(57)【要約】  本発明に係る熱光学位相シフタ（２００）は、基板（２０１）と、基板（２０１）上に設けられた犠牲層（２０２）と、犠牲層（２０２）の上部に形成され、その膜密度が犠牲層（２０２）のそれよりも高くなった第一のクラッド層（２０３）と、第一のクラッド層（２０３）の上部に形成された光導波路コア（２０４）と、光導波路コア（２０４）を覆うように第一のクラッド層（２０３）上に設けられた第二のクラッド層（２０５）と、第二のクラッド層（２０５）の光導波路コア（２０４）の直上域に設けられた発熱ヒータ（２０６）と、光導波路コア（２０４）の側面域に、第二のクラッド層（２０５）の表面から基板（２０１）の表面に至り形成された溝部（２０７）とを備える。
2008047634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板上に設けられた犠牲層と、
この犠牲層の上部に形成され、その膜密度が前記犠牲層のそれよりも高くなった第一のクラッド層と、
この第一のクラッド層の上部に形成された光導波路コアと、
この光導波路コアを覆うように前記第一のクラッド層上に設けられた第二のクラッド層と、
この第二のクラッド層の前記光導波路コアの直上域に設けられた発熱ヒータと、
前記光導波路コアの側面域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に至り形成された溝部とを備える熱光学位相シフタ。
【請求項２】
前記犠牲層のかさ密度が２．０ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１記載の熱光学位相シフタ。
【請求項３】
前記犠牲層及び前記第一のクラッド層が、シリカガラスから構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱光学位相シフタ。
【請求項４】
前記犠牲層及び前記第一のクラッド層が、シリカガラスと、リンガラスあるいはボロンガラスあるいはゲルマニウムガラスのいずれか１つ以上の不純物材料から構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱光学位相シフタ。
【請求項５】
前記犠牲層及び前記第一のクラッド層に含まれる前記不純物材料の含有量の差が、１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４記載の熱光学位相シフタ。
【請求項６】
前記犠牲層及び前記第一のクラッド層に含まれる前記不純物材料の含有量が、それぞれ４ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４記載の熱光学位相シフタ。
【請求項７】
基板上に、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
この犠牲層形成工程で形成された犠牲層の上部に犠牲よりも膜密度の高い第一のクラッド層を形成する第一のクラッド層形成工程と、
この第一のクラッド層形成工程で形成された第一のクラッド層の上部に光導波路コアを形成する光導波路コア形成工程と、
この光導波路コア形成工程で形成された光導波路コアを覆うように前記第一のクラッド層上に第二のクラッド層を形成する第二のクラッド層形成工程と、
この第二のクラッド層形成工程で形成された第二のクラッド層の前記光導波路コアの直上域に発熱ヒータを形成する発熱ヒータ形成工程と、
前記光導波路コアの側面域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に至る溝部を形成する溝部形成工程とを備える熱光学位相シフタの製造方法。
【請求項８】
前記犠牲層を、プラズマ励起化学気相成長法、常圧化学気相成長法あるいはスパッタリング法のいずれかを用いて形成することを特徴とする請求項７記載の熱光学位相シフタの製造方法。
【請求項９】
前記溝部形成工程は、反応性イオンエッチング装置を用いて前記第二のクラッド層から前記犠牲層の最下部までエッチングを行って縦溝を形成する縦溝形成工程と、この縦溝形成工程が行われた後に前記縦溝にウェットエッチング法によってサイドエッチングを行うサイドエッチング工程を備えることを特徴とする請求項７記載の熱光学位相シフタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光学位相シフタ及びその製造方法に係わり、特に熱光学効果による位相変化を利用したスイッチや可変減衰器、波長フィルタなどの光デバイスとして使用することが好適な熱光学位相シフタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野における多チャンネル化は、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式の出現により急速に促進されている。これに伴い、チャンネルごとの機能的な制御を実現しようとすると、チャンネル数に応じた数の光素子が必要となってくる。例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御を行ったり、スイッチングを行うような場合である。【０００３】
このため、近時、高密度集積が可能で光スイッチ等の光デバイスに適用することのできる小型光回路部品の必要性が高まっている。光スイッチに関しては、従来、単体の光スイッチが幾つか実現されており、これらの光スイッチを多数使用した複数の入出力ポートを持つマトリックススイッチも実用化されている。【０００４】
光スイッチを実現する技術は従来から各種提案されている。例えば、入力ポート及び出力ポートを機械的に動かして接続する方法（例えば、特許文献１参照）、可動式のミラーを回転して所定の角度に傾けることにより入力ポートと出力ポートとを接続する方法（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照）、液晶を使用する方法（例えば、特許文献３参照）、交差接続された導波路の交差点で泡を発生させる等の手段により光の反射を制御し入力・出力ポート間の接続を変更する方法等のように多岐に亘っている。【０００５】
