JP2004117448A - Thermo-optical phase shifter group and thermo-optical switch using the thermo-optical phase shifter group - Google Patents

Thermo-optical phase shifter group and thermo-optical switch using the thermo-optical phase shifter group Download PDF

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JP2004117448A
JP2004117448A JP2002276686A JP2002276686A JP2004117448A JP 2004117448 A JP2004117448 A JP 2004117448A JP 2002276686 A JP2002276686 A JP 2002276686A JP 2002276686 A JP2002276686 A JP 2002276686A JP 2004117448 A JP2004117448 A JP 2004117448A
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optical
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optical switch
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JP2002276686A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuyuki Inoue
井上 靖之
Shunichi Soma
相馬 俊一
Masayuki Okuno
奥野 将之
Toshimi Kominato
小湊 俊海
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermo-optical phase shifter group with uniform characteristics and a thermo-optical switch using the thermo-optical phase shifter group. <P>SOLUTION: The thermo-optical switch has a plurality of the thermo-optical phase shifters and constructed by setting widths of wiring lines so as to make respective resistance values of a plurality of the wiring lines 4 identical with one another. Also the thermo-optical phase shifter is provided with an optical waveguide 2 formed on a silicon substrate 1, a thin film heater 3 arranged in the vicinity of the optical waveguide 2, the wiring lines 4 to supply electric power to the thin film heater 3 and a ground line 5. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面光導波路で構成された導波路型光回路の熱光学位相シフタ群及びその熱光学位相シフタ群を用いた熱光学スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
光ネットワークの大容量化に伴い、様々な機能の光デバイスが開発されてきており、光信号のスイッチングを行なう石英系ガラス光導波路を用いた熱光学スイッチも、その1つである。図3、図4を用いて、熱光学スイッチの原理を簡単に説明する(詳しくは非特許文献1参照)。
【0003】
図3は、2×2の熱光学スイッチエレメントの構成を示す平面図である。
図4は、2×2の熱光学スイッチエレメントの断面構造を示すものであり、図3のA−A線矢視断面図である。
【0004】
図3、図4に示すように、2×2熱光学スイッチエレメント6は、深さ方向の構成として、Si基板1等の平面基板上に、石英系ガラスのクラッド11aを形成し、クラッド11a中に光導波路となる石英系ガラスのコア11bを形成したものである。2×2熱光学スイッチエレメント6の平面上の構成としては、コア11bからなる2本の光導波路の一部が互いに近接することで、2つの3dB方向性結合器9a、9bを構成しており、他の光導波路の部分は、光信号の入力側となる2本の入力導波路2aと、3dB方向性結合器9a、9bに挟まれた長さがほぼ等しい2本のアーム導波路2bと、光信号の出力側となる2本の出力導波路2cとを構成している。つまり、入力導波路2aとアーム導波路2bとの間及びアーム導波路2bと出力導波路2cとの間は、それぞれ3dB方向性結合器9a、9bにより接続されている構成である。一方のアーム導波路2bの表面には薄膜ヒータ3が形成されており、更に、薄膜ヒータ3に給電する配線24が形成されている。
【0005】
なお、薄膜ヒータ3を有するアーム導波路2bの部分は、配線24により薄膜ヒータ3を動作させることで、単体で熱光学位相シフタとしても機能する。
【0006】
2×2熱光学スイッチエレメント6において、一方の入力導波路2aから入射された光は、第1の3dB方向性結合器9aで2本のアーム導波路2bに50%ずつ分配される。2本のアーム導波路2bは薄膜ヒータ3に給電しない状態で光路長差が0になるように設計されているため、2つの光ビームは第2の3dB方向性結合器9bで再度50%の結合を起こし、合計で100%の結合を生じる。その結果として、光はクロスポート10bから出射される。
【0007】
