JPWO2010073704A1 - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

光スイッチを波長フィルタと制御装置により構成する。波長フィルタは、所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路を具備する。また、マッハツェンダー光干渉計を構成する一対の光結合器を第１の導波路と第２の導波路よりなるフィルタ本体の両側に接続する。複数の波長フィルタを縦列結合した場合、各波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数を異ならせしめるようにしてもよい。制御装置は、第２の導波路のカットオフ周波数を第１の導波路の透過帯域内で変化せしめ、以って、波長フィルタのフィルタリング帯域を調整する。

Description

本発明は、フォトニック結晶構造を有する波長フィルタのフィルタリング帯域を調整することにより所定の周波数帯域の光の透過・非透過の切り換えを行なう光スイッチに関する。
本願は、２００８年１２月２６日に、日本国に出願された特願２００８−３３２４２２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

電子部品が集積されたトランジスタ集積回路のように、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が開発されている。現状では、光スイッチ、波長フィルタ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｆｉｌｔｅｒ）、３ｄＢ結合器（光カプラ）などの光部品を、光ファイバなどの光導波路（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を介して接続することによって光回路が構成されているが、複数の光部品を小さなチップに集積させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストを飛躍的に低減することができる。これまで、種々の光集積回路技術が開発されており、例えば、特許文献１に開示されたフォトニック結晶構造（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｕｃｔｕｒｅ）を有する光スイッチがある。フォトニック結晶（或いは、「フォトニック結晶体」）は、光の屈折率を周期的に変化させた構造体の総称である。

フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因する種々の特殊な光学的特長を有しており、代表的な特徴としてフォトニック・バンド・ギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ：ＰＢＧ）が挙げられる。フォトニック結晶は光を透過するが、結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、特定の周波数帯域の光を透過しない。フォトニック結晶を透過する光の周波数帯域（或いは、波長領域）をフォトニック・バンド（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ）という。また、フォトニック結晶を透過しない光の周波数帯域は、フォトニック・バンドの間に存在するギャップという意味で、フォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれる。フォトニック結晶の構造によっては、フォトニック・バンド・ギャップが複数の周波数帯域に存在することもある。フォトニック・バンド・ギャップにより分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から第１バンド、第２バンド、第３バンドと呼ばれる。

フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造（或いは、屈折率の周期性）を崩すような微小な欠陥が存在すると、フォトニック・バンド・ギャップの周波数を有する光はその微小欠陥に閉じ込められることとなる。その場合、微小欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるため、フォトニック結晶は共振器として機能する。このため、フォトニック結晶は周波数選択（波長選択）フィルタ（或いは、光フィルタ）として利用することができる。

フォトニック結晶中に複数の微小欠陥が連続的に並んで列を成して線欠陥（Ｌｉｎｅ Ｄｅｆｅｃｔ）が形成されると、フォトニック・バンド・ギャップの周波数を有する光は線欠陥に閉じ込められ、線欠陥に沿って伝播できるようになる。即ち、線欠陥を有するフォトニック結晶を光導波路として利用することができる。線欠陥が形成されたフォトニック結晶よりなる光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれる。

光フィルタや光導波路の一方を用いるか、或いは両者を組み合わせることにより光変調器や光スイッチなどの光機能素子を構成することができる。即ち、フォトニック結晶中に光機能素子を形成して接続することにより光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。

実際に光集積回路のプラットフォームとして利用できるフォトニック結晶構造には、以下に記述するような限定がある。
フォトニック・バンド・ギャップの効果をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸よりなる３次元で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が３次元周期構造を形成する必要がある。しかし、３次元構造は複雑であり製造コストが高くなるため、２次元構造の屈折率分布を有するフォトニック結晶（以下、２次元フォトニック結晶）が利用されることが多い。具体的には利用される２次元フォトニック結晶は有限厚さを有する基板状に形成されており、屈折率分布が平面内において周期性を有するが、基板の厚さ方向には屈折率分布は周期性を有しない。この場合、基板の厚さ方向における光の閉じ込めは、ＰＢＧ効果ではなく、屈折率差に起因する全反射により実現される。

有限厚さの２次元フォトニック結晶の光学的特徴は、無限厚さの２次元フォトニック結晶の光学的特性と完全には一致しない。しかし、有限厚さの２次元フォトニック結晶の厚さ方向の屈折率分布が光伝播領域において鏡映対称であれば、その光学的特性は無限厚さの２次元フォトニック結晶の光学的特性とほぼ一致する。無限厚さの２次元フォトニック結晶の動作予測は、有限厚さの２次元フォトニック結晶の動作予測に比べて格段に容易である。このため、鏡映対称の屈折率分布を有する２次元フォトニック結晶を利用したデバイスの設計は容易になる。

現在、種々の構造の有限厚さの２次元フォトニック結晶が開発されており、例えば、柱（ピラー）型正方格子フォトニック結晶は線欠陥導波路における光の伝播速度が広い周波数帯域で遅くなるという特徴（即ち、低群速度特性）を有する。一般に、光の伝播速度の遅い導波路を用いると、所定機能の光回路を短い導波路長で構成することができる。従って、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は光集積回路に適している。

図１２は、有限厚さの柱型正方格子フォトニック結晶１００の線欠陥導波路の構造を示す斜視図である。柱型正方格子フォトニック結晶１００では、低誘電率材料１０１中に高誘電率材料よりなる有限高さの円柱１０２と、円柱１０２よりも直径の小さい円柱１０３とが正方格子状に配列されている。円柱１０２及び円柱１０３の正方格子状配列がシリコンや水晶などの結晶中の原子の格子状配列に似ており、かつ、光学的用途に供しているため、「フォトニック結晶」と呼ばれている。尚、低誘電率材料１０１、円柱１０２及び円柱１０３の各材料は、結晶構造である必要はなく、アモルファス構造でもよい。

