(57)【要約】【課題】より信頼性の高い導波路型熱光学位相シフタ及びそれを用いた光回路を提供する。【解決手段】基板１上に作製されるクラッド層２及びコア層３によって形成される埋め込み型光導波路と、その上面に形成される薄膜ヒータ１５、１６と、光導波路の側面に沿ってクラッド層２を除去して形成される溝１７とを有する導波路型熱光学位相シフタ及びその光回路において、溝１７の基板水平方向の開口形状が、複数の直線及びそれらを滑らかに接続する曲線からなり、又、溝１７の基板垂直方向の断面形状における溝１７の底面と側面との角部が、なめらかな曲線からなる。【選択図】図１
2007065645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝の基板水平方向の開口形状が、複数の直線及びそれらを滑らかに接続する曲線からなることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項２】
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
基板と平行な面内における前記溝の輪郭線が複数の直線と曲線からなり、該輪郭線の接線ベクトルの角度が連続であることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項３】
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝の基板垂直方向の断面形状における前記溝の底面と側面との角部が、なめらかな曲線からなることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項４】
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝の断面形状における前記溝の底面と側面がなす角部近傍の輪郭線が複数の直線と曲線からなり、該輪郭線の接線ベクトルの角度が連続であることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記光導波路のコア層側面が露出されるまで前記クラッド層を除去して形成したものであることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記光導波路のコア層側面に、該コア層側面が露出されない厚さのクラッド層を残して形成したものであることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記基板が露出される深さまで前記クラッド層を除去して形成したものであることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項８】
請求項５又は請求項６に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記基板に、前記基板が露出されない厚さのクラッド層を残して形成したものであることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
互いに隣接する前記溝間の幅を５０μｍ以下とすること特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
基板と平行な面内における前記溝の輪郭線が直線及び円弧からなり、該円弧の曲率半径が５μｍ以上かつ前記溝の幅の半分以下であることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記基板がシリコン基板からなり、前記光導波路がＳｉＯ2を主成分とする石英系ガラスからなることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタと導波路型光結合器とによって構成されることを特徴とする干渉型光回路。
【請求項１３】
請求項１２に記載の干渉型光回路を１個あるいは複数集積していることを特徴とする導波路型熱光学光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の光導波路を用いた熱光学位相シフタに関するものである。更に詳細には、薄膜ヒータから発生する熱の基板水平方向への拡散を抑制するためにクラッド層を除去して形成する断熱溝の信頼性を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブロードバンド通信の爆発的普及によりネットワークコンテンツは多様性を増しており、その進歩に伴って通信トラフィックの増大を生み、ネットワークに対する大容量化、高速化、高機能化の要求を日増しに高めている。近年、光通信技術はこれらの要求に応える重要な役割を果たしてきた。これまでの光ネットワークでは、光−電気、電気−光変換によって信号処理を行う方式が主流となってきたが、今後はさらにアクセス網を含む全てのネットワーク上で電気信号に変換することなく光信号のままで結ぶ通信システムに発展させ、各ユーザにおけるより多彩な通信利用形態を実現していくことが重要となる。
【０００３】
