JP5016951B2

JP5016951B2 - 光スイッチ及びその製造方法

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Publication number: JP5016951B2
Application number: JP2007054064A
Authority: JP
Inventors: 克己中津原; 隆清中神; 豊和佐々木; 宏樹佐藤
Original assignee: 克己中津原
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-03-05
Also published as: JP2008216640A

Description

本発明は、導波路型の光スイッチ及びその製造方法に関する。特に本発明は、従来と比較して応答速度が速い光スイッチ及びその製造方法に関する。

光通信ネットワークにおいて、光の経路を切り替える光スイッチが必須である。このような光スイッチの一例として、導波路型の光スイッチがある（例えば特許文献１参照）。導波路型の光スイッチは、低損失、高速切替、及び小型化が可能といった特徴を有している。

特開平閉８−５４６５２号公報

波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークにおいて、複数の波長それぞれの光の経路を一括して切り替える光スイッチが必須である。本発明の目的は、複数の波長それぞれの光の経路を一括して切り替えることも可能である、新たな構造の導波路型の光スイッチ及びその製造方法を提供することを目的とする

上記課題を解決するため、本発明に係る光スイッチは、入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第２の分岐光を伝達し、かつ前記第１の導波路との長さの差を前記入力光の位相に換算した場合に該位相が２πの整数倍である第２の導波路と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に形成された強誘電性液晶層と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する複数の電極であって、前記第１の導波路の延伸方向に沿って配置された前記複数の電極と、
前記第２の導波路の一部であり、前記第１領域との長さの差を前記入力光の位相に換算した場合に該位相が２πの整数倍である第２領域を被覆するクラッド層と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第６の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
を具備し、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
前記クラッド層の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の下限値以上上限値以下であり、
前記第１領域の屈折率の下限値から上限値の間のいずれかの値と前記第２領域の屈折率との差と、前記第１領域の光路長との積を、前記入力光の位相に換算した場合、該位相がπの奇数倍である。

本発明に係る他の光スイッチは、複数の波長を有する入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第２の分岐光を伝達する第２の導波路と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に形成された強誘電性液晶層と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する電極と、
前記電極が前記強誘電性液晶層に印加する電圧を制御する電圧制御部と、
前記第２の導波路の一部である第２領域を被覆するクラッド層と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第６の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
を具備し、
前記第１の導波路と前記第２の導波路の長さの差を前記入力光の複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれが２πの整数倍であり、
前記第１領域と前記第２領域の長さの差を前記入力光の複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれが２πの整数倍であり、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
前記電圧制御部の制御によって前記強誘電性液晶層に第１の電圧が印加されている場合の前記強誘電性液晶層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率に一致し、
前記電圧制御部の制御によって前記強誘電性液晶層に第２の電圧が印加されている場合の前記第１領域の屈折率と前記第２領域の屈折率との差と、前記第１領域の光路長との積を、前記入力光の複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれがπの奇数倍である。

本発明に係る光スイッチの製造方法は、下地膜上に光を透過する透光膜を形成する工程と、
前記透光膜を選択的に除去することにより、前記下地膜上に位置する第１の導波路及び第２の導波路を形成する工程と、
前記第２の導波路の一部であり、第２領域を被覆するクラッド層を形成する工程と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に強誘電性液晶層を形成する工程と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する複数の電極であって、前記第１の導波路の延伸方向に沿って配置された前記複数の電極を形成する工程と、
を具備し、
前記第１及び第２の導波路を形成する工程において、前記第１の導波路のうち、前記強誘電性液晶層が形成された部分の前及び後それぞれで前記第２の導波路に近接させることにより、前記強誘電性液晶層が形成された部分の前に位置する第１の方向性結合器及び後に位置する第２の方向性結合器を形成し、
前記第１及び第２の方向性結合器の間に位置する前記第１の導波路の長さと、前記第１及び第２の方向性結合器の間に位置する前記第２の導波路の長さとの差を、前記第１の方向性結合器に入力される入力光の位相に換算した場合、該位相が２πの整数倍であり、
前記第１領域と前記第２領域の長さの差を前記入力光の位相に換算した場合、該位相が２πの整数倍であり、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の方向性結合器によって前記第１の導波路に分岐された分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
前記クラッド層の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の下限値以上上限値以下であり、
前記第１領域の光路長と、前記第１領域の屈折率の下限値から上限値の間のいずれかの値と前記第２領域の屈折率との差との積を前記入力光の位相に換算した場合に該位相がπの奇数倍となるように、前記第１領域の光路長を定める。

