JP3952294B2 - 導波路型光スイッチ - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、光通信システム等において光路の設定や切替に用いられる導波路型光スイッチに関し、特に、大規模な導波路型光スイッチとしての適用が有効な発明である。
【0002】
【従来の技術】
石英系光導波路は伝搬損失が0.1dB/cm以下と小さく、熱的及び機械的に安定で長期信頼性に優れていることから、実用的な光部品として注目されている。これまでに、この石英系光導波路に熱光学移相器を設けた光スイッチが作製され、良好に動作することが確認されている(非特許文献1参照。)。また、高分子系の光導波路についても同様の検討がなされ、より消費電力の低いデジタル光スイッチが作製されている(非特許文献2,3参照。)。
【0003】
図9は、従来の導波路型光スイッチの一例の概略構成図である。同図に示すように、導波路型光スイッチは、入力光導波路117a,bと、2個の3dB光方向性結合器111,112と、2個の3dB光方向性結合器111,112を結ぶアーム導波路113a,113bと、出力光導波路118a,bとからなるマッハツェンダ干渉計の構成を有し、少なくとも一方のアーム導波路113aに熱光学移相器114を備えている。熱光学移相器114としては、クロムや窒化タンタル等の高抵抗の薄膜ヒータを用いるのが一般的である。
【0004】
同図に示す導波路型光スイッチでは、一方のアーム導波路113aに設けられた熱光学移相器114を駆動し光導波路を暖めることにより、熱光学効果を誘起する。すなわち、屈折率を変化させて2本のアーム導波路113a,113bの実効的な光路長差を変化させることで、後段の光方向性結合器112において合流する光の干渉状態を変化させ光路の切替えを行う。光方向性結合器112において合流する光が同位相もしくは2Nπ(Nは整数)の場合にはクロス経路、(2N−1)πの場合にはバー経路へ光が出力される。
【0005】
この導波路型光スイッチは低光損失、高消光比であると共に、これらの光学特性の偏波依存性が非常に小さいことから、光ファイバ伝送路を伝搬し偏波状態が変動した光信号の光路切り替えに適した実用的な光スイッチであり、例えば、当該光スイッチを64個集積した石英系8×8マトリックススイッチがすでに商品化されている。また、これらを用いて光信号を電気信号に変換することなく、光信号のまま光伝送路の切り替えを行う光交換方式の実験もすでに実施されている(非特許文献4参照。)。
【0006】
【非特許文献1】
T.Goh,A.Himeno,M.Okuno,H.Takahashi and K.Hattori、“High-Extinction Ratio and Low-Loss Silica-Based 8×8 Strictly Nonblocking Thermooptic Matrix Switch”、Journal of Lightwave Technology、1999、17(7)、p1192-1199
【非特許文献2】
T.Watanabe,N.Ooba,Y.Hida,S.Hayashida,T.Kurihara and S.Imamura、“Digital Thermooptic Switch Formed Using Silicone Resin Wavegiodes”、Japanese Journal of Applied Physics、1997、36、p1672-1674
【非特許文献3】
F.L.W.Rabbering,J.F.P.van Nunen and L.Eldada、“Po1ymeric 16×16 Dogotal Optical Switch Matrix”、27th ECOC 2001、Sep.2001、Vol.6、p78-79
【非特許文献4】
姫野、山口、奥野、松永、“導波路型光スイッチを用いた空間分割光交換システム”、NTT R&D、1992、41(8)、p937-946
【特許文献1】
特開2000−258808号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述する多入力多出力スイッチは、将来のフォトニックネットワークを構築するためのキーデバイスのひとつであり、高速・大容量の光通信に向けてさらに多くの入出カポートを持つものが求められている。しかしながら、光スイッチの大規模化にあたっては、入出力数の増加に伴って熱光学移相器等を駆動するための電気配線数が急激に増加し、光スイッチそのものの作製が実現困難となるという問題がある。
