JP2006235379A - Thermo-optical phase modulator and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermo-optical phase modulator of low power consumption whose clad thickness is not so thick and which can realize a desired response speed without the need for machining with a high aspect ratio, and its manufacturing method. <P>SOLUTION: The thermo-optical phase modulator which has a core in a clad layer deposited on a substrate and also has a thin-film heater arranged on an over-clad right above the core is characterized in that a portion of the clad layer which includes the heater and core is enclosed with a heat insulating groove to prevent heat from the heater from being dissipated and a portion of the clad layer enclosed with the heat insulating groove is formed in hollow structure apart from the substrate to reduce the area of contact between the portion including the heater and core and the substrate. In addition, the connection portion where the clad and substrate come into contact with each other to support the hollow structure is provided on one side apart from the heater and placed in an overhang state, and the the cross section of the connection portion is made smaller than the cross section of the other clad. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光通信分野で用いられる光導波回路である熱光学位相変調器とその製造方法に関する。更に詳には、本発明は、熱光学効果を利用した熱光学位相変調器において、低消費電力を実現する技術に関する。   The present invention relates to a thermo-optic phase modulator, which is an optical waveguide circuit used in the field of optical communication, and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a technique for realizing low power consumption in a thermo-optic phase modulator using a thermo-optic effect.

平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器は、例えば波長分割多重技術を用いたブロードバンドの光通信分野において、キーデバイス(主要素子)となっている。この熱光学位相変調器では、導波路上部の薄膜ヒータに電力を印加してコアの温度を上昇させることで光の位相制御を行う。ヒータからの加熱により、コアが温度上昇することで、コアの屈折率が増大し、その屈折率の変化量と長さに対応して光路長が長くなることで射出端での出力光の位相が変調される。   Thermo-optic phase modulators using planar optical circuit technology are key devices (main elements) in the broadband optical communication field using, for example, wavelength division multiplexing technology. In this thermo-optic phase modulator, the phase of the light is controlled by applying power to the thin film heater on the top of the waveguide to raise the temperature of the core. As the temperature of the core rises due to heating from the heater, the refractive index of the core increases, and the optical path length increases corresponding to the amount of change and the length of the refractive index, so that the phase of the output light at the exit end Is modulated.

この平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器の代表的な用途は光スイッチにある。導波路内に入射した光を3dB光カップラーによって分岐し、分岐した少なくとも一方の導波路上にヒータを設けた熱光学位相変調器に接続し、熱光学位相変調器からの出力光と他方の分岐光とを再度光カップラーによって結合させることで、光スイッチを実現している。分岐した一方で用いる波長の半波長に対応する位相差を熱光学位相変調器によって信号光に与えることで、回路の出射端での光のスイッチングを行う。   A typical application of a thermo-optic phase modulator using this planar optical circuit technology is in an optical switch. Light incident on the waveguide is branched by a 3 dB optical coupler, connected to a thermo-optic phase modulator provided with a heater on at least one of the branched waveguides, and output light from the thermo-optic phase modulator and the other branch An optical switch is realized by combining light with an optical coupler again. The phase difference corresponding to the half wavelength of the wavelength to be used while being branched is given to the signal light by the thermo-optic phase modulator, thereby switching the light at the output end of the circuit.

この平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器の解決すべき課題は、消費電力にある。1個の熱光学位相変調器によって消費される電力は、従来の典型的な構造では450mW程度になる。このような従来の熱光学位相変調器を用いて、1×32、16×16等の大規模スイッチを実現しようとすると、回路全体の消費電力は非常に大きなものとなってしまう。そこで、熱光学位相変調器の消費電力を下げるために、さまざまなアプローチがこれまでに考えられてきた。   The problem to be solved by the thermo-optic phase modulator using this planar optical circuit technology is power consumption. The power consumed by one thermo-optic phase modulator is about 450 mW in the conventional typical structure. If such a conventional thermo-optic phase modulator is used to realize a large-scale switch of 1 × 32, 16 × 16, etc., the power consumption of the entire circuit becomes very large. Thus, various approaches have been considered so far in order to reduce the power consumption of the thermo-optic phase modulator.

そのアプローチの一つとして、図12の(A)に示すような、薄膜ヒータ407の両側に断熱溝409,409を形成することが知られている(非特許文献1)。この断熱溝409,409は、薄膜ヒータ407から加えられた熱が、コア405の周囲のクラッドを通じて基板401の水平方向に拡散し、コア405の温度上昇に有効に電力が消費されなくなるのを防ぐ働きがある。非特許文献1によれば、断熱溝409,409によって区切られたリッジ(隆線、稜線)幅が細くなるほど、消費電力は小さくなり、45mWで半波長に対応する位相変調器が実現されている。また、リッジ幅を狭めることで消費電力だけを低下させ、応答速度の劣化は招かないことが非特許文献1に示されている。   As one of the approaches, it is known to form heat insulating grooves 409 and 409 on both sides of a thin film heater 407 as shown in FIG. 12A (Non-patent Document 1). The heat insulating grooves 409 and 409 prevent the heat applied from the thin film heater 407 from diffusing in the horizontal direction of the substrate 401 through the cladding around the core 405 and preventing power from being effectively consumed for the temperature rise of the core 405. There is work. According to Non-Patent Document 1, as the width of the ridge (ridge line, ridge line) delimited by the heat insulating grooves 409 and 409 becomes thinner, the power consumption becomes smaller, and a phase modulator corresponding to a half wavelength at 45 mW is realized. . Further, Non-Patent Document 1 shows that by reducing the ridge width, only the power consumption is reduced and the response speed is not deteriorated.

さらなる大規模集積化のため、さらに消費電力を抑えるには、断熱溝409,409を形成した上に、アンダークラッドよりも熱伝導率の高い基板401とコア405の距離を離すことが有効であることが知られている。薄膜ヒータ407によって加えられた熱が、熱伝導率の高い基板401に逃げるのを防ぐ必要があるからである。そのため、アンダークラッドを厚くし、コア405と基板距離を離すことが有用である。   In order to further reduce power consumption for further large-scale integration, it is effective to form the heat insulating grooves 409 and 409 and increase the distance between the substrate 401 and the core 405 having higher thermal conductivity than the underclad. It is known. This is because it is necessary to prevent the heat applied by the thin film heater 407 from escaping to the substrate 401 having a high thermal conductivity. Therefore, it is useful to increase the thickness of the undercladding and increase the distance between the core 405 and the substrate.

さらに消費電力を低減する方法として、図12の(B)に示すようなコア405の下部のクラッドまたは、基板401の一部を除去することにより、ヒータ407を具備した熱光学位相変調器と基板401との間に空気からなる隙間411を設けることで、基板401への熱の拡散を遮断してしまう方法が非特許文献2によって提示されている。この空気からなる隙間411の効果は、理想的にはアンダークラッドを無限厚にした効果と同等であり、基板401への熱の拡散をほぼ完全に遮断できる構造であって、消費電力の低減効果は高い。   Further, as a method of reducing power consumption, a thermo-optic phase modulator and a substrate provided with a heater 407 are removed by removing a portion of the clad or the substrate 401 below the core 405 as shown in FIG. Non-Patent Document 2 proposes a method of blocking the diffusion of heat to the substrate 401 by providing a gap 411 made of air between the substrate 401 and the substrate 401. The effect of the air gap 411 is ideally equivalent to the effect of the infinite thickness of the undercladding, and has a structure that can almost completely block the diffusion of heat to the substrate 401, and can reduce power consumption. Is expensive.

S.Sohma et al., ”Low switching power silica-based super high data thermo-opticswitch with heat insulating grooves,” Electronics Lett., VOl.38, No.3, pp.88-89, January 2002S.Sohma et al., “Low switching power silica-based super high data thermo-opticswitch with heat insulating grooves,” Electronics Lett., VOl.38, No.3, pp.88-89, January 2002 A.Sugita et al., “Bridge-suspended silica-waveguide thermo-optic phase shifterand its application to Mach-Zehnder type optical switch,” Trans. IEICE, Vol.E73, No.1, pp.105-109, January 1990A. Sugita et al., “Bridge-suspended silica-waveguide thermo-optic phase shifterand its application to Mach-Zehnder type optical switch,” Trans. IEICE, Vol.E73, No.1, pp.105-109, January 1990

これまで提示されている方法(非特許文献1)に従ってさらに消費電力を低減するには、断熱溝409,409によって区切られたリッジ幅をできるだけ狭くし、かつリッジを形成するアンダークラッドを厚くする必要がある。   In order to further reduce the power consumption according to the method presented so far (Non-Patent Document 1), it is necessary to make the ridge width defined by the heat insulating grooves 409 and 409 as narrow as possible and to increase the thickness of the underclad that forms the ridge. There is.

しかしながら、アンダークラッドをあまり厚くすると、そのアンダークラッドの堆積に膨大な時間がかかるだけでなく、基板409の反りが増大し、その堆積後の工程であるフォトリソグラフィー等の以後の工程に支障をきたす。また、断熱溝409,409の形成にも時間がかかり加工プロセスの負担が増大する。さらに、厚いクラッド層は、応力によりクラッドにクラックを生じるといった原因になり得る。   However, if the undercladding is made too thick, not only does it take a long time to deposit the undercladding, but also warpage of the substrate 409 increases, which hinders subsequent processes such as photolithography, which is a process after the deposition. . In addition, it takes time to form the heat insulating grooves 409 and 409, and the burden on the machining process increases. Furthermore, a thick clad layer can cause cracks in the clad due to stress.

