JP2000180905A - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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JP2000180905A
JP2000180905A JP10358727A JP35872798A JP2000180905A JP 2000180905 A JP2000180905 A JP 2000180905A JP 10358727 A JP10358727 A JP 10358727A JP 35872798 A JP35872798 A JP 35872798A JP 2000180905 A JP2000180905 A JP 2000180905A
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optical
light
optical waveguide
thin film
thin
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Keiichi Nashimoto
恵一 梨本
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Fuji Xerox Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical switch in which the number of optical switch elements can be decreased, insertion loss and crosstalk are less, and switching among ports having appropriate interval can be realized by driving voltage and good balanced size. SOLUTION: An incident end plane 7 is provided with channel optical waveguides 11 and 12, light beams made incident in parallel are diverged by a slab type optical waveguide part 3, after they are made parallel light beams by a first thin film lens 9, they are converged to an outgoing end plane 8 by a second thin film lens 10, and made incident on each optical fiber through channel optical waveguides 13 and 14. Light beams are deflected by applying voltage between one of first prism type upper part electrodes 5 and a substrate 1 being a lower part electrode, further, they are deflected in the inverse direction to previous deflection by applying voltage between one of second prism type upper part electrodes 6 and the substrate 1 being a lower part electrode, they are converged by the second thin film lens 10, and an optical path is switched.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバーなど
の光路切換機能を有する導波路型光スイッチに関し、マ
トリックス光スイッチを構成するのに必要な光スイッチ
素子の個数を少なくでき、挿入損失やクロストークが小
さく、適切な間隔のポート間の切り替えを駆動電圧とバ
ランスのとれたサイズで実現でき、温度安定性の高い酸
化物強誘電体薄膜を有する光スイッチまたはマトリクス
光スイッチに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a waveguide type optical switch having an optical path switching function, such as an optical fiber, which can reduce the number of optical switch elements required to constitute a matrix optical switch, and can reduce insertion loss and crosstalk. The present invention relates to an optical switch or a matrix optical switch including an oxide ferroelectric thin film having high temperature stability, capable of realizing switching between ports at appropriate intervals with a size balanced with a driving voltage, and having high temperature stability.

【0002】[0002]

【従来の技術】光通信ネットワークは個別にノード間を
結ぶポイント間の光通信から、ポイント間でAdd−D
rop Multiplexingを行う光通信、さら
に複数のノード間を電気信号に変換することなく光信号
のままで結ぶ光通信に発展しようとしている。このた
め、これに必要な光分岐結合器、光合分波器、光スイッ
チ等の各種光部品の開発が重要になっているが、その中
でもマトリクス光スイッチは複数の光ファイバー間を需
要に応じて切り替えたり、ネットワークの故障の際の迂
回路確保のための切り替えで用いられる部品として最も
重要な部品の一つである。
2. Description of the Related Art An optical communication network is based on optical communication between points individually connecting nodes, and from Add-D between points.
Optical communication that performs rop multiplexing, and furthermore, optical communication that connects a plurality of nodes as optical signals without converting them into electrical signals are being developed. For this reason, it is important to develop various optical components such as optical branching couplers, optical multiplexers / demultiplexers, and optical switches. Among them, matrix optical switches switch between multiple optical fibers according to demand. Or one of the most important components used for switching for securing a detour in the event of a network failure.

【0003】マトリクス光スイッチの形態としては、バ
ルク型と光導波路型等に分けることができる。バルク型
は、プリズム、ミラー、ファイバ等を機械的に可動させ
て光路を切り換えるもので、波長依存性が少なく、比較
的低損失という利点があるが、スイッチング速度が遅
く、小型化が難しくマトリックス化に不適切であり、組
立調整工程が煩雑であり量産には適さず高価格であると
いう問題点がある。光導波路型素子は、スイッチング速
度、小型化および集積化、量産性等の面で非常に優れる
ことより非常に多く検討されている。
[0003] The form of the matrix optical switch can be classified into a bulk type and an optical waveguide type. The bulk type switches the optical path by mechanically moving prisms, mirrors, fibers, etc., and has the advantage of low wavelength dependence and relatively low loss.However, the switching speed is slow, miniaturization is difficult, and matrix formation is difficult. However, there is a problem that the assembly adjustment process is complicated, is not suitable for mass production, and is expensive. Optical waveguide devices are being studied very much because they are extremely superior in terms of switching speed, miniaturization and integration, mass productivity, and the like.

【0004】光導波路型マトリクス光スイッチは形態的
には大きく2種類に分けることが可能である。第1のも
のは、入力ポートと出力ポートを接続するチャンネル光
導波路をある原理の光スイッチまたは光ゲートを複数組
み合わせて切り替えるものである。第2のものは,入力
ポートと出力ポートの間に光偏向器を設けて入力ポート
の光を出力ポートへ向けて偏向するものである。
Optical waveguide type matrix optical switches can be roughly classified into two types in form. The first one switches a channel optical waveguide connecting an input port and an output port by combining a plurality of optical switches or optical gates based on a certain principle. In the second type, an optical deflector is provided between an input port and an output port to deflect light from the input port toward the output port.

【0005】これらの中では第1の方式が設計に対する
柔軟性と光の損失の少なさ等から最も多く検討されてい
る。一般に、LiNbO、化合物半導体、石英、ある
いはポリマーにチャンネル光導波路を形成し,各経路の
交差部などに電気的に光の進行方向を制御するための光
スイッチ、あるいは電気的に光の進行を開閉して制御す
る光ゲートを設けてある。
[0005] Of these, the first method is most often studied from the viewpoint of flexibility in design and low light loss. In general, a channel optical waveguide is formed in LiNbO 3 , a compound semiconductor, quartz, or a polymer, and an optical switch for electrically controlling a traveling direction of light at an intersection of each path, or an optical switch for electrically traveling light. An optical gate that opens and closes to control is provided.

【0006】最も代表的な材料であり酸化物強誘電体の
一つであるLiNbOの場合には、光スイッチの電極
に電圧を印加すると電気光学効果により屈析率が変化す
ることによって光の状態が変わり,どの状態を設定する
かによって光の進行方向が変化する。これにより、各光
スイッチでは二つの入力端からの光をそれぞれ二つの出
力端へ選択的に出力することが可能である。従って、各
段で光の進行方向を適切に設定すれば入力ポートからの
光を所望の出力ポートヘ送ることができる。
In the case of LiNbO 3 , which is the most typical material and one of the oxide ferroelectrics, when a voltage is applied to the electrode of the optical switch, the refractive index changes due to the electro-optic effect, so that the light transmission is changed. The state changes, and the traveling direction of light changes depending on which state is set. Thus, each optical switch can selectively output light from two input terminals to two output terminals. Therefore, if the traveling direction of light is appropriately set in each stage, light from an input port can be sent to a desired output port.

【0007】このような光スイッチの原理としては、二
本の光導波路を近接配置した方向性結合器に電界を加え
て光の経路を制御する方法、入力光を方向性結合器で二
つに分離し、それぞれの経路を通る光の間に電界により
生じさせた屈折率で位相差をつけ出口側の方向性結合器
での干渉状態を制御して出力端を切り替えるマッハツェ
ンダ型の方法、X交差部での光モード間の干渉を制御す
ることで光の経路を切り替える方法、Y分岐または非村
称X分岐において、光モードの横方向界分布を電界によ
り生じさせた屈折率で制卸して光の経路を切り替える方
法、X交差部に電極を設けて屈折率を制御することによ
って全反射またはブラッグ反射させて光の経路を切り替
える方法などがある。
As a principle of such an optical switch, there are a method of controlling an optical path by applying an electric field to a directional coupler in which two optical waveguides are arranged close to each other, and a method of dividing input light into two by a directional coupler. Mach-Zehnder type method of switching the output end by separating and giving a phase difference with the refractive index caused by the electric field between the light passing through each path and controlling the interference state at the exit side directional coupler, X-crossing A method of switching a light path by controlling interference between optical modes in a unit, a method of controlling a lateral field distribution of an optical mode in a Y-branch or a non-village X-branch by using a refractive index generated by an electric field to control light. And a method of switching the light path by total reflection or Bragg reflection by controlling the refractive index by providing an electrode at the X intersection.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの複数
の光スイッチ(または光ゲート)を用いたマトリクス光
スイッチは、通常入力ポート数×出力ポート数(N×
N)のクロスバー構成の光スイッチ、例えば8×8の場
合で64の光スイッチとそれらを結ぶ分岐型チャンネル
が必要であり、構成が複雑であるという問題があった。
このため、入力ポートと出力ポートの接続経路を工夫
し、光スイッチ数を低減する方法が特開平5−8036
1号公報などに示されている。しかしながら、このよう
な構成によっても光スイッチ数は8×8の場合で40の
光スイッチとそれらを結ぶ分岐型チャンネルが必要であ
り、大きな改善は困難であった。
However, a matrix optical switch using a plurality of optical switches (or optical gates) usually has the number of input ports x the number of output ports (N x
N) An optical switch having a crossbar configuration, for example, in the case of 8 × 8, 64 optical switches and a branch type channel connecting them are required, and there is a problem that the configuration is complicated.
Therefore, a method of devising a connection path between an input port and an output port to reduce the number of optical switches is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-8036.
No. 1 and other publications. However, even with such a configuration, when the number of optical switches is 8 × 8, 40 optical switches and a branch type channel connecting them are required, and it is difficult to make a great improvement.

【0009】一方、第2の光導波路型の光偏向素子によ
る光スイッチは、LiNbOなどよりなる光導波路
と、光導波路に入射した光ビームを平行光とするための
薄膜レンズと、光導波路中の光ビームを音響光学効果に
より回折するための表面弾性波を励起するくし形の電極
が備えられたものであり、A.Kar−Roy and
C.S.Tsai,IEEE Photonics T
ech.Lett.,vol.4(1992)731.
などに示されている。音響光学効果を利用した光スイッ
チは、N×Nマトリクス光スイッチを構成するために
は、偏向部分で互いに重なるようにN本の光ビームを配
置してもそれぞれの光ビームを独立に偏向できるために
N個のくし型電極を設ければよく、また分岐型チャンネ
ルも必要ではない利点がある。しかし、100%の回折
効率または偏向効率を得ることが困難なために挿入損失
やクロストークが大きくなる問題や、回折角度または偏
向角度が小さいためにポート間の間隔を光ファイバー径
よりもかなり小さくしなくてはならない問題などがあっ
た。
On the other hand, an optical switch using a second optical waveguide type optical deflection element includes an optical waveguide made of LiNbO 3 or the like, a thin film lens for converting a light beam incident on the optical waveguide into parallel light, And a comb-shaped electrode for exciting a surface acoustic wave for diffracting the light beam by the acousto-optic effect. Kar-Roy and
C. S. Tsai, IEEE Photonics T
ech. Lett. , Vol. 4 (1992) 731.
And so on. An optical switch utilizing the acousto-optic effect is capable of independently deflecting each light beam even if N light beams are arranged so as to overlap each other at the deflecting portion in order to constitute an N × N matrix optical switch. It is only necessary to provide N comb-shaped electrodes, and there is an advantage that a branched channel is not required. However, it is difficult to obtain 100% diffraction efficiency or deflection efficiency, so that insertion loss and crosstalk increase. Also, since the diffraction angle or deflection angle is small, the distance between ports is made considerably smaller than the optical fiber diameter. There were indispensable problems.