この光通信システムにおいて重要な役割を果たしてきた部品として、光導波路型デバイスが挙げられる。光の干渉原理を応用することにより光信号の分岐結合器、波長合分波器、フィルタ、スイッチなどさまざまな機能を実現しており、導波路型であることから回路設計に柔軟性があり、大規模化、高集積化が容易であるばかりでなく、ＬＳＩなどの半導体部品製造プロセスを流用しているため、量産性に優れたデバイスとして大きく期待されている。導波路部分の材料としては半導体、高分子材料などさまざまなものが実用化されている中、特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり安定性及び光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を有し、実用化が最も進んだ導波路型光デバイスの一つである。
【０００４】
導波路型デバイスは、光分岐やフィルタなど光の干渉原理をそのまま利用したデバイスに対して、干渉条件を積極的に制御することで動的な機能を実現することも可能である。例えば、導波路部分に薄膜ヒータ等を用いて熱を加えると、熱光学効果による導波路の屈折率変化が誘起され、導波路内を伝搬する光の位相を制御できる。この現象の応用例として、光分岐結合器と位相制御を組み合わせた熱光学デバイスについて以下説明する。
【０００５】
図９に示したのは、光信号を分岐・合流する２つの方向性結合器９１、９４とアーム導波路９２、９３によって構成され、アーム導波路９２、９３上に薄膜ヒータ９５、９６を形成したマッハ・ツェンダー干渉計型の光回路である（非特許文献１）。
【０００６】
入力１ａから入射した光信号は方向性結合器９１によって分岐され、アーム導波路９２、９３をそれぞれ伝搬し、方向性結合器９４によって再び合流する。その際、薄膜ヒータ９５、９６のいずれかに電極パッド９８より給電するとアーム導波路９２、９３の間に位相差が生じ、方向性結合器９４における位相関係によって出力１ｃあるいは１ｄから出射する光信号の強度が変化する。位相差が０のとき、光信号は１００％出力１ｄから出射し、位相差がπのとき出力１ｃから１００％出射する。この現象を利用すると、光信号の経路を選択できる光スイッチを実現することができる。あるいは、薄膜ヒータへの給電をアナログ的に制御することによって、位相差を調整すれば可変光減衰器として使用することもできる。
【０００７】
ここで、図９（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を図９（ｂ）に示す。アーム導波路に沿って光導波路の両側のクラッドガラスをエッチングによって除去した断熱溝９７を有しており、スイッチングあるいは減衰に必要な電力を低減できる。さらに同じ回路を多数アレイ化して集積する際に、隣接する回路との熱干渉を抑制しつつ近接して配置することができ、デバイスの小型化が可能となる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２２２０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図９に示した光回路において、消費電力の低減、回路の小型化に大きく寄与する要素技術として断熱溝構造が採用されている。断熱溝を形成することにより、薄膜ヒータから発生する熱は効率よくコアを熱するばかりでなく、基板水平方向の熱拡散を遮断するため、隣接する光導波路への熱干渉を抑制し、より高密度に回路を配置することが可能となる。しかしながら、断熱溝の基板水平方向の開口形状が長方形であることから、４つの角の部分はガラスの内部応力が集中しやすい状態となっており、ガラスのミクロな欠陥がある場合、環境温度の変化などによってクラックが発生してしまい、信頼性を劣化させてしまうという問題が生じていた。同様に、基板垂直方向の断面形状も長方形であり、クラッドと基板の面からなる角において応力が集中し、クラック発生による信頼性劣化という問題もあった。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、断熱溝構造を有する光導波路と薄膜ヒータによって構成され、熱光学効果を利用した光の位相シフタにおいて、より信頼性の高い導波路型熱光学位相シフタ及びそれを用いた光回路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】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝の基板水平方向の開口形状が、複数の直線及びそれらを滑らかに接続する曲線からなることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
基板と平行な面内における前記溝の輪郭線が複数の直線と曲線からなり、該輪郭線の接線ベクトルの角度が連続であることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝の基板垂直方向の断面形状における前記溝の底面と側面との角部が、なめらかな曲線からなることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第４の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
