JP2006276323A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】2つの光分岐結合器と、それらを接続する2本のアーム光導波路と、アーム光導波路に設けられた位相調整部とからなるマッハツェンダ干渉計を縦列接続して構成された光スイッチにおいて、設計動作波長から波長がずれるに従って、挿入損失特性が劣化し広帯域に渡って低挿入損失特性を確保できなかった。更に光分岐結合器の作製誤差が発生した場合に広帯域に渡って消光比特性・挿入損失特性が大きく劣化し、充分な高消光比及び挿入損失の特性が得られなかった。
【解決手段】 前記複数のマッハツェンダー干渉計を構成する光分岐結合器が少なくとも２種類以上の光分岐結合器で構成されている。これにより、一方の光分岐結合器に作製誤差による透過特性にズレが生じたとしても、他方の光分岐結合器は種類の異なるもので構成されているために同様の透過特性のズレが生じにくく、前記課題を解決することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野で用いられる光導波路回路を用いた光スイッチに関する。

従来、波長多重伝送システムで用いられる重要な光部品の一つに、回線切り替えを行う光スイッチがある。近年には、信号光波長域の広帯域化が検討されており、広帯域で動作可能な光スイッチが求められている。
これまでに検討されている光スイッチの一例として、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：平面光導波路回路）を用いた光スイッチがある。ＰＬＣを用いたものは、量産性・光学特性制御性・光学特性安定性の面から有望なデバイスとされており、例えばスプリッタなどで既に実用化されている。

ここで、図１１を参照して石英系ＰＬＣを用いた従来の光スイッチの一例(従来例1)を説明する（例えば、特許文献１参照）。
この光スイッチは、基板Ｋ上に導波路回路によって、2つの２入力２出力型の方向性結合器Ｑで構成された光分岐結合器Ｒ1、Ｒ2と、それらを接続する2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２と、アーム光導波路Ｆ１、Ｆ２の一方に設けられた位相調整部Ｓとで形成されたマッハツェンダ干渉計１（以下ＭＺＩ１という）によって構成されている。2つの光分岐結合器Ｒ1、Ｒ2は同じ特性をもつ方向性結合器Ｑで構成されている。位相調整部Ｓを動作させてＭＺＩ１の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間に位相差を設定することにより、スイッチ動作が可能である。

スイッチON動作時には、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定する。このとき、入力ポートＩ１から入射した光は出力ポートＯ２に出力し、入力ポートＩ２から入射した光は出力ポートＯ１に出力する。

スイッチOFF動作時には、アーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定する。このとき、入力ポートＩ１から入射した光は出力ポートＯ１に出力し、入力ポートＩ２から入射した光は出力ポートＯ２に出力する。
この特性を利用し２入力２出力光スイッチとして動作させることが可能である。

従来例1の光スイッチ構成における、入力ポートＩ１から信号光を入射した際の、出力ポートＯ１の波長に対する透過特性を図１２に示し、波長に対する消光比特性を図１３に示す。また出力ポートＯ２の波長に対する透過特性を図１４に示し、波長に対する消光比特性を図１５に示す。なお透過特性を示す全ての特性図は最小値がゼロになるように規格化して表示している。

図１２・図１４から明らかなように、設計動作波長である1545nm付近では消光比が40dB以上、挿入損失が0.05dB以下という値が得られ、いずれも良好な値が得られている。しかしながら、図１２〜図１５から判るように、設計動作波長から波長がずれるに従って消光比特性および挿入損失特性が劣化する。例えば図１３を用いて説明すると、設計動作波長(ここでは1545nm)から±20nm(ここでは波長領域1525nmから1565nmまで)の範囲では消光比の最低値は21dBと小さく、広帯域で動作する光スイッチとしては十分な特性が得られないことがわかる。

そこで例えば設計動作波長から±20nmの範囲といった広帯域で高消光比を得るために、図１６に示すような複数のＭＺＩを縦列接続した２入力２出力光スイッチの構成（従来例2）が提案されている（例えば、特許文献2参照）。
１段目のＭＺＩ(以下ＭＺＩ１という)の一方の出力光導波路ｂ１に2段目のＭＺＩ(以下ＭＺＩ２１という)が接続され、ＭＺＩ１のもう一方の出力光導波路ｂ２に２段目のＭＺＩ(以下ＭＺＩ２２という)が接続されている。ＭＺＩ１、ＭＺＩ２１、ＭＺＩ２２はそれぞれの光分岐結合器Ｒ1、Ｒ2として方向性結合器Ｑが用いられている。

