JPH0572575A - 導波路型マトリツクス光スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 基板（１１）の上で光導波路（３１ａ−３１
ｂ，３２ａ−３２ｂ）を２箇所で互いに近接させて、２
個の方向性結合器（３３ａ，３３ｂ）とし、該２個の方
向性結合器（３３ａ，３３ｂ）間の２本の光導波路（３
１ａ−３１ｂ，３２ａ−３２ｂ）の少なくとも一方に、
光位相シフタ（３４ａ）を設けたマッハツェンダ光干渉
計回路をスイッチ要素とする導波路型マトリックス光ス
イッチ。スイッチ要素内の２個の方向性結合器（３３
ａ，３３ｂ）の間の２本の光導波路（３１ａ−３１ｂ，
３２ａ−３２ｂ）の実効光路長差が、スイッチオフ状態
で信号光波長の２分の１に設定され、しかも光スイッチ
要素内の前記２本の光導波路が、互いに交差している。 【効果】 方向性結合器の結合率設定誤差に強く、消光
比の優れた導波路型マトリックス光スイッチを提供でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野等で用いる
導波路型マトリックス光スイッチに係り、さらに詳しく
は、作製誤差に強く消光比の優れた導波路型マトリック
ス光スイッチ構成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の一層の普及のために
は、光ファイバと受・発光素子の高性能化，低価格化に
加えて、光分岐結合器，光合分波器，光スイッチ等の各
種光回路部品の開発が不可欠な段階にきている。なかで
も、光スイッチは、光ファイバ回線を需要に応じて自在
に切り替えたり、回線故障の際の迂回路の確保のため
に、近い将来、重要な役割を占めると考えられる。

【０００３】光スイッチの構成形態としては、従来か
ら、１）バルク型、２）導波路型が提案されている。バ
ルク型は、可動プリズムやレンズ等を構成要素として組
み立てられたもので、波長依存性が少なく、比較的低損
失という利点があるものの、組立調整工程が煩雑で量産
に適さず、高価格という欠点があり、広く普及するに至
っていない。導波路型は、平面基板上の光導波路を基本
として、フォトリソグラフィや微細加工技術を利用し
て、いわゆる集積型の光スイッチを一括大量生産しよう
とするもので、将来型の光スイッチ形態として期待され
ている。特にＭ本の入力ポートとＮ本の出力ポートを持
つ比較的規模の大きい（Ｍ×Ｎ）マトリックス光スイッ
チを現実的に構成可能な形態は、導波路型をおいて他に
ないと期待されている。

【０００４】図１は本発明が対象とする（Ｍ×Ｎ）マト
リックス光スイッチの１例としての（４×４）光スイッ
チの構成概念図である。この（４×４）スイッチは見か
け上、４本の入力導波路１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと４本
の出力光導波路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが４×４＝１６
箇所で交差する構成を持ち、１６箇所の交差部には光ス
イッチの最小単位としての（２×２）光スイッチ要素Ｓ
００，…，Ｓ３３が配置されている。このようなマトリ
ックス光スイッチ構成は「厳密にノンブロッキングなマ
トリックス光スイッチ」と呼ばれ、入力光導波路１ａ，
１ｂ，１ｃ，１ｄに入力する４チャンネルの信号光の光
路を４本の出力光導波路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに振り
分けることができる。

【０００５】たとえば、入力光導波路１ａへ入射した光
信号を出力光導波路２ｂから出力する場合は、光スイッ
チ要素Ｓ０３，Ｓ０２，Ｓ０１，Ｓ１１，Ｓ２１，Ｓ３
１を通る光路を形成する。このとき、光スイッチ要素Ｓ
０１では、左下の導波路から入った光が右下の導波路か
ら出ていくバー経路が形成され、それ以外の光スイッチ
要素では、左下（または左上）の導波路から入った光が
右上（または右下）の導波路から出ていくクロス経路が
形成される。駆動スイッチ数を最小とするにはクロス経
路は光スイッチ要素がオフのときに形成され、バー経路
はスイッチがオンのときに形成されることが必要であ
り、この場合、１つのスイッチＳ０１だけがオンとな
り、他のスイッチはオフとなる。このことは、他の任意
の光路について当てはまることである。たとえば、入力
導波路１ａから出力導波路２ａへの光路は、光スイッチ
要素Ｓ００のみをオンにし、他の６個の光スイッチ要素
Ｓ０３，Ｓ０２，Ｓ０１，Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０をオ
フにして形成される。このように、オンとされてバー経
路を形成する光スイッチ要素数は常に１であり、オフで
クロス経路を形成する光スイッチ要素数は０から６の範
囲で変化する。すなわち、この（４×４）マトリックス
光スイッチにおいて、光信号が通過する光スイッチ要素
数は、最小１で最大７となる。

【０００６】従来から様々な材料系の光導波路を用い
て、上記のマトリックス光スイッチを構成する試みがな
されているが、なかでもシリコン基板上の石英系光導波
路の熱光学効果を活用した熱光学式マトリックス光スイ
ッチは、不都合な偏波依存性が無く、光ファイバとの接
続性にも優れているので、実用的なマトリックス光スイ
ッチの最有力候補として期待されている。

【０００７】図２（Ａ），（Ｂ）は図１に例示した（４
×４）マトリックス光スイッチ構成概念図に対応してシ
リコン基板上に作製された従来の熱光学式（４×４）マ
トリックス光スイッチの構成図であり、図２（Ａ）は全
体平面配置図、図２（Ｂ）は光スイッチ要素の拡大平面
図である。図２（Ａ），（Ｂ）においては、４本の入力
光導波路１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを含む８本の光導波路
が入力側導波路束４ａを構成し、４本の出力光導波路２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを含む８本の光導波路が出力側導
波路束４ｂを構成しているが、図２（Ａ）の実配置が図
１の構成概念図とトポロジー的に等価であることは容易
に理解される。

【０００８】これらの導波路束４ａ−４ｂは、火炎加水
分解反応堆積法と反応性イオンエッチング技術との公知
の組合せにより、基板３上に形成された石英系単一モー
ド光導波路列である。１６箇所に配置された光スイッチ
要素Ｓ００，…，Ｓ３３のそれぞれは、図２（Ｂ）に示
したように、いわゆるマッハツェンダ光干渉計回路型の
（２×２）光スイッチ構成を有している。すなわち、２
本の光導波路６１ａ−６１ｂおよび６２ａ−６２ｂの一
部は、２箇所で互いに近接し、方向性結合器６３ａおよ
び６３ｂを構成している。それらの光結合率は、信号光
波長において５０％になるように設定されている。方向
性結合器６３ａ，６３ｂの間を連結する２本の光導波路
６１ａ−６１ｂおよび６２ａ−６２ｂの光路長は、該２
本の光導波路途上に位置する薄膜ヒータからなる熱光学
位相シフタ６４ａおよび６４ｂを動作させない状態（オ
フ状態）で同一（対称）になるように設定されている。

【０００９】このマッハツェンダ光干渉計回路型の（２
×２）光スイッチのスイッチングの入出力特性は、各方
向性結合器のパワー結合率をｋ、一方の光導波路への入
力信号光のパワーをＰ₁₀、バー経路とクロス経路の出力
信号光のパワーをそれぞれＰ₁ ，Ｐ₂ 、２つの方向性結
合器を連結する２本の導波路間で生ずる位相差をΔφと
すれば、次の式で表される。

