(57)【要約】【課題】均質な特性の熱光学位相シフタ群及びその熱光学位相シフタ群用いた熱光学スイッチを提供する。【解決手段】Ｓｉ基板１上に形成された光導波路２と、光導波路２の近傍に配置された薄膜ヒータ３と、薄膜ヒータ３に電力を供給する配線４及びグランド線５とを有する熱光学位相シフタを複数有し、複数の配線４の抵抗を互いに等しくなるように配線幅を設定した熱光学位相シフタ群及びその熱光学位相シフタ群を用いた熱光学スイッチ。【選択図】　図１
2004117448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に配置された加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する配線とを有する熱光学位相シフタを複数有する熱光学位相シフタ群において、
複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
【請求項２】
請求項１記載の熱光学位相シフタ群において、
長さの異なる複数の前記配線の幅を互いに異なるものとして、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
【請求項３】
請求項２記載の熱光学位相シフタ群において、
互いに異なる幅とした複数の前記配線における各々の配線の幅を一様としたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
【請求項４】
請求項１記載の熱光学位相シフタ群において、
長さの異なる複数の前記配線の幅を局所的に狭めて、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
【請求項５】
請求項４記載の熱光学位相シフタ群において、
前記加熱手段に温度の影響を与えないように、前記配線の幅を局所的に狭めたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
【請求項６】
基板上に形成された２本の光導波路が構成する２つの方向性結合器と、前記方向性結合器に挟まれた熱光学位相シフタとを有する熱光学スイッチエレメントを複数有する熱光学スイッチにおいて、
複数の前記熱光学位相シフタとして、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱光学位相シフタ群を用いたことを特徴とする熱光学スイッチ。
【請求項７】
請求項６の記載の熱光学スイッチにおいて、
前記熱光学スイッチエレメントが、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成され、前記加熱手段がクロム又は窒化タンタルで構成され、前記配線が主に金で構成されたことを特徴とする熱光学スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面光導波路で構成された導波路型光回路の熱光学位相シフタ群及びその熱光学位相シフタ群を用いた熱光学スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ネットワークの大容量化に伴い、様々な機能の光デバイスが開発されてきており、光信号のスイッチングを行なう石英系ガラス光導波路を用いた熱光学スイッチも、その１つである。図３、図４を用いて、熱光学スイッチの原理を簡単に説明する（詳しくは非特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、２×２の熱光学スイッチエレメントの構成を示す平面図である。
図４は、２×２の熱光学スイッチエレメントの断面構造を示すものであり、図３のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【０００４】
図３、図４に示すように、２×２熱光学スイッチエレメント６は、深さ方向の構成として、Ｓｉ基板１等の平面基板上に、石英系ガラスのクラッド１１ａを形成し、クラッド１１ａ中に光導波路となる石英系ガラスのコア１１ｂを形成したものである。２×２熱光学スイッチエレメント６の平面上の構成としては、コア１１ｂからなる２本の光導波路の一部が互いに近接することで、２つの３ｄＢ方向性結合器９ａ、９ｂを構成しており、他の光導波路の部分は、光信号の入力側となる２本の入力導波路２ａと、３ｄＢ方向性結合器９ａ、９ｂに挟まれた長さがほぼ等しい２本のアーム導波路２ｂと、光信号の出力側となる２本の出力導波路２ｃとを構成している。つまり、入力導波路２ａとアーム導波路２ｂとの間及びアーム導波路２ｂと出力導波路２ｃとの間は、それぞれ３ｄＢ方向性結合器９ａ、９ｂにより接続されている構成である。一方のアーム導波路２ｂの表面には薄膜ヒータ３が形成されており、更に、薄膜ヒータ３に給電する配線２４が形成されている。
