JPH07168214A

JPH07168214A - 光スイッチ

Info

Publication number: JPH07168214A
Application number: JP5311756A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Yokomachi; 之裕横町; Makoto Honshiyo; 誠本庶; Toru Iwashima; 徹岩島; Hideki Mizuno; 秀樹水野; Toru Yamanishi; 徹山西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1993-12-13
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】エネルギーを消費せずに光路の切り替え状態
を保持することのできる光スイッチを提供する。【構成】本発明の光スイッチは、エレクトロクロミッ
ク材料を成分として含むエレクトロクロミック材料層ま
たは光導波路を備える。エレクトロクロミック材料で
は、電圧の印加により酸化状態と還元状態の間を可逆的
に遷移するエレクトロクロミズムが生じる。このエレク
トロクロミズムを利用することにより２本の光導波路の
間の光路長差を調節することができるので、２本の光導
波路の一方に入力された光の出力導波路を２本の光導波
路のいずれかに切り替えることができる。エレクトロク
ロミック材料の酸化状態および還元状態は化学的に安定
なので、従来のようにエネルギーを供給し続けなくても
光路切り替え状態を保持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信システム等にお
いて信号光の光路を切り替える光スイッチに関するもの
で、特に、マッハツェンダ干渉計の少なくとも一方の光
路側に屈折率変化領域を設けたマッハツェンダ干渉計型
の光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムや光情報システム
などの実用化、及び、機能の拡大に伴い、信号光の伝送
路を任意に切り替えることのできる光学素子、すなわち
光スイッチの必要性が増大している。

【０００３】従来の光スイッチとしては、バルク型の光
スイッチが知られている。これは、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光スイッチであ
る。バルク型光スイッチには、波長依存性が少なく比較
的低損失であるという利点があるものの、組み立て調整
工程が煩雑なため大量生産に適さず、また高価格である
という欠点がある。このため、広く普及するに至ってい
ない。

【０００４】これに対し、量産に適した光スイッチとし
て導波路型の光スイッチが知られている。これは、平面
基板上の光導波路を基本構成としたもので、フォトリソ
グラフィや微細加工技術を利用して一括して大量に生産
される、いわゆる集積型の光スイッチである。この導波
路型光スイッチは、将来的に有望な光スイッチ形態とし
て期待されている。

【０００５】図１０は、従来の導波路型光スイッチの構
成例を示す断面平面図である。図１０に示されるよう
に、基板１上に形成された光導波路１０、２０は２か所
で互いに近接し、３ｄＢ光結合器として動作する２つの
方向性結合器７０、７１を接続した構造となっている。
光導波路１０、２０の一部分であって２つの近接箇所に
挟まれた光導波路１１、２１の近傍には屈折率変化領域
が設けられており、これは、信号光の位相シフタ６０、
６１として働く。光導波路１０と２０の光路長は、この
位相シフタ６０、６１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。

【０００６】入力ポート１０Ａから入力された信号光
は、位相シフタ６０、６１を動作させない状態では出力
ポート２０Ｂから出力され、出力ポート１０Ｂからは出
力されない。しかし、光導波路１０と２０の間に１８０
゜（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、位相シフタ６０、６１の少な
くとも一方を作動させると、信号光は出力ポート１０Ｂ
から出力されるようになる。こうして、光スイッチの光
路切り替え動作がなされる。

【０００７】この種の導波路型光スイッチは、マッハツ
ェンダ干渉計型光スイッチとも呼ばれ、比較的簡易な構
成の位相シフタにより光路切り替え動作を実現できる。
したがって、ガラスなど種々の材料からなる光導波路を
用いてマッハツェンダ干渉計型光スイッチを構成するこ
とが試みられている。

【０００８】位相シフタとしては、電気光学効果や音響
光学効果、熱光学効果等により光導波路の屈折率を変化
させるものが多く用いられている。例えば、熱光学効果
を用いたものとして、特開平２−２３２６３１に記載の
光スイッチがある。図１１は、この光スイッチの構成を
示したもので、光スイッチを光伝搬方向に垂直に切断し
た断面平面図である。

【０００９】図１１の光スイッチは、クラッド３０中に
埋め込まれたガラス導波路１０、２０上に、薄膜ヒータ
の位相シフタ６０、６１を配設したものである。この光
スイッチは、薄膜ヒータに流す電流を制御することで光
導波路の屈折率を変化させ、光路切り替え動作を実現す
るものである。電気光学効果や音響光学効果を利用した
光スイッチも、外部から供給されるエネルギーを制御す
ることで光路切り替え動作を実現する点では同じであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、電気光学効果
や音響光学効果、熱光学効果に基づく位相シフタを用い
た光スイッチでは、電流や電圧等、外部からのエネルギ
ー供給が途絶えると屈折率がエネルギー供給前の状態に
戻り、出力光の光路も切り替え前に戻ってしまう。その
ため、光路の切り替え状態を維持するためには、常時位
相シフタにエネルギーを供給し続ける必要がある。

