(57)【要約】【課題】  超高屈折コントラストプレーナ型の厳密非ブロッキングの高ポートカウントクロスコネクトスイッチマトリックスを提供する。【解決手段】  超高屈折コントラスト材料から製作される高度集積光波回路、特に光スイッチアレイおよびそれらの製作手段を開示する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路層と電極層とを備えるプレーナ型スイッチマトリックスであって、
前記導波路層は複数の１×２Ｙ分岐型熱光学デジタル光スイッチを備え、各該Ｙ分岐は５％を超える屈折コントラストを示す埋込み型チャネル導波路を備え、
前記電極層は複数の電極を備え、各電極は前記埋込み型チャネル導波路のクラッド層上に、前記Ｙ分岐ごとに２つの電極になるように配置されていることを特徴とするプレーナ型スイッチマトリックス。
【請求項２】
隣接するスイッチ間に空堀が用意されていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型スイッチマトリックス。
【請求項３】
前記２×２Ｙ分岐ベースのスイッチの各々が２×２多モード干渉（ＭＭＩ）スイッチと置き換えられていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型スイッチマトリックス。
【請求項４】
スイッチングサブマトリックスがねじれ形状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型スイッチマトリックス。
【請求項５】
重層の光相互接続が用いられていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型スイッチマトリックス。
【請求項６】
光スイッチング機能を実行する方法であって、
（ａ）プレーナ型スイッチマトリックスの第１のスイッチに入力光信号を導くステップと、
（ｂ）前記プレーナ型スイッチマトリックスの他のスイッチのうちの１つまたは複数の相互接続シーケンスの選択的に熱光学的駆動で行なわれる活性化および非活性化によって１つまたは複数の追加のスイッチに前記入力信号を導くステップを含み、
前記プレーナ型スイッチマトリックスは導波路層および電極層を備え、
前記導波路層は複数の１×２Ｙ分岐型熱光学デジタル光スイッチを備え、各該Ｙ分岐は５％を超える屈折コントラストを示す埋込み型チャネル導波路を備え、
前記電極層は複数の電極を備え、各電極は前記埋込み型チャネル導波路のクラッド層上に、前記Ｙ分岐ごとに２つの電極となるように配置されていることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記プレーナ型スイッチマトリックスは隣接するスイッチ間に用意された空堀を備えたことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記プレーナ型スイッチマトリックスの前記２×２Ｙ分岐ベースのスイッチの各々が、２×２多モード干渉（ＭＭＩ）スイッチと置き換えられていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記プレーナ型スイッチマトリックスのスイッチングサブマトリックスが、ねじれ形状に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記プレーナ型スイッチマトリックスは重層の光相互接続を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超高屈折コントラスト材料から製作される高度集積光波回路に関する。さらに詳細には、本発明は光スイッチアレイおよびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレーナ型光波回路ベースのクロスコネクトスイッチアレイは当技術分野において知られている。非特許文献１には、石英系のプレーナ型光波回路を用いた厳密非ブロッキングの１６×１６熱光学マトリックススイッチが開示されている。非特許文献２には６インチ（１５．２４センチメートル）ウエハ上の石英系のプレーナ型光波回路を用いた低損失および高消光比の厳密非ブロッキングの１６×１６熱光学効果マトリックススイッチアレイが開示されている。非特許文献１および非特許文献２のスイッチアレイはマッハツェンダ干渉計構成で熱光学効果に基づいている。シリコン基板上の石英に実装されるスイッチングマトリックスのサイズは、石英で容易に達成することができるせいぜい約４％の屈折コントラスト（refractive index contrast）によって制限されている。
