(57)【要約】【課題】動作が安定した状態で熱光学位相シフタをより微細化できるようにする。【解決手段】例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された単結晶シリコンの細線（シリコン細線）から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備えるものである。本実施の形態における熱光学位相シフタでは、ヒータ層１０５をタンタルから構成したところに特徴がある。【選択図】  図１
2009222742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の上に形成された下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成された構成されたコアと、
前記下部クラッド層および前記コアの上に形成された上部クラッド層と、
前記コアの上部にあたる前記上部クラッド層の上の一部領域に配置されて前記コアの所定領域を加熱するためのタンタルから構成されたヒータ層と
を少なくとも備えることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項２】
請求項１記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記上部クラッド層の上に前記ヒータ層を覆うように形成された被覆層を備える
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項３】
請求項１または２記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記コアより構成された前記所定領域における光導波路の両脇に形成された２つの溝部を備えることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項４】
支持基板，この支持基板の上に設けられたＳｉＯ2よりなる埋め込み絶縁層，この埋め込み絶縁層の上に形成されたシリコン層とを備えるＳＯＩ基板の前記シリコン層をパターニングし、前記埋め込み絶縁層より構成された下部クラッド層の上に前記シリコン層より構成されたコアが形成された状態とする工程と、
前記コアを覆うように前記下部クラッド層の上に酸化シリコンからなる膜を形成することで、前記下部クラッド層および前記コアの上に上部クラッド層が形成された状態とする工程と、
前記上部クラッド層の上にタンタルの膜が形成された状態とする工程と、
前記タンタルの膜をパターニングすることで、前記の上部にあたる前記上部クラッド層の上の一部領域に配置されて前記コアの所定領域を加熱するためのヒータ層が形成された状態とする工程と
を少なくとも備えることを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の熱光学位相シフタの製造方法において、
前記上部クラッド層の上に前記ヒータ層を覆う被覆層を形成する工程を備える
ことを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５記載の熱光学位相シフタの製造方法において、
前記コアより構成された前記所定領域における光導波路の両脇に溝部からなる２つ断熱溝が形成された状態とする工程を備えることを特徴とする熱光学位相シフタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱による温度変化によってコアの屈折率を制御し、導波する光の位相を変化させる熱光学位相シフタおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野においては、通信容量の増大に対応するため、多チャンネル化が提案されており、この中でも、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式が有望視されている。また、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御や、スイッチングを行うなどのチャンネル毎の機能的な制御を、光電変換せずに実現するために、チャンネル数に応じた数の光素子が必要とされている。このため、近年、光スイッチなどに適用が可能であり、高密度集積が可能な小型光回路部品の必要性が高まっている。
【０００３】
