JP4391770B2 - Optical switch and optical deflection element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチ及び光偏向素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光信号は、高速・大容量の信号伝送に適しており、長距離の基幹通信システムでは光信号を用いた信号伝送がすでに実用化されている。このようなシステムでは、光信号の伝送経路を切り換える光スイッチが必須である。この光スイッチの実現手法としては複数の方式が提案されているが、例えば、光偏向素子を用いた光スイッチは、高速な切り換え動作が期待できる。光偏向素子は、電界により屈折率が変化する電気光学効果を有する結晶を光導波路として用い、この光導波路の上下にプリズム状の電極を形成して電圧を印加することにより、光導波路内を伝播する光を偏向させる。
【0003】
図9は、光偏向素子を用いた従来の光スイッチの一部の構成例を示す図である。図9(a)は、光スイッチの一部の平面図を示し、図9(b)は、図9(a)におけるC−C線に沿った断面図を示す。
【0004】
図9では例として、8つの入力チャンネルを有する光スイッチ200の入力側の構成要素を示している。この光スイッチ200の入力側には、光入射側導波路部220、コリメート部230および光偏向素子部240が設けられ、その出力側には共通光導波路250が設けられている。この光スイッチ200では、例えば、光入射側導波路部220、コリメート部230および共通光導波路250が共通の基板201上に一体的に設けられ、この基板201上にさらに光偏向素子部240が実装される。
【0005】
光入射側導波路部220には、各入力チャネルに対応する複数本の光入射側導波路221が形成されている。各光入射側導波路221の入射端には例えば光ファイバ等が接続されて、それぞれに光信号が入射される。
【0006】
コリメート部230には、各光入射側導波路221に対応する複数のコリメートレンズ231が形成されている。各コリメートレンズ231は、各光入射側導波路221からの光信号が入力されるスラブ型光導波路である導波路層(二次元レンズ)232と、この導波路層232と屈折率の異なる媒質が充填されたギャップ充填層233とを有している。ギャップ充填層233では、導波路層232のコア層および上下クラッド層を貫通したエアギャップ領域に、例えば光の拡散を防止するための(すなわち、レンズ材料と空気の屈折率との違いによるフレネル反射損失を低減するための)フッ素樹脂等が充填される。そして、導波路層232のギャップ充填層233に対する端面が例えば円筒面状に成型されて、二次元レンズのレンズ曲面234とされる。このような構造により、各コリメートレンズ231では、各光入射側導波路221から導波路層232内を放射状に広がって伝播する光信号が、レンズ曲面234において平行光に変換されて、光偏向素子部240に出射される。
【0007】
光偏向素子部240には、入力チャンネルに対応する光偏向素子241が設けられている。各光偏向素子241では、電気光学効果を有する材料によってなるスラブ型光導波路242に対して、下部電極であるプリズム型電極243と、上部電極である導電性基板244とによって電圧が印加されることにより、このスラブ型光導波路242内の屈折率が変化して、入射した光信号の伝播方向が変化される。
【0008】
共通光導波路250は、入出力側の各チャンネル間で接続が切り換えられるすべての光信号が共通に伝播するスラブ型光導波路であり、光偏向素子部240を通過した光信号を出力側に伝播する。
【0009】
なお、共通光導波路250の出射側には、図9に示した光入射側導波路部220、コリメート部230および光偏向素子部240と同様の構成要素が、共通光導波路250に対して逆向きに設けられている。すなわち、共通光導波路250の出射側には、光偏向素子、集光レンズおよび光出射側導波路がそれぞれ出力チャンネル数に対応して複数設けられた出力側の光偏向素子部、集光部および光出射側導波路が設けられている。そして、共通光導波路250を伝播した光信号が、出力側の光偏向素子でその伝播方向が変化されることにより対応する集光レンズに入射し、この集光レンズで対応する光出射側導波路に結像されることにより、光出射側導波路から外部に対して出力される。
【0010】
このような構成により、光スイッチ200では、共通光導波路250の入射側および出射側の光偏向素子に印加する電圧を制御することで、入力された光信号の共通光導波路250内における伝播方向が変化して、任意の入力チャンネルと出力チャンネルとの間の接続が切り換えられる。
【0011】
なお、本発明に関連する技術として、特許文献1には、光導波路を光吸収層で包み込む構造が開示されている。また、特許文献2には、光モジュールに光吸収物質を設ける構造が開示されている。
【0012】
【特許文献1】
特開2000−28837号公報
【特許文献2】
特開2000−75155号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の光スイッチ200において、コリメート部230では、各光入射側導波路221から導波路層232を伝播した光が、レンズ曲面234でコリメートされる。しかし、光入射側導波路221から出射した光は、導波路232内を放射状に広がって伝播する。このため、導波路層232内では、入射した光の大部分がレンズ曲面234でコリメートが可能となる領域を伝播するものの、実際には一部の光がこの領域外にも伝播している。
【0014】
このように、コリメートが可能な領域外の光は、各レンズ曲面234の端部付近や、隣接するレンズ曲面234に対して伝播して、これらの箇所で迷光が生じてしまう場合がある。例えば、レンズ曲面234の端部を伝播する光はこの部分で各方向に拡散してしまい、隣接するレンズ曲面234に伝播した光は、レンズ曲面234から本来の光とは異なる方向に出射してしまう。
【0015】
特に、複数の入力チャンネルを有する光スイッチ200の場合は、コリメート部230が、各入力チャンネルに対応する二次元レンズのレンズ曲面234が並列された構造を有していることから、隣接するレンズ曲面234に伝播した光によりクロストークが発生することが大きな問題であった。
【0016】
また、共通光導波路250の出射側に設けられた集光部の集光レンズにおいては、前段の光偏向素子から出射した光の一部が、出射側の光出射側導波路に結像されずに迷光となり、クロストークが発生する場合があり得る。この場合、各光出射側導波路を取り囲むクラッド領域に一部の光が入射して、光出射側導波路を伝播する光信号に悪影響を与えることがある。
【0017】
一方、光偏向素子部240は、光入射側導波路部220、コリメート部230および共通光導波路250とは別に作製されるが、その作製時の熱によって光偏向素子部240が反ってしまう恐れがある。こうなると、光偏向素子部240を基板201上に実装する際、この光偏向素子部240とコリメート部230等を正確に位置合わせするのが困難となり、各チャンネルを通る光信号の損失を招いてしまう。更に、光偏向素子部240を単独で用いる場合でも、入射した光信号が基板の反りによって所望の方向に出射しない恐れもある。
【0019】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、チャンネル間のクロストークの発生を防止し、伝播する光信号の品質を向上させることが可能な光スイッチを提供することを目的とする。
【0020】
更に、本発明の別の目的は、作製時に発生する基板の反りを低減することができる光偏向素子、及びその偏向素子を備えた光スイッチを提供することである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明では、光信号の伝播経路を切リ換える光スイッチにおいて、外部から光信号の入力を受ける複数の光入射側導波路と、光信号を外部に出力する複数の光出射側導波路と、前記各光入射側導波路を通過した光信号を個別にコリメートする複数のコリメートレンズと、前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切リ換え、それぞれ第1の光吸収体を介して配置された複数の入力側光偏向素子と、前記各光偏向素子を通過した各光信号が共通に伝播する共通光導波路と、前記共通光導波路を通過した光信号の伝播方向を個別に切り換え、それぞれ第2の光吸収体を介して配置された複数の出力側光偏向素子と、前記各光偏向素子を通過した光信号を前記各光出射側導波路に個別に結像させる複数の集光レンズとを備え、前記入力側光偏向素子と前記出力側光偏向素子はコア層を有し、前記第1の光吸収体と前記第2の光吸収体が前記コア層を貫通する光スイッチが提供される。
【0024】
このような光スイッチでは、各光入射側導波路から対応する各コリメートレンズに対する光信号の伝播領域の両側に第1の光吸収体が配設されたことにより、各コリメートレンズに正確に入射しない余分な光や、コリメートレンズのレンズ曲面の端部等からの散乱光が、光吸収体において吸収される。また、各集光レンズから対応する光出射側導波路に対する光信号の伝播領域の両側に第2の光吸収体が配設されたことにより、各光出射側導波路に正確に入射しない余分な光が、光吸収体において吸収される。
【0025】
更に、本発明では、基板と、前記基板の上に形成された導波路層と、前記導波路層上に形成された複数の電極と、前記複数の電極の間の領域の前記導波路層に形成された溝と、前記溝内に充填された光吸収体とを有し、前記導波路層はコア層を有し、前記光吸収体が前記コア層を貫通する光偏向素子が提供される。
【0026】
このような光偏向素子によれば、溝の中に充填した光吸収体によって光信号の迷光が防止されるので、クロストークが低減され、光信号の品質が向上する。
【0027】
しかも、導波路層に光吸収体を設けたことにより、導波路層を作製する際の熱に起因する基板の反りが光吸収体によって吸収され、導波路層の平坦性が向上する。
【0028】
よって、このように平坦性のよい光偏向素子を既述の光スイッチの入力側光偏向素子として使用すると、該光偏向素子とコリメートレンズとの位置合わせを精度良く行うことができるので、光信号の損失が低減される。同様に、この光偏向素子を光スイッチの出力側光偏向素子として使用すると、光偏向素子と集光レンズとの位置合わせが容易となる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0030】
(第1実施形態)
図2は、本実施形態に係る二次元レンズアレイを具備する光スイッチの構成例を示す平面図である。
【0031】
