(57)【要約】      （修正有）【課題】マトリクス光スイッチの小型化を図ると共に、生産性を向上させる。【解決手段】基板Ｉには、互いに交差する光導波路１が設けられており、光導波路の交差部には溝３が形成され、この溝３には屈折率整合液Ｌが封入されている。また基板Ｉには、接合用シリコン層９とパイレックス板７が積層されている。半導体素子基板ＩＩには、電気ヒータ４や電気回路となるＦＥＴ１３などが形成されている。そして、基板Ｉと半導体素子基板ＩＩが、接着剤１７により接着されて固定されている。電気ヒータ４の発熱により屈折率整合液Ｌを移動させて、光スイッチング動作をさせることができる。【選択図】図１（ａ）
2005181362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙に所定の光学特性をもつ液体が封入され、当該空隙の近傍に設けられた電気ヒータに給電して当該液体を加熱することにより、当該液体を当該空隙内で移動させて、前記光導波路の前記交差部で光路を切り替えるエレメントを行方向と列方向とに複数有するマトリクス型の光スイッチにおいて、
シリコン基板上に形成された互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙を持つ平面光回路基板の表面にシリコン層が堆積され、そのシリコン層に密着して珪ホウ酸ガラス板が陽極接合された基板と、
シリコン基板上に電気ヒータとそのヒータに通電する為の電気回路が形成された半導体素子基板とが、接着されて固定されていることを特徴とするマトリクス光スイッチ。
【請求項２】
互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙に所定の光学特性をもつ液体が封入され、当該空隙の近傍に設けられた電気ヒータに給電して当該液体を加熱することにより、当該液体を当該空隙内で移動させて、前記光導波路の前記交差部で光路を切り替えるエレメントを行方向と列方向とに複数有するマトリクス型の光スイッチにおいて、
シリコン基板上に形成された互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙を持つ平面光回路表面と、
シリコン基板上に電気ヒータとそのヒータに通電する為の電気回路が形成された半導体素子基板とが、陽極接合により密着して固定されていることを特徴とするマトリクス光スイッチ。
【請求項３】
各々の電気ヒータにＦＥＴが直列に接続され、この電気ヒータとＦＥＴとでなる直列回路の端子のうちの一端が、格子状に形成された第一の電気配線に接続されており、前記直列回路の端子のうちの他端が、格子状に形成された第二の電気配線に接続されており、
更に、前記電気ヒータと前記半導体素子基板側との間に断熱構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマトリクス光スイッンチ。
【請求項４】
前記電気ヒータと前記半導体素子基板側との間に厚み２０００Å以上、熱分解温度３５０°Ｃ以上、熱伝達率が０．２Ｗ／ｍＫ以下のポリイミド膜からなる断熱構造を有することを特徴とする請求項３に記載のマトリクス光スイッチ。
【請求項５】
前記電気ヒータと前記半導体素子基板側との間に厚み５μｍ以上の石英層が部分的に埋め込まれた断熱構造を有することを特徴とする請求項３に記載のマトリクス光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システム等における光路の設定や切替に用いられるマトリクス光スイッチに関し、特に大規模なマトリクス型に適用すると有効である。
【背景技術】
【０００２】
互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙に、光導波路と等しい屈折率整合液を封入し、この屈折率整合液を空隙内で移動させることにより、光導波路の交差部で光路の切り替えを行う光スイッチは、現在までに種々のものが提案されている。
【０００３】
