(57)【要約】【課題】簡単な回路で制御することができる熱光学位相シフタを提供する。【解決手段】光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、その光導波路の加熱を、抵抗値８０Ω以下もしくは抵抗率６０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーター４、または抵抗値３２０Ω以下もしくは抵抗率２４０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーター４で行うことにより、上記課題を解決した。ヒーター材料としては、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料が好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、
前記光導波路の加熱が、抵抗値８０Ω以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項２】
光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、
前記光導波路の加熱が、抵抗値３２０Ω以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項３】
光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、
前記光導波路の加熱が、抵抗率６０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項４】
光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、
前記光導波路の加熱が、抵抗率２４０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項５】
光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、
前記光導波路を加熱するヒーターが、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項６】
前記光導波路が、基板上に設けられたクラッド層と、当該クラッド層内に設けられたコアとからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項７】
前記ヒーターが、クラッド層内に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項８】
前記ヒーターがクラッド層の表面に設けられ、かつ、当該ヒーターが前記クラッド層とは異なる材料からなる保護層で覆われていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項９】
前記クラッド層および前記コアが、石英ガラスまたは珪酸塩系ガラスにより形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項１０】
前記クラッド層および前記コアが、有機物により形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項１１】
前記基板が、石英ガラス、珪酸塩系ガラスまたは半導体により形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波回路装置に用いる熱光学位相シフタに関し、更に詳しくは、簡単な回路で制御することを可能とした熱光学位相シフタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野においては、波長分割多重（ＷＤＭ）通信方式の出現により、多チャンネル化技術の研究開発が近年活発に行われている。こうした多チャンネル化技術において、各チャンネル毎の機能的な制御、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃えるための制御やスイッチング制御等、を実現しようとすると、チャンネル数に応じた多数の光素子が必要となってくる。そのため、光通信分野においては、光スイッチなどに適用できるような高密度集積可能な小型光回路部品の必要性が高まっている。
【０００３】
こうした中、熱光学位相シフタを利用した平面光波回路（ＰＬＣ）型デバイスは、その作製プロセスに半導体回路作製技術を利用できるので作製が容易で集積性に優れるという利点があり、高密度集積可能な光スイッチとして広く検討されている。さらに、このＰＬＣ型デバイスは、位相シフト量を制御することにより可変光減衰器として動作させることが可能であることからその利用範囲が広く、デバイスの大規模化・高機能化に有利であるという特長をもっている。
【０００４】
熱光学位相シフタの基本的な構成は、クラッド層とコアとからなる光導波路に沿って薄膜ヒーターが形成されてなるものである。そして、その動作原理は、薄膜ヒーターに電力を投入して光導波路のコアを加熱することにより、コアの屈折率が変化し、その結果、加熱前の導波路の長さに比べて実効的な導波路の長さが変化することにより、出力端での位相を任意の量だけシフトさせるというものである。
【０００５】
従来の熱光学位相シフタとしては、光路長温度係数（１／（ｎＬ））ｄ（ｎＬ）／ｄＴが２×１０−３／Ｋであるガラス導波路上に、抵抗温度係数が１×１０−３／Ｋから３×１０−３／Ｋの範囲内にある薄膜ヒーターを形成した熱光学位相シフタ（例えば、特許文献１を参照。）や、光導波路上に窒化タンタルからなる薄膜ヒーターを形成した熱光学位相シフタ（例えば、特許文献２を参照。）等が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３４９２４（段落番号００１５〜００１８）