この中でも、熱光学位相シフタを利用した平面光波回路（ＰＬＣ：Plan Light-wave Circuit）型デバイスは、その作製プロセスに半導体回路の作製技術を利用することができる。このため、作製の容易さ及び集積性が極めて優れており、高機能化・大規模化にも有利であるという特長を持っている。【０００６】
通常、熱光学位相シフタは次のようにして実現される。まず、図示しない基板上にクラッド層及びコアからなる光導波路を作製する。このようにして作製した光導波路上に金属薄膜等の導電性薄膜を成膜して光導波路に沿った細線形状に加工し、通電できるようにする。この薄膜に外部から電力を投入すると、薄膜の電気抵抗により熱が発生して、光導波路のヒータとして動作する。このヒータにより発生した熱は、光導波路のクラッド層を伝わってコアに達する。その結果、光導波路におけるヒータで加熱された部分の屈折率が増加する。これによる屈折率の変化量と導波路長とに対応して実効導波路長が長くなり、出力端で光の位相がシフトする。ヒータに投入する電力を調節することにより、位相のシフト量を任意に制御することができる。なお、光導波路が石英ガラスにより形成されている場合、石英ガラスの屈折率温度係数（ｄｎ／ｄＴ）は約１×１０−５（／℃）である。【０００７】
そこで、１本の光導波路を入力端で２本に分岐して、その少なくとも一方を熱光学位相シフタに接続すると共に、これらの出力端では２本に分岐した光導波路を再結合させることにより、光スイッチを実現することができる。例えば、２本の分岐された光導波路を導波する光の位相を相互に半波長分シフトさせることにより、出力端における出力をゼロとすることができる。また、２本の分岐された光導波路の位相をシフトさせなければ、入力された光をそのまま出力することができる。このように光の位相の制御によって、出力のオン・オフを制御することができる。【０００８】
ところで、多チャンネル化に対応するために、１つの光回路内に複数の熱光学位相シフタを配置すると、１つの熱光学位相シフタが消費する電力が大きい場合、光回路全体の消費電力が極めて大きくなってしまう。これまでに実用化された熱光学位相シフタでは、例えば光通信に通常使用される波長が１５５０ｎｍ（ナノメートル）の光を導波させる場合、位相を半波長分変化させるために必要な電力は、１チャンネル当たり４００ｍＷ（ミリワット）程度である。従って、例えば４０チャンネルの光通信回路を制御するものとし、各チャンネルに、前記した熱光学位相シフタを利用したスイッチを設けたとすると、最大で４０×４００ｍＷ、すなわち１６０００ｍＷあるいは１６Ｗもの電力を必要とすることになる。そこで、ヒータで発生した熱を効率的に利用する方法が第１の提案として提案されている（例えば特許文献４参照）。【０００９】
図６及び図７は、ヒータで発生した熱を効率的に利用する従来の第１の提案を表わしたものである。ここで、図６は図７におけるＶＩ−ＶＩ断面図を表わしている。図６に示すように、この第１の提案による熱光学位相シフタでは、例えばシリコンからなり厚さが０．８ｍｍの基板１０１を有している。この基板１０１上には、犠牲層１０２が設けられている。犠牲層１０２は、例えばガラスにリンをドープしたリン添加シリカガラス（ＰＳＧ）により形成されており、その膜厚は例えば５μｍである。【００１０】
犠牲層１０２上にはクラッド層１０３が設けられている。クラッド層１０３は、犠牲層１０２上に設けられた下側クラッド層１０４と、この下側クラッド層１０４上に設けられた上側クラッド層１０５とから構成されている。下側クラッド層１０４及び上側クラッド層１０５は、例えばガラスにボロン及びリンをドープしたＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）により形成されており、その膜厚は例えばそれぞれ１４μｍ及び１５μｍである。なお、基板１０１はシリコン以外の半導体又は石英ガラス等の絶縁体から形成されていてもよい。また、犠牲層１０２は、ＰＳＧに限らず、基板１０１及びクラッド層１０３よりもエッチング速度が大きく、基板１０１及びクラッド層１０３に対して選択エッチングが可能な材料により形成されていればよく、この条件を満たす限り、例えば半導体又はＰＳＧ以外のガラスにより形成されていてもよい。【００１１】
下側クラッド層１０４上には基板１０１の表面に平行な方向に延びるコア１０６が設けられており、上側クラッド層１０５はコア１０６を覆うように設けられている。コア１０６及びコア１０６の周囲のクラッド層１０３により、光導波路１０７が形成されている。コア１０６の長手方向に直交する断面の形状は、高さが例えば５．５μｍ、幅が例えば５．５μｍの矩形である。また、コア１０６はクラッド層１０３よりも屈折率が大きい材料、例えば、ＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）により形成されており、コア１０６とクラッド層１０３との比屈折率差Δは例えば０．６５％である。【００１２】
この第１の提案の熱光学位相シフタでは、光導波路１０７上、すなわち、上側クラッド層１０５の表面に薄膜ヒータ１０８が設けられている。薄膜ヒータ１０８は例えばクロムからなる薄膜であり、膜厚は例えば０．２μｍである。図７に示すように、薄膜ヒータ１０８は両端部の電極部分１０８Ａと、電極部分１０８Ａ間のヒータ部分１０８Ｂとからなっている。電極部分１０８Ａの形状は例えば正方形であり、ヒータ部分１０８Ｂの形状は、幅が例えば１０μｍ、長さが例えば４ｍｍの細線状である。【００１３】
また、クラッド層１０３及び犠牲層１０２における薄膜ヒータ１０８の下方に相当する領域のうちの光導波路１０７の両脇に位置する領域には、コア１０６が延びる方向と平行に延びる溝１０９が形成されている。溝１０９は光導波路１０７を挟むように２ヶ所に形成されている。溝１０９の長手方向、すなわちコア１０６が延びる方向の長さは例えば４ｍｍであり、溝１０９の幅、すなわち、コア１０６が延びる方向に直交する方向の長さは例えば２５０μｍであり、溝１０９の深さは例えば２９μｍである。溝１０９間の距離、すなわち、光導波路１０７のリッジ幅は例えば２５μｍである。更にまた、光導波路１０７と基板１０１との間においては、犠牲層１０２が除去され、隙間１１１が形成されている（図６）。隙間１１１の高さは犠牲層１０２の膜厚と等しく、例えば５μｍである。これにより、光導波路１０７は、２本の溝１０９及び隙間１１１により、光導波路１０７以外のクラッド層１０３、犠牲層１０２及び基板１０１から離間され、橋梁状となっている。犠牲層１０２は基板１０１上において隙間１１１を除く全面に形成されている。【００１４】
