JPH11160741A

JPH11160741A - 積層型熱光学スイッチ、該スイッチを構成要素とするスイッチマトリックスおよび光アドドロップマルチプレクサ

Info

Publication number: JPH11160741A
Application number: JP26866198A
Authority: JP
Inventors: Naoki Oba; 直樹大庭; Takashi Kurihara; 栗原　　隆; Toshio Watanabe; 俊夫渡辺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】低消費電力かつ低損失で消光比の高い積層型
熱光学スイッチを提供すること。【解決手段】Ｙ分岐構造の熱光学スイッチを形成する
光導波路のコア１２および１３を、基板１１に対して垂
直な方向に積層配置するとともに、コア１２および１３
が交差する領域の真上のクラッド１４上に加熱部１５を
配置することにより、該加熱部１５による基板１１に垂
直な方向の大きな温度勾配を利用可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長多重光通信
（ＷＤＭ）システムにおいて、通信幹線の高速化や低コ
スト化のために必要なバス切り替え処理の光化を実現す
る光クロスコネクト、または、波長多重光信号に任意の
波長信号を追加する、または、波長多重光信号から任意
の波長信号を取り出すアドドロップマルチプレクサ（Ａ
ＤＭ）のキーデバイスとなる熱光学効果を利用した光路
切替スイッチに関し、さらに詳しくは、これら光路切替
スイッチにおいて、低電力動作、高消光比、低ロス特性
を実現するために、光路が積層型に配置された積層型熱
光学スイッチの設計概念およびそれに基づいて製造され
る積層型熱光学スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＷＤＭシステムに必須の光クロスコネク
トまたは光ＡＤＭには、高性能の光スイッチが不可欠で
ある。

【０００３】光スイッチの中で、物理的に分離された光
路間で光信号の接続切り替えを行う光スイッチを空間分
割光スイッチという。空間分割光スイッチとしては、光
導波損失の小さいガラスや高分子材料を用いた光路切替
スイッチが有望である。スイッチングの機構としては、
熱光学効果が多く用いられる（例えば、ＮＴＴＲ＆
Ｄ、第４４巻、第７号、ｐ．５４７−５５２参照）。

【０００４】熱光学光路切替スイッチについては、アデ
ィアバティック導波を利用するもの、方向性結合器（Ｄ
Ｃ）の異方性効果を利用するもの、マッハツェンダー干
渉計（ＭＺＩ）を構成するものがある。

【０００５】アディアバティック型は、基板に平行な面
内のＹ分岐やＸ分岐形状の光導波路によって構成される
光路切替スイッチであり、分枝間の屈折率差をある程度
以上与えると特性の飽和した安定なスイッチングが実現
されるため、デジタル型スイッチとして知られている
(Y.Hida et al., 'Electron Lett.' Vol.33, 1997, p.
626、又はN.Keil et al., 'ECOC 96' 2.71 参照）。

【０００６】ＤＣ型は、基板に平行な面内の方向性結合
器で構成され、熱光学効果で完全結合する対称ＤＣと結
合しない非対称ＤＣとの２つの動作を切り替える(N.Kei
l etal., 'Electoron Lett.' Vol.31., 1995, p.403
参照）。

【０００７】ＭＺＩ型は、熱光学位相シフタを用いて０
度あるいは１８０度の特定位相差を与え、光路を切り替
える。

【０００８】デジタル型スイッチおよびＤＣ型スイッチ
は、動作が安定であり、高消光比が得られる反面、消費
電力が大きいという欠点がある。

【０００９】単体のマトリックススイッチとしては、石
英製光導波路を用いたＭＺＩ型熱光学スイッチを単位ス
イッチとする１６×１６規模のもの（郷ら、１９９８年
電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−１２９）、高分子製
光導波路を用いたＤＣ型熱光学スイッチを単位スイッチ
とする４×４規模のもの（N. Keil et al., Electron.
Lett., Vol. 31, p. 403, 1995）などが知られている。
前者は、石英製ＭＺＩ型熱光学スイッチの欠点である大
きな消費電力、大きいスイッチ回路、制御系の複雑さの
問題を抱えている。後者は、高分子光導波路の欠点であ
る大きい導波損失のために、低損失な大規模マトリック
ススイッチへの発展は難しい。また、１×８規模の石英
製ＭＺＩ型熱光学スイッチやスプリッターを光ファイバ
配線して組み合わせた分配合流型マトリックスも現実的
な解として研究されているが（渡辺ら、１９９６年電子
情報通信学会ソサイエティ大会Ｂ−１０８１）、単位ス
イッチ自体が持つ欠点に加え、ファイバ配線の煩雑さの
問題の解決の見通しがない。

【００１０】光ＡＤＭデバイスとしては、多重波長合分
波器とＭＺＩ型熱光学スイッチを石英ガラス製光導波路
を用いて単一基板上に作製した例がある（岡本ら、１９
９５年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−２５４）。これ
は、熱光学スイッチを波長多重数だけ並列に使用するも
ので、上記の石英製ＭＺＩ型熱光学スイッチの欠点、さ
らには大規模化に伴うチップの作製歩留まりの問題を抱
えている。

