JP2011150297A - 導波路型光ゲートスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 導波路型光ゲートスイッチに関し、相変化材料部の放熱効率を高めて、相変化材料部のアモルファス化を確実に且つ短時間で行う。
【解決手段】 単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路に設ける複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部を多層構造或いは１００ｎｍ以下の膜厚にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は導波路型光ゲートスイッチに関するものであり、例えば、導波路型光ゲートスイッチのＯＮ−ＯＦＦを行う相変化材料の相変化、特に、アモルファス化を高速且つ容易に行うための構成に関するものである。

近年、光通信シムテムの進展に伴って光通信ネットワークが大容量化され、それに対応して様々な機能を有する光デバイスが開発されている。特に、光導波路を伝播する光信号の透過量を制御する光スイッチはキーデバイスとなる。

例えば、このような光スイッチにおいて、小型化或いはスイッチ速度の高速化の観点から相変化材料を用いて光信号のＯＮ−ＯＦＦを行う相変化光スイッチが注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。

また、本発明者も相変化材料を用いた光スイッチを幾つか提案している（例えば、特許文献２または特許文献３参照）。例えば、相変化材料を用いた方向性結合器型光スイッチは、方向性結合部において互いに平行して延在する一対のコア層の間に相変化材料部を設けている。

この構成では、相変化材料部に電流パルスを印加すること或いは制御光を照射することによって、結晶状態とアモルファス状態との間の相変化を行う。その結果、相変化材料の動作波長における複素屈折率（主に、実数部）が変化し、一対の導波路の屈折率の変化に伴って光結合量が変化して出力ポートが切り替わるので光スイッチとして動作する。なお、片方の入出力導波路に着目すれば光ゲートスイッチである。

ここで、図１１を参照して、従来の導波路型光ゲートスイッチの一例を説明する。図１１は、従来の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図１１（ａ）は、概略的透視平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）におけるＢ−Ｂ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。

図に示すように、石英基板６１上に下部クラッド層６２を介してストライプ状のＳｉＯ_２コア層６３を設け、このＳｉＯ_２コア層６３を上部クラッド層６４で被覆する。ＳｉＯ_２コア層６３の直上近傍の上部クラッド層６４に凹部を設け、この凹部にＧＳＴ（Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５）膜等の相変化材料膜６５を配置する。

この導波路型光ゲートスイッチにおいては、光パルスを相変化材料膜６５に加えることによって結晶状態からアモルファス状態にあるいは、アモルファス状態から結晶状態に変化させる。その結果、相変化材料膜６５の信号光波長における複素屈折率（主として虚数部）が変化し、光ゲートスイッチとして動作する。

特開２００４−１１７４４８号公報 特開２００６−１８４３４５号公報 特開２００９−１２８７１８号公報

しかしながら、従来の導波路型光ゲートスイッチの構成では、相変化材料膜の温度を急激に下げることが困難であり、結晶状態からアモルファス状態への変化が起こりにくいという問題があり、これがスイッチング速度の高速化の障害になるという問題がある。特に、相変化材料の近傍に存在するＳｉＯ_２は熱伝導率が小さいので相変化材料の放熱を妨げることになる。

図１２は、ＧＳＴ膜の冷却速度の膜厚依存性の説明図であり、図１２（ａ）はシミュレーションモデルであり、図１２（ｂ）はシミュレーション結果である。図１２（ａ）に示すように、シミュレーションにおいては、幅８００ｎｍで長さが２０００ｎｍのＧＳＴ膜７１をＳｉＯ_２膜７２で覆った状態で、ＧＳＴ膜７１の膜厚を変化させた。なお、シミュレーションにおいては、ＧＳＴの熱伝導率を１．５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１とし、比熱容量を２５０Ｊ・ｋｇ^−１・Ｋ^−１とし、初期値において、９００Ｋに加熱したと仮定している。

図１２（ｂ）に示すように、ＧＳＴ膜の中心部の温度は膜厚が薄くなるほど急速に冷却して、例えば、２０ｎｍの膜厚の場合には３ｎｓで１００℃程度まで降温する。一方、図示はしていないものの、従来の相変化材料膜の膜厚である２００ｎｍ程度では、アモルファス化に必要な１０ｎｓ程度の時間での冷却は困難であった。

