JP3041825B2 - 導波路型マトリックス光スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野等で用いる
導波路型マトリックス光スイッチに関するものであり、
さらに詳細には、作製誤差に強く消光比の優れた導波路
型マトリックス光スイッチ構成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の一層の普及のために
は、光ファイバと受・発光素子の高性能化、低価格化に
加えて、光分岐結合器、光合分波器、光スイッチ等の各
種光回路部品の開発が不可欠な段階にきている。なかで
も、光スイッチは、光ファイバ回線を需要に応じて自在
に切り替えたり、回線故障の際の迂回路の確保のため
に、近い将来、重要な役割を占めると考えられる。

【０００３】光スイッチの構成形態としては、従来か
ら、１）バルク型、２）導波路型が提案されている。バ
ルク型は、可動プリズムやレンズ等を構成要素として組
み立てられたもので、波長依存性が少なく、比較的低損
失という利点があるが、しかし、組立調整工程が煩雑で
あり、量産に適さず高価格という欠点があり、大きく普
及するに至っていない。導波路型は、平面基板上の光導
波路を基本としている。そして、フォトリソグラフィや
微細加工技術を利用して、いわゆる集積型の光スイッチ
を一括大量生産しようとするもので、将来型の光スイッ
チ形態とて期待されている。特に、Ｍ（整数）本の入力
ポートとＮ（整数）本の出力ポートを持つ比較的規模の
大きい（Ｍ×Ｎ）マトリックス光スイッチを現実的に構
成可能な形態は導波路型をおいて他にないと期待されて
いる。

【０００４】図７は、本発明の対象とする従来の（Ｍ×
Ｎ）マトリックス光スイッチの一例としての（４×４）
光スイッチの構成を示す概念図である。この（４×４）
スイッチは見かけ上、４本の入力光導波路１ａ，１ｂ，
１ｃ，１ｄと４本の出力光導波路２ａ，２ｂ，２ｃ，２
ｄが４×４＝１６箇所で交差する構成を持ち、１６箇所
の交差部には、光スイッチの最小単位としての（２×
２）光スイッチ要素Ｓ００、…、Ｓ３３が配置されてい
る。このようなマトリックス光スイッチ構成は「厳密に
ノンブロッキングなマトリックス光スイッチ」と呼ば
れ、入力光導波路１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに入力する４
チャンネルの信号光の光路を４本の出力光導波路２ａ，
２ｂ，２ｃ，２ｄに振り分けることができる。

【０００５】従来から様々な材料系の光導波路を用いて
上記のマトリックス光スイッチを構成する試みがなされ
ているが、なかでもシリコン基板上の石英系光導波路の
熱光学効果を活用した熱光学式マトリックス光スイッチ
は、不都合な偏波依存性が無く、光ファイバとの接続性
にも優れていることから実用的なマトリックス光スイッ
チの最有力候補として期待されている。

【０００６】図８Ａ及び図８Ｂは、図７に例示した（４
×４）マトリックス光スイッチ構成概念図に対応してシ
リコン基板上に作製された従来の熱光学式（４×４）マ
トリックス光スイッチの構成図であり、図８Ａは全体平
面配置図、図８Ｂは光スイッチ要素の拡大平面図であ
る。図８Ａ及び図８Ｂにおいては、４本の入力光導波路
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを含む８本の光導波路が入力側
導波路束４ａを構成し、４本の出力光導波路２ａ，２
ｂ，２ｃ，２ｄを含む８本の光導波路が出力側導波路束
４ｂを構成しているが、図８Ａの実配置が図７の構成概
念図とトポロジー的に等価であることが容易に理解され
る。

【０００７】これらの導波路束４ａ−４ｂは、火炎加水
分解反応堆積法と反応性イオンエッチング技術との公知
の組合せによりシリコン基板３上に形成された石英系単
一モード光導波路列である。１６箇所に配置された光ス
イッチ要素Ｓ００、…、Ｓ３３のそれぞれは、図８Ｂに
示したように、いわゆるマッハツェンダ光干渉計回路型
の（２×２）光スイッチ構成を有している。すなわち、
２本の光導波路７１ａ−７１ｂ及び７２ａ−７２ｂの一
部は２箇所で互いに近接し方向性結合器７３ａ及び７３
ｂを構成している。それらの光結合率は信号光波長にお
いて５０％になるように設定されている。方向性結合器
７３ａ，７３ｂの間を連結する２本の光導波路７１ａ−
７１ｂ及び７２ａ−７２ｂの光路長は、該２本の光導波
路途上に位置する薄膜ヒータからなる熱光学位相シフタ
７４ａ及び７４ｂを動作させない状態で同一（対称）に
なるように設定されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のオフ状態（薄膜
ヒータ無通電）では、信号光は光スイッチ要素を（７１
ａ→７２ｂ，７２ａ→７１ｂ）経路、すなわちクロス経
路、で通過する。ところが、方向性結合器７３ａ及び７
３ｂの間の導波路に１８０度（πラディアン）の光位相
に相当する１／２波長近傍の光路長差が生じるように熱
光学位相シフタ７４ａ，７４ｂの少なくとも一方を作動
（薄膜ヒータに通電）させオン状態とすると、信号光は
光スイッチ要素を（７１ａ→７１ｂ，７２ａ→７２ｂ）
経路、すなわちバー経路、で通過するように切り替わ
り、（２×２）光スイッチ要素としてのクロス・バー切
り替え動作が達成される。しかし、このような（２×
２）光スイッチ要素を基本単位とする従来の導波路型マ
トリックスには、次のような製作上の大きな問題点があ
った。

