光スイッチ
【課題】光の偏波方向に依存しない光スイッチを提供する。
【解決手段】第１の導波路２０には、動作時には水平偏波モード成分の位相を第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には光の位相をずらさない位相シフト手段２２，２４と、偏波モードコンバータ２６が設けられている。第２の導波路３０には、動作時には水平偏波モード成分の位相を第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には光の位相をずらさない位相シフト手段３２，３４と、偏波モードコンバータ３６が設けられている。偏波モードコンバータ２６は、第１の方向性結合器１０と位相シフト手段２２，２４の間に位置しており、偏波モードコンバータ３６は、第２の方向性結合器４０と位相シフト手段３２，３４の間に位置している。
【解決手段】第１の導波路２０には、動作時には水平偏波モード成分の位相を第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には光の位相をずらさない位相シフト手段２２，２４と、偏波モードコンバータ２６が設けられている。第２の導波路３０には、動作時には水平偏波モード成分の位相を第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には光の位相をずらさない位相シフト手段３２，３４と、偏波モードコンバータ３６が設けられている。偏波モードコンバータ２６は、第１の方向性結合器１０と位相シフト手段２２，２４の間に位置しており、偏波モードコンバータ３６は、第２の方向性結合器４０と位相シフト手段３２，３４の間に位置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏波方向に依存しない光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークにおいて、光の経路を切り替える光スイッチが必須である。このような光スイッチの一例として、導波路型の光スイッチがある（例えば特許文献１参照）。導波路型の光スイッチは、低損失、高速切替、及び小型化が可能といった特徴を有している。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−５４６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光通信ネットワークにおいて、ファイバ中を伝搬する光の偏波方向はさまざまな方向を向いている。このため、光信号を光のままスイッチングする光スイッチには、光の偏波方向に依存しない特性が必要となる。
【０００５】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、光の偏波方向に依存しない光スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る光スイッチは、第１の偏波モード成分及び第２の偏波モード成分を有する入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の導波路との長さの差が前記入力光の波長の整数倍であり、前記第２の分岐光を伝達する第２の導波路と、
前記第１の導波路に設けられ、動作時には前記第１の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第１の分岐光の位相をずらさない第１の位相シフト手段と、
前記第２の導波路に設けられ、動作時には前記第２の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第２の分岐光の位相をずらさない第２の位相シフト手段と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光を前記第６の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
前記第１の導波路に設けられ、前記第１の方向性結合器と前記第１の位相シフト手段の間に位置する第１の偏波モードコンバータと、
前記第２の導波路に設けられ、前記第２の方向性結合器と前記第２の位相シフト手段の間に位置する第２の偏波モードコンバータと、
を具備する。
前記第１の導波路と前記第２の導波路の長さは同一であっても良い。
第１の偏波モード成分は例えば水平偏波モード成分であり、第２の偏波モード成分は例えば垂直偏波モード成分であるが、これらが逆であっても良い。
【０００７】
前記第１の位相シフト手段は、前記第１の導波路上に形成された第１の強誘電性液晶層と、前記第１の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第１の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第１の電極と、を具備し、
前記第２の位相シフト手段は、前記第２の導波路上に形成された第２の強誘電性液晶層と、前記第２の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第２の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第２の電極と、を具備してもよい。
【０００８】
前記第１の導波路は導電性を有しており、前記第１の電極とともに前記第１の強誘電性液晶の配向方向を制御し、
前記第２の導波路は導電性を有しており、前記第２の電極とともに前記第２の強誘電性液晶の配向方向を制御してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光の偏波方向に依存しない光スイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの構成を説明する為の概略図である。この光スイッチにおいて、第１の方向性結合器１０が有する２つの出力ポートと、第２の方向性結合器４０が有する２つの入力ポートが、第１の導波路２０及び第２の導波路３０を用いて接続されている。第１の導波路２０及び第２の導波路３０は、長さが互いに略同一である。第１の方向性結合器１０の入力ポート１，２は光スイッチの入力ポートとして機能し、第２の方向性結合器４０の出力ポート３，４は光スイッチの出力ポートとして機能する。なお、第１の導波路２０及び第２の導波路３０は、例えば不純物が導入されていて導電性を有する半導体膜によって形成されている。
【００１１】
第１の導波路２０の一部である第１領域上には強誘電性液晶２２が配置されている。強誘電性液晶２２は、強誘電性液晶２２上に設けられた上部電極２４と第１の導波路２０の間に印加される電圧によって、配向方向が制御される。
【００１２】
第２の導波路３０の一部である第２領域上には強誘電性液晶３２が配置されている。強誘電性液晶３２は、強誘電性液晶３２上に設けられた上部電極３４と第２の導波路３０の間に印加される電圧によって、配向方向が制御される。
なお、強誘電性液晶２２，３２の配向方向を制御する電圧は、電圧制御部５０によって制御されている。
【００１３】
入力ポート１には、例えば波長λ１の光ａが入力される。光ａは、ＴＥモード（水平偏波モード）の成分とＴＭモード（垂直偏波モード）の成分の双方を有しており、これら２つの成分を合成することによって定まる偏波方向は任意である。第１の方向性結合器１０を通過する際に、光ａは第１の導波路２０及び第２の導波路３０にそれぞれ分岐する。分岐した光の強度は略同じであるが、これらの間には位相差π／２が生じる。
【００１４】
第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さは互いに同じである為、第１の導波路２０を通過する光ａ,ｂと第２の導波路３０を通過する光ａの間の位相差は変化しない。
【００１５】
また、強誘電性液晶２２の配向方向が変化すると、詳細を後述するように、強誘電性液晶２２の屈折率が変化し、この屈折率の変化に起因して、第１の導波路２０のうち、強誘電性液晶２２の下方に位置する第１領域の屈折率が変化する。このため、強誘電性液晶２２の配向方向が変化すると、第１の導波路２０から出力される光のうちＴＥモードの位相が変化する。この位相の変化量は、後述するように強誘電性液晶２２の配向量を変えることによって制御することができる。