また、例えアンダークラッドを厚くできたとしても、断熱溝409,409によって区切られるリッジ幅を狭くし、断熱溝409,409を基板401まで形成するには高アスペクト比の加工が要求される。例えば20μmのリッジ幅とし、非特許文献1に示されている消費電力(45mW)の半分の消費電力を実現するためには、計算上ほぼ140μm厚のクラッドに断熱溝409,409を形成する必要がある。そのため、アスペクト比にして7以上の加工が要求される。アスペクト比が7以上の加工は、断熱溝形成時のパターンシフトの制御が困難であり、歩留まりを低下させるだけではなく、膜厚のウエハ内での面内分布、エッチングの面内分布、ヒータ等形成時の位置合わせ精度等の製造誤差により、ウエハ内の熱光学位相変調器での消費電力を一定にすることが困難になるといった難点がある。   Even if the undercladding can be made thick, processing with a high aspect ratio is required to narrow the ridge width defined by the heat insulating grooves 409 and 409 and form the heat insulating grooves 409 and 409 up to the substrate 401. For example, in order to achieve a ridge width of 20 μm and a power consumption that is half of the power consumption (45 mW) shown in Non-Patent Document 1, it is necessary to form the heat insulating grooves 409 and 409 in a clad having a thickness of approximately 140 μm. There is. Therefore, processing with an aspect ratio of 7 or more is required. In processing with an aspect ratio of 7 or more, it is difficult to control the pattern shift when forming the heat insulating grooves, not only reducing the yield, but also the in-plane distribution of the film thickness in the wafer, the in-plane distribution of etching, the heater, etc. Due to manufacturing errors such as alignment accuracy at the time of formation, it is difficult to make the power consumption of the thermo-optic phase modulator in the wafer constant.

更に、非特許文献2で提案された熱光学位相変調器のヒータ407の下部のクラッドと基板401との間に空気からなる隙間411を設けた図12の(B)に示すような構造では、空気層による断熱効果が高いために消費電力の低減効果は大きく、ヒータに印加した電力が効率よくコアの温度上昇に用いられると理解できる。しかしながら、その反面、不要となった熱を基板401側へ効率よく逃がすことができないため、応答速度の極度の劣化を招く。従来からある平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器で応答速度は、ほぼ3msec程度であるが、この図12の(B)の構造ではその応答速度は、ほぼ50msec程度となって一桁以上も応答速度が低下し、隙間411によりヒータ下部のコアとクラッドを基板401から完全に遮断した場合にはその応答速度は100msec以上になることもある。このように非特許文献2で提案された熱光学位相変調器は消費電力の低減は図れるものの、実用的な応答速度が得られないといった難点がある。   Furthermore, in the structure as shown in FIG. 12B in which a gap 411 made of air is provided between the lower clad of the heater 407 of the thermo-optic phase modulator proposed in Non-Patent Document 2 and the substrate 401, Since the heat insulation effect by the air layer is high, the effect of reducing the power consumption is large, and it can be understood that the power applied to the heater can be efficiently used to raise the temperature of the core. However, on the other hand, heat that is no longer necessary cannot be efficiently released to the substrate 401 side, resulting in extreme deterioration of response speed. In the conventional thermo-optic phase modulator using the planar optical circuit technology, the response speed is about 3 msec. In the structure of FIG. 12B, the response speed is about 50 msec, which is a single digit. The response speed also decreases as described above, and when the core and clad below the heater are completely cut off from the substrate 401 by the gap 411, the response speed may be 100 msec or more. Thus, although the thermo-optic phase modulator proposed in Non-Patent Document 2 can reduce power consumption, there is a problem that a practical response speed cannot be obtained.

消費電力の低減を多少犠牲にしても実用的な応答スピードを達成するため、上記のように基板または、クラッドの全部を除去してのヒータ下部のクラッドと基板401との間に空間411を設けるのではなく、基板401またはヒータ下部のクラッドの一部を完全に除去せずに残して、その残した非常に狭い幅の連結部でヒータ下部のクラッドと基板401とを連結させることが実施されている。図12の(C)はクラッドの一部を狭めて連結部413とした構造を示し、図12の(D)はSi基板401の上部を部分的に除去して残った一部を連結部414とした構造を示している。この連結部413、414の残し幅により、ヒータ407と基板401間の熱抵抗を制御し、消費電力、応答時間の制御を行う。   In order to achieve a practical response speed even at the expense of some reduction in power consumption, a space 411 is provided between the substrate or the lower layer of the heater with the substrate or the substrate 401 removed as described above. Instead, the substrate 401 or a portion of the cladding under the heater is left without being completely removed, and the cladding under the heater and the substrate 401 are connected with the remaining very narrow connecting portion. ing. FIG. 12C shows a structure in which a part of the clad is narrowed to form a connecting portion 413, and FIG. 12D shows a structure in which the upper portion of the Si substrate 401 is partially removed and a remaining portion is connected to the connecting portion 414. The structure is shown. The thermal resistance between the heater 407 and the substrate 401 is controlled by the remaining width of the connecting portions 413 and 414 to control power consumption and response time.

この基板401またはヒータ下部のクラッドの一部を除去する加工プロセスは、基板水平方向に対する加工プロセスであるため、通常は等方的なドライエッチング、またはウエットエッチングによって実施される。しかし、これらの工程では、エッチングの進行をモニタする方法に乏しいため、連結部413、414の幅の制御は非常に困難である。そのため、ヒータ407を具備した熱光学位相変調器のヒータ下部のクラッドと基板401との間に空気からなる隙間の部分に、上記のように連結部413,414を設ける構造では、連結部413,414の幅によって大きく消費電力が大きく変動し、安定して歩留まりよく熱光学位相変調器を作製できないといった難点がある。   Since the processing process for removing a part of the substrate 401 or the cladding under the heater is a processing process in the horizontal direction of the substrate, it is usually performed by isotropic dry etching or wet etching. However, in these processes, since the method for monitoring the progress of etching is scarce, it is very difficult to control the widths of the connecting portions 413 and 414. Therefore, in the structure in which the connecting portions 413 and 414 are provided in the gap portion made of air between the clad under the heater of the thermo-optic phase modulator provided with the heater 407 and the substrate 401, the connecting portions 413 and 413 are provided. The power consumption varies greatly depending on the width of 414, and there is a problem that a thermo-optic phase modulator cannot be manufactured stably and with a high yield.

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、基板上に堆積するクラッドの厚みもさほど厚くなく(その結果、基板反りが小さい)、高アスペクト比の加工を必要とせずに、所望の応答速度を実現できる低消費電力の平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is not to make the cladding deposited on the substrate so thick (as a result, the substrate warpage is small), and processing with a high aspect ratio is required. The object is to provide a thermo-optic phase modulator using a planar optical circuit technology with low power consumption capable of realizing a desired response speed, and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するため、本発明の熱光学位相変調器は、基板上に堆積されたクラッド層と、前記クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、前記コア上方の前記クラッド層上に形成された薄膜ヒータと、前記薄膜ヒータの近傍の前記クラッド層に形成された第1の断熱溝と、前記薄膜ヒータを挟んで前記第1の断熱溝がある側とは反対方向で前記薄膜ヒータから離れた前記クラッド層に形成された第2の断熱溝と、前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記基板とを隔離する空間と、前記第2の断熱溝に隣接して前記空間を終端し、前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層を連結する基板連結部とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a thermo-optic phase modulator according to the present invention includes a clad layer deposited on a substrate, a core formed in the clad layer and having a higher refractive index than the clad layer, The thin film heater formed on the cladding layer, the first heat insulating groove formed in the cladding layer in the vicinity of the thin film heater, and the side having the first heat insulating groove across the thin film heater The clad extending in the same direction as the substrate surface, sandwiched between the second heat insulation groove and the second heat insulation groove formed in the clad layer away from the thin film heater in a direction A space that separates the layer from the substrate, and terminates the space adjacent to the second heat insulation groove, and is sandwiched between the first heat insulation groove and the second heat insulation groove to be the same as the substrate surface A substrate connecting portion for connecting the cladding layers extending in the direction; Characterized in that it has.

ここで、前記基板連結部と前記薄膜ヒータ間の距離が、該薄膜ヒータと前記基板間の距離よりも長いことを特徴とすることができる。   Here, a distance between the substrate connecting portion and the thin film heater may be longer than a distance between the thin film heater and the substrate.

また、前記基板連結部上部を含む、前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層の少なくとも一部の厚さが、前記コア周辺のクラッド層よりも薄くなっていることを特徴とすることができる。   In addition, the thickness of at least a part of the cladding layer including the upper part of the substrate connecting portion and sandwiched between the first heat insulating groove and the second heat insulating groove and extending in the same direction as the substrate surface is the core. It can be characterized by being thinner than the surrounding cladding layer.

また、前記基板連結部側にある前記第2の断熱溝がコの字型、または逆コの字型となっていることを特徴とすることができる。   In addition, the second heat insulating groove on the substrate connecting part side may have a U shape or an inverted U shape.

また、前記基板連結部の導波路と平行な方向の長さが、前記薄膜ヒータ近傍の前記クラッド層の導波路と平行な方向の長さよりも短いことを特徴とすることができる。   The length of the substrate connecting portion in the direction parallel to the waveguide may be shorter than the length of the cladding layer in the vicinity of the thin film heater in the direction parallel to the waveguide.

また、前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層が、台形の形状を多段に連結した配置形状を有することを特徴とすることができる。   The clad layer sandwiched between the first heat insulation grooves and the second heat insulation grooves and extending in the same direction as the substrate surface has an arrangement shape in which trapezoidal shapes are connected in multiple stages. be able to.

また、前記基板がSOI層を有するSOI基板であることを特徴とすることができる。   The substrate may be an SOI substrate having an SOI layer.

上記目的を達成するため、本発明の熱光学位相変調器の製造方法は、基板上に堆積されたクラッド層と、該クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、該コア上方の前記クラッド層上に形成した薄膜ヒータと、前記薄膜ヒータの両側の前記クラッド層にそれぞれ形成した一対の断熱溝とを有する熱光学位相変調器の製造方法において、後に基板連結部となる箇所の前記基板上のSOI層を除去する工程と、前記SOI層の前記箇所を除去した基板上に、アンダークラッド、コア層を順次堆積し、該コア層からコアを加工し、該コアをオーバークラッドにて埋め込む工程と、前記一対の断熱溝を形成する工程と、前記断熱溝により露出した前記SOI層を選択的に除去することで、前記一対の断熱溝に挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記基板とを隔離する空間と、前記空間を終端して前記基板と前記クラッド層とを連結する前記基板連結部を同時に形成する工程とを含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a manufacturing method of a thermo-optic phase modulator according to the present invention includes a cladding layer deposited on a substrate, a core formed in the cladding layer and having a higher refractive index than the cladding layer, In a manufacturing method of a thermo-optic phase modulator having a thin film heater formed on the clad layer above the core and a pair of heat insulating grooves respectively formed in the clad layers on both sides of the thin film heater, a substrate connecting portion later Removing the SOI layer on the substrate at the location, and depositing an underclad layer and a core layer on the substrate from which the location of the SOI layer has been removed, processing the core from the core layer, and overcoating the core A step of embedding in the clad, a step of forming the pair of heat insulation grooves, and selectively removing the SOI layer exposed by the heat insulation grooves, thereby sandwiching the pair of heat insulation grooves to form the substrate surface A step of isolating the clad layer extending in the same direction and the substrate, and simultaneously forming the substrate connecting portion that terminates the space and connects the substrate and the clad layer. .

