JP2009204730A

JP2009204730A - 熱光学位相シフタ

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Publication number: JP2009204730A
Application number: JP2008044840A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Nishi; 英隆西; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤; Seiichi Itabashi; 聖一板橋; Koji Yamada; 浩治山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP4934614B2

Abstract

【課題】製造が容易で安定性を備えた状態で、より低い消費電力とされた熱光学位相シフタを提供する。
【解決手段】単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された単結晶シリコンの細線（シリコン細線）から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱による温度変化によってコアの屈折率を制御し、導波する光の位相を変化させる熱光学位相シフタに関するものである。

光通信分野においては、通信容量の増大に対応するため、多チャンネル化が提案されており、この中でも、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式が有望視されている。また、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御や、スイッチングを行うなどのチャンネル毎の機能的な制御を、光電変換せずに実現するために、チャンネル数に応じた数の光素子が必要とされている。このため、近年、光スイッチなどに適用が可能であり、高密度集積が可能な小型光回路部品の必要性が高まっている。

小型光回路部品の１つとして、シリカ系材料による平面光波回路（ＰＬＣ：Planer Light-wave Circuit）型デバイスがある。ＰＬＣ型デバイスは、作製プロセスに半導体集積回路の作製技術を利用できることから、作製が容易であり、高機能化および大規模化にも有利であるという特徴を持つ。さらに、ＰＬＣ型デバイスに熱光学位相シフタを加えることで、光スイッチ、光可変減衰器などの機能を容易に発現させることができ、近年では、光通信デバイスに広く用いられている。

ここで、シリカ系ＰＬＣによる光スイッチの例について説明する。これは、シリカ系材料のコアとクラッドとからなる光導波路を用い、１本の光導波路を入力端において２本に分岐し、少なくともこれらの一方を熱光学位相シフタの機能を備えた光導波路とし、このようにして２本に分岐した光導波路を、出力端において再結合させるようにしている。ここで用いている熱光学位相シフタは、例えば、光導波路とこの上に配置されたヒータとによって構成され、ヒータによる温度変化によってコアの屈折率を制御し、導波する光の位相を変化させる。

ヒータを動作させ、２本に分岐された光導波路の一方に導波する光の位相を、他方の光導波路に対して半波長分シフトさせることで、出力端で合波される光出力をゼロとすることができる。また、ヒータによる温度変化によってコアの屈折率を制御することで、分岐した２本の光導波路の位相が一致するように調整すれば、入力された光をこのまま出力させることができる。これらのことにより、出力端から出力される光のオン・オフ制御を可能とする光スイッチが実現できる。この光スイッチは、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）型光スイッチと呼ばれている。

図１２は、上述したように光スイッチに用いられる熱光学位相シフタの構成を示す断面図である。例えば、シリコンからなる基板１２０１の上に、シリカ系の材料からなるコア１２０３およびシリカ系の材料からなる下部クラッド１２０２，上部クラッド１２０４よりなる光導波路が形成され、コア１２０３上部の上部クラッド１２０４上に薄膜ヒータ１２０５を備えている。図１は、光導波路の導波方向に垂直な断面を示している。一般的には、コア１２０３の断面が、４μｍ×４μｍの正方形とされ、下部クラッド層１２０２および上部クラッド層１２０３は合わせて膜厚６０μｍ程度とされ、これらの比屈折率差が１．５％程度とされている。また、薄膜ヒータ１２０５は、例えばクロム（Ｃｒ）から構成されたものである。このように構成された光スイッチの応答速度は、数ｍｓである。

光情報通信網が普及する中で、上述したような熱光学位相シフタを用いたシリカ系ＰＬＣ光スイッチモジュールが製品化されている。この光スイッチモジュールに対する低コスト化、大規模化の要求が高まっているが、上述したような熱光学位相シフタを用いたシリカ系ＰＬＣ光スイッチモジュールでは、ヒータでの発熱が大きいため、モジュールの大規模化が、冷却が可能な規模に限定されてしまう。このため、上述したシリカ系ＰＬＣ光スイッチでは、熱光学位相シフタの低消費電力化が求められている。