【０００９】上述した図８Ｂのマッハツェンダ光干渉計
回路型光スイッチ要素が理想的に動作するためには、構
成要素である方向性結合器７３ａと７３ｂの結合率が信
号光波長においては正確に５０％であることが必須条件
であるが、実際の光導波路作製プロセスは多少の誤差を
含み、結合率を正確５０％に設定することが困難という
製作上の事情があった。これは、方向性結合器７３ａ，
７３ｂが、極めて構造敏感な光素子であり、光導波路幅
や光導波路間隔、さらには光導波路のコア・クラッド間
の比屈折率差等の僅かのプロセス誤差により結合率が変
動し易いためであった。

【００１０】方向性結合器７３ａ，７３ｂの結合率が５
０％からずれた場合には、オフ状態において、信号光は
（７１ａ→７２ｂ，７２ａ→７１ｂ）経路（クロス経
路）を１００％通過せず、（７１ａ→７１ｂ，７２ａ→
７２ｂ）経路（バー経路）に漏れ出すことになり、この
いわゆる光漏話の存在が導波路型マトリックス光スイッ
チ作製上の大きな問題点となっていた。

【００１１】例えば、結合率が５０％から大きい方に５
５％程度に、あるいは小さい方に４５％程度にずれると
各光スイッチ要素は、オフ状態で（７１ａ→７１ｂ，７
２ａ→７２ｂ）経路（バー経路）に信号光強度の１％が
漏れを伴い、図８Ａの（４×４）マトリックス光スイッ
チ構成では、最終的に１５dB程度の消光比しか得られな
かった。この事情はマトリックス規模が大きくなくほど
深刻になり、例えば（８×８）マトリックス光スイッチ
では最終的に１１dB程度の消光比にまで漏話特性が劣化
してしまうという問題があった。

【００１２】方向性結合器の結合率設定が実際の光導波
路製造プロセスにおいて、５０％±５％程度、場合によ
っては５０％±１０％程度もの誤差を伴うことは往々で
あり、導波路型マトリックス光スイッチの上述の結合率
敏感性は、歩留り良く光スイッチを製作する上での最大
の障害となっていた。

【００１３】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、方向性結合器の結
合率設定誤差に強く消光比の優れた導波路型マトリック
ス光スイッチを提供することにある。

【００１４】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、基板上で互いに交差するＭ（整数）本の
入力光導波路とＮ（整数）本の出力光導波路とから成る
マトリックス状導波路と、前記マトリックス状態波路の
Ｍ×Ｎ個の交差部近傍に形成されたＭ×Ｎ個の光スイッ
チ要素とからなる導波路型マトリックス光スイッチにお
いて、前記各光スイッチ要素を、互いに交差する前記入
力光導波路と出力光導波路にバイパス光導波路を加えた
３本の光導波路を基本として構成し、前記バイパス光導
波路の一部を、前記入力光導波路と２箇所で近接させ２
個の方向性結合器とし、該２個の方向性結合器間の入力
光導波路とバイパス光導波路の少なくとも一方に光位相
シフタを設けて第１のマッハツェンダ型光干渉計回路を
構成し、かつ、前記バイパス光導波路の別の一部を、前
記出力光導波路と２箇所で近接させ２個の方向性結合器
とし、該２個の方向性結合器間の出力光導波路とバイパ
ス光導波路の少なくとも一方に光位相シフタを設けて第
２のマッハツェンダ型光干渉計回路を構成し、第１及び
第２のマッハツェンダ型光干渉計回路を構成する各２個
の方向性結合器間の各２本の光導波路の実効光路長差が
スイッチオフの状態で信号光波長の２分の１にそれぞれ
設定されていることを最も主要な特徴とする。

【００１６】前記の一連の光導波路がガラス光導波路で
あり、前記光位相シフタが薄膜ヒータから成る熱光学効
果位相シフタであり、Ｍ本の入力光導波路とＮ本の出力
光導波路とが２０度以上の交差角をもって交差している
ことを特徴とする。

【００１７】

【作用】前述の手段によれば、光スイッチ要素を構成す
る第１のマッハツェンダ光干渉計回路の２個の方向性結
合器間にオフ状態で２分の１波長の光路長差が設定され
ていることにより、入力光導波路を伝わる信号光は、方
向性結合器の結合率に依らず、入力光導波路に留まった
状態で第１のマッハツェンダ光干渉計回路を通過する。
光スイッチ要素内で入力光導波路と出力光導波路とはク
ロストークを無視できる角度で互い交差しているので、
信号光は、方向性結合器の結合率に依らずクロス経路で
光スイッチ要素を通過することになる。