本発明によれば、新たな構造の導波路型の光スイッチ及びその製造方法を提供できる。また、複数の波長それぞれの光の経路を一括して切り替えることも可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの構成を説明する為の概略図である。この光スイッチにおいて、第１の方向性結合器１０が有する２つの出力ポートと、第２の方向性結合器４０が有する２つの入力ポートが、第１の導波路２０及び第２の導波路３０を用いて接続されている。第１の導波路２０及び第２の導波路３０は、長さが互いに略同一である。第１の方向性結合器１０の入力ポート１，２は光スイッチの入力ポートとして機能し、第２の方向性結合器４０の出力ポート３，４は光スイッチの出力ポートとして機能する。なお、第１の導波路２０及び第２の導波路３０は、例えば不純物が導入されていて導電性を有する半導体膜によって形成されている。

第１の導波路２０の一部である第１領域上には強誘電性液晶２２が配置されている。強誘電性液晶２２は、強誘電性液晶２２上に設けられた上部電極２４と第１の導波路２０の間に印加される電圧によって、配向方向が制御される。強誘電性液晶２２の配向方向を制御する電圧は、電圧制御部５０によって制御されている。

入力ポート１には、例えば波長λ_１の光ａと、波長λ_２の光ｂが入力される。第１の方向性結合器１０を通過する際に、光ａ，ｂは第１の導波路２０及び第２の導波路３０にそれぞれ分岐する。分岐した光の強度は略同じであるが、これらの間には位相差π／２が生じる。

第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さは互いに同じである為、第１の導波路２０を通過する光ａ,ｂと第２の導波路３０を通過する光ａ、ｂの間の位相差は変化しない。

また、強誘電性液晶２２の配向方向が変化すると、詳細を後述するように、強誘電性液晶２２の屈折率が変化し、この屈折率の変化に起因して、第１の導波路２０のうち、強誘電性液晶２２の下方に位置する第１領域の屈折率が変化する。このため、強誘電性液晶２２の配向方向が変化すると、第１の導波路２０から出力される光の位相が変化する。この位相の変化量は、後述するように強誘電液晶２２の配向量を変えることによって制御することができる。

また、第２の導波路２０の一部である第２領域はクラッド層３２で被覆されている。クラッド層３２を構成する物質は、屈折率が、強誘電性液晶２２の屈折率の下限値（すなわち後述する常光屈折率ｎ_ｏ）以上上限値（すなわち後述する異常光屈折率ｎ_ｅ）以下である。この物質は、例えばＡｌ_２Ｏ_３（屈折率＝１．６５）であるが、強誘電性液晶２２の異常光屈折率ｎ_ｅ超の屈折率を有する物質（例えばＴｉＯ_２（屈折率＝〜２．４）、ＨｆＯ_２（屈折率＝１．９８）又はＴａ_２Ｏ_５（屈折率＝２．１））と、強誘電性液晶２２の常光屈折率ｎ_ｏ未満の屈折率を有する物質（例えばＳｉＯ_２（屈折率＝１．４８）又はＳｒＦ_２（屈折率＝１．４４））を混合した物質であっても良い。後者の場合、混合比を変更することにより、クラッド層３２の屈折率に自由度を持たせることができる。

第２領域の長さは第１領域の長さと略同じである。第１領域の長さ（すなわち光路長）は、該長さと、第１領域の屈折率の下限値から上限値までの間のいずれかの値と第２領域の屈折率との差の積を入力光の位相に換算した場合、該位相がπの奇数倍となるようにする。入力光が複数の波長を有する場合（例えば光ａ，ｂを有する場合）、上記した光路長は、上記した積を複数の波長それぞれの位相に換算した場合、該位相それぞれがπの奇数倍となるようにする。

第１の導波路２０を通過した光ａ，ｂ、及び第２の導波路３０を通過した光ａ，ｂは、第２の方向性結合器４０でそれぞれ出力ポート３，４に略同じ強度に分岐される。分岐後の光が出力ポート３，４で合成されることにより、出力ポート３，４から出力される光が定まる。