図１２において、円柱１０２が完全に周期的なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱１０３は円柱１０２よりも直径が小さいため、円柱１０３を完全結晶に発生した欠陥であると見做すことができる。以下の説明では、完全結晶の円柱１０２と欠陥に相当する円柱１０３とを区別するため、前者を「非線欠陥柱」、後者を「線欠陥柱」と称す。尚、線欠陥柱１０３自体に特に欠陥があるわけではない。

柱型正方格子フォトニック結晶１００において、線欠陥柱１０３は直線状に配列されており、この線欠陥柱１０３の直線配列とその周囲の非線欠陥柱１０２によって線欠陥導波路が形成される。柱型正方格子フォトニック結晶１００の線欠陥導波路では、線欠陥柱１０３の直線配列が光ファイバなどの全反射閉じ込め型の導波路のコアに相当し、その両側の非線欠陥柱１０２の格子配列や周囲の低誘電率材料１０１がクラッドに相当する。コアとクラッドにより導波路として機能する全反射閉じ込め型の導波路と同様に、線欠陥導波路も線欠陥柱１０３やその周囲の非線欠陥柱１０２及び低誘電率材料１０１により導波路として機能する。線欠陥導波路は、適切に設計・作成することにより基本モードのみを有する単一モード導波路として作動させることができる。

前述したように、フォトニック結晶中に微小欠陥を形成することにより波長フィルタを構成することができるが、実際には、波長フィルタに光を入出力する構造体を付加する必要がある。例えば、特許文献２に開示されるように、微小共振器の近傍に線欠陥導波路を配置したり、或いは、線欠陥導波路の一部に微小共振器を挿入することにより波長フィルタを構成している。このように、線欠陥導波路の近傍に微小共振器を具備した構造は、光のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）スイッチングを行なう光スイッチとして使用することができる。

一般に、微小共振器型波長フィルタはローレンツ型の透過特性を有しており、透過帯域幅に相当する半値全幅が狭いという問題がある。即ち、共振周波数の光のみが微小共振器付き導波路を透過することができ、共振周波数以外の周波数の光は微小共振器付き導波路を透過することができない。微小共振器の共振周波数を高周波側、或いは低周波側にシフトすることにより、元の共振周波数の光を透過するオン状態と、当該光を透過させない、或いは反射や放射（即ち、伝播損失）するオフ状態の切り替えを行なうことができるが、オン／オフ・スイッチング可能な波長が共振周波数のみに限定されてしまう。そこで、複数の同一構造の微小共振器を連接配列し、微小共振器を互いに光学的に結合して作動せしめることにより、透過特性の広帯域化、即ちフラットトップ化する方法がとられてきた。これにより、透過帯域の下限近傍と上限近傍に存在する２周波を同時にスイッチングすることができる。具体的には、微小共振器付き導波路の透過帯域を低周波側にシフトすることにより、透過帯域の上限近傍の第１周波を透過し、かつ、下限近傍の第２周波を反射（或いは、不透過）する第１状態から、第１周波を反射（或いは、不透過）し、かつ、第２周波を透過する第２状態に切り換えることができる。

特開２００２−３０３８３６号公報 特開２００４−２９５１１３号公報

上記のように複数の微小共振器を連接配列した構成では、波長が大きく異なる２周波を取り扱うため、元来狭帯域の共振器を大幅に広帯域化しようとすると、結合させるべき微小共振器の数が増大し、以って、光スイッチが大型化してしまう。また、スイッチングすべき２周波の一方を透過とし、他方を不透過とする組み合わせしかなく、２周波を同時に切り換えることができない。即ち、上記構成の光スイッチは、取り扱う波長の数を増加することができるが、スイッチング条件が限定されてしまうという問題点がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は大型化することなく、波長間隔の広い２周波以上の光について透過及び不透過（或いは、反射）のスイッチング動作を行なうことができる光スイッチを提供することである。また、この光スイッチは、２周波以上の光について独立にスイッチング動作を行なうことができるものとする。

本発明に係る光スイッチは波長フィルタと制御装置により構成される。波長フィルタは、所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路を具備する。また、マッハツェンダー光干渉計を構成する一対の光結合器を第１の導波路と第２の導波路よりなるフィルタ本体の両側に接続する。制御装置は、第２の導波路のカットオフ周波数を第１の導波路の透過帯域内で変化せしめ、以って、波長フィルタのフィルタリング帯域を調整する。

複数の波長フィルタを縦列結合した場合、各波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数を異ならせしめるようにしてもよい。

本発明に係る光スイッチの構成要素である波長フィルタでは、第１の導波路を透過する光を第２の導波路のカットオフ周波数（又は、カットオフ波長）を境界にして透過又は反射することにより、簡単な構成でカットオフ周波数を境界とした広帯域の光フィルタリングを実現する。また、制御装置により第２の導波路のカットオフ周波数を第１の導波路の透過帯域内で変化せしめるようにしたので、２周波の光を独立してスイッチングすることができる。