【００１８】仮に、オフ状態で第１のマッハツェンダ光
干渉計回路で入力光導波路からバイパス光導波路への僅
かな漏れ（クロストーク）が生じても、第２のマッハツ
ェンダ光干渉計回路もその２個の方向性結合器間にオフ
状態で２分の１波長の光路長差が設定されているので、
漏れ光は、バイパス光導波路に留まり出力光導波路へ漏
れ出す信号光の割合は極少であり、製造誤差を伴う現実
のマトリックス光スイッチ作製現場でも、オフ状態での
入力光導波路から出力光導波路へのクロストークを極め
て小さいレベルに維持できる。すなわち、本発明のマト
リックス光スイッチは２重のゲート（関門）を持つ光ス
イッチ要素から構成されていると見なすこともできる。

【００１９】第１と第２マッハツェンダ光干渉計回路を
構成する光導波路上に設けた光位相シフタを駆動し、前
記の２分の１波長相当の光路長差を打ち消すと、信号光
は入力光導波路からバイパス光導波路へ、さらにバイパ
ス光導波路から出力光導波路へと導かれ、光スイッチ要
素の状態をバー経路へと切り替えることができる。

【００２０】本発明においては、方向性結合器の結合率
が５０％からずれても、オフ状態で２分の１波長の光路
長差をもつマッハツェンダ光干渉計回路全体としての結
合率は０％に維持されるので、入力光導波路からバイパ
ス光導波路への光結合や、バイパス光導波路から出力光
導波路への光結合は発生し難く、しかも第１と第２のマ
ッハツェンダ光干渉計回路からなる２重の関門で光漏話
が抑制されているので、低クロストークすなわち高消光
比を保証できるのである。

【００２１】なお、方向性結合器の結合率が５０％から
ずれた場合には、オン状態ですべての信号光をバー経路
に切り替えることができず、クロス経路に信号光が僅か
に残留するが、この残留光は出力側導波路束内の不用の
導波路端へと導かれるので、マトリックス光スイッチと
しての消光比劣化には結びつかない。

【００２２】本発明の導波路型マトリックス光スイッチ
は、互いに交差する入力光導波路と出力光導波路にバイ
パス光導波路を加えた３本の光導波路で光スイッチ要素
を構成し、しかも、光スイッチ要素が、オフ状態で２分
の１波長相当の光路長差を有する２個のマッハツェンダ
光干渉計回路を含む点で、従来のマトリックス光スイッ
チとは異なる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２４】以下の実施例では、光導波路としてシリコ
ン基板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用
し、光スイッチ要素として熱光学式マッハツェンダ光干
渉計回路型（２×２）光スイッチを採用したマトリック
ス光スイッチについて説明するが、これは、この組合せ
が、単一モード光ファイバとの接続性に優れ、しかも偏
波依存性の無いマトリックス光スイッチを提供できるた
めであり、本発明は、これらの組合せに限定されるもの
ではない。

【００２５】（実施例１）図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃは、
本発明の導波路型マトリックス光スイッチの実施例１と
しての（４×４）マトリックス光スイッチを構成する光
スイッチ要素の構成図であり、図１Ａは平面図、図１
Ｂ，図１Ｃはそれぞれ図１Ａの線分ＡＡ’、ＢＢ’に沿
った拡大断面図である。（４×４）マトリックス光スイ
ッチの全体平面図は、図８Ａと同一であるので図示を省
略した。

【００２６】光スイッチ要素は、シリコン基板２１上で
互いに交差する石英系ガラス入力光導波路３１ａ−３１
ｂと石英系ガラス出力光導波路３２ａ−３２ｂに石英系
ガラスバイパス光導波路３３ａ−３３ｂを加えた計３本
の光導波路を基本として構成されている。

【００２７】バイパス光導波路３３ａ−３３ｂの一部
は、入力光導波路３１ａ−３１ｂに２箇所で間隔数μｍ
にまで近接し２個の方向性結合器３４ａ，３５ａを構成
している（図１Ａ，図１Ｂ）。方向性結合器３４ａ，３
５ａの結合率は、結合部の導波路間隔や長さの調節によ
り５０％を目標に設定されている。ここで、２個の方向
性結合器３４ａ，３５ａの間における入力光導波路３１
ａ−３１ｂとバイパス光導波路３３ａ−３３ｂの実効光
路長は、バイパス光導波路３３ａ−３３ｂ側が信号光の
波長（ここでは１.３μｍ）の２分の１相当、すなわ
ち、０.６５μｍだけ大きくなるように設定されてい
る。実効光路長が短い入力光導波路３１ａ−３１ｂ側の
クラッド層２１ｂ上部には、光位相シフタとしての薄膜
ヒータ３６ａが設置されている（図１Ｃ）。方向性結合
器３４ａと３５ａとの間の領域は、光路長差２分の１波
長の第１の弱非対称マッハツェンダ光干渉計回路３８ａ
を構成している。

