(57)【要約】      （修正有）【課題】光通信・光情報処理等の分野の光波回路の熱光学効果を利用した光スイッチの特に、超高速で動作させる熱音響光スイッチに関する。【解決手段】シリコン基板１０１上に、マッハツェンダー型干渉計のアーム導波路１０４上には、熱光学効果を誘起する熱光学移相器が装荷されている。音響媒質である石英系光導波路１０２内に超音波を放射させる圧電薄膜であるＺｎＯ膜１０５をアーム導波路１０４上に形成する。ＺｎＯ膜は、石英系光導波路１０２表面にＣｒ４００Å＋金電極２０００Åを形成した上に作製した。ＺｎＯ膜１０５は、ＥＣＲスパッタ法で作製した。石英系光導波路内を縦波（伝播速度５９６８ｍ／ｓ）の超音波が伝播する際に生じる熱音響現象により、超音速の熱移動に伴うアーム導波路１０４のコア内に生じる屈折率変化で、スイッチング速度は９ｎｓが観測された。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路が配置された熱音響現象を利用する干渉計型または分岐型の光スイッチにおいて、コアの所定領域の真上に位置するように配置された薄膜ヒータにより光導波路のグラッド内に温度勾配が形成され、前記温度勾配に沿って音響振動が重畳されるように超音波トランスジューサがグラッド上に設置されたことを特徴とする熱音響光スイッチ。
【請求項２】
基板上に形成された光導波路のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを加工し薄い膜（ダイヤフラム）としたことを特徴とする請求項１記載の熱音響光スイッチ。
【請求項３】
圧電薄膜が（水晶、ＺｎＯ、ＣｄＳ，ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＮｂＯ３、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＣＮ−ＶＡｃ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ），ＰＺＴ−４、ＰｂＮｂ２Ｏ６、ＰｂＴｉＯ３）の中の一つからなることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載の熱音響光スイッチ。
【請求項４】
超音波トランスジューサの対向する裏面には超音波吸収層が設けられたことを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載の熱音響光スイッチ。
【請求項５】
基板材料がシリコンであり、光導波路材料がガラス材料もしくは、有機材料であることを特徴とする請求項１記載又は請求項２記載の熱音響光スイッチ。
【請求項６】
基板がシリコン（１００）であることを特徴とする請求項２記載の熱音響光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信・光情報処理等の分野の光波回路の熱光学効果と熱音響現象を利用した光スイッチの特に、超高速で動作する熱音響光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱光学現象は、非特許文献１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やガラス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・安定性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、信頼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波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。熱光学光スイッチは、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。特許文献１の石英系熱光学光スイッチは、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。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。特許文献２では、レーザプラズマ溶射で３次元光導波路を実現し、μｓレベルの高速応答を実現している。
【０００３】
非特許文献２は、１９８３年にＥ.Ｊ.Ｗａｔｓｏｎが管内振動流により実効の熱拡散率が数１０倍から数１００倍に増す異常拡散を報告している。熱音響現象は、流体中の音響振動で熱を輸送される現象であるが、音響媒質が固体であっても動作原理的には流体と同じに取り扱えることはよく知られている。
