(57)【要約】【課題】ＰＬＣ型スイッチの機械的強度・加工精度の向上を図り、高速なスイッチを提供する。【解決手段】シリコン基板４０１と、コア部４０２をクラッド層４０３によって覆って基板上に配設したガラス光導波路と、クラッド層の表面に設けられがヒータ４０４とを備えた光スイッチにおいて、シリコン基板のうち、ヒータが設けられた光導波路のコア部の直下の部分に、シリコン基板の底面からクラッド層との接合面まで溝が形成され、溝の内部に熱伝導性材料を充填した、ことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配設された、コア部をクラッド層によって覆った光導波路と、
前記クラッド層の表面に設けられ、前記光導波路の一部分の光路長を微調するための加熱体と
を備えた光スイッチであって、
前記基板のうち、前記加熱体により光路長が微調整される前記光導波路の一部分の前記コア部の直下の部分に、前記基板の底面から前記基板と前記クラッド層との接合面まで溝が形成され、
前記溝の内部に熱伝導性材料が充填されている、ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記コア部および前記クラッド層は、それぞれＳｉＯ２を主成分とする石英系ガラスで構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記基板は、Ｓｉを主成分とするシリコン基板である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記基板に形成された前記溝は、前記基板をエッチング層とし且つ前記クラッド層をエッチングストップ層とするエッチング技術を用いて、前記基板をエッチングして形成した溝である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記溝の内部に充填された前記熱伝導性材料が銀、銅、金のいずれかであり、前記溝に蒸着された後にメッキ処理により前記溝に充填されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速光スイッチに関し、より具体的には、機械的強度に優れた高スイッチング速度を有する光導波路型熱光学スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信の大容量化・高速化実現のため、大規模な光スイッチが必要とされており、集積性、量産性、信頼性に優れた石英系平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）からなる光スイッチが有力視されている。石英系ＰＬＣを用いたスイッチには、マッハツェンダ構成やフェーズアレイ構成等があり、スイッチング原理としては熱光学効果を用いるものが一般的で、回路には伝搬光の位相を調整する機能をもつ熱光学位相シフタがそなえられている。
【０００３】
図１に、従来の石英系ＰＬＣスイッチにおける熱光学位相シフタ部の断面図を示す。図１の石英系ＰＬＣスイッチの熱光学位相シフタ部は、シリコンからなる基板１０１と、石英系ガラスからなるコア部１０２と、コア部を埋め込み且つコア部を取り囲む石英系ガラスからなるクラッド層１０３と、コア部１０２の上のクラッド層１０３の表面に形成された位相調整器としての薄膜ヒータ１０４とを備える。
【０００４】
以上のような構成において、薄膜ヒータ１０４に通電し、クラッド層１０３を介してコア部１０２を加熱すると、熱光学効果によりコア部１０２の屈折率が増加し、薄膜ヒータ１０４下の実効的な光路長が変化し、伝搬光の位相を変化させることができる。
【０００５】
熱光学効果を用いる光スイッチのスイッチング速度は、熱光学位相シフタの熱的変化の動力学に依存する。すなわち、ヒータ駆動時、ヒータで発生した熱はヒータから光導波路へ、光導波路から基板へと拡散し、いずれコア部近傍における温度分布が緩和し熱的な平衡状態をとるが、この平衡状態になる速さが速いほどスイッチング速度は速くなる。これは、フェーズアレイ型スイッチやその他構成のスイッチでも、熱光学効果を用いる光スイッチ全般に言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−１５８４１３号公報
【特許文献２】特開２００２−９９００６号公報（例えば、図３）
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M. Kawachi，“Recent progress in silica-based planar lightwave circuits on silicon”，IEE Proceedings，Vol.143, No.5, page257-262, 1996年10月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、近年、光スイッチの高速化が求められているが、熱光学スイッチではスイッチング速度は材料の熱的特性に依存してしまい、石英系ＰＬＣは基板材料がシリコンで作製されているものがほとんどであるので、材料による制約からスイッチング速度の高速化は困難であるという問題があった。
【０００９】
そこで、石英系ＰＬＣスイッチの高速化を図るため、熱光学位相シフタ下に溝を形成し、形成した溝に熱伝導性材料を充填して（スペーサーを設けて）、被加熱領域下における熱拡散を増加させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