【特許文献２】
特開平６−３４９２５（段落番号００１０〜００１４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
多チャンネル化に対応して多数の熱光学位相シフタを配置した小型光回路部品においては、個々の熱光学位相シフタにおける位相シフト量の制御、すなわち個々の熱光学位相シフタに設けられたヒーターの発熱量の制御、を正確に行う必要がある。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の熱光学位相シフタは、１×１０−３／Ｋから３×１０−３／Ｋと比較的大きな抵抗温度係数をもつ材料で薄膜ヒーターが形成されているので、薄膜ヒーターに電力を印加したときの発熱により薄膜ヒーター自体の抵抗値が動作中に変化してしまうという現象が起こり、光導波路の温度制御を正確に行うことができず、その結果、位相シフト量を正確に制御することができないという問題がある。従来こうした問題に対しては、個々の熱光学位相シフタごとに位相シフト量をモニターし、個々の熱光学位相シフタを構成するヒーターへの投入電力が常に一定になるようにする制御回路を設けることにより対応していた。そのため、１チャンネル毎に複雑な制御回路が必要となって全体の制御が困難になると共に量産化にも適さないという問題があった。
【０００９】
一方、上記特許文献２に記載の熱光学位相シフタは、抵抗温度係数の小さい窒化タンタルで薄膜ヒーターが形成されているので、薄膜ヒーター自体の抵抗値が動作中に変化してしまうという現象は起きにくいが、窒化タンタルからなる薄膜ヒーターを有する熱光学位相シフタは、抵抗率が３００μΩｃｍ程度と大きいため、必要な発熱量を得るには１４Ｖ以上の高電圧電源回路が必要であり、装置の大型化・複雑化や、それに伴う消費電力の増大といった看過できない問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡単な回路で制御することができる熱光学位相シフタを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項１に記載の熱光学位相シフタは、光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、前記光導波路の加熱が、抵抗値８０Ω以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、抵抗値８０Ω以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターにより光導波路が加熱されるので、動作中のヒーター自体の抵抗値の変化が極めて小さく、その結果、電流および電圧のいずれか一方のみをモニターするだけで光導波路の温度制御を正確に行うことができる。そのため、個々の熱光学位相シフタごとの位相シフト量のモニターやモニターされた位相シフト量を調節するための制御回路を必要としなくても、位相シフト量と光導波路の温度上昇量とヒーターの発熱量との間の相互の関係を一意に制御することができ、制御回路および制御プログラムの大幅な簡略化が可能になる。さらに、この熱光学位相シフタは、最大定格６Ｖ程度の電源で位相シフト量を可変できるので、電子回路で一般的に使用されている電源を使用でき、その結果、熱光学位相シフタを動作させる制御回路の単純化を図ることができるという極めて甚大な効果がある。
【００１３】
上記目的を達成するための請求項２に記載の熱光学位相シフタは、光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、前記光導波路の加熱が、抵抗値３２０Ω以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、抵抗値３２０Ω以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターで光導波路が加熱されるので、上述した請求項１の発明と同様の効果を奏するが、特に、通常のオペアンプ回路の駆動上限電圧である１２Ｖ以下の電圧で位相シフト量を可変できるので、熱光学位相シフタを動作させる制御回路の単純化を図ることができるという効果がある。
【００１５】
上記目的を達成するための請求項３に記載の熱光学位相シフタは、光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、前記光導波路の加熱が、抵抗率６０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、抵抗率６０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターにより光導波路が加熱されるので、上述した請求項１の発明と同様の極めて甚大な効果がある。
【００１７】
上記目的を達成するための請求項４に記載の熱光学位相シフタは、光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させる熱光学位相シフタであって、前記光導波路の加熱が、抵抗率２４０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターによりなされることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、抵抗率２４０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターで光導波路が加熱されるので、上述した請求項２の発明と同様の効果がある。
