JP2004077765A

JP2004077765A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2004077765A
Application number: JP2002237530A
Authority: JP
Inventors: Hideki Miyazaki; 宮崎　英樹; Hiroshi Miyazaki; 宮嵜　博司; Kenjiro Miyano; 宮野　健次郎
Original assignee: National Institute for Materials Science; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-16
Also published as: JP4006507B2

Abstract

【課題】高度な微細加工技術を必要とせずに簡単な構造で実現でき、難しい制御も不要な光スイッチを提供する。
【解決手段】入力用光導波路１０２と、第１及び第２の出力用光導波路１０４，１０５と前記入力用光導波路１０２と第１及び第２の出力用光導波路１０４，１０５の間に配置された近接または密着した使用波長において透明な入力側球１０９と出力側球１１０と、前記入力用光導波路１０２から出射した光の進行方向に対して前記入力側球１０９と出力側球１１０の中心を結ぶ軸のなす角を変化させる電圧が印加される第１及び第３の電極１０６，１０８と第２の電極（共通電極）１０７を設ける。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測において用いられている、光ファイバや光導波路間の接続を切り換える光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに実用化されてきた光スイッチの代表例としては、根本だけを固定して先端が自由に移動できる１本の入力用光ファイバの先端付近にニッケル製の筒を取り付け、これに２本の出力用光ファイバを対向させて配置しておき、外部に設けた電磁石によって前記１本の入力用光ファイバ自体を移動させ、前記２本の出力用光ファイバのいずれか１本に対向するようにストッパーに対して押し付ける機械式光スイッチがある。
【０００３】
また、その他にこれまで実用化されている方式として、石英製の平面光導波路にヒータをパターニングし、温度による屈折率の変化とマッハツェンダー干渉計を組み合わせる干渉式光スイッチがある。
【０００４】
上記の方式以外にも、将来の実用化を目指して様々な方式が開発されている。マイクロマシニング技術を利用して、機械式のスイッチを小型化・集積化しようとするものがその代表例で、可動マイクロミラーを静電気で駆動する方法、片持ち構造の光導波路を静電気や磁気によって移動する方法、封入された液体を熱により移動する方法などが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した光ファイバを電磁石によって移動させる機械式光スイッチは、構造が簡潔である反面、大きな構造体を移動させるので切替速度が遅く、集積化には不向きで、機械的な損傷の可能性も高かった。
【０００６】
また、上記石英製の平面光導波路による干渉式光スイッチは集積化に適しているが、正確な干渉状態を維持するためには出力側からのフィードバックが不可欠で、システム全体としては構成が複雑であった。更に、可動部がない代わりに、加熱・冷却を繰り返す必要があるので、やはり長期的な安定性には不安があった。
【０００７】
一方、マイクロマシニング技術による各種新方式は、理想的には安価で大規模な集積が可能とされているが、高度で複雑な微細加工技術を駆使するものであるので、作製上の歩留まりを考えると、現実には大規模に集積化された素子を安価に提供することは困難である。
【０００８】
また、例えば、マイクロミラーのような幾何光学的素子を用いる方法の場合には、光ビームを幾何光学的に反射するためには数１０μｍ程度の大きさのミラーが必要であったので、集積化できる密度も限られていた。更に、シリコンなどの半導体材料を用いる方法は、シングルモード光ファイバとのモードマッチングや偏光依存性の解消のために、特別な考慮が必要であった。
【０００９】
