JP2000187192A - 温度制御型光導波路 - Google Patents
温度制御型光導波路Info
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Abstract
りコア部を効率的に加熱することが困難であった。 【解決手段】 基板1上に突出して形成されたクラッド
部3と、クラッド部3内に形成され、屈折率がクラッド
部3より大きくかつ温度により変化する単一のコア部2
と、クラッド部3の上面に形成された発熱体4とから成
る温度制御型光導波路である。発熱体4からの熱を発散
させることなくコア部2に伝導させることができ、コア
部2を効率的に加熱して動作させることができる。
Description
用いられる熱光学効果を利用した光スイッチング素子等
に好適な温度制御型の光導波路に関し、特にコア部に対
する発熱体による加熱効率を高めた温度制御型光導波路
に関する。
一つとして、2つの光導波路間に配置されて光信号の経
路を切り換えるために用いる光スイッチング素子があ
る。
熱によりコア部の屈折率の変化を生じさせる熱光学効果
を利用したものがあり、温度制御型の光導波路が用いら
れる。このような温度制御型光導波路を用いた光スイッ
チング素子の例を図4に斜視図で、また図5に断面図で
示す。図4および図5は、熱光学効果を利用した三次元
導波路形状の温度制御型光導波路による光スイッチング
素子を用いた、対称マッハツェンダ型光スイッチング素
子の例を示すものである。
3は基板1上に形成された三次元導波路形状の光導波路
のそれぞれコア部およびクラッド部であり、コア部2は
クラッド部3内に形成されている。また、4はコア部2
の一部に設ける光スイッチング素子の部分に対応してク
ラッド部3上に形成された発熱体であり、この部分に温
度制御型光導波路が形成されて光スイッチング素子とし
て機能する。
スイッチング素子によれば、コア部2に対して入力1の
ポートから入射した光は、分岐部で2分岐されてそれぞ
れの経路を伝搬した後、合部で干渉する。このとき、分
岐部から合部までの2つの経路で位相差がπの偶数倍で
あれば、合部で干渉した光は出力2のポートのみに導か
れる。一方、分岐部から合部までの2つの経路で位相差
がπの奇数倍であれば合部で干渉した光は出力1のポー
トのみに導かれる。
発熱体4の下部のコア部2ともう一方の経路のコア部2
とで位相差は0であるので光は出力2のポートに導かれ
る。
により発熱体4の下部の光導波路のコア部2およびクラ
ッド部3の屈折率を高くすることができ、これによって
位相差が生じるため、その位相差がπの奇数倍であれば
合部で干渉した光は出力1のポートに導かれる。このよ
うな動作原理により、光のスイッチング動作を得ること
ができる。
よび図5に示すような従来の温度制御型光導波路におい
ては、発熱体4からの熱はクラッド部3内を発散しなが
ら伝導するために、発熱体4の下部の光導波路のコア部
2およびクラッド部3のみを効率的に加熱することがで
きず、コア部2に対する発熱体4による加熱効率が悪い
という問題点があった。
方の光導波路へ向かう1方向のみであるため、発熱体4
の直下のコア部2においても上下で温度差が生じること
もあるなど、発熱体4によって光導波路、特にそのコア
部2を効率的に加熱できないという問題点もあった。
みてなされたものであり、その目的は、熱光学効果を利
用してコア部の屈折率を変化させる際に、発熱体からの
熱を発散させることなく効率的にコア部に伝導すること
ができ、発熱体の下部に位置する光導波路のコア部およ
びクラッド部を効率的に加熱することができる温度制御
型光導波路を提供することにある。
波路は、基板上に突出して形成されたクラッド部と、こ
のクラッド部内に形成され、屈折率が前記クラッド部よ
り大きくかつ温度により変化する単一のコア部と、前記
クラッド部の上面に形成された発熱体とから成ることを
特徴とするものである。
板上に突出して形成されたクラッド部と、このクラッド
部内に形成され、屈折率が前記クラッド部より大きくか