ここで、前記基板連結部上部を含む前記基板面と同一方向に伸びるクラッド層の少なくとも一部を除去する工程を含むことを特徴とすることができる。   Here, the method may include a step of removing at least a part of the cladding layer extending in the same direction as the substrate surface including the upper portion of the substrate connecting portion.

また、前記基板連結部となる箇所の前記基板上のSOI層を除去する工程は、同時に等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を形成することを特徴とすることができる。   In addition, the step of removing the SOI layer on the substrate at the location that becomes the substrate connecting portion may be characterized by forming a groove that serves as an etching stopper when performing isotropic etching at the same time.

また、前記等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を、アンダークラッドを堆積する工程において同時にガラスで充填することを特徴とすることができる。   Further, the groove serving as an etching stopper when the isotropic etching is performed may be filled with glass simultaneously in the step of depositing the under cladding.

本発明は、上記のように、断熱溝で囲まれたクラッド層の一部を基板から離れた中空構造とし、この中空構造を支える基板連結部をヒータから離れた片側に設け、これにより断熱溝で囲まれたクラッド層の全体の断面が片持ちばり状(またはオーバハング状)となるように構成したことを特徴する。本発明は、この特徴構成により、従来構造では非常に困難であった基板−ヒータ間の熱抵抗を、半導体産業で広く用いられている平面加工プロセスを利用して、精度良く調整できる効果が得られる。したがって、本発明によれば、基板上に堆積するクラッドの厚みもさほど厚くなく、高アスペクト比の加工を必要とせずに、所望の応答速度を実現できる低消費電力の熱光学位相変調器が実現できる。   In the present invention, as described above, a part of the clad layer surrounded by the heat insulating groove is formed as a hollow structure separated from the substrate, and a substrate connecting portion supporting the hollow structure is provided on one side away from the heater, whereby the heat insulating groove is formed. It is characterized in that the entire cross section of the clad layer surrounded by is shaped like a cantilever (or overhang). With this characteristic configuration, the present invention has an effect that the thermal resistance between the substrate and the heater, which has been very difficult with the conventional structure, can be accurately adjusted using a planar processing process widely used in the semiconductor industry. It is done. Therefore, according to the present invention, the thickness of the clad deposited on the substrate is not so thick, and a low power consumption thermo-optic phase modulator capable of realizing a desired response speed without requiring a high aspect ratio processing is realized. it can.

また、本発明によれば、上記のように熱抵抗を容易に精度よく調整できるため、小型で消費電力の小さな熱光学位相変調器を歩留まりよく作製することが可能となる。   In addition, according to the present invention, the thermal resistance can be easily adjusted with high accuracy as described above, so that a small-sized thermo-optic phase modulator with low power consumption can be manufactured with high yield.

さらに、本発明の製造方法を用いることで、従来制御が困難であった等方エッチングを用いた基板水平方向への加工を行う際に、精度良く加工を行うことができる。その結果、本発明によれば、歩留まりよく均一な消費電力の熱光学位相変調器を簡便に作製することが可能となる。   Furthermore, by using the manufacturing method of the present invention, when performing processing in the horizontal direction of the substrate using isotropic etching, which has conventionally been difficult to control, processing can be performed with high accuracy. As a result, according to the present invention, it is possible to easily manufacture a thermo-optic phase modulator with high yield and uniform power consumption.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1の(A)は本発明の第1の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図(斜視図)であり、図1の(B)は、図1の(A)中のA−A′切断線における断面構造を示す。また、図2の(A)〜(H)は、本実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法を工程順に、図1の(A)のA−A′切断線における断面図(図面右側)と上面図(図面左)とで示したものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
1A is a bird's-eye view (perspective view) showing a configuration of a thermo-optic phase modulator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a view in FIG. A cross-sectional structure taken along the line AA ′ is shown. 2A to 2H are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG. 1A in the order of the manufacturing method of the thermo-optic phase modulator according to this embodiment (on the right side of the drawing). ) And a top view (left of the drawing).

本実施形態では、図1の(A)、(B)に示すように、基板101上に堆積されたクラッド層103中に形成されたコア105の真上のオーバークラッドの上に薄膜ヒータ107を形成し、コア105の近傍に第1の断熱溝109を形成すると共に、コア105から比較的離れた反対位置に第2の断熱溝115を形成している。そして、両断熱溝109、115で囲まれたクラッド層103の基板101と接触する下部を基板連結部113の部分を残して除去することにより、クラッド層103と基板101を隔離する空気層の比較的広い隙間111を形成している。この隙間111からなる中空構造を支える上記基板連結部113は、ヒータ107から離れた第2の断熱溝115に接して形成され、これにより両断熱溝109、115で囲まれたクラッド層103の全体の断面形状が片持ちばり状(またはオーバハング状)となっている。より分かり易く言うと、従来の基板101に垂直に伸びた、断熱溝109,115によって区切られるリッジ形状を、コア105よりも下のクラッドで水平方向に折り曲げた断面構造となっている。   In this embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, a thin film heater 107 is formed on the overclad just above the core 105 formed in the clad layer 103 deposited on the substrate 101. The first heat insulating groove 109 is formed in the vicinity of the core 105, and the second heat insulating groove 115 is formed at an opposite position relatively far from the core 105. Then, the lower part of the clad layer 103 surrounded by the both heat insulating grooves 109 and 115 that is in contact with the substrate 101 is removed leaving the portion of the substrate connecting part 113, thereby comparing the air layer that isolates the clad layer 103 and the substrate 101. A wide gap 111 is formed. The substrate connecting portion 113 that supports the hollow structure composed of the gap 111 is formed in contact with the second heat insulating groove 115 away from the heater 107, whereby the entire cladding layer 103 surrounded by both heat insulating grooves 109, 115 is formed. The cross-sectional shape is a cantilever shape (or overhang shape). More simply, the ridge shape that extends perpendicularly to the conventional substrate 101 and is partitioned by the heat insulating grooves 109 and 115 is a cross-sectional structure that is bent in the horizontal direction by a clad below the core 105.

このような構造は、図2に示すような工程で容易に作製することができる。本実施形態では、基板101として、SOI基板(silicon on insulating substrate)を用いた。基板101となるSi上にSiOが3μmあり(この層をBOX層201と呼ぶ)、さらにその上に単結晶Si層が3μm(この層をSOI層203と呼ぶ)あり、その上に薄い自然酸化膜が形成されている基板である。しかし、各層の厚さはこの限りではない。また、本例では市販されているSOI基板を用いたが、基板101上にBOX層201に相当するガラス層を堆積した後、SOI層203に対応するSi層(アモルファスSi、多結晶Si等を含む)を堆積した基板を用いても良く、BOX層や、クラッドに用いるガラスとエッチングする際に選択比が大きな物質の層がある基板であれば、材質はSOI基板に限らない。以下、実施例の工程を説明する。 Such a structure can be easily manufactured by a process as shown in FIG. In this embodiment, an SOI substrate (silicon on insulating substrate) is used as the substrate 101. There is 3 μm of SiO 2 on the Si serving as the substrate 101 (this layer is called a BOX layer 201), and there is a 3 μm single crystal Si layer on this (this layer is called an SOI layer 203), and a thin natural layer A substrate on which an oxide film is formed. However, the thickness of each layer is not limited to this. In this example, a commercially available SOI substrate is used. After depositing a glass layer corresponding to the BOX layer 201 on the substrate 101, an Si layer (amorphous Si, polycrystalline Si, etc.) corresponding to the SOI layer 203 is used. The substrate is not limited to the SOI substrate as long as the substrate includes a BOX layer or a layer of a substance having a large selection ratio when etched with the glass used for the cladding. Hereafter, the process of an Example is demonstrated.

工程1として、まず5%のフッ酸水溶液を用いて基板の表面の酸化膜を除去した。   As step 1, first, the oxide film on the surface of the substrate was removed using a 5% hydrofluoric acid aqueous solution.

次いで、工程2として、後に基板連結部となる箇所205、および、エッチングストッパーとなる箇所205のSOI層203を、レジストを塗布、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを行った後、ICP(誘導結合プラズマ)エッチング装置を用いて除去した。この時、SOI基板のBOX層201は膜厚方向のエッチングストップ層として働く。後に基板連結部と断熱溝の底面となる箇所として幅40μm、長さ2.2mm、エッチングストッパーとして幅1.5μm、長さ2.2mmのSOI層203を予め除去した。このエッチングは所望箇所のSOI層203が除去できればよく、ウエットエッチング、等方ドライエッチング等の簡便な方法を用いてもよい。   Next, as step 2, the resist layer is applied to the portion 205 to be the substrate connecting portion later and the portion 205 to be the etching stopper, a resist is applied, and patterning is performed using a normal photolithography technique, and then ICP (induction) is performed. It was removed using a coupled plasma) etcher. At this time, the BOX layer 201 of the SOI substrate functions as an etching stop layer in the film thickness direction. Later, the SOI layer 203 having a width of 40 μm and a length of 2.2 mm as a bottom portion of the substrate connecting portion and the heat insulation groove and a width of 1.5 μm and a length of 2.2 mm as an etching stopper were previously removed. This etching only needs to remove the SOI layer 203 at a desired location, and a simple method such as wet etching or isotropic dry etching may be used.

次いで、工程3として、所望のSOI層203のエッチングが完了した基板において、SOI層エッチングを実施した面に、火炎堆積法によってアンダークラッド209、コアとなるガラスを堆積し、透明化を実施した。堆積したアンダークラッド209の厚さは10μm、コア層211の厚さは、4.5μmとした。コア層211の比屈折率差は1.5%とした。   Next, as step 3, on the substrate on which etching of the desired SOI layer 203 was completed, the undercladding 209 and the glass serving as the core were deposited by a flame deposition method on the surface on which the SOI layer etching was performed, and transparency was performed. The thickness of the deposited underclad 209 was 10 μm, and the thickness of the core layer 211 was 4.5 μm. The relative refractive index difference of the core layer 211 was 1.5%.