【0010】他の光偏向素子としては、電気光学効果を
有する酸化物強誘電体材料を用いたプリズム型光偏向素
子が知られている。このような素子としてはセラミック
や単結晶を用いたバルク素子があるが、大きさが大き
く、また駆動電圧がかなり高いために実用的な偏向角度
を得ることができなかった。一方、Ti拡散型光導波路
やプロトン交換型光導波路を作製した酸化物強誘電体材
料であるLiNbO単結晶ウエハーを用いてカスケー
ド型にプリズムを配したプリズム型ドメイン反転光偏向
素子、またはプリズム型電極光偏向素子がQ.Che
n,et al.,J.Lightwave Tec
h.vol.12(1994)1401.などに示され
ている。しかし、LiNbO単結晶ウエハーの厚さで
ある0.5mm程度の電極間隔が必要となるために依然
として駆動電圧が高く、前記文献では±600Vの駆動
電圧でもわずか0.2度程度の偏向角度しか得られてお
らず、マトリックス光スイッチを構成するに必要な偏向
角度を得ることはできなかった。
As another light deflection element, a prism type light deflection element using an oxide ferroelectric material having an electro-optic effect is known. As such an element, there is a bulk element using a ceramic or a single crystal. However, a practical deflection angle cannot be obtained due to a large size and a considerably high driving voltage. On the other hand, a prism-type domain-inverted light deflection element in which prisms are arranged in a cascade using a LiNbO 3 single crystal wafer, which is an oxide ferroelectric material, on which a Ti diffusion type optical waveguide or a proton exchange type optical waveguide is manufactured, or a prism type If the electrode light deflection element is Q. Che
n, et al. , J. et al. Lightwave Tec
h. vol. 12 (1994) 1401. And so on. However, since the electrode spacing of about 0.5 mm, which is the thickness of the LiNbO 3 single crystal wafer, is still required, the driving voltage is still high. As a result, it was not possible to obtain a deflection angle necessary for forming a matrix optical switch.

【0011】また、化合物半導体または量子井戸を用い
た場合には、光導波路コアの上下から電圧を印加できる
ために低駆動電圧化も期待できるが、小泉ほか、光学、
24(1995)324.にも示されているようにコア
・サイズが小さく、光ファイバからの光結合効率が悪い
ために挿入損失が大きくなる問題があり、各種の努力が
なされている。その他に、電場印加によるスイッチング
と同時に光吸収が生じるためにスイッチング特性が劣化
しまうなどの問題があった。
When a compound semiconductor or a quantum well is used, a low driving voltage can be expected because a voltage can be applied from above and below the optical waveguide core. However, Koizumi et al.
24 (1995) 324. As described above, there is a problem that the insertion loss increases due to a small core size and poor optical coupling efficiency from an optical fiber, and various efforts have been made. In addition, there is another problem that light absorption occurs at the same time as switching by application of an electric field, thereby deteriorating switching characteristics.

【0012】このほかには有機非線形光学材料を用いた
光導波路型の光偏向素子がある。一般に、有機非線形光
学材料を光導波路とするためにはポリマー中に有機非線
形分子をドープあるいは側鎖または主鎖に付与し、電場
印加によってポーリングを行った電場配向ポリマーにし
て用いる。例えば、この電場配向ポリマーなどの光導波
路を上下電極でサンドイッチ状に挟んだ構造によって低
電圧駆動を図ったプリズム型光偏向素子およびそれを用
いたマトリックス光スイッチが特開平4−181231
号公報に示されている。そのマトリックス光スイッチ
は、光導波路に入射したN本の光ビームを平行光とする
ためのN個の薄膜レンズと、平行光とされた光ビームを
偏向するためのN個のプリズム電極を設け、さらに偏向
された光ビームを再び偏向するためのN個のプリズム電
極と、光導波路端へ集光するためのN個の薄膜レンズを
設けている。
In addition, there is an optical waveguide type optical deflection element using an organic nonlinear optical material. Generally, in order to use an organic nonlinear optical material as an optical waveguide, an organic nonlinear molecule is doped in a polymer or added to a side chain or a main chain, and the polymer is used as an electric field oriented polymer which is polled by applying an electric field. For example, a prism type optical deflecting element in which an optical waveguide made of an electric field oriented polymer or the like is sandwiched between upper and lower electrodes and driven at a low voltage, and a matrix optical switch using the same are disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-181231.
No. in the official gazette. The matrix optical switch is provided with N thin film lenses for converting the N light beams incident on the optical waveguide into parallel light, and N prism electrodes for deflecting the parallel light beam, Further, there are provided N prism electrodes for deflecting the deflected light beam again, and N thin film lenses for condensing the light beam at the end of the optical waveguide.

【0013】一方、電場配向ポリマーは無機材料では実
現困難な積層構造の形成が可能であることが知られてお
り、光導波路を上下電極でサンドイッチ状に挟んだ構造
は、特開平4−181231号公報より先にJ.I.T
hackara et al,Appl.Phys.L
ett.52(1988)1031.などにも示されて
いる。しかし、電場配向ポリマーは酸化物強誘電体材料
と比較して温度安定性などの問題があり、実用に足る素
子の開発は進んでいないのが現状であることが戒能、O
plus E,186(1995)98.などに示さ
れている。また、浅原、Optronics,11(1
995)147.などに示されているようにポリマーは
屈折率などの選択幅が小さく、このため薄膜レンズを設
けても焦点距離が大きくなり、特開平4−181231
号公報に示されたようなマトリックス光スイッチを構成
した場合にはサイズがかなり大きくなる可能性があるこ
とも問題であった。
On the other hand, it is known that an electric field oriented polymer can form a laminated structure which is difficult to realize with an inorganic material. A structure in which an optical waveguide is sandwiched between upper and lower electrodes is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-181231. Prior to the publication, J.I. I. T
Hackara et al, Appl. Phys. L
ett. 52 (1988) 1031. And so on. However, electric field oriented polymers have problems such as temperature stability as compared with oxide ferroelectric materials, and the development of devices that can be used practically has not progressed.
plus E, 186 (1995) 98. And so on. Also, Asahara, Optronics, 11 (1
995) 147. As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. HEI 4-181231, the polymer has a small selection range such as a refractive index.
When a matrix optical switch such as that disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-209,873 is constructed, there is a problem that the size may be considerably increased.

【0014】本発明の目的は、上述の従来の問題点を解
決するため、マトリックス光スイッチを構成するのに必
要な光スイッチ素子の個数を少なくでき、挿入損失やク
ロストークが小さく、適切な間隔のポート間の切り替え
を駆動電圧とバランスのとれたサイズで実現でき、温度
安定性の高い酸化物強誘電体薄膜を有する光スイッチま
たはマトリクス光スイッチを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems by reducing the number of optical switch elements required to constitute a matrix optical switch, reducing insertion loss and crosstalk, and ensuring an appropriate spacing. It is an object of the present invention to provide an optical switch or a matrix optical switch having an oxide ferroelectric thin film with high temperature stability, which can realize switching between the ports with a size balanced with the driving voltage.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的は、導電性また
は半導電性の下部電極となる単結晶基板と、単結晶基板
表面に形成されたエピタキシャルまたは単一配向性の酸
化物バッファ層と、バッファ層上に設けられ、バッファ
層よりも大きい屈折率を有するエピタキシャルまたは単
一配向性の電気光学効果を有する酸化物強誘電体薄膜の
光導波路と、単結晶基板の光入射用端面側に設けられ、
N(1≦N)個の入射光を平行光にする第1の薄膜レン
ズと、N個の平行光をそれぞれ偏向させるN個の第1の
プリズム型上部電極と、偏向させられたN個の平行光を
さらにそれぞれ偏向させるN個の第2のプリズム型上部
電極と、単結晶基板の光出射用端面側に設けられ、N個
の第2のプリズム型上部電極により偏向した平行光を集
光して光射出用端面からM(1≦M)個の出射光として
出射させる第2の薄膜レンズとを備え、各光から入射用
端面を介して入射した光を第1の薄膜レンズによって平
行光とした後、第1のプリズム型上部電極と下部電極と
なる単結晶基板との間に電圧を印加することにより各光
を偏向し、次に第2のプリズム型上部電極と下部電極と
なる単結晶基板との間に電圧を印加することにより各光
を偏向し、さらに第2の薄膜レンズによって出射用端面
へ集光することによって、所望の入射光を偏向して所望
の出射光として光経路を切り替えることを特徴とする光
スイッチによって達成される。
The object of the present invention is to provide a single-crystal substrate serving as a conductive or semiconductive lower electrode, an epitaxial or single-oriented oxide buffer layer formed on the surface of the single-crystal substrate, An optical waveguide of an oxide ferroelectric thin film provided on the buffer layer and having an epitaxial or unidirectional electro-optic effect having a larger refractive index than the buffer layer, and provided on the light incident end face side of the single crystal substrate. And
A first thin film lens that converts N (1 ≦ N) incident lights into parallel light, N first prism-type upper electrodes that respectively deflect N parallel lights, and N deflected lights N second prism-type upper electrodes for further deflecting the parallel light, respectively, and the parallel light provided on the light-emitting end face side of the single crystal substrate and deflected by the N second prism-type upper electrodes are condensed. A second thin-film lens that emits M (1 ≦ M) outgoing light from the light-emitting end face, and converts the light incident from each light through the incident end face into parallel light by the first thin-film lens. After that, each light is deflected by applying a voltage between the first prism type upper electrode and the single crystal substrate serving as the lower electrode, and then the second prism type upper electrode and the single crystal serving as the lower electrode are applied. Each light is deflected by applying a voltage between the substrate and the crystal substrate. By converging to the exit end face by second thin film lens is accomplished by the optical switch, characterized by switching the optical path as the desired output light by deflecting the desired incident light.

