JP2007304427A - 光スイッチング素子 - Google Patents

Abstract

【課題】丈夫でしかも低い動作電圧で光路を切り替えることができる光スイッチング素子の提供。
【解決手段】光を多モードで伝播するとともに、電気光学効果を有する多モード導波路２と、前記多モード導波路の一端に接続された１または複数の第１単一モード導波路１と、前記多モード導波路の他端に接続された複数の第２単一モード導波路６と、多モード導波路２の一方の側における一の側縁近傍に配設された第１電極４と、前記一方の側における他の側縁近傍に配設された第２電極５と、多モード導波路２の他方の側に配設された第３電極３とを有し、第１電極４および第２電極５は、多モード導波路２内の光モード場における輝点の上に位置するように配設され、第１電極４と第３電極３との間、および第２電極５と第３電極３との間に電圧を印加することにより、第１単一モード導波路１と第２単一モード導波路６との間で光路を切り替える光スイッチング素子
【選択図】図１

Description

本発明は、光スイッチング素子に関し、特に、低い動作電圧で光路を切り替えることができる光スイッチング素子に関する。

次世代の光データリンクを構築するためには、構造が強固で低い動作電圧で高速で動作する光スイッチング素子が必要とされている。しかしながら、これまでの光スイッチング素子は、一般的にＹ字型分岐路や光路切替カプラーを使用していたので構造的に脆弱であった。

これに対して光の干渉を利用する多モード干渉導波路（multimode interferometer、ＭＭＩ）は、意図しない屈折率の変化や組立不良に対しても強く、将来が期待されるが、ＭＭＩは、これまで光スイッチング素子においては受動素子としてしか利用されてこなかった。

近年、ＭＭＩを能動素子として使用した光スイッチング素子が提案された（特許文献１）。前記光スイッチング素子は、ＭＭＩ光合分波導波路部１４の内部に形成される光モード場に合わせるように電極１６および１７を配設した構成を有している（特許文献１）。なおこれらの符号は特許文献１に記載された符号である。
特開平１１−８４４３４号公報

特許文献１に記載の光スイッチング素子は丈夫ではあるが、高い駆動電圧が必要であり、効率が悪いという問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、丈夫であり、しかも低い動作電圧で光路を切り替えることができる光スイッチング素子を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、光を多モードで伝播するとともに、電気光学効果を有する多モード導波路と、前記多モード導波路の一端に接続された１または複数の第１単一モード導波路と、前記多モード導波路の他端に接続された複数の第２単一モード導波路と、前記多モード導波路の一方の側における一の側縁近傍に配設された第１電極と、前記多モード導波路の前記一方の側における他の側縁近傍に配設された第２電極と、前記多モード導波路の他方の側に配設された第３電極とを有し、前記第１電極および前記第２電極は、前記多モード導波路内を伝播する光によって形成される光モード場における輝点の上に位置するように配設されてなるとともに、前記第１電極と前記第３電極との間、および前記第２電極と前記第３電極との間に電圧を印加することにより、前記第１単一モード導波路と前記第２単一モード導波路との間で光路を切り替えることを特徴とする光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、第１単一モード導波路を伝搬されてきた光は、前記第１単一モード導波路と多モード導波路との接続部において分散し、前記多モード導波路の一端に多モードで入射される。そして、前記光は、多モード導波路の内部で互いに干渉して光モード場を形成しつつ、前記多モード導波路の他端に向かって多モードで伝播される。そして、前記多モード導波路と第２単一モード導波路との接続部において単一モード光に収束され、第２単一モード導波路のうちの一方を単一モードで伝搬される。

前記多モード導波路内においては、前記光モード場に複数の輝点が形成される。

ここで、第１電極および第２電極は、何れも前記輝点の上方に位置するように形成されている。そして、第３電極は、前記多モード導波路を挟んで第１電極および第２電極の反対側に設けられている。また、前記多モード導波路は電気光学効果を有する。

したがって、前記第１電極と前記第３電極、および前記第２電極と前記第３電極との間に、多モード導波路の双極子モーメントが反対方向になるように電圧を印加すると、前記多モード導波路中の輝点が形成される部分において屈折率が変化して前記部分を通過する光の位相がずれる。これによって多モード導波路を伝播する光の経路が変化し、それまで光が出射していた第２単一モード導波路とは別の第２単一モード導波路から光が出射するようになる。

前記光スイッチング素子においては、前記第１電極と前記第３電極、および前記第２電極と前記第３電極との間に電圧を印加すると、前記多モード導波路の厚さ方向に沿った電場が形成される。前記電場は、大部分が前記多モード導波路中の輝点が生じる部分を通過する。したがって、低い電圧で屈折率を大きく変化させることができるから、駆動電圧が低くて済む。

請求項２に記載の発明は、前記多モード導波路における前記第１電極と前記第３電極との間の部分、および前記第２電極と前記第３電極との間の部分は、何れも同一方向の電場で分極配向処理することにより、電気光学効果を付与してなる請求項１に記載の光スイッチング素子に関する。

