JP3868122B2

JP3868122B2 - 熱光学光変調器

Info

Publication number: JP3868122B2
Application number: JP22776998A
Authority: JP
Inventors: 亮一笠原; 雅弘柳澤; 彰夫杉田; 隆司郷; 光保安; 明姫野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP2000056278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信・光情報処理等の分野で用いられる光導波回路である熱光学光変調器に関するものである。更に詳しくは、熱光学効果を利用した熱光学位相変調器もしくは熱光学強度変調器の低消費電力化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信ネットワークの光化に向けて、光機能デバイスの高機能化や小型化・低コスト化に関する研究開発が盛んに行われている。これらの光機能デバイスの形態としては、バルク型などこれまでにいろいろな形態が考えられているが、その中でも、小型化・量産性に優れた平面光導波回路に対する期待は大きい。ここで、シリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり、安定性及び光ファイバとの整合性に優れているといった特徴を有し、実用的な光回路を構成する光導波路の最有力実現手段として有望視されている。
【０００３】
石英系光導波路は、本来パッシブな機能しか持たないが、石英系ガラスの熱光学効果による屈折率変化を利用した位相変調器を作製することが可能である。図１１に従来作製されている熱光学位相変調器の概略構成を示す。図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ）はＡ−Ａ′線断面図である。
この熱光学位相変調器は、平坦なシリコン基板１上に、コア３を十分な厚さのクラッド層２で埋め込んだ埋め込み型光導波路が形成され、更に、コア３に熱を加える熱源として、コア部３上部のクラッド層表面に薄膜ヒータ４が形成されている。ここで、従来用いられている光導波路の構造は、下部クラッド層の厚さ２０μｍ、上部クラッド層の厚さ２０μｍ、コア３の断面寸法６μｍ角、コア３とクラッド２との比屈折率差０．７５％である。また、薄膜ヒータは、幅５０μｍ、長さ４ｍｍである。そして、この構造の熱光学位相変調器においては、波長１．５５μｍの信号光に対して位相を２πだけ変化させるのに必要な電力は１Ｗであった。
【０００４】
また、この熱光学位相変調器を用いた応用デバイスの例として、熱光学強度変調器が挙げられる。図１２に従来の熱光学位相変調器の概略構成例を示す。図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）はＢ−Ｂ′線断面図である。熱光学強度変調器は、２個の方向性結合器３１ａ，３１ｂを２本の直線光導波路３２ａ，３２ｂで連結したマッハツェンダ干渉計において、一方の光導波路３２ａの上部に薄膜ヒータ４を形成して熱光学位相変調器を構成し、熱を加えることで２本の光導波路中の伝搬光に位相差を与えて、出射側光導波路３４ａ，３４ｂへの出力光強度を変化させることが出来る。この熱光学強度変調器は、２本の光導波路に位相差がない場合は、クロス側の光導波路３４ｂに出力光が出射されるが、両者の位相差がπの場合は、反対の光導波路３４ａに出力されるため、薄膜ヒータへの供給電力の有無により出力側光導波路を切り替える熱光学光スイッチとして動作させることが出来る。ここで、前述の位相変調器と同じ構造の光導波路及び薄膜ヒータを用いた従来の光スイッチにおいては、スイッチングに必要な電力は０．５Ｗであった。
【０００５】
この熱光学光スイッチは、（Ｍ×Ｎ）個組み合わせてＭ×Ｎマトリックススイッチを構成することができるが、大規模なマトリックススイッチ、例えば１６×１６マトリックススイッチを構成する場合には、２５６個の熱光学光スイッチが必要になるため、消費電力の増大が深刻な問題であり、より省電力な光スイッチ、即ち、消費電力の小さな熱光学位相変調器の実現が必須である。
【０００６】
