WO2021149243A1 - 導波路型光スイッチ回路およびその駆動方法 - Google Patents

導波路型光スイッチ回路およびその駆動方法 Download PDF

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森脇　摂
鈴木　賢哉
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日本電信電話株式会社
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    • G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
    • G02F1/3136—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of interferometric switch type

Definitions

  • the present invention relates to a waveguide type optical switch circuit and a method for driving the same. More specifically, the present invention is a waveguide type optical device used in an optical communication network to switch a propagation path of an optical signal, for switching and switching back. The present invention relates to a waveguide type optical switch circuit that requires a short time.
  • FIG. 1 shows the configuration of a conventional waveguide type optical switch circuit. It is a 2-input 2-output basic element 400 that constitutes a waveguide type optical switch circuit, and is a Mach-Zehnder interferometer (MZI) type optical circuit.
  • the two-input, two-output basic element 400 connects an optical splitter 401 that branches an input signal, an optical coupler 402 that combines the outputs of the optical splitter 401 and outputs them in an interfering manner, and an optical splitter 401 and an optical coupler 402. It is composed of two waveguides 404 and a heater 403 formed directly above at least one of the waveguides 404.
  • the input optical signal will be the optical coupler. It is output from the lower port of 402.
  • the refractive index is changed by the thermo-optical effect of the waveguide material to cause a change in the optical path length of ⁇ / 2 with respect to the wavelength ⁇ of the signal light, an input is obtained.
  • the resulting optical signal is output from the upper port of the optical coupler 402.
  • an optical path length difference of ⁇ / 2 is provided in advance in the two waveguides 404, and the light is output from the upper port of the optical coupler 402 under the condition that power is not supplied and from the lower port under the condition that power is supplied. It can also be done.
  • FIG. 2 shows a driving method of a conventional waveguide type optical switch circuit. This is a driving method for shortening the time required for switching and switching back in the basic element 400 shown in FIG.
  • a heater 403 is formed on both of the two waveguides 404 of the basic element 400, one of which is described as a heater 403-1 and the other of which is described as a heater 4032.
  • the voltage waveform applied to one of the heaters 403-1 is shown on the upper side of FIG.
  • a voltage V 1 sufficiently large with respect to the voltage V 2 required to cause a change in the optical path length of ⁇ / 2 is applied for a short time T 1.
  • a pulsed voltage is repeatedly applied with a repetition period T sufficiently shorter than the thermal response time constant of the waveguide material.
  • the time for applying the voltage V 1 in one cycle is shorter than T, for example, T ⁇ (V 2 / V 1 ) 2 .
  • the applied voltage is set to zero at the timing of switching back.
  • the voltage waveform applied to the other heater 4032 is shown at the bottom of FIG.
  • a sufficiently large voltage V 3 with respect to the voltage V 2 is applied for a short time T 2 , and the applied voltage is set to zero after the lapse of T 2.
  • FIG. 3A shows an example of simulating the temperature transition at the time of switching in the conventional waveguide type optical switch circuit.
  • This is an example in which the time required for switching the basic elements of the quartz-based waveguide type optical switch circuit is shortened by applying the driving method shown in FIG.
  • FIG. 3A shows the temperature of the waveguide located under the heater 403-1 and the heater 4032, where 0 is the time when the voltage is started to be applied to the heater 403-1 when the optical switch is switched.
  • the horizontal axis is time and the vertical axis is temperature.
  • FIG. 3B shows an example in which the time required for switching back is shortened.
  • the heater 403-1 and the heater are set to 0 when the time when the voltage is started to be applied to the heater 4032 when the optical switch is switched back is set to 0. Shows the temperature of the waveguide located below 403-2.
  • the temperature of the waveguide located under the heater 4032 once reaches a temperature substantially equal to the temperature of the waveguide located under the heater 403-1.
  • the temperature drops faster than the temperature of the waveguide located below the heater 403-1, and then all reach the substrate temperature. If the temperature transitions of the two waveguides are different in this way, when the optical switch is switched back, it looks like it has been switched back once, but after that, leakage light occurs for a short time.
  • thermo-optic MZI silicon-photonic switches with“ turbo pulse ”in PWM control 2017 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition.
  • An object of the present invention is a waveguide type optical switch circuit that shortens the time required for switching and switching back in a quartz-based waveguide type optical switch circuit, stabilizes the optical output after switching, and does not generate leakage light after switching back. Is to provide.
  • one embodiment of a waveguide type optical switch circuit is a waveguide composed of a clad layer laminated on a substrate and a waveguide core embedded in the clad layer.
  • a heater formed on the upper surface of the clad layer and a surface parallel to the side surface of the waveguide core, which is above the waveguide core, and the clad layer is removed in the vertical direction of the substrate.
  • the distance X between the waveguide core and the heater is the same or longer (X ⁇ Y) with respect to the distance Y between the heater and the groove.
  • a Machzenda interferometer type waveguide type optical switch circuit includes an optical splitter that branches an input signal, an optical coupler that combines and interferes with the output of the optical splitter, and outputs the optical splitter and the optical splitter.
  • the arm waveguide includes two arm waveguides connecting to an optical coupler, and the arm waveguide is a waveguide type optical switch circuit including a clad layer laminated on a substrate and a waveguide core embedded in the clad layer.
  • a heater formed on the upper surface of the clad layer and a surface parallel to the side surface of the waveguide core, which is above the waveguide core, and the clad layer is removed in the vertical direction of the substrate.
  • a groove is provided, and the distance X between the waveguide core and the heater is the same or longer (X ⁇ Y) with respect to the distance Y between the heater and the groove.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional waveguide type optical switch circuit.
  • FIG. 2 is a diagram showing a driving method of a conventional waveguide type optical switch circuit.
  • (A) is a diagram showing an example of simulating a temperature transition at the time of switching in a conventional waveguide type optical switch circuit
  • (b) is a diagram showing an example of simulating a temperature transition at the time of switching back.
  • (A) is a top view showing the configuration of a waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment of the present invention
  • (b) is a cross-sectional view.
  • FIG. 5 is a timing diagram of switching and switching back of the output port of the waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment.
  • (A) is an isotherm in the cross section of the waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment, and is a diagram showing a case where there is no heat insulating groove and a thermal equilibrium state, and (b) is a diagram showing a case where the heat insulating groove is provided. It is a diagram showing an isotherm after heating by a voltage pulse, (c) is a diagram showing an isotherm in the case of a heat insulating groove and a thermal equilibrium state, and (d) is a diagram showing a heat insulating groove and a voltage.