【００１９】
請求項５の発明は、熱光学位相シフタにおいて、光導波路を加熱するためのヒーターが、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料は上述した抵抗率と抵抗温度係数を満たすと共にエッチング性能に優れているので、多チャンネル化の場合において、各ヒーターの抵抗値を精度よく合致させることができ、電気特性の揃ったヒーターを容易に形成することができる。また、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料は、大気中の酸素と反応しないなど化学的に安定であると共に熱履歴などによる抵抗率変化も小さいので、長期にわたって安定して動作させることができる優れた熱光学位相シフタを実現することができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記光導波路が、基板上に設けられたクラッド層と、当該クラッド層内に設けられたコアとからなることを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記ヒーターが、クラッド層内に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、クラッド層上部に配線などを作製している最中に、ヒーターがエッチング液などにより変質するのを防ぐことができ、また、物理的な衝撃にも強くなることから、信頼性の高い熱光学位相シフタを作製することが可能となる。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記ヒーターがクラッド層の表面に設けられ、かつ、当該ヒーターが前記クラッド層とは異なる材料からなる保護層で覆われていることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、ヒーター上に形成された保護層によりヒーターと外部との接触を遮断できるので、配線作製時に使用するエッチング液などによりヒーターの変質が起きるのを防ぐことができる。その結果、信頼性の高い熱光学位相シフタを作製することが可能となる。また、この保護層はバッファ層としても作用するので、ヒーター上部に配線を配置することなどが可能になり、配線の自由度が高くなる。その結果、スペースを有効活用することができ、熱光学位相シフタのさらなる小型化が実現できる。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記クラッド層および前記コアが、石英ガラスまたは珪酸塩系ガラスにより形成されていることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、光導波路の伝搬損失が小さく、光学特性及び安定性に優れた熱光学位相シフタを作製することが可能となる。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記クラッド層および前記コアが、有機物により形成されていることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、光導波路の作製期間が短く材料も安価で、大量生産性、コストパフォーマンスに優れ、さらには駆動電圧をガラス材料に比べて１／２以下に低減した熱光学位相シフタを作製することが可能となる。
【００３０】
請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記基板が、石英ガラス、珪酸塩系ガラスまたは半導体（シリコンや化合物半導体等）により形成されていることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、半導体プロセス技術を使用することができるので、本発明の熱光学位相シフタの作製が容易になる。このため、熱光学位相シフタの歩留り及び再現性を向上させることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱光学位相シフタについて図面を参照しつつ説明する。
【００３３】
本発明の熱光学位相シフタは、光導波路を加熱して該光導波路を通過する光の位相を変化させるものであり、その熱光学位相シフタの構成および光導波路の構成については特に限定されないが、その特徴とするところは、光導波路の加熱を、抵抗値８０Ω以下または３２０Ω以下、あるいは、抵抗率６０μΩｃｍ以下または２４０μΩｃｍ以下で、抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターにより行うことにある。
【００３４】
図１〜図３は、本発明の熱光学位相シフタの各例を示すものであり、各図において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ１−Ａ１’断面図である。なお、本発明の熱光学位相シフタがこれらの形態に限定されないことはいうまでもない。
【００３５】
本発明の熱光学位相シフタは、例えば図１に示すように、基板１と、その基板１上に設けられたクラッド層２と、そのクラッド層２内に設けられたコア３と、そのクラッド層２及びコア３からなる光導波路の上部に且つその光導波路に沿った位置に設けられるヒーター４とから構成されている。
【００３６】