次に、薄膜ヒータ3に電流を流し、一方のアーム導波路2bの表面を加熱すると、図4に示すような温度分布12が、一方のアーム導波路2bに発生する。この温度分布により2本のアーム導波路2b間に1/2波長の光路長差が発生する。その結果、2つの光ビームにπの位相差が生じ、スルーポート10aから光が出力される。この薄膜ヒータ3への給電のオン/オフで光出力ポートの切り替えが実現される。
【0008】
【非特許文献1】
T. Goh, Recent advances in large−Scale silica−based thermo−optic switches, Proceedings of APOC 2001, SPIE, Beijing, China, 12−15 Nov. 2001
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
図5は、8×8熱光学スイッチの論理的な回路構成図である。
【0010】
図5に示すように、前述した2×2熱光学スイッチエレメント6を基本要素として、8本の入力導波路2aと8本の出力導波路2bとの交点に、それぞれ2×2熱光学スイッチエレメント6を64個配置することで、8×8熱光学スイッチを構成する。この規模を拡大することにより任意のN×N熱光学スイッチが実現されている。
【0011】
図6は、16×16熱光学スイッチの導波路レイアウトを示す平面図である。
図7は、16×16熱光学スイッチの薄膜ヒータと配線の配置を示す外観図である。
【0012】
図6中の#1〜#16は複数(16個)の熱光学スイッチからなるスイッチ群を表しており、これらのスイッチ群#1〜#16が、1つの基板上に光導波路2で互いに接続されて16個配置されることで、16×16熱光学スイッチ42が構成される。16×16熱光学スイッチ42には合計256個もの2×2熱光学スイッチエレメントが集積されており、2本のアーム導波路にそれぞれ薄膜ヒータを配置した場合500本以上の配線が必要となる。このため、基板全体の大きさを100×100mmとした場合、配線長は、短いもので20mm、長い配線は100mmと長さの差が大きくなる。通常、配線幅は等しく形成されているため、その結果として、配線長が短い配線は配線抵抗が低く、長い配線は配線抵抗が高いという不均質性が生じる。これを、図8を用いて更に詳しく説明する。
【0013】
図8は、従来の熱光学スイッチの平面図である。
なお、図8では熱光学スイッチの一部を図示し、配線幅がわかりやすいように、配線幅を誇張して記載した。
【0014】
図8に示すように、熱光学スイッチでは、2本の光導波路2がSi基板1上に形成されており、その2本の光導波路2により2×2熱光学スイッチエレメント6が構成されており、熱光学スイッチは、その2×2熱光学スイッチエレメント6を複数有する構成である。
【0015】
各2×2熱光学スイッチエレメント6のアーム導波路の部分には、その近傍に薄膜ヒータ3が形成されており、更に、その薄膜ヒータ3に電力を供給する配線が形成されている。配線数を低減するため、共用となるグランド線5を1つ形成し、全ての薄膜ヒータ3の一方の配線として使用する。他方側の配線は、各薄膜ヒータ3に対して、個別の配線34をそれぞれ形成する。グランド線5及び配線34の端部(チップ周辺部)には電極パッド37が設けられ、この電極パッド37に、薄膜ヒータ3のオン/オフを制御するゲートスイッチICから電力を供給している。
【0016】
図8からわかるように、個別の配線34の幅は等しく形成されている。そして、Si基板1上に複数配置された2×2熱光学スイッチエレメント6に対して、同じ配線幅の配線34を用いて、各2×2熱光学スイッチエレメント6の薄膜ヒータ3の位置まで配線を形成している。つまり、配線幅は互いに等しいにも拘わらず、配線長がそれぞれ異なるため、その結果として、配線長が短い配線は配線抵抗が低く、長い配線は配線抵抗が高いという不均質性が生じることとなる。
【0017】
各2×2熱光学スイッチエレメント6は、共通の電圧源と電流のオン/オフを制御するゲートスイッチにより駆動されている。そのため、個々の薄膜ヒータ3にとって配線抵抗が異なれば、薄膜ヒータ3に引加される電力にばらつきが生じることになる。つまり、各配線抵抗が異なるため、各熱光学スイッチエレメントへの供給電力のばらつきを生じ、不均質な熱光学スイッチとなってしまう。
【0018】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、均質な特性の熱光学位相シフタ群及びその熱光学位相シフタ群用いた熱光学スイッチを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項1に係る熱光学位相シフタ群は、基板上に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に配置された加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する配線とを有する熱光学位相シフタを複数有し、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする。
【0020】
上記課題を解決する本発明の請求項2に係る熱光学位相シフタ群は、長さの異なる複数の前記配線の幅を互いに異なるものとして、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする。
【0021】
上記課題を解決する本発明の請求項3に係る熱光学位相シフタ群は、互いに異なる幅とした複数の前記配線における各々の配線の幅を一様としたことを特徴とする。
【0022】
上記課題を解決する本発明の請求項4に係る熱光学位相シフタ群は、長さの異なる複数の前記配線の幅を局所的に狭めて、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする。
【0023】
上記課題を解決する本発明の請求項5に係る熱光学位相シフタ群は、前記加熱手段に温度の影響を与えないように、前記配線の幅を局所的に狭めたことを特徴とする。
【0024】
