JP2006133393A - 光学装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板と、基板上に搭載されるコア部と、基板上にコア部を取り囲むように形成されるクラッド部と、クラッド部に設けられ、コア部を加熱する加熱部とを有する光学装置及びその製造方法に関し、加熱部からコア部に伝達される熱の伝達効率を向上させることができる光学装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基板と、基板上に搭載されるコア部と、基板上にコア部を取り囲むように形成されるクラッド部と、クラッド部に設けられ、コア部を加熱する加熱部とを有する光学装置に関し、 本発明は、基板（１１）と、基板（１１）上に搭載されるコア部（１２）と、基板（１１）上にコア部（１２）を取り囲むように形成されるクラッド部（１３）と、クラッド部（１３）に設けられ、コア部（１２）を加熱する加熱部（１４）とを有する光学装置において、基板（１１）とクラッド部（１３）との間に加熱部（１４）からの熱を断熱する断熱部（１１１）を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は光学装置及びその製造方法に係り、特に、基板と、基板上に搭載されるコア部と、基板上にコア部を取り囲むように形成されるクラッド部と、クラッド部に設けられ、コア部を加熱する加熱部とを有する光学装置及びその製造方法に関する。

近年、光通信は急速に進歩しており、その通信速度の高速化及び伝送容量の大容量が図られている。これに対応しうる光通信方法として、多くの波長の光を用いて多重化を行なう波長多重通信（ＷＤＭ）が多用されるようになってきている。この波長多重通信では、波長間隔が１nm以下の光を合分波する必要があり、よって、ＷＤＭに用いられる光部品においても、これに対応すべく高精度化する必要がある。

周知のように、光通信においては光ファイバからなる伝送路内に各種光学素子が挿入されている。この光学素子としては、大量生産が可能で高集積化を図り得る導波路部品が注目されており、その中でも平面光波回路（ＰＬＣ）は光伝送損失が低く光ファイバとの低損失な接続が可能であること、また、多くの光機能を集積できることから期待されている。

これらの光学素子として、熱光学式スイッチと呼ばれる素子がある。熱光学式スイッチは、導波路に近接して加熱装置を設け、導波路を加熱することにより、熱光学効果によって導波路の屈折率を変化させることにより、光路などを切り換える素子である（特許文献１参照）。

図３は熱光学式スイッチの一例の斜視図、図４は熱光学式スイッチの一例の断面図を示す。

熱光学式光スイッチ１は、基板１１、コア部１２、クラッド部１３、加熱部１４から構成されている。基板１１は、例えば、シリコン基板から構成されている。

コア部１２は、入力導波路１２ａ、第１の出力導波路１２ｂ、第２の出力導波路１２ｃから構成されている。コア部１２は、例えば、フッ素化ポリイミドなどの透明樹脂から構成されており、例えば、ポリアミド酸などの層をスピンコート法などにより形成した後、加熱処理することでイミド化させることにより形成される。

クラッド部１３は、コア部１２と同様に、フッ素化ポリイミドなどの透明樹脂から構成されており、下部クラッド層１３ａ及び上部クラッド層１３ｂから構成されており、コア部１２を囲むように形成されている。

このとき、コア部１２、及び、クラッド部１３は、クラッド部１３の屈折率をｎ１、コア部１２の屈折率をｎ２としたとき、
ｎ１＜ｎ２
となるように構成樹脂の成分調整が行われている。屈折率ｎ１、ｎ２は、例えば、ｎ１＝１．５２５、ｎ２＝１．５３１に設定される。

加熱部１４は、第１の出力導光路１２ｂを過熱する第１の加熱部１４ａ及び第２の出力導光路１２ｃを加熱する第２の加熱部１４ｂから構成される。第１の加熱部１４ａ及び第２の加熱部１４ｂは、薄膜ヒータから構成されており、各々駆動回路１５に接続されている。

第１の加熱部１４ａ及び第２の加熱部１４ｂは、駆動回路１５から供給される駆動信号により駆動されて、発熱し、第１の出力導波路１２ｂ及び第２の出力導波路１２ｃを過熱する。駆動回路１５は、外部からの制御信号に応じて第１の加熱部１４ａ、又は、第２の加熱部１４ｂを加熱するための駆動信号を供給する。

次に、熱光学式スイッチ１の製造方法について説明する。

まず、基板１１上に下部クラッド層１３ａを形成する。下部クラッド層１３ａは、基板１１上にスピンコート法などによりポリアミド酸の層を一様に形成した後、加熱処理することによりイミド化させ、一様な透明樹脂層として形成される。このとき、下部クラッド層１３ａは、用いられるコア材料及びクラッド材料の屈折率差により厚さが、５〜１０μｍ程度に形成される。