小型光回路部品の１つとして、シリカ系材料による平面光波回路（ＰＬＣ：Planer Light-wave Circuit）型デバイスがある。ＰＬＣ型デバイスは、作製プロセスに半導体集積回路の作製技術を利用できることから、作製が容易であり、高機能化および大規模化にも有利であるという特徴を持つ。さらに、ＰＬＣ型デバイスに熱光学位相シフタを加えることで、光スイッチ、光可変減衰器などの機能を容易に発現させることができ、近年では、光通信デバイスに広く用いられている。
【０００４】
たとえばシリカ系ＰＬＣによる光スイッチは、次に示すことにより実現されている。まず、１本のシリカ系光導波路に入力された光を２本のアームに分岐する。次に、分岐した一方を位相シフタの機能を有する光導波路に導波させて通過させる。この後、出力端において２本に分岐した光導波路を再結合させる。ここで、２本に分岐されたアームを通る光の間に、半波長分の光路長差が生じるように位相シフタを動作させれば、これらを合波した出力端では、出力をゼロとすることができる。また、２本の光導波路を通過する光の光路長が一致するように調整すれば、光は干渉せず合波されて出力される。これらの２つの切り替えにより、出力のオン・オフ制御を可能とする光スイッチが実現できる。
【０００５】
上述した光スイッチは、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型光スイッチと呼ばれている。同様の原理で、分岐に方向性結合器を用い、１つの入力光を二つの出力ポートに選択的に出力できるＭＺＩ型光スイッチも作製できる。このような、ＭＺＩ型の光スイッチにおいて、位相シフタには一般的に熱光学位相シフタやキャリア注入型位相シフタが用いられる。熱光学位相シフタは、より大きな消光比が取れ、また製造が容易であるという特徴を備えている。
【０００６】
熱光学位相シフタは、光導波路とこの上に設置されたヒータとを備えている。この熱光学位相シフタは、ヒータによる温度変化により光導波路の屈折率を制御し、導波する光の位相を変化させる。シリカ系光導波路による熱光学位相シフタの寸法は、例えば、この断面が８μｍ×８μｍ程度、クラッドの膜厚が〜５０μｍで、コアとクラッドの比屈折率差は０．７５％程度である。また、このようなシリカ系光導波路の直上に、クロム（Ｃｒ）を材料とするヒータ層が、幅５０μｍ、厚さ０．３μｍ（アスペクト比が０．００６）程度に形成されている。このように構成された熱光学位相シフタを用いたＭＺＩ型光スイッチの応答速度は数ｍｓである。
【０００７】
現在、上述した熱光学位相シフタを用い、大容量で柔軟な光情報通信網を構築する上で必要となるシリカ系ＰＬＣ光マトリックススイッチの開発が、進められている。例えば、１１０ｍｍ×１１０ｍｍ程度の寸法のチップ上に、シリ力系材料による熱光学位相シフタを用いた２０４８個のＭＺＩ型光スイッチを集積し、入力ポート数×出力ポート数が、３２×３２の光マトリックススイッチが作製されている（非特許文献１参照）。
【０００８】
しかし、シリカ系光導波路は、コアとクラッドの比屈折率差がΔ＝０．５〜１．５％程度と、光の閉じ込め効果が小さいく、コア寸法が数μｍで曲げ半径は最小でも数ｍｍであり、これらの寸法をより小さくすると、導波光の損失が増大してしまう。このため、シリカ系光導波路で光回路を構成してモジュール化すると、非常に大きなものとなってしまう。またシリ力系材料による熱光学位相シフタを用いたＰＬＣ光マトリックススイッチでは、位相シフタのヒータでの発熱が大きいため、マトリックススイッチの大規模化を試みても冷却が可能な規模に限定される。熱光学光スイッチを大規模高密度集積するためには、微小な曲げ半径で光回路を構成できる光導波路が必要であり、同時に、搭載される熱光学位相シフタの消費電力は多数集積した場合でも冷却可能な程度に低減することが求められる。
【０００９】
上述した２つの課題に対応し、ＰＬＣ光マトリックススイッチの消費電力を低減し、さらに大規模高密度集積を可能とするために、シリコン細線光導波路による熱光学光スイッチの作製が試みられている。
【００１０】
シリコン細線光導波路は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて作製することができる。ＳＯＩ基板は、シリコン支持基板，シリコン支持基板上の埋め込みシリコン酸化層，および、埋め込みシリコン酸化層の上のシリコン層（ＳＯＩ層）を備える。このようなＳＯＩ基板上で、埋め込みシリコン酸化層を下部クラッドとし、ＳＯＩ層を導波路の形状に加工したコアを有し、さらにこのコアの上に形成されたシリカ系膜をオーバークラッド層とすることで、シリコン細線をコアとするチャンネル型導波路が形成できる。
