JP2010256552A - 光回路素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】加熱素子または冷却素子とコアとの間の熱伝導を効率させつつ、光吸収や光損失を抑制する。
【解決手段】熱光学効果によって光導波路を伝搬する光の位相を変化させる光回路素子であって、クラッド１１ａと、クラッド１１ａによって覆われたコア１１ｂとからなる光位相シフト導波路１１と、ヒーター１２と、クラッド１１ａ内に埋設され、ヒーター１２とコア１１ｂとを熱的に接続する伝熱部材としてのカーボンナノチューブ１３とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】熱光学効果によって光導波路を伝搬する光の位相を変化させる光回路素子であって、クラッド１１ａと、クラッド１１ａによって覆われたコア１１ｂとからなる光位相シフト導波路１１と、ヒーター１２と、クラッド１１ａ内に埋設され、ヒーター１２とコア１１ｂとを熱的に接続する伝熱部材としてのカーボンナノチューブ１３とを有する。
【選択図】図１
Description
本発明は光回路素子に関するものであり、特に、光強度や光位相等の調整に用いられる光回路素子に関するものである。
光回路素子のうち、例えば、マッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer）型の光スイッチ（以下、「ＭＺＩ型光スイッチ」と称する。）は、光回路の空間切り替えに広く用いられている。一般的なＭＺＩ型光スイッチは、熱光学効果（熱による屈折率の変化）を利用して導波路を伝搬する光のスイッチングを行う。かかるＭＺＩ型光スイッチの基本構造を図４に模式的に示す。一般的なＭＺＩ型光スイッチでは、基板１０１の上に、クラッド１０２とコア１０３とからなる光位相シフト導波路１０４が形成されている。さらに、光位相シフト導波路１０４のクラッド１０２上にはヒーター１０５が設けられている。図示されているような構造のＭＺＩ型光スイッチでは、ヒーター１０５の加熱により光位相シフト導波路１０４の屈折率を変えることよって、該導波路１０４を伝搬する光の位相をシフトさせる。これにより、加熱された光位相シフト導波路と不図示のもう一方の光位相シフト導波路との共同作用によって光がスイッチングされる。
しかし、図４に示されているヒーター１０５から発せられた熱は、クラッド１０２の内部で発散しながら伝導する。さらに、クラッド１０２の下方の基板１０１にも伝導する。このため、コア１０３を効率よく加熱することができず、スイッチングに必要な消費電力が大きく、スイッチングの応答速度も低いといった課題があった。
上記課題を解決するための構造として図５に示す構造が知られている。図５に示す構造では、光位相シフト導波路１０４の周囲に空隙（断熱部１０６）が設けられている。しかし、図５に示す構造には、断熱部１０６を形成するためのデバイス加工プロセスが複雑になるという課題があった。また、デバイスの機械的強度や信頼性が低いといった課題もあった。
そこで、特許文献１には、図６に示す構造のＭＺＩ型光スイッチが記載されている。図６に示すＭＺＩ型光スイッチでは、ヒーター１０５とコア１０３との間に、繊維強化複合材料１０７とバッファ層１０８とが配置されている。繊維強化複合材料１０７は、異方性を有し、かつ、一方向にのみ高い熱伝導率を有する。バッファ層１０８は、繊維強化複合材料１０７による光吸収を防ぐために配置されている。
特許文献１に開示されている構造では、繊維強化複合材料による光吸収を防ぐためにバッファ層が設けられている。しかし、バッファ層は、一般的に熱伝導率が低い。したがって、ヒーターとコアとの間の熱伝導効率の向上と、光吸収の抑制といった２つの目的が十分には達成されない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱素子または冷却素子とコアとの間の熱伝導効率の向上と、光吸収の抑制といった２つの目的が十分に達成された光回路素子を提供することである。
本発明の光回路素子は、熱光学効果によって光導波路を伝搬する光の位相を変化させる光回路素子であって、クラッドと該クラッドによって覆われたコアとからなる光導波路と、加熱素子または冷却素子と、前記クラッド内に埋設され、前記加熱素子または前記冷却素子と前記コアとを熱的に接続する伝熱部材としてのカーボンナノチューブとを有することを特徴とする。
本発明によれば、加熱素子または冷却素子とコアとの間の熱伝導効率の向上と、光吸収や光損失の抑制といった２つの目的が十分に達成された光回路素子が実現される。
（実施形態１）
以下、本発明の光回路素子の実施形態の一例について図１を参照しながら詳細に説明する。
以下、本発明の光回路素子の実施形態の一例について図１を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る光回路素子は、熱光学効果によって導波路の屈折率を変化させ、該導波路に伝搬する光の位相を変化させることによってスイッチングを行うＭＺＩ型光スイッチである。図１に示すように、基板１０の上には光位相シフト導波路１１が設けられており、光位相シフト導波路１１の上にはヒーター１２が設けられている。光位相シフト導波路１１は、ＳｉＯ2からなるクラッド１１ａと、Ｓｉからなるコア１１ｂとから構成されている。さらに、クラッド１１ａの内部であって、ヒーター１２とコア１１ｂとの間には、伝熱部材としての複数本のカーボンナノチューブ１３が配置されている。さらに、各カーボンナノチューブ１３は、軸線方向（長手方向）がコア１１ｂの外壁と直交する向きで配置されている。なお、カーボンナノチューブ１３の周囲には、クラッド１１ａ（ＳｉＯ2）ではなく、光吸収が少ない高分子材料を配置してもよい。
