JP2018072486A - 光スイッチ及び光スイッチの使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光スイッチを小型化させること。
【解決手段】基板１０上に設けられた入射導波路１２と、基板上に設けられた複数の出射導波路１４と、入射導波路と、基板上で入射導波路から離れて入射導波路に並んで延在した入射側副導波路３２と、で構成された入射側導波路結合部３０と、入射導波路と入射側副導波路とに光接続して基板上に設けられた導波路レンズ４０と、導波路レンズと複数の出射導波路との間で基板上に設けられ、導波路レンズと複数の出射導波路とに光接続された中間導波路５０と、中間導波路に設けられ、導波路レンズから出射されて中間導波路を伝搬する光の経路を複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部６０と、複数の出射導波路と、基板上で複数の出射導波路から離れて複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路７２と、で構成された出射側導波路結合部７０と、を備える光スイッチ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スイッチ及び光スイッチの使用方法に関する。

入射導波路に入射された光信号を電気光学効果によって偏向させて、複数の出射導波路のうちの１つの出射導波路から光信号を取り出す光スイッチが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−２２２０５６号公報

特許文献１では、複数の出射導波路それぞれにレンズが光接続している。このため、レンズを設ける領域を確保するために複数の出射導波路の間隔が広くなってしまい、光スイッチが大型化してしまう。

そこで、光スイッチを小型化させることを目的とする。

本願発明は、基板上に設けられた入射導波路と、前記基板上に設けられた複数の出射導波路と、前記入射導波路と、前記基板上で前記入射導波路から離れて前記入射導波路に並んで延在した入射側副導波路と、で構成された入射側導波路結合部と、前記入射導波路と前記入射側副導波路とに光接続して前記基板上に設けられた導波路レンズと、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路との間で前記基板上に設けられ、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路とに光接続された中間導波路と、前記中間導波路に設けられ、前記導波路レンズから出射されて前記中間導波路を伝搬する光の経路を前記複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部と、前記複数の出射導波路と、前記基板上で前記複数の出射導波路から離れて前記複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路と、で構成された出射側導波路結合部と、を備える、光スイッチである。

本願発明は、基板上に設けられた入射導波路と、前記基板上に設けられた複数の出射導波路と、前記入射導波路と、前記基板上で前記入射導波路から離れて前記入射導波路に並んで延在した入射側副導波路と、で構成された入射側導波路結合部と、前記入射導波路と前記入射側副導波路とに光接続して前記基板上に設けられた導波路レンズと、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路との間で前記基板上に設けられ、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路とに光接続された中間導波路と、前記中間導波路に設けられ、前記導波路レンズから出射されて前記中間導波路を伝搬する光の経路を前記複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部と、前記複数の出射導波路と、前記基板上で前記複数の出射導波路から離れて前記複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路と、で構成された出射側導波路結合部と、を備える光スイッチの使用方法であって、前記入射側導波路結合部で前記入射導波路に入射された基底モード光を高次モード光に変換させ、前記出射側導波路結合部で前記導波路レンズ及び前記中間導波路を伝搬した前記高次モード光を前記基底モード光に変換させる、光スイッチの使用方法である。

本願発明によれば、光スイッチを小型化することができる。

図１は、実施例１に係る光スイッチの平面図である。 図２（ａ）から図２（ｃ）は、図１のＡ−Ａ間からＣ−Ｃ間の断面図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、図１のＤ−Ｄ間からＦ−Ｆ間の断面図である。 図４は、実施例１に係る光スイッチを伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図（その１）である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施例１に係る光スイッチを伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図（その２）である。 図６は、入射導波路が単独で延在する位置と、入射側導波路結合部と導波路レンズとが接続する位置と、での光の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。 図７（ａ）は、入射側導波路結合部の位置での光の電界強度の分布を示す断面図、図７（ｂ）は、導波路レンズの焦点の位置での光の電界強度の分布を示す断面図である。 図８（ａ）は、導波路レンズの焦点の位置での光の電界分布のシミュレーション結果を示す図、図８（ｂ）は、出射導波路が単独で延在する位置での光の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、比較例１に係る光スイッチの平面図である。 図１０は、比較例１に係る光スイッチを伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図である。 図１１は、比較例２に係る光スイッチの平面図である。 図１２は、比較例２に係る光スイッチを伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図である。 図１３は、実施例２に係る光スイッチに備わる入射側導波路結合部の平面図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明は、基板上に設けられた入射導波路と、前記基板上に設けられた複数の出射導波路と、前記入射導波路と、前記基板上で前記入射導波路から離れて前記入射導波路に並んで延在した入射側副導波路と、で構成された入射側導波路結合部と、前記入射導波路と前記入射側副導波路とに光接続して前記基板上に設けられた導波路レンズと、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路との間で前記基板上に設けられ、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路とに光接続された中間導波路と、前記中間導波路に設けられ、前記導波路レンズから出射されて前記中間導波路を伝搬する光の経路を前記複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部と、前記複数の出射導波路と、前記基板上で前記複数の出射導波路から離れて前記複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路と、で構成された出射側導波路結合部と、を備える、光スイッチである。これにより、複数の出射導波路の間隔を狭くすることができるため、光スイッチを小型化できる。

前記入射側副導波路と前記出射側副導波路とは、前記入射導波路及び前記複数の出射導波路が延在する方向に交差する方向における前記入射導波路及び前記複数の出射導波路の両側のうちの少なくとも同じ側に設けられていてもよい。これにより、入射側導波路結合部で基底モード光から変換された高次モード光を出射側導波路結合部で基底モード光に適正に戻すことができる。

前記入射側副導波路の本数と前記出射側副導波路の本数とは同じであってもよい。これにより、入射側導波路結合部で基底モード光から変換された高次モード光を出射側導波路結合部で基底モード光に適正に戻すことができる。

