【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に好適に用いられるポリマーにより形成されるアーム加熱型マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信用途に用いられる光スイッチとして様々なものが提案され、また実用となっているものがあるが、低コスト化、低消費電力化が要求されている。この要求に応えるべく、ポリマーにより形成されるアーム加熱型マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチの検討が行われている（例えば非特許文献１： Ｈｉｄａ， Ｙ． ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ． ３６（２７）， ６８２８ （１９９７））。ここでは、ポリマーを利用することにより低コスト化、マッハツェーンダー干渉計配置を応用することで低消費電力化が、ポリマーよりも熱伝導率の高いＳｉ基板上にポリマー光導波路を作製することでスイッチ動作の高速化が図られている。
しかし本発明者らの研究によれば、従来の光スイッチは、光スイッチの消光比が入力光の偏光状態に大きく依存することがわかった。
【０００３】
【非特許文献１】Ｈｉｄａ， Ｙ． ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ． ３６（２７）， ６８２８ （１９９７）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、入力光の偏光状態にたいするスイッチ消光比の依存性を低減したアーム加熱型マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチを提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光導波路を構成するコアおよびクラッドがポリマーにより形成されるアーム加熱型マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチにおいて、干渉計アームのコアの両側にその底部がコアよりも低い位置に位置する溝構造を有することを特徴とする。
【０００６】
実用的な光スイッチとしては、スイッチ消光比の入力光の偏光状態にたいする依存性が非常に小さいことが望まれる。しかしながら、発明者らの検討の結果、従来技術の構成においては、アームの加熱によるスイッチ時に光スイッチの消光比が入力の偏光状態に依存して悪化することが判明した。
【０００７】
スイッチ時の消光比が入力の偏光状態に依存する機構は以下のように考えた。マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチでは、干渉計アームを構成する光導波路の一方を非加熱／加熱とする二状態でスイッチ動作が行われる。光導波路を非加熱とした状態では、両アームの光導波路に複屈折があったとしても、構造の対称性と光スイッチ作製の一様性が保たれていれば、両アームの偏光軸の方向は一致し、また、両アームの光学長差は光スイッチ入力光の偏光成分毎にゼロとなるため、光スイッチの消光比は偏光状態に依存しない。
【０００８】
ところが、一方のアームのみを加熱するスイッチ時には、Ｓｉ基板とポリマーの熱膨張の差により、光導波路内のＳｉ基板面に平行な方向の圧縮応力が増加する。また、加熱電極からＳｉ基板に向う二次元的な温度勾配に沿ってポリマーの熱膨張量に二次元的な勾配ができることに加え、加熱電極上部が応力開放状態となっていることから、アームの光導波路断面内で非一様な剪断応力が発生する。以上の応力変化の総和として、光導波路には複雑な応力場が発生するが、特に光導波路断面の面内応力成分の存在は光弾性効果をとおして光導波路に複屈折変化を生じせしめることとなる。
【０００９】
その結果、加熱側アームと非加熱側アームの間で光導波路の偏光軸の不一致ならびに複屈折量の差ができるため、光スイッチ入力光の偏光成分に応じて干渉位相が異なることとなる。そのため、光スイッチの消光比が偏光状態に依存して悪化する。
【００１０】
以下、図１に示すアーム加熱型マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチの干渉計アーム部の断面図を参照して本発明の原理を説明する。図１において、干渉計アームはＳｉ基板１と、光導波路９と、加熱電極３で構成される。光導波路９はそれぞれポリマーにより形成されたコア２ａとクラッド２ｂで構成される。
【００１１】
以上の配置において、光導波路９の両側に溝構造４を設けることによって、Ｓｉ基板１と光導波路９との熱膨張の違いで発生するＳｉ基板面１に平行な方向Ｘの圧縮応力増加は、溝構造４の底部の領域１０ａに集中し、溝の上部の領域１０ｂでは溝構造４側方と加熱電極３上方へ応力が開放されている結果、光導波路９にかかる応力変化を低減できる。
【００１２】
また、光導波路の加熱時における温度勾配は、加熱電極３からＳｉ基板１に向って一次元的となり、光導波路９の垂直方向Ｙの応力成分が無くなる結果、発生する剪断応力を非常に小さくすることができる。
【００１３】
以上のように、本発明によれば、干渉計アームの光導波路の両側に溝構造を有することにより、アーム加熱時の応力変化を小さくし、光弾性効果による複屈折変化を小さく抑えられる結果、スイッチ消光比の偏光状態依存性を低減したマッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチを提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施の一形態であるマッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチの構造を示す上面図、図３は干渉計アーム中央部における断面図である。マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチは、図２、図３示すように、マルチモード干渉光カプラ７、８と、シングルモード光導波路２ａ、２ｂとで構成され、それぞれ、Ｓｉ基板上にクラッド３ａ、３ｂおよびその中に埋め込まれたコア２ａ、２ｂが部分フッ素化ポリイミドを用いて形成されている。そしてコア２ａ、２ｂの上部に加熱電極５ａ、５ｂがクロムの蒸着膜として形成されている。
【００１５】
コア２ａ、２ｂの両側には、それぞれ溝構造４ａと４ｂ、４ｂと４ｃが公知のドライエッチングプロセスで形成されている。ここで、各溝構造は光導波路のコアのクラッドとの下側境界面６ａ、６ｂよりもＳｉ基板１に近い方まで深く形成する。また、各溝構造の深さと光導波路方向長さを等しく形成する。
【００１６】
次にこの光スイッチの動作を説明する。図２の左側の一方の光導波路から光カプラ７に入射した光は分波され、コア２ａと２ｂを通過し、光カプラ８で合波され、右側の一方の光導波路へ出力される。ここで、加熱電極５ａに通電してコア２ａを加熱すると、コア２ａの屈折率が変化し、コア２ａと２ｂの光の位相差が変化して光スイッチ動作が行われるが、同時にコア２ａとクラッド３ａは熱膨張する。
【００１７】
ここにおいて、コア２ａの両側にそれぞれ溝４ａ、４ｂが形成されているので、コア２ａのＳｉ基板１に水平な方向の応力発生が小さく抑えられ、また、温度勾配が一次元的になるので剪断応力の発生が小さい。その結果、光弾性効果による複屈折変化が極めて小さいので、入射光の偏光状態にたいするスイッチ消光比の依存性が非常に小さくなる。
【００１８】
コア２ｂを加熱する場合は、溝４ｂ、４ｃが形成されているので、同様の効果が得られる。
【００１９】
