JPH0784226A

JPH0784226A - ポリマー熱光学デバイス

Info

Publication number: JPH0784226A
Application number: JP6222516A
Authority: JP
Inventors: Arjen Franciscus Bakker; フランシスカスバッカーアージェン; Winfried Henri Gerar Horsthuis; ヘンリージェラルドホルストフイスウインフリード; Hermanus Marcellinus Koerkamp; マルセリナスマリアクレインケルカンプヘルマナス
Original assignee: Akzo Nobel NV
Current assignee: Akzo Nobel NV
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1995-03-31
Also published as: CN1115865A; AU7141794A; CA2130605A1; KR950007186A

Abstract

(57)【要約】【目的】スイッチング電力及び応答時間を更に減少し
た商業的に使用し得る熱光学デバイスを提供する。【構成】ポリマー光学導波体及び加熱要素（６）を含
み、該ポリマー導波体がガイディング層より低い屈折率
の二つのクラッディング層（３，５）の間に挟まれたポ
リマーのガイディング層（４）を含む積層構造を持つポ
リマー熱光学デバイス（１）において、加熱要素（６）
に隣接するクラッディング層（５）が、他のクラッディ
ング層（３）より低い屈折率を持つことを特徴とするポ
リマー熱光学デバイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポリマー光学導波体及
び加熱要素を含むポリマー熱光学デバイスに関し、ここ
でポリマー導波体は、ガイディング層(guiding layer)
の屈折率より低い屈折率を持つ二つの層［クラッディン
グ層(cladding layer)］間に挟まれたポリマーのガイデ
ィング層［コア層(core layer)］を含む積層構造を持
つ。

【０００２】

【従来の技術】熱光学デバイスは、例えば「ディーミア
ー(Diemeer) ら著、ジャーナルオブライトウエーブ
テクノロジー(Journal of Lightwave Technology) 、第
７巻、第３号、第４４９〜４５３頁、１９８９年」から
公知である。一般に、これらの研究は、温度依存性屈折
率（分極独立性熱光学効果）を示す、用いた光学導波体
物質の現象に基づいている。そのようなデバイスは、な
かんずく、無機物質例えばイオン交換されたガラス及び
チタン添加したリチウムニオベートにおいて実現され
た。また、熱光学デバイスのための全てポリマーの導波
体の使用が開示されており、ディーミアーらにより述べ
られたその利点は、温度の適度な増加が屈折率の大きな
変化をもたらし得るということである。ディーミアーに
より述べられたデバイスは、全てポリマーの平面スイッ
チである。スイッチングは、熱的に誘導されたインデッ
クスバリアーからの全内部反射を利用することにより達
成される。デバイスは、基板（ＰＭＭＡ）、ガイディン
グ層（ポリウレタンワニス）、及びバッファー層（ＰＭ
ＭＡ）を含み、ここで加熱要素は機械的マスクを通して
バッファー層上に蒸着された銀のストリップヒーターで
ある。示された典型的なスイッチング速度は、偏向状態
（オンの状態）から透過状態（オフの状態）までの変化
のために１２ミリ秒(ms)であり、そして透過から偏向ま
での変化のために６０ミリ秒である。

【０００３】また熱光学スイッチングデバイスは、「モ
ールマン(Mohlmann)ら著、エスピーアイイー第１５６
０巻ノンリニアーオプティカルプロパティーズ
オブオーガニックマテリアルズ IV(SPIE Vol.1560 N
onlinear Optical Properties of Organic Materials I
V)、第４２６〜４３３頁、１９９１年」に開示されてい
る。ポリマー中で導波体チャンネルが照射により作り出
され得るポリマーが使用される。開示されたデバイス
は、非対称のＹ接続を含む分極／波長に無感応のポリマ
ースイッチである。スイッチング特性は、そのような非
対称のＹ接続において、モード展開における変化を引き
起こす熱誘導された屈折率変調に基づく。デバイスはガ
ラス基板、及びＮＬＯポリマーを含むポリマーの多層を
含む。多層構造は、詳細には示されていない。開示され
たスイッチング時間はミリ秒のオーダーである。開示
は、比較的ゆっくりとしたスイッチングが許容される回
路網のそれらの位置において魅力的であるデバイスに言
及している。他の開示された熱光学デバイスは、熱光学
的にバイアスされた電気光学マッハツェンダー(MachZeh
nder)干渉計である。