複数の前記入射側副導波路と複数の前記出射側副導波路とが設けられ、前記複数の入射側副導波路は前記入射導波路を挟んで設けられ、前記複数の出射側副導波路は前記複数の出射導波路をまとめて挟んで設けられていてもよい。これにより、入射側導波路結合部で基底モード光から変換された高次モード光を出射側導波路結合部で基底モード光に適正に戻すことができる。

前記入射側導波路結合部での前記入射導波路と前記入射側副導波路との間隔と、前記出射側導波路結合部での前記複数の出射導波路及び前記出射側副導波路の互いの間隔と、は略同じであり、前記入射側導波路結合部における前記入射導波路と前記入射側副導波路とが並んで延在する長さと、前記出射側導波路結合部における前記複数の出射導波路と前記出射側副導波路とが並んで延在する長さと、は略同じであってもよい。これにより、入射側導波路結合部と出射側導波路結合部とで、基底モード光と高次モード光との間の変換が同等に行われるようにできる。

前記複数の出射導波路の前記基板の端面側での間隔は、前記出射側導波路結合部における前記複数の出射導波路の間隔よりも広くてもよい。これにより、複数の出射導波路間の光クロストークを良好にできる。

前記中間導波路と前記複数の出射導波路とは、前記導波路レンズの焦点の位置で接続してもよい。これにより、光の結合のために適した出射導波路の幅および複数の出射導波路間の距離を縮めることができる。

前記入射側導波路結合部は、前記入射導波路に入射された基底モード光を高次モード光に変換し、前記出射側導波路結合部は、前記導波路レンズ及び前記中間導波路を伝搬した前記高次モード光を前記基底モード光に変換してもよい。これにより、光スイッチを小型化できる。

本願発明は、基板上に設けられた入射導波路と、前記基板上に設けられた複数の出射導波路と、前記入射導波路と、前記基板上で前記入射導波路から離れて前記入射導波路に並んで延在した入射側副導波路と、で構成された入射側導波路結合部と、前記入射導波路と前記入射側副導波路とに光接続して前記基板上に設けられた導波路レンズと、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路との間で前記基板上に設けられ、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路とに光接続された中間導波路と、前記中間導波路に設けられ、前記導波路レンズから出射されて前記中間導波路を伝搬する光の経路を前記複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部と、前記複数の出射導波路と、前記基板上で前記複数の出射導波路から離れて前記複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路と、で構成された出射側導波路結合部と、を備える光スイッチの使用方法であって、前記入射側導波路結合部で前記入射導波路に入射された基底モード光を高次モード光に変換させ、前記出射側導波路結合部で前記導波路レンズ及び前記中間導波路を伝搬した前記高次モード光を前記基底モード光に変換させる、光スイッチの使用方法である。これにより、複数の出射導波路の間隔を狭くすることができるため、光スイッチを小型化できる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る光スイッチの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、本願発明の効果がある限りにおいて他の成分が含まれていてもよい。

図１は、実施例１に係る光スイッチ１００の平面図である。図１のように、実施例１の光スイッチ１００は、基板１０上に、入射導波路１２、入射側導波路結合部３０、導波路レンズ４０、中間導波路５０、光偏向部６０、出射側導波路結合部７０、及び複数の出射導波路１４を備える。入射導波路１２、導波路レンズ４０、中間導波路５０、及び出射導波路１４が配列された方向をＸ方向とする。Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。

入射導波路１２は、基板１０の端面からＸ方向に延在している。入射導波路１２の基板１０の端面側とは反対側の部分の一定の区間に亘って、入射導波路１２から離れ且つ入射導波路１２に並んでＸ方向に延在した２本の入射側副導波路３２が設けられている。２本の入射側副導波路３２は、Ｙ方向において入射導波路１２の両側から入射導波路１２を挟んで設けられている。すなわち、入射導波路１２と入射側副導波路３２とは、互いに平行にＹ方向に配列されている。入射側導波路結合部３０は、入射導波路１２と２本の入射側副導波路３２とで構成されている。すなわち、入射導波路１２と２本の入射側副導波路３２とが並んだ領域が入射側導波路結合部３０である。

入射導波路１２には、例えば波長１．５５μｍの基底モード光（シングルモード光）が入射される。入射導波路１２は、例えばモード直径１μｍの光、すなわち電界が１μｍの範囲に分布する光を導波するシングルモード導波路である。

入射側導波路結合部３０は、入射導波路１２に入射された基底モード光を高次モード光に変換する。入射側導波路結合部３０において、入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１は、入射導波路１２に入射された基底モード光のモード直径よりも小さく設定されていて、例えば１μｍである。入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ距離Ｌ１は、基底モード光が高次モード光に変換されるのに適した距離に設定されていて、例えば３７μｍである。

入射導波路１２と２本の入射側副導波路３２とは、導波路レンズ４０に光接続されている。導波路レンズ４０は、入力面４２と矩形領域４４と出力面４６とを有する。入力面４２は、入射導波路１２と２本の入射側副導波路３２とが接続する面であって平面形状をしている。導波路レンズ４０は、入力面４２で入射側導波路結合部３０から高次モード光を受け取る。出力面４６は、入力面４２とはＸ方向において反対側に設けられ、凸状の曲面形状をしている。矩形領域４４は入力面４２と出力面４６との間に設けられている。

入射側導波路結合部３０で変換されて導波路レンズ４０の入力面４２に入射された高次モード光は、矩形領域４４をＸ軸方向に伝搬し、その電界分布はＹ軸方向に広がる。矩形領域４４のＹ方向の幅は、広がった電界分布よりも十分に大きくなるように設定されている。例えば、矩形領域４４のＹ方向の幅は、入射導波路１２のＹ方向の幅よりも１０倍以上大きくなるように設定されている。一例では、矩形領域４４のＹ方向の幅は２０μｍである。