【００１１】また、システムサイドから見ると、光クロ
スコネクト用途については、スイッチ動作の安定性とコ
ヒーレントクロストークの徹底的な低減が、さらに強く
求められている。加えて、まだ実用前とはいえ、将来の
光クロスコネクトシステムの想定実装規模は決して小さ
いものではなく、今後は、デジタル型、ＤＣ型、ＭＺＩ
型を問わず光導波路スイッチ全般に対して、基本的スイ
ッチング性能ばかりでなく、小型化や低コスト化が求め
られてくることが予想される。光ＡＤＭ用途について
は、光ＡＤＭ自体が光クロスコネクトよりもユーザーに
近い階層にあることから、市場規模が大きく、そのため
低コスト化・小型化の要求が一段と厳しい。しかしなが
ら、現状の光導波路スイッチの性能は、これらシステム
要求に対して十分に応えるに至っていない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、現状
の熱光学効果を利用した光路切替スイッチは、デジタル
型およびＤＣ型とも、基板に平行な面内に展開する光導
波路回路を用いているため、スイッチを動作させるのは
基板に平行な方向の温度勾配である。この方向の温度勾
配をクラッド上に配置したヒーターから与えるには、コ
アから離れた位置にヒーターを配置する必要があるた
め、加熱効率が悪く、動作電力の増加を招くという問題
があった。さらに、スイッチ動作に無関係な基板の垂直
方向の温度勾配も同時に生じるため、光導波損失の増加
等、スイッチ特性の悪化を防ぐことが難しいという問題
も抱えていた。

【００１３】また、現在、考案されている光クロスコネ
クトスイッチは、多数の単体スイッチとカプラを分配合
流型に組み合わせた大規模な構成が主であり、光ファイ
バによる高密度配線も極限に達しているのが現状であ
る。また、光ＡＤＭデバイスについては、高度な設計・
作製技術を駆使した１チップ化の試みもなされている
が、設計上、それ以上の小型化が困難な状況において、
チップの作製歩留りという大きな問題を残している。

【００１４】このように、現状の光路切替スイッチ全般
においては、小型化・低コスト化の面でも決定的な打開
策がないという問題があった。

【００１５】したがって、本発明の第１の目的は、ヒー
ター加熱により生じる温度勾配を最大限に活用すること
ができ、低消費電力かつ低損失で消光比の高い積層型熱
光学スイッチを提供することにある。

【００１６】また、本発明の第２の目的は、導波路スイ
ッチ構成の上で、従来にない小型化や低コスト化の方法
論を具体的に提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明では、Ｙ分岐ある
いはＸ分岐あるいは方向性結合器構造の熱光学スイッチ
を形成する光導波路のコアを、従来のような基板に平行
な面内での配置から基板に垂直な方向の積層構造とし、
かつ、ヒーターをコアの真上に配置して基板に垂直な方
向の大きな温度勾配を効率的に利用することによって、
前記第１の目的を達成した。しかも、従来型の熱光学光
路切替スイッチが有していた利点は、原理上、本発明に
おいても全て維持されている。

【００１８】また、前記の積層型の導波路配置は、単に
低電力化や高消光比化に効果的であるばかりでなく、複
数の素子機能を上下２層に機能分担したコンパクトな素
子構成を可能とすることを見い出し、これによって、第
２の目的も達成することができた。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の構成は、２本のコ
アが基板と垂直な方向に積層される積層型熱光学スイッ
チにおいて、２本のコアが直接接して配置される接触部
を有し、加熱部は、基板と垂直な方向から見て前記接触
部近傍の少なくとも一部に重なる位置に、基板と反対側
に所定の厚さのクラッド層を介して配置されることを特
徴とする。このように層を異にする２本のコアがある領
域で直接接触する光導波路配置をとる構成を、接触配置
と定義する。この際、２つのコアは異なる屈折率を有し
ていても良い。

【００２０】本発明の第２の構成では、基板と垂直な方
向から見て重なる２つのコアが、所定の厚さのクラッド
層を介して配置されることを特徴とする。以下、この構
成を、前述の接触配置に対比させて、ギャップ配置と、
定義する。この場合も、２つのコアは異なる屈折率を有
していて良い。

【００２１】接触配置は、デジタル型スイッチ、ギャッ
プ配置はＤＣ型スイッチとすることが適当と考えられる
が、ギャップ配置のデジタル型スイッチや接触配置のＤ
Ｃ型スイッチも、原理上は動作可能であり、限られた要
求条件においては、適用が拒まれるものではない。

【００２２】以下、本発明の積層型熱光学スイッチの構
造、動作原理および特徴について、接触配置のデジタル
型スイッチならびにギャップ配置のＤＣ型スイッチを例
にとって説明する。

【００２３】図１および図２は、Ｙ分岐タイプ接触配置
のデジタル型スイッチの一例および他の例を示すもの
で、それぞれ同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面
図、同図（ｃ）は側面図である。図１および図２におい
て、１１および２１は基板、１２および２２は上層コ
ア、１３および２３は下層コア、１４および２４はクラ
ッド、１５および２５は加熱部である。ここで、図１は
上層コア１２を入力とするタイプであり、図２は下層コ
ア２３を入力とするタイプである。