【００１０】

【数１】 P₁/P₁₀＝(1−2k)² cos²(Δφ/2) ＋ sin²(Δφ/2) (1)

【００１１】

【数２】 P₂/P₁₀＝4k(1−k)cos² (Δφ/2) (2) 結合率ｋ＝１／２のとき、いいかえれば、方向性結合器
が３ｄＢ結合器の場合の入出力特性は次のようになる。
まず、オフ状態（薄膜ヒータ無通電状態）では、位相差
Δφ＝０であるから、信号光は光スイッチ要素をクロス
経路（６１ａ→６２ｂ，６２ａ→６１ｂ）で通過する。
一方、方向性結合器６３ａおよび６３ｂの間の導波路に
１８０度（πラディアン）の光位相に相当する１／２波
長近傍の光路長差が生じるように、位相シフタ６４ａ，
６４ｂの少なくとも一方を作動（薄膜ヒータに通電）さ
せてオン状態、つまり位相差Δφ＝πとすると、信号光
は光スイッチ要素をバー経路（６１ａ→６１ｂ，６２ａ
→６２ｂ）で通過するように切り換わる。こうして、
（２×２）光スイッチ要素としてのクロス／バー切り替
え動作が達成される。しかし、このような（２×２）光
スイッチ要素を基本単位とする従来の導波路型マトリッ
クス光スイッチには、次のような製作上の大きな問題点
があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述した図２（Ｂ）の
マッハツェンダ光干渉計回路型光スイッチ要素が理想的
に動作するためには、構成要素である方向性結合器６３
ａと６３ｂの結合率が信号光波長において正確に５０％
であることが必須条件であるが、実際の光導波路作製プ
ロセスは多少の誤差を含み、結合率を正確に５０％に設
定することが困難という製作上の事情があった。これ
は、方向性結合器が、極めて構造敏感な光素子であり、
光導波路幅や光導波路間隔、さらには光導波路のコア・
クラッド間の比屈折率差等の僅かのプロセス誤差により
結合率が変動し易いためであった。

【００１３】方向性結合器の結合率が５０％からずれた
場合には、オフ状態において、信号光はクロス経路（６
１ａ→６２ｂ，６２ａ→６１ｂ）を１００％通過せず、
バー経路（６１ａ→６１ｂ，６２ａ→６２ｂ）に漏れ出
すことになり、このいわゆる光漏話の存在が導波路型マ
トリックス光スイッチ作製上の大きな問題点となってい
たのである。

【００１４】例えば、結合率が５０％から大きい方に５
％程度、あるいは小さい方に５％程度ずれると、各光ス
イッチ要素においては、オフ状態でバー経路（６１ａ→
６１ｂ，６２ａ→６２ｂ）に、信号光強度の１％が漏れ
出して、図２（Ａ）の（４×４）マトリックス光スイッ
チ構成では、最終的に１５ｄＢ程度の消光比しか得られ
なかった。この事情は、マトリックス規模が大きくなる
ほど深刻になり、例えば（８×８）マトリックス光スイ
ッチでは、最終的に１１ｄＢ程度の消光比にまで、漏話
特性が劣化してしまうのであった。

【００１５】方向性結合器の結合率設定が、実際の光導
波路製造プロセスにおいて、５０％±５％程度、場合に
よっては５０％±１０％程度もの誤差を伴うことは、し
ばしばあり、導波路型マトリックス光スイッチの前述の
結合率敏感性は、歩留り良く光スイッチを製作する上で
の最大の障害となっていた。

【００１６】そこで本発明の目的は、前記の欠点を解決
し、方向性結合器の結合率設定誤差に強く、消光比の優
れた導波路型マトリックス光スイッチを提供することに
ある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、複数の入力端と、複数の出力端とを備
え、入力された信号光を切り替え出力する導波路型マト
リックス光スイッチにおいて、前記入力端にそれぞれ接
続された複数の入力光導波路と、前記出力端にそれぞれ
接続された複数の出力光導波路と、前記入力光導波路と
前記出力導波路との各交点位置に配置された複数の光ス
イッチ要素とを具備し、前記各光スイッチ要素は、基板
上で２本の光導波路を２箇所で互いに近接させ、該２箇
所の間の前記２本の光導波路が前記信号光の半波長分の
実効光路長差を有するように構成された結合率の等しい
２個の方向性結合器と、該２個の方向性結合器間の前記
２本の光導波路の少なくとも一方に配設され、前記実効
光路長差を前記信号光の波長の整数倍に切り替える光路
長差切り替え手段と、前記２本の光導波路を交差させた
交差部とを具備することを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明では、光スイッチ要素を構成するマッハ
ツェンダ光干渉計回路の２個の方向性結合器間に、オフ
状態で２分の１波長の光路長差が設定されている。した
がって、オフ状態においては、信号光は、他の光導波路
に移行することなく、光導波路に入力されたままの状態
（スルー状態）でマッハツェンダ光干渉計回路を通過す
る。さらに本発明では、光スイッチ要素内で２本の光導
波路がクロストークを無視できる角度で互いに交差して
いるので、信号光は、クロス経路で光スイッチ要素を通
過することになる。これらの動作は、２個の方向性結合
器の結合率が同一でありさえすれば、その値によらず成
り立つ。

【００１９】一方、オン状態においては、マッハツェン
ダ光干渉計回路を構成する光導波路上に設けた光位相シ
フタを駆動し、前記の２分の１波長相当の光路長差を打
ち消す。これによって、交差部を含む光スイッチ要素の
状態をバー経路へと切り替えることができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例を詳細に説
明する。以下の実施例では、光導波路としてシリコン基
板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用し、光
スイッチ要素として熱光学式マッハツェンダ光干渉計回
路型（２×２）光スイッチを採用したマトリックス光ス
イッチについて説明する。これは、この組合せが、単一
モード光ファイバとの接続性に優れ、しかも偏波依存性
の無いマトリックス光スイッチを提供できるためであ
る。しかしながら、本発明は、これらの組合せに限定さ
れるものではない。

【００２１】実施例１ 図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の導波路型マトリックス
光スイッチの第１実施例としての（４×４）マトリック
ス光スイッチを構成する光スイッチ要素の構成図であ
り、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）および（Ｃ）は、
それぞれ図３（Ａ）の線分ＡＡ′およびＢＢ′における
拡大断面図である。（４×４）マトリックス光スイッチ
の全体平面図は、図１と同一であるので図示を省略し
た。シリコン基板１１の上の石英系ガラス光導波路３１
ａ−３１ｂと３２ａ−３２ｂとは、互いに２箇所で間隔
数μｍにまで近接して２個の方向性結合器３３ａ，３３
ｂを構成している（図３（Ｂ）参照）。方向性結合器３
３ａ，３３ｂの結合率は、結合部の導波路間隔や長さの
調節により５０％を目標に設定されている。２個の方向
性結合器３３ａ，３３ｂの間における光導波路３１ａ−
３１ｂ，３２ａ−３２ｂの実効光路長は、光導波路３２
ａ−３２ｂ側が３１ａ−３１ｂに比べて信号光の波長
（ここでは１．３μｍ）の２分の１相当、すなわち０．
６５μｍ程度長くなるように設定されており、光導波路
３１ａ−３１ｂに対応する部分のクラッド層１４の上部
には、光位相シフタとしての薄膜ヒータ３４ａが設置さ
れている（図３（Ｃ））。光導波路３１ａ−３１ｂと３
２ａ−３２ｂとは、交差部３５においてクロストークを
無視できる交差角度θで交差している。