このように光スイッチは極めて基本的な素子であるにもかかわらず、これを実現する決定的な手法はいまだに存在していない。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、形状精度や寸法精度の高いものが容易に安価に入手できる球をスイッチング用の部品として用い、近接あるいは密着した２個の透明な球が示す鏡面共鳴現象を利用することにより、高度な微細加工技術を必要とせずに簡単な構造で実現でき、集積化に適した、難しい制御も不要な光スイッチを提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光スイッチにおいて、入力用光導波路と、出力用光導波路と、前記入力用光導波路と出力用光導波路の間に配置された近接または密着した使用波長において透明な入力側球と出力側球と、前記入力用光導波路から出射した光の進行方向に対して前記入力側球と出力側球の中心を結ぶ軸のなす角を変化させる駆動手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球を取り巻く媒質に対する入力側球と出力側球の相対屈折率が１．３から２．２であることを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔１〕記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の直径が１μｍから５ｍｍであることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕記載の光スイッチにおいて、前記２個の球（入力側球：出力側球又は出力側球：入力側球）の直径の比が１：１から１：４であることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の光スイッチにおいて、１本の入力用光導波路と２本の出力用光導波路から構成される１入力２出力型であることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の光スイッチにおいて、２本の入力用光導波路と１本の出力用光導波路から構成される２入力１出力型であることを特徴とする。
【００１７】
〔７〕上記〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の動きを拘束する凹部を設けたことを特徴とする。
【００１８】
〔８〕上記〔７〕記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の周囲に３個以上の電極を設け、それらの間に印加する電圧を切り換えることにより、前記入力側球と出力側球の中心を結ぶ軸が入力用光導波路から出射した光となす角を変化させることを特徴とする。
【００１９】
〔９〕上記〔７〕記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の少なくともどちらか１個の球の表面を親水性、前記凹部の壁面を疎水性としたことを特徴とする。
【００２０】
〔１０〕上記〔７〕記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の少なくともどちらか１個の球の表面を疎水性、前記凹部の壁面を親水性としたことを特徴とする。
【００２１】
〔１１〕上記〔７〕記載の光スイッチにおいて、前記凹部に液体を充填したことを特徴とする。
【００２２】
鏡面共鳴現象とは、周囲の媒質に対して１．３から２．２という相対屈折率を持つ２個の透明球が近接もしくは密着している場合に、２個の球の中心を結ぶ軸に対して斜めに入射した光線が、あたかも軸の部分に鏡が置かれているかのように強く鏡面反射する光散乱現象である。
【００２３】
この鏡面反射が起こるのは２個の球の直径が等しい場合であるが、２個の球の直径が異なる場合には、その直径の比および入射方向で決まる特定の方向に出射する（この場合の出射方向は正確には鏡面反射方向ではないが、本質的には同じ原理に基づいた現象であるので、同様に鏡面共鳴と呼ぶ）。また、このような現象を示す球の直径の範囲は非常に広く、例えば波長４００から７００ｎｍ程度の可視光に対しては、直径１μｍくらいの微小な球から無限に大きな球までで鏡面共鳴が同様に観察される。
【００２４】
この現象は、実験結果と計算結果に基づいて、Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｈ．Ｍｉｙａｚａｋｉ　ａｎｄ　Ｋ．Ｍｉｙａｎｏ，“Ａｎｏｍａｌｏｕｓ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｉｓｐｈｅｒｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｕｌａｒ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ”，Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１４，ｐｐ．１２０８−１２１０（２００２）にて詳しく説明されている。
【００２５】
