JP2009128718A - 光スイッチ - Google Patents
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Abstract
【課題】導波路を相変化材料で構成して屈折率変化量を大きくすることでスイッチを小型化し、さらに、スイッチング時にのみ電力を消費するので低電力化ができる光スイッチを提供すること。
【解決手段】光スイッチは、相変化材料で構成される導波路１０１、Si導波路１０２、SiO2クラッド１０３、Si基板１０４、及び相変化材料で構成される導波路１０１に電流を流す配線１０５からなる。これにより一種の方向性結合器型光スイッチを構成している。
【選択図】図１
【解決手段】光スイッチは、相変化材料で構成される導波路１０１、Si導波路１０２、SiO2クラッド１０３、Si基板１０４、及び相変化材料で構成される導波路１０１に電流を流す配線１０５からなる。これにより一種の方向性結合器型光スイッチを構成している。
【選択図】図１
Description
本発明は、光通信ネットワークノードにおけるスイッチング処理回路に適用して有効な光スイッチに関する。
図５は、従来の典型的な方向性結合器型光スイッチの構成を示す図である。図５(a)は、上面図である。従来の典型的な光スイッチは、入力導波路２０１、Ｓ字導波路部２０２、導波路近接部２０３、出力導波路２０４、近接部の導波路の屈折率を制御するための電極２０５から構成される。図５(b)は、図５(a)のＢ−Ｂ’における断面図である。n-InP基板２０６上に、n-InP下部クラッド２０７、i-InGaAsPコア２０８、p-InP上部クラッド２０９からなる導波路を構成し、近接部の片側の導波路には電流注入のためのp-InGaAs上部コンタクト層２１０、Au/AuZnNi電極層２１１を形成し、n-InP基板２０６下面にもAu/AuGeNi電極２１２を形成する。
電流を注入すると注入キャリアによるプラズマ効果のためにi-InGaAsPコア２０８の屈折率が最大０．５％程度変化する。このため、方向性結合部の結合長が変化し、入射信号の出力ポートを切り替えることができる。
しかしながら、従来の光スイッチは屈折率変化量が高々０．５％であるため、方向性結合部長を少なくとも１００μｍ以上とする必要がある。そのため、２×２スイッチの全長は数百μｍ以上となる。
また、他の従来技術として、石英導波路で構成された２×２スイッチでは、熱光学効果による屈折率変化が０．０５％程度であるため、スイッチ全長は数ｍｍになる。
さらに、これらのスイッチは、屈折率変化を維持するために、常に電流を流し続ける必要があるため、スイッチの消費電力は数百ｍＷとなる。またさらに、基板温度上昇を抑えるためのペルチェ素子を基板下面に取り付ける必要があり、消費電力の増大につながる。
そこで、本発明者らは、相変化材料を光スイッチに用いることを提案している（例えば、特許文献１参照。）。これによって、屈折率変化を維持するために、常に電流を流し続ける必要はなくなった。
特開２００６−１８４３４５号公報
しかし、相変化材料を用いる特許文献１の発明においても、その相変化材料によって導波路近傍の屈折率を変化させるものであるので、等価屈折率変化量が小さいため、小型化することができなかった。あるいは、導波路中に相変化材料を挿入して配置するため、光散乱損失が大きかった。
本発明は、上記問題点に鑑み、導波路を相変化材料で構成して等価屈折率変化量を大きくすることでスイッチを小型化し、さらに、スイッチング時にのみ電力を消費するので低電力化ができる光スイッチを提供することを目的とする。
本発明の光スイッチは、基板と、該基板上に形成され入力導波路及び第１出力導波路に接続される第１導波路と、前記基板上に形成され前記第１導波路と所定の間隔を空けて第１導波路と平行に配置され、相変化材料で構成される第２導波路と、前記基板上に形成され前記第１導波路とで第２導波路を挟むように第２導波路と所定の間隔を空けて第２導波路と平行に配置され、第２出力導波路に接続される第３導波路とを備えることを特徴とする。
また、前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して平行に並んで配置されていることで、簡単な製造プロセスで製造することができる。
また、前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して垂直に並んで配置されていることで、一般に厚さ方法の形状精度は高いので、設計に近い形状のスイッチを作りやすい利点がある。
また、前記相変化材料は、テトラヘドラル系材料、Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、カルコゲナイド材料を含むことが望ましい。
また、前記第１及び第３導波路は、シリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、リン化インジウム、ヒ素化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ヒ素化インジウムガリウム、ヒ素化インジウムアルミニウム、ヒ素化インジウムガリウム、又は、ヒ素化窒化ガリウムを含むことが望ましい。
また、前記光スイッチが、該光スイッチを駆動する電子回路基板上に形成されていることで、光スイッチを駆動する回路を集積化し、小型な光スイッチモジュールを構成することができる。
本発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
(1) 相変化材料の屈折率変化量が大きいので、全長十数μｍの超小型光スイッチを構成することができる。
(2) 相変化材料はメモリ性を有しているため、スイッチング時にのみ電力を消費するので低電力化ができる。結果として温度制御用のペルチェ素子が不要になる。