矩形領域４４をＸ軸方向に伝搬した高次モード光は、出力面４６から中間導波路５０に出射される。入力面４２から出力面４６までのＸ方向の長さは、入力面４２に入射された高次モード光が近視野像から遠視野像に転換するのに十分な長さに設定され、入射された高次モード光の波長よりも十分に長い長さに設定されている。一例では、入力面４２から出力面４６の先端までの長さは３０μｍである。

中間導波路５０は、導波路レンズ４０の出力面４６に光接続されていて、導波路レンズ４０から高次モード光を受け取る。中間導波路５０の実効屈折率は３．２０であり、導波路レンズ４０の実効屈折率３．２５よりも低い。

中間導波路５０の一部に光偏向部６０が設けられている。光偏向部６０は、電極６２、電極６４及びバイアス電極６６を備える。光偏向部６０は、中間導波路５０のうちの導波路レンズ４０側に設けられていて、導波路レンズ４０とは反対側には設けられていない。光偏向部６０は、中間導波路５０を伝搬する高次モード光の伝搬方向をＸ軸方向からＹ軸方向に傾いた方向に変化させる。光偏向部６０は、中間導波路５０を伝搬する高次モード光の経路を複数の出射導波路１４のいずれかの方向に偏向する。図１中の破線矢印で光偏向部６０による高次モード光の偏向を示している。

電極６２及び電極６４は、平面視において三角形のプリズム形状をしている。バイアス電極６６は、外部の可変電圧源から所定値Ｖｂ［Ｖ］の電圧が印加される。電極６２は、例えば外部の可変電圧源から正の電圧（＋Ｖ１）［Ｖ］の電圧が印加される。電極６４は、例えば外部の可変電圧源から負の電圧（−Ｖ１）［Ｖ］の電圧が印加される。電極６２に印加される電圧（＋Ｖ１）と電極６４に印加される電圧（−Ｖ１）とは、例えば符号が反対で絶対値が等しい電圧であるが、その他の場合でもよい。

例えば、高次モード光の進行方向を方向ｄ１にしたいときは、方向ｄ２に高次モード光の進行方向を向けるときの２倍の大きさの電圧を電極６２及び電極６４に印加する。例えば、高次モード光の進行方向を方向ｄ３にしたいときは、方向ｄ２に高次モード光の進行方向を向けるときと、電極６２及び電極６４に印加する電圧の符号を反転させる。

なお、実施例１では、光偏向部６０は、三角形のプリズム形状をした２つの電極（電極６２及び電極６４）を有する場合を例に示したが、４つや６つなどの複数の電極を有する場合でもよい。三角形のプリズム形状をした電極の個数を増やすことで、高次モード光の偏向の角度を大きくすることができる。三角形のプリズム形状をした電極の個数を増やしても、バイアス電極６６は共通に１つだけ設けられていればよい。また、三角形のプリズム形状をした電極の個数を増やす場合、隣接する電極に入力する電圧の符号は逆符号となるようにする。

出射側導波路結合部７０は、中間導波路５０の導波路レンズ４０とは反対側に光接続されている。出射側導波路結合部７０は、複数の出射導波路１４と、複数の出射導波路１４から離れ且つ複数の出射導波路１４の両側で複数の出射導波路１４に並んでＸ方向に延在した２本の出射側副導波路７２と、で構成されている。すなわち、複数の出射導波路１４と２本の出射側副導波路７２とが並んだ領域が出射側導波路結合部７０である。２本の出射側副導波路７２は、Ｙ方向において複数の出射導波路１４の両側から複数の出射導波路１４をまとめて挟んで設けられている。すなわち、複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２とは、互いに平行にＹ方向に配列されている。

光偏向部６０によって偏向され、中間導波路５０を伝搬した高次モード光は、複数の出射導波路１４のうちの１つの出射導波路１４に主に入射される。出射側導波路結合部７０は、出射導波路１４に入射された高次モード光を基底モード光に変換する。出射側導波路結合部７０において、複数の出射導波路１４のうちの最も出射側副導波路７２側の出射導波路１４と出射側副導波路７２との間隔Ｄ２は、出射側導波路結合部７０で変換される基底モード光のモード直径よりも小さく設定され、例えば入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１と略同じ１μｍである。出射側導波路結合部７０における複数の出射導波路１４の間隔Ｄ３も、出射側導波路結合部７０で変換される基底モード光のモード直径よりも小さく設定され、例えば入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１と略同じ１μｍである。複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２とが並んだ距離Ｌ２は、高次モード光が基底モード光に変換されるのに適した距離に設定されていて、例えば入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ距離Ｌ１と略同じ３７μｍである。なお、略同じとは製造誤差などによる違いを考慮したものである。

複数の出射導波路１４それぞれから外部に光が出射される。すなわち、複数の出射導波路１４のうち、中間導波路５０を伝搬した高次モード光が主に入射された出射導波路１４から、出射側導波路結合部７０で変換された基底モード光（すなわち、入射導波路１２に入射された基底モード光と同じ基底モード光）が出射される。

複数の出射導波路１４は、基板１０の端面側において互いの間隔が広くなるように曲がっている。すなわち、複数の出射導波路１４の間隔は、基板１０の端面側の部分において、出射側導波路結合部７０における部分よりも広くなっている。基板１０の端面側での出射導波路１４の間隔は、例えば７μｍである。