図2では、例として、全体で8つの入力チャネルの光信号を8つの出力チャンネルに切り換えて出力する光スイッチ100を示している。この光スイッチ100は、入力側光ファイバアレイ110、光入射側導波路部120、コリメート部130、入力側光偏向素子部140、共通光導波路150、出力側光偏向素子部160、集光部170.光出射側導波路部180および出力側光ファイバアレイ190によって構成される。なお、この光スイッチ100において、コリメート部130および集光部170が、本発明の二次元レンズアレイに対応する。
【0032】
入力側光ファイバアレイ110には、各入力チャンネルに対応する複数の光ファイバ111が設けられている。各光入射側導波路部120には、各光ファイバ111に対応する複数の光入射側導波路121が設けられている。コリメート部130には、各光入射側導波路121に対応する複数のコリメートレンズ131が設けられている。入力側光偏向素子部140には、各コリメートレンズ131に対応する複数の入力側光偏向素子141が設けられている。
【0033】
入力側光ファイバアレイ110では、光ファイバ111を通じて外部から光信号が入力される。各光ファイバ111は基板112上に並設されている。基板112の表面にはV字形の溝が複数形成され、各光ファイバ111がこの溝上に設置されて、その出射端が光入射側導波路部120内の各光入射側導波路121の入射端に接続される。
【0034】
光入射側導波路部120では、入射側の各光ファイバ111からの光信号を各光入射側導波路121が受けて、これらの光信号をコリメート部130の各コリメートレンズ131に出射する。コリメート部130では、入射側の光入射側導波路121から放射状に広がって出射される光信号を、各コリメートレンズ131が個別に平行光に変換し、出射側の各入力側光偏向素子141に入射させる。なお、このコリメート部130の詳細な構成は、後の図1および図3で説明する。入力側光偏向素子部140では、各入力側光偏向素子141が、入射側の対応するコリメートレンズ131からの光信号の伝播方向を変化させ、共通光導波路150を介して出力側光偏向素子部160に出射する。
【0035】
共通光導波路150は、スラブ型導波路により構成され、入力側光偏向素子部140から出射した光信号を、出力側光偏向素子部160に伝達する。
【0036】
出力側光偏向素子部160には、各出力チャンネルに対応する複数の出力側光偏向素子161が設けられている。集光部170には、各出力側光偏向素子161に対応する複数の集光レンズ171が設けられている。光出射側導波路部180には、各集光レンズ171に対応する複数の光出射側導波路181が設けられている。出力側光ファイバアレイ190には、各光出射側導波路181に対応する複数の光ファイバ191が設けられている。
【0037】
出力側光偏向素子部160では、各出力側光偏向素子161が、各入力側光偏向素子141から共通光導波路150を介して入射した光信号の伝播方向を変化させて、この光信号を出射側の各集光レンズ171に入射させる。集光部170では、各出力側光偏向素子161からの光信号を、各集光レンズ171が出射側の各光出射側導波路181に結像させて入射させる。なお、集光部170はコリメート部130と同様の構成を有しており、この内部構造の詳細については後述する。光出射側導波路部180では、各集光レンズ171から受けた光信号を、各光出射側導波路181が出射側の各ファイバ191に対して個別に出射する。
【0038】
出力側光ファイバアレイ190では、各光ファイバ191は基板192上に並設されている。入力側光ファイバアレイ110と同様に、基板192の表面にはV字型の溝が複数形成され、各光ファイバ191がこの溝上に設置されて、それらの入射端が各光出射側導波路181の出射端に接続されて、各光出射側導波路からの光信号が外部に出力される。
【0039】
このような光スイッチ100は、以下のように動作する。
【0040】
各光ファイバ111から光入射側導波路121に入射した光信号は、コリメートレンズ131によって平行光に変換されて、入力側光偏向素子141に入射する。入力側光偏向素子141は、プリズム型電極に印加する電圧が制御されることにより、入射した光信号の伝播方向を任意に変化させ、共通光導波路150を介して、出力側光偏向素子部160内のいずれかの出力側光偏向素子161に入射させる。
【0041】
出力側光偏向素子161は、プリズム型電極に印加する電圧が制御されることにより、入射した光信号が出射側の対応する集光レンズ171に入射するように、その光信号の伝播方向を変化させる。集光レンズ171に入射した光信号は、出射側の対応する光出射側導波路181に結像されて入射し、この光信号が光出射側導波路181から光ファイバ191を通って外部に出力される。
【0042】
これにより上記の光スイッチ100では、入力側光偏向素子141および出力側光偏向素子161のそれぞれにおける印加電圧を制御することにより、複数の入力チャンネルからの光信号を、任意の出力チャンネルに対して切り換えて出力することが可能となっている。
【0043】
次に、上記の光スイッチ100におけるコリメート部130および集光部170の構造について詳細に説明する。
【0044】
図1は、本発明の二次元レンズアレイの実施の形態例であるコリメート部130とその周辺の構成を示す平面図である。また、図3は、コリメート部130とその周辺の構成を示す断面図である。
【0045】
図1は、図2に示した光スイッチ100内のコリメート部130の一部とその周辺についての拡大図を示している。また、図3(a)は、図1中のA−A線に沿った断面図を示し、図3(b)はB−B線に沿った断面図を示している。
【0046】
この図1および図3に示すように、光入射側導波路部120、コリメート部130、入力側光偏向素子部140および共通光導波路150は、同一の基板101上に設けられている。
【0047】
コリメート部130は、各光入射側導波路121からの光信号が入射されるスラブ型光導波路である導波路層132と、この導波路層132と屈折率の異なる媒質が充填されたギャップ充填層133とを有している。ギャップ充填層133では、導波路層132のコア層および上下クラッド層を貫通したエアギャップ領域に、光の拡散を防止するための充填剤、ここではフッ素樹脂が充填される。ここで、導波路層132の上下クラッド層は石英、コア層はGeをドープして屈折率が高められた石英によってそれぞれ形成されており、ギャップ充填層133のフッ素樹脂は、これらよりわずかに屈折率が低くされている。
【0048】
そして、導波路層132のギャップ充填層133に対する端面は、各光入射側導波路121からの光信号の光軸上に中心を有する。ここでは例えば円筒面状に成型され、この端面が二次元レンズであるコリメートレンズ131のレンズ曲面134とされる。このような構造により、各コリメートレンズ131では、各光入射側導波路121から導波路層132内を放射状に広がって伝播する光信号が、レンズ曲面134において平行光に変換されて、入力側光偏向素子部140の各入力側光偏向素子141に出射される。
【0049】
なお、コリメート部130の出射側に配設された入力側光偏向素子部140は、図3に示すように、導電性基板142上に電気光学結晶によってなるスラブ型の光導波路層143が形成され、さらにこのスラブ型光導波路143の導電性基板142に対する対向面にプリズム型電極144が設けられた構造を有している。この入力側光偏向素子部140では、プリズム型電極144と導電性基板142との間に電圧が印加されることにより、これらに挟まれた光導波路層143内の領域の屈折率が変化して、各コリメートレンズ131から入射した光信号の光導波路層143内における伝播方向が切り換えられる。
【0050】
ところで、このコリメート部130では、光入射側導波路121から入射した光信号は、導波路層132内を放射状に広がって伝播する。このとき、伝播した光の大部分はレンズ曲面134を通過して平行光に変換される。すなわち、導波路132では、光入射側導波路121の出射端を中心としてレンズ曲面134に向かって広がる扇形の所定領域内を伝播した光のみが、レンズ曲面134で正しくコリメートされる。しかし、実際にはこの領域の外を伝播した光が存在するため、このような光がレンズ曲面134の端部で拡散したり、あるいは隣接するレンズ曲面134に対して直接出射してしまう場合がある。
【0051】
このため、本発明では、導波路層132において、各レンズ曲面134に入射する光の伝播領域の両側に、光吸収体135を配設した。本実施の形態では、隣接するレンズ曲面134が接しているため、各レンズ曲面の境界部と導波路層132の入射端との間に、光吸収体135が一つずつ設けられている。また、この光吸収体135は、例えば図3に示すように、導波路層132のコア層および上下クラッド層を貫通するように設ける。光吸収体135の材料としては、例えば炭素を分散させた黒色の樹脂材料が使用される。
【0052】
このような光吸収体135により、レンズ曲面134で正しくコリメートされない領域を伝播する光が吸収され、隣接するレンズ曲面134へ光が伝播することが防止される。従って、コリメート部130から出射される光信号において、隣接する各チャンネル間でのクロストークの発生を防止することができる。
【0053】
また、光吸収体135は、その射出方向の端部が各レンズ曲面134の端部から離れるように形成されることが望ましい。さらに、この光吸収体135の入射方向の端部が、導波路層132の入射端から離れるように形成されることが望ましい。これにより、後述するように、一様なスラブ型導波路である導波路層132に対して、光吸収体135の配設領域に相当するコア層およびクラッド層を除去し、この除去された領域に樹脂材料を充填して固化することで、光吸収体135を容易に設けることが可能となる。ただし、隣接するレンズ曲面134への光の漏れを防ぎ、クロストークの発生量を抑制するためには、光吸収体135の配設領域と、レンズ曲面134の端部および導波路層132の入射端とのそれぞれの間隔は、できるだけ短くされるのが好ましい。
【0054】
また、本実施の形態では、例として、光吸収体135を、上面からみた形状が円または楕円状となるように形成している。このような形状により、例えば、各光入射側導波路121から出射される光が、光吸収体135の側面で散乱すること等が防止される。なお、この円または楕円状の光吸収体135の幅方向(図1中の上下方向)の長さは、光入射側導波路121から出射された光が、少なくとも対応するレンズ曲面134の内部に入射するように設定される。さらに、この光吸収体135の幅は、レンズ曲面134から出射されるコリメート光に要求される幅に応じて設定されることが望ましい。
【0055】
次に、図4は、集光部170とその周辺の構成を示す断面図である。
【0056】
図4は、図2に示した光スイッチ100内の集光部170の一部とその周辺についての拡大図を示している。この図4に示した出力側光偏向素子部160、集光部170および光出射側導波路部180は、上述した光入射側導波路部120等と同じ基板101(図示せず)上に設けられている。
【0057】
