JP4066670B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチに関する。特に、光の分岐方向を切り替えるための光スイッチに関する。
【0002】
【背景技術】
近年、大容量データを高速で伝送できる光ファイバを用いた通信が主流となってきており、光ファイバや光源、光検出素子との接続部等で用いる、光信号を導光するための光導波路は、より小型で伝搬損失の少ない高精度なものが要求されている。
【0003】
このような光導波路は、一般に基板の表面に屈折率のわずかに高い部分を作ってコアとすることによって構成されており、例えば図1に示すような半導体プロセスにより製造されている。
【0004】
以下、半導体プロセスによる光導波路の製造工程を図1により説明する。まず、基板1上にクラッド材を堆積させ硬化させることにより下クラッド層2を形成した(図1(a)、(b))後、下クラッド層2の上にコア材を堆積させ硬化させることによりコア層3aを形成する(図1(c))。ついで、コア層3aの表面にレジスト4を塗布し、レジスト4の上に露光マスク5を重ねて、紫外線照射により露光する(図1(d))。露光後、レジスト4を現像することによってパターニングし、コア形成位置のみをレジスト4で覆う(図1(e))。ついで、残存したレジスト4をエッチング用マスクにして、反応性イオンエッチング(RIE)によってコア層3aの露出領域を除去し、レジスト4の下にコア3を形成し(図1(f))、レジスト4を除去してコア3を露出させる(図1(g))。この後、コア3及び下クラッド層2上にクラッド材を堆積させ硬化させて上クラッド層6を形成し、下クラッド層2と上クラッド層6との間にチャンネル型のコア3が埋め込まれた光導波路が得られる(図1(h))。
【0005】
半導体プロセスによれば、コア3は、コア3の全長にわたって図2(a)に示すような長方形又は正方形の断面形状に形成される。若しくは、図2(b)に示すように、エッチングによって両側面にテーパーがつくことにより、上底よりも下底(下クラッド層2との接する辺)が長い台形(メサ型)になる。
【0006】
このような光導波路にあっては、コア3の入射端からコア3内に入射した光は、下クラッド層2や上クラッド層6とコア3との界面(例えば、矩形コアの場合、コア3の上下面や左右側面)で全反射を行いながらコア3内を伝搬し、コア3の光出射端より外部へ出射される。コア3内を伝搬する光の伝搬損失の主な原因には、コア3の湾曲部分で生じる損失や、コア3の端面で生じる損失が挙げられる。
【0007】
まず、コア3の湾曲部分における損失について説明する。図3に示すように湾曲したコア3において湾曲部分で生じる損失は、コア3の直線部分から湾曲部分の外周面に光が入射した際に、図4により説明するように、コア3の外周面に入射する光の入射角θ2が、全反射の臨界角よりも小さくなり、コア3内へ光が全反射されず、コア3から上クラッド層6側へ光が放射されて損失となるものである。
【0008】
図5及び図6はコア3の湾曲部分における伝搬損失を波動光学的に説明している。図5は、図3のコア3の直線部分におけるA−A´線に沿った実効屈折率(直線導波路の実効屈折率)と湾曲部分におけるB−B´線に沿った実効屈折率(曲り導波路の実効屈折率)を表している。直線導波路においてはコア3を横断する方向における実効屈折率の分布は、図5に破線で示すようにコア3の中心に関して対称な分布をしているが、曲り導波路においては図5に実線で示すように、外周側で実効屈折率が高くなり、内周側で実効屈折率が低くなる。このためコア3内を伝搬する光は、図6に示すように、直線導波路の部分ではコア3内に閉じこめられているが、曲り導波路の部分を通過する際、屈折率の高くなっている外周側の上クラッド層6内にへ放射されて広がり、損失となる。また、曲り導波路の部分では、導波モードの電界分布が歪んでしまうため、曲り導波路部分の入り口で電界分布の不整合生じて光がコア3外へ放射され、損失となる。
【0009】
コア3の湾曲部分における伝搬損失を抑制するためには、湾曲部分の曲率半径Rを大きくし、コア3の外周面への入射角が臨界角よりも大きくなるようにすればよい。しかし、曲率半径Rを大きくすると、必要な曲り角を得るためにコア3の湾曲部分を長くしなければならないので、光導波路が長大化してしまう。従って、従来の光導波路では湾曲部分における伝搬損失の低減と光導波路の小型化とはトレードオフの関係にあった。
【0010】
次に、コア3の端面で生じる結合損失について述べる。コア3の端面で生じる損失は、コア3の光入射端又は光出射端と、他の光学素子等とを光学的に接続する際に生じる損失である。このような結合損失を小さくするためには、シングルモードのコア3では、その光入射端及び光出射端の形状は、コア3に結合される光ファイバ等の端面形状に近いことが望ましい。
【0011】
次に、光導波路の応用として従来の光スイッチについて説明する。図7は光スイッチの構造を示す斜視図、図8(a)(b)(c)は、図7のC1−C1’、C2−C2’、C3−C3’における断面を示す断面図である。光スイッチにあっては、基板1の上にY分岐したコア3が形成され、コア3を覆う上クラッド層6の上面においてコア3の分岐部上部を挟むようにしてヒータ7が2つ設けられている。コア3は、図8(a)(b)(c)のいずれの断面においても、矩形状又はヒータ側で幅の狭い台形状をしている。しかして、一方のヒータ7に通電して発熱させると、発熱したヒータ7側で温度が上昇するために熱光学(TO)効果により発熱側でコア3及び上クラッド層6の屈折率が小さくなり、コア3の非分岐部分を伝搬してきた光は、非発熱側の分岐部分へ伝搬していき、発熱側にはほとんど伝搬しなくなる。発熱させるヒータ7を切り替えれば、光の伝搬する経路(分岐方向)を切り替えることができる。