【0008】
32×32マトリクス光スイッチを例とし、従来の給電方法をとる場合の問題点を以下に説明する。32×32マトリクス光スイッチには、原理的には最低1024個のスイッチ要素があればよい。このため、理論上は熱光学移相器等を駆動するための電気配線数は1024本となる。
【0009】
しかしながら、重要な光学特性である消光比を数十nmの広い波長域にわたって確保するために、図10に示すようにスイッチ要素一つあたりについて、前段スイッチ要素115と後段スイッチ要素116との二段構成(上記特許文献1参照)とし、さらに製造過程での損傷に備えて、熱光学移相器をアーム導波路113aに設置するのみでなく、他方のアーム導波路113bにも設置する(熱光学移相器114b)。
【0010】
このように性能やリスク管理の面で万全を図った場合、光スイッチ全体で必要な電気配線数は4倍の4096本となる。
【0011】
図11は、光スイッチのチップの概略構成図である。同図に示すように、光スイッチのチップ200は基板204上に光導波路202、スイッチング部分203等が搭載されてなり、チップ端部(チップの周辺部分)には熱光学移相器等を駆動するための電気配線の終端部である電極パッド201が配置されている。すなわち、熱光学移相器等から延びた電気配線がチップ端部に集合して設けられた電極パッド201に結線した構造となっている。
【0012】
ここで、上述する電気配線数が4096本の場合には、電極パッド201の総数nも4096個となる。光スイッチのチップ200をマウントする配線付セラミクス基板等と電極パッド201との間をワイヤボンディングにより電気接続することを想定し、電極パッド201のピッチaを100μmとした場合には、電極パッド201の配置に必要な延べ長さは約41cmとなる。
【0013】
一方、現状の技術では、32×32マトリクス光スイッチのチップは6インチシリコン基板上に作製されるが、切り出される正方形チップの四辺(一辺の長さをLとする)のうち、一つの対向する二辺は実際の使用時やチップ検査時の光の入出力のため電極パッドの設置に用いることはできない。したがって、四辺のうち残りの二辺が実際の電極パッドの設置に使用可能となるが、その延べ長さ2×Lは約20cmであり、上記で計算される必要な延べ長さ41cmには足りない長さとなってしまう。また、各熱光学移相器からチップ端部の電極パッドに向かって延びる大量の電気配線は、チップ上において大きい面積を占めるので、限られたチップ面積に対して設置可能な電気配線の数にも限界が生じる。
【0014】
以上より、チップ端部のみで電気接続を行う現在の技術では、光スイッチの大規模化は困難であることが分かる。また、この問題は光スイッチの大規模化が進むほど深刻なものとなる。
【0015】
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、電気配線の問題を解消した大規模な導波路型光スイッチを提供することを目的とする。
【0016】
【課題解決するための手段】
本発明者らは、従来行われていた光スイッチのチップ周辺部のみに電極パッドを配置するのではなく、チップ表面における任意の場所に電極パッドを設置する構造とし、電力供給のために別に用意したプリント配線板を前記電極パッドに合わせて固着させることにより、光スイッチの大規模化が可能になることを見出し、本発明を完成するに至った。ここで、「チップ表面における任意の場所に設置する」とは、チップ表面であればどこに設置してもよく、一定の場所に限定されない。もちろん、チップ周辺部(端部)も設置場所として含めるが、チップ周辺部のみに設置する場合は含まれない。
【0017】
上記課題を解決する第1の発明は、基板上に形成された導波路と、当該導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを有し、当該屈折率制御手段の作動により光スイッチングを行うスイッチ素子と、
前記屈折率制御手段から延びる電気配線の終端に設けられる電極パッドとを有する導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドは、前記スイッチ素子が複数形成されてなるチップの周辺部以外の1または複数の位置に並べて設置され、前記電極パッドに電気接続され、外部から前記屈折率制御手段に電力供給するプリント配線板を有し、
