JP3319248B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム等
における光路設定・切替に用いられる光スイッチに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から基板中に設けられた互いに交差
する光導波路の交差点に光導波路の光軸と所定の角度を
成す溝に、光を透過・反射させる部品を設置することに
よりｍ×ｎのマトリクス光スイッチを実現する方法が提
案されている。例えば、「Bistatable optical swichin
g using electrochemically generated bubbles 」（Op
tics letters/Vol.15,No.24/December 15,1990）では、
光導波路の交差点の溝に光導波路のコア部の屈折率に近
似させた屈折率を持つ水溶液を充填し、この水を電気分
解して気泡を発生させることにより光を反射させ、触媒
によって気泡を再び水に戻すことによって光を透過させ
る。このように気泡を発生・消滅することでマトリクス
光スイッチを実現する方法が提案されている。

【０００３】このほかにも、「光スイッチおよび光スイ
ッチアレイ」（特開平６−１７５０５２号公報）に開示
されたものがある。

【０００４】図９は開示された従来例の構造であり、基
板１０の表層部に光導波路１，３および、これら光導波
路１，３に直交する光導波路２が形成されている。更
に、これらの光軸の交点において、上記光導波路１，３
をそれぞれ遮断する深さを有し、かつ、光導波路１の光
信号を光導波路２へ反射させるような方向の壁面を有す
る溝４が形成されている。そして、上方より溝４の開口
を塞ぐようにガラス板１１が接着剤により基板１０と固
定されている。また、この溝の長手方向の両端には白金
電極５が配置され、この電極５には金の蒸着配線５１が
接続されている。また、溝４中の長手方向の中央部には
水銀６が封入され、この水銀６を挟んで電解質溶液７が
封入されている。そして、電極５，５間に電圧を駆けて
電解質溶液７と水銀６との界面張力を変化させること
で、水銀６を溝４の長手方向に移動させている。水銀６
が光導波路交差部にある場合、光は水銀６によって反射
され、水銀６がない場合、光は溝４を透過する。このよ
うに従来では、水銀６を移動させることで、マトリクス
光スイッチを実現するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来から提案
されている光スイッチには、製造性，信頼性および性能
に関し、いくつかの課題が残されていた。

【０００６】例えば、屈折率整合液中に気泡を発生・消
滅させる方式は、気泡の発生・消滅という物理・化学的
な現象を利用しているため、気泡の発生・消滅を安定し
て行うのは難しく信頼性に問題があった。さらに、屈折
率整合液の水溶液で作製するため光の吸収が生じ損失が
増大する。

【０００７】また、水銀駆動方式は、水銀６をミラーと
して使用しているため反射時に吸収が発生し損失が増大
し、光が透過する際も電解質溶液７を使用しているため
光の吸収が起こり、損失が増大する。

【０００８】さらに、前記の密閉構造で水銀６を駆動さ
せるためには電解質溶液７と水銀６の入れ替わりが必要
であり、動作が不安定となる。

【０００９】これを抑制するために溝長手方向両端に空
気等を封入した液溜を形成したものが記載されているが
消費電力は大きく、スイッチング速度も遅い。また、透
過時の損失を減少させるためには溝の幅を狭くして光導
波路の欠落を少なくする必要があり、そのような狭小溝
に表面張力の大きな水銀を安定して封入することは製造
上困難であった。

【００１０】本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、
製造性，信頼性および挿入損失等の性能で優れた光スイ
ッチを実現することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る光スイッチは、基板中で互いに交差しないｍ本
の光導波路および互いに交差しないｎ本の光導波路が互
いに交差し、各交差点部に前記光導波路の光軸と所定の
角度を成す壁面をもつ管路と、前記管路内の一部に封入
された前記光導波路の屈折率に近似した屈折率を持つ光
学的に透明な液体、および、前記液体のメニスカス付近
を加熱するための発熱手段を有し、前記発熱手段による
加熱により前記液体のメニスカス付近の界面張力を変化
させることで前記液体を移動させることを特徴とする。

【００１２】前記光スイッチにおいて、前記管路は管路
幅が大、中、小の３種類の部分を有し、２つ以上の前記
管路幅が小の部分と、１つ以上の前記管路幅が中の部分
とで連続して構成され、かつ前記管路幅が中の部分が前
記管路幅が小の部分により挟まれるように構成された部
分を、さらに挟むように前記管路幅が大の部分が形成さ
れ、前記液体が連続して前記管路幅が小の部分の１カ所
以上と前記管路幅が中の部分の一部に存在することを特
徴とする。