【0012】
このような光スイッチにあっては、電気的なスイッチのように光の経路を完全に切り替えられるものが求められており、高い消光比を持つものが要望されている。このような光スイッチにおいて、高い消光比を得るためには、コア3の分岐角を小さくするか、ヒータにより与えられる屈折率差を大きくする必要がある。
【0013】
しかし、分岐角を小さくする方法では、光出射端においてコア3の分岐部分どうしの間隔を光ファイバを接続できるように十分離そうとするとき、コア3の分岐部分が十分に離れるまでにコア長が長くなり、光スイッチが長大化する問題があった。
【0014】
また、ヒータにより与えられる屈折率差を大きくするためには、ヒータの発熱量を大きくしなければならないので、光スイッチの消費電力が高くなるという問題がある。さらに、屈折率変化を大きくする方法では、導波方向において急激な屈折率変化が生じるので、シングルモードのコアにおいてマルチモードが発生し、その結果過剰損失が生じて、逆に消光比を低下させてしまうという問題があった。
【0015】
【発明の開示】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、コアの損失を低減しながらコアの形状の自由度を高くすることができ、また、小型で消光比の高い光スイッチを提供することにある。
【0016】
本発明の第1の光スイッチは、光を閉じこめて伝搬させるためのコアと、前記コアの外周面全面を密着するように囲むクラッドと、前記コアの一部を加熱する加熱手段とを備えた光スイッチであって、前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状は、コアの各端面では矩形であり、前記加熱手段近傍では前記加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ前記加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっており、前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状が、コアの長さ方向に沿った方向で矩形から逆台形形状へ、あるいは逆台形形状から矩形へ徐々に変化していることを特徴としている。
【0017】
本発明の第1の光スイッチにおいては、コアの光軸に垂直な方向の断面形状が、コア端面では矩形で、加熱手段近傍では逆台形となっており、コアの長さ方向に沿った方向でコアの断面形状が矩形から逆台形形状へ、あるいは逆台形形状から矩形へ徐々に変化しているので、均一なコア材料を用いていても、断面形状を変化させることによってコアの実効的な屈折率を変化させることができる。よって、断面形状の変化によってコアの任意の箇所でコアの実効的な屈折率を制御することができ、コアを伝搬する電界分布を制御することができる。例えば、コアの湾曲部分や分岐部分において、光がコアから漏れて損失になりにくいように光の電界分布を制御できる。よって、伝搬損失を抑制しながら大きな曲率でコアを湾曲させることも可能になるので、コアの形状の自由度が増し、また、光スイッチを大きくすることなく、コアの方向を大きく曲げることも可能になる。
さらに、本発明の第1の光スイッチにおいては、コアの光軸に垂直な方向の断面形状が、加熱手段近傍では加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ前記加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっているので、加熱手段の近傍においては、加熱手段に近い側では単位長さ及び単位厚み当たりのコアの熱容量が大きくなり、加熱手段から遠い側では単位長さ及び単位厚み当たりのコアの熱容量が小さくなり、コアは加熱手段が発熱した時に効率よく加熱され、また、コアは加熱手段が発熱したときにコア両側面の厚みの薄い部分が効率よく加熱され、その結果加熱手段近傍でコアが速やかに温度上昇して屈折率が小さくなり、光を速やかに、かつ効率よく遮断することができる。
【0018】
このようなコアは、半導体プロセスでは作製するのが困難であるが、射出成型されたクラッド基板の溝にコア材料を充填してコアを形成する方法や、スタンパにより型押ししてコアを成型する方法によれば、容易に製作することができる。
【0023】
本発明にかかる第2の光スイッチは、非分岐コアと複数本の分岐コアが分岐部分で接続されたコアと、前記コアの外周面全面を密着するように囲むクラッドと、前記分岐コアを加熱する複数の加熱手段とを備え、前記加熱手段はそれぞれ、前記分岐部分近傍において前記分岐コアのそれぞれに対応する位置に配置され、前記加熱手段のいずれかを加熱し、加熱された加熱手段に対応するコアの屈折率を小さくすることにより、光の伝播する分岐コアを切り替える光スイッチであって、前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状は、コアの各端面では矩形であり、前記分岐部分近傍における前記分岐コアの湾曲部分では、対応する前記加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ対応する前記加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっており、前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状が、コアの長さ方向に沿った方向で矩形から逆台形形状へ、あるいは逆台形形状から矩形へ徐々に変化していることを特徴としている。