出力ポート３，４のいずれから光ａ，ｂが出力されるかは、上記した光の位相差の合計によって定まる。光の位相差の合計は、強誘電性液晶２２の配向方向によって変化する。このため、詳細を後述するように、強誘電性液晶２２の配向方向を制御することにより、出力ポート３，４のいずれから光ａ，ｂが出力されるかを制御することができる。例えば、強誘電性液晶２２の屈折率をクラッド層３２の屈折率に一致させた場合、入力光は出力ポート４から出力する。また強誘電性液晶２２の屈折率をクラッド層３２の屈折率とは異ならせることにより、第１領域の屈折率と第２領域の屈折率との差の積を光ａ，ｂそれぞれの位相に換算した場合に該２つの位相がともにπの奇数倍となるようにした場合、光ａ，ｂは出力ポート３から出力される。この理由は後述する。

図２のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路を透過している光のうちＴＥ基本モードの強度分布を示すシミュレーション結果を示している。本シミュレーションにおいて、導波路はＳｉ（厚さは０．５μｍ）で形成されており、下地膜はＳｉＯ_２（厚さは∞）で形成されている。強誘電性液晶は、等価屈折率が１．６１５、厚さが∞として扱われている。本グラフから、導波路から強誘電性液晶に光の一部が染み出ていることが分かる。強誘電性液晶の配向方向が変化すると、強誘電性液晶の等価屈折率（誘電率）が変化する。この等価屈折率の変化は、導波路から強誘電性液晶に染み出た光の伝搬に影響を与える。この結果、導波路の等価屈折率が変化する。

従って、電圧制御部５０が上部電極２４と第１の導波路２０の間の電圧を制御することにより、強誘電性液晶２２の配向方向を変化させ、強誘電性液晶２２の下方に位置する第１の導波路２０の等価屈折率を変化させることができる。

図３のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路の等価屈折率の変化Δｎが導波路の厚さによってどのように変化するかシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、導波路がＳｉで形成されており、下地膜がＳｉＯ_２で形成されており、かつ光の波長λ＝１５５０ｎｍとしている。本図に示すように、導波路の厚さが薄いほどΔｎが大きくなる。

図４のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路において、位相差πを得るために必要な導波路長が、導波路の厚さによってどのように変化するかを計算したグラフである。本グラフは、図３のグラフに示した結果を前提としている。本グラフに示すように、導波路の厚さが薄くなるにつれて、位相差πを得るために必要な導波路長が短くなる。

図５（Ａ）は、強誘電性液晶の屈折率と光の伝播方向すなわち導波路の延伸方向（Ｚ）の関係を示す図である（図５（Ｂ）参照）。本図に示すように、１軸光学結晶である液晶を屈折率楕円体で表現した場合、光の伝播方向に対する液晶の屈折率ｎ_ＬＣは、下記（１）式で表現できる。

ただし、θ＝導波路の延伸方向に対する強誘電性液晶分子の配向角度、ｎ_ｅ＝強誘電性液晶の異常光屈折率、ｎ_ｏ＝強誘電性液晶の常光屈折率である。

（１）式に示すように、強誘電性液晶分子の配向角度θをかえることにより、光の伝播方向に対する液晶の屈折率ｎ_ＬＣを、ｎ_ｏ以上ｎ_ｅ以下の範囲の任意の値（具体的にはクラッド層３２の屈折率と一致する値、及び図１において説明した光の位相差がπの奇数倍になるような値それぞれ）に調節することが可能である。

図６は、図５（Ａ）に示したｎ_ＬＣと強誘電性液晶分子の配向角度θの関係を計算した結果を示すグラフである。本グラフにおいて、ｎ_ｅ＝１．６９、ｎ_ｏ＝１．５５とした。この場合、Ａｌ_２Ｏ_３（屈折率＝１．６５）をクラッド層３２の材料として用いることができ、配向角度θを３４．５にすることで、強誘電性液晶層２２の屈折率をクラッド層３２の屈折率に一致させることができる。

