JP4483129B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば光通信システム等において設けられる光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光スイッチを用いた光デバイスとして、たとえば特開平１１−２７１５５９号公報に開示されたような光ＡＤＭ装置が知られている。この特開平１１−２７１５５９号公報に開示された光ＡＤＭ装置は、基板上に、入力ポート導波路と、入力ポート導波路に接続される光デマルチプレクサと、導波路によって光デマルチプレクサの出力ポートに接続される入力ポートを有する光マルチプレクサと、光マルチプレクサに接続される出力ポート導波路とを備え、光デマルチプレクサの出力ポートと光マルチプレクサの入力ポートとを接続する導波路が、光伝達路に対する信号光のアド（add）又はドロップ（drop）するあるいはそれらの双方を行う光マルチ・ポート光スイッチを含んでいる。
【０００３】
この光スイッチには、マッハ・ツェンダ（ＭＺ）干渉計の形態の熱光学スイッチが用いられている。熱光学スイッチは加熱素子を有しており、この加熱素子は、光導波路の光路長（位相シフト）を制御する。たとえば特開平１１−２７１５５９号公報に開示された光ＡＤＭ装置においては、熱光学スイッチは、加熱素子に電圧を印加することにより、光デマルチプレクサからの信号光をドロップすると共に、異なる信号光をアドして光マルチプレクサに出力する。一方、加熱素子への電圧の印加を解除することにより、熱光学スイッチは、光デマルチプレクサからの信号光を光マルチプレクサに出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−２７１５５９号公報に記載された光ＡＤＭ装置のように、光スイッチとしてＭＺ干渉計の形態の熱光学スイッチを用いた場合、干渉機構を形成するためには相応の光路長が必要となり、光スイッチが占める面積が大きくなり、基板の面積が大きくなり装置全体が大型化するという問題点を有していることが判明した。また、熱光学スイッチでは、温度変化（加熱素子による加熱）による屈折率の変調を利用しているため、光スイッチとしての動作速度が遅くなる（１０ｍｓ以上）という問題点を有していることも判明した。更に、熱光学スイッチでは、加熱素子に印加する電圧の大きさにより屈折率の微妙な変化を制御しているので、各光スイッチの切り替え特性を均一にするための調整が必要となり、生産性が悪化するという問題点を有していることも判明した。
【０００５】
そこで、本発明者等は、装置の大型化を抑制することが可能な光スイッチとして、互いに所定の角度をもって交差する第１の導波路と第２の導波路とが設けられた基板と、第１の導波路と第２の導波路との交差部分において第１の導波路及び第２の導波路の中心軸を横切るよう基板表面に設けられると共に、第１の導波路及び第２の導波路の端面が露出する程度の深さを有する溝と、基板表面に設けられると共に、溝により規定される空間内に所定の光学部品を保持した状態で、光学部品を該空間内における第１の導波路及び第２の導波路の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる駆動手段とを備えた光スイッチを発案するに至った。
【０００６】
しかしながら、本発明者等が新たに発案した光スイッチにおいては、以下のような問題点を有していることが新たに判明した。第１の導波路及び第２の導波路を、交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して対称となるよう配置した場合、一方の導波路を通ってきた光は、上述した空間に対する出射端面にて反射して他方の導波路に導入されてしまい、クロストークが発生することになる。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、クロストークの発生を抑制することが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチは、基板と、基板に設けられた第１の導波路と、基板に第１の導波路と所定の角度をもって交差するように設けられた第２の導波路と、を有し、基板表面には、第１の導波路と第２の導波路との交差部分において第１の導波路及び第２の導波路の中心軸を横切り、第１の導波路及び第２の導波路の端面が露出する程度の深さを有する溝が形成されており、第１の導波路及び第２の導波路は、交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る光スイッチでは、第１の導波路及び第２の導波路は、交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置されているので、一方の導波路を通ってきた光が溝に面する端面にて反射した場合でも、端面にて反射した光が他方の導波路に導入されるのが抑制されることになる。この結果、クロストークを低減することができる。
【００１０】
また、溝の側面に直交する方向に延びる直線と交差部分における第１の導波路の中心軸とのなす角と、溝の側面に直交する方向に延びる直線と交差部分における第２の導波路の中心軸とのなす角とが異なる値に設定されていることが好ましい。このように構成した場合、第１の導波路及び第２の導波路を交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置し得る構成を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００１１】
また、基板表面に設けられると共に、溝により規定される空間内に光学部品を保持した状態で、光学部品を該空間内における第１の導波路及び第２の導波路の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる駆動手段を更に有していることが好ましい。このように構成した場合、駆動手段が基板表面に設けられることになるので、駆動手段のレイアウト自由度が高くなり、駆動手段の実装を容易に行うことができる。
【００１２】
また、第１の導波路及び第２の導波路は、溝に面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されていることが好ましい。このように構成した場合、溝に露出する端面における第１の導波路及び第２の導波路のモードフィールド径が拡大されることになり、光が溝により規定される空間内を通る際の損失を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による光スイッチの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
まず、図１に基づいて、本発明の実施形態に係る光スイッチＯＳを説明する。図１は、本実施形態に係る光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【００１５】
本実施形態に係る光スイッチＯＳは、第１の導波路１１と第２の導波路１２とが所定の角度（本実施形態においては、１０度）をもって交差するように設けられた導波路基板ＰＣＬを有している。導波路基板ＰＣＬの表面には、駆動手段としての静電アクチュエータ２０が設けられている。
【００１６】
この導波路基板ＰＣＬの表面には、第１の導波路１１と第２の導波路１２との各交差部分１３において第１の導波路１１及び第２の導波路１２の各中心軸を横切るように直線状に延びる溝Ｔが形成されている。溝Ｔは、第１の導波路１１及び第２の導波路１２の端面が露出する程度の深さを有する。本実施形態においては、厚さ８５０μｍの導波路基板ＰＣＬを用い、この導波路基板ＰＣＬに幅５５μｍ、深さ５０μｍの溝Ｔをダイシング技術により形成している。
【００１７】
第１の導波路１１と第２の導波路１２との各交差部分１３に位置する溝Ｔの一部を覆うように、導波路基板ＰＣＬの表面には、第１の導波路１１及び第２の導波路１２に沿って伸びる形状の静電アクチュエータ２０が設けられている。静電アクチュエータ２０は、溝Ｔを挟んで配置された１対の駆動部分２０Ａ、２０Ｂ（これら１対の駆動部分２０Ａ、２０Ｂにより静電アクチュエータ２０の駆動系が構成される）と、溝Ｔを覆うようにこれら駆動部分２０Ａ、２０Ｂの間に設けられた支持部３０とを備える。
【００１８】
支持部３０には、光学部品としてのミラー３１が取り付けられており、静電アクチュエータ２０の駆動系により支持部３０は溝Ｔが伸びる方向に沿って移動する。そして、この支持部３０の移動により、ミラー３１は、溝Ｔにより規定される空間内（空気中）に該支持部３０に支持された状態で、該溝Ｔが伸びる方向に沿って移動可能となっている。ミラー３１は、本実施形態においては、幅３０μｍ×高さ４０μｍ×厚さ３０μｍの大きさを有した平板形状を呈している。静電アクチュエータ２０は、ミラー３１を溝Ｔにより規定される空間内における第１の導波路１１及び第２の導波路１２の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる。