基板１としては、石英ガラス、珪酸塩系ガラスまたはシリコンからなる基板を好ましく挙げることができるが、シリコン以外の半導体（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ）等で形成されていてもよい。これらの基板１は、半導体プロセス技術を適用可能な基板材料であるので、その基板上に、半導体プロセス技術を適用したクラッド層、コアおよびヒーター等を容易に形成することができる。
【００３７】
クラッド層２は、基板１上に設けられた下側クラッド層２ａと、この下側クラッド層２ａ上に設けられた上側クラッド層２ｂとから構成される。下側クラッド層２ａ及び上側クラッド層２ｂは、石英ガラスまたは珪酸塩系ガラスにより形成することが好ましく、例えばシリカガラスにボロンとリンを添加したＢＰＳＧ（ボロンリンシリカガラス）により形成することができる。また、クラッド層２は、例えば半導体又は、ＢＰＳＧ以外のガラスにより形成されていてもよい。
【００３８】
クラッド層２を有機膜で形成することも好ましく、例えばポリイミド系材料、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの保護材料やレジスト材料を用いて形成することができる。これらの材料は一般的に石英ガラス等に比べて熱による屈折率の変化量が５〜１０倍以上と大きく、より小さい電圧で必要な位相シフト量を得ることができる。
【００３９】
各クラッド層２ａ、２ｂの厚さは、通常、１０〜２０μｍ程度である。なお、上側クラッド層２ｂは、図１〜図３に示すように、下側クラッド層２ａと、その下側クラッド層２ａ上に形成されたコア３とを覆うように設けられる。
【００４０】
コア３は、上述したクラッド層２内に設けられる。具体的には、下側クラッド層２ａ上であって、基板表面に平行な方向に直線状及び／又は曲線状に設けられる。コア３の断面形状、すなわちコア３の長手方向に直交する断面形状は、通常、矩形状に形成される。コア３は、クラッド層２よりも屈折率が大きい材料で形成され、例えば、シリカガラスにゲルマニウムとリンを添加したＧＰＳＧ（ガリウムリンシリカガラス）や、添加物量もしくは添加材料を調整した有機物を材料として形成される。有機物材料としては、例えばポリイミド系材料、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの材料やレジスト材料を挙げることができる。このとき、コアの屈折率は、添加する元素（ＧＰＳＧの場合は例えばゲルマニウムやリンなど）および量などにより調整される。コア３の屈折率とクラッド層２の屈折率との比屈折率差Δｎは、任意に設計され、一例としては０．３〜１．５％の範囲となるように設定することが好ましい。
【００４１】
クラッド層２の表面、すなわち上層クラッド層２ｂの表面には、所定の抵抗値または抵抗率と抵抗温度係数とを持つヒーター４が形成される。本発明においては、ヒーター４を、抵抗値が８０Ω以下もしくは抵抗率が６０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数が±１０００ｐｐｍ／Ｋのヒーター材料で形成すること、または、抵抗値が３２０Ω以下もしくは抵抗率が２４０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数が±１０００ｐｐｍ／Ｋのヒーター材料で形成している。
【００４２】
抵抗温度係数が±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターは、ヒーター温度が５０〜６０℃上昇した時のヒーター自体の抵抗変化量が±５〜６％以内となるので、制御回路で調整可能な実用に耐え得る変動範囲に収めることができ、電流および電圧のいずれか一方のみをモニターするだけで光導波路の温度制御を正確に行うことができる。
【００４３】
なお、ヒーターの抵抗温度係数は、±５００ｐｐｍ／Ｋ以下であることがより好ましく、±１００ｐｐｍ／Ｋ以下であることが特に好ましく、光導波路の温度制御をより正確に行うことができる。こうした抵抗温度係数を有するヒーターで光導波路を加熱することにより、個々の熱光学位相シフタごとの位相シフト量のモニターや、モニターされた位相シフト量を調節するための制御回路を必要としなくても、位相シフト量と光導波路の温度上昇量とヒーターの発熱量との間の関係を一意に制御することができる。
【００４４】
さらに、光導波路を加熱するヒーターの抵抗値が８０Ω以下または３２０Ω以下であるので、電子回路で一般的に使用されている３〜６Ｖ電源または１２Ｖの上限電圧を有するオペアンプをヒーター用電源として用いて位相シフト量を変化させることができる。
【００４５】
このような特徴を満たすヒーターとしては、上記の抵抗値と抵抗率と抵抗温度係数の範囲内にある材料で形成されたものであれば特に限定されないが、好ましいヒーター材料としては、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料を挙げることができる。本願において、窒化チタンと、窒化チタンを主成分とする材料とを区別して標記しているのは、抵抗率や抵抗温度係数を所望の値に調整する元素や不可避不純物が窒化チタン中に含有する場合があるからであり、それらを包含するものとして「窒化チタンを主成分とする材料」としている。なお、以下において「窒化チタン」というときは、特に断らない限り「窒化チタンを主成分とする材料」を含む概念でいうものとする。
【００４６】