本発明の実施例１に係る光スイッチの斜視図である。 ピラー型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の透過スペクトルを示すグラフである。 低域濾波特性に対応する透過スペクトルを示すグラフである。 線欠陥柱のピラー断面積によりピラー型フォトニック結晶導波路のカットオフ周波数を変更する方法を説明する図であり、（ａ）はＣ帯の全域で光を透過する導波路を示し、（ｂ）はＣ帯の途中にカットオフ周波数を設けた導波路を示す。 一対の３ｄＢカプラ及びフィルタ本体より構成される本発明の実施例２に係る光スイッチの構成及び動作を説明する図である。 第１の波長フィルタ及び第２の波長フィルタよりなる本発明の実施例３に係る光スイッチの構成及び動作を説明する図である。 実施例３に係る光スイッチにおける入力光Ｌ１０、Ｌ１２及び出力光Ｌ１１、Ｌ１３の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る光スイッチにおいて入力光Ｌ１０を構成する光Ｌ１０ａを入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る光スイッチにおいて入力光Ｌ１０を構成する光Ｌ１０ｃを入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る光スイッチにおいて入力光Ｌ１０を構成する光Ｌ１０ｂを入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 実施例３に係る光スイッチにおいて入力光Ｌ１２を入射した際の伝播経路及び周波数スペクトルを示す図である。 有限厚さの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す斜視図である。

本発明の実施例１に係る光スイッチ１について図１、図２、図３、及び図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１に示すように、光スイッチ１は、特定の周波数帯域の光をフィルタリングする波長フィルタ２と、フィルタリング帯域を調整する制御装置３より構成される。波長フィルタ２は、所定の基本モードの透過帯域を具備する第１の導波路１１と、第１の導波路１１の経路中の少なくとも一箇所に設けられた第２の導波路１２とを有するフィルタ本体１０より構成される。第２の導波路１２は、第１の導波路１１の基本モード透過帯域に含まれる有限値をカットオフ波長とする基本モード透過帯域を有している。制御部３は、第２の導波路１２のカットオフ周波数を第１の導波路１１の基本モードの透過帯域内において変化させることにより、フィルタリング帯域を調整する。

実施例１では、第１の導波路１１及び第２の導波路１２はフォトニック結晶導波路、即ちピラー型正方格子フォトニック結晶導波路である。第１の導波路１１は、低誘電率材料からなる基体１１ａと、基体１１ａよりも高い誘電率材料からなり、円柱状に形成されて配列された非線欠陥柱１１ｂ及び線欠陥柱１１ｃより構成される。同様に、第２の導波路１２は、低誘電率材料からなる基体１２ａと、基体１２ａよりも高い誘電率材料からなり、円柱状に形成されて配列された非線欠陥柱１２ｂ及び線欠陥柱１２ｃより構成される。ここで、非線欠陥柱及び線欠陥柱については、前述した通りである。

図２はピラー型正方格子フォトニック結晶よりなる線欠陥導波路について実際に測定した透過スペクトルの一例を示すグラフであり、横軸は波長、縦軸は透過率を示す。この導波路の透過帯域の波長は１５２５ｎｍ乃至１６０５ｎｍの範囲であり、短波長側（或いは、高周波数側）のカットオフ波長は１５２５ｎｍである。例えば、入射光の波長範囲が１４５０ｎｍ乃至１５７０ｎｍの場合、上記導波路はカットオフ波長よりも小さい波長（或いは長い波長）の光を透過するローパスフィルタとして機能する。図３は、低域濾波特性に対応する透過スペクトルを示すグラフであり、横軸は周波数、縦軸は透過率を示す。

フォトニック結晶導波路は、その透過帯域のカットオフ波長を自由に設計することができる。ピラー型フォトニック結晶よりなる導波路の透過帯域のカットオフ周波数（又は、カットオフ波長）の設計原理について図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。例えば、光通信波長帯であるＣ帯（波長１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）の場合、線欠陥柱のピラー断面積を変化させることにより、Ｃ帯の全域で光を透過する導波路（図４（ａ））と、Ｃ帯の途中にカットオフ周波数を設けた導波路（図４（ｂ））を設計することができる。従って、第１の導波路１１はＣ帯の全域で光を透過する線欠陥導波路とし、第２の導波路１２はＣ帯の途中にカットオフ周波数ｆｃを設けた有限長の線欠陥導波路とし、第１の導波路１１に第２の導波路１２を挿入してローパスフィルタを構成する。

導波路のカットオフ周波数（又は、カットオフ波長）を変更する方法として、上記の線欠陥導波路の線欠陥柱の断面積を変化させる方法以外に種々の方法を用いることができる。例えば、線欠陥柱の配列の両側の格子を線欠陥柱から離間或いは近接する方法、中央の線欠陥柱の配列の両側に近接するピラーの断面積を大きく或いは小さくする方法などが挙げられる。

上記により、波長フィルタ２は、Ｃ帯の全域で光を透過する第１の導波路１１と、Ｃ帯の途中にカットオフ周波数を設けた第２の導波路１２を用いて構成することができる。即ち、波長フィルタ１は、Ｃ帯を基本モードの透過帯域とする第１の導波路１１と、第１の導波路１１の経路中の少なくとも１箇所に設けられた第２の導波路１２を具備するフィルタ本体１０より構成され、第２の導波路１２はカットオフ周波数ｆｃ（Ｃ帯に含まれる有限値）を有する基本モードの透過帯域を設けたローパスフィルタである。第１の導波路１１と第２の導波路１２はともに単一モード導波路であり、その動作帯域は（第１の導波路１１の基本モードの透過帯域である）Ｃ帯の一部又は全域であり、当該動作帯域中に第２の導波路１２のカットオフ周波数ｆｃが含まれ、そのカットオフ周波数ｆｃは高周波数側のカットオフ周波数となっている。