  • FIG. 8 is a timing diagram of switching and switching back of the output port of the waveguide type optical switch circuit according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A shows the configuration of a waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment of the present invention. This is an overview of the optical system of the Mach-Zehnder interferometer type optical switch element, and is a configuration viewed from above.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the broken line IVb-IVb of FIG. 4A.
  • the optical switch element 101 constituting the waveguide type optical switch circuit includes an optical splitter 102 that branches an input signal, an optical coupler 104 that combines the outputs of the optical splitter 102 and outputs them by interfering with each other, and the optical splitter 102 and light. It is composed of two arm waveguides 103 connecting the coupler 104 and a thin film heater 105 formed directly above the two arm waveguides 103. Further, each of the two arm waveguides 103 is provided with a heat insulating groove structure 106 having a surface parallel to the side surface of the waveguide core of the arm waveguide.
  • the optical switch element 101 has a clad layer 108 laminated on a substrate 107, and an arm waveguide 103 is formed by a waveguide core embedded in the clad layer 108.
  • a thin film heater 105 is formed on the upper surface of the clad layer 108 above the waveguide core of the arm waveguide 103.
  • the heat insulating groove structure 106 is formed on both sides of the two arm waveguides 103-1 and 103-2 by removing the clad layer in the vertical direction of the substrate.
  • the distance X between the waveguide core of the arm waveguide 103 and the thin film heater 105 is designed to be the same or longer (X ⁇ Y) with respect to the distance Y between the thin film heater 105 and the heat insulating groove structure 106.
  • a silicon substrate can be used.
  • quartz-based glass containing SiO 2 as a main component can be used.
  • the lengths of the two waveguides can be made equal.
  • the lower port of the optical coupler 104 is used. It is output.
  • the optical path length difference between the two waveguides can be set to ⁇ / 2.
  • the output is output to the upper port of the optical coupler 104. Will be done.
  • the thin film heater 105 When a voltage is applied to the thin film heater 105, heat is generated, and the generated heat propagates through the clad layer to heat the waveguide core of the arm waveguide 103 located below the thin film heater 105.
  • the refractive index of the heated waveguide core changes due to the thermo-optical effect, and the optical path length of the arm waveguide 103 changes.
  • the wavelength of the signal light is ⁇
  • the amount of change in the optical path length reaches ⁇ / 2
  • the phase of the signal input to the optical coupler 104 via the arm waveguide 103 changes by ⁇ and is inverted.
  • the output port of the optical signal is switched accordingly.
  • the thermal conductivity (0.0241 W / m / K) of the air present in the heat insulating groove structure 106 is lower than that of the material of the clad layer 108 (for example, 1.4 W / m / K in the case of SiO 2). Due to this difference in thermal conductivity, the heat generated in the thin film heater 105 is blocked from diffusing in the horizontal direction of the substrate by the heat insulating groove structure 106, and propagates in the vertical direction of the substrate 107.
  • FIG. 5 shows a timing diagram of switching and switching back of the output port of the waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment.
  • V 2 be the voltage applied when the thin film heater 105 generates the amount of heat per unit time required to change the optical path length of the arm waveguide 103 in a thermal equilibrium state by ⁇ / 2.
  • the output port of the optical switch element 101 is switched, that is, the output port is switched back from the state where the arm waveguide 103-1 is heated and the optical path length changes by ⁇ / 2 will be described.
  • the voltage applied to the thin film heater 105-1 located directly above the arm waveguide 103-1 is set to zero, the arm waveguide 103-1 is cooled, and the amount of change in the optical path length is returned to zero.
  • a voltage is further applied to the thin film heater 105-2 for a predetermined time to heat the arm waveguide 103-2, and the amount of change in both optical path lengths is made equal.
  • the two arm waveguides 103-1 and 103-2 are in a heated state different from the initial state.
  • a combination of different applied voltage and applied time is required. Therefore, it is desirable to dissipate heat while keeping the amount of change in the optical path lengths of the two arm waveguides 103-1 and 103-2 equal and return the amount of change in the optical path length to zero before switching again.
  • the output port of the optical switch element 101 when the output port of the optical switch element 101 is switched back (initial stage of switching back), the voltage applied to the thin film heater 105-1 to which the voltage has already been applied is set to zero. At the same time, after applying a suitable period of time a sufficiently high voltage V 3 with respect to the thin film heater 105-2 T 2, by a voltage zero applied to heat the arm waveguides 103-2. As a result, the output ports of the optical switch element 101 are switched back by making the temperatures of both the two arm waveguides 103-1 and 103-2 isothermal and making the amount of change in the optical path length equal.
  • the thin film heater 105-2 Compared with the case where the applied voltage to the thin film heater 105-1 is set to zero and the amount of change in the optical path length returns to zero, the thin film heater 105-2 generates a large amount of heat at the initial stage of switching back, which makes it shorter.
  • the amount of change in the optical path lengths of the two arm waveguides 103-1 and 103-2 can be made equal in time, and the output port of the optical switch element 101 can be switched back.
  • the switching can be performed by the combination of the voltage V 1 and the time T 1 , and after a certain period of time T 3 has elapsed from the start of the switching back, the two arm waveguides 103-1 and 103-2 are cooled. It is desirable to return to a sufficiently cold state before switching.
  • the method of switching and switching back the output port of the waveguide type optical switch circuit shown in FIG. 5 can shorten the time required for switching and switching back regardless of the presence or absence of the heat insulating groove structure.
  • the distance (X) between the waveguide core of the arm waveguide 103 and the thin film heater 105 is the same as the distance (Y) between the thin film heater 105 and the heat insulating groove structure 106.
  • a more remarkable effect can be achieved by using a long design (X ⁇ Y). This effect will be described below with reference to FIG. 6 through a comparison with and without the insulation groove structure.
  • Arm waveguides 103-1 the thermal equilibrium state where a voltage V 2 is applied to the thin film heater 105 is cooled by cutting off the supply of heat to the voltage applied to the thin film heater 105-1 as zero. Since there is no heat insulating groove, in the cross section of the arm waveguide 103-1, the isotherms in the thermal equilibrium state are formed when the thin film heater 105-1 is regarded as a point charge and the substrate 107 is regarded as a flat plate electrode in electromechanics. The shape is similar to that of the isopotential line. As shown in FIG. 6A, an isotherm line parallel to the substrate 107 is formed in the vicinity of the waveguide core of the arm waveguide 103-1. At this time, in the cooling process after the heat supply is cut off, the heat flow path is limited to the vertical direction of the substrate.
  • the arm waveguide 103-2 is rapidly heated by applying a voltage V 3 to the thin film heater 105-2 for a time T 2 starting from a sufficiently cooled state. After reaching the same temperature as the arm waveguide 103-1, it is cooled by cutting off the heat supply by setting the voltage application to the thin film heater 105-2 to zero.