【００１６】
同様に、強誘電性液晶３２の配向方向が変化すると、第２の導波路３０のうち、強誘電性液晶３２の下方に位置する第２領域の屈折率が変化し、第２の導波路３０から出力される光の位相が変化する。この位相の変化量は、後述するように強誘電液晶３２の配向量を変えることによって制御することができる。
【００１７】
第１の導波路２０には、第１の方向性結合器１０と強誘電性液晶２２の間に位置するモードコンバータ２６が設けられており、第２の導波路３０には、強誘電性液晶２２と第２の方向性結合器４０の間に位置するモードコンバータ３６が設けられている。モードコンバータ２６，３６は、光のＴＥモード成分をＴＭモード成分に変換し、かつ光のＴＭモード成分をＴＥモード成分に変換する。
【００１８】
第１の導波路２０を通過した光ａ、及び第２の導波路３０を通過した光ａは、第２の方向性結合器４０でそれぞれ出力ポート３，４に略同じ強度に分岐される。分岐後の光が出力ポート３，４で合成されることにより、出力ポート３，４から出力される光が定まる。
【００１９】
出力ポート３，４のいずれから光ａが出力されるかは、上記した光の位相差の合計によって定まる。詳細を後述するように、強誘電性液晶２２、３２の配向方向を制御することにより、出力ポート３，４のいずれから光ａが出力されるかを制御することができる。
【００２０】
図２のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路を透過している光のうちＴＥモードの強度分布を示すシミュレーション結果を示している。本シミュレーションにおいて、導波路はＳｉ（厚さは０．５μｍ）で形成されており、下地膜はＳｉＯ２（厚さは∞）で形成されている。強誘電性液晶は、等価屈折率が１．６１５、厚さが∞として扱われている。本グラフから、導波路から強誘電性液晶に光の一部が染み出ていることが分かる。強誘電性液晶の配向方向が変化すると、強誘電性液晶の等価屈折率（誘電率）が変化する。この等価屈折率の変化は、導波路から強誘電性液晶に染み出た光の伝搬に影響を与える。この結果、導波路の等価屈折率が変化する。
【００２１】
従って、電圧制御部５０が上部電極２４と第１の導波路２０の間の電圧を制御することにより、強誘電性液晶２２の配向方向を変化させ、強誘電性液晶２２の下方に位置する第１の導波路２０の等価屈折率を変化させることができる。
【００２２】
図３のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路の等価屈折率の変化Δｎが導波路の厚さによってどのように変化するかシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、導波路がＳｉで形成されており、下地膜がＳｉＯ２で形成されており、かつ光の波長λ＝１５５０ｎｍとしている。本図に示すように、導波路の厚さが薄いほどΔｎが大きくなる。
【００２３】
図４のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路において、ＴＥモードの光における位相差πを得るために必要な導波路長が、導波路の厚さによってどのように変化するかを計算したグラフである。本グラフは、図３のグラフに示した結果を前提としている。本グラフに示すように、導波路の厚さが薄くなるにつれて、位相差πを得るために必要な導波路長が短くなる。
【００２４】
図５及び図６の各図は、強誘電性液晶２２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図である。図５において、強誘電性液晶２２，３２の配向方向は第１の方向と第２の方向のいずれかを取る。強誘電性液晶２２、３２の配向方向が第１の方向である場合、光ａのＴＥモード成分は、強誘電性液晶２２，３２の下方を通過する際に位相が変化しない。強誘電性液晶２２，３２の配向方向が第２の方向である場合、光ａのＴＥモード成分は、強誘電性液晶層２２，３２の下方を通過する際に位相がπ変化する。このような状態は、上記したように、強誘電性液晶２２，３２の材料、第１領域及び第２領域の長さ、及び第１の導波路２０及び第２の導波路３０の厚さを調節することにより実現できる。
【００２５】
図５の各図は、強誘電性液晶２２，３２が第２の方向に配向している場合を示している。図５（Ａ）は光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明するための図であり、図５（Ｂ）は光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明するための図である。第１の方向性結合器１０を通過すると、光ａは、第１の導波路２０及び第２の導波路３０に同じ強度に分岐されるが、第２の導波路３０に分岐された光ａは、ＴＥモード成分及びＴＭモード成分の双方が、それぞれ第１の導波路２０に分岐された光に対してπ／２ほど位相が遅れる。
【００２６】
まず、図５（Ａ）を用いて、光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。このため、光ａは強誘電性液晶２２の配向方向によらず、強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相は変化しない。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相が変化しない状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００２７】
一方、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相がさらにπ遅れる。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相が３π／２ほど遅れた状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００２８】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００２９】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差が生じない。このため、出力ポート３からは光ａのＴＭモード成分が出力される。
【００３０】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート４からは光ａが出力されない。
【００３１】
次に、図５（Ｂ）を用いて光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換される。このため、光ａは強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相がπ遅れる。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相がπ遅れた状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００３２】
一方、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相が変化しない。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相がπ／２ほど進んだ状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００３３】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００３４】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差が生じない。このため、出力ポート３からは光ａのＴＥモード成分が出力される。
【００３５】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート４からは光ａが出力されない。
【００３６】
このように、強誘電性液晶２２，３２が第２の方向に配向していると、光ａは、偏波方向によらず、出力ポート３から出力され、出力ポート４からは出力されない。
【００３７】