ここで火炎堆積法とは、SiCl等の塩化物を酸水素炎の中で燃焼させ、基板上に高速にガラス膜を製膜する方法であり、比較的厚い膜を堆積するのに適しており、埋め込み特性に優れているため、光導波路の作製に広く用いられている方法である。その堆積直後は、微粒子の集まりであるため可視光の散乱のため白色を示しているが、熱処理を実施することで透明な膜を得ることができる。一般的には透明化温度降下のため、例えば、P、Bなどを適量添加したガラスを堆積し、さらにコア層211には屈折率を上げるためGeO等を添加する。 Here, the flame deposition method is a method in which a chloride film such as SiCl 4 is burned in an oxyhydrogen flame to form a glass film on the substrate at high speed, and is suitable for depositing a relatively thick film. In addition, since it has excellent embedding characteristics, it is a widely used method for manufacturing optical waveguides. Immediately after the deposition, since it is a collection of fine particles, white is shown due to the scattering of visible light, but a transparent film can be obtained by performing heat treatment. In general, in order to lower the transparent temperature, for example, glass to which an appropriate amount of P 2 O 5 , B 2 O 3 or the like is added is deposited, and GeO 2 or the like is added to the core layer 211 in order to increase the refractive index.

また、上記の工程2において、後に基板連結部となる箇所205、および、エッチングストッパーとなる箇所205として隙間Siを除去した箇所は、SOI層203の厚さに対応する段差(ほぼ3μm)があるが、火炎堆積法を用いてガラス堆積した後の表面段差はわずかに0.3μm程度しかなかった。この程度の段差は、以後の工程に支障を生じないし、導波路が該箇所上を横切っても損失の原因とはならない程度である。   Further, in step 2 described above, the portion 205 where the gap Si is removed as the portion 205 to be the substrate connecting portion later and the portion 205 to be the etching stopper has a step (approximately 3 μm) corresponding to the thickness of the SOI layer 203. However, the surface level difference after glass deposition using the flame deposition method was only about 0.3 μm. Such a level difference does not cause any trouble in the subsequent processes, and does not cause a loss even if the waveguide crosses the portion.

SOI層203が比較的厚い〜8μm程度の基板101を使用した場合は、段差上に堆積したガラス層の表面には〜1μm程度の段差を生じることがある。この上に導波路を形成した場合、損失の原因となってしまう場合がある。そのような場合は、コア下方にくるSOI層203は工程2では除去せずに、図3の(A)に示すようなパターンでエッチングを実施することで、光が伝播する箇所には段差を生じずに作製することが可能となる。   When the substrate 101 having a relatively thick SOI layer 203 of about 8 μm is used, a step of about 1 μm may occur on the surface of the glass layer deposited on the step. When a waveguide is formed on this, it may cause a loss. In such a case, the SOI layer 203 below the core is not removed in step 2, and etching is performed with a pattern as shown in FIG. It becomes possible to produce without generating.

図3の(B)は最終的な形状の上面図を示している。円弧で示される箇所は、等方エッチングにより円弧形状を形成する。この円弧部分は制御が困難となるがヒータ107から離れた位置にあるため問題とならない。(ヒータ107の長さ2mm程度に対し、円弧の半径は100μm程度である。)   FIG. 3B shows a top view of the final shape. A portion indicated by an arc forms an arc shape by isotropic etching. Although this arc portion is difficult to control, there is no problem because it is located away from the heater 107. (For the heater 107 having a length of about 2 mm, the radius of the arc is about 100 μm.)

次いで、工程4として、コア層211まで堆積した基板101を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、所望の導波路回路に加工を行った。   Next, as step 4, the substrate 101 deposited up to the core layer 211 was processed into a desired waveguide circuit using a normal photolithography technique.

次いで、工程5として、コア105の幅は、シングルモード導波路となるように5μmとした。このコア105を再度、火炎堆積法を用いて15μmの厚さのガラス213で埋め込むプロセスを実施した。   Next, in step 5, the width of the core 105 was set to 5 μm so as to be a single mode waveguide. The core 105 was again embedded with a glass 213 having a thickness of 15 μm by using a flame deposition method.

その後、工程6として、所定の位置に断熱溝109,115を形成した。この際、断熱溝109,115を形成する位置は、後に除去するSOI層以外のSOI層203がエッチングされるのを防ぐために、予め設けたエッチングストッパー215よりも若干内側(後に除去するSOI層側)にくるよう設計した。   Thereafter, as step 6, heat insulating grooves 109 and 115 were formed at predetermined positions. At this time, the positions where the heat insulating grooves 109 and 115 are formed are slightly inside the etching stopper 215 provided in advance (on the side of the SOI layer to be removed later) in order to prevent the SOI layer 203 other than the SOI layer to be removed later from being etched. ).

図4は、エッチングストッパー215の部分を拡大した図を示す。図中の斜線部はエッチングガスが流入する箇所を示している。エッチングをする必要のないSOI層203をエッチングストッパー215のガラスを用いてエッチングガスと隔離することで、除去する必要のないSiをエッチングガスから保護することができる。余計なSOI層の除去を防ぐことで、機械的強度を保つことができ、またさらには、回路の基板占有面積を少しでも小さくでき、その結果は光回路のコストを引き下げることにつながる。   FIG. 4 shows an enlarged view of the etching stopper 215. The hatched portion in the figure indicates the location where the etching gas flows. By isolating the SOI layer 203 that does not need to be etched from the etching gas using the glass of the etching stopper 215, Si that does not need to be removed can be protected from the etching gas. By preventing the removal of the extra SOI layer, the mechanical strength can be maintained, and furthermore, the area occupied by the circuit board can be reduced as much as possible, which results in lowering the cost of the optical circuit.

また、後に基板連結部113になる箇所においては、予めSOI層203を除去した箇所と、除去しないSOI層203の間にガラスが残り、基板水平方向へのエッチングストッパー215となる位置に断熱溝109,115を形成した。本実施形態では、基板連結部113としてSiを除去した箇所の一部を、エッチングストッパー215として使用している場合について示しているが、この限りではなく、別の箇所にエッチングストッパーを設けてもよい。図4では、光が伝播する導波路に対し垂直な方向の断面図を示しているが、導波路に平行な方向においても、このエッチングストッパー215を設けることで、SOI層203の余計なエッチング除去を防ぐことが可能である。段差が問題となる場合は、導波路の下に位置する箇所には、エッチングストッパー215を設けないため、図3の(B)のような円弧になる。   Further, at a location where the substrate connecting portion 113 is to be formed later, glass remains between the location where the SOI layer 203 has been removed in advance and the SOI layer 203 where the SOI layer 203 has not been removed, and the heat insulating groove 109 is located at a location where the etching stopper 215 is formed in the substrate horizontal direction. 115 are formed. In this embodiment, the case where a part of the Si removed portion as the substrate connecting portion 113 is used as the etching stopper 215 is shown. However, the present invention is not limited to this, and the etching stopper may be provided at another location. Good. FIG. 4 shows a cross-sectional view in a direction perpendicular to the waveguide through which light propagates. However, by providing this etching stopper 215 also in a direction parallel to the waveguide, unnecessary etching removal of the SOI layer 203 is performed. It is possible to prevent. When the step becomes a problem, the etching stopper 215 is not provided at a position located under the waveguide, and thus an arc as shown in FIG.

次に、工程7において、除去すべきSOI層203の一部が露出した状態で、エッチングガスとしてSFを用いた等方ドライエッチングを行い、SOI層203の選択除去を行うことで、クラッド103と基板101の間に空間111を形成した。SFによるガラスとSiの選択比は非常に大きく(>〜70)、クラッド層103は、このエッチングによりほとんど影響を受けない。 Next, in step 7, isotropic dry etching using SF 6 as an etching gas is performed in a state where a part of the SOI layer 203 to be removed is exposed, and the SOI layer 203 is selectively removed, whereby the cladding 103. A space 111 was formed between the substrate 101 and the substrate 101. The selection ratio between glass and Si by SF 6 is very large (> ˜70), and the cladding layer 103 is hardly affected by this etching.

エッチングは予め形成した基板連結部113およびエッチングストッパー215に到達すると、そのエッチングは停止する。そのため、基板102とクラッド103が連結している面積をウエハ内すべての箇所で同じにすることができる。作製したエッチングによる連結部113の幅は10μmとした。また、この連結部の中心113とヒータ107との基板水平方向の距離は100μmとした。   When the etching reaches the previously formed substrate connecting portion 113 and the etching stopper 215, the etching is stopped. Therefore, the area where the substrate 102 and the clad 103 are connected can be made the same at all locations in the wafer. The width of the connecting portion 113 formed by etching was 10 μm. The distance in the horizontal direction of the substrate between the center 113 of the connecting portion and the heater 107 was 100 μm.

最後に、最終工程の行程8として、Au電極(図示しない)および、コア105上方にCrによってヒータ107を形成した。ヒータ107は幅15μm、長さ2.0mm、厚さ0.5μmである。本実施形態では断熱溝109,115の加工工程後に、配線(図示しない)およびヒータ107の作製を実施したが、断熱溝109,115を形成する前にメタル工程を実施しても同じである。また、用いる金属はAu/Crに限らず、配線、ヒータ107として同等の機能を発揮できる物質であれば、Au/Crに限らない。   Finally, as step 8 of the final process, a heater 107 was formed of Cr over the Au electrode (not shown) and the core 105. The heater 107 has a width of 15 μm, a length of 2.0 mm, and a thickness of 0.5 μm. In the present embodiment, the wiring (not shown) and the heater 107 are manufactured after the processing steps of the heat insulating grooves 109 and 115. However, the same is true if a metal process is performed before the heat insulating grooves 109 and 115 are formed. Further, the metal to be used is not limited to Au / Cr, and is not limited to Au / Cr as long as it is a substance that can exhibit an equivalent function as the wiring and heater 107.