基板上に作製されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、前記光導波路の上面に形成される薄膜ヒータと、前記光導波路の側面に沿って前記クラッド層を除去して形成される溝とを有する導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝の断面形状における前記溝の底面と側面がなす角部近傍の輪郭線が複数の直線と曲線からなり、該輪郭線の接線ベクトルの角度が連続であることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第５の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第１乃至第４のいずれかの発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記光導波路のコア層側面が露出されるまで前記クラッド層を除去して形成したものであることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第６の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第１乃至第４のいずれかの発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記光導波路のコア層側面に、該コア層側面が露出されない厚さのクラッド層を残して形成したものであることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第７の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第５又は第６の発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記基板が露出される深さまで前記クラッド層を除去して形成したものであることを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第８の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第５又は第６の発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記溝は、前記基板に、前記基板が露出されない厚さのクラッド層を残して形成したものであることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第９の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第１乃至第８のいずれかの発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
互いに隣接する前記溝間の幅を５０μｍ以下とすること特徴とする。
つまり、溝間の幅を５０μｍ以下とすることにより、基板及びクラッド層、光導波路コアとの熱膨張係数の違いによる光導波路コア付近の応力異方性に起因して発生する熱光学効果の偏波依存性おいて、ＴＥ偏波のπ位相シフト電力をＰTE、ＴＭ偏波のπ位相シフト電力をＰTMとするときの両者の差｜ＰTE−ＰTM｜のＴＥ偏波π電力ＰTEに対する割合（｜ＰTE−ＰTM｜／ＰTE×１００）を４％以下にすることができる。
【００２０】
上記課題を解決する第１０の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第１乃至第９のいずれかの発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
基板と平行な面内における前記溝の輪郭線が直線及び円弧からなり、該円弧の曲率半径が５μｍ以上かつ前記溝の幅の半分以下であることを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第１１の発明に係る導波路型熱光学位相シフタは、
第１乃至第１０のいずれかの発明に係る導波路型熱光学位相シフタにおいて、
前記基板がシリコン基板からなり、前記光導波路がＳｉＯ2を主成分とする石英系ガラスからなることを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する第１２の発明に係る干渉型光回路は、
第１乃至第１１のいずれかの発明に係る導波路型熱光学位相シフタと導波路型光結合器とによって構成されることを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する第１３の発明に係る導波路型熱光学光回路は、
第１２の発明に係る干渉型光回路を１個あるいは複数集積していることを特徴とする。
【００２４】
例えば、図１に示すように、断熱溝の形状が角を持たずに平面と滑らかな曲面からなる構造とすることにより、ガラス膜で発生する内部応力が局所的に集中することを防ぐことができ、ミクロな欠陥がガラス内で発生してしまった場合においても、環境温度の変化などによってそこからクラックが発生することを抑制することができ、高い信頼性を保つことができる。
【００２５】