  • the isotherms at this time are hardly affected by the substrate 107, and as shown in FIG. 6B, have a concentric shape centered on the thin film heater 105-2, and have an arm waveguide 103-2. It also becomes curved near the waveguide core of.
  • the heat flow path in the subsequent cooling process is different from the case of the heat distribution shown in FIG. 6A, and a part of the amount of heat has a temperature difference. It also propagates in the direction horizontal to the substrate.
  • the temperature transitions of the two arm waveguides 103-1 and 103-2 are horizontal to the substrate when comparing the case where the heat supply is cut off from the thermal equilibrium state and the case where the heat supply is cut off after rapid heating. Since heat propagates in the direction and is cooled, the latter is cooled faster and a temperature difference occurs between the two arm waveguides 103-1 and 103-2.
  • the arm waveguide 103-1 is cooled by cutting off the heat supply by setting the voltage application to the thin film heater 105 to zero from the thermal equilibrium state in which the voltage V 2 is applied to the thin film heater 105. Since the heat insulation groove exists, the heat propagation is blocked by the heat insulation groove, and the heat that has lost its place propagates in the vertical direction of the substrate 107, so that a thermal equilibrium state is reached with a small amount of heat supplied. As shown in FIG.
  • the shape of the isotherm in the vicinity of the waveguide core of the arm waveguide 103-1 is such that the isotherm parallel to the substrate 107 is formed as in the case where there is no heat insulating groove. NS. Therefore, in the cooling process after the heat supply is cut off, the heat flow path is limited to the vertical direction only on the substrate, as in the case where there is no heat insulating groove.
  • the arm waveguide 103-2 is rapidly heated by applying a voltage V 3 to the thin film heater 105-2 for a time T 2 starting from a sufficiently cooled state. After reaching the same temperature as the arm waveguide 103-1, it is cooled by cutting off the heat supply by setting the voltage application to the thin film heater 105-2 to zero.
  • the isotherms at this time propagate concentrically around the thin film heater 105-2. If the distance (Y) between the thin film heater 105-2 and the heat insulating grooves 106-3, 4 is the same or shorter than the distance (X) between the waveguide core of the thin film heater 105-2 and the arm waveguide 103-2. (X ⁇ Y), the heat propagation is blocked by the heat insulating groove 106 at the same time or earlier than the timing when the arm waveguide 103-2 starts to be warmed. The heat that has lost its place propagates in the vertical direction of the substrate 107. Due to this effect, when the two arm waveguides 103 reach the same temperature, an isotherm is formed substantially parallel to the substrate 107, as shown in FIG. 6 (d). Therefore, in the cooling process after the heat supply is cut off, the heat flow path is dominated by the substrate in the vertical direction, as in the arm waveguide 103 starting from the thermal equilibrium state.
  • the heat insulating groove 106 When the heat insulating groove 106 is formed at a short distance from the thin film heater and the arm waveguide, comparing the temperature transitions of the two arm waveguides 103, the heat supply is cut off from the thermal equilibrium state and the heat is generated after rapid heating. The heat distribution is almost the same as when the supply is cut off, and the temperature transition is also almost the same.
  • the heat insulating groove 106 When the heat insulating groove 106 is formed at a short distance from the thin film heater and the arm waveguide, it is almost the same as the temperature distribution in the thermal equilibrium state when the temperature reaches the temperature at which the optical path length changes by ⁇ / 2 due to rapid heating. An isotherm is formed parallel to the shaped substrate 107 (FIG. 6 (d)). Therefore, the heat does not escape in the horizontal direction to the substrate and shifts to the thermal equilibrium state while maintaining the temperature.
  • FIG. 7A shows an example of simulating the temperature transition at the time of switching in the waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment.
  • the temperature of the waveguide once reached the desired temperature at the time of switching, and then the temperature temporarily decreased. In this embodiment, such an event does not occur.
  • FIG. 7B shows an example of simulating the temperature transition at the time of switching back in the waveguide type optical switch circuit according to the first embodiment.
  • the temperatures of the two arm waveguides reach substantially the same temperature, and then reach the substrate temperature with substantially the same temperature transition.
  • the temperature transitions of the two waveguides do not differ.
  • the transmittance (light output level) after switching may decrease, or when switching back the optical switch, leakage light may occur in a short time after switching back. There is no.
  • the optical output after switching is stable, no leakage light is generated after switching back, and the time required for switching and switching back is short.
  • a circuit can be provided.
  • FIG. 8 shows a timing diagram of switching and switching back of the output port of the waveguide type optical switch circuit according to the second embodiment of the present invention.
  • V 2 be the voltage applied when the thin film heater 105 generates the amount of heat per unit time required to change the optical path length of the arm waveguide 103 in a thermal equilibrium state by ⁇ / 2.
  • a voltage V 1 sufficiently higher than the voltage V 2 is applied to the thin film heater 105-1 for an appropriate time T 1 .
  • T 3 is set to a sufficiently short time with respect to the response time of the thermo-optical effect of the waveguide core of the arm waveguide 103-1, the time during which the voltage V 1 is not applied (1-V 2 2 /).
  • V 1 2 ) ⁇ T 3 and the time V 2 2 / V 1 2 ⁇ T 3 for applying the voltage V 1 is obtained by averaging the time. Supply.
  • the time required for the optical path length of the arm waveguide 103-1 located directly below the thin film heater 105-1 to reach a temperature at which the optical path length changes by ⁇ / 2 is shortened.
  • the two arm waveguides 103-1 and 103-2 are in a heated state different from the initial state.
  • a combination of different applied voltage and applied time is required. Therefore, it is desirable to dissipate heat while keeping the amount of change in the optical path lengths of the two arm waveguides 103-1 and 103-2 equal and return the amount of change in the optical path length to zero before switching again.
  • the voltage applied to the thin film heater 105-1 to which the voltage has already been applied is set to zero.
  • the output ports of the optical switch element 101 are switched back by making the temperatures of both the two arm waveguides 103-1 and 103-2 isothermal and making the amount of change in the optical path length equal.
  • the electric circuit for applying the voltage can be further simplified.
  • the thin film heater 105-2 Compared with the case where the applied voltage to the thin film heater 105-1 is set to zero and the amount of change in the optical path length returns to zero, the thin film heater 105-2 generates a large amount of heat at the initial stage of switching back, which makes it shorter.
  • the amount of change in the optical path lengths of the two arm waveguides 103-1 and 103-2 can be made equal in time, and the output port of the optical switch element 101 can be switched back.