スイッチON動作時には、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定する。このとき、入力ポートＩ１から入射された光は、出力光導波路ｂ２に伝播し、ＭＺＩ２２を伝播して出力ポートＯ４に出射される。また入力ポートＩ２から光を入射するときは、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定する。これにより、入力ポートＩ２から入射された光は、出力光導波路ｂ１に伝播し、ＭＺＩ２１を伝播して出力ポートＯ１に出射する。

スイッチOFF動作時には、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定し、ＭＺＩ２１の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定する。このとき、入力ポートＩ１から入射した光は出力光導波路ｂ１に伝播し、ＭＺＩ２１を伝播して出力ポートＯ１に出射される。また入力ポートＩ２から光を入射するときは、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定する。これにより、入力ポートＩ２から入射した光は出力光導波路ｂ２に伝播し、ＭＺＩ２２を伝播して出力ポートＯ４に出射しする。

従来例２の光スイッチ構成における、出力ポートＯ１における波長に対する透過特性を図１７に示し、波長に対する消光比特性を図１８に示す。また出力ポートＯ４における波長に対する透過特性を図１９に示し、波長に対する消光比特性を図２０に示す。
図１８に示すピッチズレ無し時の特性・図２０に示すピッチズレ無し時の特性から明らかなように、設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲では消光比40dB以上が得られており、消光比特性に関して従来例１よりも特性が改善されていることが判る。

特許第2659293号 特許第3555842号

しかしながら、図１９に示すピッチズレ無し時の特性から判るように、設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ４の挿入損失の最小値と最大値の差は0.05dB以上であり、従来例１の図１４と比べて波長依存性が大きくなっていることが課題である。図１６に示す従来例２の光スイッチ構成は、図１１に示す従来例１の構成を２段縦列接続して構成されている。方向性結合器を用いたＭＺＩの透過特性は、図１４に示すように波長依存性を持つが、２段縦列接続したことにより、その波長依存性が倍増する。従って、従来例２の出力ポートＯ４の透過特性は、従来例１の構成における透過特性（図１４）における波長依存性が倍増した特性となる。この波長依存性は縦列接続するＭＺＩの数を増やすに従い大きくなる。

更にＭＺＩを構成する光分岐結合器に作製誤差が発生した場合について着目する。この際ＭＺＩの透過特性は設計値からずれるため、光スイッチの透過特性も設計値から劣化する。従来例２においてはＭＺＩ１・ＭＺＩ２１およびＭＺＩ２２を構成する複数の光分岐結合器には全て同じ種類の光分岐結合器が用いられており、具体的にはすべての光分岐結合器に方向性結合器が唯一用いられている。従って光スイッチの透過特性は一種類の光分岐結合器の作製精度に依存している。仮に方向性結合器に作製誤差がありその特性が設計値からずれた場合には、全てのＭＺＩの透過特性にずれが発生するため、光スイッチの出力ポートＯ１およびＯ４の透過特性が大きく劣化する。

その一例として、図２１に示す方向性結合器Ｑの結合部Ｕにおける光導波路間隔Ｐ（以下単にピッチＰという）がずれた場合を考える。ピッチＰは方向性結合器Ｑの作製において作製誤差が発生しやすい部分のひとつである。ここでは、図１６に示す従来例２において、ＭＺＩ１を構成する１つ目の方向性結合器Ｑがほぼ設計どおりとなっており、２つ目の方向性結合器ＱのピッチＰが設計値から±0.2μmずれた場合について説明する。この構成による光スイッチの出力ポートＯ１における波長に対する透過特性を図１７に、波長に対する消光比特性を図１８に示す。また出力ポートＯ４における波長に対する透過特性を図１９に、波長に対する消光比特性を図２０に示す。