【００１１】
図５は、従来のシリコン細線光導波路による熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。シリコンからなる支持基板６０１の上に、埋め込みシリコン酸化層より構成された下部クラッド層６０２が設けられ、この上にＳＯＩ層を加工することで形成されたコア６０３が配置され、コア６０３を覆うように上部クラッド層６０４が形成されている。また、コア６０３の上部にあたる上部クラッド層６０４の上に、薄膜ヒータ６０５を備えている。例えば、コア６０３は、断面が幅０．４μｍ，高さ０．２μｍ程度に形成され、下部クラッド層６０２および上部クラッド層６０４は、合わせて膜厚１０μｍ程度とされている。
【００１２】
また、シリコン細線光導波路は、光の閉じ込め効果が強いため、コアの断面寸法をサブミクロンオーダーの幅と高さにすることが可能であり、モードフィールド径をシリカ系光導波路と比較して非常に小さくすることができる。例えば、波長１．５５μｍの光に対して、比屈折率差４０％で幅０．４μｍ，高さ０．２μｍの偏平コアを有するシリコン細線光導波路では、モードフィールド径は１μｍ程度である。
【００１３】
屈折率の比が大きいことで、曲げ半径をミクロンオーダーとしても、無損失偏向が可能である。これにより、シリコン細線光導波路では、極微小な光回路を構成でき、光機能デバイスの高密度集積を可能にする。
【００１４】
さらに、コアとなるシリコンは、熱光学係数が２ｅ−４［１／Ｋ］と、これが１ｅ−５であるシリカ系と比較して大きいため、熱光学位相シフタにおいて屈折率変化に必要な加熱温度も低減することが可能であり、消費電力が低減できるようになる。例えば、非特許文献２では、シリコン細線光導波路による熱光学位相シフタを用いて作製したＭＺＩ型光スイッチが、９０ｍＷ程度で動作することが示されている。このＭＺＩ型光スイッチでは、ヒータ幅は１０μｍ程度である。
【００１５】
また非特許文献３では、シリコン細線光導波路による熱光学位相シフタを用いて作製したＭＺＩ型光スイッチが、３０ｍＷ程度で動作することが示されている。このＭＺＩ型光スイッチでは、ヒータは幅５μｍ、アスペクト比０．０４であり、またヒータは、金（Ａｕ）合金から構成されている。
【００１６】
また、位相シフタのさらなる低消費電力化を図るために、位相シフタの両脇に断熱溝を設置することが提案されている。断熱溝を設置することで、位相シフタの両脇へと流出する熱を低減でき、また断熱溝を設置してクラッド幅を小さくすることで、加熱の対象となる体積を低減できる。このように、クラッド幅を小さくすることは、ヒータの熱が余分に流出することを抑止し、光導波路を加熱するために必要な熱も低減できるため、低消費電力化に寄与する。
【００１７】
前述したように、シリコン細線光導波路のモードフィールド径は小さく、例えば、波長１．５５μｍの光に対して、比屈折率差４０％程度で幅０．４，高さ０．２μｍの偏平コアを有する光導波路では、モードフィールド径は１μｍ程度である。よって、シリコン細線光導波路による熱光学位相シフタでは、クラッド（導波路）幅を１μｍ程度まで小さくすることが可能である。これによって、従来の数μｍのモードフィールド径を有する場合より、大幅にクラッド幅を小さくでき、加熱しなければならない体積を低減できる。よって熱光学位相シフタの消費電力を従来以下に低減でき、熱光学位相シフタを用いた光マトリックススイッチにおいては、従来制限されていた大規模高密度集積が進展すると期待されている。
【００１８】
【非特許文献１】S.Sohma, et al., "Silica-based PLC Type 32×32 Optical Matrix Switch", ECOC 2006 Proceedings, Vol.2, pp.145-146, 2006.
【非特許文献２】T.Chu, et al., "Compact 1×N thermo-optic switchs based on silicon photonic wire waveguide", OPTICS EXPRESS, Vol.12, No.25, pp.10109-10114, 2005.