【００１３】前記光スイッチにおいて、前記管路がリン
グ状管路であることを特徴とする。

【００１４】前記光スイッチにおいて、前記発熱手段と
して、管路付近の２カ所にヒーターと、該ヒーターに直
列接続したダイオードを有することを特徴とする。

【００１５】前記構成の光スイッチによれば、有した発
熱手段によって光導波路の交差点部の管路に封入された
光導波路の屈折率に近似した屈折率を持つ光学的に透明
な液体を交差点部で安定かつ円滑に移動させることがで
き、光導波路を伝搬する光の光路を安定かつ円滑に切り
替えることができる。

【００１６】また、本発明では、光導波路交差部での屈
折率整合液の移動によって光を透過させたり全反射させ
たりすることによって光路を切り替えているため低損失
な光スイッチを実現できる。

【００１７】さらに、本構成では、狭小溝に電解質溶液
や表面張力の大きな水銀等、２種類の液体を封入する製
造工程を必要としないため光スイッチの製造が容易にな
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１９】（第１の実施の形態：光スイッチの基本構
造と動作）図１，図２は、本発明の第１の実施の形態を
示す図であり、光スイッチの基本構造とスイッチング動
作を示す。図中、２１は埋め込み型光導波路基板、２２
は上部基板、２３ｉ，２３ｏは横方向（基板長手方向）
の光導波路、２４ｉ，２４ｏは縦方向の光導波路、２５
は光導波路の光軸と所定の角度を成す壁面をもつ管路、
２６は管路２５の両端をつなぐ管路、２７ａ，２７ｂは
ヒーター、２８ａ，２８ｂ，２８ｃは電気配線、２９は
屈折率整合液を各々図示する。

【００２０】図１において埋め込み型光導波路基板２１
中には横方向の光導波路２３ｉ，２３ｏと縦方向の光導
波路２４ｉ，２４ｏとが互いに交差し、その交差点部に
は光導波路の光軸と所定の角度を成す壁面をもつ溝が形
成され、上部基板２２にはコの字型の溝やヒーター２７
ａ，２７ｂ、電気配線２８ａ，２８ｂ，２８ｃがその周
囲に形成されている。そして、埋め込み型光導波路基板
２１の溝に設けられた管路２５内に、光導波路２３ｉ，
２３ｏ，２４ｉ，２４ｏの屈折率に近似した屈折率を持
つ光学的に透明な液体である屈折率整合液２９を注入
後、上部基板２２と張り合わせることによって、光導波
路の光軸と所定の角度を成す壁面をもつ管路２５と管路
２５の両端をつなぐリング管路２６が形成される。

【００２１】次に図１，２を用いて光路の切替動作につ
いて説明する。光導波路の交差部に屈折率整合液２９が
存在する場合（図１参照）、光導波路２３ｉを伝搬して
きた光は管路２５を透過して光導波路２３ｏを伝搬して
いく。また、光導波路の交差部に屈折率整合液２９が存
在しない場合（図２参照）、光導波路２３ｉを伝搬して
きた光は、管路２５の壁面で全反射し、光導波路２４ｏ
を伝搬していく。このように光導波路交差部で屈折率整
合液２９のある状態とない状態とを形成させることによ
って、光路を切り替えることができる。この光導波路交
差部における屈折率整合液の有無の状態はリング状管路
２６内に封入された屈折率整合液２９を、該リング状管
路２６内で移動させることによって創出することができ
る。

【００２２】図１において、電気配線２８ａ，２８ｂ間
に電圧をかけることによってヒーター２７ａのみを発熱
させ、屈折率整合液２９のメニスカス付近を加熱すると
物質のもつ界面張力が低下し、屈折率整合液２９両端の
メニスカスで発生していた毛細管力の釣り合いがくず
れ、屈折率整合液２９はリング管路内を発熱していない
ヒーター２７ｂの方へ移動し、図１の状態から図２の状
態に変わる。移動後、ヒーター２７ａへの電力供給をや
めると一部で温度上昇していたところは周りから冷やさ
れて再び毛細管力が釣り合うようになり移動した状態を
保持する。同様に図２において電気配線２８ａ，２８ｃ
間に電圧をかけてヒーター２７ｂを発熱させると屈折率
整合液２９はリング管路２６内を発熱していないヒータ
ー２７ａの方へ移動し、図２の状態から図１の状態にも
どる。このように屈折率整合液２９のメニスカス部を加
熱することによってリング状管路２６内を移動させるこ
とができ、光路を切り替えを容易に実現できる。