熱光学位相シフタの低消費電力化の方法として、熱光学位相シフタの周囲に断熱溝を形成することで、加熱が必要な体積を低減すると同時に、ヒータで発生した熱を外部に流出させずに導波路内に閉じ込められるようにし、熱効率を高める方法が提案されている。例えば、基板に平行な方向への熱の拡散を低減するために、光導波路の両側部に断熱溝を形成し、さらに、光導波路の下部（基板側）のクラッド層を厚くすることで、消費電力の低減を図るようにしている技術がある（非特許文献１参照）。この場合、消費電力は４５ｍＷである。

さらに消費電力を低減するために、導波路の両側部に形成する断熱溝に加え、導波路直下において、導波路と基板の間に断熱隙を形成する構造が提案されている（非特許文献２参照）。この技術では、まず、フォトリソグラフィー技術で断熱溝の形成領域が開口するマスクパターンを形成し、これをマスクとした選択的なドライエッチングにより、導波路の両側部を、導波路を支持するシリコン支持基板側から７μｍ程度の厚さの下部クラッドを残す深さまで掘る。これにより、断熱溝が形成された状態となり、加熱する体積を低減したことになる。

次に、断熱溝の底面に、上述同様のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、所定の間隔で周期的に配置された複数の孔部を形成する。次いで、今度は、ウエットエッチング方法により、２つの断熱溝の各々に形成した上記孔部をつなげるように、コアの下の領域のシリコン支持基板を除去し、導波路下に空間（断熱隙）が形成された状態とする。このように空間を形成することで、シリコン支持基板への熱の流出を抑制している。このように、この技術では、断熱溝により加熱する体積を低減し、加えて導波路下に空間を形成して熱の流出を抑制することで、単体スイッチで１５ｍＷの低電力動作を実現している。

特開２００４−１３３４４６号公報 S.Sohma, et al., "Low switching power silica-based super high delta thermo-optic switch with heat insulating grooves", Electronics Letters, Vol.32, No.3, pp.127-28,2002. Y. Hashizume, et al., "Silica PLC-VOA using suspended narrow ride structures and its application to V-AWG", Optical Society of America, OWO4, 2007.

しかしながら、上述した熱光学位相シフタでは、複雑な構造の断熱溝を形成する必要があり、作製プロセスが多く複雑となり、生産性が悪いという問題がある。また、複雑な構造の断熱溝を形成するために、製造上のバラツキなどを原因とし、実用的なデバイスとして安定性が低いという問題もある。加えて、断熱の構造によっては、低消費電力化が得られるものの、応答速度が低下するなどの問題が発生する。

一方、製造の容易さや安定性などが実用的な構造では、ヒータや断熱溝をコアにあまり近づけることができず、低消費電力化に限界がある。例えば、実用的な範囲では、３０ｍＷ程度となる。

以上に説明したように、現状では、製造が容易で安定性を備えた状態で、より低い消費電力とされた熱光学位相シフタを実現することが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、製造が容易で安定性を備えた状態で、より低い消費電力とされた熱光学位相シフタを提供することにある。

本発明に係る熱光学位相シフタは、支持基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンから構成されたコアと、下部クラッド層およびコアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、コアの上部にあたる上部クラッド層の上の一部領域に配置されてコアの所定領域を加熱するためのヒータ層とを少なくとも備えるものである。

上記熱光学位相シフタにおいて、コアより構成された所定領域における光導波路の両脇に形成された２つの溝部を備え、２つの溝の間の光導波路の幅は、高々２０μｍとされている。また、溝部は、支持基板の表面が露出する深さに形成されている。

上記熱光学位相シフタにおいて、ヒータ層が形成されている領域に対応する支持基板に形成された開口部を備え、この開口部の底部における支持基板の残厚が１μｍ以下とされている。また、開口部の底部に形成され、下部クラッド層を構成する材料より高い熱伝導率を備えた材料より構成された蓄熱伝導層を備える。

また、上記熱光学位相シフタにおいて、上部クラッド層の上にヒータ層を覆うように形成された被覆層を備えるようにしてもよい。被覆層は、上部クラッド層と同一の材料から構成されたものであればよい。