多モード導波路は、分極配向処理によってＭＭＩとしての特性を持たせることができるが、前記光スイッチング素子においては、多モード導波路全体を同一方向の電場で分極配向処理できるから、分極配向処理が容易に行える。

請求項３に記載の発明は、前記多モード導波路における前記第１電極と前記第３電極との間の部分は、前記第２電極と前記第３電極との間の部分とは反対方向の電場で分極配向処理することにより、電気光学効果を付与してなる請求項１に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、前記第１電極と前記第２電極とに同一極性の電圧を印加し、前記第３電極を接地すれば、前記多モード導波路における前記第１電極と前記第３電極との間の部分の双極子モーメントは、前記第２電極と前記第３電極との間の部分の双極子モーメントとは方向が逆になる。

したがって、前記第１電極と前記第２電極とに同一極性の電圧を印加するだけで光路を切り替えられるから、前記第１電極と前記第２電極とに電圧を印加する電圧印加回路の構成が単純になる。

請求項４に記載の発明は、前記第１単一モード導波路および第２単一モード導波路の巾をＷ_１とし、前記多モード導波路の幅をＷ_２とすると、前記第１単一モード導波路および第２単一モード導波路に対する前記多モード導波路の巾の比率Ｗ_２／Ｗ_１が、
１＜Ｗ_２／Ｗ_１＜１００
である請求項１〜３の何れか１項に記載の光スイッチング素子に関する。

前記第１単一モード導波路および第２単一モード導波路に対する前記多モード導波路の巾の比率Ｗ_２／Ｗ_１が前記範囲内であれば、前記第１単一モード導波路を単一モードで伝搬された光は、多モード導波路において安定に分散されて多モード光になり、第２単一モード導波路において再び単一モードで安定に伝搬される。

請求項５に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記多モード導波層と前記入射導波路と前記出射導波路とを形成するコア層とを備え、前記コア層は、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率を有すると共に、前記第１および第２電極は前記上側クラッド層の表面またはその上方に、前記第３電極は前記基板と下側電極との間に形成されてなる請求項１〜４の何れか１項に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、コア層を伝搬する光は、コア層とクラッド層との境界面で全反射しながら伝搬するから、光が外部に漏洩することがない。また、前記変調電極に印加された電場は、上側クラッド層を介してコア層における多モード導波路に到達し、多モード導波路において確実に光路を切り替えることができる。

請求項６に記載の発明は、前記多モード導波路は、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路である請求項５に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、変調電極に印加した電場によってコア層により大きな電界が生じるから、低い電圧の電場を印加した場合においても、多モード導波路を伝搬される光の光路を確実に切り替えることができる。

請求項７に記載の発明は、前記多モード導波路が、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路である請求項５に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、基板上に第３電極および下側クラッド層を形成したあと、下側クラッド層の表面を適宜の方法でエッチングし、コア層に形成しようとするモード導波層と第１単一モード導波路と第２単一モード導波路とに対応する凹陥部を形成し、次いでコア層を形成することにより、モード導波層と第１単一モード導波路と第２単一モード導波路とを形成できる。したがって、何らかの事情により、コア層の表面をエッチング処理できない場合に好適である。

請求項８に記載の発明は、前記上側クラッド層の表面に形成され、前記上側クラッド層よりも大きな誘電率を有する誘電体層を備え、前記変調電極は前記誘電体層の表面に形成されてなる請求項５〜７の何れか１項に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、上側クラッド層と変調電極との間に誘電体層が配設されているから、変調電極に同一の強さの電場を印加した場合においても、誘電体層がない場合に比較して大きな電界が上側クラッド層およびコア層に生じる。

したがって、より低い電圧においても効果的に光路の切替や光スイッチングを行うことができる。

請求項９に記載の発明は、前記基板上に第３電極と下側クラッド層とコア層と上側クラッド層とを形成した後、前記上部クラッド層の上方に種電極を形成し、前記種電極と第３電極との間に厚さ方向の電場を印加して前記コア層を分極配向処理する請求項５〜８の何れか１項に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子は、従来のプロセスで作製できる。

請求項１０に記載の発明は、前記コア層を予め分極配向処理し、分極配向処理されたコア層の両面に上側クラッド層および下側クラッド層を形成してなる請求項５〜８の何れか１項に記載の光スイッチング素子に関する。

前記光スイッチング素子においては、予め分極配向処理したコア層を用いているから、分極配向処理効率の低い材料をコア層として用いた場合においても、コア層が高い光電気特性を有し、換言すれば、弱い電場を印加した場合においてもコア層の屈折率を大きく変化させることができる。