【００２４】加熱部１５および２５としては、一般に金
属薄膜ヒーターを用いる。図１および図２では発熱部位
のみを示し、電流を流すためのリードは省略している。
また、図２では加熱部２５の位置を上層コア２２の真上
に対して下層コア２３から離れた側にオフセットさせ、
２つのコアの温度差が最大となるようにして動作電力の
低減を図っている。

【００２５】高分子材料のように熱光学定数が負の場合
は、加熱部に近い側である上層コアの屈折率が、基板に
近い側である下層コアの屈折率より高くなるようにコア
材料を選択することが効果的である。

【００２６】スイッチの各領域の構造と働きを以下にま
とめる。

【００２７】Ａ：通常の単一の光導波路の領域。図１の
ように上層コアとしても、図２のように下層コアとして
も動作上の本質的な差はなく、スイッチを含む光回路全
体の設計に対応して選ぶことができる。

【００２８】Ｂ：２つのコアの合計の断面積が徐々に変
化する領域。断面積がモード変換を起こさない程度に徐
々に変化すること（アディアバディック条件）が本質で
あり、図１と図２の様な形状の違いは特性に大きな影響
を与えない。

【００２９】Ｃ：２つのコアがモード結合を持ち、その
中心がアディアバティック条件を満たして離れていく領
域。

【００３０】Ｄ：結合のない独立した２つのコアを持つ
光導波路の領域。

【００３１】図１，２では、上層コアが直線になるよう
に表したが、上記のアディアバティック条件さえ守られ
れば、曲線部や折れ曲がり部が上層コアや下層コアにあ
ってもかまわない。

【００３２】Ｃ領域とＤ領域との境界における基本モー
ドの電場は、等価屈折率が高いコアに集中している。そ
のため、Ａ領域から入射した基本モードの光は、Ｂ領域
およびＣ領域においてアディアバティック条件が満たさ
れると、等価屈折率の高い側にコアに選択的に導かれ
る。従って、入射光は、加熱部を動作させていない時
は、等価屈折率が高くなるように設計してある上層コア
に出力され、加熱部を動作させ、熱光学効果により上層
コアの等価屈折率が低くなると、下層コアに導かれる。

【００３３】図３は、Ｘ分岐タイプ接触配置のデジタル
型スイッチの一例を示すもので、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は側面図である。図
中、３１は基板、３２は上層コア、３３は下層コア、３
４はクラッド、３５は加熱部である。分岐形状以外の構
造は、Ｙ分岐タイプと同等である。また、Ｃ領域および
Ｄ領域の構造と働きは上記のＹ分岐タイプの通りであ
り、Ｅ領域の構造と働きは、ヒーターの有無以外、Ｃ領
域と同じである。

【００３４】Ｃ−Ｄ境界とＥ−Ｄ境界において、基本
（０次）モードの電場は等価屈折率が高いコアに集中
し、１次モード電場は等価屈折率が低いコアに集中して
いる。そのため、Ｃ領域およびＥ領域においてアディア
バティック条件が満たされると、入力側で等価屈折率の
高い側のコアから入射した光は、出力側の等価屈折率の
高い側のコアに導かれ、かつ、等価屈折率の低い側のコ
アから入射した光は、等価屈折率の低い側のコアに導か
れる。

【００３５】加熱していない時、Ｉｎ１とＩｎ２に入射
した光は、それぞれＯｕｔ１とＯｕｔ２に出力され、バ
ーステイトとなる。加熱部３５を動作させ、Ｃ領域のみ
上層コアと下層コアの等価屈折率の上下関係を反転する
と、Ｉｎ１とＩｎ２に入射した光は、それぞれＯｕｔ２
とＯｕｔ１に出力され、クロステイストとなり、２×２
スイッチとして機能する。

【００３６】このように、基板に垂直な方向の温度勾配
により動作するデジタル型熱光学スイッチは、本発明の
積層型熱光学スイッチにより初めて実現されるものであ
る。従来の熱光学スイッチは、基板に平行な面内に展開
する光導波路回路を用いているため、スイッチを動作さ
せるのは、基板に平行な方向の温度勾配である。この方
向の温度勾配を、クラッド上に配置したヒータから与え
るためには、ヒータをコアから離れた位置に配置する必
要があるため、分岐部断面の温度分布は、図４（ａ）に
示すようになる。このため、分岐方向の温度勾配を得る
ためには、加熱効率が悪く、動作電力の増加を招くとい
う問題があった。さらに、スイッチ動作に無関係な基板
に垂直な方向の温度勾配も同時に生じるため、導波損失
の増加などスイッチ特性の悪化を防ぐことが難しいとい
う課題を抱えていた。

【００３７】これに対して、本発明の積層型熱光学スイ
ッチでは、図４（ｂ）に示す通り、光の分岐方向が熱勾
配の方向と一致しており、ヒータ直下における大きな温
度勾配を利用することで、従来になく停電力で駆動する
ことが、可能となった。しかも、デジタル型の特徴であ
る安定動作と高消光比も、従来と同等以上に維持され
る。

