JP2006178252A

JP2006178252A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2006178252A
Application number: JP2004372504A
Authority: JP
Inventors: Shinji Iio; 晋司飯尾; Masayuki Suehiro; 雅幸末広; Shinichi Nakajima; 眞一中島; Yoshiyuki Asano; 義之浅野; Chie Sato; 千恵佐藤; Morio Wada; 守夫和田; Akira Miura; 明三浦; Takeshi Yagihara; 剛八木原; Shinji Kobayashi; 信治小林; Sadaji Oka; 貞治岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Also published as: US20060165348A1; US7362929B2

Abstract

【課題】クロストークを低減することが可能な光スイッチを実現する。
【解決手段】屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、光導波路層内の光導波路以外の部分であり、且つ、光導波路の分岐部分の近傍であって光信号の進行方向に交差する方向に形成された反射拡散溝と設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関し、特にクロストークを低減することが可能な光スイッチに関する。

現在の通信ネットワークであるＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）等では、通常電気信号をもって情報を伝送する通信方式となっている。

光信号をもって情報を伝送する通信方法は大量のデータを伝送する基幹ネットワークやその他一部のネットワークで用いられているだけである。また、これらのネットワークは”point to point”の通信であり、”フォトニックネットワーク”と言える通信網までは発達していないのが現状である。

このような”フォトニックネットワーク”を実現するためには、電気信号の送信先を切り換えるルータやスイッチングハブ等といった装置と同様の機能を有する”光ルータ”や”光スイッチングハブ”等が必要になる。

また、このような装置では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要になり、ニオブ酸リチウムやＰＬＺＴ（Lead Lanthanum Zirconate Titanate）等の強誘電体を用いたものや、半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換えるものが存在する。

さらに、最近では平面ガラス光導波路上に集積したヒータで発熱させ、当該ヒータが形成され部分の屈折率を変化させることにより、スイッチング動作を行わせるものもある。

そして、従来の半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０６−０５９２９４号公報特開平０６−１３０２３６号公報特開平０６−１９４６９６号公報特開２００４−０２０９０９号公報特開２００４−２６４６３１号公報「2x2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy」, Baojun Li and Soo-Jin Chua, p206-p208, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.13, NO.3, MARCH 2001

図３及び図４はこのような「非特許文献」に記載された従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図である。図３において１は”Ｘ字状”の光導波路を有する光導波路層、２及び３はキャリアを注入するための１対の電極である。

図３において光導波路層１上には”Ｘ字状”の光導波路が形成され、図３中”ＣＰ０１”に示すような”Ｘ字状”の光導波路の交差部分には長方形状の電極２が形成される。また、”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の近傍であって電極２に並行して長方形状の電極３が形成される。

一方、図４は図３中”Ａ−Ａ’”における断面図であり、図４において１、”ＷＧ０１”及び”ＷＧ０２”は図３と同一符号を付してあり、４はクラッド層、５は基板である。

基板５上にはクラッド層４及び光導波路層１が順次形成され、光導波路層１には図４中”ＷＧ０１”及び”ＷＧ０２”に示すような”Ｘ字状”の光導波路が形成される。また、光導波路層１に形成される光導波路はリッジ型の光導波路となっており、例えば、図４中”ＰＳ０１”に示すように光信号は分布して伝播する。

ここで、図３に示す従来例の動作を図４を参照しながら説明する。光スイッチが”ＯＦＦ”の場合、電極２及び電極３には電流が供給されない。

このため、図３中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図３中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は交差部分を直進して図３中”ＰＯ０１”に示す出射端から出射される。

一方、光スイッチが”ＯＮ”の場合、電極２から電子が注入され、電極３からは正孔が注入され、このため、前記交差部分にはキャリア（電子、正孔）が注入される。

このため、プラズマ効果によって図３中”ＣＰ０１”に示す”Ｘ字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図３中”ＰＩ０１”に示す入射端から入射した光信号は図３中”ＣＰ０１”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図３中”ＰＯ０２”に示す出射端から出射される。

この結果、電極に電流を供給して”Ｘ字状”の光導波路の交差部分にキャリア（電子、正孔）を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。

