JP2008165014A - 石英系光導波路及びその製造方法 - Google Patents

石英系光導波路及びその製造方法 Download PDF

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康太郎 田中
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Abstract

【課題】光出力制御を高速応答、かつ低消費電力で行うことができる石英系光導波路を提供する。
【解決手段】基板2上に、2本のアーム部3u、3dを有するマッハツェンダー型光干渉回路MZを形成した石英系光導波路1において、2本のアーム部3u,3dを有する共通導波路部7と、一方のアーム部3u上方に設けられる薄膜ヒータ5と、共通導波路部7を基板2から隔離して熱的に分離する隔離部8とを備えたものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、光通信分野で広く用いられる石英系光導波路及びその製造方法に係り、特に、導波路型可変光減衰器に関する。
一般に光通信分野において、様々な光導波路が用いられているが、特に光を減衰するための石英系光導波路として、導波路型可変光減衰器(導波路型光アテネータ)が用いられている。
光アテネータは、例えば、WDM(波長分割多重)フィルタによって波長ごとに分けられた信号を、それぞれ独立に強度調整するもので、熱光学効果型、機械型、磁気光学型などさまざまな方式がある。特に、熱光学効果型光アテネータは、可動部分がないため高い信頼性を期待できる。
一例として、図7および図8に一般的な導波路型可変光減衰器71を示す。図7および図8に示すように、導波路型可変光減衰器71は、入力側Y分岐導波路72aと、出力側Y分岐導波路72bと、それらを連結する2本のアーム導波路72u,72dとを用いて構成したマッハツェンダー型光干渉計(マッハツェンダー型光干渉回路)MZを備える。
マッハツェンダー型光干渉回路MZは、周囲よりも屈折率が高く設定されたコア72からなり、そのコア72の周囲を覆うクラッド73とで光導波路本体を構成する。さらに導波路型可変光減衰器71は、片側のアーム導波路72u上に位相シフタとなる薄膜ヒータ74と、その薄膜ヒータ74に給電するための電極75,75とが形成される。
導波路型可変光減衰器71では、薄膜ヒータ74に電流を流すことで片側のアーム導波路72uを加熱し、アーム導波路72uの屈折率を変化させる。これにより、両アーム導波路72u,72d間に光路長差がつき、出力側Y分岐導波路72bにおいて光干渉により光出力の減衰を得ている。
このような導波路型可変光減衰器では、所望の光減衰量を得るために光導波路の設計段階において、マッハツェンダー型光干渉回路の両アーム導波路の光路長差が目的の値になるように設計している。
また、従来の石英系光導波路としては、アーム光導波路を熱的に分離する構成を有する石英系光導波路として、2本のアーム光導波路両側の一部に溝を形成し、一方のアーム光導波路上の溝が形成されている側と、他方のアーム光導波路上の溝が形成されていない側とに、薄膜ヒータが設けられているものがある(特許文献3参照)。
石英基板上にアーム光導波路を形成し、シリコン基板上に他の導波路を形成することで、アーム光導波路を断熱させるものもある(特許文献4参照)。
特開2000−206476号公報 特開2000−56278号公報 特開2001−222034号公報 特開平9−211240号公報
従来の導波路型可変光減衰器71のような薄膜ヒータ74を利用する熱光学式位相シフタの場合、薄膜ヒータ74に電流を流すことで薄膜ヒータ74が発熱し、それによりアーム導波路72uを加熱する構造であるので、薄膜ヒータ74への給電から光減衰するまでの一定の時間(数十msec程度)を要する。
しかしながら、導波路型可変光減衰器を光通信用デバイスとして使用する場合、応答速度は5msec以下のような高速応答が要求される。また、ヒータ加熱に必要な電力の低減(100mW以下程度)も要求される。