ここで、カーボンナノチューブとは、炭素によって作られた六角網目のシート状構造（グラフェンシート）が単層または多層の同軸管状になった物質である。もっとも、グラフェンシートには、五角網目や七角網目の部分が存在することもある。また、単層のものは「シングルウォールナノチューブ(ＳＷＮＴ)」、複層のものは「マルチウォールナノチューブ(ＭＷＮＴ)」と呼ばれることもある。特に、二層のものは、「ダブルウォールナノチューブ(ＤＷＮＴ)とも呼ばれることもある。本発明におけるカーボンナノチューブには、シングルウォールナノチューブとマルチウォールナノチューブの双方が含まれる。
また、カーボンナノチューブ１３の熱伝導率は3000〜5500［W/（ｍ-1K-1）］であり、クラッド１１ａであるＳｉＯ2の熱伝導率は１［W/（ｍ-1K-1）］であり、コア１１ｂであるＳｉの熱伝導率は168［W/（ｍ-1K-1）］である。これにより、ヒーター１２から発せられた熱は、クラッド１１ａよりも圧倒的に熱伝導率の高いカーボンナノチューブ１３を介してコア１１ｂに伝導し、コア１１ｂの全体が効率的に加熱される。さらに、コア１１ｂよりも熱伝導率の低いクラッド１１ａにより、コア１１ｂの周囲には等価的に熱の分離部が形成される。したがって、ヒーターから発せられた熱が基板１０の主面方向に沿ってクラッド１１ａ内を伝導し、基板１０に伝導することが少ない。また、クラッド１１ａの側面や底面から外部に熱が発散することも少ない。すなわち、熱がコア１１ｂに閉じ込められ、コア１１ｂがさらに効率的に加熱される。
さらに、本実施形態では、各カーボンナノチューブ１３は、その長手方向がコア１１ｂの外壁と直交する向きで配置されている。換言すれば、カーボンナノチューブ１３とコア１１ｂとの接触面積が非常に小さい。よって、カーボンナノチューブ１３とコア１１ｂとが直接接触しても、カーボンナノチューブ１３による光吸収は非常に少ない。
（実施形態２）
以下、本発明の光回路素子の実施形態の他例について図２を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係る光回路素子は、実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチと基本構造を共通にするＭＺＩ型光スイッチである。
（実施形態２）
以下、本発明の光回路素子の実施形態の他例について図２を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係る光回路素子は、実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチと基本構造を共通にするＭＺＩ型光スイッチである。
本実施形態に係るＭＺＩ型光スイッチが実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチと異なるのは次の点である。すなわち、本実施形態に係るＭＺＩ型光スイッチでは、カーボンナノチューブ１３がコア１１ｂ中の光モードの存在しない領域のみと接触するように配置されている。これにより、本実施形態に係るＭＺＩ型光スイッチでは、カーボンナノチューブ１３による光吸収が実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチよりも低減される。
（実施形態３）
以下、本発明の光回路素子の実施形態の他例について図３を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係る光回路素子は、実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチと基本構造を共通にするＭＺＩ型光スイッチである。
（実施形態３）
以下、本発明の光回路素子の実施形態の他例について図３を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係る光回路素子は、実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチと基本構造を共通にするＭＺＩ型光スイッチである。
本実施形態に係るＭＺＩ型光スイッチが実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチと異なるのは次の点である。すなわち、本実施形態に係るＭＺＩ型光スイッチでは、カーボンナノチューブ１３は、その長手方向がコア１１ｂの外壁と直交し、かつ、コア１１ｂを伝搬する光の電場の方向と直交する向きで配置されている。なお、本実施形態では、コア１１ｂを伝搬する光の電場の方向は、基板１０の主面に対して垂直な方向である。