【０００４】ポリマー光学導波体フィルム中での局所的
屈折率変化により生じた光ビーム偏向は、「山田及び黒
川著、ジャパニーズジャーナルオブアプライド
フィジックス(Japanese Journal of Applied Physics)
、第２１巻、第１２号、第１７４６〜１７４９頁、１
９８２年」に開示された。誘電損加熱により温度を上げ
るためにポリマー導波体フィルムに無線周波数(RF)電圧
を加えることが開示されている。この加熱により生じた
局所的屈折率変化は、入射光ビームがフィルム面で偏向
されることをもたらす。開示された典型的な偏向速度は
１５０〜２００ミリ秒である。

【０００５】「エレクトロニックレターズ(Electroni
c Letters)、第２４巻、第８号、第４５７〜４５８頁、
１９８８年」中に、光ファイバーが、結合領域の上に備
えられたシリコーン樹脂のクラッデッイング物質を持つ
単一モードのヒューズされた(fused) 結合器を使用する
ことにより結合されている光学スイッチが開示されてい
る。スイッチングは、シリコーンクラッデッイングの熱
的に誘導された屈折率変化により達成される。開示され
た典型的なスイッチング時間は、オンの状態に達するた
めに５ミリ秒であり、そしてオフの状態に達するために
８０ミリ秒である。

【０００６】米国特許第４，７５３，５０５号明細書中
に、温度依存性屈折率を持つ物質がポリマー又はガラス
である積層導波体を含む熱光学スイッチが開示されてい
る。導波体は、コア層の屈折率より低い屈折率を持つ二
つのクラッディング層の間に挟まれたコア層の慣用の構
造を持つ。

【０００７】製造プロセスの間の構造パラメーターの変
動の理由から方向性結合器中に生ずる波長シフトを修正
するために熱光学効果を採用することは欧州特許第３０
６，９５６号公報から公知である。この目的で、コア導
波体及びクラッディングが低屈折率層の上に連続的に積
み重ねられている積層導波体構造が提供され、ここでク
ラッディングは薄いフィルム状加熱器を備えている。

【０００８】ハイブリッド積層導波体構造は、「ロンデ
エレクトリック(L'Onde Electrique) 、第７１巻、第
４号、第８７頁、１９９１年７月」から公知である。導
波体は、電気光学変調のために使用され、そして三つの
側においてポリマークラッディング（純粋のＰＭＭＡ）
により囲まれ、かつその中において、より低部のクラッ
ディング層はガラス上のシリコーンであるところのポリ
マーのコア（ドープされたＰＭＭＡ）を含む。コア層が
低屈折率を持つリボンとして導波体チャンネルを備えら
れている慣用の対称の積層導波体構造は、欧州特許第４
４２，７７９号公報から公知である。重なる層が基板、
低屈折率層及びクラッディング層である積層導波体構造
は、欧州特許第２８１，８００号公報から公知である。
クラッディング層中に、周囲の物質より高い屈折率を持
つコア（チャンネル）が備えられている。

【０００９】開示されたポリマー熱光学デバイスは、熱
光学効果が例えばスイッチングを達成するために採用さ
れ得ることを十分に確立するとはいえ、公知のデバイス
は実用のためにはあまりにゆっくり過ぎる。特に、商業
的に実行し得る熱光学デバイスが得られるべきであるな
ら、スイッチング電力及び応答時間を更に減少する必要
性がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、スイッチン
グ電力及び応答時間を更に減少した商業的に使用し得る
熱光学デバイスを提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的で、本発明は、
「産業上の利用分野」に記載したタイプのポリマー熱光
学デバイスにおいて、加熱要素に隣接するクラッディン
グ層が、他のクラッディング層より低い屈折率を持つこ
とより成る。