ヒーターの抵抗値は、駆動電圧を直接決定する主要な値であり最も重要である。通常、石英ガラスで作製した熱光学位相シフタにおいて、最大位相シフト量πを得るのに必要な電力は４５０ｍＷ程度である。位相シフト量はヒーターでの消費電力量に比例するため、ヒーター抵抗値をＲ、ヒーターへの最大投入電力量をＰとすると、最大必要な電圧値Ｖは、Ｖ＝（Ｐ×Ｒ）１／２  と表される。本発明においては、ヒーターの抵抗値が８０Ω以下であるので、上記計算式より、上述の３〜６Ｖ電源で位相シフト量を制御可能とすることができる。一方、ヒーターの抵抗値を３２０Ω以下とした場合においては、上記計算式より、上述の１２Ｖを上限電圧とするオペアンプで位相シフト量を制御可能とすることができる。
【００４７】
また、ヒーターの抵抗率や抵抗温度係数は、窒化チタン中の酸素等の含有量で変化させることができる。例えば、上述の３〜６Ｖ電源で位相シフト量を制御可能とするためには、窒化チタン中の酸素含有量を１．２８重量％以下として抵抗率を６０μΩｃｍ以下に維持することが好ましく、上述の１２Ｖを上限電圧とするオペアンプで位相シフト量を制御可能とするためには、窒化チタン中の酸素含有量を２．５５重量％以下として抵抗率を２４０μΩｃｍ以下に維持することが好ましい。
【００４８】
また、窒化チタンはエッチング性能に優れているので、成膜した窒化チタンをエッチングすることにより、所定寸法のヒーターを精度よく形成できる。そのため、特に多くの熱光学位相シフタを備える多チャンネルの小型光学部品において、熱光学位相シフタを構成する各ヒーターの抵抗値を上記範囲内の所望の値に精度よく合致させることができ、電気特性の揃ったヒーターを形成することができる。
【００４９】
窒化チタン中の酸素等の含有量は、成膜条件を変化させることにより調整することができ、膜の抵抗特性を調節してヒーター形状及び周辺回路構成に適した値とすることができる。その結果、電源回路の簡略化や、モジュールの小型化等を図ることができ、デバイスの一層の小型化・大規模化が可能となる。また、窒化チタンは安定性に優れるので、実際に熱光学位相シフタとして動作させた場合にも、化学的要因や熱履歴による抵抗値変化は±０．５％以内で全く問題とならないレベルであり、信頼性に優れた熱光学位相シフタが作製可能である。
【００５０】
ヒーター４の膜厚は、所望の抵抗値となるように設計されるものであり、通常０．１〜０．５μｍ程度の一般的な厚さとすることができる。ヒーター４は、図１等に示すように、その両端部の電極部４ａ、４ａと、その電極部間のヒーター部４ｂとから構成される。電極部４ａの形状としては、例えば一辺が５００μｍ程度の正方形とすることができ、また、ヒーター部４ｂの形状としては、例えば幅が３０μｍ程度で長さが２ｍｍ程度の矩形状の細線形態とすることができるが、これらに限定されるものではない。
【００５１】
以上の構成からなる本発明の熱光学位相シフタのヒーター上には、図２に示すように、ヒーター４が形成されたクラッド層２上に、さらにクラッド層６（以下、第２の上側クラッド層６という。）を設けることができる。この第２のクラッド層６は、例えばＡＰ−ＣＶＤにより形成することができる。この第２の上側クラッド層６には、薄膜ヒーター４の電極部分４ａに電力を供給するためのビア７が設けられる。電極用ビア７は、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により形成することができる。その電極用ビア７への給電用配線（図示せず）は、光導波路および薄膜ヒーター４が全て形成された後に改めて成膜・パターニングして形成される。
【００５２】
こうした組成からなる熱光学位相シフタは、図２に示すように、薄膜ヒーター４が絶縁物である第２の上側クラッド層６により覆われていることから、配線の自由度が高くなると同時に、薄膜ヒーター４を後工程で生じ得る変質から防ぎ、熱光学位相シフタの長期信頼性を確保することができる。なお、薄膜ヒーター４を埋め込む位置は上側クラッド層２ｂ内部に限らず、光学的特性に影響を与えない場所であれば下側クラッド層２ａ内部でも構わない。
【００５３】
さらに、本発明の熱光学位相シフタにおいては、図３に示すように、ヒーター４が形成されたクラッド層２上に、さらに保護層として絶縁膜８を成膜してもよい。その絶縁膜８としては、例えばＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４、ＰＳＧなどの半導体プロセスにおいてパッシベーション膜として用いられる絶縁膜を挙げることができる他、ポリイミド系材料、ＰＢＯ、ＰＭＭＡや、フォトレジスト材料等の有機保護層も適用することができる。なお、上記のＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４、ＰＳＧなどは、スパッタリング法などの成膜手段により形成される。こうした絶縁膜８を形成することにより、成膜工程の大幅な短時間化が可能となると共に、長期安定性に優れた熱光学位相シフタを作製することが可能である。
【００５４】
絶縁膜８の成膜法としては、スパッタリング法の他に、低圧化学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法などの化学的気相成長法やＥＢ蒸着など、ヒーター、例えば窒化チタン膜がダメージを受けない方法を利用できる。
【００５５】
なお、図１〜図３に示す熱光学位相シフタにおいては、光導波路が埋め込み型導波路である場合について説明したが、本発明の熱光学位相シフタにおける光導波路の構造はこれらに限定されず、例えばリッジ型の導波路においても本発明の効果が十分に期待できる。また、薄膜ヒーターの形状も１本の直線状の形状に制限されるものではなく、複数の直線を組み合わせた形状又は曲線形状であってもよく、光導波路のコアを所望の温度に上昇させることで屈折率変化を誘起できる熱を発生させるものであればよい。