図７の各図は、強誘電性液晶２２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図である。図７において、強誘電性液晶２２の配向方向は第１の方向と第２の方向のいずれかを取る。強誘電性液晶２２の配向方向が第１の方向である場合、強誘電性液晶層２２の屈折率は、クラッド層３２の屈折率に一致する。強誘電性液晶２２の配向方向が第２の方向である場合、第１の導波路２０の第１領域の屈折率と第２の導波路３０の第２領域の屈折率との差と、第２領域の光路長の積を光ａ，ｂそれぞれの位相に換算した場合、該２つの位相がともにπの奇数倍となる。このような状態は、上記したように、強誘電性液晶２２の材料、クラッド層３２の材料、第１領域及び第２領域の長さ、及び第１の導波路２０及び第２の導波路３０の厚さを調節することにより実現できる。

図７（Ａ）は、強誘電性液晶２２が第１の方向に配向している場合を示している。第１の方向性結合器１０を通過すると、光ａ，ｂは第１の導波路２０及び第２の導波路３０に同じ強度に分岐されるが、第２の導波路３０に分岐された光ａ，ｂは、それぞれ第１の導波路２０に分岐された光に対してπ／２ほど位相が遅れる。

その後、光ａ，ｂは強誘電性液晶２２，３２の下方を通り、第２の方向性結合器４０に入力される。第１の導波路２０を伝送した光ａと第２の導波路３０を伝送した光ａの間には更なる位相差は生じず、また、第１の導波路２０を伝送した光ｂと第２の導波路３０を伝送した光ｂの間には更なる位相差は生じない。

そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａ，ｂが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａ，ｂが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａ，ｂは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａ，ｂに対してさらにπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａ，ｂは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａ，ｂに対してさらに位相がπ／２ほど位相が遅れる。

この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａ、ｂと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａ、ｂとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート３からは光ａ、ｂのいずれも出力されない。

これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａ，ｂと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａ，ｂとの間には位相差は生じない。このため、出力ポート４からは光ａ，ｂの双方が出力される。

図７（Ｂ）は、強誘電性液晶２２が第２の方向に配向している場合を示している。図７（Ａ）の場合と同様に、第１の方向性結合器１０によって光ａ，ｂは、略同じ強度で第１の導波路２０と第２の導波路３０に分岐される。そして、第２の導波路３０に分岐された光ａ，ｂは、それぞれ第１の導波路２０に分岐された光に対してπ／２ほど位相が遅れる。

そして、光ａ，ｂは強誘電性液晶２２，３２の下方を通る。この際に、第１の導波路２０に分岐された光ａ，ｂは、さらにπの奇数倍ほど位相が遅れる。

そして、図７（Ａ）の場合と同様に、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａ，ｂ、及び２の導波路３０によって伝送された光ａ，ｂが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａ，ｂは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａ，ｂに対してさらにπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａ，ｂは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａ，ｂに対して位相がさらにπ／２ほど位相が遅れる。

この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａ，ｂと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａ，ｂとの間には位相差は生じない。このため、出力ポート３からは光ａ，ｂの双方が出力される。

また、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａ，ｂと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａ，ｂとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート４からは光ａ，ｂのいずれも出力されない。

以上、本発明の第１の実施形態によれば、強誘電性液晶２２の配向方向を制御することにより、入力光の出力ポートを切り替えることができる。入力光が波長多重の場合は、複数の波長の出力ポートを一括して切り替えることができる。強誘電性液晶２２の応答時間はネマティック液晶よりも一桁以上速い１００μ秒程度である。従って、光スイッチの応答速度は従来と比較して速くなる。

また、強誘電性液晶は双安定性（自己保持性）を有しており、印加電圧を切った後にも配向方向が保持される。従って、本実施形態に係る光スイッチの消費電力は低い。

また、強誘電性液晶２２の等価屈折率変化は大きいため、第１の導波路２０の第１領域（強誘電性液晶２２の下方に位置する領域）の長さを短くしても、光スイッチの動作に必要な位相変化を得ることができる。従って、光スイッチを小型化することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチの構成を説明するための概略図である。本図に示す光スイッチは、強誘電性液晶２２上の電極２４が複数に分割され、これら複数の電極が第１の導波路２０の延伸方向に沿って直列に配置されている点を除いて、第１の実施形態と同様である。尚、電圧制御部５０は、複数の電極２４を互いに独立して制御することができる。
本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１の導波路２０を通る光と第２の導波路３０を通る光の位相差を細かく調節することができる。