【００１２】本発明に従うデバイスは、例えば以下に示
すように作られ得る。ポリマー導波体の下部に支持物例
えばガラス又はシリコン基板がある。基板上に、下記の
連続層が確認され得る。即ち、ガラスであることができ
るが、好ましくはポリマーである低部クラッディング
層、ポリマーのコア層（ガイディング層）、及び好まし
くはまたポリマーであるが他の物質例えばガラスで作ら
れ得る上部クラッディング層である。ポリマーのコア層
は事実上の導波体層であり、二つのクラッディング層は
コア層の屈折率より低い屈折率を持っている。上部クラ
ッディングの上に加熱要素が据えられている。今本発明
に従う構造は、例えば上部クラッディングが低部クラッ
ディングより低い屈折率を持つことである。コアと上部
クラッディングとの間の高められた屈折率（ＲＩ）コン
トラストによって、上部クラッディングは通常より薄く
作られることができ、そして積層導波体の全体の厚みは
更にさえ減少され得る。このことはいくつかの利点を有
する。例えば、加熱要素により誘導される温度上昇に対
する熱光学デバイスの応答時間は、対称的熱光学デバイ
スの応答時間より短い。加熱要素とコア層の間のより短
い距離によって、コア層はより高い温度を受け、そして
所望の屈折率変化がより早い速度で生ずるであろう。ま
た、より薄い全体構造の減じられた熱容量がより早い冷
却と加熱の速度をもたらす。それだから本発明はコアの
屈折率のより早い変化を可能にする。加熱要素とコアの
間のより短い距離に関係付けられる更なる利点は、加熱
される区域の位置のより良い制御が達成されることであ
る（加熱されるべきではない区域への熱の散逸は実質的
に減少されることができ、それは熱光学デバイスの機能
の直接的改善を意味する）。

【００１３】全てポリマーの導波体構造の特に好ましい
実施態様において、低部クラッディング層は二つの更な
る層から作られており、これらのうちの低部の層（即
ち、基板に隣接する層）は、他の層（即ち、コア層に隣
接する層）より低い屈折率を持つ薄層（例えば約３μ
ｍ）である。この追加の低屈折率層は、伝搬光が基板中
へ輻射することを妨げるという利点を持っている。従っ
て、実際の導波体構造は、基板から「光学的に絶縁」さ
れている。もし、基板がその屈折率のためよりむしろそ
の熱散逸特性のために選ばれたものであるなら、このこ
とは特に重要である。例えばシリコンは優れたヒートシ
ンクであるが、導波体を形成する層より高い屈折率を持
っている。シリコン基板中への伝搬光の輻射は妨げるこ
とができない。このことは光の損失をもたらし得るが、
とりわけそれは、どの部分の光が積層導波体を通って実
際に伝搬するかを正確に決定することを困難にする。追
加の低屈折率層は、全ての光が導波体を通って伝搬する
であろうという確実性を提供する。このことは、積層導
波体を設計することをかなり容易にする。熱プロフィー
ルに影響を及ぼさないために、追加の低屈折率層の存在
において、積層導波体の全体厚みが影響されないことは
好ましい。無機物質よりむしろポリマー状物質が選ばれ
ることによって、このことは簡単な方法で実現され得
る。

【００１４】本発明に従うデバイスは、種々の種類の光
通信回路網において有利に使用され得る。通常、熱光学
部品は、光学部品例えば光源（レーザーダイオード）又
は検出器と直接に結合されるか、あるいはそれらは入力
及び出力光ファイバー（通常はグラスファイバー）に結
合されるであろう。特に重要なことは、公知の標準単一
モードファイバー（ＳＳＭＦ）と効率的な結合を達成す
ることである。そのような効率的な結合を達成するため
に、種々の変形（例えば先細にすること）がファイバー
になされ得る。しかし、本発明に従うデバイスはそのよ
うな変形をやめることを可能にし、それはプロセスのは
るかに減じられた複雑さ、より低いコスト及びより高い
収量と同時に結合損を低く維持することをもたらす。こ
のことは、ファイバーを通って伝搬する光波のフィール
ドプロフィールに対してデバイスを通って伝搬する光波
のフィールドプロフィールをマッチさせるように、デバ
イスの積層構造、より詳しくは層幅と屈折率コントラス
トを所望の通りに作ることにより達成され得る。

【００１５】ＳＳＭＦが対称構造を持つことは注目され
るべきである。一般に、非対称のコア‐クラッディング
構造を持つ導波体への結合は、ファイバーチップ結合の
ために最適化される対称導波体への結合より高い結合損
をもたらすであろう。しかし、屈折率非対称は、光ファ
イバーへの効率的な結合のために要求されるモードマッ
チに大きく影響を及ぼすことなしに（上で略記したよう
に、熱光学機能化のために有利である）デバイスの全厚
みを減少することを可能にする。追加の結合損は、完全
には避けられないとはいえ、本発明のデバイスにおいて
無視し得る。

