JPS5928131A - 光スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）発明の分野 この発明は光スィッチ、特に機械的な接触をともなわな
い光スィッチに関する。

（ロ）発明の背景 近年、光ファイバを用いた光伝送が実用化されつつあり
、その中でも光変換網や光データハイウェイが光伝送シ
ステムとして注目されるにいたっている。これらのシス
テムの基本コンポーネントとして光スィッチが使用され
るが、光ファイバとの接続の問題から、できるだけコア
径の大きなファイバの使用が必要なため、ビーム径の大
なるマルチモード光を制御する技術の開発が広〈産業界
で要請されている。

しかしながら従来の光切換制御は、光伝搬路に電界ある
いは磁界を印加して、電気光学効果あるいは磁気光学効
果によシ光伝搬路に設けられる誘電体材料の屈折率を制
御するものであり、シングルモード光導波路内の２〜５
〔μｍ〕程度の非常に細いビームを切換えるものであっ
た。一般に電界や磁界は表面層から深く入るにしたがい
減衰が大きいため２００〔μｔｏ）以上の太いビームを
制御する場合、高電圧や大電流が必要である。また電気
光学効果の大きい誘電体材料は導波路厚さの大きいマル
チモード先導波路を作成することが非常に困難であり、
一般にシングルモードの光導波路しか作成できないとい
う欠点がある。そのため従来の電気光学効果、磁気光学
効果による２〜５〔μｍ〕程度の小径光ビームの切換方
法を２００〔μｍ）以上の大径の光ビームの制御にその
まま適用することはできない。

一方、仮に２００〔μｍ）程度の光ビームの制御が可能
な光切換手段が実現したとしても、従来の光ファイバ、
バルク等よシなる光伝送システムでは光ファイバとパル
りの結合面で光ビームの拡大が生じ、なお光ビームの制
御の困難さが依然問題として残る。

そこでこれらの問題を一挙に解決するだめに。

この出願の発明者等は発熱体を加熱した場合にはその温
度分布に応じた屈折率分布で光導波路内の光ビームが偏
向され９発熱体を加熱しない場合には温度分布が生じず
光ビームが直進するという特性を利用した光スィッチを
創出し、すでに出願した。

この光スィッチは誘電体基板上に設けられ９分岐路を持
つ光導波路と、この光導波路の前記分岐路近傍に光導波
路の軸方向に垂直な方向に温度勾配を生じさせる温度勾
配発生手段とよりなり、前記温度勾配発生手段により分
岐路の温度勾配を変化させることによシ前記光導波路内
の光伝搬方向を制御するようにしたものである。この光
スィッチの基本原理について以下若干説明する。

第１図は誘電体材料１の表面に発熱体２を蒸着した場合
の温度σ）分布および屈折率（ロ）分布を示している。

図の特性曲線ａに示すように温度分布は発熱体２の中心
部２ａで最も高く発熱体２の端部２ｂから遠ざかるにし
たがって小さくなり、端部２ｂ付近に変曲点ａ１を持つ
関数でああ。このような温度分布によって誘電体材料１
の内部に温度分布曲線ａと相似形の屈折率分布が生じる
。誘電体材料１が高分子フィルムで形成される場合は温
度屈折率変化が負、ガラスで形成される場合は正となる
ので、たとえば誘電体材料１が高分子フィルムの場合に
は、屈折率分布は第１図のｂに示すように発熱体２の中
央部２ａの真下で屈折率ｎが最小となる分布曲線となる
。

ここで上記屈折率分布を有する高分子フィルム１上の発
熱体２の端部２ｂに入力用光ファイバ６よシ光ビームＣ
を入射させると、Ｘ軸方向に屈折率勾配が生じているた
め屈折率の大なる方向へ光ｊ玉偏向される。このときの
偏向角θは次式で表わされる。

ただし　、）１７．ｏ：温度に対する屈折率変化。

フ弘　：Ｘ軸方向の温度勾配 ｃｙ” Ｌ　：発熱体の光伝搬方向の長さ 上記において、　２＋！／、、Ｔは材料によってきまる
ものであるため、偏向角θを大きくするにはＤ′１／／
拠 すなわち温度勾配を大きくすればよい。そのためにコ−
８の最も大となる変曲点付近に光ビームを入射し、常に
偏向光が変曲点付近を通過するようにすればよい。

発熱体２の端部２ｂすなわち温度分布の変曲点ａ１に光
ビームＣを入射した場合の光ビームの軌跡が第２図に示
されている。

発熱体２が実線で示すように長方形である場合には、光
ビームＣは右方に偏向され発熱体２の端部２ｂより遠ざ
かるにつれて偏向角がθ→θ１→θ２→θ６→θ４→θ
５→・・・と変化し、偏向光ビームｄとして出射される
。