図６の各図は、強誘電性液晶２２，３２が第１の方向に配向している場合を示している。図６（Ａ）は光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明するための図であり、図６（Ｂ）は光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明するための図である。第１の方向性結合器１０を通過すると、光ａは、第１の導波路２０及び第２の導波路３０に同じ強度に分岐されるが、第２の導波路３０に分岐された光ａは、ＴＥモード成分及びＴＭモード成分の双方が、それぞれ第１の導波路２０に分岐された光に対してπ／２ほど位相が遅れる。
【００３８】
まず、図６（Ａ）を用いて光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。このため、光ａは強誘電性液晶２２の配向方向によらず、強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相は変化しない。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相が変化しない状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００３９】
また、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分も、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相が変化しない。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相がπ／２ほど遅れた状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００４０】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００４１】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート３からは光ａが出力されない。
【００４２】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差が生じない。このため、出力ポート４からは光ａのＴＭモード成分が出力される。
【００４３】
次に、図６（Ｂ）を用いて光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換されるが、強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相は変化しない。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相が変化しない状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００４４】
一方、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相が変化しない。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相がπ／２ほど進んだ状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００４５】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００４６】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート３からは光ａが出力されない。
【００４７】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差πが生じない。このため、出力ポート４からは光ａのＴＥモード成分が出力される。
【００４８】
このように、強誘電性液晶２２，３２が第１の方向に配向していると、光ａは、偏波方向によらず、出力ポート４から出力され、出力ポート３からは出力されない。
【００４９】
以上、本発明の第１の実施形態によれば、強誘電性液晶２２，３２の配向方向を制御することにより、入力光の偏波方向によらず、光の出力ポートを切り替えることができる。また、強誘電性液晶２２，３２の応答時間はネマティック液晶よりも一桁以上速い１００μ秒程度である。従って、光スイッチの応答速度は従来と比較して速くなる。
【００５０】
また、強誘電性液晶は双安定性（自己保持性）を有しており、印加電圧を切った後にも配向方向が保持される。従って、本実施形態に係る光スイッチの消費電力は低い。
【００５１】
また、強誘電性液晶２２，３２の等価屈折率変化は大きいため、第１の導波路２０の第１領域（強誘電性液晶２２の下方に位置する領域）及び第２の導波路３０の第２領域（強誘電性液晶３２の下方に位置する領域）の長さを短くしても、光スイッチの動作に必要な位相変化を得ることができる。従って、光スイッチを小型化することができる。
【００５２】
図７、図８、及び図９は、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチの製造方法を説明する為の図である。各図において（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´断面図である。また図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。
【００５３】
まず、図７に示すように基板１００上に酸化シリコン膜１０２を形成し、さらに酸化シリコン膜１０２上に半導体膜１０４をＣＶＤ法により形成する。基板１００は、例えばシリコン基板である。半導体膜１０４は、例えば単結晶シリコン膜であるが、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、ＧａＡｓ系の半導体膜、又はＧａＩｎＡｓＰ系の半導体膜であっても良い。その後、半導体膜１０４に不純物を導入し、導電性を持たせる。不純物は、ｎ型の不純物及びｐ型の不純物のいずれであってもよい。
【００５４】
次いで、半導体膜１０４上にクロム膜２００を真空蒸着法により形成し、さらにクロム膜２００上にフォトレジスト膜２１０を塗布する。次いで、フォトレジスト膜２１０を露光及び現像する。これにより、フォトレジスト膜２１０には開口パターンが形成される。
【００５５】
次いで、フォトレジスト膜２１０をマスクとしてクロム膜２００をエッチングし、クロム膜２００に開口パターンを形成する。次いで、クロム膜２００をマスクとして半導体膜１０４をドライエッチングする。これにより、半導体膜１０４は選択的に除去され、導波路１１０，１２０が形成される。導波路１１０，１２０は、２箇所で近接しているが、他の部分では離間している。
【００５６】
導波路１１０，１２０のうち相互に近接している部分は、それぞれ方向性結合器１３２，１３４として機能するが、これら方向性結合器１３２，１３４は第１の実施形態における方向性結合器１０，４０に相当する。また、導波路１１０，１２０の一方の端部１１０ａ，１２０ａは第１の実施形態における入力ポート１，２に相当し、他方の端部１１０ｂ，１２０ｂは第１の実施形態における出力ポート３，４に相当する。また、導波路１１０，１２０のうち方向性結合器１３２，１３４の相互間に位置する部分は、第１の実施形態における第１の導波路２０及び第２の導波路３０に相当し、互いの長さは略同じである。
【００５７】
なお、半導体膜１０４は、下部電極として使用されるため、このドライエッチング工程において全面に薄く残される。
【００５８】
その後、図８に示すようにクロム膜２００を除去する。次いで、導波路１１０，１２０それぞれ上を含む全面上に半導体膜を形成する。半導体膜は、例えば単結晶シリコン膜であるが、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、ＧａＡｓ系の半導体膜、又はＧａＩｎＡｓＰ系の半導体膜であっても良い。次いで、この半導体膜上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして半導体膜をエッチングする。これにより、導波路１１０，１２０上にはモードコンバータ１１１，１２１が形成される。モードコンバータ１１１，１２１は、第１の実施形態におけるモードコンバータ２６，３６に相当する。