(3) 基板垂直方向に方向性結合回路を構成することで素子作成の精度を高め、歩留まり良くスイッチを構成することができる。
(4) 電子回路基板上に構成し、駆動回路も一体化して小型なスイッチモジュールを構成することが可能である。
(1) 相変化材料の屈折率変化量が大きいので、全長十数μｍの超小型光スイッチを構成することができる。
(2) 相変化材料はメモリ性を有しているため、スイッチング時にのみ電力を消費するので低電力化ができる。結果として温度制御用のペルチェ素子が不要になる。
(3) 基板垂直方向に方向性結合回路を構成することで素子作成の精度を高め、歩留まり良くスイッチを構成することができる。
(4) 電子回路基板上に構成し、駆動回路も一体化して小型なスイッチモジュールを構成することが可能である。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本発明の実施例１による光スイッチの構成を示す図である。図１(a)は、その斜視図、図１(b)は、上面図、図１(c)は、図１(a)のＣ−Ｃ’における断面図である。本実施例１の光スイッチは、相変化材料で構成される導波路１０１、Si導波路１０２、SiO2クラッド１０３、Si基板１０４、及び相変化材料で構成される導波路１０１に電流を流す配線１０５からなる。これにより一種の方向性結合器型光スイッチを構成している。波長1.55μｍの通信波長帯において、GeSbTe系カルコゲナイド系材料の結晶状態及びアモルファス状態の複素屈折率は、それぞれ、5.1+0.5i、3.6+0.01iである。Si導波路１０２及びSiO2クラッド１０３の複素屈折率は、それぞれ、3.46+0.00i、1.45+0.00iである。
図２は、本発明の実施例１による光スイッチの動作を説明する図である。図１(b)における、Ｗ、Ｄ、Ｌの値を、それぞれ、0.19μｍ、4.1μｍ、0.16μｍと仮定する。図２は、これらの値を元に光スイッチの動作をビーム伝搬法によって計算した結果を示す。相変化材料の屈折率変化に伴い、導波路間の光結合が変化し、相変化材料が結晶状態の場合（図２(a)）、スイッチはBAR状態（Port1から入射した光がPortA、Port2から入射した光がPortBから出力）になり、逆に相変化材料がアモルファス状態の場合（図２(b)）、スイッチはCROSS状態（Port1から入射した光がPortB、Port2から入射した光がPortAから出力）となる。なお、従来の方向性結合型光スイッチでは、屈折率変化量が僅かであったため、屈折率変化に伴う結合長の変化によってスイッチングしていたが、相変化材料では屈折率変化量が大きいため、結合係数そのものが大きく変化してスイッチングしているので、スイッチング原理も異なる。もちろん、結合長の変化に基づくスイッチ構成も可能であることは言うまでもない。スイッチ寸法は、約3μｍ×14μｍとすることができる。例としてSi導波路を利用する場合を示したが、他材料の導波路でも同様のスイッチを構成できることは言うまでもない。また、電流パルスで駆動する構成を示したが、相変化材料は光パルスの照射によっても、結晶状態とアモルファス状態を遷移させることができるので、光パルス駆動型にすることができることも言うまでもない。
図３は、本発明の実施例２による光スイッチの構成を示す図である。図３(a)は、その斜視図、図３(b)は、図３(a)のＢ−Ｂ’における断面図である。実施例１の光スイッチは、基板に対して平行に導波路を近接させて並べて方向性結合部を構成したが、本実施例２の光スイッチは、基板に対して垂直に導波路を近接させて並べて方向性結合部を構成した点が実施例１と相違する。一般に厚さ方法の形状精度は高いので、設計に近い形状のスイッチを作りやすい利点がある。実施例２の光スイッチの動作は実施例１と同様である。
図４は、本発明の実施例３による光スイッチの構成を示す斜視図である。実施例１の光スイッチは、基板をSi基板としたが、本実施例２の光スイッチは、基板を電子回路が形成されている電子回路基板１０６で構成した点が実施例１と相違する。これによって、光スイッチを駆動する回路を集積化し、小型な光スイッチモジュールを構成することができる。また、多段構成の例を示したが、光スイッチ単体の動作は、実施例１と同様である。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。
１０１ 導波路
１０２ Si導波路
１０３ SiO2クラッド
１０４ Si基板
１０５ 配線
１０６ 電子回路基板
２０１ 入力導波路
２０２ Ｓ字導波路部
２０３ 導波路近接部
２０４ 出力導波路
２０５ 電極
２０６ n-InP基板
２０７ n-InP下部クラッド
２０８ i-InGaAsPコア
２０９ p-InP上部クラッド
２１０ p-InGaAs上部コンタクト層
２１１ Au/AuZnNi電極層
２１２ Au/AuGeNi電極
１０２ Si導波路
１０３ SiO2クラッド
１０４ Si基板
１０５ 配線
１０６ 電子回路基板
２０１ 入力導波路
２０２ Ｓ字導波路部
２０３ 導波路近接部
２０４ 出力導波路
２０５ 電極
２０６ n-InP基板
２０７ n-InP下部クラッド
２０８ i-InGaAsPコア
２０９ p-InP上部クラッド
２１０ p-InGaAs上部コンタクト層
２１１ Au/AuZnNi電極層
２１２ Au/AuGeNi電極
Claims (6)
- 基板と、
該基板上に形成され入力導波路及び第１出力導波路に接続される第１導波路と、
前記基板上に形成され前記第１導波路と所定の間隔を空けて第１導波路と平行に配置され、相変化材料で構成される第２導波路と、
前記基板上に形成され前記第１導波路とで第２導波路を挟むように第２導波路と所定の間隔を空けて第２導波路と平行に配置され、第２出力導波路に接続される第３導波路と