例えば、特開平９−１３３９３２号公報では、基板中で互いに交差しないｍ本の光導波路と、互いに交差しないｎ本の光導波路とが互いに交差し、各交差点部に前記光導波路の光軸と所定の角度をなす壁面を持つ空隙と、この空隙内の一部に封入された前記光導波路の屈折率に近似した屈折率を有する光学的に透明な液体と、前記空隙付近に発熱する手段とを備え、この発熱手段を発熱させて前記空隙内の液体を移動させることにより、光路の切替を行う光スイッチを提案している。
【０００４】
また、特開平１０−７３７７５号公報には、上記公報で提案されている光スイッチの組立方法が開示されている。具体的には、図２に示すように、シリコン製の基板３１上に石英系の光導波路層３２を形成し、この光導波路層３２上にチタン、クロム等の比較的高抵抗を有する金属の薄膜及び金等の低抵抗を有する金属の薄膜をスパッタ法や真空蒸着法等で堆積させ、フォトリソグラフィとドライエッチングとを組み合わせた手法等により、電気ヒータ３６、電気配線３５、スリットを製作した後、その上にシリコン層を堆積させ、シリコン層とパイレックスガラス製（なお「パイレックス」は登録商標であり、酸化ホウ素を添加した珪ホウ酸ガラスの代表的な商品である）の基板３７とを陽極接合により接合してスリットを当該基板３７で蓋することにより、光導波路３３の交差部に空隙３４を形成したら、光導波路層３２または基板３７の接合面にあらかじめ形成しておいた注入管路３９の注入口４０から屈折率整合液４１を圧力制御法等の手法により空隙３４内に精密に適量注入した後、この注入口４０をエポキシ樹脂等で閉塞することにより、上述したような光スイッチが得られる。なお３８は迂回管路である。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３３９３２号公報
【特許文献２】特開平１０−７３７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したような従来の光スイッチを大規模なマトリクス型の光スイッチに適用する場合には以下のような問題があった。
【０００７】
上述した光スイッチにおいては、一エレメント、つまり一空隙３４内の屈折率整合液４１をその空隙３４内で移動させるために少なくとも二つの電気ヒータ３６が必要であり、これらの電気ヒータ３６に独立して電力を供給するためには少なくとも三本の電気配線が必要となる。このため、ｎ本のエレメントを一列に配置した場合、電気配線３５は各電気ヒータ３６のグランドを共通させたとしても、２ｎ＋１本が必要となってしまう。さらに、ｎ個のエレメントをｍ列で配置した場合（ｎ×ｍ）、電気配線３５は、（２ｎ＋１）×ｍ本が必要となってしまう。
【０００８】
また、電気ヒータ３６の駆動回路等を搭載した電気回路ボードにマトリクス型の光スイッチを混載する場合、光スイッチの電気配線３５と電気回路ボード上の電気配線とをワイヤボンディング等の手法により接続できるように、光スイッチの電気配線３５を光スイッチの光導波路層３２の端面に展開させておく必要があるため、エレメント同士の間隔を必要十分に広げて電気配線３５を配置しなければならない。このため、光スイッチのサイズが非常に大きくなってしまい、フォトリソグラフィとドライエッチングとを組み合わせた手法等による上記電気配線３５等の製作が困難になってしまう。
【０００９】
配線を２層に重ねて１層目に縦方向、２層目に横方向とし、その交点にヒータを挿入する電気的な配線を採用することで、８×８規模のマトリクス光スイッチでは、横配線をＧＮＤとして合計２４本の配線で目的のヒータを駆動させることが、不完全ではあるができる。不完全とは、配線が網目状に組まれているために目的のヒータ以外にも電流が流れることを意味する。
【００１０】
この不要の回り込み電流を削除する方法として、整流器すなわちダイオードをヒータに直列に接続することが有効である（特開２００１−３１１８８８）。さらに、液晶表示器の製造で使われている薄膜トランジスタを使った記憶回路（フリップフロップ回路）とヒータの駆動回路（電流スイッチ）を各ヒータ毎に組み込むことで配線をさらに削減することが考えられる。
【００１１】
