(57)【要約】　　　（修正有）【課題】熱光学効果利用石英系光スイッチの高速化・低消費電力化。【解決手段】シリコン基板１００上にＳｉＯ２膜１０１を形成し、クラッド層１０３、１０４と、コア１０５、１０６からなる光導波路と光導波路上にＣｒ薄膜ヒータ１０７、１０８を形成し、Ｃｒ薄膜ヒータパターンの領域で基盤の厚みをうすくしてダイヤフラム構造１０２を形成した。ダイヤフラム部１０２の裏面に銅薄膜１１７を形成し反りが発生しないようにした。光導波路を挟んでＣｒ薄膜ヒータの端部に貫通穴をけいせいした。以上のような加熱部の低減と断熱構造とにより、応答速度の改善と低消費電力化を達成した。【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石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、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薄く加工してダイヤフラム構造となし、該薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部に光導波路の光導波方向に沿って該薄膜ヒータを挟むように対向して設置される貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成されてなることを特徴とする熱光学光スイッチ。
【請求項２】
ダイヤフラム構造部の裏面には基板より熱伝導率の高い放熱用薄膜が装荷されてなることを特徴とする特許第１項請求範囲の熱光学光スイッチ。
【請求項３】
薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部に該薄膜ヒータを挟むように光導波方向に沿って光導波路の両側に貫通箇所を設けたことを特徴とする特許第１項請求範囲の熱光学光スイッチ。
【請求項４】
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、有機材料であり放熱用薄膜が銀、銅、金、ＳｉＣ等の金属系材料からなることを特徴とする特許第１項請求範囲の熱光学光スイッチ。
【請求項５】
基板材料としてシリコンの表面を熱酸化させて使用することを特徴とする特許第１項請求範囲の熱光学光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
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で用いられる熱光学効果を利用した石英系光スイッチの特に、高速化・低消費電力化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱光学現象は、文献：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。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。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、ＷＤＭ用石英系平面光波回路の必須のモジュールに成長しつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
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留部に熱が滞留し、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。この石英系光スイッチの切替速度に関しては、応答速度は１ｍｓ〜３ｍｓで十分とはいえないが、デバイスとして、ある程度満足のいく結果が得られている。しかしながら、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。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
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
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で与えられる。Ｄは材料の厚み、Ｗは材料の密度、Ｃは材料の比熱、λ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。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は、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ダイヤフラム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。次に熱留と熱接触を有効にする方法について述べる。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熱留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っている。このように厚み方向の熱の逃げも防ぐことで、効率的な電力消費の少ない光スイッチモジュールを実現することが可能となる。高信頼性を確保するために、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、ダイヤフラム部の厚みが薄くなると、ダイヤフラム構造はバイメタル効果で基板が反る。このため、放熱効果の高い、たとえば銅薄膜をダイヤフラム構造の裏面に蒸着やスパッタリングで形成することで、バランスのよい熱光学光スイッチ構造にすることで、ダイヤフラム部の反りを防止し、高信頼性の熱光学光スイッチを実現することができる。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。この特性を実現する方法としては、
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石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、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薄く加工してダイヤフラム構造となし、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部には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た貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
