3 uses a photonic crystal at the coupling portion of the waveguide to control light and generate coupling between the waveguides. This technology limits the optical wavelength band that can be used depending on the properties of the photonic crystal provided in the coupling portion.
特許文献４で開示された光スイッチは、２本の導波路を交差させこれらの交差部に貫通部を設け、この貫通部に静電アクチュエータにて挿入と挿出ができるミラーを設け、このミラーを制御することにより光の制御を行い、導波路間の結合を発生させている。この技術は複雑な構造をとるため、製作が困難である。 The optical switch disclosed in Patent Document 4 intersects two waveguides and provides a penetrating portion at the intersecting portion, and a mirror that can be inserted and inserted by an electrostatic actuator is provided at the penetrating portion. By controlling the light, the light is controlled to generate coupling between the waveguides. This technique has a complicated structure and is difficult to manufacture.
非特許文献１には、静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器が本発明者らにより報告されている。
図１３は、従来の非特許文献１で報告された静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器の平面図である。
図１３に示すように、方向性結合器は、２つの静電アクチュエータと、２つの静電アクチュエータで駆動される可動の光導波路と、この可動の光導波路に隙間を設けて配設された固定の光導波路と、から構成されている。可動の光導波路は、２つの静電アクチュエータに電圧を印加することにより固定の光導波路側に平行移動させる構造を有している。静電マイクロアクチュエータに印加する電圧を変えて間隙を狭くすると、固定の光導波路側の入力ポートに入力される光は、徐々に可動の光導波路の左端にある出力ポートであるドロップポートに出力される。電圧を０Ｖから２２．５Ｖまで印加したとき、ドロップポートには約５０％の光が出力された。
Non-Patent Document 1 reports a variable gap directional coupler using an electrostatic microactuator by the present inventors.
FIG. 13 is a plan view of a variable gap directional coupler using an electrostatic microactuator reported in a conventional non-patent document 1. FIG.
As shown in FIG. 13, the directional coupler includes two electrostatic actuators, a movable optical waveguide driven by the two electrostatic actuators, and a fixed optical waveguide provided with a gap in the movable optical waveguide. And an optical waveguide. The movable optical waveguide has a structure in which a voltage is applied to two electrostatic actuators to translate it to the fixed optical waveguide side. When the voltage applied to the electrostatic microactuator is changed to narrow the gap, the light input to the input port on the fixed optical waveguide side is gradually output to the drop port that is the output port at the left end of the movable optical waveguide. The When the voltage was applied from 0V to 22.5V, about 50% of light was output to the drop port.
従来の静電マイクロアクチュエータを用いた間隙可変の方向性結合器は、可動導波路の間隙の変位と出力光強度は理論値とは相対変化は一致したが、ドロップポートへの出力には大きな挿入損失が生じていた。 A conventional directional coupler with variable gap using an electrostatic microactuator has the same displacement as the gap of the movable waveguide and the output light intensity, but the relative change matches the theoretical value. There was a loss.
本発明は、上記課題に鑑み、挿入損失の極めて小さい光カプラースイッチを提供することを目的としている。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an optical coupler switch with extremely small insertion loss.
上記目的を達成するため、本発明の光カプラースイッチは、二つの入力ポート及び二つの出力ポートが接続される光カプラースイッチ部と、光カプラースイッチ部に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータと、静電マイクロアクチュエータの電極と、を含み、光カプラースイッチ部は、固定の第１の光導波路と、可動の第２の光導波路と、第１の光導波路及び第２の光導波路の周囲に配設されるシールド領域とからなり、第１の光導波路は、第２の光導波路に対向する中央光導波路と、中央光導波路の一端に接続された第１の曲げ光導波路と、中央光導波路の他端に接続された第２の曲げ光導波路とからなり、第２の光導波路は、第１の光導波路の中央光導波路に対向して間隙を設けて配置された中央光導波路と、中央光導波路の一端に接続された第３の曲げ光導波路と、中央光導波路の他端に接続された第４の曲げ光導波路とからなり、第１及び第２の光導波路は、周囲より高い誘電率を有するコアと、コアの周囲に配設されるクラッドからなり、シールド領域は、少なくとも光カプラースイッチ部に配設され、第１の光導波路及び第２の光導波路におけるコアとシールド領域との間隔を一定にし、静電マイクロアクチュエータは、固定部と可動部とからなる櫛形アクチュエータからなり、かつ、可動部は第２の光導波路に隣接して配設され、静電マイクロアクチュエータの可動部は支持アームを備えており、支持ア−ムは第２の光導波路に接続されており、第１の光導波路の中央光導波路と第２の光導波路の中央光導波路との間隙が、静電マイクロアクチュエータの可動部により変位するよう構成されている。 To achieve the above object, an optical coupler switch according to the present invention includes an optical coupler switch unit to which two input ports and two output ports are connected, and an electrostatic microactuator disposed adjacent to the optical coupler switch unit. And an electrode of the electrostatic microactuator, and the optical coupler switch unit is provided around the fixed first optical waveguide, the movable second optical waveguide, the first optical waveguide, and the second optical waveguide. The first optical waveguide includes a central optical waveguide facing the second optical waveguide, a first bent optical waveguide connected to one end of the central optical waveguide, and the central optical waveguide. A second bent optical waveguide connected to the other end of the first optical waveguide, and the second optical waveguide includes a central optical waveguide disposed with a gap facing the central optical waveguide of the first optical waveguide, One of the optical waveguide And a fourth bent optical waveguide connected to the other end of the central optical waveguide, the first and second optical waveguides having a higher dielectric constant than the surroundings. And a cladding region disposed around the core, and the shield region is disposed at least in the optical coupler switch unit, and the interval between the core and the shield region in the first optical waveguide and the second optical waveguide is made constant. The electrostatic microactuator includes a comb-shaped actuator including a fixed portion and a movable portion, and the movable portion is disposed adjacent to the second optical waveguide, and the movable portion of the electrostatic microactuator includes a support arm. The support arm is connected to the second optical waveguide, and the gap between the central optical waveguide of the first optical waveguide and the central optical waveguide of the second optical waveguide is such that the electrostatic microactuator can be used. It is configured to be displaced by the section.
上記構成において、光カプラースイッチは、Ｓｉ基板とＳｉ基板上に配設したＳｉＯ2からなる犠牲層と、犠牲層上に配設したＳｉ層とでなるＳＯＩ基板で形成されている。
コアは、好ましくは上層Ｓｉ層からなる。クラッドは、好ましくは空気からなる。
シールド領域は、好ましくは、パターンニングされていないＳＯＩ基板からなり、少なくとも、第１の光導波路の中央光導波路及び第１及び第２の曲げ光導波路の周囲で囲まれた領域と、第２の光導波路と支持アームで囲まれる領域と、第１の光導波路の第１の曲げ導波路と第２の光導波路の第３曲げ導波路とに挟まれる領域と、第１の光導波路の第２の曲げ導波路と第２の光導波路の第４曲げ導波路とに挟まれる領域と、に配設される。
第１の光導波路の中央光導波路と、第２の光導波路の中央光導波路とは、好ましくは平行に配設されている。
光カプラースイッチ部及び静電マイクロアクチュエータは、好ましくは平行な方向に対して垂直な軸方向に称対となるように配設される。
In the above configuration, the optical coupler switch is formed of an SOI substrate including a Si substrate, a sacrificial layer made of SiO 2 disposed on the Si substrate, and an Si layer disposed on the sacrificial layer.
The core is preferably composed of an upper Si layer. The cladding is preferably made of air.
The shield region is preferably made of an unpatterned SOI substrate, and at least a region surrounded by the central optical waveguide of the first optical waveguide and the first and second bent optical waveguides; A region surrounded by the optical waveguide and the support arm, a region sandwiched between the first bending waveguide of the first optical waveguide and the third bending waveguide of the second optical waveguide, and the second of the first optical waveguide. And a region sandwiched between the second bending waveguide and the fourth bending waveguide of the second optical waveguide.
The central optical waveguide of the first optical waveguide and the central optical waveguide of the second optical waveguide are preferably arranged in parallel.
The optical coupler switch unit and the electrostatic microactuator are preferably arranged so as to be paired in the axial direction perpendicular to the parallel direction.
本発明の光マトリックススイッチは、上記の何れかに記載の光カプラースイッチを単位とした少なくとも一つを用いて多段構成とし、Ｎ個（Ｎは自然数）の入力ポートとＭ個（Ｍは自然数）の出力ポートを有する。 The optical matrix switch of the present invention has a multi-stage configuration using at least one of the optical coupler switches described above as a unit, and has N (N is a natural number) input ports and M (M is a natural number). Output port.