【００２８】同様に、バイパス光導波路３３ａ−３３ｂ
の別の一部は、出力光導波路３２ａ−３２ｂに２箇所で
間隔数μｍにまで近接し２個の方向性結合器３４ｂ，３
５ｂを構成している。方向性結合器３４ｂ，３５ｂの結
合率は、結合部の導波路間隔や長さの調節により、やは
り５０％を目標に設定されている。ここで、２個の方向
性結合器３４ｂ，３５ｂの間における出力光導波路３２
ａ−３２ｂとバイパス光導波路３３ａ−３３ｂの実効光
路長は、バイパス光導波路３３ａ−３３ｂ側が信号光の
波長（ここでは１.３μｍ）の２分の１相当、すなわ
ち、０.６５μｍだけ大きくなるように設定されてい
る。実効光路長が短い出力光導波路３２ａ−３２ｂ側の
クラッド層２１ｂ上部には、光位相シフタとしての薄膜
ヒータ３６ｂが設置されている。方向性結合器３４ｂと
３５ｂとの間の領域は、光路長差２分の１波長の第２の
弱非対称マッハツェンダ光干渉計回路３８ｂを構成して
いる。

【００２９】光導波路３１ａ−３１ｂと３２ａ−３２ｂ
とは、交差部３７においてクロストークを無視できる交
差角度θで交差している。

【００３０】薄膜ヒータ３６ａ及び３６ｂに通電しない
オフ状態では、光導波路３１ａ端から入力した信号光
は、方向性結合器３４ａ，３５ａから成る第１のマッハ
ツェンダ光干渉計回路３８ａを、見かけ上、光導波路３
１ａ−３１ｂに留まった状態で通過し、光導波路３２ａ
−３２ｂとの交差部３７を越えて、光導波路３１ｂ端へ
と出力される。また、光導波路３２ａから入力した信号
光は、まず光導波路３１ａ−３１ｂとの交差部３７を越
えて、方向性結合器３４ｂ，３５ｂから成る第２のマッ
ハツェンダ光干渉計回路３８ｂを、見かけ上、光導波路
３２ａ−３２ｂに留まった状態で通過し、結局、光導波
路３２ｂ端へと出力される。すなわち、光スイッチ要素
全体としては、マトリックス光スイッチのオフ状態とし
てのクロス経路を実現できることになる。

【００３１】ここで強調すべき点は、上記のオフ状態に
おいては、方向性結合器３４ａ，３５ａや３４ｂ，３５
ｂの結合率が理想的な５０％値からずれても、クロス経
路が実現できる点である。その理由は、２分の１波長す
なわち位相に換算して１８０度相当の光路長差を持つ第
１及び第２のマッハツェンダ光干渉計回路においては、
２個の方向性結合器３４ａと３５ａ、３４ｂ，３５ｂと
はそれぞれ逆位相で連結されるので、その結合作用を互
いに打ち消し合い、見かけ上、方向性結合器が存在しな
いように作用するからである。したがって、本発明で
は、交差部３７において、２本の光導波路の間に干渉が
発生しない角度θで２本の光導波路３１ａ−３１ｂと３
２ａ−３２ｂとを交差させさえすれば、方向性結合器３
４ａ，３５ａや３４ｂ，３５ｂの結合率に依存せずに、
高い消光比のクロス状態を実現することができる。

【００３２】さらに、上記のオフ状態では、仮に第１の
マッハツェンダ光干渉計回路３８ａに、２分の１波長の
光路長差の設定誤差等の原因で、対角ポートへの僅かな
結合が発生し光導波路３１ａ−３１ｂからバイパス光導
波路３３ａ−３３ｂへ信号光が漏れ出しても、第２のマ
ッハツェンダ光干渉計回路３８ｂで対角ポートへの結合
を阻止されるので、漏れ光が光導波路３２ａ−３２ｂへ
紛れ込む余地は殆どない。すなわち、本発明における光
スイッチ要素は２重の関門により、オフ状態すなわちク
ロス状態での、光導波路３１ａ−３１ｂから光導波路３
２ａ−３２ｂへの光漏話の発生を阻止し、高い消光比を
維持できるのである。

【００３３】薄膜ヒータ３６ａに通電し、その下部の光
導波路３１ａ−３１ｂの屈折率値を熱光学効果により僅
かに増加させ、第１のマッハツェンダ光干渉計回路３８
ａの実効光路長差が零になるように調節すると、２個の
方向性結合器３４ａ，３５ａの結合率は相加するように
作用するので、方向性結合器の結合率が仮に理想的な５
０％結合率に設定されていた場合には、第１のマッハツ
ェンダ光干渉計回路３８ａ全体としては見かけ上１００
％結合率状態となり、信号光は光干渉計回路を通過する
際に光導波路を入れ替わって通過する。すなわち、光導
波路３１ａ端に入力した信号光は、第１のマッハツェン
ダ光干渉計回路３８ａを通過する際にバイパス光導波路
３３ａ−３３ｂ側へと導かれる。