【０００４】
非特許文献３のレーザー誘起熱音響波は、物体表面に照射されたレーザー光が電子を励起し、その電子が低準位に遷移する際に格子振動を励起する物体の温度が上昇し、熱弾性効果により熱膨張によるひずみが発生する。特にパルスレーザーを用いると、急激な熱膨張が起こり、このひずみが弾性波として、物体内部を伝播する。縦波の指向性は、面内で横方向に拡がる成分が大きいため、通常の圧電振動子の場合と異なり斜め方向に最大の振幅をもつ。レーザー誘起熱音響波を光スイッチに適用するには、装置自体が複雑になりデバイス化は困難である。
【０００５】
【特許文献１】特許２９５９２９３号公報（第７頁、第１図）
【特許文献２】特許３６２７０５２号公報（第７頁、第２図）
【非特許文献１】渡辺隆弥“新しい電気光学光偏向器”, 第3回強誘電体応用会議２０‐O‐６： 昭和５６年５月２５日
【非特許文献２】E.J.Watson”Diffusion  in  oscillatory  pipe  flow”,J.Fluid.Mech.(1983),vol.133,pp.233-244
【非特許文献３】山中一司“レーザー超音波法の原理と応用”、非破壊検査、第４９巻、第５号、２９２−２９９、２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、熱光学光スイッチに関する根源的問題の解決である。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。全光化、高信頼性キーデバイスとして、現在、光幹線網の重要なデバイスとして実用化されている。Ｄｅｎｓｅ  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ｎｓレベルの高速の応答を得ることは緊急の課題となっている。光スイッチの断面構造では、クラッドの裏面に熱溜となるシリコンがあるため石英系ガラス光導波路の上に形成された加熱されたヒータ電極からの熱流は主として一次元的に熱溜（シリコン）に向かって流れる。超音波で動作する熱光学光スイッチのスイッチング速度は、熱伝導の方程式を解くことにより求められる。超音波の速度をｕとすると、熱伝導方程式は数１のようになる。ここで、ｋ：熱拡散率、ρ：物質の密度、ｃ：比熱である。温度分布Ｔ（Ｘ，ｔ）は簡単に求まり、応答時間は数２となる。図３は、熱光学現象により発生した温度勾配に超音波印加前後のクラッドの深さ方向にクラッド内を伝播する温度分布Ｔ（Ｘ，０）での温度曲線３００とＴ（Ｘ，８．３ｎｓ）での温度曲線３０１を示す。ここでクラッド層の厚み５０μｍ、熱溜のシリコンの厚みは５μｍである。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
【数２】
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【課題を解決するための手段】
【０００９】
熱光学効果を利用した光スイッチをｎｓレベルの高速の応答を得る課題の解決法は、以下の通りである。
１．シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路が形成された光導波路のクラッド内に加熱ヒータ電極により温度勾配が形成され、前記温度勾配に沿って音響振動が重畳されるように超音波トランスジューサはコアの所定領域の真上のクラッドに配置された熱音響光スイッチである。
２．シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路が形成された光導波路内に温度勾配が形成された光導波路内のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを加工し薄い膜（ダイヤフラム）とし、温度勾配に沿って音響振動が重畳されるように薄膜ヒータと超音波トランスジューサがコアの所定領域の真上に配置し、かつ対向する裏面には超音波吸収層を形成した熱音響光スイッチである。
３．シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路が形成された光導波路内に温度勾配が形成された光導波路内のコアの所定領域の真上に薄膜ヒータを設け、薄膜ヒータと対向するように基板の裏面に（水晶、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＫＮｂＯ３、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＰＺＴ−４、ＰｂＮｂ２Ｏ６、ＰｂＴｉＯ３）のどれか一つでヘテロエピタキシャルに成長させ圧電薄膜を形成するか、又は高分子圧電薄膜であるＰＶＤＦ又はＰ（ＶＤＣＮ−ＶＡｃ）又はＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を基板裏面に塗布して圧電薄膜を形成、もしくは圧電薄膜を基板に張付けて超音波トランスジューサとした熱音響光スイッチである。