図１８から判るように設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲での出力ポートＯ１における消光比の最低値は26.9dBであり、作製誤差の無い場合と比較して28dB以上の大きな劣化があり、高消光比を確保できていない。また図１７から判るように挿入損失の最大値は0.41dBであり0.38dB以上の大きな劣化がある。次に図２０から判るように同波長範囲での出力ポートＯ４における消光比の最低値は30.2dBであり、作製誤差の無い場合に比較して35dB以上の大きな劣化があり、高消光比を確保できていない。また図１９から判るように挿入損失の最大値は0.58dBであり0.57dB以上の大きな劣化がある。

以上のことから広帯域光スイッチとして実用に耐える十分な特性が得られない場合があった。
本発明の課題は、以下のとおりである。すなわち少なくとも２つ以上の複数のＭＺＩを縦列接続した光回路からなる光スイッチにおいて、
設計動作波長から波長がずれるに従って挿入損失特性が劣化する波長依存性が大きく、広帯域において低挿入損失特性を確保できない。
さらに光分岐結合器の作製において作製誤差が発生した場合に、消光比特性もしくは挿入損失特性が大きく劣化し、広帯域において十分に高い消光比もしくは低い挿入損失特性を確保できない。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、光導波路回路によって、前段と後段とに光分岐結合器が形成され、その前段の光分岐結合器によって分岐された導波路が位相調整部によって位相差を持つように後段の光分岐結合器に接続されたマッハツェンダー干渉計が少なくとも２段以上、同一平面基板上に縦列接続されて構成された光スイッチにおいて、前記複数の光分岐結合器の内、少なくとも１つが種類の異なるもので構成されていることを特徴とする。

光スイッチの透過特性は光分岐結合器の作製精度に依存している。それゆえ、本発明は種類の異なる光分岐結合器を用いる構成とする。即ち、一方の光分岐結合器に作製誤差による透過特性にズレが生じたとしても、他方の光分岐結合器は種類の異なるもので構成されているために同様の透過特性のズレが生じにくい。従って、従来例２のように１種類の光分岐結合器のみを用いた構成に比べて、作製誤差による光スイッチの透過特性の劣化具合を軽減できる。また、種類の異なる光分岐結合器として透過特性の波長依存性が小さい光分岐結合器を用いる構成とすることにより、ＭＺＩを多段接続した際に発生する透過特性の波長依存性を低減できる。
これにより本発明は、広帯域で高消光比が得られ、挿入損失の波長依存性が小さく、なおかつ回路を構成する光分岐結合器に作製誤差がある場合であっても消光比・挿入損失特性の劣化が小さい光スイッチを提供することができる。

本発明は以下のように種々の実施形態を採用することができる。
初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器が方向性結合器であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器が方向性結合器とは異なる光分岐結合器で構成されていることを特徴とする。

方向性結合器と異なる光分岐結合器としてＹ分岐回路を用いて構成されていることを特徴とする。

方向性結合器と異なる光分岐結合器としてＭＺＩ回路を用いて構成されていることを特徴とする。

２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器としてＹ分岐回路と光分岐結合器の１種である多モード干渉回路（Multimode Interference：以下ＭＭＩ回路という）を用いて構成されていることを特徴とする。

初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器がＭＭＩ回路であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器がＭＭＩ回路と異なる光分岐結合器で構成されていることを特徴とする。

ＭＭＩ回路と異なる光分岐結合器としてＹ分岐回路を用いて構成されていることを特徴とする。

ＭＭＩ回路と異なる光分岐結合器として方向性結合器を用いて構成されていることを特徴とする。

２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器としてＹ分岐回路とＭＭＩ回路を用いて構成されていることを特徴とする。

初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がそれぞれ方向性結合器であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がそれぞれＹ分岐回路で構成されていることを特徴とする。

初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がそれぞれ方向性結合器であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がＹ分岐回路と方向性結合器で構成されていることを特徴とする。

図１に本発明による実施例１の光スイッチの構成を示す。
本実施例１の構成は、１段目のＭＺＩ１の一方の出力光導波路ｂ１に２段目のＭＺＩ２１が接続され、もう一方の出力光導波路ｂ２に２段目のＭＺＩ２２が接続されている２入力２出力の光スイッチである。
ＭＺＩ１を構成する2つの光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２には同じ特性をもつ方向性結合器Ｑを用いられており、ＭＺＩ１には２本の入力光導波路ａ１、ａ２と２本の出力光導波路ｂ１、ｂ２が用いられている。ＭＺＩ２１を構成する2つの光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２には同じ特性をもつＹ分岐回路Ｙが用いられており、ＭＺＩ２１には１本の入力光導波路ｃ１と１本の出力光導波路ｄ１とが設けられている。ＭＺＩ２２を構成する２つの光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２には同じ特性をもつＹ分岐回路Ｙが用いられており、ＭＺＩ２２には１本の入力光導波路c２と１本の出力光導波路ｄ２が設けられている。