このように、第１の提案の熱光学位相シフタでは、その消費電力を低減するために、薄膜ヒータ１０８が発した熱が基板１０１側に逃げることを防止する観点から、光導波路１０７の下方に位置する犠牲層１０２を除去し、光導波路１０７をブリッジ構造にしている。【００１５】
図８Ａ〜８Ｃは、第１の提案の熱光学位相シフタの製造方法の概要を表わしたものである。まず、図８Ａに示すように基板１０１の上に犠牲層１０２としてリン添加シリカガラス（ＰＳＧ）を形成し、その上に下側クラッド層１０４を形成してコア１０６を配置し、これを覆うように上側クラッド層１０５を形成して光導波路を形成する。上側クラッド層１０５の表面には薄膜ヒータ１０８を形成する。【００１６】
次に、図８Ｂに示すように薄膜ヒータ１０８の上にレジスト１１２を形成し、このレジスト１１２をマスクとして、光導波路を挟む位置に、シリコン薄膜からなる基板１０１にまで到達する溝１０９を、エッチングによって形成する。【００１７】
次に、図８Ｃに示すように、形成した溝１０９を介して犠牲層１０２としてのリン添加シリカガラスをウェットエッチングによって選択的に除去する。これにより、犠牲層１０２が残留せず、溝１０９の外側で、基板１０１の上に下側クラッド層１０４が間隔を置いて配置された熱光学位相シフタを作製することができる。【００１８】
一方、第２の提案として、コアを覆うようにオーバークラッドを形成して光導波路を形成し、この光導波路上にヒータを形成すると共に、溝を設けてシリコンテラスを除去する技術が開示されている（例えば特許文献５参照）。【００１９】
図９Ａ〜９Ｇは、この第２の提案によるガラス導波路の製造方法の概要を表わしたものである。まず、図９Ａに示すように石英基板１２１上に厚さ約２．５μｍのシリコン薄膜をスパッタ法によって基板全面に成膜する（図示せず）。このシリコン薄膜をフォトリソグラフィによりシリコンテラス１２２にパターニングする。【００２０】
次に、図９Ｂに示すようにプラズマＣＶＤ（Cemical Vapor Deposition）を用いて、厚さ約８μｍのアンダークラッド１２３を形成する。次にスパッタ法を用いて、ゲルマニウムを添加した厚さ約６μｍのコア膜をアンダークラッド１２３上の全面に成膜し（図示せず）、図９Ｃに示すように、フォトリソグラフィによりコア（光回路）１２４を形成する。【００２１】
この後、図９Ｄに示すように、火炎堆積法によって厚さ３０μｍのオーバークラッド１２５を形成する。そして、図９Ｅに示すように、リフトオフ法によって厚さ約０．１μｍのチタン層、厚さ約０．５μｍの白金層、厚さ約０．５μｍの金層の３層からなるヒータ１２６を形成する。ただし、発熱領域は金をエッチングにより除去し、チタン及び白金の２層構造とする。【００２２】
次に、図９Ｆに示すように、ヒータ１２６の両側にピット１２７を形成する。このピット１２７のエッチングはシリコンテラス１２２に到達するまで行う。この後、図９Ｇに示すように、エッチングによりシリコンテラス１２２をガラス導波路素子の長手方向全長にわたってすべて除去する。そして、ダイシングにより各素子に分割し、エキシマレーザを照射してコア１２４にブラッググレーティングを形成することによりガラス導波路が得られる。【００２３】
これら第１及び第２の提案によれば、光導波路と基板との間に隙間を形成することができるので、熱光学位相シフタの消費電力を低減することができる。
【特許文献１】特開平９−５６５３号公報（第００１１段落、図１、図２）
【特許文献２】特開２００１−２５５４７４号公報（第０００８段落、図２）
【特許文献３】特開昭６２−１８７８２６号公報（第５ページ右下欄第４行目〜第６ページ右上欄第１４行目）
【特許文献４】特開２００４−３７５２４号公報（第００４１段落〜第００４４段落、第００６３段落〜第００６５段落、図１、図４）
【特許文献５】特許第３１５２１８２号公報（第００２４段落〜第００３１段落、図２）
【非特許文献１】電子情報通信学会総合大会予稿Ｃ−３−８（２００２年）ｐ．１４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、第１及び第２の提案では、次に説明するような問題があった。まず、図９Ａ〜９Ｇに示した第２の提案として示されている技術では、シリコン薄膜の選択エッチングが困難であるという問題点がある。通常、シリコンのエッチングに利用されるのはフッ化水素酸水溶液と硝酸を混合した薬液である。この薬液は非常に厄介なものであり、レジストやシリカガラスも剥離あるいはエッチングしてしまう。このため、シリコン薄膜のみを選択的にかつ安全にエッチングすることが困難である。また、第２の提案では、選択的に形成されたシリコン薄膜を覆うようにアンダークラッドを形成する。したがって、このアンダークラッドの上面が平坦にならず、このアンダークラッド上にコア、オーバークラッド、ヒータの各層を形成することが困難であるという問題点もある。【００２５】
更に、第２の提案では、光導波路について、伝搬損失の低減や信頼性確保のために、損失原因となる不純物除去及び高密度化を目的とした高温のアニール処理を行っている。例えば、光導波路コアの材料として高屈折率化に適したＳｉＯＮを用いる場合、光通信で利用される赤外波長域１５００ｎｍ近辺にＯ−Ｈ結合やＮ−Ｈ結合に起因する赤外吸収が存在し、吸収損失が大きくなってしまう。このために、１０００℃を超える温度でアニール処理を行う必要がある。また、高温アニールによりガラス膜が密になることで、長期にわたり外部からの影響を受けず、信頼性に優れたデバイスを作製することが可能になる。【００２６】
しかしながら、異種材料が接触する場合に高温アニールを行うと、異種材料が接触した場所では熱膨張係数に応じた応力が発生し、光導波路コアの複屈折を誘起してしまうという問題が発生する。すなわち、第２の提案では、ガラスとは材料の異なるシリコン薄膜がコア直下にあることで、ガラス層のアニールを行う際に大きな熱履歴による応力が発生してしまい、シリコン薄膜を除去した後でもコアに内部応力が残留し、光学特性に大きな悪影響がでてしまう。【００２７】