【００５６】
次に、熱光学位相シフタの製造方法について図４の例を参照しつつ説明する。
【００５７】
先ず、例えばシリコン基板上に、常圧化学気相成長法（ＡＰ−ＣＶＤ）等でＢＰＳＧからなる下側クラッド層２ａを所定の厚さに成膜し、さらにその下側クラッド層２ａ上に、常圧化学気相成長法（ＡＰ−ＣＶＤ）等で下側クラッド層２ａよりも屈折率の大きい材料で所定厚のコア用薄膜３ａを成膜する（図４（ａ））。
【００５８】
次に、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア用薄膜３ａをパターニングして、基板１の表面に平行な方向に延び且つその方向に直行する断面が矩形状であるコア３を形成する。次に、コア３が形成された下側クラッド２ａ上に、そのコア３を埋め込むように上側クラッド層２ｂを成膜する。上側クラッド層２ｂは、例えばＡＰ−ＣＶＤにより形成される。こうして、埋め込み型の光導波路を作製する（図４（ｂ））。
【００５９】
次に、光導波路上に（すなわち上側クラッド層２ｂの表面に）、薄膜ヒーター用材料をスパッタリング法等により所定膜厚で形成し、その後エッチング等により、光導波路上方に且つその光導波路に沿うように（すなわち上側クラッド層２ｂの表面で且つコア３の形成位置に沿うように）、所定形状の薄膜ヒーター４を形成する（図４（ｃ））。なお、薄膜ヒーター材料として窒化チタンを用いた場合、その窒化チタン薄膜は、ＡＰ−ＣＶＤで成膜した上側クラッド層２ｂであるガラス膜との密着性やフォトレジストとの密着性に優れているので、密着膜としての薄い金属膜（例えばチタン薄膜やクロム薄膜など）を成膜する必要が無く、ウェットエッチングの制御性が非常に高いという利点がある。そのため、例えば窒化チタン薄膜をフォトリソグラフィおよびウェットエッチングで精度よくパターニングすることができ、電気的特性のそろった薄膜ヒーター４を形成することができる。
【００６０】
この熱光学位相シフタの製造方法において、ヒーターの形成方法を窒化チタンを例にして詳細に説明する。
【００６１】
窒化チタン薄膜は、チタンターゲットとプロセスガスとしての窒素ガスと酸素元素を含むガスとを少なくとも含有する混合ガスを用いた反応性スパッタリング法で好ましく成膜することができる。スパッタリング法としては、ＤＣマグネトロンスパッタとＲＦスパッタが好適である。酸素元素を含むガスとしては酸素ガスや水蒸気が好適である。また、アルゴンガスを加えることにより、成膜速度を大きくすることができる。
【００６２】
窒化チタン中への酸素等の含有量の調整は、各ガスの流量と共にスパッタ時ガス圧、基板温度、スパッタ電力の制御により行うことができる。特に、スパッタ時のガス圧と基板温度は、窒化チタンの膜質や残留応力にも大きく影響するので重要である。それぞれ限定はされないが、ガス圧としては１から１０ｍＴｏｒｒ、基板温度としては５００℃以下、特に１００から２５０℃が好適である。また、ガス流量の代わりに酸素を含有するガスの分圧を制御することも好適である。
【００６３】
窒化チタン薄膜の他の形成方法として、チタンターゲットと少なくとも窒素ガスを含むプロセスガスと水を吸着した基板を用いた反応性スパッタも好適である。スパッタ方法、スパッタ時のガス圧、基板温度、スパッタ電力の制御については、上述した方法と同様であり、水蒸気分圧の制御により窒化チタン中への他の元素の含有量を制御できる。また、スパッタチャンバー内に水の吸着がある場合には、基板に水を吸着させる必要はなく、水蒸気分圧のみ制御すればよい。いずれの方法においても、窒化チタン中の酸素等の元素の含有量を制御することにより、窒化チタンで作製されたヒーターの抵抗率や抵抗温度係数を制御することが可能となる。
【００６４】
なお、抵抗率は、シリコン酸化膜上に窒化チタン薄膜を成膜した試料を用いて四端子法により測定し、算出した。また、抵抗温度係数は、実際に利用した薄膜ヒーター形状の一つである幅３０μｍ・長さ２ｍｍ・厚さ０．５μｍの構造の薄膜抵抗内蔵基板を作製し、高温槽中で温度を変えて（温度範囲は室温〜２００℃程度）、それぞれの温度における直流抵抗を測定することにより算出した。
【００６５】
次に、熱光学位相シフタの動作について説明する。
【００６６】
本発明の熱光学位相シフタにおいては、薄膜ヒーター４への投入電源として、３〜６Ｖ程度の電源または上限電圧が１２Ｖ程度のオペアンプからなる外部電源を用いることができる。薄膜ヒーター４の両電極部に電力が投入されると、薄膜ヒーター４が発熱し、光導波路の温度を上昇させることでその屈折率が変化する。屈折率が変化した光導波路は、その実効長が変化し、その結果、入力端（図示せず）から光導波路に入射された光の出力端（図示せず）における位相を変化させることができる。特に本発明の熱光学位相シフタにおいては、抵抗温度係数が小さい薄膜ヒーター４が使用されるので、加温前後の抵抗値の変化を非常に小さく抑えることができる。
【００６７】
次に、本発明の熱光学位相シフタを動作させる回路について説明する。
【００６８】
図５は、本発明に係るヒーターを形成した本発明の熱光学位相シフタを動作させる回路の一例を示すブロック図である。なお、図５中の破線は、窒化タンタルでヒーターを形成した従来タイプの熱光学位相シフタを動作させる回路の場合に必須となる電源を表している。
【００６９】