【0016】本発明者らは下部電極となる導電性または
半導電性の単結晶基板上に高誘電率のエピタキシャルま
たは単一配向性のバッファ層を設け、その上にバッファ
層よりも大きい屈折率を持ちエピタキシャルまたは単一
配向性の電気光学効果を有する酸化物薄膜光導波路を設
け、その上には必要に応じて光導波路よりも小さい屈折
率を持つ高誘電率のクラッド層を設け、さらにその上に
上部電極を設けた積層構造を先に発明し(1997年1
0月18日に出願した特願平9−303436号)、酸
化物強誘電体材料でも光導波路を上下電極でサンドイッ
チ状に挟んだ構造を可能とし、低光伝搬損失特性を損な
うことなく上記プリズム型光偏向素子の駆動電圧の問題
を解決した。
The present inventors provide an epitaxial or unidirectional buffer layer having a high dielectric constant on a conductive or semiconductive single crystal substrate serving as a lower electrode, and have a higher refractive index than the buffer layer. Provide an oxide thin film optical waveguide having an epitaxial or mono-oriented electro-optic effect with a, a high dielectric constant cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide as necessary, furthermore, First, a multilayer structure in which an upper electrode was provided was invented (Jan. 1997
Japanese Patent Application No. 9-303436, filed on Jan. 18, which allows an oxide ferroelectric material to have a structure in which an optical waveguide is sandwiched between upper and lower electrodes, and the above-described prism without impairing low light propagation loss characteristics. The problem of the driving voltage of the optical deflector was solved.

【0017】本発明者らは、この構造において上部電極
としてプリズム型電極を配して偏向特性を詳細に検討
し、さらにマトリクス光スイッチの光導波路光学系の検
討を合わせて行った結果、マトリクス光スイッチを構成
するために必要な偏向角度が得られること、偏向状態で
の未偏向成分は基本的になく、散乱光も極めて少ないこ
とより、挿入損失やクロストークの問題を解決できる見
込みがあることを見出した。
The present inventors have arranged a prism type electrode as an upper electrode in this structure, studied the deflection characteristics in detail, and further studied the optical waveguide optical system of the matrix optical switch. The ability to obtain the required deflection angle to construct the switch, the absence of undeflected components in the deflected state, and the extremely small amount of scattered light have the potential to solve the problems of insertion loss and crosstalk. Was found.

【0018】また、本発明者らは複数のエピタキシャル
または単一配向性の強誘電体薄膜を用いた薄膜レンズを
先に発明し(1997年11月6日に出願した特願平9
−320332号)、低い結合損失と小さい焦点距離を
有する薄膜レンズを光導波路素子に設けることを可能と
した。本発明者らは、マトリクス光スイッチの材料構
成、および積層構造を鋭意検討した結果、この薄膜レン
ズをマトリクス光スイッチに導入できることを見出し、
偏向型のマトリクス光スイッチをコンパクトなサイズで
実現できる見込みを得た。
The present inventors have previously invented a thin film lens using a plurality of epitaxial or unidirectionally oriented ferroelectric thin films (see Japanese Patent Application No.
No. 320332), it has become possible to provide a thin film lens having a low coupling loss and a small focal length in an optical waveguide element. The present inventors have studied the material configuration of the matrix optical switch and the laminated structure, and as a result, have found that this thin film lens can be introduced into the matrix optical switch.
The prospect of realizing a deflection type matrix optical switch with a compact size was obtained.

【0019】さらに、上記積層構造と薄膜レンズを用い
るN×Nマトリクス光スイッチの各種構成を鋭意検討し
た結果、単結晶基板の両端にN本の入射用光ファイバー
から光導波路への入射用の端面および光導波路からN本
の出射用光ファイバーへの出射用の端面を設け、入射用
端面とN個の第1の上部電極との間の光導波路にN個の
第1の薄膜レンズを、N個の第2の上部電極と出射用端
面との間の光導波路にN個の第2の薄膜レンズを設け、
各光ファイバーから入射用端面を介して入射した光ビー
ムを第1の薄膜レンズによってそれぞれを平行光とした
後、各レーザ光が重ならない位置に設けられた第1のプ
リズム型上部電極と下部電極となる単結晶基板との間に
電圧を印加することにより各レーザ光を独立に偏向し、
さらに第2のプリズム型上部電極と下部電極となる単結
晶基板との間に電圧を印加することにより各レーザ光を
独立に偏向し、第2の薄膜レンズによって出射用端面へ
集光することによって所望のN本の光ファイバーへ光経
路を切り替えることができることを見出した。このよう
な構成により、N×Nのマトリクス光スイッチを構成す
るのに必要な光スイッチ素子の個数を2N個へ少なくで
きると同時に比較的コンパクトなスイッチ・サイズが実
現でき、挿入損失やクロストークが小さく、かつ適切な
間隔のポート間の切り替えを比較的低駆動電圧で実現で
きるマトリックス光スイッチを得ることが可能となる。
また、入射用端面と第1の薄膜レンズの間と、出射用端
面と第2の薄膜レンズとの間にチャンネル導波路を設け
ることもクロストーク低減や、スラブ型導波路部への発
散角度の均一化、端面の加工精度要求を緩和するために
有効であることが分かった。
Further, as a result of diligent studies on various configurations of the N × N matrix optical switch using the above-mentioned laminated structure and thin-film lens, it was found that both ends of the single crystal substrate had an end face for incidence from the N incidence optical fibers to the optical waveguide and an end face. An output end face from the optical waveguide to the N output optical fibers is provided, and N first thin-film lenses are provided on the optical waveguide between the input end face and the N first upper electrodes, and the N first thin-film lenses are disposed on the optical waveguide. N second thin film lenses are provided in the optical waveguide between the second upper electrode and the emission end face;
After each of the light beams incident from each optical fiber through the incident end face is made into a parallel light by the first thin film lens, the first prism type upper electrode and the lower electrode provided at positions where the respective laser beams do not overlap each other are formed. Each laser beam is independently deflected by applying a voltage between the single crystal substrate and
Further, by applying a voltage between the second prism type upper electrode and the single crystal substrate serving as the lower electrode, each laser beam is independently deflected, and is condensed by the second thin film lens on the emission end face. It has been found that the optical path can be switched to desired N optical fibers. With such a configuration, the number of optical switch elements required to configure an N × N matrix optical switch can be reduced to 2N, and at the same time, a relatively compact switch size can be realized, and insertion loss and crosstalk can be reduced. It is possible to obtain a matrix optical switch capable of realizing switching between small and appropriately spaced ports with a relatively low driving voltage.
Providing a channel waveguide between the incident end face and the first thin-film lens and between the output end face and the second thin-film lens can also reduce crosstalk and reduce the divergence angle to the slab waveguide. It has been found that it is effective for uniformity and for relaxing the processing accuracy requirement of the end face.

【0020】下部電極となる基板として用いることがで
きる基板は、導電性または半導電性の単結晶基板、ある
いはエピタキシャルまたは単一配向性の導電性または半
導電性の薄膜を表面に設けた基板がある。導電性または
半導電性の材料は、NbやLaなどをドープしたSrT
iO、AlドープZnO、In、RuO、B
aPbO、SrRuO、YBaCu7−x
SrVO、LaNiO、La0.5Sr0.5Co
、ZnGa、CdGa、CdGa
、MgTiO、MgTiなどの酸化物、S
i、Ge、ダイアモンドなどの単体半導体、AlAs、
AlSb、AlP、GaAs、GaSb、InP、In
As、InSb、AlGaP、AlLnP、AlGaA
s、AlInAs、AlAsSb、GaInAs、Ga
InSb、GaAsSb、InAsSbなどのIII−
V系の化合物半導体、ZnS、ZnSe、ZnTe、C
aSe、Cdte、HgSe、HgTe、CdSなどの
II−VI系の化合物半導体、Pd、Pt、Al、A
u、Agなどの金属などを用いることができるが、酸化
物を用いることが上部に配置する酸化物薄膜光導波路の
膜質にとって有利なことが多い。
The substrate which can be used as the substrate serving as the lower electrode is a conductive or semiconductive single crystal substrate, or a substrate provided with an epitaxial or unidirectional conductive or semiconductive thin film on the surface. is there. The conductive or semiconductive material is SrT doped with Nb, La, or the like.
iO 3 , Al-doped ZnO, In 2 O 3 , RuO 2 , B
aPbO 3 , SrRuO 3 , YBa 2 Cu 3 O 7-x ,
SrVO 3 , LaNiO 3 , La 0.5 Sr 0.5 Co
O 3 , ZnGa 2 O 4 , CdGa 2 O 4 , CdGa 2 O
4 , oxides such as Mg 2 TiO 4 and MgTi 2 O 4 , S
Single semiconductors such as i, Ge, and diamond, AlAs,
AlSb, AlP, GaAs, GaSb, InP, In
As, InSb, AlGaP, AlLnP, AlGaAs
s, AlInAs, AlAsSb, GaInAs, Ga
III- such as InSb, GaAsSb, InAsSb, etc.
V-based compound semiconductor, ZnS, ZnSe, ZnTe, C
II-VI based compound semiconductors such as aSe, Cdte, HgSe, HgTe, CdS, Pd, Pt, Al, A
Although metals such as u and Ag can be used, the use of an oxide is often advantageous for the film quality of the oxide thin film optical waveguide disposed on the top.

【0021】これらの導電性または半導電性の単結晶基
板、あるいは導電性または半導電性のエピタキシャルま
たは配向性の薄膜は、前記強誘電体薄膜の結晶構造、お
よび偏向速度、スイッチング速度、または変調速度によ
って必要とされるキャリア・モビリティに応じて選ばれ
ることが望ましい。また、強誘電体材料の比誘電率は数
10から数1000であるが、このような強誘電体材料
からなる光導波路素子でも1kHz以上の応答を示すた
めには、基板の抵抗率は10Ω・cm以下、望ましく
は10Ω・cm以下がRC時定数、および電圧降下の
点から有効である。
The conductive or semiconductive single-crystal substrate or the conductive or semiconductive epitaxial or oriented thin film is formed by the crystal structure of the ferroelectric thin film and the deflection speed, switching speed or modulation. It is desirable to select according to the carrier mobility required by the speed. Further, the relative dielectric constant of the ferroelectric material is several tens to several thousands, but in order for an optical waveguide element made of such a ferroelectric material to exhibit a response of 1 kHz or more, the resistivity of the substrate is 10 4. Ω · cm or less, desirably 10 2 Ω · cm or less is effective in terms of RC time constant and voltage drop.