本発明の方向性結合器は、上記の何れかに記載の光カプラースイッチ構造を備えている。本発明のパワー分割器合器は、この方向性結合器から構成される。 A directional coupler according to the present invention includes any one of the optical coupler switch structures described above. The power divider / combiner according to the present invention comprises this directional coupler.
本発明によれば、挿入損失の極めて小さい間隙可変光カプラースイッチが提供される。 According to the present invention, a variable gap optical coupler switch with very low insertion loss is provided.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の光カプラースイッチ１の基本構造を示す概略図であり、図２は、図１の拡大図である。
図１に示す光カプラースイッチ１は、二つの入力ポート４及び二つの出力ポート５が接続された光カプラースイッチ部１０と、光カプラースイッチ部１０に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータ２０と、静電マイクロアクチュエータ２０の電極２２と、を含んで構成されている。光カプラースイッチ部１０は、固定の第１の光導波路２と、可動の第２の光導波路３と、第１の光導波路２及び第２の光導波路３の周囲に配設されるシールド領域９とからなる。第１の光導波路２は、第２の光導波路３の下側に配設された固定の光導波路である。第２の光導波路３は、静電マイクロアクチュエータ２０で駆動される可動の光導波路である。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic structure of an optical coupler switch 1 of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of FIG.
An optical coupler switch 1 shown in FIG. 1 includes an optical coupler switch unit 10 to which two input ports 4 and two output ports 5 are connected, and an electrostatic microactuator 20 disposed adjacent to the optical coupler switch unit 10. And the electrode 22 of the electrostatic microactuator 20. The optical coupler switch unit 10 includes a fixed first optical waveguide 2, a movable second optical waveguide 3, and a shield region 9 disposed around the first optical waveguide 2 and the second optical waveguide 3. It consists of. The first optical waveguide 2 is a fixed optical waveguide disposed below the second optical waveguide 3. The second optical waveguide 3 is a movable optical waveguide driven by the electrostatic microactuator 20.
第１の光導波路２は、第２の光導波路３に対向する中央光導波路２ａと、中央光導波路２ａの一端に接続された第１の曲げ光導波路２ｂと、中央光導波路２ａの他端に接続された第２の曲げ光導波路２ｃとからなる。第１の曲げ導波路２ｂは、第１の入力光導波路４ａを介して第１の入力ポート４ｃに接続されている。第２の曲げ導波路２ｃは、第１の出力光導波路５ａを介して第１の出力ポート５ｃに接続されている。出力ポート５ｃをスルーポートと呼ぶ。第１の光導波路２、第１の入力光導波路４ａ及び第１の出力光導波路５ａは、空気中の自立導波路で、楕円導波路ブリッジ６により基板に固定されている。楕円導波路ブリッジ６の損失は０．１ｄＢより小さいと報告されている（非特許文献３参照）。第１の入力光導波路４ａ及び第１の出力光導波路５ａは、直線光導波路や、直線光導波路と曲げ光導波路とを組み合わせた光導波路とすることができる。 The first optical waveguide 2 includes a central optical waveguide 2a facing the second optical waveguide 3, a first bent optical waveguide 2b connected to one end of the central optical waveguide 2a, and the other end of the central optical waveguide 2a. The second bending optical waveguide 2c is connected. The first bending waveguide 2b is connected to the first input port 4c via the first input optical waveguide 4a. The second bending waveguide 2c is connected to the first output port 5c via the first output optical waveguide 5a. The output port 5c is called a through port. The first optical waveguide 2, the first input optical waveguide 4a, and the first output optical waveguide 5a are self-standing waveguides in the air, and are fixed to the substrate by an elliptical waveguide bridge 6. It has been reported that the loss of the elliptical waveguide bridge 6 is smaller than 0.1 dB (see Non-Patent Document 3). The first input optical waveguide 4a and the first output optical waveguide 5a can be a linear optical waveguide or an optical waveguide in which a linear optical waveguide and a bent optical waveguide are combined.
第２の光導波路３は、第１の光導波路２の中央光導波路２ａに対向して間隙を設けて配置された中央光導波路３ａと、中央光導波路３ａの一端に接続された第３の曲げ光導波路３ｂと、中央光導波路３ａの他端に接続された第４の曲げ光導波路３ｃとからなる。第３の曲げ導波路３ｂは、第２の入力光導波路４ｂを介して第２の入力ポート４ｄに接続されている。第４の曲げ導波路３ｃは、第２の出力光導波路５ｂを介して第２出力ポート５ｄに接続されている。第２出力ポート５ｄをドロップポートと呼ぶ。第２の光導波路３は、後述する静電マイクロアクチュエータ２０の支持アーム２５に接続されている。第２の入力光導波路４ｂ及び第２の出力光導波路５ｂは、空気中の自立導波路で、所定位置で楕円導波路ブリッジ６により固定されている。第２の入力光導波路４ｂ及び第２の出力光導波路５ｂは、直線光導波路や、直線光導波路と曲げ光導波路とを組み合わせた光導波路とすることができる。 The second optical waveguide 3 includes a central optical waveguide 3a disposed with a gap facing the central optical waveguide 2a of the first optical waveguide 2, and a third bend connected to one end of the central optical waveguide 3a. It consists of an optical waveguide 3b and a fourth bent optical waveguide 3c connected to the other end of the central optical waveguide 3a. The third bending waveguide 3b is connected to the second input port 4d via the second input optical waveguide 4b. The fourth bending waveguide 3c is connected to the second output port 5d via the second output optical waveguide 5b. The second output port 5d is called a drop port. The second optical waveguide 3 is connected to a support arm 25 of an electrostatic microactuator 20 described later. The second input optical waveguide 4b and the second output optical waveguide 5b are self-standing waveguides in the air, and are fixed by elliptical waveguide bridges 6 at predetermined positions. The second input optical waveguide 4b and the second output optical waveguide 5b can be linear optical waveguides or optical waveguides that combine linear optical waveguides and bent optical waveguides.
第１及び第２の光導波路２、３は、周囲より高い誘電率を有する材料で構成されるコア２ｄ，３ｄと、コアの周囲に配設されるクラッド２ｅ，３ｅからなる（図２参照）。コア２ｄ、３ｄとしては、Ｓｉ（シリコン）やＳｉＯ2を用いることができる。クラッド２ｅ，３ｅはコア２ｄ、３ｄよりも屈折率が低い材料であればよい。クラッド２ｅ、３ｅとしては、空気、各種ガス、真空、低誘電率のガラスや樹脂等を用いることができる。 The first and second optical waveguides 2 and 3 include cores 2d and 3d made of a material having a higher dielectric constant than the surroundings, and claddings 2e and 3e disposed around the cores (see FIG. 2). . As the cores 2d and 3d, Si (silicon) or SiO 2 can be used. The clads 2e and 3e may be any material having a lower refractive index than the cores 2d and 3d. As the clads 2e and 3e, air, various gases, vacuum, low dielectric constant glass, resin, or the like can be used.
光カプラースイッチ部１０は、周囲より高い誘電率を有する材料で構成される２本の光導波路２、３が、同一平面内において例えば、平行又はほぼ平行に保ち、かつ、光導波路２、３間の中心線に対して対称に自立するように配置されていてもよい。光波の非対称な電磁場分布を避けるため、光導波路の２、３の形は導波路の中央線に対して対称としてもよい。つまり、図１に示すように、光カプラースイッチ部１０及び静電マイクロアクチュエータ２０は、光導波路２、３の平行な方向に対して垂直な軸方向に対称となるように配設されてもよい。 The optical coupler switch unit 10 includes two optical waveguides 2 and 3 made of a material having a dielectric constant higher than that of the surroundings. It may be arranged so as to be independent of the center line. In order to avoid an asymmetrical electromagnetic field distribution of the light wave, the shapes of the optical waveguides 2 and 3 may be symmetric with respect to the center line of the waveguide. That is, as shown in FIG. 1, the optical coupler switch unit 10 and the electrostatic microactuator 20 may be arranged so as to be symmetric in the axial direction perpendicular to the parallel direction of the optical waveguides 2 and 3. .
第１の光導波路２の伝搬損失を低減するためには、第１及び第２の曲げ光導波路２ｂ、２ｃの半径ｒは、できるだけ大きいほうが好ましい。半径ｒは、例えば５μｍ以上が好ましい。 In order to reduce the propagation loss of the first optical waveguide 2, the radius r of the first and second bent optical waveguides 2b and 2c is preferably as large as possible. The radius r is preferably 5 μm or more, for example.