一方、図６〜図８Ｃに示した第１の提案として開示されている技術では、前記した高温アニールに犠牲層及びクラッド層が耐えられないという問題点がある。ガラスの耐熱性は材料の軟化温度との関係が大きく、ボロンやリンといった添加物を加えたガラスの軟化温度は低下する。第１の提案では犠牲層とクラッド層のエッチング選択性を確保するために添加物を使用している。このため、軟化温度が相当低下することになり、高温アニールを行った際に添加物の影響や内部での結晶析出反応のために気泡の発生や失透現象が発生する可能性がある。また、第１の提案では下側クラッド層や犠牲層の軟化温度が低いため、高温アニールの際に光導波路コアの位置が変動し、マイクロベンディングによる伝搬損失の発生や、偏光依存性の発生、透過特性の変動などの重大な問題が生じる。【００２８】
そこで本発明の目的は、高温アニール耐性及び長期信頼性に優れ、光導波路コアの残留応力及び伝搬損失、偏光依存性が小さい熱光学位相シフタ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明に係る熱光学位相シフタは、基板と、この基板上に設けられた犠牲層と、この犠牲層の上部に形成され、その膜密度が犠牲層のそれよりも高くなった第一のクラッド層と、この第一のクラッド層の上部に形成された光導波路コアと、この光導波路コアを覆うように第一のクラッド層上に設けられた第二のクラッド層と、この第二のクラッド層の光導波路コアの直上域に設けられた発熱ヒータと、前記光導波路コアの側面域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に至り形成された溝部とを備える。【００３０】
すなわち本発明では、クラッド層と同様に高温に耐えられる材料として、第一のクラッド層よりも膜密度が低い材料を犠牲層に用いることにしている。高温に耐えられる材料の場合、その熱特性（軟化温度）は膜密度によって決まらないが、ウェットエッチングやドライエッチングなどの材料と反応して除去する場合、その除去速度を速めることができる。従って、犠牲層の高温アニール耐性を維持しつつ、最後に犠牲層を優先的・選択的に除去することができ、低消費電力熱光学位相シフタを実現できる。また、犠牲層を基板上に全面に成膜できることにより、この犠牲層の上面が平坦となり、クラッド層の形成が容易になると共に、光導波路の光学特性が良好になる。更に、光導波路コアの側面域のクラッド層が除去された部分を介して、基板と第一のクラッド層との間の犠牲層を選択的に除去することにより、簡便に断熱構造を形成することができる。【００３１】
また、本発明に係る熱光学位相シフタの製造方法は、基板上に、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、この犠牲層形成工程で形成された犠牲層の上部に犠牲よりも膜密度の高い第一のクラッド層を形成する第一のクラッド層形成工程と、この第一のクラッド層形成工程で形成された第一のクラッド層の上部に光導波路コアを形成する光導波路コア形成工程と、この光導波路コア形成工程で形成された光導波路コアを覆うように第一のクラッド層上に第二のクラッド層を形成する第二のクラッド層形成工程と、この第二のクラッド層形成工程で形成された第二のクラッド層の光導波路コアの直上域に発熱ヒータを形成する発熱ヒータ形成工程と、前記光導波路コアの側面域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に至る溝部を形成する溝部形成工程とを備える。【００３２】
すなわち本発明では、クラッド層と同様に高温に耐えられる材料として、第一のクラッド層よりも膜密度が低い材料を犠牲層として形成し、高温アニールを行うことができるようにしたため、長期信頼性に優れ、かつ光導波路コアにかかる応力が小さい、低消費電力動作可能な熱光学位相シフタを作製することができる。また、犠牲層を、プラズマ励起化学気相成長法あるいは常圧化学気相成長法あるいはスパッタリング法を用いて形成し、熱光学位相シフタを製造することができる。これは化学気相成長法の中でも、プラズマ励起化学気相成長法や常圧化学気相成長法では、犠牲層のかさ密度制御が比較的容易に行えることによる。また、スパッタリング法も同様に、比較的容易に犠牲層のかさ密度制御を行うことができるため、犠牲層の形成に適する。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように本発明によれば、光学特性が優れた熱光学位相シフタを、容易に制御性良く高収率で作製することが可能となる。また、犠牲層及びクラッド層の成膜を連続的に行うことができ、作製プロセスを大幅に簡略化することができる。この結果、作製コスト低減と高収率化とを実現することが可能になる。更に、熱光学位相シフタ部の犠牲層が除去されても、それ以外の部分には犠牲層が残されており、その犠牲層が応力緩和層として機能する。したがって、デバイスに形成された光導波路にかかる残留応力は小さくなり、応力により発生する偏光依存性を減じることができる。また、本発明の熱光学位相シフタは製造の際に高温アニールでの収縮がほとんど発生せず、安定した構造を維持するので、簡便かつ低コストで低消費電力の構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態における熱光学位相シフタの要部断面図である。
【図２Ａ】本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図２Ｂ】本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図２Ｃ】本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図２Ｄ】本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図３Ａ】エッチング速度差の測定の様子を示した説明図である。
【図３Ｂ】エッチング速度差の測定の様子を示した説明図である。
【図４】本実施の形態で光導波路コアの直下の犠牲層のすべてを除去した例を示した要部断面図である。