を備えることを特徴とする光スイッチ。 - 前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して平行に並んで配置されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
- 前記第１乃至第３導波路は、前記基板に対して垂直に並んで配置されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
- 前記相変化材料は、テトラヘドラル系材料、Ge-Sb-Te系カルコゲナイド系材料、Sb-Te系カルコゲナイド系材料、又は、カルコゲナイド材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光スイッチ。
- 前記第１及び第３導波路は、シリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、リン化インジウム、ヒ素化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ヒ素化インジウムガリウム、ヒ素化インジウムアルミニウム、ヒ素化インジウムガリウム、又は、ヒ素化窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光スイッチ。
- 前記光スイッチが、該光スイッチを駆動する電子回路基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光スイッチ。
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Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101833220A (zh) * | 2010-04-20 | 2010-09-15 | 浙江大学 | 一种相变材料辅助的自持式波导光开关 |
| JP2011150297A (ja) * | 2009-12-25 | 2011-08-04 | Keio Gijuku | 導波路型光ゲートスイッチ |
| JP2012128302A (ja) * | 2010-12-17 | 2012-07-05 | Keio Gijuku | 導波路型光保護素子及び導波路型光保護装置 |
| CN106324865A (zh) * | 2016-08-19 | 2017-01-11 | 上海交通大学 | 一种基于相变材料三维集成光开关 |
| CN111123616A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-05-08 | 中山大学 | 一种基于硫化物-氮化硅混合波导及其制备方法 |
| CN111965756A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-20 | 中山大学 | 一种基于硫化物-硅基光栅耦合器及其制备方法 |
| CN112415784A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-02-26 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种非易失性光开关及其制作方法 |
| US11226451B2 (en) * | 2019-01-24 | 2022-01-18 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Three-dimensional optical switch |
| US11231635B2 (en) * | 2019-11-19 | 2022-01-25 | Hrl Laboratories, Llc | Electrically-controllable 3D optical waveguide switch with phase change materials |
| WO2023283981A1 (zh) * | 2021-07-12 | 2023-01-19 | 华中科技大学 | 直波导型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法 |
| WO2024045491A1 (zh) * | 2022-08-30 | 2024-03-07 | 浙江大学 | 一种基于相变材料-硅混合集成波导的片上起偏器 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7123769B2 (ja) * | 2018-11-28 | 2022-08-23 | 京セラ株式会社 | 光スイッチ |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05196973A (ja) * | 1991-09-12 | 1993-08-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光スイッチ |
| JPH06242335A (ja) * | 1993-02-16 | 1994-09-02 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 混載型平面光導波路 |
| JP2004045709A (ja) * | 2002-07-11 | 2004-02-12 | Nec Corp | 結合光導波路 |
| JP2004279687A (ja) * | 2003-03-14 | 2004-10-07 | Tetsuzo Yoshimura | オプトエレクトロニックマイクロシステム、導波路素子、バリアブルウエルオプティカルｉｃ、オプトエレクトロニックマイクロ／ナノシステム、 |
