JPH11505940A - カスケード熱光学デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第一のＹスプリッター（４）を形成する少なくとも一つの入力光通路（２）及び少なくとも二つの出力光通路（３、３´）を含み、ここで少なくとも一つの出力光通路（３、３´）が主たる加熱要素（５、５´）を備えているところの導波体構造（１）を含む熱光学デバイスに関し、出力光通路（３、３´）が第二のＹスプリッター（７）を形成する追加の分岐（６）を備えており、ここで分岐（６、６´）の少なくとも一つが副次的加熱要素（８、８´）を備えている。一つの分岐（６´）が第一のＹスプリッター（４）の出力光通路（３、３´）の一つと一致するようにして、追加の分岐（６）が反対方向に位置付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 カスケード熱光学デバイス 本発明は、光導波体構造を含む熱光学デバイスに関し、第一のＹスプリッター を形成する少なくとも一つの入力光通路及び少なくとも二つの出力光通路を含み 、ここで少なくとも一つの出力光通路が主たる加熱要素を備えている熱光学デバ イスである。 熱光学デバイスは、例えばDiemeer ら著、Journal of Lightwave Technology 、第７巻、第３号、第４４９〜４５３頁、１９８９年から公知である。一般に、 これらの研究は、温度依存性屈折率（分極独立性熱光学効果）を示す、用いた光 導波体物質の現象に基づいている。そのようなデバイスは、なかんずく、無機物 質例えばイオン交換されたガラス及びチタン添加したリチウムニオベートにおい て実現された。Diemeer らにより開示された熱光学デバイスのための全てポリマ ーの導波体の使用の利点は、温度の適度な増加が屈折率の大きな変化をもたらし 得るということから成る。Diemeer により述べられたデバイスは、全てポリマー の平面スイッチである。スイッチングは、熱的に誘導されたインデックスバリア ーからの全内部反射を利用することにより達成される。該デバイスは、基板（Ｐ ＭＭＡ）、導波体構造（ポリウレタンワニス）、及びバッファー層（ＰＭＭＡ） を含み、ここで加熱要素は機械的マスクを通 してバッファー層上に蒸着された銀の細長いヒーターである。 熱光学スイッチングデバイスはまた、Mohlmannら著、SPIE Vol.1560 Nonlinea r Optical Properties of Organic Materials IV 、第４２６〜４３３頁、１９９ １年に開示されている。導波体チャンネルが照射を経て作り出され得るところの ポリマーが使用される。開示されたデバイスは、非対称のＹ接続を含む分極／波 長に無感応のポリマースイッチである。スイッチング特性は、そのような非対称 のＹ接続において、モード展開における変化を引き起こす熱誘導された屈折率変 調に基づく。該デバイスはガラス基板、及びＮＬＯポリマーを含むポリマーの多 層を含む。他の開示された熱光学デバイスは、熱光学的にバイアスされた電気光 学マッハツェンダー(Mach Zehnder)干渉計である。 Electronic Letters、第２４巻、第８号、第４５７〜４５８頁、１９８８年中 に、光ファイバーが、結合領域の上に付けられたシリコーン樹脂のクラッデッイ ング物質を持つ単一モードのヒューズされた(fused)結合器を使用することによ り結合されている光学スイッチが開示されている。スイッチングは、シリコーン クラッデッイングの熱的に誘導された屈折率変化により達成される。 米国特許第４，７５３，５０５号明細書中に、温度依存性屈折率を持つ物質が ポリマー又はガラスである積層導波体を含む熱光学スイッチが開示されている。 米国特許第４，７３７，００２号明細書中に、光ファイ バー又は光集積回路のいずれかを使用して形成され得るところの熱光学結合器が 開示されている。 開示されたポリマー熱光学デバイスは、熱光学効果が例えばスイッチングを達 成するために採用され得ることを十分に確立するとはいえ、公知のデバイスにお いておおいに所望されるべき消光（１０１０ ｌｏｇ＝(光パワーオン)／光パワ ーオフとして定義される）はそのままであり、かつクロストークがしばしば問題 である。これらの問題は、特定のデザインの導波体構造を持つ熱光学デバイスを 提供することにより解決され得る。 