【００２２】方向性結合器３３ａと３３ｂとの間の領域
は、光路長差２分の１波長の弱非対称マッハツェンダ光
干渉計回路を構成しており、薄膜ヒータ３４ａに通電し
ないオフ状態では、光導波路３１ａ端から入力した信号
光は、方向性結合器３３ａ，３３ｂを通過した後、光導
波路３１ａ−３１ｂに留まった状態で出力され、光導波
路３２ａ端から入力した信号光は、光導波路３２ａ−３
２ｂに留まったまま出力される。光干渉計回路領域を通
過した信号光は、交差部３５で交差するので、光スイッ
チ要素全体としては、マトリックス光スイッチのオフ状
態としてのクロス経路を実現できることになる。

【００２３】ここで、マッハツェンダ干渉計の導波路ア
ームに零とλ／２の光路長差を与えた場合の出力状態
を、モードの干渉を通して視覚的に見てみる。

【００２４】方向性結合器部分での光パワーの移行は、
偶モードと奇モードという２つのモードの干渉、つまり
重ね合わせで表現することができる。それぞれのモード
は、位相状態を表現するために虚実空間上に表されてい
る。

【００２５】図４に光路長差ΔＬ＝０の場合（すなわ
ち、従来例の場合）のスイッチ素子の各部におけるモー
ドの状態を示す。ここでは、入射光はＥ₁₀とし、両導波
路中心上の合成電界をベクトル表記した。図４に示す各
位置（１）〜（４）での状態は以下の通りである。

【００２６】（１）導波路Ｉ側に光が存在する状態と
は、偶モードと奇モードが図のような状態にあり、導波
路Ｉ側では両モードが同位相のため強めあい、導波路Ｉ
Ｉでは逆位相のため打ち消しあっていると考えることが
できる。

【００２７】（２）奇モードは偶モードに比べ伝搬定数
（位相速度）が遅いため、伝搬するにつれて（偶モード
が実軸上に有るとすると）虚軸側へ回転する。位相差が
９０度になると両導波路の電界の強さは同じとなる。こ
れが３ｄＢ方向性結合器を通過した状態である。ここで
注目すべきことは、電界の強さは同じであるが、導波路
ＩＩ側の方が９０度位相が進んでいることである。

【００２８】（３）導波路アームに光路長差が無いため
（２）の状態が維持されている。

【００２９】（４）３ｄＢ方向性結合器をもう一度通過
することにより、両モードの位相差はさらに９０度つ
き、今度は（１）の状態とは逆に、導波路Ｉ側では両モ
ードが逆位相のため打ち消しあい、導波路ＩＩでは同位
相のため強めあい、導波路ＩＩにのみ光が存在する。つ
まり、光が導波路Ｉから導波路ＩＩへ全て移ったわけで
ある。

【００３０】以上のことから、光路長差ΔＬ＝０の場
合、偶モードと奇モードの位相差は方向性結合器部分の
みで起こり、その位相差が正確にπでなければ１００％
のパワー移行は起こらず、一部の光がスルー側へ漏れ込
むことになる。

【００３１】図５に光路長差ΔＬ＝λ／２の場合（すな
わち、本発明の場合）の状態を示す。図５に示す各位置
（１）〜（４）での状態は以下の通りである。

【００３２】（１）および（２）光路長差ΔＬ＝０の場
合と同じ （３）片アーム（ここでは導波路ＩＩ）側のみ位相がπ
遅れるため、（２）における導波路ＩＩ側の電界が１８
０度回転した状態となる。この電界は、図にあるような
偶モードと奇モードの合成と考えることができる。

【００３３】（４）３ｄＢ方向性結合器を通過すること
で、両モードの位相差はさらに９０度つき、導波路Ｉ側
に全ての光が戻ることになる。

【００３４】これは、干渉計を構成している２個の方向
性結合器の結合率が同じでさえあれば、結合率の値にか
かわらず必ず起こる現象である。これは、（３）にある
ように、πの光路長差を与えたために、奇モードは偶モ
ードよりも結合率に相当する角度θだけ進んだ状態とな
るが、２段目の方向性結合器でθだけ遅れるために両モ
ードの相対的関係は元の状態（（１）の状態）に戻るか
らである。

【００３５】これを数式で表してみよう。マッハツェン
ダ干渉計のパラメータを図６のようにする。すなわち、
各方向性結合器の結合係数をδ、結合長をｄ、波数をｋ
（＝２πｎ_eff ／λ₀ ）とすると、方向性結合器単体の
特性マトリックスは

【００３６】

【数３】

【００３７】となる。δｄは前述のモードで言えば、偶
・奇の両モードの位相差を表している。従って、３ｄＢ
方向性結合器においては

【００３８】

【数４】δd ＝π/4 である。

【００３９】干渉計の導波路アーム間によって生ずる位
相差は

【００４０】

【数５】

【００４１】となる。干渉計全体の電界におけるマトリ
ックス表記は

【００４２】

【数６】

【００４３】であり、これを計算し、パワーで表すと、
出力特性は

【００４４】

【数７】 P₁＝P₁₀[cos²(2δd)cos²(kΔL/2)＋sin²(kΔL/2)] ＋P₂₀[sin²(2δd)cos²(kΔL/2)] (6) P₂＝P₁₀[sin²(2δd)cos²(kΔL/2)] ＋P₂₀[cos²(2δd)cos²(kΔL/2)＋sin²(kΔL/2)] (7) となる。Ｐ₁₀のみ入力された場合、光路長差ΔＬ＝０、
すなわち従来例に相当する場合は、次のようになる。

【００４５】

【数８】 P₁＝P₁₀ cos²(2δd) (8) P₂＝P₁₀ sin²(2δd) (9) また、光路長差ΔＬ＝λ／２（ｋΔＬ／２＝π／２）、
すなわち本発明の場合は、

【００４６】

【数９】 P₁＝P₁₀ (10) P₂＝0 (11) となる。従来のように光路長差ΔＬ＝０では、δｄ＝π
／４（３ｄＢ方向性結合器）でなければ、Ｐ₁ から漏れ
光が生じてしまう。一方、本発明のように光路長差ΔＬ
＝λ／２では、方向性結合器の結合率によらずＰ₂ には
漏れ光が原理的に生じないことを表しており、前述のモ
ードの重ね合わせの場合と一致している。

【００４７】以上の結果から、ΔＬ＝λ／２の状態をオ
フ状態とすれば、作製誤差等で方向性結合器の結合率が
理想的な値である５０％からずれても、２つの方向性結
合器の結合率が同一でありさえすれば、その値に依存せ
ず高い消光比が実現でき、マトリックススイッチとして
もクロストークを大幅に小さくすることができる。ただ
し、マトリックススイッチを構成する場合、駆動スイッ
チ数を最小にするためには、オフ状態でクロス側に光が
出力するように構成しなければならないため、出力ポー
トを入れ替える必要がある。本発明では、スイッチ要素
内で、交差部３５において２本の導波路の間に干渉が発
生しない角度で、２本の導波路３１ａ−３１ｂと３２ａ
−３２ｂとを交差させることにより、これを達成してい
る。