また、出力側光偏向素子部160、集光部170および光出射側導波路部180は、それぞれ上記の入力側光偏向素子部140、コリメート部130および光入射側導波路部120が、共通光導波路150をはさんで対向して設けられた場合と同じ構成を有している。
【0058】
すなわち、集光部170は、光信号を各出射側導波路181に伝播するためのスラブ型導波路である導波路層172と、この導波路層172と屈折率の異なる媒質が充填されたギャップ充填層173とを有している。また、ギャップ充填層173では、導波路層172のコア層および上下クラッド層を貫通したエアギャップ領域に、光の拡散を防止するためのフッ素樹脂が充填される。ここで、コリメート部130と同様に、導波路層172の上下クラッド層は石英、コア層はGeをドープして屈折率が高められた石英によってそれぞれ形成されており、ギャップ充填層173のフッ素樹脂は、これらよりわずかに屈折率が低くされている。
【0059】
そして、導波路層172のギャップ充填層173に対する端面は、各光出射側導波路181の光軸上に中心を有する円筒面状に成型され、この端面が二次元レンズである集光レンズ171のレンズ曲面174とされる。このような構造により、各集光レンズ171では、各出力側光偏向素子161から出射されてギャップ充填層173を通過した光信号が、レンズ曲面174から導波路層172を伝播することにより各光出射側導波路181の入射端に結像して入射する。
【0060】
また、コリメート部130と同様に、導波路層172では、各レンズ曲面174から各光入射側導波路181に結像するように伝播する光の伝播領域の両側に、光吸収体175が配設されている。この光吸収体175は、例えば導波路層172のコア層および上下クラッド層を貫通するように設けられる。光吸収体175の材料としては、例えば炭素を分散させた黒色の樹脂材料が使用される。
【0061】
この集光部170において、各出力側光偏向素子161から入射する光信号はほぼ平行な光であるが、この光スイッチ100の各要素の製造時における誤差(入力側の各要素(コリメータ部、光偏光素子部)で生じた迷光)や、各出力側光偏向素子161の性能のばらつき(迷光)等により、レンズ曲面174を通過する光の幅(図中上下方向の長さ)が必ずしも一定とならない場合がある。このような場合、レンズ曲面174を通過した光のすべてが光出射側導波路181の入射端に結像されずに、余分な光が光出射側導波路181の周囲の領域に出射して、この光が光出射側導波路181を伝播する光信号に悪影響を及ぼす場合がある。あるいは、余分な光が導波路層172の出射側端面で反射して集光部170内に戻り、隣接するレンズ曲面174に入射する等により光信号の品質を劣化させる場合もあり得る。
【0062】
このため、集光部170内の光信号の伝播領域の両側に光吸収体175を配置することにより、レンズ曲面174で正しく集光されない領域を伝播する余分な光が吸収され、光出射側導波路181に入射する光信号に含まれるノイズ成分等が低減されて、伝播する光信号の品質を高めることができる。
【0063】
以上のように、本発明によれば、チャンネル間のクロストークや、各光信号のノイズが低減された高性能な光スイッチが実現される。
【0064】
次に、上記の光スイッチ100の製造方法について説明する。
【0065】
図5は、光スイッチ100の製造方法を説明するための図である。なお、図5は、光スイッチ100中の図3(b)に対応する箇所の断面を示している。
【0066】
上記光スイッチ100は、光入射側導波路部120、コリメート部130、共通光導波路150、集光部170および光出射側導波路部180が、基板101上に一体的に形成され、この基板101上に入力側光偏向素子部140および出力側光偏向素子部160が実装され、さらに入力側光ファイバアレイ110および出力側光ファイバアレイ190を接続させた構造を有している。
【0067】
まず、図5(a)に示すように、基板101上に一様なスラブ型導波路102を形成する。基板としては石英やSiウエハ等が用いられる。石英の場合、この基板101はこの上に形成されるスラブ型導波路層102の下部クラッド層としても機能する。この基板101上に、Geを拡散させて屈折率を高めた石英によりコア層を形成し、さらにこの上に、石英により上部クラッド層を形成する。このコア層および上部クラッド層は、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等により形成する。
【0068】
次に、フォトリソグラフィ法およびスパッタリング法により、スラブ型光導波路102の上部クラッド層の表面に、金属膜によるエッチングマスクを形成する。そして、これをマスクとして用い、フッ素系ガス等を用いた反応性イオンエッチング(RIE: Reactive Ion Etching)により、上部クラッド層およびコア層を一括してエッチングする。これにより、図5(b)に示すように、光入射側導波路121、共通光導波路150が形成されるとともに、コリメート部130内のエアギャップ133a、導波路132およびレンズ曲面134や、光吸収体135を充填するための充填部135a、および入力側光偏向素子部140を搭載するための搭載部140aが形成される。
【0069】
なお、例えば、各光入射側導波路121のコア幅を5μm、各光入射側導波路121間のピッチを2.5mmとしたとき、レンズ曲面134によってコリメートされた光信号の幅が0.6mmとなるように、充填部135aの大きさを設定する。
【0070】
ここで、光吸収体135の充填部135aの領域は、レンズ曲面134の端部および導波路層132の入射端から離れるように形成する。これにより、光吸収体135の充填部135aは、図5(b)に示すように導波路層132によって囲まれた凹型形状に形成される。
【0071】
なお、図示しないが、上記の一括エッチング時に、集光部170内のエアギャップ、導波路層172およびレンズ曲面134や、光吸収体175を充填するための充填部、出力側光偏向素子部160を搭載するための搭載部が、基板101上に同時に形成される。
【0072】
この後、入力側光偏向素子部140を搭載するための搭載部140aの底面に、各入力側光偏向素子141のプリズム型電極144と接続するための電極140bを設ける。これらの電極140bは、搭載部140aの底面にレジストを塗布してパターニングを施した後、まずスパッタリング法でチタン膜を積層し、さらにリフトオフ法により白金膜を積層することで形成される。
【0073】
ここで、入力側光偏向素子部140は、以下のように作製される。入力側光偏向素子部140は、導電性基板142上にスラブ型の光導波路層143が形成され、さらにプリズム型電極143が設けられた構造を有する。導電性基板142としては、強誘電体であるSTO(SrTiO3)の単結晶にNbをドープして導電性を持たせたものを使用する。また、光導波路層143には、PZT(Pb(ZryTi1-yO3)、PLZT(PbxLa1-x(ZryTi1-yO3))をそれぞれコア、上下クラッドとして使用する。この光導波路層143は、導電性基板142上にPZT、PLZT、PZTの順で、ゾルゲル法、PLD(Pulsed Laser Deposition)法またはMOCVD法等を用いてヘテロエピタキシャル成長させることで積層される。
【0074】
この後、光導波路層143の導電性基板142に対向する面に、三角形状のプリズム型電極144を、入力チャンネル分だけ並列させて形成する。これらのプリズム型電極144は、白金膜等の金属を用いてフォトリソグラフィ法およびスパッタリング法により成膜した後、所定のサイズに研磨することにより形成される。
【0075】
なお、出力側光偏向素子部160も、入力側光偏向素子部140と全く同じ構造を有しており、同様の工程により作製される。
【0076】
次に、このような入力側光偏向素子部140および出力側光偏向素子部160を、基板101上に実装する。入力側光偏向素子部140の場合、図5(b)に示すように、プリズム型電極144を設けた面を基板101側に向けて、このプリズム型電極144と基板101上の対応する電極140bとを半田バンプ等で接続することにより、入力側光偏向素子部140を固定する。このとき、入射側および出射側に位置する光導波路との位置合わせを正確に行う必要がある。なお、出力側光偏向素子部160も、同様に基板101上に搭載する。
【0077】
次に、図5(c)に示すように、コリメート部130の導波路層132と入力側偏向素子部140との間のエアギャップ133aに、熱硬化性を有するフッ素樹脂を充填する。このフッ素樹脂は、導波路層132を構成する石英よりわずかに低い屈折率を有している。充填したフッ素樹脂に熱を与えて硬化させ、ギャップ充填層133を形成する。またこのとき、集光部170のギャップ充填層173も同様の方法で同時に形成する。
【0078】
なお、エアギャップには、フッ素樹脂を充填せずにそのままの状態で使用されてもよい。この場合は空気の屈折率がフッ素樹脂と異なるため、レンズ曲面の曲率を変更する必要がある。ただし、エアギャップの場合には、レンズ曲面を通過した光が拡散しやすくなるため、フッ素樹脂等の光の拡散を防止する材料を充填することが望ましい。
【0079】
次に、図5(c)に示すように、コリメート部130内の充填部135aに、光吸収体135の材料をスクリーン印刷法により充填する。この材料としては、例えばカーボンを分散させた黒色樹脂材料が使用され、充填した後に固化される。ここで、充填部135aは周囲を導波路層132に囲まれた凹型状に形成されているため、光吸収体135とギャップ充填層133の材料とが混合しない。従って、光吸収体135およびギャップ充填層133ともに、凹型状の領域に各材料を充填するだけで容易に形成することが可能となっている。なお、図示しないが、このとき集光部170内に形成した充填部にも、光吸収体の材料を充填する。
【0080】
以上の光スイッチ100の製造方法では、共通の基板101上に一様なスラブ型導波路102を形成し、このスラブ型光導波路102に対して、光入射側導波路やエアギャップ等とともに光吸収体135の充填部をエッチングにより一括して形成することができる。このため、従来からの製造工程を大きく変更せずに、光吸収体135の充填部を形成することができる。また、この充填部を導波路層で囲まれた領域として形成することにより、この領域に材料を注入することだけで光吸収体135を容易に形成することができる。
【0081】
従って、本発明によれば、チャンネル間のクロストークが低減され、伝播される光信号の品質が向上された光スイッチを、効率よく作製することができる。
【0082】
なお、上記の実施形態では、コリメート部130および集光部170において、ギャップ充填層に導波路層より屈折率の低い材料を使用したが、このエアギャップ層に、エポキシ樹脂等の屈折率の高い材料を用いることも可能である。この場合、レンズ曲面を凹レンズから凸レンズの形状に変更する必要がある。
【0083】