【図５】本実施の形態で高密度のＮＳＧを上側クラッド層に用いた熱光学位相シフタの要部を表わした要部断面図である。
【図６】従来の第１の提案による熱光学位相シフタの要部断面図である。
【図７】従来の第１の提案による熱光学位相シフタの平面図である。
【図８Ａ】従来の第１の提案による熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図８Ｂ】従来の第１の提案による熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図８Ｃ】従来の第１の提案による熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断面図である。
【図９Ａ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【図９Ｂ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【図９Ｃ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【図９Ｄ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【図９Ｅ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【図９Ｆ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【図９Ｇ】従来の第２の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
２００  熱光学位相シフタ
２０１  基板
２０２  犠牲層
２０３  下側クラッド層
２０４  光導波路コア
２０５  上側クラッド層
２０６  発熱ヒータ
２０７  溝
２０８  レジスト
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下実施の形態につき本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態における熱光学位相シフタの要部断面構造を表わしたものである。本実施の形態の低消費電力型の熱光学位相シフタ２００は、基板２０１と、この基板２０１上に設けられた犠牲層２０２と、この犠牲層２０２の上部に形成された下側クラッド層２０３と、下側クラッド層２０３の上部に形成された光導波路コア２０４と、この光導波路コア２０４を覆うように設けられた上側クラッド層２０５と、光導波路コア２０４の直上域に設けられた発熱ヒータ２０６を備えている。そして、光導波路コア２０４の側面域の下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５及び犠牲層２０２と、光導波路コア２０４の直下域の犠牲層２０２の少なくとも一部あるいは全部が溝２０７を介して除去されている断熱構造となっており、犠牲層２０２の膜密度が下側クラッド層２０３よりも低いことを特徴としている。【００３７】
このような低消費電力型の熱光学位相シフタ２００を作製するに当たり、基板２０１に最初に形成される犠牲層２０２には、その後の下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５の成膜や伝搬損失低減のための高温アニールに耐えられる特性が必要である。また、犠牲層２０２のみを最後に容易に除去できる特性も併せ持つ必要がある。下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５はもちろん高温アニールに耐えるような膜質が要求されるが、犠牲層２０２に下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５と全く同じ材料を用いるわけにはいかない。このため本実施の形態では下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５と同様に高温に耐えられる材料として、下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５よりも膜密度が低い材料を犠牲層２０２に用いることで問題を解決している。犠牲層２０２が高温に耐えられる材料の場合、その熱特性（軟化温度）は膜密度によって決まらないが、ウェットエッチングやドライエッチングなどの材料と反応して除去する場合、その除去速度を速めることができる。従って、犠牲層２０２の高温アニール耐性を維持しつつ、最後に犠牲層２０２を優先的・選択的に除去することができ、低消費電力熱光学位相シフタを実現することができる。【００３８】
また、犠牲層２０２を基板１０１上に全面に成膜できるので、この犠牲層２０２の上面が平坦となる。このため、下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５の形成が容易になると共に、光導波路の光学特性が良好になる。更に、光導波路コア２０４の側面域の上側クラッド層２０５が除去された部分を介して、基板２０１と下側クラッド層２０３との間の犠牲層２０２を選択的に除去することにより、簡便に断熱構造を形成することができる。この結果、光学特性が優れた熱光学位相シフタを、容易に制御性良く高収率で作製することが可能となる。また、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３の成膜を連続的に行うことができ、作製プロセスを大幅に簡略化することができる。この結果、作製コスト低減と高収率化とを実現することが可能になる。【００３９】
また、本実施の形態では、熱光学位相シフタ２００を構成する部分の犠牲層２０２が除去されても、デバイスを構成するそれ以外の部分には犠牲層２０２が残されている。これら残存する犠牲層２０２は、応力緩和層として機能する。このため、そのデバイスに形成された光導波路にかかる残留応力は小さくなり、応力により発生する偏光依存性を減じることができる。【００４０】