なお、以上の例では溝構造で区画されるクラッドの断面形状を長方形として図示したが、断面形状を逆台形とするなどの工夫により、応力増加量のさらなる低減を図ってもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳説したように、本発明によれば、アーム加熱型マッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチの干渉計アームの光導波路の両側に溝構造を有することにより、熱膨張で生じる応力が低減される結果、光弾性効果による光導波路の複屈折変化が軽減され、スイッチ消光比の良い光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための典型的な構造を示すアーム光導波路付近の部分断面図である。
【図２】発明の実施の形態を示すマッハツェーンダー干渉計光導波路スイッチの上面図である。
【図３】発明の実施の形態を示すアーム光導波路中央部における部分断面図である。
【符号の説明】
１： Ｓｉ基板， ２、１１、１２： 光導波路
２、２ａ、２ｂ： コア， ３、３ａ、３ｂ： クラッド
５、５ａ、５ｂ： 加熱電極
４、４ａ、４ｂ、４ｃ： 溝構造， ６ａ、６ｂ： 底部
７、８： 光カプラ， ９： 導波路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an arm-heated Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch formed of a polymer suitably used for optical communication.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of optical switches used for optical communication applications have been proposed and have been put into practical use. However, low cost and low power consumption are required. To meet this demand, studies have been made on an arm-heated Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch formed of a polymer (for example, Non-Patent Document 1: Hida, Y. et al., Appl. Opt. 36 ( 27), 6828 (1997)). Here, the cost is reduced by using a polymer, and the power consumption is reduced by applying a Mach-Zehnder interferometer arrangement.The polymer optical waveguide is fabricated on a Si substrate with higher thermal conductivity than the polymer. The speed of the switch operation is increased.
However, according to the study of the present inventors, it has been found that in the conventional optical switch, the extinction ratio of the optical switch greatly depends on the polarization state of the input light.
[0003]
[Non-Patent Document 1] Hida, Y .; et al. , Appl. Opt. 36 (27), 6828 (1997)
[0004]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an arm-heated Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch in which the dependence of the switch extinction ratio on the polarization state of input light is reduced. .
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an arm-heated Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch in which a core and a clad constituting an optical waveguide are formed of a polymer, and the bottoms of the interferometer arms are positioned lower than the core on both sides of the core. It has a groove structure.
[0006]
For a practical optical switch, it is desired that the dependence of the switch extinction ratio on the polarization state of the input light is very small. However, as a result of the study by the inventors, it has been found that in the configuration of the related art, the extinction ratio of the optical switch is deteriorated depending on the polarization state of the input at the time of switching by heating the arm.
[0007]
The mechanism by which the extinction ratio at the time of switching depends on the polarization state of the input was considered as follows. In a Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch, a switch operation is performed in two states in which one of the optical waveguides constituting an interferometer arm is non-heated / heated. In the state where the optical waveguides are not heated, even if the optical waveguides of both arms have birefringence, if the symmetry of the structure and the uniformity of optical switch fabrication are maintained, the direction of the polarization axis of both arms is maintained. And the optical length difference between the two arms becomes zero for each polarization component of the optical switch input light, so that the extinction ratio of the optical switch does not depend on the polarization state.