【００１６】クラッディング層及びコア層の屈折率は本
発明の重要な面を形成するけれども、これは主に、屈折
率の絶対値が導波体の種々の層間の屈折率コントラスト
を決定するからである。導波体及びそれにより連結され
た光ファイバーとの間の結合損は、伝搬する光波のフィ
ールドプロフィールに依存し、該プロフィールは屈折率
コントラストと層幅により決定される。フレネル(Fresn
el) 損は、屈折率の絶対値に殆ど直接的に関係してい
る。標準のファイバーが使用される時、それらの損は、
導波モードの実効屈折率（Ｎ_eff）が約１．６０未満な
ら無視され得る。技術上周知である術語である実効屈折
率は、なかんずく、導波体の形状及びコアとクラッディ
ングの屈折率に依存し、そして伝搬する波頭により経験
される時の屈折率を示す。

【００１７】使用される光学ポリマーの屈折率は通常、
１．４〜１．８、好ましくは１．４５〜１．６０の範囲
内であろう。二つのクラッディング層間の屈折率コント
ラストは種々であり得る。下限は主に、本発明の効果が
達成され得るかどうか、即ち必要とされるスイッチング
電力、又は応答時間、又はその両者において実質的減少
が達成されるかどうかにより決定される。上限は主に、
更なる減少が全体に亘って追加的な効果を有さない及び
／又は結合損があまりに大きくなる点により決定され
る。該屈折率コントラストは主として０．００５〜０．
０５のオーダーであろう。

【００１８】もし、低い光学的損を持つことが、減じら
れたスイッチング電力を持つことより極めて重大なら、
より少ない非対称、即ち二つのクラッディング層間の屈
折率コントラストが０．００５〜０．０１のオーダーで
ある導波体構造を提供することが好ましい。とりわけ、
これは、１＊２スイッチのための場合であってよく、こ
の場合にただ一つのスイッチングユニットのために電力
が必要とされ、そして入力及び出力ファイバーでの結合
損がスイッチの有効性に対してパーセントで大きな寄与
をなす。ｎ＊ｍスイッチ（ｎ及びｍは２以上の整数であ
り、該スイッチは単一の入力及び出力光ファイバーを持
つ１＊２及び／又は２＊２スイッチのカスケードを含
む）の場合において、結合損はより重要でない寄与をな
し、そして減じられたスイッチング電力は操作されるべ
きより多数のスイッチングユニットに鑑みてより重要で
ある。そのような場合において、加熱デバイスに隣接す
る可能な限り最も薄いクラッディング層を可能にするよ
うに、高い屈折率コントラスト、即ち０．０３〜０．０
５のオーダーを持つことが好ましい。しかし、殆どの場
合、低い光学的損及び減じられたスイッチング電力の最
適の組み合わせを持つことが所望されるであろう。この
目的で、もし上記の屈折率コントラストが０．０１〜
０．０３の範囲内であるなら最も好ましい。

【００１９】光学ポリマーは公知であり、そして当業者
は適切な屈折率を持つポリマーを選ぶこと、又は化学的
変性、例えば屈折率に影響を及ぼすモノマー単位を導入
することによってポリマーの屈折率を適合させることが
できる。全てのポリマーが熱光学効果を示すので、基本
的に、使用される波長のために十分な透過性を持つ任意
のポリマーは、導波体部品のコア中に採用され得る。ま
た、該透過性要求はクラッディングにも妥当する。特に
適当な光学ポリマーは、ポリアクリレート、ポリカーボ
ネート、ポリイミド、ポリ尿素を含む。

【００２０】本発明に従うデバイス中に含まれる積層ポ
リマー導波体の設計は通常、熱光学デバイスが光回路網
中に有するその機能に依存する。どのような設計が要求
されようとも、コア層がより低い屈折率を持つ二つの層
間に挟まれている積層（スラブ）導波体構造において、
横方向を規定された導波体チャンネルのパターン、即ち
より低い屈折率を持つ物質に垂直にかつ横に接するコア
層の部分を導入することが、通常要求されるであろう。
導波体は、種々の方法で導波体チャンネルのパターンを
備えられ得る。これを達成するための方法は技術上公知
である。例えば、スラブ導波体の一部を除くことによ
り、例えば湿式の化学的な又は乾式のエッチング技術に
よって、そのようなパターンを導入することができ、そ
してより低い屈折率を持つ物質を用いて、形成されたそ
の欠陥を満たすことができる。あるいは、例えば照射後
に現像され得る感光性物質が使用され得る。ネガ形フォ
トレジストの場合に、感光性物質は照射後に現像剤に抵
抗し、そして照射を受けなかった物質の部分が取り除か
れ得る。ポジ形フォトレジストを使用し、チャンネルを
形成するであろう導波体部分を覆う照射マスクによりチ
ャンネルを規定することが好ましい。次に、照射された
物質は、現像剤を使用することにより除かれ、その後よ
り低い屈折率の物質が施与される。