なお、質量を体積で割った値としての犠牲層２０２のかさ密度は２．０ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。通常のシリカガラスのかさ密度はおよそ２．３ｇ／ｃｍ３である。その９０％以上の値となるかさ密度（２．０ｇ／ｃｍ３以上）では、密度が低いことによる犠牲層の自己崩壊や、１０００℃を超える高温アニールでの収縮がほとんど発生しない。そのため、安定した構造を維持しつつ低消費電力構造を形成することができる。【００４１】
更に、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３は、シリカガラスから構成されることが好ましい。シリカガラスを主材料とする光導波路は、１０００℃を超える高温アニールが可能で、伝搬損失を低く抑えることができる。なお、熱光学位相シフタ２００は、化学気相成長法の成膜条件、及び高温アニール条件で膜密度を２．０〜２．３ｇ／ｃｍ３まで任意に変えることが可能であり、犠牲層とクラッド層を同様の手法で成膜することができる。したがって、簡便かつ低コストで低消費電力の熱光学位相シフタ２００を実現することができる。【００４２】
また、熱光学位相シフタ２００は、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３が、シリカガラスと、リンガラスあるいはボロンガラスあるいはゲルマニウムガラスのいずれか１つ以上の不純物材料から構成されるものであってもよい。光導波路は、下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５の屈折率及びコア層の屈折率の差を利用して形成するデバイスであり、それぞれの屈折率を精密に制御する必要がある。このために、シリカガラスと、その他の屈折率を調整するための不純物との混合材料を下側クラッド層２０３及び上側クラッド層２０５に利用することがある。【００４３】
更にまた、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３に含まれる不純物材料の含有量の差は、１ｗｔ％以下であることが望ましい。不純物材料の含有量に大きな差があると、犠牲層２０２を除去する工程で、不純物材料含有量に起因するエッチング差が発生し、また高温アニール耐性にも差が生じる可能性がある。このため、犠牲層２０２と下側クラッド層２０３の材料はなるべく近い方が好ましい。不純物材料の含有量差が１ｗｔ％以下であると、熱耐性やエッチング特性には、ほとんどその差は認められない。【００４４】
また、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３に含まれる不純物材料の含有量は、それぞれ４ｗｔ％以下であることが好ましい。不純物の含有量が増加してくると軟化温度が低下するため、低損失化のための高温アニール耐性が得られなくなるからである。不純物の含有量が４ｗｔ％以下であると、１０００℃以上の高温アニール耐性が得られ、犠牲層としての機能とクラッド層としての必要要件を満たすガラス材料を実現することができる。【００４５】
このような熱光学位相シフタ２００の製造方法は、次の各工程を備えることになる。
（ａ）基板２０１上に、犠牲層２０２を形成する工程
（ｂ）犠牲層２０２の上部にこの犠牲層２０２よりも膜密度の高い下側クラッド層２０３を形成する工程
（ｃ）下側クラッド層２０３の上部に光導波路コア２０４を形成する工程
（ｄ）光導波路コア２０４を覆うように上側クラッド層２０５を形成する工程
（ｅ）光導波路コア２０４の直上域に発熱ヒータ２０６を形成する工程
（ｆ）光導波路コア２０４の側面域の下側クラッド層２０３、上側クラッド層２０５及び犠牲層２０２の少なくとも一部あるいは全部を除去して溝を形成する工程
（ｇ）光導波路コア２０４の直下域の犠牲層２０２を溝２０７を介して除去する工程【００４６】
このような熱光学位相シフタ２００は、高温アニールを行うことができるため長期信頼性に優れ、かつ光導波路コアにかかる応力が小さく、かつ低消費電力動作が可能である。また、犠牲層２０２を、プラズマ励起化学気相成長法あるいは常圧化学気相成長法あるいはスパッタリング法を用いて形成することで、熱光学位相シフタ２００を製造することができる。化学気相成長法の中でも、プラズマ励起化学気相成長法や常圧化学気相成長法では、犠牲層２０２のかさ密度制御を比較的容易に行えることによる。また、スパッタリング法も、同様に、比較的容易に犠牲層２０２のかさ密度制御を行うことができる。このため、犠牲層２０２の形成に適した製造方法と言うことができる。【００４７】
図２Ａ〜２Ｄは、本実施の形態の熱光学位相シフタの製造方法の概要を表わしたものである。熱光学位相シフタ２００を製造するには、まず、図２Ａに示すように、基板２０１に、膜密度が低く１０００℃を超える高温に耐えられる犠牲層２０２、例えばノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）を成膜する。ここでは一例として、プラズマ化学気相成長法（Ｐ−ＣＶＤ（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition））を用いる方法を示す。【００４８】
Ｐ−ＣＶＤでは、図示しないＣＶＤ装置の成膜チャンバへの導入ガスの種類と、チャンバ内の圧力、基板２０１の温度及びプラズマ生成のための高周波エネルギによって膜質を制御する。ここで、基板２０１の温度を低くすること、あるいはチャンバ内の圧力を上げることにより、成膜されたノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）の膜密度を低下させることができる。従って、本実施の形態では、下側クラッド層２０３の成膜時よりも、犠牲層２０２の成膜時の基板温度を低くし、かつチャンバ内の圧力を高く設定することで、犠牲層２０２の膜密度を下側クラッド層２０３よりも下げて４μｍ成膜した。【００４９】
このように成膜条件によって膜密度が変わる現象は、スパッタリング法や他の化学気相成長法（ＣＶＤ法）でも同様である。したがって、スパッタリング装置や常圧ＣＶＤ装置などの別の装置を使用した成膜方法でも、膜密度差をつけることは比較的容易に実現することができる。ただし、同じ成膜方法でも、装置メーカや装置の状態によって設定条件が大きくことなるのが一般的である。このため、それぞれの状況に応じて膜密度や添加物量などを調整する必要がある。【００５０】
