JPS62119517A - 熱光学素子 - Google Patents

熱光学素子

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JPS62119517A
JPS62119517A JP26030285A JP26030285A JPS62119517A JP S62119517 A JPS62119517 A JP S62119517A JP 26030285 A JP26030285 A JP 26030285A JP 26030285 A JP26030285 A JP 26030285A JP S62119517 A JPS62119517 A JP S62119517A
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JP
Japan
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silicone
temperature
refractive index
light
thermo
Prior art date
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Pending
Application number
JP26030285A
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English (en)
Inventor
Minoru Kiyono
實 清野
Hiroki Nakajima
啓幾 中島
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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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】 〔発明の概要〕 本発明は、シリコーン(有機ケイ素化合物の重合体)の
大きな熱光学効果を利用したものであり。
このシリコーンと他の物質とを密着させて、これらの温
度を変化さ−U゛ることにより、−に記2つの物質量の
屈折率差を上記温度変化に伴い大きく変化させることを
可能にして、入射した光の進路を大きな角度で切換える
ことができるようにしたものである。
(産業上の利用分野〕 本発明は、熱光学効果、すなわち熱により屈折率が変化
する性質を利用した熱光学素子に係り。
特には複数の光導波路間の光スィッチ等に利用される熱
光学素子に関する。
〔従来の技術〕
従来、電気光学効果、磁気光学効果あるいは音響光学効
果を利用した導波路型の光スィッチは周知であるが、こ
れらは偏光依存性を持つため、入射光を一定の偏光状態
に処理し直す必要があり。
この処理が非常に複雑であった。
そこで近来、偏光とは無関係に動作させることができる
。熱光学効果を利用した光スィッチが提案されている。
例えば第5図に示すように。
1.1Nbo 3又はSiO2等の基板1上にT+拡散
あるいはイオン交換等により導波路2.3をわずかな角
度θ1 (く1°)で交差させて形成し、それらの交差
部分の上方あるいは下方にヒータ4を配設したものであ
る。ヒータ4をオンすれば、導波路2゜3のヒータ4と
対応する部分が加熱され、その部分の屈折率が変化する
ようになっている。
同図において、ヒータ4がオフの状態では屈折率が各部
分で一様であるため、導波路2に矢印A方向から入射し
た光11は交差部分を通過して導波路2内を光7!2と
してそのまま直進する。一方。
ヒータ4をオンにした場合t、l:、 −1−述したよ
うに交差部分の屈折率が変化して屈折率が生じるので。
上記の光11は交差部分で全反射して、光7!3として
導波路3内を進行することになる。このように、ヒータ
4のオン、オフを制御することにより。
光の進路を切換えることができるものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述したような従来の光スィッチにおいては。
各導波路を同一材料で形成し3部分的に屈折率変化を起
こさせていたにすぎず、しかもそれら導波路を形成する
材料の屈折率の温度係数(温度変化に対する屈折率変化
の割合: dn/ dt)が小さい。
そのため、上述した交差部分とその他の部分との間に大
きな屈折率差を持たせることができず、上述したような
交差部分での全反射の臨界角が非常に大きくなってしま
う。従って、第5図に示した導波路2,3の交差角θ1
を大きくとることができず、約1°程度が限度であるた
め、実用性に欠けるものであった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、光の進路を大きな
角度で切換えることができ、光スイツチ以外にも多くの
用途を持つ、非常に実用性に冨んだ熱光学素子を提供す
ることを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記目的を達成するために、シリコーンと、
これよりも屈折率の温度係数の小さな他の物質とを密着
し、温度可変手段により少なくとも上記シリコーンの温
度を変化させるようにしたものである。
〔作  用〕
シリコーンは屈折率の温度係数(dn/dt)が非常に
大きく、従来の光スィッチに使用されている材料と比較
すると数桁はぢがう。そのため、温度係数の小さな物質
とシリコーンとを密着して、シリコーンまたはそれらの
双方を加熱すれば、それらの物質量に大きな屈折率差が
生じる。このとき。