【００４８】一方、薄膜ヒータ３４ａに通電し、その下
部の光導波路３１ａ−３１ｂの屈折率値を熱光学効果に
より僅かに増加させ、光干渉計回路の実効光路長差が零
になるように調節すると、２個の方向性結合器３３ａ，
３３ｂの結合率は、図４に示すように相加するように作
用する。よって、仮に理想的な結合率５０％に設定され
ていた場合には、光干渉計回路全体としては見かけ上１
００％の結合率状態となり、信号光は光干渉計回路を通
過する際に、光導波路を入れ換わって通過する。ひき続
いて交差部３５を経由することにより、光スイッチ要素
としてはオン状態として必要なバー経路に切り換わる。
方向性結合器３３ａ，３３ｂの結合率が理想的な５０％
値からずれている場合には、１００％バー経路に切り換
えることができず、クロス状態に留まる信号光成分が現
れるが、この残留信号光は最終的には出力ポート２ａ，
２ｂ，２ｃ，２ｄ以外（図２（Ａ）参照）の不用の出力
側導波路から出射されるので、損失増を伴うものの、マ
トリックス光スイッチとしての消光比劣化には結びつか
ない。

【００４９】図７は、（４×４）マトリックス光スイッ
チにおける光漏話により生ずる過剰損失特性の説明図で
あり、７個のスイッチ要素を経由する経路での値を示し
ている。ここで、実線曲線は本実施例の光スイッチの特
性、破線曲線は従来の光スイッチの特性である。方向性
結合器の結合率が大きい方に５％、または小さい方に５
％と、理想的な結合率５０％から５％ずれた場合では、
従来の光スイッチの損失増加が０．２５ｄＢであるのに
対し、本実施例の光スイッチでは０．０５ｄＢと極僅か
であり、また、方向性結合器の結合率が３５％または６
５％と、理想的な結合率から１５％もずれた場合でも、
従来の光スイッチの損失増加が２．５ｄＢにも達するの
に対し、本実施例の光スイッチでは０．４ｄＢと損失増
加が極めて小さい。

【００５０】ここで特記すべき点は、マトリックス光ス
イッチの規模が大きくなるに従って、従来の光スイッチ
では損失増加傾向が顕著になるのに対し、本発明のマト
リックス光スイッチでは、損失増加の値（図７の実線曲
線）は常に同じであることである。マトリックス光スイ
ッチ構成では、各入力信号光は、いくつかのスイッチ要
素を通過し出力されるが、通過するスイッチ要素のうち
オン状態のスイッチ要素は一つだけであり、残りはオフ
状態のスイッチ要素である。従来のマトリックス光スイ
ッチでは、方向性結合器の結合率が５０％からずれた場
合、オフ状態のスイッチ要素から漏れ光が発生するた
め、マトリックスの規模が大きくなり通過するオフ状態
のスイッチ要素数が多くなるに従って、過剰損失が増加
する。それに対し、本発明のマトリックス光スイッチで
は、オフ状態のスイッチ要素から漏れ光が発生しないた
め、各入力信号光においてオン状態のスイッチ要素１個
からの漏れ光だけが過剰損失となる。従って、マトリッ
クスの規模がいかに大きくなっても、過剰損失の値は常
に同じとなる。

【００５１】次に、クロストークの波長依存性について
説明する。

【００５２】図８（Ａ），（Ｂ）は、本発明のスイッチ
素子と従来型のスイッチ素子のオン状態，オフ状態での
光路長差ΔＬを示している。両者は逆の関係にあるのが
分かる。

【００５３】図９（Ａ），（Ｂ）は、光スイッチ要素の
クロス経路の透過率波長特性の説明図であり、は本実施
例で用いている光スイッチ要素の特性図、図９（Ｂ）は
図２（Ｂ）に示す従来の光スイッチ要素の特性図であ
る。図９（Ａ），（Ｂ）において２本の実線曲線はオフ
状態とオン状態のクロス経路光透過特性であり、破線曲
線は光干渉計回路を構成する方向性結合器の結合率であ
る。方向性結合器は波長１．３μｍにおいて理想的な結
合率５０％に設定されているものとしている。ここで注
目されるのは本発明に対応する図９（Ａ）では、オフ状
態の波長依存性が小さく、オン状態の波長依存性が大き
いのに対し、従来例に対応する図９（Ｂ）においては、
逆にオフ状態の波長依存性が大きく、オン状態の波長依
存性が小さいことにある。実際の（４×４）マトリック
ス光スイッチにおいては、信号光は最大７個の光スイッ
チ要素を経由するが、そのうちの１個のオン状態を除い
て６個はオフ状態にあるので、オフ状態の波長依存性が
小さい図９（Ａ）の光スイッチ要素の方が、マトリック
ス光スイッチ全体としての波長依存性を緩和する上で有
利であることが理解される。

【００５４】次に、クロス経路での波長依存性について
数式を用いて説明する。

【００５５】まず、従来型のスイッチ素子のクロス経路
での波長依存性をみてみる。

【００５６】従来型のスイッチ素子では、オフ状態にお
いては、光路長差ΔＬ＝０である。よって、出力特性は
式（９）から

【００５７】

【数１０】 P₂＝P₁₀ sin²(2δd) (12) となり、方向性結合器の結合率の波長依存性に従って図
９（Ｂ）のような波長特性を持つ。

【００５８】一方、オン状態においては、方向性結合器
の波長依存性に加え、導波路アーム間の光路長差にも波
長依存性が生ずる。その出力特性は、式（７）より、

【００５９】

【数１１】 P₂＝P₁₀[sin²(2δd)cos²(kΔL/2)] (13) と表される。光路長差ΔＬの波長依存性は、例えば波長
λ＝１．２〜１．４μｍでは８％以内であり、ｃｏｓ²
（ｋΔＬ／２）は０に近い値となる。従って、方向性結
合器の波長依存性にあまり影響されず、出力特性として
も０に近く、波長依存性は小さい。

【００６０】次に、本発明のスイッチ素子のクロス経路
出力は、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、前記従来型
のスイッチ素子におけるＯＮ，ＯＦＦと光路長差ΔＬと
の関係が逆で、かつ出力ポートの関係も逆である。従っ
て、出力特性は、図９（Ｂ）でのＯＮ，ＯＦＦの表記を
逆にして、また、透過率５０％の線で対称に折り返した
特性、つまり図９（Ａ）となる。

【００６１】これらの特性から分かるように、従来型の
スイッチ素子では、オフ状態での波長依存性がかなり強
いのに対し、本発明で用いるスイッチ素子では、オフ状
態での波長依存性はほとんど無い。

【００６２】図１０は、４×４マトリックススイッチに
おいて、７個のスイッチ素子を通過する経路での光クロ
ストーク（メインの信号光に対する他の３つの入射ポー
トからの漏れ光の総和量）の計算結果であり、上述した
スイッチ素子の波長依存性から求めたものである。従来
型が波長依存性の強いオフ状態のスイッチ素子を６個通
過するのに対し、本発明では、波長依存性が強いのはオ
ン状態の素子１個だけであるため、波長依存性が小さく
なっている。