【０００５】
なお、薄膜ヒータ３を有するアーム導波路２ｂの部分は、配線２４により薄膜ヒータ３を動作させることで、単体で熱光学位相シフタとしても機能する。
【０００６】
２×２熱光学スイッチエレメント６において、一方の入力導波路２ａから入射された光は、第１の３ｄＢ方向性結合器９ａで２本のアーム導波路２ｂに５０％ずつ分配される。２本のアーム導波路２ｂは薄膜ヒータ３に給電しない状態で光路長差が０になるように設計されているため、２つの光ビームは第２の３ｄＢ方向性結合器９ｂで再度５０％の結合を起こし、合計で１００％の結合を生じる。その結果として、光はクロスポート１０ｂから出射される。
【０００７】
次に、薄膜ヒータ３に電流を流し、一方のアーム導波路２ｂの表面を加熱すると、図４に示すような温度分布１２が、一方のアーム導波路２ｂに発生する。この温度分布により２本のアーム導波路２ｂ間に１／２波長の光路長差が発生する。その結果、２つの光ビームにπの位相差が生じ、スルーポート１０ａから光が出力される。この薄膜ヒータ３への給電のオン／オフで光出力ポートの切り替えが実現される。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｔ．　Ｇｏｈ，　Ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ　ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ　ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ，　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＡＰＯＣ　２００１，　ＳＰＩＥ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ，　Ｃｈｉｎａ，　１２−１５　Ｎｏｖ．　２００１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、８×８熱光学スイッチの論理的な回路構成図である。
【００１０】
図５に示すように、前述した２×２熱光学スイッチエレメント６を基本要素として、８本の入力導波路２ａと８本の出力導波路２ｂとの交点に、それぞれ２×２熱光学スイッチエレメント６を６４個配置することで、８×８熱光学スイッチを構成する。この規模を拡大することにより任意のＮ×Ｎ熱光学スイッチが実現されている。
【００１１】
図６は、１６×１６熱光学スイッチの導波路レイアウトを示す平面図である。
図７は、１６×１６熱光学スイッチの薄膜ヒータと配線の配置を示す外観図である。
【００１２】
図６中の＃１〜＃１６は複数（１６個）の熱光学スイッチからなるスイッチ群を表しており、これらのスイッチ群＃１〜＃１６が、１つの基板上に光導波路２で互いに接続されて１６個配置されることで、１６×１６熱光学スイッチ４２が構成される。１６×１６熱光学スイッチ４２には合計２５６個もの２×２熱光学スイッチエレメントが集積されており、２本のアーム導波路にそれぞれ薄膜ヒータを配置した場合５００本以上の配線が必要となる。このため、基板全体の大きさを１００×１００ｍｍとした場合、配線長は、短いもので２０ｍｍ、長い配線は１００ｍｍと長さの差が大きくなる。通常、配線幅は等しく形成されているため、その結果として、配線長が短い配線は配線抵抗が低く、長い配線は配線抵抗が高いという不均質性が生じる。これを、図８を用いて更に詳しく説明する。
【００１３】
図８は、従来の熱光学スイッチの平面図である。
なお、図８では熱光学スイッチの一部を図示し、配線幅がわかりやすいように、配線幅を誇張して記載した。
【００１４】
図８に示すように、熱光学スイッチでは、２本の光導波路２がＳｉ基板１上に形成されており、その２本の光導波路２により２×２熱光学スイッチエレメント６が構成されており、熱光学スイッチは、その２×２熱光学スイッチエレメント６を複数有する構成である。
【００１５】
各２×２熱光学スイッチエレメント６のアーム導波路の部分には、その近傍に薄膜ヒータ３が形成されており、更に、その薄膜ヒータ３に電力を供給する配線が形成されている。配線数を低減するため、共用となるグランド線５を１つ形成し、全ての薄膜ヒータ３の一方の配線として使用する。他方側の配線は、各薄膜ヒータ３に対して、個別の配線３４をそれぞれ形成する。グランド線５及び配線３４の端部（チップ周辺部）には電極パッド３７が設けられ、この電極パッド３７に、薄膜ヒータ３のオン／オフを制御するゲートスイッチＩＣから電力を供給している。
【００１６】