【００３４】上述の薄膜ヒータ３６ａへの通電に連動し
て、もう一方の薄膜ヒータ３６ｂにも通電し、その下部
の光導波路３２ａ−３２ｂの屈折率を熱光学効果により
僅かに増加させ、第２のマッハツェンダ光干渉計回路３
８ｂの実効光路長差が零になるように調節すると、２個
の方向性結合器３４ｂ，３５ｂの結合率は相加され、方
向性結合器の結合率が理想的な５０％に設定されている
場合には、第２のマッハツェンダ光干渉計回路３８ｂ全
体としては見かけ上１００％結合率状態となり、信号光
は光干渉計回路を通過する際に光導波路を入れ替わって
通過する。よって、第１のマッハツェンダ光干渉計回路
３８ａ側からバイパス光導波路を経由して第２のマッハ
ツェンダ光干渉計回路３８ｂへと導かれてきた信号光
は、光導波路３２ａ−３２ｂ側へ移行し、光導波路端３
２ｂへと出力される。こうして、光スイッチ要素全体と
してはオン状態として必要なバー経路に切り替わる。

【００３５】方向性結合器３４ａ，３５ａの結合率が理
想的な５０％値からずれている場合には、光導波路３１
ａ端からの信号光は第１のマッハツェンダ光干渉計回路
３８ａで１００％バイパス経路に切り替わらず、交差部
３７を経て光導波路端３１ｂへと漏れ出す信号光成分が
現れるが、この残留信号光は最終的には出力ポート２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ以外（図８Ａ）の不用の出力側導
波路から出射されるので、僅かな損失増を伴うものの、
マトリックス光スイッチとしての消光比劣化には結びつ
かない。

【００３６】ここで、再度強調すべき点は、従来のマト
リックス光スイッチの場合、光スイッチ要素を構成する
マッハツェンダ光干渉計回路は、オフ状態で見かけ上１
００％結合の状態にあるのに対し、本発明の光スイッチ
要素を構成するマッハツェンダ光干渉計回路は、光スイ
ッチ要素がオフ状態の際には２分の１波長相当の光路長
差により、見かけ上０％結合状態にあることである。１
００％結合状態に比べて０％結合状態の方が波長依存性
が緩やかであることが知られており、この点からも本発
明は有利である。すなわち、実際の（４×４）マトリッ
クス光スイッチにおいては、信号光は最大７個の光スイ
ッチ要素を経由するが、そのうちの１個のオン状態を除
いて６個はオフ状態にあるので、オフ状態の波長依存性
が小さい本発明の光スイッチ要素の方がマトリックス光
スイッチ全体としての波長依存性を緩和する上で有利な
のである。本発明のマトリックス光スイッチの波長依存
性が小さいことは、本発明のマトリックス光スイッチが
製造誤差に強いことともに密接に関係している。

【００３７】次に、この実施例１により具体的な製作手
順について説明する。

【００３８】本実施例１の（４×４）マトリックス光ス
イッチは、厚さ１mm、直径８インチのシリコンウエハ上
に作製した。第１の工程は、シリコン基板上に図１Ｂや
図１Ｃに示した断面構造を有する石英系ガラス単一モー
ド光導波路をもつ光スイッチ要素を図８Ａに示したレイ
アウトで計１６個一括形成する工程である。これは、四
塩化シリコンや四塩化ゲルマニュウム等のガラス形成原
料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の
堆積技術と反応性イオンエッチングによるガラス膜の微
細加工技術との公知の組合せにより行った。作製した光
導波路のコア寸法は６μｍ×６μｍであり、クラッド層
２１ｂとの比屈折率差△は０.７５％とした。本実施例
１の（４×４）マトリックス光スイッチは、この石英系
ガラス光導波路を２５０μｍピッチに８本並設した構造
を基本としている。光スイッチ要素は、直線導波路と曲
がり半径４mm前後の曲がり導波路とを基本に構成した。
交差部の交差角度θは３０度とした。２個の方向性結合
器の間の実効光路長差は、フォトリソグラフィ工程によ
り信号光波長１.３μｍの半分の０.６５μｍに正確に設
定した。石英系ガラスの屈折率値が１.４５程度である
ことを勘案し、実際のマスクパターン上の導波路長差は
０.６５μｍ／１.４５＝０.４５μｍに設定した。

【００３９】第２の工程は、上記の第１工程でシリコン
ウエハ上に作製した光導波路上の各光スイッチ要素の所
定部分に、光位相シフタとしての薄膜ヒータを設置する
工程である。これは、金属クロムを蒸着源とする真空蒸
着法により、厚さ０.３μｍ、幅５０μｍ、長さ４mmに
渡ってクロム薄膜を各々の光スイッチ要素上に蒸着する
ことにより行った。４個の方向性結合器３４ａ，３５
ａ，３４ｂ，３５ｂと２個の薄膜ヒータ３６ａ，３６ｂ
及び交差部３７含む光スイッチ要素の全長は、約１６mm
とした。