したがって、ＯＮ状態を実現するためのアモルファス化を容易にするためには、相変化材料膜の膜厚を薄くすること、特に、１００ｎｍ以下にすることが望ましいことが判明した。

本発明は、相変化材料部の放熱効率を高めて、相変化材料部のアモルファス化を確実に且つ短時間で行うことを目的とする。

上記の課題を解決するために、
（１）本発明は、単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、前記相変化材料部を、少なくとも相変化材料膜と、前記相変化材料膜より熱伝導率の高い別種材料膜とを交互に多層に積層して構成されるとともに、前記単結晶コア層の分断部に配置する。

このように、相変化材料部を構成する相変化材料膜を多層で構成することで一層当たりの膜厚を薄くすることができ、且つ、相変化材料膜の間に熱伝導率の高い別種材料膜を設けることによって放熱効率を高くすることができる。それによって、制御光の照射によって溶融した相変化材料を急速に冷却してアモルファス化に要する時間、即ち、スイッチング時間を大幅に短縮することができる。

（２）また、本発明は、上記（１）において、前記相変化材料膜の膜厚を、一層当たり１００ｎｍ以下とする。このように、一層当たり１００ｎｍ以下にすることによって、上記の図１２（ｂ）に示したように、数ｎｓでアモルファス化することが可能になる。

（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、前記別種材料膜を、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮのいずれかとする。別種材料膜は熱伝導率が良好な材料であれば良く、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等の金属、或いは、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等の誘電体を用いれば良い。特に、制御光に対して透明なＡｌ_２Ｏ_３やダイヤモンド等が好適である。

（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記相変化材料膜と前記別種材料膜との間に、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介在させる。このように、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介在させることによって、相変化材料膜の相変化に伴う体積変動が容易になるとともに、膜の剥離等が防止されるので長寿命化が可能になる。

（５）また、本発明は、単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、前記変化材料部を、１００ｎｍ以下の膜厚の相変化材料膜からなるとともに、前記単結晶コア層上にＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して積層する。

このように、相変化材料部を、１００ｎｍ以下の膜厚の相変化材料膜から構成するとともに熱伝導率の良好な単結晶コア層上に積層することによって、放熱効率を高めることができる。また、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して積層することによって、相変化に伴う体積変動を容易にすることができる。

（６）また、本発明は、上記（５）において、前記相変化材料部の少なくとも一部を前記単結晶コア層の一部に設けた凹部に埋め込む。このように、変化材料部を埋込構造にすることによって、ゲート透過状態における有効屈折率の積層導波路部とＳｉ導波路部の不一致が小さくなり損失の低い光ゲートスイッチを構成することができる。

（７）また、本発明は、上記（６）において、前記凹部を、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下の複数の凹部とし、且つ、隣接する前記凹部の間隔を前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下とする。このように、伝搬光の波長の１／２以下の微細な凹凸構造にすることによって、相変化材料部の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。

（８）また、本発明は、上記（５）において、前記相変化材料部を、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下の複数の分割相変化材料膜要素とし、且つ、隣接する前記分割相変化材料膜要素の間隔を前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下とする。

このように、伝搬光の波長の１／２以下の微細な分割相変化材料膜要素の集合体とすることによって、相変化材料部の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。また、各分割相変化材料膜要素は微細であるので、表面積の占める比率が高まり、熱が滞留することが少なくなるので急速冷却が容易になる。

（９）また、本発明は、上記（５）において、前記単結晶コア層の一部が多モード干渉型１×１結合器を構成するとともに、前記相変化材料部を、前記多モード干渉型１×１結合器上に積層する。

多モード干渉型１×１結合器に入力された信号光は、多モード干渉型１×１結合器中で一度集光し、再び出力導波路に結合する箇所で集光するので、相変化材料部を集光する箇所に設けることによって、相変化材料部の寸法を小さくすることができる。さらに、下部の多モード干渉型１×１結合器の幅が単結晶コア層の幅より太くなっているので、熱容量が増加し、放熱特性が改善されて冷却効率が高まる。

（１０）また、本発明は、単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、前記単結晶コア層は、２本の伝搬用単結晶コア層と、前記２本の伝搬用単結晶コア層との間に設けられ、前記２本の伝搬用単結晶コア層を光結合する結合用単結晶コア層とからなり、前記変化材料部は、前記結合用単結晶コア層上に積層された相変化材料膜からなる。