以上説明したように、本発明では、コアの上部にあたる上部クラッド層の上の一部領域に配置されてコアの所定領域を加熱するためのヒータ層を備え、また、例えば、ヒータ層に加え、光導波路の両脇に形成された２つの溝部を備え、また、支持基板に形成された開口部を備え、開口部の底部に蓄熱伝導層を備え、また、ヒータ層を覆う被覆層を備えるようにした。この結果、本発明によれば、製造が容易で安定性を備えた状態で、熱光学位相シフタ。の消費電力を抑制できるようになると言う優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
始めに、本実施の形態１における熱光学位相シフタについて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された単結晶シリコンの細線（シリコン細線）から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備えるものである。

コア１０３は、断面の形状が幅０．４μｍ，高さ（厚さ）０．２μｍ程度に形成されている。また、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０４は、膜厚３μｍ程度に形成されている。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで、下部クラッド層１０２およびコア１０３が形成可能である。ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜を下部クラッド層１０２として用い、埋め込み酸化膜の上のＳＯＩ層を公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、コア１０３が形成可能である。また、公知のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりシリコン酸化物を堆積することで、上部クラッド層１０４が形成可能である。

また、ヒータ層１０５は、コア１０３の所定領域（位相シフタ領域）を加熱するためのものであり、例えば、クロムもしくは金−パラジウム合金などの金属膜であり、幅５μｍ，膜厚０．１５μｍ程度に形成されていればよい。また、導波路の導波方向に５００μｍ程度の長さに形成されている。例えば、スパッタリングなどのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法により上記材料の金属膜を形成し、これを公知のミリングやエッチングなどにより加工することで、ヒータ層１０５が形成可能である。ヒータ層１０５は、これに電源などを接続するための配線部の抵抗より高い抵抗となるように、材料，幅，厚さ，およびヒータ長（導波路方向）などを、適宜設定して形成すればよい。

次に、上述した本実施の形態１における熱光学位相シフタの適用例としてのＭＺＩ型光スイッチの構成例を、図２の平面図を用いて説明する。このＭＺＩ型光スイッチは、２つの光導波路によりマッハツェンダー型干渉計を構成しており、まず、一方の光導波路の入力ポートとなる入力側導波路２０１と、これに対となる他方の入力側導波路２１１と、入力側導波路２０１および入力側導波路２１１を結合する３ｄＢ方向性結合器２０２とを備える。また、３ｄＢ方向性結合器２０２より分岐する一方の中間導波路２０３および他方の中間導波路２１３と、中間導波路２０３および中間導波路２１３を結合する３ｄＢ方向性結合器２０４を備える。また、３ｄＢ方向性結合器２０４より分岐する一方の出力側導波路２０５および他方の出力側導波路２１５を備える。なお、３ｄＢ方向性結合器の代わりに、多モード干渉分岐手段を用いるようにしてもよい。

これらの構成の中で、中間導波路２１３に、上述した本実施の形態１における熱光学位相シフタ１００が設けられている。ここで、中間導波路２０３と中間導波路２１３との間隔は、例えば、１３０μｍ程度である。また、中間導波路２１３において、導波方向に長さ５００μｍに渡ってヒータ層１０５が形成されて位相シフタ領域が構成されている。中間導波路２１３を構成しているコア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４（図２には示さず）の上にヒータ層１０５が配置され、ヒータ層１０５に所定の配線を介して電源が接続され、中間導波路２１３におけるコア１０３を加熱可能としている。

ここで、図１は、図２におけるＡＡ’線の断面を示している。なお、入力側導波路２０１，入力側導波路２１１，中間導波路２０３，出力側導波路２０５，および出力側導波路２１５においても、下部クラッド層１０２と、この上に形成されたコア１０３と、これらの上に形成された上部クラッド層１０４とから構成されている。

上述した本実施の形態１の熱光学位相シフタによれば、熱光学係数が２ｅ−４程度の単結晶シリコンからコアが構成されているようにしたので、熱光学係数が１ｅ−５のシリカ系材料のコアに比較して１桁大きい。このため、本実施の形態１によれば、位相シフトに必要な屈折率変化Δｎを、シリカ系のコアを用いた場合に比較して小さい温度上昇で得られるようになり、位相シフトに必要なヒータの消費電力を低減させることができる。例えば、上述した実施の形態１における熱光学位相シフタによれば、３０ｍＷの低い消費電力で動作した。