つ温度により変化する単一のコア部と、前記クラッド部
の上面および側面に形成された発熱体とから成ることを
特徴とするものである。
板上に突出して形成された、クラッド部の側面が露出し
た通常リッジ型と言われる三次元導波路構造の光導波路
と、この光導波路の上面に形成された発熱体とから成る
ことから、従来の温度制御型光導波路のように発熱体か
らの熱が基板の横方向に沿ってクラッド部内を広く発散
してしまうことがない。また、発熱体からの熱は熱伝導
の良い媒質中を伝搬する性質があるために、空気よりも
熱伝導性の高いクラッド部内を伝搬し、基板から突出し
て形成され側面が露出したクラッド部の側面から空気中
に発散することもないので、発熱体からの熱は発熱体の
下部の光導波路のみに閉じ込められて伝搬することとな
る。従って、本発明の温度制御型光導波路によれば、従
来の温度制御型光導波路に比べて、発熱体からの熱を発
散させることなく効率的にコア部に伝導することがで
き、発熱体の下部に位置する光導波路のコア部およびク
ラッド部のみを効率的に加熱することができる。
ッド部の上面とともに、露出した側面にも発熱体を形成
することにより、光導波路のコア部およびクラッド部を
発熱体で囲んで周囲の3方向からさらに効率的に加熱す
ることができる。
路を図面を参照つつ説明する。
施の形態の一例を示す断面図である。図1において、1
は基板、2および3は光導波路のそれぞれコア部および
クラッド部であり、クラッド部3は基板1上に突出して
形成され、その側面が空気中に露出している。また、ク
ラッド部3内に形成されたコア部2は、屈折率がクラッ
ド部3より大きくかつ温度により屈折率が変化する媒質
で形成されており、クラッド部3内に単一のコア部2と
して形成されている。そして、4はクラッド部3の上面
に形成された発熱体である。このような構成により、こ
の発熱体4からの熱によりコア部2の温度を制御してそ
の屈折率を変化させることによって、例えば光スイッチ
ング素子等に好適な温度制御型導波路となる。なお、図
1には図5と同様のマッハツェンダ型スイッチング素子
を構成した場合の断面図として、発熱体4を形成してい
ない光導波路を併設した例を示している。
は、光導波路のクラッド部3の側面が基板1上に露出し
た、いわゆるリッジ型構造であることを特徴としてい
る。このような構成により、発熱体4からの熱は熱伝導
の良い媒質中を伝搬する性質があるために、空気よりも
熱伝導性の高いクラッド部3中を伝搬し、露出したクラ
ッド部3の側面から空気中に発散することがなく、発熱
体か4らの熱は発熱体4の下部に位置するクラッド部3
のみに閉じ込められて伝搬するため、発熱体4の下方に
位置するコア部2を効率的に加熱することができる。
の実施の形態の他の例を示す図1と同様の断面図であ
る。図2によれば、基板1上に突出して形成されたクラ
ッド部3内にその屈折率がクラッド部3より大きくかつ
温度により変化する単一のコア部2が形成されており、
そのクラッド部3の上面および基板1から突出して露出
した側面に発熱体4が形成されている。なお、図2にも
図1と同様に、マッハツェンダ型スイッチング素子を構
成した場合の断面図として、発熱体4を形成していない
光導波路を併設した例を示している。
および側面に形成したことから、クラッド部3およびそ
の内部のコア部2を発熱体4で囲んで周囲の3方向から
より効率的に加熱することができる。
板1には光集積回路基板や光電子混在基板等の光信号を
扱う基板として使用される種々の基板、例えばシリコン
基板やアルミナセラミックス基板・ガラスセラミックス
基板・多層セラミック配線基板等が使用できる。
ド部3中にコア部2が形成された三次元導波路形状の光
導波路であり、その形成材料としては、例えばシリカ・
ニオブ酸リチウム・GaAs・ポリイミド・フッ素樹脂
・フッ化ポリイミド・シロキサン系ポリマ・PMMA
(ポリメチルメタアクリレート)・オレフィン系樹脂等
を用いればよい。中でも、ポリイミド・フッ素樹脂・フ