発熱体２が長方形の場合でも光ビームはかなり偏向を受
けるが、この場合発熱体２の端部２ｂより遠ざかるにし
たがい温度勾配置うえが小さくなり、偏向角は０〉θ１
　＞　０２　＞　０３　＞０４〉０５〉・・・の関係と
なり発熱体２の全体にわたって有効に屈折率勾配が利用
できないので大きな偏向角を得るには限界がある。

そこで９発熱体２の端部形状を、光ビームが常に温度分
布の変曲点付近すなわち一′ｒ／／ＩＸの最大点を通過
するように、光ビームの偏向軌跡に清って形成すること
が望ましい。たとえば一点鎖線で示す発熱体２′のよう
に端部２′ｂの形状を円弧状とすれば常に最大の偏向角
０で発熱体２の全長にわたって有効に屈折率勾配が利用
でき、ｅに示すような偏向効率の良い光ビームを得るこ
とができる。

上記した光スィッチによれば、非接触で大径光ビームの
切換を容易に行なうことができるし、光導波路に大コア
径のファイバを容易に結合することができるので挿入口
ヌが低減でき、さらに、ビームが広がらないため、低電
圧、低電力で比較的容易に光ビームの切換が可能である
。そのうえ温度勾配によって光を偏向させるものであり
、電界や磁界で制御する場合のように光の偏波方向によ
って制御割合が変化することがなく偏波面の影響を受け
ることなく、効率の良い光ビームの切換が可能である等
多くの長所を持っている。

しかしながら上記原理の光スィッチを非対称分岐形の光
導波路を用いて実現する場合には、非切換時（発熱体を
加熱しない時）に主導波路を直進した光が非対称分岐部
で、一部１分岐導波路に入射し分岐導波路内を伝搬する
という現象が生じる。

そしてこの現象は交差角が小さければ小さいほど顕著で
ありこの漏れ伝搬によるクロストーク消光比が問題とな
る。この問題を改善するためには交差角を大きくすれば
よいが、交差角を大きくすれば偏向角も大きくしなけれ
ばならず制御パワーからいって、それには限界がある。

（ハ）発明の目的 この発明の目的は上記した問題点を解消し、交差角をそ
れほど大きくしなくても、非切換時における主導波路か
ら分岐導波路への光ビームの漏れの少ない光スィッチを
提供するにある。

に）発明の構成と効果 上記目的を達成するために、この発明の光スィッチは主
導波路部と分岐導波路部からなシ、誘電体基板上に設け
られる光導波路と、前記主導波路部を前記分岐導波路に
結合する低屈折率層部と前記光導波路の分岐点近傍に設
けられ光導波路の軸方向に垂直な方向に温度勾配を生じ
させる温度勾配発生手段とで構成され、温度勾配発生手
段の動作／不動作により光導波路内の光伝搬方向を切換
えるようにしている。

この発明の光スィッチによれば主導波路部と分岐導波路
部間に低屈折率層を介在させているのでスイッチの非切
換時には主導波路部から分岐導波路部に光ビームが漏れ
ることはほとんどない。したがってクロストーク、消光
比等が改善される。

（ト）実施例の説明 第６図はこの発明の一実施例を示すマルチモード光スイ
ッチの斜視図である。同図において、基板１０上に低屈
折率のアクリル系樹脂で形成される表面コート層１１を
介して低屈折率モノマとしてアクリル酸メチルを含有し
た高分子フィルム（たとえばポリカーボネート）層１２
をキャスティングで形成し、サンドウィッチ構造として
いる。

高分子フィルム層１２の上面にも表面ツー１層１１が形
成されている。まだ、高分子フィルム層１２は紫外線露
光に、１：　Ｉ）　２００　〔ｐ　ｍ’）幅＋　２００
　（ｐｍ）　厚さの光導波路１６及びその分岐導波路１
４を形成している。なお先導波路１３と分岐導波路１４
は同一屈折率で連続的につながるものではなく２両者間
には１０〜２０（μｍ〕の幅を持つ低屈折率層のギャッ
プ領域２２を設け、光導波路１６は、この低屈折率層２
２を介して分岐導波路１４に結合されている。さらに表
面コート層１１には１分岐点１５の近傍に、光導波路１
３から分岐導波路１４に跨がるように発熱体としてのＮ
１ｃｒ　１６　（だとえば厚さ２０００人）が円弧状に
リフトオフ法にょシ蒸盾形成されている。Ｎ１ｃｒ１６
の面上の２点に、スイッチ１７を介して直流電源１８よ
り直流電圧（５（Ｖ））が印加されるように構成されて
いる。