【００１９】
なお、本実施形態に係る光スイッチＯＳにおいて、上述した導波路基板ＰＣＬは、導波路アレイを有するＡＷＧ回路等のような光機能デバイスの一部であってもよい。
【００２０】
導波路基板ＰＣＬには、上述のように平面的に配列された第１の導波路１１と第２の導波路１２とが作り込まれているが、具体的に導波路基板ＰＣＬは図２に示されたような断面構造を有する。ここで、図２は、図１中に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿った基板の断面構造を示す図である。
【００２１】
導波路基板ＰＣＬは、ＳｉＯ2基板５（Ｓｉ基板でもよい）と、ＳｉＯ2基板５上にパターンニングされた第１の導波路１１及び第２の導波路１２に相当するコア７と、コア７を覆うようにＳｉＯ2基板５上に形成されたクラッド９とを備える。本実施形態においては、コア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）は、Δ（比屈折率差）＝０．４％、厚み７μｍ、ｎ（屈折率）＝１．４５に設定されている。また、入出力端（導波路基板ＰＣＬの端部）における第１の導波路１１と第２の導波路１２との間隔は、２５０μｍに設定されている。
【００２２】
更に、コア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）は、溝Ｔに面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されている。本実施形態においては、入出力端における幅が７μｍ、幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が９．９μｍ、厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が９．９μｍに設定されており、交差部分１３における幅が２３．５μｍ、幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０．１μｍ、厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が９．２μｍに設定されている。
【００２３】
第１の導波路１１及び第２の導波路１２は、図１及び図３に示されるように、交差部分１３においてそれぞれの中心軸が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置されている。ここで、図３は、交差部分１３の構成を示す平面図である。
【００２４】
本実施形態においては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１（＝７．５度）と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２（＝２．５度）とが異なる値に設定されている。上述したように、溝Ｔは、第１の導波路１１及び第２の導波路１２の各中心軸ＣＡ１，ＣＡ２を横切るように形成されており、溝Ｔの一方の側面における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１と第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２との間隔は０．６６１μｍとなり、溝Ｔの他方の側面における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１と第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２との間隔は９．６２５μｍとなっている。
【００２５】
なお、第１の導波路１１は緩やかに湾曲していることから、第１の導波路１１内を通る光の中心（光軸）ＬＣ１は、第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１よりも湾曲外側にずれた位置にあり、溝Ｔの側面における中心軸ＣＡ１と光軸ＬＣ１とのずれは１．０μｍである。同様に、第２の導波路１２も緩やかに湾曲しており、第２の導波路１２内を通る光の中心（光軸）ＬＣ２は、第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２よりも湾曲外側にずれた位置にあり、溝Ｔの側面における中心軸ＣＡ２と光軸ＬＣ２とのずれは０．９μｍである。そして、溝Ｔ内は空気（ｎ＝１．０）が存在していることから、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと光軸ＬＣ１とのなす角θ３は１０．９１０度となり、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと光軸ＬＣ２とのなす角θ４は３．６２６度となる。
【００２６】
溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２とが異なる値に設定されているので、一方の導波路から出射してミラー３１にて反射された光が他方の導波路に適切に入射するように、ミラー３１を直線ＳＬに直交する位置から傾けて配置している。本実施形態においては、ミラー３１の反射面と直線ＳＬとのなす角θ５を８６．３５８度に設定している。また、ミラー３１における導波路から出射した光が反射する位置（第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１又は第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とミラー３１の反射面との交点）と溝Ｔの側面までの間隔は、１０μｍに設定されている。
【００２７】
本実施形態においては、溝Ｔの幅を５５μｍ、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）を２０．１μｍ、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１を７．５度、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２を２．５度に設定しているが、これらは以下の計算結果に基づいて設定されている。
【００２８】
まず、溝Ｔにおける透過損失の評価のため、損失と溝幅との関係を、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が１０μｍである場合と、２０μｍである場合とについて計算した。結果を図９に示す。ここでは、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が１０μｍであり、溝Ｔの一方の側面における導波路のモードフィールド径と溝Ｔの他方の側面における導波路のモードフィールド径とが等しく、軸ずれ、角度ずれがないとした。
【００２９】
図９から分かるように、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである方が透過光の損失が少ない。そして、透過光の損失は１ｄＢ以下が好ましく、また、実際には溝Ｔの側面における反射による損失が存在することから、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである場合には、溝幅を６０μｍ以下に設定することが必要であることが分かる。
【００３０】
次に、溝Ｔの側面による反射クロストークの評価のため、溝Ｔの側面での反射光の光軸と導波路との角度と結合効率との関係を、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が１０μｍである場合と、２０μｍである場合とについて計算した。結果を図１０に示す。ここでは、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が１０μｍであり、溝Ｔの側面での反射光の光軸と導波路とに位置ずれがなく、角度ずれのみが存在するとした。
【００３１】
図１０から分かるように、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである方が溝Ｔの側面での反射光と導波路への結合効率が低い。そして、結合効率（クロストーク）は−３０ｄＢ以下が好ましいことから、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである場合には、溝Ｔの側面での反射光の光軸と導波路との角度、すなわち溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１と溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角との差θ２（θ１−θ２）を５度以上に設定することが必要であることが分かる。