したがって、前記光スイッチング素子においては、低い電圧で効率的に光変調が可能である。

以上説明したように本発明によれば、丈夫であり、しかも低い動作電圧で光路を切り替えることができる光スイッチング素子が提供される。

１．実施形態１
１−１ 光スイッチング素子
（１）構成
実施形態１に係る光スイッチング素子１００は、図１〜図５に示すように、矩形状の多モード導波路２と、多モード導波路２の一端に接続された２本の入射導波路１Ａおよび１Ｂ（以下、「入射導波路１」と総称することがある。）と、多モード導波路２の他端に接続された２本の出射導波路６Ａおよび６Ｂ（以下、「出射導波路６」と総称することがある。）と、多モード導波路２の上方に設けられた第１電極４および第２電極５と、多モード導波路２の下方に設けられた第３電極３とを有する。入射導波路１Ａおよび１Ｂは、本発明における第１単一モード導波路に、出射導波路６Ａおよび６Ｂは、本発明における第２単一モード導波路に相当する。

入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２とは、下側クラッド層９と上側クラッド層１１とに挟まれたコア層１０によって一体に形成されている。コア層１０は、下側クラッド層９および上側クラッド層１１の何れよりも大きな屈折率を有している。なお、下側クラッド層９と上側クラッド層１１とは屈折率が同一であっても異なっていてもよい。下側クラッド層９は、基板７の表面に形成され、下側クラッド層９と基板７との間には第３電極３が形成されている。上側クラッド層１１の上面には、第１電極４および第２電極５が形成されている。なお、上側クラッド層１１の上面に直に第１電極４および第２電極５を形成する代わりに、上側クラッド層１１の上側に誘電体層を形成し、前記誘電体層の上面に第１電極４および第２電極５を形成すれば、より低い駆動電圧で光路を切り替えられるから好ましい。

入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２は、図１および図２に示すように、上側クラッド層１１に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路であっても、図３および図４に示すように、下側クラッド層９に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路であってもよいが、リブ構造の導波路であれば、第１電極４および第２電極５に印加した変調信号によってコア層１０、具体的には多モード導波路２により大きな電界が生じるから、変調信号が低電圧であっても、多モード導波路２においてより効率的に光を変調できる。なお、何らかの事情でコア層１０をエッチングして入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２を形成できない場合は、下側クラッド層９を所定の形状にエッチングした後にコア層１０を形成するための形成溶液を流延し、加熱、硬化させることにより、入射導波路１と出射導波路６と多モード導波路２とを逆リブ構造の導波路として形成することができる。

入射導波路１と出射導波路６とは図５に示すように同一の巾Ｗ_１を有している。そして多モード導波路２の巾Ｗ_２は、以下の関係式：
１＜Ｗ_２／Ｗ_１＜１００
を満たすことが、多モード導波路２において安定に多モード伝送を行ううえで好ましい。

多モード導波路２の長さＬは、下側クラッド層９および上側クラッド層１１の屈折率ｎ_２とコア層１０の屈折率ｎ_１との差Δｎと、入射導波路１と出射導波路６との巾Ｗ_１と、多モード導波路２の巾Ｗ_２との関数として設定できる。

多モード導波路２は、後述するように所定の電圧を印加して分極配向処理することにより、電気光学的硬化が付与されている。前記分極配向処理は、多モード導波路２全体に同一の極性の電圧を印加して行ってもよく、図６に示すように、多モード導波路２の長手方向に沿った中心線を境にして反対の極性の電圧を印加して行ってもよい。

第１電極４および第２電極５は、図１〜図５に示すように上側クラッド層１１の表面における多モード導波路２の上方に配設されている。第１電極４および第２電極５は、何れも入射導波路１Ａおよび／または入射導波路１Ｂから入射した光によって多モード導波路２の内部に形成される光モード場における輝点、言い換えれば前記光が多モード導波路２の内部で互いに干渉して生じる輝点の上方に位置するように配設されている。そして、第１電極４は、多モード導波路２の長辺を形成する側縁の一方から中心部に向かって多モード導波路２を覆うように形成され、第２電極５は、多モード導波路２の長辺を形成する側縁の他方から中心部に向かって多モード導波路２を覆うように形成されている。第１電極４および第２電極５は、図１〜図４に示すように１個づつ設けてもよいし、図１４に示すように２個づつ設けてもよく、また３個づつ設けてもよい。第１電極４および第２電極５を１個づつ設ける場合は、図４および図５に示すように多モード導波路２の一端と他端との丁度中間の位置に設けることが好ましい。

第１電極４および第２電極５における多モード導波路２の短辺方向の寸法、即ち巾Ｗ_４は、多モード導波路２の巾Ｗ_２の１／２以下である。また、第１電極４および第２電極５における多モード導波路２の長辺方向の寸法、即ち長さＷ_３は、巾Ｗ_４と同一であっても異なっていてもよいが、多モード導波路２の長さＬよりは短いことが好ましい。