【００６３】例えば、１５ｄＢ以上のクロストークが得
られる波長範囲は、従来のマトリックス光スイッチが５
０ｎｍであるのに対し、本実施例では１７０ｎｍにまで
拡大している。

【００６４】本発明のマトリックス光スイッチの波長依
存性が小さいことは、本発明のマトリックス光スイッチ
が製造誤差に強いことも密接に関係している。

【００６５】次に、この実施例のより具体的な製作手順
について説明する。

【００６６】この実施例の（４×４）マトリックス光ス
イッチは厚さ１ｍｍ，直径６インチのシリコン基板１１
上に作製した。

【００６７】図１１（Ａ）〜（Ｆ）は、シリコン基板上
に図３（Ｂ）や図３（Ｃ）に示した断面構造を有する石
英系ガラス単一モード光導波路をもつ光スイッチ要素を
図２（Ａ）に示したレイアウトで計１６個一括形成する
工程を説明する図である。

【００６８】まず、シリコン基板１１上に、四塩化シリ
コン（ＳｉＣｌ₄）を主成分とし、三塩化ボロン（ＢＣ
ｌ₃ ），三塩化リン（ＰＣｌ₃ ）を僅かに含む混合ガス
を原料とする火炎加水分解反応で、石英（ＳｉＯ₂ ）を
主成分とする下部クラッド用ガラス微粒子層１２ａを堆
積し、続いて適量の四塩化ゲルマニュウム（ＧｅＣｌ
₄ ）ガス等を追加した混合ガスに切り替えてＳｉＯ₂ −
ＧｅＯ₂ を主成分とするコア用ガラス微粒子層１３ａを
堆積する（図１１（Ａ））。続いて、２層のガラス微粒
子層１２ａ，１３ａを堆積させたシリコン基板１１を電
気炉中で１３５０℃程度の高温に加熱してガラス微粒子
を透明ガラス化し、下部クラッド層１２とコア層１３を
形成する（図１１（Ｂ））。続いて、フォトリソグラフ
ィ工程と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア
層１３のうち不要な部分を除去して、コア部３１および
３２を形成する（図１１（Ｃ））。次に、再びＳｉＣｌ
₄ −ＢＣｌ₃ −ＰＣｌ₃ 混合ガスを原料とする火炎加水
分解反応を利用してコア部３１および３２を埋め込むよ
うに上部クラッド用ガラス微粒子層１４ａを堆積する
（図１１（Ｄ））。続いて、再度、基板１１を電気炉中
で加熱して、上部クラッド用ガラス微粒子層１４ａを透
明ガラス化して上部クラッド層１４として、所望の単一
モード光導波路が製造される（図１１（Ｅ））。さら
に、上記の工程でシリコン基板上に作製した光導波路上
の各光スイッチ要素の所定部分に、光位相シフタとして
の薄膜ヒータ３４ａを設置する（図１１（Ｆ））。

【００６９】作製した光導波路のコア寸法は６μｍ×６
μｍであり、クラッド層１２および１４との比屈折率差
Δは０．７５％とした。本実施例の（４×４）マトリッ
クス光スイッチは、この石英系ガラス光導波路を２５０
μｍピッチに８本並設した構造を基本としている。光ス
イッチ要素は、直線光導波路と曲がり半径４ｍｍ前後の
曲がり光導波路とを基本に構成した。

【００７０】図１２は、曲がり導波路の曲率半径を適正
に設定する設計指針を示す図であり、石英系ガラス単一
モード光導波路の９０度曲がり損失の曲率半径依存性を
プロット（実験値）したものである。この実施例で採用
したΔ＝０．７５％の光導波路では、許容最小曲率半径
は４ｍｍ程度であり、限られた面積の基板上にマトリッ
クス光スイッチ全体を収めるため、曲率半径は、用いた
光導波路の許容最小曲率半径に設定した。

【００７１】また、交差部の交差角度θは３０度とし
た。２個の方向性結合器の間の実効光路長差は、フォト
リソグラフィ工程により信号光波長１．３μｍの半分の
０．６５μｍに正確に設定した。石英系ガラスの屈折率
値が１．４５程度であることを勘案し、実際のマスクパ
ターン上の導波路長差は０．６５μｍ／１．４５＝０．
４５μｍに設定した。薄膜ヒータ３４ａは、金属クロム
を蒸着源とする真空蒸着法により、厚さ０．３μｍ，幅
５０μｍ，長さ４ｍｍに渡ってクロム薄膜を各々の光ス
イッチ要素上に蒸着することにより行った。２個の方向
性結合器３３ａ，３３ｂと薄膜ヒータ３４ａおよび交差
部３５を含む光スイッチ要素の全長は、約１５ｍｍとし
た。

【００７２】前記の工程を経てシリコンウエハ上に作製
されたマトリックス光スイッチを、１０ｍｍ×１１０ｍ
ｍの長方形状にダイシングソーにより切り出し、シリコ
ン基板下部には放熱板を設け、また、入出力光導波路に
は光ファイバアレイを接続し、薄膜ヒータ３４ａには給
電リードを接続することにより、目的とするマトリック
ス光スイッチが完成した。給電すべき薄膜ヒータを適宜
選択することにより、（４×４）スイッチ動作が確認さ
れた。スイッチ動作に必要な各薄膜ヒータ３４ａの消費
電力は、０．５ワット程度であった。同時に動作する薄
膜ヒータの数は最大４個であるので、全消費電力は最大
２ワット程度であった。マトリックス光スイッチとして
の損失値は、光ファイバ接続損失を含めて３〜４ｄＢで
あり、またマトリックス光スイッチ全体としての消光比
は、製造誤差により方向性結合器の結合率が５０％±１
０％程度と大きくずれても、２０ｄＢ程度より優れてい
た。

【００７３】実施例２ 図１３は、本発明のマトリックス光スイッチの第２実施
例としての（８×８）マトリックス光スイッチの全体配
置図である。１１はシリコン（Ｓｉ）基板、２１ａ−２
１ｂは８＋８＝１６本の石英系ガラス光導波路からなる
導波路束である。導波路束２１ａ−２１ｂの途上には、
１５箇所の光スイッチ群（＃１，＃２，…，＃１５）が
配置されている。これらのスイッチ群は、順次、１個，
２個，…，７個，８個，７個，…，２個，１個、の光ス
イッチ要素を含んでいる。この配置図で特徴的なこと
は、光スイッチ群＃２と＃３の間、＃４と＃５の間、＃
６と＃７の間、＃７と＃８の間、＃８と＃９の間、＃９
と＃１０の間、＃１１と＃１２の間、＃１３と＃１４の
間が、それぞれ、９０度ないし１８０度曲がりを有する
導波路束２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２
２ｆ，２２ｇ，２２ｈで連結されている点である。換言
すれば、曲がり導波路束を適宜用いて１５個の光スイッ
チ群が限られた基板サイズ上につづら折りに配置されて
いることが特徴的である。

