JPH05142487A

JPH05142487A - 自己保持型光スイツチ

Info

Publication number: JPH05142487A
Application number: JP30189891A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sato; 佐藤　　誠
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】自己保持機能を有し、低挿入損失、偏波無依
存、低クロストークで、かつ低電圧低電流駆動が可能で
あり、集積してマトリックス光スイッチを容易に実現す
ることができる小形の自己保持型光スイッチを提供する
ことにある。【構成】互いに交差した二つの光導波路１（Ａ，Ｃと
Ｂ，Ｄ）の交差部を横断して設けられた溝２に液体金属
３が注入されており、溝２の幅と異なる幅を有す溝が溝
２に接続され、溝２を挟んで両側に、液体金属３に上記
二つの溝を横断する方向に電流を流せる構造の１対の電
極４，５を有し、上記電流の方向に対して垂直に磁界を
印加する磁界印加部を有する自己保持型光スイッチであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光信号の切り替えに用い
る自己保持型光スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光信号の切り替えスイッチの種類は、大
別して自己保持型と非自己保持型に整理される。自己保
持型光スイッチは、対向する入力側、出力側の光導波路
の組み合わせを機械的に切り替える機能により実現され
る。例えば、従来利用されている自己保持型光スイッチ
は、光コネクタを機械的な方法で抜き差しして、光信号
の切り替えを行なっている。この方式では、切り替えに
機械的な動きを必要とするので、高速な切り替えはでき
ない。切り替えに必要な時間は速くても高々ミリ秒程度
である（小林、清水、渡辺、“光CATSシステムの概
要”、電子通信情報学会技術報告、CS89-17, pp.37-41,
(1989) ）。しかしながら、一たん切り替えてしまえ
ば、その状態を維持するために電圧を印加したり、電流
を流したりといった、外部からの働きかけを必要としな
い長所がある。また、光コネクタの差し換えを基本にす
るので、挿入損失が低い、偏波依存性がないといった特
長を持っている。このため、頻繁な切り替えを行なうこ
とがなく、切り替えにも高速性を要求しない伝送系にお
ける光ファイバ心線の切り替えに使用されている。しか
し、機械的な切り替えであるから、スイッチの構造を小
型にできない欠点がある。特に、加入者系伝送線路の光
ファイバ心線切り替え端子を従来の光スイッチで構成し
ようとすると、切り替え対象の心線が数百から数千と多
いので、装置は非現実的な大きさになる。

【０００３】一方、非自己保持型の光スイッチでは、２
本の光導波路を接近させて、その間の屈折率を電気的な
方法などで制御し、光導波路を結合器として機能させて
光信号の切り替えを実現している。例えば、ニオブ酸リ
チウム基板上に作成された光スイッチでは、光導波路は
チタン拡散により形成され、スイッチング動作は、電圧
印加によるニオブ酸リチウムの屈折率変化により行なっ
ている。この例では一つのスイッチ素子を数ミリの長さ
で作成できるので、１枚のニオブ酸リチウム基板上に多
数のスイッチ素子を作り込み、光導波路で互いに接続す
ることにより、マトリックス状のスイッチを作成するこ
とができる。したがって、大規模なマトリックス光スイ
ッチを小型に構成できる特長を有する。また、GHz を越
える高速スイッチングも可能である。しかし、光導波路
の損失が大きい、偏波依存性を持つといった欠点を有す
る。また、スイッチ素子が光結合器の構造を持っている
ので、クロストークが起こり易い欠点がある。報告され
ている特性として、８×８光スイッチで挿入損失が約７
dB、クロストークが約-15dBのマトリックス光スイッチ
が得られている（ S. Suzuki et al.,“Thirty-Two-Lin
e Optical Space −Devision Switching System ”, OF
C1987, WB4, p.146, (1987) 。非自己保持型であるの
で、スイッチ動作をさせるためには電圧を印加する必要
があるが、そのスイッチ電圧は40Ｖとかなり高く、動作
には特殊な駆動回路が必要であることも欠点である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、自己保持型
の分類に属する光スイッチであり、前述した従来の自己
保持型光スイッチと異なり、小形化が容易である新規な
光スイッチを提供することにある。また、非自己保持型
光スイッチと同等な小形化が可能でありながら、クロス
トークが大きい、偏波依存性がある、挿入損失が高い、
駆動電圧が高いといった欠点のない光スイッチを提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による自己保持型
光スイッチは、図１に示すように、互いに交差した二つ
の光導波路を１（A, CとB, D) の交差部を横断して設け
られた溝２に液体金属３が注入されており、溝２の幅と
異なる幅を有する溝が溝２に接続され、溝２を挟んで両
側に、液体金属３に上記二つの溝を横断する方向に電流
を流せる構造の１対の電極４，５を有し、上記電流の方
向に対して垂直に磁界を印加する磁界印加部（図には記
していない）を有する、という構成とする。