以上説明した工程により作製した熱光学位相変調器の動作について述べる。作製した熱光学位相変調器の連結部113の中心とヒータ107の中心との基板水平方向の距離は100μmである。熱光学位相変調器のクラッド部の厚さはアンダークラッド209とオーバークラッド213を合わせ、25μmとなる。これに相当する従来の熱光学位相変調器は、断熱溝109,115により区切られるリッジ部の幅が25μm、深さ120μm以上のクラッド厚を持つことになる(オーバークラッド213の厚さを含む)。   The operation of the thermo-optic phase modulator manufactured by the process described above will be described. The distance in the substrate horizontal direction between the center of the connecting portion 113 of the manufactured thermo-optic phase modulator and the center of the heater 107 is 100 μm. The thickness of the cladding portion of the thermo-optic phase modulator is 25 μm, including the under cladding 209 and the over cladding 213. A conventional thermo-optic phase modulator corresponding to this has a clad thickness of 25 μm and a depth of 120 μm or more (including the thickness of the over clad 213) of the ridge portion partitioned by the heat insulating grooves 109 and 115. .

図5の(A)は、比較のため、従来構造での、ヒータ407に半波長に対応する位相変化を与えるのに必要な電力を印加した際の温度傾斜のシミュレーション結果を示している。基板401は室温に保たれていると仮定し境界条件を与え計算を行ったものである。図5の(B)は本発明による第1の実施形態の構造での、ヒータ107に半波長に対応する位相変化を与えるのに必要な電力を印加した際の温度傾斜のシミュレーション結果を示している。基板101は室温に保たれていると仮定し境界条件を与え計算を行ったものである。これらの計算の結果によると、図5の(A)に示した従来構造では、半波長分に対応する位相変調を与えるのに25mWの電力が必要であることが分かった。また、図5の(B)の本実施形態の構造では、それを下回る18mWの電力でよいことが分かった。したがって、本実施形態の構造によると、従来構造に比べて30%程度の電力低下が見込まれる。   For comparison, FIG. 5A shows a simulation result of a temperature gradient when power necessary for applying a phase change corresponding to a half wavelength is applied to the heater 407 in the conventional structure. Assuming that the substrate 401 is kept at room temperature, a boundary condition is given and calculation is performed. FIG. 5B shows the simulation result of the temperature gradient when the power necessary to give the phase change corresponding to the half wavelength is applied to the heater 107 in the structure of the first embodiment according to the present invention. Yes. The substrate 101 is assumed to be kept at room temperature, and the calculation is performed by giving boundary conditions. According to the results of these calculations, it was found that the conventional structure shown in FIG. 5A requires 25 mW of power to give the phase modulation corresponding to the half wavelength. Moreover, in the structure of this embodiment of (B) of FIG. 5, it turned out that the electric power of 18 mW which is less than that is sufficient. Therefore, according to the structure of this embodiment, a power reduction of about 30% is expected compared to the conventional structure.

本実施形態の構造と従来構造とは、同程度の基板−ヒータ間距離であるにもかかわらず、上記のように本実施形態の構造の電力が従来構造で予測される電力よりも大幅に小さくなったのは、図5に示すように、本実施形態の構造では基板接合部113の断面積が連続する他のクラッド103の断面積よりも小さいため(すなわち、基板接合部113の幅が狭い)、その基板接合部113の箇所での熱抵抗が大きくなったことに起因する。   Although the structure of the present embodiment and the conventional structure have the same substrate-heater distance, the power of the structure of the present embodiment is significantly smaller than the power predicted by the conventional structure as described above. As shown in FIG. 5, in the structure of this embodiment, the cross-sectional area of the substrate bonding portion 113 is smaller than the cross-sectional area of the other cladding 103 that is continuous (that is, the width of the substrate bonding portion 113 is narrow). This is because the thermal resistance at the location of the substrate joint 113 is increased.

従来方法ではヒータ407と基板401間の熱抵抗を高めるため、断熱溝409,409によって区切られるリッジ部の一部を狭くするにも(図12の(C)に示すような構造)、非常に加工プロセスが複雑であり、実施が困難であった。例え、そのリッジ部の一部を狭くできたとしても、そのリッジ部の幅の制御性に欠け、ウエハ面内での消費電力にばらつきを生じたりしやすい。これに対し、本実施形態の構造では設計時の基板接合面積を容易に調整することが可能であり、その調整により熱抵抗を可変させて所望の消費電力の熱光学位相変調器を容易に作製できる利点がある。   In the conventional method, in order to increase the thermal resistance between the heater 407 and the substrate 401, a part of the ridge portion delimited by the heat insulating grooves 409 and 409 is narrowed (a structure as shown in FIG. 12C). The machining process was complicated and difficult to implement. For example, even if a part of the ridge portion can be narrowed, the controllability of the width of the ridge portion is lacking, and the power consumption within the wafer surface tends to vary. In contrast, in the structure of this embodiment, it is possible to easily adjust the substrate bonding area at the time of design, and by adjusting the thermal resistance, it is possible to easily produce a thermo-optic phase modulator with desired power consumption. There are advantages you can do.

先の予想に基づき、実際に本実施形態の構造の性能比較のために、先に述べた寸法で従来構造の熱光学位相変調器の作製も試みた。しかしながら、ガラスを製膜し、熱処理を実施した時点でクラックが入り、回路を作製することができなかった。厚いアンダークラッド(ほぼ90μm)を堆積したことにより、基板401との熱膨張係数の違いから応力がかかりクラックを生じたものと思われる。   Based on the previous prediction, in order to actually compare the performance of the structure of this embodiment, an attempt was made to produce a thermo-optic phase modulator having a conventional structure with the dimensions described above. However, when a glass was formed and heat treatment was performed, cracks occurred and a circuit could not be produced. By depositing a thick underclad (approximately 90 μm), it is considered that a crack was applied due to stress due to the difference in thermal expansion coefficient from the substrate 401.

また、本実施形態により作製された熱光学位相変調器の半波長に対応する位相差を与える電力を測定したところ、20mWであった。ほぼ予想された消費電力の熱光学位相変調器を得ることができた。   In addition, when the electric power giving a phase difference corresponding to the half wavelength of the thermo-optic phase modulator manufactured according to the present embodiment was measured, it was 20 mW. A thermo-optic phase modulator with almost expected power consumption could be obtained.

従来、これまで消費電力を下げようと、断熱溝409,409により区切られたリッジ部の幅を狭くして、かつアンダークラッドを厚くしようとした構造で、アンダークラッドを厚く堆積するために、また、深い断熱溝409,409を形成するためにかかっていた加工プロセス時間が、本実施形態によれば大幅に短縮することができる。また、アンダークラッドを厚く堆積すると生じやすいクラック生成の問題も本実施形態によれば回避できる。さらに、本実施形態によれば、非常に困難である高アスペクト比の加工を避けることができ、歩留まりを向上させることができる。加えて、本実施形態によれば、従来構造では作製が困難であった、基板−ヒータ間の一部を狭くして熱抵抗を上げることが、基板連結部113の基板101との接合部分の面積を変化させるだけで容易に、かつ、ウエハ内均一性よく作製することができ、劇的に歩留まりを向上させることが可能となる。   Conventionally, in order to reduce the power consumption, a structure in which the width of the ridge portion delimited by the heat insulating grooves 409 and 409 is narrowed and the undercladding is made thick to deposit the undercladding thickly, In addition, according to the present embodiment, the processing time required for forming the deep heat insulating grooves 409 and 409 can be greatly reduced. Further, according to the present embodiment, the problem of crack generation that tends to occur when the underclad is deposited thick can be avoided. Furthermore, according to the present embodiment, processing with a high aspect ratio, which is very difficult, can be avoided, and the yield can be improved. In addition, according to the present embodiment, it is difficult to manufacture with the conventional structure, and it is possible to increase the thermal resistance by narrowing a part between the substrate and the heater. It is possible to fabricate the wafer easily and with good uniformity within the wafer simply by changing the area, and the yield can be dramatically improved.

(第2の実施形態)
図6の(A)は本発明の第2の実施形態に係る熱光学位相変調器を示す鳥瞰図であり、図6の(B)は、同図(A)中の切断線A−A′での断面構造を示している。本実施形態では、第1の実施形態で示した構造からさらに消費電力の低減を図った構造について述べる。
(Second Embodiment)
6A is a bird's-eye view showing a thermo-optic phase modulator according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a cutting line AA ′ in FIG. The cross-sectional structure of is shown. In this embodiment, a structure in which power consumption is further reduced from the structure shown in the first embodiment will be described.

図6の(B)に示すように、本実施形態に係る熱光学位相変調器は、第1の実施形態で示した構造からさらに、基板連結部113上部を含む、基板101と水平にあるクラッド103の少なくとも一部を厚さ方向に除去した構造になっている。同図の例では、ヒータ107の近傍を除くクラッド部分と基板連結部113上部のオーバークラッド213の全部とアンダークラッド209の一部が削られた構造になっている。   As shown in FIG. 6B, the thermo-optic phase modulator according to the present embodiment further includes a clad that is parallel to the substrate 101 and further includes the upper portion of the substrate connecting portion 113 from the structure shown in the first embodiment. In this structure, at least a part of 103 is removed in the thickness direction. In the example shown in the figure, the cladding portion excluding the vicinity of the heater 107, the entire over cladding 213 above the substrate connecting portion 113, and a part of the under cladding 209 are cut off.

このような構造は以下のようにして作製することができる。第1の実施形態中で示した図2中の工程6を図7に示した工程6−1と工程6−2の二つの工程に置き換えることで作製できる。   Such a structure can be manufactured as follows. 2 can be produced by replacing the step 6 in FIG. 2 shown in the first embodiment with two steps, step 6-1 and step 6-2 shown in FIG.

まず、最終的に基板連結部113上部及び、基板101と水平にあるクラッドとなる箇所を予め所望の残し厚さになるまでエッチングする(工程6−1)。その後、再度レジスト等によってマスクを施し、断熱溝109,115となる箇所のみを基板101または、ストップ層となっているBOX層201までエッチングを施し、断熱溝109,115を形成する。以後の工程7、工程8は第1の実施形態のそれと同じである。   First, the upper portion of the substrate connecting portion 113 and a portion that becomes a clad parallel to the substrate 101 are etched in advance until a desired remaining thickness is obtained (step 6-1). Thereafter, the mask is again applied with a resist or the like, and only the portions to be the heat insulating grooves 109 and 115 are etched to the substrate 101 or the BOX layer 201 serving as a stop layer, thereby forming the heat insulating grooves 109 and 115. Subsequent steps 7 and 8 are the same as those in the first embodiment.

