JPS6150293B2

JPS6150293B2 -

Info

Publication number: JPS6150293B2
Application number: JP7686180A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Terui; Morio Kobayashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1980-06-07
Filing date: 1980-06-07
Publication date: 1986-11-04
Also published as: JPS574010A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、薄膜光導波路を利用した複数入力、
複数出力の薄膜光スイツチ回路に関するものであ
る。

従来、光導波路を利用した複数入力、複数出力
の薄膜光スイツチ回路では、その構成要素の１入
力２出力もしくは２入力２出力の光スイツチ素子
に電気光学効果または音響光学効果による光の偏
向を用いている。しかしこれらの光スイツチ素子
では、偏向角が高々２゜以下と小さい。従つてこ
れらの素子を組み合わせて複数入力、複数出力の
光スイツチ回路を構成しようとすると、偏向角が
小さいので、著しく長い導波膜を要し、形状が大
きくなるとともに、伝搬損失も無視できなくなる
という欠点があつた。

本発明はこれらの欠点を解決するため、光導波
路の等価屈折率を変えることにより、従来に比べ
て大きい偏向角が得られる光スイツチ素子を用
い、これを構成要素とした複数入力、複数出力の
薄膜光スイツチ回路を提供するものである。以下
図面により本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の薄膜光スイツチ回路の構成要
素の２入力２出力の光スイツチ素子の斜視図であ
る。第２図は該光スイツチ素子の断面図である。
この光スイツチ素子は、特願昭55−003474「薄膜
型光偏向素子」に記載のものと同様であるが、簡
単にその構造と動作を説明する。

基板１の上に光導波膜２を所定の厚みに積層す
る。第１図に示すように、以下の説明上、光導波
膜２の面内にxy直交座標軸およびこれらに垂直
にｚ軸をとる。光導波膜２のｘ軸方向に直線状の
低屈折率領域２′を形成し、その上に中間層３
（第１図および第２図では空気層にしてある）を
介してxy面に平行な底面を有する可動誘電体片
４を設ける。可動誘電体片をｚ軸方向に上下させ
るため、可動誘電体片４と機械的に接続した誘電
体片駆動部５（たとえば圧電バイモルフ）と、さ
らに誘電体片駆動部５と電気的に接続した駆動回
路６を設ける。基板１、光導波膜２、低屈折率領
域２′、中間層３、可動誘電体片４の屈折率をそ
れぞれn₁、n₂、n₂′、n₃、n₄とし、n₂＞n₂′＞n₄＞
（n₁、n₃）の関係を満たすようにする。第１図に示
すように、光導波膜２中の低屈折率領域２′に導
光波７および７′が入射すると、これらは入射角
度θに応じて低屈折率領域２′で全反射または透
過する。ここで低屈折率領域２′の屈折率分布は
ステツプ型でもグレーテツド型でもよいが、第１
図はグレーテツド型の場合（ｙ軸方向にグレーテ
ツド型になつている。）で、光偏向が低屈折率領
域２′の中央で生じている。この場合、前記の屈
折率n₂′は、低屈折率領域２′のｙ軸方向の中心の
値である。さてここで、第２図に示す可動誘電体
片４と光導波膜２との距離l₃と、低屈折率領域
２′における全反射条件の関係を考える。距離l₃
が光導波膜２の膜厚より大きいときの光導波膜２
および低屈折率領域２′の中心の等価屈折率をν
_０およびν₀′とする。またl₃が光導波膜２の膜厚
より十分に小さいときの光導波膜２および低屈折
率領域２′の中心の等価屈折率をνおよびν′とす
る。等価屈折率ν_０、ν₀′、ν、ν′は前記特願
昭55−003474に記載の固有方程式で求められる。
この固有方程式によればν_０、ν₀′、ν、ν′の
間にはν′／ν＞ν₀′／ν_０なる関係がある。そ
こで導波光７および７′の低屈折率領域２′への入
射角θが ν′／ν＞cosθ＞ν₀′／ν_０ ……(1) を満足するようにとる。このようにすると、l₃が
前述のように大きい場合、すなわち可動誘電体片
４を光導波膜２から遠ざけた場合には、全反射条
件が満足されて、入射導波光７は全反射して出力
導波光８となり、入射導波光７′もまた全反射し
て出力導光波８′となる。

一方、l₃が前述のように十分に小さい場合、す
なわち可動誘電体片４を光導波膜２に近づけた場
合には、全反射条件が満足されなくなり、入射導
波光７は低屈折率領域２′を透過して出力導波光
８′となり、入射導波光７′もまた透過して出力導
波光８となる。