【００１１】この様に、従来のマッハツェンダ干渉計型
光スイッチには、外部からエネルギーを供給し続けなく
とも光路の切り替え状態を保持できるという、いわゆる
自己保持機能が欠如しており、使用に際して不便であ
り、また、エネルギー消費が激しいという問題点があっ
た。

【００１２】本発明は上記問題点を解決するためなされ
たもので、自己保持機能を有し、そのためエネルギーを
消費せずに光路の切り替え状態を保持することのできる
マッハツェンダ干渉計型の光スイッチを提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の光スイッチは、基板上に光伝搬方向に沿っ
て形成され、２箇所で互いに近接する２本の光導波路
と、２本の光導波路の少なくとも一方に設けられ、当該
光導波路の一部分であって２つの近接箇所に挟まれる部
分に接し、エレクトロクロミック材料を成分として含む
エレクトロクロミック材料層と、エレクトロクロミック
材料層に接する２つの電極層と、少なくとも一方の前記
電極層と前記エレクトロクロミック材料層との間に形成
された電解質層とを備えている。

【００１４】ここで、エレクトロクロミック材料層は、
内部に光導波路が埋め込まれることによって光導波路に
接し、２つの電極層は、エレクトロクロミック材料層を
挟むように配置されてもよい。

【００１５】また、これとは別に、２本の光導波路は、
その上面が基板表面上に露出するように形成され、エレ
クトロクロミック材料層は、前記光導波路の前記基板表
面上に露出する上面に形成されることによって光導波路
に接してもよい。

【００１６】また、本発明の別の光スイッチは、上記の
目的を達成するため、基板上に光伝搬方向に沿って形成
され、２箇所で互いに近接し、この２つの近接箇所に挟
まれる部分の少なくとも一方がエレクトロクロミック材
料を成分として含む２本の光導波路と、エレクトロクロ
ミック材料を成分として含む部分に接する２つの電極層
と、少なくとも一方の電極層とエレクトロクロミック材
料を成分として含む部分との間に形成された電解質層と
を備えている。

【００１７】本発明の光スイッチにおいて、エレクトロ
クロミック材料は、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｖ
₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＮｉＯ、ＭｎＯ₂、Ｒｈ₂Ｏ₃及び
ＩｒＯ₂を含む群から選択される少なくとも一つの金属
酸化物であってもよい。また、電解質層は、ＬｉＣｌＯ
₄、ＲｂＡｇ₄Ｉ₅、ＺｒＯ₂、β−アルミナ、ゼオラ
イト、アンチモン酸、ＭｇＦ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｒｂ
Ｆ₂、ＬｉＦ、Ｃｒ₂Ｏ₃及び有機ゲルを含む群から選
択された少なくとも一つの固体電解質から形成されても
よい。

【００１８】

【作用】本発明の光スイッチは、エレクトロクロミック
材料を成分として含むエレクトロクロミック材料層また
は光導波路を備える。このエレクトロクロミック材料で
は、電圧の印加により酸化状態と還元状態の間を可逆的
に遷移するエレクトロクロミズムが生じる。このエレク
トロクロミズムによりエレクトロクロミック材料の屈折
率が変化するので、エレクトロクロミック材料を含む２
つの近接箇所に挟まれる部分またはその近傍の屈折率も
変化する。

【００１９】この屈折率変化を利用することにより２本
の光導波路の間の光路長差を調節することができるの
で、２つの近接箇所のうち出力ポート側の方で励起され
る偶および奇対称モードの干渉を制御すると、２本の光
導波路の一方に入力された光の出力導波路が２本の光導
波路のいずれかに切り替わる。

【００２０】エレクトロクロミック材料の酸化状態およ
び還元状態は化学的に安定なので、本発明の光スイッチ
は、従来のようにエネルギーを供給し続けなくても光路
切り替え状態を保持できる自己保持機能を発揮する。

【００２１】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明の実施
例を詳細に説明する。なお、図面の説明おいて同一の要
素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。ま
た、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致して
いない。

【００２２】図１〜３は本発明に係る光スイッチの一例
（実施例１）の構成を示した図である。ここで、図１は
全体斜視図であり、図２は、図１の光スイッチを基板面
に平行に切断した断面平面図であり、図３は、図１の光
スイッチを光伝搬方向に垂直に切断した断面平面図であ
る。これは、マッハツェンダ干渉計型光スイッチと呼ば
れるものである。

【００２３】実施例１の光スイッチは、図１に示される
ように、シリコン基板１の上面に透明材料層が形成され
たものである。この透明材料層は高屈折率のコア、すな
わち光導波路１０、２０と、このコアが埋め込まれ、コ
アより低屈折率のクラッド３０とからなる。

【００２４】光導波路１０、２０の組成はＴｉＯ₂が約
７４ｗｔ％、ＳｉＯ₂が約２６ｗｔ％であり、厚さは約
７μｍである。また、クラッド３０の組成はＴｉＯ₂が
約７３ｗｔ％、ＳｉＯ₂が約２７ｗｔ％であり、層厚は
約３０μｍである。