２．基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、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真下の基板を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で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造とし、ダイヤフラム構造部の裏面には基板より熱伝導率の高い放熱用薄膜が装荷されてなることを薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部には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た貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
３．基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、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薄く加工してダイヤフラム構造となし、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部には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た貫通箇所がダイヤフラム構造部に形成され、かつ該薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部に該薄膜ヒータを挟むように光導波方向に沿って光導波路の両側に貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
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ガラス材料もしくは、有機材料からなる光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、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で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造とし、ダイヤフラム構造部の裏面には基板より熱伝導率の高い銀、銅、金、ＳｉＣ等の金属系材料からなる放熱用薄膜が装荷されてなり、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面には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た貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
５．表面を熱酸化させた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ガラス材料もしくは、有機材料からなる光導波路が配置され熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、光導波路のコアの所定領域の真上に設けられた薄膜ヒータの基板を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で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造とし、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面には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た貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
【０００５】
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、発生させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くするダイヤフラム構造とすることで、時定数の改善と低消費電力化が達成できる。また、薄膜ヒータから水平方向に熱拡散する温度に関しては、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して、薄膜ヒータの両サイドが断熱構造を有することになる。このように水平方向の熱の逃げを防ぐことで低消費電力化を実現することができる。なお、垂直方向の熱の逃げに関しては、光導波路自体の幅は、数ミクロン程度であり、幅方向の長さに比較して約千分の一のレベルである。光導波路を形成する石英ガラス薄膜が、熱伝導率の低い材料であることから、ほとんど無視できるが、さらなる低消費電力化をねらって、薄膜ヒータのある上下の光導波路の両端に断熱用貫通部を形成する。本発明では、基板に使用するシリコンの表面を熱酸化シリコンにすることで、光導波路がある石英ガラス薄膜の熱留部と表面に酸化膜を有するシリコンとが熱接触を良好にする構造となっている。高信頼性を確保するためには、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、ダイヤフラム部の厚みが薄くなると、ダイヤフラム構造は、バイメタル効果で反る。このため、放熱効果の高い、たとえば銅薄膜をダイヤフラム構造の裏面に蒸着やスパッタリングで装荷することで、バランスのよい構造にすることができる。ダイヤフラム構造の表裏の両面に金属薄膜を装荷することで、ダイヤフラム部の反りを防止して高速の応答性能を有した、高信頼性の熱光学光スイッチを実現できる。
【０００６】
【実施例】
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図である。図２は、本発明の分岐型光スイッチの断面と平面を併記して示した図である。
【０００７】