８×８規模のマトリクス光スイッチでは、電源線とＧＮＤ線（接地線）の他に行列の指定に最低２４本必要である。ダイオードアレイの縦横指定の線ではヒータ駆動の電流が流れるためそれに見合った太さが必要であるが、トランジスタを用いたアレイではこれとは異なり、行列指定は論理回路なので電流はほとんど流れず配線抵抗の高いポリシリコン配線でも構わないし、細線で十分である。もちろん、ダイオードアレイでもトランジスタアレイでも配線層数は２層以上になることは避けられない。
【００１２】
これら半導体素子を平面光回路に造り込むことは液晶表示器の例もあり一見可能に思えるが、液晶表示器の駆動電流はマイクロアンペア以下と極めて低いのに対して、本発明で対象とするマトリクス光スイッチでのヒータ駆動電流は数十ミリアンペアと４桁以上の電流量の開きが有り、ガラス表層に堆積したポリシリコンやアモルファスシリコンでは、百ミクロン角程度の小面積で実現できる電流容量ではない。したがって、薄膜トランジスタを使った技術はマトリクス光スイッチには全く適用できないのである。
【００１３】
シリコン基板上に通常のＩＣと類似の技術で上記のダイオードアレイやトランジスタアレイを製作することは比較的容易である。しかしながら、ヒータを同時に造り込む場合、シリコンの熱伝導率が平面光回路の石英ガラスに比べ１桁程度大きいことから、ヒータの熱はシリコン基板に奪われる。そのため、光スイッチを駆動させるためには、ガラスで覆われている場合よりヒータに流す電流を増大させる必要があるだけでなく、半導体素子を誤動作させる虞があるため、ヒータの近傍に半導体素子を形成することができないという問題があった。また、これら半導体素子を溝や注入パスなどの微細な構造を維持しつつ平面光回路に密着して接合することも困難であった。
【００１４】
このようなことから、本発明は、大規模なマトリクス型であっても小型化および小電力化を図ることができるマトリクス光スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明の構成は、互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙に所定の光学特性をもつ液体が封入され、当該空隙の近傍に設けられた電気ヒータに給電して当該液体を加熱することにより、当該液体を当該空隙内で移動させて、前記光導波路の前記交差部で光路を切り替えるエレメントを行方向と列方向とに複数有するマトリクス型の光スイッチにおいて、
シリコン基板上に形成された互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙を持つ平面光回路基板の表面にシリコン層が堆積され、そのシリコン層に密着してパイレックス板が陽極接合された基板と、
シリコン基板上に電気ヒータとそのヒータに通電する為の電気回路が形成された半導体素子基板とが、接着されて固定されていることを特徴とする。
【００１６】
また本発明の構成は、互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙に所定の光学特性をもつ液体が封入され、当該空隙の近傍に設けられた電気ヒータに給電して当該液体を加熱することにより、当該液体を当該空隙内で移動させて、前記光導波路の前記交差部で光路を切り替えるエレメントを行方向と列方向とに複数有するマトリクス型の光スイッチにおいて、
シリコン基板上に形成された互いに交差する光導波路の交差部に設けられた空隙を持つ平面光回路表面と、
シリコン基板上に電気ヒータとそのヒータに通電する為の電気回路が形成された半導体素子基板とが、陽極接合により密着して固定されていることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の構成は、各々の電気ヒータにＦＥＴが直列に接続され、この電気ヒータとＦＥＴとでなる直列回路の端子のうちの一端が、格子状に形成された第一の電気配線に接続されており、前記直列回路の端子のうちの他端が、格子状に形成された第二の電気配線に接続されており、
更に、前記電気ヒータと前記半導体素子基板側との間に断熱構造を有することを特徴とする。
【００１８】