この場合の出力導波光８および８′の分岐角度
は第１図から明らかなように２θで与えられる。
分岐角度２θは、光導波膜２と低屈折率領域２′
の比屈折率差ｎ_２−ｎ_２′／ｎ_２を２％とすると20゜以
上の角度が得られ、この程度の比屈折率差は、特開昭
54−161350「薄膜光素子の製造方法」および特開
昭53−71845「光導波薄膜とその作製法」によれ
ば簡単に得られる。実際にこのようなスイツチ素
子を駆動するには、駆動回路６から駆動信号を誘
電体駆動部５に送り、可動誘電体片４を上下させ
る。

前述したような光スイツチ素子は、第３図に示
すようなスイツチ動作を行う。スイツチをオン状
態にした（可動誘電体片４を光導波膜２および低
屈折率領域２′に近づけた）場合には、第３図ａ
に示すように入力端子と出力端子〓〓が接続
し、入力端子と出力端子〓〓が接続する。一
方、オフ状態にした（可動誘電体片４を光導波膜
２および低屈折率領域２′から遠ざけた）場合に
は、第３図ｂに示すように入力端子と出力端子
〓〓が接続し、入力端子は出力端子〓〓と接続
する。このようなスイツチ９は、再配置閉そく型
の２×２スイツチである。再配置型とは、入力端
子と出力端子が必ずどれかに１対１で接続するも
のを言い、閉そく型とは、ある入力端子と出力端
子の接続が他の入力端子の接続に影響を与えるも
のを言う。

再配置閉そく型２×２スイツチ９を基本単位と
すれば、再配置閉そく型Ｎ×Ｎスイツチは、Ｎ
（Ｎ−１）／２個の２×２スイツチ９で構成でき
ることが知られている。その構成法は、第４図に
示すようにダイヤモンド構造にするか、または第
５図に示すようにトライアングル構造にすればよ
い。いずれの例も７×７スイツチの例である。

第４図および第５図に示すＮ×Ｎスイツチは、
第１図に示す２×２光スイツチ素子を用いれば、
構成できる。第６図は第４図に示すダイヤモンド
構造のＮ×Ｎ光スイツチの構成を示したものであ
る。説明の便宜上、図のようにxy直交座標軸を
とる。

光導波膜２中に（Ｎ＋１）本の直線状の低屈折
率領域２′を、それぞれの低屈折率領域２′の中心
線がｙ＝−nd（ｎ＝０、１、……、Ｎ）に一致
し、かつ左側端部はxy座標軸の第３象限内にあ
るようにする。ここにｄは第６図に示すように相
隣る低屈折率領域２′の中心間の距離とする。

また任意の低屈折率領域２′上にある端子と、
この低屈折率領域２′と相隣る低屈折率領域２′上
にあり、かつ前記端子と最短距離にある端子との
端子間のｘ軸方向の距離をｌとし、右側端部は、
（Ｎ＋１）本の低屈折率領域２′のｘ座標が、ｌ＝
ｄ／tanθ（θは(1)式を満たす）として（Ｎ−
１）ｌより十分大きくとればよい。

これらの低屈折率領域２′上に、ｘ、ｙを座標
軸とする座標〔２（n₁−１）ｌ、２（n₂−１）
ｄ〕、ここでＮが奇数のときn₁＝１、２、……、
（Ｎ＋１）／２、n₂＝１、２、……、（Ｎ−１）／
２、Ｎが偶数のときn₁＝１、２、……、Ｎ／２、
n₂＝１、２、……、Ｎ／２、およびｘ、ｙを座標
軸とする座標〔２（n₁−１）ｌ、2n₂d〕、ここで
Ｎが奇数のときn₁＝１、２、……、（Ｎ−１）／
２、n₂＝１、２、……、（Ｎ−１）／２、Ｎが偶
数のときn₁＝１、２、……、Ｎ／２、n₂＝１、
２、……、Ｎ／２−１で表わされる合計Ｎ（Ｎ−
１）／２個の位置に、低屈折率領域２′および光
導波膜２をともに覆うに足る十分大きな底面を有
する可動誘電体片４を中間層３を介して設置す
る。このような構成をとると、第６図の場合では
入力端子〜に入射した導波光に対して、〓〓
〜〓〓を出力端子とする７×７再配置閉そく型薄
膜光スイツチ回路が形成される。ここで、入出力
の端子番号は、第６図に示すように、ｘ軸に近い
方から順に，，……，〓〓，〓〓，……とつけ
る。第６図では、−〓〓，−〓〓，−〓
〓，−〓〓，−〓〓，−〓〓，−〓〓の
接続例を示している。図中一重丸はオン状態、二
重丸はオフ状態を表わす。接続は、与えられた接
続対−〓〓（ここには，，……，，〓
〓は〓〓，〓〓，……′である。）の中で｜ａ−
a′｜が最も大きいものから順に行えばよい。なぜ
なら、｜ａ−a′｜の大きい接続程、光路の選択が
限定されるからである。