図２（ａ）から図３（ｃ）は、図１のＡ−Ａ間からＦ−Ｆ間の断面図である。図２（ａ）は、入射側導波路結合部３０の断面図である。図２（ａ）のように、基板１０上に、下部クラッド層２０、コア層２２、及びリッジ形状の上部クラッド層２４がこの順に設けられている。入射導波路１２及び入射側副導波路３２は、下部クラッド層２０、コア層２２、及び上部クラッド層２４が積層された構造を有する。下部クラッド層２０と上部クラッド層２４とで挟まれた領域のコア層２２（すなわち、上部クラッド層２４の下に位置するコア層２２）を光が主に伝搬する。コア層２２及び上部クラッド層２４を覆って保護膜２６が設けられている。

材料の一例として、基板１０は半絶縁性のリン化インジウム（ＩｎＰ）基板である。下部クラッド層２０はｎ型のＩｎＰ層である。コア層２２は、ノンドープの多重量子井戸層であり、アルミニウムガリウムインジウムヒ素（ＡｌＧａＩｎＡｓ）の井戸層と障壁層とを有する。上部クラッド層２４は、ｐ型のＩｎＰ層である。保護膜２６は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜である。例えば、コア層２２の屈折率は３．４５で、下部クラッド層２０及び上部クラッド層２４の屈折率は３．１７で、保護膜２６の屈折率は１．５である。入射導波路１２の実効屈折率は例えば３．２５である。入射側導波路結合部３０の実効屈折率は例えば３．２５である。

各層の厚さの一例として、下部クラッド層２０は１．５μｍ、コア層２２は０．３μｍ、上部クラッド層２４は１．５μｍ、保護膜２６は０．２μｍである。また、上部クラッド層２４のリッジ幅は、入射導波路１２及び入射側副導波路３２共に例えば１μｍである。上部クラッド層２４のリッジ間隔（すなわち、入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔）は、例えば１μｍである。

図２（ｂ）は、導波路レンズ４０の断面図である。図２（ｂ）のように、導波路レンズ４０は、基板１０上に下部クラッド層２０、コア層２２、及びリッジ形状の上部クラッド層２４がこの順に積層された構造を有する。コア層２２と上部クラッド層２４は保護膜２６で覆われている。リッジ形状の上部クラッド層２４で上面が覆われた領域のコア層２２は実効屈折率が高く、上部クラッド層２４がない領域のコア層２２は実効屈折率が低いことから、この実効屈折率が異なる境界面において光の屈折が起こり、この境界面である出力面４６を凸状の曲面形状とすることで、レンズの集光機能が得られる。

図２（ｃ）は、光偏向部６０の断面図である。図２（ｃ）のように、光偏向部６０は、電極６２、電極６４、及びバイアス電極６６を有する。電極６２及び電極６４は、基板１０上に順に積層された下部クラッド層２０、コア層２２、及び上部クラッド層２４の上部クラッド層２４の上面に接して設けられている。バイアス電極６６は、下部クラッド層２０の上面に接して設けられている。下部クラッド層２０はｎ型半導体であり、上部クラッド層２４はｐ型半導体であることから、電極６２、電極６４、及びバイアス電極６６を用いて、電極６２及び電極６４の下側に位置するコア層２２に電圧を印加することができる。電極６２、電極６４、及びバイアス電極６６が設けられた領域以外の領域において、下部クラッド層２０、コア層２２、及び上部クラッド層２４は、保護膜２６で覆われている。材料の一例として、電極６２、電極６４、及びバイアス電極６６は、下側からチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）が積層された積層金属膜である。

電極６２、電極６４、及びバイアス電極６６によって電圧が印加された領域のコア層２２の屈折率は、電気光学効果によって変化する。例えば、電気光学効果のうちの主に半導体量子井戸に特有のシュタルク効果により屈折率が変化する。コア層２２において屈折率が変化する領域の形状は、電極６２及び電極６４の形状とほぼ同じ形状であり、三角形のプリズム形状である。例えば、電極６２、電極６４、及びバイアス電極６６に１０Ｖの電圧を印加することで、コア層２２の屈折率は３．４５００から３．４５１５に変化する。電極６２及び電極６４が形成されていない領域のコア層２２の屈折率は３．４５００のままである。屈折率が変化した領域と変化していない領域との境界で、光の屈折により光の進行方向が変化する。なお、屈折率の変化の大きさは、バイアス電極６６に印加する電圧が１０±５［Ｖ］の範囲では、概ね電極６２及び電極６４に印加した電圧に比例する。

図３（ａ）は、光偏向部６０が設けられていない領域での中間導波路５０の断面図である。図３（ａ）のように、中間導波路５０は、基板１０上に下部クラッド層２０及びコア層２２がこの順に積層された構造を有する。コア層２２の上面は保護膜２６で覆われている。

図３（ｂ）は、出射側導波路結合部７０の断面図である。図３（ｂ）のように、出射側導波路結合部７０を構成する複数の出射導波路１４及び出射側副導波路７２は、基板１０上に下部クラッド層２０、コア層２２、及びリッジ形状の上部クラッド層２４がこの順に積層された構造を有する。コア層２２と上部クラッド層２４は保護膜２６で覆われている。上部クラッド層２４のリッジ幅は、複数の出射導波路１４及び出射側副導波路７２共に例えば１μｍである。上部クラッド層２４のリッジ間隔（すなわち、複数の出射導波路１４の間隔及び複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２との間隔）は、例えば１μｍである。

図３（ｃ）は、基板１０の端面近傍における複数の出射導波路１４の断面図である。図３（ｃ）のように、基板１０の端面近傍における複数の出射導波路１４の間隔は、出射側導波路結合部７０における複数の出射導波路１４の間隔（図３（ｂ）参照）よりも広くなっている。一例として、基板１０の端面側における複数の出射導波路１４の間隔は７μｍである。