また本発明の構成は、前記電気ヒータと前記半導体素子基板側との間に厚み２０００Å以上、熱分解温度３５０°Ｃ以上、熱伝達率が０．２Ｗ／ｍＫ以下のポリイミド膜からなる断熱構造を有することを特徴とする。
【００１９】
また本発明の構成は、前記電気ヒータと前記半導体素子基板側との間に厚み５μｍ以上の石英層が部分的に埋め込まれた断熱構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、互いに交差する光導波路の交差部に封入した所定の光学特性を有する液体を電気ヒータで加熱して移動させることにより、光路を切り替えるエレメントを行方向と列方向とに複数有するマトリクス型光スイッチの小型化、小電力化および生産性の容易化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１（ａ），図１（ｂ）は、本発明の実施例１に係るマトリクス光スイッチを示す構造図である。図１（ａ）の断面図には１素子のみが記載されているが、奥行き方向に複数の素子が集積されている。図１（ｂ）は半導体素子基板の回路構成を平面的に示す概略構造図である。
【００２３】
実施例１では、基板Ｉと、半導体素子基板ＩＩとを、接着剤１７により接着・固定して構成したものである。しかも、基板Ｉの溝３の上方位置に、半導体素子基板ＩＩの電気ヒータ４が近接して配置されるように位置合わせして接着・固定されている。
【００２４】
基板Ｉは、平面光回路基板Ｉａを有している。この平面光回路基板Ｉａでは、シリコン基板８上に、光導波路１が交差して形成されており、この交差部に溝（空隙）３が形成されている。この平面光回路基板Ｉａの表面には、接合用シリコン層９が堆積され、接合用シリコン層９に密着してパイレックス板７が陽極接合されている。また溝３内には、この溝内で移動する屈折率整合液（オイル）Ｌが封入されている。この屈折率整合液Ｌは、コア２の屈折率と等しい屈折率を有している。
【００２５】
半導体素子基板ＩＩでは、ＦＥＴ基板（シリコン基板）１２上に、電気ヒータ４と、この電気ヒータ４に通電するための電気回路が形成されている。この電気回路としては、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１３，ドレン電極配線１４，ゲート電極配線１５，ソース電極配線１６や、第一の電気配線５−１，第二の電気配線５−２がある。また、この半導体素子基板ＩＩには、絶縁層６，断熱層１８，シリカ絶縁層１９が備えられている。電気配線５−１と電気配線５−２は上下方向に離間しつつ電気的に絶縁されている。そして、電気配線５−１，５−２のうちの一方に正電圧が印加され、他方が接地電位に接続されている。
【００２６】
更に詳述すると、図１（ｂ）に示すように、各々の電気ヒータ４にはＦＥＴ１３が直列に接続されている。しかもＦＥＴ１３の端子のうち、ヒータ側の端子は格子状に形成された第一の電気配線５−１に接続され、反ヒータ側の端子は格子状に形成された第二の電気配線５−２に接続されている。即ち、電気ヒータ４とＦＥＴ１３とを直列接続してなる直列回路は、その一端が第一の電気配線５−１に接続され、その他端が第二の電気配線５−１に接続されている。このように電気配線５−１，５−２を格子状に形成することにより、電気配線５−１，５−２での電気抵抗ひいては、電気配線５−１，５−２での電圧降下を抑制でき、各ＦＥＴ１３及び電気ヒータ４に対して均等に電圧を印加することが可能となり、各電気ヒータ４の発熱量が均等になる。また電気配線５−１，５−２を格子状にしているため、平面的に見た場合に、電気配線５−１，５−２が電気ヒータ４に重なることなく電気ヒータ４を囲む状態となっているため、電気ヒータ４から電気配線５−１，５−２への熱伝達を抑制でき、電気ヒータ４の発熱を効率的に利用することができる。そして、ＦＥＴ１３が導通状態になると電気ヒータ４に電流が流れて発熱し、ＦＥＴ１３が遮断状態になると電流が遮断されて電気ヒータ４の発熱が停止される。
【００２７】