【００２５】クラッド３０の一部には、位相シフタ６０
が設けられている。この位相シフタ６０は積層構造をし
ており、エレクトロクロミック材料層３１、上部電極層
４０、下部電極層４１および電解質層５０からなる。な
お、位相シフタ６０の各層は、必ずしも透明でない。

【００２６】エレクトロクロミック材料層３１は層厚約
２７μｍを有し、エレクトロクロミック材料たる酸化タ
ングステン（ＷＯ₃）からなる。また、上部及び下部電
極層４０、４１は、ともにＩＴＯ（Ｓｎドープの酸化イ
ンジウム）からなり、層厚約０．１μｍを有する。ま
た、電解質層５０は固体電解質であるＴａ₂Ｏ₅からな
り、層厚約２μｍを有する。

【００２７】光導波路１０、２０の平面形状を説明する
と、図２に示されるように、光導波路１０、２０は光伝
搬方向に沿って並列的に形成され、２箇所で部分的に近
接する。このように配置された２つの光導波路１０、２
０は、マッハツェンダ干渉計を構成する。

【００２８】光導波路１０、２０を進行する信号光があ
ると、これらの信号光は両導波路１０と２０の近接箇所
にて結合する。したがって、実施例１の光スイッチは、
この近接箇所を結合部とする２つの方向性結合器７０と
７１を、光伝搬方向に沿って継続接続した構造であると
言える。

【００２９】方向性結合器７０と７１は、光導波路１０
または２０の一部分であって２つの結合部に挟まれた光
導波路１１、２１を共有するように接続されている。ま
た、方向性結合器７０、７１は、信号光波長において結
合率が５０％になるよう、その結合長が完全結合長の１
／２に設定されている。したがって、方向性結合器７
０、７１は、ともに３ｄＢ光結合器として動作する。ま
た、２つの結合部に挟まれた光導波路１１、２１は、互
いの光路長が等しくなるように形成されている。

【００３０】図１に示されるように、光導波路２０の一
部分であり２つの結合部に挟まれた光導波路２１は、エ
レクトロクロミック材料層３１中に埋め込まれている。
すなわち、エレクトロクロミック材料層３１は、光導波
路２１のクラッドとなっている。これに対し、光導波路
１０は、２つの結合部に挟まれた光導波路１１も含め
て、その全体がクラッド３０中に埋め込まれている。

【００３１】ここで、位相シフタ６０の構成を説明する
と、図３に示されるように、基板１の上面に下部電極層
４１が形成され、この下部電極層４１の上面にはエレク
トロクロミック材料層３１が積層されている。このエレ
クトロクロミック材料層３１には光導波路２０の一部分
である光導波路２１が埋め込まれている。エレクトロク
ロミック材料層３１の上面には電解質層５０が形成さ
れ、さらにこの電解質層５０の上面には上部電極層４０
が形成されている。なお、上部電極層４０の上面は、基
板１上に形成され光導波路１０が埋め込まれたクラッド
２０の上面とほぼ同一平面上にある。

【００３２】本発明の特徴は、マッハツェンダ干渉計型
光スイッチの少なくとも一方の光路側にエレクトロクロ
ミック材料層３１を含む位相シフタ６０を設けることに
より、光路の切り替えを行うことにある。

【００３３】エレクトロクロミック材料は、電圧が印加
されるとエレクトロクロミズムが生じる物質である。エ
レクトロクロミズムとは、電気化学的に引き起こされ、
色の可逆的変化を伴う現象である。詳しく説明すると、
エレクトロクロミック材料では、電圧印加の向きに応じ
て酸化あるいは還元反応が可逆的に起こり、材料の色調
に変化が生じる。また、同時に、屈折率の変化も生じ
る。これが、エレクトロクロミック材料のエレクトロク
ロミズムである。エレクトロクロミック材料の酸化状態
及び還元状態は化学的に安定であるので、エレクトロク
ロミック材料に電圧が印加されてなくても、酸化あるい
は還元状態が保持される。

【００３４】本発明の光スイッチは、このエレクトロク
ロミズムに基づいた屈折率変化を利用して光路を切り替
えるもので、電圧を印加しておかなくても光路の切り替
え状態を保持できる、いわゆる無電力自己保持機能を有
する。

【００３５】以下、図１の光スイッチ（実施例１）の作
用を説明する。

【００３６】まず、位相シフタ６０に電圧が印加されな
い場合を考える。電圧が印加されない状態では、光導波
路１０および２０の屈折率は２．０１、クラッド３０な
らびにエレクトロクロミック材料層３１の屈折率は、と
もに２．０であった。また、２つの結合部に挟まれた光
導波路１１、２１の間に光路長差は存在しない。