【０００６】

【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。実施例１図１に示す本発明の実施例１では、交差した光導波路
Ａ，ＣとＢ，Ｄの交差部に液体金属３を注入した溝２を
有する構造になっている。液体金属３が光導波路を遮ら
ない位置に存在するときは、導波路Ａから入射した光信
号は導波路Ｃに、導波路Ｂから入射した光信号は導波路
Ｄへ直線的に抜けるように、各導波路は配置されてい
る。さらに、液体金属３が導波路を遮る位置に存在する
ときは、導波路Ａから入射した光信号は、液体金属３の
表面で反射され、導波路Ｄへ抜けるように、各導波路は
配置されている。したがって、液体金属３が光導波路を
遮る位置に存在する場合と光導波路を遮らない位置に存
在する場合とで、この実施例のスイッチ動作は行なわれ
る。以下に、スイッチ動作に必要な光導波路を横切る溝
２内で液体金属３を移動させる原理と自己保持の原理と
を説明する。

【０００７】まず、液体金属を移動させる原理について
述べる。図２には図１に示す本発明の実施例１における
液体金属３を注入した溝２の横断面を示す。本発明はこ
の溝２の両側に対向した１対の電極４，５を有してお
り、この電極４，５から溝内の液体金属３に溝２を横断
する方向に電流を流すことができる。さらに、この電流
に対して垂直に磁場を印加する構造になっている。磁場
印加部は図示していないが、永久磁石を光導波路１を形
成してある基板の下部もしくは上部、または両方に配置
することにより、所要の磁場を印加する構造を容易に達
成できる。さて、磁場内の電流にはローレンツ力が働く
ので、この実施例では左方向の電流ｉと上方向の磁場の
大きさＢに対して、液体金属３には溝の長手方向（図２
の紙面に対して表から裏の方向）に沿って力が働く。そ
の力の大きさＦは、溝２の幅をｗとして、Ｆ＝ｉＢｗと
表わされる。流す電流の方向を逆にすれば、当然、液体
金属３に働く力の向きも逆になる。この電気によるロー
レンツ力で液体金属３を移動させるのである。ただし、
実際に移動させるには、液体金属３に働くほかの力、す
なわち、摩擦力（液体なので正確には粘性によるせん断
応力）、重力や表面張力に勝る大きさのローレンツ力を
発生させなくてはならない。移動させる対象は液体なの
で、高速に移動させない場合（この実施例においても高
速な動作は期待しない）には、摩擦力は無視できる。ま
た、対象となる液体金属の量がわずかであるので、重力
の影響は、ローレンツ力や表面張力に比較して無視でき
る程度に小さい。このことは、後ほど具体的数値を用い
て説明する。表面張力は、本発明の自己保持型光スイッ
チにおける自己保持の原理と関わるので、次に合わせて
説明する。

【０００８】本発明の重要な機能の一つとなる自己保持
の原理は、表面張力による圧力差を利用したもので、通
常、毛細管現象として知られている現象である。本発明
による自己保持型光スイッチの構成では、液体金属が注
入されている溝の少なくとも一方に、その溝よりも広い
幅を持つ溝が接続されている。このような幅の異なる溝
にまたがる位置に液体金属が存在すると、毛細管現象の
ため液体金属は幅の広い溝の方に移動する。幅の狭い溝
における液体の自由表面における表面張力による圧力
が、幅の広い溝における圧力よりも大きくなるためであ
る。この原理により、液体金属は幅の広い溝の方へ押し
込まれ、前記ローレンツ力により強制的に移動させない
限りは、移動しないという自己保持機能が実現される。
光スイッチの二つの状態、すなわち光導波路を遮るよう
に液体金属が位置する状態と遮らない状態は、光導波路
を横断する幅の狭い溝の両端に接続された幅の広い溝の
内容積に、幅の狭い溝の内容積分の差を与えることによ
り、液体金属が一方に保持されているときと、他方に保
持されているときとで実現される。幅の広い溝の内容積
に差を持たせるには、例えば図１の実施例１に示すよう
に、溝の幅、深さを同じにしたときは溝の長さに差を与
えることで容易に実現される。