このように、２本の伝搬用単結晶コア層との間に設けられ、２本の伝搬用単結晶コア層を光結合する結合用単結晶コア層上に相変化材料膜を設け、相変化材料膜に制御光の照射によって結晶状態を制御することによって、並列する２本の伝搬用単結晶コア層間の結合状態をクロス状態或いはバー状態のいずれかに制御することができる。

（１１）また、本発明は、上記（１０）において、相変化材料膜は、１００ｎｍ以下の膜厚であるとともに、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して積層されている。

このように、相変化材料部を、１００ｎｍ以下の膜厚の相変化材料膜から構成するとともに熱伝導率の良好な結合用単結晶コア層上に積層することによって、放熱効率を高めることができる。また、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して積層することによって、相変化に伴う体積変動を容易にすることができる。

（１２）また、本発明は、上記（４）乃至（１１）のいずれかにおいて、前記保護膜を、ＳｉＯ_２とＺｎＳとの混合材料膜とする。このように保護膜としては、光相変化ディスクで実績のあるＳｉＯ_２とＺｎＳとの混合材料膜が好適である。

開示の導波路型光ゲートスイッチによれば、相変化材料部の放熱効率を高めているので、相変化材料膜のアモルファス化を確実に且つ短時間で行うことができ、それによって、光信号をＯＮ−ＯＦＦするスイッチング速度を向上することが可能になる。

本発明の実施の形態の導波路型光ゲートスイッチの概念的構成図である。 本発明の実施例１の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例１の導波路型光ゲートスイッチの相変化材料部の概略的断面図である。 本発明の実施例２の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例３の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例４の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例５の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例６の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例７の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 本発明の実施例７の導波路型光ゲートスイッチの定性的な動作の説明図である。 従来の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。 ＧＳＴ膜の冷却速度の膜厚依存性の説明図である。

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態の導波路型光ゲートスイッチの概念的構成図であり、図１（ａ）は相変化材料部を単結晶コア層の分断部に設けた場合の概略的断面図である。また、図１（ｂ）は相変化材料部を単結晶コア層の直上に設けた場合の概略的断面図である。

図１（ａ）に示すように基板１上に設けた下部クラッド層２と上部クラッド層４との間にストライプ状の単結晶コア層３を設けて光導波路を構成するとともに、単結晶コア層３の分断部に相変化材料部５を設けて光ゲート部を構成する。

この相変化材料部５は、複数の相変化材料膜6と相変化材料膜６より熱伝導率の高い別種材料膜７とを交互に多層に積層して形成する。また、相変化材料膜６と別種材料膜７との間には、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜８を介在させる。なお、図においては、相変化材料膜６を二層にしているが、三層以上にしても良い。

この場合の光導波路を構成する単結晶コア層３としては、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＮＡｓ等の半導体単結晶が望ましい。材料の選択に際して、光信号の波長帯における吸収率の低い材料を選択する必要があり、例えば、１．３μｍ〜１．５５μｍ帯においてはＳｉ或いはＩｎＧａＡｓＰが望ましい。

また、光導波路を構成する基板構造としては、単結晶コア層３を構成するために、基板貼り合わせ技術或いはラテラルシーディング法によって形成したＳＯＩ（Ｓｂｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板や、熱伝導率の高いサファイア基板を用いたＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板を用いることが望ましい。

また、相変化材料膜６は、α−Ｓｉ、α−Ｇｅ、α−ＧａＳｂ、α−ＧａＡｓ、α−Ｓｂ等のテトラヘドラル系材料、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料、Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイト材料、ＡｓＳｅ_３或いはＡｓＳ_３等のカルコゲナイド材料、ＮｉＯ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、或いは、ＺｎＯ等の遷移金属酸化物材料等の相変化型光ディスク等で実績のある材料が望ましい。特に、相変化に伴う光吸収率の変化の大きなＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５或いはＧｅ_６−Ｓｂ_２−Ｔｅ_９等のＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料が望ましい。

また、保護膜としては、相変化に伴う体積変化を容易にするために、ＳｉＯ_２より柔らかいＳｉＯ_２にＺｎＳを添加したＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜が望ましい。ＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜は、相変化材料膜６を構成する材料の拡散（マイグレーション）を防止する作用も有している。