【００２１】しかし、取り除かれるべき物質なしに導波
体パターンを規定することを可能にするコア物質を使用
することがより強く好ましい。この性質の物質は存在
し、例えば熱、光、又はＵＶ照射を受けたとき異なる屈
折率を持つ物質に化学的又は物理的変換を受けるであろ
う物質である。この変換が屈折率に増加をもたらす場合
に、処理された物質は導波体チャンネルのためのコア物
質として採用されるであろう。これは、開口部が所望の
導波体パターンと同一であるマスクを用いることにより
達成され得る。屈折率の減少をもたらす処理の場合にお
いて、処理された物質はクラッディング物質として適し
ている。その場合に、上記のようなマスク即ち、所望の
導波体チャンネルを覆うものが使用される。特定の、そ
して好ましいコア物質のこのタイプの実施態様は、漂白
され得るポリマー、即ち物理的及び機械的特性が実質的
に影響を受けることなしに屈折率が可視光線又はＵＶで
の照射により低められるポリマーにより形成される。こ
の目的で、導波体チャンネルの所望のパターンを覆うマ
スクをスラブ導波体に備えること、及び（通常青色の）
光又はＵＶ照射によって周囲の物質の屈折率を低めるこ
とが好ましい。漂白可能なポリマーは、欧州特許第３５
８，４７６号公報に開示されている。

【００２２】結合された熱光学／電気光学デバイスを作
る可能性を有するために、コア中にＮＬＯポリマーを採
用することが一層好ましい。

【００２３】非線形光学（ＮＬＯ）物質とも呼ばれる光
学的に非線形の物質が公知である。そのような物質にお
いて、非線形分極が力の外部場（例えば電界）の影響下
に生ずる。非線形電気分極は、いくつかの光学的に非線
形の現象、例えば周波数二倍化、ポッケルス(Pockels)
効果、及びカー(Kerr)効果を起すことができる。あるい
は、ＮＬＯ効果は、光光学的に又は音響光学的に発生さ
れ得る。ポリマー状のＮＬＯ物質をＮＬＯ活性とする
（所望のＮＬＯ効果を巨視的に得る）ために、その様な
物質中に存在する基(groupes) 、通常過分極し得る側鎖
基(side groupes)が、まず整列（極化）されなければな
らない。そのような整列は、配向のためにポリマー鎖を
十分に可動性にするであろうような加熱と共に、電圧
（直流）、いわゆるポーリング場にポリマー物質をさら
すことにより通常もたらされる。ＮＬＯポリマーは、な
かんずく欧州特許第３５０，１１２号公報、同第３５
０，１１３号公報、同第３５８，４７６号公報、同第４
４５，８６４号公報、同第３７８，１８５号公報、及び
同第３５９，６４８号公報に開示されている。

【００２４】通常、本発明のポリマー光学導波体を作る
ことは、低部クラッディングとして使用されるポリマー
の溶液を、例えばスピンコーティングにより基板に施与
すること、次に溶剤を蒸発させることを含むであろう。
次に、コア層及び上部クラッディング層は同一の方法で
施与され得る。上部クラッディングの頂部に、加熱要素
が、例えばスパッタリング、化学蒸着、又は蒸発及び標
準リトグラフ技術により据えられるであろう。デバイス
のより良い取扱いを可能にするように、固着及び仕上げ
のために被覆層が全体の構造の頂部に施与されてよい。
あるいは、被覆層に代えて、接着剤層が固着のために使
用されて良く、その後全体の構造はその上に対物ガラス
を据え付けることによって仕上げられ得る。

【００２５】全てポリマー状の積層導波体構造を作る
時、官能性の末端基（例えばＯＨ）を含むプレポリマー
の形態で個々の層を施与すること、及び次の層が与えら
れる時に溶解しない硬化したポリマーネットワークが形
成されるように架橋剤（例えばデスモデュール‐エヌ(D
esmodur-N)のようなジイソシアネート）を含めることが
有利である。

【００２６】適切な基板は、なかんずくシリコンウエハ
又はプラスチック積層板、例えば補強されていてもされ
ていなくてもよいエポキシ樹脂に基づいたものである。
適切な基板は当業者に公知である。高い熱伝導率によっ
て、ヒートシンクとして機能できる基板が好ましい。こ
れは、熱光学スイッチングプロセスをかなり早めること
ができる。例えば「オン」の状態にスイッチすることは
導波体を加熱することにより達成され得ることを考慮す
ると、次に、「オフ」の状態を達成することは導波体を
放冷することを要求するであろう。この点で、好ましい
基板は、ガラス、金属、又はセラミックスであり、そし
てとりわけシリコンである。