【0024】
本発明の第2の光スイッチにおいては、複数の加熱手段により加熱する分岐コアを切り替えることにより分岐部分における光の伝搬方向を切り替えることができる。しかも、コアの光軸に垂直な方向の断面形状は、コアの各端面では矩形であり、前記分岐部分近傍における前記分岐コアの湾曲部分では、対応する前記加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ対応する前記加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっており、コアの長さ方向に沿った方向でコアの断面形状が逆矩形形状から台形へ、あるいは逆台形形状から矩形へ徐々に変化しているので、屈折率の均一なコア材料を用いていても、コアの断面形状を変化させることによってコアの実効的な屈折率を変化させることができる。よって、断面形状の変化によってコアの任意の箇所でコアの実効的な屈折率を制御することができ、コアを伝搬する電界分布を制御することができる。例えば、コアの分岐部分において、光がコアから漏れて損失になりにくいように光の電界分布を制御できる。
また、分岐部分近傍における分岐コアでは、分岐コアの断面形状が、対応する加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ対応する加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっているので、分岐コアの側面が傾いた部分では、分岐コアの厚みが次第に薄くなっており、分岐の両側部で屈折率が小さくなっている。その結果、分岐コアの分岐部分で分岐コアの湾曲部分内へ進入する光は、分岐コアの中央部に集められて分岐コア外部への漏れを抑えられる。
よって、本発明にかかる第2の光スイッチによれば、分岐コアの損失を抑制しながら大きな曲率で湾曲させることも可能になるので、コアの形状の自由度が増し、また、光スイッチを大きくすることなく、コアの方向を大きく曲げることも可能になる。
【0025】
さらに、本発明にかかる第2の光スイッチは、前記分岐コアの、前記加熱手段で加熱される部分の断面形状が、加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっているので、加熱手段の近傍においては、加熱手段に近い側では単位長さ及び単位厚み当たりの分岐コアの熱容量が大きくなり、加熱手段から遠い側では単位長さ及び単位厚み当たりの分岐コアの熱容量が小さくなり、分岐コアは加熱手段が発熱した時に効率よく加熱され、また、分岐コアは加熱手段が発熱したときに分岐コア両側面の厚みの薄い部分が効率よく加熱され、その結果加熱手段近傍でコアが速やかに温度上昇して屈折率が小さくなり、光を速やかに、かつ効率よく遮断することができる。
【0026】
本発明にかかる第1又は第2の光スイッチの実施態様は、前記コアの分岐部分の断面において、前記加熱手段が配置されている面と垂直な方向でコアの高さを2等分し、前記コアの高さの2等分位置を通り前記加熱手段が配置されている面と平行な線分によりコアの断面を2分したとき、2分された断面のうち、前記加熱手段に近い側でのコアの断面の面積が、前記加熱手段から遠い側でのコアの断面の面積よりも大きいことを特徴としている。例えば、このようなコアの断面形状としては、加熱手段側で幅の広くなった台形のものがある。これらの実施態様では、コアが加熱手段側に偏っているので、加熱手段による加熱に対して屈折率の変化が敏感になり、消光比をより高くすることができる。
【0027】
本発明による第1又は第2の光スイッチの別な実施態様は、前記コアの分岐部分の断面において、前記加熱手段が配置されている面と平行な方向の辺のうち、前記加熱手段に近い側の辺の長さが、前記加熱手段から遠い側の辺の長さよりも大きいことを特徴としている。例えば、このようなコアの断面形状としては、加熱手段側で幅の広くなった台形のものがある。これらの実施態様では、コアが加熱手段側に偏っているので、加熱手段による加熱に対して屈折率の変化が敏感になり、消光比をより高くすることができる。
【0028】
本発明にかかる第2の光スイッチのさらに別な実施態様は、前記加熱手段の近傍で前記コアが湾曲しており、前記加熱手段近傍での前記コアの前記断面形状が、前記コアの上面又は下面に垂直な方向に対するコアの側面の傾きが内周側よりも外周側で大きくなった逆台形形状であることを特徴としている。この実施態様では、コアの外周側の側面が内周側の側面よりも傾きが大きくなっているので、コアの湾曲部分から光が漏れにくなって損失が小さくなる。