また、本実施の形態１によれば、シリコン細線からなるコア１０３を用いた光導波路は、コアとクラッドとの比屈折率差を４０％程度にまで大きくすることができるため、シリカ系のコアに比較してより高い光閉じ込め効果が得られる。このため、コア１０３の断面寸法をサブミクロンオーダにすることが可能となり、コアからの光も漏れも少ない（モードフィールド径が小さい）。この結果、クラッドの厚さを薄くするなど導波路の断面積を小さくすることが可能であり、ヒータ層１０５からのコア１０３に対する熱伝導がより早くなり、スイッチ応答速度をより高速にすることができる。例えば、上述した本実施の形態１によれば、スイッチ応答速度が１００μ秒であり、シリカ系のコアを用いたＰＬＣ型光スイッチに比較して１桁以上高速で動作する。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３および図４を用いて説明する。図３は、本実施の形態２における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１の熱光学位相シフタと同様である。

本実施の形態２における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、コア１０３による光導波路の両脇に、断熱溝３０１を備えるようようにしたものである。断熱溝３０１は、ヒータ層１０５が形成されている領域（位相シフタ領域）に配置されいればよい。断熱溝３０１は、例えば、上部クラッド層１０４を形成した後に、公知のフォトリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用い、公知のエッチング技術により所定の深さまで、上部クラッド層１０４や下部クラッド層１０２を選択的に除去することで形成可能である。断熱溝３０１は、上部クラッド層１０４の途中の深さまで形成してもよく、上部クラッド層１０４の膜厚に等しい深さまで形成してもよく、また、支持基板１０１の表面が露出するまでの深さに形成してもよい。

次に、２つの溝の間隔であるクラッド幅ｗ（光導波路の幅）と熱光学位相シフタの動作電力との関係について説明する。図４（ａ）は、３種類の溝深さとした熱光学位相シフタの各々におけるクラッド幅ｗと動作電力との関係を示した特性図である。図４（ａ）において、三角は、図４（ｂ）に示すように、断熱溝３０１の深さを上部クラッド層１０４の膜厚より小さい値の２μｍとした場合を示している。また、黒四角は、図４（ｃ）に示すように、断熱溝３０１の深さを上部クラッド層１０４の膜厚と等しい３μｍとした場合を示している。また、黒丸は、図４（ｄ）に示すように、断熱溝３０１の深さを、上部クラッド層１０４と下部クラッド層１０２とを合計した膜厚に等しい値の６μｍとした場合を示している。

これらの結果より、コア１０３およびクラッド層の厚さなどが上述した寸法の場合、クラッド幅が２０μｍより狭くなると、消費電力が低くなることがわかる。また、断熱溝３０１は、上述した３条件の中では、深いほど消費電力が低いことがわかる。この中では、図４（ｄ）に示す条件である、支持基板１０１の表面が露出する深さに形成されている状態が最も消費電力が低くなる。これらのように、クラッド幅を２０μｍより狭くした（高々２０μｍとした）状態とし、断熱溝３０１を形成することで加熱対象の体積を低減させることで、消費電力が低減できることがわかる。なお、図４の結果は、シミュレーションによるものである。

次に、本実施の形態２における熱光学位相シフタを適用したＭＺＩ型光スイッチデバイスの構成例について説明する。図５は、このＭＺＩ型光スイッチデバイスの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。このデバイスは、入力ポートとなる入力側導波路５０１と、入力側導波路５０１を分岐する多モード干渉分岐部５０２と、多モード干渉分岐部５０２より分岐する一方の中間導波路５０３および他方の中間導波路５１３と、中間導波路５０３および中間導波路５１３を結合する多モード干渉分岐部５０４と、多モード干渉分岐部５０４に接続する出力側導波路５０５を備える。

これらの構成の中で、中間導波路５０３および中間導波路５１３に、上述した本実施の形態２における熱光学位相シフタが設けられている。各中間導波路を構成しているコア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上にヒータ層１０５が配置され、ヒータ層１０５に所定の配線を介して電源が接続され、各中間導波路におけるコア１０３を加熱可能としている。また、各熱光学位相シフタにおいて、コア１０３による光導波路の両脇に断熱溝３０１を備える。中間導波路５０３と中間導波路５１３と間においては、両者に共通の断熱溝３０１を備えている。