本発明の熱光学位相シフタは、抵抗率６０μΩｃｍ以下で抵抗温度係数±１０００ｐｐｍ／Ｋ以下のヒーターで光導波路を加熱し、その光導波路を通過する光の位相を変化させているので、抵抗率の大きい窒化タンタルを用いた従来の熱光学位相シフタとは異なり、最大電圧１３Ｖ以上の電源が不要になり、５〜６Ｖの通常のＤＣ電源のみで動作させることができるという特徴がある。しかも、そのヒーターは抵抗温度係数が小さいので、位相シフト量のモニターやモニターされた位相シフト量を調節するための制御回路を必要としなくても、位相シフト量と光導波路の温度上昇量とヒーターの発熱量との間の相互の関係を、Ｖ１電圧をモニターすることによって一意に制御することができる。その結果、制御回路および制御プログラムの大幅な簡略化が可能になると共に、制御回路の単純化を図ることができる。
【００７０】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。
【００７１】
（実施例１）
図１に示す態様の熱光学位相シフタを作製した。先ず、厚さ０．８ｍｍのシリコン基板を準備し、そのシリコン基板上に、下側クラッド層２ａとして膜厚１５μｍのＢＰＳＧ（ボロンリンシリカガラス）を常圧化学気相成長法により形成した。次に、その下側クラッド層２ａ上に、クラッド層２（下側クラッド層２ａおよび上側クラッド層２ｂ）よりも屈折率が大きいＧＰＳＧ（ゲルマニウムリンシリカガラス）からなるコア用薄膜を常圧化学気相成長法により５．５μｍ厚で形成し、引き続いてそのコア用薄膜をフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、直線状に形成したコアの長手方向に直交する断面高さが５．５μｍで幅が５．５μｍの矩形状のコア３を形成した。次に、このコア３を含む下側クラッド層２ａ上に、上側クラッド層２ｂとして膜厚１３μｍのＢＰＳＧ（ボロンリンシリカガラス）を常圧化学気相成長法により形成した。このとき、コア３とクラッド層２との比屈折率差Δは約０．６５％とした。クラッドおよびコアに有機物材料を用いる場合においても、成膜にスピンコート法など異なる方法を用いる以外は、ほぼ同一の工程および設計となる。
【００７２】
次いで、上側クラッド層２ｂの表面に、窒化チタンからなる幅３０μｍ×長さ２ｍｍ×厚さ０．５μｍの薄膜ヒーター４を形成し、その薄膜ヒーターの両端部には、一辺５００μｍの正方形状からなる電極部分４ａを形成した。この薄膜ヒーターは、厚さ１００ｎｍの窒化チタン膜をスパッタリング法により成膜した後、エッチングして形成した。
【００７３】
なお、窒化チタンからなるヒーターは、抵抗率が６０μΩｃｍで抵抗温度係数が±１００ｐｐｍ／Ｋとなるように形成した。そうしたヒーター用窒化チタン膜の成膜は、スパッタアップタイプのインラインＤＣマグネトロンスパッタ装置でチタンターゲットに窒素ガスを導入した反応性スパッタにより、窒化チタン膜を成膜した。スパッタ装置のチャンバー内圧力は、９．９×１０−７Ｔｏｒｒ以下に真空排気後、成膜時はチャンバー内に窒素を５０ｓｃｃｍ導入しながらオリフィス絞りを制御してチャンバー内圧力を３ｍＴｏｒｒにした。基板温度は１５０℃、ターゲット上の基板移動速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、スパッタ電力は２．０ｋＷにした。
【００７４】
こうして作製した実施例１の熱光学位相シフタは、ヒーターの長さを２ｍｍとしたため、入射光として波長が１５５０ｎｍの光を使用すると、位相シフト量を半波長分とするのに必要なヒーターの温度変化量は約６０℃となる。その温度範囲において、本実施例で用いた窒化チタンヒーターの抵抗温度係数は、実測した結果約１００ｐｐｍ／Ｋであった。したがって、６０℃の温度変化での抵抗値変化の割合は０．６％となり、非常に小さな変動に抑えることができた。一方、比較例として、抵抗温度係数値が大きい材料、例えば約３×１０−３／Ｋの白金薄膜を用いた場合、６０℃の温度上昇における抵抗値変化は１８％に達し、ヒーターとして利用する場合には大きな問題となった。
【００７５】
図６は、窒化チタンからなるヒーターと白金からなるヒーターの温度に対する抵抗値変化を示したものである。抵抗温度係数の違いにより、１００℃の温度変化後の抵抗値は大きく異なり、明らかに窒化チタンの方が抵抗値が一定しているため、外部回路により容易に投入電力量を制御可能であることがわかる。
【００７６】
実施例１の熱光学位相シフタは、抵抗率と抵抗温度係数が小さく、作製が容易な窒化チタンでヒーターを形成しているので、電源回路の簡略化等、モジュールの小型化を図ることができ、デバイスの一層の小型化・大規模化が可能となる。また、窒化チタンは安定性にも優れているので、動作中の化学的要因や熱履歴による抵抗値変化が±０．５％以内と小さく、信頼性に優れた熱光学位相シフタが作製できた。
【００７７】
（実施例２）
図２に示す態様の熱光学位相シフタを作製した。上記実施例１の熱光学位相シフタは、薄膜ヒーター４が上側クラッド層２ｂの表面に形成されているが、この実施例２の熱光学位相シフタは、実施例１で作製された熱光学位相シフタの薄膜ヒーター４を覆うように厚さ１．０μｍの第２の上側クラッド層６をＡＰ−ＣＶＤ法により形成し、さらに、第２の上側クラッド層６には、薄膜ヒーター４の電極部分４ａに電力を供給するためのビア７を設けたものである。なお、ＡＰ−ＣＶＤ法でＰＳＧからなる第２の上側クラッド層６を形成できたのは、第２の上側クラッド層６が９００℃以下の低温プロセスで成膜・アニール工程を行うことができることと、窒化チタンがこの温度に耐えられることにより可能となったためである。電極用ビア７の形成は、フォトリソグラフィ及びＲＩＥにより行った。その後、給電用配線（図示せず）を成膜・パターニングし、実施例２の熱光学位相シフタを製造した。
【００７８】
（実施例３）