また、上記のコリメート部130および集光部170では、コリメートレンズ131および集光レンズ171の各レンズ形状が円筒状とされていたが、非球面レンズが適用されてもよい。
【0084】
さらに、上記のコリメート部130および集光部170では、レンズ曲面がギャップ充填層をはさんでそれぞれ入射側、出射側の一方のみに設けられていたが、入射側と出射側にそれぞれレンズ曲面が対向するように設けられてもよい。この場合、例えばコリメート部130の場合、ギャップ充填層133の入射側だけでなく、その出射側と入力側光偏向素子部140の搭載部との間にも導波路層が配置されるようにする。集光部170の場合も同様に、ギャップ充填層173の入射側と出力側光偏向素子部160の搭載部との間にも導波路層が配置されるようにする。
【0085】
また、上記の実施の形態では、コリメート部130および集光部170ともに、隣接するレンズ曲面が接合して、ギャップ充填層が全チャンネルに対して一体的に設けられていたが、これに限らず、隣接するレンズ曲面の間が分離されてもよい。この場合、ギャップ充填層は、導波路層に囲まれた領域として、各レンズ曲面に対応して個別に設けられる。
【0086】
また、上記の実施の形態では、コリメート部130に対して光入射側導波路121が接続されて光信号が入力されていたが、例えば、コリメート部130の導波路層132の入射端に光ファイバが直接接続されてもよい。同様に、集光部170についても、導波路層172の出射端に光ファイバが直接接続されてもよい。
【0087】
また、上記の実施の形態では、本発明の二次元レンズアレイをコリメート部および集光部として光スイッチに対して適用した例を示したが、これに限らず、複数チャンネルの光信号が並列に伝播する領域を有する他の光学デバイスに対しても適用することが可能である。
【0088】
(第2実施形態)
上記した第1実施形態では、コリメートレンズ131や集光レンズ171の両側に光吸収体135を設けたが、本発明はこれに限定されず、入力側光偏向素子部140や出力側光偏向素子部160に光吸収体を設けてもよい。
【0089】
そこで、以下では、入力側光偏向素子部140や出力側光偏向素子部160に光吸収体を設ける場合について図6〜図7を参照して説明する。図6〜図7は、本発明の第2の実施の形態に係る光偏向素子の製造方法を工程順に示す斜視図である。なお、これらの図において、第1実施形態で既に説明した部材には第1実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【0090】
最初に、図6(a)に示す構造を得るまでの工程について説明する。
【0091】
まず、強誘電体であるSTO(SrTiO3)の単結晶にNbをドープして導電性を持たせたものを基板142として使用し、この基板142の上にPLZT用の塗布液をスピンコート法により回転数3000rpm、塗布時間30秒で塗布し、その後塗布液中の溶媒成分を基板温度140℃で5分間乾燥させる。次いで、得られた塗布膜を基板温度320℃で5分間加熱し、その後、基板温度650℃、5分間の条件で結晶化アニールを行う。そして、このような一連の工程を所要回数繰り返して膜厚を稼ぐことにより、厚さが2〜3μm程度のPLZT膜を形成し、それを上部クラッド層143aとする。
【0092】
なお、上記のようにスピンコートで形成した塗布膜をその都度結晶化アニールするのではなく、塗布膜を積層した後に一括して結晶化アニールを行うことも考えられるが、この方法では、積層された塗布膜に結晶化アニールによってクラックが入る恐れがあるので、好ましくない。
【0093】
また、上記のような成膜方法は、通常はゾルゲル法と呼ばれるが、場合によっては化学溶液堆積法(CSD法: Chemical Solution Deposition法)や、塗布熱分解法とも称されることもある。
【0094】
続いて、後で光吸収体が充填される部分の上部クラッド層143aに対し、クロム等のメタルマスク(不図示)の窓を通じて、波長165nm、エネルギ密度200W/cm2の紫外線を照射する。その後、MeOH/H2OとHNO3との混合溶液をそのpHが1.7になるように作製し、紫外線が照射された部分の上部クラッド層143aをこの溶液でウエットエッチングすることにより、開口147を形成する。
【0095】
次に、図6(b)に示される構造を得るまでの工程について説明する。
【0096】
まず、PZT用の塗布液を用いて、上記したゾルゲル法によりPZT膜を上部クラッド層143aの上に厚さ約5μm程度に形成し、それをコア層143bとする。このコア層を構成する材料はPZTに限定されず、PZT以外の強誘電体材料も使用し得る。そして、上記した紫外線照射の方法を用いて、開口147に重なる開口をこのコア層143bに形成する。
【0097】
更に、上部クラッド層143aと同様の方法を用いて、コア層143b上にPLZTを厚さ約2〜3μmに形成し、それを下部クラッド層143cとする。その後、既述した紫外線照射の方法を用いて、コア層143bに形成した開口に重なる開口をこの下部クラッド層143cに形成する。
【0098】
これにより、上部クラッド層143a、コア層143b、及び下部クラッド層143cがこの順にエピタキシャル成長してなる導波路層143が基板142上に形成されると共に、上部クラッド層143aの開口147に重なる溝148がその導波路層143に形成されたことになる。その溝148は、例えば数100μm程度の間隔を置いて複数形成される。
【0099】
次に、図7(a)に示す構造を得るまでの工程について説明する。
【0100】
まず、下部クラッド層143cの上に、該下部クラッド層143cを構成するPLZTと密着性が良好であり、且つ低抵抗であるタングステン膜をスパッタ法により例えば15μmの厚さに形成する。その後に、このタングステン膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、導波路143の光路の上に複数のプリズム型電極144にする。
【0101】
続いて、図7(b)に示されるように、カーボンを分散させた黒色樹脂材料をスクリーン印刷法により溝148の中に充填し、その後この黒色樹脂材料を固化して光吸収体146とする。
【0102】
なお、プリズム型電極144を形成する前にこの光吸収体146を溝148の中に充填すると、プリズム型電極144を形成する部分の下部クラッド層143上に黒色樹脂材料が溝148からはみ出し、プリズム型電極144と導波路層143との間に黒色樹脂材料が介在する恐れがある。こうなると、プリズム型電極144と基板142との間に印加した電圧の一部が黒色樹脂材料によって吸収され、コア層143bに印加される正味の電圧が低下し、光信号の偏向量が小さくなってしまう。従って、黒色樹脂の充填は、本実施形態のように、プリズム型電極144を形成した後に行うのが好ましい。
【0103】
また、光吸収体146を充填する際、溝148が導波路層143の端面Aからはみ出していると、その端面Aから光吸収体146がこぼれ出してしまうので、溝148は端面Aよりも内側に形成されるのが好ましい。
【0104】
以上により、本実施形態に係る光偏向素子の基本構造が完成する。この光偏向素子では、導波路層143の複数の光路の上に、該光路に対応するプリズム型電極144が形成され、各プリズム型電極144と基板142との間の電位差を調節することにより、その電位差に応じた偏向角だけ光信号を偏向することができる。なお、基板142を構成するSTOの導電性が低いので、基板142とプリズム型電極144との間に比較的大きな電圧を印加しないと大きな偏向角が得られない場合がある。その場合は、基板142と導波路層143との間にベタ状の金属膜、例えばPt膜を上部電極として形成し、その上部電極とプリズム型電極144との間に電圧を印加するようにすればよい。このように導電性の良い金属膜で上部電極を構成することで、上部電極とプリズム型電極144との間の電位差が小さくても導波路層143に効果的に電圧を印加することができ、光信号を大きく偏向することが可能となる。
【0105】
上記した実施形態によれば、各光路の横の導波路層143に溝148を形成し、該溝148内に光吸収体146を充填したので、一つの光路を伝播する光信号が迷光によって他の光路に入るのが防止される。これにより、光路間のクロストークを防ぐことができ、各光路を伝播する光信号の品質が向上する。
【0106】
なお、光信号は、導波路層143のコア層143bを伝播するので、上記のような迷光を防止するには、コア層143bを貫通する深さに溝148を形成すればよい。
【0107】
また、ゾルゲル法で導波路層143を形成する際、結晶化アニール等によって導波路層143に数十回もの熱履歴が加わり、その熱によって基板142が反ろうとするが、光吸収体146がその反りを吸収するので、導波路層143の平坦性を向上させることができる。
【0108】
本願発明者の調査結果によれば、導波路層143の厚みが10μmのとき、溝148と光吸収体146とを設けない場合には基板142が約3μm程度反るのに対し、上記のように溝148と光吸収体146とを設けた場合には、その反りが約1μm程度にまで抑えられることが確認された。
【0109】
このような利点は、導波路層143に熱履歴が加わる他の成膜方法、例えばMOCVD法で導波路層143を形成する場合にも得ることができる。
【0110】
これに対し、特許文献1では、導波路層を紫外線硬化樹脂で構成しているので、上記したような熱履歴が導波路層に加わらず、本発明の利点を得ることができない。
【0111】
また、特許文献2は、基板の上に導波路層を形成する構造となっていないので、導波路層に熱履歴が加わる本発明とは異なる。
【0112】
ところで、上記した光偏向素子の使用方法は特に限定されないが、第1実施形態で説明した光スイッチに使用するのが好適である。その光スイッチは、第1実施形態と同じ製造方法によって作製され、その平面図は図8のようになる。
【0113】
このような光スイッチでは、入力側光偏向素子部140と出力側光偏向素子部160に本実施形態の光偏向素子を使用している。入力側光偏向素子部140は、既述のように反りが抑えられているので、それを基板101上に実装する際、入力側偏向素子部140とコリメートレンズ130との位置合わせを精度良く行うことができ、光信号の損失を低減することが可能となる。同様にして、出力側偏向素子部160と集光レンズ171との位置合わせも容易になり、光信号の損失を抑えることができる。
【0114】
なお、図8におけるコリメート部130および集光部170では、ギャップ充填層の入射側と出射側のそれぞれにレンズ曲面が対向するように設けらているが、第1実施形態のように、ギャップ充填層をはさんでそれぞれ入射側、出射側の一方のみにレンズ曲面を設けてもよい。
【0115】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【0116】