【００３７】入力ポート１０Ａから信号光を光スイッチ
に入力し、信号光が光導波路１０を進行して入力ポート
側の方向性結合器７０の結合部に達すると、電界振幅の
等しい偶および奇対称モードが励起される。結合率は５
０％なので、偶および奇対称モードの干渉の結果、信号
光は光パワーが等分配される。こうして、信号光は、同
じパワーを有する２つの光に分岐されて光導波路１１、
２１を進行する。

【００３８】次に、光導波路１１、２１を進行する光が
出力ポート側の方向性結合器７１の結合部に達すると、
ここでも電界振幅の等しい偶および奇対称モードが励起
され相互に干渉する。方向性結合器７１の結合率が５０
％であること、および光導波路１１と２１との間に光路
長差がないことから、励起された偶および奇対称モード
は光導波路１０側で打ち消し合い、導波路２０側で強め
合うように干渉する。この結果、信号光は出力ポート２
０Ｂのみから入力時とほぼ同じパワーを持って出力され
る。

【００３９】実際に図１の光スイッチ（実施例１）の各
光路について光伝送損失を測定したところ、光路１０Ａ
−１０Ｂの損失は２８ｄＢであり、光路１０Ａ−２０Ｂ
の損失は２．２ｄＢであった。信号光がほぼ出力ポート
２０Ｂからのみ出力されており、信号光の光路は１０Ａ
−２０Ｂであることが分かる。

【００４０】次に、電極層４０、４１に図示しない外部
電源を接続して、位相シフタ６０に電圧を印加した場合
を考える。この場合、ＷＯ₃からなるエレクトロクロミ
ック材料層３１にて、次の化学反応式に示すような電気
化学的酸化還元反応が生じる。

【００４１】

【数１】

【００４２】この式に示されるように、上部電極層４０
が正電極となる場合は、電解質層５０からエレクトロク
ロミック材料層３１に電子ｅ^-及び陽イオンＨ⁺が注入
されるので、ＷＯ₃は還元されてＨ_XＷＯ₃となる。一
方、電界の方向が反転して下部電極層４１が負電極とな
る場合は、電子ｅ^-及び陽イオンＨ⁺がＨ_XＷＯ₃から
解離されてエレクトロクロミック材料層３１から電解質
層５０に戻されるので、Ｈ_XＷＯ₃は酸化されてＷＯ₃
となる。

【００４３】ＷＯ₃は無色であり、Ｈ_XＷＯ₃は青色で
あるので、酸化還元反応に伴ってエレクトロクロミック
材料層の色調が変化する。同時に、屈折率も変化する。
これが、ＷＯ₃のエレクトロクロミズムである。

【００４４】エレクトロクロミック材料の酸化状態及び
還元状態は化学的に安定であるので、一度、酸化あるい
は還元状態になれば、電極層４０、４１に電圧が印加さ
れていなくてもその状態が保持される。これが、いわゆ
る無電力自己保持機能である。

【００４５】実際に、上部電極層４０を正電極として、
大きさが３Ｖの電圧を印加したところ、約１秒後にエレ
クトロクロミック材料層３１の色調が無色から青色に変
化し、それに伴って屈折率が２．００５に上昇した。エ
レクトロクロミック材料が、酸化状態から還元状態へ移
行したためである。

【００４６】光導波路２１のクラッドたるエレクトロク
ロミック材料層３１の屈折率が０．００５だけ上昇した
ことにより、光導波路１１と２１との間には、１８０゜
の光位相に相当する、信号光波長の１／２の光路長差が
生じる。これにより、方向性結合器７１の結合部で励起
された偶および奇対称モードは、電圧印加前と反対に、
光導波路１０側で強め合い、光導波路２０側で打ち消し
合うように干渉する。したがって、信号光は、ほぼ出力
ポート１０Ｂからのみ出力されるようになる。すなわ
ち、信号光の光路が、１０Ａ−２０Ｂから１０Ａ−１０
Ｂに切り替わる。

【００４７】このとき、各光路について光伝送損失を測
定したところ、光路１０Ａ−１０Ｂの損失は４．１ｄＢ
であり、光路１０Ａ−２０Ｂの損失は２３ｄＢであっ
た。信号光が、ほとんど出力ポート１０Ｂのみから出力
されていることが確認される。また、電源を切った後も
この光路切り替え状態は保持された。したがって、図１
の光スイッチ（実施例１）は、確かに無電力自己保持機
能を有する。

【００４８】続いて、位相シフタ６０に、上部電極層を
負電極として、すなわち最初と逆向きに３Ｖの電圧を印
加したところ、約１秒後にエレクトロクロミック材料層
３１の色は青色から無色に消色し、屈折率もほぼ２．０
に戻った。エレクトロクロミック材料が、酸化状態に戻
ったのである。これにともなって、各光路の損失値も電
圧印加前とほぼ同じ値に戻った。信号光の光路が１０Ａ
−１０Ｂから１０Ａ−２０Ｂに切り替わったのである。
以上から、実施例１の光スイッチが、実際に光路切り替
え機能を有することが確認された。