【００３８】図５は、ギャップ配置のＤＣ型スイッチの
一例を示すもので、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は
正面図、同図（ｃ）は側面図である。図中、４１は基
板、４２は上層コア、４３は下層コア、４４はクラッ
ド、４５は加熱部、４６はギャップである。

【００３９】スイッチの各部分の構造と働きを以下にま
とめる。

【００４０】Ｄ：結合のない独立した２つのコアを持つ
光導波路の領域。

【００４１】Ｆ：方向性結合器（ＤＣ）の結合領域。

【００４２】図では上層コア４２と下層コア４３が交差
する形状を示しているが、Ｄ領域で曲がる方向を変えて
Ｉｎ１とＯｕｔ１が同じ側に来るようにすることもでき
る。動作原理は、上層コアと下層コアの伝搬定数が同じ
場合（タイプ１）と異なる場合（タイプ２）で異なる。

【００４３】タイプ１では、Ｆ領域の長さを完全結合長
としておき、非加熱時にはクロスステイト、即ちＩｎ１
−Ｏｕｔ２とＩｎ２−Ｏｕｔ１の組み合わせが透過状態
とする。加熱部４５を動作させると、Ｆ領域は熱光学効
果により非対称ＤＣとなる。適切な加熱電力を設定する
ことでバーステイトが実現され、２×２スイッチとして
動作する。

【００４４】タイプ２では、加熱部４５を動作させて上
層コア４２と下層コア４３の伝搬定数が等しくなる加熱
電力を設定する。Ｆ領域の長さは、この状態の完全結合
長としておき、加熱部４５の動作時にクロスステイトを
実現する。非加熱時に非対称ＤＣとしてバーステイトと
なるように予め上層コア材料と下層コア材料の屈折率差
を設定しておく。

【００４５】このように、基板に垂直な方向の温度勾配
により動作するＤＣ型熱光学スイッチも、本発明の積層
型熱光学スイッチにより初めて実現されるものである。
前述のデジタル型スイッチと同様に、ＤＣ型においても
低電力化を進めることに成功している。

【００４６】本発明の積層型熱光学スイッチでは、上下
層コア間に等価屈折率の差を形成することが重要であ
る。通常、２つのコアが同一材料の場合からなる場合、
両コア間に等価屈折率差をつけるためには、コアの大き
さ（幅や高さ）を変化させたり、それ専用にヒーター点
灯を行う必要がある。しかしながら、本発明の積層型の
導波路レイアウトにおいては、上層コアと下層コアを独
立した工程で作製できるので、あらかじめ屈折率の異な
る材料で２つのコアを作製する事ができる。そのため、
コア径の調整や余分なヒーター点灯等の煩雑な操作を必
要としないという利点がある。

【００４７】さらに、本発明においては上層コアと下層
コアをそれぞれ独立した工程で作製できるので、２つの
コアを熱光学定数の異なる組み合わせで作製することも
容易にできる。

【００４８】上層コアおよび下層コアが同一材料（例え
ば材料Ａ）の場合に比べて、上層コアにＡを用い、下層
コアに熱光学定数がＡより小さい材料、さらには熱光学
定数の符号が異なる材料を用いれば、効率的に消光を確
保することができ、結果的に小さな動作電力で十分な特
性を得ることができる。

【００４９】ただし、材料の熱伝導率が大きいと熱が基
板に逃げ易くなり、結果的に動作電力が大きくなるた
め、特に下層コアの材料は、熱光学定数の大小のみなら
ず、熱伝導率が小さい材料を選ぶ必要がある。例えば、
下層コアを石英ガラス、上層コアを高分子として接触配
置の積層型スイッチを作製すると、石英ガラスの熱伝導
率は高分子の約１０倍もあるので、上層コアおよび下層
コアとも高分子で作製した場合より消費電力が大きくな
ることが予想される。このため、熱伝導率が高分子の２
倍以下で熱光学定数が小さい材料を下層コアに使って初
めて低消費電力化が可能になると考えられる。後述する
実施形態６，７では、この点を考慮してギャップ配置の
ＤＣ型スイッチ、つまりギャップが断熱層となり、上層
コアが熱的に石英ガラス層と接触しないスイッチのみに
ついて記述した。

【００５０】具体例として、下層コアに石英ガラスを用
いた場合を考える。石英ガラスの平面光波回路は、導波
損失が大変小さく（〜０．０１ｄＢ／ｃｍ）低損失な大
規模光集積回路を構成した実績が数多くある。したがっ
て、本発明の積層型熱光学スイッチにおいて、下層をこ
の石英ガラス、上層を高分子とすることで、高分子の大
きい熱光学定数を利用した低損失の光クロスコネクト回
路や光分岐挿入（光ＡＤＭ）回路を実現することが可能
となる。

【００５１】例えば、図１０に示すように、下層は低導
波損失の石英ガラス製交差マトリックス光導波路、上層
は下層コアとの結合部を両端に持つスイッチ用高分子光
導波路によるマトリックススイッチが考えられる。結合
部は、前述のタイプ２のギャップ配置ＤＣ型スイッチと
することで、必要な４つの単位スイッチを加熱動作させ
ることで４×４の非ブロッキング接続が実現できる。８
×８のようにマトリックス規模を拡大する時でも、低損
失である下層光導波路の引き回しが長くなるのみであ
り、スイッチ用高分子光導波路を信号光が通るのは各接
続チャンネルとも１回のみなので損失の増加を低く抑え
る事が出来る。