学術論文「Polarization Dependence of the Optical Absorption of Single-Walled Carbon Nanotubes」（PHYSICAL REVIEW LETTERS vol.94(2005) 087402頁）によれば、長手方向と直交する電場を持つ光に対するカーボンナノチューブの光吸収率は、長手方向と平行な電場を持つ光に対する光吸収率の1/100以下である。すなわち、カーボンナノチューブは、光吸収に関して光学異方性を有する。よって、カーボンナノチューブ１３が、その長手方向がコア１１ｂの外壁と直交し、かつ、コア１１ｂを伝搬する光の電場と直交する向きで配置されている本実施形態に係るＭＺＩ型光スイッチでは、カーボンナノチューブ１３による光吸収が実施形態１に係るＭＺＩ型光スイッチよりも低減される。
なお、上記のいずれの実施形態においても、必要十分な伝熱効果が得られる範囲内でカーボンナノチューブの本数を減らすことによって、カーボンナノチューブによる光吸収をより低減することができる。また、上記のいずれの実施形態におけるヒーターも冷却素子に変更することができる。
本発明は、光通信、光交換、光情報処理および光インターコネクションにおいて、光強度や光位相等の調整に用いられる光可変減衰器や光スイッチに利用することができる。
１０ 基板
１１ 光位相シフト導波路
１１ａ クラッド
１１ｂ コア
１２ ヒーター
１３ カーボンナノチューブ
１１ 光位相シフト導波路
１１ａ クラッド
１１ｂ コア
１２ ヒーター
１３ カーボンナノチューブ
Claims (4)
- 熱光学効果によって光導波路を伝搬する光の位相を変化させる光回路素子であって、
クラッドと、前記クラッドによって覆われたコアとからなる光導波路と、
加熱素子または冷却素子と、
前記クラッド内に埋設され、前記加熱素子または前記冷却素子と前記コアとを熱的に接続する伝熱部材としてのカーボンナノチューブとを有することを特徴とする光回路素子。 - 前記カーボンナノチューブは、その軸線方向が前記コアの外壁と直交する向きで前記クラッド内に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の光回路素子。
- 前記カーボンナノチューブは、前記コアの光モードの存在しない領域のみと接触するように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光回路素子。
- 前記カーボンナノチューブは、その軸線方向が前記コアを伝搬する光の電場の方向と直交する向きで前記クラッド内に埋設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光回路素子。
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|---|---|---|---|
| JP2009105272A JP2010256552A (ja) | 2009-04-23 | 2009-04-23 | 光回路素子 |
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| JP2009105272A Pending JP2010256552A (ja) | 2009-04-23 | 2009-04-23 | 光回路素子 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2010256552A (ja) |
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN104603653A (zh) * | 2012-09-13 | 2015-05-06 | 惠普发展公司，有限责任合伙企业 | 控制光电路中的温度 |
| WO2019225445A1 (ja) * | 2018-05-21 | 2019-11-28 | 学校法人慶應義塾 | ナノカーボン材料を用いた光デバイス |
| JP2023546557A (ja) * | 2020-10-14 | 2023-11-06 | アヤー・ラブス・インコーポレーテッド | アンダーカット熱光学位相シフタ |
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2009
- 2009-04-23 JP JP2009105272A patent/JP2010256552A/ja active Pending
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| EP2895898A4 (en) * | 2012-09-13 | 2016-06-08 | Hewlett Packard Development Co | REGULATION OF TEMPERATURES IN OPTICAL CIRCUITS |
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| US12560830B2 (en) | 2020-10-14 | 2026-02-24 | Ayar Labs, Inc. | Undercut thermo-optic phase shifter |
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