【００７４】図１４は、図１３の光スイッチ群（＃１，
＃２，…，＃１５）の配置説明図であり、導波路束２１
ａ−２１ｂの途上にどのように光スイッチ要素が配置さ
れているかを示したものである。これらのスイッチ群
は、順次、１個，２個，…，７個，８個，７個，…，２
個，１個、の光スイッチ要素（図１４において楕円印で
象徴）を含んでいる。光スイッチ群＃１の左端は、８本
の入力光導波路１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，
１ｇ，１ｈを含む導波路束２１ａ−２１ｂの入口に連な
っている。光スイッチ群＃１と＃２との間は直結されて
いる、光スイッチ群＃２と＃３との間は曲がり導波路束
２２ａで連結されている、等々であり、最後に光スイッ
チ群＃１５の右端は８本の出力光導波路２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈを含む導波路束２１
ａ−２１ｂの出口に導かれているのである。

【００７５】図１５は、図１３，図１４のマトリックス
光スイッチを構成する光スイッチ要素の平面図であり、
シリコン基板上の石英系ガラス光導波路３１ａ−３１ｂ
と３２ａ−３２ｂとは互いに２箇所で間隔数μｍにまで
近接し、２個の方向性結合器３３ａ，３３ｂを構成して
いる。この実施例では、交差部３５が２個の方向性結合
器３３ａ，３３ｂの間に設けられている。方向性結合器
３３ａ，３３ｂの結合率は、結合部の導波路間隔や長さ
の調節により５０％を目標に設定されている。２個の方
向性結合器３３ａ，３３ｂの間における光導波路３１ａ
−３１ｂ，３２ａ−３２ｂの実効光路長差は、光導波路
３２ａ−３２ｂ側が光導波路３１ａ−３１ｂに比べて信
号光の波長（ここでは１．３μｍ）の２分の１、すなわ
ち０．６５μｍ程度長くなるように設定されており、光
導波路３１ａ−３１ｂおよび３２ａ−３２ｂに対応する
部分のクラッド層上部には、光位相シフタとしての薄膜
ヒータ３４ａと３４ｂが設置されている。光導波路３１
ａ−３１ｂと３２ａ−３２ｂとは、交差部３５において
クロストークを無視できる角度θ（ここでは３０度）で
交差している。図１５に示した光スイッチ要素の長さ
は、約１２ｍｍとした。この実施例の光スイッチ要素で
は、交差部３５を方向性結合器３３ａ，３３ｂの間に設
けているので、２本の光導波路３１ａ−３１ｂおよび３
２ａ−３２ｂの間隔が大きく離れる箇所を１箇所にまと
めることができる。このため、光スイッチ要素長を第１
実施例の場合（１５ｍｍ）に比べてやや短くできる利点
がある。

【００７６】シリコンウエハ上に作製された（８×８）
マトリックス光スイッチは５５ｍｍ×５５ｍｍの四角状
にダイシングソーにより切り出し、シリコン基板下部に
は放熱板を設け、また、入出力光導波路には光ファイバ
アレイを接続し、薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂには給電リ
ードを接続することにより、目的とするマトリックス光
スイッチが完成した。給電すべき薄膜ヒータを適宜選択
することにより、（８×８）スイッチ動作が確認され
た。スイッチ動作に必要な各薄膜ヒータの消費電力は
０．５ワット程度であった。同時に動作する薄膜ヒータ
の数は最大８個であるので、全消費電力は最大４ワット
程度であった。マトリックス光スイッチとしての損失値
は、光ファイバ接続損失を含めて５〜７ｄＢであり、ま
たマトリックス光スイッチ全体としての消光比は製造誤
差により方向性結合器の結合率が５０％±１０％程度と
大きくずれても、１５〜２０ｄＢ程度以上と良好であっ
た。

【００７７】ところで、本実施例での光スイッチ要素
（図１５）には、２個の薄膜ヒータ３４ａと３４ｂが設
けられている。通常は短い光路長をもつ側に設けられた
薄膜ヒータ３４ａのみで足りるが、対の薄膜ヒータを保
有していると、万が一、光路長差が製造上の事故でずれ
ても薄膜ヒータのいずれか一方に軽く通電することによ
り補償できるメリットがある。

【００７８】さて、第２実施例のマトリックス光スイッ
チの配置では、入力光導波路１ｈから入力した信号光を
出力光導波路２ｈから取り出す場合には、信号光は光ス
イッチ要素を１回しか通過しないのに対し、入力光導波
路１ａから入力した信号光を出力光導波路２ａから取り
出す場合には１５回も光スイッチ要素を通過することに
なり、各光スイッチ要素が一定の通過損失を発生する場
合には、出力信号光レベルが経路によって変動すること
により、場合によっては不都合が発生する。このような
場合には、下記実施例の改善策をとることができる。

【００７９】実施例３ 図１６は、本発明の第３の実施例で採用した光スイッチ
群の構成図である。第３実施例には、図１３，図１４で
説明した第２実施例と基本構造は同一であるが、光スイ
ッチ群に光スイッチ要素Ｓに加えてダミー光スイッチ要
素Ｓ_D を配置している点が異なっている。ダミー光スイ
ッチ要素Ｓ_D としては、図１５の光スイッチ要素から薄
膜ヒータ３４ａおよび３４ｂを省略したもので、２つの
方向性結合器の結合率が同一である（０％も含む）もの
が用いられる。このようなダミー光スイッチ要素Ｓ_D を
加えると、マトリックス光スイッチの経路差に起因する
光出力レベルの変動が緩和され、マトリックス光スイッ
チ全体としての損失値は、６．５〜７ｄＢであり、消光
比は、製造誤差により方向性結合器の結合率が５０％±
１０％程度ずれても、２０ｄＢ以上が達成された。

【００８０】以上の実施例では、２本の導波路の交差角
θを３０度としたが、次にこの交差角θの設定につい
て、光クロストークと交差損失の観点から考察する。

【００８１】図１７は、１個の交差部において、交差し
ている相手側の光導波路へ信号光が漏れ込む量、いわゆ
る光クロストークの交差角依存性を説明する図である。
ここで用いた光導波路は、前記実施例と同じく、コア・
クラッド比屈折率差Δは０．７５％、コア寸法は６μｍ
×６μｍである。交差角が大きくなるに従って光クロス
トークは減少している。本発明では、光スイッチ要素内
で２本の光導波路は光クロストークを無視できる角度で
交差する必要があるが、この適正角度は、導波路間の交
差による光クロストークが−３０ｄＢ以下になる角度と
見なしてよい。用いる光導波路のコア・クラッド間比屈
折率差によっても左右されるが、交差角が１５度程度以
上であれば、２本の光導波路間の光クロストークは、光
の直進性に助けられ、実用上無視できる。上記実施例で
採用した３０度の交差角では光クロストークは−６０ｄ
Ｂ程度と小さい。

【００８２】図１８は交差損失の交差角度依存性を説明
する図である。用いた光導波路は、ここでも、コア・ク
ラッド比屈折率差Δは０．７５％、コア寸法は６μｍ×
６μｍである。交差損失は交差角が大きくなるに従って
小さくなり、交差１段当たりの交差損失は、光クロスト
ークが無視できる交差角１５度程度以上であれば０．２
ｄＢ以下が実現できる。前記実施例で採用した交差角３
０度の場合では０．０６ｄＢと微小であり、（８×８）
マトリックス光スイッチ全体においても損失の増加量は
１ｄＢ以下と小さい。