図３に示す態様の熱光学位相シフタを作製した。上記実施例２の熱光学位相シフタは、薄膜ヒーター４を第２の上側クラッド層６で覆っているが、この実施例３の熱光学位相シフタは、実施例１で作製された熱光学位相シフタの薄膜ヒーター４を覆うように、保護層またはバッファ層として作用する厚さ１μｍのＳｉＯ２膜（絶縁膜８）をスパッタリング法で成膜したものである。なお、ヒーターを構成する窒化チタンは化学的に安定であるので、ＳｉＯ２膜に物理的な保護層として、また絶縁層として、またはバッファ層としての役目を問題なく持たせることができる。
【００７９】
こうして作製された熱光学位相シフタは、実施例２と同様に、給電用配線の配置自由度が高く、薄膜ヒーター４を後工程で生じ得る変質から防ぐことができ、小型で長期安定性に優れた熱光学位相シフタを作製することができた。また、アニール工程も必要無く、成膜工程の大幅な短時間化が可能となった。
【００８０】
（実施例４）
図７は、所定形状の薄膜ヒーターを用いた際の印加電圧と位相シフト量との関係を示すグラフである。このグラフは、実施例１の熱光学位相シフタを用いた場合であって、（ａ）は、抵抗値８０Ωで抵抗温度係数±５００ｐｐｍ／Ｋに調整した薄膜ヒーター、あるいは抵抗率６０μΩｃｍで抵抗温度係数±５００ｐｐｍ／Ｋに調節した窒化チタン（酸素含有量：１．２８重量％）からなる薄膜ヒーター（厚さ０．５μｍ×幅３０μｍ×長さ２ｍｍ）を形成したものを使用し、（ｂ）は、抵抗値３２０Ωで抵抗温度係数±５００ｐｐｍ／Ｋに調整した薄膜ヒーター、あるいは抵抗率２４０μΩｃｍで抵抗温度係数±５００ｐｐｍ／Ｋに調節した窒化チタン（酸素含有量：２．５５重量％）からなる薄膜ヒーター（厚さ０．５μｍ×幅３０μｍ×長さ２ｍｍ）を形成したものを使用した。なお、このとき導波光波長１．５５μｍの位相シフトπに必要な薄膜ヒーターへの最大投入電力は４５０ｍＷであった。
【００８１】
図７より明らかなように、（ａ）の曲線に該当する薄膜ヒーターは、５〜６Ｖ電源で位相シフト量を可変でき、（ｂ）の曲線に該当する薄膜ヒーターは、上限電圧１２Ｖのオペアンプで位相シフト量を可変できた。なお、φを位相シフト量（πで規格化）、ａを係数、Ｅをヒーターに印加する電圧（Ｖ）とすると、（ａ）の曲線は、φ＝ａ×Ｅ２、ａ≧０．０２８、の関係を示しており、（ｂ）の曲線は、φ＝ａ×Ｅ２、ａ≧０．００６９、の関係を示している。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の熱光学位相シフタによれば、抵抗値もしくは抵抗率と抵抗温度係数が所定値以下のヒーターにより光導波路が加熱されるので、動作中のヒーター自体の抵抗値の変化が極めて小さく、その結果、電流および電圧のいずれか一方のみをモニターするだけで光導波路の温度制御を正確に行うことができる。そのため、個々の熱光学位相シフタごとの位相シフト量のモニターやモニターされた位相シフト量を調節するための制御回路を必要としなくても、位相シフト量と光導波路の温度上昇量とヒーターの発熱量との間の相互の関係を一意に制御することができ、制御回路および制御プログラムの大幅な簡略化が可能になる。さらに、この熱光学位相シフタは、３〜６Ｖ程度の電圧で位相シフト量を可変できるので、電子回路で一般的に使用されている電源を使用でき、その結果、熱光学位相シフタを動作させる制御回路の単純化を図ることができるという極めて甚大な効果がある。
【００８３】
また、本発明によれば、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料は上述した抵抗率と抵抗温度係数を満たすと共にエッチング性能に優れているので、多チャンネル化の場合において、各ヒーターの抵抗値を精度よく合致させることができ、電気特性の揃ったヒーターを容易に形成することができる。また、窒化チタンまたは窒化チタンを主成分とする材料は、大気中の酸素と反応しないなど化学的に安定であると共に熱履歴などによる抵抗率変化も小さいので、長期にわたって安定して動作させることができる優れた熱光学位相シフタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱光学位相シフタの一例を示す平面図（ａ）およびＡ１−Ａ１’断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の熱光学位相シフタの他の一例を示す平面図（ａ）およびＡ１−Ａ１’断面図（ｂ）である。
【図３】本発明の熱光学位相シフタのさらに他の一例を示す平面図（ａ）およびＡ１−Ａ１’断面図（ｂ）である。
【図４】本発明の熱光学位相シフタの製造方法の工程順を一例を説明図である。
【図５】本発明に係るヒーターを形成した本発明の熱光学位相シフタを動作させる回路の一例を示すブロック図である。
【図６】窒化チタンからなるヒーターと白金からなるヒーターの温度に対する抵抗値変化を示したものである。
【図７】所定形状の薄膜ヒーターを用いた際の印加電圧と位相シフト量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  基板
２  クラッド層
２ａ  下側クラッド層
２ｂ  上側クラッド層
３  コア
３ａ  薄膜
４  薄膜ヒーター
４ａ  電極部分
４ｂ  ヒーター部分
５  第１の上側クラッド層
６  第２の上側クラッド層
７  ビア
８  絶縁膜
【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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【図７】
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