従来の熱光学位相変調器や熱光学強度変調器では、熱伝導率の高いシリコン基板への熱の拡散が消費電力を増大させていた。今までに、この低消費電力化の方法として、下部クラッド層を光導波路基板全体にわたって厚くし、熱伝導率が大きい基板への熱の拡散を防いで断熱性を向上させる検討が行われており、この方法により省電力化の効果が得られることが確認されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、あまり下部クラッド層を厚くすると、光導波路作製時の温度から常温へ戻した時に、シリコン基板とクラッド材料との熱膨張係数の差によって生じる応力複屈折が増大し、光回路の偏波特性等を劣化させる。また、光導波路基板全体にそりが大きくなり、光導波路作製工程や光ファイバ接続などの際に不具合を生じる。更に、クラッド層が厚いと、熱がクラッド層を伝わって他の光導波路部の温度を上昇させる熱干渉を起こし、他の光回路に影響を及ぼしてしまう。従って、光回路特性や作製工程の観点からは下部クラッド層の厚さを極力薄くすることが望ましい。
【０００８】
本発明は、上記の課題を鑑み、光回路特性及び作製効率と低消費電力化を両立した熱光学位相変調器及び強度変調器を実現するための光導波路の構造を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１又は請求項２に記載した熱光学強度変調器は、光導波路により構成され、２つの３ｄＢ結合器を光導波路で連結した干渉回路であり、２つの方向性結合器で挟まれた光導波路部の一方の薄膜ヒータ下部近傍の基板上に、基板に比べて熱伝導率の小さな材料が充填された基板凹部を有する構造の熱光学位相変調器が形成されており、熱光学位相変調器側のみならず、他方の光導波路の直下近傍にも、同様の基板凹部が形成されていることを特徴とする。ここで、請求項１に記載の熱光学強度変調器においては２本の光導波路の下部にある基板凹部は同じ形状であり、また、請求項２に記載の熱光学強度変調器においては２つの基板凹部の形状は異なり、位相変調器側の方に幅の広い基板凹部が形成されており、
薄膜ヒータ下部近傍の基板上に、基板に比べて熱伝導率の小さい材料で充填された第１の基板凹部が形成され、且つ、もう一方の連結光導波路下部にも、凸状に残された基板によって前記第一の基板凹部から分離された、第２の基板凹部が形成され、
薄膜ヒータの両側のクラッド層が除去され、且つ、もう一方の連結光導波路においても同じ形状でクラッド層が除去され、且つ、前記クラッド除去層のうち連結導波路間にあるものは、前記凸状に残された基板の上部に、その下面の両エッジが基板凹部面上になるように配置され、上記基板凹部から上記２本の光導波に向かう応力を遮断し、上記２本の光導波路に加わる応力をほぼ等しくしたことを特徴とする。
【００１３】
更に、上記目的を達成する本発明の請求項３に記載した熱光学強度変調器は、それぞれ請求項１ないし請求項２に記載された熱光学強度変調器において、それぞれの連結光導波路に対して基板凹部の配置が対称になるように、２本の連結光導波路の外側に、それぞれ反対側の連結光導波路下部に形成された基板凹部と同じ構造の基板凹部を配置し、薄膜ヒータの両側のクラッド層が除去され、且つ、もう一方の連結光導波路においても同じ形状でクラッド層が除去され、上記基板凹部から上記２本の連結光導波路に向かう応力を遮断し、上記２本の連結光導波路に加わる応力をほぼ等しくしたことを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成する本発明の請求項４に記載した熱光学強度変調器は、基板凹部に充填される材料が光導波路のクラッド材料であることを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成する本発明の請求項５に記載した熱光学強度変調器は、基板材料がシリコンであり、また、光導波路材料がガラス材料もくしは有機材料であることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
本発明の熱光学強度変調器では、２つの３ｄＢ結合器としての方向性結合器にある２本の光導波路部の一方の薄膜ヒータ下部近傍の基板上に前述の基板凹部を形成することで、従来のように、クラッド層の厚さを光導波路基板全体にわたって厚くすることなく、省電力化に必要な熱光学位相変調器近傍のクラッド層の厚さのみを厚くすることができ、省電力で、応力複屈折や基板のそりが少なく、且つ、他方の光導波路部への熱干渉が小さい熱光学強度変調器を構成することができる。
【００２１】
加えて、本発明の請求項１ないし請求項２に記載した熱光学強度変調器は、上記熱光学強度変調器において、熱光学位相変調器側だけでなく他方の光導波路部にもコア部の直下近傍に同様の基板凹部を形成することで、２つの３ｄＢ結合器としての方向性結合器を連結する２本の光導波路に加わる応力をほぼ等しくすることができ、基板凹部構造の採用に伴う応力の増加が抑えられた熱光学強度変調器を作製することができる。