上記課題を解決する本発明の請求項6に係る熱光学スイッチは、基板上に形成された2本の光導波路が構成する2つの方向性結合器と、前記方向性結合器に挟まれた熱光学位相シフタとを有する熱光学スイッチエレメントを複数有し、複数の前記熱光学位相シフタとして、上記のいずれかの熱光学位相シフタ群を用いたことを特徴とする。
【0025】
上記課題を解決する本発明の請求項7に係る熱光学スイッチは、前記熱光学スイッチエレメントが、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成され、前記加熱手段がクロム又は窒化タンタルで構成され、前記配線が主に金で構成されたことを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明は、同一基板内に集積された複数の熱光学位相シフタや熱光学スイッチ等を駆動する薄膜ヒータへの配線において、長さが均一でない複数の配線の配線抵抗を互いに等しくなるようにすることが特徴である。具体的には、互いの配線抵抗が等しくなるように、薄膜ヒータへの各配線の幅を調整した。その具体的な実施形態を図1、図2に図示し、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0027】
(実施例1)
図1は、本発明の実施形態の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
なお、図1でも熱光学スイッチの一部を図示し、配線幅がわかりやすいように、配線幅を誇張して記載した。
【0028】
図1に示す本発明に係る熱光学スイッチの基本的な構成は、配線4の構成を除き、従来と同等の構成でよい。具体的には、図1に示すように、熱光学スイッチでは、2本の光導波路2がSi基板1上に形成されており、その2本の光導波路2により2×2熱光学スイッチエレメント6が構成されており、熱光学スイッチは、その2×2熱光学スイッチエレメント6を複数有する構成である。
【0029】
2×2熱光学スイッチエレメント6は、深さ方向の構成として、Si基板1等の平面基板上に、石英系ガラスのクラッドを形成し、クラッド中に光導波路2となる石英系ガラスのコアを形成したものである。又、2×2熱光学スイッチエレメント6の平面上の構成としては、コアからなる2本の光導波路2の一部が互いに近接することで、2つの3dB方向性結合器9a、9bを構成しており、他の光導波路2の部分は、光信号の入力側となる2本の入力導波路と、2つの3dB方向性結合器9a、9bに挟まれた長さがほぼ等しい2本のアーム導波路と、光信号の出力側となる2本の出力導波路とを構成している。入力導波路とアーム導波路との間及びアーム導波路と出力導波路との間が、それぞれ3dB方向性結合器9a、9bにより接続されている構成である。アーム導波路の近傍(表面)には加熱手段となる薄膜ヒータ3が形成されており、更に、薄膜ヒータ3に給電する配線4及びグランド配線5が形成されている。なお、配線数を低減するため、共用となるグランド線5を1つ形成して、全ての薄膜ヒータ3の一方の配線として使用しており、他方側の配線は、各薄膜ヒータ3に対して、個別の配線34をそれぞれ形成している。
【0030】
なお、薄膜ヒータ3を有する光導波路2(アーム導波路)の部分は、配線4及びグランド配線5により薄膜ヒータ3を動作させることで、単体で熱光学位相シフタとしても機能し、熱光学スイッチは、複数の熱光学位相シフタ、つまり、熱光学位相シフタ群を用いた構成ともいえる。
【0031】
アーム導波路部の表面に形成した薄膜ヒータ3は、クロム又は窒化タンタルからなり、その薄膜ヒータ3に電流を供給する配線4及びグランド配線5は、主に金から構成されている。配線4及びグランド配線5は、各薄膜ヒータ3からチップ周辺に形成した電極パッド6まで形成されている。この電極パッド6と電流のオン/オフを制御するゲートスイッチICとの間はワイヤーボンディングで結線され、更に共通の低電圧源に接続されている。本実施例では、薄膜ヒータ3の抵抗を500Ω、配線抵抗を50Ωと設計した。
【0032】
本実施例では、配線4のそれぞれにおいて、互いの配線抵抗が等しくなるように、その配線幅を設定した。つまり、配線長に応じて、各配線4の配線幅を変え、各配線4の全長において、配線幅を一様として、各配線の抵抗値を等しくなるように設計した。但し、配線のレイアウトのため、配線4が屈折部を有する場合、その屈折部においては、その配線幅が広くなる(一様ではない)こととなるが、この場合でも、一様の配線幅の配線を一直線に延ばしたものと同等にする。
【0033】
各薄膜ヒータ3までのグランド線5の配線長も、各薄膜ヒータ3の位置によって、当然、その長さが変わってしまい、各薄膜ヒータ3までのグランド線5の配線長により、各薄膜ヒータ3までのグランド線5の抵抗値も、定性的にはそれぞれ異なるものとなる。しかしながら、グランド線5の幅が十分広く設けられているため、定量的にはこの影響は小さく、各薄膜ヒータ3に影響を与える配線の抵抗値としては、主に個別の配線4の配線抵抗に左右される。したがって、ここでは個別の配線4の抵抗値に着目して、各々の配線4の抵抗値が等しくなるように、その幅を設定した。
【0034】
配線抵抗Rは、配線長L、配線幅W、シート抵抗率σを用いて、次式で与えられる。
R=σL/W
【0035】
上記式からわかるように、長い配線は幅を広く、短い配線は幅を狭くすることで、互いの配線抵抗を等しくすることができる。具体的には、基板全体の大きさを100×100mmとした場合、最も長い100mmの配線の幅を200μm、最も短い20mmの配線の幅を40μmと設計することで全ての配線抵抗を50Ωにした。この結果、各薄膜ヒータに供給される電流および電力は等しくなり、チップ面内で均質なスイッチ特性が得られた。
【0036】
比較のために、従来の熱光学スイッチ場合、つまり、配線幅を全て200μmに設計した場合(図8参照)を計算してみた。この場合は、配線抵抗が、100mm配線長のもので50Ω、20mm配線長のもので10Ωとなるため、薄膜ヒータの抵抗500Ωと合わせて考えると、各薄膜ヒータへの供給電力に8%ものばらつきが生じた。
【0037】