【非特許文献３】T.Tsuchizawa, et al., "Low-Loss Si Wire Waveguide and their Application to Thermooptic Switches", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45, No.8B, pp.6658-6662, 2006.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、シリコン細線光導波路による熱光学位相シフタを用いた光マトリックススイッチは、さらなる低消費電力化および大規模高密度集積化が求められ、同時に安定動作が要求されている。しかしながら、この要求に対し、現状では以下に示すような問題がある。
【００２０】
シリコン細線光導波路による熱光学位相シフタを高密度に集積する際、モードフィールド径から考えられるＭＺＩ型光スイッチの２つのアーム間隔は、最小で数μｍである。この場合、２つのアームのヒータ同士の接触を避けるためには、各アーム上に設置されるヒータの幅は、数μｍ程度となる。しかしながら、次に説明するように、現在用いられている材料では、数μｍ幅のヒータ層を精度よく形成することが容易ではない。
【００２１】
例えば、現在では、Ａｕ合金やＣｒなどがヒータ層の材料として用いられいるが、これらの材料でヒータ層を形成する場合、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）では加工しにくい材料であるため、ミリング加工が主に用いられていた。ところが、ミリング加工は寸法制御性が悪く、サブμｍオーダでの精度よい微細加工は不可能である。このため、幅が数μｍ程度の微細なヒータ層を形成する場合、単一のヒータ層におけるヒータ幅の不均一性により、幅が狭い高抵抗の部分に電圧が集中して断線するという問題が発生する。また、多数の位相シフタを同一チップ上に集積すると、ヒータ間で抵抗値がばらつき、ヒータを安定に動作させることが困難であり、大きな問題となる。これらの理由により、大規模高密度集積のために、Ａｕ合金やＣｒによる数μｍ幅のヒータを使用することは、実用上問題があった。
【００２２】
また、断熱溝を設けて狭いクラッド幅の熱光学位相シフタを作製する際は、次に示すような問題があった。ヒータ層をコアの直上に設置する熱光学位相シフタにおいては、位相シフタの両脇に断熱溝を設置する場合、ヒータ層を形成した後に断熱溝を形成している。断熱溝は、一般には、表面からのＲＩＥによって形成しているため、クラッド幅を小さくするには、ヒータ幅はクラッド幅以下に形成する必要がある。また、平面的なヒータの形状と断熱溝の形状とは、フォトリソグラフィー技術によって転写されるため、シリコン細線導波路を中心に、高い精度でこれらのパターンの位置合わせを行い、ヒータ層がクラッドの幅内に配置された状態にする必要がある。
【００２３】
このとき、ヒータ幅がクラッド幅より小さければ、位置合わせのずれをある程度許容してヒータ層をクラッドの幅内に配置することができるため、いわゆるステッパなどの高価な装置を用いる必要がなく、生産性が向上する。これらの理由から、ヒータ層はより細い形状とすることが望ましい。
【００２４】
しかしながら、ヒータ厚さを変えずにヒータ幅のみを小さくすると、ヒータの抵抗値が増大し、動作電圧を下げられず、低消費電力化の妨げになる。また、ヒータの電流密度が増加し、断線の危険性が増大する。抵抗値と動作電圧および電流密度を非特許文献２と同程度に保ち、安定して動作させるためには、ヒータ幅を５μｍ以下に小さくすると同時にヒータ厚さを０．２μｍ以上に厚くする必要がある。しかしながら、金合金やクロムなどのヒータ材料を用いてよりアスペクト比（厚さ／幅）の大きいヒータを作製するには、以下のような問題があった。
【００２５】
例えばミリング加工する際は、マスクとなるレジストとヒータ材料との間でエッチング選択比はほぼ１であり、アスペクト比の大きい形状に加工をするにはレジストを厚くするなどの対策が必要となる。このためリソグラフィーの工程で、アスペクト比が大きくなったレジストのパターンが、現像の後に倒れてしまうという問題があった。また、ミリング加工後は、マスクとして用いたレジストパターンが硬化してしまい、レジストの除去が容易ではなくなる。このように硬化したレジストを、超音波洗浄などで強引に除去しようとすると、ヒータ層やクラッドごと剥離してしまうという問題があった。
【００２６】