４．シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路が形成された光導波路のクラッド内に加熱ヒータ電極により温度勾配が形成され、かつ温度勾配に沿って音響振動が重畳されるように超音波トランスジューサを設置され、かつ対向する裏面には超音波吸収層を形成した熱音響光スイッチである。
５．基板材料がシリコンであり、光導波路材料がガラス材料もしくは、有機材料である熱音響光スイッチである。
６． シリコン（１００）基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路が形成された光導波路内に温度勾配が形成された光導波路内のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを加工し薄い膜（ダイヤフラム）とした熱音響光スイッチである。
【００１０】
本発明は、ＤｅｎｓｅＷＤＭシステムを支える光交換のキーデバイスである光路変換スイッチを提供することである。本発明は、熱光学効果と熱音響現象を利用したＭＺ（マッハツェンダー）干渉型の導波路スイッチであり、大規模化の可能な光路変換スイッチで低損失で安定性に優れた、ｎｓレベルの高速動作を可能とする熱音響光スイッチである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のとおり、本発明の熱音響光スイッチは、光通信・光情報処理等の分野の平面光波回路の熱光学効果に熱音響現象を利用した光スイッチでありｎｓレベルの高速動作を保証する熱音響光スイッチである。本願発明の熱音響光スイッチは、熱光学効果に超音波振動による熱音響現象を重ね合わせた相乗効果で光スイッチの超高速動作を達成させるもので、当業者が容易になしうるものではない。その工業的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の音響光スイッチは、シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる光導波路において、コアの所定領域の真上に位置するように配置された薄膜ヒータにより光導波路のグラッド内に温度勾配が形成された温度勾配に沿って音響振動が重畳されるように超音波トランスジューサが設置され、または基板の厚みを加工し薄い膜（ダイヤフラム）として熱音響現象を利用できる構造としている。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の熱音響光スイッチの断面図と平面図である。クラッド１０２を構成する石英系光導波路は、シリコン基板１０１上にＦＤＨ法（火炎加水分解法）又はＭＯＣＶＤ法により石英を堆積させ、反応性イオンエッチングで導波路を加工して作製されたマッハツェンダー型干渉計は、２つのアーム導波路１０３，１０４と３ｄＢ方向性結合器からなる。アーム導波路１０４上には、熱光学効果を誘起する熱光学移相器が装荷されている。熱光学移相器のヒータ電極端子１１０、１１１に電圧を印加し、熱光学移相器に電流を流して温度を上げることで、アーム導波路１０４の屈折率を高くして干渉状態を変化させ、光導波路内の光波の切り替を行っている。熱光学光スイッチのスイッチチング速度は、厚み５０μｍの石英系光導波路１０２内の熱伝導で形成される温度勾配による屈折率変化で決まる。本発明は、熱光学効果により光導波路のクラッド内に発生した温度勾配に超音波を重畳させることで超高速のスイッチチング速度を実現している。圧電薄膜であるＺｎＯ膜１０５は、音響媒質である石英系光導波路内のクラッド１０２に縦波（伝播速度５９６８ｍ／ｓ）の超音波を放射させるヒータ電極が設けられた所定のアーム導波路１０４上に形成する。ＺｎＯ膜は、石英系光導波路１０２の表面にＣｒ４００Å＋金電極２０００Åを形成した上に作製した。ＺｎＯ膜１０５は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｒｙｓｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）スパッタ法で作製した。作製条件は、シリコン基板１０１を温度１８０℃に加熱した状態で、真空度１０−４Ｔｏｒｒで膜厚４．７ミクロンのｃ軸配向ＺｎＯ膜を得た。