この目的で、本発明は、開始の段落に認められるタイプのポリマー熱光学デバ イスにおいて、出力光通路（３、３´）が第二のＹスプリッター（７）を形成す る追加の分岐（６）を備え、かつ分岐（６、６´）の少なくとも一つが副次的加 熱要素（８、８´）を備えていることから成る。 該参照番号は、下記において述べられるところの図１ａ、１ｂ及び２において 使用される番号を言う。 従って、本発明に従う熱光学デバイスは、追加のＹスプリッターを含む。要す るに、スプリッターのカスケードが作られた。スプリッターのカスケードは、消 光比の改善及びクロストークの減少をもたらすようである。本発明に従う熱光学 デバイスを使用する時、第二のＹスプリッターの一つの出力通路のみが機能的出 力通路である。この機能的出力通路が「オフ」状態にある時、他の分岐は、機能 的出力通路における光パワーを減じるために、即ち、消光を改 善しかつクロストークを減じることに光を向けるために使用される。 第二のＹスプリッター（７）の各々において一つの分岐（６´）が第一のＹス プリッター（４）の出力光通路（３、３´）の一つと一致するようにして、追加 の分岐（６）が反対の方向に位置付けられるところの熱光学デバイスがとりわけ 好ましい。このより凝縮されたデザインは、より高い密度（１ｃｍ²当りのより 多い入力口及び出力口）を持っ熱光学デバイスを提供する。更に、該デバイスの 減じられた長さの故に、より少ない挿入損が生ずる。更に、加熱要素の数がこの デザインにおいて減じられ、また必要とされる電気接点の数も減じられる。本発 明の好ましいこの実施態様は、下記において述べられる図２において説明される 。 本発明に従うデバイスは、光ファイバー又は光集積回路のいずれかを使用して 形成され得る。温度の適度な変化が屈折率の大きな変化をもたらしさえし得る故 に、これらの光集積回路のポリマー熱光学デバイスが好ましい。 集積された熱光学デバイスは、例えば次のようにして作り上げられ得る。導波 体構造の下に支持物例えばガラス又はシリコン基板がある。基板上に、下記の次 々と連続する層、即ち下方クラッディング層、コア層（ガイディング層）、及び 上部クラッディング層が認められ得る。クラッディング物質はガラス又はポリマ ー物質であり得る。該クラッディング層はコア層の屈折率より低い屈折率を持っ ている。 コア層は事実上の導波体デザインを含み、無機又はポリマー物質により作られ得 る。 本発明において提供される導波体構造は、任意の種類の熱光学デバイス、例え ば対称熱光学デバイス、非対称熱光学デバイス、及び下記において述べられるよ うに作り上げられた非対称の層を持つ熱光学デバイスに組み込まれ得る。 非対称デバイスにおいて、第一のスプリッターの出力通路の一つは他の通路よ り広く、デフォールトスイッチング状態(default switching state)を作り出す 。原則として、このスプリッターは第一のＹスプリッターにおいて一つの加熱要 素をのみを必要とする。本発明に従う熱光学デバイスは、対称及び非対称のＹス プリッターの任意の組み合わせを含み得る。 作り上げられた非対称の層を持つ熱光学スイッチにおいて、加熱要素に隣接す るクラッディングは、他のクラッディング層より低い屈折率を有する。本発明に 従う特定のデザインを持つ導波体構造は、これらのタイプの熱光学デバイスにお いて有利に使用され得る。作り上げられた非対称の層を持つ熱光学デバイスは、 改善された熱光学性能を有する。 ポリマーのコア層を使用する時、ポリマーのクラッディング層の使用が好まし い。これらの全てポリマーのデバイスにおいて、より一層安定なデバイスを提供 するために全ての種々の層の物理的性質を調節することが容易である。これらの 層のために使用されるポリマーはいわゆる光学ポ リマーである。 使用される光学ポリマーの屈折率は通常、１．４〜１．８、好ましくは１．４ ５〜１．６０の範囲内であろう。作り上げられた非対称の層を持つ熱光学デバイ スが使用される時、二つのクラッディング層間の屈折率コントラストは変化し得 る。 光学ポリマーは公知であり、そして当業者は適切な屈折率を持つポリマーを選 ぶこと、又は化学的変性、例えば屈折率に影響を及ぼすモノマー単位を導入する ことによってポリマーの屈折率を適合させることができる。