(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板または酸化シリコン基板上に粒径４０ｎｍ以下のＳｉＯ２超微粒子やＳｉＯ２をベースにした複合粒子からなる超微粒子をレーザプラズマ溶射により基板上にクラッド層、コア層、クラッド層と堆積させた該堆積層に光導波路素子間分離用トレンチ溝加工をおこない、かつ該トレンチ溝にＳＯＧ膜あるいはＴＥＯＳ  ＣＶＤ膜あるいは高分子膜を堆積させて埋込み型光導波回路を形成し、該埋込み型光導波回路のコア層の所定領域の真上に位置するクラッド層に凹部加工をおこない該凹部の底部には薄膜ヒータが設置されてなる熱光学位相器を形成し、該熱光学位相器が設けられた凹部空間を金属薄板により真空に気密封止した構造とする干渉計型構造または分岐型構造の石英系熱光学光スイッチの製造方法。
【請求項２】
基板の裏面が平板またはダイヤフラム構造からなる請求項１から製造される石英系熱光学光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【発明の技術分野】
【０００１】本発明は、光通信・光情報処理等の分野の石英系平面光波回路の低温度で作製できかつ高精度に膜厚を制御可能な平面および３次元光導波路からなる熱光学効果を利用した石英系光スイッチの特に、真空断熱状態で動作させる石英系熱光学光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】熱光学現象は、第３回強誘電体応用会議２０−Ｏ−６：渡辺隆弥“新しい電気光学光偏向器”，昭和５６年５月２５日に各種透明材料で、この現象の発見が報告されている。その後、各所で基板材料としてＬｉＮｂＯ３やシリコンを使用した研究が進められてきた。近年、光通信ネットワークに対し、各種光機能デバイスの高性能化や小型化・低コスト化に関する研究開発が盛んに行われ、信頼性・安定化に優れた石英系光導波路は、最近、兆速の進歩を遂げつつある。特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり、安定性および光ファイバとの整合性に優れているという特長を有し、商用化され実用的な光回路として機能する光導波路の最有力手段となっている。デバイスの安定性や信頼性の面から、シリコンを基板とした２つの３ｄＢ方向性結合器と同一長のアーム光導波路からなる対称マッハツェンダー型の２×２光スイッチが開発の主流となっている。この光スイッチは、シリコン基板上のクラッド中に埋め込まれたコアの真上に薄膜ヒータのオン、またはオフにより、石英系膜の熱光学効果を利用して光導波路に屈折率分布を起こし光導波路中の導波光に位相差を与えバー状態またはクロス状態を生じさせ光スイッチングを実現させるものである。これら石英系熱光学光スイッチは、スイッチ素子の小型化と低消費電力化のために超高Δ導波路と断熱構造を適用して、波長多重（ＷＤＭ）用石英系平面光波回路の必須のモジュールに成長している。
【発明が解決しようとする問題点】
【０００３】問題点１は、石英系光導波路の製造方法に関するものである。
石英系光導波路の作製方法として採用されている火炎加水分解堆積法（ＦＨＤ法）は、酸水素バーナー中にＳｉＣｌ４などの原料ガスを流入させ火炎中で酸化反応を起こしＳｉＯ２微粒子をシリコン基板上にアンダクラッド層とコア層を堆積させる方法である。ＳｉＯ２微粒子層が堆積されたシリコン基板を電気炉中で千数百℃に加熱し、ガラス微粒子を固溶させ透明なガラス層にする高温熱作業を必要とする。コア層をフォトリソグラフィで光導波路となるようにリッジ形状に加工後、再び火炎加水分解堆積法によってオーバークラッド層となるガラス微粒子をこのリッジ構造の光導波路を含むシリコン基板上に堆積させて、再び電気炉中で透明なガラスにする。基本的には、これらのＦＨＤ工程は窯業技術をベースにしていることから、膜の再現性やコアやクラッドの厚みの制御が熟練を要することから、近年、高精度な光導波路の製作には、高度な微細加工が可能なプロセスへの変更が必要であった。しかしながら、これまで成熟した技術として展開されてきたために、なかなか半導体プロセス技術への変更が困難であった。０．１μｍの超ＬＳＩレベルでは、膜生成のプロセスとしてのプラズマＣＶＤやレーザプラズマ溶射法があり平坦化・埋め込み技術に多くの製造プロセスの低温化が進展している中にあっても、光導波路の製作方法は、依然として旧方法であるＦＨＤ法に固定化されてきた。一方、半導体デバイス製造は熱処理の反復であり、熱拡散が主流であった頃は１２００℃の高温処理も用いられてきた。現在では、最高処理温度は９００℃であり、急速に低温化が進んでいる。研究開発は、４００℃程度の温度で光導波路を作製し、安定化のためにアニール温度を含めても８００℃程度で熱処理可能な石英系光導波路が実現できるようになることを目指している。さらに石英系平面光波回路の超小型化を実現するには、光の閉じ込めが強くなり、曲がり導波路の曲率半径を１ｍｍ以下にすることができる。高集積度を実現するためには、屈折率分布差Δを大きくすることと３次元光導波路としての立体化が必須の条件となる。しかしながら現状のシリカをベースとするＦＨＤ法による石英系光導波路は平面回路であり、製造プロセス上、高集積化が可能な３次元光導波路である立体化はできない。