【００２２】
更に、本発明の請求項３に記載した熱光学強度変調器は、それぞれ請求項１ないし請求項２に記載された熱光学強度変調器において、熱光学位相変調器部、及び、他方の光導波路部の両方からみて基板凹部の配置が対称になるように、平行するもう一方の光導波路部の反対側にも基板凹部を形成することで、２つの３ｄＢ結合器としての方向性結合器に挟まれた２本の光導波路に加わる熱応力を等しくすることができ、請求項１ないし請求項２に記載された熱光学強度変調器に比べて、更に基板凹部構造の採用に伴う応力の増加が抑えられた熱光学強度変調器を構成することができる。
【００２３】
本発明の請求項１ないし３に記載した熱光学強度変調器は、上記構成に加え、２つの３ｄＢ結合器としての方向性結合器に挟まれた２本の光導波路共に両側のクラッド層を除去することで、薄膜ヒータで生じた熱がクラッド層中を光導波路基板の水平方向に拡散するのを防ぎ、更に省電力な熱光学強度変調器を構成することができる。また、この熱光学強度変調器は、光導波路近傍を除いた領域のクラッド層を除去することで、基板凹部で生じた応力が光導波路に影響を及ぼすのを防ぐことができ、応力複屈折による特性劣化が小さい熱光学強度変調器を構成することができる。
【００２４】
本発明の請求項４に記載した熱光学強度変調器は、基板凹部に充填する材料として光導波路のクラッド材料を用いるため、作製工程での整合性が良く、また、基板凹部の充填材料と光導波路材料との間で材料物性の違いによる応力等の影響による光導波回路の特性劣化も防止できる。
【００２５】
また、本発明の請求項５に記載した熱光学強度変調器は、基板材料としてシリコンを、光導波路材料としてガラス材料もしくは有機材料を用いるため、熱伝導率の差が大きい組み合わせであり、本発明による低消費電力化の有効性が非常に大きな熱光学強度変調器を実現出来る。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例について述べる。
【００２７】
［実施例１］
本発明の第１の実施例に係る熱光学位相変調器を図１に示す。図１（ａ）は上面図、図１３（ｂ）はＣ−Ｃ′線断面図である。
同図に示すように、本実施例では、シリコンからなる基板１上の薄膜ヒータ直下近傍に凹部を設け、その凹部を石英系ガラスからなるクラッド材料で満たした基板を形成し、その上に、石英系ガラスからなる埋め込み型光導波路クラッド層２が形成されるとともにこのクラッド層２には石英系ガラスからなるコア部３が埋め込まれ、更に、このコア部３の上部のクラッド層２上面にクロムからなる薄膜ヒータ４が形成されている。
【００２８】
ここで、本実施例で作製した位相変調器の構造は、光導波路の構造は従来の技術の、下部クラッド層の厚さ２０μｍ、上部クラッド層の厚さ２０μｍ、コア部３の断面寸法６μｍ角、コア部３とクラッド層２との比屈折率差０．７５％である。基板凹部５のサイズは深さ６０μｍ、幅２００μｍ、長さ５ｍｍである。また、薄膜ヒータ４のサイズは、幅５０μｍ、長さ４ｍｍである。なお、以降の実施例においては、各寸法及び比屈折率差は上記と同様とした。
【００２９】
このような構造の熱光学位相変調器は、図２に示す手順で作製される。まず、図２（ａ）に示すように、平坦なシリコン基板１の薄膜ヒータが装荷される領域の下部に位置する部分に、アルカリ水溶液を用いたウエットエッチングにより図２（ｂ）に示すような基板凹部５を形成する。
次に、図２（ｃ）に示すように、基板凹部５付きの基板１上に石英ガラスを主成分とするクラッド層２を火炎堆積法を用いて形成した後、研磨により上面を平坦にする。
引き続き、図２（ｄ）に示すように、従来から石英系光導波路の作製に用いられている火炎堆積法と反応性エッチングの組み合わせにより、コア３及びクラッド層２からなる石英系光導波路を作製した。
最後に、図２（ｅ）に示すように、真空蒸着法でクロム金属膜を蒸着し、ウエットエッチングでパターン化して、薄膜ヒータ４を形成した。
なお、本実施例においては、光導波路の作製に火炎堆積法を用いているが、これに何ら縛られるものではなく、気相法やゾルゲル法といったあらゆる方法を用いることが可能である。
【００３０】
このような構造の熱光学位相変調器において、薄膜ヒータに電力を供給して位相を変えていった所、波長１．５５μｍの信号光に対して位相を２πだけ変化させるのに必要な電力は０．５６Ｗであった。ここで、前述の基板凹部を有しない従来構造の位相変調器においては、同様に２πだけ位相変化させるためには１．０Ｗ必要であり、半分近くに消費電力を低減する事が可能となった。また、基板凹部の面積は、その他の光回路のそれと比べて十分小さいため、基板のそりはほとんどかわらなかった。