図２（ａ）から図３（ｃ）のように、入射導波路１２、複数の出射導波路１４、入射側副導波路３２、出射側副導波路７２、及び導波路レンズ４０は、リッジ導波路で構成されている。

図４から図５（ｂ）は、実施例１に係る光スイッチ１００を伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図である。図４から図５（ｂ）において、Ｘ方向の各位置における光の電界強度の分布を太線で示し、電界強度の分布の幅を破線で示している。図４のように、入射導波路１２に入射された基底モード光の電界分布は、入射導波路１２の中心をピークとした１つ山の形状を有する。この基底モード光が入射側導波路結合部３０を伝搬することで、入射側副導波路３２の位置の電界が徐々に増加していき、入射側導波路結合部３０の位置Γ１における光の電界分布は、入射導波路１２の中心と入射側副導波路３２の中心にピークを持つ３つ山の形状になる。

入射側導波路結合部３０を伝搬する光が位置Γ１を超えて導波路レンズ４０の方向にさらに伝搬すると、入射側副導波路３２の位置の電界はさらに増加する。入射側導波路結合部３０と導波路レンズ４０とが接続する位置Γ２では入射導波路１２の中心が電界の谷となり、光の電界分布は入射側副導波路３２の中心にピークを持つ２つ山の形状になる。すなわち、位置Γ２では二次モード光となる。

図６は、入射導波路１２が単独で延在する位置Γ０と入射側導波路結合部３０と導波路レンズ４０とが接続する位置Γ２での光の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図６の横軸は入射導波路１２のＹ方向の中心を原点とした位置であり、縦軸は規格化された電界強度である。図６中の破線が位置Γ０での電界分布であり、実線が位置Γ２での電界分布である。なお、シミュレーションでは、入射側導波路結合部３０での入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１を１μｍとし、入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ距離Ｌ１を３７μｍとした。入射導波路１２に入射された基底モード光の波長を１．５５μｍとした。

図６のように、入射導波路１２が単独で延在する位置Γ０では、１つ山形状の電界分布を有する基底モード光であった。この基底モード光は、入射導波路１２と入射側副導波路３２とで構成された入射側導波路結合部３０を通過することで、モード結合される。その結果、入射側導波路結合部３０と導波路レンズ４０とが接続する位置Γ２では、２つ山形状の電界分布を有する二次モード光となった。

図４のように、２つ山形状の電界分布を有する二次モード光は、導波路レンズ４０の入力面４２に入力され矩形領域４４を伝搬すると、三次モード光や四次モード光といった高次モード光に変化し、近視野像から遠視野像に転換される。また、電界分布の幅はＸ方向への伝搬に伴ってＹ方向に広がる。

導波路レンズ４０の出力面４６に到達した高次モード光は、出力面４６と中間導波路５０との実効屈折率の差によって境界面で屈折する。出力面４６が凸状の曲面形状となっているため集光作用が働く。これにより、高次モード光は、中間導波路５０をＸ方向に伝搬するに従って電界分布の幅が狭くなり、導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３において電界分布の幅が最小になる。すなわち、高次モード光が集光される。一例として、導波路レンズ４０の焦点距離は１ｍｍである。導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３で、中間導波路５０と出射側導波路結合部７０とが接続されている。

図７（ａ）は、入射側導波路結合部３０の位置Γ１での光の電界強度の分布を示す断面図、図７（ｂ）は、導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３での光の電界強度の分布を示す断面図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、太線の内側の領域が電界強度の高い領域である。図７（ａ）のように、入射側導波路結合部３０の位置Γ１では、入射導波路１２及び入射側副導波路３２の下側に略同じ円形形状で電界強度の高い領域が形成される。図７（ｂ）のように、導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３では、高次モード光が集光されるため、外側部分は略円形形状で電界強度の高い領域が形成されるが、内側部分は縦長の楕円形状で電界強度の高い領域が形成される。

図５（ａ）は、高次モード光の中心が複数の出射導波路１４ａから１４ｄのうちの出射導波路１４ａの中心と一致するように、高次モード光が光偏向部６０によって偏向された場合の図である。図５（ａ）のように、導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３で、中間導波路５０と出射側導波路結合部７０とが接続されている。高次モード光が出射側導波路結合部７０に入射すると、出射側導波路結合部７０の中で光の電界分布が変化する。出射導波路１４ａとその両側に位置する出射側副導波路７２及び出射導波路１４ｂとは、入射導波路１２とその両側に位置する入射側副導波路３２と相似形となっている。このため、高次モード光は、出射側導波路結合部７０を伝搬すると、出射導波路１４ａの中心をピークとした１つ山形状の電界分布を有する基底モード光となる。すなわち、出射導波路１４ａが単独で延在する位置Γ４では、１つ山形状の電界分布を有する基底モード光が伝搬する。基底モード光は、出射導波路１４ａを伝搬して出射される。このように、高次モード光の中心が出射導波路１４ａに入射された場合では、出射側副導波路７２に加え、出射導波路１４ｂも副導波路として機能する。すなわち、高次モード光の中心が入射された出射導波路の片側又は両側に出射導波路が位置する場合、片側又は両側に位置する出射導波路が出射側副導波路として機能して、高次モード光から基底モード光への変換がなされる。

図５（ｂ）は、高次モード光の中心が複数の出射導波路１４ａから１４ｄのうちの出射導波路１４ｄの中心と一致するように、高次モード光が光偏向部６０によって偏向された場合の図である。図５（ｂ）のように、高次モード光が出射側導波路結合部７０に入射されると、出射側導波路結合部７０の中で光の電界分布が変化する。高次モード光は、出射側導波路結合部７０を伝搬すると、出射導波路１４ｄの中心をピークとした１つ山形状の電界分布を有する基底モード光となる。すなわち、出射導波路１４ｄが単独で延在する位置Γ４では、１つ山形状の電界分布を有する基底モード光が伝搬する。基底モード光は、出射導波路１４ｄを伝搬して出射される。