ッ化ポリイミド・シロキサン系ポリマ等の有機系材料
は、シリカなどの無機系材料に比べて熱膨張係数が大き
いために大きな熱光学効果を有するので、温度制御型光
導波路を駆動する際の消費電力を小さくすることができ
るといった点で好適なものとなる。
a・Au・Ag・W・Ti・Cr・Ni等から成る金属
抵抗体等を用いることができる。
ド部3の厚さとしては、厚いほど発熱体4からの熱が発
散して伝搬するためにコア部2およびコア部2近傍のク
ラッド部3を効率的に加熱することができなくなるの
で、できる限り薄くする方がよい。
でなく伝搬する光の電磁界成分が発熱体4にかかるよう
な場合は、金属等で構成される発熱体4で光が吸収され
ることにより光信号の損失を発生させることとなるの
で、コア部2およびコア部2近傍のクラッド部3を伝搬
する光の電磁界成分が発熱体4の位置では充分に小さく
なるような厚さが必要である。実際には、周知の光導波
路理論による計算を行なって必要な厚さを求めればよ
い。
し、その側面が露出したいわゆるリッジ型構造の光導波
路を形成するには、クラッド部3の側面を機械的な切削
により形成したり、反応性ドライエッチングやエキシマ
レーザによりクラッド部3をエッチングしたりすればよ
い。
ラッド部3の厚さとしては、厚いほど発熱体4からの熱
が発散して伝搬するためにコア部2およびコア部2近傍
のクラッド部3を効率的に加熱することができなくなる
ので、できる限り薄くする方がよい。実際には、周知の
光導波路理論により、コア部2・クラッド部3・クラッ
ド部3の外側の空気との3部の構造で所望の光導波路構
造を設計して厚さを決定すればよい。
も発熱体4を形成する場合には、クラッド部3の厚さが
十分でなく光導波路を伝搬する光の電磁界成分が発熱体
4にかかるような場合は金属等から成る発熱体4で光が
吸収されることにより光信号の損失を発生させることと
なるので、コア部2およびコア部2近傍のクラッド部3
を伝搬する光の電磁界成分が発熱体4の位置では充分に
小さくなるような厚さが必要である。実際には、周知の
光導波路理論による計算を行なって必要な厚さを求めれ
ばよい。
すなわちリッジ部の深さとしては、リッジ部の深さが深
いほど発熱体4からの熱は発散することなくリッジ部内
のクラッド部3中に閉じ込められるので、リッジ部内の
クラッド部3およひコア部2を効率的に加熱することが
できる。
るコア部2の加熱効率の改善効果を線図で示す。なお、
ここでは基板1をシリコンとし、光導波路のクラッド部
3・コア部2ともシリカで形成してコア部2を幅8μm
×高さ8μmとし、コア部2の上面と発熱体4との間の
クラッド部3の厚さを12μmとし、また、基板1とコア
部2との間のクラッド部3の厚さを12μmとした。ま
た、クラッド部3の上面にクラッド部3と同幅の発熱体
4を形成し、クラッド部3の上面全体に一定の熱を放出
する構造とした。
ド部3の突出高さ(単位:μm)を、縦軸はコア部2の
中心部の温度上昇の相対値を、クラッド部3の高さが0
すなわち図5に示すような従来の構造のものを基準とし
て表している。また、図中の黒四角で示した点は得られ
た結果を、特性曲線はその変化の様子を示すものであ
る。
高さが高いほど、すなわちリッジ部の深さが深いほどク
ラッド部3内のコア部2を効率的に加熱することができ
ることが分かる。とりわけ、クラッド部3の突出高さが
コア部2の中心部の高さが16μmに達すると、コア部2
の中心部の温度上昇の相対値は、突出高さか0、すなわ
ちリッジ形状の深さが0の場合である従来構造に比べて
1.5 倍の値となり、コア部2を効率良く加熱できている
ことが分かる。
形状の深さがクラッド部3の最下部に達すると、コア部
2の中心部の温度上昇の相対値は従来構造に比べて約2.
2 倍の値となる。これは同様の熱光学効果を得るのに必
要な発熱体4の発熱量が従来構造に比べて1/2.2 とな
ること、つまり消費電力が従来の0.45倍となる低消費電
力化が図れることを示すものである。
部2の中心部の温度上昇の相対値は従来構造に比べて1.