【0022】エピタキシャルまたは単一配向性の導電性
または半導電性の薄膜を表面に設ける場合の基板として
用いることが可能な材料は、SrTiO、BaTiO
、BaZrO、LaAlO、ZrO、Y
8%−ZrO、MgO、MgAl、LiNbO
、LiTaO、Al、ZnOなどの酸化物、
Si、Ge、ダイアモンドなどの単体半導体、AlA
s、AlSb、AlP、GaAs、GaSb、InP、
InAs、InSb、AlGaP、AlLnP、AlG
aAs、AlInAs、AlAsSb、GaInAs、
GaInSb、GaAsSb、InAsSbなどのII
I−V系の化合物半導体、ZnS、ZnSe、ZnT
e、CaSe、Cdte、HgSe、HgTe、CdS
などのII−VI系の化合物半導体などを用いることが
できるが、酸化物を用いることが上部に配置する酸化物
薄膜光導波路の膜質にとって有利なことが多い。
Materials that can be used as a substrate when an epitaxial or unidirectional conductive or semiconductive thin film is provided on the surface are SrTiO 3 , BaTiO 3
3 , BaZrO 3 , LaAlO 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3
8% -ZrO 2, MgO, MgAl 2 O 4, LiNbO
3 , oxides such as LiTaO 3 , Al 2 O 3 and ZnO;
Single semiconductor such as Si, Ge, diamond, etc., AlA
s, AlSb, AlP, GaAs, GaSb, InP,
InAs, InSb, AlGaP, AlLnP, AlG
aAs, AlInAs, AlAsSb, GaInAs,
II such as GaInSb, GaAsSb, InAsSb
IV compound semiconductor, ZnS, ZnSe, ZnT
e, CaSe, Cdte, HgSe, HgTe, CdS
Although it is possible to use a II-VI compound semiconductor such as, for example, the use of an oxide is often advantageous to the film quality of the oxide thin film optical waveguide disposed on the top.

【0023】バッファ層は薄膜光導波路材料よりも小さ
い屈折率を有し、かつバッファ層の比誘電率と前記光導
波路の比誘電率の比が0.002以上、望ましくはバッ
ファ層の比誘電率と前記光導波路の比誘電率の比が0.
006以上であり、かつバッファ層の比誘電率が8以上
である材料が選ばれる。また、バッファ層材料は導電性
基板材料と光導波路材料とのエピタキシ関係を保持でき
ることが必要である。このエピタキシ関係を保持できる
条件としては、バッファ層材料が導電性基板材料と光導
波路材料の結晶構造に類似で、格子定数の差が10%以
下であることが望ましいが、必ずしもこの関係に従わな
くともエピタキシ関係を保持できれば良い。具体的に
は、ABO型のペロブスカイト型酸化物では、正方
晶、斜方晶または擬立方晶系として例えばSrTi
、BaTiO、(Sr1−xBa)TiO
(0<x<1.0)、PbTiO、Pb1−xLa
(ZrTi 1−y1−x/4(0<x<0.
3、0<y<1.0、xおよびyの値によりPZT、P
LT、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3
、KNbOなど、六方晶系として例えばLiNb
、LiTaOなどに代表される強誘電体、タング
ステンブロンズ型酸化物ではSrBa1−xNb
、PbBa1−xNbなど、またこのほか
に、BiTi12、PbKNb15、K
LiNb15、ZnOさらに以上の置換誘導体よ
り選ばれる。バッファ層の膜厚と前記光導波路の膜厚の
比は0.1以上、望ましくは0.5以上であり、かつバ
ッファ層の膜厚が10nm以上であることが有効であ
る。
The buffer layer is smaller than the thin film optical waveguide material.
And the relative dielectric constant of the buffer layer
The relative permittivity ratio of the waveguide is 0.002 or more, preferably
When the ratio between the relative dielectric constant of the optical layer and the relative dielectric constant of the optical waveguide is 0.
006 or more, and the relative permittivity of the buffer layer is 8 or more
Is selected. The buffer layer material is conductive
Can maintain epitaxy relationship between substrate material and optical waveguide material
It is necessary to Can maintain this epitaxy relationship
The condition is that the buffer layer material is
Similar to the crystal structure of waveguide materials, with a difference in lattice constant of 10% or less
But it is not always necessary to follow this relationship.
At least it is only necessary to maintain the epitaxy relationship. Specifically
Is ABO3Square perovskite oxide
SrTi as a crystal, orthorhombic or pseudo-cubic
O3, BaTiO3, (Sr1-xBax) TiO
3(0 <x <1.0), PbTiO3, Pb1-xLa
x(ZryTi 1-y)1-x / 4O3(0 <x <0.
3, 0 <y <1.0, PZT, P
LT, PLZT), Pb (Mg1/3Nb2/3)
O3, KNbO3LiNb as a hexagonal system
O3, LiTaO3Ferroelectric, tongue, etc.
Sr in stainless bronze type oxidexBa1-xNb2O
6, PbxBa1-xNb2O6Etc.
And Bi4Ti3O12, Pb2KNb5OFifteen, K3
Li2Nb5OFifteen, ZnO and the above substituted derivatives
Is chosen. The thickness of the buffer layer and the thickness of the optical waveguide
The ratio is at least 0.1, preferably at least 0.5, and
It is effective that the thickness of the buffer layer is 10 nm or more.
You.

【0024】薄膜光導波路材料としてはバッファ層より
も大きい屈折率を有する酸化物から選択され、具体的に
はABO型のペロブスカイト型では正方晶、斜方晶ま
たは擬立方晶系として例えばBaTiO、PbTiO
、Pb1−x La(ZrTi1−y
1−x/4(xおよびyの値によりPZT、PL
T、PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O
KNbOなど、六方晶系として例えばLiNbO
LiTaOなどに代表される強誘電体、タングステン
ブロンズ型ではSrBa1−xNb、Pb
1−xNbなど、またこのほかに、BiTi
12、PbKNb15、KLiNb
15、さらに以上の置換誘導体などより選ばれる。薄膜
光導波路の膜厚は通常0.1μmから10μmの間に設
定されるが、これは目的によって適当に選択することが
できる。
As the material of the thin-film optical waveguide, the buffer layer
Is also selected from oxides having a large refractive index, specifically
Is ABO3For the perovskite type, tetragonal and orthorhombic
Or pseudo-cubic system such as BaTiO3, PbTiO
3, Pb1-xLax(ZryTi1-y)
1-x / 4O3(PZT, PL depending on the values of x and y
T, PLZT), Pb (Mg1/3Nb2/3) O3,
KNbO3For example, as a hexagonal system, for example, LiNbO3,
LiTaO3Such as ferroelectrics, tungsten
Sr for bronze typexBa1-xNb2O6, PbxB
a1-xNb2O6Etc. In addition, Bi4Ti
3O12, Pb2KNb5OFifteen, K3Li2Nb 5O
FifteenAnd further substituted derivatives described above. Thin film
The thickness of the optical waveguide is usually set between 0.1 μm and 10 μm.
However, this can be selected appropriately according to the purpose.
it can.

【0025】クラッド層を設ける場合にはバッファ層と
同様のものを用いることができる。すなわち、薄膜光導
波路材料よりも小さい屈折率を有し、かつクラッド層の
比誘電率と前記光導波路の比誘電率の比が0.002以
上、望ましくはクラッド層の比誘電率と前記光導波路の
比誘電率の比が0.006以上であり、かつクラッド層
の比誘電率が8以上である材料が選ばれる。クラッド層
材料については光導波路に対してエピタキシ関係を保持
できることは必ずしも必要ではなく多結晶薄膜でも良い
が、均一な界面を得る必要がある場合には光導波路材料
とのエピタキシ関係を保持できることが必要である。こ
のエピタキシ関係を保持できる条件としては、クラッド
層材料が薄膜光導波路材料の結晶構造に類似で、格子常
数の差が10%以下であることが望ましいが、必ずしも
この関係に従わなくともエピタキシ関係を保持できれば
良い。具体的には、ABO型のペロブスカイト型酸化
物では、正方晶、斜方晶または擬立方晶系として例えば
SrTiO、BaTiO 、(Sr1−xBa)T
iO(0<x<1.0)、PbTiO、Pb −x
La(ZrTi1−y1−x/4(0<x<
0.3、0<y<1.0、xおよびyの値によりPZ
T、PLT、PLZT)、Pb(Mg1/3
2/3)O、KNbOなど、六方晶系として例え
ばLiNbO、LiTaOなどに代表される強誘電
体、タングステンブロンズ型酸化物ではSrBa
1−xNb、PbBa1−xNbなど、
またこのほかに、Bi Ti12、PbKNb
15、KLiNb15、ZnOさらに以上の
置換誘導体より選ばれる。クラッド層の膜厚と前記光導
波路の膜厚の比は0.1以上、望ましくは0.5以上で
あり、かつクラッド層の膜厚が10nm以上であること
が有効である。
When a cladding layer is provided, a buffer layer
Similar ones can be used. That is, the thin-film light guide
It has a smaller refractive index than the waveguide material and the cladding layer
The ratio between the relative permittivity and the relative permittivity of the optical waveguide is 0.002 or less.
Above, preferably the relative permittivity of the cladding layer and the optical waveguide
The relative dielectric constant ratio is 0.006 or more, and the cladding layer
A material having a relative dielectric constant of 8 or more is selected. Cladding layer
Material maintains epitaxy relationship with optical waveguide
It is not always necessary to be able to do it, and a polycrystalline thin film may be used.
However, if it is necessary to obtain a uniform interface,
It is necessary to be able to maintain the epitaxy relationship. This
Conditions that can maintain the epitaxy relationship of
The layer material is similar to the crystal structure of the thin film optical waveguide material,
It is desirable that the difference between the numbers is 10% or less, but not necessarily.
If you can maintain the epitaxy relationship without following this relationship
good. Specifically, ABO3-Type perovskite oxidation
For example, as a tetragonal, orthorhombic or pseudo-cubic system,
SrTiO3, BaTiO 3, (Sr1-xBax) T
iO3(0 <x <1.0), PbTiO3, Pb1 -X
Lax(ZryTi1-y)1-x / 4O3(0 <x <
0.3, 0 <y <1.0, PZ by the values of x and y
T, PLT, PLZT), Pb (Mg1/3N
b2/3) O3, KNbO3Such as hexagonal system
If LiNbO3, LiTaO3Such as ferroelectric
, Sr in tungsten bronze type oxidexBa
1-xNb2O6, PbxBa1-xNb2O6Such,
In addition, Bi 4Ti3O12, Pb2KNb5
OFifteen, K3Li2Nb5OFifteen, ZnO and more
Selected from substituted derivatives. The thickness of the cladding layer and the light guide
The thickness ratio of the waveguide is 0.1 or more, preferably 0.5 or more.
And the thickness of the cladding layer is 10 nm or more
Is valid.