図８（ａ）は、導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３での光の電界分布のシミュレーション結果を示す図、図８（ｂ）は、出射導波路１４が単独で延在する位置Γ４での光の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）の横軸は出射導波路１４のＹ方向の中心を原点とした位置であり、縦軸は規格化された電界強度である。なお、シミュレーションでは、入射導波路１２に入射された基底モード光の波長を１．５５μｍとした。入射側導波路結合部３０での入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１、出射側導波路結合部７０での出射導波路１４と出射側副導波路７２との間隔Ｄ２、及び出射側導波路結合部７０での複数の出射導波路１４の間隔Ｄ３を１μｍとした。入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ距離Ｌ１及び出射導波路１４と出射側副導波路７２とが並んだ距離Ｌ２を３７μｍとした。基板１０の端面側での複数の出射導波路１４の間隔を７μｍとした。

図８（ａ）のように、導波路レンズ４０の焦点の位置Γ３では、４つ山形状の電界分布を有する高次モード光（四次モード光）であった。この高次モード光は出射側導波路結合部７０を通過することでモード結合され、図８（ｂ）のように、出射導波路１４が単独で延在する位置Γ４では、１つ山形状の電界分布を有する基底モード光となった。出射導波路１４が単独で延在する位置Γ４での隣接する出射導波路１４の間隔は７μｍであることから、１つの出射導波路１４を伝搬する基底モード光の隣接する出射導波路１４への電界分布はほぼ０である。このため、光クロストークの値は−８０ｄＢ以下と良好であった。

ここで、実施例１の光スイッチ１００の効果を説明するにあたり、比較例の光スイッチについて説明する。図９は、比較例１に係る光スイッチ５００の平面図である。図９のように、比較例１の光スイッチ５００では、入射側副導波路３２及び出射側副導波路７２が設けられていない。すなわち、入射側導波路結合部３０及び出射側導波路結合部７０が設けられていない。複数の出射導波路１４の中間導波路５０側の先端にコリメートレンズ９０が光接続されている。その他の構成は、実施例１の光スイッチ１００と同じであるため説明を省略する。

図１０は、比較例１に係る光スイッチ５００を伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図である。図１０において、Ｘ方向の各位置における光の電界強度の分布を太線で示し、電界強度の分布の幅を破線で示している。図１０のように、入射導波路１２に入射された基底モード光は、高次モード光に変換されずに基底モード光のまま入射導波路１２、導波路レンズ４０、中間導波路５０を伝搬し、コリメートレンズ９０を介して出射導波路１４に入射される。

比較例１の光スイッチ５００では、入射導波路１２から出射導波路１４に基底モード光が伝搬する。このため、光の結合損失を低減させるために、中間導波路５０と複数の出射導波路１４との間にコリメートレンズ９０が光接続されている。コリメートレンズ９０は出射導波路１４に比べて幅が広いことから、コリメートレンズ９０を出射導波路１４に接続すると、出射導波路１４の間隔が広くなってしまう。例えば、出射導波路１４の間隔Ｄ（図９参照）は１００μｍ以上となってしまう。このため、光スイッチ５００の幅が大きくなって、光スイッチ５００が大型化してしまう。

図１１は、比較例２に係る光スイッチ６００の平面図である。図１１のように、比較例２の光スイッチ６００では、入射側副導波路３２が設けられていない。すなわち、入射側導波路結合部３０が設けられていない。その他の構成は、実施例１の光スイッチ１００と同じであるため説明を省略する。

図１２は、比較例２に係る光スイッチ６００を伝搬する光の電界分布の変化を示す平面図である。図１２において、Ｘ方向の各位置における光の電界強度の分布を太線で示し、電界強度の分布の幅を破線で示している。図１２のように、入射側導波路結合部３０が設けられていないため、入射導波路１２に入射された基底モード光は、高次モード光に変換されずに基底モード光のまま入射導波路１２、導波路レンズ４０、中間導波路５０を伝搬して出射側導波路結合部７０に入射される。出射側導波路結合部７０を構成する複数の出射導波路１４ａから１４ｄのうちの出射導波路１４ｂに入射された基底モード光の電界分布は、出射導波路１４ａ及び出射導波路１４ｃまで広がる。このため、出射導波路１４間の光クロストークが悪くなってしまう。例えば、出射導波路１４が単独で延在する位置Γ４における光クロストークの値を計算した所、−２４ｄｂであった。

一方、実施例１によれば、図１のように、入射導波路１２と入射側副導波路３２とで構成された入射側導波路結合部３０と、複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２とで構成された出射側導波路結合部７０とが、導波路レンズ４０と中間導波路５０とを介して光接続されている。これにより、図４から図５（ｂ）のように、入射導波路１２に入射された基底モード光は入射側導波路結合部３０によって高次モード光に変換され、導波路レンズ４０及び中間導波路５０を伝搬した高次モード光は出射側導波路結合部７０によって基底モード光に変換される。すなわち、実施例１の光スイッチ１００を、入射側導波路結合部３０で入射導波路１２に入射された基底モード光を高次モード光に変換させ、出射側導波路結合部７０で導波路レンズ４０及び中間導波路５０を伝搬した高次モード光を基底モード光に変換させて使用する。このように、出射側導波路結合部７０では複数の出射導波路１４を高次モード光から基底モード光に変換する光結合器として用いているため、コリメートレンズを設けなくて済み、複数の出射導波路１４の間隔を狭くすることができる。よって、光スイッチ１００を小型化することができる。

