JP2010281947A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路の温度を正確に測定すると共に、消費電力を低減する。
【解決手段】光導波路デバイスは、基板上に形成された光導波路と、その光導波路上に積層され、光導波路を加熱するヒータと、そのヒータ上に絶縁膜を介して積層され、温度を検出する温度センサとを備える。光導波路は、光導波路コアと、その光導波路コアの周囲を覆うクラッドとを備える。クラッドの両側には、光導波路コアの長手方向に沿った溝が設けられている。温度センサがヒータ上に積層されているため、光導波路に与えられている熱量を正確に測定することができる。更に、温度センサがヒータの上に載っているため、光導波路の横幅を小さくすることができ、その結果ヒータの消費電力を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路デバイスに関する。本発明は特に、光導波路デバイスの温度を制御するための技術に関する。

光通信用デバイスとして使用される光導波路チップは、ＬＳＩプロセスによって作製することができる。例えば、シリコンウェハ上にガラス膜を堆積させ、パターン転写による微細加工技術によって所定の形状に加工することによって光導波回路を作製することができる。特許文献２には、ＬＳＩプロセスによって形成される光集積回路の一例が記載されている。

光導波路はガラス膜で構成されるため、温度によってその屈折率が変化する特徴を持つ。例えばアレイ導波路格子（ＡＷＧ）チップは、その光フィルタ特性を保持するために、ペルチェモジュールやセラミックヒータなどの温度調整部品の上に搭載され、温度を一定に制御しながら動作させる。

チップの温度は、チップ表面にサーミスタなど温度検出部品をはんだ材や接着剤で固着することでモニタされる。この温度が目標値に近づくように温度調整部品をフィードバック制御することにより、環境温度が変化しても光導波路の特性を維持することができる。

しかしながら、実際には光導波路の屈折率は、環境温度の変化のみならず、応力によっても変化してしまう。そのため、はんだ材や接着剤などで温度検出部品を固着する場合、応力に配慮した設計が必要である。一般的にこのような応力は、環境温度によって変化し、光導波路の屈折率を変化させる上、サーミスタなど温度検出部品の特性をも変化させる場合がある。またペルチェモジュール単体、あるいはパッケージに固定されたセラミックヒータなどには、外気温度変化による動作状態の変化によって反りが発生する。その反りによって光導波路チップに応力が加わる結果、特性が変化してしまう。

さらに、環境温度の変化によって温度検出部品自体が受ける影響やチップに生じる温度勾配のために、温度を一定に保たねばならない部分の温度を正確にモニタすることができないという問題もある。

特許文献１には、この問題を解決するための技術が開示されている。この技術では、温度を一定に保たねばならないアレイ導波路直上のチップ表面に、ヒータと温度センサとが半導体プロセスで形成される。この構成においては、熱はチップ表面に装荷されたヒータより供給され、温度はヒータに近接して装荷された抵抗体でモニタする。そのため、温度調整部品やはんだ材の応力や温度勾配といった環境温度に依存して特性が変化するという問題が解消され、アレイ導波路の温度を安定させることができる。

ところで近年、光デバイスの省電力化が望まれており、上述したようなヒータによる積極的な屈折率変化を利用するデバイスにおいても、低消費電力化が一つの課題となっている。

特許文献２には、この課題を解決するための技術の一例が開示されている。この文献の図１８に開示されている構造（以降、リッジ構造と呼ぶ）は、光導波路のコアを挟む両側に溝を形成し、空気で断熱する。このような構成により、ヒータから供給される熱のクラッド層への拡散が抑制され、消費電力の低減が実現される。この構造において、ヒータから供給される熱の排出は、ほとんどがシリコン基板から行われる。そのため、さらに消費電力を低減するためには、断熱溝に挟まれた光導波路とシリコン基板の接触面積を小さくする必要がある。この技術が、光導波路直下のシリコン基板の一部を除去する構造として特許文献２の図１に開示されている。

特開２０００−１３１５３９号公報 特開２００４−１３３１３０号公報

しかしながら、このようなリッジ構造を、特許文献１に開示されているヒータと温度検出用の白金抵抗体の両者を備えた構造に採用しようとすると、以下に説明するような問題が発生すると考えられる。

リッジ構造は、温度制御が必要な部分が断熱溝によって隔離される。そのため正確に温度をモニタするためには、ヒータと同様に白金抵抗体も断熱溝に挟まれたリッジ部に装荷されなければならない。

ところが、両者を並べて装荷するためには、相応のリッジ幅が必要とされる。前述したように、リッジの幅を広げることはシリコン基板からの排熱を増加させることによるため、電力効率が劣化する。

それゆえ本発明の目的は、所定の光導波路の温度をモニタして温度を安定させ、環境温度に対する特性の変化を抑制する光導波路デバイスとその製造方法において、高い電力効率を達成する構造とその製造方法を提供することである。