前記プリント配線板と前記電極パッドとが、異方性導電ペースト又は異方性導電フィルムを用いて電気接続されていることを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0018】
上記課題を解決する第2の発明は、第1の発明に係る導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドが並んで形成される電極パッドの列における電極パッドのピッチaと、前記チップの表面に設置された電極パッドの総数nと、前記チップの一辺の長さLとの関係が、
a×n>2Lであることを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0019】
上記課題を解決する第3の発明は、基板上に形成された2本の入力光導波路と、2個の光結合器と、2本のアーム導波路と、2本の出力光導波路と、前記アーム導波路の少なくとも一方に装荷され前記アーム導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを有するマッハツェンダ干渉計から構成され、前記屈折率制御手段の作動により光スイッチングを行うスイッチ素子と、
前記屈折率制御手段から延びる電気配線の終端に設けられる電極パッドとを有する導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドは、前記スイッチ素子が複数形成されてなるチップの周辺部以外の1又は複数の位置に並べて設置され、
前記電極パッドに電気接続され、外部から前記屈折率制御手段に電力供給するプリント配線板を有し、
前記プリント配線板と前記電極パッドとが、異方性導電ペースト又は異方性導電フィルムを用いて電気接続され、
前記電極パッドが並んで形成される電極パッドの列における電極パッドのピッチaと、前記スイッチ素子が複数形成されてなるチップの表面に設置された電極パッドの総数nと、前記チップの一辺の長さLとの関係が、
a×n>2Lであることを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0020】
上記課題を解決する第4の発明は、第1ないし第3の発明のいずれかに係る導波路型光スイッチにおいて、
前記屈折率制御手段は、熱により屈折率を変化させる熱光学移相器、電流注入により導波路の屈折率を変化させる装置、又は電圧印加により導波路の屈折率を変化させる装置のいずれかであることを特長とする導波路型光スイッチである。
【0021】
上記課題を解決する第5の発明は、第1ないし第4の発明のいずれかに係る導波路型光スイッチにおいて、
前記導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0022】
上記課題を解決する第6の発明は、第1ないし第5の発明のいずれかに係る導波路型光スイッチにおいて、
前記導波路は、高分子系光導波路であることを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0023】
上記課題を解決する第7の発明は、第1ないし第6の発明のいずれかに係る導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドと前記プリント配線板との設置位置を正確に一致させるアライメントマークを設けたことを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0024】
上記課題を解決する第8の発明は、第1の発明ないし第7の発明のいずれかに係る導波路型光スイッチにおいて、
前記プリント配線板は、フレキシブルプリント配線板であることを特徴とする導波路型光スイッチである。
【0025】
本発明において重要なポイントは、電力供給のための電極パッドをチップ端部のみに配置するのではなく、チップ表面における任意の場所に電極パッドを設置し、当該電極パッドへ直接にプリント配線板を介して給電する構造としたことである。これにより多数の電気配線を必要とする大規模光スイッチの実現が可能となる。
【0026】