さらに、高アスペクト比になると僅かなヒータ幅のばらつきが、ヒータ層断面積の大きなばらつきとなる。ところが、前述したようなヒータ材料をミリング加工して形成したヒータ層は、寸法制御性が悪く、前述したような単一ヒータ内の抵抗値の不均一化や、別ヒータ間での抵抗値の個体差の増大が、アスペクト比が小さい場合より顕著になり、大きな問題となる。
【００２７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、動作が安定した状態で熱光学位相シフタをより微細化できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係る熱光学位相シフタは、支持基板の上に形成された下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成された構成されたコアと、下部クラッド層およびコアの上に形成された上部クラッド層と、コアの上部にあたる上部クラッド層の上の一部領域に配置されてコアの所定領域を加熱するためのタンタルから構成されたヒータ層とを少なくとも備えるものである。
【００２９】
上記熱光学位相シフタにおいて、上部クラッド層の上にヒータ層を覆うように形成された被覆層を備えるとよい。また、コアより構成された所定領域における光導波路の両脇に形成された２つの溝部を備えるとよい。
【００３０】
また、本発明に係る熱光学位相シフタの製造方法は、支持基板，この支持基板の上に設けられたＳｉＯ2よりなる埋め込み絶縁層，この埋め込み絶縁層の上に形成されたシリコン層とを備えるＳＯＩ基板のシリコン層をパターニングし、埋め込み絶縁層より構成された下部クラッド層の上にシリコン層より構成されたコアが形成された状態とする工程と、コアを覆うように下部クラッド層の上に酸化シリコンからなる膜を形成することで、下部クラッド層およびコアの上に上部クラッド層が形成された状態とする工程と、上部クラッド層の上にタンタルの膜が形成された状態とする工程と、タンタルの膜をパターニングすることで、の上部にあたる上部クラッド層の上の一部領域に配置されてコアの所定領域を加熱するためのヒータ層が形成された状態とする工程とを少なくとも備えるようにしたものである。なお、上部クラッド層の上にヒータ層を覆う被覆層を形成する工程を備えるするとよい。また、コアより構成された所定領域における光導波路の両脇に溝部からなる２つ断熱溝が形成された状態とする工程を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、ヒータ層をタンタルから構成したので、動作が安定した状態で熱光学位相シフタをより微細化できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における熱光学位相シフタの構成を示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された単結晶シリコンの細線（シリコン細線）から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備えるものである。本実施の形態における熱光学位相シフタでは、ヒータ層１０５をタンタル（Ｔａ）から構成したところに特徴がある。
【００３３】
Ｔａは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって加工（Etching）が可能であり、寸法制御性に優れるため、Ｘ線リソグラフィー用マスク材料として利用されている。微細な形状を精度よく安定に加工することに優れており、ｎｍのオーダで、寸法制御性よく加工が可能である。さらに、Ｔａは、抵抗率が１３．１［μΩ・ｃｍ］であり、ヒータ材料として広く用いられているＣｒ（１２．９）とほぼ等しく、ヒータ材料として用いることができる。
【００３４】
このため、シリコン細線光導波路による熱光学位相シフタを高密度に集積する際、幅が数μｍで、所望の抵抗値を有するヒータ層を生産性よく設置（形成）できる、また作製されたヒータは、単一ヒータ内のヒータ幅の均一性がよく、断線しにくい。
【００３５】
また、Ｔａは、ＲＩＥの加工において用いられるマスクの材料のＳｉＯ2との間のエッチング選択比が大きいため、マスクパターンを厚く形成する必要がないという利点も備えている。Ｔａは、結晶構造の違いにより、α−Ｔａとβ−Ｔａとの２種類が存在するが、よく用いられるＲＩＥにおけるＳｉＯ2との間のエッチング選択比は、β−Ｔａで２０以上、α−Ｔａで１０以上と、どちらも大きな値が得られる。従って、例えば、ＲＩＥを用いて高アスペクト比の加工をする際に、過剰にマスクを厚くする必要がない。