問題点２は、熱光学光スイッチに関する根源的問題である。
これまで実現されている石英系熱光学光スイッチの切替速度は、応答速度は１ｍｓ〜３ｍｓで十分とはいえないが、全光化、高信頼性キーデバイスとして光幹線網の重要なデバイスとして実用化されている。熱光学光スイッチのスイッチング速度に関しては、熱伝導の方程式を解くことにより求められる。二次元の単純モデルとすると、時定数ｔは、およそ
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は材料の熱伝導度、Ｋは定数である。式からもわかるように、光導波路を形成する基板の厚みを薄くすることが時定数（立上り時間や立下り時間）を改善するのに、最も効果があることがわかる。ちなみに、石英系熱光学光スイッチの場合、光導波路の厚みＤを１０μｍとすると、理論上、応答速度は２４μｓとなる。一方、材料に屈折率分布を生じさせる温度勾配を発生させるために必要な熱量Ｈ＝Ｃ・Ｖ・ΔＴである。ここで、Ｖは材料の重さ、ΔＴは上昇温度である。つまり熱光学効果を発生させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くする構造を採用することで、時定数ｔの改善と低消費電力化を達成できる可能性がある。また、薄膜ヒータから水平方向に熱拡散する温度をさまたげる構造に関しては、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面に光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置される貫通部をダイヤフラム構造部に形成することが有効であることがわかっている。この構造は、薄膜ヒータの両サイドが断熱構造を有することになる。従来の石英系光スイッチでは、薄膜ヒータの加熱により、スイッチング動作をしていることから、薄膜ヒータで加熱したとき、熱がコアの下方に位置するシリコン基板を通じて逃げやすく消費電力が大きくなるという問題がある。このため、光導波路の形状をリッジ構造にすることで両サイドに断熱構造を形成し水平方向の熱の逃げを防ぐことで、低消費電力化を実現している。しかしながら光導波路を形成するシリコンを反応性ドライエッチングにより加工して両サイドに断熱構造を設けることは、ヒートシンクの役目をしているシリコンを除去することになる。このため光導波路がある石英ガラス薄膜の熱溜部に熱が滞留し、オンオフ時の高速応答を妨げることになり、得策でない。この光スイッチの構造では、応答速度が遅くなっていることが、実験データからも明らかである。光スイッチの大規模化のためには、さらなる低消費電力化を計る必要がある。ＷＤＭ技術を基礎とした光ネットワークの構築には、光スイッチの大規模化へのさらなる対応とμｓレベルの高速の応答を得ることが緊急の課題となっている。しかしながら問題は、これまで実用化されている熱光学光スイッチの応答速度の理論値と実験値が異なる原因が明らかになっていないことである。
【問題を解決するための手段】
【０００４】１．本発明の石英系光導波路は、古典的な技術として確立されているガス−粒子転換プロセスであるレーザプラズマ溶射法と特開２００１−２４７９７９号の超微粒子材料の粒径が５０ｎｍ〜５μｍの超微粒子製膜法を参考に、超微粒子の粒径が４０ｎｍ以下の理想の球形に近いＳｉＯ２からなる超微粒子をベースに石英系光導波路構造を形成するものである。これまでのレーザプラズマ溶射や特開２００１−２４７９７９号の超微粒子製膜法では、ＳｉＯ２超微粒子は絶縁体で比較的質量も軽いため、光回路の根幹をなす結合部を構成する二つの近接したリッジ型のコア間の埋め込みを実現させることは難しい。これまで、ＦＨＤ法が唯一の方法であるとされてきた。本発明の石英系光導波路は、これらの基本的な問題の解決方法として、減圧チャンバー内において超微粒子を数ｍ／秒から数百ｍ／秒の比較的低速度で加速し、基板に衝突させて堆積するようにした超微粒子の成膜法でクラッド層、コア層、クラッド層を堆積させた堆積層に導波路素子間分離用トレンチ溝を設け、かつこのトレンチ溝にＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）膜を堆積させることで導波路素子間が分離独立した構造を形成する。