第７図は第５図に示すトライアングル構造のＮ
×Ｎ再配置閉そく型薄膜光スイツチの構成を示
す。光導波膜２中にＮ本の直線状の低屈折率領域
２′をそれぞれの低屈折率領域２′の中心線がｙ＝
nd（ｎ＝０、……、Ｎ−１）に一致するように
形成する。かつこられの端部は、右側端部のｘ座
標が（ｎ−１）ｌより大きく、左側端部のｘ座標
が−（ｎ−１）ｌより小さいようにする。これら
の低屈折率領域２′上に、ｘ、ｙを座標軸とする
座標〔（n₁−１）ｌ−２ｌ（n₂−１）（n₁−１）
ｄ〕、ここでn₁＝１、２、……、Ｎ−１、n₂＝
１、２、……、n₁で表わされるＮ（Ｎ−１）／２
個の位置に、低屈折率領域２′および光導波膜２
を、ともに覆うに足る十分大きな底面を有する可
動誘電体片を中間層３を介して設置する。このよ
うな構成をとつても、第７図の入力端子〜に
対して〓〓〜〓〓を出力端子とする７×７再配置
閉そく型薄膜光スイツチ回路が形成される。ここ
で入出力端子番号は、第７図に示すように、ｘ軸
から最も遠いものから順に，，……，〓〓，
〓〓，……とつける。第７図では第６図と同様に
−〓〓，−〓〓，−〓〓，−〓〓，−
〓〓，−〓〓，−〓〓の接続例を示す。接続
は、入力端子の端子番号の最も大きなものから順
に行うか、または出力端子の端子番号の最も大き
なものから順に行えばよい。なぜなら入力端子番
号の大きい接続の組み合わせ、または出力端子番
号の大きい接続の組み合わせ程、光路の選択が限
定されるからである。

第６図および第７図では７×７の例を示した
が、前述した構成法によれば、一般的にＮ×Ｎ再
配置閉そく型スイツチが形成し得る。これらの薄
膜光スイツチ回路は、特開昭53−71845「光導波
膜とその作製法」および特開昭54−161350「薄膜
光素子を製造方法」によれば、簡単に作製し得る
ものである。