図９及び図１０は、本発明の第３の実施形態に係る光スイッチの製造方法を説明する為の図である。各図において（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´断面図である。

まず、図９に示すように基板１００上に酸化シリコン膜１０２を形成し、さらに酸化シリコン膜１０２上に半導体膜１０４をＣＶＤ法により形成する。基板１００は、例えばシリコン基板である。半導体膜１０４は、例えば単結晶シリコン膜であるが、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、ＧａＡｓ系の半導体膜、又はＧａＩｎＡｓＰ系の半導体膜であっても良い。その後、半導体膜１０４に不純物を導入し、導電性を持たせる。不純物は、ｎ型の不純物及びｐ型の不純物のいずれであってもよい。

次いで、半導体膜１０４上にクロム膜２００を真空蒸着法により形成し、さらにクロム膜２００上にフォトレジスト膜２１０を塗布する。次いで、フォトレジスト膜２１０を露光及び現像する。これにより、フォトレジスト膜２１０には開口パターンが形成される。

次いで、フォトレジスト膜２１０をマスクとしてクロム膜２００をエッチングし、クロム膜２００に開口パターンを形成する。次いで、クロム膜２００をマスクとして半導体膜１０４をドライエッチングする。これにより、半導体膜１０４は選択的に除去され、導波路１１０，１２０が形成される。導波路１１０，１２０は、２箇所で近接しているが、他の部分では離間している。

導波路１１０，１２０のうち相互に近接している部分は、それぞれ方向性結合器１３２，１３４として機能するが、これら方向性結合器１３２，１３４は第１又は第２の実施形態における方向性結合器１０，４０に相当する。また、導波路１１０，１２０の一方の端部１１０ａ，１２０ａは第１又は第２の実施形態における入力ポート１，２に相当し、他方の端部１１０ｂ，１２０ｂは第１又は第２の実施形態における出力ポート３，４に相当する。また、導波路１１０，１２０のうち方向性結合器１３２，１３４の相互間に位置する部分は、第１又は第２の実施形態における第１の導波路２０及び第２の導波路３０に相当し、互いの長さは略同じである。

なお、半導体膜１０４は、下部電極として使用されるため、このドライエッチング工程において全面に薄く残される。

その後、図１０に示すようにクロム膜２００を除去する。次いで、導波路１１０，１２０上及び半導体膜１０４上にクラッド層１２４を(スパッタリング法により)形成する。クラッド層１２４の構成は、第１の実施形態におけるクラッド層３２の構成と同様である。次いでクラッド層１２４上に、開口パターンを有するマスク膜（図示せず）を形成し、このマスク膜をマスクとしてクラッド層１２４をエッチングする。これによりクラッド層１２４は、第２の導波路１２０上の一部分（第１又は第２の実施形態における第２領域に相当する部分）を除いて除去される。その後、マスク膜を除去する。次いで、クラッド層１２４上及び第１の導波路１１０上を含む全面上に酸化シリコン膜１４２を形成し、レジストパターンを用いたドライエッチングにより、導波路１１０上から酸化シリコン膜１４２を除去する。

次いで、基板１００の上方に、上部電極１５２及び配向膜１４６がこの順に積層された対向基板１６０を配置する。上部電極１５２は、第１の実施形態における上部電極２４に相当し、導波路１１０の一部の上方に位置する。尚上部電極１５２は全面に形成されていても良い。

このとき、配向膜１４６が導波路１１０，１２０と向き合うようにする。なお、基板１００と対向基板１６０の間隔は、スペーサー１４４ａによって維持されているが、この間隔は０．２μm以上２．０μm以下であるのが好ましい。また、上部電極１５２は、例えばＩＴＯ膜である。

次いで、基板１００と対向基板１６０の空間に強誘電性液晶１４４を注入する。強誘電性液晶１４４は、第１の実施形態における強誘電性液晶２２に相当する。このようにして光スイッチが形成される。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導波路１１０，１２０を、レジストパターンを用いたエッチングにより形成しているため、光スイッチの小型化及び高集積化を容易に行える。また、複数の光スイッチの相互間を接続する導波路の曲率を小さくすることができるため、高集積化に有利となる。