また、別種材料膜７は、熱伝導率が良好な材料であれば良く、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等の金属、或いは、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等の誘電体を用いれば良い。特に、制御光に対して透明なＡｌ_２Ｏ_３やダイヤモンド等が好適である。このような別種材料膜７を相変化材料膜６に隣接させることによって、相変化材料膜６の熱を急速に排出して短時間でアモルファス化することが容易になる。

この相変化手段６にレンズ９を介して制御光を照射することによって、相変化材料膜６の複素屈折率を変化させることによって、相変化材料部５の相を変化させる。急激な温度の上昇による溶融と急冷により光吸収係数の小さなアモルファス状態となり、溶融しない程度の相対的にゆっくりとした温度上昇と徐冷によって光吸収係数の大きな結晶状態となる。この時、複素屈折率の主に実数部の変化による屈折率変化ではなく、複素屈折率の主に虚数部の変化による光吸収係数の変化により単結晶コア層３を伝播する光信号の消光比を高速に制御する。

なお、消光比は相変化材料部５の長さに依存するものである（必要ならば、特願２００９−１８２１４１参照）。相変化材料膜６として相変化に伴う光吸収率の変化の大きなＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５を用いた場合には、相変化材料部５の長さを１．０μｍ以上にすることで、消光比を−３０ｄＢ以下にすることができる。

或いは、図１（ｂ）に示すように基板１上に設けた下部クラッド層２と上部クラッド層４との間にストライプ状の単結晶コア層３を設けて光導波路を構成するとともに、単結晶コア層３の直上近傍に相変化材料部１１を設けて光ゲート部を構成する。

この相変化材料部１１は、厚さが１００ｎｍ以下の相変化材料膜１２をＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜１３で覆って形成する。この場合の単結晶コア層３、相変化材料膜１２及び保護膜１３の材料は、図１（ａ）に示した導波路型光ゲートスイッチの場合と同様の材料を用いる。なお、下限の厚さは、１０ｎｍが望ましい。

このように、相変化材料部１１を単結晶コア層３の直上近傍に設ける場合には、単結晶コア層３の一部に凹部を設けて埋め込んでも良い。相変化材料部１１を埋込構造にすることによって、ゲート透過状態における有効屈折率の積層導波路部とＳｉ導波路部の不一致が小さくなり損失の低い光ゲートスイッチを構成することができる。

また、この凹部を幅が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下で相互の間隔が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下の複数の微小凹部で構成することにより、相変化材料部１１の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部１１の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。

或いは、相変化材料部１１を、幅が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下で相互の間隔が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下の複数の分割相変化材料膜要素で構成しても良い。この場合も、相変化材料部１１の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部１１の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。また、各分割相変化材料膜要素は微細であるので、表面積の占める比率が高まり、熱が滞留することが少なくなるので急速冷却が容易になる。

或いは、単結晶コア層３の一部に多モード干渉型１×１結合器を設け、相変化材料部１１多モード干渉型１×１結合器上に積層しても良い。この場合には、相変化材料部１１の寸法を小さくすることができるとともに、放熱特性が改善されて冷却効率が高まる。

或いは、２本の伝搬用単結晶コア層と、前記２本の伝搬用単結晶コア層との間を光結合する結合用単結晶コア層とを設け、結合用単結晶コア層上に相変化材料膜を積層して導波路型光ゲートスイッチを構成しても良い。特に、相変化材料膜は、１００ｎｍ以下且つ１０ｎｍ以上の膜厚とし、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して積層することが望ましい。

以上を前提として、次に、図２及び図３を参照して本発明の実施例１の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図２は本発明の実施例１の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図２（ａ）は概略的透視平面図であり、また、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。

図に示すようにＳＯＩ基板を用いて、シリコン基板２１上に形成した厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を下部クラッド層２２とし、その上に形成した単結晶シリコン層をストライプ状にエッチングして例えば、幅が４５０ｎｍで高さが２２０ｎｍの単結晶シリコンコア層２３を形成する。この時、単結晶シリコンコア層２３に例えば、長さが２μｍの分断部を形成しておき、この分断部に相変化材料部２５を埋め込む。次いで、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とする。

図３は本発明の導波路型光ゲートスイッチの相変化材料部の概略的断面図であり、単結晶シリコンコア層２３に形成した分断部にメタルマスクを用いたマスクスパッタリング法を用いて相変化材料部２５を形成する。厚さが、例えば、２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜２７及び厚さが、例えば、５０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜２８を例えば、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜２６を介して交互に積層する。最後に、メタルマスクをサイズの大きなものに交換してＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる埋込保護膜２９を形成する。