スイッチON動作時には、ＭＺＩ1の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定する。このとき入力ポートＩ１から入射された光は出力光導波路ｂ２に伝播し、ＭＺＩ２２を伝播して出力ポートＯ２に出射される。また、入力ポートＩ２から光を入射するときは、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定する。これにより入力ポートＩ２から入射された光は出力ポートＯ１から出射される。

設定スイッチOFF動作時には、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定し、ＭＺＩ２１の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２２の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定する。このとき、入力ポートＩ１から入射された光は出力光導波路ｂ１に伝播し、ＭＺＩ２１を伝播して出力ポートＯ１に出射される。また、入力ポートＩ２から光を入射するときは、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定する。これにより入力ポートＩ２から入射された光は出力ポートＯ２から出射される。

本光スイッチの構成に使用されている光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２は方向性結合器ＱとＹ分岐回路Ｙの２種類であるため、光スイッチの透過特性は構成の異なる２種類の光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２の作製精度に依存している。それゆえ、１種類の光分岐結合器である方向性結合器Ｑに作製誤差による透過特性のズレが仮に生じたとしても、もう１種類の光分岐結合器であるＹ分岐回路Ｙは構成が異なるため同様の透過特性のズレは生じにくい。従って、従来例２のように１種類の光分岐結合器のみを用いた構成に比べて作製誤差による光スイッチの透過特性の劣化具合を軽減できる。更に構成の異なる光分岐結合器としてＹ分岐回路である透過特性の波長依存性が小さい光分岐結合器を用いることにより、光スイッチの透過特性の波長依存性を低減することができる。

本実施例の光スイッチは石英系ＰＬＣを用いて作製されている。まずその作製工程について説明する。火炎加水分解堆積法を用いてシリコン基板上に石英系ガラスのアンダークラッド膜、コア膜を形成し、その後、前記構成の描かれたフォトマスクを介してフォトリソグラフィーを行い、反応性イオンエッチング法にて光導波路となるコアをパターニングした。その後再度、火炎加水分解堆積法を用いて石英系ガラスのオーバークラッド膜を形成した。続いて、位相調整部の構成箇所にスパッタ法によりTi/Niヒーターを形成し、給電用としてTi/Ni/Au電極を施し、本構成の光スイッチを作製した。

続いて本発明の光スイッチ構成における透過特性を、方向性結合器の作製誤差がほとんど無い場合と発生した場合に分けて説明する。最初に方向性結合器の作製誤差がほとんど無く、ほぼ設計どおりの特性を示す場合について説明する。入力ポートＩ１から光を入射した際の、出力ポートＯ１における波長に対する透過特性を図２に示し、波長に対する消光比特性を図３に示す。また出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を図４に示し、波長に対する消光比特性を図５に示す。

図３に示すピッチズレ無し時の特性・図５に示すピッチズレ無し時の特性から判るように出力ポートＯ１、Ｏ２ともに設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において消光比40dB以上が得られた。消光比の大きさは従来例１に比べると明確に大きく、従来例２に比べるとほぼ同等であり、広帯域にて高消光比の特性が得られた。また図２に示すピッチズレ無し時の特性から判るように、設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ１の挿入損失の最小値と最大値の差は0.01dB以下であり、広帯域にて波長依存性の小さい良好な特性が得られた。図４に示すピッチズレ無し時の特性からわかるように出力ポートＯ２の挿入損失の最小値と最大値の差は0.04dB以下であり、広帯域にて波長依存性の小さい良好な特性が得られた。従来例２に比べると挿入損失の波長依存性が明確に改善されている。

続いて、方向性結合器Ｒ１、Ｒ２に作製誤差が発生しピッチが設計値から±0.2μmずれた場合について説明する。出力ポートＯ１の波長に対する透過特性を図２に示し、波長に対する消光比特性を図３に示す。また出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を図４に示し、波長に対する消光比特性を図５に示す。