その後、マスクパターンを除去する。
【００５９】
図８（Ａ）の拡大図、図８（Ｂ）のＡ−Ａ´断面図、及び図８（Ｂ）のＢ−Ｂ´断面図に示すように、モードコンバータ１１１，１２１は、それぞれ幅が導波路１１０，１２０の半分である直方体状の凸部１１１ａ，１２１ａを、導波路１１０，１２０上に、幅方向及び長手方向それぞれに互い違いに並べたものである。このような構造のモードコンバータの詳細は、例えばW. Huang and Z. M. Mao, "Polarization rotation in periodic loaded rib waveguides", J. Lightwave Technol., Vol. 10, No.12, pp.1825-1831, (1992)に記載されている。
【００６０】
次いで、図９に示すように、導波路１１０，１２０上、モードコンバータ１１１，１２１上、及び半導体膜１０４上に酸化シリコン膜１４２を形成し、レジストパターンを用いたドライエッチングにより、導波路１１０，１２０上及びモードコンバータ１１１，１２１上から酸化シリコン膜１４２を除去する。
【００６１】
次いで、基板１００の上方に、上部電極１５２，１５４及び配向膜１４６がこの順に積層された対向基板１６０を配置する。上部電極１５２は、第１の実施形態における上部電極２４に相当し、導波路１１０の一部の上方に位置する。また上部電極１５４は、第１の実施形態における上部電極３４に相当し、導波路１２０の一部の上方に位置する。尚、上部電極１５２，１５４は一枚の電極として全面に形成されていても良い。
【００６２】
このとき、配向膜１４６が導波路１１０，１２０と向き合うようにする。なお、基板１００と対向基板１６０の間隔は、スペーサー１４４ａによって維持されているが、この間隔は０．２μm以上２．０μm以下であるのが好ましい。また、上部電極１５２，１５４は、例えばＩＴＯ膜である。
【００６３】
次いで、基板１００と対向基板１６０の空間に強誘電性液晶１４４を注入する。強誘電性液晶１４４は、第１の実施形態における強誘電性液晶２２，３２に相当する。このようにして光スイッチが形成される。
【００６４】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導波路１１０，１２０を、レジストパターンを用いたエッチングにより形成しているため、光スイッチの小型化及び高集積化を容易に行える。また、複数の光スイッチの相互間を接続する導波路の曲率を小さくすることができるため、高集積化に有利となる。
【００６５】
また、半導体膜１０４をエッチングすることにより導波路１１０，１２０を形成しているため、導波路１１０，１２０を形成する工程を、トランジスタ等の半導体素子を形成する工程の一部に含ませることができる。またこの場合、同一の基板１００上に光スイッチと半導体素子を形成することができるため、モノリシックな集積化が可能になる。
【００６６】
また、半導体膜１０４及び導波路１１０を下部電極として使用しており、かつ導波路１１０は直接強誘電性液晶１４４に接している。従って、導波路１１０と強誘電性液晶１４４の間に配向膜を配置する場合と比較して、導波路１１０の等価屈折率変化が大きくなり、光スイッチを高性能にすることができる。
【００６７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば第１の実施形態において、第１及び第２の方向性結合器１０，４０の代わりに多モード干渉結合器を用いても良い。また、基板１００はシリコン基板以外の半導体基板であってもよく、またガラス等他の材質で形成された基板であってもよい。
【００６８】
また、第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さは異なっていても良い。ただし、これら２つの導波路の長さの差が前記入力光の波長の整数倍である必要がある。
【００６９】
また、第１及び第２の実施形態において、導波路１０，２０，１１０，１２０は導電性を有していなくても良い。この場合、例えば導波路の代わりに基板に電圧を印加すればよい。また光の位相をシフトする手段として、上記した各実施形態では強誘電性液晶２２，３２，１４４を用いたが、これらの代わりにＬｉＮｂＯ３等の電気光学効果を有する材料を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施形態に係る光スイッチの構成を説明する為の概略図。
【図２】導波路を透過している光のうちＴＥ基本モードの強度分布を示すシミュレーション結果を示すグラフ。
【図３】導波路の等価屈折率の変化Δｎが導波路の厚さによってどのように変化するかシミュレーションした結果を示すグラフ。
【図４】位相差πを得るために必要な導波路長が、導波路の厚さによってどのように変化するかを計算したグラフ。
【図５】強誘電性液晶２２，３２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図。
【図６】強誘電性液晶２２，３２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図。
【図７】第２の実施形態に係る光スイッチの製造方法を説明する為の図。
【図８】図７の次の工程を説明する為の図。
【図９】図８の次の工程を説明する為の図。
【符号の説明】
【００７１】
１，２…入力ポート、３，４…出力ポート、１０，２０，１１０，１２０…導波路、１０，４０，１３２，１３４…方向性結合器、２６，３６，１１１，１２１…モードコンバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏波方向に依存しない光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークにおいて、光の経路を切り替える光スイッチが必須である。このような光スイッチの一例として、導波路型の光スイッチがある（例えば特許文献１参照）。導波路型の光スイッチは、低損失、高速切替、及び小型化が可能といった特徴を有している。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−５４６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光通信ネットワークにおいて、ファイバ中を伝搬する光の偏波方向はさまざまな方向を向いている。このため、光信号を光のままスイッチングする光スイッチには、光の偏波方向に依存しない特性が必要となる。
【０００５】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、光の偏波方向に依存しない光スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る光スイッチは、第１の偏波モード成分及び第２の偏波モード成分を有する入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の導波路との長さの差が前記入力光の波長の整数倍であり、前記第２の分岐光を伝達する第２の導波路と、
前記第１の導波路に設けられ、動作時には前記第１の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第１の分岐光の位相をずらさない第１の位相シフト手段と、
前記第２の導波路に設けられ、動作時には前記第２の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第２の分岐光の位相をずらさない第２の位相シフト手段と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光を前記第６の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
前記第１の導波路に設けられ、前記第１の方向性結合器と前記第１の位相シフト手段の間に位置する第１の偏波モードコンバータと、
前記第２の導波路に設けられ、前記第２の方向性結合器と前記第２の位相シフト手段の間に位置する第２の偏波モードコンバータと、
を具備する。
前記第１の導波路と前記第２の導波路の長さは同一であっても良い。