一方、マッハツェンダー型光干渉回路を利用した高速光出力変調器では非線形光学結晶を用いたものなどがあるが、DCドリフトの制御、使用温度制御、挿入損失が高いなどの面で問題があり、実用的に使用可能ではない。
また、特許文献1の石英系光導波路のように、マッハツェンダー型光干渉回路を構成するアーム導波路の一方を熱的に分離することによって高効率化を図った例がある。しかしこの例では、消費電力に対して低減効果が見られるが、応答速度が遅くなるため、実用的でない。
特許文献2では、特許文献1の構成に加え、2本のアーム導波路同士を熱的に分離することによって高効率化を図っているが、同様の問題がある。
そこで、本発明の目的は、光出力制御を高速応答、かつ低消費電力で行うことができる石英系光導波路及びその製造方法を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、基板上に、2本のアーム部を有するマッハツェンダー型光干渉回路を形成した石英系光導波路において、上記2本のアーム部を有する共通導波路部と、一方のアーム部上方に設けられる薄膜ヒータと、上記共通導波路部を上記基板から隔離して熱的に分離する隔離部とを備えた石英系光導波路である。
請求項2の発明は、上記隔離部は、上記共通導波路部の両側にそれぞれ設けられる2つの垂直溝と、これら垂直溝同士を連結し、上記共通導波路部の下部を横断するように設けられる平行溝とからなる請求項1記載の石英系光導波路である。
請求項3の発明は、基板上に、2本のアーム部を有するマッハツェンダー型光干渉回路を形成した石英系光導波路の製造方法において、
上記基板上に、上記2本のアーム部を有する共通導波路部を上記基板から隔離して熱的に分離する隔離部を形成するためのダミー層を形成し、
そのダミー層上に上記マッハツェンダー型光干渉回路を形成し、
そのマッハツェンダー型光干渉回路を覆うように上記隔離部を形成するためのメタル層を形成し、
そのメタル層をマスクにしてドライエッチングした後、上記ダミー層の全部をウェットエッチングして上記共通導波路部と上記隔離部を同時に形成する
ことを特徴とする石英系光導波路の製造方法である。
本発明によれば、光出力制御を高速応答、かつ低消費電力で行うことができる。
まず、本発明者が本発明を完成するに至った背景を説明する。
石英系光導波路の一例として、マッハツェンダー型光干渉回路を用いた熱光学効果型光アテネータの場合、応答速度は電圧を印加したときの両アーム導波路の温度差で決定される。
応答速度を速くするためには薄膜ヒータを用いて加熱する片側のアーム導波路の温度が、反対側のアーム導波路の温度に対して早く上昇するようにすればよい。このような導波路型可変光減衰器の熱応答を、図6に示すような熱的等価回路60を用いて説明する。
マッハツェンダー型光干渉回路のアーム導波路の温度差は、等価回路60において電位差V12と置き換えることができる。薄膜ヒータは電力に応じて特定の熱量を片側のアーム導波路(図6では上側)に供給するため、特定熱量を電流Iとした電流源61と置き換えることができる。つまり、導波路型可変光減衰器の消費電力は等価回路60における電流Iに比例する。
片側のアーム導波路は、薄膜ヒータからの熱量を自身の熱容量分だけ吸収し、吸収されない熱量を反対側のアーム導波路(図6では下側)を含む周辺領域に熱伝導率に応じて放出する。ここで、片側のアーム導波路から反対側のアーム導波路の体積が有する熱容量を静電容量Cのコンデンサ62と置き換え、片側のアーム導波路に吸収されない熱量が、コアを含む周辺領域に放出する際の熱伝導率に応じた熱抵抗を抵抗値Rの抵抗63と置き換えることができる。
導波路型可変光減衰器の応答速度については、光の減衰出力が片側のアーム導波路と反対側のアーム導波路の温度差によって決まることから、前記の等価回路60において、反対側のアーム導波路を電位0としたときの片側のアーム導波路の電位V12の過渡応答特性によって置き換えることができる。
過渡応答の理論より、V12の応答を求めると次の式で表される
V12(t)=IR(1−exp(−t/τ)) (1)
ただし、τ=RC