実施例１では、第２の導波路１２にピラー型フォトニック結晶を用いているため、カットオフ周波数ｆｃが透過帯域の上限周波数となり、以って、ローパスフィルタとして機能する。一方、第２の導波路１２に孔型フォトニック結晶を用いた場合、カットオフ周波数ｆｃが透過帯域の下限周波数となり、ハイパスフィルタとして機能する。その構成の場合、第１の導波路１１にも同時に孔型フォトニック結晶を用いてもよい。

次に、実施例１に係る波長フィルタ２をフォトニック結晶に実装する際の方法について説明する。
フォトニック結晶はＳＯＩウエハ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｗａｆｅｒ）を基板として作製する。ここでは、埋め込み酸化膜の厚さを２．０μｍ、シリコン活性層の厚さを１．０μｍとしたＳＯＩウエハを使用する。また、シリコン活性層はノン・ドープとする。

初めに、電子線露光技術を用いて図１に示すパターンを描画する。光通信用の導波光の波長を１．５５μｍとした場合、格子定数を０．４μｍ、円柱の直径を０．２４μｍとする。線欠陥柱１１ｃの直径は０．１６μｍ、また、線欠陥柱１２ｃの直径は０．２２μｍとする。

次に、異方性ドライエッチングにより描画したレジストパターンに従いシリコン活性層を垂直に加工する。その後、残留したレジストパターンをアセトンで除去し、埋め込み酸化膜と同じ屈折率１．４５の紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線で硬化させる。このようにして、波長フィルタ２を作製する。

制御装置３は、第２の導波路１２を加熱するヒータ４と、ヒータ４を駆動する制御部５より構成される。制御部５によりヒータ４を制御して、第２の導波路１２を加熱することにより第２の導波路１２の構成材料の屈折率を変化させ、以って、カットオフ周波数ｆｃを高周波側又は低周波側に変化させる。即ち、第２の導波路１２のカットオフ周波数ｆｃ近傍の周波数を有する光を波長フィルタ２に入射し、かつ、制御装置３によりカットオフ周波数ｆｃを入射光の周波数の近傍にシフトすることにより、入射光の透過と不透過（反射や放射）を切り換えるスイッチング動作を行なう。

カットオフ周波数ｆｃを変化させる制御装置３は熱光学効果を利用する上記の構成に限定されるものではない。第２の導波路１２を加熱して屈折率を変化させる方法、すなわち熱光学効果を生じさせる方法として、第２の導波路１２の構成材料が熱として吸収する波長の光を第２の導波路１２に入射するか、或いは、波長フィルタ２の外部から照射するようにしてもよい。熱光学効果を利用する方法以外に、電気光学効果を利用する方法や磁気光学効果を利用する方法により第２の導波路１２のカットオフ周波数ｆｃを変化させるようにしてもよい。電気光学効果を利用する方法では、第２の導波路１２に電界を発生するか、電流を流すことにより屈折率を変化せしめ、以って、カットオフ周波数ｆｃを変化させる。磁気光学効果を利用する方法では、第２の導波路１２に磁界を発生することにより屈折率を変化せしめ、以って、カットオフ周波数ｆｃを変化させる。電気光学効果や磁気光学効果を利用する方法に比べて、熱光学効果を利用する方法はカットオフ周波数を大きく変化させることができ、かつ、第２の導波路の構成材料にも制限がないので有効である。

次に、本発明の実施例２に係る光スイッチ１Ａについて説明する。ここで、実施例１と同一の部材については同一の符号を付して、その説明を省略する。

図５に示すように、実施例２に係る光スイッチ１Ａは、波長フィルタ２０と、波長フィルタ２０のフィルタリング帯域を調整する制御装置３Ａより構成される。波長フィルタ２０は方向性結合器であり、一対の３ｄＢカプラ２１、２２と、３ｄＢカプラ２１、２２の間に配設された２つのフィルタ本体２３、２４を具備する。フィルタ本体２３、２４はいずれもフィルタ本体１０と同様の構成を有しており、第１の導波路１１及び第２の導波路１２より構成される。一対の３ｄＢカプラ２１、２２によりマッハツェンダー光干渉計を構成しており、フィルタ本体２３、２４の端部は３ｄＢカプラ２１、２２に夫々接続されている。図５では、３ｄＢカプラ２１、２２を模式的に線状の導波路で表しているが、３ｄＢカプラ２１、２２をフォトニック結晶導波路で構成してもよい。波長フィルタ２０の動作周波数範囲内において、３ｄＢカプラ２１、２２の波長依存性が十分に小さいことが好ましい。

制御装置３Ａの基本構造は制御装置３と同様である。即ち、制御装置３Ａは、フィルタ本体２３の第２の導波路１２を加熱する第１のヒータ４Ａａと、フィルタ本体２４の第２の導波路１２を加熱する第２のヒータ４Ａｂと、第１のヒータ４Ａａ及び第２のヒータ４Ａｂを各々駆動する制御部５Ａより構成される。尚、制御装置３Ａは上記の構成に限定する必要は無く、実施例１で述べたような他の構成を用いてもよい。

次に、光スイッチ１Ａの動作について説明する。
前記フィルタ本体１０と同様に、フィルタ本体２３、２４はカットオフ周波数ｆ１のローパスフィルタを構成しており、３ｄＢカプラ２１、２２の上限側のカットオフ周波数はｆ０である。ここで、周波数ｆｉ（ｆｉ＜ｆ０）の入力光Ｌ１を３ｄＢカプラ２１のポート２１ａに入射すると、入力光Ｌ１は３ｄＢカプラ２１を透過する際に２つの分岐光Ｌ２、Ｌ３に分岐する。分岐光Ｌ２はポート２１ｂからフィルタ本体２３に供給され、分岐光Ｌ３はポート２１ｃからフィルタ本体２４に供給される。