これに対して本実施例の構成では、各薄膜ヒータへの供給電力のばらつきは僅か1%程度であった。このばらつきは薄膜ヒータ抵抗の作製のばらつきが原因であったと思われる。各薄膜ヒータへの供給電力のばらつきは、熱光学スイッチ特性のばらつきになる。つまり、従来の熱光学スイッチに比べ、本発明に係る熱光学スイッチは、スイッチ特性の面内分布が改善されたものと言える。なお、従来の熱光学スイッチに比べて、本発明に係る熱光学スイッチは、配線抵抗の平均値は高くなるため、熱光学スイッチ全体の消費電力は高くなる。しかしながら、熱光学スイッチの重要な特性であるスイッチ特性の面内分布が改善でき、均質なスイッチ特性を得ることができる。
【0038】
(実施例2)
図2は、本発明の実施形態の他の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
なお、図2でも熱光学スイッチの一部を図示し、配線幅がわかりやすいように、配線幅を誇張して記載した。
【0039】
図2に示す本発明に係る熱光学スイッチの基本的な構成は、配線14の構成を除き、図1に示した熱光学スイッチと同等の構成でよい。したがって、重複する部分の説明は省略し、本実施例に係る部分を説明する。
【0040】
実施例1の熱光学スイッチでは、各配線の幅を一様に、適切に設定することで互いの配線抵抗を等しくした。しかしながら、本実施例と実施例1との違いは、その配線14の形状にあり、局所的に配線幅の狭い部分(発熱領域8)を設けることで、各配線14の配線抵抗を適切に設定し、互いの配線抵抗を等しくしている。これは、配線14で生じる熱は熱光学スイッチの動作に悪影響を及ぼすため、熱光学スイッチ(薄膜ヒータ3)から離れた部分に発熱領域8を設けて、その部分で発熱させることにより熱光学スイッチ(薄膜ヒータ3)への悪影響を低減することを目的としている。つまり、薄膜ヒータ3の部分に配線の発熱による温度の影響を与えないようにしている。なお、本実施例では、この発熱領域8の表面に放熱フインを設けて放熱効率を良くし、更に悪影響を与えない構成とした。
【0041】
以上、上記実施例では、熱光学スイッチを用いて説明したが、本発明は熱光学スイッチのみならずトランスバーサルフィルタ等の複数の位相シフタを用いる光回路等、熱光学効果を用いる全ての光回路にも広く適用できる。又、光導波路材料として石英系ガラス導波路に限定されるものではなく、ポリマー導波路や半導体を用いた熱光学スイッチなども本発明の対象である。
【0042】
【発明の効果】
請求項1乃至請求項4に係る発明によれば、熱光学位相シフタ群を、基板上に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に配置された加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する配線とを有する熱光学位相シフタを複数有し、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたので、各加熱手段に供給される電流および電力のばらつきが低減され、チップ面内で均質な位相シフタ特性を得ることができる。
【0043】
請求項5に係る発明によれば、前記加熱手段に温度の影響を与えないように、前記配線の幅を局所的に狭めたので、各加熱手段に供給される電流および電力のばらつきが低減され、チップ面内で均質な位相シフタ特性を得るとともに、配線部分での発熱を加熱手段へ及ぼさないようにして、良好な特性を保つことができる。
【0044】
請求項6又は請求項7に係る発明によれば、基板上に形成された2本の光導波路が構成する2つの方向性結合器と、前記方向性結合器に挟まれた熱光学位相シフタとを有する熱光学スイッチエレメントを複数有し、複数の前記熱光学位相シフタとして、上記のいずれかの熱光学位相シフタ群を用いたので、各薄膜ヒータに供給される電流および電力のばらつきが低減され、チップ面内で均質なスイッチ特性が得られ、特性のよい熱光学スイッチとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
【図2】本発明の実施形態の他の一例を示す熱光学スイッチの平面図である。
【図3】2×2の熱光学スイッチエレメントの構成を示す平面図である。
【図4】図3のA−A線矢視断面図である。
【図5】8×8熱光学スイッチの論理的な回路構成図である。
【図6】16×16熱光学スイッチモジュールの導波路レイアウトを示す平面図である。
【図7】16×16熱光学スイッチモジュールの薄膜ヒータと配線の配置を示す外観図である。
【図8】従来の熱光学スイッチの平面図である。
【符号の説明】
1  Si基板
2  光導波路
3  薄膜ヒータ
4  配線
5  グランド線
6  2×2熱光学スイッチエレメント
7  電極パッド
8  発熱領域
14 配線
17 電極パッド
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermo-optic phase shifter group of a waveguide type optical circuit composed of a planar optical waveguide and a thermo-optic switch using the thermo-optic phase shifter group.
[0002]
[Prior art]
With the increase in the capacity of the optical network, optical devices having various functions have been developed, and a thermo-optical switch using a silica glass optical waveguide for switching an optical signal is one of them. The principle of the thermo-optical switch will be briefly described with reference to FIGS. 3 and 4 (see Non-Patent Document 1 for details).
[0003]
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of a 2 × 2 thermo-optical switch element.