それらの物質の境界面において全反射が可能となり、し
かもその臨界角は非常に小さくなる。従って、シリコー
ンの温度を変化させることにより。
光の進路を大きな角度で切換えることができるようにな
る。
〔発明の実施例〕
以下8本発明の実施例について2図面を参照しながら説
明する。
第1図(alおよび(blば1本発明を導波路型の光ス
ィッチに適用した場合の一実施例を示す平面図。
−〇− およびその拡大A−A断面図である。
同図(alにおいて、基板11上には、角度θ2(〜3
0°)で交差された導波路12.13が形成されている
。これらの導波路12.13は、同図(blに示すよう
に、実際に有効な光の通過するTi x Si+、x 
O2等でできた中央部12a、13a。
その外側を覆うSiO2等でできた外側上部12b。
1、3 bおよび外側下部12c、13cとから構成さ
れている。導波路12.13の交差部分には。
同図(al、 fb)に示すように、上記中央部12a
と他方の中央部1.38とを仕切るように平板上のシリ
コーンの一種であるシリコンゴム14が設けられている
。更に、シリコンゴム14の下方であって基板11上に
は、上記交差部分のほぼ全域にわたってヒータ15が配
設されている。
次に、上記構成からなる光スィッチの製造工程について
、第2図[a)〜(f)に基づいて説明する。まず、同
図(8)に示すように、 Si等でできた基板11上に
Ta2N(チン化クンクル)あるいはW(タングステン
)等を蒸着することにより、ヒータ15を形成する。次
に、同図(1))に示すように、基板11およびヒータ
15上に、CVD等により層厚的4μmのSiO2層1
6を形成する。このSiO2層16は、第1図fblに
示した導波路12.13の外側下部12c、13cに相
当する。次に同図(C1に示すように、Si02層16
の上にスパッタ等により層厚的10μmのTi x S
I’+−x O2(二酸化チタンー二酸化シリコン混合
物)層17を形成する。これは、TiO2とSiO2の
混合比で任意の屈折率を得ることができるようにしてい
る。次に、同図(d)に示すように、八pで所定領域を
バターニングした後、  RI E (Reactiv
e Jon Iptching)等でチャネル化し、第
1図に示した導波1+’312.13の中央部12a、
13aを形成する。なお、上記のバターニングは交差角
約30°のX字状に行い、その交差部分がヒータ15の
丁度真上に位置するように行う。その後、第2図(Cり
に示すように、Si02層16および一1二記中央部1
2a、13a上からCVD等により層厚的41tmのS
tO2層18を形成する。この状態で、2つの導波1/
812.13が完成し+ T! x S 、−x O2
でできた屈折率の大きな中央部12a、13aの外周を
、屈折率の小さなSi02層16.18で包んだ構成と
なる。
その後、第2図(flに示すように、導波路12゜13
の交差部分において、中央部12a、13aの境界面に
所定幅の溝19を形成する。そして最後に、上記の溝1
9内にシリコンゴムを充填することにより、第1図に示
した導波路型の光スィッチが完成する。
次に、第1図(alに基づき9以上のようにして形成さ
れた光スィッチの作用を説明する。
シリコンゴム14は中央部12a、13aを形成するT
i xSt、、 02よりも屈折率の温度係数が非常に
大きく、温度が上昇すると屈折率がTi x Si、、
 02と比較して非常に小さくなる。但し。
常温においてはシリコンゴム14とTl x Si+−
x O2の屈折率差はほとんどない。
第1図(a)において、ヒータ15がオフの状態では、
シリコンゴム14と導波路12.13の屈折率はほぼ等
しいので、導波路12に矢印B方向から入射した光j!
IIはほとんどシリコンゴム14をそのまま通過して、
導波路12内を光Il+2として直進する。
一方、ヒータ15をオンすれば、シリコンゴム14が加
熱されるので、導波路12.13との間で大きな屈折率
差が生じる。なお、シリコンゴム14の領域に対し、ヒ
ータ15によって加熱される領域は広く、導波路12.
13の一部までにも及ぶが、シリコンゴム14の屈折率
変化に対し導波路12.13の屈折率変化は無視しうる
程度のものである。そのためこの場合、上記の光β11
のほとんどは、導波路12とシリコンゴム14との境界
面において小さな入射角でも全反射され。
光As3としても導波路1;(内を進行することになる
ここで第3図に、」二連した導波路12.13の交差角
θ2を29° 36′にとった場合の、上記の入射した
光N++の光NP11に対する直進する光A12の光量
P12及び全反射する光ff13の光量P13の割合を
、ヒータ15による温度変化との関係で示す。同図によ
れば、温度が約20°Cのときは、全反射する光!+3
はほとんどなく(10]og(P + 3/P + +
) < −20[dBコ)、光4++のほとんどは光7
!12として直進することがわかる(101og(P 
l 2 / P 1+二O[dB))。
ところが、温度を100“C以上上げると、直進する光
112の光量P12は著しく減少し、逆に全反射する光
l1I3の光量P13が増加し、温度を約30℃にすれ
ば光7!11の殆どは全反射されることがわかる(10
1og P l 3/P l l> 20 (dB) 
)。
従って、ヒータ15を制御することにより温度を20°
Cと130°Cとで変化させれば、入射した光β11の
進行方向を(約30°)容易に切換えて、直進光β12
あるいは全反射光I!13として取出すことかできる。
このように上記光スィッチは30°という大きな角度で