ここでτは時定数であり、V12が最終値の63.2%の値になるまでの時間に等しい。つまり、τは光可変減衰器の応答速度として仮定できる。
また、十分時間が経過した後のV12は式(1)のt=∞で得られ、V12=IRである。ここで、Iは光可変減衰器の薄膜ヒータが消費する電力に比例するため、光可変減衰器の消費電力として仮定できる。
得られた応答速度τと消費電力I=V12/Rの式より、Rを消去すると次の式が得られる。
τI=V12・C (2)
ここでV12は所望の位相差を得るための温度差なので、欲する位相差条件において一定である。これより、光可変減衰器の応答速度と消費電力は反比例の関係にあり、応答速度と消費電力の積は熱容量の大きさに相当する。
つまり、マッハツェンダー型光干渉回路を用いた導波路型可変光減衰器において、低消費電力および高速応答を実現するには、光可変減衰器自体の熱容量を低減する必要がある。
前記した特許文献1,2では、両側のコア部分を熱的に遮断する、つまりRを大きくとることで、消費電力Iを低減した例であるが、Rが大きくなったために、応答速度τが大きくなってしまい、薄膜ヒータが加熱してから光減衰するまでの応答時間が長くなってしまう。
そこで、本発明者は以上の点を考慮しながら鋭意研究した結果、本発明を完成するに至った。
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
図1は、本発明の好適な実施形態を示す石英系光導波路の横断面図(図2の1A−1A線断面図)、図2はその平面図、図3はその主要部の斜視図である。
図1〜図3に示すように、本実施形態に係る石英系光導波路(石英系導波路素子)1は、入力光の強度を調整して入力光よりも減衰した出力光を出力する導波路型可変光減衰器として使用される。この石英系光導波路1は、石英基板2上に導波路本体1bを形成し、その導波路本体1bにマッハツェンダー型光干渉回路MZを形成して主に構成される。
マッハツェンダー型光干渉回路MZは、入力側Y分岐導波路(Y分波部)3aと、出力側Y分岐導波路(Y合波部)3bと、これらをそれぞれ連結する光路長付与部となる2本のアーム導波路(アーム部)3u,3dと、入力側Y分岐導波路3aに接続される入力導波路(入力部)3iと、出力側Y分岐導波路3bに接続される出力導波路(出力部)3oとからなる1段の対称マッハツェンダー型光干渉回路である。
マッハツェンダー型光干渉回路MZは、周囲よりも屈折率が高く設定されたコア3である。コア3と、コア3の周囲を覆うクラッド4とで光導波路本体1bを構成する。コア3は、石英系の材料、例えば、TiあるいはGeが添加されたSiO2 からなる。クラッド4は、石英系の材料、例えば、純粋SiO2 あるいはB及びPが添加されたSiO2 からなる。
さらに石英系光導波路1には、片側のアーム導波路3uの上部となる導波路表面に、位相シフタとなる発熱体としての薄膜ヒータ5と、その薄膜ヒータ5の両端に、接続される薄膜ヒータ5に給電するための電極6,6とがそれぞれ形成される。
薄膜ヒータ5としては、Al、Cu、Ta、Au、W、Ti、Cr、Niなどの金属からなる抵抗薄膜を用いる。特に、石英との線膨張係数差が比較的小さい窒化アルミニウムを材料としているとよい。各電極6は、薄膜ヒータ5に給電しやすくし、かつ抵抗を小さくするため、ヒータ側よりも給電側の幅が太くなるように形成するとよい。各電極6には、Cu、Ag、Au、Alなどの金属膜を用いる。薄膜ヒータ5や各電極6は、スパッタ法や蒸着法により形成する。
さて、石英系光導波路1は、導波路本体1bの中央部に設けられて2本のアーム導波路3u,3dがクラッド4と共に内部に一体形成された共通導波路部7と、その共通導波路部7を石英基板2から上方に隔離して熱的に分離する隔離部(空隙部)8とを備える。
より詳細には、共通導波路部7は、その両側方向に位置するクラッド(図1中の点線より上側の部分)4からも、それぞれ側方に隔離されて熱的に分離される。つまり、共通導波路部7は、クラッド4中でブリッジ構造となっている。