第１の偏波モード成分は例えば水平偏波モード成分であり、第２の偏波モード成分は例えば垂直偏波モード成分であるが、これらが逆であっても良い。
【０００７】
前記第１の位相シフト手段は、前記第１の導波路上に形成された第１の強誘電性液晶層と、前記第１の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第１の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第１の電極と、を具備し、
前記第２の位相シフト手段は、前記第２の導波路上に形成された第２の強誘電性液晶層と、前記第２の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第２の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第２の電極と、を具備してもよい。
【０００８】
前記第１の導波路は導電性を有しており、前記第１の電極とともに前記第１の強誘電性液晶の配向方向を制御し、
前記第２の導波路は導電性を有しており、前記第２の電極とともに前記第２の強誘電性液晶の配向方向を制御してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光の偏波方向に依存しない光スイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの構成を説明する為の概略図である。この光スイッチにおいて、第１の方向性結合器１０が有する２つの出力ポートと、第２の方向性結合器４０が有する２つの入力ポートが、第１の導波路２０及び第２の導波路３０を用いて接続されている。第１の導波路２０及び第２の導波路３０は、長さが互いに略同一である。第１の方向性結合器１０の入力ポート１，２は光スイッチの入力ポートとして機能し、第２の方向性結合器４０の出力ポート３，４は光スイッチの出力ポートとして機能する。なお、第１の導波路２０及び第２の導波路３０は、例えば不純物が導入されていて導電性を有する半導体膜によって形成されている。
【００１１】
第１の導波路２０の一部である第１領域上には強誘電性液晶２２が配置されている。強誘電性液晶２２は、強誘電性液晶２２上に設けられた上部電極２４と第１の導波路２０の間に印加される電圧によって、配向方向が制御される。
【００１２】
第２の導波路３０の一部である第２領域上には強誘電性液晶３２が配置されている。強誘電性液晶３２は、強誘電性液晶３２上に設けられた上部電極３４と第２の導波路３０の間に印加される電圧によって、配向方向が制御される。
なお、強誘電性液晶２２，３２の配向方向を制御する電圧は、電圧制御部５０によって制御されている。
【００１３】
入力ポート１には、例えば波長λ１の光ａが入力される。光ａは、ＴＥモード（水平偏波モード）の成分とＴＭモード（垂直偏波モード）の成分の双方を有しており、これら２つの成分を合成することによって定まる偏波方向は任意である。第１の方向性結合器１０を通過する際に、光ａは第１の導波路２０及び第２の導波路３０にそれぞれ分岐する。分岐した光の強度は略同じであるが、これらの間には位相差π／２が生じる。
【００１４】
第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さは互いに同じである為、第１の導波路２０を通過する光ａ,ｂと第２の導波路３０を通過する光ａの間の位相差は変化しない。
【００１５】
また、強誘電性液晶２２の配向方向が変化すると、詳細を後述するように、強誘電性液晶２２の屈折率が変化し、この屈折率の変化に起因して、第１の導波路２０のうち、強誘電性液晶２２の下方に位置する第１領域の屈折率が変化する。このため、強誘電性液晶２２の配向方向が変化すると、第１の導波路２０から出力される光のうちＴＥモードの位相が変化する。この位相の変化量は、後述するように強誘電性液晶２２の配向量を変えることによって制御することができる。
【００１６】
同様に、強誘電性液晶３２の配向方向が変化すると、第２の導波路３０のうち、強誘電性液晶３２の下方に位置する第２領域の屈折率が変化し、第２の導波路３０から出力される光の位相が変化する。この位相の変化量は、後述するように強誘電液晶３２の配向量を変えることによって制御することができる。
【００１７】
第１の導波路２０には、第１の方向性結合器１０と強誘電性液晶２２の間に位置するモードコンバータ２６が設けられており、第２の導波路３０には、強誘電性液晶２２と第２の方向性結合器４０の間に位置するモードコンバータ３６が設けられている。モードコンバータ２６，３６は、光のＴＥモード成分をＴＭモード成分に変換し、かつ光のＴＭモード成分をＴＥモード成分に変換する。
【００１８】
第１の導波路２０を通過した光ａ、及び第２の導波路３０を通過した光ａは、第２の方向性結合器４０でそれぞれ出力ポート３，４に略同じ強度に分岐される。分岐後の光が出力ポート３，４で合成されることにより、出力ポート３，４から出力される光が定まる。
【００１９】
出力ポート３，４のいずれから光ａが出力されるかは、上記した光の位相差の合計によって定まる。詳細を後述するように、強誘電性液晶２２、３２の配向方向を制御することにより、出力ポート３，４のいずれから光ａが出力されるかを制御することができる。
【００２０】
図２のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路を透過している光のうちＴＥモードの強度分布を示すシミュレーション結果を示している。本シミュレーションにおいて、導波路はＳｉ（厚さは０．５μｍ）で形成されており、下地膜はＳｉＯ２（厚さは∞）で形成されている。強誘電性液晶は、等価屈折率が１．６１５、厚さが∞として扱われている。本グラフから、導波路から強誘電性液晶に光の一部が染み出ていることが分かる。強誘電性液晶の配向方向が変化すると、強誘電性液晶の等価屈折率（誘電率）が変化する。この等価屈折率の変化は、導波路から強誘電性液晶に染み出た光の伝搬に影響を与える。この結果、導波路の等価屈折率が変化する。
【００２１】
従って、電圧制御部５０が上部電極２４と第１の導波路２０の間の電圧を制御することにより、強誘電性液晶２２の配向方向を変化させ、強誘電性液晶２２の下方に位置する第１の導波路２０の等価屈折率を変化させることができる。
【００２２】
図３のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路の等価屈折率の変化Δｎが導波路の厚さによってどのように変化するかシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、導波路がＳｉで形成されており、下地膜がＳｉＯ２で形成されており、かつ光の波長λ＝１５５０ｎｍとしている。本図に示すように、導波路の厚さが薄いほどΔｎが大きくなる。
【００２３】
図４のグラフは、上面が強誘電性液晶で被覆された導波路において、ＴＥモードの光における位相差πを得るために必要な導波路長が、導波路の厚さによってどのように変化するかを計算したグラフである。本グラフは、図３のグラフに示した結果を前提としている。本グラフに示すように、導波路の厚さが薄くなるにつれて、位相差πを得るために必要な導波路長が短くなる。
【００２４】
図５及び図６の各図は、強誘電性液晶２２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図である。図５において、強誘電性液晶２２，３２の配向方向は第１の方向と第２の方向のいずれかを取る。強誘電性液晶２２、３２の配向方向が第１の方向である場合、光ａのＴＥモード成分は、強誘電性液晶２２，３２の下方を通過する際に位相が変化しない。強誘電性液晶２２，３２の配向方向が第２の方向である場合、光ａのＴＥモード成分は、強誘電性液晶層２２，３２の下方を通過する際に位相がπ変化する。このような状態は、上記したように、強誘電性液晶２２，３２の材料、第１領域及び第２領域の長さ、及び第１の導波路２０及び第２の導波路３０の厚さを調節することにより実現できる。
【００２５】