(付記1) 複数の光信号の入出射用の端面を有するスラブ型光導波路と、屈折率の異なる他の媒質に対する前記スラブ型光導波路の境界面に各光信号に対応して形成された複数のレンズ曲面とを有する二次元レンズアレイにおいて、
前記入出射用の端面と前記各レンズ曲面との間の各光信号の伝播領域の両側に光吸収体が配設されたことを特徴とする二次元レンズアレイ。
【0117】
(付記2) 前記光吸収体は、前記各レンズ曲面の端部から、前記入出射用の端面方向に離れた領域に配設されることを特徴とする付記1記載の二次元レンズアレイ。
【0118】
(付記3) 前記光吸収体は、前記入出射用の端面から離れた前記スラブ型光導波路内の領域に配設されることを特徴とする付記1記載の二次元レンズアレイ。
【0119】
(付記4) 前記光吸収体は、前記スラブ型光導波路のコア層およびクラッド層を貢通した領域に配設されることを特徴とする付記1記載の二次元レンズアレイ。
【0120】
(付記5) 前記光吸収体は、炭素が分散された黒色樹脂によってなることを特徴とする付記1記載の二次元レンズアレイ。
【0121】
(付記6) 前記各レンズ曲面は、前記入出射用の端面から光入射側導波路または光ファイバによって光信号が入射された場合に、前記スラブ型光導波路を伝播した前記各光信号が前記各レンズ曲面を通過して平行光に変換されるような形状に形成されることを特徴とする付記11記載の二次元レンズアレイ。
【0122】
(付記7) 光信号の伝播領域をはさんだ前記光吸収体間の距離は、前記光入射側導波路または光ファイバの幅と、前記レンズ曲面の通過後に必要な前記平行光の幅とに応じて設定されることを特徴とする付記6記載の二次元レンズアレイ。
【0123】
(付記8) 光信号の伝播経路を切リ換える光スイッチにおいて、
外部から光信号の入力を受ける複数の光入射側導波路と、
光信号を外部に出力する複数の光出射側導波路と、
前記各光入射側導波路を通過した光信号を個別にコリメートする複数のコリメートレンズと、
前記各光入射側導波路から対応する前記各コリメートレンズに対する光信号の伝播領域の両側に配設された第1の光吸収体と、
前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切リ換える複数の入力側光偏向素子と、
前記各光偏向素子を通過した各光信号が共通に伝播する共通光導波路と、
前記共通光導波路を通過した光信号の伝播方向を個別に切り換える複数の出力側光偏向素子と、
前記各光偏向素子を通過した光信号を前記各光出射側導波路に個別に結像させる複数の集光レンズと、
前記各集光レンズから対応する前記光出射側導波路に対する光信号の伝播領域の両側に配設された第2の光吸収体と、
を有することを特徴とする光スイッチ。
【0124】
(付記9) 前記第1の光吸収体は、前記コリメートレンズの有する入射側のレンズ曲面の端部から、前記光入射側導波路が配設された方向に離れた領域に配設され、前記第2の光吸収体は、前記集光レンズの有する出射側の前記レンズ曲面の端部から、前記光出射側導波路が配設された方向に離れた領域に配設されることを特徴とする付記8記載の光スイッチ。
【0125】
(付記10) 光信号の伝播経路を切リ換える光スイッチにおいて、
外部から光信号の入力を受ける複数の光入射側導波路と、
光信号を外部に出力する複数の光出射側導波路と、
前記各光入射側導波路を通過した光信号を個別にコリメートする複数のコリメートレンズと、
前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切リ換える複数の入力側光偏向素子と、
前記入力側光偏向素子を通る前記光信号の光路の両側に配設された第1の光吸収体と、
前記各光偏向素子を通過した各光信号が共通に伝播する共通光導波路と、
前記共通光導波路を通過した光信号の伝播方向を個別に切り換える複数の出力側光偏向素子と、
前記出力側光偏向素子を通る前記光信号の光路の両側に配設された第2の光吸収体と、
前記各光偏向素子を通過した光信号を前記各光出射側導波路に個別に結像させる複数の集光レンズと、
を有することを特徴とする光スイッチ。
【0126】
(付記11) 二次元光導波路中を伝播する光信号のコリメートまたは集光を行う複数の二次元レンズを有する二次元レンズアレイの製造方法において、
複数の光信号の入出射用の端面を有する一様なスラブ型光導波路を基板上に形成し、
前記スラブ型光導波路のコア層およびクラッド層を除去して、その端面に各光信号に対応する複数のレンズ曲面を形成するとともに、前記入出射用の端面と前記各レンズ曲面との間の光信号の伝播領域の両側で、かつ前記コア層およびグラッド層が除去された部分から前記入出射用の端面方向に離れた領域において、前記スラブ型光導波路のコア層およびクラッド層を除去して充填穴を形成し、
前記充填穴に光吸収性を有する樹脂を充填して固化させる、
ことを特徴とする二次元レンズアレイの製造方法。
【0127】
(付記12) 基板と、
前記基板の上に形成された導波路層と、
前記導波路層の上面において、該導波路層を通る光信号の光路の上に形成された電極と、
前記光路の横の前記導波路層に形成された溝と、
前記溝内に充填された光吸収体と、
を有することを特徴とする光偏向素子。
【0128】
(付記13) 前記溝は、前記導波路層の光路の両側にそれぞれ一つずつ設けられることを特徴とする付記12に記載の光偏向素子。
【0129】
(付記14) 前記光吸収体は、炭素が分散された黒色樹脂によってなることを特徴とする付記12に記載の光偏向素子。
【0130】
(付記15) 前記導波路層は、強誘電体よりなるコア層を備えることを特徴とする付記12に記載の光偏向素子。
【0131】
(付記16) 前記溝は、前記コア層を貫通して形成されることを特徴とする付記15に記載の光偏向素子。
【0132】
(付記17) 基板の上に導波路層を形成する工程と、
前記導波路層に溝を形成する工程と、
前記溝の横の前記導波路層の上に電極を形成する工程と、
前記溝に光吸収体を充填する工程と、
を有することを特徴とする光偏向素子の製造方法。
【0133】
(付記18) 前記導波路層は、ゾルゲル法又はMOCVD法により形成されることを特徴とする付記17に記載の光偏向素子の製造方法。
【0134】
(付記19) 前記溝は、前記光導波路層の端面よりも内側に形成されることを特徴とする付記17に記載の光偏向素子の製造方法。
【0135】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の二次元レンズアレイによれば、例えば光信号がスラブ型光導波路内をレンズ曲面に対して伝播する場合、スラブ型光導波路内における光信号の伝播領域の両側に光吸収体が配設されたことにより、このレンズ曲面に正確に入射しない余分な光や、レンズ曲面の端部等からの散乱光が、光吸収体において吸収される。このため、隣接するレンズ曲面に光が入射することが防止され、隣接するチャンネル間のクロストークの発生が低減される。また、レンズ曲面からスラブ型光導波路内に光信号が入射する場合には、レンズ曲面を通過した後、出射端の所定範囲外に伝播する余分な光が、光吸収体において吸収される。このため、必要な光のみが出射側から出射され、伝播する光信号の品質が高められる。
【0136】
また、本発明の光スイッチでは、各光入射側導波路から対応する各コリメートレンズに対する光信号の伝播領域の両側に第1の光吸収体が配設されたことにより、各コリメートレンズに正確に入射しない余分な光や、コリメートレンズのレンズ曲面の端部等からの散乱光が、光吸収体において吸収される。このため、隣接するレンズ曲面に光が入射することが防止され、隣接するチャンネル間のクロストークの発生が低減される。また、各集光レンズから対応する光出射側導波路に対する光信号の伝播領域の両側に第2の光吸収体が配設されたことにより、各光出射側導波路に正確に入射しない余分な光が、光吸収体において吸収される。このため、必要な光のみが光出射側導波路から出射され、伝播する光信号の品質が高められる。
【0137】
更に、本発明の光偏向素子によれば、導波路層に溝を設け、その溝の中に光吸収体を充填したので、光吸収体によって光信号の迷光が防止されてクロストークが低減され、光信号の品質を向上させることができる。
【0138】
しかも、このように導波路層に溝を設けたことにより、導波路層を作製する際の熱に起因する基板の反りが光吸収体によって吸収されるので、導波路層の平坦性を向上させることができる。
【0139】
従って、このように平坦性のよい光偏向素子を上記した光スイッチの入力側光偏向素子として使用すると、該光偏向素子とコリメートレンズとの位置合わせを精度良く行うことができるので、光信号の損失が低減される。同様に、この光偏向素子を光スイッチの出力側光偏向素子として使用すると、光偏向素子と集光レンズとの位置合わせが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の第1の実施の形態に係る二次元レンズアレイのコリメート部とその周辺の構成を示す図である。
【図2】 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る二次元レンズアレイを具備した光スイッチの構成例を示す平面図である。
【図3】 図3は、本発明の第1の実施の形態に係る二次元レンズアレイのコリメート部とその周辺の構成を示す断面図である。
【図4】 図4は、本発明の第1の実施の形態に係る二次元レンズアレイの集光部とその周辺の構成を示す平面図である。
【図5】 図5(a)〜(c)は、本発明の第1の実施の形態に係る光スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【図6】 図6(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る光偏向素子の製造方法について示す斜視図(その1)である。
【図7】 図7(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る光偏向素子の製造方法について示す斜視図(その2)である。
【図8】 図8は、本発明の第2の実施の形態に係る光偏向素子を備えた光スイッチの平面図である。
【図9】 図9は、従来例に係る光スイッチの一部を示す平面図である。
【符号の説明】
100…光スイッチ、110…入力側光ファイバアレイ、111…光ファイバ、120…光入射側導波路部、121…光入射側導波路、130…コリメート部、131…コリメートレンズ、132…導波路層、133…ギャップ充填層、134…レンズ曲面、135…光吸収体、140…入力側光偏向素子部、141…入力側光偏向素子、142…導電性基板、143…導波路層、143a…上部クラッド層、143b…コア層、143c…下部クラッド層、144…プリズム型電極、146…光吸収体、147…開口、150…共通光導波路、160…出力側光偏向素子部、161…出力側光偏向素子、170…集光部、171…集光レンズ、180…光出射側導波路部、181…光出射側導波路、190…出力側光ファイバアレイ、191…光ファイバ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switch and an optical switch. deflection It relates to an element.