この場合の単結晶シリコンコア層２３とＧＳＴ膜２８との間隔は、例えば、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度とする。また、図では、埋込保護膜２９の表面を平坦に図示しているが、ＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜とＳｉＯ_２の屈折率差はあまりないので、この埋込保護膜２９は上部クラッド層として機能するので、平坦にする必要はない。

次に、本発明の実施例１の導波路型光ゲートスイッチの定性的な動作を説明する。相変化材料膜であるＧＳＴ膜２８が始めに結晶状態にあると仮定する。結晶状態では吸収係数が大きいため、光導波路を伝搬する波長１５００ｎｍの信号光のほとんどは相変化材料部２５で吸収されて透過しない。

ここで、パルス幅が１０ｎｓ程度の高強度、例えば、１００ｍＷ程度の制御光パルスを基板上面からレンズで集光して相変化材料部２５に照射にすると、ＧＳＴ膜２８は急激に温度が上昇し融点を超えて溶けるが、膜厚が薄いことと、熱伝導性に優れるＡｌ_２Ｏ_３膜２７の作用により急速に冷却されてアモルファス状態に相変化する。アモルファス状態のＧＳＴ膜２８の吸収係数は小さいため、光導波路を伝搬する信号光はＧＳＴ膜２８でほとんど吸収されず透過する。

なお、制御光の波長は、相変化材料の状態にかかわらず相変化材料が吸収できる波長であれば良いが、ここでは、入手が容易なレーザの発光波長である６５０ｎｍとする。溶融された後の冷却速度が遅いと、アモルファス状態に相変化できない。レンズ（図１に示したレンズ９と同様）は、集光ビームスポット形状を相変化材料部２５の形状に合わせて吸収効率を高める。

本発明の実施例１においては、ＧＳＴ膜２８の膜厚を１００ｎｍ以下の５０ｎｍにしているので、ナノ秒オーダで光吸収領域の急速冷却が可能になる。また、高い消光比でのゲート動作には、相変化材料体積を増やす必要があるのでここでは、二層のＧＳＴ膜２８を用いて多層化している。

一方、アモルファス化したＧＳＴ膜２８にパルス幅が１００ｎｓ程度の低強度の、例えば、３０ｍＷ程度の制御光パルスを照射すると、ＧＳＴ膜２８の温度は上昇し、結晶化温度よりも高くなるが融点は超えない。長いパルスで比較的ゆっくりと冷却されるとＧＳＴ膜２８は再び結晶状態に変化する。

次に、図４を参照して本発明の実施例２の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図４は、本発明の実施例２の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図４（ａ）は概略的透視平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例２の基本的な光導波路は上記の実施例１と同様である。

この実施例２の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層２３の直上に、厚さが、例えば、２０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜３１を介して長さが例えば２μｍで厚さが１００ｎｍ以下、例えば、５０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜３２をマスクスパッタリング法で堆積し、その表面をＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜３３で被覆して相変化材料部３０を形成する。次いで、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とする。なお、ここでは、屈折率変化が連続的に変化するように、ＧＳＴ膜３２の両端をテーパ状にしている。

この実施例２においては、単結晶シリコンコア層２３の直上に相変化材料部３０を設けるだけであるので、製造が容易になる。また、単結晶シリコンコア層２３を形成するＳｉは熱伝導率が高いので、実施例１のようにＡｌ_２Ｏ_３等からなる別種材料膜を設ける必要がないので構成も簡素化される。なお、スイッチの動作は実施例１と同様である。

次に、図５を参照して本発明の実施例３の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図５は、本発明の実施例３の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図５（ａ）は概略的透視平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例３の基本的な光導波路は上記の実施例１と同様である。

この実施例３の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層２３の表面に例えば、長さが２μｍで深さが５０ｎｍの凹部を形成する。この凹部にマスクスパッタリング法を用いて、厚さが、例えば、２０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜３５を介して厚さが１００ｎｍ以下、例えば、５０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜３６を堆積させ、その表面をＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜３７で被覆して相変化材料部３４を形成する。次いで、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とする。