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図9は、本発明の一実施形態である光導波路8の平面図であり、図10(a)〜(c)は、それぞれ図9に示す光導波路8の正面図(コア9の光入射端14を有する面)、D−D’線断面図、背面図(コア9の光出射端15a、15bを有する面)を示している。本発明の光導波路8は、基板10と、下クラッド層11a、Y分岐型コア9、上クラッド層11bから構成されている。コア9は、Y分岐していて非分岐コア9aの一方端面が光入射端14となり、非分岐コア9aの端部が分岐して分岐コア9b、9cとなり、分岐コア9b、9cの端面が光出射端15a、15bとなっている。この光導波路8は、コア9の光入射端14より入射した光を分岐して、光出射端15a、15bから出射する光分岐器となっている。光入射端14には、発光素子や光ファイバ等の投光手段が結合され、光出射端15a、15bには、受光素子や光ファイバ等の受光手段が結合される。図10(b)に示すように、分岐部付近のコア9(分岐コア9b、9c)の断面は台形形状をしているのに対し、図10(a)、(c)に示すように、コア9の端面14、15a、15b及びその近傍の形状は断面矩形状となっている。
【0030】
この光導波路8にあっては、分岐部近傍の湾曲部分において分岐コア9b、9cの断面が外周側で逆テーパー状に湾曲している。コアの断面が矩形状である場合には、このような湾曲部分では、図6に示したように光の伝搬モードの電界分布が外周側へ移動し、光がコアの外周側へ放射されて漏れていたが、この光導波路8のように湾曲部分でコア9の断面を外周側で逆テーパー状に傾斜させておけば、図11に示すように、伝搬モードの電界分布が内周側にシフトし、光がコア9内に閉じ込められて外部へ漏れにくくなり、湾曲部分の曲率半径Rが小さくなってもコア9内を伝搬する光の伝搬損失が小さくなる。
【0031】
コア9の外周側の側面を逆テーパー状に傾斜させると光が漏れにくなって損失が小さくなる理由は、次のように考えられる。図12はステップ型二次元コアの規格化周波数Vと規格化コア屈折率bとの関係を表わした分散曲線である(西原浩、春名正光、栖原敏明共著、「光集積回路」第16頁、オーム社、昭和60年2月25日発行)。ここで、規格化周波数V及び規格化コア屈折率bとは、次の(1)式及び(2)式で与えられるものであり、mは伝搬する光のモード番号、aは非対称の尺度と呼ばれるものであって、コア9の屈折率をnf、下クラッド層11aの屈折率をns、上クラッド層11bの屈折率をncとすれば、
a=(ns 2−nc 2)/(nf 2−ns 2)
で表わされる。
【数1】
ここで、koは真空中の波数であって、真空中の光の波長をλとすれば、ko=2π/λである。また、Tはコアの厚み、nfはコア9の屈折率、nsは下クラッド層11aの屈折率である。Nは伝搬モードの実効屈折率であって、コアの界面への光の入射角をθとすれば、N=nfsinθで定義される。
【0032】
上記光導波路8では、外周側側面の傾斜のためにコア9の外周側の縁(くさび状の部分)ではコア9の厚みが薄くなっている。図12から分かるように、コア9の厚みTが薄くなると、規格化周波数Vが小さくなるので、コア9の外周側の縁では規格化コア屈折率bが小さくなる。あるいは、光導波路8に垂直な方向から見たとき、上クラッド層11bよりも屈折率の大きなコア9が、外周部分で薄くなっているので、コア9の外周部分では平均の屈折率が小さくなっているということもできる。この結果、図5に示したような曲りコアにおける屈折率の傾斜が緩和され、コア9内を伝搬する光の伝搬モードの電界分布は図11に示したように屈折率の高い内周側に引き込まれ、その結果外周側への光の放射が小さくなり、コア9の湾曲部分における光の損失を小さくすることができる。
【0033】
このように、分岐コア9b、9cで生じる伝搬損失を抑制できる形状のコア9であれば、分岐部間の角度を大きくしても、従来のY分岐コアよりも精度良く光を伝搬することができる。分岐コア9b、9c間の角度が大きくなる程、コア9の光出射端15aと光出射端15bが離れるため、コア9の全長を短くしても、光出射端15a、15bに接続する光学素子を設置するスペースを確保できるようになる。したがって、本発明の光導波路8は、小型のコアにすることができる。
【0034】
また、本発明の光導波路8では、コア9の端面の形状が、例えば光ファイバなどの接続する光学素子等との結合損失が少なくなる形状にしてあるために、接続部分でもロスが少なく、効率よく光を伝搬することができる。
【0035】
よって、本発明の光導波路8にあっては、コア9の断面形状をその箇所、あるいは平面形状などに応じて変化させることができ、コア9の損失を小さく保ちながら、湾曲部分の曲率を大きくするなど、コア9の形状の自由度が高くなる。特に、湾曲部分の曲率を大きくすることで、光導波路8が長大化するのを避け、光導波路8の小型化を図ることができる。
【0036】
なお、コア9の断面形状(側面の傾斜角)は、急激に変化させることも可能であるが、徐々に変化させることにより、光がコア9内で乱反射したり、外部へ漏れたりするのを防止することが好ましい。
【0037】