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of a 2 × 2 thermo-optical switch element, and is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
[0004]
As shown in FIGS. 3 and 4, the 2 × 2 thermo-optical switch element 6 is formed in a depth direction by forming a quartz glass clad 11 a on a flat substrate such as the Si substrate 1. In this example, a silica-based glass core 11b serving as an optical waveguide is formed. As a configuration of the 2 × 2 thermo-optical switch element 6 on a plane, two 3 dB directional couplers 9 a and 9 b are configured by part of two optical waveguides including the core 11 b being close to each other. The other optical waveguide portion is composed of two input waveguides 2a on the input side of an optical signal and two arm waveguides 2b of approximately equal length sandwiched between 3 dB directional couplers 9a and 9b. , And two output waveguides 2c on the output side of the optical signal. That is, the input waveguide 2a and the arm waveguide 2b and the arm waveguide 2b and the output waveguide 2c are connected by the 3 dB directional couplers 9a and 9b, respectively. The thin film heater 3 is formed on the surface of one arm waveguide 2b, and furthermore, a wiring 24 for supplying power to the thin film heater 3 is formed.
[0005]
Note that the portion of the arm waveguide 2b having the thin film heater 3 functions alone as a thermo-optic phase shifter by operating the thin film heater 3 by the wiring 24.
[0006]
In the 2 × 2 thermo-optical switch element 6, light incident from one input waveguide 2a is distributed by the first 3 dB directional coupler 9a to the two arm waveguides 2b by 50%. Since the two arm waveguides 2b are designed so that the optical path length difference becomes zero when no power is supplied to the thin film heater 3, the two light beams are again reduced to 50% by the second 3 dB directional coupler 9b. Binding occurs, resulting in a total of 100% binding. As a result, light is emitted from the cross port 10b.
[0007]
Next, when a current is applied to the thin film heater 3 to heat the surface of the one arm waveguide 2b, a temperature distribution 12 as shown in FIG. 4 is generated in the one arm waveguide 2b. Due to this temperature distribution, a half-wavelength optical path difference occurs between the two arm waveguides 2b. As a result, a phase difference of π occurs between the two light beams, and light is output from the through port 10a. Switching of the light output port is realized by turning on / off the power supply to the thin film heater 3.
[0008]
[Non-patent document 1]
T. Goh, Recent advices in large-Scale silica-based thermo-optic switches, Processes of APOC 2001, SPIE, Beijing, China, 12-15 Nov. 2001
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 5 is a logical circuit configuration diagram of the 8 × 8 thermo-optical switch.
[0010]
As shown in FIG. 5, a 2 × 2 thermo-optical switch element is provided at each intersection of eight input waveguides 2a and eight output waveguides 2b with the aforementioned 2 × 2 thermo-optical switch element 6 as a basic element. An 8 × 8 thermo-optical switch is configured by arranging 64 6s. By expanding this scale, an arbitrary N × N thermo-optical switch is realized.
[0011]
FIG. 6 is a plan view showing a waveguide layout of a 16 × 16 thermo-optical switch.
FIG. 7 is an external view showing the arrangement of the thin film heaters and wirings of the 16 × 16 thermo-optical switch.
[0012]
In FIG. 6, # 1 to # 16 represent a switch group including a plurality (16) of thermo-optic switches, and these switch groups # 1 to # 16 are connected to each other by an optical waveguide 2 on one substrate. The 16 × 16 thermo-optical switch 42 is configured by arranging 16 thermo-optical switches. A total of 256 2 × 2 thermo-optical switch elements are integrated in the 16 × 16 thermo-optical switch 42, and when a thin film heater is arranged in each of two arm waveguides, 500 or more wirings are required. For this reason, when the size of the entire substrate is 100 × 100 mm, the wiring length is short, that is, 20 mm, and that of a long wiring is 100 mm, which is a large difference in length. Usually, since the wiring widths are formed to be equal, as a result, the wiring having a short wiring length has a low wiring resistance, and the wiring having a long wiring length has a high wiring resistance. This will be described in more detail with reference to FIG.
[0013]
FIG. 8 is a plan view of a conventional thermo-optical switch.
In FIG. 8, a part of the thermo-optical switch is illustrated, and the wiring width is exaggerated for easy understanding of the wiring width.
[0014]
As shown in FIG. 8, in the thermo-optical switch, two optical waveguides 2 are formed on a Si substrate 1, and the two optical waveguides 2 constitute a 2 × 2 thermo-optical switch element 6. The thermo-optical switch has a configuration having a plurality of 2 × 2 thermo-optical switch elements 6.
[0015]
A thin film heater 3 is formed in the vicinity of the arm waveguide portion of each 2 × 2 thermo-optical switch element 6, and a wiring for supplying power to the thin film heater 3 is formed. In order to reduce the number of wires, one common ground line 5 is formed and used as one wire of all the thin film heaters 3. The wiring on the other side forms an individual wiring 34 for each thin film heater 3. An electrode pad 37 is provided at an end (peripheral portion of the chip) of the ground line 5 and the wiring 34, and power is supplied to the electrode pad 37 from a gate switch IC that controls on / off of the thin film heater 3.
[0016]
As can be seen from FIG. 8, the widths of the individual wirings 34 are formed to be equal. Then, for a plurality of 2 × 2 thermo-optical switch elements 6 arranged on the Si substrate 1, wiring is performed to the position of the thin film heater 3 of each 2 × 2 thermo-optical switch element 6 using the wiring 34 having the same wiring width. Is formed. In other words, although the wiring widths are equal to each other, the wiring lengths are different from each other. As a result, inhomogeneity occurs in that the wirings having a short wiring length have a low wiring resistance and the wirings having a long wiring length have a high wiring resistance. .