  • the switching can be performed by the combination of the voltage V 1 and the time T 1 , and a certain time T 4 elapses after the start of switching back, and the two arm waveguides 103-1 and 103-2 are cooled. It is desirable to return to a sufficiently cold state before switching.
  • power consumption is low due to the application of the heat insulating groove structure, and by applying a pulsed voltage to the thin film heater at the initial stage of switching and switching back of the optical switch element, switching and switching back can be performed. It is possible to provide a waveguide type optical switch circuit in which the required time is short.

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Abstract

導波路型光スイッチ回路において、切り替え及び切り戻しに要する時間の短縮と、消費電力の削減を両立しようとする場合に、両者を容易に両立できないことが課題であった。導波路型光スイッチ回路の一実施態様は、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアとからなる導波路と、前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、前記導波路コアと前記ヒータとの距離Ｘは、前記ヒータと前記溝との距離Ｙに対して、同じか長い（Ｘ≧Ｙ）設計とする。

Description

導波路型光スイッチ回路およびその駆動方法
　本発明は、導波路型光スイッチ回路およびその駆動方法に関し、より詳細には、光通信ネットワークに用いられ、光信号の伝搬経路を切り替える導波路型の光デバイスであって、切り替え及び切り戻しに要する時間が短い導波路型光スイッチ回路に関する。
　インターネットの普及に伴い、データ通信ネットワークに対する需要が爆発的に伸びており、ネットワークの構成要素であるパケットルータ、パケットスイッチなどを大容量化する必要がある。大容量化に伴ってパケットルータ、パケットスイッチの消費電力が大幅に伸びており、今後も爆発的に伸びることが予想されている。しかしながら、ネットワークの局設備で利用可能な電力には限りがあることから、ネットワークの構成要素の省電力化が課題である。パケットルータ、パケットスイッチなどにおいては、切り替え及び切り戻しに要する時間が短い光スイッチを適用することにより、省電力化を図ることが期待されている。
　図１に、従来の導波路型光スイッチ回路の構成を示す。導波路型光スイッチ回路を構成する２入力２出力の基本エレメント４００であり、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型の光回路である。２入力２出力の基本エレメント４００は、入力信号を分岐する光スプリッタ４０１と、光スプリッタ４０１の出力を合波し、干渉させて出力する光カプラ４０２と、光スプリッタ４０１と光カプラ４０２とを接続する２本の導波路４０４と、導波路４０４の少なくとも一方の直上に形成されるヒータ４０３とによって構成される。
　光スプリッタ４０１の上側ポートを入力ポートとし、光スプリッタ４０１と光カプラ４０２を接続する２本の導波路が等長で、ヒータ４０３に電力を供給しない場合には、入力された光信号は光カプラ４０２の下側ポートから出力される。ヒータ４０３の一方に電力を供給して加熱し、導波路材料の熱光学効果によって屈折率を変化させて、信号光の波長λに対してλ／２の光路長の変化を生じさせると、入力された光信号は光カプラ４０２の上側ポートから出力される。また、２本の導波路４０４にあらかじめλ／２の光路長差を設けておき、電力を供給しない条件下では光カプラ４０２の上側ポート、電力を供給する条件下では、下側ポートから出力されるようにすることもできる。
　図２に、従来の導波路型光スイッチ回路の駆動方法を示す。図１に示した基本エレメント４００において、切り替え及び切り戻しに要する時間を短縮するための駆動方法である。基本エレメント４００の２本の導波路４０４の双方に、ヒータ４０３が形成されており、一方をヒータ４０３－１、他方をヒータ４０３－２と記述する。
　一方のヒータ４０３－１に対する印加電圧波形を図２の上側に示す。スイッチを切り替えるタイミングで、λ／２の光路長の変化を生じるのに必要な電圧Ｖ２に対して十分大きな電圧Ｖ１を、短い時間Ｔ１の間、印加する。Ｔ１の経過後は、導波路材料の熱応答時定数よりも十分に短い繰り返し周期Ｔで、パルス状の電圧を繰り返し印加する。このとき一周期の間で電圧Ｖ１を印加する時間は、Ｔよりも短い時間、例えばＴ×（Ｖ２／Ｖ１）２の間印加する。切り替えの開始時に大きな熱量が供給されるので、光路長の変化量は短時間でλ／２に到達し、到達した後は時間平均をとると電圧Ｖ２を印加する場合と同じ仕事量で加熱することにより、λ／２の光路長の変化を維持する。また、スイッチを切り戻すタイミングで印加電圧をゼロにする。
　他方のヒータ４０３－２に対する印加電圧波形を図２の下側に示す。スイッチを切り戻すタイミングで、電圧Ｖ２に対して十分大きな電圧Ｖ３を短い時間Ｔ２の間印加し、Ｔ２の経過後は印加電圧をゼロにする。切り戻しの開始時に大きな熱量を供給して２本の導波路４０４の光路長の変化量を短時間で等しくすることにより、自然に放熱して切り戻す場合よりも、短時間で切り戻された状態にする。その後は、２本の導波路４０４の光路長の変化量を等しく保ったまま自然放熱することにより、切り戻された状態を維持したまま初期状態に戻すことができる。
　図３（ａ）に、従来の導波路型光スイッチ回路において切り替え時の温度推移をシミュレーションした一例を示す。図２に示した駆動方法を適用して、石英系の導波路型光スイッチ回路の基本エレメントの切り替えに要する時間を短縮した例である。図３（ａ）は、光スイッチを切り替える際にヒータ４０３－１に電圧を印加し始める時刻を０として、ヒータ４０３－１およびヒータ４０３－２の下に位置する導波路の温度を示す。横軸は時間、縦軸は温度である。図３（ｂ）は、同様に、切り戻しに要する時間を短縮した例であり、光スイッチを切り戻す際にヒータ４０３－２に電圧を印加し始める時刻を０として、ヒータ４０３－１およびヒータ４０３－２の下に位置する導波路の温度を示す。
　図３（ａ）に示される導波路の温度推移では、切り替え時において、ヒータ４０３－１の下に位置する導波路の温度はいったん所望の温度に到達した後、一時的に温度が低下し、その後熱平衡状態に移行している。このような温度推移が生じていると、光スイッチを切り替える際には、いったん切り替わったように見えるものの、その後に短時間透過率（光出力レベル）が低下する。
　図３（ｂ）に示した切り戻し時において、ヒータ４０３－２の下に位置する導波路の温度はいったんヒータ４０３－１の下に位置する導波路の温度とほぼ等しい温度に到達した後、ヒータ４０３－１の下に位置する導波路の温度低下よりも速く温度が低下し、その後いずれも基板温度に到達する。このように２つの導波路の温度推移が異なっていると、光スイッチを切り戻す際には、いったん切り戻ったように見えるが、その後に短時間の間、漏れ光が生じる。
　従って、石英系の導波路型光スイッチ回路に対して、ヒータに短時間の高電圧を印加して切り替え及び切り戻し時間を短縮する従来の手法を適用すると、望ましい光スイッチの切り替え及び切り戻し動作とならないという問題があった。
H. Matsuura et al., "Accelerating switching speed of thermo-optic MZI silicon-photonic switches with "turbo pulse" in PWM control,"2017 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition.