図１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図である。この図では、入出力部の３ｄＢ方向性結合器は省略してある。１００はシリコン基板である。厚み０．７ｍｍのシリコン基板１００上の光導波路を形成する面を熱酸化表面処理して、ＳｉＯ２膜１０１を形成する。１０２は、シリコン基板１００をドライエッチングにより凹部状に加工してダイヤフラム構造を得ている。このダイヤフラム部１０２は、Ｃｒ等の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薄くドライエッチング加工している。光導波路は、各々クラッド層１０３，１０４とコア１０５，１０６で構成されている。薄膜ヒータ１０７，１０８は加熱用ヒータ電極である。この薄膜ヒータ１０７，１０８に電流を流すと、薄膜ヒータ１０７，１０８で消費される電力により発生した熱により、熱光学効果により光導波路に屈折率分布を誘起させる。薄膜ヒータ１０７，１０８で発生した熱が水平方向に逃げないように薄膜ヒータ１０７，１０８の両端部には、貫通穴（１０９，１１０）、（１１１，１１２）が各々形成されている。薄膜ヒータ１０７，１０８で発生した熱が垂直方向（光導波方向）に逃げないように薄膜ヒータ１０７，１０８の上下両端部には、貫通穴（１１８，１１９，１２０，１２１）、（１２２，１２３，１２４，１２５）が各々光導波路を挟んで上下に形成されている。１１３，１１４は、薄膜ヒータ１０７に電流を流す端子対である。１１３，１１４は、薄膜ヒータ１０７に電流を流す端子対である。１１５，１１６は、薄膜ヒータ１０８に電流を流す端子対である。銅薄膜１１７は、ダイヤフラム部１０２の裏面に蒸着やスパッタリング法で形成することで、ダイヤフラム部を表裏に薄膜を形成することで反りの発生しないバランスのよいダイヤフラム構造を実現している。この光スイッチの時定数と供給電力を計算する。ダイヤフラム部のトータル厚みが８０μｍ（コアの断面寸法６μｍ角を含むクラッド層＋エッチング加工したシリコン厚み）、薄膜ヒータの寸法が幅５０μｍ、長さ４ｍｍとすると、時定数は１μｓで、必要とする供給電力は約３ｍＷとなる。
【０００８】
図２は、本発明の分岐型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した図である。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。２０２は、シリコン基板２００をドライエッチングにより凹部状に加工してダイヤフラム構造を得ている。このダイヤフラム部２０２は、Ｃｒ等の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薄くドライエッチング加工している。Ｙ分岐型光導波路２０８は、クラッド層２０３とコア２０９，２１０で構成されている。薄膜ヒータ２０４，２０５は加熱用ヒータ電極である。この薄膜ヒータ２０４，２０５に電流を流すと、薄膜ヒータ２０４，２０５で消費される電力により発生した熱により、熱光学効果により光導波路に屈折率分布を誘起させる。薄膜ヒータ２０４，２０５で発生した熱が水平方向に逃げないように薄膜ヒータ２０４，２０５の左右両端部には、貫通穴２０６，２０７が形成されている。２１１，２１２は、薄膜ヒータ２０４に電流を流す端子対である。２１３，２１４は、薄膜ヒータ２０５に電流を流す端子対である。銅薄膜２１５は、ダイヤフラム部２０２の裏面に蒸着やスパッタリング法で形成することで、ダイヤフラム部を表裏に薄膜を形成することで反りの起こらないバランスのよいダイヤフラム構造を実現している。
【０００９】
【発明の効果】
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、発生させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くするダイヤフラム構造で、応答速度の飛躍的改善と低消費電力化が達成できる。また、薄膜ヒータから水平方向に熱拡散する温度に関しては、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して、薄膜ヒータの両サイドが断熱構造を有することになる。このように水平方向の熱の逃げを防ぐことで低消費電力化を実現することができる。なお、垂直方向の熱の逃げに関しては、光導波路自体の幅は、数ミクロン程度であり、幅方向の長さに比較して約千分の一のレベルである。光導波路を形成する石英ガラス薄膜が、熱伝導率の低い材料であることから、ほとんど無視できるが、さらなる低消費電力化をねらって、薄膜ヒータのある上下の光導波路の両端に断熱用貫通部を形成する。本発明では、基板に使用するシリコンの表面を熱酸化シリコンにすることで、光導波路がある石英ガラス薄膜の熱留部と表面に酸化膜を有するシリコンとが熱接触を良好にする構造で熱留を保っている。高信頼性を確保するためには、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、ダイヤフラム部の厚みが薄くなると、ダイヤフラム構造は、バイメタル効果で反るが、この対策として、放熱効果の高いたとえば、銅薄膜をダイヤフラム構造の裏面に蒸着やスパッタリング法で装荷することで、バランスのよい構造にすることで、反りを防止し、高速の応答性能を有し、高信頼性の熱光学光スイッチを実現することができる。なお、ダイヤフラムの厚みが薄くなると、放熱効果が顕著になり、オンオフ時の切り替え時の応答速度が速くなる効果がある。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たもので、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図である。
【図２】図２は、本発明の他の適用例である分岐型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した図である。
【符号の説明】
１００　　　シリコン基板
１０１　　　熱酸化ＳｉＯ２膜
１０２　　　ダイヤフラム構造部
１０３　　　クラッド層
１０４　　　クラッド層
１０５　　　コア
１０６　　　コア
１０７　　　薄膜ヒータ
１０８　　　薄膜ヒータ
１０９　　　貫通穴
１１０　　　貫通穴
１１１　　　貫通穴
１１２　　　貫通穴
１１３　　　ヒータ用電極端子
１１４　　　ヒータ用電極端子
１１５　　　ヒータ用電極端子
１１６　　　ヒータ用電極端子
１１７　　　放熱用銅薄膜
１１８　　　貫通穴
１１９　　　貫通穴
１２０　　　貫通穴
１２１　　　貫通穴
１２２　　　貫通穴
１２３　　　貫通穴
１２４　　　貫通穴
１２５　　　貫通穴
２００　　　シリコン基板
２０１　　　熱酸化ＳｉＯ２膜
２０２　　　ダイヤフラム構造部
２０３　　　クラッド層
２０４　　　薄膜ヒータ
２０５　　　薄膜ヒータ
２０６　　　貫通穴
２０７　　　貫通穴
２０８　　　Ｙ分岐光導波路
２０９　　　コア
２１０　　　コア
２１１　　　ヒータ用電極端子
２１２　　　ヒータ用電極端子
２１３　　　ヒータ用電極端子
２１４　　　ヒータ用電極端子
２１５　　　放熱用銅薄膜
【図１】
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【図２】
2004021249.tif 000005