第２の光導波路３の伝搬損失を低減するためには、第１の光導波路２と同様に、第３及び第４の曲げ光導波路３ｂ、３ｃの半径ｒは、できるだけ大きいほうが好ましい。半径ｒは、例えば５μｍ以上が好ましい。 In order to reduce the propagation loss of the second optical waveguide 3, the radius r of the third and fourth bent optical waveguides 3b and 3c is preferably as large as possible as in the first optical waveguide 2. The radius r is preferably 5 μm or more, for example.
静電マイクロアクチュエータ２０は、所謂、櫛形静電マイクロアクチュエータであり、かつ、第２の光導波路３に隣接して配設されている。静電マイクロアクチュエータ２０は、固定部２３と可動部２４とからなる。静電マイクロアクチュエータ２０は、電極２２に接続され固定部となる第１の櫛歯領域２３ａと、第１の櫛歯領域２３ａに隣接して配設された可動部２４となる第２の櫛歯領域２４ａと、可動の第２の櫛歯領域２４ａと第２の光導波路３とを接続する支持アーム２５とを含んで構成されている。図示の場合には、静電マイクロアクチュエータ２０の可動部２４は、二つの支持アーム２５を含んで構成されている。支持アーム２５の一方は、第３の曲げ光導波路３ｂに接続され、支持アーム２５の他方は、第４の曲げ光導波路３ｃに接続されている。固定の第１の櫛歯領域２３ａに接続される電極２２には、図２に示すように直流電源３２から正電圧が印加され、第２の櫛歯領域２４ａに接続される一方の電極２８が接地される（図２参照）。支持アーム２５の数は、適宜に調整可能である。 The electrostatic microactuator 20 is a so-called comb electrostatic microactuator, and is disposed adjacent to the second optical waveguide 3. The electrostatic microactuator 20 includes a fixed portion 23 and a movable portion 24. The electrostatic microactuator 20 includes a first comb tooth region 23a connected to the electrode 22 and serving as a fixed portion, and a second comb tooth serving as a movable portion 24 disposed adjacent to the first comb tooth region 23a. The region 24 a is configured to include a support arm 25 that connects the movable second comb-tooth region 24 a and the second optical waveguide 3. In the illustrated case, the movable part 24 of the electrostatic microactuator 20 includes two support arms 25. One of the support arms 25 is connected to the third bent optical waveguide 3b, and the other end of the support arm 25 is connected to the fourth bent optical waveguide 3c. As shown in FIG. 2, a positive voltage is applied to the electrode 22 connected to the fixed first comb-tooth region 23a from the DC power source 32, and one electrode 28 connected to the second comb-tooth region 24a has Grounded (see FIG. 2). The number of support arms 25 can be adjusted as appropriate.
図２に示す示す可動の第２の櫛歯領域２４ａは、編み目状の四角形の枠２６と、枠２６の下方に接続される二つの支持アーム２５と、枠２６に接続される４つの二重曲げのバネ２７とから構成されている。二重曲げのバネ２７は、後述するＳＯＩ基板に固定されている。二つの支持アーム２５は、支持アーム２５を介して可動の第２の光導波路３の曲げ光導波路３ｂ、３ｃに接続している。支持アーム２５は、網目構造を有している。 The movable second comb-tooth region 24 a shown in FIG. 2 includes a stitched square frame 26, two support arms 25 connected below the frame 26, and four duplexes connected to the frame 26. And a bending spring 27. The double bending spring 27 is fixed to an SOI substrate described later. The two support arms 25 are connected to the bending optical waveguides 3 b and 3 c of the movable second optical waveguide 3 via the support arms 25. The support arm 25 has a mesh structure.
シールド領域９は、少なくとも、光カプラースイッチ部１０に配設され、第１の光導波路２及び第２の光導波路３におけるコア２ｄ，３ｄとクラッド２ｅ，３ｅとの間隔を一定にするように配設されている。コア２ｄ，３ｄはＳｉからなり、クラッド２ｅ，３ｅは空気とすることができる。つまり、シールド領域９は、第１及び第２の光導波路２、３の空気クラッド２ｅ，３ｅの幅がＳｉからなるコア２ｄ，３ｄに対して一定の幅となるように設けた領域であり、後述する光カプラースイッチ１の製造方法で用いるＳＯＩ基板そのもの、つまり、上層Ｓｉ層及び犠牲層を除去しない領域である。 The shield region 9 is disposed at least in the optical coupler switch unit 10 and is arranged so that the distance between the cores 2d and 3d and the clads 2e and 3e in the first optical waveguide 2 and the second optical waveguide 3 is constant. It is installed. The cores 2d and 3d are made of Si, and the clads 2e and 3e can be air. That is, the shield region 9 is a region provided so that the width of the air claddings 2e and 3e of the first and second optical waveguides 2 and 3 is constant with respect to the cores 2d and 3d made of Si. This is an SOI substrate itself used in a method of manufacturing the optical coupler switch 1 described later, that is, a region where the upper Si layer and the sacrificial layer are not removed.
図１及び２に示すように、シールド領域９は、少なくとも、４箇所設けてあり、第１の光導波路２の中央光導波路２ａ及び第１及び第２の曲げ光導波路２ｂ、２ｃの周囲の領域と、第２の光導波路３と支持アーム２５で囲まれる領域と、第１の光導波路２の第１の曲げ導波路２ｂと第２の光導波路３の第３の曲げ導波路３ｂとに挟まれる領域と、第１の光導波路２の第２の曲げ導波路２ｃと第２の光導波路３の第４の曲げ導波路３ｃとに挟まれる領域とに配設される。 As shown in FIGS. 1 and 2, at least four shield regions 9 are provided, and regions around the central optical waveguide 2a of the first optical waveguide 2 and the first and second bent optical waveguides 2b and 2c. And the region surrounded by the second optical waveguide 3 and the support arm 25, and the first bent waveguide 2 b of the first optical waveguide 2 and the third bent waveguide 3 b of the second optical waveguide 3. And a region sandwiched between the second bending waveguide 2 c of the first optical waveguide 2 and the fourth bending waveguide 3 c of the second optical waveguide 3.
図１では、下記箇所に設けたシールド領域９を点線で示している。
（イ）シールド領域９ａ：第１の光導波路２の中央光導波路２ａと、中央光導波路２ａに接続される曲げ光導波路２ｂ、２ｃの周囲の点線で示す領域。
（ロ）シールド領域９ｂ：第２の光導波路３と支持アーム２５との間の略矢印（↑）状の点線で示す領域。
（ハ）シールド領域９ｃ：第１の光導波路２の左側と第２の光導波路３の左側に挟まれ、略矢印（→）状の点線で示す領域。
（ニ）シールド領域９ｄ：第１の光導波路２の右側と第２の光導波路３の右側に挟まれ、略矢印（←）状の点線で示す領域。
In FIG. 1, the shield region 9 provided at the following location is indicated by a dotted line.
(A) Shield region 9a: a region indicated by dotted lines around the central optical waveguide 2a of the first optical waveguide 2 and the bent optical waveguides 2b and 2c connected to the central optical waveguide 2a.
(B) Shield region 9b: a region indicated by a dotted line having a substantially arrow (↑) shape between the second optical waveguide 3 and the support arm 25.
(C) Shield region 9c: a region sandwiched between the left side of the first optical waveguide 2 and the left side of the second optical waveguide 3 and indicated by a dotted line having a substantially arrow (→) shape.
(D) Shield region 9d: a region sandwiched between the right side of the first optical waveguide 2 and the right side of the second optical waveguide 3 and indicated by a dotted line having a substantially arrow (←) shape.
シールド領域９は、第１の光導波路２及び第２の光導波路３のコア２ｄ、３ｄとクラッド２ｅ，３ｅとの間隔を一定にするために設けている。シールド領域９は、遮蔽領域とも呼ぶことができる。このため、シールド領域９を設けることにより、光カプラースイッチ１のカップラー近傍の光導波路は、空気クラッド２ｅ，３ｅの幅がコア２ｄ、３ｄに対して一定の幅となるので、第１及び第２の光導波路２、３の損失を、著しく低減することができる。 The shield region 9 is provided in order to make the distance between the cores 2d and 3d and the clads 2e and 3e of the first optical waveguide 2 and the second optical waveguide 3 constant. The shield area 9 can also be called a shield area. For this reason, by providing the shield region 9, the optical waveguide near the coupler of the optical coupler switch 1 has the air clads 2e and 3e having a constant width relative to the cores 2d and 3d. The loss of the optical waveguides 2 and 3 can be significantly reduced.