要するに、２個の透明球は、それが１つのマイクロミラーであるかのように光を偏向する働きがあるので、入射光に対して２個の球を結ぶ軸がなす角を変化させると、光の出射する向きを切り換えることができる。また、可動部分が球だけなので、静電力などの力により、容易、かつ高速にスイッチングすることができる。このとき、球の動きを拘束する構造物を設けておけば、静電力の大きさを特に制御しなくてもデジタル的に電圧を切り換えるだけでスイッチングできる。
【００２６】
鏡面共鳴現象は、通常は幾何光学現象が起こらないとされている、わずか直径１μｍという微小な球からも発現可能な特殊な幾何光学現象であるので、高密度に集積化された光導波路回路に適している。しかし、それだけでなく、同じ原理を広範囲に適用できるので、波長の数１００倍の直径を持ったコリメートされた光ビームのスイッチングにも利用できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の第１実施例を示す光スイッチの構成図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ′線断面図、図１（ｃ）はその斜視図である。ここでは、平面的な高分子製の光導波路回路に適用した例を示す。
【００２９】
これらの図において、１０１は光導波路基板、１０２は入力用光導波路、１０３はその入力用光導波路１０２の後端部に臨む、角の丸いくさび形の垂直孔、１０４はその垂直孔１０３にその先端部が臨む第１の出力用光導波路、１０５はその垂直孔１０３にその先端部が臨む第２の出力用光導波路、１０６はその垂直孔１０３にその先端部が臨む第１の出力用光導波路１０４側に配置される第１の電極、１０７はその垂直孔１０３にその先端部が臨む第１の出力用光導波路１０４と第２の出力用光導波路１０５の間に配置される第２の電極、１０８はその垂直孔１０３にその先端部が臨む第２の出力用光導波路１０５側に配置される第３の電極、１０９は垂直孔１０３の入力用光導波路１０２側に配置され、直径１０μｍ、屈折率１．８の透明ガラス球からなる入力側球、１１０は垂直孔１０３の第１及び第２出力用光導波路１０４，１０５側に配置され、直径１０μｍ、屈折率１．８の透明ガラス球からなる出力側球、１１１はガラスあるいは高分子性の封止層である。
【００３０】
ここで、光導波路１０２，１０４，１０５の断面は１辺６μｍの正方形で、これは一般的な光通信用光ファイバにマッチングするサイズである。
【００３１】
また、垂直孔１０３は、入力用光導波路１０２が配置される側は入力側球１０９がほぼ嵌合する幅を有し、第１及び第２の出力用光導波路１０４，１０５側は幅が広くなっており、その深さは球１０９，１１０の直径より若干大きくなっており、これらの球１０９，１１０はどこにも固定されていないため可動である。
【００３２】
垂直孔１０３は遊嵌空間内で出力側球１１０が第１の電極１０６と第２の電極１０７の作用により第１の出力用光導波路１０４にオンしたり、第２の電極１０７と第３の電極１０８の作用により第２の出力用光導波路１０５にオンしたりできるように構成されている。
【００３３】
このような垂直孔１０３はフォトリソグラフィとドライエッチングを用いることにより容易に作製できる。特に光導波路１０２，１０４，１０５の材質が高分子の場合には、酸素を用いた反応性イオンエッチングを用いることにより、効率よく高精度な加工が実現できる。
【００３４】
この垂直孔１０３の断面形状は、入力側球１０９はくさびの先端部分にほぼ嵌まりこむように構成されており、出力側球１１０はそれに対して多少自由に動けるが、２個の球１０９，１１０の中心を結ぶ軸が入力用光導波路１０２に対して±２０度の範囲で拘束され、２個の球１０９，１１０の位置が垂直孔１０３の中で自由に入れ替わることができないように設計されている。
【００３５】
また、ここで球１０９，１１０として用いられているような高屈折率ガラス球は、交通用塗料に使用される反射粒子として大量生産されており、容易に入手できる。このような微小な球を垂直孔に正確に配置することは困難なことではなく、垂直孔を加工した基板上に、球を適切な溶媒に分散した懸濁液を流すと、自動的に２個の粒子が垂直孔に入り込むことが知られている。
【００３６】
この手法は、Ｙ．Ｙｉｎ　ａｎｄ　Ｙ．Ｘｉａ，Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆ　Ｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｅｄ　Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｏｉｄｓｉｎｔｏ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ＷｅｌｌＤｅｆｉｎｅｄ　Ｓｉｚｅｓ，Ｓｈａｐｅｓ，ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１３，ｐｐ．２６７−２７１（２００１）にて詳しく述べられている。