【0026】プリズム型上部電極はAl、Ti、Cr、
Ni、Cu、Pd、Ag、In、Sn、Ta、W、I
r、Pt、Auなどの各種金属電極や合金、Alドープ
ZnO、In、ITO、RuO、BaPb
、SrRuO、YBaCu 7−x、SrV
、LaNiO、La0.5Sr0.5CoO
ZnGa、CdGa、CdGa、M
TiO、MgTi などの酸化物を用いるこ
とが可能である。クラッド層を用いる場合には微細加工
が容易な金属電極を用いることが望ましく、クラッド層
を用いない場合には酸化物電極、望ましくは透明酸化物
電極を用いることが有効である。また、動作時間に伴っ
て疲労やDCドリフトなどが生じる場合には酸化物を用
いることが有効である。プリズム型上部電極の幅と長さ
の形状は、入射ポートから入り薄膜レンズによってコリ
メートされた分解点数を決めるレーザ光の幅と、所望の
マトリックス数を所定の大きさの基板に作製するために
必要な偏向角度によって設定される。プリズム型上部電
極の数は入出力ポート間の接続形態によって設定される
が、多くの場合は多対多で完全非閉塞型接続を行うため
にポート数と2倍である2Nのプリズム電極を配置す
る。
The prism type upper electrode is made of Al, Ti, Cr,
Ni, Cu, Pd, Ag, In, Sn, Ta, W, I
Various metal electrodes and alloys such as r, Pt, and Au, and Al doping
ZnO, In2O3, ITO, RuO2, BaPb
O3, SrRuO3, YBa2Cu 3O7-x, SrV
O3, LaNiO3, La0.5Sr0.5CoO3,
ZnGa2O4, CdGa2O4, CdGa2O4, M
g2TiO4, MgTi2O 4Use oxides such as
And it is possible. Fine processing when using a cladding layer
It is desirable to use a metal electrode that is easy to
When not using an oxide electrode, preferably a transparent oxide
It is effective to use electrodes. Also, with the operation time
Use oxide if fatigue or DC drift occurs.
Is effective. Prism type upper electrode width and length
The shape of the
The width of the laser beam that determines the number of
To create a matrix with a predetermined size on a substrate
It is set according to the required deflection angle. Prism type upper part
The number of poles is set according to the connection between the input and output ports
However, in many cases, many-to-many, completely non-blocking connections
A 2N prism electrode that is twice the number of ports
You.

【0027】薄膜レンズは、プレーナ・プロセスが利用
できるモード・インデックス方式、フレネル方式、およ
びグレーティング方式より選択できるが、集光効率の点
からモード・インデックス方式が望ましい。モード・イ
ンデックス方式は薄膜光導波路上面から見たレンズ形状
によって、レンズ部の実効屈折率を薄膜光導波路部より
も大きくした場合には円形や瞳形の凸レンズ、レンズ部
の実効屈折率を薄膜光導波路部よりも小さくした場合に
は凹レンズから選択されるが、一般的には円形や瞳形の
凸レンズが光導波路素子としては必要とされることが多
い。
The thin film lens can be selected from a mode index system, a Fresnel system, and a grating system that can use a planar process, but the mode index system is preferable from the viewpoint of light collection efficiency. In the mode index method, depending on the lens shape viewed from the top of the thin-film optical waveguide, if the effective refractive index of the lens is larger than that of the thin-film optical waveguide, the effective refractive index of the circular or pupil-shaped convex lens, and the effective refractive index of the lens is determined by When the size is smaller than the wave path portion, a concave lens is selected. In general, a circular or pupil-shaped convex lens is often required as an optical waveguide element.

【0028】入出力ポートにはクロストーク低減、スラ
ブ型導波路部への発散角度の均一化、および端面形成位
置精度の緩和の点から、幅が1μmから10μm、望ま
しくは3μmから7μm、長さが100μmから100
00μm程度のチャンネルを形成することが望ましい。
また、出射用端面と薄膜レンズとの間のチャンネル導波
路の薄膜レンズ側に、テーパ型チャンネル導波路を設け
ると、偏向角度の変動が生じてもチャンネル導波路へ光
ビームを導けるため、クロストークが悪化することを抑
制できる。
The width of the input / output port is 1 μm to 10 μm, preferably 3 μm to 7 μm, and the length is from the viewpoint of reducing crosstalk, making the divergence angle to the slab type waveguide portion uniform, and relaxing the end face forming position accuracy. Is from 100 μm to 100
It is desirable to form a channel of about 00 μm.
Also, if a tapered channel waveguide is provided on the thin film lens side of the channel waveguide between the exit end face and the thin film lens, the light beam can be guided to the channel waveguide even if the deflection angle fluctuates. Can be suppressed from becoming worse.

【0029】チャンネル光導波路としては、埋め込み
型、リッジ型、装荷型のいずれかを用いることができる
が、本発明ではエピタキシャルまたは単一配向性のバッ
ファ層を設け、その上にバッファ層よりも大きい屈折率
を持ちエピタキシャルまたは単一配向性の電気光学効果
を有する酸化物薄膜光導波路などを設ける薄膜の積層に
よるため、薄膜光導波路に凸を設けたチャンネル光導波
路構造、薄膜光導波路に凸を設けた後にクラッド層を設
けるチャンネル光導波路構造、あるいはバッファ層に凹
を設けた後に薄膜光導波路を設けたチャンネル光導波路
構造が容易に作製できることより望ましい。チャンネル
の幅と高さあるいは深さも薄膜の積層によるため、光ス
イッチのパラメータ、導波路の材料、および作製プロセ
スによって最適な値を選択することが容易である。
As the channel optical waveguide, any of a buried type, a ridge type, and a loaded type can be used. In the present invention, an epitaxial or unidirectional buffer layer is provided, and the buffer layer is larger than the buffer layer. Provision of a channel optical waveguide structure in which a thin-film optical waveguide has a projection, and a projection in a thin-film optical waveguide due to the lamination of thin films provided with an oxide thin-film optical waveguide having a refractive index and an epitaxial or mono-oriented electro-optic effect. It is more preferable that a channel optical waveguide structure in which a cladding layer is provided after the formation or a channel optical waveguide structure in which a thin film optical waveguide is provided after forming a recess in the buffer layer can be easily manufactured. Since the width and height or depth of the channel are also formed by laminating the thin films, it is easy to select an optimum value depending on the parameters of the optical switch, the material of the waveguide, and the manufacturing process.

【0030】前記のクラッド層、薄膜光導波路、バッフ
ァ層は、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プ
レーティング、Rf−マグネトロン・スパッタリング、
イオン・ビーム・スパッタリング、レーザー・アブレー
ション、MBE、CVD、プラズマCVD、MOCVD
などより選ばれる気相エピタキシャル成長法、および上
記気相成長によってアモルファス薄膜を形成した後に加
熱することによる固相エピタキシャル成長、またはゾル
ゲル法、MOD法などのウエット・プロセスにより作製
されたアモルファス薄膜の加熱による固相エピタキシャ
ル成長法によって作製される。前記の上部電極は、電子
ビーム蒸着、フラッシュ蒸着、イオン・プレーティン
グ、Rf−マグネトロン・スパッタリング、イオン・ビ
ーム・スパッタリング、レーザー・アブレーション、M
BE、CVD、プラズマCVD、MOCVDなどより選
ばれる気相成長法およびゾルゲル法、MOD法などのウ
エット・プロセスにより作製される。
The clad layer, the thin film optical waveguide, and the buffer layer are formed by electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron sputtering,
Ion beam sputtering, laser ablation, MBE, CVD, plasma CVD, MOCVD
Vapor phase epitaxial growth method selected from the above, solid phase epitaxial growth by heating after forming an amorphous thin film by the vapor phase growth, or solidification by heating of an amorphous thin film formed by a wet process such as a sol-gel method or a MOD method. It is produced by a phase epitaxial growth method. The upper electrode is formed by electron beam evaporation, flash evaporation, ion plating, Rf-magnetron sputtering, ion beam sputtering, laser ablation,
It is manufactured by a vapor phase growth method selected from BE, CVD, plasma CVD, MOCVD and the like, and a wet process such as a sol-gel method and a MOD method.

【0031】上部電極、薄膜レンズ、およびチャンネル
光導波路のパターンニングは、ウエット・エッチング、
ドライ・エッチング、およびリフトオフから選択される
方法によって行うことが可能である。本発明ではエピタ
キシャルまたは単一配向性のバッファ層を設け、その上
にバッファ層よりも大きい屈折率を持ちエピタキシャル
または単一配向性の電気光学効果を有する酸化物薄膜光
導波路を設ける薄膜の積層によるため、チャンネル光導
波路のパターニングにおいては各層の組成や結晶性を利
用したエッチストップが容易であり、ウエット・エッチ
ングおよびドライ・エッチングを用いることが望ましい
が、固相エピタキシャル成長法において、アモルファス
薄膜をウエット・エッチングし、その後の加熱によって
固相エピタキシャル成長する方法が最も容易であり望ま
しい。入出射のための端面加工は、研磨、研削、へき
開、エッチングから選択される方法によって行うことが
可能である。
Patterning of the upper electrode, the thin film lens, and the channel optical waveguide is performed by wet etching,
It can be performed by a method selected from dry etching and lift-off. In the present invention, a buffer layer having an epitaxial or unidirectional orientation is provided, and an oxide thin film optical waveguide having an epitaxial or unidirectional electro-optical effect having a higher refractive index than the buffer layer is provided thereon. Therefore, in patterning the channel optical waveguide, it is easy to perform an etch stop utilizing the composition and crystallinity of each layer, and it is desirable to use wet etching and dry etching.However, in the solid phase epitaxial growth method, an amorphous thin film is wet-etched. The method of etching and subsequent solid phase epitaxial growth by heating is easiest and desirable. The end face processing for input / output can be performed by a method selected from polishing, grinding, cleavage, and etching.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】本発明の第1の実施の形態による
光スイッチを図1乃至図3を用いて説明する。基板上に
設けられた光導波路に光が導入されると、全光強度の一
部が基板へ染み出し、基板の透明性が低いと基板へ染み
だした成分が吸収され、光伝搬にともない伝搬損失とな
る。一般に、導電性基板の透明性は低い。しかし、図1
のように、この染みだしている領域の厚さ分を吸収のな
いバッファ層2で置き換えれば導電性基板1による吸収
はなくなり、伝搬損失の低減が可能となる。バッファ層
がこのように薄膜光導波路と導電性基板の隔離層として
機能するためには、バッファ層材料の屈折率が薄膜光導
波路材料の屈折率よりも小さいことが必要である。ま
た、光導波路表面や光導波路中の粒界などによる散乱に
起因する光伝播損失を実用レベルに低減するためには、
バッファ層材料は導電性基板材料と光導波路材料とのエ
ピタキシ関係を保持できることが不可欠である。また、
光導波路材料は高い電気光学係数を有することが望まし
く、導電性基板材料は低い抵抗率を有することが望まし
い。バッファ層と光導波路の膜厚比は伝搬損失を1dB
/cm以下に低減するために少なくとも0.1以上が必
要である。また、TEのシングルモードでの動作を前
提とする際には0.5以上とすることが適切である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An optical switch according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. When light is introduced into the optical waveguide provided on the substrate, a part of the total light intensity leaks out to the substrate, and when the transparency of the substrate is low, the component that seeps into the substrate is absorbed, and the light propagates along with the light. Loss. Generally, the transparency of a conductive substrate is low. However, FIG.
As described above, if the thickness of the exuded region is replaced by the buffer layer 2 having no absorption, the absorption by the conductive substrate 1 is eliminated, and the propagation loss can be reduced. In order for the buffer layer to function as an isolation layer between the thin-film optical waveguide and the conductive substrate, the refractive index of the buffer layer material needs to be smaller than the refractive index of the thin-film optical waveguide material. In addition, in order to reduce light propagation loss due to scattering due to the optical waveguide surface or grain boundaries in the optical waveguide to a practical level,
It is essential that the buffer layer material can maintain the epitaxy relationship between the conductive substrate material and the optical waveguide material. Also,
The optical waveguide material desirably has a high electro-optic coefficient, and the conductive substrate material desirably has a low resistivity. The thickness ratio between the buffer layer and the optical waveguide is such that the propagation loss is 1 dB.
/ Cm or less is required to be at least 0.1 or more. Further, when the operation in the single mode of TE 0 is premised, it is appropriate to set it to 0.5 or more.