本実施形態では、工程6−1において、基板連結部113上部を含む基板101と水平にあるクラッドの少なくとも一部を薄くエッチングするのと同時に、断熱溝109,115の箇所もエッチングを施している。そうすることで、次の工程6−2において断熱溝109,115の形成の際のエッチング量が減らせるため、工程時間を短縮できる。無論、それぞれ別々にエッチングを実施してもよい。   In this embodiment, in Step 6-1, at least a part of the clad that is parallel to the substrate 101 including the upper portion of the substrate connecting portion 113 is etched thin, and at the same time, the portions of the heat insulating grooves 109 and 115 are also etched. . By doing so, since the etching amount at the time of forming the heat insulation grooves 109 and 115 in the next step 6-2 can be reduced, the process time can be shortened. Of course, the etching may be performed separately.

次に、基板連結部113上部を含む基板101と水平にあるクラッド103を薄くする効果について説明する。図8は、基板連結部113上部を含む基板101と水平にあるクラッド部103の厚さが25μmの時の消費電力で規格化をしたそのクラッド部厚さと消費電力の関係を計算機にて求めた結果を示している。そのクラッド部の厚さが25μmは、第1の実施形態の構造を基にしている。   Next, the effect of thinning the substrate 103 including the upper part of the substrate connecting portion 113 and the clad 103 that is horizontal will be described. FIG. 8 shows the relationship between the power consumption of the clad portion normalized by the power consumption when the thickness of the substrate 101 including the upper part of the substrate connecting portion 113 and the horizontal clad portion 103 is 25 μm and the power consumption. Results are shown. The thickness of the cladding is 25 μm based on the structure of the first embodiment.

図8のグラフによると、上記クラッド部の厚さが薄くなるとともに、消費電力が低減されていることがわかる。上記クラッド部の厚さを5μmまで薄くすることで、その厚さが25μmの時に比べて、消費電力を3割程度まで減少させることが見込まれる。図1に示した第1の実施形態の構造で作製した熱光学位相変調器が、半波長に対応する位相差を与えるのに必要な消費電力が、20mWであったことを考慮すると、第2の実施形態の消費電力は7mW程度の消費電力に対応する。   According to the graph of FIG. 8, it can be seen that the thickness of the clad portion is reduced and the power consumption is reduced. By reducing the thickness of the cladding part to 5 μm, it is expected that the power consumption will be reduced to about 30% compared to when the thickness is 25 μm. Considering that the power consumption required for the thermo-optic phase modulator manufactured with the structure of the first embodiment shown in FIG. 1 to give a phase difference corresponding to a half wavelength is 20 mW, the second The power consumption of this embodiment corresponds to a power consumption of about 7 mW.

第2の実施形態で得られる、上記の消費電力の低減は、クラッド部分を薄くした箇所において基板101−ヒータ107間の熱抵抗が上昇するため、より少ない電力で位相変化を与えられるようになるためである。   The reduction in the power consumption obtained in the second embodiment increases the thermal resistance between the substrate 101 and the heater 107 at a location where the cladding portion is thinned, so that a phase change can be given with less power. Because.

他方、図12に示すような従来の構造において、同じように基板401−ヒータ407間の熱抵抗をコア405よりも基板401側で、一部のクラッド(または基板401)を狭めて高めようとすると、基板水平方向にエッチングを施さなければならないという、加工の困難性が生じる。具体的には、クラッド403(または基板401)の一部の組成を変え、エッチングレートの違いからクラッド(または基板)を部分的に細くする等が考えられる。例えば、基板401と通常のクラッドの間に添加物(P等)を添加した層を用意し、適当なエッチング溶液に浸し、クラッドとその添加層とのエッチングレートの違いから特定箇所のクラッドを細めるということが考えられる(図12の(C))。また、断熱溝409,409から露出した箇所からSi基板401を等方エッチングによって基板のSiを除去してゆき、所定の結合部の厚さを残してエッチングを停止させることで、部分的に基板401−ヒータ407間の熱抵抗を上昇させる方法がある(図12の(D))。従来例の図12の(B)に示すように、完全に隙間411を空けてしまうには精度は無論いらないが先に述べた応答時間が遅すぎるという問題から、一部を除去せずに精度よく残す必要性がある。 On the other hand, in the conventional structure as shown in FIG. 12, the thermal resistance between the substrate 401 and the heater 407 is similarly increased by narrowing a part of the clad (or substrate 401) closer to the substrate 401 than the core 405. Then, the processing difficulty that etching must be performed in the horizontal direction of the substrate occurs. Specifically, a part of the composition of the clad 403 (or substrate 401) may be changed, and the clad (or substrate) may be partially thinned due to a difference in etching rate. For example, a layer to which an additive (P 2 O 5 or the like) is added is prepared between the substrate 401 and a normal clad, soaked in an appropriate etching solution, and a specific location is determined from the difference in etching rate between the clad and the additive layer. It can be considered that the clad is narrowed ((C) in FIG. 12). Further, the Si substrate 401 is removed from the portions exposed from the heat insulating grooves 409, 409 by isotropic etching, and Si is removed from the substrate, and the etching is stopped while leaving the thickness of a predetermined bonding portion, so that the substrate is partially removed. There is a method of increasing the thermal resistance between 401 and the heater 407 ((D) of FIG. 12). As shown in FIG. 12B of the conventional example, the accuracy is not necessary to completely leave the gap 411, but the accuracy is not removed because of the problem that the response time is too slow as described above. There is a need to leave well.

しかしながら、これらの従来方法では、完全に基板401とクラッドの間に隙間411を開けるならともかく、決まった幅で所望箇所を細めることが非常に困難である。なぜならば、これらの工程は基板401水平方向のエッチングであり、そのためエッチングの途中に、後どれほどエッチングすれば良いのかモニタする適当な方法がなく、多くの場合、条件出しから求めたエッチング時間のみの制御となるためである。   However, in these conventional methods, it is very difficult to narrow a desired portion with a fixed width, regardless of whether the gap 411 is completely opened between the substrate 401 and the clad. This is because these processes are performed in the horizontal direction of the substrate 401. Therefore, there is no appropriate method for monitoring how much etching should be performed in the middle of the etching, and in many cases, only the etching time obtained from the condition determination is used. This is because it becomes control.

従来方法によって一部のクラッド403(または基板401)を狭める際、エッチングによる加工の斑(むら)は、ウエハ内の熱光学位相変調器の消費電力斑に大きく反映され、問題となる。例えば、図8で厚さが2.5μm変動すると電力で一割ほどの変化が見られる。つまり、狭めた箇所の厚さの違いにより、大きく消費電力が上下する結果となる。したがって、従来の構造や従来の加工方法を用いたのでは、一定の消費電力のものを歩留まりよく作製するのが困難となる。   When a part of the clad 403 (or the substrate 401) is narrowed by a conventional method, the unevenness (unevenness) in processing due to etching is largely reflected in the power consumption unevenness of the thermo-optic phase modulator in the wafer, which becomes a problem. For example, in FIG. 8, when the thickness varies by 2.5 μm, a change of about 10% in power is observed. That is, the power consumption greatly increases and decreases due to the difference in the thickness of the narrowed portion. Therefore, using a conventional structure or a conventional processing method makes it difficult to manufacture a product with constant power consumption with a high yield.

これに対し、本発明の第2の実施形態で示した構造では、精度よく基板連結部113上部を含む、基板と水平にあるクラッドの厚さを制御することができる。つまり、本実施形態によれば、歩留まりよく一定の消費電力の熱光学位相変調器を作製することができる。なぜならば、一般的に広く用いられている半導体プロセス技術では、本実施形態で実施されている厚さ方向(基板垂直方向)への加工精度の方が、従来技術で必要としている横方向(基板水平方向)への加工精度よりもはるかに精度が高いためである。本実施形態で行なわれる膜厚方向への加工は、エッチングの際に加工膜厚または残留膜厚を常に高精度にモニタしながらエッチングすることが可能である。そのモニタのための単色レーザ光による干渉を用いた膜厚モニタや、白色光源を用いた干渉膜厚モニタ等、高精度のエッチング膜厚モニタが多数市販されている。   On the other hand, in the structure shown in the second embodiment of the present invention, the thickness of the clad including the upper portion of the substrate connecting portion 113 and the substrate parallel to the substrate can be accurately controlled. That is, according to this embodiment, it is possible to manufacture a thermo-optic phase modulator with a constant power consumption with a high yield. This is because, in the semiconductor process technology that is generally widely used, the processing accuracy in the thickness direction (substrate vertical direction) that is implemented in this embodiment is the lateral direction (substrate that is required in the prior art). This is because the accuracy is much higher than the processing accuracy in the horizontal direction). The processing in the film thickness direction performed in the present embodiment can be performed while always monitoring the processed film thickness or the residual film thickness with high accuracy during the etching. Many high-accuracy etching film thickness monitors such as a film thickness monitor using interference by a monochromatic laser beam and an interference film thickness monitor using a white light source are commercially available.

以上述べたように、従来の断熱溝によって区切られたリッジ部のコア−基板間の一部のクラッド(または基板)を基板水平方向に細めて熱抵抗を調整するということが困難であったという問題を、本実施形態では厚さ方向(基板垂直方向)への加工に置き換えることで解決することができる。その結果、本実施形態によれば、歩留まり良く高精度の熱抵抗、つまりは消費電力の制御を可能とする。   As described above, it was difficult to adjust the thermal resistance by narrowing a portion of the clad (or substrate) between the core and the substrate of the ridge section separated by the conventional heat insulating grooves in the horizontal direction of the substrate. In this embodiment, the problem can be solved by replacing the processing in the thickness direction (vertical direction of the substrate). As a result, according to the present embodiment, it is possible to control the thermal resistance with high yield, that is, power consumption with high yield.

(第3の実施の形態)
図9の(A)は本発明の第3の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、同図の(B)は同図の(A)の上面図、同図の(C)は、同図の(A)中の切断線A−A′での断面構造を示している。本実施形態では、第2の実施形態で示した構造からさらに消費電力の低減を図った構造について述べる。
(Third embodiment)
FIG. 9A is a bird's-eye view showing the configuration of the thermo-optic phase modulator according to the third embodiment of the present invention. FIG. 9B is a top view of FIG. (C) shows a cross-sectional structure taken along a cutting line AA ′ in FIG. In this embodiment, a structure in which power consumption is further reduced from the structure shown in the second embodiment will be described.