[0002]
[Prior art]
Optical signals are suitable for high-speed and large-capacity signal transmission, and signal transmission using optical signals has already been put into practical use in long-distance backbone communication systems. In such a system, an optical switch that switches an optical signal transmission path is essential. As a method for realizing this optical switch, a plurality of methods have been proposed. For example, an optical switch using an optical deflection element can be expected to perform a high-speed switching operation. The optical deflection element uses a crystal having an electro-optic effect whose refractive index changes with an electric field as an optical waveguide, and forms prism-like electrodes on the upper and lower sides of the optical waveguide and applies a voltage to propagate through the optical waveguide. To deflect light.
[0003]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a part of a conventional optical switch using an optical deflection element. FIG. 9A is a plan view of a part of the optical switch, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 9A.
[0004]
FIG. 9 shows, as an example, components on the input side of an
[0005]
In the light incident
[0006]
A plurality of collimating
[0007]
The light
[0008]
The common
[0009]
Note that, on the output side of the common
[0010]
With such a configuration, in the
[0011]
As a technique related to the present invention,
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2000-28837 A
[Patent Document 2]
JP 2000-75155 A
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the
[0014]
Thus, light outside the region where collimation is possible propagates to the vicinity of the end of each lens
[0015]
In particular, in the case of the
[0016]
In addition, in the condensing lens of the condensing unit provided on the exit side of the common
[0017]
On the other hand, although the light
[0019]
The present invention has been made in view of such problems, To provide an optical switch capable of preventing the occurrence of crosstalk between channels and improving the quality of a propagating optical signal. With the goal .
[0020]
Furthermore, another object of the present invention is to provide an optical deflection element that can reduce the warpage of the substrate that occurs during fabrication, and an optical switch that includes the deflection element.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in the optical switch that switches the propagation path of the optical signal, a plurality of light incident side waveguides that receive the input of the optical signal from the outside, a plurality of light emission side waveguides that output the optical signal to the outside, A plurality of collimating lenses that individually collimate the optical signals that have passed through the respective light incident side waveguides, and the propagation directions of the optical signals that have passed through the respective collimating lenses are individually switched, and the first light absorbers are respectively provided. A plurality of input-side optical deflection elements arranged in common, a common optical waveguide through which each optical signal that has passed through each of the optical deflection elements propagates in common, and a propagation direction of the optical signal that has passed through the common optical waveguide individually Switching, a plurality of output-side light deflection elements respectively disposed via the second light absorber, and a plurality of light signals that have passed through each of the light deflection elements are individually imaged on the light-emitting side waveguides. With condensing lens The input side optical deflection element and the output side optical deflection element have a core layer, and the first optical absorber and the second optical absorber penetrate the core layer. An optical switch is provided.
[0024]
In such an optical switch, since the first light absorbers are disposed on both sides of the propagation region of the optical signal from each light incident side waveguide to the corresponding collimating lens, the light does not accurately enter each collimating lens. Excess light and scattered light from the end of the curved surface of the collimator lens are absorbed by the light absorber. In addition, since the second light absorbers are disposed on both sides of the propagation region of the optical signal from each condenser lens to the corresponding light output side waveguide, an extra portion that does not accurately enter each light output side waveguide is provided. Light is absorbed in the light absorber.