上述の構成は熱光学効果を応用したデバイスにおいて、断熱溝付近におけるガラスのクラック発生を溝の形状の工夫によって抑制するものであり、高い信頼性を保つことを目的としているものである。従って、図１に示す光スイッチの構成に限らず、光結合器がマルチモード干渉計である場合やＹ分岐導波路である場合にも適用できるものであり、なおかつデバイスとして光スイッチのみならず、光信号の位相を制御するあらゆるデバイスに適用可能である。更に、断熱溝構造においても、前述のとおりコア側面が露出したもの、シリコン基板が露出していないものなど、用途に応じてあらゆる構造が考えられるが、いずれの場合も従来の構成と比較して目的とする効果が顕著に得られるものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、断熱溝構造を有する導波路型熱光学位相シフタ及びその光回路において、断熱溝が基板水平方向、基板垂直方向いずれにおいても角を持たない滑らかな形状であるので、環境変化によるガラスクラッド部分のクラック発生を抑制することができ、信頼性の高い光デバイスを容易に提供することができる。又、熱光学位相シフタを形成する材料によらず、同様の効果を得ることができる。本発明の熱光学位相シフタは、実用性が高い光デバイスを提供するために、非常に有効な手段であり、さまざまな光信号の制御を必要とする大容量光通信網の発展に大きく寄与するものと期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図１〜図８を参照して、本発明に係る導波路型熱光学位相シフタ及びその光回路の実施形態例のいくつかを詳細に説明する。なお、以下の実施例では、シリコン基板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用した光デバイスについて説明する。これはこの構成が安定かつ集積化が容易であるためであり、しかも、石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光デバイスを提供できるためである。しかしながら、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】
図１は、実施例１として、本発明による熱光学位相シフタの導波路型光スイッチの概略、構成を示す図であり、図１（ａ）は光スイッチの回路構成平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００２９】
光スイッチはシリコン基板１上に作製され、石英系ガラスクラッド２に埋め込まれた構造の２本の光導波路１ａ−１ｃと１ｂ−１ｄが２箇所で間隔数μｍにまで近接して２個の方向性結合器１１、１４を形成し、２本の光導波路１２、１３間でマッハ・ツェンダー干渉計回路をなす。方向性結合器の結合率は、結合部における光導波路の間隔、長さを調節することにより５０％となるように設計されている。マッハ・ツェンダー干渉計回路のアーム部分となる光導波路は、アーム光導波路１３側の実効光路長が他方のアーム光導波路１２側に対して信号光波長（本実施例においては１．５５μｍ）の２分の１、即ち、０．７７５μｍ相当だけ長くなるように光路長が設計されている。又、図１（ｂ）に示すように、アーム光導波路１２、１３上のクラッド層２表面には、熱光学効果を利用する光位相シフタとして薄膜ヒータ１５、１６が装荷され、アーム光導波路１２、１３に沿ってクラッド層２を除去することにより断熱溝１７を形成している。
【００３０】
薄膜ヒータ１５、１６がオフ（無通電）時に光導波路の端点１ａから入力した信号光は、方向性結合器１１によって２つに分岐され、アーム光導波路１２、１３をそれぞれ伝搬して通過し、方向性結合器１４で合流する際にアーム間に設定された光路長差（本実施例では波長１．５５μｍの２分の１）により光導波路端１ｃから出力される。ここで薄膜ヒータ１５がオン（通電）状態となって適切な電力（スイッチング電力）が加えられた場合には、アーム光導波路の実効光路長差は熱光学効果によってゼロとなり、光導波路端１ｃから出力されていた光は光導波路端１ｄに切り替わる。以上の原理により、本実施例における光スイッチは出力先の経路を変更する経路切り替えスイッチとして動作する。
【００３１】
ここで、図１（ａ）及び図１（ｂ）において示したように、薄膜ヒータ１５、１６に沿って形成されている断熱溝１７は、基板水平方向及び基板垂直方向の形状がいずれも角を持たない平面と滑らかな曲線からなっていることが本発明の特徴である。即ち、角がないことによって、断熱溝部分のいずれの箇所もガラス膜で発生する内部応力が局所的に集中する部分がないため、ミクロな欠陥に起因するガラスのクラック発生を抑制することができる。
【００３２】
本実施例においては、図１（ａ）、（ｂ）に示した光スイッチの信頼性を調べるため、以下に説明するような光回路を作製した。
【００３３】
厚さ１ｍｍ、直径４インチのシリコン基板１上に石英系ガラスによって形成されるクラッド層２及び埋め込み型コア部３を有する単一モード光導波路を、ＳｉＣ１4やＧｅＣｌ4などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、薄膜ヒータ及び給電のための電極をクラッド層２表面上に真空蒸着及びパターン化によって作製した。作製した光導波路のコア寸法は７μｍ×７μｍであり、クラッド層２との比屈折率差Δは０．７５％とした。
【００３４】