次にコア部１２が形成される。コア部１２は、まず、下部クラッド層１３ａ上にスピンコート法などによりポリアミド酸の層を一様に形成した後、加熱処理することによりイミド化させ、透明樹脂層を形成する。次に、レジストをパターニングして、例えば、ＲＩＥ（reactive ion etching）装置などにより、ドライエッチング処理を行い、下部グラッド層３２が露出する程度までエッチングする。このとき、フォトレジスト形成部分はエッチングされず、その下部の透明樹脂層が残ることになる。次に、残留したフォトレジストを除去する。以上により、所望のパターンのコア部１２が形成される。なお、このとき、コア部１２は、用いられるコア材料及びクラッド材料の屈折率差により厚さが、５〜１０μｍ程度に形成される。

次に、コア部１２の側面及び上面を覆うように上部クラッド層１３ｂを形成する。上部クラッド層１３ｂは、下部クラッド層１３ａと同じフッ素化ポリイミドなどから構成されており、下部クラッド層１３ａと同じ屈折率ｎ１となるように成分が調整されている。上部クラッド層１３ｂは、スピンコートなどによりポリアミド酸の層を形成した後、加熱処理され、ポリアミド酸がイミド化されて形成される。なお、このとき、上部クラッド層１３ｂは、用いられるコア材料及びクラッド材料の屈折率差により厚さが、５〜１０μｍ程度に形成される。

次に、上部クラッド層１３ｂ上に第１の加熱部１４ａ及び第２の加熱部１４ｂが形成される。

以上により、熱光学式光スイッチ１が形成される。

図５は下部クラッド層１３ａの膜厚に対する加熱部１４の温度及び消費電力の特性図を示す。図５において、横軸は下部クラッド層１３ａの膜厚を示しており、実線は下部クラッド層１３ａの膜厚に対する加熱部１４の温度、破線は下部クラッド層１３ａの膜厚に対する加熱部１４における消費電力の特性を示している。

基板１１は、シリコンから構成されている。シリコンの熱伝導率は約１４８〔W/m・K〕と大きく、下部クラッド層１３ａから熱が拡散されている。このため、下部クラッド層１３ａの膜厚が厚くなり、基板１１の影響が小さくなる程、図５に実線で示すように加熱部１４の温度が高くでき、また、図５に破線で示すように消費電力を小さくできる。

しかしながら、この種の光学素子は、コア部１２が小径化、及びクラッド部１３の厚さが薄くなるほど、光の損失などの光学的特性が良好となる。このため、この種の光学素子には、小型化、薄型化が望まれている。
特開２００３−２１５６４７号公報

しかるに、従来の熱光学式光スイッチでは、グラッド部１３の厚みが十分でない場合には、加熱部からの熱が基板１１に伝達される。このとき、基板１１は、シリコンから構成されている。シリコンの熱伝導率は約１４８〔W/m・K〕と大きく、クラッド部１３から熱が拡散されるため、熱効率が悪いなどの問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、加熱部からコア部に伝達される熱の伝達効率を向上させることができる光学装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、基板（１１）と、基板（１１）上に搭載されるコア部（１２）と、基板（１１）上にコア部（１２）を取り囲むように形成されるクラッド部（１３）と、コア部（１２）を加熱する加熱部（１４）とを有する光学装置において、基板（１１）とクラッド部（１３）との間に加熱部（１４）からの熱を断熱する断熱部（１１１）を有することを特徴とする。

断熱部（１１１）は、二酸化珪素から構成されたことを特徴とする。

断熱部（１１１）は、クラッド部（１３）の厚さに比べて薄く形成されたことを特徴とする。

断熱部（１１１）は、クラッド部（１３）の厚さの略十〜数十分の一程度の厚さであることを特徴とする。

基板（１１）は、シリコン基板であることを特徴とする。

基板（１１）と、基板（１１）上に搭載されるコア部（１２）と、基板（１１）上にコア部（１２）を取り囲むように形成されるクラッド部（１３）と、クラッド部（１３）に設けられ、コア部（１２）を加熱する加熱部（１４）とを有する光学装置の製造方法において、基板（１１）上に加熱部（１４）からの熱を断熱する断熱部（１１１）を形成する第１の工程と、断熱部（１１１）上にコア部（１２）及びクラッド部（１３）並びに加熱部（１４）を形成する第２の工程とを有することを特徴とする。