この実施例３においては、単結晶シリコンコア層２３に設けた凹部に相変化材料部３４を埋め込んでいるので、ゲート透過状態における有効屈折率の積層導波路部とＳｉ導波路部の不一致が小さくなり損失の低い光ゲートスイッチを構成することができる。

次に、図６を参照して本発明の実施例４の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図６は、本発明の実施例４の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図６（ａ）は概略的透視平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例４の基本的な光導波路は上記の実施例１と同様である。

この実施例４の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層２３の表面に例えば、長さが７０ｎｍで深さが５０ｎｍの溝３８を例えば、３０ｎｍの間隔で形成する。この溝３８内にマスクスパッタリング法を用いて、厚さが、例えば、１０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜４０を介して厚さが１００ｎｍ以下、例えば、５０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜４１を堆積させ、その表面をＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜４２で被覆して相変化材料部３９を形成する。次いで、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とする。

この実施例４においては、単結晶シリコンコア層２３に設けた周期的な溝３８にＧＳＴ膜４１を埋め込んで相変化材料部３９としているので、上記の実施例３に比べてＧＳＴ膜４１の体積が小さくなり冷却が容易になる。

また、この場合のＧＳＴ膜４１としての構造は幅５０ｎｍの微細構造が５０ｎｍの間隔で周期的には配置された構造となり、幅及び間隔が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下となるので、相変化材料部３９の構造が伝搬光から見えなくなり、相変化材料部３９の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。

次に、図７を参照して本発明の実施例５の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図７は、本発明の実施例５の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図７（ａ）は概略的透視平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例５の基本的な光導波路は上記の実施例１と同様である。

この実施例５の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層２３の直上に、厚さが、例えば、２０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜４４を介して導波路伝搬方向の長さが、例えば、５０ｎｍ、導波路伝搬垂直方向の長さが、例えば、１０００ｎｍ、厚さが１００ｎｍ以下、例えば、５０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜４５を例えば５０ｎｍの間隔でマスクスパッタリング法で堆積し、その表面をＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜４６で被覆して相変化材料部４３を形成する。次いで、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とする。なお、相変化材料部４３全体の導波路伝搬方向の長さは例えば、２μｍとする。

この実施例５においては、微細構造のＧＳＴ膜４５を堆積するだけであるので、製造が容易になるとともに、体積が小さくなるので冷却が容易になる。また、この場合も、ＧＳＴ膜４５の幅及び間隔が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下となるので、相変化材料部４３の構造が伝搬光から見えなくなり、相変化材料部４３の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。

次に、図８を参照して本発明の実施例６の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図８は、本発明の実施例６の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図８（ａ）は概略的透視平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例６は、単結晶シリコンコア層の一部に多モード干渉型１×１結合器を設けたもので、その他の基本的な構成は上記の実施例２と同様である。

この実施例６の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層２３の一部に設けた幅が例えば、４.０μｍの多モード干渉型１×１結合器４７の直上に、厚さが、例えば、２０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜４９を介して長さが例えば２μｍで厚さが１００ｎｍ以下、例えば、３０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜５０をマスクスパッタリング法で堆積し、その表面をＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜５１で被覆して相変化材料部４８を形成する。次いで、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とする。

この実施例６においては、多モード干渉型１×１結合器４７中で周期的に導波光が集光する特性を利用している。即ち、多モード干渉型１×１結合器４７に入力された信号光は、多モード干渉型１×１結合器４７中で一度集光し、再び出力導波路に結合する箇所で集光する。相変化材料部４７は、集光する箇所に設けられるのでその寸法を小さくすることができる。

さらに、多モード干渉型１×１結合器４７は単結晶シリコンコア層２３の幅より太くなっているので熱容量が増加し、放熱特性が改善されて冷却効率が高まる。スイッチの動作は実施例１と同様である。

次に、図９及び図１０を参照して本発明の実施例７の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図９は本発明の実施例７の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図９（ａ）は概略的斜視図であり、また、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。また、図９（ｃ）は、図９（ａ）における光結合部の拡大上面図である。

図９に示すようにＳＯＩ基板を用いて、シリコン基板２１上に形成した厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を下部クラッド層２２とし、その上に形成した単結晶シリコン層をストライプ状にエッチングして例えば、幅が４５０ｎｍで高さが２２０ｎｍの方向性光結合器状に屈曲した２本の伝搬用単結晶シリコンコア層５２,５３を形成するともに、伝搬用単結晶シリコンコア層５２,５３の平行部において、その間に、長さが５μｍで幅が４５０ｎｍの結合用単結晶シリコンコア層５４を形成する。