本実施例における光スイッチは、この光導波路を用い、直線導波路及び曲線導波路を組み合わせることによって形成される。又、マッハ・ツェンダー干渉計回路はアーム光導波路１２、１３の実効光路長差が、信号光波長１．５５μｍの２分の１である０．７７５μｍとなるように設定した。石英系ガラスの屈折率が１．４５であることを考慮すれば、実際のアーム光導波路長の差は０．７７５μｍ／１．４５＝０．５３４μｍである。熱光学効果による位相シフタとして、クラッド層２の表面上に形成した薄膜ヒータ１５、１６は厚さ０．１μｍ、幅２０μｍ、長さ２ｍｍとした。さらに、薄膜ヒータ１５、１６に沿って断熱溝１７を形成し、本実施例においてはシリコン基板が露出する深さの構造とした。又、光導波路のコア３側面はクラッド層２によって覆われる（コア３側面が露出しない）構造となっている。
【００３５】
マッハ・ツェンダー干渉計回路によって構成される本実施例の光スイッチは全長５ｍｍであった。１つの光スイッチにつき形成される断熱溝の数は３つである。この光スイッチと同じ構成のものを合計５０個作製し、比較のため、図９に示す従来の構成による光スイッチも同様に５０個作製した。従来の構成では断熱溝の形状は直方体となっており、基板水平方向及び基板垂直方向いずれにも角を持っている。断熱溝の個数はそれぞれ１５０個となる。これらの光スイッチチップをダイシングソーによって切り出し、入出力導波路端１ａ〜１ｄにそれぞれシングルモード光ファイバを接続し、光スイッチチップの給電端子に電気コネクタを設置した外部電気配線板を接続した。電気コネクタに電源を接続し、薄膜ヒータに適切な電力を給電することによって２入力２出力のポート間を任意に切り替え、接続する光スイッチ動作が確認された。
【００３６】
これら光スイッチの断熱溝部分における信頼性について、ＧＲ−１２２１−ＣＯＲＥの温度サイクル試験（−４０℃〜７０℃、５００サイクル）及び振動試験（２０Ｈｚ〜２ｋＨｚ、４分、４サイクル、３軸）の２種類の試験を行った。それぞれにつき作製したサンプル２５個ずつを試験した結果、従来の構成による光スイッチでは、図２（ａ）あるいは図３（ａ）に示すような微小なクラックが発生したサンプルがあった。温度サイクル試験では、３個×２５サンプル＝７５個の断熱溝のうち３個、振動試験では同様に７５個のうち２個の断熱溝において、図２（ａ）あるいは図３（ａ）のいずれかのクラックが発生した。一方、本発明の構成による光スイッチについては、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示すように全てのサンプルにおいてクラックの発生は認められなかった。
【００３７】
これらの試験サンプルについて、試験実施前後での光学特性を比較したところ、本発明の構成による光スイッチについては、試験によって損失、消光比、偏波依存損失（Path Dependent Loss：ＰＤＬ）が変化することはなかった。
【００３８】
同様に、クラックが発生したサンプルにおいても光学特性を測定したところ、大きな変化は見られなかったが、クラックが導波路部分まで成長すれば少なからず光学特性に影響を与えるのは明らかであり、その発生を抑制することがデバイスの信頼性を確保する上で重要となる。
【００３９】
従って、これらの試験結果は断熱溝構造を有する光スイッチにおいて、本発明による構成とすることによってクラックの発生を抑制することができ、より高い信頼性を確保することが可能な有効手段であることを示している。
【実施例２】
【００４０】
図４は、実施例２として、本発明による熱光学位相シフタの導波路型光可変光減衰器アレイの概略、構成を示す図である。
回路構成は実施例１の光スイッチと同様に、２つの方向性結合器４１、４４及びアーム光導波路と薄膜ヒータ４５、４６によって構成されたマッハ・ツェンダー干渉計回路からなり、２本のアーム光導波路間に設定された光路長差は、信号光波長１．５５μｍの２分の１となる０．７７５μｍとした。薄膜ヒータ４４、４５に給電する電力をアナログで制御することにより、入力光導波路端１ａから入射した光信号が出力光導波路端１ｄから出射する際の光パワーを連続的に制御でき、スイッチング電力に相当する電力を印加した時に光パワーが最大となる。この可変光減衰器を多数配置してアレイ化することで複数チャネルの光信号レベルを調整する光デバイスが実現できる。
【００４１】
本実施例においては、隣接するチャネルとの間隔４３を０．１ｍｍに設定し、８チャネル分配置した。本実施例において使用した光導波路の仕様やチップ、光ファイバや電気コネクタの実装方法は、実施例１における光スイッチと同様である。なお、薄膜ヒータに給電する電気配線は図４において省略している。
【００４２】
図４に示した８チャネル可変光減衰器について、実施例１と同様に、同じ構成のものを合計５０個作製し、比較のため、従来の直方体である断熱溝を持つ可変光減衰器アレイも５０個作製した。実施例１同様に、それぞれ２５個ずつのサンプルについて温度サイクル試験及び振動試験を行った結果、従来の構成による可変光減衰器アレイでは、図２（ａ）あるいは図３（ａ）に示したような微小なクラックが合計４個の断熱溝において発生した。一方、本発明の構成による可変光減衰器アレイについては、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示したように全ての断熱溝においてクラックの発生は認められなかった。
【００４３】