また、複数の出射導波路１４に跨るように電界強度が分布した高次モード光は、出射側導波路結合部７０によって１つの出射導波路１４を伝搬する基底モード光に変換される。このため、１つの出射導波路１４から基底モード光を出射することができる。また、出射側導波路結合部７０は高次モード光を基底モード光に変換することから、出射側導波路結合部７０において出射導波路１４の間隔が狭くても、複数の出射導波路１４間の光クロストークの劣化が抑えられる。

また、中間導波路５０と光接続する位置における出射導波路１４の間隔が狭いことから、光偏向部６０による光の偏向角度は小さくて済む。したがって、光偏向部６０の電極６２及び電極６４に印加する電圧を小さくでき、消費電力を抑えることができる。

また、実施例１によれば、入射側副導波路３２と出射側副導波路７２とは、入射導波路１２及び複数の出射導波路１４が延在するＸ軸方向に交差するＹ軸方向における入射導波路１２及び複数の出射導波路１４の両側のうちの少なくとも同じ側に設けられている。このように、入射側副導波路３２と出射側副導波路７２とがＹ軸方向に線対称のように位置することで、入射側導波路結合部３０によって基底モード光から変換された高次モード光を、出射側導波路結合部７０によって基底モード光に適正に戻すことができる。

また、実施例１によれば、入射側副導波路３２と出射側副導波路７２とは同じ本数となっている。このように、入射側副導波路３２と出射側副導波路７２との本数を同じにすることで、入射側導波路結合部３０によって基底モード光から変換された高次モード光を、出射側導波路結合部７０によって基底モード光に適正に戻すことができる。

また、実施例１によれば、入射側副導波路３２は入射導波路１２を挟んで設けられ、出射側副導波路７２は複数の出射導波路１４を挟んで設けられている。このように、基底モード光と高次モード光との間の適正な変換の点からは、入射側副導波路３２は入射導波路１２を挟んで設けられ、出射側副導波路７２は複数の出射導波路１４を挟んで設けられている場合が好ましい。なお、入射側副導波路３２及び出射側副導波路７２は共に１本だけ設けられている場合でもよい。この場合、入射側副導波路３２と出射側副導波路７２とは、Ｙ軸方向において、入射導波路１２及び複数の出射導波路１４に対して同じ側に設けられている場合が好ましい。

また、実施例１によれば、入射側導波路結合部３０における入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１と、出射側導波路結合部７０における複数の出射導波路１４及び出射側副導波路７２の互いの間隔Ｄ２、Ｄ３と、は略同じである。入射側導波路結合部３０における入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んで延在した長さＬ１と、出射側導波路結合部７０における複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２とが並んで延在した長さＬ２と、は略同じである。これにより、入射側導波路結合部３０と出射側導波路結合部７０とで、基底モード光と高次モード光との間の変換が同等に行われるようにできる。

なお、入射側導波路結合部３０における入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１と、出射側導波路結合部７０における複数の出射導波路１４及び出射側副導波路７２の互いの間隔Ｄ２、Ｄ３と、が異なる場合でもよい。この場合、入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ長さＬ１と複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２とが並んだ長さＬ２とを適切に設定することで、入射側導波路結合部３０と出射側導波路結合部７０とで基底モード光と高次モード光との間の変換を行うことができる。例えば、入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１よりも複数の出射導波路１４及び出射側副導波路７２の互いの間隔Ｄ２、Ｄ３が大きい場合、それに応じて、入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ長さＬ１よりも複数の出射導波路１４と出射側副導波路７２とが並んだ長さＬ２を長くする。このように、入射側導波路結合部３０における基底モード光と高次モード光の伝搬定数と、出射側導波路結合部７０における基底モード光と高次モード光の伝搬定数と、が等しくなるように、各間隔及び各長さを設定する。なお、伝搬定数は、ＢＰＭ（Beam Propagation Method）などの方法を用いて算出することができる。

また、実施例１によれば、複数の出射導波路１４の基板１０の端面側での間隔は、出射側導波路結合部７０における複数の出射導波路１４の間隔よりも広くなっている。これにより、複数の出射導波路１４間の光クロストークを良好にすることができる。また、基板１０の端面での複数の出射導波路１４の間隔を広くすることは、レンズや光ファイバなどの外部の光学系と光接続する上でも好ましい。

また、実施例１によれば、中間導波路５０と複数の出射導波路１４とは、導波路レンズ４０の焦点の位置で接続している。これにより、光の結合のために適した出射導波路の幅および複数の出射導波路間の距離を縮めることができる利点がある。なお、中間導波路５０と複数の出射導波路１４とは、導波路レンズ４０の焦点の位置と異なる位置で接続していてもよい。これにより、出射導波路が焦点より手前（入射導波路側）にある場合には中間導波路の長さを短くできる（小型化の）利点がある。一方で、出射導波路が焦点より奥にある場合には、光偏向部により変えられる光の角度に対して出射導波路での光の位置の変化が（光偏向部と出射導波路との距離に比例して）大きくなる利点がある。（つまり、複数の出射導波路の間の距離が一定とすると、その間をスイッチするために光偏向部に印加する電圧が低くてすむという利点がある）。

なお、実施例１において、入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んで延在する長さＬ１は、入射側導波路結合部３０の結合長Ｌｃの半分であることが好ましい。すなわち、Ｌ１＝Ｌｃ／２であることが好ましい。これにより、（図４のように）レンズへ入射する際の光が（外側の副導波路まで）広がる効果が得られる。なお、結合長Ｌｃは、Ｌｃ＝π／（β０−β２）で決まる長さである。ここで、πは円周率、β０は基底モード光の伝搬定数、β２は二次モード光の伝搬定数である。伝搬定数は、導波路を構成する下部クラッド層２０、コア層２２、及び上部クラッド層２４の屈折率、厚さ、幅のパラメータを用いてＢＰＭによって算出される。