[0008]
However, at the time of switching in which only one arm is heated, the compressive stress in the direction parallel to the Si substrate surface in the optical waveguide increases due to the difference in thermal expansion between the Si substrate and the polymer. Also, in addition to the two-dimensional gradient in the amount of thermal expansion of the polymer along the two-dimensional temperature gradient from the heating electrode to the Si substrate, the upper part of the heating electrode is in a stress-relaxed state, Non-uniform shear stress occurs in the optical waveguide cross section. As a sum of the above stress changes, a complex stress field is generated in the optical waveguide.In particular, the presence of the in-plane stress component of the optical waveguide cross section causes the optical waveguide to undergo a birefringence change through the photoelastic effect. Become.
[0009]
As a result, there is a mismatch between the polarization axes of the optical waveguides and a difference in the amount of birefringence between the heated side arm and the non-heated side arm, so that the interference phase differs depending on the polarization component of the optical switch input light. Therefore, the extinction ratio of the optical switch deteriorates depending on the polarization state.
[0010]
Hereinafter, the principle of the present invention will be described with reference to a cross-sectional view of an interferometer arm portion of an arm heating type Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch shown in FIG. In FIG. 1, the interferometer arm includes a Si substrate 1, an optical waveguide 9, and a heating electrode 3. The optical waveguide 9 includes a core 2a and a clad 2b formed of a polymer.
[0011]
In the above arrangement, by providing the groove structures 4 on both sides of the optical waveguide 9, an increase in the compressive stress in the direction X parallel to the Si substrate surface 1 caused by a difference in thermal expansion between the Si substrate 1 and the optical waveguide 9 is obtained. Since the stress is concentrated on the bottom region 10a of the groove structure 4 and the stress is released to the side of the groove structure 4 and above the heating electrode 3 in the region 10b above the groove, the change in stress applied to the optical waveguide 9 can be reduced.
[0012]
Further, the temperature gradient at the time of heating the optical waveguide becomes one-dimensional from the heating electrode 3 toward the Si substrate 1, and the stress component in the vertical direction Y of the optical waveguide 9 disappears, so that the generated shear stress becomes very small. be able to.
[0013]
As described above, according to the present invention, by having the groove structure on both sides of the optical waveguide of the interferometer arm, the stress change at the time of arm heating can be reduced, and the birefringence change due to the photoelastic effect can be suppressed. A Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch with reduced polarization state dependence of the switch extinction ratio can be provided.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a top view showing the structure of a Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view at the center of an interferometer arm. As shown in FIGS. 2 and 3, the Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch includes multimode interference optical couplers 7 and 8 and single mode optical waveguides 2a and 2b. 3b and the cores 2a and 2b embedded therein are formed using partially fluorinated polyimide. Heating electrodes 5a and 5b are formed on the cores 2a and 2b as chromium deposition films.
[0015]
On both sides of the cores 2a, 2b, groove structures 4a and 4b, 4b and 4c are respectively formed by a known dry etching process. Here, each groove structure is formed deeper to the side closer to the Si substrate 1 than the lower boundary surfaces 6a and 6b of the optical waveguide core and the clad. In addition, the depth of each groove structure is made equal to the length in the optical waveguide direction.
[0016]
Next, the operation of this optical switch will be described. Light incident on the optical coupler 7 from one optical waveguide on the left side of FIG. 2 is split, passes through the cores 2a and 2b, is multiplexed by the optical coupler 8, and is output to one optical waveguide on the right side. Here, when the heating electrode 5a is energized to heat the core 2a, the refractive index of the core 2a changes, the phase difference between the light of the cores 2a and 2b changes, and the optical switch operation is performed. The clad 3a thermally expands.
[0017]
Here, since the grooves 4a and 4b are formed on both sides of the core 2a, the generation of stress in the direction parallel to the Si substrate 1 of the core 2a is suppressed to a small degree. Low stress generation. As a result, since the change in birefringence due to the photoelastic effect is extremely small, the dependence of the switch extinction ratio on the polarization state of the incident light becomes very small.
[0018]
When heating the core 2b, the same effect can be obtained because the grooves 4b and 4c are formed.
[0019]
In the above example, the cross-sectional shape of the cladding partitioned by the groove structure is illustrated as a rectangle, but the amount of increase in stress may be further reduced by devising the cross-sectional shape into an inverted trapezoid.
[0020]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the stress caused by thermal expansion is reduced by having the groove structure on both sides of the optical waveguide of the interferometer arm of the arm-heating type Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch. In addition, a change in the birefringence of the optical waveguide due to the photoelastic effect is reduced, and an optical switch having a good switch extinction ratio can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view near an arm optical waveguide showing a typical structure for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a top view of a Mach-Zehnder interferometer optical waveguide switch showing an embodiment of the invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view at the center of an arm optical waveguide showing an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Si substrate, 2, 11, 12: Optical waveguides 2, 2a, 2b: Core, 3, 3, a, 3b: Cladding 5, 5a, 5b: Heating electrodes 4, 4a, 4b, 4c: Groove structure, 6a, 6b : Bottom 7, 8: optical coupler, 9: waveguide