【０００９】次に、前記のローレンツ力、表面張力、重
力についてそれらの大きさを数値を用いて比較し、前記
スイッチ動作が実現されることを示す。計算を簡単にす
るため、図３に示すように液体金属３は、円筒状のパイ
プ７に注入されており、このパイプ７を横断する方向に
対向して１対の電極、さらに磁界が印加されているとす
る。パイプが溝になっても幅（パイプでは直径）の大小
が圧力に与える効果は同であるので、以下、この図３に
いて説明する。

【００１０】パイプ７の狭い部分の半径をｒ₁、広い部
分の半径をｒ₂、磁界強度をＢ、電流をｉとし、液体金
属３はパイプ径の異なる部分にまたがって位置している
とする。電流をパイプ径の細い部分にある液体金属に流
すと、それにより発生する圧力Ρ_Lは、ローレンツ力を
パイプ断面積で割れば得られるので、Ｐ_L＝２ｉＢｒ ₁
／πｒ₁ ²＝２ｉＢ／πｒ₁となる。一方、表面張力によ
る圧力は次のように表わされる。液体金属は光導波路を
作成する基板のような誘電体を濡らさない、すなわち濡
れ角がほぼ 180度である。したがって、パイプ内におけ
る液体金属の表面は半球状と見なされる。表面張力σの
液体が半径ｒの球状液滴であるとき、内部圧力は外部圧
力に対して２σ／ｒ高くなる。半径ｒ₁の部分と半径ｒ
₂の部分に位置する表面では、半球形状の半径が異なる
ので、細い半径ｒ₁のパイプ内の液体金属の圧力が、太
い半径ｒ₂のパイプ内の液体金属の圧力よりΔＰほど高
くなる。その圧力差は、ΔＰ＝２σ（ｒ₁ ^-1−ｒ₂ ^-1）
である。例えば、ｒ₁＝５μm 、ｒ₂＝10μm 、液体
金属３として水銀を用いるとして表面張力をσ＝482 dy
n/cmとする。このとき圧力差は、ΔＰ＝9.6 ×10⁴N/m²
になる。一方、ローレンツ力により発生する圧力は、電
流ｉ＝１mA、印加磁場Ｂ＝100 Oeの場合、Ｐ_L＝1.0 ×
10⁶N/m²になる。前記のｒ₁，ｒ₂の値は、光導波路の
寸法が高々10μm であることからわかるように、溝の幅
の寸法として見なしたとき現実的な値である。また、電
流値も実用上何ら問題のない低い値である。磁場の値も
比較的低い値であり、特殊な永久磁石を用いなくても十
分に得られる。前記、計算から得られた値を比較してわ
かるように、電気的に発生した圧力は、表面張力から発
生する自己保持のための圧力に対して、桁違いに大き
い。すなわち、電気的にスイッチ動作を行なうことがで
きる。このような状況は、パイプを溝に替えても変わら
ない。なぜなら、溝はパイプの断面を楕円状に延ばした
極限と見なされるからである。当然ながら、単に開放に
なっている溝では、毛細管現象により液体金属は溝から
漏れ出てしまう。このため、図１、図２に示す実施例で
は、溝の開放部の幅を狭くして、表面張力により液体金
属が漏れない構造になっている。

【００１１】動作原理の説明として、最後に重力の寄与
は無視できることについて説明する。前記説明に用いた
図３のパイプに詰められた液体金属について、重力の効
果を見積ることにする。例えば、パイプの太い部分に１
mmの長さで液体金属として水銀が詰まっているとする。
水銀の比重は、ρ＝13.5 g/cm³であるので、この水銀に
かかる重力は、重力加速度をｇ＝9.8 m/s²として、πｒ
₂ ²ρg ＝4.2 ×10^-5N である。この重力が細いパイプ
の方向にかかるとして、重力による圧力は、Ρ _G＝ｒ₂
²ρg ／ｒ₁ ²＝5.3 ×10²N/m²となる。この値は前記
表面張力による圧力に比較して２桁以下と低い。このよ
うに重力の影響は、本発明におけるスイッチ動作を行な
うためのローレンツ力、自己保持機能を与える表面張力
に比べて無視することができる。