【００３１】
なお、以後の全ての実施例における熱光学位相変調器、及び、熱光学強度変調器は、本実施例と同様に、熱伝導率の大きい基板としてシリコン基板を、基板に比べて熱伝導率の小さい材料として石英系ガラスからなるクラッド材料を使用したものである。ここでは、基板と低熱伝導率材料として、シリコン基板と石英系ガラスからなるクラッド材料の組み合わせを用いたが、光導波路材料として有機材料を用いた場合は、熱伝導率の差がより大きくなるので更に有効的である。有機材料を用いて同様の構造を作製する方法としては、上記の研磨を用いる方法も適用可能であるが、この他、金型を用いて基板凹部内と下部クラッド層を同時に形成する方法や、有機材料の粘性を調整してスピンコート法により光導波路を作製する方法等によってもこのような構造を実現できる。また、本発明は基板に形成された凹部に基板よりも熱伝導率の小さい材料を埋め込めば、他の組み合わせでも省電力効果が得られることは自明である。
【００３２】
［実施例２］
本発明の第２の実施例に係る熱光学位相変調器を図３に示す。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）はＤ−Ｄ′線断面図である。
同図に示すように、本実施例の熱光学位相変調器は、実施例１の熱光学位相変調器において、薄膜ヒータの両側のクラッド層を除去して、断熱溝６ａ，６ｂを形成したものであり、その他の構成は、実施例１の熱光学位相変調器と同様であるので、構成の説明は省略する。
本実施例の熱光学位相変調器の作製方法としては、薄膜ヒータ４の形成までは、実施例１と同様であり、その後、反応性エッチングを用いてクラッド層２を除去した。ここで、光導波路の水平方法のクラッド層残し幅は６０μｍとした。なお、これ以外の概略寸法は実施例１と同様である。
【００３３】
この構造の熱光学位相変調器において、波長１．５５μｍの信号光に対して位相を２πだけ変化させるのに必要なヒータ供給電力は０．３６Ｗとなり、従来構造での１Ｗに比べて半分以下に消費電力を低減出来た。
本実施例の熱光学位相変調器では、薄膜ヒータ３の両脇部のクラッド層が除去されているため、水平方向への熱の拡散を防ぐことができ、実施例１のいずれの熱光学位相変調器と比べて、更に省電力効果が大きかった。
【００３４】
［実施例３］
本発明の第３の実施例に係る熱光学強度変調器を図４に示す。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）はＥ−Ｅ′線断面図である。本実施例は、光スイッチに応用したものである。
本実施例における光スイッチでは、シリコン基板１上に、石英系光導波路により構成される３ｄＢ結合器としての方向性結合器３１ａ，３１ｂと、これらの方向性結合器を連結するように直線光導波路３２ａ，３２ｂが形成され、全体としてマッハツェンダ光干渉回路が形成されている。更に、片側の直線光導波路３２ａには、コア３２ａ上部のクラッド層２表面にクロム金属膜からなる薄膜ヒータ４が、また、薄膜ヒータ４下部には基板凹部５１ａが形成され、実施例１に記載した熱光学位相変調器が構成されている。なお、本実施例及び以降の実施例では、３ｄＢ結合器として方向性結合器を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばマルチモード干渉型結合器等の他の３ｄＢ結合器を用いることができる。
ここで、直線光導波路３２ａ，３２ｂの間隔、入力端光導波路３３ａ，３３ｂの間隔、出力端光導波路３４ａ，３４ｂの間隔は全て２５０μｍである。これ以外の概略寸法は、実施例１と同様である。なお、本実施例の光スイッチの作製手順は実施例１と同様であるので、説明は省略する。
【００３５】
本実施例の光スイッチにおいて、波長１．５５μｍの信号光に対してスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力を測定したところ、０．２８Ｗであった。また、光スイッチのスルー側の光導波路３２ａでの消光比は１５ｄＢであった。ここで、従来構造の光スイッチにおいては前述の通りスイッチング電力は０．５Ｗであり、また、消光比は３０ｄＢであった。
【００３６】
以上の結果から、本実施例の構成の光スイッチは、従来構造の光スイッチに比べて、約１／２へ省電力化が達成されることを確認した。反面、本実施例では、片側の直線光導波路３２ａの下部にのみ基板凹部５１ａが形成されているため、２本の光導波路に掛かる応力が不均一になることにより２本の直線光導波路３２ａ，３２ｂにおける偏波状態の変化が異なり、消光比が劣化している。