　本発明の目的は、石英系の導波路型光スイッチ回路において切り替え及び切り戻しに要する時間を短縮し、切り替わり後の光出力が安定し、切り戻し後に漏れ光が発生しない導波路型光スイッチ回路を提供することにある。
　本発明は、このような目的を達成するために、導波路型光スイッチ回路の一実施態様は、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアとからなる導波路と、前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、前記導波路コアと前記ヒータとの距離Ｘは、前記ヒータと前記溝との距離Ｙに対して、同じか長い（Ｘ≧Ｙ）ことを特徴とする。
　マッハツェンダ干渉計型の導波路型光スイッチ回路の一実施態様は、入力信号を分岐する光スプリッタと、当該光スプリッタの出力を合波し、干渉させて出力する光カプラと、前記光スプリッタと前記光カプラとを接続する２本のアーム導波路とを含み、前記アーム導波路は、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアからなる導波路型光スイッチ回路において、前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、前記導波路コアと前記ヒータとの距離Ｘは、前記ヒータと前記溝との距離Ｙに対して、同じか長い（Ｘ≧Ｙ）ことを特徴とする。
図１は、従来の導波路型光スイッチ回路の構成を示す図、 図２は、従来の導波路型光スイッチ回路の駆動方法を示す図、 （ａ）は、従来の導波路型光スイッチ回路において切り替え時の温度推移をシミュレーションした一例を示す図であり、（ｂ）は、切り戻し時の温度推移をシミュレーションした一例を示す図、 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の構成を示す上面図であり、（ｂ）は断面図、 図５は、第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の出力ポートの切り替えおよび切り戻しのタイミング図、 （ａ）は、第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の断面における等温線であって、断熱溝がなく、熱平衡状態の場合を示す図であり、（ｂ）は、断熱溝がなく、電圧パルスによる加熱後の等温線を示す図であり、（ｃ）は、断熱溝があり、熱平衡状態の場合の等温線を示す図であり、（ｄ）は、断熱溝があり、電圧パルスによる加熱後の等温線を示す図、 （ａ）は、第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路において切り替え時の温度推移をシミュレーションした一例を示す図であり、（ｂ）は、切り戻し時の温度推移をシミュレーションした一例を示す図、 図８は、本発明の第２の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の出力ポートの切り替えおよび切り戻しのタイミング図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
　　（第１の実施形態）
　図４（ａ）に、本発明の第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の構成を示す。マッハツェンダ干渉計型の光スイッチエレメントの光学系の概要であり、上面から見た構成である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線ＩＶｂ－ＩＶｂにおける断面図である。以下、図を持って本発明を説明する際に、同一の構成要素は同一の番号をもって記述する。
　導波路型光スイッチ回路を構成する光スイッチエレメント１０１は、入力信号を分岐する光スプリッタ１０２と、光スプリッタ１０２の出力を合波し、干渉させて出力する光カプラ１０４と、光スプリッタ１０２と光カプラ１０４とを接続する２本のアーム導波路１０３と、２本のアーム導波路１０３の直上に形成される薄膜ヒータ１０５とによって構成される。また、２本のアーム導波路１０３のそれぞれについて、アーム導波路の導波路コアの側面と平行な面を有する断熱溝構造１０６を備える。
　図４（ｂ）において、光スイッチエレメント１０１には、基板１０７上にクラッド層１０８が積層され、クラッド層１０８内に埋め込まれた導波路コアにより、アーム導波路１０３が形成されている。アーム導波路１０３の導波路コアの上方であって、クラッド層１０８の上面に薄膜ヒータ１０５が形成されている。断熱溝構造１０６は、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の両側に、基板の鉛直方向にクラッド層が除去されて形成される。ここで、アーム導波路１０３の導波路コアと薄膜ヒータ１０５との距離Ｘは、薄膜ヒータ１０５と断熱溝構造１０６との距離Ｙに対して、同じか長い設計（Ｘ≧Ｙ）とする。
　基板１０７について、その望ましい材料の一例として、シリコン基板とすることができる。また、クラッド層１０８および光スイッチエレメント１０１について、その望ましい材料の一例として、ＳｉＯ２を主成分とする石英系ガラスとすることができる。
　アーム導波路１０３について、その望ましい設計の一例として、２本の導波路長を等長にすることができる。この場合、図４（ａ）において、光スプリッタ１０２の上側ポートを光スイッチエレメント１０１の入力ポートとするとき、薄膜ヒータ１０５に印加する電圧がゼロの状態のとき、光カプラ１０４の下側ポートに出力される。
　アーム導波路１０３について、その望ましい設計の一例として、信号光の波長をλとするとき、２本の導波路の光路長差をλ／２にすることができる。この場合、図４（ａ）において、光スプリッタ１０２の上側ポートを光スイッチエレメント１０１の入力ポートとするとき、薄膜ヒータ１０５に印加する電圧がゼロの状態のとき、光カプラ１０４の上側ポートに出力される。
　薄膜ヒータ１０５に対して電圧を印加すると発熱し、発生した熱はクラッド層を伝搬して、薄膜ヒータ１０５の下に位置するアーム導波路１０３の導波路コアを加熱する。加熱された導波路コアは熱光学効果によって屈折率が変化し、アーム導波路１０３の光路長が変化する。信号光の波長をλとするときに、光路長の変化量がλ／２に至ると、アーム導波路１０３を経て光カプラ１０４に入力される信号の位相がπ変化して反転し、これに伴って光信号の出力ポートが切り替わる。
　断熱溝構造１０６に存在する空気の熱伝導率（０．０２４１Ｗ／ｍ／Ｋ）は、クラッド層１０８の材料（例えばＳｉＯ２の場合１．４Ｗ／ｍ／Ｋ）よりも低い。この熱伝導率の違いにより、薄膜ヒータ１０５で発生した熱は、断熱溝構造１０６によって基板水平方向への拡散が遮られて、基板１０７の鉛直方向に伝搬する。
　図５に、第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の出力ポートの切り替えおよび切り戻しのタイミング図を示す。アーム導波路１０３の光路長を熱平衡状態でλ／２変化させるために必要な単位時間当たりの熱量を、薄膜ヒータ１０５で生成するときに印加する電圧をＶ２とする。