このＰＬＣデバイスでは、各熱光学位相シフタにおいて、クラッド幅は１０μｍとし、下部クラッド層１０２の膜厚を３μｍとし、上部クラッド層１０４の膜厚を７μｍとした。従って、断熱溝３０１は、深さ７μｍとなる。この熱光学位相シフタは、約２６ｍＷで動作した。図４を用いて説明したように、クラッド幅をより狭くすることで、さらに消費電力を低減することができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施の形態３における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１の熱光学位相シフタと同様である。

本実施の形態３における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、ヒータ層１０５が形成されている領域に対応する支持基板１０１に、この裏面側に開放する開口部６０１を備えるようにしたものである。開口部６０１は、光導波路の導波方向においては、上述した位相シフタ領域に形成されていればよい。開口部６０１は、例えば、ウエットエッチング、ドライエッチング、あるいは機械的研磨などにより、支持基板１０１をこの裏面より選択的に除去することで形成可能である。このように、支持基板１０１に開口部６０１を備えることで、ヒータ層１０５の加熱により伝導して支持基板１０１の側に流出する熱が抑制されるようになり、コア１０３に対する加熱がより効率的に行えるようになる。この結果、熱光学位相シフタの低消費電力化が図れるようになる。

次に、上述した開口部６０１の開口幅ｗ２（導波路の幅方向）および基板残し厚ｔさと、消費電力の関係について説明する。まず、図７（ａ）に示すように、支持基板１０１における基板残し厚ｔは、１μｍより厚い場合は、開口部６０１を形成しない場合と消費電力に差はない。これに対し、基板残し厚ｔが１μｍより小さく０．５μｍ以下となると、消費電力が低下していることがわかる。特に、基板残し厚ｔをほぼ０の状態、言い換えると、下部クラッド層１０２の裏面が露出する程度にまで開口部６０１を形成することで、消費電力を１０ｍＷ以下にまで小さくすることが可能となる。ただし、基板残し厚ｔを０とすると、開口部６０１の形成において下部クラッド層１０２に損傷を与える場合もあり、この損傷により光導波路の損失を増大させる可能性もあるので、あまり薄くしない方がよい。なお、この結果は、開口幅ｗ２を４０μｍとした場合である。

また、図７（ｂ）に示すように、支持基板１０１に形成する開口部６０１の幅ｗ２は、例えば、４０μｍ程度とすることで消費電力は１０ｍＷ以下と、開口部６０１を形成しない場合に比較して大幅に低減させることができる。また、開口部６０１の幅を１２０μｍとすることで、消費電力は３ｍＷ程度にまで低減することができる。

また、前述した断熱溝と上記開口部とを組み合わせて用いることで、さらに消費電力を低減させることが可能となる。例えば、クラッド幅が１０μｍとなるように位相シフタ領域の導波路両脇に深さ３μｍの断熱溝を形成し、加えて、基板裏面に残し厚さ０μｍで幅１２０μｍの開口部を形成することで、消費電力を１ｍＷ程度にまで低減させることが可能となる。さらに、断熱溝や開口部の構造（形状）の最適化を行うことで、μＷオーダにまで消費電力を低減させることも可能である。なお、上述した消費電力抑制の結果は、シミュレーションによるものである。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態４における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備える。また、この熱光学位相シフタは、ヒータ層１０５が形成されている領域に対応する支持基板１０１に、この裏面側に開放する開口部６０１を備える。これらの構成は、前述した実施の形態３の熱光学位相シフタと同様である。

本実施の形態４における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、開口部１０６の底部に、下部クラッド層１０２を構成する材料より高い熱伝導率を備えた高熱伝導率材料より構成された蓄熱伝導層８０１を備えるようにしたものである。蓄熱伝導層８０１は、光導波路の導波方向において、上述した位相シフタ領域に形成されていればよい。従って、位相シフタ領域においては、コア１０３が、ヒータ層１０５と蓄熱伝導層８０１とに挟まれた状態となる。

蓄熱伝導層８０１は、例えば、アルミニウムや銅などの金属から構成されていればよい。例えば、スパッタ法などにより上述したような高熱伝導率材料の薄膜を形成し、これを公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とにより加工することで形成可能である。また、ステンシルマスクを用いたスパッタ法などにより、形成してもよい。また、支持基板１０１の一部を残すことで、蓄熱伝導層８０１としてもよい。この場合、蓄熱伝導層８０１は、単結晶シリコンから構成されたものとなる。なお、蓄熱伝導層８０１は、開口部６０１の側壁部分に接触しないように形成する。側壁部分に接触した状態で蓄熱伝導層８０１を形成すると、蓄熱伝導層８０１から支持基板１０１への熱伝導経路が形成されるようになり、後述する蓄熱伝導層８０１における効果が低減する。