図８からわかるように、個別の配線３４の幅は等しく形成されている。そして、Ｓｉ基板１上に複数配置された２×２熱光学スイッチエレメント６に対して、同じ配線幅の配線３４を用いて、各２×２熱光学スイッチエレメント６の薄膜ヒータ３の位置まで配線を形成している。つまり、配線幅は互いに等しいにも拘わらず、配線長がそれぞれ異なるため、その結果として、配線長が短い配線は配線抵抗が低く、長い配線は配線抵抗が高いという不均質性が生じることとなる。
【００１７】
各２×２熱光学スイッチエレメント６は、共通の電圧源と電流のオン／オフを制御するゲートスイッチにより駆動されている。そのため、個々の薄膜ヒータ３にとって配線抵抗が異なれば、薄膜ヒータ３に引加される電力にばらつきが生じることになる。つまり、各配線抵抗が異なるため、各熱光学スイッチエレメントへの供給電力のばらつきを生じ、不均質な熱光学スイッチとなってしまう。
【００１８】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、均質な特性の熱光学位相シフタ群及びその熱光学位相シフタ群用いた熱光学スイッチを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る熱光学位相シフタ群は、基板上に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に配置された加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する配線とを有する熱光学位相シフタを複数有し、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る熱光学位相シフタ群は、長さの異なる複数の前記配線の幅を互いに異なるものとして、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る熱光学位相シフタ群は、互いに異なる幅とした複数の前記配線における各々の配線の幅を一様としたことを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る熱光学位相シフタ群は、長さの異なる複数の前記配線の幅を局所的に狭めて、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る熱光学位相シフタ群は、前記加熱手段に温度の影響を与えないように、前記配線の幅を局所的に狭めたことを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る熱光学スイッチは、基板上に形成された２本の光導波路が構成する２つの方向性結合器と、前記方向性結合器に挟まれた熱光学位相シフタとを有する熱光学スイッチエレメントを複数有し、複数の前記熱光学位相シフタとして、上記のいずれかの熱光学位相シフタ群を用いたことを特徴とする。
【００２５】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る熱光学スイッチは、前記熱光学スイッチエレメントが、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成され、前記加熱手段がクロム又は窒化タンタルで構成され、前記配線が主に金で構成されたことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明は、同一基板内に集積された複数の熱光学位相シフタや熱光学スイッチ等を駆動する薄膜ヒータへの配線において、長さが均一でない複数の配線の配線抵抗を互いに等しくなるようにすることが特徴である。具体的には、互いの配線抵抗が等しくなるように、薄膜ヒータへの各配線の幅を調整した。その具体的な実施形態を図１、図２に図示し、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施形態の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
なお、図１でも熱光学スイッチの一部を図示し、配線幅がわかりやすいように、配線幅を誇張して記載した。
【００２８】
図１に示す本発明に係る熱光学スイッチの基本的な構成は、配線４の構成を除き、従来と同等の構成でよい。具体的には、図１に示すように、熱光学スイッチでは、２本の光導波路２がＳｉ基板１上に形成されており、その２本の光導波路２により２×２熱光学スイッチエレメント６が構成されており、熱光学スイッチは、その２×２熱光学スイッチエレメント６を複数有する構成である。
【００２９】