[0017]
Each 2 × 2 thermo-optical switch element 6 is driven by a common voltage source and a gate switch that controls on / off of current. Therefore, if the wiring resistance is different for each of the thin film heaters 3, the power applied to the thin film heaters 3 will vary. That is, since the wiring resistances are different, the power supplied to the thermo-optical switch elements varies, resulting in a non-uniform thermo-optical switch.
[0018]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a thermo-optic phase shifter group having a uniform characteristic and a thermo-optic switch using the thermo-optic phase shifter group.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a thermo-optical phase shifter group, comprising: an optical waveguide formed on a substrate; a heating unit disposed near the optical waveguide; and a power supply to the heating unit. And a plurality of thermo-optic phase shifters each having a wiring to be connected, and the resistances of the plurality of wirings are made equal to each other.
[0020]
According to another aspect of the present invention, there is provided a thermo-optic phase shifter group according to the second aspect of the present invention, wherein the plurality of wires having different lengths have different widths, and the plurality of wires have the same resistance. It is characterized by.
[0021]
A thermo-optical phase shifter group according to a third aspect of the present invention that solves the above-mentioned problem is characterized in that the width of each of the plurality of wirings having different widths is made uniform.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a thermo-optic phase shifter group according to the fourth aspect of the present invention, in which the widths of the plurality of wires having different lengths are locally narrowed so that the resistances of the plurality of wires are equal to each other. It is characterized by the following.
[0023]
A thermo-optical phase shifter group according to a fifth aspect of the present invention that solves the above-mentioned problem is characterized in that the width of the wiring is locally reduced so as not to affect the temperature of the heating unit.
[0024]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a thermo-optical switch, comprising: two directional couplers formed by two optical waveguides formed on a substrate; and a thermoelectric switch sandwiched between the directional couplers. A thermo-optical switch element including a plurality of thermo-optical phase shifters, and any one of the thermo-optical phase shifters described above is used as the plurality of thermo-optical phase shifters.
[0025]
A thermo-optical switch according to claim 7 of the present invention for solving the above-mentioned problems, wherein the thermo-optical switch element is formed of a silica glass optical waveguide on a silicon substrate, and the heating means is formed of chromium or tantalum nitride, The wiring is mainly composed of gold.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the present invention, in a wiring to a thin-film heater for driving a plurality of thermo-optic phase shifters, thermo-optic switches, and the like integrated on the same substrate, wiring resistances of a plurality of wirings having non-uniform lengths are made equal to each other. It is characteristic. Specifically, the width of each wiring to the thin-film heater was adjusted so that the wiring resistance of each wiring became equal. The specific embodiment is shown in FIGS. 1 and 2, and the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
(Example 1)
FIG. 1 is a plan view of a thermo-optical switch showing an example of an embodiment of the present invention.
Note that FIG. 1 also shows a part of the thermo-optical switch, and the wiring width is exaggerated for easy understanding of the wiring width.
[0028]
The basic configuration of the thermo-optic switch according to the present invention shown in FIG. 1 may be the same as the conventional configuration except for the configuration of the wiring 4. Specifically, as shown in FIG. 1, in the thermo-optical switch, two optical waveguides 2 are formed on a Si substrate 1, and the two optical waveguides 2 form a 2 × 2 thermo-optical switch element 6. , And the thermo-optical switch has a plurality of 2 × 2 thermo-optical switch elements 6.
[0029]
The 2 × 2 thermo-optical switch element 6 has a structure in the depth direction, in which a silica-based glass clad is formed on a flat substrate such as a Si substrate 1 and a silica-based glass core serving as the optical waveguide 2 is formed in the clad. It was formed. Further, as a configuration of the 2 × 2 thermo-optical switch element 6 on a plane, two 3 dB directional couplers 9 a and 9 b are configured by a part of two core optical waveguides 2 being close to each other. The other portion of the optical waveguide 2 is composed of two input waveguides on the input side of an optical signal and two arms of approximately equal length sandwiched between two 3 dB directional couplers 9a and 9b. It constitutes a waveguide and two output waveguides on the output side of the optical signal. The configuration is such that 3 dB directional couplers 9a and 9b are connected between the input waveguide and the arm waveguide and between the arm waveguide and the output waveguide, respectively. In the vicinity (surface) of the arm waveguide, a thin film heater 3 serving as a heating means is formed, and further, a wiring 4 for supplying power to the thin film heater 3 and a ground wiring 5 are formed. In order to reduce the number of wires, one common ground line 5 is formed and used as one wire of all the thin film heaters 3, and the other wire is connected to each thin film heater 3. , Individual wirings 34 are formed.
[0030]
The portion of the optical waveguide 2 (arm waveguide) having the thin-film heater 3 also functions as a thermo-optic phase shifter by operating the thin-film heater 3 by the wiring 4 and the ground wiring 5. It can also be said to be a configuration using a plurality of thermo-optic phase shifters, that is, a group of thermo-optic phase shifters.