また、光スイッチの材料として石英系材料を用いることにより、光ファイバとの良好な整合性を確保することができ、高分子系材料を用いることにより安価な設備で製造することが出来るという利点がある。更に、可撓性を有するフレキシブルプリント配線板を使用することで、導波路型光スイッチと制御系とを電気接続する際に、両者の位置関係を制限せずに接続することが出来るという利点がある。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチは、基本的には図9に示したように、入力光導波路117a,bと、2個の3dB光方向性結合器111,112と、2個の3dB光方向性結合器111,112を結ぶアーム導波路113a,113bと、出力光導波路118a,bとからなるマッハツェンダ干渉計において少なくとも一方のアーム導波路113aに屈折率制御手段である熱光学移相器114を設けた構成となっている。
【0028】
熱光学移相器114は、例えば薄膜ヒータであり、アーム導波路113aの真上に配置されている。また、屈折率制御手段としては、温度変化により導波路の屈折率を変化させる熱光学移相器のほかに、LiNbO3などで導波路を作製した場合には、電流注入、あるいは電圧印加などにより導波路の屈折率を変化させる装置でもよい。
【0029】
また、消光比の向上や製造リスクの回避のために、図10に示すようにスイッチ要素を前段スイッチ要素115と後段スイッチ要素116とから構成する二段構成としてもよい。
【0030】
これらの構成は、いずれも火炎加水分解反応堆積法、反応性イオンエッチング技術、金属薄膜形成技術などの公知の技術の組み合わせで形成される。
【0031】
本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチは、電極パッドへの給電構造に特徴を有する。図1及び図2は、本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチの概略構造図であり、特に電極パッドへの給電構造について示した図である。なお、いずれの図においても、プリント配線板中の電気配線については省略してある。
【0032】
同図に示すように、本実施形態では、電気接続用の電極パッドをチップ端部(チップの周辺部分)に配置するという構造(図11参照)を採用せず、電極パッド211をチップ210の上表面の任意の場所(チップの端部に限られない)に配置するという構造とした。すなわち、チップ210上に配置される熱光学移相器から延びる配線を、チップ端部のみに集合させるという構造ではなく、チップ210上の複数の任意の場所に集合させ、電極パッドに結線するという構造とした。
【0033】
更に、チップ210の上表面の任意の場所に配置した電極パッド211に、プリント配線板212、あるいは可撓性を有するフレキシブルプリント配線板213を接続して、熱光学移相器に給電する構造とした。なお、アライメントマーク14は、プリント配線板212をチップ210に固定する際に基準となるマークである。
【0034】
本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチは、光スイッチのチップの端部に限らずチップ表面の任意の場所にプリント配線板が固定された構造であれば、それ以外の構成に関する構造については特に限定されない。以下、本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチの作製方法の一例を、「光スイッチのチップの作製方法」及び「チップへのプリント配線板の固定方法」に分けて説明する。
【0035】
<光スイッチのチップの作製方法>
図3は、光スイッチのチップの作製する工程において、光導波路を形成する方法の一例を示す図である。また、図4は、形成した光導波路に熱光学移相器を設置した状態の概略外観図である。なお、内部のアーム導波路等を点線で示す透視図とした。図5は、図4のV−V断面図である。
【0036】
図3に示すように、まず、シリコン基板311上に石英系の光導波路を形成する。光導波路層の堆積には、通常、火炎堆積法、イオンビームスパッタ法、電子ビーム蒸着法等を使用することができる。
【0037】
まず、シリコン基板311の上に下部クラッド層312を堆積させる。この後、下部クラッド層312の上に比較的、屈折率が高いコア層313を堆積させる。続いてコア層313をフォトリソグラフィとドライエッチングを組み合わせた手法を用いて加工し、コアリッジ314を作製する。このコアリッジ314の上に上部クラッド層315を堆積させ、光導波路を作製する。なお、コアリッジ314にはゲルマニウム等のドーパントが添加され、クラッド層312、315に比べ高屈折率となっている。
【0038】