【００４９】上記のような、電圧印加方向を反転しなが
ら３Ｖの電圧を印加する作業を１０回繰り返したとこ
ろ、各光路の損失値の変動は±０．５ｄＢ以内とわずか
なものであった。これは、エレクトロクロミズムの良好
な可逆性を示している。したがって、本発明の光スイッ
チは、安定した光路の切り替えを行える。

【００５０】なお、電圧印加によるエレクトロクロミッ
ク材料の屈折率変化量は、印加電圧の大きさと位相シフ
タ６０の光伝搬方向の長さに依存する。しかし、位相シ
フタ６０の長さは作製時に固定されるので、実際は、屈
折率変化量は印加電圧の大きさによって一意に定まると
言ってよい。

【００５１】したがって、印加電圧を調節することによ
り、エレクトロクロミック材料層３１の屈折率変化量を
調節できる。光導波路１１と２１との間の光路長差はこ
の屈折率変化量に依存するので、結局、印加電圧を調節
することにより任意の光路長差を生じさせることができ
る。

【００５２】実施例１における印加電圧の大きさ３Ｖ
は、電圧が印加されない状態で光路長差が０の場合に信
号光波長の１／２の光路長差を生じさせる値である。こ
れは、位相シフタの長さなどを考慮した計算によって求
めることができる。

【００５３】作製上の誤差により、電圧が印加されない
状態で光導波路１１と２１との間に光路長差が生じてい
ることもあり得るが、このような場合でも、印加電圧を
調節することで双方の導波路間の光路長差を調節し、結
合部における導波モードの干渉を制御して光路の切り替
えを適切に行うことができる。さらに、方向性結合器７
０、７１の結合率が５０％からずれているような場合で
も、印加電圧を調節することで光路の切り替え機能を十
分に発揮できる。

【００５４】したがって、図１の光スイッチ（実施例
１）において、光導波路１１および２１の光路長が等し
く形成されていることや、方向性結合器７０、７１の結
合率が５０％になるように形成されていることは、本発
明の必須の構成要件ではない。

【００５５】以上、説明したように、本発明の光スイッ
チによれば、位相シフタに適切な大きさの電圧を印加す
ることにより、印加電圧の向きに応じて信号光の光路を
任意に切り替えることができる。そして、光路を一度切
り替えてしまえば、電圧の印加を停止しても光路切り替
え状態をそのままに保持できる自己保持機能を有してい
る。したがって、使用に当たって極めて便利であり、エ
ネルギー消費を抑えることが可能な点で優れている。

【００５６】次に、図１の光スイッチ（実施例１）の作
製方法を図４〜図６を参照しながら説明する。ここで、
図４〜図６は作製工程を段階的に示した図である。

【００５７】まず、位相シフタ６０の形成位置に開口を
有する第１のマスクを用意する。次いで、Ｓｉ基板１上
に第１のマスクを配置した後、通常の真空蒸着法により
ＩＴＯを層厚約０．１μｍを有するように一様に被着す
る。続いて、同じく真空蒸着法により、ＷＯ₃を層厚約
２０μｍを有するように一様に被着する。こうして、図
４（ａ）に示されるように、Ｓｉ基板１の上面にＩＴＯ
からなる下部電極層４１が形成され、さらに、下部電極
層４１の上面には、ＷＯ₃からなるエレクトロクロミッ
ク材料層３１の下部層が形成される。

【００５８】次に、エレクトロクロミック材料層３１の
下部層の上面を覆う第２のマスクを配置してから、真空
蒸着法により、ＴｉＯ₂を約７３ｗｔ％、ＳｉＯ₂を約
２７ｗｔ％含む材料を層厚約２０μｍを有するように一
様に被着する。こうして、クラッド３０の下部層が形成
される。この状態を示したのが図４（ｂ）である。

【００５９】続いて、クラッド３０およびエレクトロク
ロミック材料層３１の各下部層の上面を揃えて一平面に
するため、形成された層の上面を鏡面研磨する。図５
（ｃ）は、研磨後の状態を示した図である。

【００６０】次いで、真空蒸着法により、ＴｉＯ₂を約
７４ｗｔ％、ＳｉＯ₂を約２６ｗｔ％含む材料を層厚約
７μｍを有するように一様に被着し、コア層を形成す
る。図５（ｄ）は、コア層形成後の状態を示した図であ
る。

【００６１】次に、光導波路１０、２０の平面形状と同
じパターンを有する第３のマスクをコア層の上面に配置
する。この後、通常のフォトリソグラフィ技術を用いた
エッチング法により、コア層を光導波路パターンに成型
し、光導波路１０、２０を形成する。図６（ｅ）は、こ
のときの状態を示した図である。