【００３７】
［実施例４］
本発明の第４の実施例に係る熱光学強度変調器を図５に示す。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）はＦ−Ｆ′線断面図である。本実施例は、光スイッチに応用したものである。
本実施例における光スイッチは、実施例３の光スイッチにおいて、熱光学位相変調器用直線光導波路３２ａの下部だけでなく、他方の直線光導波路３２ｂ下部にも熱光学位相変調器側の基板凹部５１ａと同寸法の基板凹部５１ｂを形成したものである。
【００３８】
本実施例の光スイッチにおいて、断熱用溝のサイズは、熱光学位相変調器側５１ａ、及び他方の光導波路側５１ｂとも深さ６０μｍ、幅２００μｍ、長さ５ｍｍである。これ以外の概略寸法は、実施例４と同様である。なお、本実施例の光スイッチにおける、作製手順は実施例１と同様であるので、説明は省略する。
【００３９】
本実施例の光スイッチにおいて、波長１．５５μｍの信号光に対してスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力を測定したところ、０．２８Ｗであった。また、光スイッチのスルー側の光導波路３２ａでの消光比は２５ｄＢであった。この値は、実施例３と比較してスイッチング電力に関しては同じながら、消光比に関しては大幅に改善された。これは、基板凹部５１ａ，５１ｂを両方の直線導波路に配置することにより、基板凹部に起因する応力の不均一性が大幅に低減されたことによる。
【００４０】
［実施例５］
本発明の第５の実施例に係る熱光学強度変調器を図６に示す。図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）はＧ−Ｇ′線断面図である。本実施例は、光スイッチに応用したものである。
本実施例における光スイッチは、実施例４の光スイッチにおいて、熱光学位相変調器側の直線光導波路３２ａ下部の基板凹部５２ａ側を、他方の直線光導波路下部に形成された基板凹部５２ｂに比べて幅の広い構造としている。
【００４１】
本実施例の光スイッチにおいて、基板凹部のサイズは、深さ６０μｍ、長さ５ｍｍであり、幅に関しては、熱光学位相変調器側の断熱用溝５２ａが３００μｍ、他方の直線光導波路側の断熱用溝５２ｂが１５０μｍである。これ以外の概略寸法は、実施例４と同様である。なお、本実施例の光スイッチの作製手順は実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
【００４２】
本実施例の光スイッチにおいて、波長１．５５μｍの信号光に対してスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力を測定したところ、０．２４Ｗであった。また、光スイッチのスルー側の光導波路３２ａでの消光比は２０ｄＢであった。この値は、実施例４と比較してスイッチング電力に関しては若干低減され、消光比に関しては劣化が見られた。これは、基板凹部の幅が位相変調器側で広くなったために断熱性が向上したためである。また、消光比は基板凹部の幅が異なることにより応力が不均一となり、若干の消光比劣化として現れた。
【００４３】
［実施例６］
本発明の第６の実施例に係る熱光学強度変調器を図７に示す。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）はＨ−Ｈ′線断面図である。本実施例は、光スイッチに応用したものである。
本実施例における光スイッチは、実施例４の光スイッチにおいて、それぞれの直線光導波路３２ａ，３２ｂの下部に基板凹部５１ａ，５１ｂを形成し、且つ、２本の直線光導波路３２ａ，３２ｂに加わる応力を更に均一にするために、それぞれの直線光導波路からみて左右対称になるように、更に基板凹部５１ｃ，５１ｄを配置したものである。
【００４４】
本実施例の光スイッチにおいて、図７においては、全ての基板凹部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄのサイズは、深さ６０μｍ、幅２００μｍ、長さ５ｍｍで同じである。これ以外の概略寸法は、実施例４と同様である。なお、本実施例の光スイッチの作製手順は実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
【００４５】