【０００３】
非特許文献３には１×２分岐またはデジタル光スイッチ構成で熱光学効果を利用した高分子１６×１６デジタル光スイッチマトリックスが開示されている。
【０００４】
非特許文献４には熱光学デバイスで低損失、および高消光および低電力消費によって特徴付けられたプレーナ型高分子導波路テクノロジープラットフォームが開示されている。
【０００５】
【非特許文献１】Okuno他のProc.ECOC4,p.83(1994)
【非特許文献２】Goth他のJ.Lightwave Tech.,19,p.371(2001)
【非特許文献３】Rabbering他のProc.ECOC27,PD-78(2001)
【非特許文献４】EldadaのProc.SPIE5225,49(2003)
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、導波路層と電極層とを備え、前記導波路層は複数の１×２Ｙ分岐型熱光学デジタル光スイッチを備え、各該Ｙ分岐は５％を超える屈折コントラストを示す埋込み型チャネル導波路を備え、前記電極層は複数の電極を備え、各電極は前記埋込み型チャネル導波路のクラッド層上に、前記Ｙ分岐ごとに２つの電極になるように配置されている構成のプレーナ型スイッチマトリックスを提供する。
【０００７】
本発明はさらに、（ａ）プレーナ型スイッチマトリックスの第１のスイッチに入力光信号を導くステップと、（ｂ）前記プレーナ型スイッチマトリックスの他のスイッチのうちの１つまたは複数の相互接続シーケンスの選択的に熱光学的駆動で行なわれる活性化および非活性化によって１つまたは複数の追加のスイッチに前記入力信号を導くステップを含む光スイッチング機能を実行する方法を提供し、ここで前記プレーナ型スイッチマトリックスは導波路層および電極層を備え、前記導波路層は複数の１×２Ｙ分岐型熱光学デジタル光スイッチを備え、各該Ｙ分岐は５％を超える屈折コントラストを示す埋込み型チャネル導波路を備え、前記電極層は複数の電極を備え、各電極は前記埋込み型チャネル導波路のクラッド層上に、前記Ｙ分岐ごとに２つの電極となるように配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の具体例では、３０％の屈折コントラストを用いて１０２４×１０２４のアレイのスイッチングマトリックスをシミュレートした。本発明の一実施形態では、４個の１０２４×１０２４光スイッチマトリックスを標準の６インチ（１５．２４センチメートル）シリコンウエハ上に取り付けるのに十分小さいはずの、４．２×６．３ｃｍ２の寸法の１０２４×１０２４光スイッチマトリックスでシミュレートした。
【０００９】
本発明では、埋込み型チャネル構成で少なくとも５％、好ましくは約３０％の屈折コントラストが得られ、光モードの超高閉じ込めおよび曲げの超小曲率半径が可能である。好ましい実施形態では、屈折率に３０％コントラストを有する高分子材料を用いて、本発明のスイッチのプレーナ型光波回路の構成要素の製作にとって重要である埋込み型チャネル導波路を形成する。光スイッチング目的で熱光学効果を利用するには、導波路の表面に電極を蒸着させる必要があるので、エアークラッド導波路とは異なり、埋込み型チャネル導波路だけが使用に適する。
【００１０】
最小基礎単位としての１×２熱光学Ｙ分岐デジタル光スイッチをベースにした、スイッチマトリックスに用いられる包括的基礎配置（generic layout)は、再帰的ツリー構造（ＲＴＳ：Recursive Tree Structure）である。この構造は許容交角のため、およびデジタル光スイッチベースのスイッチとコンバイナ（結合器）との使用の互換性のために用いられている。
【００１１】
本発明はＲＴＳのＮ×Ｎ設計（Ｎ＝２ｎ；nは自然数）を提供する。ここでは、２ｎ−１個の光相互接続段（optical interconnect stage）に接続された２ｎ個の段に配列された２Ｎ（Ｎ−１）個の１×２スイッチが存在する。本発明の好ましい実施形態では、図１に示す１０２４×１０２４＝２１０×２１０ＲＴＳ設計が、２×１０−１＝１９個の光相互接続段に接続された２×１０＝２０個の段に配列された２×１０２４×１０２３＝２，０９５，１０４個の１×２スイッチを含む。これは厳密非ブロッキングの相互接続性（connectivity）を与えるために６，８１６，７６８個の位置で交差する４，１９０，２０８個のＳ字ベンド（屈曲）で連結された約２００万個の１×２スイッチのアレイを表す。
【００１２】