図13は、上記光導波路8の製造工程を説明する図である。本発明の光導波路8の製造工程においては、まず、基板10上に未硬化の紫外線硬化樹脂を塗布して、コア9の反転パターンを表面に有するスタンパ12で押圧し、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させることにより、下クラッド層11aを形成する(図13(a)、(b))。このようにして形成された下クラッド層11aの窪みに下クラッド層11aよりも屈折率の大きな紫外線硬化樹脂(コア樹脂)を注入し、ガラス板などの平面板13で押圧して紫外線硬化樹脂を窪み内に充填させ、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させる(図13(c))。ついで、平面板13を剥離させた後、スピンコータにかけて下クラッド層11aの上のコア9を薄く延ばす(図13(d))。この後、コア9よりも屈折率の小さい、上クラッド層11bとなる樹脂を塗布して露光すれば、光導波路8が完成する(図13(e))。形成したコア9の厚みは6〜10μm程度であり、上クラッド層11bの厚みは10μm程度である。なお、上クラッド層11bは必ずしも形成しなくてもよい。
【0038】
この光導波路8の製造工程で使用するスタンパ12、又はスタンパの原盤は、ガラス板や樹脂板等をレーザー加工することによって所望する形状に形成することができる。したがって、このようなスタンパ12を用いることによって、断面の形状が位置によって変化するようなコア9を形成することができる。また、この製造方法では、図12に示すように、半導体プロセスでは形成できなかった、上底に対して下底の長さが短い逆台形の断面を有するコア9を作製することも可能にできる。なお、コア9は、射出成型で形成しても良い。
【0039】
なお、図10(b)では、分岐コア9b、9cの分岐部分近傍の領域の断面形状を台形にしているが、非分岐コア9a、また分岐コア9b、9cの分岐部分から離れた箇所なども例えば図14に示すように断面形状を台形に形成してもよい。また、分岐コア9b、9cはS字状に湾曲しているから、図9のD−D’断面位置と反対向きに湾曲している箇所(例えば、D−D’断面と背面との中間あたり)でも外周側の側面を斜めに傾けて図15のような断面形状に形成してもよい。
【0040】
また、図16(a)〜(c)は、当該実施形態による光導波路8の変形例を示す正面図、図9のD−D’線に相当する箇所の断面図、背面図を示しており、コア9を形成した際に、コア9のサイドから下クラッド層11aの上面にコア樹脂があふれ出て、薄膜状のバリ9dが形成されている様子を表している。光導波路8では、図16(a)〜(c)に示すようなバリ9dが形成されていてもよいが、コア9を伝搬する光がバリ9dに入射すると、光がバリ9dから外部に漏れてしまうため、バリ9dの厚みはできるだけ薄くすることが望ましい。
【0041】
(第2の実施形態)
図17は、本発明のさらに別な実施形態によるS字形状の光導波路8(S字コア)の平面図である。また、図18(a)〜(c)は、それぞれ、図17に示す光導波路8の正面図、E−E’線断面図、背面図を示している。この光導波路8は、基板10と下クラッド層11a、コア9、上クラッド層11bから構成されており、第1の実施形態で説明した製造方法(複写プロセス)によって製造されている。コア9の光入射端14には、投光素子が、また、コア9の光出射端15には受光素子が接続される。
【0042】
図18(b)に示すようにコア9の湾曲部分の断面形状は台形である。この形状は、コア9の光入射端14から入射し、シングルモードで伝搬してきた光が、コア9の湾曲部分の側面に入射した際に、入射角が臨界角以上となってコア9内の光の損失が抑えられるように、また、マルチモードの光が発生しないように設計された形状である。
【0043】
本発明の光導波路のように、湾曲部分のコア9の側面を伝搬損失を抑制できる形状に設計すれば、従来の同様のコア(S字コア)よりも湾曲部分の曲率半径を小さくでき、小型の光導波路を製作することができる。
【0044】
(第3の実施形態)
図19は、本発明のさらに別な実施形態による光導波路8(曲がりコア)を説明する図である。なお、図19に示す光導波路8の正面図、F−F’線断面図、左側面図は、図示しないが、それぞれ図18(a)〜(c)に示したものと同様な構造となっている。この光導波路8は、第1の実施形態で説明した製造方法によって作製されており、基板10と、下クラッド層11a、コア9、上クラッド層11bから構成されている。
【0045】
この実施形態による光導波路8では、湾曲部分のコア9の断面形状は台形になっている(図18(b)参照)。この形状は、コア9の光入射端14から入射し、シングルモードで伝搬してきた光が、コア9の湾曲部の側面に入射した際に、入射角が臨界角以上となるようにしてコア9内を伝搬する光の損失を抑制し、また、マルチモードが発生しないように設計されている。
【0046】
(第4の実施形態)
図20は、本発明のさらに別な実施形態による光スイッチ8Aの平面図である。また、図21(a)〜(d)は、それぞれ図20の光スイッチ8Aの正面図、G−G’線断面図、H−H’線断面図、背面図である。本発明の光スイッチ8Aは、基板10、下クラッド層11a、コア9(非分岐コア9a、分岐コア9b、9c)、上クラッド層11b、ヒータ16a、16bから構成されており、上クラッド層11bの上に金属電極からなるヒータ16a、16bを形成する点を除けば、第1の実施形態で説明した光導波路8と同様な製造方法で製造される。本発明の光スイッチ8Aでは、上クラッド層11bの上面において、非分岐コア9aを挟んで分岐コア9bの上方にヒータ16aが設けられ、分岐コア9cの上方にヒータ16bが設けられている。
【0047】
また、非分岐コア9a及び分岐コア9b、9cは、光入射端14及び光出射端15a、15b及びその近傍を除く領域では、図21(b)(c)に示すように両側面が傾斜した逆台形状断面に形成されており、光入射端14及び光出射端15a、15b及びその近傍では、図21(a)(d)に示すように矩形断面に形成されており、その中間では断面形状が徐々に変化している。