次に、図4及び図5に示すように、光導波路のアーム導波路319の上に薄膜ヒータ316を設置すると共に、電気配線317及び絶縁層318を施す。薄膜ヒータ316は、チタン、クロム、窒化タンタル等の比較的高抵抗の薄膜を利用することができる。電気配線317は低抵抗の金薄膜等を利用して作製することができる。絶縁層318は保護膜の働きをし、石英等を用いて作製することができる。
【0039】
薄膜ヒータ316、電気配線317及び絶縁層318は、スパッタ法や真空蒸着法等を用いて各々の薄膜を順次堆積させると共に、更にフォトリソグラフィとドライエッチングを組み合わせた手法を用いることにより順次形成する。このとき、薄膜ヒータ316から延びた電気配線317の終端部は、後にプリント配線板を効率的に固定できるように、チップ表面の任意の場所に一定のピッチaで配置された電極パッド列の形態をとるように形成する(図1及び図2参照)と共に、電気配線317の終端部には電極パッド320を設ける。
【0040】
このようにして形成した電極パッド320の上には、自明のことながら、プリント配線板を電気的に接続できるように絶縁層318を設けない。
【0041】
以上、光スイッチのチップの作製方法について、石英系材料を用いた場合を例として説明したが、高分子系材料を用いる場合には、例えば以下のような方法で作製することができる。
【0042】
シリコン基板上にシリコーン系、ポリイミド系等の熱硬化性高分子材料の前駆体をスピンコートした後、加熱乾燥させ、これを下部クラッド層とする。次に、下部クラッド層上にクラッド層に比べ屈折率が高いコア層を同様の方法で形成した後、フォトリソグラフィとドライエッチングを組み合わせた手法を用いてコアリッジを作製する。更に、下部クラッド層と同様に上部クラッド層を形成し、高分子系光導波路を作製する。
【0043】
<光スイッチのチップへのプリント配線板の固定方法>
光スイッチのチップへのプリント配線板の固定方法については、「通常のプリント配線板」を用いる場合と、「フレキシブルプリント配線板」を用いる場合とに分けて説明する。
【0044】
まず、「通常のプリント配線板」を用いる場合について説明する。ここで、通常のプリント配線板とは、樹脂、ガラス又はセラミックス等の基板材料と銅箔とを組み合わせ、エッチング、メッキ等の工程を経て作製されたプリント配線板である。
【0045】
図6は、光スイッチのチップへプリント配線板を固定する工程の一例を示した図である。同図(a)に示すように、光スイッチのチップ410の表面には任意の場所に複数、電極パッド411が設けられている。また、同図(b)に示すように、プリント配線板415には、チップ410上の電極パッド411の配置パターンに対応するように(同一のパターンとなるように)、配線板側電極パッド413が形成されている。
【0046】
更に、光スイッチのチップ410には、アライメントマーク414a,bを予め付しておく。アライメントマークとは、電極パッド411と対応する配線板側電極パッド413とが正確に一致するようにチップ410とプリント配線板415とを接触させた際に、プリント配線板415の角415a,bがチップ410上に位置する場所に設けられる基準マークである。
【0047】
すなわち、アライメントマーク414a,bにプリント配線板の角415a,bを一致させて、チップ410とプリント配線板415とを固定すると、電極パッド411と対応する配線板側電極パッド413とが正確に一致して電気的接続がされるようになっている。
【0048】
まず、同図(b)に示すように、電極パッド411に異方性導電ペースト412を塗布する。異方性導電ペーストとは、熱硬化性樹脂中に導電性粒子を分散させて構成される、一方向にのみ導電性を有する異方性導電材料である。次に、アライメントマーク414a,bにプリント配線板の角415a,bを一致させて、チップ410とプリント配線板415とを位置合わせし、加熱圧着することにより、チップ410とプリント配線板415とを固定する。
【0049】
以上、異方性導電ペーストを用いた固定方法を示したが、光スイッチのチップと、その電極パッド配置に対応する配線板側電極パッドを有するプリント配線板とは、電極パッドと配線板側電極パッドとが電気的に接続されていれば固定方法は特に限定されない。
【0050】
例えば、金、銀、スズ等を含有するハンダボールを介在させてヒータ加熱やマイクロ波加熱し固定する方法、熱硬化性樹脂中に導電性粒子を分散させた樹脂組成物をテープ状に加工した異方性導電フィルム等を介在させて加熱硬化させて固定する方法等を用いることができる。