【００３２】
続いて、図４に基づいて、静電アクチュエータ２０の構成を説明する。この静電アクチュエータ２０は、低電圧駆動を可能にするので、当該光スイッチのようなマイクロ・デバイスの駆動系に適している。なお、図４は、静電アクチュエータ２０の構成を示す平面図である。
【００３３】
図４において、静電アクチュエータ２０は、駆動系として、溝Ｔを挟んで導波路基板ＰＣＬの表面に形成された１対の駆動部分２０Ａ、２０Ｂを備える。なお、これら駆動部分２０Ａ、２０Ｂの構造は溝Ｔを中心に線対称な関係にあるため、以下の説明では駆動部分２０Ｂの構造に限定して説明する。
【００３４】
駆動部分２０Ｂは、互いに対向して導波路基板ＰＣＬの表面に設けられた第１の櫛形電極２１及び第２の櫛形電極２２と、これら第１及び第２の櫛形電極２１、２２の間に位置し、その一部が導波路基板ＰＣＬの表面から離間している櫛形フローティング電極２３とを備える。櫛形フローティング電極２３は、櫛形電極部分２３ａと、導波路基板ＰＣＬの表面に直接形成されたベース部分２３ｃと、櫛形電極部分２３ａとベース部分２３ｃとを連絡するとともに該櫛形電極部分２３ａを導波路基板ＰＣＬの表面から所定距離離間した状態で支持する板バネ２３ｂとを備える。また、ミラー３１が取り付けられた支持部３０は、駆動部分２０Ａ、２０Ｂにおける各櫛形フローティング電極２３によって、溝Ｔの一部を覆うよう支持されている。
【００３５】
以上のように、溝Ｔにより規定される空間にミラー３１が保持された状態が図５に示されている。なお、図５は、図１中に示されたＶ−Ｖ線に沿った静電アクチュエータ２０の一部断面構造を導波路基板ＰＣＬの断面構造とともに示す図である。
【００３６】
また、図６は、図４中に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿った静電アクチュエータ２０の一部断面構造（特に、板バネ２３ｂ近傍）を導波路基板ＰＣＬの断面構造とともに示す図である。このように導波路基板ＰＣＬの表面との間に間隙を設けた櫛形フローティング電極２３の形成方法は、たとえば「応用物理」（第６０巻、第３号（１９９１）ｐｐ．２２８−２３２）、「シリコンマイクロマシーニング先端技術」（サイエンスフォーラム、１９９２年３月）、「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」（培風館、１９９２年６月）等に詳述されている。
【００３７】
次に、この発明に係る光スイッチの一実施形態である静電アクチュエータ２０の、ミラー３１を移動させる駆動動作について図７及び図８を用いて説明する。なお、図７は、第１の櫛形電極２１及び櫛形フローティング電極２３間に所定電圧が印加された状態での、各電極２１〜２３の状態を示す図である。また、図８は、静電アクチュエータ２０における板バネ２３ｂの形状変化の様子を示す図である。
【００３８】
まず、第１の櫛形電極２１と櫛形フローティング電極２３間に所定の電圧が印加されると、導波路基板ＰＣＬの表面から間隙を介して離間している櫛形フローティング電極２３が、図７に示されたように、全体的に第１の櫛形電極２１に引っ張られる。このように、櫛形フローティング電極２３の位置が、図７中の矢印Ａで示された方向に移動することにより、駆動部分２０Ａ、２０Ｂそれぞれの櫛形フローティング電極２３により保持された支持部３０も矢印Ａで示された方向に移動（５０μｍ程度）することになる。すなわち、支持部３０に取り付けられたミラー３１の溝Ｔ内の位置も、該支持部３０の移動とともに変わる。このとき、板バネ２３ｂは、櫛形フローティング電極２３全体の移動に伴って、図８に示されたように一旦湾曲した後に直線状になった状態で止まり（自己保持）、電圧が印加されていない状態でも櫛形フローティング電極２３の櫛形電極部分２３ａの位置が固定される。
【００３９】
一方、第２の櫛形電極２２と櫛形フローティング電極２３間に所定の電圧が印加されると、導波路基板ＰＣＬの表面から間隙を介して離間している櫛形フローティング電極２３が、すなわち第２の櫛形電極２１に全体的に引っ張られる。このように、櫛形フローティング電極２３の位置が、図７中の矢印Ａで示された方向とは逆方向に移動することにより、駆動部分２０Ａ、２０Ｂそれぞれの櫛形フローティング電極２３により保持された支持部３０も矢印Ａで示された方向とは逆方向に移動（５０μｍ程度）することになる。同様に、支持部３０に取り付けられたミラー３１の溝Ｔ内の位置も、該支持部３０の移動とともに変わる。なお、このときも板バネ２３ｂは、櫛形フローティング電極２３全体の移動に伴って、図８に示されたように一旦湾曲した後に直線状になった状態で止まり（自己保持）、電圧が印加されていない状態でも櫛形フローティング電極２３における櫛形電極部分２３ａの位置が固定される。
【００４０】
上述のような櫛形フローティング電極２３の自己保持機能は、板バネ２３ｂを含む構造体の形状を変更することで、他の遷移スキームを取らせることも可能である。すなわち、図８は、板バネ２３ｂの高さ（導波路基板ＰＣＬの表面に対して垂直方向の厚み）が、該板バネ２３ｂの幅に対して大きく取られることにより（図６及び図８参照）、導波路基板ＰＣＬの表面を見たときの横方向に曲がり易くなった構造による機械的なスイッチング動作が示されている。
【００４１】
以上のように、本実施形態の光スイッチＯＳでは、第１の導波路１１及び第２の導波路１２は、その交差部分１３においてそれぞれの中心軸ＣＡ１，ＣＡ２が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置されているので、一方の導波路１１又は１２を通ってきた光が溝Ｔに面する端面にて反射した場合でも、端面にて反射した光が他方の導波路１２又は１１に導入されるのが抑制されることになる。この結果、クロストークを低減することができる。
【００４２】
また、本実施形態の光スイッチＯＳにおいては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２とが異なる値に設定されている。これにより、第１の導波路１１及び第２の導波路１２を交差部分１３においてそれぞれの中心軸ＣＡ１，ＣＡ２が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置し得る構成を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００４３】
また、本実施形態の光スイッチＯＳにおいては、導波路基板ＰＣＬの表面に設けられると共に、溝Ｔにより規定される空間内にミラー３１を保持した状態で、ミラー３１を該空間内における第１の導波路１１及び第２の導波路１２の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる静電アクチュエータ２０を更に有している。これにより、静電アクチュエータ２０が導波路基板ＰＣＬの表面に設けられることになるので、静電アクチュエータ２０のレイアウト自由度が高くなり、静電アクチュエータ２０の導波路基板ＰＣＬへの実装を容易に行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態の光スイッチＯＳにおいては、第１の導波路１１及び第２の導波路１２は、溝Ｔに面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されている。これにより、溝Ｔに露出する端面における第１の導波路１１及び第２の導波路１２のモードフィールド径が拡大されることになり、光が溝Ｔにより規定される空間内を通る際の損失を低減することができる。また、この損失低減効果により、ミラー３１の位置ずれ（溝Ｔが延びる方向と直交する方向へのずれ）の許容範囲が拡大し、ミラー３１を配設する際の交差を大きくすることができる。この結果、光スイッチＯＳの製作を容易に行うことができる。
【００４５】
本発明の光スイッチにおいて、第１の導波路１１及び第２の導波路１２を交差部分１３においてそれぞれの中心軸ＣＡ１，ＣＡ２が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置することによって得られるクロストーク低減効果を確認する試験を行った。結果を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２は、ミラー３１の位置ずれ（溝Ｔが延びる方向と直交する方向へのずれ）ｄｌに対する結合効率の変化を示しており、図１１は実施例１による試験結果であり、図１２は比較例１による試験結果である。
【００４６】