[0031]
The thin film heater 3 formed on the surface of the arm waveguide portion is made of chromium or tantalum nitride, and the wiring 4 for supplying current to the thin film heater 3 and the ground wiring 5 are mainly made of gold. The wiring 4 and the ground wiring 5 are formed from each thin film heater 3 to an electrode pad 6 formed around the chip. The electrode pad 6 and the gate switch IC for controlling the ON / OFF of the current are connected by wire bonding and further connected to a common low voltage source. In this embodiment, the resistance of the thin-film heater 3 is designed to be 500Ω and the wiring resistance is designed to be 50Ω.
[0032]
In the present embodiment, the wiring width is set so that the wiring resistance of each of the wirings 4 is equal. That is, the wiring width of each wiring 4 is changed according to the wiring length, and the wiring width is made uniform over the entire length of each wiring 4, and the resistance value of each wiring 4 is designed to be equal. However, if the wiring 4 has a bent portion due to the layout of the wiring, the wiring width in the bent portion is wide (not uniform), but even in this case, the wiring width is uniform. Make the wiring equivalent to a straight line.
[0033]
The wiring length of the ground line 5 to each thin film heater 3 naturally changes depending on the position of each thin film heater 3, and the wiring length of the ground line 5 to each thin film heater 3 depends on the wiring length of each thin film heater 3. The qualitatively different resistance values of the ground line 5 are also obtained. However, since the width of the ground line 5 is sufficiently wide, this effect is quantitatively small, and the resistance value of the wiring affecting each thin film heater 3 is mainly the wiring resistance of the individual wiring 4. It depends. Therefore, here, attention is paid to the resistance value of the individual wirings 4, and the width is set so that the resistance values of the respective wirings 4 are equal.
[0034]
The wiring resistance R is given by the following equation using the wiring length L, the wiring width W, and the sheet resistivity σ.
R = σL / W
[0035]
As can be seen from the above equation, the long wiring has a large width, and the short wiring has a small width, so that the mutual wiring resistance can be made equal. Specifically, when the size of the entire substrate is 100 × 100 mm, the width of the longest 100 mm wiring is set to 200 μm, and the width of the shortest 20 mm wiring is set to 40 μm, so that all wiring resistances are set to 50Ω. . As a result, the current and power supplied to each thin-film heater became equal, and uniform switch characteristics were obtained within the chip surface.
[0036]
For comparison, a calculation was performed for a conventional thermo-optical switch, that is, a case where all the wiring widths were designed to be 200 μm (see FIG. 8). In this case, the wiring resistance is 50Ω for a wiring length of 100 mm, and 10Ω for a wiring length of 20 mm. Considering the resistance of the thin film heater at 500Ω, the power supplied to each thin film heater varies by as much as 8%. Occurred.
[0037]
On the other hand, in the configuration of the present embodiment, the variation in the power supplied to each thin film heater was only about 1%. It is considered that this variation was caused by a variation in fabrication of the thin film heater resistor. Variations in the power supplied to each thin-film heater result in variations in thermo-optical switch characteristics. That is, it can be said that the thermo-optical switch according to the present invention has an improved in-plane distribution of switch characteristics as compared with the conventional thermo-optical switch. The thermo-optical switch according to the present invention has a higher average value of the wiring resistance than the conventional thermo-optical switch, so that the power consumption of the entire thermo-optical switch is higher. However, the in-plane distribution of switch characteristics, which is an important characteristic of the thermo-optic switch, can be improved, and uniform switch characteristics can be obtained.
[0038]
(Example 2)
FIG. 2 is a plan view of a thermo-optical switch showing another example of the embodiment of the present invention.
FIG. 2 also shows a part of the thermo-optical switch, and the wiring width is exaggerated so that the wiring width can be easily understood.
[0039]
The basic configuration of the thermo-optical switch according to the present invention shown in FIG. 2 may be the same as that of the thermo-optical switch shown in FIG. Therefore, the description of the overlapping part will be omitted, and the part according to the present embodiment will be described.
[0040]
In the thermo-optical switch of Example 1, the wiring resistance was equalized by setting the width of each wiring uniformly and appropriately. However, the difference between the present embodiment and the first embodiment lies in the shape of the wiring 14, and by providing a locally narrow portion (heating region 8), the wiring resistance of each wiring 14 is appropriately set. And the wiring resistance of each other is made equal. This is because the heat generated in the wiring 14 has an adverse effect on the operation of the thermo-optical switch. Therefore, the heat-generating region 8 is provided in a portion distant from the thermo-optical switch (thin film heater 3), and heat is generated in that portion. (Thin film heater 3) is intended to be reduced. That is, the temperature of the thin film heater 3 is not affected by the heat generated by the wiring. In the present embodiment, a heat radiation fin is provided on the surface of the heat generating region 8 to improve the heat radiation efficiency, and further has no adverse effect.
[0041]
As described above, in the above-described embodiment, the description has been made using the thermo-optic switch. However, the present invention is not limited to the thermo-optic switch, but all optical circuits using the thermo-optic effect, such as an optical circuit using a plurality of phase shifters such as a transversal filter. Widely applicable to Further, the material of the optical waveguide is not limited to the silica-based glass waveguide, and a thermo-optical switch using a polymer waveguide or a semiconductor is also an object of the present invention.