横方向のコア層からの光の漏れに対し、ＳＯＧ膜をトレンチ溝に堆積させることで、光閉じ込めを実現している。この方法は、従来のＴＥＯＳ  ＣＶＤ法（テトラエトキシラン化学蒸気堆積法）にも適用できる。レーザプラズマ溶射は、超微粒子や基板に高速の高エネルギービームであるレーザービームを照射することにより、超微粒子や基板表面を溶融することなく活性化し、超微粒子相互の結合を促進させ、超微粒子の結晶性を保持したまま緻密で良好な膜と基板との密着性を高めた堆積膜を形成することができる。特に完全な球形に近いＳｉＯ２超微粒子を使用していることと、最密充填構造に近い配置に超微粒子を基板上に堆積できるため、光の主な伝播ロスはレイリー散乱が支配的であり、極めて低損失な光導波路となる。
２．これまでの熱光学光スイッチの応答速度の遅い主たる原因は、薄膜ヒータからの熱エネルギーが空気と光導波路の双方向に熱伝導していることにある。動作中の熱光学位相器の回りに生じる熱い空気の温度境界層に大部分の熱エネルギーが失われ、熱エネルギーのコア内部の導波光への寄与が低下し応答速度が遅くなることと電力消費が増大する。薄膜ヒータの周りの空気の温度境界層に関しては、光導波路上の熱光学位相器が形成されたヒータ部を含む箇所を真空状態に保つことで熱光学位相器の周りの空気が無いことで真空断熱効果により、温度境界層を生じさせないようすることができる。ヒートシンクとの熱接触に関しては、熱処理等の手段でシリコン基板の表面を酸化させると、シリコンの表面は酸化シリコンとなる。光導波路が断熱性のある石英ガラス薄膜であることで、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、熱光学効果を効率的に発生させ、光導波路がある石英ガラス薄膜のヒートシンク部と表面に酸化膜を有するシリコンとは、熱接触を良好にする構造となる。シリコン基板の裏面を放熱効果の高い、たとえば銅薄膜を蒸着やスパッタリングで形成することで、放熱効果の高い熱光学光スイッチを実現することが可能となる。光導波路上の熱光学位相器が形成されたヒータ部を含む箇所を真空状態に保っているが、基板裏面の熱光学位相器が形成された箇所をダイヤフラム構造とすることで、さらなる低消費電力化が望める。なお、真空封止状態でのダイヤフラム部の変形に対しては、裏面の金属材料の厚みの選択で強度的にも耐性を得ることができる。本発明で得られる熱光学光スイッチは、μｓレベルの高速の応答と低消費電力化を実現することは極めて容易である。
【０００５】本発明の石英系光導波路は、超微粒子や基板にガス−粒子転換プロセスである高エネルギービームを照射することにより、超微粒子材料を溶融あるいは分解することなく、超微粒子や基板の表面に付着した水分子等による汚染層や酸化物層を除去したりアモルファス化したりすることで活性化し、超微粒子流が基板に低速度で衝突しても、低温状態で超微粒子と基板もしくは超微粒子相互の強固な接合を実現し、超微粒子の結晶性を保持して緻密で優れた物性と基板への良好な密着性を有する堆積膜を実現できるという大きな特長がある。製造プロセスを繰り返すことにより積層化でき、高集積化が可能な３次元光導波路が比較簡単に実現できる。本発明の熱光学効果を利用した石英系熱光学光スイッチは、熱光学位相器の位相を変化させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くし、真空状態で動作する構造とすることで、時定数の大幅な改善と低消費電力化が達成できる。
【実施例】
【０００６】次に本発明の実施例を参照して、詳細に説明する。次に本発明の実施例を参照して、詳細に説明する。図１は、本発明の埋込構造の石英系光導波路を基本とした石英系熱光学光スイッチの製造プロセスである。図２は、本発明の対象マッハツェンダー型光スイッチの断面と平面を併記して示した構造図である。【０００７】図１は、本発明の埋込構造の石英系光導波路を基本とした石英系熱光学光スイッチの製造プロセスである。プロセスＩは、本発明の基礎となる石英系光導波路の製造プロセスの概略であり、減圧チャンバー内のプラズマ発生部１００からの超微粒子流１０１がシリコン基板１０３向かって堆積するようにプラズマ発生部１００とシリコン基板１０３との間に高電界が印加されている。レーザ１０２は超微粒子流１０１とシリコン基板１０３表面に照射されている。シリコン基板１０３に堆積膜が均一になるようにシリコン基板は、上下左右に移動できる機構になっている。プロセスＩＩは、ＳｉＯ２超微粒子流１０１によりシリコン基板１０３に最初にクラッド層１０４（ｎ＝１．４６）２μｍを形成し、その上にクラッド層１０４より屈折率の高いコア部１０６（ＧｅＯ２を１５モル％混合することで、屈折率ｎ＝１．