図１のアレイにおける挿入損並びにクロストークは、マトリックスを通る異なる経路が異なる長さおよび異なる数の交差を有するので、所与の光信号がたどる経路に依存することになる、ということは当業者ならば十分理解するであろう。最低損失および最低クロストークは、最短経路であり、交差を含まない１対１および１０２４対１０２４に関連付けられる。３０４７個の交差をもつ最長経路１対１０２４および１０２４対１はより大きい挿入損およびより多いクロストークを示すと予想される。
【００１３】
Ｎ×Ｎスイッチの文脈で説明する本発明は、Ｍ a n スイッチ（ＭおよびＮは２つの独立した整数）に広く適用可能である。
【００１４】
設計
本発明のスイッチマトリックスの設計は（ｉ）直線導波路、（ｉｉ）ベンド（曲げ）、（ｉｉｉ）交差、および（ｉｖ）１×２Ｙ分岐型熱光学デジタル光スイッチの使用に基づく。これらの基礎的要素（ビルディングブロック）が個々に特性化され、最適化されると、周知の重ね合わせの原理を利用してスイッチング回路全体の挙動を正確に予測することができる。
【００１５】
設計目標は、１５５０ｎｍ波長で０．０１〜０．２ｄＢ／ｃｍの範囲の挿入損、−４０〜−６０ｄＢの範囲のクロストーク抑制、およびヒータ当たり２０〜５０ｍＷの熱光学スイッチによる電力消費を示すものとして全体的に特性化されたスイッチマトリックスである。
【００１６】
その目標のために、本発明の実施では、ビーム伝搬法（ＢＰＭ−Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐ（商標）およびフィルムモードマッチング（ＦＭＭ−Ｆｉｒｍｗａｒｅ（商標））分析方法を使用して個々の基礎的要素をシミュレートすることが便利であることが分かった。それらのモデルの使用から得られた設計基準（design rules）を表１に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
本発明のスイッチマトリックスは導波路層と電極層とを備える。表１の設計基準は本発明のスイッチマトリックスの導波路層パラメータを規定している。電極層はスイッチの熱光学活性化のための局所加熱を行う。各デジタル光スイッチ（１×２Ｙ分岐）は本発明による２つのヒータを備え、各ヒータは２つの連結部を有する。各ヒータを個々に接続するには２つの接地（アース端子）を含む４，１９０，２１０個のボンドパッドが必要になる。小さなくぼみあるいは孔（fovea）を使用して、機能性を失うことなくすべてのスイッチング段を連続化（serialize）することでその数は減る。その結果、スイッチマトリックスの電気部分は１，０４８，５７８個の信号接続（信号連結部）および２つの共通接地を含む。ヒータとボンドパッドを接続する電極リード線を引き回すために必要な空間のために、中間配線段を広げる必要がある。
【００１９】
１０２４×１０２４スイッチマトリックスの大きさが１×２１０ｃｍ２である本発明のより好ましい実施形態の製作では、光をさらに閉じ込め、導波構造をより近づけることができるように、隣接するスイッチ間に空堀（air trench）が用意される。この実施形態では、使用される交角は３７°を超え、曲げ半径は１０μｍを超え、すべての１，０４８，５７６個のスイッチング段は同じ駆動電力で独立してアドレスすることが可能である。
【００２０】
本発明のさらなるより好ましい実施形態では、２×２Ｙ分岐ベースのスイッチの各々は２×２多モード干渉（ＭＭＩ）スイッチと置き換えられ（図２参照）、スイッチングサブマトリックスはチップ長さを短くするためにねじれている。その結果、４．２×６．３ｃｍ２の寸法を有する１０２４×１０２４スイッチマトリックスとなり、４体のそのような複雑な構造を標準の６インチ（１５．２４センチメートル）シリコンウエハ上に取り付けることが可能になる。
【００２１】
本発明の別の好ましい実施形態では、チップ寸法を最小限に抑え、導波路交差での過剰損失をなくすために、重層の光相互接続（multi-level optical interconnect）が使用される（図３参照）。
【００２２】
本発明のスイッチマトリックスの製作は当技術分野において公知の任意の手段によって成し遂げることができる。適切な方法としては、必ずしも限定するものではないが、マスクリソグラフィー、位相マスクリソグラフィー、レーザ直接書き込み、および電子ビーム直接書き込みなどがある。堀（トレンチ）は好ましくはエキシマレーザ切除または電子ビーム直接書き込みとそれに続く反応性イオンエッチングを使用して製造される。
【００２３】