また、半導体膜１０４をエッチングすることにより導波路１１０，１２０を形成しているため、導波路１１０，１２０を形成する工程を、トランジスタ等の半導体素子を形成する工程の一部に含ませることができる。またこの場合、同一の基板１００上に光スイッチと半導体素子を形成することができるため、モノリシックな集積化が可能になる。

また、半導体膜１０４及び導波路１１０を下部電極として使用しており、かつ導波路１１０は直接強誘電性液晶１４４に接している。従って、導波路１１０と強誘電性液晶１４４の間に配向膜を配置する場合と比較して、導波路１１０の等価屈折率変化が大きくなり、光スイッチを高性能にすることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば第１の実施形態において、第１及び第２の方向性結合器１０，４０の代わりに多モード干渉結合器を用いても良い。また、基板１００はシリコン基板以外の半導体基板であってもよく、またガラス等他の材質で形成された基板であってもよい。

また、第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さは異なっていても良い。ただし、これら２つの導波路の長さの差を前記入力光の位相に換算した場合、該位相が２πの整数倍である必要がある。入力光が複数の波長を有する場合、第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さの差を複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、これら複数の位相は、それぞれ２πの整数倍である必要がある。

また、第１の導波路２０の第１領域と、第２の導波路３０の第２領域の長さも異なっていても良い。この場合においても、これら２つの領域の長さの差を前記入力光の位相に換算した場合、該位相が２πの整数倍である必要がある。入力光が複数の波長を有する場合、第１領域と第２領域の長さの差を複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、これら複数の位相は、それぞれ２πの整数倍である必要がある。

第１の実施形態に係る光スイッチの構成を説明する為の概略図。導波路を透過している光のうちＴＥ基本モードの強度分布を示すシミュレーション結果を示すグラフ。導波路の等価屈折率の変化Δｎが導波路の厚さによってどのように変化するかシミュレーションした結果を示すグラフ。位相差πを得るために必要な導波路長が、導波路の厚さによってどのように変化するかを計算したグラフ。（Ａ）は強誘電性液晶の屈折率と光の伝播方向すなわち導波路の延伸方向（Ｚ）の関係を示す図、（Ｂ）は強誘電性液晶の配向方向と光の伝播方向の位置関係を説明するための図。図５（Ａ）に示したｎ_ＬＣと強誘電性液晶分子の配向角度θの関係を計算した結果を示すグラフ。強誘電性液晶２２，３２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図。第２の実施形態に係る光スイッチの構成を説明するための概略図。第３の実施形態に係る光スイッチの製造方法を説明する為の図。図９の次の工程を説明する為の図。