【0033】次に、薄膜光導波路の上に上部金属電極が
設けられた際、薄膜光導波路中の光の振動数が金属電極
のプラズマ振動数を越えると、光伝搬にともない金属電
極中へ染みだした成分が金属中のキャリアによって強く
吸収され、伝搬損失となる。しかし、図1のように、こ
の染みだしの起こる領域を吸収の小さいクラッド層4で
置き換えれば上部金属電極5による吸収はなくなり、伝
搬損失の低減が可能となる。クラッド層がこのように薄
膜光導波路と金属電極の隔離層として機能するために
は、一般に、クラッド層材料の屈折率が薄膜光導波路材
料の屈折率よりも小さいことが必要である。
Next, when an upper metal electrode is provided on the thin-film optical waveguide, if the frequency of light in the thin-film optical waveguide exceeds the plasma frequency of the metal electrode, the light penetrates into the metal electrode with light propagation. The added components are strongly absorbed by carriers in the metal, resulting in propagation loss. However, as shown in FIG. 1, if the area where this seeping occurs is replaced by the cladding layer 4 having low absorption, the absorption by the upper metal electrode 5 is eliminated and the propagation loss can be reduced. In order for the clad layer to function as an isolation layer between the thin film optical waveguide and the metal electrode, it is generally necessary that the refractive index of the material of the clad layer is smaller than the refractive index of the material of the thin film optical waveguide.

【0034】一方、導電性基板と薄膜光導波路の間にバ
ッファ層が存在すると、上下電極間に印加した電圧は薄
膜光導波路とバッファ層のそれぞれの容量に従って分配
され、薄膜光導波路に印加できる実効電圧は低下する。
しかし、一定の膜厚を有する高誘電率のバッファ層を用
いることにより、高い実効電圧を薄膜光導波路に印加す
ることが可能となる。図2は等価回路であり、薄膜光導
波路3の容量Cとバッファ層2の容量Cからなる直
列回路で表される。全印加電圧をV、薄膜光導波路の
比誘電率をε、膜厚をd、バッファ層の比誘電率を
ε、膜厚をd 、εを真空の誘電率で8.854×
10−14(F/cm)、Sを電極面積とすると、薄膜
光導波路に印加される実効電圧Vは次式のようにな
る。
On the other hand, a barrier is provided between the conductive substrate and the thin-film optical waveguide.
When the buffer layer exists, the voltage applied between the upper and lower electrodes
Distributes according to the capacitance of the film waveguide and buffer layer
As a result, the effective voltage that can be applied to the thin-film optical waveguide decreases.
However, a buffer layer with a certain thickness and a high dielectric constant is used.
The high effective voltage applied to the thin-film optical waveguide.
It becomes possible. FIG. 2 is an equivalent circuit showing a thin film light guide.
Capacity C of Waveguide 3wAnd the capacitance C of the buffer layer 2bConsisting of
It is represented by a column circuit. All applied voltage is V0, Thin film optical waveguide
Let the relative permittivity be εwAnd the film thickness is dw, The relative permittivity of the buffer layer
εbAnd the film thickness is d b, Ε0Is 8.854 × with a dielectric constant of vacuum.
10-14(F / cm), where S is the electrode area, a thin film
Effective voltage V applied to the optical waveguidewIs
You.

【0035】V=C/(C+C)×V=ε
/(ε+ε)×V
V w = C b / (C w + C b ) × V 0 = ε b
d w / (ε w d b + ε b d w) × V 0

【0036】本発明において、d/dは0.1以上
とするので、V/Vが0.02以上の値、すなわち
実効電圧が印加電圧の2%以上となるε/εとして
0.002以上の領域、望ましくはV/Vが0.1
以上の値、すなわち実効電圧が印加電圧の10%以上と
なるε/εとして0.006以上の領域を用いるこ
とができる。ε/εの上限としては、バッファ層と
薄膜光導波路に用いることができる材料の組合せで決ま
り、10程度となる。バッファ層の比誘電率は、光導波
路の比誘電率として4000近くの材料があるため、ε
/εとして0.002以上を確保できる8以上の値
を有することが望ましい。実効電圧が印加電圧の2%以
下となる条件では、導電性基板上に電気光学効果を有す
るエピタキシャル光導波路を設け、駆動電圧を大幅に低
減する目的に対し有効ではなくなる。以上の原理はクラ
ッド層についてもまったく同様である。
In the present invention, since d b / d w is 0.1 or more, V w / V 0 is 0.02 or more, that is, ε b / ε where the effective voltage is 2% or more of the applied voltage. The region where w is 0.002 or more, desirably V w / V 0 is 0.1
A range of 0.006 or more can be used as the above value, that is, ε b / ε w at which the effective voltage becomes 10% or more of the applied voltage. The upper limit of ε b / ε w is determined by the combination of materials that can be used for the buffer layer and the thin-film optical waveguide, and is about 10. Since the relative permittivity of the buffer layer is close to 4000 as the relative permittivity of the optical waveguide, ε
It is desirable to have 8 or more values can be secured 0.002 as b / ε w. Under the condition that the effective voltage is 2% or less of the applied voltage, it is not effective for the purpose of providing an epitaxial optical waveguide having an electro-optical effect on the conductive substrate and greatly reducing the driving voltage. The above principle is exactly the same for the cladding layer.

【0037】以上のように、下部電極となる導電性また
は半導電性の単結晶基板上に高誘電率のエピタキシャル
または単一配向性のバッファ層を設け、その上にバッフ
ァ層よりも大きい屈折率を持ちエピタキシャルまたは単
一配向性の電気光学効果を有する酸化物薄膜光導波路を
設け、その上には必要に応じて光導波路よりも小さい屈
折率を持つ高誘電率のクラッド層を設け、さらにその上
に上部電極を設けることにより酸化物強誘電体材料でも
光導波路を上下電極でサンドイッチ状に挟んだ構造を可
能とし、低光伝搬損失特性を損なうことなく低駆動電圧
とすることが可能となる。
As described above, an epitaxial or unidirectional buffer layer having a high dielectric constant is provided on a conductive or semiconductive single crystal substrate serving as a lower electrode, and a refractive index larger than that of the buffer layer is provided thereon. Provide an oxide thin film optical waveguide having an epitaxial or mono-oriented electro-optic effect with a, a high dielectric constant cladding layer having a smaller refractive index than the optical waveguide as necessary, furthermore, Providing an upper electrode on the top enables a structure in which an optical waveguide is sandwiched between upper and lower electrodes even with an oxide ferroelectric material, and a low drive voltage can be achieved without impairing low light propagation loss characteristics. .

【0038】ここで、図1において上部電極5をプリズ
ム形とし、バッファ層2、薄膜光導波路3、および必要
に応じてクラッド層4を介して距離dの位置にある下部
電極である基板1との間に電圧Vが印加されると、屈折
率変化が生じ、プリズム電極の長さをL、幅をWとする
と、
Here, in FIG. 1, the upper electrode 5 has a prism shape, and the substrate 1 which is a lower electrode located at a distance d via the buffer layer 2, the thin film optical waveguide 3, and the cladding layer 4 if necessary. When a voltage V is applied during this time, a change in the refractive index occurs. Assuming that the length of the prism electrode is L and the width is W,

【0039】θ=−Δn×L/W=1/2・r・n
(V/d)・(L/W)
Θ = −Δn × L / W = 1 / · r · n 3 ·
(V / d) ・ (L / W)

【0040】の偏向が生じる。なお、二次の電気光学効
果であるKerr効果を有する強誘電体材料にプリズム
型電極によって電場を加えた場合の偏向は次式に従う。
The following deflection occurs. The deflection when a prism-type electrode applies an electric field to a ferroelectric material having the Kerr effect, which is a secondary electro-optic effect, follows the following equation.

【0041】 θ=1/2・r・n・(V/d)・(L/W)Θ = 1 / · r · n 3 · (V / d) 2 · (L / W)

【0042】このように上部電極としてプリズム型電極
を設けると、マトリクス光スイッチまたは光スイッチを
構成するために必要なレーザ光の偏向角度が得られ、偏
向状態では未偏向成分がなく、また散乱光も極めて少な
いために挿入損失やクロストークの問題も解決できる。
When the prism type electrode is provided as the upper electrode as described above, a deflection angle of the laser beam required for forming the matrix optical switch or the optical switch can be obtained. And the problems of insertion loss and crosstalk can be solved.