まず、本発明による実施例１及び比較例１として用いた光スイッチの構成について説明する。この光スイッチは、図１３に示されるように、導波路基板ＰＣＬに第１の導波路１１１と第２の導波路１１２とが所定の角度をもって交差するように設けられている。導波路基板ＰＣＬの表面には、第１の導波路１１１と第２の導波路１１２との各交差部分において第１の導波路１１１及び第２の導波路１１２の各中心軸を横切るように直線状に延びる溝Ｔが形成されている。そして、溝Ｔにより規定される空間内（空気中）にミラー１３１が配設されている。溝Ｔの一方の側面から基準位置（図中、破線にて示めされた位置）にあるミラー１３１の反射面までの距離ｌは、２０μｍに設定されている。
【００４７】
また、図１３において、反射光１は、第１の導波路１１１を通ってきた光が第１の導波路１１１の端面（溝Ｔの側面）にて反射した光である。同じく、図１３において、反射光２は第１の導波路１１１から出射した光がミラー１３１にて反射して導波路基板ＰＣＬに入射した光であり、反射光３は第１の導波路１１１から出射した光がミラー１３１及び溝Ｔの側面にて反射して導波路基板ＰＣＬに入射した光である。
【００４８】
実施例１においては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第１の導波路１１１（中心軸）とのなす角θ１を２．５度に設定し、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第２の導波路１１２（中心軸）とのなす角θ２を７．５度に設定している。一方、比較例１おいては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第１の導波路１１１（中心軸）とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第２の導波路１１２（中心軸）とのなす角θ２とを、同じ５度に設定している。
【００４９】
試験は、実施例１及び比較例１とも、反射光１の第２の導波路１１２への結合効率η１ｂ、反射光２の第２の導波路１１２への結合効率η２ｂ、及び反射光３の第２の導波路１１２への結合効率η３ｂのそれぞれについて、ミラー３１の位置ずれｄｌに対する変化を測定することにより行った。図１１及び図１２から分かるように、反射光１の第２の導波路１１２への結合効率η１ｂ、及び、反射光３の第２の導波路１１２への結合効率η３ｂに関して、比較例１が−１５ｄＢ程度であるのに対し、実施例１が−４５ｄＢ程度となっており３０ｄＢ程度改善されている。以上のことから、本発明による実施例１の方が優れたクロストーク低減効果を有していることが分かる。
【００５０】
続いて、第１の導波路１１及び第２の導波路１２における溝Ｔに面する導波路幅を他の部分の導波路幅より大きく設定することによって得られる損失低減効果を確認する試験を行った。結果を図１４及び図１５に示す。図１４及び図１５は、ミラー３１の位置ずれｄｌに対する結合効率の変化を示しており、図１４は実施例２による試験結果であり、図１５は比較例２による試験結果である。
【００５１】
試験は、図１３に示された構成の光スイッチを用い、実施例２においては、第１の導波路１１１及び第２導波路１１２の端部における幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）を２０μｍに設定している。比較例２では、第１の導波路１１１及び第２導波路１１２の端部における幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）を１０μｍに設定している。第１の導波路１１１及び第２導波路１１２の端部における厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）は、実施例２及び比較例２とも１０μｍに設定している。また、実施例２及び比較例２とも、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第１の導波路１１１（中心軸）とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第２の導波路１１２（中心軸）とのなす角θ２とを、同じ１０度に設定している。
【００５２】
試験は、実施例２及び比較例２とも、反射光２の第２の導波路１１２への結合効率η２ｂについて、ミラー３１の位置ずれｄｌに対する変化を測定することにより行った。図１４及び図１５から分かるように、比較例２が−１ｄＢ以下であるのに対し、実施例２がミラー３１の位置ずれｄｌが−５〜＋５μｍの範囲でほぼ−１ｄＢより大きくなっており、実施例２の方が優れた損失低減効果を有していることが分かる。
【００５３】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、図１６に示されるように、本発明は、所定の角度をもって交差するように設けられた第１の導波路１１と第２の導波路１２とが複数組配列されたものにも適用することができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、光学部品としてミラー３１を用いているが、これに限られるものではない。光学部品として、たとえば所定波長の光のみを選択的に透過する光フィルタ等を用いるようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、クロストークの発生を抑制することが可能な光スイッチを提供すること光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１中に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿った基板の断面構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光スイッチにおける交差部分の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光スイッチに含まれる、静電アクチュエータの構成を示す平面図である。
【図５】図１中に示されたＶ−Ｖ線に沿った静電アクチュエータの一部断面構造を導波路基板の断面構造とともに示す図である。
【図６】図４中に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿った静電アクチュエータの一部断面構造を導波路基板の断面構造とともに示す図である。
【図７】静電アクチュエータの動作を説明するための図である。
【図８】静電アクチュエータにおける板バネの形状変化の様子を示す図である。
【図９】透過光の損失と溝幅との関係を示す線図である。
【図１０】反射光の光軸と導波路との角度と結合効率との関係を示す線図である。
【図１１】実施例１における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１２】比較例１における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１３】実施例１及び比較例１にて用いた光スイッチの構成を説明するための図である。
【図１４】実施例２における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１５】比較例２における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る光スイッチの変形例の概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
ＯＳ…光スイッチ、ＰＣＬ…導波路基板、Ｔ…溝、１１,１１１…第１の導波路、１２，１１２…第２の導波路、１３…交差部分、２０…静電アクチュエータ、２０Ａ…駆動部分、２０Ｂ…駆動部分、２１…第１の櫛形電極、２２…第２の櫛形電極、２３…櫛形フローティング電極、２３ａ…櫛形電極部、２３ｂ…板バネ、２３ｃ…ベース部、３０…支持部、３１，１３１…ミラー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば光通信システム等において設けられる光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光スイッチを用いた光デバイスとして、たとえば特開平１１−２７１５５９号公報に開示されたような光ＡＤＭ装置が知られている。この特開平１１−２７１５５９号公報に開示された光ＡＤＭ装置は、基板上に、入力ポート導波路と、入力ポート導波路に接続される光デマルチプレクサと、導波路によって光デマルチプレクサの出力ポートに接続される入力ポートを有する光マルチプレクサと、光マルチプレクサに接続される出力ポート導波路とを備え、光デマルチプレクサの出力ポートと光マルチプレクサの入力ポートとを接続する導波路が、光伝達路に対する信号光のアド（add）又はドロップ（drop）するあるいはそれらの双方を行う光マルチ・ポート光スイッチを含んでいる。
【０００３】