本発明の光カプラースイッチ１の動作について説明する。
静電マイクロアクチュエータ２０の第２の櫛歯領域２４が静電気力にて駆動され、可動の第２の光導波路３が、第１の光導波路２側にほぼ平行移動又は平行移動し、第１の光導波路２の中央光導波路２ａと第２の光導波路３の中央光導波路３ａとの間の間隙（Ｇ）が変化する。つまり、静電マイクロアクチュエータ２０に電圧を加えることで、第２の光導波路３の中央光導波路３ａは間隙を小さくするようにほぼ平行移動又は平行移動し、第１の光導波路２と第２の光導波路３との間の結合を強くできる。この際に生じる第１の光導波路２の中央光導波路２ａと第２の中央光導波路３ａとの間の電磁波結合作用により、本発明の光カプラースイッチ１は、光スイッチの動作をする。つまり、光カプラースイッチ１の入力ポート４ｃに入力される入力光は、静電マイクロアクチュエータ２０に電圧を印加しないときには、第１の光導波路のスルーポート５ｃに出力される。静電マイクロアクチュエータ２０に徐々に電圧を印加して静電マイクロアクチュエータの変位量が大きくなると、第１の光導波路のスルーポート５ｃに出力される光が減少し、減少した光は第２の光導波路３を介してドロップポート５ｄに出力される。静電マイクロアクチュエータ２０に十分に電圧を印加し、間隙を狭くすると、入力ポート４ｃに入力される入力光は、第１の出力光導波路５ａのスルーポート５ｃに出力されずに、第１の出力光導波路５ａのドロップポート５ｄに出力されるようになる。
The operation of the optical coupler switch 1 of the present invention will be described.
The second comb-tooth region 24 of the electrostatic microactuator 20 is driven by electrostatic force, and the movable second optical waveguide 3 is substantially translated or translated to the first optical waveguide 2 side, so that the first The gap (G) between the central optical waveguide 2a of the optical waveguide 2 and the central optical waveguide 3a of the second optical waveguide 3 changes. That is, by applying a voltage to the electrostatic microactuator 20, the central optical waveguide 3a of the second optical waveguide 3 is substantially translated or translated so as to reduce the gap, and the first optical waveguide 2 and the second optical waveguide 2 Coupling with the optical waveguide 3 can be strengthened. The optical coupler switch 1 of the present invention operates as an optical switch by an electromagnetic wave coupling action between the central optical waveguide 2a of the first optical waveguide 2 and the second central optical waveguide 3a generated at this time. That is, the input light input to the input port 4c of the optical coupler switch 1 is output to the through port 5c of the first optical waveguide when no voltage is applied to the electrostatic microactuator 20. When a voltage is gradually applied to the electrostatic microactuator 20 to increase the displacement amount of the electrostatic microactuator 20, the light output to the through port 5c of the first optical waveguide decreases, and the decreased light is transmitted to the second light guide. The signal is output to the drop port 5d through the waveguide 3. When a sufficient voltage is applied to the electrostatic microactuator 20 to narrow the gap, the input light input to the input port 4c is not output to the through port 5c of the first output optical waveguide 5a, but the first output. The light is output to the drop port 5d of the optical waveguide 5a.
本発明の導波路カプラースイッチ１の特性を解析するため、理論的モデルにより考察を行った。
導波路は矩形導波路で、基本的な導波路であるので、導波路カプラーの研究の初期より解析が行われて来た。二つの平行結合導波路の一般的な表現において、結合定数は下記（１）式により与えられる。以下の解析では、光導波路を単に導波路と呼ぶ。
Since the waveguide is a rectangular waveguide and is a basic waveguide, analysis has been conducted since the early days of research on waveguide couplers. In a general expression of two parallel coupled waveguides, the coupling constant is given by the following equation (1). In the following analysis, the optical waveguide is simply called a waveguide.
図３は、解析におけるカプラースイッチの断面構造を示す図である。図３において、導波路１は、図１の第１の光導波路２に対応し、導波路２は、図１の第２の光導波路３に対応している。
図３に示すように、本発明のカプラースイッチ１において、導波路は矩形で例えば空気中に自立している。導波路は幅２ａで厚さ２ｄである。二つの導波路の間の中心間の距離をＤ、導波路の側面間の距離をＧとする。静電マイクロアクチュエータ２０によりＧとＤの値が変えられると仮定する。したがって、本発明の光カプラースイッチ１の特性は、間隙Ｇをパラメータとした矩形断面導波路の結合係数を求めることで、特性が評価できる。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of the coupler switch in the analysis. In FIG. 3, the waveguide 1 corresponds to the first optical waveguide 2 in FIG. 1, and the waveguide 2 corresponds to the second optical waveguide 3 in FIG.
As shown in FIG. 3, in the coupler switch 1 of the present invention, the waveguide is rectangular and is self-supporting, for example, in the air. The waveguide has a width 2a and a thickness 2d. The distance between the centers of the two waveguides is D, and the distance between the side surfaces of the waveguide is G. Assume that the values of G and D are changed by the electrostatic microactuator 20. Therefore, the characteristics of the optical coupler switch 1 of the present invention can be evaluated by obtaining the coupling coefficient of the rectangular cross-section waveguide with the gap G as a parameter.
（１）式の分子の積分は、導波路１の領域だけで零でない値を持つので、この領域の２つの導波路の電場の掛け算（Ｅ1p×Ｅ2q）を積分する。電場として、最も低次のＴＥモードを仮定してＥxとＨyのみが主要で他の成分は無視できると仮定し、（１）式を簡単化すると、下記（２）式が得られる。
導波路における電磁波を解析的に求めるため、実際にはＴＥＭモードではないが、簡単のためにこれまで用いられている基本的な近似を用いた。一般には導波路とクラッド部の屈折率差が小さいと仮定して、解析解が求められる。Ｓｉの自立導波路では、この仮定は成り立たないが、解析解を得て、導波路からなる光カプラースイッチ１の定性的な傾向を得るために、この仮定のままで解析を試みた。具体的な定量的解析には、厳密電磁界解析のソフトウエアを利用し、設計を行っている。（２）式の積分を評価するため、最低次モードの磁場成分としてＴＥモード近似において、下記に示す（３）式を用いた。 In order to analytically determine the electromagnetic wave in the waveguide, the basic approximation used so far is used for simplicity, although it is not actually a TEM mode. In general, an analytical solution is obtained on the assumption that the refractive index difference between the waveguide and the cladding is small. In the Si free-standing waveguide, this assumption does not hold, but in order to obtain an analytical solution and obtain a qualitative tendency of the optical coupler switch 1 composed of the waveguide, the analysis was tried with this assumption. For specific quantitative analysis, the software is designed using strict electromagnetic field analysis software. In order to evaluate the integral of equation (2), equation (3) shown below was used in the TE mode approximation as the magnetic field component of the lowest order mode.
（３）式において、波数間の関係は下記（４）式、最低次モードの分散は下記（５）式を用いた。
これらの関係式を用いて、導波路結合定数は、下記（６）式で表される。
スルーポート５ｃにおける導波路１の透過光および、ドロップポート５ｄにおける導波路２の出力光の強度は、下記（９）式で求めた。
本発明のスイッチでは、導波路が空間に浮いているので、高さ方向（ｙ方向）に製作誤差等による２つの導波路の高低差が生じる可能性がある。高さ方向の導波路のわずかな高低差を図３に示すようにｓとし、高低差の影響を粗い近似により評価した。領域(1)のＥ1xとＥ2xの積分はｙ方向にシフトしたＥ2xで置き換えて評価した。これによりわずかなシフトｓに対して、下記（１０）式に示す係数Ｆ（ｓ）を得た。
従って、この係数を結合定数にかけて、わずかな高さ誤差ｓの影響を取り入れて、下記（１１）式に示す結合定数χを求めた。
本発明では、導波路を単一モードとなるように設計し、導波路の幅を４００ｎｍ、高さを２６０ｎｍとした。また、導波路を構成する材料はＳｉとし、屈折率は１．５μｍの波長において３．４７を用いた。他の定数としてΔ＝０．４６、ａ＝２００ｎｍ、ｋx＝７．６×１０6ｍ-1、γx＝１．１×１０7ｍ-1、ν＝２．７、ｋy＝８．１×１０6ｍ-1、γy＝１．１×１０7ｍ-1を用いた。 In the present invention, the waveguide is designed to be a single mode, the width of the waveguide is 400 nm, and the height is 260 nm. The material constituting the waveguide was Si, and the refractive index was 3.47 at a wavelength of 1.5 μm. Other constants are Δ = 0.46, a = 200 nm, k x = 7.6 × 10 6 m −1 , γ x = 1.1 × 10 7 m −1 , ν = 2.7, k y = 8 1 × 10 6 m −1 and γ y = 1.1 × 10 7 m −1 were used.