【００３７】
なお、図１は、光導波路基板１０１上に多数の光スイッチが集積化された回路の一部分を切り出して描いたものである。入力用光導波路１０２は入力用光ファイバに接続されている場合もあるし、前段階の光スイッチや合分波器などの光導波路デバイスの出力用光導波路に接続されている場合もある。
【００３８】
同様に、第１の出力用光導波路１０４や第２の出力用光導波路１０５はそのまま出力用光ファイバに接続されている場合もあるし、後段階の光導波路デバイスの入力用光導波路に接続されている場合もある。
【００３９】
このような光導波路回路に光ファイバを接続するには、従来の平面光導波路型光スイッチや光合分波器にて行われているように、基板端面に先端を劈開した光ファイバを押し付け、接着剤にて固定するのが一般的である。また、その際、正確に光導波路端面と光ファイバの導波路を位置合わせするために、ガラス製やシリコン製のＶ溝基板を利用する。
【００４０】
図２は本発明の第１実施例を示す光スイッチの動作説明図であり、図２（ａ）は第１の出力用光導波路への切り換え状態を示す図、図２（ｂ）は第２の出力用光導波路への切り換え状態を示す図である。
【００４１】
垂直孔１０３に収納された２個の球１０９，１１０は、垂直孔１０３を取り巻くようにパターニングされた３つの電極１０６，１０７，１０８に印加する電圧に応じて、管壁のいずれかの面に引き付けられるように固定される。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、第２の電極１０７を接地し、第１の電極１０６に電圧（例えば５Ｖ）を印加した場合には（第３の電極１０８は開放）、第１の電極１０６−第２の電極１０７間に電気力線が発生する。この時、出力側球１１０は、不均一電界により生じるグラディエント力と呼ばれる静電力によって、第１の電極１０６−第２の電極１０７間に引き寄せられる（正の誘電泳動）。
【００４３】
このように配置された２個の球１０９，１１０に入力用光導波路１０２からの光が入射すると、光はあたかもＱで示したミラーが仮想的に存在するかのように鏡面反射される（鏡面共鳴現象）。その結果、光は第１の出力用光導波路１０４に向かって進んで行く。
【００４４】
一方、図２（ｂ）に示すように、第２の電極１０７を接地し、第３の電極１０８に電圧を印加した場合には、第２の電極１０７−第３の電極１０８間に電気力線が発生し、光は鏡面共鳴現象により第２の出力用光導波路１０５に向かって進んで行く。
【００４５】
このように、第１の電極１０６と第３の電極１０８の電圧を操作することにより、光をスイッチングすることができる。なお、光導波路基板１０１（図１参照）には球１０９，１１０の配置の後、ガラスあるいは高分子性の封止層１１１が被せられており、球１０９，１１０は垂直孔１０３から外に出ることができないよう拘束されている。
【００４６】
なお、上記した実施例では２個の球１０９，１１０を接合しておらず、また、垂直孔１０３の寸法は球１０９，１１０が自由に動けるように正の公差を持って製作されているので、球１０９と球１１０の間には有限の間隙ができる可能性があるが、鏡面共鳴現象は球と球が半径程度離れるまで起こるので、光スイッチとしての動作上の問題はない。
【００４７】
また、先述のＹ．Ｙｉｎ　ａｎｄ　Ｙ．Ｘｉａによる文献には、２個の球を加熱することにより接点部分で融合して連結する方法も紹介されているが、このような連結粒子を用いても良い。なお、最適な伝送効率や消光比を得るには、垂直孔１０３の中で２個の球１０９，１１０のなす軸が回転できる角度（上の実施例では±２０度）と球１０９，１１０の屈折率の関係、垂直孔１０３の寸法の球１０９，１１０の直径に対する公差、出力用光ファイバ端面の位置や角度を注意深く選ぶ必要がある。また、印加電圧は直流に限らず、交流や単一極性のパルス列などとしても良い。
【００４８】
以上が本発明の基本的な実施例であるが、安定した動作の実現にはいくつかの工夫が必要である。例えば、μｍサイズの微小な物体は、一度他の物体と接触してしまうと外部から印加した電圧による静電力程度の力では引き剥がせないことが多い。それは、ファンデルワールス力や界面付近に局在した電荷による静電力、界面のエッジに凝縮した水のメニスカス力により、微小物体が最初に接触した界面に強固に吸着されてしまうからである。そのため、一度接触してしまったら図２（ａ）と図２（ｂ）の状態を静電力だけで自在に切り換えることはそう容易ではない。
【００４９】