【００５２】また、下層コアは互いに交わることのない
無機ガラス製の複数本の光導波路、上層コアは１本もし
くは下層コアと必ずしも同本数ではない複数本の高分子
光導波路であって、下層コアと上層コアが基板に垂直な
方向から見て交差する部分に請求項１記載のスイッチが
構成されているスイッチマトリクスも考えられ、例え
ば、図１１に示すような光ＡＤＭ回路が構成できる。こ
の回路を用いれば、複数の下層ガラスコアそれぞれには
異なる波長信号が流れており、アドレスしたい波長信号
の流れる下層コアと上層コアの間に設置されたスイッチ
を駆動させることによって、その信号を取り出すと同時
に、同一波長の新しい信号を挿入することができる。

【００５３】以上２つの例では、ギャップ配置ＤＣ型ス
イッチを用いたが、例えば、積層×構造のデジタル型ス
イッチでも、同様のマトリックススイッチを構成でき
る。

【００５４】このように、上下層コアに異種材料を用い
る試みは、低電力化のような特定の効果を増大させるば
かりでなく、光導波路を機能分担し、各々の機能に最適
な材料を配するという、幅広い光導波路部品設計を可能
にする。同時に、こうした機能分担の思想は、デバイス
の小型化や歩留まり解消を含めた低コスト化に関しても
非常に効果的であり、単純計算による最低限の見積りで
も、デバイスサイズや歩留まりを１／２以下程度には削
減できる。図１０や図１１はその実例である。機能分担
の要素となる光導波路層個々の機能としては、本発明で
詳しく述べた光スイッチ機能やパッシブな光導波機能の
他に、光変調、ＷＤＭ、光増幅などをあげることができ
る。

【００５５】以下、本発明を実施形態により更に具体的
に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定される
ものではない。

【００５６】（実施形態１）図６は、Ｙ分岐タイプ接触
配置のデジタル型スイッチの実施形態、ここでは符号１
０で示す部分として図１に示した上層コアを入力とする
スイッチを含む例を示す。各部のサイズは、コアの上下
層とも断面８μｍ×８μｍ、下層コアと基板との間のク
ラッド厚２０μｍ、上層コア上のクラッド厚１４μｍ、
基板に水平な面内に投射された上層コアと下層コアとが
成す角度（以下、単に分岐角という。）０．２度、ヒー
ター長７ｍｍとした。なお、１５ａは加熱部１５の端子
である。

【００５７】材料としては、重水素化ポリメタクリル酸
メチル（以下、ｄ８−ＰＭＭＡという。）を上層コア、
部分フッソ化率を上げて上層よりも屈折率を下げたｄ８
−ＰＭＭＡを下層コア、エポキシ系紫外線硬化樹脂（以
下、ＵＶ樹脂という。）をクラッドに用いた。上下コア
およびクラッドの屈折率（波長１．５５μｍ）は、各々
１．４８００，１．４７９４，１．４７５３であった。

【００５８】シリコン基板上にＵＶ樹脂をスピンコート
し、紫外線照射により硬化させ、厚さ２０μｍの下層ク
ラッドを作製した。この上に厚さ８．５μｍの下層コア
用ｄ８−ＰＭＭＡ層を形成した。この上にレジストを塗
布し、パターン露光、現像を行った。さらにこのレジス
トパターンをマスクとして、酸素ガスの反応性イオンエ
ッチングを行い、ｄ８−ＰＭＭＡ層を８μｍ×８．５μ
ｍの矩形状に加工し、レジストパターンを剥離した。

【００５９】次に、このリッジ型光導波路上にＵＶ樹脂
をスピンコートし、紫外線硬化し、厚さ９．５μｍの平
坦なＵＶ樹脂膜を得た。次に、マスクなしで全面を反応
性イオンエッチングにより１．５μｍ削りとった。これ
により、断面が８μｍ×８μｍのｄ８−ＰＭＭＡ下層コ
アが、周囲のＵＶ樹脂クラッドと上面を揃えて形成され
た。

【００６０】さらに、この上に、厚さ８μｍの上層コア
用ｄ８−ＰＭＭＡを積層し、レジスト塗布後、精密に位
置合わせされた上層コア用のマスクを用いて、パターン
露光、現像を行い、さらに反応性イオンエッチングによ
って、幅８μｍに上層コアを作製した。レジストパター
ンを剥離後、前記と同様な手順で、平坦なＵＶ樹脂クラ
ッド層（厚さ２２μｍ，コア上厚１４μｍ）を形成し
た。

