JP4066670B2

JP4066670B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP4066670B2
Application number: JP2002042409A
Authority: JP
Inventors: 裕佳里寺川; 速美細川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: CN1234028C; CN2622718Y; US20030156813A1; EP1336894A2; US6950588B2; EP1336894A3; DE60320330D1; DE60320330T2; ATE392643T1; EP1336894B1; JP2003240991A; CN1439901A

Description

【０００１】
【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ｎ_ｆ、下クラッド層１１ａの屈折率をｎ_ｓ、上クラッド層１１ｂの屈折率をｎ_ｃとすれば、
ａ＝（ｎ_ｓ ^２−ｎ_ｃ ^２）／（ｎ_ｆ ^２−ｎ_ｓ ^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、ｎ_ｆはコア９の屈折率、ｎ_ｓ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＝ｎ_ｆsinθ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

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。