第１電極４および第２電極５は、夫々直流電源３０および３１に接続されている。多モード導波路２全体が同一の極性に分極配向処理されている場合は、直流電源３０および３１から印加される直流電圧の極性は図１、図３、および図６に示すように互いに逆である。一方、多モード導波路２が長さ方向の中心線を境にして反対の極性に分極配向処理されている場合は、第１電極４および第２電極５には同一の極性の電圧を印加できるから、第１電極４および第２電極５を１つの直流電源３０に接続でき、電圧印加回路の構成を簡略化できる。

コア層１０、上側クラッド層１１、および下側クラッド層９の材質としては、アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、弗素化ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリシロキサン樹脂などの透光性高分子材料、酸化ケイ素、各種ガラス、チタン酸ストロンチウム、ガリウム砒素、インジウム燐など、電場を印加すると屈折率が変化する電気光学効果を有するとともに、変調しようとする光に対して透明な材料であれば、どのようなものも使用できる。なお、前記透光性高分子を使用する場合には、非線形光学効果を発現させるため、電気光学効果を有する色素を分散させるか、または、主鎖や側鎖に非線形光学効果を有する基を結合させることが好ましい。

第１電極４、第２電極５、および第３電極３の材質としては、アルミニウム、チタン、金、銅、ＩＴＯなど、電極用材料として知られている各種金属材料や金属酸化物が挙げられる。

（２）作製手順
光スイッチング素子１００は、図１９に示す手順で作製することができる。

先ず、図１９において（Ａ）に示すように基板７を用意する。基板７としては、ガラス基板や石英基板、シリコン基板、ポリイミド基板など任意の材料からなる基板を用いることが可能である。基板７にシランカップリング剤などを塗布すれば、第３電極３との接着性を向上させることができる。

次に、同図において（Ｂ）に示すように、基板７の表面に第３電極３を形成する。第３電極３は、基板７の表面にアルミニウム、チタン、金、銅などの金属を蒸着または鍍金して形成してもよく、また、前記金属の箔を貼り合わせて形成してもよい。

第３電極３が形成されたら、同図において（Ｃ）に示すように、第３電極３の表面に下側クラッド層９を形成する。先ず、前記第３電極３の表面に、下側クラッド層９を形成する透光性高分子の溶液を塗布する。前記溶液を第３電極３に塗布する方法としては、カーテンコーティング法、押出成形コーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などが挙げられる。上記材料の溶液の溶液を第１の基板に塗布したら、加熱して溶媒を溜去し、必要に応じて反応、硬化させて下側クラッド層９を形成する。

次に、同図において（Ｄ）に示すように、下側クラッド層９の表面にコア層１０を形成する。コア層１０は、たとえば、コア層１０を形成する透光性高分子の溶液を下側クラッド層９の表面に塗布し、加熱、硬化させて形成できる。前記溶液の塗布方法は、下側クラッド層９のところで述べたのと同様の方法が使用される。

コア層１０が形成されたら、同図において（Ｅ）に示すように、コア層１０に入射導波路１、出射導波路６、および多モード導波路２などの導波路を形成する。導波路を形成する手段としては、エッチングなどの手段が挙げられる。また、下側クラッド層９に前記導波路に対応する形状の凹陥部を形成し、その上から透光性高分子の溶液を塗布して加熱、硬化させることにより、前記導波路を形成してもよい。

次に、同図において（Ｆ）に示すように、コア層１０の上に上側クラッド層１１を形成する。上側クラッド層１１の形成は、下側クラッド層９およびコア層１０の形成と同様の手順で行うことができる。

上部クラッド層１１を形成したら、同図において（Ｇ）および（Ｈ）に示すように、上側クラッド層１１の表面に金属皮膜からなる種電極１３を形成する。種電極１３は、第３電極３と同様にして形成できる。そして、第３電極３を接地し、種電極１３に所定の正電圧を印加してコア層１０に電場を印加し、コア層１０の入射導波路１、出射導波路６、および多モード導波路２が形成された部分を分極配向処理する。種電極１３は（Ｇ）に示すように多モード導波路２の上方に１枚だけ形成してもよく、（Ｈ）に示すように多モード導波路２の幅方向に沿って２枚形成してもよい。（Ｇ）に示すように多モード導波路２の上方に種電極１３を１枚だけ形成してこれに直流電圧を印加することにより、多モード導波路２は一様に分極配向処理される。一方、（Ｈ）に示すように多モード導波路２の幅方向に沿って種電極１３を２枚形成し、夫々の種電極１３に反対の極性の直流電圧を印加することにより、多モード導波路２は、図７に示すように長さ方向の中心線を境にして反対の極性に分極配向処理される。

多モード導波路２が分極配向処理されたら、同図において（Ｉ）に示すように、エッチングなどの手段により種電極１３を除去する。そして同図において（Ｊ）に示すように、上側クラッド層１１の上面に第１電極４および第２電極５を形成する。なお、種電極１３を除去する代わりに所定の形状にエッチングして第１電極４および第２電極５を形成してもよい。