以上説明したように、本発明の薄膜光スイツチ
回路は、光導波膜中に簡単に作製し得るＮ本の平
行な低屈折率領域の上部に、可動誘電体片を設置
する構造であり、構造が簡単で作製が容易であ
り、Ｎ×Ｎスイツチ回路が同一基板上に作製でき
る。また回路の基本スイツチ素子の偏向角が大き
いので、スイツチ構成の密度を上げることができ
る。従つて本発明の薄膜光スイツチ回路を光通信
および光情報処理分野に応用すれば、製造コスト
の低減化および装置の小型化にきわめて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は２×２光スイツチ素子の斜視図、第２
図は２×２光スイツチ素子の断面図、第３図は２
×２スイツチの接続状態を示す図、第４図および
第５図はＮ×Ｎスイツチの構成を示す図、第６図
および第７図はＮ×Ｎ薄膜型光スイツチの構成を
示す図である。１……基板、２……光導波膜、２′……低屈折
率領域、３……中間層、４……可動誘電体片、５
……可動誘電体片駆動部、６……駆動回路、７…
…入射導波光、８……出力導波光、８′……出力
導波光、９……２×２スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】１導波光に対して透明で屈折率n₁を有する平滑
な基板上に、屈折率n₂を有する光導波膜が所定の
厚みに積層され、前記光導波膜中にxy直交座標
軸をとつた場合に、前記光導波膜中にＮを正の整
数として（Ｎ＋１）本の直線状の屈折率n₂′を有
する低屈折率領域２′が設けられｄを相隣る低屈
折率領域２′の中心間の距離とし、前記低屈折率
領域２′のそれぞれの中心線がｙ＝−nd（ｎ＝
０、１、……、Ｎ）で表わされる（Ｎ＋１）本の
直線に一致し、かつそれらの左側端部が前記座標
軸の第３象限内にあり、前記低屈折率領域２′の
前記導波光に対する全反射角度をθとして、任意
の低屈折率領域２′上にある端子と、この低屈折
率領域２′と相隣る低屈折率領域２′上にあり、か
つ前記端子と最短距離にある端子との端子間のｘ
軸方向の距離をｌとし、ｌ＝ｄ／tanθとし、前
記（Ｎ＋１）本の低屈折率領域２′の右側端部の
ｘ座標が（Ｎ−１）ｌより大なるように設置され
n₁、n₂を正の整数として前記低屈折率領域の上部
のｘ、ｙを座標軸とする座標〔２（n₁−１）ｌ、
（2n₂−１）ｄ〕、ここでＮが奇数のときn₁＝１、
２、……、（Ｎ＋１）／２、n₂＝１、２、……、
（Ｎ−１）／２、Ｎが偶数のときn₁＝１、２、…
…、Ｎ／２、n₂＝１、２、……、Ｎ／２および
ｘ、ｙを座標軸とする座標〔（2n₁−１）ｌ、
2n₂d〕、ここでＮが奇数のときn₁＝１、２、…
…、（Ｎ−１）／２、n₂＝１、２、……、（Ｎ−
１）／２、Ｎが偶数のときn₁＝１、２、……、
Ｎ／２、n₂＝１、２、……、Ｎ／２−１で表わさ
れる合計Ｎ（Ｎ−１）／２個のそれぞれの位置
に、屈折率n₃なる中間層を介して屈折率n₄を有
し、かつ導波膜に平行で、前記低屈折率領域２′
およびその周囲の光導波膜を覆うに足る十分広い
底面を有する可動誘電体片が設置され、かつこの
可動誘電体片と前記光導波膜との距離l₃が光導波
膜の膜厚より大きいときの前記光導波膜および低
屈折率領域２′の中心の等価屈折率をν_０および
ν₀′とし、前記距離l₃が光導波膜の膜厚より十分
に小さいときの前記光導波膜および低屈折率領域
２′の中心の等価屈折率をνおよびν′とし、
ν′／ν＞cosθ＞ν₀′／ν_０なる関係を満足し、
前記屈折率n₁、n₂、n₂′、n₃、n₄の間にn₂＞n₂′＞
n₄＞（n₁、n₃）なる関係が満足されていることを特
徴とする薄膜光スイツチ回路。２導波光に対して透明で屈折率n₁を有する平滑
な基板上に、屈折率n₂を有する光導波膜が所定の
厚みに積層され、前記光導波膜中にxy直交座標
軸をとつた場合に、前記光導波膜中にＮを正の整
数としてＮ本の直線状の屈折率n₂′を有する低屈
折率領域２′が設けられ、ｄを相隣る前記低屈折
率領域２′の中心間の距離とし、前記低屈折率領
域２′のそれぞれの中心線がｙ＝nd（ｎ＝０、
１、……、Ｎ−１）で表わされるＮ本の直線に一
致し、かつ前記低屈折率領域２′の導波光に対す
る全反射角度をθとして、任意の低屈折率領域
２′上にある端子とこの低屈折率領域２′と相隣る
低屈折率領域２′上にあり、かつ前記端子と最短
距離にある端子との端子間のｘ軸方向の距離をｌ
とし、ｌ＝ｄ／tanθとし、Ｎ本の前記低屈折率
領域２′の右側端部のｘ座標が（ｎ−１）ｌより
大きく、左側端部のｘ座標が−（ｎ−１）ｌより
小さいように設置され、前記低屈折率領域２′の
上部の前記ｘ、ｙを座標軸とする座標〔（n₁−
１）ｌ−２ｌ（n₂−１）、（ｎ−１）ｄ〕、ここ
でn₁＝１、２、……、Ｎ−１、n₂＝１、２、…
…、n₁で表わされるＮ（Ｎ−１）／２個の位置
に、屈折率n₃なる中間層を介して、屈折率n₄を有
し、かつ光導波膜に平行で、前記低屈折率領域
２′およびその周囲の光導波膜を覆うに足る十分
に広い底面を有する可動誘電体片が設置され、か
つこの可動誘電体片と前記光導波膜との距離l₃が
光導波膜の膜厚より大きいときの前記光導波膜お
よび低屈折率領域２′の中心の等価屈折率をν_０
およびν₀′とし、前記距離l₃が光導波膜の膜厚よ
り十分に小さいときの前記光導波膜および低屈折
率領域２′の中心の等価屈折率をνおよびν′と
し、ν′／ν＞cosθ＞ν₀′／ν_０なる関係を満足
し、さらに前記屈折率n₁₁、n₂、n₂′、n₃、n₄間に
n₂＞n₂′＞n₄＞（n₁、n₃）なる関係が満足されている
ことを特徴とする薄膜光スイツチ回路。