隔離部8は、共通導波路部7の両側にその高さ(厚さ)方向に沿ってそれぞれ設けられる2つの垂直溝(垂直断熱溝)8v,8vと、これら垂直溝8v,8v同士を連結し、共通導波路部7の下部を(図1では左右方向)に横断するように設けられる平行溝(平行断熱溝)8hとからなる。すなわち、隔離部8は、垂直溝8v,8vと平行溝8hとで、横断面が上方開口した略コ字状に形成される。
各垂直部8vと平行溝8hの長さ(図1では紙面に垂直方向)は、薄膜ヒータ5の長さよりも長くし、かつ2本のアーム導波路3u,3dの長さよりも短く形成するとよい。これは、薄膜ヒータ5からの熱をアーム導波路3uに確実に伝えつつ、最小限のサイズで隔離部8を形成するためである。さらに、各垂直部8vと平行溝8hの機械的強度を十分に保つためでもある。各垂直部8vと平行溝8hの長さが2本のアーム導波路3u,3dの長さ以上になると、機械的強度が不十分になる。
隔離部8の各垂直部8vの幅、平行溝8hの高さは、コア3やクラッド4の材質、アーム導波路3u,3dの間隔、クラッド4表面からアーム導波路3u,3dまでの距離、薄膜ヒータ5の定格や材料などによって決定する。
次に、石英系導波路1の製造方法を図4および図5を用いて説明する。
まず、図4(a)に示す石英基板2上に、スパッタ法を用いて、上述した共通導波路部7を石英基板2から隔離して熱的に分離する隔離部8を形成するためのダミー膜(ダミー層、あるいは犠牲層)41を図4(b)のように成膜する。ダミー膜41としては、石英基板2と相性がよく、作製や除去が簡単なアモルファスSi(a−Si)薄膜を用いるとよい。ダミー膜41の厚さは数μmにするとよい。図4(c)のように、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、ダミー膜41からダミーパターン41pを形成する。
図4(d)のように、CVD法を用いて、石英基板2とダミーパターン41pを覆うように、導波路のアンダークラッド部分となるSiO2 膜42を成膜する。SiO2 膜42の厚さは20μmにした。このとき、ダミーパターン41pの形状に応じてSiO2 膜42表面に凹凸が発生したので、CMP(化学的機械的研磨)などの平坦化処理技術を用いて膜表面の平坦化を行った。
図4(e)のように、SiO2 膜42上に、CVD法を用いて、導波路のコア部分となるコアガラス膜43を成膜する。コアガラス膜43としては、GeO2 、TiO3 などの添加剤を用いて屈折率をSiO2 膜42よりも高くなるように調整したSiO2 膜を用いた。コアガラス膜43の厚さは6μmにした。
図4(f)のように、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、コアガラス膜43から光回路パターン43pを形成することで、ダミーパターン41pの上方となるSiO2 膜42上に上述したマッハツェンダー型光干渉回路MZを形成する。
図4(g)のように、CVD法を用いて、SiO2 膜42と光回路パターン43pを覆うように、導波路のオーバークラッド部分となるSiO2 膜44を成膜する。SiO2 膜44の厚さは20μmにした。
続いて図5(a)のように、スパッタ法を用いて、上述した薄膜ヒータ5となるヒータ薄膜51を成膜する。このとき、薄膜ヒータ5の抵抗値が所望の抵抗値となるように、ヒータ薄膜51から得られる所望の薄膜ヒータパターンの幅に合わせて、ヒータ薄膜51の厚さを0.1〜1μmの範囲で調整した。
図5(b)のように、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、ヒータ薄膜51から薄膜ヒータパターン51pを形成して上述した薄膜ヒータ5とする。その後、フォトリソグラフィーと蒸着法を用いたリフトオフ法を用いて、薄膜ヒータ5に給電するための電極膜を形成し、電極膜のパターニングを行って電極パターン52pを形成して上述した電極6とする。