波長フィルタ２０は、入力光Ｌ１の周波数Ｌｉ、３ｄＢカプラ２１、２２の上限カットオフ周波数ｆ０、及びフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１の大小関係に応じて、以下の動作を行なう。

先ず、入力光Ｌ１の周波数ｆｉがｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の場合、入力光Ｌ１の周波数ｆｉがフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１より高いため、分岐光Ｌ２、Ｌ３はフィルタ本体２３、２４を透過されずに反射される。反射された分岐光Ｌ２、Ｌ３は３ｄＢカプラ２１に戻ることとなるが、両者の位相が変化しなければ、３ｄＢカプラ２１を逆方向に透過した出力光Ｌ４となって、ポート２１ｄから出力される。

入力光Ｌ１の周波数ｆｉがｆｉ＜ｆ１の場合、入力光Ｌ１の周波数ｆｉがフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１より低いため、分岐光Ｌ２、Ｌ３はフィルタ本体２３、２４を透過して、ポート２２ａ、２２ｂを経由して３ｄＢカプラ２２に供給される。その後、分岐光Ｌ２、Ｌ３は３ｄＢカプラ２２を透過するが、その際、両者の位相が変化しなければ、出力光Ｌ５としてポート２２ｃから出力される。

上記の波長フィルタ２０の動作により、周波数スペクトルＳ１の入力光Ｌ１を３ｄＢカプラ２１のポート２１ａに入射すると、３ｄＢカプラ２１のポート２１ｄから周波数スペクトルＳ４の出力光Ｌ４が出力され、一方、３ｄＢカプラ２２のポート２２ｃから周波数スペクトルＳ５の出力光Ｌ５が出力される。即ち、マッハツェンダー光干渉計である波長フィルタ２０により、カットオフ周波数ｆ１を境界として、入力光Ｌ１は高周波数側の出力光Ｌ４と低周波数側の出力光Ｌ５に分波される。

また、波長フィルタ２０を逆方向に作動させると、合波器として機能する。この場合、３ｄＢカプラ２１のポート２１ｄに周波数ｆｉａ（ｆ１＜ｆｉａ＜ｆ０）の光を入射し、３ｄＢカプラ２２のポート２２ｃに周波数ｆｉｂ（ｆｉｂ＜ｆ１）の光を同時に入射すると、３ｄＢカプラ２１のポート２１ａから周波数ｆｉａ及び周波数ｆｉｂの光が多重化されて出力される。

上記の分波動作及び合波動作のいずれにおいても、波長フィルタ２０のフィルタ本体２３、２４の第２の導波路１２のカットオフ周波数ｆ１近傍の周波数の入力光を入射する際、制御装置３Ａによりカットオフ周波数ｆ１を入力光の周波数の前後となるように変化させることにより、光スイッチ１Ａは入力光の透過と不透過（或いは、反射や放射）を切り換えるスイッチング動作を行なうことができる。

次に、本発明の実施例３に係る波長フィルタ３０について図６乃至図１１を参照して説明する。ここで、実施例１及び実施例２と同一部分については同一の符号を付して、その説明を省略する。

図６に示すように、実施例３に係る光スイッチ１Ｃは、波長フィルタ３０と、波長フィルタ３０のフィルタリング帯域を調整する制御装置３Ｂより構成される。波長フィルタ３０は、マッハツェンダー光干渉計を構成する第１の波長フィルタ３１と第２の波長フィルタ３２を接続して構成される。実施例２に係る波長フィルタ２０と同様に、第１の波長フィルタ３１は一対の３ｄＢカプラ３３、３４とフィルタ本体３５、３６より構成される。同様に、第２の波長フィルタ３２は一対の３ｄＢカプラ３７、３８とフィルタ本体３９、４０より構成される。波長フィルタ３０は、以下に詳述するように、周波数ｆｉ（ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１＜ｆ０）の光を透過するバンドパスフィルタとして機能する。

波長フィルタ３０において、第１の波長フィルタ３１のフィルタ本体３５、３６の第２の導波路のカットオフ周波数ｆ１は、第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０の第２の導波路のカットオフ周波数ｆ２とは異なっており、ｆ２＜ｆ１の関係となっている。

第１の波長フィルタ３１において、フィルタ本体３５、３６の一端側に接続された３ｄＢカプラ３３は、ポート３３ａ、３３ｂにて光を入出力可能となっている。また、フィルタ本体３５、３６の他端側に接続された３ｄＢカプラ３４は、ポート３４ａ、３４ｂが第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３７、３８のポート３７ａ、３８ａに夫々接続されている。

第２の波長フィルタ３２において、フィルタ本体３９、４０の一端側に接続された３ｄＢカプラ３７のポート３７ａは３ｄＢカプラ３４のポート３４ａに接続され、ポート３７ｂは光を入出力可能とされている。一方、第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０の他端側に接続された３ｄＢカプラ３８のポート３８ａは３ｄＢカプラ３４のポート３４ｂに接続され、ポート３８ｂは光を入出力可能とされている。

３ｄＢカプラ３３、３４及び３ｄＢカプラ３８は各々中心対称とされており、入力導波路に対して対角線を成す位置（即ち、点対称となる位置）に設けられた導波路に光を出力するように、３ｄＢカプラ３３、３４、３８を構成する平行導波路の長さを決定している。また、３ｄＢカプラ３７では、入力導波路に対して対角線を成す位置ではなく、その中心位置で入力導波路を垂直に横切る面に対して面対称を成す位置に設けられた導波路に光を出力するように、３ｄＢカプラ３７を構成する平行導波路の長さを決定している。