図２は、既報告の高速なＰＬＣ光スイッチにおける熱光学位相シフタ部の断面図である（例えば、特許文献２参照）。熱光学位相シフタ部は、シリコンからなる基板２０３と、石英系ガラスからなるコア部２０１と、コア部を埋め込み且つコア部を取り囲む石英系ガラスからなるクラッド層２０４と、コア部２０１の上のクラッド層２０４の表面に形成された位相調整器としての薄膜ヒータ２０６とを備える。スイッチの熱光学位相シフタ部においては、コア２０１直下だけではなく、その周囲にわたり基板を除去して形成された溝があり、溝には熱伝導材料２０２が充填されている。コアの直下およびその周囲にわたり広範にわたり基板を除去して溝を形成しているため、位相シフタ部の機械的強度が弱く、破損する可能性が高い。
【００１１】
また、熱伝導材料充填部の溝を加工する際、基板２０３とクラッド層２０４は同一材料で構成されているため、機械加工や化学エッチング等、いずれの加工方法においてもストップ層がなく深さの制御が困難で、コアと熱伝導材料を充填した溝との間の距離２０５がばらついてしまうという問題があった。スイッチング速度の高速化には、コア直下の領域にあるクラッド層の厚さ２０５を極力薄くすることが望まれるが、前述した理由により溝深さの制御は容易ではなく、溝を掘りすぎるとコア２０１に閉じ込められていた光が溝部まで漏れ出し、損失が増加するという問題があり、また一方、溝の深さが足りないとスイッチング速度が劣化し、所望の速度が得られないという問題があった。このように、溝の深さを厳密に制御することは、良好なスイッチング特性を得る上で必須となる。
【００１２】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＰＬＣ型スイッチの機械的強度・加工精度の向上を図り、高速な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】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光スイッチである。この光スイッチは、基板と、該基板上に配設されたコア部をクラッド層によって覆った光導波路と、該クラッド層の表面に設けられ、該光導波路の一部分の光路長を微調するための加熱体とを備える。基板のうち、加熱体により光路長が微調整される光導波路の一部であるのコア部の直下の部分には、該基板の底面から該基板とクラッド層との接合面まで溝が形成されている。基板に形成された溝の内部に熱伝導性材料が充填されている。
【００１４】
一実施形態では、基板は、Ｓｉを主成分とするシリコン基板とすることができ、コア部およびクラッド層は、それぞれＳｉＯ２を主成分とする石英系ガラスで構成することができる。基板に形成された溝は、シリコン基板をエッチング層とし且つクラッド層をエッチングストップ層とするエッチング技術を用いて形成することができる。
【００１５】
一実施形態では、熱伝導性材料は、銀、銅、金のいずれかとすることができる。基板に形成された溝に、蒸着した後に、メッキ処理により溝に充填することできる。また、熱体は、ヒータとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したとおり、本発明の光スイッチは従来の石英系ＰＬＣが有する機械的強度を
保ちつつ、スイッチング速度の高速化が可能となり、また所望のスイッチング速度を有す
るスイッチを精度よく作製できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、従来の石英系ＰＬＣ光スイッチにおける熱光学位相シフタの断面図である。
【図２】図２は、既報告の高速なＰＬＣ光スイッチにおける熱光学位相シフタを示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るマッハツェンダ型熱光学光スイッチを示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態の光スイッチにおける熱光学位相シフタ部の断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態の光スイッチの作製方法を示す図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係るフェーズアレイ型熱光学光スイッチを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の種々の実施形態の説明においては、具体的な数値例を用いるが、本願発明は、このような具体的な数値例に限定されるものではなく、一般性を失うことは他の数値においても実施することもできることは言うまでもない。
【００１９】
図３に本発明の光スイッチの実施の形態の一例として、石英系ＰＬＣからなる１×２のマッハツェンダ型熱光学光スイッチを示す。また、図４に熱光学位相シフタ部の断面図を示す。
【００２０】
まず、本実施形態の光スイッチの回路構成を説明する。この光スイッチは、入射光を導波する入力導波路３０１と、導波光を２本の導波路へ分配する第一の方向性結合器３０２と、該２本の導波路の各々について、光導波路上部に装荷されたヒータ、導波路下部の基板に形成された溝、該溝に充填された熱伝導材料および該２本の導波路を有する熱光学位相シフタ３０３と、該熱光学位相シフタを構成している２本の導波路をそれぞれ導波してきた光を合波・干渉させる第２の方向性結合器３０４と、出力導波路３０５からなる。
【００２１】