全てのポリマーが熱 光学効果を示す故に、基本的に、使用される波長のために十分な透過性を持つ任 意のポリマーは、導波体部品のコア中に使用され得る。また、該透過性要求はク ラッディングにも妥当する。特に適切な光学ポリマーは、ポリアクリレート、ポ リカーボネート、ポリイミド、ポリ尿素、ポリアリーレートを含む。 本発明に従う導波体構造は、種々の方法で光通路のパターン（特定のデザイン ）を備えられ得る。これを達成するための方法は技術上公知である。例えば、ス ラブ導波体構造の部分を取り除くことにより、例えば湿式の化学的な又は乾式の エッチング技術（反応性イオンエッチング、レーザーアブレージョン）によって 、そのようなパターンを導入することができ、そしてより低い屈折率を持つ物質 を用いて、形成されたその欠陥を任意的に満たすことができる。あるいは、例え ば照射後に現像され得る感光性物質 が使用され得る。ネガ形フォトレジストの場合に、感光性物質は照射後に現像剤 に抵抗し、そして照射を受けなかった物質の部分が取り除かれ得る。ポジ形フォ トレジストを使用し、チャンネルを形成するであろう導波体部分を覆う照射マス クによりチャンネルを規定することが好ましい。次に、照射された物質は、現像 剤を使用することにより除かれ、その後より低い屈折率の物質が施与される。 しかし、取り除かれるべき物質なしに導波体パターンを規定することを可能に するコア物質を使用することがより強く好ましい。この性質の物質は存在し、例 えば熱、光、又はＵＶ照射を受けたとき異なる屈折率を持つ物質に化学的又は物 理的変換を受けるであろう物質である。この変換が屈折率に増加をもたらす場合 に、処理された物質は導波体チャンネルのためのコア物質として採用されるであ ろう。これは、開口部が所望の導波体パターンと同一であるマスクを用いること により達成され得る。屈折率の減少をもたらす処理の場合において、処理された 物質はクラッディング物質として適している。その場合に、上記のようなマスク 即ち、所望の導波体チャンネルを覆うものが使用される。特定の、そして好まし いコア物質のこのタイプの実施態様は、漂白され得るポリマー、即ち物理的及び 機械的特性が実質的に影響を受けることなしに屈折率が可視光線又はＵＶでの照 射により低められるポリマーにより形成される。この目的で、導波体チャンネル の所望のパターンを覆うマスクをスラブ導波体に備えること、及び（通常青色の ）光 又はＵＶ照射によって周囲の物質の屈折率を低めることが好ましい。漂白可能な ポリマーは、欧州特許第３５８，４７６号公報に開示されている。 結合された熱光学／電気光学デバイスを作る可能性を有するために、コア中に ＮＬＯポリマーを採用することが一層好ましい。 非線形光学（ＮＬＯ）物質とも呼ばれる光学的に非線形の物質が公知である。 そのような物質において、非線形分極が力の外部場（例えば電界）の影響下に生 ずる。非線形電気分極は、いくつかの光学的に非線形の現象、例えば周波数二倍 化、ポッケルス(Pockels)効果、及びカー(Kerr)効果を起すことができる。ある いは、ＮＬＯ効果は、光光学的に又は音響光学的に発生され得る。ポリマーのＮ ＬＯ物質をＮＬＯ活性にする（所望のＮＬＯ効果を巨視的に得る）ために、その ような物質中に存在する基、通常過分極し得る側鎖基が、まず整列（極化）され なければならない。そのような整列は、配向のためにポリマー鎖を十分に可動性 にするであろうような加熱と共に、（直流）電圧、いわゆるポーリング場にポリ マー物質をさらすことにより通常もたらされる。ＮＬＯポリマーは、なかんずく 欧州特許第３５０，１１２号公報、同第３５０，１１３号公報、同第３５８，４ ７６号公報、同第４４５，８６４号公報、同第３７８，１８５号公報、及び同第 ３５９，６４８号公報に開示されている。 本発明に従うポリマー光導波体を作ることは通常、下方 クラッディングとして使用されるポリマーの溶液を、例えばスピンコーティング により基板に施与すること、次に溶剤を蒸発させることを含むであろう。次に、 コア層及び上部クラッディング層は同一の方法で施与され得る。上部クラッディ ングの頂部に、加熱要素が、例えばスパッタリング、化学蒸着、又は蒸発及び標 準リトグラフ技術により据えられるであろう。デバイスのより良い取扱いを可能 にするように、固着及び仕上げのために被覆層が全体の構造の頂部に施与されて よい。