【００４０】上記の工程を経てシリコンウエハ上に作製
されたマトリックス光スイッチを１０mm×１３０mmの長
方形状にダイシングソーにより切り出し、シリコン基板
下部には放熱板を設け、また、入出力光導波路には光フ
ァイバアレイを接続し、薄膜ヒータには、給電リードを
接続することにより、目的とするマトリックス光スイッ
チが完成した。給電すべき薄膜ヒータを適宜選択するこ
とにより、（４×４）スイッチ動作が確認された。スイ
ッチ動作に必要な各薄膜ヒータの消電力は０.４ワット
程度であった。各光スイッチ要素が２個の薄膜ヒータを
含み、同時にオン状態として動作する光スイッチ要素の
数は最大４個であるので、全消費電力は最大０.４×２
×４＝３.２ワット程度であった。マトリックス光スイ
ッチとしての損失値は、光ファイバ接続損失を含めて３
〜４dBであり、またマトリックス光スイッチ全体として
の消光比は、製造誤差により方向性結合器の結合比が５
０％±１０％程度と大きくずれても、２５dB程度より優
れていた。

【００４１】（実施例２）図２は、本発明のマトリック
ス光スイッチの実施例２としての（８×８）マトリック
ス光スイッチの全体配置図である。図２において、２１
はシリコン（Ｓｉ）基板、２２ａ−２２ｂは８＋８＝１
６本の石英系ガラス光導波路からなる導波路束であり、
導波路束２２ａ−２２ｂの途上には１５箇所の光スイッ
チ群（＃１，＃２，…，＃１５）が配置されている。こ
れらのスイッチ群は順次１個，２個，…，７個，８個，
７個，…，２個，１個、の光スイッチ要素を含んでい
る。本配置図で特徴的なことは、光スイッチ群＃２と＃
３の間、＃４と＃５の間、＃６と＃７の間、＃７と＃８
の間、＃８と＃９の間、＃９と＃１０の間、＃１１と＃
１２の間、＃１３と＃１４の間が、それぞれ、９０度な
いし１８０度曲がりを有する導波路束２３ａ，２３ｂ，
２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇ，２３ｈで連
結されている点である。

【００４２】換言すれば、曲がり導波路束を適宜用いて
１５個の光スイッチ群が限られた基板サイズ上につづら
折りに配置されていることが特徴的である。

【００４３】図３は、図２の光スイッチ群（＃１，＃
２，…，＃１５）の配置説明図であり、導波路束２２ａ
−２２ｂの途上にどのように光スイッチ要素配置されて
いるかを示したものである。これらのスイッチ群は順次
１個，２個，…，７個，８個，７個，…，２個，１個、
の光スイッチ要素（図４において楕円印で象徴）を含ん
でいる。光スイッチ群＃１の左端は８本の入力光導波路
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈを含
む導波路束２２ａ−２２ｂ入り口に連なっている。光ス
イッチ群＃１と＃２との間は直結されている、光スイッ
チ群＃２と＃３との間は曲がり導波路束２３ａで連結さ
れている、等々であり、最後に光スイッチ群＃１５の右
端は８本の出力光導波路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２
ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈを含む導波路束２２ａ−２２ｂ出
口に導かれているのである。

【００４４】図４は、図２、図３を構成する光スイッチ
要素の平面図である。図１Ａに示した光スイッチ要素の
場合と同様に、方向性結合器３４ａ，３５ａから成る第
１のマッハツェンダ光干渉計回路と方向性結合器３４
ｂ，３５ｂから成る第２のマッハツェンダ光干渉計回路
等から構成されているが、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃの場
合と異なり、第１マッハツェンダ光干渉計回路３８ａ領
域では入力光導波路３１ａ−３１ｂ側の光路長がバイパ
ス光導波路３３ａ−３３ｂ側より２分の１波長相当長く
設定されバイパス光導波路側に薄膜ヒータ３６ａが設置
され、また、第２のマッハツェンダ光干渉計回路３８ｂ
領域では出力光導波路３２ａ−３２ｂ側の光路長がバイ
パス光導波路３３ａ−３３ｂ側より２分の１波長相当長
く設定されバイパス光導波路側に薄膜ヒータ３６ｂが設
置されている。交差部３７の交差角θは、図１Ａと同様
に３０度とした。図４に示した光スイッチ要素の長さ
は、約２０mmとした。

【００４５】シリコンウエハ上に作製された（８×８）
マトリックス光スイッチは８０mm×８０mmの四角状にダ
イシングソーにより切り出し、シリコン基板下部には放
熱板が設け、また、入出力光導波路には光ファイバアレ
イを接続し、薄膜ヒータには給電リードを接続すること
により、目的とするマトリックス光スイッチが完成し
た。給電すべき薄膜ヒーダを適宜選択することにより、
（８×８）スイッチ動作が確認された。スイッチ動作に
必要な各薄膜ヒータの消費電力は０.４ワット程度であ
った。同時にオン状態となる光スイッチ要素の数は最大
８個であるので、全消費電力は最大０.４×２×８＝６.
４ワット程度であった。マトリックス光スイッチとして
の損失値は、光ファイバ接続損失を含めて６〜８dB程度
であり、また、マトリックス光スイッチ全体としての消
光比は、製造誤差により方向性結合器の結合比が５０％
±１０％程度と大きくずれても、２０dB程度以上と良好
であった。