超音波励振用の表面電極１０７、内部電極１０８は、ＺｎＯ膜１０５に作製して超音波トランスジューサを構成した。１１２は、シリコン基板１０１の裏面に形成された超音波トランスジューサから放射された縦波を効率よく吸収する超音波吸収層である。超音波吸収層１１２は、シリコン基板１０１の裏面が縦波超音波を反射させて定在波を利用する本願発明の熱音響光スイッチの場合は必要としない。超音波励振用の表面電極１０７、内部電極１０８の電極寸法は幅７２μｍ、長さ５ｍｍである。超音波励振用の表面電極１０７、内部電極１０８に電気的に接続された１０６、１０９は、これらの引出電極である。この超音波トランスジューサは、この超音波トランスジューサは、中心周波数が５００ＭＨｚで変換損失は５．４ｄＢ、帯域幅は２３％であった。石英系光導波路内を超音波が伝播する際に生じる熱音響現象により、超音速の熱移動に伴うアーム導波路１０４のコア内に生じる屈折率変化で、スイッチング速度は９ｎｓが観測された。
【実施例２】
【００１４】
図２は、本発明の他の実施例である熱音響光スイッチの断面図と平面図である。シリコン基板の裏面からエッチングにより部分的に薄くしてダイヤフラムを形成し、その上にＺｎＯ圧電薄膜を作製したものである。シリコン基板２０１をエッチング加工して凹部２１０を形成し、ダイヤフラム構造に石英系光導波路２０２が作製されてなる。マッハツェンダー型干渉計は、２つのアーム導波路２０３，２０４と３ｄＢ方向性結合器から構成される。アーム導波路２０４上には、熱光学効果を誘起する熱光学移相器が装荷されている。熱光学移相器に直流電圧をヒータ電極端子２１１、２１２に印加し、熱光学移相器に電流を流して温度を上げることで、アーム導波路２０４の屈折率を高くし、干渉状態を変化させ光導波路内の光波の切り替を行っている。スイッチチング速度は、厚み５０μｍの石英系光導波路２０２内の熱伝導で形成される温度勾配による屈折率変化で決まる。音響媒質である石英系光導波路２０２内に超音波を放射させる圧電薄膜であるＺｎＯ膜２０５をアーム導波路２０４上に形成する。本願発明の熱音響光スイッチの構造は、クラッドの裏面には熱溜となるＳｉがあり、加熱ヒータ電極からの熱流は縦波超音波によりクラッド内を熱溜（シリコン）に向かって超高速で伝わる。本願発明の具体的な加工方法としては、凹部２１０の形成にシリコンウエハ（１００）２０１の裏面に所定の厚さの高濃度のボロンドープ層を形成させ、ウエハ両面に熱酸化やスパッタなどによりＳｉＯ２膜を形成させる。次にエッチングにより裏面のＳｉＯ２膜に[１１０]方向に平行な辺をもつ方形の窓をあけ、このＳｉＯ２膜をマスクとしてＥＤＰ液（４６モル％エチレンジアミン＋４モル％ピロカテコール＋５０モル％水）中で窒素ガスをバブルさせながら、１１８℃でＳｉのエッチングを行う。エッチング進行とともに（１００）面と５４．７４°の角度をなす[１１１]面が表れる。形成されたＳｉダイヤフラム上の石英系光導波路２０２に下部電極、圧電体としてｃ軸配向の単結晶のＺｎＯ膜としたＺｎＯ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造の熱音響光スイッチが完成させている。ＺｎＯ膜は、石英系光導波路２０２表面にＣｒ４００Å＋金電極２０００Åを形成した上に作製した。ＺｎＯ膜２０５は、ＥＣＲスパッタ法で作製した。作製条件は、シリコン基板２０１を温度１８０℃に加熱した状態で、真空度１０−４Ｔｏｒｒで膜厚４．７ミクロンのｃ軸配向ＺｎＯ膜を得た。超音波励振用の表面電極２０７、内部電極２０８は、ＺｎＯ膜２０５に作製して超音波トランスジューサを構成した。超音波励振用の表面電極２０７、内部電極２０８の電極寸法は幅７２μｍ、長さ５ｍｍである。超音波励振用の表面電極２０７、内部電極２０８に電気的に接続された２０６、２０９は、これらの引出電極である。この超音波トランスジューサは、中心周波数が５００ＭＨｚで変換損失は５．２ｄＢ、帯域幅は２５％であった。２１３は、シリコン基板２０１の裏面の凹部に形成された超音波トランスジューサから放射された縦波を効率よく吸収する超音波吸収層である。超音波吸収層２１３は、シリコン基板２０１の裏面が縦波超音波を反射させて定在波を利用する本願発明の熱音響光スイッチの場合は必要としない。石英系光導波路内を超��波が伝播する際に生じる熱音響現象により、超音速の熱移動に伴うアーム導波路２０４のコア内に生じる屈折率変化で、８．５ｎｓのスイッチング速度が観測された。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例である熱音響光スイッチの断面図と平面図である。
【図２】本発明の他の実施例である熱音響光スイッチの断面図と平面図である。