【００６２】続いて、再び、位相シフタ６０の形成位置
に開口を有する第１のマスクを配置し、真空蒸着法によ
り、ＷＯ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＩＴＯを、それぞれ層厚１０
μｍ、２μｍ、０．１μｍを有するように順次一様に被
着する。こうして、ＷＯ₃からなり光導波路２１が埋め
込まれたエレクトロクロミック材料層３０、Ｔａ₂Ｏ₅
からなる電解質層５０およびＩＴＯからなる上部電極層
４０が形成される。これにより、位相シフタ６０が完成
する。このときの状態を示したのが、図６（ｆ）であ
る。

【００６３】次に、位相シフタ６０の上面を覆う第２の
マスクを再度配置し、真空蒸着法により、ＴｉＯ₂を約
７３ｗｔ％、ＳｉＯ₂を約２７ｗｔ％含む材料を層厚約
１２μｍを有するように一様に被着する。こうしてクラ
ッド３０が形成される。図６（ｇ）は、このときの状態
を示したものである。以上のようにして、実施例１の光
スイッチが完成する。

【００６４】次に、実施例２の光スイッチについて説明
する。図７、８は、この光スイッチを説明するための図
で、図７は、光スイッチを基板面に平行に切断した断面
平面図であり、図８は、同じ光スイッチを光伝搬方向に
垂直に切断した断面平面図である。

【００６５】図７に示されるように、実施例２の光スイ
ッチは、実施例１と同じく、マッハツェンダ干渉計型光
スイッチである。光導波路１０、２０の平面形状は実施
例１と同じであり、２箇所で部分的に近接する。したが
って、本実施例の光スイッチも、光導波路１０と２０の
近接部分を結合部とする方向性結合器７０と７１を継続
接続したものである。したがって、実施例１と同様に、
方向性結合器７０と７１は、光導波路１０、２０の一部
分であって２つの結合部に挟まれた光導波路１１、２１
を共有する。

【００６６】方向性結合器７０、７１は、実施例１と同
様に、信号光波長において結合率が５０％になるよう、
その結合長が完全結合長の１／２に設定されている。ま
た、光導波路１１と２１は、互いの光路長が等しく形成
されている。

【００６７】しかし、図８のように、実施例２では、光
導波路１０、２０はＴｉ熱拡散法によりＬｉＮｂＯ₃基
板２に埋め込み形成され、導波路の上面が基板２の表面
に露出するように形成されている。この点で、光導波路
１０、２０がＳｉ基板１上のクラッド３０中に埋め込ま
れる実施例１の光スイッチと異なる。

【００６８】なお、一般に、Ｔｉ熱拡散法とは、フォト
リソグラフィによって結晶基板上に導波路をパターニン
グした後、Ｔｉの選択熱拡散を行って光導波路を形成す
る方法である。これについては、例えば、西原らによる
著書、「光集積回路」（オーム社、１９８５年）のp.20
4〜p.207 に記載がある。

【００６９】また、エレクトロクロミック材料層３１を
含む位相シフタ６０は、光導波路２０の一部分であり２
つの結合部に挟まれた光導波路２１の上面を覆うように
形成されている。

【００７０】詳しく説明すると、図８に示されるよう
に、位相シフタ６０は積層構造をしており、その最下層
はエレクトロクロミック材料層３１である。このエレク
トロクロミック材料層３１は、ＬｉＮｂＯ₃基板２の表
面に露出する光導波路２１の上面を覆うように形成さ
れ、光導波路２１の上部クラッド層としての役割を持
つ。なお、光導波路１１の上面には何も積層されていな
い。

【００７１】エレクトロクロミック材料層３１の上面に
は、電解質層５０と下部電極層４１が分離して形成さ
れ、電解質層５０の上面にはさらに上部電極層４０が形
成されている。なお、位相シフタ６０の各層の材料は、
実施例１と同じである。

【００７２】実施例２の光スイッチの作用も、基本的に
図１の光スイッチ（実施例１）と同様である。

【００７３】位相シフタ６０に電圧が印加されない状態
で各光路の損失を測定したところ、光路１０Ａ−２０Ａ
の損失は３５ｄＢ、光路１０Ａ−２０Ｂの損失は２．１
ｄＢであった。信号光がほぼ出射端２０Ｂからのみ出力
されていることが確認される。すなわち、信号光の光路
は１０Ａ−２０Ｂとなっている。。

【００７４】次に、位相シフタ６０に、上部電極層４０
を正電極として５Ｖの電圧を印加したところ、約１秒後
にエレクトロクロミック材料層３１の色が無色から青色
に変化した。各光路の損失を調べたところ、光路１０Ａ
−２０Ａの損失は２．９ｄＢ、光路１０Ａ−２０Ｂの損
失は３２ｄＢで、光路が１０Ａ−２０Ｂから１０Ａ−２
０Ａに切り替わったことが確認される。

【００７５】続いて、印加電圧の向きを反転し、位相シ
フタ６０に上部電極層４０を負電極として５Ｖの電圧を
印加したところ、約１秒後にエレクトロクロミック材料
層３１が青色から無色に消色し、各光路の損失値も電圧
を印加していない状態のものに戻った。これは、信号光
の光路が１０Ａ−２０Ａから１０Ａ−２０Ｂに切り替わ
ったことを示す。