【0048】
本発明の光スイッチ8Aは、光入射端14から非分岐コア9aに入射した光を、分岐コア9bまたは分岐コア9cのいずれか一方にのみ導光することができる光学的なスイッチング素子路である。光を導光する側の分岐コア9b又は9cの切り替えは、熱光学効果(TO効果)を利用する。
【0049】
ここで、ヒータ16a、16bは、通電により発熱し、いずれも一方の分岐コア9b、9cだけを加熱するように配置されている。例えば、図22に示すように、ヒータ16bだけに通電して発熱させると、ヒータ16bの周りでは図のような温度分布が生じ、分岐コア9cは効率的に加熱されて温度が上昇するが、分岐コア9bはあまり温度が上昇しない。ヒータ16aだけを発熱させると、この逆になる。
【0050】
ここで、分岐コア9bをオンにし、分岐コア9cをオフにして、光入射端14から入射した光を分岐コア9bにのみ導光し、光出射端15aから出射する場合を説明する。この場合には、光の伝搬を遮断したい側の分岐コア9c上のヒータ16bをオンにして分岐コア9cを加熱し、光を伝搬したい分岐コア9b上のヒータ16aをオフにしておけば、ヒータ16bによって加熱された分岐コア9cの屈折率は、加熱されていない分岐コア9bの屈折率よりも小さくなる。光入射端14から入射した光が、コア9の分岐部分に到達すると、分岐コア9b側では屈折率が低くなっているので、分岐部分に達した光は分岐コア9b側へ導波され、分岐コア9bを伝搬することになる。
【0051】
しかも、この光スイッチ8Aでは、図21(b)(c)に示すように、少なくともヒータ16a、16bの直下の分岐部分で非分岐コア9aや分岐コア9b、9cの両側面が傾いていて断面形状が逆台形形状をしており、ヒータ16a、16bと平行な辺のうち、ヒータ16a、16bに近い辺(上底)が、ヒータ16a、16bから遠い辺(下底)よりも長くなっている。このため、分岐コア9b、9cの両側面のくさび状をした部分では、分岐コア9b、9cの厚みが次第に薄くなっており、分岐コア9b、9cの両側部で屈折率が小さくなっているので、コア9の分岐部分で分岐コア9b又は9c内へ進入する光は、分岐コア9b又は9cの中央部に集められて左右両側への放射により漏れを抑えられる。特に、ヒータ16a又は16bがオンになった時、ヒータオン側の分岐コア9b、9cの両側面の厚みの薄い部分が効率よく加熱されて屈折率が小さくなるので、ヒータオフ側の分岐コア9c、9bには光が伝搬するが、ヒータオン側の分岐コア9b、9cには光が伝搬せず、しかも、光が伝搬している分岐コア9c又は9b内の光が他方の分岐コア9b又は9cへ漏れにくくなり、光スイッチ8Aの消光比が高くなる。例えば、ヒータ16bをオンにした場合には、分岐コア9cの屈折率が効率よく低下させられるので、光は分岐コア9bへ伝搬し、しかも、分岐コア9cへ漏れにくいので、消光比が高くなる。
【0052】
なお、分岐部分におけるコア9の断面形状を、ヒータ16a、16bに近い辺(上底)が、ヒータ16a、16bから遠い辺(下底)よりも短くなった台形断面にした場合には、このような消光比を高くする効果は得られなかった。これは、分岐コア9b、9cの両側の厚みの薄い部分がヒータ16a、16bから遠いためであると考えられる。
【0053】
また、このような構造の光スイッチ8Aによれば、消光比を高くすることができるので、消光比を高くするためにヒータ16a、16bの消費電力を高くする必要がなく、屈折率の大きな部分と小さな部分との差を小さく抑えることができるので、マルチモードの光も発生しにくくなる。
【0054】
次に、分岐部分における断面が台形のコア9を有する光スイッチ8Aと、断面が矩形のコアを有する従来の光スイッチを想定し、それぞれコアに伝搬する光のパワーをシュミレーションした結果をそれぞれ図23及び図24に示す。図23(a)は本発明の光スイッチ8Aにおいて、一方のヒータのみをオンにしたときの伝搬する光のパワーを線の太さで表した平面図、図23(b)は横軸にパワーの強さを示し、縦軸に光スイッチの長さ方向の距離をとったときの各分岐コア内のパワーの変化を表したグラフである。同様に、図24(a)は従来の光スイッチにおいて、一方のヒータのみをオンにしたときの伝搬する光のパワーを線の太さで表した平面図、図24(b)は横軸にパワーの強さを示し、縦軸に光スイッチの長さ方向の距離をとったときの各分岐コア内のパワーの変化を表したグラフである。
【0055】
図23と図24を比較すると明らかなように、図24に示した従来の光スイッチでは、ヒータオン側の分岐コアにも10%程度のパワーの光が流れ、ヒータオフ側には90%程度のパワーの光しか伝搬していない。これに対し、図23に示した本発明の光スイッチでは、ヒータオン側の分岐コアに流れている光のパワーはほぼ0%となり、ヒータオフ側にはほぼ100%のパワーの光が伝搬しており、高い消光比と小さな伝搬損失が実現されている。
【0056】
また、図25(a)(b)(c)は、本発明の光スイッチに関して、図20のP1、P2、P3の箇所における断面での光のパワーの分布を表している。同様に、図26(a)(b)(c)は、従来の光スイッチに関して、同様な箇所における断面での光のパワーの分布を表している。図25と図26との比較からも、本発明の光スイッチでは、ヒータオン側の分岐コアへのパワーの漏れが非常に小さいことが分かる。