【0051】
次に、「フレキシブルプリント配線板」を用いる場合について説明する。図7は、フレキシブルプリント配線板の一例の概略概観図である。同図(a)は、フレキシブルプリント配線板において、チップ上のパッド電極へ接続・固定される端の概略平面図である。また、同図(b)は、同図(a)の側断面図である。
【0052】
同図に示すように、フレキシブルプリント配線板420は、可撓性を有する基材421a及び基材421bで配線422を挟んだ構造を有する。また、基材421aの端が基材421bの端よりも長く突き出る構造とすることで、フレキシブルプリント配線板420の端には、チップ上の電極パッドに固定される部分423が設けられている。すなわち、フレキシブルプリント配線板420の端から配線422の一部が露出し、配線板側電極パッド424を構成している。フレキシブルプリント配線板420の図示しない他端は、光スイッチの制御系に接続可能であれば構造は特に限定されない。
【0053】
図8は、フレキシブルプリント配線板420をチップ上の電極パッド426に設置する工程を示す図である。同図に示すように、配線板側電極パッド424とチップ上の電極パッド426とを異方性導電フィルム425を介して加熱圧着することにより、両者を電気的に接続・固定する。なお、配線板側電極パッド424のピッチaと、チップ上の電極パッド426のピッチaとは同じである。
【0054】
以上、プリント配線板等により給電を行う石英系および高分子系の導波路型光スイッチの作製方法について説明した。しかし、これらに限らず、本発明の導波路型光スイッチの作製方法を、給電を必要とする他の平面光導波路デバイス、例えば、可変光減衰器(VOA)や光アドドロップマルチプレクサ(OADM)にも適用することも可能である。
【0055】
<第1の実施例>
シリコン基板上に石英系の32×32光スイッチを作製する例について説明する。まず、直径6インチ、厚さ1mmのシリコン基板上に、下部クラッド層としてガラス膜(組成:SiO2−P2O5−B2O3)を20μm堆積した。堆積方法としては、FHD堆積法により行った。ガラスの透明化は、ヘリウムと酸素の混合ガスの雰囲気中で約1400℃で加熱することにより行った。
【0056】
次に、下部クラッド層の上に、光導波路のコア膜としてガラス膜(組成:SiO2−GeO2)をFHD堆積法を用いて堆積した。本実施例では、FHD堆積法を用いたが、CVD堆積法、スパッタ堆積法又はECR−CVD堆積法を用いてもコア膜を作製することが可能である。その後、反応性イオンエッチングによりコアリッジを形成した。
【0057】
次に、このコアリッジを埋め込む上部クラッド層として、ガラス膜(組成:SiO2−P2O5−B2O3)を20μm堆積した。ガラスの透明化は、ヘリウムと酸素の混合ガスの雰囲気中で約1200℃で加熱することにより行った。
【0058】
スイッチ要素としては、前段及び後段スイッチ要素からなる2段構成とした。更に、各スイッチ要素が有する4本のアーム導波路すべてについて、アーム導波路の所定の部分に金属クロムを真空蒸着して、熱光学移相器として機能する薄膜ヒータを形成した。ヒータの寸法は、膜厚0.3μm、幅50μm、長さ(アーム導波路に沿った方向)4mmとした。
【0059】
薄膜ヒータからの電気配線の終端は、4096個(1024個のスイッチ要素について1個当たり4つの薄膜ヒータ)となる。これらの終端を、チップ上における32箇所に振り分け、それぞれ128個の電極パッドの列として点在させた。それぞれの電極パッドの列においては、電極パッド同士は100μmピッチを持たせ、ラインアンドスペースで一列に並ぶ構成とした。すなわち、電極パッドの列、一列あたり12.8mmのスケールとなる。
【0060】
後にプリント配線板の位置合わせに用いるアライメントマークは、この電気配線の作製プロセスにおいて同時に形成した。このようにして得られた光スイッチのチップの入力側及び出力側ポートにそれぞれテープ型の光ファイバを接続した。
【0061】
次に、光スイッチのチップ上に設けた電極パッドの配置に対応するように、プリント配線板にも配線板側電極パッドを形成した。形成方法としては、まず、厚さ1mmのガラスエポキシ基板にクロムおよび銅を順次スパッタし、さらに銅メッキにより厚さ5μmの銅箔を形成した。
【0062】
次に、フォトリソグラフィー等の微細加工技術を用いて電極パッドの寸法に対応した形状のエッチングレジストを形成し、塩化第二鉄水溶液への浸漬による不要な銅箔部分のエッチング除去と、アルカリ溶液によるエッチングレジストの除去を行った。この方法で、配線板側電極パッドを形成した。