２×２熱光学スイッチエレメント６は、深さ方向の構成として、Ｓｉ基板１等の平面基板上に、石英系ガラスのクラッドを形成し、クラッド中に光導波路２となる石英系ガラスのコアを形成したものである。又、２×２熱光学スイッチエレメント６の平面上の構成としては、コアからなる２本の光導波路２の一部が互いに近接することで、２つの３ｄＢ方向性結合器９ａ、９ｂを構成しており、他の光導波路２の部分は、光信号の入力側となる２本の入力導波路と、２つの３ｄＢ方向性結合器９ａ、９ｂに挟まれた長さがほぼ等しい２本のアーム導波路と、光信号の出力側となる２本の出力導波路とを構成している。入力導波路とアーム導波路との間及びアーム導波路と出力導波路との間が、それぞれ３ｄＢ方向性結合器９ａ、９ｂにより接続されている構成である。アーム導波路の近傍（表面）には加熱手段となる薄膜ヒータ３が形成されており、更に、薄膜ヒータ３に給電する配線４及びグランド配線５が形成されている。なお、配線数を低減するため、共用となるグランド線５を１つ形成して、全ての薄膜ヒータ３の一方の配線として使用しており、他方側の配線は、各薄膜ヒータ３に対して、個別の配線３４をそれぞれ形成している。
【００３０】
なお、薄膜ヒータ３を有する光導波路２（アーム導波路）の部分は、配線４及びグランド配線５により薄膜ヒータ３を動作させることで、単体で熱光学位相シフタとしても機能し、熱光学スイッチは、複数の熱光学位相シフタ、つまり、熱光学位相シフタ群を用いた構成ともいえる。
【００３１】
アーム導波路部の表面に形成した薄膜ヒータ３は、クロム又は窒化タンタルからなり、その薄膜ヒータ３に電流を供給する配線４及びグランド配線５は、主に金から構成されている。配線４及びグランド配線５は、各薄膜ヒータ３からチップ周辺に形成した電極パッド６まで形成されている。この電極パッド６と電流のオン／オフを制御するゲートスイッチＩＣとの間はワイヤーボンディングで結線され、更に共通の低電圧源に接続されている。本実施例では、薄膜ヒータ３の抵抗を５００Ω、配線抵抗を５０Ωと設計した。
【００３２】
本実施例では、配線４のそれぞれにおいて、互いの配線抵抗が等しくなるように、その配線幅を設定した。つまり、配線長に応じて、各配線４の配線幅を変え、各配線４の全長において、配線幅を一様として、各配線の抵抗値を等しくなるように設計した。但し、配線のレイアウトのため、配線４が屈折部を有する場合、その屈折部においては、その配線幅が広くなる（一様ではない）こととなるが、この場合でも、一様の配線幅の配線を一直線に延ばしたものと同等にする。
【００３３】
各薄膜ヒータ３までのグランド線５の配線長も、各薄膜ヒータ３の位置によって、当然、その長さが変わってしまい、各薄膜ヒータ３までのグランド線５の配線長により、各薄膜ヒータ３までのグランド線５の抵抗値も、定性的にはそれぞれ異なるものとなる。しかしながら、グランド線５の幅が十分広く設けられているため、定量的にはこの影響は小さく、各薄膜ヒータ３に影響を与える配線の抵抗値としては、主に個別の配線４の配線抵抗に左右される。したがって、ここでは個別の配線４の抵抗値に着目して、各々の配線４の抵抗値が等しくなるように、その幅を設定した。
【００３４】
配線抵抗Ｒは、配線長Ｌ、配線幅Ｗ、シート抵抗率σを用いて、次式で与えられる。
Ｒ＝σＬ／Ｗ
【００３５】
上記式からわかるように、長い配線は幅を広く、短い配線は幅を狭くすることで、互いの配線抵抗を等しくすることができる。具体的には、基板全体の大きさを１００×１００ｍｍとした場合、最も長い１００ｍｍの配線の幅を２００μｍ、最も短い２０ｍｍの配線の幅を４０μｍと設計することで全ての配線抵抗を５０Ωにした。この結果、各薄膜ヒータに供給される電流および電力は等しくなり、チップ面内で均質なスイッチ特性が得られた。
【００３６】
比較のために、従来の熱光学スイッチ場合、つまり、配線幅を全て２００μｍに設計した場合（図８参照）を計算してみた。この場合は、配線抵抗が、１００ｍｍ配線長のもので５０Ω、２０ｍｍ配線長のもので１０Ωとなるため、薄膜ヒータの抵抗５００Ωと合わせて考えると、各薄膜ヒータへの供給電力に８％ものばらつきが生じた。
【００３７】
これに対して本実施例の構成では、各薄膜ヒータへの供給電力のばらつきは僅か１％程度であった。このばらつきは薄膜ヒータ抵抗の作製のばらつきが原因であったと思われる。各薄膜ヒータへの供給電力のばらつきは、熱光学スイッチ特性のばらつきになる。つまり、従来の熱光学スイッチに比べ、本発明に係る熱光学スイッチは、スイッチ特性の面内分布が改善されたものと言える。なお、従来の熱光学スイッチに比べて、本発明に係る熱光学スイッチは、配線抵抗の平均値は高くなるため、熱光学スイッチ全体の消費電力は高くなる。しかしながら、熱光学スイッチの重要な特性であるスイッチ特性の面内分布が改善でき、均質なスイッチ特性を得ることができる。
【００３８】
（実施例２）
図２は、本発明の実施形態の他の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