本実施の形態４の熱光学位相シフタによれば、上述したように蓄熱伝導層８０１を備えるようにしたので、ヒータ層１０５による加熱により、上部クラッド層１０４，コア１０３，および下部クラッド層１０２に伝導した熱が、支持基板１０１に伝導して拡散することが抑制され、蓄熱伝導層８０１に伝導して蓄積されるようになる。このため、コア１０３においては、ヒータ層１０５に加えて蓄熱伝導層８０１も熱源となる。この結果、蓄熱伝導層８０１を設けたことにより、これを備えていない場合に比較して、ヒータ層１０５からコア１０３にかけて形成される温度勾配が小さくなり、ヒータ層１０５を必要以上に恒温に設定することなく、コア１０３を所望の温度にまで加熱できるようになり、消費電力を抑制できるようになる。

次に、上述した本実施の形態４における熱光学位相シフタを用いたＭＺＩ型光スイッチデバイスの構成例について、図９を用いて説明する。図９は、このＭＺＩ型光スイッチデバイスの構成を示す平面図（ａ），（ｂ）である。図９（ａ）は、コア１０３が形成されている側から見た平面図であり、図９（ｂ）は、支持基板１０１の側から見た平面図である。このデバイスは、入力ポートとなる入力側導波路９０１と、出力ポートとなる出力側導波路９０２および出力側導波路９０３を備える。また、２つの熱光学位相シフタ９１１，熱光学位相シフタ９１２が直列に接続されている。このように、入力ポートから出力ポートにかけて２段の熱光学位相シフタを設けることで、より高い消光比を得ることができる。

これらの構成の中で、２つの熱光学位相シフタ９１１，熱光学位相シフタ９１２にかけて、連続して形成された開口部６０２が支持基板１０１に形成され、開口部６０２の内部に、連続して形成された蓄熱伝導層８０２が形成されている。開口部６０２は、熱光学位相シフタ９１１，熱光学位相シフタ９１２の部分においては、ヒータ層１０５の形成領域に対向して形成され、熱光学位相シフタ９１１と熱光学位相シフタ９１２との間では、コア１０３が形成されている領域を避けるように形成され、１つの溝とされている。従って、蓄熱伝導層８０２は、２つの熱光学位相シフタ９１１，熱光学位相シフタ９１２において、共通に形成されている。

このように構成された２つの熱光学位相シフタ９１１，熱光学位相シフタ９１２においては、例えば、これらの間の温度をより均一な状態にすることが容易である。また、一方のヒータ層１０５からの熱が、蓄熱伝導層８０２を介して他方のコア１０３にまで伝導するので、より効率的にスイッチ動作をさせることができる。なお、これらに、前述した断熱溝を組み合わせるようにしてもよい。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について説明する。図１０は、本実施の形態５における熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板１０１と、支持基板１０１の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア１０３と、下部クラッド層１０２およびコア１０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層１０４と、コア１０３の上部にあたる上部クラッド層１０４の上に配置されたヒータ層１０５とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１の熱光学位相シフタと同様である。

本実施の形態２における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、上部クラッド層１０４の上にヒータ層１０５を覆うように形成された被覆層１００１を備えるようにしたものである。例えば、上部クラッド層１０４を形成し、この上にヒータ層１０５を形成した後に、上部クラッド層１０４と同様に酸化シリコンを堆積することで、被覆層１００１とすればよい。言い換えると、酸化シリコンからなる上部クラッド層の中に、埋設された状態にヒータ層１０５が形成されていてもよい。

このように、被覆層１００１を形成することで、ヒータ層１０５からの熱が、上方の大気側への放熱が抑制された状態で、上部クラッド層１０４に伝導されるようになる。また、前述した断熱溝の形成や、支持基板１０１への開口部の形成において、ヒータ層１０５の損傷を抑制できるようになる。