[0042]
【The invention's effect】
According to the first to fourth aspects of the present invention, the thermo-optical phase shifter group includes an optical waveguide formed on a substrate, a heating unit disposed near the optical waveguide, and an electric power supplied to the heating unit. Since a plurality of thermo-optic phase shifters each having a wiring to be supplied are provided, and the resistances of the plurality of wirings are made equal to each other, variations in current and power supplied to each heating unit are reduced, and in a chip surface, A uniform phase shifter characteristic can be obtained.
[0043]
According to the invention according to claim 5, the width of the wiring is locally narrowed so as not to affect the temperature of the heating means, so that the variation in current and power supplied to each heating means is reduced. In addition, a uniform phase shifter characteristic can be obtained in the chip plane, and good characteristics can be maintained by preventing heat generation in the wiring portion from being applied to the heating means.
[0044]
According to the invention according to claim 6 or claim 7, two directional couplers constituted by two optical waveguides formed on a substrate, and a thermo-optic phase shifter sandwiched between the directional couplers Since a plurality of the thermo-optic phase shifters each having the above-described configuration are used as the plurality of thermo-optic phase shifters, the variation in the current and power supplied to each thin-film heater is reduced. In addition, uniform switch characteristics can be obtained in the chip plane, and a thermo-optical switch having good characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a thermo-optical switch showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a thermo-optical switch showing another example of the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a 2 × 2 thermo-optical switch element.
FIG. 4 is a sectional view taken along line AA of FIG. 3;
FIG. 5 is a logical circuit configuration diagram of the 8 × 8 thermo-optical switch.
FIG. 6 is a plan view showing a waveguide layout of a 16 × 16 thermo-optical switch module.
FIG. 7 is an external view showing an arrangement of thin film heaters and wirings of a 16 × 16 thermo-optical switch module.
FIG. 8 is a plan view of a conventional thermo-optical switch.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 Si substrate 2 Optical waveguide 3 Thin film heater 4 Wiring 5 Ground wire 6 2 × 2 thermo-optical switch element 7 Electrode pad 8 Heating area 14 Wiring 17 Electrode pad

Claims (7)

基板上に形成された光導波路と、前記光導波路の近傍に配置された加熱手段と、前記加熱手段に電力を供給する配線とを有する熱光学位相シフタを複数有する熱光学位相シフタ群において、
複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
In a thermo-optic phase shifter group having a plurality of thermo-optic phase shifters each having an optical waveguide formed on a substrate, a heating unit disposed near the optical waveguide, and a wiring for supplying power to the heating unit,
A thermo-optical phase shifter group, wherein the resistances of the plurality of wirings are made equal to each other.
請求項1記載の熱光学位相シフタ群において、
長さの異なる複数の前記配線の幅を互いに異なるものとして、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
The thermo-optic phase shifter group according to claim 1,
A group of thermo-optic phase shifters, wherein the widths of the plurality of wirings having different lengths are different from each other, and the resistances of the plurality of wirings are equal to each other.
請求項2記載の熱光学位相シフタ群において、
互いに異なる幅とした複数の前記配線における各々の配線の幅を一様としたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
The thermo-optic phase shifter group according to claim 2,
A group of thermo-optic phase shifters, wherein the width of each of the plurality of wirings having different widths is uniform.
請求項1記載の熱光学位相シフタ群において、
長さの異なる複数の前記配線の幅を局所的に狭めて、複数の前記配線の抵抗を互いに等しくなるようにしたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
The thermo-optic phase shifter group according to claim 1,
A group of thermo-optic phase shifters, wherein the widths of the plurality of wirings having different lengths are locally narrowed so that the resistances of the plurality of wirings are equal to each other.
請求項4記載の熱光学位相シフタ群において、
前記加熱手段に温度の影響を与えないように、前記配線の幅を局所的に狭めたことを特徴とする熱光学位相シフタ群。
The thermo-optic phase shifter group according to claim 4,
A group of thermo-optic phase shifters, wherein the width of the wiring is locally reduced so as not to affect the temperature of the heating means.
基板上に形成された2本の光導波路が構成する2つの方向性結合器と、前記方向性結合器に挟まれた熱光学位相シフタとを有する熱光学スイッチエレメントを複数有する熱光学スイッチにおいて、
複数の前記熱光学位相シフタとして、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の熱光学位相シフタ群を用いたことを特徴とする熱光学スイッチ。
In a thermo-optical switch having a plurality of thermo-optical switch elements each including two directional couplers formed by two optical waveguides formed on a substrate and a thermo-optical phase shifter sandwiched between the directional couplers,
A thermo-optic switch using the thermo-optic phase shifter group according to claim 1 as a plurality of thermo-optic phase shifters.
請求項6の記載の熱光学スイッチにおいて、
前記熱光学スイッチエレメントが、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成され、前記加熱手段がクロム又は窒化タンタルで構成され、前記配線が主に金で構成されたことを特徴とする熱光学スイッチ。
The thermo-optical switch according to claim 6,
A thermo-optical switch, wherein the thermo-optical switch element is composed of a silica-based glass optical waveguide on a silicon substrate, the heating means is composed of chromium or tantalum nitride, and the wiring is mainly composed of gold. .
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