【0063】
次に、光スイッチのチップに形成した電極パッド部分に、市販の異方性導電ペーストを塗布した。その後、光スイッチのチップ表面に付したアライメントマークを用いてプリント配線板をチップに位置合わせした後、加熱圧着し、導波路型32×32マトリクス光スイッチを完成させた。
【0064】
従来の方法では、4096個の電極パッドを100μmピッチでチップの端部に整列させるため、一辺が約20cmの光スイッチチップとならざるを得なかった。この結果、大型の光スイッチとなってしまうか、スケールダウンのため薄膜ヒータの設置数を減らして電気配線を少なくする必要があった。しかしながら、本実施形態では、電極パッドをチップの端部以外の場所にも配置させたので、光スイッチチップの小型化が可能となった。
【0065】
この導波路型光スイッチにおいて、薄膜ヒータへの通電を制御系により制御することにより、32×32のスイッチ切り替え動作を確認した。スイッチ動作電力は、約0.5Wであり、最大32個の薄膜ヒータを動作させた状態における全消費電力は16W程度であった。また、マトリクス光スイッチ全体での消光比として40dB以上を確保することができた。
【0066】
<第2の実施例>
第1の実施例を基本として、通常のプリント配線板の代わりに、可撓性を有するフレキシブルプリント配線板を用いる場合を第2の実施例とした。
【0067】
フレキシブルプリント配線板は以下の方法で作製した。まず、エポキシ系接着剤を塗布したポリイミドテープ基材上にローラーを用いて銅箔を熱圧着させた。更に、この表面にフォトリソグラフィー等の微細加工技術を用いて、電極パッドの寸法に対応した形状のエッチングレジストを形成した。
【0068】
次いで、塩化第二鉄水溶液への浸漬により不要な銅箔部分をエッチング除去した後、アルカリ溶液でエッチングレジストを除去した。銅箔パターン上にニッケルと金を順次積層メッキし、この上にエポキシ系接着剤を塗布したポリイミドテープ基材を熱圧着させた。ただし、異方性導電フィルムを介して電極パッドに固定する端部、および、制御系に接続するもう一方の端部は、ポリイミドテープによる被覆を行わなかった。
【0069】
次に、光スイッチのチップ上に形成された32箇所の電極パッド列(第1の実施例参照)すべてにフレキシブルプリント配線板(計32枚)を接続した。接続方法としては、フレキシブルプリント配線板の配線板側電極パッドとチップ上の電極パッド列との間に市販の異方性導電フィルムを挟んだ後、位置合せと加熱圧着を行って(図8参照)導波路型光スイッチを完成させた。
【0070】
作製したマトリクス光スイッチにおいて、薄膜ヒータへの通電を制御系により制御することにより、32×32のスイッチ切り替え動作を確認し、第1の実施例と同様のスイッチング特性を得た。
【0071】
<第3の実施例>
シリコン基板上に高分子系の32×32光スイッチを作製する例について説明する。まず、重水素化フェニルトリエトキシシランと重水素化メチルトリエトキシシランをモル比で50:50となるようにエタノールに溶解し、酸触媒による重縮合を行った後、溶媒をメチルイソブチルケトンに変換したクラッド用溶液を調製した。
【0072】
次に、重水素化フェニルトリエトキシシランと重水素化メチルトリエトキシシランをモル比で55:45となるようにエタノールに溶解し、酸触媒による重縮合を行った後、溶媒をメチルイソブチルケトンに変換したコア用溶液を調製した。
【0073】
直径6インチ、厚さ1mmのシリコン基板上に、硬化後の膜厚が15μmとなるようにクラッド用溶液をスピンコートし、250℃で1時間加熱して硬化させ、下部クラッド層を形成した。下部クラッド層の上にコア用溶液をスピンコートして同様の条件で硬化させ、厚さ8μmのコア層を形成させた後、反応性イオンエッチングにより幅8μmのコアリッジを形成した。下部クラッド層及びコアリッジの上に、クラッド用溶液を用いて、厚さ15μmの上部クラッド層を設け、高分子系光導波路を作製した。
【0074】
第1の実施例と同様の方法により、作製した高分子系光導波路に電気配線の形成を行い高分子系光スイッチチップを作製した。更に、このチップに第1の実施例と同様の方法によりプリント配線板を固定し、32×32の高分子系導波路型光スイッチを完成させた。
【0075】