図５の各図は、強誘電性液晶２２，３２が第２の方向に配向している場合を示している。図５（Ａ）は光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明するための図であり、図５（Ｂ）は光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明するための図である。第１の方向性結合器１０を通過すると、光ａは、第１の導波路２０及び第２の導波路３０に同じ強度に分岐されるが、第２の導波路３０に分岐された光ａは、ＴＥモード成分及びＴＭモード成分の双方が、それぞれ第１の導波路２０に分岐された光に対してπ／２ほど位相が遅れる。
【００２６】
まず、図５（Ａ）を用いて、光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。このため、光ａは強誘電性液晶２２の配向方向によらず、強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相は変化しない。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相が変化しない状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００２７】
一方、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相がさらにπ遅れる。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相が３π／２ほど遅れた状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００２８】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００２９】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差が生じない。このため、出力ポート３からは光ａのＴＭモード成分が出力される。
【００３０】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート４からは光ａが出力されない。
【００３１】
次に、図５（Ｂ）を用いて光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換される。このため、光ａは強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相がπ遅れる。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相がπ遅れた状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００３２】
一方、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相が変化しない。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相がπ／２ほど進んだ状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００３３】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００３４】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差が生じない。このため、出力ポート３からは光ａのＴＥモード成分が出力される。
【００３５】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート４からは光ａが出力されない。
【００３６】
このように、強誘電性液晶２２，３２が第２の方向に配向していると、光ａは、偏波方向によらず、出力ポート３から出力され、出力ポート４からは出力されない。
【００３７】
図６の各図は、強誘電性液晶２２，３２が第１の方向に配向している場合を示している。図６（Ａ）は光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明するための図であり、図６（Ｂ）は光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明するための図である。第１の方向性結合器１０を通過すると、光ａは、第１の導波路２０及び第２の導波路３０に同じ強度に分岐されるが、第２の導波路３０に分岐された光ａは、ＴＥモード成分及びＴＭモード成分の双方が、それぞれ第１の導波路２０に分岐された光に対してπ／２ほど位相が遅れる。
【００３８】
まず、図６（Ａ）を用いて光ａのＴＥモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。このため、光ａは強誘電性液晶２２の配向方向によらず、強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相は変化しない。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相が変化しない状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００３９】
また、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分も、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相が変化しない。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＭモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＥモード成分は、ＴＭモードに変換され、かつ位相がπ／２ほど遅れた状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００４０】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００４１】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート３からは光ａが出力されない。
【００４２】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差が生じない。このため、出力ポート４からは光ａのＴＭモード成分が出力される。
【００４３】
次に、図６（Ｂ）を用いて光ａのＴＭモード成分が伝播する様子を説明する。本図に示すように、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、モードコンバータ２６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換されるが、強誘電性液晶２２の下方を通る際に位相は変化しない。この結果、第１の導波路２０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相が変化しない状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００４４】
一方、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、強誘電性液晶３２の下方を通る際に位相が変化しない。そして、モードコンバータ３６の下方を通過する際に、ＴＥモードに変換される。この結果、第２の導波路３０に分岐された光ａのＴＭモード成分は、ＴＥモードに変換され、かつ位相がπ／２ほど進んだ状態で第２の方向性結合器４０に入力される。
【００４５】
そして、第２の方向性結合器４０では、第１の導波路２０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐され、かつ第２の導波路３０によって伝送された光ａが略同じ強度で出力ポート３，４に分岐される。第１の導波路２０から出力ポート４に分岐される光ａは、第１の導波路２０から出力ポート３に分岐される光ａに対してπ／２ほど位相が遅れ、かつ第２の導波路３０から出力ポート３に分岐される光ａは、第２の導波路３０から出力ポート４に分岐される光ａに対して位相がπ／２ほど位相が遅れる。
【００４６】