（３）作用
図８の（Ａ）に示すように、光スイッチング素子１００の第１電極４および第２電極５に電圧を印加しない状態で入射導波路１Ａから多モード導波路２に光を入射させると、図８の（Ｂ）に示すように、入射導波路１を単一モードで伝搬された光は、多モード導波路２で多モード光に分離される。それによって入射導波路１と多モード導波路２との接続部において光像が生じる。多モード導波路２においては、光は、多モードで伝播する故に、多モード導波路２の内部で互いに干渉して光モード場を形成し、多モード導波路２の内部には図８の（Ｂ）に示す光像を形成する。前記光像は、複数の輝点を有する。前記輝点のうちの１個は第１電極４が配設された位置に発生し、別の１個は第２電極５が配設された位置に発生する。

多モード導波路２を多モードで伝搬された光は、多モード導波路２と出射導波路６Ｂとの接続部において互いに干渉しつつ単一モード光に収束され、前記接続部においても光像が生じ、入射導波路１から入射したのと実質的に同一の強度の光が出射導波路６Ｂを通って外部に出射する。

次に、多モード導波路２において、長さ方向の中心線を境にして互いに反対の双極子モーメントが発生するように、換言すれば、第１電極４と第３電極３とに挟まれた部分と、第２電極５と第３電極３とに挟まれた部分とに互いに反対の双極子モーメントが発生するように、第１電極４と第２電極５とに互いに逆の電圧を印加する。

ここで、多モード導波路２は電気光学効果を有する材質で形成されているから、第１電極４におよび第２電極５に電場を印加すると、多モード導波路２の屈折率が変化し、特に輝点の生じる箇所において屈折率が大きく変化する。したがって、それまで輝点が生じていた箇所における輝点の強度が低くなり、遂には発生しなくなる。これによって多モード導波路２の内部の光モード場の分布が変化する。第１電極４に正の電圧を、第２電極５に負の電圧を印加する場合において、第１電極４および第２電極５に印加する電圧の絶対値を増大させると、図１１のグラフにおいて曲線２に示すように出射導波路６Ｂから出射する光の強度は低くなり、前記グラフにおいて曲線１に示すように出射導波路６Ａから出射する光の強度は高くなる。なお、図１１のグラフにおいて、横軸は第１電極４および第２電極５に印加する電圧の絶対値を示し、縦軸は、出射導波路６Ａおよび６Ｂから出射される光の強度を示す。たとえば、図９の（Ａ）に示すように第１電極４に印加する電圧を０（Ｖ）から＋Ｖ_０／２まで増大させ、第２電極５に印加する電圧を０（Ｖ）から−Ｖ_０／２まで増大させると、図９の（Ｂ）に示すように、入射導波路１Ａから入射した光は、出射導波路６Ａおよび６Ｂからほぼ同一の強さで出射される。そして、図１０の（Ａ）に示すように第１電極４に印加する電圧を＋Ｖ_０に、第２電極５に印加する電圧を−Ｖ_０に増大させると、図１０の（Ｂ）に示すように、入射導波路１Ａから入射した光は、出射導波路６Ｂからは出射されず、出射導波路６Ａから出射される。

また、図１２の（Ａ）に示すように、光スイッチング素子１００の第１電極４および第２電極５に電圧を印加しない状態で入射導波路１Ａおよび１Ｂから多モード導波路２に光を入射させると、同図の（Ｂ）に示すように、入射導波路１Ａから入射した光は出射導波路６Ｂから、入射導波路１Ｂから入射した光は出射導波路６Ａから出射する。

次に、図１３の（Ａ）に示すように、第１電極４に＋Ｖ_０（Ｖ）の電圧を、第２電極５に−Ｖ_０（Ｖ）の電圧を印加すると、同図の（Ｂ）に示すように、入射導波路１Ａから入射した光は出射導波路６Ａから、入射導波路１Ｂから入射した光は出射導波路６Ｂから出射する。

同様に、光スイッチング素子１００において、多モード導波路２の長さ方向に沿って第１電極４および第２電極５をたとえば２個づつ設けた場合においても、図１４の（Ａ）に示すように、第１電極４に電圧＋Ｖ_０を、第２電極５に電圧−Ｖ_０を印加することにより、入射導波路１Ａから入射した光の光路を出射導波路６Ｂから出射導波路６Ａに切り替えることができる。なお、図１１のグラフと図１４の（Ｂ）のグラフとを比較すれば、光路を切り替えるのに必要な電圧は、図１１ではたとえば４（Ｖ）であるのに対し、図１４の（Ｂ）では２（Ｖ）と半減している。なお、図１４の（Ｂ）のグラフにおいて、横軸は第１電極４および第２電極５に印加する電圧の絶対値を示し、縦軸は、出射導波路６Ａおよび６Ｂから出射される光の強度を示す。このように、第１電極４および第２電極５を多モード導波路２の長さ方向に沿って複数個配設することにより、光路を切り替えるのに必要な電圧を低下させることができる。