なお、上記参照符号は、あくまでも特許請求の範囲の理解を容易にするためのものであり、これによって、特許請求の範囲が限定されるものではない。

本発明によれば、加熱部からコア部への熱伝導効率が良くなるため、加熱部の消費電力を低減できる。

また、コア部が早く加熱されるため、光制御の応答速度を向上させることができる。

さらに、断熱部を光学的クラッド層として作用させることにより、コア部からの光の漏洩を低減できる。

また、断熱部を設けることにより、基板への放熱を低減できるため、コア部を小径化、クラッド部を薄型化できるため、光学的特性を向上させることが可能となる。

図１は本発明の一実施例のシステム構成図、図２は本発明の一実施例の斜視図を示す。同図中、図３、図４と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施例の光学装置１００は、基板１１とクラッド部１３との間に断熱部１１１を設けた構成とされている。

断熱部１１１は、例えば、二酸化珪素などの酸化物から構成されている。例えば、断熱部１１１は、シリコンから構成される基板１１を酸化させたり、あるいは、基板１１上に二酸化珪素からなる薄膜を積層したりすることにより形成されている。二酸化珪素の熱伝導率は、シリコンの略１００分の１の約１．３５〔W/m・K〕であり、シリコン基板から構成される基板１１の約１４８〔W/m・K〕に比べて十分に小さい導電率であり、したがって、下部クラッド層１３ａから基板１１への熱の伝導を低減することができる。これによって、加熱部１４で発生した熱が基板１１に放熱されることを防止でき、よって、コア部１２を高速に加熱できる。

なお、断熱部１１１は、基板１１とクラッド部１３とを断熱できる材質であれば、二酸化珪素に限られるものではない。

このとき、断熱部１１１の厚さは、クラッド部１３の厚さに比べて十分に薄く形成されている。断熱部１１１の厚さは、クラッド部１３の厚さの略十〜数十分の一程度の厚さであり、例えば、コア部１２の幅及び厚さを１０μｍ、下部クラッド層１３ａの厚さ及び上部クラッド層１３ｂのコア部１２の上部における厚さを各々１０μｍとすると、１〜２μｍ程度に設定される。これによって、最適な断熱及び放熱特性が得られることが実験的に確かめられた。

断熱部１１１の厚さを最適な厚さとすることにより、加熱部１４が発熱したときには、熱が下部グラッド層１３ａから基板１１に拡散することを低減でき、よって、コア部１２を高速に加熱でき、また、加熱部１４による加熱が停止されたときには、コア部１２の熱が基板１１に放熱され、コア部１２を高速に冷却することができ、これによって、スイッチング速度を高速化することができる。

また、加熱部１４の加熱時間を低下させることができるため、加熱部１４の消費電力を低減することができる。

さらに、断熱部１１１の材料として二酸化珪素を用いることにより、下部クラッド層１３ａの光学的性能が向上し、コア部１２への光の閉じ込め効果が良好となり、伝送される光の損失を低減できる。

また、本実施例によれば、断熱部１１１を設けることにより、加熱部１５で発生した熱が基板１１に放熱されることを低減できるため、コア部１２を小径化及びクラッド部１３を薄型化することができ、光学的特性を向上させることができる。

なお、本実施例では、光学装置として２分岐の光スイッチを例に説明を行なったが、これに限定されるものではなく、熱光学効果を用いた光学装置一般に適用できることは言うまでもない。

本発明の一実施例の全体構成図である。 本発明の一実施例の断面図である。 従来の一例の構成図である。 従来の一例の断面図である。 下部クラッド層１３ａの膜厚に対する加熱部１４の温度及び消費電力の特性図である。

符号の説明

１００ 光学装置
１１１ 断熱部
１１ 基板、
１２ コア部
１２ａ 入力導波路、１２ｂ 第１の出力導波路、１２ｃ 第２の出力導波路
１３ クラッド部
１３ａ 下部クラッド層、１３ｂ 上部クラッド層
１４ 加熱部
１４ａ 第１の加熱部、１４ｂ 第２の過熱部
１５ 駆動回路

Claims (6)

1. 基板と、該基板上に搭載されるコア部と、該基板上に該コア部を取り囲むように形成されるクラッド部と、前記コア部を加熱する加熱部とを有する光学装置において、
   前記基板と前記クラッド部との間に前記加熱部からの熱を断熱する断熱部を有することを特徴とする光学装置。
2. 前記断熱部は、二酸化珪素から構成されたことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 前記断熱部は、前記クラッド部の厚さに比べて薄く形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学装置。
4. 前記断熱部は、前記クラッド部の厚さの略十〜数十分の一程度の厚さであることを特徴とする請求項３記載の光学装置。
5. 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の光学装置。
6. 基板と、該基板上に搭載されるコア部と、該基板上に該コア部を取り囲むように形成されたクラッド部と、前記コア部を加熱する加熱部とを有する光学装置の製造方法において、
   前記基板上に前記加熱部からの熱を断熱する断熱層を形成する第１の工程と、
   前記断熱層上に前記コア部及び前記クラッド部並びに前記加熱部を形成する第２の工程とを有することを特徴とする光学装置の製造方法。

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