上記光導波路１６には、コア径が２００　（μ１１］〕
の入力用光ファイバ１９が結合され、同じくコア径が２
００〔μｍ）の出力用光ファイバ２ｏが光導波路１３の
他端に直接結合されている。また切換用の２００〔μｍ
〕出力用光ファイバ２１が分岐導波路１４に直接結合さ
れている。

次に第４図および第５図を参照して、第３図のマルチモ
ード光スイッチの動作を説明する。

第４図は、非切換時における動作を説明するだめの上記
光スィッチの概略平面図である。

スイッチ１７がオフで直流電源１８の直流電圧がＮ１ｃ
ｒｉ６に印加されない場合すなわち非切換時は、Ｎ１ｃ
ｒ１６は加熱されず、したがって分岐点１５の近傍に温
度分布が生じないので入力用光フアイバ１９よシ光導波
路１６に入射された２００〔μｍ〕のマルチモード光は
光導波路１３に閉じ込められそのまま伝搬する。すなわ
ち分岐点１５近傍に温度勾配が生じないと主導波路１３
と分岐導波路１４間に依然１０〜２０〔μｍ〕の低屈折
率層であるギャップ領域２２が存在し、ｎ２＞ｎｌ（た
だしｎｌ：低屈折率層の屈折率、ｎ２：分岐導波路の屈
折率）の関係よシギャツプ領域２２に進入しようとした
光は全反射され、すべての光が主導波路１３をそのまま
伝搬し、出力ファイバ２０を経て出力光ｇが導出される
。この状態は光スィッチのオフ状態を示す。

ここで、もし低屈折率層ギャップ領域２２が設けられて
いないとすると主導波路１３と分岐導波路１４が直接結
合されることになり分岐導波路１４に一部の光が漏れ、
出力ファイバ２１を経て出力光１１が導出されるという
従前の不都合が生じることになる。

第５図は切換時における動作を説明するだめの上記光ス
ィッチの概略平面図である。

スイッチ１７がオンし、直流電源１８より直流電圧がＮ
１ｃｒｉ６に印加されるとＮ１ｃｒ１６に電流が流れＮ
１ｃｒ１６は発熱する。その結果電極直下の光導波路１
６には伝搬路に略直角に温度分布すなわち屈折率勾配が
生じる。またＮ１ｃｒ１６の端部形状が円弧状になって
いるため、入力用光ファイバ１９から光導波路１３に入
射されたマルチモード光は屈折率勾配の最大点付近を通
過しながら効率よく偏向される。そして導波路の臨界角
を越えるため低屈折率層ギャップ領域２２で全反射条件
が整わず導波路外へ飛び出し１分岐導波路１４へ光ｉが
入射するようになる。また電極直下は温度上昇によシ屈
折率変化が負となるため電極直下まで進んだ光、ｉは全
反射し、やは多分岐導波路１４へ入射する。したがって
切換時には低屈折率層ギャップ領域２２を越えて光が分
岐導波路１４に入射することになる。この状態は光スィ
ッチのオン状態を示し１以上のようにして光スイツチ作
用が行なわれる。

なお上記実施例においては、マルチモード光スイッチと
するため低屈折率層ギャップ領域の厚み。

幅を１０〜２０〔μｍ〕としたが、これを５〜１０〔μ
ｍ〕とすることによシシングルモード光スイッチに適用
することもできる。

また上記実施例において、光導波路を高分子フィルムで
形成する場合について説明したが、この発明はこれに限
ることなく、ガラスやさらに他の電気光学結晶、多結晶
、アルモファス材料等で形成した先導波路を用いてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は発熱体利用の光スィッチの原理を説明するため
の温度分布、屈折率分布を示す図、第２図は同光ビーム
の偏向軌跡を示す図、第３図はこの発明の一実施例を示
す光スィッチの斜視図、第４図は第３図に示す光スィッ
チの非切換時の動作を説明するための概略平面図、第５
図は同光スィッチの切換時の動作を説明するだめの概略
平面図。 である。 １０：基板、　１１：表面コート層。 １２：高分子フィルム層、　　１３：主導波路。 １４：分岐導波路、　　１５：分岐点。 １６：発熱体、　　１７：スイッチ。 １８：直流電源、　　１９：入力用光ファイバ。 ２０・２１：出力用光ファイバ。 ２２：低屈折率層ギャップ領域。 特許出願人　　　　　立石電機株式会社代理人　　弁理
士　　中　村　茂　信

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）主導波路部と分岐導波路部からなり、誘電体基板
   上に設けられる光導波路と、前記主導波路部を前記分岐
   導波路に結合する低屈折率層部と。 前記光導波路の分岐点近傍に設けられる光導波路の軸方
   向に垂直な方向に温度勾配を生じさせる温度勾配発生手
   段とよりなり、前記温度勾配発生手段の動作／不動作に
   よシ前記光導波路内の光伝搬方向を切換えるようにした
   光スィッチ。