以上述べたように、光スイッチング素子１００においては、第１電極４および第２電極５に印加する電圧を制御することにより、入射導波路１Ａおよび１Ｂと出射導波路６Ａおよび６Ｂとの間で光路を切り替えることができる。

（４）特長
光スイッチング素子１００において、たとえば第１電極４に正の電圧を、第２電極５に負の電圧を印加すると、図１５に示すように、第１電極４と第３電極３との間、および第２電極と第３電極３との間には、厚さ方向に沿って方向が反対の電場が生じる。これにより、多モード導波路２内部においては、第１電極４と第３電極３との間と、第２電極と第３電極３との間とにおいて反対方向の双極子モーメントが生じる。

ここで、第１電極４および第２電極５の何れも、電圧を印加していないときに多モード導波路２に輝点が生じる箇所の真上に配設されているから、図１５に示すように、前記電場の殆どは、多モード導波路２における輝点の生じる領域を通過する。したがって、第１電極４および第２電極５に低い電圧を印加した場合においても大きな双極子モーメントが生じるから、多モード導波路２の前記領域の電気光学的特性、たとえば屈折率は大きく変化する。これによって光モード場が大きく変化するから、輝点の位置も大きく変化し、入射導波路１から入射した光の光路も大きく変化する。

これに対し、従来の光スイッチング素子においては、図１８に示すように、電極は多モード導波路２の一方の側に配設されているから、電極の一方に正の電圧を、他方に負の電圧を印加して生じる電場は、多モード導波路２の表面に沿って形成される。したがって、多モード導波路２における輝点の生じる領域を通過する電場は、実施形態１の光スイッチング素子１００に比較して圧倒的に少ない。

故に、光スイッチング素子１００においては、駆動電圧は図１８に示す光スイッチング素子よりも遥かに低い４Ｖ程度で済む。

また、図７に示すように、多モード導波路２の長さ方向、換言すれば入射導波路１から出射導波路６に向かう方向に沿った中心線を境にして反対の極性で分極配向処理すれば、第１電極４と第２電極５とに正の電圧を印加することにより、図１６に示すように多モード導波路２の第１電極４と第３電極３との間の領域と、第２電極と第３電極３との間の領域とにおいて反対方向の双極子モーメントを生じさせることができる。

したがって、図１７に示すように第１電極４の直流電源と第２電極５の直流電源とを１つに集約できるから、電圧印加回路の構成が簡略化される。

更に、前述のように、第１電極４および第２電極５を多モード導波路２の長さ方向に沿って複数個形成することにより、駆動電圧を更に低下させることができる。

更に加えて、従来提案されたＭＭＩを能動素子として使用した光スイッチング素子と同様に、導波路の形状が単純であるから、製造が容易であり、丈夫でもある。
（５）光回路
実施形態１の光スイッチング素子１００を組み込んだ光回路としては、たとえば光スイッチング素子１００の入射導波路１ＡにＭＭＩ型光変調素子２００を接続した図２０において（Ａ）に示す光回路１０００、および光スイッチング素子１００の入射導波路１Ａにマッハ・ツェンダー型光変調素子３００を接続した同図の（Ｂ）に示す光回路１００２がある。ここで、ＭＭＩ型光変調素子２００は、ＭＭＩからなる多モード導波路の両側に電極を設け、入射導波路から前記多モード導波路に光を入射させるとともに前記電極に電気信号を印加して前記多モード導波路の光モード場を変化させ、出射導波路から出射する光を変調させる光変調素子である。

また、光スイッチング素子１００の入射導波路１Ａおよび１Ｂの両方に光変調素子を接続した図２２に示す光回路１００４も可能である。

図２０に示す光回路１０００および１００２においては、図２１に示すように光スイッチング素子１００の出射導波路６ＡをサーバＡに、出射導波路６ＢをサーバＢに接続し、ＭＭＩ型光変調素子２００またはマッハ・ツェンダー型光変調素子で変調された光信号を、サーバＡおよびサーバＢの一方に振り分けることができる。同様に、図２２に示す光回路１００４においても、光スイッチング素子１００の出射導波路６ＡをサーバＡに、出射導波路６ＢをサーバＢに接続して光信号の振り分けを行うことができる。

また、図２３に示すように、光信号を送受信する光通信システムＡ、Ｂ、Ｃの夫々において送信機および受信機に光スイッチング素子１００を組み込むこともできる。

図１９に示す手順に従って光スイッチ素子１００を作製した。

基板７上にＶＣＤ法によって金を蒸着して第３電極３を形成し、その上に、アクリル系樹脂をスピンコートして紫外線硬化させ、厚さ３．５μｍの下側クラッド層９を形成した。

そして、下側クラッド層９にＦＴＣ（２−ジシアノメチレン−３−シアノ−４−｛２−［トランス−（４−Ｎ，Ｎ−ジアセトキシエチル−アミノ）フェニレン−３，４−ジブチレン−５］ビニル｝−５，５−ジメチル−２，５−ジヒドロフラン）にＤｉｓｐｅｒｓｅ−Ｒｅｄ １を分散させたものをスピンコートして加熱、硬化させ、厚さ３．２μｍのコア層１０を形成した。