【００４６】さて、実施例２のマトリックス光スイッチ
の配置では、入力光導波路１ｈから入力した信号光を出
力光導波路２ｈから取り出す場合には、信号光は光スイ
ッチ要素を１回しか通過しないのに対し、入力光導波路
１ａから入力した信号光を出力光導波路２ａから取り出
す場合には１５回も光スイッチ要素を通過することにな
り、各光スイッチ要素が一定の通過損失を派生する場合
には、出力信号光レベルが経路によって変動することに
なり、場合によっては不都合が発生する。このような場
合には、下記実施例の改善策をとることができる。

【００４７】（実施例３）図５は、本発明の実施例３で
採用した光スイッチ群の構成図である。実施例３は、図
２，図３で説明した第２実施例と基本構造は同一である
が、光スイッチ群に光スイッチ要素Ｓに加えてダミー光
スイッチ要素Ｓ_Dを配置している点が異なっている。ダ
ミー光スイッチ要素は、図４の光スイッチ要素の方向性
結合器３４ａ，３５ａ，３４ｂ，３５ｂの結合率が０％
になるように導波路間隔を数１０μｍ程度に離し、かつ
薄膜ヒータ３６ａ，３６ｂを省略したもので、常にオフ
状態すなわちクロス経路状態を維持するものである。こ
のようなダミー光スイッチ要素を加えるとマトリックス
光スイッチの経路差に起因する光出力レベルの変動が緩
和され、マトリックス光スイッチ全体としての損失値
７.５〜８dBであり、消光比は製造誤差により方向性結
合器の結合比が５０％±１０％程度もずれても２０dB以
上が達成された。

【００４８】図６は、つづら折り状に配置された図２の
マトリックス光スイッチに適用可能な光スイッチ要素の
一変形例である。基本的な構成は図４の光スイッチ要素
と同一であるが、図６の光スイッチ要素はその内部に９
０度曲がり部分を含み、例えば図２のコーナー部分２３
ａ，２３ｂ等までも有効に利用してマトリックス光スイ
ッチをレイアウトする際に適用できる。このように、本
発明を特徴づける光スイッチ要素はその基本機能を損な
うことなく、基板面積を有効に利用する目的で適宜変形
できる。

【００４９】なお、以上の実施例１，２，３では、光ス
イッチ要素を構成する第１及び第２のマッハツェンダ干
渉計回路の短い側の光導波路上にそれぞれ薄膜ヒータ３
６ａと３６ｂが設けられていたが、長い光路長を持つ側
にも補足的に薄膜ヒータを設置しておくと、万が一、光
路長差が製造上の事故でずれても対の薄膜ヒータのいず
れか一方に軽く通電することにより補償できるメリット
があることを付記する。

【００５０】また、２本の導波路の交差角を３０度とし
たが、次にこの交差角の設定について考察する。

【００５１】本発明では、光スイッチ要素内で２本の光
導波路はクロストークを無視できる角度で交差する必要
があるが、この適正角度は、導波路間の交差による光ク
ロストークが−３０dB以下になる角度と見なしてよい。
用いる光導波路のコアクラッド間比屈折率差によっても
変化するが、一般に交差角が２０度程度以上であれば、
２本の光導波路間の光クロストークは、光の直進性によ
り、実用上無視できる。上記実施例で採用した３０度交
差角ではクロストークは−３５dB程度と小さい。この場
合の交差部の交差損失は０.１dB程度と微小である。一
般に交差部の損失とクロストークは、交差角が９０度に
近づくほど改善されるが、交差角を大きくとると曲線部
の占有面積が増え光スイッチ要素のサイズが大きくなる
傾向にあるので、マトリックス光スイッチ所要性能や光
導波路の許容曲げ半径等を勘案して決定することが望ま
しい。

【００５２】また、上記実施例では信号光波長が１.３
μｍの場合を扱ったが、本発明の構成は、他波長、例え
ば１.５５μｍ波長等にも適用できる。

【００５３】これまでに本発明のマトリックス光スイッ
チが方向性結合器の製造誤差に対して有効であることを
説明してきたが、その副次効果として、方向性結合器の
偏波依存性に対しても強いことも指摘しておきたい。

【００５４】また、上記の実施例ではシリコン基板上の
石英系ガラス光導波路を基本とするマトリックス光スイ
ッチについて構成、作用等を説明したが、マッハツェン
ダ光干渉計回路型の光スイッチ要素を構成し得る他材
料、例えば、プラスチック光導波路やイオン拡散型ガラ
ス光導波路、さらには電気光学効果を用いた光位相シフ
タを設置したニオブ酸リチウム系光導波路等にも、本発
明を適用できることを付記する。

【００５５】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得
ることはいうまでない。

【００５６】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、マトリックス光スイッチを構成する光スイッチ要素
を、互いに交差する入力光導波路と出力光導波路にバイ
パス光導波路を加えた３本の光導波路を基本として構成
し、しかも、入力光導波路とバイパス光導波路とで２分
の１光路長差の第１のマッハツェンダ光干渉計回路を構
成し、出力光導波路とバイパス光導波路とでやはり２分
の１光路長差の第２のマッハツェンダ光干渉計回路を構
成することにより、オフ状態では、方向性結合器の結合
率に依らず、信号光は、入力した光導波路に留まった状
態で光スイッチ要素をクロス状態で通過することができ
る。