【００６１】上述の平坦なＵＶ樹脂クラッド上に金属薄
膜をスパッタ装置にて堆積し、フォトリソグラフィー法
およびドライエッチング法を用いて加熱部を形成した。

【００６２】光導波路の入力および２つの出力にシング
ルモードファイバを突き合わせ接続し、入力側ファイバ
から波長１．５５μｍのレーザ光を入射した。上層コア
上の加熱部に通電し駆動させたところ、５０ｍＷの電力
で、全ての光信号が下層コアを通して出力された。この
時、光損失は３ｄＢ、消光比４０ｄＢであり、実用上十
分な特性を有する積層型熱光学スイッチが実現された。

【００６３】（実施形態２）上層および下層コアとクラ
ッドに屈折率の異なる熱硬化シリコーンを用いて、第１
の実施形態と同様のＹ分岐タイプ接触配置のデジタル型
スイッチを作製した。各部のサイズおよび角度は、第１
の実施形態と同じとした。波長１．５５μｍでの屈折率
のデータを表１に示す。

【００６４】

【表１】

【００６５】シリコン基板上に溶媒に溶かしたクラッド
用熱硬化性シリコーンをスピンコートし、２５０℃１時
間の加熱により硬化させ、厚さ２０μｍの下層クラッド
を作製した。この上に厚さ８．５μｍの下層コア用シリ
コーン層を同様に形成した。この上にレジストを塗布
し、パターン露光、現像を行った。さらにこのレジスト
パターンをマスクとして、四フッ化炭素の反応性イオン
エッチングを行い、下層コア層を８μｍ×８．５μｍの
矩形状に加工した後、レジストパターンを剥離した。

【００６６】次に、このリッジ型光導波路上にクラッド
用シリコーンをスピンコートし、熱硬化し、厚さ９．５
μｍの平坦な下部クラッド膜を得た。次に、マスクなし
で全面を反応性イオンエッチングにより１．５μｍ削り
とった。これにより、断面が８μｍ×８μｍの下層コア
が、周囲の下部クラッドと上面を揃えて形成された。さ
らに、この上に、厚さ８μｍの上層コア用シリコーン膜
を積層し、レジスト塗布後、精密に位置合わせされた上
層コア用のマスクを用いて、パターン露光、現像を行
い、さらに反応性イオンエッチングによって、幅８μｍ
に上層コアを作製した。レジストパターンを剥離後、前
記と同様な手順で、平坦なクラッド層（厚さ２２μｍ、
コア上厚さ１４μｍ）を形成した。

【００６７】上述の平坦なクラッド上に金属薄膜をスパ
ッタ装置にて堆積し、フォトリソグラフィー法およびド
ライエッチング法を用いて加熱部を形成した。

【００６８】スイッチの構造として、第１の実施形態記
載の上層コア入力タイプ（タイプＡ）の他に、図２に示
した下層コア入力タイプ（タイプＢ）についても、併せ
て作製した。

【００６９】作製した素子の各ポート間の挿入損失とヒ
ーター加熱電力との関係の測定結果を表２に示す。測定
波長は１．５５μｍである。

【００７０】

【表２】

【００７１】タイプＡ、タイプＢとも、４０〜８０ｍＷ
の何れの加熱電力においても、オンポート（Ｏｕｔ２）
挿入損失と消光比は、それぞれ２．２ｄＢ以下、３７ｄ
Ｂ以上であった。この加熱電力範囲においては、加熱電
力に依存しない、いわゆるデジタル的スイッチ特性を保
証できることが分かった。

【００７２】（実施形態３）図７は、Ｘ分岐タイプ接触
配置のデジタル型スイッチの実施形態、ここでは符号３
０で示す部分として図３に示したスイッチを含む例を示
す。各部のサイズは、コアの上下層とも断面８μｍ×８
μｍ、下層コアと基板との間のクラッド厚２０μｍ、上
層コア上のクラッド厚１４μｍ、分岐角０．２度、ヒー
ター長４ｍｍとした。使用した材料と作製プロセスは第
２の実施形態と同じである。なお、３５ａは加熱部３５
の端子である。

【００７３】作製した素子の各ポート間の挿入損失とヒ
ーター加熱電力との関係の測定結果を表３に示す。測定
波長は１．５５μｍである。

【００７４】

【表３】

【００７５】５０〜９０ｍＷのいずれの加熱電力におい
ても、クロスポート挿入損失と消光比は、それぞれ２．
２ｄＢ以下、３７ｄＢ以下であった。以上から、本光ス
イッチが加熱なしでバーステイト、５０〜８０ｍＷの加
熱でクロスステイトとなる２×２スイッチとして動作す
ることが確かめられた。

【００７６】（実施形態４）図８は、ギャップ配置のＤ
Ｃ型スイッチの実施形態、ここでは符号４０で示す部分
として図５に示したスイッチを含む例を示す。各部のサ
イズは、コアの断面８μｍ×８μｍ、下層コアと基板と
の間のクラッド厚２０μｍ、上層コア上のクラッド厚１
４μｍ、上下コア間のギャップ厚３μｍとした。上下コ
アが重なる結合部分の長さは、完全結合長となる１．７
ｍｍとし、ヒーター長は２ｍｍとした。また、図５のＤ
領域における曲げ半径は３０ｍｍとした。使用した材料
と波長１．５５μｍにおける屈折率を表４に示す。作製
プロセスは第２の実施形態に準じている。ただし、上下
コア間のギャップ作製のため、下層コアは厚さ８μｍ、
下部クラッドは厚さ１１μｍとして、下部クラッド形成
後の全面エッチングは行っていない。