【００２７】また、ポリマー光学導波体、又はその部分
（例えば層の一つ）を作るために熱硬化性物質を採用す
ることができる。もし、少なくとも底部のクラッディン
グが自立型の熱硬化性物質から作られているなら、所望
なら、底部のクラッディング層がその機能を達成するで
あろう故に、別途の基板を使用することをやめることが
できる。

【００２８】通常、加熱要素は、薄いフィルム状の導電
体、通常薄い金属フィルムから作られているであろう。
そのような熱エネルギー発生生き導電体(live electric
conductor) は、略して「抵抗ワイヤ」とも呼ばれ得
る。勿論、適切な熱エネルギー発生導体は、ワイヤ形式
に限定されない。

【００２９】熱エネルギー発生生き導電体、即ち抵抗ワ
イヤは、薄膜技術の分野からそれ自身公知である加熱要
素、例えばＮｉ／Ｆｅ又はＮｉ／Ｃｒであってよい。あ
るいは、電極がそれから作られるものとして電気光学ス
イッチの分野から公知であるそれらの物質を導電体とし
て採用することができる。これらは貴金属例えば金、白
金、銀、パラジウム、又はアルミニウム、並びに透明電
極として公知の物質例えばインジウムスズオキシドを含
む。アルミニウム及び金が好ましい。

【００３０】もし、極化したＮＬＯポリマーが本発明の
導波体中に採用されるなら、電極として機能し得る加熱
要素を使用することは、単一のデバイス中で熱光学機能
及び電気光学的機能を結合することを可能にする。

【００３１】電極と抵抗ワイヤの機能が結合される場合
に、サージは、例えば比較的大きな直径の供給電極（低
電流密度）及び続く比較的小さな直径を持つ部分を採用
することにより実際の実施において実現され得る。する
と、高電流密度は、この狭い部分で作られ、それで熱が
発生する。あるいは、異なる固有抵抗の二つの金属から
作られた物質を採用すること、及び低い電流密度、又は
給電における低い固有抵抗の所望の効果を得るような方
法で異なった金属処理の厚み又は物質の組成のいずれか
を変えることができ、同時に高い電流密度又は比較的高
い固有抵抗は、熱光学効果が所望される位置で示され
る。このように電流密度を変えることにより、局所的に
熱光学効果を得ることができる。ＮＬＯポリマーが採用
される場合に、加熱要素はＮＬＯポリマーの整列の間に
最初に使用されてよい。

【００３２】更に本発明は、次の限定的ではない実施例
及び添付の図に関して説明される。図１は、非対称構造
を持つ積層ポリマー導波体（１）を示す。積層導波体
は、基板（２）、低部クラッディング層（３）、ガイデ
ィング層（４）、及び上部クラッディング層（５）を含
む。上部クラッディング層（５）の頂部に、加熱要素
（６）がある。二つのクラッディング層（３，５）は、
ガイディング層（４）より低い屈折率を持っている。更
に、上部クラッディング層（５）は、低部クラッディン
グ層（３）より低い屈折率を持ち、そして従って、図示
したように、より薄いことができる。

【００３３】

【実施例】

【００３４】

【実施例１】いくつかの導波体の関連したデータが与え
られている。導波体は、基板（Ｓ）上に下記の連続層が
確認され得る積層構造を含む。即ち、低部クラッディン
グ層（Ｌ）、コア層（Ｃ）、上部クラッディング層
（Ｕ）、及び加熱要素（Ｈ）。即ち次のようである（図
１もまた参照のこと）。

【００３５】

【化１】例示したコア層（Ｃ）の厚みは２〜９μｍである。夫々
の場合における低部クラッディング（Ｌ）は１．５８の
屈折率を持つ光学ポリマーの層である。上部クラッディ
ングのために、三つの異なる屈折率即ち１．５６、１．
５７、及び１．５８を持つ物質が選ばれる。即ち、ここ
で二つのクラッディング間の屈折率差（ΔＲＩ）は夫々
０．０２、０．０１、及び０である。第三番目のもの
は、（本発明に従わない）対称導波体である。夫々の場
合におけるコア層は、二つのクラッディングの屈折率よ
り高い屈折率を持ち、ここで最適屈折率（ＲＩ）は１．
５８３〜１．５８９の間である。