【００３６】
このように、マスクパターンを厚く形成する必要がないので、例えばマスクとなるＳｉＯ2膜を厚膜化した際に、内部応力によってＳｉＯ2が剥離するなどの問題が回避できようになる。またＳｉＯ2マスク形成のためのレジストパターンを薄く形成できるので、ミリング加工によるヒータ形成の場合のように、アスペクト比が大きくなったレジストマスクが倒れるといった問題も回避できるようになる。
【００３７】
さらに、Ｔａをヒータ材料に用いることで、ミリング加工した材料に比べ加工側面の側壁荒れが低減できるようになり、幅の均一性に優れたヒータ層を形成することができる。また、ＲＩＥによる加工条件の最適化により、いわゆるアンダーカットが生じないよう異方性よく加工できる。よって、アスペクト比が大きくてもヒータ断面積の均ー性に優れたヒータ層が作製できる。以上に説明したように、Ｔａをヒータ材料に用いることで、断熱溝を設置しクラッド幅が小さくなつた位相シフタにおいても、安定に動作するヒータ層を設置することが可能となる。
【００３８】
次に、本実施の形態における熱光学位相シフタの作製について簡単に説明する。まず、これらは、いわゆるＳＯＩ基板を用いて作製することができる。ＳＯＩ基板のシリコン支持基板が、支持基板１０１に対応し、また、埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０２とすればよい。また、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を周知の技術である電子線ビーム（ＥＢ）リソグラフィー技術とエッチング技術とにより加工（パターニング）することで、コア１０３が形成可能である。コア１０３は、例えば、幅０．４μｍ，高さ０．２μｍである。
【００３９】
以上のようにしてコア１０３を形成した後、例えば、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積することで、上部クラッド層１０４を形成することができる。このようにすることで、コア１０３によりシリコン細線光導波路が形成された状態となる。埋め込み絶縁層を用いた下部クラッド層１０２は、厚さ３μｍとし、シリコン酸化物の堆積により形成した上部クラッド層１０４も、厚さ３μｍとすればよい。
【００４０】
次に、ヒータ層１０５の形成について説明する。まず、上部クラッド層１０４を形成した後、例えば、ＲＦスパッタ法によりＴａを堆積することで、上部クラッド層１０４の上に、膜厚０．１μｍのβ−Ｔａ膜が形成された状態とする。次に、例えば、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ2を堆積することで、β−Ｔａ膜の上に膜厚０．１μｍのＳｉＯ2膜が形成された状態とする。
【００４１】
次に、例えばよく知られたポジ型のフォトレジストをＳｉＯ2膜の上に塗布してレジスト膜を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によりヒータ層となるレジストパターンが、ＳｉＯ2膜の上に形成された状態とする。次いで、このレジストパターンをマスクとし、よく知られたＲＩＥにより、幅５μｍのＳｉＯ2マスクパターンが形成された状態とする。さらに、形成したＳｉＯ2マスクパターンをマスクとし、下層のβ−Ｔａ膜をＲＩＥによって加工（パターニング）し、幅５μｍ、厚さ０．１μｍのヒータ層１０５が形成された状態とする。なお、ヒータ層１０５は、長さ４５０μｍとすることで、非特許文献２と同程度の抵抗値を有する状態とすることができる。
【００４２】
このときＳｉＯ2のＲＩＥにおいては、ＳｉＯ2はレジストパターンとの間に１．５程度の選択比が得られるため、レジスト膜の塗布厚さは、ＳｉＯ2のエッチング用のマスクとして機能するのに十分な厚さであれば、露光および現像後に残るレジストが倒れないように可能な限り薄くてよく、計算上は０．０４μｍ程度でよい。さらに、ＴａのＲＩＥにおいては、β−ＴａとＳｉＯ2との間に２０程度の選択比が得られるため、ＳｉＯ2マスクパターン厚さは、Ｔａ膜の厚さの１／２０程度でよい。例えば、層厚０．１μｍ程度のヒータ層１０５を形成する場合、ＳｉＯ2マスクパターンの膜厚は、５ｎｍ程度でよい。またβ−Ｔａはα−Ｔａ以上に加工性に優れており、極めて寸法制御性よく微細加工が可能である。
【００４３】