この時、伝搬用単結晶シリコンコア層５２,５３と結合用単結晶シリコンコア層５４との間隔は５０ｎｍ〜３００ｎｍが光結合のために望ましく、ここでは、１５０ｎｍとする。次いで、結合用単結晶シリコンコア層５４をエッチングにより薄層化して、高さを１７０ｎｍとする。次いで、メタルマスクを用いたマスクスパッタリング法を用いて結合用単結晶シリコンコア層５４上に、例えば、長さが３μｍ、幅が４５０ｎｍ、厚さが５０ｎｍのＧｅ_２−Ｓｂ_２−Ｔｅ_５組成のＧＳＴ膜５５を形成する。

この時の伝搬用単結晶シリコンコア層５２,５３と結合用単結晶シリコンコア層５４との間隔、結合用単結晶シリコンコア層５４の長さ、ＧＳＴ膜５５の長さは、ＧＳＴ膜５５がアモルファス状態のときに、伝搬用単結晶シリコンコア層５２を伝搬する信号光が結合用単結晶シリコンコア層５４を介して伝搬用単結晶シリコンコア層５３に結合し、ＧＳＴ膜５５が結晶状態のときには、結合しないように設定している。

次いで、例えば、厚さが５０ｎｍのＳｉＯ_２−ＺｎＳ混合膜からなる保護膜５６を堆積したのち、厚さが、１５０ｎｍ〜２００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させて上部クラッド層２４とすることによって、導波路型光ゲートスイッチの基本構造が完成する。

図１０は、本発明の実施例７の導波路型光ゲートスイッチの定性的な動作の説明図であり、図１０（ａ）はクロス状態における結合部の上面図であり、図１０（ｂ）はバー状態における結合部の上面図であり、図１０（ｃ）は全体像を示す上面図である。

図１０（ａ）に示すように、ＧＳＴ膜５５がアモルファス状態の場合には、その吸収係数が小さいため、伝搬用単結晶シリコンコア層５２に入力した信号光は、結合用単結晶シリコンコア層５４を伝搬する際にＧＳＴ膜５５に吸収されずに透過し、伝搬用単結晶シリコンコア層５３に出力される。また、伝搬用単結晶シリコンコア層５３に入力した信号光は、結合用単結晶シリコンコア層５４を伝搬して、伝搬用単結晶シリコンコア層５２に出力されて、光スイッチはクロス状態となる。

ＧＳＴ膜５５をアモルファス状態にするためには、ここで、パルス幅が１ｎｓ〜１００ｎｓ、例えば、１０ｎｓ程度の高強度、例えば、１００ｍＷ程度の制御光パルスを基板上面からレンズで集光してＧＳＴ膜５５に照射すれば良い、制御光パルスの照射によりＧＳＴ膜５５は急激に温度が上昇し融点を超えて溶けるが、膜厚が薄いのと結合用単結晶シリコンコア層５４の熱伝導率が高いので急速に冷却されてアモルファス状態に相変化する。なお、制御光の波長は、相変化材料の状態にかかわらず相変化材料が吸収できる波長であれば良いが、ここでも、入手が容易なレーザの発光波長である６５０ｎｍとする。

一方、図１０（ｂ）に示すように、ＧＳＴ膜５５が結晶状態の場合には、屈折率虚部の変化も大きく、吸収率が大きく、結合用単結晶シリコンコア層５４を伝搬する信号光はＧＳＴ膜５５で吸収される、クロストークが大幅に低減される。したがって、伝搬用単結晶シリコンコア層５２を伝搬する信号光はそのまま伝搬用単結晶シリコンコア層５２から出力され、伝搬用単結晶シリコンコア層５３を伝搬する信号光はそのまま伝搬用単結晶シリコンコア層５３から出力されて、光スイッチはバー状態となる。

ＧＳＴ膜５５をアモルファス状態から結晶状態に相変化させるためには、パルス幅が１００ｎｓ〜５００ｎｓ、例えば、１００ｎｓ程度の低強度の、例えば、３０ｍＷ程度の制御光パルスを照射すると、ＧＳＴ膜５５の温度は上昇し、結晶化温度よりも高くなるが融点は超えない。このような長いパルスで比較的ゆっくりと冷却されるとＧＳＴ膜５５は結晶状態に変化する。