【００３６】表１は、与えられたコア層の厚み及び屈折
率の導波体が、所望のモード一致を保持しながら、ＳＳ
ＭＦに結合されるべきであるとき採用され得るクラッデ
ィング厚みを示す（もし、クラッディング厚みがより小
さいなら、光はクラッディングの外側の層、例えば加熱
要素又は基板により吸収されるであろう。これは、かな
りの伝搬損をもたらす）。当業者は、いかなる層厚みが
可能であるかを、ＳＳＭＦのモーダルフィールドと導波
体のモーダルフィールドの間のオーバーラップを計算す
ることにより決定できる。より厚いクラッディングが採
用されることができるが、それは高められた熱容量のた
めに本発明から得られるべき利益を無駄に減少するであ
ろう。コア厚みのための上限は、導波体が所与の波頭の
ための多モードになる点により主に決定される。それは
デバイスのあまり正確でない機能をもたらし、また発生
したより高いオーダーのモードは出力ＳＳＭＦに結合さ
れることはできないので、多モードになることは望まし
くない。当業者は、公知の導波体分散関係式によって、
導波体が好ましくなく多モードになる点を決定し得る。

【００３７】

【表１】夫々の場合に、本発明に従う非対称導波体は本発明に従
わない対称導波体より小さい上部クラッディング厚みを
持つことは、表１から明らかである。本発明の導波体は
このように、熱光学デバイス中に使用された時、より薄
いクラッディングと関係付けられる上記で明らかにされ
た利点を持つ。

【００３８】表１から、全体の導波体厚みが計算し得る
（夫々の場合に、低部クラッディングは、対応する対称
導波体における上部クラッディングと同じ厚みを持
つ）。その結果は、表２に与えられている。

【００３９】

【表２】表２から、夫々の場合に、本発明に従う非対称導波体
は、本発明に従わない対称の導波体より薄いことが明ら
かである。９μｍのコア厚みの場合に、対称導波体の全
体の厚みは比較的低い。しかし、この導波体の場合に、
９μｍコアを結合するチップに対しファイバーを最適化
することは、導波体が多モードであることを生じ、これ
は望ましくない。

【００４０】表３中に種々の例示された導波体で受ける
結合損が与えられている。採用された波長は１．３μｍ
であった。

【００４１】

【表３】表３から、夫々の場合に、本発明に従う非対称導波体
が、本発明に従わない対称導波体より幾分高い結合損を
示すことが明らかである。しかし、約０．１ｄＢより小
さい損失の差は無視し得ると思われ、そして本発明で、
小さい上部クラッディング厚み、小さい全体の導波体厚
み、そして低い結合損の好ましい組み合わせが達成され
得ることが明らかである。掲げた例示した導波体の場合
に、７及び８μｍのコア厚みを持つ導波体はこの点で好
ましい。

【００４２】

【実施例２】二つの熱光学Ｙ形スイッチ、即ち（例えば
図１中に描かれた非対称構造を持つ積層導波体のガイデ
ィング層中に作られる）一つの入力チャンネルと二つの
出力チャンネルを持つスイッチについて、応答時間が測
定された。

【００４３】断面図で、導波体は実施例１及び図１中の
ように図式的に示され得る。使用された基本的なＹ形導
波体チャンネル設計は、図２中に図式的に示されてい
る。

【００４４】図２は、導波体チャンネルの平面図を示
す。光はチャンネル（７）を経て導波体に入る。Ｙの脚
（８）および（９）の非対称（導波体の層の非対称と混
同されるべきでない）に故に、導波体を通って伝搬する
光は、脚（８）を通る方向に向けられる。これは「オ
フ」の状態としてここで定義される。

【００４５】図２中に示されたＹ形チャンネル導波体に
基づいて、熱光学スイッチが図３に従って設計された。

【００４６】図３は、導波体チャンネルの平面図を示
す。光は、チャンネル（７）を経由して導波体に入る。
加熱要素（１０）は、脚（８）に据えられる。このこと
は脚（９）を活性にし得る。即ち、加熱要素が１５ｍＷ
サージを適用することにより作動されるとき、屈折率
は、伝搬光が脚（９）に向けられるであろうような程度
まで加熱要素（１０）の下の脚（８）の部分で局部的に
減少する。これは「オン」の状態としてここで定義され
る。