犠牲層２０２の膜密度を測定する方法は、例えば体積重量を測定することにより可能であるが、精密な測定は難しい。このため、次のような方法によるのが最も簡便で確実である。すなわち、本実施の形態では犠牲層２０２を形成したのち、膜密度が犠牲層２０２よりも高い下側クラッド層２０３として例えばノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）を形成する。このとき、最も重要なのは犠牲層２０２と下側クラッド層２０３との膜密度差である。そこで、本実施の形態では、下側クラッド層２０３を形成した後に基板２０２を切断して断面を出し、エッチングを行ってエッチング速度差を測定する。【００５１】
図３Ａ及び図３Ｂは、このエッチング速度差の測定の様子を説明するためのものである。図３Ａは、基板２０１、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３が積層された部分を、基板２０１に垂直に矢印２２１方向に切断して断面を出した状態を表わしたものである。ここで、犠牲層２０２はノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）が低膜密度のものからなり、下側クラッド層２０３はノンドープシリカガラスが高膜密度のものからなっている。【００５２】
この図３Ａに示した状態で、断面の全域にエッチングを行う。膜密度が低い方がエッチングスピードが速いので、図３Ｂに示すように、断面には犠牲層２０２と下側クラッド層２０３との間に段差が形成される。この段差の程度によって膜密度の差分を確認することができる。ただし、特許文献４でも開示されているように、犠牲層２０２と下側クラッド層２０３のそれぞれに含まれる添加物の差が大きく異なるとエッチング速度に差が生じることがある。ガラス膜に含まれる添加物量は、犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３の添加物をマイクロ領域Ｘ線分析やＳＩＭＳ（Secondary Ionization Mass Spectrometer）などの分析機器により定量分析することなどで確認することができる。これにより、エッチング速度を決めているのが添加物の量なのか膜密度なのかを明らかにすることができる。【００５３】
図２Ａに戻って説明する。高温アニール耐性のある犠牲層２０２を４μｍ厚形成すると共に下側クラッド層２０３を８μｍ厚形成した後、下側クラッド層２０３の表面にＳｉＯＮからなる光導波路コア２０４を形成した。光導波路コア２０４は、特に光のパワーが集中するところでもあり、僅かな揺らぎや変形が光透過特性に大きな影響を与えてしまう。また、光導波路コア２０４を形成する材料に赤外吸収の原因となる物質（例えばＯ−Ｈ結合やＮ−Ｈ結合）が残留していると、伝搬損失の増加を招くことになり問題である。そのため、特に光導波路コア２０４の高温アニールは重要である。【００５４】
ただし、従来から行われていたように、犠牲層２０２にシリコンを用いたり、添加物が多量に含まれるリン添加シリカガラス（ＰＳＧ）の犠牲層２０２やＢＰＳＧの下側クラッド層２０３を用いたりした場合には問題が生じる。例えば、犠牲層２０２がシリコンの場合、下側クラッド層２０３を構成するノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）との熱膨張係数が異なる。このため、特に高温アニールから冷却する際に収縮量の差から内部応力が蓄積されてしまう。この結果、例えば光導波路コア２０４に外力が加わることで複屈折を生じ、光透過特性に悪影響を与えてしまう。【００５５】
また、ＰＳＧの犠牲層２０２とＢＰＳＧの下側クラッド層２０３を用いる場合には、溶融温度が低いために光導波路コア２０４を支えるべきであるはずの下側クラッド層が変形してしまう。この結果、光導波路コア２０４の形状の変形を引き起こすことになり、伝搬損失の増加や光透過特性の劣化といった悪影響が生じる。このため、高温アニール耐性に優れる犠牲層２０２及び下側クラッド層２０３は必須であり、本実施の形態のように膜密度差で犠牲層２０２を形成する方法は有効である。【００５６】
続いて、図２Ｂに示すように、上側クラッド層２０５の成膜と光導波路コア２０４の直上域に発熱ヒータ２０６の形成を行う。ここで、上側クラッド層２０５は必ずしも高温アニール耐性は必要ない。アニールにより光導波路コア２０４の形状に合わせて変形した方が、光導波路コア２０４の周辺の埋め込み状態が良好であり、かつ表面の平坦性が確保できるからである。もちろん、上側クラッド層２０５として高温アニール耐性に優れるガラスを用いることもできる。本実施の形態では、ボロンリンシリカガラス（ＢＰＳＧ）を用いて、良好な埋め込み特性と表面平坦性を優先した。この結果、横幅５μｍの金属薄膜細線抵抗による発熱ヒータ２０６のパターニングが良好に行えた。【００５７】
次に、図２Ｃに示すように、発熱ヒータ２０６によるヒータパターンを形成した直下の光導波路コア２０４の両側面域に、光導波路コア２０４の中心からそれぞれ２０μｍの距離を置いて溝２０７を形成した。溝２０７の形成には、上側クラッド層２０５の上に形成したレジスト２０８と反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いた。溝２０７は上側クラッド層２０５から犠牲層２０２の最下部まで形成し、
犠牲層２０２の横から均一にサイドエッチングが可能な形状となるようにしている。【００５８】
図２Ｄに示したようなサイドエッチングにはウェットエッチング法が適している。特に本実施の形態で犠牲層２０２として成膜したノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）には緩衝フッ化水素酸水溶液（ＢＨＦ）が最適である。本実施の形態でも緩衝フッ化水素酸水溶液（ＢＨＦ）を用いて犠牲層２０２のエッチングを行った。本実施の形態では、下側クラッド層２０３に対する犠牲層２０２のエッチング速度比が１．５倍であった。エッチングは犠牲層２０２の一部が残る設計として、断熱構造の強度を保つように配慮した。溝２０７の両側からそれぞれ犠牲層２０２について１５μｍのサイドエッチングを行い、下側クラッド層２０３が両方向よりそれぞれ１０μｍエッチングされ、上側クラッド層２０５は両方向よりそれぞれ５μｍエッチングされた。残留した犠牲層２０２の幅は１０μｍ、下側クラッド層２０３の幅は２０μｍ、また上側クラッド層２０５の幅は３０μｍであった。【００５９】