【００２３】一般に液体２９は加熱することによって表
面張力が低下するため、本光スイッチは、例えばシリコ
ーンオイルなど光導波路の屈折率に近似した屈折率を持
ち、光の吸収が極めて低い光学的に透明な液体を用いる
ことができるため低損失な光スイッチを実現できる。

【００２４】本実施の形態では、リング状管路２６内に
液体２９を密閉した場合を示したが、光導波路の光軸と
所定の角度を成す壁面をもつ管路の両端を開放した場合
も、同様のスイッチングが可能である。ただし、蒸発等
の問題が考えられるので考慮する。また、光導波路の光
軸と所定の角度を成す壁面をもつ管路の両端を閉じた場
合においても、スイッチングは可能である。なお、管路
を閉じた場合は、液体と気体の入れ替わりが必要になる
ため動作が遅くなったり不安定になったりする。

【００２５】また、本実施の形態では、液体をリング状
管路内で往復移動させるために２つのヒーターをリング
状管路付近に設置したが、ヒーターを一つとした場合で
も液体の往復移動は可能である。例えば、リング状管路
の管路幅を連続的に変化させた部分を作ればよい。ヒー
ターで液体の片方のメニスカス部を加熱すると液体両端
のメニスカスで働く毛細管力の釣り合いがくずれ液体は
管路内を移動する。ここで、毛細管力は管路幅に反比例
するため、両端の毛細管力が釣り合う管路幅のところで
止まる。加熱をやめると温度上昇していたところは周り
から冷やされ、物質のもつ界面張力は元の値に戻る。液
体両端での毛細管力は管路幅の違いにより釣り合ってい
たが、物質のもつ界面張力が元の値に戻ることによって
毛細管力の釣り合いがくずれ、加熱する前の位置に液体
は再び移動する。但し、この場合には、光スイッチの自
己保持性はなくなる。

【００２６】（第２の実施の形態：管路幅の変化）図
３，４は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、
図３は図４のリング状管路を模擬的に直線的に示したも
のであり（ＸＸ部で切離し、直線的に展開した図）、図
４は光導波路交差部の平面図を示す。図中、２３ｉ，２
３ｏは横方向の光導波路、２４ｉ，２４ｏは縦方向の光
導波路、２５は光導波路の光軸と所定の角度を成す壁面
をもつ管路、２６は管路２５の両端をつなぐ管路、２７
ａ，２７ｂはヒーター、２９は屈折率整合液、３０は模
擬的なリング状管路を示す。

【００２７】図３に示すように、このリング状管路３０
では、屈折率整合液２９の移動区間両端における管路５
５の幅が液移動区間Ｌの管路幅より大きくなるように形
成され、さらに液移動区間内に存在する屈折率整合液２
９のメニスカス部における管路５１，５３の幅はそれに
隣接した管路５０，５２，５４の幅より大きくかつ管路
５５の幅より小さくなるように形成されている。

【００２８】屈折率整合液２９の端部で発生する毛細管
力は、管路幅に反比例するため図３に示す２つの管路５
１，５３の位置で屈折率整合液２９は安定する。そし
て、リング状管路の管路幅が一定の場合、液体は外部か
らの衝撃等によって移動したり、加熱によって液体を移
動させるときに移動位置にばらつきが生じたりするた
め、スイッチング状態の保持に対する信頼性やスイッチ
ングの安定性が低下する。しかし、管路幅を変化させる
ことによって外部からの衝撃に強くなり、かつ、安定し
た液体の移動を行うことができるようになるため、スイ
ッチング状態の保持に対する信頼性やスイッチングの安
定性が向上する。

【００２９】（第３の実施の形態：回路の構成）図５，
６は、本発明の第３の実施の形態を示す図であり、図５
は光導波路交差部におけるヒーター回路構成を示し、図
６は３×３のマトリクス構成にしたヒーターの回路を示
したものである。図中、３１は光導波路各交差部のヒー
ター装置、３２ａ，３２ｂはヒーター、３３ａ，３３ｂ
はダイオード、３４ａ，３４ｂは電気配線、３５ａ〜３
５ｃは下層電気配線、３６ｉ〜３６ｋは上層電気配線、
３７ａｉ〜３７ｃｋは光導波路各交差部のヒーター装
置、３８ａｉ〜３２ｃｋは電気配線を示す。