【図３】本発明の熱音響現象を説明する温度分布の移動の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１０１            シリコン基板
１０２            クラッド
１０３            アーム導波路
１０４            アーム導波路
１０５            ＺｎＯ膜
１０６            引出電極
１０７            超音波励振用の表面電極
１０８            超音波励振の内部電極
１０９            引出電極
１１０            ヒータ電極
１１１            ヒータ電極
１１２            超音波吸収層
２０１            シリコン基板
２０２            クラッド
２０３            アーム導波路
２０４            アーム導波路
２０５            ＺｎＯ膜
２０６            引出電極
２０７            超音波励振用の表面電極
２０８            超音波励振用の内部電極
２０９            ヒータ電極
２１０            引出電極
２１１            凹部
２１２            ヒータ電極
２１３            ヒータ電極
２１３            超音波吸収層
３００            超音波印加前のクラッド内の温度分布
３０１            超音波印加後のクラッド内の温度分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年12月29日(2006.12.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
図１は、本発明の熱音響光スイッチの断面図と平面図である。クラッド１０２を構成する石英系光導波路は、シリコン基板１０１上にＦＤＨ法（火炎加水分解法）又はＭＯＣＶＤ法により石英を堆積させ、反応性イオンエッチングで導波路を加工して作製されたマッハツェンダー型干渉計は、２つのアーム導波路１０３，１０４と３ｄＢ方向性結合器からなる。アーム導波路１０４上には、熱光学効果を誘起する熱光学移相器が装荷されている。熱光学移相器のヒータ電極端子１１０、１１１に電圧を印加し、熱光学移相器に電流を流して温度を上げることで、アーム導波路１０４の屈折率を高くして干渉状態を変化させ、光導波路内の光波の切り替を行っている。熱光学光スイッチのスイッチチング速度は、厚み５０μｍの石英系光導波路１０２内の熱伝導で形成される温度勾配による屈折率変化で決まる。本発明は、熱光学効果により光導波路のクラッド内に発生した温度勾配に超音波を重畳させることで超高速のスイッチチング速度を実現している。圧電薄膜であるＺｎＯ膜１０５は、音響媒質である石英系光導波路内のクラッド１０２に縦波（伝播速度５９６８ｍ／ｓ）の超音波を放射させるため、ヒータ電極が設けられた所定のアーム導波路１０４上に形成する。ＺｎＯ膜は、石英系光導波路１０２の表面にＣｒ４００Å＋金電極２０００Åを形成した上に作製した。ＺｎＯ膜１０５は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｒｙｓｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）スパッタ法で作製した。作製条件は、シリコン基板１０１を温度１８０℃に加熱した状態で、真空度１０−４Ｔｏｒｒで膜厚４．７ミクロンのｃ軸配向ＺｎＯ膜を得た。超音波励振用の表面電極１０７、内部電極１０８は、ＺｎＯ膜１０５に作製して超音波トランスジューサを構成した。１１２は、シリコン基板１０１の裏面に形成された超音波トランスジューサから放射された縦波を効率よく吸収する超音波吸収層である。超音波吸収層１１２は、シリコン基板１０１の裏面が縦波超音波を反射させて定在波を利用する本願発明の熱音響光スイッチの場合は必要としない。超音波励振用の表面電極１０７、内部電極１０８の電極寸法は幅７２μｍ、長さ５ｍｍである。超音波励振用の表面電極１０７、内部電極１０８に電気的に接続された１０６、１０９は、これらの引出電極である。この超音波トランスジューサは、この超音波トランスジューサは、中心周波数が５００ＭＨｚで変換損失は５．４ｄＢ、帯域幅は２３％であった。石英系光導波路内を超音波が伝播する際に生じる熱音響現象により、超音速の熱移動に伴うアーム導波路１０４のコア内に生じる屈折率変化で、スイッチング速度は９ｎｓが観測された。