しかし、図３及び図４に示す従来例では、シミュレーション等によって光信号の経路を調べた場合、光スイッチの”ＯＮ／ＯＦＦ”動作によって光信号が伝播する光導波路が切り替わっているものの、光スイッチの”ＯＮ”若しくは”ＯＦＦ”に関わり無く光導波路以外の部分に光信号の一部が漏れ出してしまうと言った問題点があった。

このような問題点の原因としては２つ以上の光導波路が交差する部分では、光導波路の形状が著しく変化するため、光の導波モードが変化し、反射や散乱を起こすためであると推察される。

すなわち、複数の光導波路が交差する光スイッチでは多少の差はあれ反射や散乱に起因する光の漏れが存在することになる。

このような、光の漏れは図３に示すような光スイッチの構成では、光導波路以外の部分に漏れ出した光は図３中”ＰＯ０１”及び”ＰＯ０２”に示す出射端に到達しにくいので、光の漏れによる影響は少ない。

但し、図５に示すように図３に示すような光スイッチを集積した場合には、光導波路以外の部分に漏れ出した光が再び別の光導波路に流れ込んで（結合して）しまう可能性が高くなる。

図５は図３に示すような光スイッチを集積した光スイッチの平面図である。図５において６は”Ｘ字状”の光導波路を有し、それらの出射端側の光導波路の途中から異なる角度で分岐する”ｙ字状”の光導波路をそれぞれ有する光導波路層である。

但し、図５においてはキャリアを注入するための電極対が、図５中”ＣＰ１１”に示す光導波路の交差部分、図５中”ＢＰ１１”及び”ＢＰ１２”に示す出射端側の光導波路の分岐部分にそれぞれ必要であるが、図５においてはその記載は省略している。

ここで、図５に示す従来例の動作を簡単に説明する。例えば、図５中”ＰＩ１１”に示す入射端から入射された光信号は図５中”ＣＰ１１”に示す交差部分にキャリアが注入され屈折率が低くなっていれば（”ＯＮ”状態）、図５中”ＢＰ１１”に示す分岐部分に向かって反射され、さらに、図５中”ＢＰ１１”に示す分岐部分にキャリアが注入され屈折率が低くなっていれば（”ＯＮ”状態）、図５中”ＢＰ１１”に示す分岐部分で更に反射されて図５中”ＰＯ１２”に示す出射端から出射される。

また、例えば、図５中”ＰＩ１１”に示す入射端から入射された光信号は図５中”ＣＰ１１”に示す交差部分にキャリアが注入されていなければ（”ＯＦＦ”状態）、図５中”ＢＰ１２”に示す分岐部分に向かって直進し、さらに、図５中”ＢＰ１２”に示す分岐部分にキャリアが注入されていなければ（”ＯＦＦ”状態）、更に直進して図５中”ＰＯ１４”に示す出射端から出射される。

すなわち、図５中”ＣＰ１１”に示す交差部分、図５中”ＢＰ１１”及び”ＢＰ１２”に示す分岐部分へのキャリアの注入を制御することにより、図５中”ＰＩ１１”に示す入射端から入射された光信号を、図５中”ＰＯ１１”、”ＰＯ１２”、”ＰＯ１３”若しくは”ＰＯ１４”に示す出射端の何れかから出射させることが可能になる。

ここで、図５中”ＬＫ１１”に示すように図５中”ＣＰ１１”に示す交差部分で光導波路以外の部分で漏れ出した光は、図５中”ＷＧ１３”若しくは”ＷＧ１４”に示すような光導波路に流れ込んで（結合して）しまう可能性が高くなる。

例えば、スイッチングにより図５中”ＰＯ１４”に示す出射端から光信号を出射させるように制御した場合であっても、図５中”ＰＯ１２”若しくは”ＰＯ１３”に示す出射端からも光信号が出射されてしまう、言い換えれば、クロストークが生じてしまうことになる。
従って本発明が解決しようとする課題は、クロストークを低減することが可能な光スイッチを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、
前記光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、前記光導波路層内の光導波路以外の部分であり、且つ、前記光導波路の分岐部分の近傍であって前記光信号の進行方向に交差する方向に形成された反射拡散溝とを備えたことにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項２記載の発明は、
屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、
前記光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、前記光導波路層内の光導波路以外の部分であって前記光信号の進行方向に交差する方向に形成された複数の反射拡散溝とを備えたことにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
半導体基板と、この半導体基板上に形成されたクラッド層と、このクラッド層上に形成された前記光導波路層と、前記光導波路の分岐部分にキャリアを注入する１対の電極とを備えたことにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記反射拡散溝が、
前記光導波路層を突き抜けるように形成されたことにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記反射拡散溝が、
エッチングにより形成されたことにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記反射拡散溝が、
集束イオンビーム装置による直接描画によって形成されたことにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項７記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記光導波路層が、
２本の直線の光導波路が交差した光導波路を有することにより、クロストークを低減することが可能になる。