次に、上述した実施の形態における熱光学位相シフタを適用したＭＺＩ型光スイッチの構成例について図２を用いて説明する。図２において、（ａ）は、ＭＺＩ型光スイッチの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、断面図である。このＭＺＩ型光スイッチは、入力ポートとなる入力側導波路２０１と、入力側導波路２０１を分岐する多モード干渉分岐部２０２と、多モード干渉分岐部２０２より分岐する一方の中間導波路２０３および他方の中間導波路２１３と、中間導波路２０３および中間導波路２１３を結合する多モード干渉分岐部２０４と、多モード干渉分岐部２０４に接続する出力側導波路２０５を備える。
【００４４】
これらの構成の中で、中間導波路２０３および中間導波路２１３に、上述した本実施の形態における熱光学位相シフタが設けられている。各中間導波路を構成しているコア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上にヒータ層１０５が配置され、ヒータ層１０５に所定の配線を介して電源（不図示）が接続され、各中間導波路におけるコア１０３を加熱可能としている。
【００４５】
入力側導波路２０１に導入された入射光は、多モード干渉分岐部２０２によって分岐され、中間導波路２０３および中間導波路２１３の２つの光導波路に導かれる。中間導波路２０３および中間導波路２１３においては、各ヒータ層１０５による加熱で、各熱光学位相シフタにおける熱光学効果により光導波路の屈折率が変化し、光路長に変化が与えられている。中間導波路２０３および中間導波路２１３を通過する光は、位相シフタを通つて光路長差が任意に与えられ、再び多モード干渉分岐部２０４によって結合される。光路長差を制御することで、０ＵＴポートとなる出力側導波路２０５からの出力光を０Ｎ状態から０ＦＦ状態まで連続的に変化させることができる。また、多モード干渉分岐を３ｄＢ方向性結合器に置き換えた同様のＭＺＩ型光スイッチでは、２つの出力ポートに出力光を選択的に与えられ、これを用いて多段のマトリックススイッチが構成できる。
【００４６】
ところで、図１（ｃ）に示すように、ヒータ層１０５が、被覆層１０６で覆われているようにしてもよい。例えば、上部クラッド層１０４を形成し、この上にヒータ層１０５を形成した後に、上部クラッド層１０４と同様に酸化シリコンを堆積することで、被覆層１０６とすればよい。言い換えると、酸化シリコンからなる上部クラッド層の中に、埋設された状態にヒータ層１０５が形成されていてもよい。
【００４７】
このように、被覆層１０６を形成することで、ヒータ層１０５からの熱が、上方の大気側への放熱が抑制された状態で、上部クラッド層１０４に伝導されるようになる。また、後述するような断熱溝の形成や、支持基板１０１への開口部および導波路下に配置される空間の形成において、ヒータ層１０５の損傷を抑制できるようになる。
【００４８】
例えば、導波路下の支持基板１０１に空間を形成することで、ヒータ層１０５にからの熱が、支持基板１０１の側へ拡散することが抑制されるようになる。このような空間などの形成では、例えば反応性ガスを用いたドライエッチングが用いられるが、被覆層１０６により、このエッチングによる損傷からヒータ層１０５を保護することができる。また、後述するような断熱溝の形成においても、マスクパターンの除去において、被覆層１０６によりヒータ層１０５を保護することができる。
【００４９】
本実施の形態では、ヒータ層１０５をＴａから構成しているが、Ｔａは、金合金やＣｒなどのヒータ材料に比較して上述したようなエッチング処理や除去処理により損傷を受けやすい。このため、被覆層１０６を用いることは、Ｔａから構成されたヒータ層１０５の場合には、特に効果的である。
【００５０】
ところで、ヒータ層１０５を備えることで熱光学位相シフタとしている光導波路の側部に、図３に示すように断熱溝３０１を備えるようにしてもよい。ここでは、上述したＭＺＩ型光スイッチの構成に加え、コア１０３による光導波路の両脇に、断熱溝３０１を備えるようようにしたものである。断熱溝３０１は、ヒータ層１０５が形成されている領域（位相シフタ領域）に配置されいればよい。
【００５１】
断熱溝３０１は、例えば、上部クラッド層１０４の上にヒータ層１０５を形成した後に、公知のフォトリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用い、公知のエッチング技術（例えばＲＩＥ）により所定の深さまで、上部クラッド層１０４や下部クラッド層１０２を選択的に除去することで形成可能である。断熱溝３０１を形成することで、例えば、中間導波路２０３および中間導波路２１３のクラッド幅（導波路幅）は、５μｍ程度とすればよい。なお、クラッド幅は、５μｍ以下とするとよい。また、断熱溝３０１は、上部クラッド層１０４の途中の深さまで形成してもよく、上部クラッド層１０４の膜厚に等しい深さまで形成してもよく、また、支持基板１０１の表面が露出するまでの深さに形成してもよい。断熱溝３０１を設置したことで、加熱体積が低減でき、より低消費電力での動作が可能となる。