【００５７】さらに、オフ状態で万が一、第１のマッハ
ツェンダ光干渉計回路領域でバイパス光導波路に信号光
が漏れ出しても、第２のマッハツェンダ光干渉計回路の
存在により、出力光導波路への漏れ出しが殆ど阻止され
るので光スイッチ要素は高い消光比を維持できる。した
がって、方向性結合器等の製作精度が大幅に緩和され消
光比の優れたマトリックス光スイッチを容易に提供する
ことができる。

【００５８】また、前記光スイッチ要素からなる本発明
マトリックス光スイッチでは、偏波依存性や波長依存性
も緩和される副次的な効果もある。

【００５９】本発明のマトリックス光スイッチは、複数
の信号光が行き交う光ファイバ通信網の構築などに多大
の貢献をなすと期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】 本発明のマトリックス光スイッチの実施例
１としての（４×４）マトリックス光スイッチを構成す
る平面図、

【図１Ｂ】 図１Ａにおける線分ＡＡ’に沿った拡大断
面図、

【図１Ｃ】 図１Ａにおける線分ＢＢ’に沿った拡大断
面図、

【図２】 本発明のマトリックス光スイッチの実施例２
としての（８×８）マトリックス光スイッチの全体配置
図、

【図３】 図２の実施例２に対応する各光スイッチ群の
構成説明図、

【図４】 図３のマトリックス光スイッチを構成する光
スイッチ要素の構造説明図、

【図５】 本発明の実施例３における光スイッチ群の構
成説明図、

【図６】 本発明のマトリックス光スイッチを構成する
光スイッチ要素の一変形例図、

【図７】 本発明の対象となる従来のマトリックス光ス
イッチの構成概念図、

【図８Ａ】 従来の（４×４）マトリックス光スイッチ
構成例の全体平面図、

【図８Ｂ】 従来の（４×４）マトリックス光スイッチ
構成例の光スイッチ要素拡大説明図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ…入
力光導波路、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２
ｇ，２ｈ…出力光導波路、Ｓ００，…，Ｓ３３…光スイ
ッチ要素、３…シリコン基板、４ａ−４ｂ…光導波路
束、７１ａ，７１ｂ、７２ａ，７２ｂ…石英系ガラス光
導波路、７３ａ，７３ｂ…方向性結合器、７４ａ，７４
ｂ…薄膜ヒータ（光位相シフタ）、２１…シリコン基
板、２１ｂ…石英系ガラスクラッド層、３１ａ−３１ｂ
…石英系ガラス入力光導波路、３２ａ−３２ｂ…石英系
ガラス出力光導波路、３３ａ−３３ｂ…石英系ガラスバ
イパス光導波路、３４ａ，３５ａ，３４ｂ，３５ｂ…方
向性結合器、３６ａ，３６ｂ…薄膜ヒータ（光位相シフ
タ）、３７…交差部、３８ａ…第１マッハツェンダ光干
渉計回路、３８ｂ…第２マッハツェンダ光干渉計回路、
＃１，＃２，…，＃１５…光スイッチ群、２２ａ−２２
ｂ…光導波路束、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２
３ｅ，２３ｆ，２３ｇ，２３ｈ…９０度ないし１８０度
曲がり導波路束構造、Ｓ…光スイッチ要素、Ｓ_D…ダミ
ー光スイッチ要素。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 勝己 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/12 - 6/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上で互いに交差するＭ（整数）本の
   入力光導波路とＮ（整数）本の出力光導波路とから成る
   マトリックス状導波路と、前記マトリックス状導波路の
   Ｍ×Ｎ個の交差部近傍に形成されたＭ×Ｎ個の光スイッ
   チ要素とからなる導波路型マトリックス光スイッチにお
   いて、前記各光スイッチ要素を、互いに交差する前記入
   力光導波路と出力光導波路にバイパス光導波路を加えた
   ３本の光導波路を基本として構成し、前記バイパス光導
   波路の一部を、前記入力光導波路と２箇所で近接させ２
   個の方向性結合器とし、該２個の方向性結合器間の入力
   光導波路とバイパス光導波路の少なくとも一方に光位相
   シフタを設けて第１のマッハツェンダ型光干渉計回路を
   構成し、かつ、前記バイパス光導波路の別の一部を、前
   記出力光導波路と２箇所で近接させ２個の方向性結合器
   とし、該２個の方向性結合器間の出力光導波路とバイパ
   ス光導波路の少なくとも一方に光位相シフタを設けて第
   ２のマッハツェンダ型光干渉計回路を構成し、第１及び
   第２のマッハツェンダ型光干渉計回路を構成する各２個
   の方向性結合器間の各２本の光導波路の実効光路長差が
   スイッチオフの状態で信号光波長の２分の１にそれぞれ
   設定されていることを特徴とする導波路型マトリックス
   光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記の一連の光導波路がガラス光導波路
   であり、前記光位相シフタが薄膜ヒータから成る熱光学
   効果位相シフタであり、Ｍ本の入力光導波路とＮ本の出
   力光導波路とが２０度以上の交差角をもって交差してい
   ることを特徴とする請求項１記載の導波路型マトリック
   ス光スイッチ。