この結果、第１の導波路２０を経由して出力ポート３に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート３に伝達された光ａとの間には位相差πが生じる。このため、出力ポート３からは光ａが出力されない。
【００４７】
これに対し、第１の導波路２０を経由して出力ポート４に伝達された光ａと、第２の導波路３０を経由して出力ポート４に伝達された光ａとの間には位相差πが生じない。このため、出力ポート４からは光ａのＴＥモード成分が出力される。
【００４８】
このように、強誘電性液晶２２，３２が第１の方向に配向していると、光ａは、偏波方向によらず、出力ポート４から出力され、出力ポート３からは出力されない。
【００４９】
以上、本発明の第１の実施形態によれば、強誘電性液晶２２，３２の配向方向を制御することにより、入力光の偏波方向によらず、光の出力ポートを切り替えることができる。また、強誘電性液晶２２，３２の応答時間はネマティック液晶よりも一桁以上速い１００μ秒程度である。従って、光スイッチの応答速度は従来と比較して速くなる。
【００５０】
また、強誘電性液晶は双安定性（自己保持性）を有しており、印加電圧を切った後にも配向方向が保持される。従って、本実施形態に係る光スイッチの消費電力は低い。
【００５１】
また、強誘電性液晶２２，３２の等価屈折率変化は大きいため、第１の導波路２０の第１領域（強誘電性液晶２２の下方に位置する領域）及び第２の導波路３０の第２領域（強誘電性液晶３２の下方に位置する領域）の長さを短くしても、光スイッチの動作に必要な位相変化を得ることができる。従って、光スイッチを小型化することができる。
【００５２】
図７、図８、及び図９は、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチの製造方法を説明する為の図である。各図において（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´断面図である。また図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。
【００５３】
まず、図７に示すように基板１００上に酸化シリコン膜１０２を形成し、さらに酸化シリコン膜１０２上に半導体膜１０４をＣＶＤ法により形成する。基板１００は、例えばシリコン基板である。半導体膜１０４は、例えば単結晶シリコン膜であるが、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、ＧａＡｓ系の半導体膜、又はＧａＩｎＡｓＰ系の半導体膜であっても良い。その後、半導体膜１０４に不純物を導入し、導電性を持たせる。不純物は、ｎ型の不純物及びｐ型の不純物のいずれであってもよい。
【００５４】
次いで、半導体膜１０４上にクロム膜２００を真空蒸着法により形成し、さらにクロム膜２００上にフォトレジスト膜２１０を塗布する。次いで、フォトレジスト膜２１０を露光及び現像する。これにより、フォトレジスト膜２１０には開口パターンが形成される。
【００５５】
次いで、フォトレジスト膜２１０をマスクとしてクロム膜２００をエッチングし、クロム膜２００に開口パターンを形成する。次いで、クロム膜２００をマスクとして半導体膜１０４をドライエッチングする。これにより、半導体膜１０４は選択的に除去され、導波路１１０，１２０が形成される。導波路１１０，１２０は、２箇所で近接しているが、他の部分では離間している。
【００５６】
導波路１１０，１２０のうち相互に近接している部分は、それぞれ方向性結合器１３２，１３４として機能するが、これら方向性結合器１３２，１３４は第１の実施形態における方向性結合器１０，４０に相当する。また、導波路１１０，１２０の一方の端部１１０ａ，１２０ａは第１の実施形態における入力ポート１，２に相当し、他方の端部１１０ｂ，１２０ｂは第１の実施形態における出力ポート３，４に相当する。また、導波路１１０，１２０のうち方向性結合器１３２，１３４の相互間に位置する部分は、第１の実施形態における第１の導波路２０及び第２の導波路３０に相当し、互いの長さは略同じである。
【００５７】
なお、半導体膜１０４は、下部電極として使用されるため、このドライエッチング工程において全面に薄く残される。
【００５８】
その後、図８に示すようにクロム膜２００を除去する。次いで、導波路１１０，１２０それぞれ上を含む全面上に半導体膜を形成する。半導体膜は、例えば単結晶シリコン膜であるが、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜、ＧａＡｓ系の半導体膜、又はＧａＩｎＡｓＰ系の半導体膜であっても良い。次いで、この半導体膜上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして半導体膜をエッチングする。これにより、導波路１１０，１２０上にはモードコンバータ１１１，１２１が形成される。モードコンバータ１１１，１２１は、第１の実施形態におけるモードコンバータ２６，３６に相当する。
その後、マスクパターンを除去する。
【００５９】
図８（Ａ）の拡大図、図８（Ｂ）のＡ−Ａ´断面図、及び図８（Ｂ）のＢ−Ｂ´断面図に示すように、モードコンバータ１１１，１２１は、それぞれ幅が導波路１１０，１２０の半分である直方体状の凸部１１１ａ，１２１ａを、導波路１１０，１２０上に、幅方向及び長手方向それぞれに互い違いに並べたものである。このような構造のモードコンバータの詳細は、例えばW. Huang and Z. M. Mao, "Polarization rotation in periodic loaded rib waveguides", J. Lightwave Technol., Vol. 10, No.12, pp.1825-1831, (1992)に記載されている。
【００６０】
次いで、図９に示すように、導波路１１０，１２０上、モードコンバータ１１１，１２１上、及び半導体膜１０４上に酸化シリコン膜１４２を形成し、レジストパターンを用いたドライエッチングにより、導波路１１０，１２０上及びモードコンバータ１１１，１２１上から酸化シリコン膜１４２を除去する。
【００６１】
次いで、基板１００の上方に、上部電極１５２，１５４及び配向膜１４６がこの順に積層された対向基板１６０を配置する。上部電極１５２は、第１の実施形態における上部電極２４に相当し、導波路１１０の一部の上方に位置する。また上部電極１５４は、第１の実施形態における上部電極３４に相当し、導波路１２０の一部の上方に位置する。尚、上部電極１５２，１５４は一枚の電極として全面に形成されていても良い。
【００６２】
このとき、配向膜１４６が導波路１１０，１２０と向き合うようにする。なお、基板１００と対向基板１６０の間隔は、スペーサー１４４ａによって維持されているが、この間隔は０．２μm以上２．０μm以下であるのが好ましい。また、上部電極１５２，１５４は、例えばＩＴＯ膜である。
【００６３】
次いで、基板１００と対向基板１６０の空間に強誘電性液晶１４４を注入する。強誘電性液晶１４４は、第１の実施形態における強誘電性液晶２２，３２に相当する。このようにして光スイッチが形成される。
【００６４】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導波路１１０，１２０を、レジストパターンを用いたエッチングにより形成しているため、光スイッチの小型化及び高集積化を容易に行える。また、複数の光スイッチの相互間を接続する導波路の曲率を小さくすることができるため、高集積化に有利となる。
【００６５】
また、半導体膜１０４をエッチングすることにより導波路１１０，１２０を形成しているため、導波路１１０，１２０を形成する工程を、トランジスタ等の半導体素子を形成する工程の一部に含ませることができる。またこの場合、同一の基板１００上に光スイッチと半導体素子を形成することができるため、モノリシックな集積化が可能になる。
【００６６】
また、半導体膜１０４及び導波路１１０を下部電極として使用しており、かつ導波路１１０は直接強誘電性液晶１４４に接している。従って、導波路１１０と強誘電性液晶１４４の間に配向膜を配置する場合と比較して、導波路１１０の等価屈折率変化が大きくなり、光スイッチを高性能にすることができる。