吸着を防止する一つの有効な方法として、例えば、出力側球１１０の表面を親水性、垂直孔１０３の管壁表面、封止層１１１の内面、入力側球１０９の表面など、出力側球１１０が接するすべての物体の表面を疎水性に処理しておく方法がある。この場合、出力側球１１０の表面には製作過程において分子層レベルの水の膜が形成されている。それに対して、他の表面はこの水の膜を排斥しようとするので、球と管壁の吸着力は弱められる。
【００５０】
なお、本実施例では高分子性の光導波路を用いた例を説明したので、出力側球１１０を親水性、垂直孔１０３の管壁等を疎水性として説明したが、両者が入れ替わっても同様の効果は得られる。
【００５１】
さらに、垂直孔１０３内を炭化水素あるいは水などの液体で充填すると、液体は常に球と壁面を引き離そうとするので、出力側球１１０は常に周囲のいずれの物体にも吸着されず、ただ静電力分布によってのみ位置が制御される。
【００５２】
ところで、垂直孔１０３に液体を充填した場合に光スイッチを期待通りに動作させるには、いくつかの注意が必要である。
【００５３】
まず、充填した液体と球の誘電率の関係に応じて、電圧を加えたときの球の挙動が異なる。液体の誘電率が球の誘電率よりも低い場合には、図２と同じ現象が起こる（正の誘電泳動）。
【００５４】
しかし、液体の誘電率が球の誘電率よりも高い場合には、負の誘電泳動が起こり、図２（ａ）のように第１の電極１０６−第２の電極１０７間に電圧を加えると、球１１０は逆に電気力線から排除される向きに移動して第３の電極１０８側の壁面に押し付けられ、光は逆に第２の出力用光導波路１０５側にスイッチングされることになる。水のような大きな誘電率を持つ液体を用いた場合には、たいていの場合、負の誘電泳動が起こる。また、液体の屈折率に応じて、必要な球の屈折率が異なる。鏡面共鳴現象において重要なパラメータは、球そのものの屈折率ではなくて、球とそれを取り巻く媒質の屈折率の比（相対屈折率）である。
【００５５】
従って、例えば、液体の屈折率が１．３であるとすると、図２と同様の動作を実現するには、球の媒質に対する相対屈折率が１．８となるように、球の屈折率を２．３４とする必要がある。球の材質を特殊な高屈折率ガラスや酸化チタンにすれば、この程度の屈折率を実現することは可能である。
【００５６】
以上、球の吸着による動作不良を防止するためのいくつかの方法について述べたが、適度な吸着力はむしろ安定性や省電力化に役立つ場合もある。表面のコーティング材料や表面粗さ、封入液体の適切な選択によって適度な吸着力を実現しておけば、印加電圧により再現性良くスイッチングでき、なおかつ、電圧を切っても、吸着力によりスイッチング状態が維持できる自己保持性も実現できる。
【００５７】
図３は本発明の第２実施例を示す光スイッチの構成図であり、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）はそのＢ−Ｂ′線断面図、図３（ｃ）はその斜視図である。ここでは、光ファイバを自由に接続して用いることのできる、大きなサイズの光スイッチの一つの実現例を示した。
【００５８】
これらの図において、２００は光スイッチ基板、２０１は入力用光導波路、２０２は入力用光ファイバ、２０３は割りスリーブ管、２０４はマイクロキャピラリ、２０５はセルフォックレンズ、２０６はスクリューキャップ、２０７は垂直孔、２１０は第１の出力用光導波路、２１１は第１の出力用光ファイバ、２１２は割りスリーブ管、２１３はマイクロキャピラリ、２１４はセルフォックレンズ、２１５はスクリューキャップ、２２０は第２の出力用光導波路、２２１は第２の出力用光ファイバ、２２２は割りスリーブ管、２２３はマイクロキャピラリ、２２４はセルフォックレンズ、２２５はスクリューキャップ、２３１は第１の電極、２３２は第２の電極、２３３は第３の電極、２３４は第４の電極、２４１は入力側球、２４２は出力側球、２４３は封止層である。
【００５９】
この実施例では、数ｍｍサイズの大きな球２４１，２４２を用いている。各光ファイバはマイクロキャピラリのテーパ端から挿入し、セルフォックレンズに押し当て、割りスリーブ管にスクリューキャップを締め付けることにより、光スイッチ基板２００に固定することができる。入力用光ファイバ２０２からの光はセルフォックレンズ２０５でコリメートされ、入力側球２４１に入射する。図１と同様に、２個の透明な球２４１，２４２が角の丸いくさび形の垂直孔２０７に収納されており、球２４１，２４２は電圧の印加により入射光に対する角度を変えられるようになっている。この例では４個の電極２３１〜２３４を用いる例を示している。
【００６０】