光の進行方向を切換えることができるので。
これらをマトリクス状に複数組合わせることによす、多
チャンネルのマトリクススイッチを構成することができ
る。なお、スイッチング速度もマイクロ秒(μsec 
)オーダーが可能であり、比較的゛高速のスイッチを得
ることができる。
なお、上記実施例でばヒータ15をシリコンゴム14の
下方に形成したが、」1方に形成してもかまわない。た
だし1 シリコーンは熱で体積がある程度増加すること
を考慮し、第1図(blに示したように上方を覆わずに
開放しておく方が望ましい。
また、ヒータ15でシリコンゴム14のみを加熱するよ
うしてもよいが、第1図に示したようにその周辺の部分
をも広く加熱してもかまわない。これは、前述したよう
に、シリコンゴム14の屈折率の温度係数が周辺の物質
とは比較にならないほど大きいからである。
次に、第4図に9本発明を空間ビーム型の光スィッチに
適用した場合の一実施例を示す。同図(alはその平面
図であり、同II fblはその+3−B断面図である
。同図においては、シリコンゴム21をSiO2等のガ
ラス部22.23で左右から挟み。
それらの下部前面に対してヒータ24を配設した構成と
なっている。本実施例においても、第1図に示した実施
例と同様にヒータ24をオン、オフすることにより、入
射した光112+を光422または光123として直進
または大きな角度で全反射させることができる。従って
、簡易な構成にもかかわらず、クロストーク特性の良い
光スィッチを実現できる。
また、シリコーンの種類は多数あるが光学素子において
は光ファイバなどのコート材として用いられているシリ
コンゴムが特に有効である。また。
本発明はシリコーンとヒータを合わせ持つ事を特徴とし
ており、全反射によるスイッチング素子に限定したもの
ではなく、屈折率を変化させて機能する方向性結合型ス
イッチ、変調器など応用は広い。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、屈折率の温度係数
(dn/dt)の非常に大きなシリコーンの熱光学効果
を利用することにより、シリコーンとこれに密着された
他の物質との間の屈折率差を。
13一 温度変化に基づいて大きく変化させることを可能にして
いる。そのため、これら二つの物質の境昇面において、
ある温度状態では小ざな入1・1角で入射した光を全反
則させ、また他の温度状態ではそのまま直進させること
が可能となるので、温度を変化させるだけで光の進行方
向を高速で、かつ大きな角度で容易に切換えることがで
きる。更に。
本発明は熱光学効果を利用したものなので、偏光依存性
が全くなく、光通信回路の途中にも容易に組込むことが
できる。従って本発明に係る熱光学素子は、前述した光
スイツチ以外にも更に多くの用途が期待でき、非常に実
用性に冨んでいる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)及び(blは本発明を導波路型の光スィッ
チに通用した場合の一実施例を示す平面図、及びその拡
大A−A断面図。 第2図(al〜(f)ば同実施例の製造工程を示す説明
図。 第3図は同実施例における温度と光出力との関係を示す
グラフ。 第4図(a+およびfblは本発明を空間ビーム型の光
スイツチに適用した場合の一実施例を示す平面図。 及びそのB−B断面図。 第5図は従来の導波路型の光スィッチを示す平面図であ
る。 12.13・・・導波路。 14・・・シリコンゴム。 15・・・ヒータ。 21・・・シリコンゴム。 22.23・・・ガラス部。 24・・・ヒータ。 ℃ Φ             T 5惠 浅  (0C) 第3図 第4図

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)シリコーンと、該シリコーンよりも屈折率の温度
    係数の小さな他の物質とを密着し、少なくとも前記シリ
    コーンの温度を変化させる温度可変手段を備えてなる熱
    光学素子。
  2. (2)前記温度可変手段が前記シリコーンに密着された
    前記他の物質の温度をも変化させることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の熱光学素子。
  3. (3)前記温度可変手段による温度の変化に応じて、前
    記シリコーンと前記他の物質の各屈折率が、それぞれ等
    しいかあるいはほぼ等しい状態と前記シリコーン側から
    の入射光が前記他の物質との境界面で全反射するだけの
    差を持つ状態とに変化することを特徴とする特許請求の
    範囲第1項または第2項記載の熱光学素子。
  4. (4)前記温度可変手段による温度の変化に応じて、前
    記シリコーンと前記他の物質との境界面での光の反射量
    が変化することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
    第3項のいずれか一つに記載の熱光学素子。
  5. (5)前記温度可変手段による温度の変化が雰囲気温度
    より高い2点で変化することを特徴とする特許請求の範
    囲第1項乃至第4項のいずれか一つに記載の熱光学素子
  6. (6)前記温度可変手段がヒータであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項乃至第5項のいずれか一つに記
    載の熱光学素子。
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