次いで、コア層をエッチングして入射導波路１Ａおよび１Ｂと多モード導波路２と出射導波路６Ａおよび６Ｂとを形成した。入射導波路１および出射導波路６の巾Ｗ_１を５μｍとし、多モード導波路２の巾Ｗ_２を５０μｍとした。したがって、Ｗ_２／Ｗ_１＝１０である。多モード導波路２の長さＬは１１８５０μｍとした。コア層１０は、入射導波路１と多モード導波路２と出射導波路６の周囲の部分を厚みが２．６μｍになるようにエッチングした。

コア層１０に入射導波路１と多モード導波路２と出射導波路６とを形成したら、その上に下側クラッド層９を形成するのに使用したのと同様のアクリル樹脂をスピンコートして紫外線で硬化させた。下側クラッド層９および上側クラッド層１１の屈折率は１．４７１であり、コア層１０に屈折率は１．５６７２であった。

上側クラッド層１１が形成されたら、その上に金を蒸着させて種電極１３を形成した。

種電極１３が形成されたら、９０〜２５０℃の高温で第３電極３と種電極１３との間に４００〜２０００Ｖの電圧を印加し、前記電圧を印加した状態で常温まで放冷してコア層１０を分極配向処理した。

分極配向処理が終了したら、種電極１３をエッチングして除去し、長さ１００μｍおよび幅２０μｍの第１電極４および第２電極５を金鍍金により形成して光スイッチング素子１００を作成した。

作成された光スイッチング素子１００においては、入射導波路１Ａおよび１Ｂとシングルモードファイバとの間の光損失、およびシングルモードファイバと出射導波路６Ａおよび６Ｂとの間の光損失は何れも２．８ｄＢに過ぎなかった。

また、駆動電圧Ｖ_０は４（Ｖ）にしか過ぎなかった。また、第１電極４および第２電極５の数を図１４に示すように２個に増やしたときは、駆動電圧Ｖ_０は２（Ｖ）に低下した。

図１は、実施形態１に係る光スイッチング素子の全体的な構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す光スイッチング素子を多モード導波路の幅方向に沿って切断した断面を示す断面図である。 図３は、実施形態１に係る光スイッチング素子の別の例について全体的な構成を示す斜視図である。 図４は、図３に示す光スイッチング素子を多モード導波路の幅方向に沿って切断した断面を示す断面図である。 図５は、実施形態１に係る光スイッチング素子における入射導波路、多モード導波路、出射導波路、第１電極、および第２電極の相対的な位置関係を示す平面図である。 図６は、実施形態１に係る光スイッチング素子の第１電極および第２電極に電圧を印加したところを示す平面図である。 図７は、実施形態１に係る光スイッチング素子において多モード導波路を長さ方向の中心線を境にして反対の極性で分極配向処理した態様において、第１電極および第２電極に電圧を印加したところを示す平面図である。 図８は、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極および第２電極に電圧を印加しない状態で一方の入射導波路に光を入射したときに多モード導波路内に形成される光路、および前記多モード導波路内の光モード場の分布を示す平面図である。 図９は、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極に電圧＋Ｖ_０／２を、第２電極に電圧−Ｖ_０／２を印加した状態で一方の入射導波路に光を入射したときに多モード導波路内に形成される光路、および前記多モード導波路内の光モード場の分布を示す平面図である。 図１０は、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極に電圧＋Ｖ_０を、第２電極に電圧−Ｖ_０を印加した状態で一方の入射導波路に光を入射したときに多モード導波路内に形成される光路、および前記多モード導波路内の光モード場の分布を示す平面図である。 図１１は、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極に印加する電圧および第２電極に印加する電圧を変化させたときの、夫々の出射導波路から出射される光の強度の変化を示すグラフである。 図１２は、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極および第２電極に電圧を印加しない状態で両方の入射導波路に光を入射したときに多モード導波路内に形成される光路、および前記多モード導波路内の光モード場の分布を示す平面図である。 図１３は、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極に電圧＋Ｖ_０を、第２電極に電圧−Ｖ_０を印加した状態で両方の入射導波路に光を入射したときに多モード導波路内に形成される光路、および前記多モード導波路内の光モード場の分布を示す平面図である。 図１４は、第１電極および第２電極を多モード導波路の長手方向に沿って２個づつ形成した光スイッチング素子において、実施形態１に係る光スイッチング素子において、第１電極および第２電極に電圧を印加しない状態、および第１電極に正の電圧を、第２電極に負の電圧を印加した状態で一方の入射導波路に光を入射したときに多モード導波路内に形成される光路を示す平面図、および第１電極および第２電極に印加する電圧の絶対値と夫々の出射導波路から出射される光の強度との関係を示すグラフである。 図１５は、実施形態１の光スイッチング素子において第１電極および第２電極に電圧を印加して生じる電場と、多モード導波路に生じる輝点との位置関係を示す説明図である。 図１６は、実施形態１の光スイッチング素子において第１電極および第２電極に電圧を印加して生じる電場と、多モード導波路に生じる輝点との位置関係を示す説明図である。 図１７は、実施形態１の光スイッチング素子において第１電極および第２電極に電圧を印加して生じる電場と、多モード導波路に生じる輝点との位置関係を示す説明図である。 図１８は、従来の光スイッチング素子において電極に電圧を印加して生じる電場と、多モード導波路に生じる輝点との位置関係を示す説明図である。 図１９は、実施形態１の光スイッチング素子を作製する手順を示す工程図である。 図２０は、実施形態１の光スイッチング素子を組み込んだ光回路の一例を示す概略図である。 図２１は、図２０に示す光回路の応用例を示す概略図である。 図２２は、実施形態１の光スイッチング素子を組み込んだ光回路の別の例を示す概略図である。 図２３は、図２０〜図２２に示す光回路を用いた光通信システムの一例を示す概略図である。