図３・図５からわかるように、消光比の劣化具合は従来例２に比べると明確に小さく、方向性結合器の作製誤差が発生した場合においても、出力ポートＯ１、Ｏ２ともに設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において消光比40dB以上が得られた。また図２から判るように、設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ１の挿入損失の最大値は0.13dBであり、方向性結合器のずれが無い場合に比べて0.12dB以下の劣化に留まっており、方向性結合器の作製誤差による影響を低減した結果、良好な特性が得られた。従来例２に比べると改善されておりその効果が明確である。また図４から判るように設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ２の挿入損失の最大値は0.3dBであり0.26dB以下の劣化に留まり、方向性結合器の作製誤差による影響を低減した結果、良好な特性が得られた。従来例２に比べると改善されておりその効果が明確である。
以上のように本発明構成により、課題を改善する効果が明確に得られることを確認できた。

図６に本発明の他の実施例（実施例２）の光スイッチの構成を示す。
本実施例２の構成は、1段目のＭＺＩ1の一方の出力光導波路ｂ１に２段目のＭＺＩ２１が接続され、もう一方の出力光導波路ｂ２に2段目のＭＺＩ２２が接続されている２入力２出力の光スイッチである。ＭＺＩ１を構成する2つの光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２には同じ特性をもつ方向性結合器Ｑを用いており、ＭＺＩ１には2本の入力光導波路ａ1、ａ２と２本の出力光導波路ｂ１、ｂ２が設けられている。ＭＺＩ２１を構成する２つの光分岐結合器Ｒ１、Ｒ２には一方の光分岐結合器Ｒ１にＹ分岐回路Ｙを用い、もう一方の光分岐結合器Ｒ２に方向性結合器Ｑを用いている。ＭＺＩ２１には１本の入力光導波路ｃ１と2本の出力光導波路ｄ１、ｄ２が設けられている。ＭＺＩ２２を構成する２つの光分岐結合器には一方の光分岐結合器Ｒ１にＹ分岐回路Ｙを用い、もう一方の光分岐結合器に方向性結合器Ｑを用いている。ＭＺＩ２２には１本の入力光導波路ｃ２と2本の出力光導波路ｄ３、ｄ４が設けられている。

スイッチON動作時には、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２１の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／4」倍に設定し、ＭＺＩ２２の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数−１／4」倍に設定する。このとき入力ポートＩ１から入射された光は出力光導波路ｂ２に伝播し、ＭＺＩ２２を伝播して出力ポートＯ４に出射される。また、入力ポートＩ２から光を入射するときは、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の整数倍に設定し、ＭＺＩ２１の2本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数-1/4」倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／４」倍に設定する。これにより入力ポートＩ２から入射された光は出力ポートＯ２から出射される。

スイッチOFF動作時には、ＭＺＩ１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／2」倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数−１／4」に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／4」倍に設定する。このとき、入力ポートＩ１から入射された光は出力光導波路ｂ１に伝播し、ＭＺＩ２１を伝播して出力ポートＯ２から出射される。また、入力ポートＩ２から光を入射するときは、ＭＺＩの２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／２」倍に設定し、ＭＺＩ２１の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数＋１／４」倍に設定し、ＭＺＩ２２の２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差を設計動作波長の「整数−１／４」倍に設定する。これにより、入力ポートＩ２から入射された光は出力ポートＯ４から出射される。

本光スイッチの構成に使用されている光分岐結合器Ｒ1、Ｒ２は方向性結合器ＱとＹ分岐回路Ｙの２種類であるため、光スイッチの透過特性は構成の異なる２種類の光分岐結合器の作製精度に依存している。それゆえ、１種類の光分岐結合器である方向性結合器に作製誤差による透過特性のズレが仮に生じたとしても、もう１種類の光分岐結合器であるＹ分岐回路は構成が異なるために同様の透過特性のズレは生じにくい。従って、従来例２のように１種類の光分岐結合器のみを用いた構成に比べて、作製誤差による光スイッチの透過特性の劣化具合を軽減できる。さらに構成の異なる光分岐結合器として、Ｙ分岐回路である透過特性の波長依存性が小さい光分岐結合器を用いることにより、光スイッチの透過特性の波長依存性を低減させることができる。