この光スイッチには、マッハ・ツェンダ（ＭＺ）干渉計の形態の熱光学スイッチが用いられている。熱光学スイッチは加熱素子を有しており、この加熱素子は、光導波路の光路長（位相シフト）を制御する。たとえば特開平１１−２７１５５９号公報に開示された光ＡＤＭ装置においては、熱光学スイッチは、加熱素子に電圧を印加することにより、光デマルチプレクサからの信号光をドロップすると共に、異なる信号光をアドして光マルチプレクサに出力する。一方、加熱素子への電圧の印加を解除することにより、熱光学スイッチは、光デマルチプレクサからの信号光を光マルチプレクサに出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−２７１５５９号公報に記載された光ＡＤＭ装置のように、光スイッチとしてＭＺ干渉計の形態の熱光学スイッチを用いた場合、干渉機構を形成するためには相応の光路長が必要となり、光スイッチが占める面積が大きくなり、基板の面積が大きくなり装置全体が大型化するという問題点を有していることが判明した。また、熱光学スイッチでは、温度変化（加熱素子による加熱）による屈折率の変調を利用しているため、光スイッチとしての動作速度が遅くなる（１０ｍｓ以上）という問題点を有していることも判明した。更に、熱光学スイッチでは、加熱素子に印加する電圧の大きさにより屈折率の微妙な変化を制御しているので、各光スイッチの切り替え特性を均一にするための調整が必要となり、生産性が悪化するという問題点を有していることも判明した。
【０００５】
そこで、本発明者等は、装置の大型化を抑制することが可能な光スイッチとして、互いに所定の角度をもって交差する第１の導波路と第２の導波路とが設けられた基板と、第１の導波路と第２の導波路との交差部分において第１の導波路及び第２の導波路の中心軸を横切るよう基板表面に設けられると共に、第１の導波路及び第２の導波路の端面が露出する程度の深さを有する溝と、基板表面に設けられると共に、溝により規定される空間内に所定の光学部品を保持した状態で、光学部品を該空間内における第１の導波路及び第２の導波路の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる駆動手段とを備えた光スイッチを発案するに至った。
【０００６】
しかしながら、本発明者等が新たに発案した光スイッチにおいては、以下のような問題点を有していることが新たに判明した。第１の導波路及び第２の導波路を、交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して対称となるよう配置した場合、一方の導波路を通ってきた光は、上述した空間に対する出射端面にて反射して他方の導波路に導入されてしまい、クロストークが発生することになる。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、クロストークの発生を抑制することが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチは、基板と、基板に設けられた第１の導波路と、基板に第１の導波路と所定の角度をもって交差するように設けられた第２の導波路と、を有し、基板表面には、第１の導波路と第２の導波路との交差部分において第１の導波路及び第２の導波路の中心軸を横切り、第１の導波路及び第２の導波路の端面が露出する程度の深さを有する溝が形成されており、第１の導波路及び第２の導波路は、交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る光スイッチでは、第１の導波路及び第２の導波路は、交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置されているので、一方の導波路を通ってきた光が溝に面する端面にて反射した場合でも、端面にて反射した光が他方の導波路に導入されるのが抑制されることになる。この結果、クロストークを低減することができる。
【００１０】
また、溝の側面に直交する方向に延びる直線と交差部分における第１の導波路の中心軸とのなす角と、溝の側面に直交する方向に延びる直線と交差部分における第２の導波路の中心軸とのなす角とが異なる値に設定されていることが好ましい。このように構成した場合、第１の導波路及び第２の導波路を交差部分においてそれぞれの中心軸が溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置し得る構成を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００１１】
また、基板表面に設けられると共に、溝により規定される空間内に光学部品を保持した状態で、光学部品を該空間内における第１の導波路及び第２の導波路の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる駆動手段を更に有していることが好ましい。このように構成した場合、駆動手段が基板表面に設けられることになるので、駆動手段のレイアウト自由度が高くなり、駆動手段の実装を容易に行うことができる。
【００１２】
また、第１の導波路及び第２の導波路は、溝に面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されていることが好ましい。このように構成した場合、溝に露出する端面における第１の導波路及び第２の導波路のモードフィールド径が拡大されることになり、光が溝により規定される空間内を通る際の損失を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による光スイッチの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
まず、図１に基づいて、本発明の実施形態に係る光スイッチＯＳを説明する。図１は、本実施形態に係る光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【００１５】
本実施形態に係る光スイッチＯＳは、第１の導波路１１と第２の導波路１２とが所定の角度（本実施形態においては、１０度）をもって交差するように設けられた導波路基板ＰＣＬを有している。導波路基板ＰＣＬの表面には、駆動手段としての静電アクチュエータ２０が設けられている。
【００１６】
この導波路基板ＰＣＬの表面には、第１の導波路１１と第２の導波路１２との各交差部分１３において第１の導波路１１及び第２の導波路１２の各中心軸を横切るように直線状に延びる溝Ｔが形成されている。溝Ｔは、第１の導波路１１及び第２の導波路１２の端面が露出する程度の深さを有する。本実施形態においては、厚さ８５０μｍの導波路基板ＰＣＬを用い、この導波路基板ＰＣＬに幅５５μｍ、深さ５０μｍの溝Ｔをダイシング技術により形成している。
【００１７】
第１の導波路１１と第２の導波路１２との各交差部分１３に位置する溝Ｔの一部を覆うように、導波路基板ＰＣＬの表面には、第１の導波路１１及び第２の導波路１２に沿って伸びる形状の静電アクチュエータ２０が設けられている。静電アクチュエータ２０は、溝Ｔを挟んで配置された１対の駆動部分２０Ａ、２０Ｂ（これら１対の駆動部分２０Ａ、２０Ｂにより静電アクチュエータ２０の駆動系が構成される）と、溝Ｔを覆うようにこれら駆動部分２０Ａ、２０Ｂの間に設けられた支持部３０とを備える。
【００１８】
支持部３０には、光学部品としてのミラー３１が取り付けられており、静電アクチュエータ２０の駆動系により支持部３０は溝Ｔが伸びる方向に沿って移動する。そして、この支持部３０の移動により、ミラー３１は、溝Ｔにより規定される空間内（空気中）に該支持部３０に支持された状態で、該溝Ｔが伸びる方向に沿って移動可能となっている。ミラー３１は、本実施形態においては、幅３０μｍ×高さ４０μｍ×厚さ３０μｍの大きさを有した平板形状を呈している。静電アクチュエータ２０は、ミラー３１を溝Ｔにより規定される空間内における第１の導波路１１及び第２の導波路１２の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる。
【００１９】
なお、本実施形態に係る光スイッチＯＳにおいて、上述した導波路基板ＰＣＬは、導波路アレイを有するＡＷＧ回路等のような光機能デバイスの一部であってもよい。
【００２０】
導波路基板ＰＣＬには、上述のように平面的に配列された第１の導波路１１と第２の導波路１２とが作り込まれているが、具体的に導波路基板ＰＣＬは図２に示されたような断面構造を有する。ここで、図２は、図１中に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿った基板の断面構造を示す図である。
【００２１】
導波路基板ＰＣＬは、ＳｉＯ2基板５（Ｓｉ基板でもよい）と、ＳｉＯ2基板５上にパターンニングされた第１の導波路１１及び第２の導波路１２に相当するコア７と、コア７を覆うようにＳｉＯ2基板５上に形成されたクラッド９とを備える。本実施形態においては、コア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）は、Δ（比屈折率差）＝０．４％、厚み７μｍ、ｎ（屈折率）＝１．４５に設定されている。また、入出力端（導波路基板ＰＣＬの端部）における第１の導波路１１と第２の導波路１２との間隔は、２５０μｍに設定されている。