【0057】
上記実施形態の光スイッチ8Aでは、非分岐コア9aだけでなく、分岐コア9b、9cも左右対称な断面形状に形成されていたが、分岐コア9b、9cについては、他方の分岐コア9c、9bから遠い側の側面だけを傾けて、他方の分岐コア9c、9bに近い側の側面は垂直面にしておいてもよい。
【0058】
なお、図27(a)〜(d)は、この実施形態による光スイッチ8Aの変形例を示す正面図、図20のG−G’線に相当する断面における断面図、図20のH−H’線に相当する断面における断面図、背面図である。これらはコア9(非分岐コア9a、分岐コア9b、9c)を形成した際に、コア9のサイドから下クラッド層11aの上面にコア樹脂があふれ出て、薄膜状のバリ9dが形成されている様子を表している。光スイッチ8Aでは、図27(a)〜(d)に示すようなバリ9dが形成されていてもよいが、コア9を伝搬する光がバリ9dに入射すると、光がバリ9dから外部に漏れてしまうため、バリ9dの厚みはできるだけ薄くすることが望ましい。
【0059】
(第5の実施形態)
図28は、本発明のさらに別な実施形態である光スイッチ8Bを説明する図である。この光スイッチ8Bは、第1の実施形態で説明した製造方法で形成されており、基板10と、下クラッド層11a、コア9、上クラッド層11b、ヒータ16から構成されている。コア9は2つ以上の分岐部分を有し、3つ以上の光出射端15a、15b、…を有している。上クラッド層11bの上面では、コア9の各分岐部分を挟むようにしてそれぞれ1組のヒータ16a、16bが設けられている。しかして、各組のヒータ16a、16bを個々に切り替えることにより、光入射端14から入射した光の伝送先を任意の光出射端15a、15b、…に切り替えることができる。
【0060】
この光スイッチ8Bは、コア9の分岐部付近の断面形状が台形になっており、光入射端14と光出射端15a、15b、…は、正方形や長方形など接続する光ファイバ等との結合損失の少ない形状になっている。したがって、この光スイッチ8Bによれば、分岐部分では、所望する分岐先にのみ効率よく光を伝搬することができ、また、コア9の端面では結合損失が少なくなるために、効率よく光を伝搬し、分配することができる。
【0061】
(その他の実施形態)
本発明の光導波路は、種々のアプリケーションに用いることができる。例えば、2本のコア9とヒータ16a、16bを用いた図29のような方向性結合器(光スイッチ)8C、2本のコア9とヒータ16a、16bを用いた図30のようなマッハ−ツェンダー干渉計方向性結合器(光スイッチ)8D、途中で2本に分岐して再び結合されたコア9とヒータ16a、16bからなる図31のようなマッハ−ツェンダー干渉計方向性結合器(可変減衰器)8E、非対称な2本のコア9で構成された図32のような非対称マッハ−ツェンダー干渉計方向性結合器(合分波器)8F、複数本のコア9とスターカプラ17からなる図33のようなAWG曲りコア(合分波器)合分波器8G、複数本のコア9とフィルタ18からなる図34のような合分波器8H、Y分岐したコア9とフィルタ18からなる図35のような光トランシーバ8I(光源と光検出素子は図示省略)、2本のコア9からなる非対称マッハ−ツェンダー干渉計方向性結合器による図36のような光トランシーバ8J(光源と光検出素子は図示省略)などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(h)は従来の光導波路の製造工程を説明する図である。
【図2】(a)は同上の光導波路内のコアの断面形状を表わした断面図、(b)は同上の光導波路内のコアの別な断面形状を表わした断面図である。
【図3】曲りコアの斜視図である。
【図4】同上の曲りコアにおいて光が放射して損失が発生する理由を説明する図である。
【図5】曲りコアを横断する方向に沿った屈折率の変化を示す図である。
【図6】曲りコアにおける導波モードの電界分布を説明する図である。
【図7】従来の光スイッチの構造を示す斜視図である。
【図8】(a)は図7のC1−C1’線断面図、(b)は図7のC2−C2’線断面図、(c)は図7のC3−C3’線断面図である。
【図9】本発明の一実施形態による光導波路の平面図である。
【図10】(a)は図9に示した光導波路を光入射端側から見た正面図、(b)は図9のD−D’線断面図、(c)は図9に示した光導波路を光出射端側から見た背面図である。
【図11】図9に示した光導波路内のコアにおける導波モードの電界分布を説明する図である。
【図12】ステップ型二次元コアの分散曲線である。
【図13】(a)〜(e)は図9に示した光導波路の製造工程を説明する断面図である。
【図14】同上の光導波路における非分岐コアの断面形状を説明するための断面図である。
【図15】同上の光導波路における分岐コアの別な箇所の断面形状を説明するための断面図である。
【図16】(a)(b)(c)は図9に示した実施形態による光導波路の変形例を説明する正面図、断面図、背面図である。
【図17】本発明の別な実施形態による光導波路(S字導波路)を示す平面図である。
【図18】(a)は同上の光導波路の正面図、(b)は図17のE−E’線断面図、(c)は同上の光導波路の背面図である。
【図19】本発明のさらに別な実施形態による光導波路(曲り導波路)の平面図である。
【図20】本発明のさらに別な実施形態による光スイッチの平面図である。