あるいは、被覆層に代えて、接着剤層が固着のために使用されて良く、そ の後全体の構造はその上に対物ガラスを据え付けることによって仕上げられ得る 。 全てポリマーの積層導波体構造を作る時、架橋可能ポリマーの形態で個々の層 を施与することが有利である。これらは、架橋可能モノマーを含むポリマー、又 はいわゆる架橋剤例えばポリイソシアネート、ポリエポキシド等を含むポリマー である。これは、次の層が与えられる時に溶解しない硬化したポリマーネットワ ークが形成されるように基板上にポリマーを施与しかつ該ポリマーを硬化するこ とを可能にする。 適切な基板は、なかんずくシリコンウエハ、セラミックス物質又はプラスチッ ク積層板、例えば強化されていてもされていなくてもよいエポキシ樹脂に基くも のである。適切な基板は当業者に公知である。高い熱伝導率によって、ヒートシ ンクとして機能できる基板が好ましい。これは、 熱光学スイッチングプロセスをかなり早めることができる。例えば「オン」の状 態にスイッチすることは導波体を加熱することにより達成され得ることを考慮す ると、「オフ」の状態を達成することは導波体を放冷することを単に要求するで あろう。この点で、好ましい基板は、ガラス、金属、又はセラミックスであり、 そしてとりわけシリコンである。 下方クラッディング層を通る光の損失を避けるために、二つのサブ層から作ら れるところの下方クラッディング層を使用することが好ましく、これらのうちの 下方の層（即ち、基板に隣接する層）は、他のサブ層（即ち、コア層に隣接する 層）より低い屈折率を持つ薄層（例えば約３μｍ）である。従って、実際の導波 体構造は、基板から「光学的に絶縁」されている。もし、基板がその屈折率のた めよりむしろその熱散逸特性のために選ばれたものであるなら、このことはとり わけ重要である。例えばシリコンは優れたヒートシンクであるが、導波体を形成 する層より高い屈折率を持っている。このことは、シリコン基板中への光の輻射 のために光の損失をもたらし得る。追加の低屈折率層は、全ての光が導波体を通 って伝搬するであろうという確実性を提供する。最適な熱プロフィールを有する ために、可能な限り薄い下方クラッディング層を持つことが好ましい。これは、 追加の低屈折率層の使用により可能である。無機物質より好ましくはポリマー物 質が選ばれることによって、このことは簡単な方法で実現され得る。 加熱要素は通常、薄いフィルム状の導電体、通常薄い金 属フィルムから作られるであろう。そのような熱エネルギー発生帯電導電体(liv e electric conductor)は、略して「抵抗ワイヤ」とも呼ばれ得る。勿論、適切 な熱エネルギー発生導体は、ワイヤ形式に限定されない。 熱エネルギー発生帯電導電体、即ち抵抗ワイヤは、薄膜技術の分野から自身公 知である加熱要素、例えばＮｉ／Ｆｅ又はＮｉ／Ｃｒであってよい。あるいは、 電極がそれから作られるものとして電気光学スイッチの分野から公知であるそれ らの物質を導電体として使用することができる。これらは貴金属例えば金、白金 、銀、パラジウム、又はアルミニウム、並びに透明電極として公知の物質例えば インジウムスズオキシドを含む。アルミニウム及び金が好ましい。 もし、極化したＮＬＯポリマーが本発明の導波体中に採用されるなら、電極と して機能し得る加熱要素を使用することは、単一のデバイス中で熱光学的機能及 び電気光学的機能を結合することを可能にする。 電極と抵抗ワイヤの機能が結合される場合に、サージは、例えば比較的大きな 直径の供給電極（低電流密度）及び続く比較的小さな直径を持つ部分を採用する ことにより実際の実施において実現され得る。すると、高電流密度は、この狭い 部分で作られ、それで熱が発生する。あるいは、異なる固有抵抗の二つの金属か ら作られた物質を使用すること、及び低い電流密度、又は給電における低い固有 抵抗の所望の効果を得るような方法で異なった金属処理の厚み又 は物質の組成のいずれかを変えることができ、同時に高い電流密度又は比較的高 い固有抵抗は、熱光学効果が所望される位置で示される。このように電流密度を 変えることにより、局所的に熱光学効果を得ることができる。ＮＬＯポリマーが 採用される場合に、加熱要素はＮＬＯポリマーの整列の間に最初に使用されてよ い。 本発明に従うデバイスは、種々の種類の光通信回路網において有利に使用され 得る。