【００２２】
更に、コア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）は、溝Ｔに面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されている。本実施形態においては、入出力端における幅が７μｍ、幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が９．９μｍ、厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が９．９μｍに設定されており、交差部分１３における幅が２３．５μｍ、幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０．１μｍ、厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が９．２μｍに設定されている。
【００２３】
第１の導波路１１及び第２の導波路１２は、図１及び図３に示されるように、交差部分１３においてそれぞれの中心軸が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置されている。ここで、図３は、交差部分１３の構成を示す平面図である。
【００２４】
本実施形態においては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１（＝７．５度）と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２（＝２．５度）とが異なる値に設定されている。上述したように、溝Ｔは、第１の導波路１１及び第２の導波路１２の各中心軸ＣＡ１，ＣＡ２を横切るように形成されており、溝Ｔの一方の側面における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１と第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２との間隔は０．６６１μｍとなり、溝Ｔの他方の側面における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１と第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２との間隔は９．６２５μｍとなっている。
【００２５】
なお、第１の導波路１１は緩やかに湾曲していることから、第１の導波路１１内を通る光の中心（光軸）ＬＣ１は、第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１よりも湾曲外側にずれた位置にあり、溝Ｔの側面における中心軸ＣＡ１と光軸ＬＣ１とのずれは１．０μｍである。同様に、第２の導波路１２も緩やかに湾曲しており、第２の導波路１２内を通る光の中心（光軸）ＬＣ２は、第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２よりも湾曲外側にずれた位置にあり、溝Ｔの側面における中心軸ＣＡ２と光軸ＬＣ２とのずれは０．９μｍである。そして、溝Ｔ内は空気（ｎ＝１．０）が存在していることから、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと光軸ＬＣ１とのなす角θ３は１０．９１０度となり、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと光軸ＬＣ２とのなす角θ４は３．６２６度となる。
【００２６】
溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２とが異なる値に設定されているので、一方の導波路から出射してミラー３１にて反射された光が他方の導波路に適切に入射するように、ミラー３１を直線ＳＬに直交する位置から傾けて配置している。本実施形態においては、ミラー３１の反射面と直線ＳＬとのなす角θ５を８６．３５８度に設定している。また、ミラー３１における導波路から出射した光が反射する位置（第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１又は第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とミラー３１の反射面との交点）と溝Ｔの側面までの間隔は、１０μｍに設定されている。
【００２７】
本実施形態においては、溝Ｔの幅を５５μｍ、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）を２０．１μｍ、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１を７．５度、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２を２．５度に設定しているが、これらは以下の計算結果に基づいて設定されている。
【００２８】
まず、溝Ｔにおける透過損失の評価のため、損失と溝幅との関係を、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が１０μｍである場合と、２０μｍである場合とについて計算した。結果を図９に示す。ここでは、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が１０μｍであり、溝Ｔの一方の側面における導波路のモードフィールド径と溝Ｔの他方の側面における導波路のモードフィールド径とが等しく、軸ずれ、角度ずれがないとした。
【００２９】
図９から分かるように、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである方が透過光の損失が少ない。そして、透過光の損失は１ｄＢ以下が好ましく、また、実際には溝Ｔの側面における反射による損失が存在することから、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである場合には、溝幅を６０μｍ以下に設定することが必要であることが分かる。
【００３０】
次に、溝Ｔの側面による反射クロストークの評価のため、溝Ｔの側面での反射光の光軸と導波路との角度と結合効率との関係を、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）が１０μｍである場合と、２０μｍである場合とについて計算した。結果を図１０に示す。ここでは、交差部分１３におけるコア７（第１の導波路１１及び第２の導波路１２）の厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）が１０μｍであり、溝Ｔの側面での反射光の光軸と導波路とに位置ずれがなく、角度ずれのみが存在するとした。
【００３１】
図１０から分かるように、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである方が溝Ｔの側面での反射光と導波路への結合効率が低い。そして、結合効率（クロストーク）は−３０ｄＢ以下が好ましいことから、モードフィールド径（ＭＦＤｘ）が２０μｍである場合には、溝Ｔの側面での反射光の光軸と導波路との角度、すなわち溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１と溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角との差θ２（θ１−θ２）を５度以上に設定することが必要であることが分かる。
【００３２】
続いて、図４に基づいて、静電アクチュエータ２０の構成を説明する。この静電アクチュエータ２０は、低電圧駆動を可能にするので、当該光スイッチのようなマイクロ・デバイスの駆動系に適している。なお、図４は、静電アクチュエータ２０の構成を示す平面図である。
【００３３】
図４において、静電アクチュエータ２０は、駆動系として、溝Ｔを挟んで導波路基板ＰＣＬの表面に形成された１対の駆動部分２０Ａ、２０Ｂを備える。なお、これら駆動部分２０Ａ、２０Ｂの構造は溝Ｔを中心に線対称な関係にあるため、以下の説明では駆動部分２０Ｂの構造に限定して説明する。
【００３４】
駆動部分２０Ｂは、互いに対向して導波路基板ＰＣＬの表面に設けられた第１の櫛形電極２１及び第２の櫛形電極２２と、これら第１及び第２の櫛形電極２１、２２の間に位置し、その一部が導波路基板ＰＣＬの表面から離間している櫛形フローティング電極２３とを備える。櫛形フローティング電極２３は、櫛形電極部分２３ａと、導波路基板ＰＣＬの表面に直接形成されたベース部分２３ｃと、櫛形電極部分２３ａとベース部分２３ｃとを連絡するとともに該櫛形電極部分２３ａを導波路基板ＰＣＬの表面から所定距離離間した状態で支持する板バネ２３ｂとを備える。また、ミラー３１が取り付けられた支持部３０は、駆動部分２０Ａ、２０Ｂにおける各櫛形フローティング電極２３によって、溝Ｔの一部を覆うよう支持されている。