【００４７】「オン」として定義された状態に達するた
めの応答時間は、１ミリ秒より小さい。加熱要素を停止
すること及び従って屈折率が元の値を保持することを可
能にすることにより「オフ」の状態に達するための応答
時間は、約４ミリ秒であった。

【００４８】

【実施例３】第２の熱光学スイッチが、図４に示すよう
に設計された。

【００４９】図４は、導波体の平面図を示す。光は、チ
ャンネル（１１）を経て導波体に入る。対称の脚（１
２）及び（１３）は、加熱要素（１４）及び（１５）を
備えている。一つの加熱要素例えば加熱要素（１４）が
作動されるとき、その下の導波体の脚（１２）の部分の
屈折率は、伝搬光が他の脚、この場合脚（１３）中に向
けられるであろうような程度まで局部的に減少する。こ
れを「オン」の状態として定義し、次に「オフ」の状態
は、脚（１３）の屈折率を減少させそして脚（１２）の
屈折率を元の値へ増加させるように加熱要素（１５）を
採用し、そして加熱要素（１４）を切ること、従って、
光が脚（１２）に向けられることにより達成され得る。

【００５０】いずれかの状態に達するための応答時間は
約１ミリ秒であった。

【００５１】

【発明の効果】本発明は、スイッチング電力及び応答時
間を更に減少した商業的に使用し得る熱光学デバイスを
提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】非対称構造を持つ積層ポリマー導波体である。

【図２】導波体チャンネルの平面図である。

【図３】導波体チャンネルの平面図である。

【図４】導波体チャンネルの平面図である。

【符号の説明】

１．非対称構造を持つ積層ポリマー導波体２．基板３．低部クラッディング層４．ガイディング層５．上部クラッディング層６，１０，１４，１５．加熱要素７，１１．チャンネル８，９，１２，１３．脚

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウインフリードヘンリージェラルドホルストフイスオランダ国、7533 ブイブイエンシェデ、オーストベーンウェヒ 56 (72)発明者ヘルマナスマルセリナスマリアクレインケルカンプオランダ国、7545 エーティエンシェデ、ブルッゲルトストラート 277

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリマー光学導波体及び加熱要素（６）
を含み、該ポリマー導波体がガイディング層より低い屈
折率の二つのクラッディング層（３，５）の間に挟まれ
たポリマーのガイディング層（４）を含む積層構造を持
つポリマー熱光学デバイス（１）において、加熱要素
（６）に隣接するクラッディング層（５）が、他のクラ
ッディング層（３）より低い屈折率を持つことを特徴と
するポリマー熱光学デバイス。
【請求項２】積層ポリマー導波体構造が基板（２）上
に備えられ、加熱要素（６）が上部クラッディング層
（５）の上に付けられており、他のクラッディング
（３）が低部クラッディングであることを特徴とする請
求項１記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項３】基板がシリコン、金属、及びセラミック
ス物質から成る群から選ばれることを特徴とする請求項
２記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項４】追加の層が基板と低部クラッディングの
間に存在し、該追加の層が低部クラッディングより低い
屈折率を持つことを特徴とする請求項３記載のポリマー
熱光学デバイス。
【請求項５】ガイディング層のみならずクラッディン
グ層もポリマーであることを特徴とする請求項１〜４の
いずれか一つに記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項６】低部クラッディングが、ガイディング層
に隣接するより高い屈折率を持つ層及び基板に接するよ
り低い屈折率を持つ層の二つの更なる層に分割されてい
ることを特徴とする請求項４又は５記載のポリマー熱光
学デバイス。
【請求項７】より低い屈折率を持つ層が上部クラッデ
ィング層と同じ屈折率を持っていることを特徴とする請
求項６記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項８】クラッディング層間の屈折率コントラス
トが約０．００５〜約０．０５であることを特徴とする
請求項１〜７のいずれか一つに記載のポリマー熱光学デ
バイス。
【請求項９】クラッディング層間の屈折率コントラス
トが約０．００５〜０．０１であることを特徴とする請
求項８記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項１０】クラッディング層間の屈折率コントラ
ストが約０．０３〜０．０５であることを特徴とする請
求項８記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項１１】クラッディング層間の屈折率コントラ
ストが約０．０１〜０．０３であることを特徴とする請
求項８記載のポリマー熱光学デバイス。
【請求項１２】ガイディング層より低い屈折率の二つ
のポリマーのクラッディング層の間に挟まれたポリマー
ガイディング層を含む積層されたポリマー光学導波体構
造（オプトボード）において、クラッディング層が異な
る屈折率を持つことを特徴とする光学導波体構造。