【0043】基板の両端に光ファイバーからの入射用の
端面7および光ファイバーへの出射用の端面8を設け、
入射用端面7には250μmの間隔でチャンネル光導波
路11および12が設けられ、このチャンネルを経て各
光ファイバーからそれぞれ平行に入射した光ビームはス
ラブ型光導波路部3で発散し、入射用のチャンネル光導
波路端から4mmの位置に2個設けられた第1の薄膜レ
ンズ9によって平行光とされた後、出射用のチャンネル
光導波路端から4mmの位置に2個設けられた第2の薄
膜レンズ10によって出射用端面8へ集光され、チャン
ネル光導波路13および14を経て各光ファイバーへ入
射する。これに対し、チャンネル光導波路11から入射
した光ビームが、第1の薄膜レンズ9のうちひとつによ
って平行光とされた後、第1の薄膜レンズ9と第2の薄
膜レンズ10との間で各平行レーザ光が重ならない位置
に2個設けられた底辺200μm、高さ4000μmの
第1のプリズム型上部電極5のうちひとつと、下部電極
である基板1との間に電圧を21V印加することにより
図3の破線で示すように17mrad偏向され、さらに
第1の上部電極5から15mm離れた位置に2個設けら
れた底辺200μm、高さ4000μmの第2のプリズ
ム型上部電極6のうちひとつと、下部電極である基板1
との間に電圧を14V印加することにより先の偏向と逆
方向に17mrad偏向され、第2の薄膜レンズ10に
よって集光されてチャンネル光導波路13へ入射し、光
経路を切り替えられる。同様にして、チャンネル光導波
路12から入射した光ビームは、チャンネル光導波路1
4へ光経路を切り替えられる。
At both ends of the substrate, an end face 7 for incidence from an optical fiber and an end face 8 for emission to an optical fiber are provided.
Channel optical waveguides 11 and 12 are provided on the incident end face 7 at intervals of 250 μm. Light beams incident parallel from the respective optical fibers through the channels diverge in the slab type optical waveguide section 3 and are incident on the incident end face 7. After being converted into parallel light by two first thin film lenses 9 provided at a position 4 mm from the end of the wave path, the second thin film lens 10 provided at two positions 4 mm from the end of the channel optical waveguide for emission uses the two thin film lenses 10. The light is condensed on the exit end face 8 and enters each optical fiber via the channel optical waveguides 13 and 14. On the other hand, after the light beam incident from the channel optical waveguide 11 is converted into parallel light by one of the first thin film lenses 9, each light beam is interposed between the first thin film lens 9 and the second thin film lens 10. A voltage of 21 V is applied between one of the first prism-shaped upper electrodes 5 having a base of 200 μm and a height of 4000 μm provided at two positions where the parallel laser beams do not overlap, and the substrate 1 as the lower electrode. As shown by the dashed line in FIG. 3, one of the second prism type upper electrodes 6 having a base of 200 μm and a height of 4000 μm provided two at a position 15 mm away from the first upper electrode 5 is further deflected by 17 mrad, Substrate 1 as lower electrode
By applying a voltage of 14 V between them, the light is deflected by 17 mrad in the direction opposite to the previous deflection, condensed by the second thin-film lens 10 and enters the channel optical waveguide 13 to switch the optical path. Similarly, the light beam incident from the channel optical waveguide 12 is
4, the optical path can be switched.

【0044】このような基本構造によって、マトリクス
光スイッチを構成する場合には必要な光スイッチ素子の
個数を少なくでき、挿入損失やクロストークが小さく、
適切な間隔のポート間の切り替えを比較的低駆動電圧で
実現できる光スイッチ、またはマトリックス光スイッチ
が得られる。また、入射用端面と第1の薄膜レンズの間
と、出射用端面と第2の薄膜レンズとの間に設けたチャ
ンネル導波路は、クロストーク低減や、スラブ型導波路
部への発散角度の均一化、端面の加工精度要求を緩和す
るために有効である。
With such a basic structure, when configuring a matrix optical switch, the number of necessary optical switch elements can be reduced, and insertion loss and crosstalk are reduced.
An optical switch or a matrix optical switch that can realize switching between ports at appropriate intervals with a relatively low driving voltage is obtained. Further, channel waveguides provided between the incident end face and the first thin-film lens and between the output end face and the second thin-film lens can reduce crosstalk and reduce the divergence angle to the slab waveguide section. This is effective for uniformity and for relaxing the processing accuracy requirement of the end face.

【0045】本実施の形態のような2×2光スイッチの
作製には、まずNbドープSrTiO(100)単結
晶半導体の下部電極基板上へ、屈折率2.396の組成
のPZTバッファ層を膜厚1500nmでエピタキシャ
ル成長させ、次に屈折率2.420の組成のPLZT薄
膜光導波路を2000nmの膜厚でエピタキシャル成長
させる。薄膜レンズはバッファ層を成長の後、薄膜光導
波路の成長の前に、屈折率2.519の組成で膜厚15
00nmのエピタキシャルPZT薄膜をレンズ状にパタ
ーニングすることによってモード・インデックス型のレ
ンズを作製することができる。入射用端面と第1の薄膜
レンズの間と、出射用端面と第2の薄膜レンズとの間の
チャンネル導波路はPLZT薄膜光導波路を500nm
エッチングすることによって作製できる。また、入出射
端面は研磨によって形成することができる。二つのプリ
ズム型上部電極は、PZT薄膜光導波路上に膜厚200
nmのAlと膜厚200nmのITOからなる積層薄膜
を成膜した後、リフト・オフ法によって底辺200μ
m、高さ4000μmのプリズム形状に形成できる。プ
リズム電極の形状は、図3のようにする。
To manufacture a 2 × 2 optical switch as in this embodiment, first, a PZT buffer layer having a composition of 2.396 in refractive index was formed on a lower electrode substrate of Nb-doped SrTiO 3 (100) single crystal semiconductor. Epitaxial growth is performed with a thickness of 1500 nm, and then a PLZT thin film optical waveguide having a composition with a refractive index of 2.420 is epitaxially grown with a thickness of 2000 nm. After the growth of the buffer layer and before the growth of the thin-film optical waveguide, the thin-film lens has a composition with a refractive index of 2.519 and a thickness of 15 nm.
A mode index type lens can be manufactured by patterning a 00 nm epitaxial PZT thin film into a lens shape. The channel waveguide between the incident end face and the first thin-film lens and between the output end face and the second thin-film lens has a PLZT thin-film optical waveguide of 500 nm.
It can be manufactured by etching. Further, the input / output end face can be formed by polishing. The two prism-shaped upper electrodes are formed on the PZT thin-film optical waveguide with a thickness of 200 nm.
After forming a laminated thin film made of Al having a thickness of 200 nm and ITO having a thickness of 200 nm, the base 200 μm was formed by a lift-off method.
m and a height of 4000 μm. The shape of the prism electrode is as shown in FIG.

【0046】PLZTバッファ層、PZT薄膜光導波
路、およびPZT薄膜レンズ層の結晶学的関係は単一配
向のPLZT(100)薄膜光導波路//PZT(10
0)薄膜レンズ層//PZT(100)バッファ層//
Nb−SrTiO(100)基板、面内方位PLZT
[001]薄膜光導波路//PZT[001]薄膜レン
ズ層//PZT[001]バッファ層//Nb−SrT
iO[001]基板の構造が得られ、PLZT薄膜光
導波路の電気光学係数はr=120pm/V程度が得ら
れる。PLZTバッファ層の比誘電率1900、PZT
薄膜光導波路の比誘電率900、およびPLZTバッフ
ァ層の比誘電率1900より求められるPZT薄膜光導
波路の実効電圧は35%と、バッファ層を介しているに
もかかわらず高い効率で電圧を印加可能である。このよ
うな構成により、スイッチング電圧14V、クロストー
クが20dB以下、挿入損失が10dB以下の良好な光
スイッチが得られる。
The crystallographic relationship between the PLZT buffer layer, the PZT thin-film optical waveguide, and the PZT thin-film lens layer is such that the PLZT (100) thin-film optical waveguide having a single orientation // PZT (10
0) Thin film lens layer // PZT (100) buffer layer //
Nb-SrTiO 3 (100) substrate, in-plane orientation PLZT
[001] Thin film optical waveguide // PZT [001] Thin film lens layer // PZT [001] buffer layer // Nb-SrT
The structure of the iO 3 [001] substrate is obtained, and the electro-optic coefficient of the PLZT thin film optical waveguide is about r = 120 pm / V. PZT, relative dielectric constant of PLZT buffer layer 1900
The effective voltage of the PZT thin-film optical waveguide obtained from the relative dielectric constant of the thin-film optical waveguide of 900 and the relative dielectric constant of the PLZT buffer layer of 1900 is 35%, and the voltage can be applied with high efficiency despite the interposition of the buffer layer. It is. With such a configuration, a good optical switch having a switching voltage of 14 V, a crosstalk of 20 dB or less, and an insertion loss of 10 dB or less can be obtained.

【0047】次に本発明の第2の実施の形態による光ス
イッチを図4を用いて説明する。本実施の形態では図4
に示すような4×4マトリクス光スイッチを構成する。
また本実施の形態では第1の実施の形態と同様にして光
スイッチを作製することができるが、基板にはLaドー
プSrTiO(100)単結晶半導体、バッファ層、
光導波路、薄膜レンズにはそれぞれ屈折率の異なるエピ
タキシャルPZT薄膜を用いることができる。図4に示
す4×4光スイッチにおいては、基板の両端に光ファイ
バーからの入射用の端面7および光ファイバーへの出射
用の端面8を設け、入射用端面7には図には省略してあ
るが250μmの間隔でチャンネル光導波路が設けら
れ、このチャンネルを経て各光ファイバーからそれぞれ
平行に入射した光ビームはスラブ型光導波路部で発散
し、第1の薄膜レンズ9によって平行光とされた後、第
2の薄膜レンズ10によって出射用端面8へ集光され、
図4には省略してあるがチャンネル光導波路を経て各光
ファイバーへ入射する。
Next, an optical switch according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, FIG.
A 4 × 4 matrix optical switch as shown in FIG.
In this embodiment, an optical switch can be manufactured in the same manner as in the first embodiment. However, a La-doped SrTiO 3 (100) single crystal semiconductor, a buffer layer,
Epitaxial PZT thin films having different refractive indexes can be used for the optical waveguide and the thin film lens. In the 4 × 4 optical switch shown in FIG. 4, an end face 7 for incidence from the optical fiber and an end face 8 for emission to the optical fiber are provided at both ends of the substrate, and the end face 7 for incidence is omitted in the drawing. Channel optical waveguides are provided at intervals of 250 μm, and light beams incident parallel from the respective optical fibers via the channels are diverged in the slab-type optical waveguide portion, converted into parallel light by the first thin film lens 9, and The light is condensed on the emission end face 8 by the thin film lens 10 of FIG.
Although not shown in FIG. 4, the light enters each optical fiber through a channel optical waveguide.

【0048】この時、チャンネル光導波路11から入射
した光ビームが、第1の薄膜レンズ9のうちひとつによ
って平行光とされた後、第1の薄膜レンズ9と第2の薄
膜レンズ10との間で各平行レーザ光が重ならない位置
に設けられた第1のプリズム型上部電極5のうちひとつ
と、下部電極である基板1との間に電圧を印加すること
により図4の破線で示すように偏向され、さらに第1の
上部電極5から離れた位置に設けられた第2のプリズム
型上部電極6のうちひとつと、下部電極である基板1と
の間に電圧を印加することにより先の偏向と逆方向に偏
向され、第2の薄膜レンズ10によって集光されてチャ
ンネル光導波路13へ入射し、光経路を切り替えられ
る。同様にして、チャンネル光導波路12から入射した
光ビームは、チャンネル光導波路14へ光経路を切り替
えられる。
At this time, after the light beam incident from the channel optical waveguide 11 is converted into parallel light by one of the first thin film lenses 9, the light beam is transmitted between the first thin film lens 9 and the second thin film lens 10. By applying a voltage between one of the first prismatic upper electrodes 5 provided at positions where the parallel laser beams do not overlap with each other and the substrate 1 as the lower electrode, as shown by the broken line in FIG. The deflection is performed by applying a voltage between one of the second prism type upper electrodes 6 provided at a position distant from the first upper electrode 5 and the substrate 1 as the lower electrode. The light is condensed by the second thin film lens 10 and enters the channel optical waveguide 13 to switch the optical path. Similarly, the optical path of the light beam incident from the channel optical waveguide 12 is switched to the channel optical waveguide 14.