【００３５】
以上のように、溝Ｔにより規定される空間にミラー３１が保持された状態が図５に示されている。なお、図５は、図１中に示されたＶ−Ｖ線に沿った静電アクチュエータ２０の一部断面構造を導波路基板ＰＣＬの断面構造とともに示す図である。
【００３６】
また、図６は、図４中に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿った静電アクチュエータ２０の一部断面構造（特に、板バネ２３ｂ近傍）を導波路基板ＰＣＬの断面構造とともに示す図である。このように導波路基板ＰＣＬの表面との間に間隙を設けた櫛形フローティング電極２３の形成方法は、たとえば「応用物理」（第６０巻、第３号（１９９１）ｐｐ．２２８−２３２）、「シリコンマイクロマシーニング先端技術」（サイエンスフォーラム、１９９２年３月）、「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」（培風館、１９９２年６月）等に詳述されている。
【００３７】
次に、この発明に係る光スイッチの一実施形態である静電アクチュエータ２０の、ミラー３１を移動させる駆動動作について図７及び図８を用いて説明する。なお、図７は、第１の櫛形電極２１及び櫛形フローティング電極２３間に所定電圧が印加された状態での、各電極２１〜２３の状態を示す図である。また、図８は、静電アクチュエータ２０における板バネ２３ｂの形状変化の様子を示す図である。
【００３８】
まず、第１の櫛形電極２１と櫛形フローティング電極２３間に所定の電圧が印加されると、導波路基板ＰＣＬの表面から間隙を介して離間している櫛形フローティング電極２３が、図７に示されたように、全体的に第１の櫛形電極２１に引っ張られる。このように、櫛形フローティング電極２３の位置が、図７中の矢印Ａで示された方向に移動することにより、駆動部分２０Ａ、２０Ｂそれぞれの櫛形フローティング電極２３により保持された支持部３０も矢印Ａで示された方向に移動（５０μｍ程度）することになる。すなわち、支持部３０に取り付けられたミラー３１の溝Ｔ内の位置も、該支持部３０の移動とともに変わる。このとき、板バネ２３ｂは、櫛形フローティング電極２３全体の移動に伴って、図８に示されたように一旦湾曲した後に直線状になった状態で止まり（自己保持）、電圧が印加されていない状態でも櫛形フローティング電極２３の櫛形電極部分２３ａの位置が固定される。
【００３９】
一方、第２の櫛形電極２２と櫛形フローティング電極２３間に所定の電圧が印加されると、導波路基板ＰＣＬの表面から間隙を介して離間している櫛形フローティング電極２３が、すなわち第２の櫛形電極２１に全体的に引っ張られる。このように、櫛形フローティング電極２３の位置が、図７中の矢印Ａで示された方向とは逆方向に移動することにより、駆動部分２０Ａ、２０Ｂそれぞれの櫛形フローティング電極２３により保持された支持部３０も矢印Ａで示された方向とは逆方向に移動（５０μｍ程度）することになる。同様に、支持部３０に取り付けられたミラー３１の溝Ｔ内の位置も、該支持部３０の移動とともに変わる。なお、このときも板バネ２３ｂは、櫛形フローティング電極２３全体の移動に伴って、図８に示されたように一旦湾曲した後に直線状になった状態で止まり（自己保持）、電圧が印加されていない状態でも櫛形フローティング電極２３における櫛形電極部分２３ａの位置が固定される。
【００４０】
上述のような櫛形フローティング電極２３の自己保持機能は、板バネ２３ｂを含む構造体の形状を変更することで、他の遷移スキームを取らせることも可能である。すなわち、図８は、板バネ２３ｂの高さ（導波路基板ＰＣＬの表面に対して垂直方向の厚み）が、該板バネ２３ｂの幅に対して大きく取られることにより（図６及び図８参照）、導波路基板ＰＣＬの表面を見たときの横方向に曲がり易くなった構造による機械的なスイッチング動作が示されている。
【００４１】
以上のように、本実施形態の光スイッチＯＳでは、第１の導波路１１及び第２の導波路１２は、その交差部分１３においてそれぞれの中心軸ＣＡ１，ＣＡ２が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置されているので、一方の導波路１１又は１２を通ってきた光が溝Ｔに面する端面にて反射した場合でも、端面にて反射した光が他方の導波路１２又は１１に導入されるのが抑制されることになる。この結果、クロストークを低減することができる。
【００４２】
また、本実施形態の光スイッチＯＳにおいては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第１の導波路１１の中心軸ＣＡ１とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと交差部分１３における第２の導波路１２の中心軸ＣＡ２とのなす角θ２とが異なる値に設定されている。これにより、第１の導波路１１及び第２の導波路１２を交差部分１３においてそれぞれの中心軸ＣＡ１，ＣＡ２が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置し得る構成を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００４３】
また、本実施形態の光スイッチＯＳにおいては、導波路基板ＰＣＬの表面に設けられると共に、溝Ｔにより規定される空間内にミラー３１を保持した状態で、ミラー３１を該空間内における第１の導波路１１及び第２の導波路１２の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させる静電アクチュエータ２０を更に有している。これにより、静電アクチュエータ２０が導波路基板ＰＣＬの表面に設けられることになるので、静電アクチュエータ２０のレイアウト自由度が高くなり、静電アクチュエータ２０の導波路基板ＰＣＬへの実装を容易に行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態の光スイッチＯＳにおいては、第１の導波路１１及び第２の導波路１２は、溝Ｔに面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されている。これにより、溝Ｔに露出する端面における第１の導波路１１及び第２の導波路１２のモードフィールド径が拡大されることになり、光が溝Ｔにより規定される空間内を通る際の損失を低減することができる。また、この損失低減効果により、ミラー３１の位置ずれ（溝Ｔが延びる方向と直交する方向へのずれ）の許容範囲が拡大し、ミラー３１を配設する際の交差を大きくすることができる。この結果、光スイッチＯＳの製作を容易に行うことができる。
【００４５】
本発明の光スイッチにおいて、第１の導波路１１及び第２の導波路１２を交差部分１３においてそれぞれの中心軸ＣＡ１，ＣＡ２が溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬに対して非対称となるよう配置することによって得られるクロストーク低減効果を確認する試験を行った。結果を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２は、ミラー３１の位置ずれ（溝Ｔが延びる方向と直交する方向へのずれ）ｄｌに対する結合効率の変化を示しており、図１１は実施例１による試験結果であり、図１２は比較例１による試験結果である。
【００４６】
まず、本発明による実施例１及び比較例１として用いた光スイッチの構成について説明する。この光スイッチは、図１３に示されるように、導波路基板ＰＣＬに第１の導波路１１１と第２の導波路１１２とが所定の角度をもって交差するように設けられている。導波路基板ＰＣＬの表面には、第１の導波路１１１と第２の導波路１１２との各交差部分において第１の導波路１１１及び第２の導波路１１２の各中心軸を横切るように直線状に延びる溝Ｔが形成されている。そして、溝Ｔにより規定される空間内（空気中）にミラー１３１が配設されている。溝Ｔの一方の側面から基準位置（図中、破線にて示めされた位置）にあるミラー１３１の反射面までの距離ｌは、２０μｍに設定されている。
【００４７】
また、図１３において、反射光１は、第１の導波路１１１を通ってきた光が第１の導波路１１１の端面（溝Ｔの側面）にて反射した光である。同じく、図１３において、反射光２は第１の導波路１１１から出射した光がミラー１３１にて反射して導波路基板ＰＣＬに入射した光であり、反射光３は第１の導波路１１１から出射した光がミラー１３１及び溝Ｔの側面にて反射して導波路基板ＰＣＬに入射した光である。