４８）の膜の厚み８μｍである。屈折率差Δは１．３％である。堆積層の最上層にＳｉＯ２超微粒子流１０１でクラッド層１０６（ｎ＝１．４６）２μｍを形成する。プロセスＩＩＩは、シリコン基板１０３に堆積した膜に導波路素子間分離用トレンチ溝１０７，１０８，１０９をドライエッチングで加工し、光導波路素子１１０，１１１を形成する。プロセスＩＶでは、プロセスＩＩＩの導波路素子間分離用トレンチ溝１０７，１０８，１０９に市販の無機塗布ガラス膜であるＳＯＧ膜をスピンコートまたはＤｉｐ方式で塗布し、４００℃の温度でキュアしクラッド層１１２を形成する。余分なシリコン基板１０３表面に塗布・キュアされたＳＯＧ膜は、ドライエッチングで除去する。導波路素子間分離用トレンチ溝１０７，１０８，１０９には、バイアス高密度プラズマＴＥＯＳ  ＣＶＤでの形成や、クラッド層の屈折率と同じ高分子膜を堆積させることでも、同じようにクラッド層１１２が形成でき、横方向への光の閉じ込めができる。ＳＯＧ膜やバイアス高密度プラズマＣＶＤで形成された堆積膜は、含有水分量が熱酸化膜と比較しても大きく吸湿性が問題となる。堆積膜の吸湿防止する方法として、堆積膜の表面をＮＨ３，Ｎ２などのプラズマに照射する方法で窒化層を形成する方法や堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。プロセスＶは、最上層のクラッド層１１２に対し、薄膜ヒータ電極部と真空となる空間を確保するための凹部１１３をドライエッチング加工で形成している。プロセスＶＩは、スパッター等により形成した熱光学位相器用薄膜ヒータ電極１１４、１１５である。プロセスＶＩＩは、凹部１１３の内部空間１１７を真空状態に保ち気密封止された状態での光スイッチの断面構造である。熱光学位相器用薄膜ヒータ電極１１４、１１５に電流を流すと熱が発生するが、凹部１１３の内部空間１１７が真空に保たれていることから、熱光学位相器用薄膜ヒータ電極１１４、１１５からの熱エネルギー��、熱伝導により生じる屈折率変化により光導波路内のコア部１１０，１１１の導波光の位相をシフトさせる。なお、封止用キャップ１１６が金属薄板であることから、放射による熱エネルギーはキャップ１１６で反射され、光導波路内に効果的に再消費される。なお、プロセスＩＩからプロセスＩＶを繰り返すことで、３次元光導波路を形成できる。このレーザプラズマ溶射は、超微粒子や基板に高速の高エネルギービームであるレーザービームを照射することにより、超微粒子や基板表面を溶融することなく活性化し、超微粒子相互の結合を促進させ、超微粒子の結晶性を保持したまま緻密で良好な膜と基板との密着性を高めた堆積膜が作製できる。【０００８】図２は、本発明の対象マッハツェンダー型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記したデバイスの構造図である。２００はシリコン基板である。厚み０．７ｍｍのシリコン基板２００上の光導波路を形成する面を熱酸化表面処理して、ＳｉＯ２膜２０１を形成する。ＳｉＯ２膜２０１上にクラッド層、コア、クラッド層からなる石英系光導波回路２０２を形成する。２０７，２０８は光スイッチに使用するための光導波路である。２１７、２１８は３ｄＢ方向性結合器である。光導波路２０７，２０８は、各々コア２０３，２０５とクラッド層２０４，２０６で構成されている。薄膜ヒータ２０９，２１０は加熱用ヒータ電極である。この薄膜ヒータ２０９，２１０に電流を流すと、薄膜ヒータ２０９，２１０で消費される電力により発生した熱量による熱光学効果で光導波路内に屈折率分布が誘起される。薄膜ヒータ２０９，２１０で発生した熱は、空間２１６が真空のため、温度境界層が形成されることなく、直接熱伝導効果により石英系光導波回路に形成された光導波路内の光の位相を変化させる。本発明の光スイッチは、真空断熱動作のため冷却ファンを必要としない。２１１，２１２は、薄膜ヒータ２０９に電流を流す端子対である。２１３，２１４は薄膜ヒータ２１０に電流を流す端子対である。２１５は、真空封止用キャップである。基板裏面から薄膜ヒータ２０９，２１０領域面積をダイヤフラム構造とすることで低電力駆動が可能である。
【発明の効果】