【図21】(a)は同上の光スイッチの正面図、(b)は図21のG−G’線断面図、(c)は図21のH−H’線断面図、(d)は同上の光スイッチの背面図である。
【図22】ヒータ加熱時の温度分布を示す図である。
【図23】(a)は本発明の光スイッチにおいて、一方のヒータのみをオンにしたときの伝搬する光のパワーを線の太さで表した平面図、(b)は横軸にパワーの強さを示し、縦軸に光スイッチの長さ方向の距離をとったときの各分岐コア内のパワーの変化を表したグラフである。
【図24】(a)は従来の光スイッチにおいて、一方のヒータのみをオンにしたときの伝搬する光のパワーを線の太さで表した平面図、(b)は横軸にパワーの強さを示し、縦軸に光スイッチの長さ方向の距離をとったときの各分岐コア内のパワーの変化を表したグラフである。
【図25】(a)(b)(c)は、本発明の光スイッチにおいて、互いに異なる断面での光のパワーの分布を表した図である。
【図26】(a)(b)(c)は、従来の光スイッチにおいて、互いに異なる断面での光のパワーの分布を表した図である。
【図27】(a)は同上の実施形態の変形例を説明する正面図、(b)及び(c)はその断面図、(d)はその背面図である。
【図28】本発明のさらに別な実施形態による光スイッチを示す斜視図である。
【図29】本発明のさらに別な実施形態による方向性結合器(光スイッチ)を示す斜視図である。
【図30】本発明のさらに別な実施形態によるマッハ−チェンダー干渉計方向性結合器(光スイッチ)を示す斜視図である。
【図31】本発明のさらに別な実施形態によるマッハ−チェンダー干渉計方向性結合器(可変減衰器)を示す斜視図である。
【図32】本発明のさらに別な実施形態による非対称マッハ−ツェンダー干渉計方向性結合器(合分波器)を示す斜視図である。
【図33】本発明のさらに別な実施形態によるAWG曲りコア(合分波器)を示す斜視図である。
【図34】本発明のさらに別な実施形態による合分波器を示す斜視図である。
【図35】本発明のさらに別な実施形態による光トランシーバを示す斜視図である。
【図36】本発明のさらに別な実施形態による光トランシーバを示す斜視図である。
【符号の説明】
9 コア
9a 非分岐コア
9b、9c 分岐コア
10 基板
11a 下クラッド層
11b 上クラッド層
14 光入射端
15、15a、15b、… 光出射端
16a、16b ヒータ
Claims (5)
- 光を閉じこめて伝搬させるためのコアと、前記コアの外周面全面を密着するように囲むクラッドと、前記コアの一部を加熱する加熱手段とを備えた光スイッチであって、
前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状は、コアの各端面では矩形であり、前記加熱手段近傍では前記加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ前記加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっており、
前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状が、コアの長さ方向に沿った方向で矩形から逆台形形状へ、あるいは逆台形形状から矩形へ徐々に変化していることを特徴とする光スイッチ。 - 非分岐コアと複数本の分岐コアが分岐部分で接続されたコアと、前記コアの外周面全面を密着するように囲むクラッドと、前記分岐コアを加熱する複数の加熱手段とを備え、
前記加熱手段はそれぞれ、前記分岐部分近傍において前記分岐コアのそれぞれに対応する位置に配置され、
前記加熱手段のいずれかを加熱し、加熱された加熱手段に対応するコアの屈折率を小さくすることにより、光の伝播する分岐コアを切り替える光スイッチであって、
前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状は、コアの各端面では矩形であり、前記分岐部分近傍における前記分岐コアの湾曲部分では、対応する前記加熱手段に近い側の幅が大きく、かつ対応する前記加熱手段から遠い側の幅が小さな逆台形となっており、
前記コアの光軸に垂直な方向の断面形状が、コアの長さ方向に沿った方向で矩形から逆台形形状へ、あるいは逆台形形状から矩形へ徐々に変化していることを特徴とする光スイッチ。 - 前記加熱手段近傍での前記コアの断面において、前記加熱手段が配置されている面と垂直な方向でコアの高さを2等分し、前記コアの高さの2等分位置を通り前記加熱手段が配置されている面と平行な線分によりコアの断面を2分したとき、2分された断面のうち、前記加熱手段に近い側でのコアの断面の面積が、前記加熱手段から遠い側でのコアの断面の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項1または2に記載の光スイッチ。
- 前記加熱手段近傍での前記コアの断面において、前記加熱手段が配置されている面と平行な方向の辺のうち、前記加熱手段に近い側の辺の長さが、前記加熱手段から遠い側の辺の長さよりも大きいことを特徴とする、請求項1または2に記載の光スイッチ。
- 前記加熱手段の近傍で前記コアが湾曲しており、前記加熱手段近傍での前記コアの前記断面形状が、前記コアの上面又は下面に垂直な方向に対するコアの側面の傾きが内周側よりも外周側で大きくなった逆台形形状であることを特徴とする、請求項2に記載の光スイッチ。
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