図１（ａ）に示すように上下方向で見ると電気ヒータ４は溝３の上方に位置しているが、図１（ｂ）に示すように平面的に見ると、溝３は電気的に分離された一対（二つ）の電気ヒータ４により囲まれている（溝３の長手方向に関して右側に一方の電気ヒータ４を、左側に他方の電気ヒータ４を配置している）。このため、一対の電気ヒータ４を交互に作動（発熱）させて、溝３内に封入した屈折率整合液Ｌに局所的な温度勾配を与え、温度の違いによる表面張力を利用して屈折率整合液Ｌを溝３内で移動させることができる。このように屈折率整合液Ｌを溝３内で移動させることにより光スイッチ動作ができる。この結果、溝３の位置で相互に交差する光導波路１，１のうち、一方の光導波路１で光伝搬ができる時には、これに交差する他方の光導波路１では光遮断がされる。
【００２８】
また、ＦＥＴ１３のゲート電極配線１５は、駆動させたいヒータ４を選択するためのドライバ回路と微細配線で繋がっている（図示なし）。また、電気ヒータ４と半導体素子基板側との間には、厚さ１μｍ、熱分解温度３５０°Ｃ以上、熱電伝導率が０．２Ｗ／ｍＫのポリイミド膜からなる断熱構造（断熱層）１８が形成されている。
【００２９】
図３は断熱層の厚みと電気ヒータの上昇温度との関係を示す図である。シリコン基板上に直接電気ヒータが形成された場合には、シリコンの熱伝導率が平面光回路の石英ガラスに比べ一桁程度大きいことから、電気ヒータの熱はシリコン基板に奪われる。そのため、電気ヒータの上昇温度は、石英ガラスで覆われている場合と大きく異なり、光スイッチを動作させるには不十分である。
【００３０】
光スイッチを駆動させるためには、ガラスで覆われている場合より電気ヒータに流す電流を増大させればよいが、そのためにはＦＥＴ素子や配線を大きくしなければならないし、また半導体素子自身の温度上昇は誤動作させる虞があるためヒータの近傍に半導体素子を形成することができないという問題が発生する。
【００３１】
これを回避するために、実施例１では、電気ヒータ４と半導体素子基板側との間に断熱層１８を設けることで、石英系ガラスで覆われている場合と同等以下の電流でスイッチ動作を可能にできる。また、薄膜による断熱が可能になり、多層配線を形成することも容易にできる。膜厚が大きい場合、形成時に段差が発生し配線切れや絶縁不良の問題が発生する。
【００３２】
また、本実施例１では、平面光回路側の密閉溝構造を形成するために陽極接合により、パイレックス板７を平面光回路Ｉａの表面へ接合し、基板Ｉと半導体素子基板ＩＩとの接合は、別途、接着剤１７を用いて行う。平面光回路Ｉａの表面には、陽極接合用のシリコン層９が堆積され、これにパイレックス（パイレックス板７）の薄い基板を重ねて陽極接合を行う。陽極接合が完了した後、表面をさらに研削、研磨を施し、パイレックスの厚さを１０μｍ以下にまで薄くする。
【００３３】
このパイレックス板７の上に、接着剤１７で半導体素子基板ＩＩを密着固定することで光スイッチを構成する。この実施例１では、製造工程において半導体素子（ＦＥＴ１３）に対し、加熱、電圧印加を行わないので、製造工程において半導体素子へダメージを与えることを避けることができる。
【実施例２】
【００３４】
図４は、本発明の実施例２に係るマトリクス光スイッチを示す断面構造図である。本実施例２も実施例１と同様、断面図には１素子のみが記載されているが、奥行き方向に複数の素子が集積されている。
【００３５】
実施例２では、平面光回路基板ＩＩＩと、半導体素子基板ＩＶとを陽極接合により密着して固定している。半導体素子基板ＩＶの回路構成は、実施例１の半導体素子基板ＩＩとほぼ同様である。
この実施例２が実施例１と異なるのは、電気ヒータ４と半導体素子基板ＩＶとの断熱構造（断熱層１８Ａ）、および、平面光回路基板ＩＩＩと半導体素子基板ＩＶとの固定方法の２点である。このため、実施例１と同一部分には同一符号を付し、重複する部分の説明は省略し、異なる部分を中心に説明をする。
【００３６】
まずはじめに、電気ヒータ４と半導体素子基板ＩＶとの断熱構造についてであるが、半導体素子形成後に、ヒータ形成部分をエッチングして窪みを形成し、石英ガラスをスパッタリングにより５μｍ以上堆積後、表面を研磨して平坦化させた後に、配線やヒータを形成する。このようにして、石英ガラスを堆積・研磨・平坦化させて断熱層１８Ａを形成している。