[0025]
Furthermore, in the present invention, the substrate, the waveguide layer formed on the substrate, the plurality of electrodes formed on the waveguide layer, and the waveguide layer in a region between the plurality of electrodes. A formed groove, and a light absorber filled in the groove; The waveguide layer has a core layer, and the light absorber penetrates the core layer. An optical deflection element is provided.
[0026]
According to such an optical deflection element, stray light of the optical signal is prevented by the light absorber filled in the groove, so that crosstalk is reduced and the quality of the optical signal is improved.
[0027]
In addition, since the light absorber is provided in the waveguide layer, the warp of the substrate due to heat when the waveguide layer is manufactured is absorbed by the light absorber, and the flatness of the waveguide layer is improved.
[0028]
Therefore, when such an optical deflecting element having good flatness is used as the input-side optical deflecting element of the above-described optical switch, the optical deflecting element and the collimating lens can be accurately aligned. Loss is reduced. Similarly, when this optical deflection element is used as an output side optical deflection element of an optical switch, alignment of the optical deflection element and the condenser lens is facilitated.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
(First embodiment)
FIG. 2 is a plan view illustrating a configuration example of an optical switch including the two-dimensional lens array according to the present embodiment.
[0031]
In FIG. 2, as an example, an
[0032]
The input side
[0033]
In the input side
[0034]
In the light incident
[0035]
The common
[0036]
The output side optical
[0037]
In the output-side
[0038]
In the output side
[0039]
Such an
[0040]
The optical signal incident on the light incident side waveguide 121 from each
[0041]
The output-side
[0042]
Thus, in the
[0043]
Next, the structure of the
[0044]
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a
[0045]
FIG. 1 shows an enlarged view of a part of the
[0046]
As shown in FIGS. 1 and 3, the light incident
[0047]
The
[0048]
The end face of the
[0049]
As shown in FIG. 3, the input side optical
[0050]
By the way, in this
[0051]
Therefore, in the present invention, the
[0052]
Such a
[0053]
The
[0054]
Further, in this embodiment, as an example, the
[0055]
Next, FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the
[0056]
FIG. 4 shows an enlarged view of a part of the condensing
[0057]
Further, the output side light deflecting
[0058]
That is, the condensing
[0059]
The end surface of the
[0060]
Similarly to the
[0061]
In this
[0062]
For this reason, by arranging the
[0063]
As described above, according to the present invention, a high-performance optical switch in which crosstalk between channels and noise of each optical signal are reduced is realized.
[0064]
Next, a method for manufacturing the
[0065]
FIG. 5 is a diagram for explaining a manufacturing method of the
[0066]
In the
[0067]
First, as shown in FIG. 5A, a
[0068]
Next, an etching mask made of a metal film is formed on the surface of the upper cladding layer of the slab type
[0069]
For example, when the core width of each light
[0070]
Here, the region of the filling
[0071]
Although not shown, at the time of the collective etching described above, the air gap in the
[0072]
Thereafter, an
[0073]
Here, the input side optical
[0074]
Thereafter,
[0075]
Note that the output-side optical
[0076]
Next, the input side optical
[0077]
Next, as shown in FIG. 5C, the
[0078]
The air gap may be used as it is without being filled with fluororesin. In this case, since the refractive index of air is different from that of fluororesin, it is necessary to change the curvature of the lens curved surface. However, in the case of an air gap, the light that has passed through the lens curved surface is likely to diffuse, so it is desirable to fill a material that prevents the diffusion of light, such as a fluororesin.
[0079]
Next, as shown in FIG. 5C, the filling
[0080]
In the manufacturing method of the
[0081]
Therefore, according to the present invention, it is possible to efficiently manufacture an optical switch in which crosstalk between channels is reduced and the quality of a propagated optical signal is improved.
[0082]
In the above embodiment, in the
[0083]
Further, in the
[0084]
Furthermore, in the
[0085]
Further, in the above-described embodiment, the adjacent lens curved surfaces are joined together in both the
[0086]
In the above embodiment, the light
[0087]
In the above embodiment, an example in which the two-dimensional lens array of the present invention is applied to an optical switch as a collimating unit and a condensing unit has been described. The present invention can also be applied to other optical devices having a propagation region.
[0088]
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the
[0089]
Therefore, hereinafter, a case where a light absorber is provided in the input side optical
[0090]
First, steps required until a structure shown in FIG.
[0091]
First, the ferroelectric STO (SrTiO Three ) Is used as the
[0092]
In addition, it is conceivable to perform crystallization annealing in a lump after laminating the coating film instead of crystallization annealing for the coating film formed by spin coating as described above. This is not preferable because cracks may occur in the coated film due to crystallization annealing.
[0093]
The film forming method as described above is usually called a sol-gel method, but in some cases, it may also be called a chemical solution deposition method (CSD method: Chemical Solution Deposition method) or a coating pyrolysis method.
[0094]
Subsequently, a wavelength of 165 nm and an energy density of 200 W / cm are passed through a window of a metal mask (not shown) such as chromium with respect to the
[0095]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0096]
First, a PZT film is formed on the upper clad
[0097]
Further, using a method similar to that for the upper clad
[0098]
As a result, a
[0099]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0100]
First, on the lower
[0101]
Subsequently, as shown in FIG. 7B, a black resin material in which carbon is dispersed is filled into the
[0102]
If the
[0103]
Further, when the
[0104]
As described above, the basic structure of the optical deflection element according to this embodiment is completed. In this optical deflection element,
[0105]
According to the above-described embodiment, the
[0106]
Since the optical signal propagates through the
[0107]
Further, when the
[0108]
According to the investigation results of the present inventors, when the thickness of the
[0109]
Such an advantage can also be obtained when the
[0110]
On the other hand, in
[0111]
In addition, Patent Document 2 is different from the present invention in which a thermal history is added to the waveguide layer because the waveguide layer is not formed on the substrate.
[0112]
By the way, although the usage method of the above-mentioned optical deflection element is not particularly limited, it is preferable to use it for the optical switch described in the first embodiment. The optical switch is manufactured by the same manufacturing method as in the first embodiment, and the plan view thereof is as shown in FIG.
[0113]
In such an optical switch, the light deflection elements of this embodiment are used for the input side light
[0114]
In addition, in the
[0115]
The features of the present invention are added below.
[0116]
(Appendix 1) A plurality of slab type optical waveguides having end faces for entering and exiting a plurality of optical signals, and a plurality of optical signals formed on the boundary surface of the slab type optical waveguide with respect to another medium having a different refractive index corresponding to each optical signal. In a two-dimensional lens array having a lens curved surface of
2. A two-dimensional lens array, wherein light absorbers are disposed on both sides of a propagation area of each optical signal between the input / output end face and each lens curved surface.
[0117]
(Supplementary note 2) The two-dimensional lens array according to
[0118]
(Additional remark 3) The said light absorber is arrange | positioned in the area | region in the said slab type | mold optical waveguide away from the said end surface for entrance / exit, The two-dimensional lens array of
[0119]
(Supplementary note 4) The two-dimensional lens array according to
[0120]
(Supplementary note 5) The two-dimensional lens array according to
[0121]
(Additional remark 6) When each optical signal which propagated through the said slab type | mold optical waveguide is said to each said lens curved surface, when the optical signal is incident by the light-incidence side waveguide or the optical fiber from the end surface for said entrance / exit, The two-dimensional lens array according to appendix 11, wherein the two-dimensional lens array is formed into a shape that passes through the lens curved surface and is converted into parallel light.
[0122]
(Supplementary note 7) The distance between the light absorbers across the propagation area of the optical signal depends on the width of the light incident side waveguide or optical fiber and the width of the parallel light required after passing through the lens curved surface. The two-dimensional lens array according to appendix 6, wherein the two-dimensional lens array is set as follows.
[0123]
(Appendix 8) In an optical switch that switches the propagation path of an optical signal,
A plurality of light incident side waveguides for receiving an optical signal input from the outside;
A plurality of light exit waveguides for outputting optical signals to the outside;
A plurality of collimating lenses that individually collimate the optical signals that have passed through the light incident side waveguides;
A first light absorber disposed on both sides of a propagation area of an optical signal from each light incident side waveguide to each corresponding collimating lens;
A plurality of input side optical deflection elements that individually switch the propagation direction of the optical signal that has passed through each of the collimating lenses;
A common optical waveguide through which the optical signals that have passed through the optical deflection elements propagate in common;
A plurality of output-side optical deflection elements that individually switch the propagation direction of the optical signal that has passed through the common optical waveguide;
A plurality of condensing lenses that individually image the optical signals that have passed through the respective light deflection elements on the respective light output side waveguides;
A second light absorber disposed on both sides of the propagation region of the optical signal from the respective condensing lens to the corresponding light output side waveguide;
An optical switch comprising:
[0124]
(Supplementary Note 9) The first light absorber is disposed in a region away from an end of the incident-side lens curved surface of the collimator lens in a direction in which the light incident-side waveguide is disposed, The second light absorber is disposed in a region away from the end of the curved surface of the lens on the exit side of the condenser lens in the direction in which the light exit side waveguide is disposed. The optical switch according to appendix 8.