請求項８記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である光スイッチにおいて、
前記光導波路層が、
１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有することにより、クロストークを低減することが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５，６，７及び請求項８の発明によれば、光導波路の交差部分若しくは分岐部分における反射や散乱に起因して漏れ出す光を反射散乱させる複数の反射散乱溝を光導波路層内の光導波路以外の部分であって光導波路層の短手方向に平行に光導波路層を突き抜けるようにそれぞれ形成することにより、クロストークを低減することが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る光スイッチの一実施例を示す平面図及び断面図である。

図１において７は”Ｘ字状”の光導波路を有し、それらの出射端側の光導波路の途中から異なる角度で分岐する”ｙ字状”の光導波路をそれぞれ有する光導波路層、８，９，１０，１１及び１２は光導波路層７の短手方向に並行に形成された反射散乱溝である。

図１において光導波路層７上にはＸ字状”の光導波路を有し、それらの出射端側の光導波路の途中から異なる角度で分岐する”ｙ字状”の光導波路がそれぞれ形成される。また、光導波路層７内の前記光導波路以外の部分であって光導波路層７の短手方向に平行に反射散乱溝８，９，１０，１１及び１２が光導波路層７を突き抜けるようにそれぞれ形成される。

但し、図１においてはキャリアを注入するための電極対が、図１中”ＣＰ２１”に示す光導波路の交差部分、図１中”ＢＰ２１”及び”ＢＰ２２”に示す出射端側の光導波路の分岐部分にそれぞれ必要であるが、図１においてはその記載は省略している。

一方、図２は図１中”Ｂ−Ｂ’”における断面図であり、図２において７、”ＷＧ２１”及び”ＷＧ２２”は図１と同一符号を付してあり、１３はクラッド層、１４は基板である。

基板１４上にはクラッド層１３及び光導波路層７が順次形成され、光導波路層７内には図２中”ＷＧ２１”及び”ＷＧ２２”に示すような光導波路が形成される。また、光導波路層７に形成される光導波路はリッジ型の光導波路となっており、例えば、図２中”ＰＳ２１”に示すように光信号は分布して伝播する。

また、光導波路層７内であって図２中”ＷＧ２１”及び”ＷＧ２２”に示す光導波路以外の部分には図２中”ＲＤ２１”、”ＲＤ２２”及び”ＲＤ２３”に示すような反射散乱溝がクラッド層１３に達する迄（光導波路層７を突き抜けて）それぞれ形成される。

ここで、図１及び図２に示す実施例の動作を説明する。例えば、図１中”ＰＩ２１”に示す入射端から入射された光信号は図１中”ＣＰ２１”に示す交差部分にキャリアが注入され屈折率が低くなっていれば（”ＯＮ”状態）、図１中”ＢＰ２１”に示す分岐部分に向かって反射され、さらに、図１中”ＢＰ２１”に示す分岐部分にキャリアが注入され屈折率が低くなっていれば（”ＯＮ”状態）、図１中”ＢＰ２１”に示す分岐部分で更に反射されて図１中”ＰＯ２２”に示す出射端から出射される。

また、例えば、図１中”ＰＩ２１”に示す入射端から入射された光信号は図１中”ＣＰ２１”に示す交差部分にキャリアが注入されていなければ（”ＯＦＦ”状態）、図１中”ＢＰ２２”に示す分岐部分に向かって直進し、さらに、図１中”ＢＰ２２”に示す分岐部分にキャリアが注入されていなければ（”ＯＦＦ”状態）、更に直進して図１中”ＰＯ２４”に示す出射端から出射される。