【００７６】以上から、実施例２の光スイッチが実際に
光路切り替え機能を有することが確認された。また、実
施例１と同様、良好な可逆性を有するエレクトロクロミ
ズムを利用しているので、安定した光路切り替えを行う
ことができる。

【００７７】なお、位相シフタに印加した電圧の大きさ
（５Ｖ）は、実施例１と同様、光導波路１１と２１との
間に信号光波長の１／２の光路長差を生じさせるよう
に、位相シフタの長さなどを考慮した計算によって求め
たものである。

【００７８】実施例２の光スイッチも、実施例１と同様
にエレクトロクロミズムを利用しているので、電圧を印
加して光路を切り替えた後は、電圧を印加し続けなくて
も光路をそのままに保持できる自己保持機能を有する。
したがって、エネルギー消費を抑えた好適な使用が可能
である。

【００７９】次に、実施例２の光スイッチの作製方法
を、図９を参照しながら説明する。ここで、図９は作製
工程を段階的に示した図である。

【００８０】まず、ＬｉＮｂＯ₃基板２に、公知のＴｉ
熱拡散法により光導波路１０、２０を埋め込み形成す
る。これにより、マッハツェンダ干渉計が形成される。
このときの状態を示した図が、図９（ａ）である。

【００８１】次に、位相シフタ６０の形成位置に開口を
有する第１のマスクを用意する。次いで、このマスクを
ＬｉＮｂＯ₃基板２上に配置し、真空蒸着法によってＷ
Ｏ₃を層厚約１０μｍを有するように基板２上に一様に
被着する。こうして、エレクトロクロミック材料層３１
が、光導波路２１の上面を覆うように形成される。この
ときの状態を示した図が、図９（ｂ）である。

【００８２】続いて、電解質層５０の形成位置に開口を
有する第２のマスクを配置し、真空蒸着法によってＴａ
₂Ｏ₅を層厚２μｍを有するように一様に被着する。こ
うして、エレクトロクロミック材料層３１の上面に電界
質層５０が形成される。

【００８３】さらに、電極層４０、４１の形成位置に開
口を有する第３のマスクを配置し、ＩＴＯを層厚約０．
１μｍを有するように一様に被着する。これにより、電
界質層５０の上面に上部電極層４０が、エレクトロクロ
ミック材料層３１の上面に下部電極層４１が、それぞれ
形成される。このときの状態を示したのが、図９（ｃ）
である。以上のようにして、実施例２の光スイッチが完
成する。

【００８４】なお、本発明は上記の実施例に限られるも
のではなく、様々な変形が可能である。

【００８５】例えば、上記実施例では、エレクトロクロ
ミック材料としてＷＯ₃を用いているが、ＭｏＯ₃、Ｎ
ｂ₂Ｏ₅、Ｖ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＮｉＯ、ＭｎＯ₂、Ｒ
ｈ₂Ｏ₃及びＩｒＯ₂を含む群から選択された少なくと
も一つを含む金属酸化物を用いても、ほぼ同様な作用効
果が得られる。また、屈折率や屈折率の変化量を最適に
設定するために、例示した複数の金属酸化物を組み合わ
せたり、ＳｉＯ₂等の他の材料中にドープしたものを用
いても効果的である。

【００８６】また、上記実施例では、エレクトロクロミ
ック材料層３１の形成において真空蒸着法を用いている
が、使用されるエレクトロクロミック材料に応じてゾル
ゲル法、スパッタ法及び電界成膜法などを用いても、同
様な作用効果が得られる。

【００８７】また、本実施例では、電解質層５０はＴａ
₂Ｏ₅という固体電解質から構成されているが、溶液状
の電解質から構成されてもよい。しかし、電解質層５０
はエレクトロクロミック材料層３１に接触するように配
置されることを考慮して、実施例ではエレクトロクロミ
ック材料を侵す恐れが少なく信頼性に優れる固体電解質
を用いた。

【００８８】かかる固体電解質として、本実施例ではＴ
ａ₂Ｏ₅を用いているが、このほかにも種々の固体電解
質が使用可能である。ＬｉＣｌＯ₄が一般的であるが、
ＲｂＡｇ₄Ｉ₅、ＺｒＯ₂、β−アルミナ、ゼオライ
ト、アンチモン酸、ＭｇＦ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＲｂＦ₂、
ＬｉＦ、Ｃｒ₂Ｏ₃、有機ゲル等は導電率が高いのでさ
らに好ましい。

【００８９】また、位相シフタ６０は、必ず一方の光導
波路付近にのみ設けられるものとは限られず、双方の光
導波路付近に設けられても良い。この場合も、双方の位
相シフタ６０に印加する電圧をそれぞれ調節することに
より、２つの結合部に挟まれた光導波路１１と２１との
間の光路長差を調節できるので、実施例と同様の作用効
果を得ることができる。