【００６７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば第１の実施形態において、第１及び第２の方向性結合器１０，４０の代わりに多モード干渉結合器を用いても良い。また、基板１００はシリコン基板以外の半導体基板であってもよく、またガラス等他の材質で形成された基板であってもよい。
【００６８】
また、第１の導波路２０と第２の導波路３０の長さは異なっていても良い。ただし、これら２つの導波路の長さの差が前記入力光の波長の整数倍である必要がある。
【００６９】
また、第１及び第２の実施形態において、導波路１０，２０，１１０，１２０は導電性を有していなくても良い。この場合、例えば導波路の代わりに基板に電圧を印加すればよい。また光の位相をシフトする手段として、上記した各実施形態では強誘電性液晶２２，３２，１４４を用いたが、これらの代わりにＬｉＮｂＯ３等の電気光学効果を有する材料を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施形態に係る光スイッチの構成を説明する為の概略図。
【図２】導波路を透過している光のうちＴＥ基本モードの強度分布を示すシミュレーション結果を示すグラフ。
【図３】導波路の等価屈折率の変化Δｎが導波路の厚さによってどのように変化するかシミュレーションした結果を示すグラフ。
【図４】位相差πを得るために必要な導波路長が、導波路の厚さによってどのように変化するかを計算したグラフ。
【図５】強誘電性液晶２２，３２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図。
【図６】強誘電性液晶２２，３２に印加される電圧によって出力ポート３，４から出力される光が切り替わる理由を説明する為の図。
【図７】第２の実施形態に係る光スイッチの製造方法を説明する為の図。
【図８】図７の次の工程を説明する為の図。
【図９】図８の次の工程を説明する為の図。
【符号の説明】
【００７１】
１，２…入力ポート、３，４…出力ポート、１０，２０，１１０，１２０…導波路、１０，４０，１３２，１３４…方向性結合器、２６，３６，１１１，１２１…モードコンバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏波モード成分及び第２の偏波モード成分を有する入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の導波路との長さの差が前記入力光の波長の整数倍であり、前記第２の分岐光を伝達する第２の導波路と、
前記第１の導波路に設けられ、動作時には前記第１の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第１の分岐光の位相をずらさない第１の位相シフト手段と、
前記第２の導波路に設けられ、動作時には前記第２の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第２の分岐光の位相をずらさない第２の位相シフト手段と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光を前記第６の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
前記第１の導波路に設けられ、前記第１の方向性結合器と前記第１の位相シフト手段の間に位置する第１の偏波モードコンバータと、
前記第２の導波路に設けられ、前記第２の方向性結合器と前記第２の位相シフト手段の間に位置する第２の偏波モードコンバータと、
を具備する光スイッチ。
【請求項２】
前記第１の位相シフト手段は、前記第１の導波路上に形成された第１の強誘電性液晶層と、前記第１の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第１の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第１の電極と、を具備し、
前記第２の位相シフト手段は、前記第２の導波路上に形成された第２の強誘電性液晶層と、前記第２の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第２の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第２の電極と、を具備する請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記第１の導波路は導電性を有しており、前記第１の電極とともに前記第１の強誘電性液晶の配向方向を制御し、
前記第２の導波路は導電性を有しており、前記第２の電極とともに前記第２の強誘電性液晶の配向方向を制御する請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項１】
第１の偏波モード成分及び第２の偏波モード成分を有する入力光を、第１の分岐光、及び該第１の分岐光に対して位相が第１の方向に０．５πずれた第２の分岐光に分岐する第１の方向性結合器と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の分岐光を伝達する第１の導波路と、
前記第１の方向性結合器に接続され、前記第１の導波路との長さの差が前記入力光の波長の整数倍であり、前記第２の分岐光を伝達する第２の導波路と、
前記第１の導波路に設けられ、動作時には前記第１の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第１の分岐光の位相をずらさない第１の位相シフト手段と、
前記第２の導波路に設けられ、動作時には前記第２の分岐光のうち第１の偏波モード成分の位相を前記第１の方向にπずらし、非動作時には動作時には前記第２の分岐光の位相をずらさない第２の位相シフト手段と、
第１及び第２の出力端子を有しており、前記第１の導波路及び前記第２の導波路から前記第１及び第２の分岐光が入力され、前記第１の分岐光を第３の分岐光及び該第３の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第４の分岐光に分岐するとともに、前記第２の分岐光を第５の分岐光及び該第５の分岐光に対して位相が前記第１の方向に０．５πずれた第６の分岐光に分岐し、かつ前記第３の分岐光と前記第５の分岐光を合成して前記第１の出力端子から出力するとともに、前記第４の分岐光を前記第６の分岐光を合成して前記第２の出力端子から出力する第２の方向性結合器と、
前記第１の導波路に設けられ、前記第１の方向性結合器と前記第１の位相シフト手段の間に位置する第１の偏波モードコンバータと、
前記第２の導波路に設けられ、前記第２の方向性結合器と前記第２の位相シフト手段の間に位置する第２の偏波モードコンバータと、
を具備する光スイッチ。
【請求項２】
前記第１の位相シフト手段は、前記第１の導波路上に形成された第１の強誘電性液晶層と、前記第１の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第１の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第１の電極と、を具備し、
前記第２の位相シフト手段は、前記第２の導波路上に形成された第２の強誘電性液晶層と、前記第２の強誘電性液晶層に電圧を印加して該第２の強誘電性液晶層の配向方向を制御する第２の電極と、を具備する請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記第１の導波路は導電性を有しており、前記第１の電極とともに前記第１の強誘電性液晶の配向方向を制御し、
前記第２の導波路は導電性を有しており、前記第２の電極とともに前記第２の強誘電性液晶の配向方向を制御する請求項２に記載の光スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２４１９６８（Ｐ２００８−２４１９６８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８０７７４（Ｐ２００７−８０７７４）
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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