本実施例の光スイッチにおいて、波長１．５５μｍの信号光に対してスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力を測定したところ、０．２８Ｗであった。また、光スイッチのスルー側の光導波路３２ａでの消光比は２８ｄＢであった。この値は、実施例４と比較してスイッチング電力に関しては変わらないが、消光比に関しては従来構造とほぼ等しく劣化のない特性が得られた。これは、各光導波路に対してほぼ完全に対称性をとった基板凹部の配置にしたためである。
【００４６】
［実施例７］
本発明の第７の実施例に係る熱光学強度変調器を図８に示す。図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）はＩ−Ｉ′線断面図である。本実施例は、光スイッチに応用したものである。
本実施例における光スイッチは、実施例６の光スイッチにおいて、２本の直線光導波路３２ａ，３２ｂの下部に幅の異なる基板凹部５２ａ，５２ｂを形成し、更に、直線光導波路３２ａ，３２ｂに斜め方向からの応力がかかるのを防ぐために、それぞれの直線光導波路３２ａ，３２ｂからみて左右対称になるように、更に幅の異なる断熱用溝５２ｃ，５２ｄを形成したものである。
【００４７】
本実施例の光スイッチにおいて、基板凹部のサイズは、深さ６０μｍ、長さ５ｍｍで、幅は基板凹部５２ａ，５２ｄが３００μｍ、基板凹部５２ｂ，５２ｃが１００μｍである。これ以外の概略寸法は、実施例４と同様である。なお、本実施例の光スイッチの作製手順は実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
【００４８】
本実施例の光スイッチにおいて、波長１．５５μｍの信号光に対してスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力を測定したところ、０．２４Ｗであった。また、光スイッチのスルー側の光導波路３２ａでの消光比は２４ｄＢであった。この値は、実施例５と比較してスイッチング電力に関して変わらないが、消光比に関しては特性改善が図られた。これは、各光導波路に対する対称性を改善するように基板凹部を配置したためである。
【００４９】
［実施例８］
本発明の第８の実施例に係る熱光学位相変調器を図９に示す。図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）はＪ−Ｊ′線断面図である。本実施例は、光スイッチに応用したものである。
同図に示すように、本実施例は、実施例５の熱光学強度変調器において、２本の直線光導波路３２ａ，３２ｂのコア部近傍を除く領域のクラッド層を除去して、断熱領域である断熱溝６１ａ，６１ｂ，６１ｃを形成したことを特徴とする。その他の構成は、実施例５の光スイッチと同様である。
【００５０】
本実施例において、断熱溝６１ａ，６１ｂ，６１ｃは、反応性エッチングにより除去して形成した。光導波路の水平方向のクラッド層残し幅は６０μｍである。それ以外の概略寸法は、実施例５の光スイッチと同様である。なお、本実施例の光スイッチは、実施例１と同様に図２に示す手順、及び反応性エッチングによるクラッド層の除去プロセスにより作製した。
【００５１】
本実施例の光スイッチにおいて、波長１．５５μｍの信号光に対してスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力を測定したところ、０．１８Ｗであった。また、光スイッチのスルー側の光導波路３２ａでの消光比は３０ｄＢであった。この値は、実施例５と比較してスイッチング電力に関しては断熱溝の効果により水平方向への熱の拡散が抑制されているためである。また、消光比に関しては、断熱溝により基板凹部から光導波路に向かう応力が遮断され、従来型に対しても劣化のない特性が得られた。また、この断熱溝の採用は、実施例６での基板凹部の形状が異なる場合に対しては非常に有効であり、断熱溝により応力不均一による消光比劣化はほぼ完全に無くすことが可能である（消光比２８ｄＢに改善された）。
【００５２】
［実施例９］
本発明の第９の実施例に係る熱光学強度変調器を図１０に示す。図１０（ａ）は、上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の破線部分Ｘの拡大図、図１０（ｃ）はＫ−Ｋ′線断面図である。本実施例は、４×４光スイッチに応用したものである。