【0049】このような構造によって、入力と出力の任
意の光ファイバー同士の接続が可能となり、完全非閉塞
型の4×4マトリクス光スイッチを構成するのに必要な
光スイッチ素子の個数を8個に減少させることができ、
クロストークが20dB以下、挿入損失が10dB以下
と小さく、適切な間隔のポート間の切り替えを低駆動電
圧で実現できるマトリックス光スイッチが得られる。
With such a structure, arbitrary input and output optical fibers can be connected to each other, and the number of optical switch elements required to constitute a completely non-blocking 4 × 4 matrix optical switch is reduced to eight. Can be reduced,
A matrix optical switch having a small crosstalk of 20 dB or less and an insertion loss of 10 dB or less, and capable of realizing switching between ports at appropriate intervals with a low driving voltage can be obtained.

【0050】次に、本発明の第3の実施の形態による光
スイッチについて図5を用いて説明する。本実施の形態
の図5に示すような8×8マトリクス光スイッチを、第
1の実施の形態と同様にして作製することができる。図
5に示す8×8光スイッチにおいては、基板の両端に光
ファイバーからの入射用の端面7および光ファイバーへ
の出射用の端面8を設け、入射用端面7には図5には省
略していあるが125μmの間隔で8個のチャンネル光
導波路が設けられ、このチャンネルを経て各光ファイバ
ーからそれぞれ平行に入射した光ビームはスラブ型光導
波路部3で発散し、入射用のチャンネル光導波路端から
4mmの位置に8個設けられた第1の薄膜レンズ9によ
って平行光とされた後、出射用のチャンネル光導波路端
から4mmの位置に8個設けられた第2の薄膜レンズ1
0によって出射用端面8へ集光され、チャンネル光導波
路13および14を経て各光ファイバーへ入射する。
Next, an optical switch according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. An 8 × 8 matrix optical switch as shown in FIG. 5 of the present embodiment can be manufactured in the same manner as in the first embodiment. In the 8 × 8 optical switch shown in FIG. 5, an end face 7 for incidence from the optical fiber and an end face 8 for emission to the optical fiber are provided at both ends of the substrate, and the end face 7 for incidence is omitted in FIG. Are provided with eight channel optical waveguides at intervals of 125 μm, and light beams which are incident in parallel from the respective optical fibers via the channels diverge in the slab type optical waveguide portion 3 and are 4 mm from the end of the incident channel optical waveguide. After being collimated by the first thin film lenses 9 provided at the eight positions, eight second thin film lenses 1 provided at a position 4 mm from the end of the channel optical waveguide for emission
The light is condensed on the emission end face 8 by 0, and enters each optical fiber via the channel optical waveguides 13 and 14.

【0051】これに対し、チャンネル光導波路11から
入射した光ビームが、第1の薄膜レンズ9のうちひとつ
によって平行光とされた後、第1の薄膜レンズ9と第2
の薄膜レンズ10との間で各平行光となったレーザ光が
重ならない位置に8組設けられた底辺200μm、高さ
4000μmの第1のプリズム型上部電極5のうちひと
つと、下部電極である基板1との間に電圧を24V印加
することにより図5の破線で示すように最大29mra
d偏向され、さらに第1の上部電極5から30mm離れ
た位置に8組設けられた底辺200μm、高さ4000
μmの第2のプリズム型上部電極6のうちひとつと、下
部電極である基板1との間に電圧を24V印加すること
により先の偏向と逆方向に最大58mrad偏向され、
第2の薄膜レンズ10によって集光されてチャンネル光
導波路13へ入射し、光経路を切り替えられる。同様に
して、チャンネル光導波路12から入射した光ビーム
は、チャンネル光導波路14へ光経路を切り替えられ
る。
On the other hand, after the light beam incident from the channel optical waveguide 11 is converted into parallel light by one of the first thin film lenses 9, the first thin film lens 9
And one of the first prism-type upper electrodes 5 having a base of 200 μm and a height of 4000 μm provided at eight positions where the laser beams which have become parallel light do not overlap with the thin film lens 10 of FIG. By applying a voltage of 24 V between the substrate 1 and the substrate 1, as shown by the broken line in FIG.
and eight sets of bases 200 μm and height 4000 provided at positions 30 mm away from the first upper electrode 5.
When a voltage of 24 V is applied between one of the second prism-type upper electrodes 6 of μm and the substrate 1 as the lower electrode, the beam is deflected up to 58 mrad in a direction opposite to the previous deflection,
The light is condensed by the second thin-film lens 10 and enters the channel optical waveguide 13 to switch the optical path. Similarly, the optical path of the light beam incident from the channel optical waveguide 12 is switched to the channel optical waveguide 14.

【0052】このような構造によって、完全非閉塞型の
8×8マトリクス光スイッチを構成するのに必要な光ス
イッチ素子の個数を16個と少なくでき、スイッチング
電圧24V、マトリックス光スイッチの全長が50mm
程度とコンパクトで、クロストークが20dB以下、挿
入損失が10dB以下と小さく、適切な間隔のポート間
の切り替えを低駆動電圧で実現できるマトリックス光ス
イッチが得られる。
With such a structure, the number of optical switch elements required to constitute a completely non-blocking 8.times.8 matrix optical switch can be reduced to 16, the switching voltage is 24 V, and the total length of the matrix optical switch is 50 mm.
A matrix optical switch that is as compact as possible, has a low crosstalk of 20 dB or less and an insertion loss of 10 dB or less, and can realize switching between ports at appropriate intervals with a low driving voltage.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、光ファイ
バーなどの光路切換機能を有する導波路型光スイッチを
構成するのに必要な光スイッチ素子の個数を少なくで
き、挿入損失やクロストークが小さく、適切な間隔のポ
ート間の切り替えを駆動電圧とバランスのとれたサイズ
で実現できる光スイッチまたはマトリクス光スイッチ
を、温度安定性の高い酸化物強誘電体薄膜によって実現
することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the number of optical switch elements required to constitute a waveguide type optical switch having an optical path switching function such as an optical fiber, and to reduce insertion loss and crosstalk. An optical switch or a matrix optical switch capable of realizing switching between small and appropriately spaced ports with a size balanced with the driving voltage can be realized by an oxide ferroelectric thin film having high temperature stability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】光導波路における電界分布の原理図である。FIG. 1 is a principle diagram of an electric field distribution in an optical waveguide.

【図2】光導波路/バッファ層/基板の等価回路を示す
図である。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of an optical waveguide / buffer layer / substrate.

【図3】本発明の第1の実施の形態による光スイッチの
概略の構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施の形態による光スイッチの
概略の構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施の形態による光スイッチの
概略の構成を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of an optical switch according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 導電性基板 2 バッファ層 3 薄膜光導波路 4 クラッド層 5、6 プリスム型上部電極 7 入射端面 8 出射端面 9、10 薄膜レンズ 11、12、13、14 チャンネル光導波路 REFERENCE SIGNS LIST 1 conductive substrate 2 buffer layer 3 thin film optical waveguide 4 clad layer 5, 6 prismatic upper electrode 7 incident end face 8 emission end face 9, 10 thin film lens 11, 12, 13, 14 channel optical waveguide

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】導電性または半導電性の下部電極となる単
結晶基板と、 前記単結晶基板表面に形成されたエピタキシャルまたは
単一配向性の酸化物バッファ層と、 前記バッファ層上に設けられ、前記バッファ層よりも大
きい屈折率を有するエピタキシャルまたは単一配向性の
電気光学効果を有する酸化物強誘電体薄膜の光導波路
と、 前記単結晶基板の光入射用端面側に設けられ、N(1≦
N)個の入射光を平行光にする第1の薄膜レンズと、 前記N個の平行光をそれぞれ偏向させるN個の第1のプ
リズム型上部電極と、 偏向させられた前記N個の平行光をさらにそれぞれ偏向
させるN個の第2のプリズム型上部電極と、 前記単結晶基板の光出射用端面側に設けられ、前記N個
の第2のプリズム型上部電極により偏向した前記平行光
を集光して前記光射出用端面からM(1≦M)個の出射
光として出射させる第2の薄膜レンズとを備えたことを
特徴とする光スイッチ。
1. A single crystal substrate serving as a conductive or semiconductive lower electrode, an epitaxial or single orientation oxide buffer layer formed on a surface of the single crystal substrate, and provided on the buffer layer An optical waveguide of an oxide or ferroelectric oxide thin film having an electro-optic effect having a refractive index larger than that of the buffer layer and having an electro-optical effect of a single orientation; and N ( 1 ≦
N) first thin-film lenses that convert the incident light into parallel light, N first prism-type upper electrodes that respectively deflect the N parallel light, and the N parallel light that is deflected. N second prism-type upper electrodes for further deflecting the parallel light, and the parallel light beams provided on the light-emitting end face side of the single crystal substrate and deflected by the N second prism-type upper electrodes. An optical switch, comprising: a second thin-film lens that emits light to emit M (1 ≦ M) outgoing light from the end surface for light emission.
【請求項2】請求項1記載の光スイッチにおいて、 前記光導波路と前記上部電極の間には、前記光導波路よ
り小さい屈折率を有する酸化物クラッド層が設けられて
いることを特徴とする光スイッチ。
2. An optical switch according to claim 1, wherein an oxide cladding layer having a smaller refractive index than said optical waveguide is provided between said optical waveguide and said upper electrode. switch.
【請求項3】請求項1又は2に記載の光スイッチにおい
て、 前記単結晶基板の表面には、導電性または半導電性のエ
ピタキシャルまたは単一配向性の薄膜が形成されている
ことを特徴とする光スイッチ。
3. The optical switch according to claim 1, wherein a conductive or semiconductive epitaxial or unidirectional thin film is formed on the surface of the single crystal substrate. Light switch.
【請求項4】請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光
スイッチにおいて、 前記入射用端面と前記第1の薄膜レンズとの間、及び前
記出射用端面と前記第2の薄膜レンズとの間に、チャン
ネル導波路が設けられていることを特徴とする光スイッ
チ。
4. The optical switch according to claim 1, wherein said optical switch is disposed between said incident end face and said first thin-film lens, and between said output end face and said second thin-film lens. An optical switch, wherein a channel waveguide is provided between the optical switches.
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