図４は、間隙（Ｇ）に対して（１１）式を用いて計算した結合定数を示している。図４に示すように、結合定数はＧの増加とともに低下し、１０００ｎｍの間隙において１０-5μｍ-1と十分小さい値となるので、スイッチがオフの状態としてこの間隙を用いることとした。図４では、高さ誤差ｓに対する正規化した結合定数の変化を示している。計算は粗いが、３０ｎｍの誤差に対して１０％程度の結合定数の変化であることが示された。 FIG. 4 shows the coupling constant calculated using the equation (11) for the gap (G). As shown in FIG. 4, the coupling constant decreases with an increase in G and becomes a sufficiently small value of 10 −5 μm −1 in a gap of 1000 nm. Therefore, this gap was used with the switch turned off. FIG. 4 shows changes in the normalized coupling constant with respect to the height error s. Although the calculation was rough, it was shown that the change in the coupling constant was about 10% for an error of 30 nm.
図５は、静電マイクロアクチュエータ２０の変位と間隙（Ｇ）に対して計算したスルーポート５ｃとドロップポート５ｄの光強度を示す図である。
図５は、（９）式を用いて１０μmの結合長の導波路を仮定して間隙（Ｇ）の関数として計算した光カプラースイッチ１のスルーポート５ｃとドロップポート５ｄの規格化した光強度である。間隙Ｇの変化に対して、スルーポート５ｃの強度は振動的に変化し、ドロップポート５ｄの強度は位相が反転しているが、同様に振動的に変化する。この計算結果より、スイッチ位置として２か所が存在することが分かった。
一つは静電マイクロアクチュエータ２０の変位が８７０ｎｍで間隙Ｇが１２０ｎｍ程度における点（第１スイッチ位置）であり、もう一つは９７０ｎｍの変位で間隙Ｇが３０ｎｍの点（第２のスイッチ位置）である。
FIG. 5 is a diagram showing the light intensities of the through port 5c and the drop port 5d calculated with respect to the displacement of the electrostatic microactuator 20 and the gap (G).
FIG. 5 shows the normalized light intensities of the through port 5c and the drop port 5d of the optical coupler switch 1 calculated as a function of the gap (G) by using the equation (9) and assuming a waveguide having a coupling length of 10 μm. is there. With respect to the change in the gap G, the strength of the through port 5c changes oscillatingly, and the strength of the drop port 5d is inverted in phase, but similarly changes oscillatingly. From this calculation result, it was found that there are two switch positions.
One is a point where the displacement of the electrostatic microactuator 20 is 870 nm and the gap G is about 120 nm (first switch position), and the other is a point where the displacement G is 970 nm and the gap G is 30 nm (second switch position). It is.
従って、二つのスイッチ位置を利用した光カプラースイッチ１においては、第１のスイッチ位置の場合、静電マイクロアクチュエータ２０に静止位置より８７０ｎｍの変位を発生させることでスイッチできる。第２のスイッチ位置の場合は、第１スイッチ位置から第２スイッチ位置まで約９０ｎｍの変位を静電マイクロアクチュエータ２０により発生させればよいことが分かる。 Therefore, the optical coupler switch 1 using two switch positions can be switched by generating a displacement of 870 nm from the rest position in the electrostatic microactuator 20 in the first switch position. In the case of the second switch position, it can be understood that a displacement of about 90 nm from the first switch position to the second switch position may be generated by the electrostatic microactuator 20.
本発明の光カプラースイッチ１のスルーポート５ｃとドロップポート５ｄの光強度の波長依存性を第１スイッチ位置において計算した。最大の消光比が１．５５μｍになるように設計する場合、３０ｄＢの消光比が得られる範囲は約２０ｎｍの波長範囲となり、消光比が２０ｄＢの場合は６０ｎｍの波長範囲となる。光カプラースイッチ部１０における第１の光導波路と第２の光導波路３とからなるカプラーの間隙をそれぞれの波長に対して最適化すれば、それぞれの波長で最大消光比が得られる。 The wavelength dependence of the light intensity of the through port 5c and the drop port 5d of the optical coupler switch 1 of the present invention was calculated at the first switch position. When the maximum extinction ratio is designed to be 1.55 μm, the range in which the 30 dB extinction ratio can be obtained is the wavelength range of about 20 nm, and when the extinction ratio is 20 dB, the wavelength range is 60 nm. If the gap between the couplers composed of the first optical waveguide and the second optical waveguide 3 in the optical coupler switch unit 10 is optimized for each wavelength, the maximum extinction ratio can be obtained at each wavelength.
本発明の光カプラースイッチ１の特性は上に述べたように、解析解により定性的に求められたが、スイッチ特性を厳密電磁界を用いるソフトウエアを用いて求めた。具体的には、ＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain Method、差分時間領域法とも呼ばれる。）のソフトウエアを用いてモードプロファイルと結合状態を確認した。 As described above, the characteristics of the optical coupler switch 1 of the present invention were qualitatively determined by an analytical solution. However, the switch characteristics were determined using software that uses a strict electromagnetic field. Specifically, the mode profile and the coupling state were confirmed using software of the FDTD method (also called a finite difference time domain method).
図６は、ＦＤＴＤ法（差分時間領域法）のシミュレーション結果の一例を示し、それぞれ、（ａ）は第１スイッチ位置（Ｇ＝２６０ｎｍ）において、光カプラースイッチ部１０における光波の伝搬の光強度分布、（ｂ）は導波路中の光強度の３次元表示、（ｃ）は第１導波路から第２導波路に移った光波が再び元の導波路に戻る場合における光波の伝搬の光強度分、（ｄ）は導波路中の光強度の３次元表示を示している。
図６（ａ）に示すように、１．５５μｍの波長において、入力の光波は導波路１から導波路２に損失なく、伝搬していることが分かる。第１スイッチ位置における間隙Ｇの値は、解析解で得られた値より幾分大きいことが分かる。
図６（ｂ）に示すように、導波路の曲げ領域においても光損失はほとんど見られない。
FIG. 6 shows an example of a simulation result of the FDTD method (difference time domain method), and (a) shows the light intensity distribution of light wave propagation in the optical coupler switch unit 10 at the first switch position (G = 260 nm), respectively. (B) is a three-dimensional display of the light intensity in the waveguide, and (c) is the light intensity component of the propagation of the light wave when the light wave moved from the first waveguide to the second waveguide returns to the original waveguide. , (D) shows a three-dimensional display of the light intensity in the waveguide.
As shown in FIG. 6A, it can be seen that the input light wave propagates from the waveguide 1 to the waveguide 2 without loss at a wavelength of 1.55 μm. It can be seen that the value of the gap G at the first switch position is somewhat larger than the value obtained by the analytical solution.
As shown in FIG. 6B, almost no optical loss is observed even in the bending region of the waveguide.
図６（ｃ）に示すように、間隙（Ｇ）をさらに小さくし、１５０ｎｍにすると導波路の結合が強くなり、第１導波路から第２導波路に移った光波が再び元の導波路に戻る。 As shown in FIG. 6C, when the gap (G) is further reduced to 150 nm, the coupling of the waveguide becomes stronger, and the light wave that has moved from the first waveguide to the second waveguide becomes the original waveguide again. Return.
上記シミュレーション結果によれば、本発明の光カプラースイッチ１の導波路が平行になっている部分の長さを１０μｍとし、光カプラースイッチ１がオン状態のための間隙範囲を１００ｎｍから３００ｎｍとするように設計することとした。
上記シミュレーション結果によれば、可動領域のスイッチ位置等の特性値は解析解と幾分異なるが、シミュレーションと解析解により、本発明の光カプラースイッチ１の特性が説明できることを示した。
According to the simulation result, the length of the portion where the waveguides of the optical coupler switch 1 of the present invention are parallel is set to 10 μm, and the gap range for the optical coupler switch 1 to be in the ON state is set to 100 nm to 300 nm. I decided to design it.
According to the simulation results, the characteristic values such as the switch position of the movable region are somewhat different from the analytical solution, but it was shown that the characteristics of the optical coupler switch 1 of the present invention can be explained by the simulation and the analytical solution.