05倍の値となり、突出高さが低くリッジ形状の深さが浅
い場合であっても、従来に比べて発熱体4の下部に位置
するコア部2を効率的に加熱する効果が得られることが
分かる。
具体例を説明する。
御型光導波路として、シリコンから成る基板1上に、ク
ラッド部3がシロキサンポリマから成り、コア部2がチ
タン含有シロキサンポリマから成るステップインデック
ス型光導波路を形成した。このとき、コア部2およびク
ラッド部3の屈折率をそれぞれ1.444 および1.440 とし
て、コア部2を幅8μm×高さ8μmとし、コア部2の
上面と発熱体4との間のクラッド部3の厚さを12μm、
基板1とコア部2との間のクラッド部3の厚さを12μm
とした。
hing:反応性イオンエッチング)によりエッチング加工
してクラッド部3の側面を形成し、クラッド部3を基板
1から突出させてリッジ形状を形成した。このとき、コ
ア部2の側面とリッジ型側面との間のクラッド部3の厚
さは12μmとし、リッジ形状の深さすなわちクラッド部
3の突出高さは12μmとした。
薄膜をスパッタリング法により形成した後、フォトリソ
グラフィならびにエッチングを行ない、タングステンか
らなる発熱体4を形成した。
温度制御型光導波路を作製した。
御型光導波路を用いた光スイッチを作製した。〔例1〕
と同様に、シリコンから成る基板1上に、コア部が屈折
率が1.444 で幅8μm×高さ8μmのチタン含有シロキ
サンポリマから成り、クラッド部が屈折率が1.440 のシ
ロキサンポリマから成り、コア部の上面のクラッド部の
厚さを12μm、基板とコア部との間のクラッド部の厚さ
を12μmとして、上面に発熱体を有しないステップイン
デックス型光導波路を形成して、マッハツェンダ型光回
路を形成した。
つのアームのうち一方のクラッド部をRIEによりエッ
チング加工してリッジ形状を形成した。このときコア部
2の側面とリッジ型側面との間のクラッド部の厚さは12
μm、深さは12μm、長さは1cmとした。
法により形成した後、フォトリソグラフィならびにエッ
チングを行ない、タングステンからなる発熱体4を形成
した。これにより、本発明の温度制御型光導波路と、上
面に発熱体を有しない光導波路とによるマッハツェンダ
型光回路の光スイッチを作製した。
型光導波路を用いた光スイッチについての特性を評価す
るため、入力側ポートの1つにLD(レーザダイオー
ド)光を入射し、発熱体4に通電して発熱させ、通電消
費電力に対する出力側ポートからの出射光強度の変化を
測定したところ、出射光のON−OFFスイッチングに
必要な最小電力は300 Wであった。これは、従来構造の
ものに比べて、1/2以下の低消費電力化を示す結果で
あった。
温度制御型光導波路を用いた光スイッチを〔例2〕と同
様にして作製した。
ッド部3がシロキサンポリマ、コア部2がチタン含有シ
ロキサンポリマから成るステップインデックス型光導波
路を形成して〔例2〕と同様のマッハツェンダ型光回路
を形成した。このとき、コア部2およびクラッド部3の
屈折率をそれぞれ1.444 および1.440 として、コア部2
を幅8μm×高さ8μmとし、コア部2の上面と発熱体
4との間のクラッド部3の厚さを12μm、基板1とコア
部2との間のクラッド部3の厚さを12μmとした。
つのアームのうち1方のクラッド部をRIEによりエッ
チング加工して、クラッド部3の側面を露出させて基板
1から突出させたリッジ形状を形成した。このときコア
部2の側面とリッジ型側面との間のクラッド部3の厚さ
は12μm、深さは12μm、長さは1cmとした。
法により形成した後、フォトリソグラフィならびにエッ
チングを行ない、タングステンからなる発熱体4をクラ
ッド部3の上面および側面に対して図2に示すように形
成した。これにより、本発明の温度制御型光導波路と、
上面に発熱体を有しない光導波路とによるマッハツェン
ダ型光回路の光スイッチを作製した。
型光導波路を用いた光スイッチについての特性を評価す
るため、入力側ポートの1つにLD(レーザダイオー
ド)光を入射し、発熱体4に通電して発熱させて通電消
費電力に対する出力側ポートからの出射光強度の変化を
測定したところ、出射光のON−OFFスイッチングに
必要な最小電力は300 Wであった。また、加熱開始から
スイッチング動作を得るまでの応答時間は〔例2〕に比
べて0.8 倍以下であった。これらはいずれも従来構造の
光スイッチに比べて、低消費電力で短応答性を示す結果
であった。
本発明の温度制御型光導波路を用いた光スイッチとの比
較のために、従来構造の温度制御型光導波路を用いた同
様の光スイッチを作製した。
ド部がシロキサンポリマ、コア部2がチタン含有シロキ