本発明による光導波路デバイスは、基板上に形成された光導波路と、その光導波路上に積層され、光導波路を加熱するヒータと、そのヒータ上に絶縁膜を介して積層され、温度を検出する温度センサとを備える。光導波路は、光導波路コアと、その光導波路コアの周囲を覆うクラッドとを備える。クラッドの両側には、光導波路コアの長手方向に沿った溝が設けられている。

本発明により、光導波路の温度を正確に測定すると共に、消費電力を低減する技術が提供される。

図１は、光導波路デバイスの断面図である。 図２は、光導波路デバイスの鳥瞰図である。 図３Ａは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｂは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｃは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｄは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｅは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｆは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｇは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｈは、光導波路デバイスの製造工程を示す。 図３Ｉは、光導波路デバイスの製造工程を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本実施形態における光導波路デバイスの光導波路の延長方向に垂直な断面を示す断面図であり、図２は光導波路デバイスの鳥瞰図である。シリコン基板２上に、下層クラッド４が形成される。下層クラッド４上に、上層クラッド８が形成される。下層クラッド４と上層クラッド８との間にコア６が形成される。コア６の周囲は、下層クラッド４と上層クラッド８とによって覆われる。下層クラッド４、コア６及び上層クラッド８は、フォトリソグラフィー等の半導体プロセスによって成形されて光導波路３を形成する。光導波路３の両側（シリコン基板２の表面付近から立ち上がり光導波路３が形成する光路に垂直な線を法線とする面）には断熱溝２０が存在する。断熱溝２０は、他の物体が存在せず空気に満たされた空隙である。断熱溝２０は、光導波路３の光の伝播方向、すなわちコア６の長手方向に沿って延長するように設けられている。シリコン基板２上に形成される他のデバイス等は、断熱溝２０によって光導波路３から熱的に分離される。

本実施形態の光導波路デバイスにおいては、ヒータと温度検出用材料が２階建て構造となっている。上層クラッド８上に、密着膜１０を介してヒータ１２が形成される。ヒータ１２は、電熱ヒータとしての導電性膜であり、適した材料として例えば白金が用いられる。ヒータ１２は、概ねコア６の直上に形成されることが望ましい。ヒータ１２は、ヒータ電極パッド２２を介して供給される電力によって発熱する。ヒータ１２の上、すなわちシリコン基板２及び光導波路３に対してヒータ１２の反対側の面に、絶縁膜１４が形成される。絶縁膜１４の上に、密着膜１６を介して導電性膜（例えば白金が適する）であるＲＴＤ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、抵抗温度センサ）１８が形成される。外部回路からＲＴＤ電極パッド２４を介してＲＴＤ１８に電力を供給してＲＴＤ１８の抵抗体の抵抗値の変化を検出することにより、温度を検出することができる。図示しない制御回路は、検出された温度が設定値に近づくようにヒータ１２を制御する。密着膜１０、ヒータ１２、絶縁膜１４、密着膜１６及びＲＴＤ１８は、光導波路３の形成に続いて行われる半導体プロセスにおいて、互いに概ね同じ平面形状を有するように形成される。ヒータ１２には電力を供給する配線が接続されるが、その図示は省略されている。ＲＴＤ１８には温度を検出するためにＲＴＤ１８に電力を供給してその抵抗値を測定するための配線が接続されるが、その図示は省力されている。

このような光導波路デバイスは、以下のように動作する。光導波路３に光信号が入力される。制御回路からヒータ１２に電力が供給されることによりヒータ１２が制御された量の熱を発生する。その熱により光導波路３の温度が変化して屈折率が変わり、光導波路３を伝播する光の位相を変化させることができる。一般的に、このようなデバイスは光導波路で実現されるマッハツェンダ干渉計などに組み込まれ、強度変調特性により光減衰器や光スイッチとして機能する。ＲＴＤ１８はヒータ１２の温度に応じた電気的特性を示し、制御回路はその電気的特性に基づいてヒータ１２の検出温度を認識する。制御回路はヒータ１２の検出温度に基づいて、光導波路３の屈折率を適切に制御するための電力をヒータ１２に供給する。

このような構成によれば、ＲＴＤ１８はヒータ１２の上に載っているため、例えばヒータ１２とＲＴＤ１８とを同一層内に並べて形成した場合に比べて、ヒータ１２が光導波路３に与えている熱を正確に測定することができる。加えて、ヒータ１２とＲＴＤ１８とを並べて形成するために、光導波路３の幅を広くする必要がない。このため、光導波路３とシリコン基板２との接触面積が小さく、シリコン基板２からの熱の排出を抑制でき、より少ない熱量によって所定の温度を維持することができる。従って、光導波路３の屈折率を制御するためのヒータ１２の電力効率を犠牲にすることなく、温度を正確に測定することができるという効果が得られる。