【００８３】前記２つの結果から解るように、一般に交
差部の損失と光クロストークは、交差角が９０度に近づ
くほど改善される。従って、交差角は１５度以上で、で
きるだけ９０度に近いことが特性的には望ましい。しか
し、交差角を大きくとると曲線部の占有面積が増え光ス
イッチ要素のサイズが大きくなる傾向にあるので、マト
リックス光スイッチ所要性能や光導波路の許容曲げ半径
等を勘案して決定することになる。

【００８４】次に、交差部分の光導波路形状について考
察する。

【００８５】図１９（Ａ）〜（Ｅ）は交差部の形状を説
明する図である。上記実施例では、光導波路の幅が回路
全体で一様としていたが（図１９（Ａ））、交差部にお
ける交差損失を低減するためには、交差部の形状を変え
ることも有効である。

【００８６】その一つは、図１９（Ｂ）および（Ｃ）の
ように、交差部の前後で、交差部以外の部分を構成して
いる通常幅の光導波路４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ
を、テーパー形状を持つ導波路幅変換用テーパー状光導
波路４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂに接続して光導波
路幅を変換し、交差損失が小さくなるような幅を持つ光
導波路４５，４６とし、それらを交差させるという方法
である。コア・クラッド比屈折率差Δ＝０．７５％、光
導波路幅および厚さ６μｍという通常用いられる光導波
路同士では、光導波路の交差角度３０度の場合、交差損
失は０．０６ｄＢであるのに対し、交差部の光導波路幅
を４μｍおよび１０μｍとした場合、交差損失は０．０
５ｄＢに改善しており、光導波路幅を最適にすることで
交差損失を低減できることがわかる。ただし、交差部の
前後に配置された導波路幅変換用テーパー状光導波路４
３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂのテーパー形状は、放射
損失等が生じない程度にゆるやかにする必要があること
は言うまでもない。

【００８７】また、もう一つの方法は、図１９（Ｄ）お
よび（Ｅ）にあるように、交差部まで光導波路幅が減
少、もしくは増加しているテーパー状光導波路４７ａ−
４７ｂ，４８ａ−４８ｂ同士を交差させる場合である。
前記の例と同様に、コア・クラッド比屈折率差Δ＝０．
７５％、交差角３０°、光導波路幅および厚さ６μｍの
場合、交差損失が０．０６ｄＢであるのに対し、例え
ば、図１９（Ｄ）に示した交差で、テーパー長が５０μ
ｍ、光導波路幅が６μｍから５μｍへと交差部分まで細
くなったもの同士の交差では、交差損失は０．０３ｄＢ
まで減少しており、この方法が交差損失の低減に有効で
あることがわかる。

【００８８】以上の実施例では、光導波路は全て滑らか
につながっていた。しかし、光導波路が持つ固有電界分
布を考えると、直線光導波路と曲線光導波路、また曲線
光導波路同士でも曲率半径の異なるもの等では、その形
状も電界分布の中心位置もそれぞれ異なっている。従っ
て、形状の異なる光導波路同士を導波路中心を合わせて
つないだ場合、光導波路の持つ固有電界分布の不一致か
ら、放射損失が生じる上、方向性結合器やマッハツェン
ダ光干渉計の特性を不安定とする光の蛇行現象が発生す
る。そこで、直線光導波路と曲線光導波路、曲線光導波
路同士で曲率半径の異なるものや曲がり方向が異なるも
の等の接続部では、「オフセット」と呼ばれる、光導波
路の中心軸同士を軸折れが無い状態でずらしてつなぎ、
つなぎ合わされた２つの光導波路の固有な光の電界分布
を、つなぎ部分で極力一致させる方法が、損失の低減や
蛇行現象の抑制のために有効であることも付記する。

【００８９】図２０にその一例として、オフセット構造
部を持つ方向性結合器の構成を示す。ここにあるよう
に、直線と曲線のつなぎ部分５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，
５３ｄ，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄおよび曲線同
士で曲がり方向が異なる部分５３ｅ，５３ｆ，５４ｅ，
５４ｆで、オフセット構造が適用される。オフセットの
量は、コア・クラッド比屈折率差や光導波路形状、そし
て信号光波長によっても異なるが、一般的にはサブミク
ロン程度である。

【００９０】以上の実施例では、光位相シフタ（薄膜ヒ
ータ）を１／２波長短い方の導波路に設けて、１／２光
路長差を打ち消すように位相制御して、スイッチ要素を
オン状態に切り替えたが、場合によっては、逆に、光路
長差を１波長分増加させることによって、オン状態とす
ることも可能であることを付記する。ただしこの場合に
は、オン状態の波長依存性はより強くなる短所を伴う。

【００９１】また、前記実施例では信号光波長が１．３
μｍの場合を扱ったが、本発明の構成は、他波長、例え
ば１．５５μｍ波長等にも適用できることはもちろんで
ある。

【００９２】以上、本発明のマトリックス光スイッチが
方向性結合器の製造誤差に対して強いことを説明してき
たが、その副次効果として、方向性結合器の偏波依存性
に対しても強いことも指摘しておきたい。

【００９３】また前記の実施例では、シリコン基板上の
石英系ガラス光導波路を基本とするマトリックス光スイ
ッチについて構成、作用等を説明したが、マッハツェン
ダ光干渉計回路型の光スイッチ要素を構成し得る他の材
料、例えば、プラスチック光導波路やイオン拡散型ガラ
ス光導波路、さらには電気光学効果を用いた光位相シフ
タを設置したニオブ酸リチウム系光導波路等にも、本発
明を適用できることを付記する。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の導波路型
マトリックス光スイッチは、オフ状態で２分の１波長相
当の光路長差を有するマッハツェンダ光干渉計回路構造
を光スイッチ要素として採用し、しかも光スイッチ要素
内で光導波路の交差部を含んでいる。したがって２個の
方向性結合器の結合率が等しければ、その値が５０％か
らずれても、オフ状態ではバー経路への光漏話は発生し
ない。５０％からずれた場合には、オン状態ですべての
信号光をバー経路に切り替えることができず、クロス経
路に信号光が僅かに残留する。しかしながら、この残留
光は出力側導波路束内の不用の導波路端へと導かれるの
で、マトリックス光スイッチとしての消光比劣化には結
びつかない。また、２個の方向性結合器を連結する途上
に交差部を設けることにより、２本の光導波路の間隔を
大きくとらなければならない箇所を１箇所にまとめるこ
とができるため、光スイッチ要素の占有長さを最小にで
きる。よって、多数個の光スイッチ要素を基板上に集積
したマトリックス光スイッチのサイズを小さくすること
ができる。さらに、本発明の導波路型マトリックス光ス
イッチでは、スイッチ要素内の方向成結合器２個の結合
率が同一でさえあれば、５０％からずれたとしても、オ
フ状態において信号光はスイッチ要素を１００％クロス
経路で通過することになる。したがって方向性結合器の
製作精度が大幅に緩和され、消光比の優れたマトリック
ス光スイッチを容易に提供することができる。また、前
記光スイッチ要素からなる本発明マトリックス光スイッ
チでは、信号光波長の設定精度も緩和され、波長精度の
低い安価な信号光源を導入することもできる利点もあ
る。このようなマトリックス光スイッチは、複数の信号
光が行き交う光ファイバ通信網の構築などに多大の貢献
をなすと期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の導波路型マトリックス光スイッチの構成
を示す概念図である。