[0125]
(Additional remark 10) In the optical switch which switches the propagation path of an optical signal,
A plurality of light incident side waveguides for receiving an optical signal input from the outside;
A plurality of light exit waveguides for outputting optical signals to the outside;
A plurality of collimating lenses that individually collimate the optical signals that have passed through the light incident side waveguides;
A plurality of input side optical deflection elements that individually switch the propagation direction of the optical signal that has passed through each of the collimating lenses;
A first light absorber disposed on both sides of an optical path of the optical signal passing through the input side optical deflection element;
A common optical waveguide through which the optical signals that have passed through the optical deflection elements propagate in common;
A plurality of output-side optical deflection elements that individually switch the propagation direction of the optical signal that has passed through the common optical waveguide;
A second light absorber disposed on both sides of the optical path of the optical signal passing through the output side optical deflection element;
A plurality of condensing lenses that individually image the optical signals that have passed through the respective light deflection elements on the respective light output side waveguides;
An optical switch comprising:
[0126]
(Additional remark 11) In the manufacturing method of the two-dimensional lens array which has a some two-dimensional lens which collimates or condenses the optical signal which propagates in a two-dimensional optical waveguide,
A uniform slab type optical waveguide having end faces for entering and exiting a plurality of optical signals is formed on a substrate,
The core layer and the clad layer of the slab type optical waveguide are removed to form a plurality of lens curved surfaces corresponding to each optical signal on the end surface, and the light between the input / output end surface and each lens curved surface The core layer and the cladding layer of the slab type optical waveguide are removed and filled on both sides of the signal propagation region and in a region away from the portion where the core layer and the grad layer are removed in the direction of the input and output end faces. Forming a hole,
Filling the filling hole with a resin having a light absorption property and solidifying the resin;
A method for manufacturing a two-dimensional lens array.
[0127]
(Supplementary Note 12) a substrate;
A waveguide layer formed on the substrate;
An electrode formed on an optical path of an optical signal passing through the waveguide layer on an upper surface of the waveguide layer;
A groove formed in the waveguide layer beside the optical path;
A light absorber filled in the groove;
An optical deflection element comprising:
[0128]
(Additional remark 13) The said groove | channel is provided in the both sides of the optical path of the said
[0129]
(Supplementary note 14) The light deflection element according to supplementary note 12, wherein the light absorber is made of a black resin in which carbon is dispersed.
[0130]
(Supplementary note 15) The optical deflection element according to supplementary note 12, wherein the waveguide layer includes a core layer made of a ferroelectric.
[0131]
(Additional remark 16) The said groove | channel is an optical deflection | deviation element of Additional remark 15 characterized by being formed through the said core layer.
[0132]
(Supplementary Note 17) A step of forming a waveguide layer on a substrate;
Forming a groove in the waveguide layer;
Forming an electrode on the waveguide layer next to the groove;
Filling the groove with a light absorber;
A method of manufacturing an optical deflection element comprising:
[0133]
(Additional remark 18) The said waveguide layer is formed by the sol-gel method or MOCVD method, The manufacturing method of the optical deflection | deviation element of Additional remark 17 characterized by the above-mentioned.
[0134]
(Additional remark 19) The said groove | channel is formed inside the end surface of the said optical waveguide layer, The manufacturing method of the optical deflection | deviation element of Additional remark 17 characterized by the above-mentioned.
[0135]
【The invention's effect】
As described above, according to the two-dimensional lens array of the present invention, for example, when an optical signal propagates in a slab optical waveguide with respect to a curved lens surface, both sides of the propagation region of the optical signal in the slab optical waveguide are provided. Since the light absorber is disposed, extra light that does not accurately enter the lens curved surface and scattered light from the end of the lens curved surface and the like are absorbed by the light absorber. For this reason, light is prevented from entering the adjacent lens curved surface, and the occurrence of crosstalk between adjacent channels is reduced. In addition, when an optical signal enters the slab type optical waveguide from the lens curved surface, excess light propagating outside the predetermined range of the emission end after passing through the lens curved surface is absorbed by the light absorber. Therefore, only necessary light is emitted from the emission side, and the quality of the propagating optical signal is improved.
[0136]
In the optical switch according to the present invention, the first light absorbers are disposed on both sides of the propagation region of the optical signal from each light incident side waveguide to each corresponding collimating lens, so that each collimating lens is accurately provided. Excess light that does not enter and scattered light from the end of the curved surface of the collimator lens are absorbed by the light absorber. For this reason, light is prevented from entering the adjacent lens curved surface, and the occurrence of crosstalk between adjacent channels is reduced. In addition, since the second light absorbers are disposed on both sides of the propagation region of the optical signal from each condenser lens to the corresponding light output side waveguide, an extra portion that does not accurately enter each light output side waveguide is provided. Light is absorbed in the light absorber. For this reason, only the necessary light is emitted from the light emission side waveguide, and the quality of the propagating optical signal is improved.
[0137]
Furthermore, according to the optical deflection element of the present invention, since the groove is provided in the waveguide layer and the groove is filled with the light absorber, the light absorber prevents stray light of the optical signal and reduces crosstalk. The quality of the optical signal can be improved.
[0138]
Moreover, by providing the groove in the waveguide layer in this way, the warp of the substrate caused by the heat at the time of producing the waveguide layer is absorbed by the light absorber, thereby improving the flatness of the waveguide layer. be able to.
[0139]
Accordingly, when such an optical deflecting element with good flatness is used as the input-side optical deflecting element of the optical switch described above, the optical deflecting element and the collimating lens can be accurately aligned, so that the optical signal Loss is reduced. Similarly, when this optical deflection element is used as an output side optical deflection element of an optical switch, alignment of the optical deflection element and the condenser lens is facilitated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a collimating unit and its periphery of a two-dimensional lens array according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of an optical switch including a two-dimensional lens array according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a collimating portion and its periphery of the two-dimensional lens array according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a condensing unit and its periphery of the two-dimensional lens array according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing an optical switch according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 6A and 6B are perspective views (No. 1) showing a method for manufacturing an optical deflection element according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 7A and 7B are perspective views (No. 2) showing the method of manufacturing the optical deflection element according to the second embodiment of the present invention. FIGS.
FIG. 8 is a plan view of an optical switch including an optical deflection element according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view showing a part of an optical switch according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
外部から光信号の入力を受ける複数の光入射側導波路と、
光信号を外部に出力する複数の光出射側導波路と、
前記各光入射側導波路を通過した光信号を個別にコリメートする複数のコリメートレンズと、
前記各コリメートレンズを通過した光信号の伝播方向を個別に切リ換え、それぞれ第1の光吸収体を介して配置された複数の入力側光偏向素子と、
前記各光偏向素子を通過した各光信号が共通に伝播する共通光導波路と、
前記共通光導波路を通過した光信号の伝播方向を個別に切り換え、それぞれ第2の光吸収体を介して配置された複数の出力側光偏向素子と、
前記各光偏向素子を通過した光信号を前記各光出射側導波路に個別に結像させる複数の集光レンズとを有し、
前記入力側光偏向素子と前記出力側光偏向素子はコア層を有し、
前記第1の光吸収体と前記第2の光吸収体が前記コア層を貫通することを特徴とする光スイッチ。In an optical switch that switches the propagation path of an optical signal,
A plurality of light incident side waveguides for receiving an optical signal input from the outside;
A plurality of light exit waveguides for outputting optical signals to the outside;
A plurality of collimating lenses that individually collimate the optical signals that have passed through the light incident side waveguides;
A plurality of input-side optical deflecting elements respectively disposed via first light absorbers, individually switching the propagation direction of the optical signal that has passed through each of the collimating lenses;
A common optical waveguide through which the optical signals that have passed through the optical deflection elements propagate in common;
Individually switching the propagation direction of the optical signal that has passed through the common optical waveguide, and a plurality of output-side optical deflection elements respectively disposed via the second light absorbers;
A plurality of condensing lenses that individually image the optical signals that have passed through the respective light deflection elements on the respective light output side waveguides ;
The input side optical deflection element and the output side optical deflection element have a core layer,
The optical switch, wherein the first light absorber and the second light absorber penetrate the core layer .
前記基板の上に形成された導波路層と、
前記導波路層上に形成された複数の電極と、
前記複数の電極の間の領域の前記導波路層に形成された溝と、
前記溝内に充填された光吸収体とを備え、
前記導波路層はコア層を有し、
前記光吸収体が前記コア層を貫通することを特徴とする光偏向素子。A substrate,
A waveguide layer formed on the substrate;
A plurality of electrodes formed on the waveguide layer;
A groove formed in the waveguide layer in a region between the plurality of electrodes;
A light absorber filled in the groove ,
The waveguide layer has a core layer;
The light deflection element, wherein the light absorber penetrates the core layer .
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