本実施例の光スイッチは石英系ＰＬＣを用いて作製された。まずその作製工程について説明する。火炎加水分解堆積法を用いてシリコン基板上に石英系ガラスのアンダークラッド膜、コア膜を形成し、その後、前記構成の描かれたフォトマスクを介してフォトリソグラフィーを行い、反応性イオンエッチング法にて光導波路となるコアをパターニングした。その後再度、火炎加水分解堆積法を用いて石英系ガラスのオーバークラッド膜を形成した。続いて、位相調整部分にスパッタ法によりTi/Niヒーターを形成し、給電用としてTi/Ni/Au電極を施し、本構成の光スイッチを作製した。

続いて本発明の光スイッチ構成における透過特性を、方向性結合器の作製誤差がほとんど無い場合と発生した場合に分けて説明する。最初に方向性結合器の作製誤差がほとんど無く、ほぼ設計どおりの特性を示す場合について説明する。入力ポートＩ１から光を入射した際の、出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を図７に示し、波長に対する消光比特性を図８に示す。また出力ポートＯ４における波長に対する透過特性を図９に示し、波長に対する消光比特性を図１０に示す。

図８・図１０からわかるように出力ポートＯ２、Ｏ４ともに設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において消光比38.5dB以上が得られた。消光比の大きさは従来例2と比べると明確に大きく、従来例２に比べるとほぼ同等であり、広帯域にて高消光比特性が得られた。また図７から判るように、設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ２の挿入損失の最小値と最大値の差は0.01dB以下であり、広帯域にて波長依存性の小さい良好な特性が得られた。図９から判るように出力ポートＯ４の挿入損失の最小値と最大値の差は0.04dB以下であり、広帯域にて波長依存性の小さい良好な特性が得られた。従来例２に比べると挿入損失の波長依存性が明確に改善されている。

続いて、方向性結合器に作製誤差が発生しピッチが設計値から±0.2μmずれた場合について説明する。出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を図７に示し、波長に対する消光比特性を図８に示す。また出力ポートＯ４における波長に対する透過特性を図９に示し、波長に対する消光比特性を図１０に示す。

図８・図１０からわかるように消光比の劣化具合は従来例２に比べると明確に小さく、方向性結合器の作製誤差が発生した場合においても出力ポートＯ２、Ｏ４ともに設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において消光比38dB以上が得られた。

また図７からわかるように設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ２の挿入損失の最大値は0.14dBであり、方向性結合器の作製ずれが無い場合に比べて0.13dB以下の劣化に留まっており、方向性結合器の作製誤差に依存しない良好な特性が得られた。従って、本実施例は従来例２に比べて出力ポートＯ２の挿入損失が改善されておりその効果が明確である。

また図９から判るように設計動作波長(1545nm)から±20nmの範囲において出力ポートＯ４の挿入損失の最大値は0.3dBであり0.26dB以下の劣化にとどまり、方向性結合器の作製誤差に依存しない良好な特性が得られた。本実施例は従来例２に比べて出力ポートＯ４の挿入損失が改善されておりその効果が明確である。

また出力ポートＯ１およびＯ３は光スイッチの出力ポートとして使用しておらず、モニターポートとして利用することができる。ＭＺＩの２本のアーム光導波路Ｆ１、Ｆ２間の位相差が正しく設定されていない場合には、出力ポートＯ１およびＯ３から設計動作波長の光が出射されるため、出力ポートＯ１およびＯ３からの出力光をモニターしながら設計動作波長の出射光が無くなるように位相差を設定すると、正確に位相差を設定することが可能である。
以上のように本発明の構成により、課題を改善する効果が明確に得られることを確認できた。