　光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り替える時（切り替えの初期）に、薄膜ヒータ１０５－１に対して電圧Ｖ２よりも十分に高い電圧Ｖ１を適切な時間Ｔ１の間印加し、Ｔ１の経過後は電圧Ｖ２を印加する。これにより、薄膜ヒータ１０５－１の直下に位置するアーム導波路１０３－１の光路長がλ／２変化する温度に到達するまでの時間を短くする。比較のために、切り替えの初期から電圧Ｖ２を印加し続ける場合、図５のアーム導波路１０３－１の温度変化を破線で示す。アーム導波路１０３－１に、大きな熱量を切り替えの初期に発生させることにより、光スイッチエレメント１０１の出力ポートの切り替えに要する時間を短縮できる。
　光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り替えられた状態、すなわちアーム導波路１０３－１が加熱されて光路長がλ／２変化している状態から、出力ポートを切り戻す場合を説明する。一般的には、アーム導波路１０３－１の直上に位置する薄膜ヒータ１０５－１に印加する電圧をゼロとし、アーム導波路１０３－１を冷却し、光路長の変化量をゼロに戻す。本実施形態では、さらに所定の時間、薄膜ヒータ１０５－２に電圧を印加してアーム導波路１０３－２を加熱し、両方の光路長の変化量を等しくする。
　なお、この場合、光スイッチエレメント１０１の出力ポートが切り戻っている状態であっても、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２は、初期状態とは異なる加熱された状態にあるため、その状態から再度切り替える場合には、異なる印加電圧と印加時間の組み合わせが必要となる。従って、再度の切り替えを行う前に、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の光路長の変化量を等しく保ったまま放熱し、光路長の変化量をゼロに戻すことが望ましい。
　具体的には、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻す時（切り戻しの初期）に、既に電圧が印加されている薄膜ヒータ１０５－１に対して印加している電圧をゼロにする。同時に、薄膜ヒータ１０５－２に対して十分に高い電圧Ｖ３を適切な時間Ｔ２の間印加した後、印加する電圧をゼロにすることによって、アーム導波路１０３－２を加熱する。この結果、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の両方の温度を等温にし、光路長の変化量を等しくすることにより、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻す。
　薄膜ヒータ１０５－１に対する印加電圧をゼロにして、光路長の変化量がゼロに戻るまで待つ場合と比較して、切り戻しの初期に薄膜ヒータ１０５－２で大きな熱量を発生させることにより、短時間で２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の光路長の変化量を等しくし、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻すことができる。
　なお、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻した後、再び切り替える際には、印加する電圧パルスのパラメータを変える必要がない。すなわち電圧Ｖ１および時間Ｔ１の組み合わせで切替できることが望ましく、切り戻しを開始してからある一定の時間Ｔ３を経過させ、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２を冷却し、十分に冷えた状態に戻してから切り替えることが望ましい。
　なお、図５に示した導波路型光スイッチ回路の出力ポートの切り替えおよび切り戻しの方法は、断熱溝構造の有無に関わらず、切り替えおよび切り戻しに要する時間を短縮することができる。加えて、断熱溝構造を有する場合には、アーム導波路１０３の導波路コアと薄膜ヒータ１０５との距離（Ｘ）を、薄膜ヒータ１０５と断熱溝構造１０６との距離（Ｙ）に対して同じか長い設計（Ｘ≧Ｙ）とすることにより、さらに顕著な効果を奏することができる。この効果を、図６を参照して、断熱溝構造がある場合とない場合の比較を通じて、以下で説明する。
　断熱溝１０６が形成されていない場合における光スイッチエレメント１０１を切り戻す動作を説明する。アーム導波路１０３－１は、薄膜ヒータ１０５に電圧Ｖ２が印加されている熱平衡状態から、薄膜ヒータ１０５－１への電圧印加をゼロとして熱の供給を断つことにより冷却される。断熱溝が存在しないので、アーム導波路１０３－１の断面において、熱平衡状態にあるときの等温線は、電気力学において薄膜ヒータ１０５－１を点電荷、基板１０７を平板電極とみなした際に形成される等電位線と類似の形状となる。図６（ａ）に示したように、アーム導波路１０３－１の導波路コアの近傍では基板１０７と平行な等温線が形成される。この時、熱の供給が断たれた後の冷却過程において、熱の流れる経路は基板の鉛直方向にのみに限られる。
　アーム導波路１０３－２は、十分に冷却された状態を起点に、薄膜ヒータ１０５－２に電圧Ｖ３を時間Ｔ２の間印加することにより急速加熱される。アーム導波路１０３－１と同じ温度に到達した後、薄膜ヒータ１０５－２への電圧印加をゼロとして熱の供給を断つことにより冷却される。
　このときの等温線は、基板１０７の影響をほとんど受けることがなく、図６（ｂ）に示したように、薄膜ヒータ１０５－２を中心とする同心円状の形状となり、アーム導波路１０３－２の導波路コアの近傍でも曲線状となる。この熱分布において熱の供給が断たれると、その後の冷却過程において熱の流れる経路は、図６（ａ）に示した熱分布の場合と異なり、熱量の一部が温度差の生じている基板に水平な方向にも伝搬する。
　従って、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の温度推移は、熱平衡状態から熱の供給を断った場合と急速加熱後に熱の供給を断った場合とを比較すると、基板に水平な方向にも熱が伝搬して冷却される分、後者の方が早く冷却されて２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２に温度差が生じる。
　次に、断熱溝１０６が形成されている場合における光スイッチエレメント１０１を切り戻す動作を説明する。アーム導波路１０３－１は、薄膜ヒータ１０５に電圧Ｖ２が印加されている熱平衡状態から、薄膜ヒータ１０５への電圧印加をゼロとして熱の供給を断つことにより冷却される。断熱溝が存在するため、熱の伝搬は断熱溝で遮られ、行き場を失った熱が基板１０７の鉛直方向に伝搬するため、少ない熱量の供給で熱平衡状態に達する。図６（ｃ）に示したように、アーム導波路１０３－１の導波路コアの近傍における等温線の形状としては、断熱溝がない場合と同様に、基板１０７と平行な等温線が形成される。従って、熱の供給が断たれた後の冷却過程において、熱が流れる経路も断熱溝がない場合と同様に、基板に鉛直方向のみに限られる。
　アーム導波路１０３－２は、十分に冷却された状態を起点に、薄膜ヒータ１０５－２に電圧Ｖ３を時間Ｔ２の間印加することにより急速加熱される。アーム導波路１０３－１と同じ温度に到達した後、薄膜ヒータ１０５－２への電圧印加をゼロとして熱の供給を断つことにより冷却される。