【００３０】本発明は、図５に示すように液体を加熱す
る手段としてリング状管路付近の２カ所に設けられたヒ
ーター３２ａ，３２ｂのそれぞれに極性が異なるように
ダイオード３４ａ，３４ｂを直列に接続し、それらを並
列接続した構成からなる。このような回路構成にするこ
とによって電気配線３４ａ，３４ｂ間に流す電流の向き
を制御することによって発熱するヒーターを替えること
ができる。たとえば、電気配線３４ａから電気配線３４
ｂの方向に電流を流した場合、ヒーター３２ａを発熱さ
せることができる。

【００３１】図１，２で示したヒーターの回路構成では
電力を供給するための電気配線が光導波路交差部１つに
あたり３本必要となる。そのため、光導波路をｍ×ｎの
マトリクス構成にし、すべての光導波路交差部に液体を
駆動するためのヒーターを図１，２に示したように設け
た場合、電力を供給するために３ｍｎ本の電気配線が必
要になる。そのためスイッチの規模を大きくしようとし
た場合、電力を供給するための電気配線が占める空間が
非常に大きくなり、スイッチが大型化してしまう。

【００３２】そこで、図６に示す回路を各光導波路交差
部に設け、図６に示すように下層電気配線３５ａ〜３５
ｃと上層電気配線３６ｉ〜３６ｋの二層配線によって電
力を供給できるように回路を構成すれば、電気配線の数
をｍ＋ｎ本と大幅に減少できる。本構成では、例えば、
光導波路交差部のヒーター装置３７ａｋを駆動させたい
場合は、３５ａ，３６ｋ間に電圧を加えその間に流れる
電流の向きを制御することで液体の駆動を制御できる。

【００３３】（第４の実施の形態：光スイッチの構成）
図７，８は、本発明の第４の実施の形態を示す図であ
り、図７は予備系切替装置等に用いられる８＋１光スイ
ッチを示し、図８は３×３光スイッチを示したものであ
る。図中、４０ａ〜４０ｈ，４１ａ〜４１ｈ，４２，４
２ｉ〜４２ｋは光ファイバ、４３は埋め込み型光導波路
基板、４４ａ〜４４ｈ，４５，４５ｉ〜４５ｋは光導波
路、４６ａ〜４６ｈ，４６ａｉ〜４６ｃｋは各光導波路
の光軸と所定の角度を成す壁面を持つ管路、４７ａ〜４
７ｈ，４７ａｉ〜４７ｃｋは光導波路各交差部の液体駆
動装置を示す。

【００３４】図７において、埋め込み型光導波路基板４
３には横方向の光導波路４４ａ〜４４ｈと縦方向の光導
波路４５が互いに交差し、その交差点部には光導波路の
光軸と所定の角度を壁面を持つ管路４６ａ〜４６ｈが形
成されている。その管路４６ａ〜４６ｈには本発明の液
体駆動装置４７ａ〜４７ｈが設けられており、光導波路
４４ａ〜４４ｈ，４５には光ファイバ４０ａ〜４０ｈ，
４１ａ〜４１ｈ，４２がそれぞれ接続されている。

【００３５】図７に示す光スイッチは予備系切替装置等
に用いられ、光ファイバ４１ａ〜４１ｈ，４２には光信
号処理回路等が接続される。通常は光ファイバ４０ａ，
４１ａ間のように管路で光が透過するような形で光信号
のやりとりが行われるが、光信号処理回路が故障した場
合、例えば、４１ｅに接続された光信号処理回路が故障
した場合は、液体駆動装置４７ｅを動作させ管路４６ｅ
での光の伝搬状態を透過から全反射に切り替えることに
よって光ファイバ４０ｅ，４１ｅ間で行われていた光信
号のやりとりを、光ファイバ４０ｅ，４２間で行えるよ
うに切り替えることができ、光ファイバ４２に接続され
た予備の光信号処理回路との接続が可能となる。

【００３６】また、図８に示す光スイッチでは、埋め込
み型光導波路基板４３に横方向の光導波路４４ａ〜４４
ｃと縦方向の光導波路４５ｉ〜４５ｋが互いに交差し、
光導波路の光軸と所定の角度を成す管路４６ａｉ〜４６
ｃｋが各交差点部に形成されている。その管路４６ａｉ
〜４６ｃｋには本発明の液体駆動装置４７ａｉ〜４７ｃ
ｋが設けられており、光導波路４４ａ〜４４ｃ，４５ｉ
〜４５ｋには光ファイバ４０ａ〜４０ｃ，４２ｉ〜４２
ｋがそれぞれ接続されている。