本発明においてさらにもくろんでいるのは、光スイッチング機能を遂行する方法である。本発明の方法では、本発明のプレーナ型スイッチマトリックスの第１のスイッチに入力光信号をつなぐ。本発明の具体例では、スイッチングマトリックスを介してスイッチからスイッチへの入力光信号の所望の「経路」を生成し、所望のスイッチを通じて出力するために、熱光学効果を用いることによってマトリックス内の他のスイッチを「オン」または「オフ」にセットしている。
【００２４】
本発明は、本発明で用いる特定の部類の材料に限定されるものではなく、むしろその材料の屈折率の差異および製造プロセスにおけるそれら材料の相互互換性（mutual compatibility）によって限定される。本発明の好ましい実施形態は熱光学的に制御される導波路構造に有機高分子を使用する。有機高分子は大きな熱光学係数を示すことがよく知られている。本発明の好ましい実施形態でクラッドとして使用するのに適した低屈折率高分子としては、限定はしないが、テトラフルオロエチレンと４，５−ジフロロ−２，２−ビス（トリフルオロメチル）−１，３−ジオキソルの高分子（１５５０ｎｍで屈折率１．２８）およびポリヘキサフルオロプロピレン（１５５０ｎｍで屈折率１．３２）がある。本発明の好ましい実施形態でコアとして使用するのに適した高屈折率高分子としては、限定はしないが、ポリスチレン（１５５０ｎｍで屈折率１．５９）、ポリカーボネート（１５５０ｎｍで屈折率１．５９）、ポリ（o-クロロスチレン）（１５５０ｎｍで屈折率１．６１）、ポリアミドイミド（１５５０ｎｍで屈折率１．６４）、およびポリ（９ビニルカルバゾール）（１５５０ｎｍで屈折率１．６８）がある。
【００２５】
本発明者らはさらに、屈折率の大きな差異を示す無機導波路材料の使用を企図している。そのような材料としては導波路コアに窒化ケイ素およびクラッドに二酸化ケイ素を使用した導波路構造がある。これら２つの材料は約３０％の屈折コントラスト（index contrast）を示す。導波路特性は、所与の適用例で最適な性能が得れれる屈折コントラストに調節することによって具体的に合わせることができる。これは、窒化酸化ケイ素として知られている材料である、窒化ケイ素と二酸化ケイ素の合金でコア組成を形成することによって、３０％未満の屈折コントラスト値に対して容易に成し遂げられる。
【００２６】
デバイスの製作
好ましい製作方法では２つの感光性液体モノマー（単量体）、ＣＬおよびＣＯ、を使用して光導波路を形成する。ＣＬは導波路クラッドに使用され、ＣＯは導波路コアに使用される。ＣＬの屈折率はＣＯの屈折率よりも低い。デバイス製作シーケンスは次のようになる。
−  ＣＬをシリコンウエハ上にスピンコーティング（回転塗布）する。
−  ＣＬをＵＶ（紫外線）ランプ下でブランケット露光によって硬化させ、全層を重合化および凝固する。
−  ＣＯを硬化したＣＬの上にスピンコーティングする。
−  ＣＯをＵＶランプ下で光導波路パターンをもつフォトマスクを介して露光する。
−  ＣＯを有機溶剤で現像し、導波路コアを示す自立構造を残す。
−  ＣＬをウエハ上の硬化したＣＬ／ＣＯの上にスピンコーティングする。
−  ＣＬをＵＶランプ下でブランケット露光によって硬化させ、全層を重合化および凝固し、ＣＯコアがＣＬによって十分に囲まれている埋込み型チャネル導波路を得る。
−  スパッタリングを使用して高分子上に金属を堆積させる。
−  フォトリソグラフィーを使用して金属をパターニングし、ヒータおよび内部結合およびワイヤボンドパッドのベースを形成する。
−  電気メッキを使用してボンドパッドからヒータに至るワイヤボンドパッドおよび電気内部結合をメッキ仕上げする。
−  導波路の光閉じ込めを向上させ、隣接する導波路間のクロストークを最小限に抑えるためにエキシマ切除を使用してデバイス間にエアースロット（空の細長い穴）を開口する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の１０２４×１０２４厳密非ブロッキングのクロスコネクトスイッチマトリックスを構成する２０段の２，０９５，１０４個の１×２スイッチを示す図である。
【図２】（ａ）バー状態および（ｂ）クロス状態での３０％屈折コントラスト用の２×２ＭＭＩベース熱光学スイッチを示す図である。
【図３】チップ寸法を最小限に抑え、導波路交差での過剰損失をなくすために使用される重層の光相互接続の平面図および側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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