図１０（ｃ）は、このような光スイッチ動作を纏めたもので、バー状態は実線の矢印で示し、クロス状態は破線の矢印で示している。従来の一般的な方向性結合型光スイッチの場合には、導波路構成材料の屈折率実部を電気光学効果等により変化させ、結合長を変化させてスイッチングを行っている。

しかし、本発明においては、上述のように、相変化に伴う屈折率虚部の変化も大きな相変化材料を用いているので、結晶状態における吸収は大きく、結合長変化というよりも結合定数そのものが大きく変化してスイッチングが行われることになる。さらに、結合状態においては、僅かに結合した光も相変化材料によって吸収されるため、消光比の大きなスイッチング動作が可能になる。

１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 単結晶コア層
４ 上部クラッド層
５ 相変化材料部
６ 相変化材料膜
７ 別種材料膜
８ 保護膜
９ レンズ
１０ 制御光
１１ 相変化材料部
１２ 相変化材料膜
１３ 保護膜
２１ シリコン基板
２２ 下部クラッド層
２３ 単結晶シリコンコア層
２４ 上部クラッド層
２５，３０，３４，３９，４３，４８ 相変化材料部
２６，３１，３３，３５，３７，４０，４２，４４，４６，４９，５１，５６ 保護膜
２７ Ａｌ_２Ｏ_３膜
２８，３２，３６，４１，４５，５０，５５ ＧＳＴ膜
２９ 埋込保護膜
４７ 多モード干渉型１×１結合器
５２，５３ 伝搬用単結晶シリコンコア層
５４ 結合用単結晶シリコンコア層
６１ 石英基板
６２ 下部クラッド層
６３ ＳｉＯ_２コア層
６４ 上部クラッド層
６５ 相変化材料膜
７１ ＧＳＴ膜
７２ ＳｉＯ_２膜

Claims (12)

1. 単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、
   前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、
   前記相変化材料部は、少なくとも相変化材料膜と、前記相変化材料膜より熱伝導率の高い別種材料膜とを交互に多層に積層して構成されるとともに、前記単結晶コア層の分断部に配置された導波路型光ゲートスイッチ。
2. 前記相変化材料膜の膜厚は、一層当たり１００ｎｍ以下である請求項１に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
3. 前記別種材料膜は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮのいずれかからなる請求項１または請求項２に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
4. 前記相変化材料膜と前記別種材料膜との間に、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介在させた請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
5. 単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、
   前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、
   前記変化材料部は、１００ｎｍ以下の膜厚の相変化材料膜からなるとともに、前記単結晶コア層上にＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して積層されている導波路型光ゲートスイッチ。
6. 前記相変化材料部の少なくとも一部が、前記単結晶コア層の一部に設けた凹部に埋め込まれている請求項５に記載された導波路型光ゲートスイッチ。
7. 前記凹部が、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下の複数の凹部からなり、且つ、隣接する前記凹部の間隔が前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下である請求項６に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
8. 前記相変化材料部が、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下の複数の分割相変化材料膜要素からなり、且つ、隣接する前記分割相変化材料膜要素の間隔が前記光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下である請求項５に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
9. 前記単結晶コア層の一部が多モード干渉型１×１結合器を構成するとともに、前記相変化材料部が、前記多モード干渉型１×１結合回器上に積層されている請求項５に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
10. 単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、
    前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、
    前記単結晶コア層は、２本の伝搬用単結晶コア層と、前記２本の伝搬用単結晶コア層との間に設けられ、前記２本の伝搬用単結晶コア層を光結合する結合用単結晶コア層とからなり、
    前記変化材料部は、前記結合用単結晶コア層上に積層された相変化材料膜からなる導波路型光ゲートスイッチ。
11. 前記相変化材料膜は、１００ｎｍ以下の膜厚であるとともに、ＳｉＯ_２より硬度の低い保護膜を介して前記結合用単結晶コア層上に積層されている請求項１０に記載の導波路型光ゲートスイッチ。
12. 前記保護膜が、ＳｉＯ_２とＺｎＳとの混合材料膜からなる請求項４乃至請求項１１のいずれか１項に記載の導波路型光ゲートスイッチ。

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