なお、図２でも熱光学スイッチの一部を図示し、配線幅がわかりやすいように、配線幅を誇張して記載した。
【００３９】
図２に示す本発明に係る熱光学スイッチの基本的な構成は、配線１４の構成を除き、図１に示した熱光学スイッチと同等の構成でよい。したがって、重複する部分の説明は省略し、本実施例に係る部分を説明する。
【００４０】
実施例１の熱光学スイッチでは、各配線の幅を一様に、適切に設定することで互いの配線抵抗を等しくした。しかしながら、本実施例と実施例１との違いは、その配線１４の形状にあり、局所的に配線幅の狭い部分（発熱領域８）を設けることで、各配線１４の配線抵抗を適切に設定し、互いの配線抵抗を等しくしている。これは、配線１４で生じる熱は熱光学スイッチの動作に悪影響を及ぼすため、熱光学スイッチ（薄膜ヒータ３）から離れた部分に発熱領域８を設けて、その部分で発熱させることにより熱光学スイッチ（薄膜ヒータ３）への悪影響を低減することを目的としている。つまり、薄膜ヒータ３の部分に配線の発熱による温度の影響を与えないようにしている。なお、本実施例では、この発熱領域８の表面に放熱フインを設けて放熱効率を良くし、更に悪影響を与えない構成とした。
【００４１】
以上、上記実施例では、熱光学スイッチを用いて説明したが、本発明は熱光学スイッチのみならずトランスバーサルフィルタ等の複数の位相シフタを用いる光回路等、熱光学効果を用いる全ての光回路にも広く適用できる。又、光導波路材料として石英系ガラス導波路に限定されるものではなく、ポリマー導波路や半導体を用いた熱光学スイッチなども本発明の対象である。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項４に係る発明によれば、熱光学位相シフタ群を、基板上に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に配置された加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する配線とを有する熱光学位相シフタを複数有し、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたので、各加熱手段に供給される電流および電力のばらつきが低減され、チップ面内で均質な位相シフタ特性を得ることができる。
【００４３】
請求項５に係る発明によれば、前記加熱手段に温度の影響を与えないように、前記配線の幅を局所的に狭めたので、各加熱手段に供給される電流および電力のばらつきが低減され、チップ面内で均質な位相シフタ特性を得るとともに、配線部分での発熱を加熱手段へ及ぼさないようにして、良好な特性を保つことができる。
【００４４】
請求項６又は請求項７に係る発明によれば、基板上に形成された２本の光導波路が構成する２つの方向性結合器と、前記方向性結合器に挟まれた熱光学位相シフタとを有する熱光学スイッチエレメントを複数有し、複数の前記熱光学位相シフタとして、上記のいずれかの熱光学位相シフタ群を用いたので、各薄膜ヒータに供給される電流および電力のばらつきが低減され、チップ面内で均質なスイッチ特性が得られ、特性のよい熱光学スイッチとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
【図２】本発明の実施形態の他の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
【図３】２×２の熱光学スイッチエレメントの構成を示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図５】８×８熱光学スイッチの論理的な回路構成図である。
【図６】１６×１６熱光学スイッチモジュールの導波路レイアウトを示す平面図である。
【図７】１６×１６熱光学スイッチモジュールの薄膜ヒータと配線の配置を示す外観図である。
【図８】従来の熱光学スイッチの平面図である。
【符号の説明】
１　　Ｓｉ基板
２　　光導波路
３　　薄膜ヒータ
４　　配線
５　　グランド線
６　　２×２熱光学スイッチエレメント
７　　電極パッド
８　　発熱領域
１４　配線
１７　電極パッド
【図１】
2004117448.tif 000003
【図２】
2004117448.tif 000004
【図３】
2004117448.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004117448.tif 000007
【図６】
2004117448.tif 000008
【図７】
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【図８】
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