同図に示すように、本実施例は、実施例８の光スイッチを４つ組み合わせて構成したものである。４個の薄膜ヒータ４に供給する電力を調整することで、４本ある出力側光導波路３４の中から出力光が得られる出力側光導波路を任意に切り替えることができる。本実施例において、平行に並ぶ４本の直線光導波路３２が等間隔で並ぶように、２つのマッハツェンダ干渉回路の距離２５０μｍとした。それ以外の概略寸法は、実施例８の光スイッチと同様である。なお、本実施例の光スイッチは、実施例１と同様に図２に示す手順、及び反応性エッチングによるクラッド層の除去プロセスにより作製した。
【００５３】
本実施例の光スイッチにおいて、全ての光スイッチ（２×２光スイッチ４個）を動作させた場合のスイッチング動作に必要な薄膜ヒータ４への供給電力は０．７２Ｗであり、消光比は６０ｄＢであった。従来構造の光スイッチ４個を用いて４×４スイッチを構成した場合は、全ての光スイッチを動作させた場合に必要な供給電力は２．０Ｗであり、消光比が６０ｄＢであることから、本実施例の光スイッチでは、従来構造の光スイッチに比べて、消光比を劣化させることなく、消費電力を２分の１以下へ低減することが出来た。また、本実施例では、断熱溝６１を有する構造の光スイッチを使用したが、断熱溝６１を有しない光スイッチを用いた場合でも、直線光導波路３２が等間隔に並ぶように熱光学強度変調器を平行に並べれば、基板凹部５１の構造対称性が保たれて、直線光導波路３２のコア部に加わる応力の不均一による特性劣化を十分に低く抑えることが出来る。
【００５４】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明では、基板材料の熱伝導率が光導波路材料に対して大きい場合に、熱光学位相変調器の消費電力を低減するために、薄膜ヒータの下部近傍の基板上に基板に比べて熱伝導率の小さい材料を充填した基板凹部を配置する構造を採用している。これにより、基板全体に渡って下部クラッド層を厚くする必要が無くなり、シリコンと石英ガラスもしくは有機材料といった、基板と光導波路での熱膨張係数が大きく異なる材料の組み合わせに対して非常に有効である。また、本発明では、基板凹部と断熱溝とを相乗的に用いる事により、更に省電力な熱光学位相変調器を作製している。
【００５５】
更に、本発明では、前記の熱光学位相変調器を応用して強度変調器を作製する際に、基板凹部と断熱溝を各光導波路に対して対称に並ぶように配置することで、光導波路に対する応力の不均一性を低減もしくは完全に無くすことが可能となり、省電力効果と良好な光学特性を兼ね備えた実用的な熱光学位相変調器及び強度変調器を実現する上で極めて効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例に係る熱光学位相変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＣ−Ｃ′線断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る熱光学位相変調器の作製方法を示す工程図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施例に係る熱光学位相変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＤ−Ｄ′線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施例に係る熱光学強度変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＥ−Ｅ′線断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の第４の実施例に係る熱光学強度変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＦ−Ｆ′線断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第５の実施例に係る熱光学強度変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＧ−Ｇ′線断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の第６の実施例に係る熱光学強度変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＨ−Ｈ′線断面図である。