　このときの等温線は、薄膜ヒータ１０５－２を中心とする同心円状に伝搬する。薄膜ヒータ１０５－２と断熱溝１０６－３，４との距離（Ｙ）が、薄膜ヒータ１０５－２の導波路コアとアーム導波路１０３－２の距離（Ｘ）と比較して同じか短ければ（Ｘ≧Ｙ）、アーム導波路１０３－２が温められ始めるタイミングと比較して同じか早くに熱の伝搬が断熱溝１０６に遮られる。行き場を失った熱は、基板１０７の鉛直方向に伝搬する。この効果によって、２つのアーム導波路１０３が等しい温度になった時には、図６（ｄ）に示したように、ほぼ基板１０７と平行な等温線が形成される。従って、熱の供給が断たれた後の冷却過程において、熱の流れる経路は、熱平衡状態からスタートしたアーム導波路１０３と同様に、基板に鉛直方向が支配的となる。
　断熱溝１０６が薄膜ヒータ、アーム導波路から近距離に形成されている場合は、２つのアーム導波路１０３の温度推移を比較すると、熱平衡状態から熱の供給を断った場合と、急速加熱後に熱の供給を断った場合とで、ほぼ同じ熱分布となり、温度推移もほぼ同じとなる。
　これと同様の事象が、光スイッチエレメント１０１を切り替える際にも生じていることは容易に理解できる。断熱溝１０６が形成されていない場合には、薄膜ヒータ１０５－１に電圧Ｖ１を時間Ｔ１の間印加することにより急速加熱され、λ／２の光路長変化を生じる温度に到達した後、熱平衡状態を維持する熱が供給される。急速加熱された直後の等温線は、図６（ｂ）に示したように同心円状の形状となり、薄膜ヒータ１０５－２を中心とする同心円状の形状となり、一部の熱が温度差のある基板に水平な方向に伝搬して逃げる分、一時的に温度が低下する。
　断熱溝１０６が薄膜ヒータ、アーム導波路から近距離に形成されている場合には、急速加熱されてλ／２の光路長変化を生じる温度に到達した段階で、熱平衡状態の温度分布とほぼ同じ形状の基板１０７と平行な等温線が形成される（図６（ｄ））。このため、熱が基板に水平な方向に逃げることなく、温度を保ったまま熱平衡状態に移行する。
　図７（ａ）に、第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路において切り替え時の温度推移をシミュレーションした一例を示す。アーム導波路１０３の導波路コアと薄膜ヒータ１０５との距離（Ｘ）を、薄膜ヒータ１０５と断熱溝構造１０６との距離（Ｙ）と等しい設計（Ｘ＝Ｙ）とした場合の温度推移である。図３（ａ）に示した、断熱溝構造を有さない従来技術の場合は、切り替え時において導波路の温度がいったん所望の温度に到達した後、一時的に温度が低下していたが、本実施形態ではこのような事象は生じていない。
　図７（ｂ）に、第１の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路において切り戻し時の温度推移をシミュレーションした一例を示す。切り戻し時において、２つのアーム導波路の温度がほぼ等しい温度に到達した後、ほぼ等しい温度推移で基板温度に到達している。図３（ｂ）に示した、断熱溝構造を有さない従来技術の場合のように、２つの導波路の温度推移が異なることはない。
　従って、光スイッチを切り替える際に、切り替わった後の透過率（光出力レベル）が低下したり、光スイッチを切り戻す際に、切り戻った後の短時間の間に漏れ光が生じたりすることはない。本実施形態によれば、光スイッチの切り替え及び切り戻し動作において、切り替わり後の光出力が安定し、切り戻し後に漏れ光が発生せず、切り替えおよび切り戻しに要する時間が短い導波路型光スイッチ回路を提供することができる。
　　（第２の実施形態）
　第２の実施形態の導波路型光スイッチ回路を構成する、マッハツェンダ干渉計型の光スイッチエレメントの光学系は、第１の実施形態と同一であるため説明を省略し、以下同一の符号を使用して説明する。
　図８に、本発明の第２の実施形態に係る導波路型光スイッチ回路の出力ポートの切り替えおよび切り戻しのタイミング図を示す。アーム導波路１０３の光路長を熱平衡状態でλ／２変化させるために必要な単位時間当たりの熱量を、薄膜ヒータ１０５で生成するときに印加する電圧をＶ２とする。
　光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り替える時（切り替えの初期）に、薄膜ヒータ１０５－１に対して電圧Ｖ２よりも十分に高い電圧Ｖ１を適切な時間Ｔ１の間印加する。Ｔ１の経過後は、アーム導波路１０３－１の導波路コアの熱光学効果の応答時間に対して十分短い時間Ｔ３とするとき、電圧Ｖ１を印加しない時間（１－Ｖ２ ２／Ｖ１ ２）×Ｔ３と、電圧Ｖ１を印加する時間Ｖ２ ２／Ｖ１ ２×Ｔ３とを交互に繰り返すことにより、時間平均をとると電圧Ｖ２を印加した場合と同じ電力を供給する。これにより、薄膜ヒータ１０５－１の直下に位置するアーム導波路１０３－１の光路長がλ／２変化する温度に到達するまでの時間を短くする。
　比較のために、切り替えの初期から電圧Ｖ２を印加し続ける場合、図８のアーム導波路１０３－１の温度変化を破線で示す。アーム導波路１０３－１に、大きな熱量を切り替えの初期に発生させて、目的の温度に到達した後は、目的の温度で熱平衡状態を保つのに必要な電力を供給することにより、光スイッチエレメント１０１の出力ポートの切り替えに要する時間を短縮できる。また、薄膜ヒータ１０５に印加する電圧をＶ１の１種類のみにすることにより、電圧を印加するための電気回路を簡素化することができる。
　光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り替えられた状態、すなわちアーム導波路１０３－１が加熱されて光路長がλ／２変化している状態から、出力ポートを切り戻す場合を説明する。一般的には、アーム導波路１０３－１の導波路コアの直上に位置する薄膜ヒータ１０５－１への電力供給を止め、アーム導波路１０３－１を冷却し、光路長の変化量をゼロに戻す。本実施形態では、さらに所定の時間（Ｔ２）アーム導波路１０３－２を加熱し、両方の光路長の変化量を等しくする。
　なお、この場合、光スイッチエレメント１０１の出力ポートが切り戻っている状態であっても、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２は、初期状態とは異なる加熱された状態にあるため、その状態から再度切り替える場合には、異なる印加電圧と印加時間の組み合わせが必要となる。従って、再度の切り替えを行う前に、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の光路長の変化量を等しく保ったまま放熱し、光路長の変化量をゼロに戻すことが望ましい。
　具体的には、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻す時（切り戻しの初期）に、既に電圧が印加されている薄膜ヒータ１０５－１に対して印加している電圧をゼロにする。同時に、薄膜ヒータ１０５の他方に対して十分に高い電圧Ｖ３を適切な時間Ｔ２の間印加することによって、アーム導波路１０３の他方を加熱する。この結果、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の両方の温度を等温にし、光路長の変化量を等しくすることにより、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻す。特に、薄膜ヒータ１０５－２に印加する電圧Ｖ３を薄膜ヒータ１０５－１に印加する電圧Ｖ１と一致させると、電圧を印加するための電気回路をさらに簡素化できる。