図9の(A)〜(C)に示すように、本実施形態に係る熱光学位相変調器は、第2の実施形態に示した構造からさらに、基板連結部113上部を含む、基板101と水平にあるクラッド103の少なくとも一部を除去し、上方から見て、クラッド103が基板連結部113に向かって次第に細くなるようにした構造になっている。図9の構成例では、2つの断熱溝109,115で挟まれたクラッド103が上方から見て台形の形状に加工されている。また、その結果として第2の実施形態よりも基板連結部113側の断熱溝115の面積が拡大しているが、断熱溝115の形状はこれに限らない。   As shown in FIGS. 9A to 9C, the thermo-optic phase modulator according to this embodiment includes a substrate 101 including an upper portion of the substrate connecting portion 113 in addition to the structure shown in the second embodiment. At least a part of the horizontal clad 103 is removed so that the clad 103 becomes gradually thinner toward the substrate connecting portion 113 when viewed from above. In the configuration example of FIG. 9, the clad 103 sandwiched between the two heat insulating grooves 109 and 115 is processed into a trapezoidal shape as viewed from above. As a result, the area of the heat insulating groove 115 on the substrate connecting portion 113 side is larger than that of the second embodiment, but the shape of the heat insulating groove 115 is not limited to this.

本実施形態の台形構造を第1の実施形態に示した構造に対して適応しても勿論効果は得られる。また、次第に細くせずとも、少なくとも一部が細くなる構造となっていれば効果は得られる。   Of course, the trapezoidal structure of the present embodiment can be applied to the structure shown in the first embodiment to obtain the effect. Even if the structure is not thinned gradually, the effect can be obtained as long as at least a part is thinned.

また、図9では理解しやすくするために、ヒータ107部の長さを短く縮めて示している。実際の回路では、ヒータ107長は2〜3mm程度になるため、図10に示すように多連に上記台形構造を配置している。   Further, in FIG. 9, the heater 107 portion is shown with a shortened length for easy understanding. In an actual circuit, the heater 107 has a length of about 2 to 3 mm, so that the trapezoidal structure is arranged in multiples as shown in FIG.

本実施形態で提案するこのような構造は、第1の実施形態、および第2の実施形態で説明したと同じ製造方法で作製することができる。断熱溝109,115を形成する際に、コア105近傍から基板連結部113に向かって次第に細くなるようにレジスト塗布後パターン化しエッチングすることで、本実施形態の構造は得られる。その作製に使用するマスクの形状を設計時に変更するだけでよく、第1の実施形態、第2の実施形態から工程の増加はない。   Such a structure proposed in this embodiment can be manufactured by the same manufacturing method as described in the first embodiment and the second embodiment. When the heat insulation grooves 109 and 115 are formed, the structure of this embodiment is obtained by patterning and etching after resist application so as to become gradually thinner from the vicinity of the core 105 toward the substrate connecting portion 113. It is only necessary to change the shape of the mask used for the production at the time of designing, and there is no increase in the number of steps from the first embodiment and the second embodiment.

上述のように、基板連結部113の導波路と平行な方向の長さを、ヒータ107近傍のクラッド層103のその長さよりも短くする(少なくとも一部が短くなるようにする)ことで、熱抵抗を大きくすることができる。その結果、消費電力をさらに下げることができる。   As described above, the length of the substrate connecting portion 113 in the direction parallel to the waveguide is made shorter than the length of the clad layer 103 in the vicinity of the heater 107 (at least a part thereof is shortened). The resistance can be increased. As a result, power consumption can be further reduced.

これに対し、図12の(C),(D)に示した従来構造では、導波光進行方向と垂直方向にクラッド(または基板)の一部にくびれを設け、熱抵抗を上げることは、加工プロセスは困難であるにしろ可能であった。しかしながら、本実施形態が示すように導波光進行方向と平行方向に熱抵抗を増す構造を設けることは、それら従来構造では、ほとんど不可能であるといえる。   On the other hand, in the conventional structure shown in FIGS. 12C and 12D, a constriction (or substrate) is provided in part of the cladding (or substrate) in the direction perpendicular to the guided light traveling direction to increase the thermal resistance. The process could be difficult but possible. However, it can be said that it is almost impossible to provide a structure that increases the thermal resistance in the direction parallel to the guided light traveling direction as shown in this embodiment.

図10に示すように、本実施形態の構造を多連に配置した場合には、その多連を構成する台形の個数が多いほど、回路を小さくできるので望ましい。本実施形態の台形の構造は、熱が流動するヒータ107と基板101間の距離が導波路方向によって変化する構造となっているので、導波路上では温度分布が生じた一様な過熱ではなくなる。しかしながら、熱光学位相変調器は、そもそも、位相の変化を与えるだけなので、変調器全体でいかほどの光路長を変えられるかが問題であり、その間の温度分布は問題とならない。   As shown in FIG. 10, when the structure of this embodiment is arranged in multiples, the larger the number of trapezoids constituting the multiples, the smaller the circuit, which is desirable. The trapezoidal structure of the present embodiment is a structure in which the distance between the heater 107 through which heat flows and the substrate 101 changes depending on the waveguide direction, so that it is not a uniform overheating with a temperature distribution on the waveguide. . However, since the thermo-optic phase modulator originally only changes the phase, the problem is how much the optical path length can be changed in the entire modulator, and the temperature distribution during that time does not matter.

第1と第2の実施形態に示した構造で光スイッチを構成した場合、場合によっては回路が大きくなってしまうことが考えられる。図11の(A)、(B)はそれぞれ3dBカップラー301を2つ有し熱光学位相変調器を2つ備えた光スイッチの構造を示している。図11の(A)は第1の実施形態、または第2の実施形態の構造を用いた場合を示している。これでも十分回路として働き、低消費電力化が見込める。通常は、同図中に光スイッチのアーム間隔(図中矢印で示される距離)は、用いる導波路コア303の比屈折率差や導波路曲げ半径によって決められる。しかし、所望の消費電力を得るためにヒータ107と基板連結部113間の距離があまりにも長くなると、アーム間隔が、その距離で決定されてしまうようになり、回路全体が不適切に大きくなってしまうことも考える。特に、コア105の屈折率がクラッド103に比べて十分に大きい場合には、回路自身の大きさはかなり小さくすることが可能であるにもかかわらず、ヒータ107と基板連結部113間の必要距離のため、不適切に大きくしなければならないことになりかねない。   When an optical switch is configured with the structure shown in the first and second embodiments, the circuit may be increased in some cases. FIGS. 11A and 11B show the structure of an optical switch having two 3 dB couplers 301 and two thermo-optic phase modulators. FIG. 11A shows a case where the structure of the first embodiment or the second embodiment is used. Even this will work as a sufficient circuit and low power consumption can be expected. Usually, the arm interval (the distance indicated by the arrow in the figure) of the optical switch in the figure is determined by the relative refractive index difference of the waveguide core 303 to be used and the waveguide bending radius. However, if the distance between the heater 107 and the board connecting portion 113 is too long in order to obtain a desired power consumption, the arm interval is determined by the distance, and the entire circuit becomes inappropriately large. Think about it. In particular, when the refractive index of the core 105 is sufficiently larger than that of the clad 103, the required distance between the heater 107 and the substrate connecting portion 113, although the size of the circuit itself can be considerably reduced. Therefore, it may be necessary to increase the size inappropriately.

これに対し、図11の(B)に示すように、本実施形態の構造を利用した場合には、基板連結部113の面積を調整することで熱抵抗を調整できれば、ヒータ107と基板連結部113間の距離をさほど長くしなくとも、所望の熱抵抗を実現することが可能となる。その結果、回路全体を小さくすることが可能となる。   On the other hand, as shown in FIG. 11B, when the structure of this embodiment is used, if the thermal resistance can be adjusted by adjusting the area of the board connecting portion 113, the heater 107 and the board connecting portion. Even if the distance between 113 is not so long, a desired thermal resistance can be realized. As a result, the entire circuit can be reduced.

(他の実施の形態)
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
(Other embodiments)
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and the constituent members thereof are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, change in shape design, etc. are all included in the embodiments of the present invention.

上述したように、本発明は、基板上に堆積するクラッドの厚みもさほど厚くなく、高アスペクト比の加工を必要とせずに、所望の応答速度を実現できる低消費電力の熱光学位相変調器が実現できる。また、本発明によれば、小型で消費電力の小さな熱光学位相変調器を歩留まりよく作製することが可能となる。さらに、本発明によれば、歩留まりよく均一な消費電力の熱光学位相変調器を簡便に作製することが可能となる。したがって、本発明は、より実用的な低消費電力、大規模熱光学光スイッチ回路や、集積型熱光学可変光減衰器を作製するのに欠かせない極めて有用な技術である。 As described above, the present invention provides a low power consumption thermo-optic phase modulator that can realize a desired response speed without requiring a high aspect ratio processing without requiring a very thick clad deposited on a substrate. realizable. In addition, according to the present invention, it is possible to manufacture a small-sized thermo-optic phase modulator with low power consumption with high yield. Furthermore, according to the present invention, it is possible to easily produce a thermo-optic phase modulator with uniform yield and high power consumption. Therefore, the present invention is an extremely useful technique indispensable for manufacturing a more practical low power consumption, large-scale thermo-optic optical switch circuit, and integrated thermo-optic variable optical attenuator.