【図８】（ａ）は本発明の第７の実施例に係る熱光学位相変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＩ−Ｉ′線断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第８の実施例に係る熱光学位相変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＪ−Ｊ′線断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第９の実施例に係る熱光学位相変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＫ−Ｋ′線断面図である。
【図１１】（ａ）は従来の熱光学位相変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ′線図である。
【図１２】（ａ）は従来の熱光学強度変調器の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ′線断面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２クラッド層
３コア部
４薄膜ヒータ
５基板凹部
６断熱溝
３１，３１ａ，３１ｂ方向性結合器
３２光導波路
３２ａ熱光学位相変調器側光導波路
３２ｂ他方光導波路側光導波路
３３，３３ａ，３３ｂ入力側光導波路
３４，３４ａ，３４ｂ出力側光導波路
５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ基板凹部（標準）
５２ａ，５２ｄ基板凹部（幅広）
５２ｂ，５２ｃ基板凹部（幅狭）
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ断熱溝

Claims

コアを十分な厚さのクラッド層で埋め込んだ形状の埋め込み型光導波路からなり、２個の３ｄＢ結合器とこれを連結する２本の光導波路、及び、その一方の光導波路上に装荷された薄膜ヒータにより構成されるマッハツェンダ干渉計型光強度変調器において、
薄膜ヒータ下部近傍の基板上に、基板に比べて熱伝導率の小さい材料で充填された第１の基板凹部が形成され、且つ、もう一方の連結光導波路下部にも、凸状に残された基板によって前記第一の基板凹部から分離された、同じ構造の第２の基板凹部が形成され、
薄膜ヒータの両側のクラッド層が除去され、且つ、もう一方の連結光導波路においても同じ形状でクラッド層が除去され、且つ、前記クラッド除去層のうち連結導波路間にあるものは、前記凸状に残された基板の上部に、その下面の両エッジが基板凹部面上になるように配置され、前記基板凹部から前記２本の光導波路に向かう応力を遮断し、前記２本の光導波路に加わる応力をほぼ等しくしたことを特徴とする熱光学強度変調器。
コアを十分な厚さのクラッド層で埋め込んだ形状の埋め込み型光導波路からなり、２個の３ｄＢ結合器とこれを連結する２本の光導波路、及び、その一方の光導波路上に装荷された薄膜ヒータにより構成されるマッハツェンダ干渉計型光強度変調器において、
薄膜ヒータ下部近傍の基板上に、基板に比べて熱伝導率の低い材料で充填された第１の基板凹部が形成され、且つ、もう一方の連結光導波路下部には、凸状に残された基板によって前記第一の基板凹部から分離された、前記凹部の幅よりも幅の小さい構造の第２の基板凹部が形成され、
薄膜ヒータの両側のクラッド層が除去され、且つ、もう一方の連結光導波路においても同じ形状でクラッド層が除去され、且つ、前記クラッド除去層のうち連結導波路間にあるものは、前記凸状に残された基板の上部に、その下面の両エッジが基板凹部面上になるように配置され、前記基板凹部から前記２本の光導波路に向かう応力を遮断し、前記２本の光導波路に加わる応力をほぼ等しくしたことを特徴とする熱光学強度変調器。
請求項１若しくは２のいずれか１項に記載の熱光学強度変調器において、
各々２本の連結光導波路から見て基板凹部の配置が対称になるように、連結光導波路の外側にそれぞれ反対側の連結光導波路下部に形成された基板凹部と同じ構造の基板凹部が配置され、
薄膜ヒータの両側のクラッド層が除去され、且つ、もう一方の連結光導波路においても同じ形状でクラッド層が除去され、前記基板凹部から前記２本の連結光導波路に向かう応力を遮断し、前記２本の連結光導波路に加わる応力をほぼ等しくしたことを特徴とする熱光学強度変調器。
請求項１から３のいずれかの１項に記載された熱光学強度変調器において、
基板凹部に充填される材料がクラッド材料であることを特徴とする熱光学強度変調器。
請求項１から３のいずれかの１項に記載された熱光学強度変調器において、
基板材料がシリコンであり、光導波路材料がガラス材料もくしは有機材料であることを特徴とする熱光学強度変調器。