【００９０】また、上記実施例では、エレクトロクロミ
ック材料層３１は２つの結合部に挟まれた光導波路２１
のクラッドとしての役割を持つが、光導波路２１自体を
エレクトロクロミック材料で構成しても、自己保持機能
を有する光スイッチを実現することができる。この場
合、電解質層５０を光導波路２１に接するように配置す
ることが必要である。また、光導波路１１と２１の双方
をエレクトロクロミック材料で構成しても良い。

【００９１】しかし、光導波路をエレクトロクロミック
材料で構成することには、吸収による光損失の影響が増
大する恐れが伴うので、本実施例では、エレクトロクロ
ミック材料をクラッドに用いている。

【００９２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
光スイッチは、２本の光導波路の一部分であって２つの
近接箇所に挟まれる部分の少なくとも一方、またはその
近傍がエレクトロクロミック材料を成分として含む。し
たがって、安定な酸化状態と還元状態の間を可逆的に遷
移するエレクトロクロミズムに基づいて出力光の光路を
切り替えることができ、切り替えた後は、従来のように
エネルギーを供給し続けなくても光路切り替え状態を保
持できる自己保持機能を発揮する。そして、かかる自己
保持機能を有するため、本発明の光スイッチは、エネル
ギー消費を抑えた好適な使用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の光スイッチの構成を示す全体斜視図
である。

【図２】図１の光スイッチを基板面に平行に切断した断
面平面図である。

【図３】図１の光スイッチを光伝搬方向に垂直に切断し
た断面平面図である。

【図４】図１の光スイッチの製造工程を段階的に示した
図である。

【図５】図１の光スイッチの製造工程を段階的に示した
図である。

【図６】図１の光スイッチの製造工程を段階的に示した
図である。

【図７】実施例２の光スイッチを基板面に平行に切断し
た断面平面図である。

【図８】実施例２の光スイッチを光伝搬方向に垂直に切
断した断面平面図である。

【図９】実施例２の光スイッチの製造工程を段階的に示
した図である。

【図１０】従来の光スイッチを基板面に平行に切断した
断面平面図である。

【図１１】従来の光スイッチを光伝搬方向に垂直に切断
した断面平面図である。

【符号の説明】

１…Ｓｉ基板、２…ＬｉＮｂＯ₃基板、１０、２０…光
導波路、１１、２１…２つの結合部に挟まれた光導波
路、３０…クラッド、３１…エレクトロクロミック材料
層、４０…上部電極層、４１…下部電極層、５０…電解
質層、６０、６１…位相シフタ、７０、７１…方向性結
合器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水野秀樹神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者山西徹神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に光伝搬方向に沿って形成され、
２箇所で互いに近接する２本の光導波路と、該２本の光導波路の少なくとも一方に設けられ、当該光
導波路の一部分であって前記２つの近接箇所に挟まれる
部分に接し、エレクトロクロミック材料を成分として含
むエレクトロクロミック材料層と、該エレクトロクロミック材料層に接する２つの電極層
と、少なくとも一方の前記電極層と前記エレクトロクロミッ
ク材料層との間に形成された電解質層と、を備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】基板上に光伝搬方向に沿って形成され、
２箇所で互いに近接し、この２つの近接箇所に挟まれる
部分の少なくとも一方がエレクトロクロミック材料を成
分として含む２本の光導波路と、前記エレクトロクロミック材料を成分として含む部分に
接する２つの電極層と、少なくとも一方の前記電極層と前記エレクトロクロミッ
ク材料を成分として含む部分との間に形成された電解質
層と、を備えることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】前記エレクトロクロミック材料層は、内
部に前記光導波路が埋め込まれることによって前記光導
波路に接し、前記２つの電極層は、該エレクトロクロミック材料層を
挟むように配置されていることを特徴とする請求項１記
載の光スイッチ。
【請求項４】前記２本の光導波路は、その上面が基板
表面上に露出するように形成され、前記エレクトロクロミック材料層は、前記光導波路の前
記基板表面上に露出する上面に形成されることによって
前記光導波路に接することを特徴とする請求項１記載の
光スイッチ。
【請求項５】前記エレクトロクロミック材料は、ＷＯ
₃、ＭｏＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｖ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、Ｎｉ
Ｏ、ＭｎＯ₂、Ｒｈ₂Ｏ₃及びＩｒＯ₂を含む群から選
択される少なくとも一つの金属酸化物であることを特徴
とする請求項１または２記載の光スイッチ。
【請求項６】前記電解質層は、ＬｉＣｌＯ₄、ＲｂＡ
ｇ₄Ｉ₅、ＺｒＯ₂、β−アルミナ、ゼオライト、アン
チモン酸、ＭｇＦ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＲｂＦ₂、ＬｉＦ、
Ｃｒ₂Ｏ₃及び有機ゲルを含む群から選択された少なく
とも一つの固体電解質から形成されていることを特徴と
する請求項１または２記載の光スイッチ。