本実施例のように、断熱溝構造をもつマッハ・ツェンダー干渉計回路を多数配置することによって、複数の信号を一括して処理することが可能な可変光減衰器や光スイッチを実現することができる。これら回路の大規模化に伴って１チップ上に集積される断熱溝の数は増大し、それらの全てにおいてクラックが発生することなく、高い信頼性を確保することは重要である。
【００４４】
従って、これらの試験結果は断熱溝構造を有する熱光学型の光デバイスにおいて、本発明による構成とすることによってクラックの発生を抑制することができ、より高い信頼性を確保することが可能な有効手段であることを示している。
【実施例３】
【００４５】
図５は、実施例２で作製した８チャネル可変光減衰器において、断熱溝を含む断面構造を変更し、より低消費電力を実現しながら、断熱溝部分におけるクラックの発生を抑制することを目的とする新しい形態の導波路型可変光減衰器アレイの構造を示す図である。
回路構成は実施例２と同様にマッハ・ツェンダー干渉計からなるが、断熱溝５７をコア３の側面が露出するまで形成しており、断熱溝部分を伝搬する光は放射による多少の損失を生じるものの、薄膜ヒータ５５、５６によって熱する部分の体積を極力減らすことにより、低電力化を実現できる構成となっている。
【００４６】
なお、この場合のコア３は放射損失を可能な限り抑制するために、通常使用されるコアよりも幅が若干広く設計されている。断熱溝５７の形状は、実施例１、２同様に角を持たない平面と滑らかな曲面からなり、基板水平方向の形状は、図１（ａ）に示すような形状、基板垂直方向の形状は図５に示すようなクラックが発生しにくい形状となっている。
【００４７】
図５に示した構造の可変光減衰器を並列して配置し、８チャネル可変光減衰器を作製した。その他の回路構成、作製、実装に関する部分は、実施例２と同様である。作製したサンプルを信号光波長１．５５μｍで測定したところ、スイッチング電力は、実施例２で作製した可変光減衰器と比較して、１／２に低減された。挿入損失の増加は実施例２と比較しても０．５ｄＢ以下であったため、若干の損失増加を許容すれば、十分に低消費電力を実現することが可能である。
【００４８】
この８チャネル可変光減衰器について、実施例１と同様に、同じ構成のものを合計５０個作製し、比較のため、従来の直方体である断熱溝を持つ可変光減衰器アレイも５０個作製した。実施例１同様にそれぞれ２５個ずつのサンプルについて温度サイクル試験及び振動試験を行った結果、従来の構成による可変光減衰器アレイでは、図２（ａ）あるいは図３（ａ）に示したような微小なクラックが合計４個の断熱溝において発生した。一方、本発明の構成による可変光減衰器アレイについては、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示したように全ての断熱溝においてクラックの発生は認められなかった。
【実施例４】
【００４９】
図６は、実施例２で作製した８チャネル可変光減衰器において、断熱溝を含む断面構造を変更し、作製にかかる時間を低減しながら、断熱溝部分におけるクラックの発生を抑制することを目的とする新しい形態の導波路型可変光減衰器アレイの構造を示す図である。
回路構成は実施例２と同様にマッハ・ツェンダー干渉計からなるが、シリコン基板１を露出させることがない任意の厚さのクラッドガラス６１を残して、断熱溝６７が形成されており、断熱溝６７による消費電力低減の効果は若干低下するものの、エッチングによって形成される溝の加工時間を減らすことにより、低コスト化を実現できる構成となっている。なお、この場合、コア下部のクラッドガラス（アンダークラッド）は可能な限り厚く形成されており、ある程度の消費電力低減を図った上で、加工コストの削減を実現している。
【００５０】
図６に示した構造の可変光減衰器を並列して配置し、８チャネル可変光減衰器を作製した。その他の回路構成、作製、実装に関する部分は実施例２と同様である。作製したサンプルを信号光波長１．５５μｍで測定したところ、スイッチング電力は実施例２で作製した可変光減衰器と比較して２０％程増加したものの、加工時間の削減によりデバイスの低コスト化を実現した。
【００５１】
この８チャネル可変光減衰器について、実施例１と同様に、同じ構成のものを合計５０個作製し、比較のため、従来の直方体である断熱溝を持つ可変光減衰器アレイも５０個作製した。実施例１と同様に、それぞれ２５個ずつのサンプルについて温度サイクル試験及び振動試験を行った結果、従来の構成による可変光減衰器アレイでは、図２（ａ）あるいは図３（ａ）に示したような微小なクラックが合計４個の断熱溝において発生した。一方、本発明の構成による可変光減衰器アレイについては、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示したように全ての断熱溝においてクラックの発生は認められなかった。
【実施例５】
【００５２】
図４に示したような可変光減衰器において発生するＰＤＬは、光ネットワークシステムの性能に大きな影響を与えるため、その抑制が重要となる。例えば、図４に示した構成によって発生するＰＤＬの要因は、光導波路を形成するシリコン基板及びクラッド層、光導波路コアがそれぞれ異なる熱膨張係数を持っていることに起因して、光導波路コア付近に異方性を持った応力が発生することにある。即ち、基板水平方向に光導波路コアを圧縮する応力がかかり、垂直方向にはほとんど応力がかかっていない状態となることで、コアを伝搬する光信号の偏光方向によって位相の変化量が異なってしまい、結果的に偏光方向によって干渉条件が変わることからＰＤＬが発生するのである。マッハ・ツェンダー干渉計における干渉特性から、ＰＤＬの条件は減衰量が大きいほどＰＤＬが発生しやすくなり、光導波路コアにおける応力異方性の低減はＰＤＬ低減のために重要不可欠である。本発明の実施例１〜４において示したような断熱溝構造は、この応力異方性を低減するのに有効な手段である。