【図２】（Ａ）は（４×４）導波路型マトリックス光ス
イッチの構成例を示す全体平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示
す光スイッチ要素の拡大平面図である。

【図３】（Ａ）は本発明による導波路型マトリックス光
スイッチの第１実施例としての（４×４）マトリックス
光スイッチを構成する光スイッチ要素の構成を示す平面
図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ′における拡大断面図、
（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ′における拡大断面図である。

【図４】従来のマッハツェンダ光干渉計回路型の光スイ
ッチ要素の各箇所における電界の状態を示す概念図であ
る。

【図５】本発明によるマッハツェンダ光干渉計回路型の
光スイッチ要素の各箇所における電界の状態を示す概念
図である。

【図６】本発明によるマッハツェンダ光干渉計回路型の
光スイッチ要素の各パラメータを示す概念図である。

【図７】本発明の第１実施例および従来型の（４×４）
マトリックス光スイッチの方向性結合器の結合率に対す
る光漏話により生ずる過剰損失特性の説明図である。

【図８】（Ａ），（Ｂ）は、本発明によるマッハツェン
ダ光干渉計回路型の光スイッチ要素と、従来のマッハツ
ェンダ光干渉計回路型の光スイッチ要素のオン、オフ状
態を示す概念図である。

【図９】（Ａ）は本発明の第１実施例に対応する光スイ
ッチ要素の波長特性の説明図、（Ｂ）は従来の光スイッ
チ要素の波長特性の説明図である。

【図１０】本発明の第１実施例および従来型の（４×
４）マトリックス光スイッチの光クロストークの波長特
性の説明図である。

【図１１】（Ａ）〜（Ｆ）は本発明で用いた石英系ガラ
ス導波路によって構成されるマトリックス光スイッチの
作成工程の説明図である。

【図１２】本発明で用いた石英系単一モード光導波路の
曲がり損失特性の説明図である。

【図１３】本発明の導波路型マトリックス光スイッチの
第２実施例としての（８×８）マトリックス光スイッチ
の全体配置図である。

【図１４】図１３に示すマトリックス光スイッチにおけ
る各光スイッチ群の構成を示す図である。

【図１５】図１３に示すマトリックス光スイッチを構成
する光スイッチ要素の構成を示す平面図である。

【図１６】本発明の第３実施例における光スイッチ群の
構成を示す図である。

【図１７】本発明によるマッハツェンダ光干渉計回路型
の光スイッチ要素の交差部１段における光クロストーク
の交差角度依存性の説明図である。

【図１８】本発明によるマッハツェンダ光干渉計回路型
の光スイッチ要素の交差部１段における交差損失の交差
角度依存性の説明図である。

【図１９】（Ａ）〜（Ｅ）は交差損失を低減させること
を目的とした交差部分の形状例の説明図である。

【図２０】本発明によるマッハツェンダ光干渉計回路型
の光スイッチ要素のオフセットを説明するための方向性
結合器の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ 入
力光導波路 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ 出
力光導波路 ３ シリコン基板 ４ａ−４ｂ 光導波路束 １１ シリコン基板 ２１ａ−２１ｂ 光導波路束 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，２
２ｇ，２２ｈ ９０度 ないし１８０度曲がり導波路束 ３１，３１ａ−３１ｂ，６１ａ−６１ｂ 光導波路 ３２，３２ａ−３２ｂ，６２ａ−６２ｂ 光導波路 ３３ａ，３３ｂ，６３ａ，６３ｂ 方向性結合器 ３４ａ，３４ｂ，６４ａ，６４ｂ 薄膜ヒータ（光位相
シフタ） ３５ 交差部 ４１，４２，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ 通常幅
の導波路 ４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ 交差部前後のテーパ
形状の導波路 ４５，４６ 交差部を形成する特殊幅の導波路 ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ 交差部を形成するテ
ーパ形状の導波路 ５１ａ−５１ｂ，５２ａ−５２ｂ 光導波路 ５３ａ，５３ｂ 方向性結合器 ５４ａ，５４ｂ 薄膜ヒータ（光位相シフタ） ＃１，＃２，…，＃１５ 光スイッチ群 Ｓ 光スイッチ要素 Ｓ_D ダミー光スイッチ要素 Ｓ００，…，Ｓ３３ 光スイッチ要素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河内 正夫 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の入力端と、複数の出力端とを備
   え、入力された信号光を切り替え出力する導波路型マト
   リックス光スイッチにおいて、 前記入力端にそれぞれ接続された複数の入力光導波路
   と、 前記出力端にそれぞれ接続された複数の出力光導波路
   と、 前記入力光導波路と前記出力導波路との各交点位置に配
   置された複数の光スイッチ要素とを具備し、 前記各光スイッチ要素は、 基板上で２本の光導波路を２箇所で互いに近接させ、該
   ２箇所の間の前記２本の光導波路が前記信号光の半波長
   分の実効光路長差を有するように構成された結合率の等
   しい２個の方向性結合器と、 該２個の方向性結合器間の前記２本の光導波路の少なく
   とも一方に配設され、前記実効光路長差を前記信号光の
   波長の整数倍に切り替える光路長差切り替え手段と、 前記２本の光導波路を交差させた交差部とを具備するこ
   とを特徴とする導波路型マトリックス光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記光路長差切り替え手段は、光位相シ
   フタであることを特徴とする請求項１記載の導波路型マ
   トリックス光スイッチ。
3. 【請求項３】 前記光位相シフタは、薄膜ヒータからな
   る熱光学効果位相シフタであることを特徴とする請求項
   ２記載の導波路型マトリックス光スイッチ。
4. 【請求項４】 前記光路長差切り替え手段は、前記２個
   の方向性結合器の間において前記２本の導波路にそれぞ
   れ設けられていることを特徴とする請求項１記載の導波
   路型マトリックス光スイッチ。
5. 【請求項５】 前記交差部は、前記２個の方向性結合器
   の間に配設されたことを特徴とする請求項１記載の導波
   路型マトリックス光スイッチ。
6. 【請求項６】 前記交差部において、前記２本の光導波
   路は、１５°以上の交差角をもって交差していることを
   特徴とする請求項１記載の導波路型マトリックス光スイ
   ッチ。
7. 【請求項７】 前記光スイッチ要素は、つづら折り状に
   曲折する導波路束によって接続されたことを特徴とする
   請求項１記載の導波路型マトリックス光スイッチ。
8. 【請求項８】 前記光スイッチ要素を接続する導波路途
   上おいて、前記光スイッチ要素に対応する位置に、ダミ
   ースイッチを設けたことを特徴とする請求項１記載の導
   波路型マトリックス光スイッチ。
9. 【請求項９】 前記ダミースイッチは、基板上で２本の
   光導波路を２箇所で互いに近接させ、該２箇所の間の前
   記２本の光導波路が前記信号光の半波長分の実効光路長
   差を有するように構成された結合率の等しい２個の方向
   性結合器と、前記２本の光導波路を交差させた交差部と
   を具備することを特徴とする請求項８記載の導波路型マ
   トリックス光スイッチ。
10. 【請求項１０】 前記導波路が直線から曲線に移行する
    部分、および曲線部で曲率半径が変化する部分、あるい
    は曲線部の方向が変化する部分で、導波路中心をオフセ
    ットさせて接続したことを特徴とする請求項７記載の導
    波路型マトリックス光スイッチ。