通常、熱光学部品は、光学部品例えば光源（レーザーダイオード）又は検 出器と直接に結合されるか、あるいはそれらは入力及び出力光ファイバー、通常 はグラスファイバーに結合されるであろう。 本発明は更に、次の図１ａ、１ｂ及び２に関して説明される。 図１ａは、本発明に従う特定のデザインを持つ導波体構造（１）の概略的な平 面図を示す。 図１ｂは、本発明に従う他の特定のデザインを持つ導波体構造（１）の概略的 な平面図を示す。 図２は、本発明に従う凝縮されたデザインを持つ導波体構造（１）の概略的な 平面図を示す。 図１ａは、第一のＹスプリッター（４）を形成する入力光通路（２）及び二つ の出力光通路（３、３´）を含み、かつ各々の出力光通路（３、３´）が、主た る加熱要素（５、５´）を備えているところの導波体構造（１）の概略的な平面 図を示す。出力光通路（３、３´）は、第二のＹスプリッター（７）を形成する 追加の分岐（６）を夫々 備えており、かつ分岐（６、６´）は副次的加熱要素（８、８´）を備えている 。 図１ｂは、第一のＹスプリッター（４）を形成する入力光通路（２）及び二つ の出力光通路（３、３´）を含み、かつ各々の出力光通路（３、３´）が、主た る加熱要素（５、５´）を備えているところの導波体構造（１）の概略的な平面 図を示す。出力光通路（３、３´）は、第二のＹスプリッター（７）を形成する 反対方向に位置付けられた追加の分岐（６）を夫々備えており、かつ分岐（６、 ６´）は副次的加熱要素（８、８´）を備えている。 図２は、第二のＹスプリッター（７）の各々において、一つの分岐（６´）が 第一のＹスプリッター（４）の出力光通路（３、３´）の一つと一致するように して、追加の分岐（６）が反対方向に位置付けられているところの導波体構造（ １）の概略的な平面図を示す。もし光が、入口（ＩＮ）から上部出口（ＯＵＴ１ ）にスイッチされるなら、加熱要素（８）及び（５´＝８）が加熱される。この より凝縮されたデザインにより、より高い密度を持つデバイスが得られ得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第一のＹスプリッター（４）を形成する少なくとも一つの入力光通路（２） 及び少なくとも二つの出力光通路（３、３´）を含み、ここで少なくとも一つの 出力光通路（３、３´）が主たる加熱要素（５、５´）を備えているところの導 波体構造（１）を含む熱光学デバイスにおいて、出力光通路（３、３´）が第二 のＹスプリッター（７）を形成する追加の分岐（６）を備えており、ここで分岐 （６、６´）の少なくとも一つが副次的加熱要素（８、８´）を備えていること を特徴とする熱光学デバイス。 ２．第二のＹスプリッター（７）の各々において、一つの分岐（６´）が第一の Ｙスプリッター（４）の出力光通路（３、３´）の一つと一致するようにして、 追加の分岐（６）が反対方向に位置付けられているところの請求項１記載の熱光 学デバイス。 ３．導波体構造の下に支持物があり、かつ該導波体構造が二つのクラッディング 層及び一つのコア層を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の熱光学デバイ ス。 ４．熱光学デバイスがポリマーデバイスであることを特徴とする請求項１〜３の いずれか一つに記載の熱光学デバイス。 ５．非対称熱光学デバイスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ に記載の熱光学デバイス。 ６．加熱要素に隣接するクラッディング層が、他のクラッディング層より低い屈 折率を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の熱光学デバ イス。 ７．ガイディング層ばかりでなく、クラッディング層もポリマーであることを特 徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の熱光学デバイス。 ８．下方クラッディングが二つのサブ層に分けられており、かつガイディング層 に隣接するサブ層はより高い屈折率を有し、かつ基板に隣接するサブ層はより低 い屈折率を有することを特徴とする請求項３〜７のいずれか一つに記載の熱光学 デバイス。 ９．第二のＹスプリッターの一つの出力通路のみが、機能的出力通路であるとこ ろの請求項１〜８のいずれか一つに記載の熱光学デバイスの使用方法。