次に、図４を参照して、本実施形態の光スイッチの熱光学位相シフタ部３０３の導波路構造を説明する。図４に示すように、本実施形態の光スイッチの熱光学位相シフタ部３０３は、シリコン基板４０１、石英系ガラスからなるコア部４０２と、コア部４０２を埋め込み、コア部４０２を取り囲む石英系ガラスからなるクラッド層４０３と、コア部４０２の上のクラッド層４０３の表面に形成された位相調整器としての薄膜ヒータ４０４とを備える。また、図４に示すように、上部に薄膜ヒータを装荷したコア直下のＳｉ基板には、溝が形成された金属４０５が充填されている。溝は、基板底面（コアを覆うクラッド層が積層された面の反対の面）から基板とクラッド層４０３との接合面まで形成されている。すなわち、上部に薄膜ヒータを装荷したコアの直下の基板がエッチングされ、当該部分においてコアを取り囲むクラッド層４０３が金属４０５と接合している。
【００２２】
ここで、本実施形態の光スイッチの作製方法を説明する。図５に代表的な本実施形態の光スイッチの作製方法を示す。まず、火炎堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition）によりＳｉＯ２ならびにＧｅＯ２ガラスの微粒子を形成してシリコン基板４０１の上に順次堆積する（図５（ａ））。図５（ａ）において、シリコン（Ｓｉ）基板４０１の上には下部クラッドガラス微粒子（ＳｉＯ２）が堆積され、その上にコアガラス粒子（ＳｉＯ２−ＧｅＯ２）が堆積されている。この時、所望のスイッチング速度になるよう設計された厚さの下部クラッド層を作製しておく（図５（ａ））。より高速なスイッチを得るには、下部クラッドの厚さを極力薄くするのが望ましい。
【００２３】
次に、ＳｉＯ２ならびにＧｅＯ２ガラスの微粒子を堆積した基板を１０００度以上に加熱して透明化処理を行い、透明なガラスとしてコア層および下部クラッド層を形成する（図５（ｂ））。
【００２４】
その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）によりコア層を加工し、導波路コア部分を作成する（図５（ｃ））。
【００２５】
次いで、再び火炎堆積法によりオーバークラッドガラス微粒子（ＳｉＯ２）を堆積し（図５（ｄ））、透明化処理を行い透明なガラスとして上部クラッド層を形成する（図５（ｅ））。これにより導波路コアをクラッドにより取り囲んだ光導波路が形成される（例えば、非特許文献１）。
【００２６】
上部クラッド層のうち、熱光学位相シフタ部を構成する光導波路の上方に位置する部分の表面に、ヒータ４０４を装荷する（図５（ｆ））。
【００２７】
その後、フォトリソグラフィとエッチング技術により、ヒータ４０４を装荷した光導波路直下のシリコン基板４０１を下部クラッド層との境界面まで除去する（図５（ｇ））。この時、石英からなるクラッド層（下部クラッド層、すなわちＳｉＯ２層）がエッチングストップ層となるシリコンエッチング技術を用いる。例えば、ボッシュプロセスがそれにあたる。ボッシュプロセスとは、等方性エッチングと保護膜の堆積の二つのステップを交互に繰り返すことで、シリコン（Ｓｉ）の深掘りを高速かつ高アスペクト比で実現するエッチング技術であり、シリコンのエッチングでは石英はエッチングされずエッチングストップ層となるので、先に作製した石英（ＳｉＯ２）からなる下部クラッド層の厚さを保持しながら、シリコン基板４０１の導波路の直下の部分に所望の狭い幅の溝を形成することができる。
【００２８】
最後に、除去したシリコン基板領域（溝）に熱伝導材料となる金属を充填する（図５（ｈ））。例えば、蒸着により基板の溝にＡｕを蒸着し、その後メッキ処理により溝にＡｕを充填することができる。蒸着・充填する熱伝導材料をＡｇまたはＣｕに替えても良い。
【００２９】
以上から、スイッチング速度を左右する下部クラッド層の厚さは光導波路形成過程で調整でき、基板の溝形成過程に依存せず所望の厚さの下部クラッドを形成することが可能となるので、所望のスイッチング速度を有する高速なスイッチを精度よく作製することができる。
【００３０】
また、本発明は、図６に示すようなフェーズアレイ型光スイッチとしても実施できる。図６に示すスイッチは、入力導波路６０１と、第１のスラブ導波路６０２と、第２のスラブ導波路６０４と、出力導波路６０５と、第１のスラブ導波路６０２の出力と第２のスラブ導波路６０４の入力とを接続するアレイ導波路に設けられた熱光学位相シフタ６０３とを備える。
【００３１】
図６のスイッチの熱光学位相シフタ部６０３の断面構造は、コアを含む導波路の数、クラッド層の表面に形成された位相調整器としての薄膜ヒータの数、およびシリコン基板に形成され金属が充填された溝の数を除き、図４に示す光スイッチの熱光学位相シフタ部３０３の構造と同様である。しがって、重複する説明は省略する。
【００３２】
以上説明したとおり、本発明の光スイッチは従来の石英系ＰＬＣが有する機械的強度を保ちつつ、スイッチング速度の高速化が可能となり、また所望のスイッチング速度を有するスイッチを精度よく作製できる。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  基板
１０２  コア
１０３  クラッド
１０４  ヒータ
２０１  コア
２０２  溝に充填された熱伝導材料
２０３  基板
２０４  クラッド
２０５  コア直下のクラッド
２０６  ヒータ
３０１  入力導波路
３０２  第１の方向性結合器
３０３  熱光学位相シフタ
３０４  第２の方向性結合器
３０５  出力導波路
４０１  基板
４０２  コア
４０３  クラッド
４０４  ヒータ
４０５  溝に充填された熱伝導材料
６０１  入力導波路
６０２  第１のスラブ導波路
６０３  熱光学位相シフタ
６０４  第２のスラブ導波路
６０５  出力導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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