【００７７】

【表４】

【００７８】作製した素子の各ポート間の挿入損失とヒ
ーター加熱電力との関係の測定結果を表５に示す。測定
波長は１．５５μｍである。

【００７９】

【表５】

【００８０】以上の結果から、ヒーター加熱電力０ｍＷ
においてクロスステイト、３２ｍＷにおいてバーステイ
トとなる２×２スイッチとして動作することが確かめら
れた。

【００８１】（実施形態５）第４の実施形態と同様の手
順で、コア材として市販の光学高分子材料、即ちアート
ン（日本合成ゴム製）あるいはゼオネックス（日本ゼオ
ン製）を用いてギャップ配置のＤＣ型スイッチを作製し
た。クラッド材としては、各々のコア材に対して、１．
５５μｍ帯での比屈折率差が０．３±０．０５％となる
ＵＶ樹脂を用た。

【００８２】作製した２つのギャップ配置のＤＣ型スイ
ッチで４０ｄＢ以上の消光比を得るためには７０ｍＷ以
上のヒータが必要であった。

【００８３】（実施例６）図８に示す構造のギャップ配
置のＤＣ型スイッチにおいて、下層が無機ガラス製のコ
ア・クラッドからなるスイッチを作製した。使用した材
料を表６にまとめる。

【００８４】

【表６】

【００８５】Ｇｅドープ石英ガラスによる下部クラッド
および下層コアは、火炎堆積法で作製した。中間クラッ
ド作製以降のプロセスは、第１および第４の実施例に準
じた。光導波路構造を図９に示す。図中、５１は基板、
５２は高分子上層コア、５３は石英ガラス下層コア、５
４は高分子上部クラッド、５５は高分子中間クラッド、
５６は石英ガラス下部クラッド、５７は加熱部である。
各部のサイズは、第４の実施例と同じとした。

【００８６】作製した素子の各ポート間の挿入損失とヒ
ータ加熱電力との関係の測定結果を、表７に示す。測定
波長は１．５５μｍである。

【００８７】

【表７】

【００８８】以上の結果から、ヒータ加熱電力３ｍＷに
おいてバーステイト、２４ｍＷにおいてクロスステイト
となる２×２スイッチとして動作することが確かめられ
た。Ｇｅドープ石英ガラス光導波路は、本実施例におい
ては、上記のように、火炎堆積法で作製したものを用い
たが、化学気相堆積法およびその改良法等で作製したＧ
ｅドープ石英ガラス光導波路を用いても、スイッチ特性
に大きな変化は生じないことを確認した。

【００８９】（実施例７）ギャップ配置のＤＣ型スイッ
チを単位スイッチとする４×４マトリックススイッチを
作製した例を、図１０に示す。上層コア、下層コアおよ
びクラッドのサイズ、材料は、第６の実施例と同様であ
る。

【００９０】図１０（ａ）は単位スイッチを示すもの
で、図中、６１は石英ガラス製下層コアであり、交差角
２０度の直線交差光導波路をなしている。６２はＵＶ樹
脂製上層コアであり、半径３０ｍｍで、長さ約１０ｍｍ
の曲線部６２ａと、長さ１．７ｍｍの直線結合部６２ｂ
とからなっている。なお、直線結合部６２ｂのクラッド
上には、図示しない加熱部が配置される。非加熱時に
は、Ｉｎ１−Ｏｕｔ２、Ｉｎ２−Ｏｕｔ１の組み合わせ
が接続状態になる。両端の直線結合部６２ｂを同時に加
熱すると、光は上層コアに結合し、Ｉｎ１−Ｏｕｔ１が
接続状態になる。

【００９１】この単位スイッチ６０を１６個、図１０
（ｂ）に示すように結合して４×４マトリックススイッ
チを作製した。なお、６３は入出力用石英ガラスの下層
光導波路である。必要な４つの単位スイッチ６０を加熱
動作させることで、４×４の非ブロッキング接続が実現
された。マトリックススイッチ動作時の特性を、表８に
示す。

【００９２】

【表８】

【００９３】（実施例８）ギャップ配置の２×２ＤＣ
型スイッチを、単位スイッチとする光ＡＤＭ回路を作製
した。８チャネルの石英ガラス製ＡＷＧ２つを、８本の
石英ガラス製無分岐無交差導波路で結んで、これを下層
コアとし、１本の熱硬化シリコーン樹脂製の上層コアが
基板に垂直な方向から見て下層の石英ガラス製無分岐無
交差導波路と交差する部分にギャップ配置ＤＣ型スイッ
チを設置した。高分子導波路材料として熱硬化シリコー
ン樹脂を用いたことを除いて、上層下層の各コアサイズ
とコア間隔および比屈折率差、上層下層の各コアクラッ
ド間の比屈折率差等は、実施例６、７と同一条件とし
た。上層の熱硬化シリコーン樹脂製導波路上に並んだ８
個のスイッチは、それぞれ８波長の中の１波長に対応し
ている。概略の構成は、図１１に対応する。スイッチ部
分は、比加熱時はバー状態、加熱時はクロス状態となる
ように設計した。８個のスイッチについて、任意に選ん
だスイッチを次々に動作させることで、対応する波長の
信号を、随時、分岐挿入することができた。この時の回
路特性を、表９に示す。