図４は本発明の第２実施例を示す光スイッチの動作説明図であり、図４（ａ）は第１の出力用光導波路への切り換え状態を示す図、図４（ｂ）は第２の出力用光導波路への切り換え状態を示す図である。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、第１の電極２３１と第２の電極２３２の間に電圧を印加すると、球２４１，２４２は第１の電極２３１と第２の電極２３２側に引き寄せられ、光は第１の出力用光ファイバ２１１側のセルフォックレンズ２１４に入射し、再び光ファイバ端面に集光され、第１の出力用光ファイバ２１１へと出力される。
【００６２】
また、図４（ｂ）に示すように、第３の電極２３３と第４の電極２３４の間に電圧を印加した場合も同様に、第２の出力用光ファイバ２２１へ出力される。また、垂直孔２０７内壁や球２４１，２４２の表面処理、垂直孔２０７への液体の封入の効果、その時の動作の違いについては図１の例と同様である。球２４１，２４２を接合してもしなくても良いのも同様であるが、この実施例では、垂直孔２０７の寸法が数ｍｍとやや大きめになっているので、安定に動作させるには球２４１，２４２を連結した方がよい。
【００６３】
図３に示すように、数ｍｍサイズの球を用いる場合には、角の丸いくさび形の垂直孔２０７の形状設計には注意が必要である。このような波長に対して大きな球における鏡面共鳴現象では、球に対する光の入射位置が効率に大きな影響を与える。厳密には光線追跡法により正確に計算する必要があるが、例えば、屈折率が１．８の場合には、光を反射したい向きとは逆の向きに、球の中心から球の半径の半分だけずれた点に光を入射した時に最も高い効率で光を伝送できる。
【００６４】
図３と図４ではそれぞれのスイッチング状態の時に、最適な位置に光が入射するよう、入力側の球もシフトできるような垂直孔形状としてある。
【００６５】
図５は本発明の第３実施例を示す光スイッチの要部平面図であり、第１実施例の変形例である。
【００６６】
この図において、３０１は光導波路基板、３０２は入力用光導波路、３０３はその入力用光導波路３０２の後端部に臨む、角の丸いくさび形の垂直孔、３０４はその垂直孔３０３にその先端部が臨む第１の出力用光導波路、３０５はその垂直孔３０３にその先端部が臨む第２の出力用光導波路、３０６はその垂直孔３０３にその先端部が臨む第１の出力用光導波路３０４側に配置される第１の電極、３０７はその垂直孔３０３にその先端部が臨む第１の出力用光導波路３０４と第２の出力用光導波路３０５の間に配置される第２の電極、３０８はその垂直孔３０３にその先端部が臨む第２の出力用光導波路３０５側に配置される第３の電極、３０９は垂直孔３０３の入力用光導波路３０２側に配置され、直径の大きな透明ガラス球からなる入力側球、３１０は垂直孔３０３の第１及び第２出力用光導波路３０４，３０５側に配置される直径の小さな透明ガラス球からなる出力側球である。
【００６７】
図５に示したように、２個の球３０９，３１０の大きさが異なっても、鏡面共鳴現象は起こるが、その場合には、入射角と出射角の関係が球３０９，３１０の直径の比に応じて変化する。入力側球３０９の直径が大きく、出力側球３１０の直径が小さい場合には、わずかの入射角の変化で出射角は大きく変化する。
【００６８】
図５では、球の直径の比を３：１と選ぶことにより、約７０度という大きな分岐角度を実現している。逆に入力側球３０９の直径が小さい場合には、大きな入射角の変化に対して出射角はあまり変化しない。このようなケースは出射角を安定化させるためには有効である。
【００６９】
ところで、光スイッチにおいて求められる重要な一つの特性は、入射光の偏光状態に動作が依存しないことである。鏡面共鳴現象は本質的に誘電体界面での屈折現象に起因しているので、フレネルの法則により、偏光によって効率が異なる。しかし、球の表面にコーティングや微細凹凸加工などの適切な反射防止加工を施すことにより、フレネル損失を除去し、偏光無依存の光スイッチを実現することができる。本発明は、球の表面にこのような加工を施す事例も含んでいる。なお、μｍサイズの球の場合には、球の屈折率をうまく選択することによっても偏光無依存となる条件を見つけ出すことができる。
【００７０】
以上に述べた実施例ではすべて、１つの入力用光導波路と２つの出力用光導波路を光スイッチにて接続する例を取り上げたが、反体側から光を入射した場合には、２つの入力信号の内のいずれか一つを出力する光スイッチとなる。本発明は当然のこのような例も包含している。この場合には、上記した入力用光導波路と出力用光導波路をそれぞれ出力用光導波路と入力用光導波路と読み替えればよい。
【００７１】
また、図３の第２実施例でも示したように、本発明の光導波路とは光ファイバやそれにコリメータを接続した系なども包含している。また、本発明の電極配置は図１や図３に示した例に限らない。例えば、図１の第１実施例の第２の電極１０７（共通電極）の代わりに基板背面の接地電極を用いても良い。
【００７２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、集積化に適した、簡便に構成できる光スイッチを提供することができる。