図5(c)のように、スパッタ法を用いて、マッハツェンダー型光干渉回路MZの上部となるSiO2 膜44、薄膜ヒータパターン51p、電極パターン52pを覆うように、上述した隔離部8を形成するためのメタル膜(メタル層)53を成膜する。メタル膜53としては、WSi膜を用いるとよい。メタル膜53の厚さは2μmにした。図5(d)のように、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、メタル膜53からメタルパターン53pを形成する。
図5(e)のように、メタルパターン53pをマスクにし、ドライエッチングとして反応性イオンエッチングを用いて、SiO2 膜44表面から石英基板2表面まで溝加工し、SiO2 膜44とSiO2 膜42に隔離部8を構成する垂直溝8v,8vを形成する。
最後に図5(f)のように、反応性イオンエッチングを用いて、SiO2 膜44からメタルパターン53pを剥離し、Siのウェットエッチング液であるTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)を用いて、ダミーパターン41pの全部を除去して平行溝8hを形成することで、共通導波路部7と隔離部8を同時に形成する。
本実施形態の作用を説明する。
石英系光導波路1では、入力光は入力側Y分岐導波路3aで分岐され、アーム導波路3u,3dを通過した後、出力側Y分岐導波路3bで再び結合する。薄膜ヒータ5がOFFの場合、出力側Y分岐導波路3bで結合(合波)する光に位相差がないため、光の出力は2ヶ所のY分岐部20a,20bの放射損失、及びY分岐部20aからY分岐部20bまでの伝搬損失のみとなり、数/10dB程度の小さな損失を受けるだけである。
また、石英系光導波路1では、薄膜ヒータ5がONの場合、アーム導波路3uが加熱され、薄膜ヒータ5の印加電圧(あるいは通電量)に応じ、加熱されたアーム導波路3uの屈折率が熱光学効果によって変化する。
すなわち、アーム導波路3u周囲のクラッド4とアーム導波路3uが熱的平衡状態になると、アーム導波路3u,3d間に温度差が発生し、その温度差に応じてアーム導波路3u,3d間に光路長差が発生する。
アーム導波路3uを通過し、出力側Y分岐導波路3bに入射する光は、加熱されないアーム導波路3dを通過する光に対して位相ずれを生じて奇モードに近づき、出力側Y分岐導波路3bで放射され、アーム導波路3dを通過し、出力側Y分岐導波路3bに入射する光と干渉する。つまり、薄膜ヒータ5の加熱温度の調整により、出力光の強度を入力光の強度よりも減衰させて調整できる。
このとき、石英系光導波路1は、共通導波路部7が隔離部8の平行溝8hによって石英基板2から隔離されて熱的に分離しているので、薄膜ヒータ5で発生した熱は、ほとんどアーム導波路3uに達し、石英基板2に放散されることはなく、アーム導波路3uのみを効率的に温める。
このように、石英系光導波路1は、共通導波路部7によって2本のアーム導波路3u,3dを2本セットにし、隔離部8によって共通導波路部7を石英基板2から隔離して熱的に切り離している。
このため、石英系光導波路1は、薄膜ヒータ5から発生した熱が、石英基板2に放散されずにアーム導波路3uのみを効率的に温めるのに加え、共通導波路部7の熱容量が小さくなり、薄膜ヒータ5の駆動時からアーム導波路3u周囲のクラッド4とアーム導波路3uが熱的平衡状態に達するまでの時間が短い。
しかも、石英系光導波路1では、簡単な構成である隔離部8の垂直溝8v,8vや平行溝8hによって、過剰な熱を放熱できるため、アーム導波路3dが加熱されることはない。
つまり、石英系光導波路1は、両方のアーム導波路3u,3d、薄膜ヒータ5を、石英基板2から一括して熱的に分離することによって、アーム導波路3uとアーム導波路3d間の熱的特性がリニア、あるいは追従する関係になる。
これにより、石英系光導波路1は、薄膜ヒータ5からの熱が石英基板2側に無駄に放散することがなく、2本のアーム導波路3u,3d間に温度差を効率的に生じさせることができ、極めて効率的に動作する。
したがって、石英系光導波路1によれば、共通導波路部7と隔離部8とからなる断熱構造を有するため、光出力制御を高速応答、かつ低消費電力で行うことができる。