【００５３】
本実施例では、８チャネル可変光減衰器アレイにおいて、マッハ・ツェンダー干渉計のアーム光導波路を挟む断熱溝同士の間隔４９を小さくすることによって、ＰＤＬが抑制され、断熱溝構造がより有効となることを確認した。
可変光減衰器における応力異方性により、薄膜ヒータ４５、４６に印加する電力が大きいほど、かつ、光の減衰量が大きいほど、ＰＤＬは顕著に現れるため、ここでは効果の程度を確認するために、あえて光路長差がゼロである対称型マッハ・ツェンダー干渉計を使用し、ヒータ印加電力が大きいほど光が減衰する構成とした。その他の回路構成、導波路構成、作製、実装に関する部分は実施例２と同様である。
作製した可変光減衰器のうち、断熱溝５５が無いサンプルにおいては、応力異方性が大きいことが原因となり、ＰＤＬが約４ｄＢであった。熱光学位相シフタ部におけるＴＥ偏波のπ位相シフト電力をＰTE、ＴＭ偏波のπ位相シフト電力をＰTMとしたときに、両者の差｜ＰTE−ＰTM｜のＴＥ偏波π電力ＰTEに対する割合（｜ＰTE−ＰTM｜／ＰTE×１００）を偏波依存π電力と定義すると、断熱溝が無いサンプルでは５．５％程度であると算出される。
図１０に偏波依存π電力とＰＤＬの関係を表すグラフを示す。ここで、断熱溝５５を形成することによる応力異方性の低減によって、ＰＤＬを１ｄＢ以上改善することを求められるとすると、ＰＤＬ３ｄＢ以下を実現するためには、偏波依存π電力は４％以下であることが必要となる。
【００５４】
図７に、あるチャネルにおけるＰＤＬの溝間隔依存性を、光減衰量ごとにプロットした図を示す。図７から、光減衰量が小さく、断熱溝５５の間隔５６が狭いほど、ＰＤＬが小さいことがわかる。
また、断熱溝５５の間隔５６を５０μｍ以下とすることで、偏波依存π電力を４％以下にすることが可能となり、ＰＤＬを３ｄＢ以下に抑制できることがわかった。
このように、８チャネル可変光減衰器アレイを断熱溝構造とすることによって、基板水平方向の応力が開放され、さらに断熱溝の間隔を狭めることによって、応力異方性がより解消され、ＰＤＬが低減していく効果を確認することができた。したがって、本実施例によれば、基板及びクラッド層、光導波路コアの熱膨張係数の違いによって発生する光導波路コア付近の応力の値を制御して、導波路型熱光学位相シフタによる位相シフト量の偏波依存性を抑制することが可能である。
なお、本実施例において作製した可変光減衰器アレイのいずれのチャネルにおいても同様の結果であった。
【００５５】
この８チャネル可変光減衰器について、最もＰＤＬの低かった溝間隔２０μｍのサンプルについて、実施例１と同様に、同じ構成のものを合計５０個作製し、比較のため、従来の直方体である断熱溝を持つ可変光減衰器アレイも５０個作製した。実施例１同様に、それぞれ２５個ずつのサンプルについて温度サイクル試験及び振動試験を行った結果、従来の構成による可変光減衰器アレイでは、図２（ａ）あるいは図３（ａ）に示したような微小なクラックが合計４個の断熱溝において発生した。一方、本発明の構成による可変光減衰器アレイについては、図２（ｂ）あるいは図３（ｂ）に示したように、全ての断熱溝においてクラックの発生は認められなかった。
【００５６】
以上、本発明の実施例１〜５では、信号光波長が１．５５μｍである場合を取り扱ったが、本発明は構造の信頼性に関する技術であるため、信号光波長が例えば１．３μｍである場合にも適用できることは明らかであり、使用する波長帯によらず同様の効果が得られる。
【００５７】
又、実施例１〜５ではシリコン基板上の石英系ガラスを基本とする熱光学位相シフタについて説明したが、導波路型光デバイスを構成する他の材料、例えば、高分子光導波路やイオン拡散型光導波路などを用いた熱光学位相シフタ全てにおいても、本発明が適用可能である。更に、実施例１〜５ではマッハ・ツェンダー干渉計回路を基本とした光スイッチ及び可変光減衰器について述べたが、マッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する要素が、例えば、Ｙ分岐導波路やマルチモードカプラーであっても同様の効果が得られるということを重ねて述べる。
【実施例６】
【００５８】
図４に示したような実施例２〜５における光回路は、マッハ・ツェンダー干渉計回路を並列配置して構成することによる可変光減衰器アレイであるが、本発明はその他の光回路にも適用可能である。具体的には、図８（ａ）は、本実施例（実施例６）に係る光回路を示すものであり、本発明の構造を持つ断熱溝を有するマッハ・ツェンダー干渉計回路８１及びマッハ・ツェンダー干渉計回路８２を直列に接続することによって、入力光導波路１ａに入射され、出力光導波路２ｄから出射される光信号に対して、図１あるいは図４に示したマッハ・ツェンダー干渉計回路が１段である場合に比べて、光スイッチとしてより高い消光比、可変光減衰器としてはより高い光減衰量を実現することができ、なおかつ角を持たない滑らかな断熱溝を有することによって実施例１〜５と同様の効果を得ることが出来た。