【００４８】
実施例１においては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第１の導波路１１１（中心軸）とのなす角θ１を２．５度に設定し、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第２の導波路１１２（中心軸）とのなす角θ２を７．５度に設定している。一方、比較例１おいては、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第１の導波路１１１（中心軸）とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第２の導波路１１２（中心軸）とのなす角θ２とを、同じ５度に設定している。
【００４９】
試験は、実施例１及び比較例１とも、反射光１の第２の導波路１１２への結合効率η１ｂ、反射光２の第２の導波路１１２への結合効率η２ｂ、及び反射光３の第２の導波路１１２への結合効率η３ｂのそれぞれについて、ミラー３１の位置ずれｄｌに対する変化を測定することにより行った。図１１及び図１２から分かるように、反射光１の第２の導波路１１２への結合効率η１ｂ、及び、反射光３の第２の導波路１１２への結合効率η３ｂに関して、比較例１が−１５ｄＢ程度であるのに対し、実施例１が−４５ｄＢ程度となっており３０ｄＢ程度改善されている。以上のことから、本発明による実施例１の方が優れたクロストーク低減効果を有していることが分かる。
【００５０】
続いて、第１の導波路１１及び第２の導波路１２における溝Ｔに面する導波路幅を他の部分の導波路幅より大きく設定することによって得られる損失低減効果を確認する試験を行った。結果を図１４及び図１５に示す。図１４及び図１５は、ミラー３１の位置ずれｄｌに対する結合効率の変化を示しており、図１４は実施例２による試験結果であり、図１５は比較例２による試験結果である。
【００５１】
試験は、図１３に示された構成の光スイッチを用い、実施例２においては、第１の導波路１１１及び第２導波路１１２の端部における幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）を２０μｍに設定している。比較例２では、第１の導波路１１１及び第２導波路１１２の端部における幅方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｘ）を１０μｍに設定している。第１の導波路１１１及び第２導波路１１２の端部における厚さ方向でのモードフィールド径（ＭＦＤｙ）は、実施例２及び比較例２とも１０μｍに設定している。また、実施例２及び比較例２とも、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第１の導波路１１１（中心軸）とのなす角θ１と、溝Ｔの側面に直交する方向に延びる直線ＳＬと第２の導波路１１２（中心軸）とのなす角θ２とを、同じ１０度に設定している。
【００５２】
試験は、実施例２及び比較例２とも、反射光２の第２の導波路１１２への結合効率η２ｂについて、ミラー３１の位置ずれｄｌに対する変化を測定することにより行った。図１４及び図１５から分かるように、比較例２が−１ｄＢ以下であるのに対し、実施例２がミラー３１の位置ずれｄｌが−５〜＋５μｍの範囲でほぼ−１ｄＢより大きくなっており、実施例２の方が優れた損失低減効果を有していることが分かる。
【００５３】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、図１６に示されるように、本発明は、所定の角度をもって交差するように設けられた第１の導波路１１と第２の導波路１２とが複数組配列されたものにも適用することができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、光学部品としてミラー３１を用いているが、これに限られるものではない。光学部品として、たとえば所定波長の光のみを選択的に透過する光フィルタ等を用いるようにしてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、クロストークの発生を抑制することが可能な光スイッチを提供すること光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１中に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿った基板の断面構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光スイッチにおける交差部分の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光スイッチに含まれる、静電アクチュエータの構成を示す平面図である。
【図５】図１中に示されたＶ−Ｖ線に沿った静電アクチュエータの一部断面構造を導波路基板の断面構造とともに示す図である。
【図６】図４中に示されたＶＩ−ＶＩ線に沿った静電アクチュエータの一部断面構造を導波路基板の断面構造とともに示す図である。
【図７】静電アクチュエータの動作を説明するための図である。
【図８】静電アクチュエータにおける板バネの形状変化の様子を示す図である。
【図９】透過光の損失と溝幅との関係を示す線図である。
【図１０】反射光の光軸と導波路との角度と結合効率との関係を示す線図である。
【図１１】実施例１における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１２】比較例１における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１３】実施例１及び比較例１にて用いた光スイッチの構成を説明するための図である。
【図１４】実施例２における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１５】比較例２における、ミラーの位置ずれに対する反射光の導波路への結合効率の変化を示す線図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る光スイッチの変形例の概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
ＯＳ…光スイッチ、ＰＣＬ…導波路基板、Ｔ…溝、１１,１１１…第１の導波路、１２，１１２…第２の導波路、１３…交差部分、２０…静電アクチュエータ、２０Ａ…駆動部分、２０Ｂ…駆動部分、２１…第１の櫛形電極、２２…第２の櫛形電極、２３…櫛形フローティング電極、２３ａ…櫛形電極部、２３ｂ…板バネ、２３ｃ…ベース部、３０…支持部、３１，１３１…ミラー。
Claims (3)
- 基板と、
前記基板に設けられた第１の導波路と、
前記基板に前記第１の導波路と所定の角度をもって交差するように設けられた第２の導波路と、
光学部品と、
前記基板表面に設けられると共に、前記光学部品を移動させる駆動手段と、を有し、
前記基板表面には、前記第１の導波路と前記第２の導波路との交差部分において前記第１の導波路及び前記第２の導波路の中心軸を横切り、前記前記第１の導波路及び前記第２の導波路の端面が露出する程度の深さを有する溝が形成されており、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、前記交差部分においてそれぞれの中心軸が前記溝の側面に直交する方向に延びる直線に対して非対称となるよう配置され、
前記光学部品は、前記溝が伸びる方向に沿って移動可能であると共に、前記第１及び第２の導波路の一方の導波路から出射して前記光学部品で反射した光が前記第１及び第２の導波路の他方の導波路に入射するように、前記溝の側面に直交する方向に延びる直線に直交する位置から傾けて配置されており、
前記駆動手段は、前記溝により規定される前記空間内に光学部品を保持した状態で、前記光学部品を該空間内における前記第１の導波路及び前記第２の導波路の光路に対して進出方向及び退出方向に移動させることを特徴とする光スイッチ。 - 前記溝の前記側面に直交する方向に延びる前記直線と前記交差部分における前記第１の導波路の中心軸とのなす角と、前記溝の前記側面に直交する方向に延びる前記直線と前記交差部分における前記第２の導波路の中心軸とのなす角とが異なる値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
- 前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、前記溝に面する導波路幅が他の部分の導波路幅より大きく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ。
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