【００７４】
より具体的には、本発明で光スイッチングのための部品として用いる球としては、直径数μｍのものから数ｍｍのものまで、様々な材質でできた形状精度や寸法精度の高いものが容易に安価に入手できる。また、光スイッチングのために必要な加工は、通常の光導波路回路に垂直なエッチングを施すだけの簡単なものである。球を垂直孔に配置する工程も、自己集積的に実現することができる。
【００７５】
更に、電圧印加により球を壁面に引き付ける（あるいは押し付ける）だけの、特に難しい制御を要しないデジタル的な操作だけで光をスイッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光スイッチの構成図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す光スイッチの動作説明図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す光スイッチの構成図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す光スイッチの動作説明図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す光スイッチの要部平面図である。
【符号の説明】
１０１，３０１　　光導波路基板
１０２，２０１，３０２　　入力用光導波路
１０３，２０７，３０３　　垂直孔
１０４，２１０，３０４　　第１の出力用光導波路
１０５，２２０，３０５　　第２の出力用光導波路
１０６，３０６　　第１の電極
１０７，３０７　　第２の電極（共通電極）
１０８，３０８　　第３の電極
１０９，２４１，３０９　　入力側球
１１０，２４２，３１０　　出力側球
１１１，２４３　　封止層
２００　　光スイッチ基板
２０２　　入力用光ファイバ
２０３，２１２，２２２　　割りスリーブ管
２０４，２１３，２２３　　マイクロキャピラリ
２０５，２１４，２２４　　セルフォックスレンズ
２０６，２１５，２２５　　スクリューキャップ
２１１　　第１の出力用光ファイバ
２２１　　第２の出力用光ファイバ
２３１　　第１の電極
２３２　　第２の電極
２３３　　第３の電極
２３４　　第４の電極

Claims

（ａ）入力用光導波路と、
（ｂ）出力用光導波路と、
（ｃ）前記入力用光導波路と出力用光導波路の間に配置された近接または密着した使用波長において透明な入力側球と出力側球と、
（ｄ）前記入力用光導波路から出射した光の進行方向に対して前記入力側球と出力側球の中心を結ぶ軸のなす角を変化させる駆動手段とを具備することを特徴とする光スイッチ。
請求項１記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球を取り巻く媒質に対する入力側球と出力側球の相対屈折率が１．３から２．２であることを特徴とする光スイッチ。
請求項１記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の直径が１μｍから５ｍｍであることを特徴とする光スイッチ。
請求項１記載の光スイッチにおいて、前記２個の球の直径の比が１：１から１：４であることを特徴とする光スイッチ。
請求項２、３又は４記載の光スイッチにおいて、１本の入力用光導波路と２本の出力用光導波路から構成される１入力２出力型であることを特徴とする光スイッチ。
請求項２、３又は４記載の光スイッチにおいて、２本の入力用光導波路と１本の出力用光導波路から構成される２入力１出力型であることを特徴とする光スイッチ。
請求項２、３又は４記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の動きを拘束する凹部を設けたことを特徴とする光スイッチ。
請求項７記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の周囲に３個以上の電極を設け、それらの間に印加する電圧を切り換えることにより、前記入力側球と出力側球の中心を結ぶ軸が入力用光導波路から出射した光となす角を変化させることを特徴とする光スイッチ。
請求項７記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の少なくともどちらか１個の球の表面を親水性、前記凹部の壁面を疎水性としたことを特徴とする光スイッチ。
請求項７記載の光スイッチにおいて、前記入力側球と出力側球の少なくともどちらか１個の球の表面を疎水性、前記凹部の壁面を親水性としたことを特徴とする光スイッチ。
請求項７記載の光スイッチにおいて、前記凹部に液体を充填したことを特徴とする光スイッチ。