【００３７】図７に示した光スイッチと同様に、液体駆
動装置４７ａｉ〜４７ｃｋを動作させ、管路での光の伝
搬状態を透過または全反射に切り替えることによって光
ファイバ４０ａ〜４０ｃと光ファイバ４２ｉ〜４２ｋを
一対一で任意に接続することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光スイッ
チによれば、気泡の発生・消滅といった不安定な現象や
光の吸収が生じる水銀や水溶液等材料を用いずに光スイ
ッチを構成することができるため、信頼性の高く低損失
な光スイッチを実現できる。

【００３９】また、製造面からみても狭小溝に電解液や
表面張力の大きな水銀等の２種類の液体を封入する製造
工程を必要としないため光スイッチの製造が容易にな
る。

【００４０】さらに、非常に小型であり外部からの衝撃
に強い毛細管力を利用した自己保持機能を有し、外部か
らエネルギーを絶えず供給することなしにスイッチング
状態を保持できるため、スイッチング状態の保持に対す
る信頼性が高く、経済的に優れた光スイッチを実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態の光スイッチの
概略図である。

【図２】本発明に係る第１の実施の形態の光スイッチの
概略図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の光スイッチの管路
幅の概略図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の光スイッチの管路
幅の平面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態のヒーター回路の概
略図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の光スイッチの回路
の概略図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態の光スイッチの概略
図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態の光スイッチの概略
図である。

【図９】従来の光スイッチの概略図である。

【符号の説明】

２１ 埋め込み型光導波路基板 ２２ 上部基板 ２３ｉ，２３ｏ，２４ｉ，２４ｏ 光導波路 ２５ 光導波路の光軸と所定の角度を成す壁面をもつ管
路 ２６ 管路２５の両端をつなぐ管路 ２７ａ，２７ｂ ヒーター ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 電気配線 ２９ 屈折率整合液 ３０ 模擬的なリング状管路 ３１ ヒーター装置 ３２ａ，３２ｂ ヒーター ３３ａ，３３ｂ ダイオード ３４ａ，３４ｂ 電気配線 ３５ａ〜３５ｃ 下層電気配線 ３６ｉ〜３６ｋ 上層電気配線 ３７ａｉ〜３７ｃｋ ヒーター装置 ３８ａｉ〜３２ｃｋ 電気配線 ４０〜４０ｈ，４１ａ〜４１ｈ，４２，４２ｉ〜４２ｋ
光ファイバ ４３ 埋め込み型光導波路基板 ４４ａ〜４４ｈ，４５，４５ｉ〜４５ｋ 光導波路 ４６ａ〜４６ｈ，４６ａｉ〜４６ｃｋ 管路 ４７ａ〜４７ｈ，４７ａｉ〜４７ｃｋ 液体駆動装置

フロントページの続き (72)発明者 花岡 頼子 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−249388（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−175052（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−264415（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 26/00 - 26/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板中で互いに交差しないｍ本の光導波
   路および互いに交差しないｎ本の光導波路が互いに交差
   し、各交差点部に前記光導波路の光軸と所定の角度を成
   す壁面をもつ管路と、前記管路内の一部に封入された前
   記光導波路の屈折率に近似した屈折率を持つ光学的に透
   明な液体、および、前記液体のメニスカス付近を加熱す
   るための発熱手段を有し、前記発熱手段による加熱によ
   り前記液体のメニスカス付近の界面張力を変化させるこ
   とで前記液体を移動させることを特徴とする光スイッ
   チ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光スイッチにおいて、 前記管路は管路幅が大、中、小の３種類の部分を有し、
   ２つ以上の前記管路幅が小の部分と、１つ以上の前記管
   路幅が中の部分とで連続して構成され、かつ前記管路幅
   が中の部分が前記管路幅が小の部分により挟まれるよう
   に構成された部分を、さらに挟むように前記管路幅が大
   の部分が形成され、前記液体が連続して前記管路幅が小
   の部分の１カ所以上と前記管路幅が中の部分の一部に存
   在することを特徴とする光スイッチ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の光スイッチにおい
   て、 前記管路がリング状管路であることを特徴とする光スイ
   ッチ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の光スイッチにおい
   て、 前記発熱手段として、管路付近の２カ所にヒーターと、
   該ヒーターに直列接続したダイオードを有することを特
   徴とする光スイッチ。