【０００９】以上のとおり、本発明で得られる石英系光導波路は、減圧チャンバー内において超微粒子を数ｍ／秒から数百ｍ／秒の比較的低速度で加速し、基板に衝突させて堆積するようにした超微粒子の成膜法でクラッド層、コア層、クラッド層を堆積させた堆積層に導波路素子間分離用トレンチ溝を設け、かつこのトレンチ溝にＳＯＧ膜を堆積させることで導波路素子間が分離独立した構造を形成する。横方向のコア層からの光の漏れに対し、ＳＯＧ膜をトレンチ溝に堆積させることで、光閉じ込めを実現している。レーザプラズマ溶射で超微粒子や基板表面を溶融することなく活性化し、超微粒子相互の結合を促進させ、超微粒子の結晶性を保持したまま緻密で良好な膜と基板との密着性を高めた光導波路用堆積膜を形成することができる。この製造プロセスを繰り返すことで、高集積化が可能な３次元光導波路が実現できる。本発明で使われる石英系光導波路では、完全な球形に近いＳｉＯ２超微粒子を使用していることから、最密充填構造に近い配置に超微粒子を基板上に堆積できるため、光の主な伝播ロスはレイリー散乱が支配的であり、低損失な光導波路となる本発明の熱光学効果を利用した真空中で動作する石英系熱光学光スイッチは、応答速度の飛躍的改善と低消費電力化が達成できる。以上のとおり、本発明の石英系熱光学光スイッチは、波長無依存光スイッチであるが、この他偏波面分離型光スイッチにも適用でき、熱光学光スイッチとして工業的にも完成され、多くの基幹光ネットワークや加入者系光ネットワークの構築に多大な貢献ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の埋込構造の石英系光導波路を基本とした石英系熱光学光スイッチの製造プロセスである。
【図２】図２は、本発明の対象マッハツェンダー型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した構造図である。
【符号の説明】
１００      超微粒子流発生源                １０９      トレンチ溝
１０１      超微粒子流                      １１０      光導波路素子
１０２      レーザ                          １１１      光導波路素子
１０３      シリコン基板                    １１２      クラッド層
１０４      クラッド層                      １１３      凹部
１０５      コア層                          １１４      薄膜ヒータ
１０６      クラッド層                      １１５      薄膜ヒータ
１０７      トレンチ溝                      １１６      キャップ
１０８      トレンチ溝                      １１７      間（真空）
２００      シリコン基板                    ２１０      薄膜ヒータ
２０１      熱酸化ＳｉＯ２膜                ２１１      ヒータ用電極端子
２０２      石英系光導波回路                ２１２      ヒータ用電極端子
２０３      コア                            ２１３      ヒータ用電極端子
２０４      クラッド層                      ２１４      ヒータ用電極端子
２０５      コア                            ２１５      キャップ
２０６      クラッド層                      ２１６      凹部空間（真空）
２０７      石英系光導波路                  ２１７      ３ｄＢ方向性結合器
２０８      石英系光導波路                  ２１８      ３ｄＢ方向性結合器
２０９      薄膜ヒータ
【要約】      （修正有）【課題】熱光学効果を利用した石英系光スイッチの高速化・低消費電力化に関する基本的な諸問題を解決し、光スイッチの大規模化へのさらなる対応とμｓレベルの高速の応答を得る。【解決手段】本発明で使われる石英系光導波路では、完全な球形に近いＳｉＯ２超微粒子を使用していることから、最密充填構造に近い配置に超微粒子を基板上に堆積できるため、光の主な伝播ロスはレイリー散乱が支配的であり、低損失な光導波路となる本発明の熱光学効果を利用した真空中で動作する石英系熱光学光スイッチは、応答速度の飛躍的改善と低消費電力化が達成できる。以上のとおり、本発明の石英系熱光学光スイッチは、波長無依存光スイッチであるが、この他偏波面分離型光スイッチにも適用でき、熱光学光スイッチとして工業的にも完成され、多くの基幹光ネットワークや加入者系光ネットワークの構築に多大な貢献ができる。【選択図】図１【図１】
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【図２】
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