また、本実施形態に係る製造方法によれば、予め石英基板2上に、隔離部8を形成するためのダミー膜41を形成しておき、最後にダミー膜41の全部をウェットエッチングすることで、共通導波路部7と隔離部8とを同時に形成できる。このため、石英系光導波路1、特に隔離部8の平行溝8hを簡単に製造できる。
ここで、石英系光導波路1と従来の石英系光導波路を比較した。
上述した石英系光導波路1において、アーム導波路3u,3dは両者の中心距離を70μm、マッハツェンダー型光干渉回路MZをクラッド4の表面から20μm下に形成し、そのさらに20μm下に隔離部8の平行溝8hを形成し、隔離部8の垂直溝8v,8vの幅、平行溝8hの高さを2μmとした。
従来の石英系光導波路は、共通導波路部7、隔離部8を形成しない以外は、石英系導波路1と同じ寸法とした。
上記の構造の石英系光導波路1は、応答速度が3msec、消費電力が100mWであった。これに対し、従来の石英系光導波路は、応答速度が30msec、消費電力が150mWであった。
これにより、石英系光導波路1は、共通導波路部7と隔離部8とからなる断熱構造を有することで、簡単な構成にもかかわらず、従来の石英系光導波路に比べ、応答速度が10倍も速くなり、消費電力が約67%に低減したことがわかる。
上記実施形態では、石英基板2上に、対称マッハツェンダ回路を1段形成してマッハツェンダー型光干渉回路とした例で説明したが、石英基板2上に、対称マッハツェンダ回路MZを2段、3段と複数段直列あるいは並列に形成し、多段のマッハツェンダー型光干渉回路としてもよい。
本発明の好適な実施形態を示す石英系光導波路の横断面図(図2の1A−1A線断面図)である。 図1に示した石英系光導波路の平面図である。 図1に示した石英系光導波路の主要部の斜視図である。 図4(a)〜図4(g)は、図1に示した石英系光導波路の製造工程を説明する横断面図である。 図5(a)〜図5(f)は、図1に示した石英系光導波路の製造工程を説明する横断面図である。 石英系光導波路の一例として、導波路型可変光減衰器の熱的等価回路を示す図である。 従来の石英系光導波路の平面図である。 図7の8A−8A線断面図である。
符号の説明
1 石英系光導波路
2 石英基板
3u,3d アーム導波路(アーム部)
5 薄膜ヒータ
7 共通導波路部
8 隔離部

Claims (3)

  1. 基板上に、2本のアーム部を有するマッハツェンダー型光干渉回路を形成した石英系光導波路において、上記2本のアーム部を有する共通導波路部と、一方のアーム部上方に設けられる薄膜ヒータと、上記共通導波路部を上記基板から隔離して熱的に分離する隔離部とを備えたことを特徴とする石英系光導波路。
  2. 上記隔離部は、上記共通導波路部の両側にそれぞれ設けられる2つの垂直溝と、これら垂直溝同士を連結し、上記共通導波路部の下部を横断するように設けられる平行溝とからなる請求項1記載の石英系光導波路。
  3. 基板上に、2本のアーム部を有するマッハツェンダー型光干渉回路を形成した石英系光導波路の製造方法において、
    上記基板上に、上記2本のアーム部を有する共通導波路部を上記基板から隔離して熱的に分離する隔離部を形成するためのダミー層を形成し、
    そのダミー層上に上記マッハツェンダー型光干渉回路を形成し、
    そのマッハツェンダー型光干渉回路を覆うように上記隔離部を形成するためのメタル層を形成し、
    そのメタル層をマスクにしてドライエッチングした後、上記ダミー層の全部をウェットエッチングして上記共通導波路部と上記隔離部を同時に形成する
    ことを特徴とする石英系光導波路の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014182185A (ja) * 2013-03-18 2014-09-29 Fujitsu Ltd 光スイッチ及びその製造方法
JP2014192384A (ja) * 2013-03-27 2014-10-06 Murata Mfg Co Ltd 樹脂多層基板および樹脂多層基板の製造方法

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