サンポリマから成るステップインデックス型光導波路を
形成して、図4・図5に示す構成のマッハツェンダ型光
回路を形成した。このとき、コア部およびクラッド部の
屈折率をそれぞれ1.444 および1.440 として、コア部を
幅8μm×高さ8μmとし、コア部の上面と発熱体との
間のクラッド部の厚さを12μm、基板とコア部との間の
クラッド部の厚さは12μmとした。
法により形成した後、フォトリソグラフィならびにエッ
チングを行ない、タングステンからなる発熱体を形成し
た。
御型光導波路を用いた光スイッチについての特性を評価
するため、入力側ポートの1つにLD(レーザダイオー
ド)光を入射し、発熱体に通電して発熱させ、通電消費
電力に対する出力側ポートからの出射光強度の変化を測
定したところ、出射光のON−OFFスイッチングに必
要な最小電力は650 Wであった。これは〔例2〕で示し
た本発明の温度制御型光導波路を用いた場合の光スイッ
チに比べて消費電力が2倍以上の値となっており、本発
明の温度制御型光導波路によれば、コア部を効率的に加
熱することができ、消費電力を低減できることが確認で
きた。
によれば、発熱体からの熱を発熱体が接しているクラッ
ド部内に閉じ込めて伝搬させて発熱体の下部に位置する
コア部に効率的に伝導させることができることから、従
来構造の温度制御型光導波路に比べて高効率かつ低消費
電力の光スイッチング素子を得ることができることが確
認できた。
の例示であって、本発明はこれらに限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改
良を加えることは何ら差し支えない。例えば、露出させ
たクラッド部の外側は空気や不活性ガスで満たされてい
てもよく、真空であればさらに断熱効果が良い。また、
クラッド部よりも熱伝導性の低い材料で被覆してもよ
い。
波路によれば、基板上に突出して形成された、クラッド
部の側面が露出した単一のコア部を有する三次元導波路
構造の光導波路と、この光導波路の上面に形成された発
熱体とから成ることから、従来の温度制御型光導波路の
ように発熱体からの熱がクラッド部内を広く発散してし
まうことがなく、発熱体からの熱は発熱体の下部の光導
波路のみに閉じ込められて伝搬することとなるので、発
熱体からの熱を効率的にコア部に伝導することができ、
発熱体の下部に位置する光導波路のコア部およびクラッ
ド部のみを効率的に加熱することができた。
ッド部の上面とともに、露出した側面にも発熱体を形成
することにより、光導波路のコア部およびクラッド部を
発熱体で囲んで周囲の3方向からさらに効率的に加熱す
ることができた。
を利用してコア部の屈折率を変化させる際に、発熱体か
らの熱を発散させることなく効率的にコア部に伝導する
ことができ、発熱体の下部に位置する光導波路のコア部
およびクラッド部を効率的に加熱することができる温度
制御型光導波路を提供することができた。
例を示す断面図である。
の例を示す断面図である。
部の突出高さに対するコア部の中心部の温度上昇の相対
値の変化を示す線図である。
示す斜視図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】基板上に突出して形成されたクラッド部
と、該クラッド部内に形成され、屈折率が前記クラッド
部より大きくかつ温度により変化する単一のコア部と、
前記クラッド部の上面に形成された発熱体とから成るこ
とを特徴とする温度制御型光導波路。 - 【請求項2】基板上に突出して形成されたクラッド部
と、該クラッド部内に形成され、屈折率が前記クラッド
部より大きくかつ温度により変化する単一のコア部と、
前記クラッド部の上面および側面に形成された発熱体と
から成ることを特徴とする温度制御型光導波路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10365921A JP2000187192A (ja) | 1998-12-24 | 1998-12-24 | 温度制御型光導波路 |
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JP10365921A JP2000187192A (ja) | 1998-12-24 | 1998-12-24 | 温度制御型光導波路 |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (8)
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1998
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