（光カプラースイッチ１の製造方法）
本発明の光カプラースイッチ１は、半導体を用いたマイクロマシンの製造技術により製作することができる。以下の説明では、第１及び第２の光導波路２、３と静電マイクロアクチュエータ２０の材料はＳｉであるとして説明する。
図７は、光カプラースイッチ１の製造方法を、順次に示す模式的な断面図である。
図７（Ａ）に示すように、光カプラースイッチ１の基板として、ＳＯＩ構造を有するＳＯＩ基板４０を用いる。ＳＯＩ基板４０においては、Ｓｉ基板４１上にＳｉＯ2から成る犠牲層４２と上層Ｓｉ層４３が順に層されている。具体的には、例えば、厚さが６２５μｍのシリコン基板４１の表面に、厚さ２μｍのＳｉＯ2から成る犠牲層４２を介して、厚さ２６０ｎｍの上層Ｓｉ層４３が形成されている。
次に、図７（Ｂ）に示すように、この第１の基板の表面に、レジスト層４４を形成する。
レジスト層４４を形成した後、図７（Ｃ）に示すように、電子ビーム露光を行い、マスクパターンを形成する。そして、図７（Ｄ）に示すように、マスクパターンが形成されていない開口部に露出した上層Ｓｉ層４３を、犠牲層４２に達するまでエッチングする。これにより、第１及び第２の光導波路２、３、静電マイクロアクチュエータ２０が形成される。
続いて、図７（Ｅ）に示すように、レジスト層４４を除去し、図示しない静電マイクロアクチュエータ２０の電極２２を形成する。電極としては、例えばｐ型の上層Ｓｉ層４３を使用することができる。
その後、図７（Ｆ）に示すように、ＳＯＩ基板４０に多数形成した光カプラースイッチ１を、ダイシングして個別のチップとする。
最後に、図７（Ｇ）に示すように、例えば気相フッ酸等により、犠牲層４２の領域を除去する。これにより、第１及び第２の光導波路２、３のコア２ｄ、３ｄとなる上層Ｓｉ層４３は、シリコン基板４１から解放され、浮いた状態で、楕円導波路ブリッジ６により支持された状態となる。同様に、静電マイクロアクチュエータ２０の駆動部となる上層Ｓｉ層４３は、シリコン基板４１から解放され、浮いた状態で、二重曲げのバネ２７によりＳＯＩ基板４０に支持された状態となる。
以上で、光カプラースイッチ１が作製される。
(Manufacturing method of optical coupler switch 1)
The optical coupler switch 1 of the present invention can be manufactured by a micromachine manufacturing technique using a semiconductor. In the following description, the material of the first and second optical waveguides 2 and 3 and the electrostatic microactuator 20 is assumed to be Si.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view sequentially showing a method for manufacturing the optical coupler switch 1.
As shown in FIG. 7A, an SOI substrate 40 having an SOI structure is used as the substrate of the optical coupler switch 1. In the SOI substrate 40, a sacrificial layer 42 made of SiO 2 and an upper Si layer 43 are sequentially laminated on a Si substrate 41. Specifically, for example, an upper Si layer 43 having a thickness of 260 nm is formed on the surface of a silicon substrate 41 having a thickness of 625 μm via a sacrificial layer 42 made of SiO 2 having a thickness of 2 μm.
Next, as shown in FIG. 7B, a resist layer 44 is formed on the surface of the first substrate.
After the resist layer 44 is formed, as shown in FIG. 7C, electron beam exposure is performed to form a mask pattern. Then, as shown in FIG. 7D, the upper Si layer 43 exposed in the opening where the mask pattern is not formed is etched until the sacrificial layer 42 is reached. As a result, the first and second optical waveguides 2 and 3 and the electrostatic microactuator 20 are formed.
Subsequently, as shown in FIG. 7E, the resist layer 44 is removed, and an electrode 22 of the electrostatic microactuator 20 (not shown) is formed. For example, a p-type upper Si layer 43 can be used as the electrode.
Thereafter, as shown in FIG. 7F, the optical coupler switches 1 formed in large numbers on the SOI substrate 40 are diced into individual chips.
Finally, as shown in FIG. 7G, the region of the sacrificial layer 42 is removed by, for example, vapor-phase hydrofluoric acid. As a result, the upper Si layer 43 to be the cores 2d and 3d of the first and second optical waveguides 2 and 3 is released from the silicon substrate 41 and floated, and is supported by the elliptical waveguide bridge 6. Become. Similarly, the upper Si layer 43 serving as a drive unit of the electrostatic microactuator 20 is released from the silicon substrate 41 and is in a floating state and supported by the SOI substrate 40 by the double-bending spring 27.
Thus, the optical coupler switch 1 is manufactured.
（２ｘ２の光カプラースイッチの設計）
上記理論解析に基づいて、２ｘ２の光カプラースイッチ１を設計した。図２に示すように、本発明の光カプラースイッチ１のマスクパターンでは、カプラーの相互作用を得るための領域として、中央光導波路２ａの平行な導波路長さは１０μｍとした。間隙は１０００ｎｍから２０ｎｍまで静電マイクロアクチュエータ２０により変化できるように設計した。
(Design of 2x2 optical coupler switch)
Based on the above theoretical analysis, a 2 × 2 optical coupler switch 1 was designed. As shown in FIG. 2, in the mask pattern of the optical coupler switch 1 of the present invention, the parallel waveguide length of the central optical waveguide 2a is 10 μm as a region for obtaining the coupler interaction. The gap was designed so that it can be changed by the electrostatic microactuator 20 from 1000 nm to 20 nm.
第１及び第２の光導波路２、３の厚さは、２６０ｎｍであり、幅が４００ｎｍである。何れの曲げ導波路２ｂ、２ｃ、３ｂ，３ｄの半径は６μｍである。第２の光導波路３の自立導波路は、１．３μｍ幅で８．０μｍの長さの楕円導波路ブリッジ６によりＳＯＩ基板４０に固定されている。この楕円導波路ブリッジ６は、第２の光導波路３と静電マイクロアクチュエータ２０の支持アーム２５を０．２μｍ幅で１．６μｍ長さのシリコンビームにより結合している。二つの楕円導波路ブリッジ６の間の距離は５２μｍである。支持アーム２５の内側の三角領域には、網目構造がパターニングされているが、電子ビームの近接効果による不均一ドーズを避けるためのフィラー構造を有している。フィラー構造は、ＳｉＯ2のエッチング後にＳｉ基板４１上に落下するように設計されている。第１の固定の光導波路２も自立しているが、楕円導波路ブリッジ６により基板に固定されている。 The thicknesses of the first and second optical waveguides 2 and 3 are 260 nm and the width is 400 nm. The radius of any of the bending waveguides 2b, 2c, 3b, 3d is 6 μm. The freestanding waveguide of the second optical waveguide 3 is fixed to the SOI substrate 40 by an elliptical waveguide bridge 6 having a width of 1.3 μm and a length of 8.0 μm. The elliptical waveguide bridge 6 connects the second optical waveguide 3 and the support arm 25 of the electrostatic microactuator 20 by a silicon beam having a width of 0.2 μm and a length of 1.6 μm. The distance between the two elliptical waveguide bridges 6 is 52 μm. The triangular structure inside the support arm 25 is patterned with a mesh structure, but has a filler structure to avoid non-uniform dose due to the proximity effect of the electron beam. The filler structure is designed to drop onto the Si substrate 41 after SiO 2 etching. The first fixed optical waveguide 2 is also self-supporting, but is fixed to the substrate by an elliptical waveguide bridge 6.
静電マイクロアクチュエータ２０は２０本の櫛歯で構成されている。個々の櫛歯は１．７３μｍ長さで２００ｎｍ幅である。静電マイクロアクチュエータ２０の二重曲げばね２７は、幅が２００ｎｍで長さが１５μｍである。静電マイクロアクチュエータ２０の全ばね定数は０．３１５Ｎ／ｍである。 The electrostatic microactuator 20 is composed of 20 comb teeth. Each comb tooth is 1.73 μm long and 200 nm wide. The double bending spring 27 of the electrostatic microactuator 20 has a width of 200 nm and a length of 15 μm. The total spring constant of the electrostatic microactuator 20 is 0.315 N / m.
静電マイクロアクチュエータ２０の発生力は理論的に推定でき、印加電圧が２３Ｖにおいて０．３２μＮである。上層Ｓｉ層４３において分離された二つの領域に電圧をかけている。 The generated force of the electrostatic microactuator 20 can be theoretically estimated, and is 0.32 μN when the applied voltage is 23V. A voltage is applied to two regions separated in the upper Si layer 43.