ところで、上述したように被覆層１００１を備えることで、図１１に示すように、スポットサイズ変換部をより容易に形成することが可能となる（スポットサイズ変換部については、例えば、特許文献１参照）。例えば、被覆層１００１を、上部クラッド層１０４より屈折率の小さい材料から構成する。例えば、上部クラッド層１０４を屈折率１．５２のシリコン酸化（ＳｉＯ_x）膜から構成し、被覆層１００１を屈折率１．４７のシリコン酸化（ＳｉＯ₂）膜から構成すればよい。これらのような材料を用い、まず、コア１０３の上に上部クラッド層１０４が形成された状態とする。この後、図１１（ａ）の平面図に示すスポットサイズ変換部１１０１とする箇所においては、上部クラッド層１０４を所定の形状に微細加工し、図１１（ｃ）の断面図に示すように、コア１０３を覆う第２コア１０４ａが形成された状態とする。

この後、中間導波路５０３および中間導波路５１３の領域からスポットサイズ変換部１１０１にかけて上述した被覆層１００１となる材料の膜を形成することで、熱光学位相シフタの領域では、図１１（ｂ）の断面図に示すように、ヒータ層１０５の上に被覆層１００１が形成され、スポットサイズ変換部１１０１では、図１１（ｃ）に示すように、スポットサイズ変換領域の上部クラッド層１００１ａが形成された状態とする。このように形成されたスポットサイズ変換部１１０１によれば、モードフィールド径の大きい光ファイバやシリカ系光導波路回路を、モードフィールド径を変換して入力側導波路５０１，出力側導波路５０５に接続させることができる。また、上述したように、スポットサイズ変換部１１０１は、上部クラッド層１０４および被覆層１００１の形成とほぼ同時に形成可能であるため、生産性の観点からも利点がある。

なお、被覆層１００１は、ＳｉＯ_xに限らず、シリコン（屈折率３．４７８）より屈折率が低く、上部クラッド層や第２コアなどを構成できる材料であればよく、例えば、窒素が添加されたシリコン酸化物（酸窒化シリコン）や、光学材料として用いることが可能な高分子材料（プラスチック）であってもよい。

本発明の実施の形態１における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。実施の形態１における熱光学位相シフタの適用例としてのＭＺＩ型光スイッチの構成例を示す平面図である。本発明の実施の形態２における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。３種類の溝深さとした熱光学位相シフタの各々におけるクラッド幅ｗと動作電力との関係を示した特性図（ａ）と、各溝深さの状態を説明する説明図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。実施の形態２における熱光学位相シフタの適用例としてのＭＺＩ型光スイッチデバイスの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。本発明の実施の形態２における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。実施の形態２における熱光学位相シフタの開口部６０１の開口幅ｗ２（導波路の幅方向）および基板残し厚ｔさと、消費電力の関係を示す特性図である。本実施の形態４における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。実施の形態４における熱光学位相シフタを用いたＭＺＩ型光スイッチデバイスの構成例を示す平面図である。本発明の実施の形態５における熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。本発明の実施の形態５における熱光学位相シフタの構成例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ），（ｃ）である。光スイッチに用いられる熱光学位相シフタの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０１…支持基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０４…上部クラッド層、１０５…ヒータ層。

Claims

支持基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンから構成されたコアと、
前記下部クラッド層および前記コアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、
前記コアの上部にあたる前記上部クラッド層の上の一部領域に配置されて前記コアの所定領域を加熱するためのヒータ層と
を少なくとも備えることを特徴とする熱光学位相シフタ。
請求項１記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記コアより構成された前記所定領域における光導波路の両脇に形成された２つの溝部を備え、
前記２つの溝の間の前記光導波路の幅は、高々２０μｍとされている
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
請求項２記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記溝部は、前記支持基板の表面が露出する深さに形成されている
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記ヒータ層が形成されている領域に対応する支持基板に形成された開口部を備え、
この開口部の底部における前記支持基板の残厚が１μｍ以下とされている
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
請求項４記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記開口部の底部に形成され、前記下部クラッド層を構成する材料より高い熱伝導率を備えた材料より構成された蓄熱伝導層を備える
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記上部クラッド層の上に前記ヒータ層を覆うように形成された被覆層を備える
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
請求項６記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記被覆層は、前記上部クラッド層と同一の材料から構成されたものである
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。