【００５９】
又、図１あるいは図４に示したように、実施例１〜５における断熱溝の基板水平方向の形状は長方形の角が丸くなった形状となっているが、断熱溝の形状が角を持たず滑らかであることが本発明における本質であり、従って、断熱溝の形状は、例えば、図８（ｂ）に示すように、２つの１８０°円弧（半円）と２本の直線からなる形状の断熱溝８７であっても同様の効果が得られる。即ち、マッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する光導波路のアーム導波路上に薄膜ヒータ８５、８６を装荷し、それらを挟むように２つの１８０°円弧と２本の直線からなる形状の断熱溝８７が形成されている。断熱溝８７の形状は角を持たない滑らかな形状であるため、実施例１〜５と同様の効果を得ることができる。又、断熱溝の基板垂直方向の形状において、溝底部が１８０°円弧の形状であることも本発明における断熱溝の形状として挙げることが出来る。
【００６０】
なお、本明細書における「断熱溝の角が丸い」「断熱溝が角を持たず滑らか」という表現は、数学的には「断熱溝の輪郭線の接線ベクトルの角度が連続」と言うのが正しい表現である。また、「丸さ」「滑らかさ」を定量的に示すため、円弧の半径を変えたサンプルを作製し、温度サイクル試験および振動試験にかけ、クラックの発生の有無を調べた。サンプルの形状は図８（実施例６）と同じであり、各半径についてそれぞれ２５チップ準備した。その結果を図１１に示す。この結果より、本発明においては、断熱溝の角の円弧の半径が５μｍ以上であればその効果が得られることが分かった。また、幾何学的に半径の上限は断熱溝の幅の半分以下である必要がある。なお、断熱溝加工方法が異なる場合、あるいは導波路が他の材料で出来ている場合には、それに適合した最適な曲率半径の範囲があることを付記する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例１におけるマッハ・ツェンダー干渉計回路型光スイッチの概略を示す平面図及び断面図である。
【図２】従来及び本発明の実施例１〜５における信頼性試験後の基板水平方向におけるクラッドガラスの様子を観察した結果を示す図である。
【図３】従来及び本発明の実施例１〜５における信頼性試験後の基板垂直方向におけるクラッドガラスの様子を観察した結果を示す図である。
【図４】本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例２における導波路型光可変光減衰器アレイの概略を示す平面図である。
【図５】本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例３における導波路型光可変光減衰器の概略を示す断面図である。
【図６】本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例４における導波路型光可変光減衰器の概略を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例５において可変光減衰器のＰＤＬの断熱溝間隔及び光減衰量依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の熱光学位相シフタにおける断熱溝形状の一例を示す平面図である。
【図９】従来の熱光学位相シフタを備えたマッハ・ツェンダー干渉計回路型光スイッチの概略を示す平面図及び断面図である。
【図１０】本発明の実施例５において可変光減衰器の偏波依存π電力とＰＤＬの関係を表すグラフである。
【図１１】本発明の過程において行った温度サイクル試験および振動の結果で、断熱溝の角の円弧の曲率半径と発生したクラックの数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１…シリコン基板
２…クラッド層
３…コア部
１ａ…入力導波路
１ｂ…入力導波路
１ｃ…出力導波路
１ｄ…出力導波路
１１…方向性結合器
１２…アーム光導波路
１３…アーム光導波路
１４…方向性結合器
１５…薄膜ヒータ
１６…薄膜ヒータ
１７…断熱溝
１８…電極パッド
４１…方向性結合器
４３…可変光減衰器アレイのチャネル間隔
４４…方向性結合器
４５…薄膜ヒータ
４６…薄膜ヒータ
４７…断熱溝
４９…アーム光導波路を挟む断熱溝同士の間隔
５５…薄膜ヒータ
５６…薄膜ヒータ
５７…断熱溝
６１…任意の厚さに残されたクラッドガラス
６５…薄膜ヒータ
６６…薄膜ヒータ
６７…断熱溝
８１…直列接続の前段光回路
８２…直列接続の後段光回路
８５…薄膜ヒータ
８６…薄膜ヒータ
８７…断熱溝
【図１】
2007065645.tif 000003
【図２】
2007065645.tif 000004
【図３】
2007065645.tif 000005
【図４】
2007065645.tif 000006
【図５】
2007065645.tif 000007
【図６】
2007065645.tif 000008
【図７】
2007065645.tif 000009
【図８】
2007065645.tif 000010
【図９】
2007065645.tif 000011
【図１０】
2007065645.tif 000012
【図１１】
2007065645.tif 000013