制御装置３Ｂの基本構成は、制御装置３と同様に設計されている。詳細には、制御装置３Ｂは、第１の波長フィルタ３１のフィルタ本体３５、３６の第２の導波路１２を各々加熱する第１のヒータ４Ｂａ及び第２のヒータ４Ｂｂと、第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０の第２の導波路１２を各々加熱する第３のヒータ４Ｂｃ及び第４のヒータ４Ｂｄと、これらのヒータ４Ｂａ、４Ｂｂ、４Ｂｃ、及び４Ｂｄを各々駆動する制御部５Ｂより構成される。尚、制御装置３Ｂは上記構成に限定されるものではなく、実施例１で述べた他の構成を用いてもよい。また、制御装置３Ｂは、第１の波長フィルタ３１のカットオフ周波数ｆ１を変化させるヒータ４Ｂａ、４Ｂｂと、第２の波長フィルタ３２のカットオフ周波数ｆ２を変化させるヒータ４Ｂｃ、４Ｂｄを共通の制御部５Ｂで制御するものとしたが、カットオフ周波数ｆ１及びｆ２を独立した制御部により制御するようにしてもよい。

次に、光スイッチ１Ｃの動作の概要について説明する。
図７は、波長フィルタ３０の透過特性を示す。ここで、第１の入力光Ｌ１０は周波数スペクトルＳ１０を有しており、周波数ｆ０以下の複数の異なる波長の光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｂ、Ｌ１０ｃを含む。第１の入力光Ｌ１０を３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ｂは第１の波長フィルタ３１から第２の波長フィルタ３２に伝播し、以って、３ｄＢポート３８ｂから周波数スペクトルＳ１１を有する出力光Ｌ１１が出力される。第１の入力光Ｌ１０のうち、ｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ａは第１の波長フィルタ３１において反射され、以って、光Ｌ１３ａ及び光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｄから出力される。また、ｆｉ＜ｆ２の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ｃは、第１の波長フィルタ３１と第２の波長フィルタ３２を順に伝播した後、もう一度第１の波長フィルタ３１を伝播し、同じく光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。

一方、ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１２を有する第２の入力光Ｌ１２が第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂに入射する。第２の入力光Ｌ１２は第２の波長フィルタ３２及び第１の波長フィルタ３１を伝播し、光Ｌ１３ｂとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。即ち、光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｃに対応する光Ｌ１３ａ、Ｌ１３ｃと、第２の入力光Ｌ１２に対応する光Ｌ１３ｂが合波され、出力光Ｌ１３として第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。出力光Ｌ１３の周波数スペクトルＳ１３は、光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｃ及び第２の入力光Ｌ１２の各周波数スペクトルを合わせたものとなる。
上記のように、波長フィルタ３０はオプティカルアド／ドロップフィルタ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｆｉｌｔｅｒ）として機能する。

次に、図８乃至図１１を参照して波長フィルタ３０の動作を詳細に説明する。
ｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１０ａを有する光Ｌ１０ａを３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、光Ｌ１０ａは図８に破線で示す伝播経路５１を経由して第１の波長フィルタ３１を伝播する。図８は、光Ｌ１０ａが第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射して、ポート３３ｂから光Ｌ１３ａとして出力される様子を模式的に示しているが、実際には、光Ｌ１０ａは３ｄＢカプラ３３を透過した後、２分割されてフィルタ本体３５及び３６に供給される。その後、光Ｌ１０ａの分岐光はフィルタ本体３５、３６にて反射されて、周波数スペクトルＳ１３ａを有する光Ｌ１３ａとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。

ｆｉ＜ｆ２の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１０ｃを有する光Ｌ１０ｃを３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、光Ｌ１０ｃは図９に破線で示す伝播経路５２、５３、５４を経由して第１の波長フィルタ３１及び第２の波長フィルタ３２を伝播する。図９は、光Ｌ１０ｃが第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射して、ポート３３ｂから光Ｌ１３ｃとして出力される様子を模式的に示しているが、実際には、光Ｌ１０ｃは３ｄＢカプラ３３を透過した後、２分割されてフィルタ本体３５及び３６に供給される。この透過光は３ｄＢカプラ３４のポート３４ｂから出力された後、３ｄＢカプラ３８のポート３８ａに伝播する。また、３ｄＢカプラ３８の入力光は２分割されて第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０を伝播して３ｄＢカプラ３７のポート３７ａから出力され、第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３４のポート３４ａに入力される。３ｄＢカプラ３４の透過光は２分割されて第１の波長フィルタ３１のフィルタ本体３５、３６を伝播し、その後、周波数スペクトルＳ１３ｃを有する光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。

ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１０ｂを有する光Ｌ１０ｂを３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、光Ｌ１０ｂは図１０に破線で示す伝播経路５５、５６、５７を経由して第１の波長フィルタ３１及び第２の波長フィルタ３２を伝播する。図１０は、光Ｌ１０ｂが第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射して、第２の波長フィルタ３２のカプラ３８のポート３８ｂから出力光Ｌ１１として出力される様子を模式的に示している。具体的には、光Ｌ１０ｂは第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３３及び３ｄＢカプラ３４を透過した後、３ｄＢカプラ３８のポート３８ａに入力される。３ｄＢカプラ３８の入力光は、２分割されてフィルタ本体３９、４０にて反射され、周波数スペクトルＳ１１を有する出力光Ｓ１１としてポート３８ｂから出力される。

ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有し、かつ、周波数スペクトルＳ１２を有する入力光Ｌ１２を３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂに入射すると、光Ｌ１２は図１１に破線で示す伝播経路５８を経由して第２の波長フィルタ３２及び第１の波長フィルタ３１を伝播する。図１１は、光Ｌ１２が第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂに入射して、第１の波長フィルタ３１のカプラ３３のポート３３ｂから出力光Ｌ１３ｂとして出力される様子を模式的に示している。具体的には、光Ｌ１２は第２の波長フィルタ３２の３ｄＢカプラ３７のポート３７ｂに伝播し、３ｄＢカプラ３７を透過して２分割されてフィルタ本体３９、４０に供給される。透過光はフィルタ本体３９、４０にて反射され、３ｄＢカプラ３７のポート３７ａから出力される。その後、透過光は第１の波長フィルタ３１の３ｄＢカプラ３４のポート３４ａに供給され、フィルタ本体３５、３６を経由して３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから光Ｌ１３ｂとして出力される。

以上のように、実施例３に係る波長フィルタ３０は狭帯域の共振器を用いることなく、広帯域の波長フィルタ（即ち、アド／ドロップ・フィルタ）として機能する。また、カットオフ周波数ｆ１、ｆ２は第１の波長フィルタ３１及び第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３５、３６、３９、４０の第２の導波路のカットオフ周波数であるため、全体の回路面積を変更することなく波長フィルタ３０を容易に設計することができる。即ち、波長フィルタ３０は共振器型の波長フィルタとは異なり、一定の周波数帯域の光についてアド／ドロップ動作を容易に実行することができる。

上記の波長フィルタ３０において、第１の波長フィルタ３１のフィルタ本体３５、３６のカットオフ周波数ｆ１、及び第２の波長フィルタ３２のフィルタ本体３９、４０のカットオフ周波数ｆ２の近傍の周波数を有する光を入射するとともに、制御装置３Ｂによりカットオフ周波数ｆ１、ｆ２を２周波の入射光の前後となるように変化させている。これにより、光スイッチ１Ｂは、カットオフ周波数ｆ１、ｆ２に対応した２周波の入射光の透過及び不透過（或いは、反射や放射）を切り換えるスイッチング動作を行なうことができる。また、複数の光スイッチ１Ｂを直列に接続し、スイッチングする光周波数（或いは、光波長）を異ならせしめて設定することにより、３周波以上の光スイッチングを独立して行なうことも可能となる。

これまで、フォトニック結晶よりなる波長フィルタを用いた光スイッチの各実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フォトニック結晶を構成する線欠陥柱以外の円柱を変位させたり、その断面積を増減するようにしてもよい。また、柱形状は円柱に限定されるものではなく、四角柱や八角柱などの他の形状であってもよい。

本発明は各実施例に限定されるものではない。各実施例は例示的であり限定的なものではなく、添付した特許請求の範囲にて定義した発明の範囲内において更に変更しうるものである。

本発明は、簡易かつ小型の構造を有する光スイッチであって、広帯域の光透過・反射を有する波長フィルタのカットオフ周波数を入射光の周波数の前後となるように制御し、以って、透過及び不透過（或いは、反射）のスイッチング動作を行なう光スイッチを提供するものであり、種々の光集積回路や光通信技術に適用することができる。

１ 光スイッチ（実施例１）
１Ａ 光スイッチ（実施例２）
１Ｂ 光スイッチ（実施例３）
２ 波長フィルタ
３ 制御装置
３Ａ 制御装置
３Ｂ 制御装置
１０ フィルタ本体
１１ 第１の導波路
１２ 第２の導波路
２０ 波長フィルタ
２１ ３ｄＢカプラ
２２ ３ｄＢカプラ
３０ 波長フィルタ
３１ 第１の波長フィルタ
３２ 第２の波長フィルタ

図１２において、円柱１０２が完全に周期的なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱１０３は円柱１０２よりも直径が小さいため、円柱１０３の完全結晶に発生した欠陥であると見做すことができる。以下の説明では、完全結晶の円柱１０２と欠陥に相当する円柱１０３とを区別するため、前者を「非線欠陥柱」、後者を「線欠陥柱」と称す。尚、線欠陥柱１０３自体に特に欠陥があるわけではない。

本発明の実施例１に係る光スイッチ１について図１、図２、図３、及び図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１に示すように、光スイッチ１は、特定の周波数帯域の光をフィルタリングする波長フィルタ２と、フィルタリング帯域を調整する制御装置３より構成される。波長フィルタ２は、所定の基本モードの透過帯域を具備する第１の導波路１１と、第１の導波路１１の経路中の少なくとも一箇所に設けられた第２の導波路１２とを有するフィルタ本体１０より構成される。第２の導波路１２は、第１の導波路１１の基本モード透過帯域に含まれる有限値をカットオフ波長とする基本モード透過帯域を有している。制御装置３は、第２の導波路１２のカットオフ周波数を第１の導波路１１の基本モードの透過帯域内において変化させることにより、フィルタリング帯域を調整する。

図５に示すように、実施例２に係る光スイッチ１Ａは、波長フィルタ２０と、波長フィルタ２０のフィルタリング帯域を調整する制御装置３Ａより構成される。波長フィルタ２０は方向性結合器であり、一対の３ｄＢカプラ２１、２２の間に配設された２つのフィルタ本体２３、２４を具備する。フィルタ本体２３、２４はいずれもフィルタ本体１０と同様の構成を有しており、第１の導波路１１及び第２の導波路１２より構成される。一対の３ｄＢカプラ２１、２２によりマッハツェンダー光干渉計を構成しており、フィルタ本体２３、２４の端部は３ｄＢカプラ２１、２２に夫々接続されている。図５では、３ｄＢカプラ２１、２２を模式的に線状の導波路で表しているが、３ｄＢカプラ２１、２２をフォトニック結晶導波路で構成してもよい。波長フィルタ２０の動作周波数範囲内において、３ｄＢカプラ２１、２２の波長依存性が十分に小さいことが好ましい。