【００３７】
次に、平面光回路基板ＩＩＩと半導体素子基板ＩＶとの固定方法について説明する。実施例２では、半導体素子基板ＩＶを密着固定する前の平面光回路基板ＩＩＩの表層には堆積された１μｍ程度の厚さの接合用シリコン層９が接合用として堆積されている。
【００３８】
半導体素子基板ＩＶには、実施例１と同様、ヒータのアレイとそのヒータをＦＥＴで個々に駆動制御する回路が形成されている。半導体素子基板ＩＶの表面は、シリカ絶縁層１９で埋め込まれ、その上にシリコン層２０、接合用パイレックスガラス２１の順に堆積されている。パイレックスガラス２１の下層のシリコン層２０は陽極接合する際に、パイレックスガラス２１に対する電極として機能する。半導体素子基板ＩＶの表面のパイレックスガラス２１の層の厚さは数μｍの厚さである。
【００３９】
そして、半導体素子基板ＩＶ側の陽極接合用パイレックスガラス２１の層と、平面光回路基板ＩＩＩ側の接合用シリコン層９を密着させて、数百°Ｃの温度に加熱しながら半導体素子基板ＩＶ側の電極用シリコン層２０に陰極を電気的に接触させると共に、平面光回路基板ＩＩＩ側の接合用シリコン層９に陽極を電気的に接触させて電圧を印加することで陽極接合が行われる。
【００４０】
この構成では、半導体素子基板ＩＶ側が陰極となるため、パイレックスガラス２１内部のナトリウムイオンは半導体素子基板ＩＶ側へ電界で加速されることになる。しかし、本発明の構成では、パイレックスガラス２１と半導体素子の間にシリコン層２０が挟まれており、かつ、ナトリウムイオンの電位が陽極となっている。パイレックスガラス２１の下層の電極となっているシリコン層２０の電位が最も高いため、加速されたナトリウムイオンはこのシリコン層２０に捕獲され、その下のシリカ絶縁層１９を突き抜けて半導体素子にまで拡散することを防止することができる。
【００４１】
この電極となるシリコン層２０とともに半導体素子基板ＩＶを陽極に接触させて同電位にすれば半導体内部の電界は外部からシールドされて完全に同電位となりナトリウムの浸入をさらに確実に防止することができる。
【００４２】
なお、電極となるシリコン層２０を、他の金属材料に置き換えても良い。例えば、アルミニウム、クロム、チタニウムなど、ガラスとの密着性の高い金属はこの目的に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１（ａ）】本発明の実施例１に係るマトリクス光スイッチを示す断面図。
【図１（ｂ）】本発明の実施例１に係るマトリクス光スイッチの半導体素子基板に形成する回路構成を平面的に示す概略構成図。
【図２】従来の光スイッチの一例を示す概略構造図。
【図３】断熱膜の厚みとヒータの上昇温度との関係を示す特性図。
【図４】本発明の実施例２に係るマトリクス光スイッチを示す概略構造図。
【符号の説明】
【００４４】
１  光導波路
２  コア
３  溝
４  電気ヒータ
５−１  第一の電気配線
５−２  第二の電気配線
６  絶縁層
７  パイレックス板
８  シリコン基板
９  接合用シリコン層
１２  ＦＥＴ基板
１３  ＦＥＴ
１４  ドレン電極配線
１５  ゲート電極配線
１６  ソース電極配線
１７  接着材
１８，１８Ａ  断熱層
１９  シリカ絶縁層
２０  シリコン層
２１  接合用パイレックスガラス
３１  シリコン基板
３２  石英系光導波路層
３３  光導波路
３４  空隙
３５  電気配線
３６  電気ヒータ
３７  パイレックスガラス基板
３８  迂回管路
３９  注入管路
４０  注入口
４１  屈折率整合液
Ｉ  基板
Ｉａ  平面光回路基板
ＩＩ  半導体素子基板
ＩＩＩ  平面光回路基板
ＩＶ  半導体素子基板
Ｌ  屈折率整合液
【図１（ａ）】
2005181362.tif 000003
【図１（ｂ）】
2005181362.tif 000004
【図２】
2005181362.tif 000005
【図３】
2005181362.tif 000006
【図４】
2005181362.tif 000007