【００１２】以上、説明したような原理により、本発明
の自己保持型光スイッチの動作が実現される。次に本発
明の自己保持型光スイッチが可能とする優れた特長、す
なわち、低クロストークであること、低挿入損失である
こと、偏波依存性がないこと、集積による大規模マトリ
ックス構成が可能なことについて説明する。

【００１３】初めに、クロストークについて述べる。本
発明の光スイッチでは溝に注入された液体金属による金
属鏡による反射と、溝を介しての透過の二つの状態を切
り替えることにより、光信号のスイッチングを行なう。
従来の光導波路を用いた光スイッチでは、屈折率差によ
る全反射を利用していたので、入射導波路と出射導波路
のなす角度は低角度にせざるを得なかったので、スイッ
チが透過状態にあるとき、二つの入射光信号のなす角度
が低角度になって、クロストークが発生し易い構造にな
っていた。一方、本発明では金属鏡を用いた反射を利用
しているので、例えば、実施例１に示したような、90度
を越えるような高角度な反射が可能であるので、透過状
態における二つの光信号が90度を越える高角度で交差す
る構造を実現できる。このため、低クロストークの光ス
イッチを提供することができる。

【００１４】次に、挿入損失について述べる。問題は二
つあり、一つは光導波路の損失、他の一つは光スイッチ
部の溝におけるフレネル反射である。まず、光導波路の
損失について説明する。従来の電気的に直接制御可能な
光スイッチでは、基板に電界で誘電率が変化するなどの
特殊な材料が用いられていた。このため、低損失な光導
波路を作成することは困難であった。一方、本発明の光
スイッチは光導波路の材料やその基板材料に何ら制約を
与えない。したがって、低損失な石英系光導波路を用い
ることが可能であり、導波路部分の挿入損失を低くする
ことができる。

【００１５】他の一つの問題である溝でのフレネル反射
について説明する。クローストークの項で説明したよう
に、本発明の光スイッチでは溝と光導波路のなす角度を
大きく設定できるので、溝との境界で生じるフレネル反
射の量は基本的に少ない。しかし、光スイッチを複数接
続したマトリックス光スイッチをを構成した場合、Ｎ×
Ｎの規模のとき、最悪 2(N-1) 回スイッチを通過するこ
とが起こりうる。このため、わずかなフレネル反射によ
る光信号の減衰も 2(N-1) 倍に拡大される。したがっ
て、フレネル反射を極力低減する必要がある。その方法
を二つ説明する。

【００１６】一つは、光スイッチ全体、または液体金属
が注入された溝の部分を、光導波路と同じ屈折率を有す
る液体、すなわちマッチングオイルに浸し、液体金属が
占有していない溝の部分を、このマッチングオイルに占
有させることにより実現される。マッチングオイルによ
り境界の屈折率差が低減されフレネル反射は低減され
る。マッチングオイルと基板材料である誘電体とは濡れ
性がよく、すなわち、濡れ角が小さいので、前記表面張
力による自己保持の効果は確保される。表面張力の値も
桁違いに変化することはないので、マッチングオイルが
空間を満たしても本発明の光スイッチの機能はなんら損
なわれることはない。

【００１７】他の一つの方法は、透過光信号に対して溝
部の対向した境界面間の距離を無反射干渉条件を満足す
るよう設定することにより実現できる。

【００１８】図４に光スイッチ部の幾何光学的関係を示
す。交差する光導波路のなす角度をθ＝30度 (二つの光
信号のなす角度は 150度) 、光導波路の幅を10μm 、光
導波路の屈折率をｎ＝1.5、信号波長λ＝1.3 μm のと
き無反射干渉条件を満たす溝の幅ｗは、次の関係式より
与えられる。｜2 ndtan θ′sin θ−ｎ_OW ／cos θ′｜＝ mλ ここで、θ′＝sin ^-1(n/n_Osin θ), ｎ_O＝１，m は
整数である。具体的な数値を求めると、例えばｍ＝３の
とき、溝２の幅は、ｗ＝5.15μm である。また、入射側
と出射側の光導波路の中心軸の平行移動量ｙは、ｙ＝ｗ
sin(θ′- θ)/cos θ′と与えられるので、この場合は
ｙ＝0.76μm になる。これらの値は、光導波路や溝を作
成する際に何ら困難を生じる値ではない。このような無
反射干渉条件を満足する構造に設定することにより、溝
部におけるフレネル反射による信号の減衰を低減するこ
とができる。以上のような方法を利用できるので、本発
明の光スイッチは挿入損失の低い光スイッチを提供でき
る。