波長フィルタ２０は、入力光Ｌ１の周波数ｆｉ、３ｄＢカプラ２１、２２の上限カットオフ周波数ｆ０、及びフィルタ本体２３、２４のカットオフ周波数ｆ１の大小関係に応じて、以下の動作を行なう。

次に、本発明の実施例３に係る光スイッチ１Ｂについて図６乃至図１１を参照して説明する。ここで、実施例１及び実施例２と同一部分については同一の符号を付して、その説明を省略する。

図６に示すように、実施例３に係る光スイッチ１Ｂは、波長フィルタ３０と、波長フィルタ３０のフィルタリング帯域を調整する制御装置３Ｂより構成される。波長フィルタ３０は、マッハツェンダー光干渉計を構成する第１の波長フィルタ３１と第２の波長フィルタ３２を接続して構成される。実施例２に係る波長フィルタ２０と同様に、第１の波長フィルタ３１は一対の３ｄＢカプラ３３、３４とフィルタ本体３５、３６より構成される。同様に、第２の波長フィルタ３２は一対の３ｄＢカプラ３７、３８とフィルタ本体３９、４０より構成される。波長フィルタ３０は、以下に詳述するように、周波数ｆｉ（ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１＜ｆ０）の光を透過するバンドパスフィルタとして機能する。

次に、光スイッチ１Ｂの動作の概要について説明する。
図７は、波長フィルタ３０の透過特性を示す。ここで、第１の入力光Ｌ１０は周波数スペクトルＳ１０を有しており、周波数ｆ０以下の複数の異なる波長の光Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｂ、Ｌ１０ｃを含む。第１の入力光Ｌ１０を３ｄＢカプラ３３のポート３３ａに入射すると、ｆ２＜ｆｉ＜ｆ１の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ｂは第１の波長フィルタ３１から第２の波長フィルタ３２に伝播し、以って、３ｄＢカプラ３８のポート３８ｂから周波数スペクトルＳ１１を有する出力光Ｌ１１が出力される。第１の入力光Ｌ１０のうち、ｆ１＜ｆｉ＜ｆ０の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ａは第１の波長フィルタ３１において反射され、以って、光Ｌ１３ａ及び光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。また、ｆｉ＜ｆ２の周波数ｆｉを有する光Ｌ１０ｃは、第１の波長フィルタ３１と第２の波長フィルタ３２を順に伝播した後、もう一度第１の波長フィルタ３１を伝播し、同じく光Ｌ１３ｃとして３ｄＢカプラ３３のポート３３ｂから出力される。

Claims (14)

1. 所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路を具備した波長フィルタと、
   第２の導波路のカットオフ周波数を第１の導波路の透過帯域内で変化させ、以って、波長フィルタのフィルタリング帯域を調整する制御装置とよりなる光スイッチ。
2. 波長フィルタの第１の導波路と第２の導波路はともに単一モード導波路である請求項１記載の光スイッチ。
3. 波長フィルタの動作帯域が第１の導波路の基本モードの透過帯域の一部又は全部である請求項１記載の光スイッチ。
4. 波長フィルタの動作帯域が第２の導波路のカットオフ周波数を含むものである請求項３記載の光スイッチ。
5. 波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数は高周波数側に設定するようにした請求項１記載の光スイッチ。
6. 波長フィルタの第２の導波路がフォトニック結晶の導波路である請求項１記載の光スイッチ。
7. 波長フィルタの第２の導波路がピラー型フォトニック結晶の導波路である請求項１記載の光スイッチ。
8. 波長フィルタの第１の導波路がフォトニック結晶の導波路である請求項１記載の光スイッチ。
9. 波長フィルタの第１の導波路がピラー型フォトニック結晶の導波路である請求項１記載の光スイッチ。
10. 波長フィルタの第１の導波路と第２の導波路よりなるフィルタ本体の両端に接続された一対の光結合器を更に具備した請求項１記載の光スイッチ。
11. 波長フィルタの一対の光結合器がマッハツェンダー光干渉計を構成している請求項１０記載の光スイッチ。
12. 波長フィルタの一対の光結合器をフォトニック結晶の導波路より構成してなる請求項１１記載の光スイッチ。
13. 波長フィルタの一対の光結合器をピラー型フォトニック結晶の導波路より構成してなる請求項１２記載の光スイッチ。
14. 第１の波長フィルタと第２の波長フィルタを接続してなる波長フィルタと制御装置よりなる光スイッチであって、第１の波長フィルタ及び第２の波長フィルタは各々所定の基本モードの透過帯域を有する第１の導波路と、第１の導波路の少なくとも一箇所に設けられ、基本モードの透過帯域に含まれる有限値をカットオフ周波数とする透過帯域を有する第２の導波路とよりなるフィルタ本体と、フィルタ本体の両端に接続され、マッハツェンダー光干渉計を構成する一対の光結合器を具備し、第１の波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数と第２の波長フィルタの第２の導波路のカットオフ周波数とを異ならせしめ、制御装置はカットオフ周波数を第１の導波路の透過帯域内で各々変化せしめ、以って、波長フィルタのフィルタリング帯域を調整するようにした光スイッチ。

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