符号の説明

１ 入射導波路
２ 多モード導波路
３ 第３電極
４ 第１電極
５ 第２電極
６ 出射導波路
７ 基板
８ 接地電極
９ 下側クラッド層
１０ コア層
１１ 上側クラッド層
１３ 種電極
３０ 直流電源
３１ 直流電源
１００ 光スイッチング素子

Claims (10)

1. 光を多モードで伝播するとともに、電気光学効果を有する多モード導波路と、
   前記多モード導波路の一端に接続された１または複数の第１単一モード導波路と、
   前記多モード導波路の他端に接続された複数の第２単一モード導波路と、
   前記多モード導波路の一方の側における一の側縁近傍に配設された第１電極と、
   前記多モード導波路の前記一方の側における他の側縁近傍に配設された第２電極と、
   前記多モード導波路の他方の側に配設された第３電極と
   を有し、
   前記第１電極および前記第２電極は、前記多モード導波路内を伝播する光によって形成される光モード場における輝点の上に位置するように配設されてなるとともに、
   前記第１電極と前記第３電極との間、および前記第２電極と前記第３電極との間に電圧を印加することにより、前記第１単一モード導波路と前記第２単一モード導波路との間で光路を切り替えることを特徴とする光スイッチング素子。
2. 前記多モード導波路における前記第１電極と前記第３電極との間の部分、および前記第２電極と前記第３電極との間の部分は、何れも同一方向の電場で分極配向処理することにより、電気光学効果を付与してなる請求項１に記載の光スイッチング素子。
3. 前記多モード導波路における前記第１電極と前記第３電極との間の部分は、前記第２電極と前記第３電極との間の部分とは反対方向の電場で分極配向処理することにより、電気光学効果を付与してなる請求項１に記載の光スイッチング素子。
4. 前記第１単一モード導波路および第２単一モード導波路の巾をＷ_１とし、前記多モード導波路の幅をＷ_２とすると、前記第１単一モード導波路および第２単一モード導波路に対する前記多モード導波路の巾の比率Ｗ_２／Ｗ_１は、
   １＜Ｗ_２／Ｗ_１＜１００
   である請求項１〜３の何れか１項に記載の光スイッチング素子。
5. 基板と、
   前記基板上に形成された下側クラッド層と、
   前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、
   前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記多モード導波層と前記前記第１単一モード導波路と第２単一モード導波路とを形成するコア層と
   を備え、
   前記コア層は、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率を有すると共に、
   前記第１電極および第２電極は前記上側クラッド層の表面またはその上方に、前記第３電極は前記基板と下側電極との間に形成されてなる請求項１〜４の何れか１項に記載の光スイッチング素子。
6. 前記多モード導波路は、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路である請求項５に記載の光スイッチング素子。
7. 前記多モード導波路は、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路である請求項５に記載の光スイッチング素子。
8. 前記上側クラッド層の表面に形成され、前記上側クラッド層よりも大きな誘電率を有する誘電体層を備え、前記第１電極および第２電極は前記誘電体層の表面に形成されてなる請求項５〜７の何れか１項に記載の光スイッチング素子。
9. 前記基板上に第３電極と下側クラッド層とコア層と上側クラッド層とを形成した後に、前記上部クラッド層の上方に種電極を形成し、前記種電極と第３電極との間に厚さ方向の電場を印加して前記コア層を分極配向処理する請求項５〜８の何れか１項に記載の光スイッチング素子。
10. 前記コア層を予め分極配向処理し、分極配向処理されたコア層の両面に上側クラッド層および下側クラッド層を形成してなる請求項５〜８の何れか１項に記載の光スイッチング素子。

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