【００１９】また、偏波依存性がないことは、金属鏡に
よる反射を利用したスイッチであることから明らかであ
る。厳密に議論すれば入射光線、出射光線を含む平面に
平行な偏波成分と垂直な偏波成分とでは反射率が異なる
が、実用上問題にならない。特に、実施例１に示すよう
な高角度の反射を利用する構造の場合は、偏波依存性は
ほとんどない。

【００２０】実施例２最後に、本発明の光スイッチを集積してマトリックス光
スイッチを構成した実施例２について述べる。図５は図
１の実施例１に示した単一の光スイッチを16個集積し
て、４×４のマトリックス光スイッチを構成した実施例
である。マトリックス光スイッチには、図２の溝の断面
図に示す行電極４、列電極５を同一行、同一列で接続し
た、図５に示すような行電極端子15、列電極端子16が設
けられている。駆動させるときのみ、そのスイッチの
行、列に対応する行、列電極端子を選択して、その電極
間に必要な向きの電流を流す。このようにして任意のス
イッチを選択して駆動できる。図５に示す実施例では四
つの入力部（光信号入力導波路13) に入射した四つの光
信号を、四つの出力部（光信号出力導波路14) に任意の
順序で１対１に対応して出力させることができる。図の
各スイッチを図に示すように行と列の番号で（行，列）
として表わすことにし、スイッチが反射状態にあるとき
をオン、透過状態にあるときをオフとする。対角線上に
位置するスイッチ、すなわち (1,1), (2,2), (3,3),
(4,4) をオンにし、その他をオフとすれば、行１の信号
は列１に、行２の信号は列２に、行３の信号は列３に、
行４の信号は列４に出力される。この状態から、列１の
信号と列３の信号を入れ替えて出力させるには、 (1,
1),(3,3) をオフにして、(1,3), (3,1)をオンすること
により実現される。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の自己保持型
光スイッチは、自己保持機能を有し、低挿入損失、偏波
無依存、低クロストークであり、低電圧低電流駆動可能
な小形の自己保持型光スイッチを提供するものである。
さらに、本発明の自己保持型光スイッチは、集積してマ
トリックス光スイッチを実現することが容易である特長
を持つ。本発明の自己保持型光スイッチは、自己保持型
であるので、切り替えを行なうとき以外は駆動電力を必
要としないので、光伝送システムにおける光ファイバ心
線切り替え端子に適用すれば、任意な切り替えを可能と
する光ファイバ心線の選択機能を付与することができ、
切り替えに伴う作業の大幅な削減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による自己保持型光スイッチの実施例１
の構成を示す斜視図である。

【図２】図１に示す本発明の実施例１における液体金属
を注入した溝の横断面を示す図である。

【図３】本発明の自己保持機能を発生させる表面張力に
よる効果を説明する図である。

【図４】溝部におけるフレネル反射を低減するための無
反射干渉条件を説明するための幾何光学的関係を示す図
である。

【図５】図１に示す本発明の実施例１の単一スイッチを
16個集積した本発明の４×４マトリックス光スイッチの
実施例２の構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１光導波路２溝３液体金属４行電極５列電極６基板７パイプ８入射光線９フレネル反射により反射する光線 10 透過光線 11 溝に液体金属が満たされているとき入射光線が反射
される方向 12 単一の光スイッチ 13 光信号入力導波路 14 光信号出力導波路 15 行電極端子 16 列電極端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに交差した二つの光導波路の交差部
を横断して設けられた溝に液体金属が注入されており、
該溝の幅と異なる幅を有する溝が該溝の少なくとも片方
に接続されており、該溝を挟んで両側に、上記液体金属
に上記二つの溝を横断する方向に電流を流せる構造の１
対の電極を有し、上記電流の方向に対して垂直に磁界を
印加する磁界印加部を有することを特徴とする自己保持
型光スイッチ。