なお、光カプラースイッチ１において浮いた状態にされる箇所は、上層Ｓｉ層４３がエッチングされ、次に犠牲層４２もエッチングされる領域である。この光カプラースイッチ１においては、出力光導波路５ａ、５ｂの先端は尖った形状にし、観測用の光を放射し、該導波路の反射光を減らすように設計した。 Note that the floating portion in the optical coupler switch 1 is a region where the upper Si layer 43 is etched and then the sacrificial layer 42 is also etched. In this optical coupler switch 1, the tips of the output optical waveguides 5a and 5b are designed to be pointed so as to emit observation light and reduce the reflected light of the waveguide.
（マトリクススイッチ）
本発明の光カプラースイッチ１は２ｘ２のスイッチとして動作するので、これらを並列や直列に接続することで、マトリクススイッチを実現できる。例えば、本発明の２ｘ２の光カプラースイッチ１を単位とした少なくとも一つを用いて多段構成とすれば、Ｎ個(Ｎは自然数)の入力ポートとＭ個(Ｍは自然数)の出力ポートを有する光マトリックススイッチが実現できる。
(Matrix switch)
Since the optical coupler switch 1 of the present invention operates as a 2 × 2 switch, a matrix switch can be realized by connecting them in parallel or in series. For example, if a multi-stage configuration is used by using at least one 2 × 2 optical coupler switch 1 of the present invention as a unit, it has N (N is a natural number) input ports and M (M is a natural number) output ports. An optical matrix switch can be realized.
（方向性結合器）
本発明の光カプラースイッチ１は、静電マイクロアクチュエータ２０に印加する直流電圧を変えると消光比を変えることができ、方向性結合器として使用できる。
(Directional coupler)
The optical coupler switch 1 of the present invention can change the extinction ratio by changing the DC voltage applied to the electrostatic microactuator 20, and can be used as a directional coupler.
（方向性結合器を備えたパワー分割器）
本発明の光カプラースイッチ１は、静電マイクロアクチュエータ２０に印加する直流電圧を変えると消光比を変えることができ、入力ポート４ｃからスルーポート５ｃ及びドロップポート５ｄに入力される電力を分割できるので、方向性結合器を備えたパワー分割器として使用できる。
(Power divider with directional coupler)
The optical coupler switch 1 of the present invention can change the extinction ratio by changing the DC voltage applied to the electrostatic microactuator 20, and can divide the power input from the input port 4c to the through port 5c and the drop port 5d. It can be used as a power divider with a directional coupler.
（光カプラースイッチの製作）
設計した２ｘ２の光カプラースイッチ１を、図７で説明した製造方法で作製した。
図８は、製作した光カプラースイッチ１の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を示す。自立したシリコン導波路がよく製作されている。可動導波路３は静電マイクロアクチュエータ２０に接続され、静電マイクロアクチュエータ２０の可動部２４もＳｉからなる二重曲げのばね２７により支えられていることが分かる。
(Production of optical coupler switch)
The designed 2 × 2 optical coupler switch 1 was manufactured by the manufacturing method described in FIG.
FIG. 8 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the manufactured optical coupler switch 1. Free-standing silicon waveguides are often made. It can be seen that the movable waveguide 3 is connected to the electrostatic microactuator 20, and the movable portion 24 of the electrostatic microactuator 20 is also supported by a double-bending spring 27 made of Si.
光カプラースイッチ１の各光導波路２、３の間隙は設計値より１００ｎｍ程度大きく、光導波路の幅は設計値より５％ほど狭い。光導波路２、３の側面粗さは走査型電子顕微鏡の写真から推定すると１５ｎｍより少ない。 The gap between the optical waveguides 2 and 3 of the optical coupler switch 1 is about 100 nm larger than the design value, and the width of the optical waveguide is about 5% narrower than the design value. The side roughness of the optical waveguides 2 and 3 is less than 15 nm when estimated from a photograph of a scanning electron microscope.
製作した光カプラースイッチ１の特性測定には１．５μｍ帯の波長可変レーザを用いた。入力ポート４ｃへの光の結合には、レンズ付き単一モード導波路を用いた。作製した光カプラースイッチ１のドロップポート５ｄ又はスルーポート５ｃから放射される出力光のスポット像を、赤外ＣＣＤイメージセンサにより観測し、出力光の相対強度を導出した。スルーポート５ｃ又はドロップポート５ｄから放射される光出力強度は、可動の第２の光導波路３の移動距離、すなわち静電マイクロアクチュエータ２０に加える電圧を変えて測定した。光源のレーザパワーは８０μＷで波長は１．５５μｍである。静電マイクロアクチュエータ２０に印加する電圧は、移動量つまり変位量が０ｎｍから１１００ｎｍに相当する０Ｖから３０．５Ｖまで変えた。 A wavelength tunable laser of 1.5 μm band was used to measure the characteristics of the manufactured optical coupler switch 1. A single mode waveguide with a lens was used for light coupling to the input port 4c. The spot image of the output light emitted from the drop port 5d or the through port 5c of the manufactured optical coupler switch 1 was observed with an infrared CCD image sensor, and the relative intensity of the output light was derived. The light output intensity radiated from the through port 5c or the drop port 5d was measured by changing the moving distance of the movable second optical waveguide 3, that is, the voltage applied to the electrostatic microactuator 20. The laser power of the light source is 80 μW and the wavelength is 1.55 μm. The voltage applied to the electrostatic microactuator 20 was changed from 0 V to 30.5 V corresponding to a movement amount, that is, a displacement amount of 0 nm to 1100 nm.
次に、製作した光カプラースイッチ１の光強度の間隙依存性について説明する。
図９は、実施例１の光カプラースイッチ１の光強度の間隙依存性を示す図である。電圧印加前の間隙（Ｇ）は１０００ｎｍであり、第１及び第２の光導波路２、３間の結合は無視できるほど小さい。可動の第２の光導波路３の移動距離が９５０ｎｍであるとき、スルーポート５ｃの光強度は極小になり、ドロップポート５ｄの光出力強度は極大となる。この条件はスイッチ位置と判断でき、光導波路間隙は５０ｎｍ、印加電圧は２８．７Ｖであった。実施例１で得た最大の消光比は、前述のスイッチ点で得られた３６ｄＢであった。
Next, the gap dependency of the light intensity of the manufactured optical coupler switch 1 will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating the gap dependency of the light intensity of the optical coupler switch 1 according to the first embodiment. The gap (G) before voltage application is 1000 nm, and the coupling between the first and second optical waveguides 2 and 3 is negligibly small. When the moving distance of the movable second optical waveguide 3 is 950 nm, the light intensity of the through port 5c is minimized, and the light output intensity of the drop port 5d is maximized. This condition could be determined as the switch position, the optical waveguide gap was 50 nm, and the applied voltage was 28.7V. The maximum extinction ratio obtained in Example 1 was 36 dB obtained at the aforementioned switch point.
実施例１の光カプラースイッチ１の応答周波数を静電マイクロアクチュエータ２０の共振周波数より推定した。静電マイクロアクチュエータ２０の共振周波数は約１５０ＫＨｚであったので、スイッチ時間は数１０μ秒と推定される。 The response frequency of the optical coupler switch 1 of Example 1 was estimated from the resonance frequency of the electrostatic microactuator 20. Since the resonance frequency of the electrostatic microactuator 20 is about 150 KHz, the switch time is estimated to be several tens of microseconds.
（比較例）
実施例１に対してシールド領域９ａ、９ｂ，９ｃ，９ｄを設けていない光カプラースイッチを比較例として、実施例１と同様に作製した。
図１０は、製作した比較例の光カプラースイッチの走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ）である。実施例１の光カプラースイッチ１に設けたシールド領域９ａ、９ｂ，９ｃ，９ｄが形成されていないことが分かる。
(Comparative example)
An optical coupler switch in which the shield regions 9a, 9b, 9c, and 9d are not provided with respect to Example 1 was produced as a comparative example in the same manner as in Example 1.
FIG. 10 is a scanning electron microscope image (SEM) of the manufactured optical coupler switch of the comparative example. It can be seen that the shield regions 9a, 9b, 9c, 9d provided in the optical coupler switch 1 of Example 1 are not formed.