本発明の一実施例(実施例１)である光スイッチの概略を示す平面模式図。 実施例１の出力ポートＯ１におけるの波長に対する透過特性を示す特性図。 実施例１の出力ポートＯ１における波長に対する消光比を示す特性図。 実施例１の出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を示す特性図。 実施例１の出力ポートＯ２における波長に対する消光比を示す特性図。 本発明による他の実施例(実施例２)である光スイッチの概略を示す平面模式図。 実施例２の出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を示す特性図。 実施例２の出力ポートＯ２における波長に対する消光比を示す特性図。 実施例２の出力ポートＯ４における波長に対する透過特性を示す特性図。 実施例２の出力ポートＯ４における波長に対する消光比を示す特性図。 従来一例（従来例１）の光スイッチの概略を示す平面模式図である。 従来例１の出力ポートＯ１における波長に対する透過特性を示す特性図。 従来例１の出力ポートＯ１における波長に対する消光比を示す特性図。 従来例１の出力ポートＯ２における波長に対する透過特性を示す特性図。 従来例１の出力ポートＯ２における波長に対する消光比を示す特性図。 従来他の他の例（従来例２）の光スイッチの概略を示す平面模式図。 実施例２の出力ポートＯ１における波長に対する透過特性を示す特性図。 実施例２の出力ポートＯ１における波長に対する消光比を示す特性図。 実施例２の出力ポートＯ４における波長に対する透過特性を示す特性図。 実施例２の出力ポートＯ４における波長に対する消光比を示す特性図。 一般的な方向性結合器の導波路間隔(ピッチ)について説明する平面模式図。

符号の説明

１ マッハツェンダ干渉計
１ ＭＺＩ
２１ ＭＺＩ
２２ ＭＺＩ
ａ１ 入力光導波路
ａ２ 入力光導波路
ｂ１ 出力光導波路
ｂ２ 出力光導波路
ｃ１ 入力光導波路
ｃ２ 入力光導波路
ｄ１ 出力光導波路
ｄ２ 出力光導波路
ｄ３ 出力光導波路
ｄ４ 出力光導波路
Ｆ１ アーム光導波路
Ｆ２ アーム光導波路
Ｉ１ 入力ポート
Ｉ２ 入力ポート
Ｋ 基板
Ｏ１ 出力ポート
Ｏ２ 出力ポート
Ｏ３ 出力ポート
Ｏ４ 出力ポート
Ｐ ピッチ
Ｑ 方向性結合器
Ｒ1 光分岐結合器
Ｒ２ 光分岐結合器
Ｓ 位相調整部
Ｕ 結合部
Ｙ Ｙ分岐回路

Claims (11)

1. 光導波路回路によって、前段と後段とに光分岐結合器が形成され、その前段の光分岐結合器によって分岐された導波路が位相調整部によって後段の光分岐結合器に接続されたマッハツェンダー干渉計が少なくとも２段以上、同一平面基板上に縦列接続されて構成された光スイッチにおいて、前記複数の光分岐結合器の内、少なくとも１つが種類の異なるもので構成されていることを特徴とする光スイッチ。
2. 請求項１において、初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器が方向性結合器であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器が方向性結合器とは異なる光分岐結合器で構成されていることを特徴とする光スイッチ。
3. 請求項２において、方向性結合器と異なる光分岐結合器としてＹ分岐回路を用いて構成されていることを特徴とする光スイッチ。
4. 請求項２において、方向性結合器と異なる光分岐結合器としてＭＭＩ回路を用いて構成されていることを特徴とする光スイッチ。
5. 請求項２において、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器としてＹ分岐回路とＭＭＩ回路を用いて構成されていることを特徴とする光スイッチ。
6. 請求項１において、初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器がＭＭＩ回路であり、
   ２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器のうちいずれか一方もしくは両方の光分岐結合器がＭＭＩ回路と異なる光分岐結合器で構成されていることを特徴とする光スイッチ。
7. 請求項６において、ＭＭＩ回路と異なる光分岐結合器としてＹ分岐回路を用いて構成されていることを特徴とする光スイッチ。
8. 請求項６において、ＭＭＩ回路と異なる光分岐結合器として方向性結合器を用いて構成されていることを特徴とする光スイッチ。
9. 請求項６において、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器としてＹ分岐回路とＭＭＩ回路を用いて構成されていることを特徴とする光スイッチ。
10. 請求項１において、初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がそれぞれ方向性結合器であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がそれぞれＹ分岐回路で構成されていることを特徴とする２入力２出力光スイッチ。
11. 請求項１において、初段のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がそれぞれ方向性結合器であり、２段目以降のマッハツェンダー干渉計を構成する２つの光分岐結合器がＹ分岐回路と方向性結合器で構成されていることを特徴とする２入力２出力光スイッチ。

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