符号の説明

１，２…入力ポート、３，４…出力ポート、１０，２０，１１０，１２０…導波路、１０，４０，１３２，１３４…方向性結合器

Claims

入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第２の分岐光を伝達し、かつ前記第１の導波路との長さの差を前記入力光の位相に換算した場合に該位相が２πの整数倍である第２の導波路と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に形成された強誘電性液晶層と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する複数の電極であって、前記第１の導波路の延伸方向に沿って配置された前記複数の電極と、
前記第２の導波路の一部であり、前記第１領域との長さの差を前記入力光の位相に換算した場合に該位相が２πの整数倍である第２領域を被覆するクラッド層と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第６の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
を具備し、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
前記クラッド層の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の下限値以上上限値以下であり、
前記第１領域の屈折率の下限値から上限値の間のいずれかの値と前記第２領域の屈折率との差と、前記第１領域の光路長との積を、前記入力光の位相に換算した場合、該位相がπの奇数倍である光スイッチ。
複数の波長を有する入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第２の分岐光を伝達する第２の導波路と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に形成された強誘電性液晶層と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する電極と、
前記電極が前記強誘電性液晶層に印加する電圧を制御する電圧制御部と、
前記第２の導波路の一部である第２領域を被覆するクラッド層と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第６の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
を具備し、
前記第１の導波路と前記第２の導波路の長さの差を前記入力光の複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれが２πの整数倍であり、
前記第１領域と前記第２領域の長さの差を前記入力光の複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれが２πの整数倍であり、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
前記電圧制御部の制御によって前記強誘電性液晶層に第１の電圧が印加されている場合の前記強誘電性液晶層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率に一致し、
前記電圧制御部の制御によって前記強誘電性液晶層に第２の電圧が印加されている場合の前記第１領域の屈折率と前記第２領域の屈折率との差と、前記第１領域の光路長との積を、前記入力光の複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれがπの奇数倍である光スイッチ。
下地膜上に光を透過する透光膜を形成する工程と、
前記透光膜を選択的に除去することにより、前記下地膜上に位置する第１の導波路及び第２の導波路を形成する工程と、
前記第２の導波路の一部であり、第２領域を被覆するクラッド層を形成する工程と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に強誘電性液晶層を形成する工程と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する複数の電極であって、前記第１の導波路の延伸方向に沿って配置された前記複数の電極を形成する工程と、
を具備し、
前記第１及び第２の導波路を形成する工程において、前記第１の導波路のうち、前記強誘電性液晶層が形成された部分の前及び後それぞれで前記第２の導波路に近接させることにより、前記強誘電性液晶層が形成された部分の前に位置する第１の方向性結合器及び後に位置する第２の方向性結合器を形成し、
前記第１及び第２の方向性結合器の間に位置する前記第１の導波路の長さと、前記第１及び第２の方向性結合器の間に位置する前記第２の導波路の長さとの差を、前記第１の方向性結合器に入力される入力光の位相に換算した場合、該位相が２πの整数倍であり、
前記第１領域と前記第２領域の長さの差を前記入力光の位相に換算した場合、該位相が２πの整数倍であり、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の方向性結合器によって前記第１の導波路に分岐された分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
前記クラッド層の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の下限値以上上限値以下であり、
前記第１領域の光路長と、前記第１領域の屈折率の下限値から上限値の間のいずれかの値と前記第２領域の屈折率との差との積を前記入力光の位相に換算した場合に該位相がπの奇数倍となるように、前記第１領域の光路長を定める光スイッチの製造方法。
下地膜上に光を透過する透光膜を形成する工程と、
前記透光膜を選択的に除去することにより、前記下地膜上に位置する第１の導波路及び第２の導波路を形成する工程と、
前記第２の導波路の一部であり、第２領域を被覆するクラッド層を形成する工程と、
前記第１の導波路の一部である第１領域上に強誘電性液晶層を形成する工程と、
前記強誘電性液晶層に電圧を印加して、該強誘電性液晶層の配向方向を制御する電極を形成する工程と、
を具備し、
前記第１及び第２の導波路を形成する工程において、前記第１の導波路のうち、前記強誘電性液晶層が形成された部分の前及び後それぞれで前記第２の導波路に近接させることにより、前記強誘電性液晶層が形成された部分の前に位置する第１の方向性結合器及び後に位置する第２の方向性結合器を形成し、
前記第１及び第２の方向性結合器の間に位置する前記第１の導波路の長さと、前記第１及び第２の方向性結合器の間に位置する前記第２の導波路の長さとの差を、前記第１の方向性結合器に入力される入力光に含まれる複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれが２πの整数倍であり、
前記第１領域と前記第２領域の長さの差を前記入力光に含まれる複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれが２πの整数倍であり、
前記強誘電性液晶層の屈折率は該強誘電性液晶層の配向方向により変化し、
前記第１領域の屈折率は、前記強誘電性液晶層の屈折率の変化に起因して変化し、
前記第１の方向性結合器によって前記第１の導波路に分岐された分岐光の位相は、前記第１領域の屈折率の変化に起因して変化し、
電圧制御部の制御によって前記強誘電性液晶層に第１の電圧が印加されている場合の前記強誘電性液晶層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率に一致し、
前記電圧制御部の制御によって前記強誘電性液晶層に第２の電圧が印加されている場合の前記第１領域の屈折率と前記第２領域の屈折率との差と、前記第１領域の光路長との積を、前記入力光に含まれる複数の波長それぞれにおける位相に換算した場合、該位相それぞれがπの奇数倍となるように、前記第１の電圧、前記第２の電圧、及び前記第１領域の光路長を定める光スイッチの製造方法。