図１３は、実施例２に係る光スイッチに備わる入射側導波路結合部の平面図である。図１３のように、実施例２の光スイッチでは、入射側導波路結合部３０は、入射導波路１２と、入射導波路１２に対して傾いて並んだ入射側副導波路３２と、で構成されている。入射側副導波路３２は、導波路レンズ４０に向かって徐々に幅が広くなっている。入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１は、導波路レンズ４０に向かって徐々に小さくなっている。その他の構成は、実施例１の光スイッチ１００と同じであるため説明を省略する。

実施例１のように、入射導波路１２と入射側副導波路３２とは平行に延在して設けられていてもよいし、実施例２のように、入射導波路１２と入射側副導波路３２とは交差する方向に延在して設けられていてもよい。入射導波路１２と入射側副導波路３２とが並んだ距離Ｌ１及び入射導波路１２と入射側副導波路３２との間隔Ｄ１は、ＢＰＭ計算によって、例えば二次モード光が導波路レンズ４０に入射するように設定される。

１０ 基板
１２ 入射導波路
１４〜１４ｄ 出射導波路
２０ 下部クラッド層
２２ コア層
２４ 上部クラッド層
２６ 保護膜
３０ 入射側導波路結合部
３２ 入射側副導波路
４０ 導波路レンズ
４２ 入力面
４４ 矩形領域
４６ 出力面
５０ 中間導波路
６０ 光偏向部
６２ 電極
６４ 電極
６６ バイアス電極
７０ 出射側導波路結合部
７２ 出射側副導波路
９０ コリメートレンズ
１００ 光スイッチ
５００ 光スイッチ
６００ 光スイッチ

Claims (9)

1. 基板上に設けられた入射導波路と、
   前記基板上に設けられた複数の出射導波路と、
   前記入射導波路と、前記基板上で前記入射導波路から離れて前記入射導波路に並んで延在した入射側副導波路と、で構成された入射側導波路結合部と、
   前記入射導波路と前記入射側副導波路とに光接続して前記基板上に設けられた導波路レンズと、
   前記導波路レンズと前記複数の出射導波路との間で前記基板上に設けられ、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路とに光接続された中間導波路と、
   前記中間導波路に設けられ、前記導波路レンズから出射されて前記中間導波路を伝搬する光の経路を前記複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部と、
   前記複数の出射導波路と、前記基板上で前記複数の出射導波路から離れて前記複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路と、で構成された出射側導波路結合部と、を備える、光スイッチ。
2. 前記入射側副導波路と前記出射側副導波路とは、前記入射導波路及び前記複数の出射導波路が延在する方向に交差する方向における前記入射導波路及び前記複数の出射導波路の両側のうちの少なくとも同じ側に設けられている、請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記入射側副導波路の本数と前記出射側副導波路の本数とは同じである、請求項１または２に記載の光スイッチ。
4. 複数の前記入射側副導波路と複数の前記出射側副導波路とが設けられ、
   前記複数の入射側副導波路は前記入射導波路を挟んで設けられ、
   前記複数の出射側副導波路は前記複数の出射導波路をまとめて挟んで設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の光スイッチ。
5. 前記入射側導波路結合部での前記入射導波路と前記入射側副導波路との間隔と、前記出射側導波路結合部での前記複数の出射導波路及び前記出射側副導波路の互いの間隔と、は略同じであり、
   前記入射側導波路結合部における前記入射導波路と前記入射側副導波路とが並んで延在する長さと、前記出射側導波路結合部における前記複数の出射導波路と前記出射側副導波路とが並んで延在する長さと、は略同じである、請求項１から４のいずれか一項に記載の光スイッチ。
6. 前記複数の出射導波路の前記基板の端面側での間隔は、前記出射側導波路結合部における前記複数の出射導波路の間隔よりも広い、請求項１から５のいずれか一項に記載の光スイッチ。
7. 前記中間導波路と前記複数の出射導波路とは、前記導波路レンズの焦点の位置で接続する、請求項１から６のいずれか一項に記載の光スイッチ。
8. 前記入射側導波路結合部は、前記入射導波路に入射された基底モード光を高次モード光に変換し、
   前記出射側導波路結合部は、前記導波路レンズ及び前記中間導波路を伝搬した前記高次モード光を前記基底モード光に変換する、請求項１から７のいずれか一項に記載の光スイッチ。
9. 基板上に設けられた入射導波路と、
   前記基板上に設けられた複数の出射導波路と、
   前記入射導波路と、前記基板上で前記入射導波路から離れて前記入射導波路に並んで延在した入射側副導波路と、で構成された入射側導波路結合部と、
   前記入射導波路と前記入射側副導波路とに光接続して前記基板上に設けられた導波路レンズと、
   前記導波路レンズと前記複数の出射導波路との間で前記基板上に設けられ、前記導波路レンズと前記複数の出射導波路とに光接続された中間導波路と、
   前記中間導波路に設けられ、前記導波路レンズから出射されて前記中間導波路を伝搬する光の経路を前記複数の出射導波路のいずれかに偏向する光偏向部と、
   前記複数の出射導波路と、前記基板上で前記複数の出射導波路から離れて前記複数の出射導波路に並んで延在した出射側副導波路と、で構成された出射側導波路結合部と、を備える光スイッチの使用方法であって、
   前記入射側導波路結合部で前記入射導波路に入射された基底モード光を高次モード光に変換させ、前記出射側導波路結合部で前記導波路レンズ及び前記中間導波路を伝搬した前記高次モード光を前記基底モード光に変換させる、光スイッチの使用方法。

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