すなわち、図１中”ＣＰ２１”に示す交差部分、図１中”ＢＰ２１”及び”ＢＰ２２”に示す分岐部分へのキャリアの注入を制御することにより、図１中”ＰＩ２１”に示す入射端から入射された光信号を、図１中”ＰＯ２１”、”ＰＯ２２”、”ＰＯ２３”若しくは”ＰＯ２４”に示す出射端の何れかから出射させることが可能になる。

この状態で、図１中”ＬＫ２１”に示すように図１中”ＣＰ２１”に示す交差部分で光導波路以外の部分で光が漏れ出した場合であっても、反射散乱溝１１によって更に反射散乱されることになるので、図５に示す従来例のように、図１中”ＷＧ２３”若しくは”ＷＧ２４”に示すような光導波路に流れ込んで（結合して）しまうことを低減させることができる。言い換えれば、クロストークを低減することが可能になる。

この結果、光導波路の交差部分若しくは分岐部分における反射や散乱に起因して漏れ出す光を反射散乱させる複数の反射散乱溝を光導波路層７内の光導波路以外の部分であって光導波路層７の短手方向に平行に光導波路層７を突き抜けるようにそれぞれ形成することにより、クロストークを低減することが可能になる。

なお、図１に示す実施例においては複数の反射散乱溝を光導波路層７内の光導波路以外の部分であって光導波路層７の短手方向に平行に形成しているが、反射散乱溝は光信号の進行方向に交差する方向に形成すれば構わない。

また、図１に示す実施例においては反射散乱溝を５本例示しているが、勿論、光導波路以外の部分に漏れ出した光を十分に反射散乱させ光導波路に流れ込む（結合する）ことを防止することが可能であれば、例えば、光が漏れ出すような光導波路の交差部分若しくは分岐部分の近傍に反射拡散溝を形成すれば良い。勿論、反射散乱溝の本数や幅は任意であって構わない。

また、図１に示す実施例においては反射散乱溝を光導波路層７を突き抜けるように形成しているが、勿論、光導波路以外の部分に漏れ出した光を十分に反射散乱させ光導波路に流れ込む（結合する）ことを防止することが可能であれば、必ずしも反射散乱溝が光導波路層７を突き抜ける必要性はない。

また、反射散乱溝の形成方法としては、通常のウェハプロセスによるエッチングにより形成することが可能であり、また、ＦＩＢ（Focused Ion Beam：集束イオンビーム）装置による直接描画によって形成しても構わない。

また、図１に示す実施例においては，”Ｘ字状”の光導波路を有し、それらの出射端側の光導波路の途中から異なる角度で分岐する”ｙ字状”の光導波路をそれぞれ有する光導波路層を例示しているが、光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層であれば構わない。

本発明に係る光スイッチの一実施例を示す平面図である。本発明に係る光スイッチの一実施例を示す断面図である。従来の光スイッチの一例を示す平面図である。従来の光スイッチの一例を示す断面図である。図３に示すような光スイッチを集積した光スイッチの平面図である。

符号の説明

１，６，７光導波路層
２，３電極
４，１３クラッド層
５，１４基板
８，９，１０，１１，１２反射散乱溝

Claims

屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、
前記光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、
前記光導波路層内の光導波路以外の部分であり、且つ、前記光導波路の分岐部分の近傍であって前記光信号の進行方向に交差する方向に形成された反射拡散溝と
を備えたことを特徴とする光スイッチ。
屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチにおいて、
前記光信号が一方から入射され途中で２つに分岐して出射される光導波路が形成された光導波路層と、
前記光導波路層内の光導波路以外の部分であって前記光信号の進行方向に交差する方向に形成された複数の反射拡散溝と
を備えたことを特徴とする光スイッチ。
半導体基板と、
この半導体基板上に形成されたクラッド層と、
このクラッド層上に形成された前記光導波路層と、
前記光導波路の分岐部分にキャリアを注入する１対の電極と
を備えたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の光スイッチ。
前記反射拡散溝が、
前記光導波路層を突き抜けるように形成されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の光スイッチ。
前記反射拡散溝が、
エッチングにより形成されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の光スイッチ。
前記反射拡散溝が、
集束イオンビーム装置による直接描画によって形成されたことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の光スイッチ。
前記光導波路層が、
２本の直線の光導波路が交差した光導波路を有することを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の光スイッチ。
前記光導波路層が、
１本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する光導波路を有することを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の光スイッチ。