【００５２】
ところで、比屈折率差が１．５％のシリカ系光導波路では、コア幅は小さくても５μｍ程度であり、モードフィールド径も５μｍ程度であるため、クラッド幅を５μｍ以下にすることは容易ではない。これに対しシリコン細線光導波路では、クラッド幅を５μｍ以下にすることが容易である。クラッド幅が５μｍ以下と小さくなると、Ａｕ合金やコバルトなどのヒータ材料では、微細加工の問題によって安定に動作するヒータ層を形成することが懇談である。これに対し、ヒ一タ材料にＴａを用いることで、幅の寸法均一性がよいヒータ層が形成可能となる。これによって、前述したようにシリコン細線光導波路によりクラッド幅を小さくした状態においても、安定に動作するヒータ層を形成することが可能となり、低消費電力化を図つても動作の安定性が損なわれない光スイッチが得られるようになる。
【００５３】
次に、クラッド幅をより小さくした場合について説明する。例えば、図４に示すように、クラッド幅を１μｍ程度と狭くした場合、ヒータ層４０５は。幅０．６μｍ程度と１μｍより小さくすればよい。ここで、ヒータ層４０５の抵抗値は、ρ×Ｌh／（ｗh×ｔh）で示され、この値が、非特許文献３の技術では１２０Ωとなる。なお、ρはヒータに用いる材料の体積抵抗率、Ｌhはヒータ層の長さ、ｗhはヒータ層の断面幅、ｔhは、ヒータ層の断面高さである。幅ｗh＝０．６μｍとしたヒータ層４０５を、１２０オーム程度の抵抗値とするためには、断面高さを０．８μｍ程度とする必要があり、アスペクト比は１．３と大きくなる。
【００５４】
このようなアスペクト比の大きなヒータ層４０５とすることで、低消費電力化のためにクラッド幅を１μｍまで小さくした場合でも、抵抗値を著しく大きくせずに、ヒータを設置できる。０．６μｍと微細な幅のヒータ層４０５を寸法制御性よく且つ寸法均ー性よく加工することや、アスペクト比の大きなヒータ層４０５の加工は、Ｔａを材料とすることで可能となる。このように、アスペクト比の大きなヒータ層４０５を設置することによって、クラッド幅を１μｍにした熱光学位相シフタは、低消費電力で安定に動作できるようになる。さらに消費電力が低いので、この熱光学位相シフタは大規模高密度集積が可能となる。
【００５５】
なお、上述した本発明の熱光学位相シフタを適用したＭＺＩ型光スイッチは、図５に示すように、集積した光スイッチとして構成することができる。ここでは、１６×１６（＝１９６個）のＭＺＩ型光スイッチを、数ｍｍ四方のチップの上に集積している。ＭＺＩ型光スイッチの各位相シフタのヒータ層１０５は、ヒータ層１０５同士やヒータ層１０５と断熱溝３０１とが干渉せずに配置され、また電気配線と接続されなければならない。Ｔａをヒータ材料に用いることで、このような微細なパターンを、チップ上で均一に加工することが可能になる。これによって、大規模高密度集積化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態における熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における熱光学位相シフタを適用したＭＺＩ型光スイッチの構成例について説明する構成図である。
【図３】本発明の実施の形態における熱光学位相シフタを適用した他のＭＺＩ型光スイッチの構成例について説明する構成図である。
【図４】本発明の実施の形態における他の熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における熱光学位相シフタを適用した他のＭＺＩ型光スイッチの構成例について説明する構成図である。
【図６】熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１…支持基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０４…上部クラッド層、１０５…ヒータ層、１０６…被覆層、３０１…断熱溝。
【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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