(A)は本発明の第1の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、(B)は(A)中の切断線A−A′に沿う断面図である。(A) is a bird's-eye view which shows the structure of the thermo-optic phase modulator which concerns on the 1st Embodiment of this invention, (B) is sectional drawing which follows the cutting line AA 'in (A). 本発明の第1の実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法を工程順に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the thermo-optic phase modulator which concerns on the 1st Embodiment of this invention in process order. 本発明の第1の実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法において、導波路コアに段差を生じない構造を示す図であり、(A)はSOI層の加工パターンを、(B)は最終工程後の形状を示す上面図である。In the manufacturing method of the thermo-optic phase modulator which concerns on the 1st Embodiment of this invention, it is a figure which shows the structure which does not produce a level | step difference in a waveguide core, (A) is a processing pattern of SOI layer, (B) is It is a top view which shows the shape after the last process. 図2で示すエッチングストッパー部の拡大図である。It is an enlarged view of the etching stopper part shown in FIG. (A)は従来からある熱光学位相変調器に係る熱光学位相変調器の温度分布の計算結果を規格化して示す特性図、(B)は本発明の第1の実施形態に係る熱光学位相変調器の温度分布の計算結果を規格化して示す特性図である。(A) is a characteristic diagram showing normalized calculation results of temperature distribution of a thermo-optic phase modulator according to a conventional thermo-optic phase modulator, and (B) is a thermo-optic phase according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a characteristic diagram showing normalized calculation results of the temperature distribution of the modulator. (A)は本発明の第2の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、(B)は(A)中の切断線A−A′に沿う断面図である。(A) is a bird's-eye view which shows the structure of the thermo-optic phase modulator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, (B) is sectional drawing which follows the cutting line AA 'in (A). 本発明の第2の実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法を工程順に示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the thermo-optic phase modulator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention in process order. 本発明の第2の実施形態に係る熱光学位相変調器の効果を説明する、クラッド厚み対消費電力(規格化)の関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram illustrating a relationship between cladding thickness and power consumption (standardization) for explaining the effect of the thermo-optic phase modulator according to the second embodiment of the present invention. (A)は本発明の第3の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、(B)はその上面図、(C)は(A)中の切断線A−A′に沿う断面図である。(A) is a bird's-eye view showing a configuration of a thermo-optic phase modulator according to a third embodiment of the present invention, (B) is a top view thereof, and (C) is a cutting line AA ′ in (A). FIG. 本発明の第3の実施形態に係る熱光学位相変調器において、図9の構造を多連に配置した構造を示す上面図である。FIG. 10 is a top view showing a structure in which the structure of FIG. 9 is arranged in multiples in a thermo-optic phase modulator according to a third embodiment of the present invention. 本発明の熱光学位相変調器を用いた熱光学スイッチの構成を示す上面図であり、(A)は第1,第2の実施形態に示す構造を用いた場合を示す図であり、(B)は第3の実施形態に示す構造を用いた場合を示す図である。It is a top view which shows the structure of the thermo-optic switch using the thermo-optic phase modulator of this invention, (A) is a figure which shows the case where the structure shown in 1st, 2nd embodiment is used, (B ) Is a diagram showing a case where the structure shown in the third embodiment is used. 従来からある熱光学位相変調器の構造を示す図であり、(A)は断熱溝を用いる例を示す図であり、(B)はクラッドと基板の間に隙間を設ける構造の例を示す図であり、(C)は(B)の構造においてクラッドの一部が狭くなって基板と連結されている構造例を示す図であり、(D)は基板Siの除去されていない部分とクラッドとが連結している例を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional thermo-optic phase modulator, (A) is a figure which shows the example which uses a heat insulation groove | channel, (B) is a figure which shows the example of a structure which provides a clearance gap between a clad and a board | substrate. (C) is a view showing an example of a structure in which a part of the cladding is narrowed and connected to the substrate in the structure of (B), and (D) is a portion where the substrate Si is not removed and the cladding. It is a figure which shows the example which is connected.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
103 クラッド層
105 コア
107 薄膜ヒータ
109 断熱溝
111 空間、隙間
113 基板連結部
115 断熱溝
201 BOX層
203 SOI層
205 後に基板連結部、エッチングストッパーとなる箇所
209 アンダークラッド
211 コア層
213 オーバークラッド
215 エッチングストッパー
301 3dBカップラー
401 基板
405 コア
407 薄膜ヒータ
409 断熱溝
411 空間
413 連結部
415 連結部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Substrate 103 Cladding layer 105 Core 107 Thin film heater 109 Heat insulation groove 111 Space, gap 113 Substrate connection part 115 Heat insulation groove 201 BOX layer 203 SOI layer 205 Substrate connection part, etching stopper 209 Under clad 211 Core layer 213 Over clad 215 Etching stopper 301 3 dB coupler 401 Substrate 405 Core 407 Thin film heater 409 Heat insulation groove 411 Space 413 Connection portion 415 Connection portion

Claims (11)

基板上に堆積されたクラッド層と、
前記クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、
前記コア上方の前記クラッド層上に形成された薄膜ヒータと、
前記薄膜ヒータの近傍の前記クラッド層に形成された第1の断熱溝と、
前記薄膜ヒータを挟んで前記第1の断熱溝がある側とは反対方向で前記薄膜ヒータから離れた前記クラッド層に形成された第2の断熱溝と、
前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記基板とを隔離する空間と、
前記第2の断熱溝に隣接して前記空間を終端し、前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層を連結する基板連結部と
を有することを特徴とする熱光学位相変調器。
A cladding layer deposited on a substrate;
A core formed in the cladding layer and having a higher refractive index than the cladding layer;
A thin film heater formed on the cladding layer above the core;
A first heat insulating groove formed in the cladding layer in the vicinity of the thin film heater;
A second heat insulating groove formed in the clad layer away from the thin film heater in a direction opposite to the side where the first heat insulating groove is located across the thin film heater;
A space that is sandwiched between the first heat insulation groove and the second heat insulation groove and that extends in the same direction as the substrate surface and that separates the substrate from the substrate;
Substrate connection for terminating the space adjacent to the second heat insulation groove and connecting the clad layer sandwiched between the first heat insulation groove and the second heat insulation groove and extending in the same direction as the substrate surface And a thermo-optic phase modulator.
前記基板連結部と前記薄膜ヒータ間の距離が、該薄膜ヒータと前記基板間の距離よりも長いことを特徴とする請求項1の熱光学位相変調器。   2. The thermo-optic phase modulator according to claim 1, wherein a distance between the substrate connecting portion and the thin film heater is longer than a distance between the thin film heater and the substrate. 前記基板連結部上部を含む、前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層の少なくとも一部の厚さが、前記コア周辺のクラッド層よりも薄くなっていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱光学位相変調器。   The thickness of at least a part of the cladding layer including the upper part of the substrate connecting part and extending in the same direction as the substrate surface sandwiched between the first heat insulating groove and the second heat insulating groove is around the core. 3. The thermo-optic phase modulator according to claim 1, wherein the thermo-optic phase modulator is thinner than the clad layer. 前記基板連結部側にある前記第2の断熱溝がコの字型、または逆コの字型となっていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の熱光学位相変調器。   The thermo-optic phase modulator according to any one of claims 1 to 3, wherein the second heat insulation groove on the substrate connecting portion side has a U-shape or an inverted U-shape. . 前記基板連結部の導波路と平行な方向の長さが、前記薄膜ヒータ近傍の前記クラッド層の導波路と平行な方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の熱光学位相変調器。   4. The length of the substrate connecting portion in the direction parallel to the waveguide is shorter than the length in the direction parallel to the waveguide of the clad layer near the thin film heater. 5. The thermo-optic phase modulator as described. 前記第1の断熱溝と前記第2の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層が、台形の形状を多段に連結した配置形状を有することを特徴とする請求項5に記載の熱光学位相変調器。   The clad layer sandwiched between the first heat insulation groove and the second heat insulation groove and extending in the same direction as the substrate surface has an arrangement shape in which trapezoidal shapes are connected in multiple stages. 5. The thermo-optic phase modulator according to 5. 前記基板がSOI層を有するSOI基板であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の熱光学位相変調器。   4. The thermo-optic phase modulator according to claim 1, wherein the substrate is an SOI substrate having an SOI layer. 基板上に堆積されたクラッド層と、該クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、該コア上方の前記クラッド層上に形成した薄膜ヒータと、前記薄膜ヒータの両側の前記クラッド層にそれぞれ形成した一対の断熱溝とを有する熱光学位相変調器の製造方法において、
後に基板連結部となる箇所の前記基板上のSOI層を除去する工程と、
前記SOI層の前記箇所を除去した基板上に、アンダークラッド、コア層を順次堆積し、該コア層からコアを加工し、該コアをオーバークラッドにて埋め込む工程と、
前記一対の断熱溝を形成する工程と、
前記断熱溝により露出した前記SOI層を選択的に除去することで、前記一対の断熱溝に挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記基板とを隔離する空間と、前記空間を終端して前記基板と前記クラッド層とを連結する前記基板連結部を同時に形成する工程と
を含むことを特徴とする熱光学位相変調器の製造方法。
A clad layer deposited on the substrate, a core formed in the clad layer and having a higher refractive index than the clad layer, a thin film heater formed on the clad layer above the core, and on both sides of the thin film heater In a method of manufacturing a thermo-optic phase modulator having a pair of heat insulating grooves formed in the cladding layer,
Removing the SOI layer on the substrate at a location to be a substrate connecting portion later;
On the substrate from which the portion of the SOI layer has been removed, an under clad and a core layer are sequentially deposited, a core is processed from the core layer, and the core is embedded with an over clad;
Forming the pair of heat insulating grooves;
By selectively removing the SOI layer exposed by the heat insulation groove, a space that is sandwiched between the pair of heat insulation grooves and extends in the same direction as the substrate surface is separated from the substrate, and the space And a step of simultaneously forming the substrate connecting portion for connecting the substrate and the clad layer by terminating the substrate.
前記基板連結部上部を含む前記基板面と同一方向に伸びるクラッド層の少なくとも一部を除去する工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の熱光学位相変調器の製造方法。   9. The method of manufacturing a thermo-optic phase modulator according to claim 8, further comprising a step of removing at least a part of a clad layer extending in the same direction as the substrate surface including the upper portion of the substrate connecting portion. 前記基板連結部となる箇所の前記基板上のSOI層を除去する工程は、同時に等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を形成することを特徴とする請求項8に記載の熱光学位相変調器の製造方法。   9. The thermo-optic according to claim 8, wherein the step of removing the SOI layer on the substrate at a position to be the substrate connecting portion forms a groove that serves as an etching stopper when performing isotropic etching at the same time. A method of manufacturing a phase modulator. 前記等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を、アンダークラッドを堆積する工程において同時にガラスで充填することを特徴とする請求項10に記載の熱光学位相変調器の製造方法。
11. The method of manufacturing a thermo-optic phase modulator according to claim 10, wherein a groove serving as an etching stopper when performing the isotropic etching is simultaneously filled with glass in a step of depositing an under clad.
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