光導波路３の両側に断熱溝２０が設けられることにより、ヒータ１２が発生する熱が光導波路３を形成するリッジ内に閉じ込められ、それ以外のデバイスや絶縁膜等に拡散することが防がれる。そのため、ＲＴＤ１８が感知する温度とコア６の温度との乖離を極めて小さくすることができる。

本実施形態の構成によれば、ヒータと温度検出用材料が共に半導体プロセスで形成されることにより、温度を検出するために単体部品のサーミスタを使用した場合に発生する可能性がある以下のような問題を避けられるという効果も共に達成することができる。
（ａ）半田などによりサーミスタを光導波路デバイスに取り付けた場合、取り付けによって発生する応力によって光導波路の特性が変化する場合がある。
（ｂ）サーミスタの大きさは光導波回路に対して小さくなく、実装の制約上、必要以上にチップを大きくしなければならない。
（ｃ）温度をモニタしたい部分に正確にサーミスタを配置することが難しい。
（ｄ）光導波回路上の熱勾配の誤差によって測定値が実際にモニタしたい部分の温度と異なる場合がある。
（ｅ）サーミスタの大きさによっては外部温度の影響による誤差が無視できない。

本実施形態におけるシリコン基板２に代えて、他の材料による基板が用いられてもよい。例えば、シリコン基板よりも熱抵抗の大きい石英基板などを用いるとさらに高い熱効率が得られる。また、白金製のヒータ１２、白金製のＲＴＤ１８に代えて、ニッケルや銅など、他の材料で形成されたヒータと温度検出器が用いられても、本実施形態と同様の効果が得られる。

図３Ａ〜図３Ｉは、本実施形態における光導波路デバイスの製造工程を示す。各工程における光導波路３の延長方向に垂直な断面が示されている。シリコン基板２上に下層クラッド４が成膜される（図３Ａ）。下層クラッド４上にコア層を形成し、コア層をフォトリソグラフィー及びエッチングプロセスにより成形することによりコア６が形成される（図３Ｂ）。下層クラッド４及びコア６上に上層クラッド８が形成される（図３Ｃ）。上層クラッド８上に密着膜１０が形成され、その上にヒータ１２の層が形成される（図３Ｄ）。フォトリソグラフィー及びエッチングプロセスにより、密着膜１０とヒータ１２とが所定の形状に成形される（図３Ｅ）。

ヒータ１２を成形後、その上に絶縁膜１４を形成する（図３Ｆ）。絶縁膜１４上に密着膜１６を形成し、その上にＲＴＤ１８となる膜を形成する（図３Ｇ）。フォトリソグラフィー及びエッチングプロセスによって密着膜１６とＲＴＤ１８を所定の形状に成形することにより、図１に示した形状のＲＴＤ１８が形成される（図３Ｈ）。フォトリソグラフィー及びエッチングプロセスによって光導波路３の両側に断熱溝２０を形成する（図３Ｉ）。以上の工程により、図１に示した断面形状を有する光導波路デバイスを製造することができる。

２ シリコン基板
３ 光導波路
４ 下層クラッド
６ コア
８ 上層クラッド
１０ 密着膜
１２ ヒータ
１４ 絶縁膜
１６ 密着膜
１８ ＲＴＤ
２０ 断熱溝
２２ ヒータ電極パッド
２４ ＲＴＤ電極パッド

Claims (6)

1. 基板上に形成された光導波路と、
   前記光導波路上に積層され、前記光導波路を加熱するヒータと、
   前記ヒータ上に絶縁膜を介して積層され、温度を検出する温度センサとを具備し、
   前記光導波路は、
   光導波路コアと、
   前記光導波路コアの周囲を覆うクラッドとを具備し、
   前記クラッドの両側には、前記光導波路コアの長手方向に沿った溝が設けられている
   光導波路デバイス。
2. 請求項１に記載された光導波路デバイスであって、
   前記ヒータが、電熱ヒータとしての導電性膜である光導波路デバイス。
3. 請求項１または２に記載された光導波路デバイスであって、
   前記温度センサが、抵抗温度センサとしての導電性膜である光導波路デバイス。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された光導波路デバイスであって、
   前記ヒータの温度は、前記温度センサが検出した温度の検出値に基づいて制御される光導波路デバイス。
5. 請求項１から４のいずれかに記載された光導波路デバイスであって、
   前記光導波路と前記ヒータと前記温度センサとは半導体プロセスによって形成される光導波路デバイス。
6. 基板上に光導波路を形成する工程と、
   前記光導波路上に、前記光導波路を加熱するヒータを積層する工程と、
   前記ヒータ上に絶縁膜を積層する工程と、
   前記絶縁膜上に、温度を検出する抵抗温度センサを形成する工程
   とを具備する光導波路デバイスの製造方法。

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