図４は、光導波路コアの直下の犠牲層のすべてを除去した例を示したものである。このように、図２Ｄとは異なり、光導波路コア２０４の直下の犠牲層２０２のすべてを除去することも可能である。【００６０】
次に、図２Ａ〜２Ｄに示すプロセスで製造した熱光学位相シフタ２００による光スイッチの消費電力について説明する。光スイッチの消費電力を、その接点のオン・オフを切り替えるために要する電力量、すなわち位相変化量がπ（ｒａｄ）となるのに要する電力量であると定義する。【００６１】
図２Ｂに示すように、溝２０７も犠牲層２０２のエッチングも無い状態のとき、消費電力は４００ｍＷであった。図２Ｃに示すように溝２０７を形成すると、光スイッチの消費電力は２００ｍＷにまで減少した。更に、図２Ｄに示すように犠牲層２０２のエッチングを行って本実施の形態の構造とすることで、光スイッチの消費電力は１００ｍＷに減少した。このように光スイッチの消費電力は、単純に溝２０７を形成する場合と比較して更に半分の消費電力を実現することができたことになる。【００６２】
このような工夫を行うことで、断熱構造を形成していない部分の光回路でも偏光依存性が小さくなり、低密度の犠牲層２０２の効果を確認することができた。これにより、低損失、低消費電力、低偏光依存性、長期信頼性のすべてを満たす良好な光デバイスを作製することが可能になる。【００６３】
なお、犠牲層２０２の膜厚を厚くしたり、溝２０７の形成距離を狭めたり、残留した犠牲層２０２の幅を狭めたり、あるいは図４に示したように犠牲層２０２をすべて除去するといった工夫を行うことで更なる低消費電力化が可能である。例えば、犠牲層２０２のエッチング後の上側クラッド層２０５の幅が３０μｍで下側クラッド層２０３の幅が２０μｍという前記した図２Ｄに示した実施の形態と同様であり、かつ図４に示したように光導波路コア２０４の直下域の犠牲層２０２がすべて除去されている場合、光スイッチの消費電力は４０ｍＷ以下にすることができる。【００６４】
以上説明した実施の形態では、上側クラッド層２０５にガラスにボロン及びリンをドープしたＢＰＳＧを使用したが、これに限るものではなく、高密度のノンドープシリカガラス（ＮＳＧ）を使用することも可能である。通常、ＢＰＳＧは高密度のＮＳＧと比較して緩衝フッ化水素酸水溶液（ＢＨＦ）によるエッチングレートが低い。このため、図１に示すように上側クラッド層の幅が広くなってしまう。これは、断熱部分の熱抵抗の低下と熱容量の増大を招き、低消費電力化や動作速度に若干の悪影響を及ぼすことになる。したがって、光導波路コア２０４を伝搬する光に影響を与えない限り、上側クラッド層２０５及び下側クラッド層２０３の幅が互いに同一で、かつ、なるべく狭いことが望ましい。【００６５】
図５は、高密度のＮＳＧを上側クラッド層に用いた熱光学位相シフタの要部を表わしたものである。このように高密度のＮＳＧを上側クラッド層２０５に用いることで、上側クラッド層２０５及び下側クラッド層２０３の幅を互いに同一とすることができる。この場合、上側クラッド層２０５は下側クラッド層２０３と同様に高温アニールが可能である。このため、より損失が低く長期信頼性に優れた光導波路を作製することができる。【００６６】
なお、高密度のＮＳＧを上側クラッド層２０５に用いることで、高温アニールを行っても、ＢＰＳＧによって得られる上側クラッド層２０５の表面の平坦性には及ばない。このため、微細パターニングに与える悪影響が若干残ることになる。しかしながら、その代わりに断熱特性に優れた低消費電力化が可能となる。例えば、図５に示す例で、上側クラッド層２０５と下側クラッド層２０３の幅がそれぞれ２０μｍで、残留犠牲層幅が１０μｍとなった場合、光スイッチの消費電力はおよそ８５ｍＷとなり、約１５％の更なる低消費電力化を実現することができる。【００６７】
以上説明した実施の形態で示した具体的な設計及び製造後の数値は、あくまで一例としての数値である。したがって、光導波路の設計や必要とされる構造に応じて、幅を広く、膜厚を厚くすることもでき、また幅を狭く、膜厚を薄くすることも可能である。すなわち、波長や光導波路コア２０４と上側クラッド層２０５及び下側クラッド層２０３との屈折率差、必要とされるスイッチング速度に応じて、構造パラメータを設計することが重要となる。いずれの状況であっても、本発明は、低消費電力化、低損失化、低偏光依存性に大きく寄与するものである。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、例えば、熱光学効果による位相変化を利用したスイッチや可変減衰器、波長フィルタなどの光デバイスに利用される。
【図１】
2008047634.tif 000003
【図２Ａ】
2008047634.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2008047634.tif 000007
【図３Ａ】
2008047634.tif 000008
【図３Ｂ】
2008047634.tif 000009
【図４】
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【図５】
2008047634.tif 000011
【図６】
2008047634.tif 000012
【図７】
2008047634.tif 000013
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2008047634.tif 000015
【図８Ｃ】
2008047634.tif 000016
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
2008047634.tif 000022
【図９Ｇ】
2008047634.tif 000023
【国際調査報告】
2008047634.tif 000024
2008047634.tif 000025
2008047634.tif 000026