図１１は、比較例の光カプラースイッチの光強度の間隙依存性を示す図である。図１１に示すように、比較例の光カプラースイッチにおいても、逆位相を持った振動する光出力強度がスルーポート５ｃとドロップポート５ｄにおいて得られた。可動導波路の移動量が約７６０ｎｍすなわち、導波路の間隙が約２４０ｎｍの第１スイッチ位置において、消光比は７．１ｄＢであった。 FIG. 11 is a diagram illustrating the gap dependency of the light intensity of the optical coupler switch of the comparative example. As shown in FIG. 11, also in the optical coupler switch of the comparative example, the oscillating light output intensity having the opposite phase was obtained at the through port 5c and the drop port 5d. The extinction ratio was 7.1 dB at the first switch position where the moving amount of the movable waveguide was about 760 nm, that is, the gap of the waveguide was about 240 nm.
上記実施例１及び比較例によれば、本発明の光カプラースイッチ１は挿入損失の極めて小さいことが分かった。これにより、本発明の光カプラースイッチ１は、高速で、かつ、１ｎＷ以下の低消費電力で動作し、ＭＥＭＳの製造方法で作製できるので低コストである。 According to Example 1 and the comparative example, it was found that the optical coupler switch 1 of the present invention has a very small insertion loss. As a result, the optical coupler switch 1 of the present invention operates at a high speed and with a low power consumption of 1 nW or less, and can be manufactured by the MEMS manufacturing method, so that the cost is low.
（光マトリックススイッチ）
実施例１の２×２光カプラースイッチ１を多段接続した光マトリックススイッチ５０を作製した。
図１２は、多段に接続した２×２光カプラースイッチ１を５段接続した２入力６出力の光マトリックススイッチ５０のパターンを示す図である。
図１２に示すように、光マトリックススイッチ５０は、上側に配設される３個の２×２光カプラースイッチ１と、下側に配設される２個の２×２光カプラースイッチ１とから構成されている。図示するように、上側に配設される３個の２×２光カプラースイッチ１にそれぞれ、２１Ｖ、２１．８Ｖ、２３Ｖを印加すると、入力光５１が、上側の左に配設された２×２光カプラースイッチ１のドロップポート５５に出力される。出力したスポットの光出力強度の値から、２×２光カプラースイッチ１の挿入損失の大まかな値を求めると１ｄＢから２．５ｄＢ程度となった。
(Optical matrix switch)
An optical matrix switch 50 in which the 2 × 2 optical coupler switch 1 of Example 1 was connected in multiple stages was produced.
FIG. 12 is a diagram showing a pattern of a 2-input 6-output optical matrix switch 50 in which 5 stages of 2 × 2 optical coupler switches 1 connected in multiple stages are connected.
As shown in FIG. 12, the optical matrix switch 50 includes three 2 × 2 optical coupler switches 1 disposed on the upper side and two 2 × 2 optical coupler switches 1 disposed on the lower side. It is configured. As shown in the figure, when 21V, 21.8V, and 23V are respectively applied to the three 2 × 2 optical coupler switches 1 disposed on the upper side, the input light 51 is disposed on the 2 × disposed on the upper left side. 2 is output to the drop port 55 of the optical coupler switch 1. When a rough value of the insertion loss of the 2 × 2 optical coupler switch 1 is obtained from the value of the light output intensity of the output spot, it is about 1 dB to 2.5 dB.
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、第１及び第２の光導波路の曲げ光導波路の半径や、シールド領域９の形状等は使用する光の波長に応じて、光カプラースイッチ１の挿入損失が低減するように適宜に設計することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. For example, the radiuses of the bent optical waveguides of the first and second optical waveguides, the shape of the shield region 9 and the like are appropriately designed so as to reduce the insertion loss of the optical coupler switch 1 according to the wavelength of light used. be able to.
１：光カプラースイッチ
２：第１の光導波路
２ａ：中央光導波路
２ｂ、２ｃ：曲げ光導波路
２ｄ：コア
２ｅ：クラッド
３：第２の光導波路
３ａ：中央光導波路
３ｂ、３ｃ：曲げ光導波路
３ｄ：コア
３ｅ：クラッド
４：入力ポート
４ａ，４ｂ：入力光導波路
５：出力ポート
５ａ，５ｂ：出力光導波路
５ｃ：スルーポート
５ｄ：ドロップポート
６：楕円導波路ブリッジ
９：シールド領域
１０：光カプラースイッチ部
２０：静電マイクロアクチュエータ
２２、２８：電極
２３：固定部
２３ａ：第１の櫛歯領域
２４ａ：第２の櫛歯領域
２４：可動部
２５：支持アーム
２６:枠
２７：二重曲げのバネ
３２：直流電源
４０：ＳＯＩ基板
４１：シリコン基板
４２：犠牲層
４３：上層Ｓｉ層
５０：マトリクススイッチ
５１：入力光
５５：ドロップポート
1: optical coupler switch 2: first optical waveguide 2a: central optical waveguide 2b, 2c: bent optical waveguide 2d: core 2e: clad 3: second optical waveguide 3a: central optical waveguide 3b, 3c: bent optical waveguide 3d : Core 3e: Clad 4: Input port 4a, 4b: Input optical waveguide 5: Output port 5a, 5b: Output optical waveguide 5c: Through port 5d: Drop port 6: Elliptic waveguide bridge 9: Shield region 10: Optical coupler switch Part 20: Electrostatic microactuator 22, 28: Electrode 23: Fixed part 23a: First comb tooth area 24a: Second comb tooth area 24: Movable part 25: Support arm 26: Frame 27: Double bending spring 32: DC power supply 40: SOI substrate 41: Silicon substrate 42: Sacrificial layer 43: Upper layer Si layer 50: Matrix switch 51: Input light 55: Drop port
Claims (10)
上記光カプラースイッチ部に隣接して配置された静電マイクロアクチュエータと、
静電マイクロアクチュエータの電極と、を含み、
上記光カプラースイッチ部は、固定の第１の光導波路と、可動の第２の光導波路と、上記第１の光導波路及び上記第２の光導波路の周囲に配設されるシールド領域とからなり、
上記第１の光導波路は、上記第２の光導波路に対向する中央光導波路と、該中央光導波路の一端に接続された第１の曲げ光導波路と、該中央光導波路の他端に接続された第２の曲げ光導波路とを有し、
上記第２の光導波路は、上記第１の光導波路の中央光導波路に対向して間隙を設けて配置された中央光導波路と、該中央光導波路の一端に接続された第３の曲げ光導波路と、該中央光導波路の他端に接続された第４の曲げ光導波路とを有し、
上記第１及び第２の光導波路は、周囲より高い誘電率を有するコアと、該コアの周囲に配設されるクラッドと、該クラッドの周囲に配設されるシールド領域とからなり、
上記シールド領域は、少なくとも上記光カプラースイッチ部に配設され、上記第１の光導波路及び第２の光導波路における上記コアと上記シールド領域との間隔を一定にし、
上記静電マイクロアクチュエータは、固定部と可動部とを有する櫛形アクチュエータからなり、かつ、該可動部は上記第２の光導波路に隣接して配設され、
上記静電マイクロアクチュエータの可動部は支持アームを備え、該支持ア−ムは上記第２の光導波路に接続されており、
上記第１の光導波路の中央光導波路と上記第２の光導波路の中央光導波路との間隙が、上記静電マイクロアクチュエータの可動部により変位する、光カプラースイッチ。 An optical coupler switch unit to which two input ports and two output ports are connected;
An electrostatic microactuator disposed adjacent to the optical coupler switch;
An electrode of an electrostatic microactuator,
The optical coupler switch unit includes a fixed first optical waveguide, a movable second optical waveguide, and a shield region disposed around the first optical waveguide and the second optical waveguide. ,
The first optical waveguide is connected to a central optical waveguide facing the second optical waveguide, a first bent optical waveguide connected to one end of the central optical waveguide, and the other end of the central optical waveguide. A second bent optical waveguide,
The second optical waveguide includes a central optical waveguide disposed with a gap facing the central optical waveguide of the first optical waveguide, and a third bent optical waveguide connected to one end of the central optical waveguide. And a fourth bent optical waveguide connected to the other end of the central optical waveguide,
The first and second optical waveguides include a core having a dielectric constant higher than that of the periphery, a clad disposed around the core, and a shield region disposed around the clad,
The shield region is disposed at least in the optical coupler switch unit, and the interval between the core and the shield region in the first optical waveguide and the second optical waveguide is constant,
The electrostatic microactuator comprises a comb-shaped actuator having a fixed part and a movable part, and the movable part is disposed adjacent to the second optical waveguide,
The movable portion of the electrostatic microactuator includes a support arm, and the support arm is connected to the second optical waveguide.
An optical coupler switch in which a gap between a central optical waveguide of the first optical waveguide and a central optical waveguide of the second optical waveguide is displaced by a movable portion of the electrostatic microactuator.
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