| JP2006184345A (ja) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Keio Gijuku | 光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチ |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05196973A (ja) * | 1991-09-12 | 1993-08-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光スイッチ |
| JPH06242335A (ja) * | 1993-02-16 | 1994-09-02 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 混載型平面光導波路 |
| JP2004045709A (ja) * | 2002-07-11 | 2004-02-12 | Nec Corp | 結合光導波路 |
| JP2004279687A (ja) * | 2003-03-14 | 2004-10-07 | Tetsuzo Yoshimura | オプトエレクトロニックマイクロシステム、導波路素子、バリアブルウエルオプティカルｉｃ、オプトエレクトロニックマイクロ／ナノシステム、 |
| JP2006184345A (ja) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Keio Gijuku | 光スイッチ、光シリアル−パラレル変換器、並列ビット遅延可変・波長変換回路及び光時間スイッチ |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011150297A (ja) * | 2009-12-25 | 2011-08-04 | Keio Gijuku | 導波路型光ゲートスイッチ |
| CN101833220A (zh) * | 2010-04-20 | 2010-09-15 | 浙江大学 | 一种相变材料辅助的自持式波导光开关 |
| JP2012128302A (ja) * | 2010-12-17 | 2012-07-05 | Keio Gijuku | 導波路型光保護素子及び導波路型光保護装置 |
| CN106324865A (zh) * | 2016-08-19 | 2017-01-11 | 上海交通大学 | 一种基于相变材料三维集成光开关 |
| US11226451B2 (en) * | 2019-01-24 | 2022-01-18 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Three-dimensional optical switch |
| CN114868054A (zh) * | 2019-11-19 | 2022-08-05 | Hrl实验室有限责任公司 | 使用相变材料的电控3d光波导开关 |
| US11231635B2 (en) * | 2019-11-19 | 2022-01-25 | Hrl Laboratories, Llc | Electrically-controllable 3D optical waveguide switch with phase change materials |
| CN111123616A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-05-08 | 中山大学 | 一种基于硫化物-氮化硅混合波导及其制备方法 |
| EP4062213A4 (en) * | 2019-11-19 | 2023-11-22 | HRL Laboratories LLC | ELECTRICALLY CONTROLLED OPTICAL 3D WAVEGUIDE SWITCH WITH PHASE CHANGE MATERIALS |
| CN111965756A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-20 | 中山大学 | 一种基于硫化物-硅基光栅耦合器及其制备方法 |
| CN112415784A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-02-26 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种非易失性光开关及其制作方法 |
| WO2023283981A1 (zh) * | 2021-07-12 | 2023-01-19 | 华中科技大学 | 直波导型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法 |
| US11906876B2 (en) | 2021-07-12 | 2024-02-20 | Huazhong University Of Science And Technology | All-photonic Boolean logic device based on phase change straight waveguide and full binary logic implementation method thereof |
| WO2024045491A1 (zh) * | 2022-08-30 | 2024-03-07 | 浙江大学 | 一种基于相变材料-硅混合集成波导的片上起偏器 |
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