　薄膜ヒータ１０５－１に対する印加電圧をゼロにして、光路長の変化量がゼロに戻るまで待つ場合と比較して、切り戻しの初期に薄膜ヒータ１０５－２で大きな熱量を発生させることにより、短時間で２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２の光路長の変化量を等しくし、光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り戻すことができる。
　なお、再び光スイッチエレメント１０１の出力ポートを切り替える際には、印加する電圧パルスのパラメータを変える必要がない。すなわち電圧Ｖ１および時間Ｔ１の組み合わせで切替できることが望ましく、切り戻しを開始してからある一定の時間Ｔ４を経過させ、２本のアーム導波路１０３－１，１０３－２を冷却し、十分に冷えた状態に戻してから切り替えることが望ましい。
　本実施形態によれば、断熱溝構造の適用によって電力消費量が少ないこと、および光スイッチエレメントの切り替えおよび切り戻しの初期に薄膜ヒータにパルス状の電圧を印加することにより、切り替えおよび切り戻しに要する時間が短い導波路型光スイッチ回路を提供することができる。
　光通信ネットワークに用いられる導波路型光スイッチ回路に適用することにより、従来の導波路型光スイッチ回路と比較して、少ない消費電力量と切り替えおよび切り戻しに要する時間が短いことを両立することができる。

Claims (8)

  1. 　基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアとからなる導波路と、
    　前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、
    　前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、
    　前記導波路コアと前記ヒータとの距離は、前記ヒータと前記溝との距離に対して、同じか長いことを特徴とする導波路型光スイッチ回路。
  2. 　入力信号を分岐する光スプリッタと、当該光スプリッタの出力を合波し、干渉させて出力する光カプラと、前記光スプリッタと前記光カプラとを接続する２本のアーム導波路とを含み、前記アーム導波路は、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアからなるマッハツェンダ干渉計型の導波路型光スイッチ回路において、
    　前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、
    　前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、
    　前記導波路コアと前記ヒータとの距離は、前記ヒータと前記溝との距離に対して、同じか長いことを特徴とする導波路型光スイッチ回路。
  3. 　前記２本のアーム導波路のそれぞれの前記ヒータに印加する電圧がゼロの状態のとき、前記光カプラの一方の出力ポートに光信号が出力されるように、前記２本のアーム導波路の長さが設計されていることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光スイッチ回路。
  4. 　前記基板はシリコン基板であり、前記クラッド層および前記導波路コアは、ＳｉＯ２を主成分とする石英系ガラスからなることを特徴する請求項１、２または３に記載の導波路型光スイッチ回路。
  5. 　入力信号を分岐する光スプリッタと、当該光スプリッタの出力を合波し、干渉させて出力する光カプラと、前記光スプリッタと前記光カプラとを接続する２本のアーム導波路であって、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアからなるアーム導波路と、前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータとを含むマッハツェンダ干渉計型の導波路型光スイッチ回路の駆動方法において、
    　前記光カプラの出力ポートを切り替えるとき、一方のヒータに電圧値の高い第１の電圧を第１の時間印加した後、前記第１の電圧より低い第２の電圧を印加し、
    　前記光カプラの出力ポートを切り戻すとき、前記一方のヒータに印加する電圧をゼロとし、他方のヒータに第３の電圧を第２の時間印加した後、印加する電圧をゼロとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路の駆動方法。
  6. 　入力信号を分岐する光スプリッタと、当該光スプリッタの出力を合波し、干渉させて出力する光カプラと、前記光スプリッタと前記光カプラとを接続する２本のアーム導波路とを含み、前記アーム導波路は、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアからなるマッハツェンダ干渉計型の導波路型光スイッチ回路であって、
    　前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、
    　前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、
    　前記導波路コアと前記ヒータとの距離は、前記ヒータと前記溝との距離に対して、同じか長い、導波路型光スイッチ回路の駆動方法において、
    　前記光カプラの出力ポートを切り替えるとき、一方のヒータに電圧値の高い第１の電圧を第１の時間印加した後、前記第１の電圧より低い第２の電圧を印加し、
    　前記光カプラの出力ポートを切り戻すとき、前記一方のヒータに印加する電圧をゼロとし、他方のヒータに第３の電圧を第２の時間印加した後、印加する電圧をゼロとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路の駆動方法。
  7. 　入力信号を分岐する光スプリッタと、当該光スプリッタの出力を合波し、干渉させて出力する光カプラと、前記光スプリッタと前記光カプラとを接続する２本のアーム導波路とを含み、前記アーム導波路は、基板上に積層されたクラッド層および当該クラッド層に埋め込まれた導波路コアからなるマッハツェンダ干渉計型の導波路型光スイッチ回路であって、
    　前記導波路コアの上方であって、前記クラッド層の上面に形成されたヒータと、
    　前記導波路コアの側面と平行な面を有し、前記基板の鉛直方向に前記クラッド層が除去された溝とを備え、
    　前記導波路コアと前記ヒータとの距離は、前記ヒータと前記溝との距離に対して、同じか長い、導波路型光スイッチ回路の駆動方法において、
    　前記光カプラの出力ポートを切り替えるとき、一方のヒータに第１の電圧を第１の時間印加した後、前記第１の電圧を印加しない時間と印加する時間を交互に繰り返し、
    　前記光カプラの出力ポートを切り戻すとき、前記一方のヒータに印加する電圧をゼロとし、他方のヒータに第３の電圧を第２の時間印加した後、印加する電圧をゼロとすることを特徴とする導波路型光スイッチ回路の駆動方法。
  8. 　前記光カプラの出力ポートを切り戻した後、再び切り替えるまでの間に第３の時間以上を経過させることを特徴とする請求項５、６または７に記載の導波路型光スイッチ回路の駆動方法。
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