【００９４】

【表９】

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スイッチを構成する少なくとも２本のコアを積層型とす
ることによって、理想的な温度勾配の利用と最適な光導
波路材料の選択が可能となり、従来にない低電力動作を
実現可能となった。また、厚み方向に配置する構造であ
るために、スイッチ自体をコンパクトに抑えることが可
能となり、光クロスコネクトや光ＡＤＭのような大規模
スイッチへの展開も用意とすることができ、光路切替が
必要となるあらゆる領域において、従来の光スイッチ以
上の性能が発揮できるので、将来の光波ネットワークや
光ＬＡＮに不可欠な部品として幅白く活用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｙ分岐タイプ接触配置のデジタル型スイッチの
一例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図である。

【図２】Ｙ分岐タイプ接触配置のデジタル型スイッチの
他の例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面
図、（ｃ）は側面図である。

【図３】Ｘ分岐タイプ接触配置のデジタル型スイッチの
一例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は側面図である。

【図４】デジタル型熱光学スイッチの分岐部断面の温度
分布を示す断面図であり、（ａ）は従来の平面型スイッ
チを示し、（ｂ）は本発明の積層型スイッチを示してい
る。

【図５】ギャップ配置のＤＣ型スイッチの一例を示すも
ので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面
図である。

【図６】Ｙ分岐タイプ接触配置のデジタル型スイッチの
実施例を示す平面図である。

【図７】Ｘ分岐タイプ接触配置のデジタル型スイッチの
実施例を示す平面図である。

【図８】ギャップ配置の方向性結合型スイッチの実施例
を示す平面図である。

【図９】ギャップ配置の方向性結合型スイッチの他の実
施例を示す断面図である。

【図１０】ギャップ配置の方向性結合型スイッチを集積
した４×４マトリックススイッチの実施例を示す構成図
であり、（ａ）は要部の構成図であり、（ｂ）はスイッ
チマトリックス全体の構成図である。

【図１１】ギャップ配置の２×２方向性結合器型スイッ
チを単位スイッチとした本発明による光ＡＤＭ回路の構
成図である。

【符号の説明】

１１、２１、３１、４１、５１基板１２、２２、３２、４２、５２、６２上層コア１３、２３、３３、４３、５３、６１下層コア１４、２４、３４、４４クラッド１５、２５、３５、４５、５７加熱部４６ギャップ５４上部クラッド５５中間クラッド５６下部クラッド６０単位スイッチ１０１平面型デジタル熱光学スイッチ１０２積層型デジタル熱光学スイッチ１０３分岐部コア断面１０４１０℃毎の等温線１０５加熱中のヒータの断面１０６非加熱中のヒータの断面１０７基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と垂直な方向に直接あるいは所定の
厚さのクラッド層を挾んで配置される少なくとも２本の
コアと、基板と垂直な方向からみて前記コアが重なる領域近傍に
熱光学屈折率変化を誘起させて前記少なくとも２本のコ
ア間で光路を切り換えるために、前記コアが重なる領域
近傍の真上からクラッドを介して加熱する加熱部と、を
備えたことを特徴とする積層型熱光学スイッチ。
【請求項２】前記２本のコアが基板と垂直な方向に直
接接して配置される部分を有し、前記加熱部は、基板と垂直な方向から見て接触部近傍の
コアと重なる位置に、接触部に対して基板と反対側に所
定の厚さのクラッド層を介して配置されている、ことを
特徴とする請求項１に記載の積層型熱光学スイッチ。
【請求項３】前記２本のコアが所定の厚さのクラッド
層を介して互いに光結合する部分を有し、前記加熱部は、前記光結合可能な部分の少なくとも一部
に基板と垂直な方向から見て重なる位置に、基板と反対
側に所定の厚さのクラッド層を介して配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の積層型熱光学スイッ
チ。
【請求項４】前記各コアの熱光学定数が異なることを
特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の積層型
熱光学スイッチ。
【請求項５】下層コアが互いに交わることのない無機
ガラス製の複数本の光導波路からなり、上層コアが互い
に交わることがなく前記下層コアと必ずしも同本数では
ない高分子製の光導波路からなり、前記下層コアと上層
コアが基板に垂直な方向から見て交差する部分に請求項
１記載のスイッチが形成されていることを特徴とするス
イッチマトリックス。
【請求項６】下層コアが無機ガラス製の網目状の交差
光導波路からなり、上層コアの両端が、基板に垂直な方
向からみて交差する異なる２本の下層コアを交差点を挾
むようにして、当該下層交差コアそれぞれと、請求項１
記載のスイッチを構成していることを特徴とするスイッ
チマトリックス。
【請求項７】請求項５あるいは請求項６記載のスイッ
チマトリックスを介して、２つの多重波長合分波器が接
続されてなることを特徴とする光アドドロップマルチプ
レクサ。