第1の実施例と同様の特性評価を行ったところ、スイッチ動作電力0.13W、全消費電力5W以下、消光比35dB以上の特性値が得られた。
【0076】
<第4の実施例>
第3の実施例において作製した高分子系光スイッチチップと、第2の実施例において作製した可撓性を有するフレキシブルプリント配線板とを用いて、高分子系の32×32マトリクス光スイッチを作製した。
【0077】
第1の実施例と同様の特性評価を行ったところ、スイッチ動作電力0.13W、全消費電力5W以下、消光比35dB以上の特性値が得られた。
【0078】
【発明の効果】
上述するように、本発明によれば、導波路型光スイッチにおける屈折率制御手段への電気配線の接続方法として、電極パッドを光スイッチのチップ表面の任意の場所に設置し、当該電極パッドへプリント配線板を接続し給電する構造としたので、膨大な電気配線を有する大規模な導波路型光スイッチを実現することが可能となる。
【0079】
すなわち、チップ端部のみに電極パッドを設置した場合には、各熱光学移相器からチップ端部の電極パッドに向かって延びる大量の電気配線がチップ上において大きい面積を占める結果、限られたチップ面積に対して設置可能な電気配線の数に限界が生じるという問題、及びチップ端部の延べ長さは限られているため設置可能な電極パッドの数が限定されるという問題、逆に言えば、光スイッチの大規模化に伴う電気配線の増加によりチップが肥大化するという問題が生じていたが、本発明によればこれらの問題を解決することが可能となる。
【0080】
また、当該電気配線の接続方法を可変光減衰器や光アドドロップマルチプレクサ等、他の光導波路型熱光学デバイスに適用することも可能であり、これにより、これらのデバイスにおいても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチの概略構造図である。
【図2】本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチの概略構造図である。
【図3】光導波路を形成する方法の一例を示す図である。
【図4】形成した光導波路に熱光学移相器を設置した状態の概略外観図である。
【図5】図4のV−V断面図である。
【図6】チップへプリント配線板を固定する工程の一例を示した図である。
【図7】フレキシブルプリント配線板の一例の概略概観図である。
【図8】フレキシブルプリント配線板を電極パッドに設置する工程を示す図である。
【図9】従来の導波路型光スイッチの一例の概略構成図である。
【図10】二段構成のスイッチ要素を有する従来の導波路型光スイッチの一例の概略構成図である。
【図11】光スイッチのチップの概略構成図である。
【符号の説明】
111 3dB光方向性結合器
112 3dB光方向性結合器
113a,b アーム導波路
114 熱光学移相器
115 前段スイッチ要素
116 後段スイッチ要素
117a,b 入力光導波路
118a,b 出力光導波路
200 光スイッチのチップ
201 電極パッド
202 光導波路
203 スイッチング部分
204 基板
210 光スイッチのチップ
211 電極パッド
212 プリント配線板
213 フレキシブルプリント配線板
214 アライメントマーク
311 シリコン基板
312 下部クラッド層
313 コア層
314 コアリッジ
315 上部クラッド層
316 薄膜ヒータ
317 電気配線
318 絶縁層
319 アーム導波路
320 電極パッド
410 光スイッチのチップ
411 電極パッド
412 電極パッド上に塗布された異方性導電ペースト
413 配線板側電極パッド
414a,b アライメントマーク
415 プリント配線板
415a,b プリント配線板の角
420 フレキシブルプリント配線板
421a,b 基材
422 配線
423 異方性導電フィルムを介して電極パッドに固定される部分
424 配線板側電極パッド
425 異方性導電フィルム
426 電極パッド
Claims (8)
- 基板上に形成された導波路と、当該導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを有し、当該屈折率制御手段の作動により光スイッチングを行うスイッチ素子と、
前記屈折率制御手段から延びる電気配線の終端に設けられる電極パッドとを有する導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドは、前記スイッチ素子が複数形成されてなるチップの周辺部以外の1または複数の位置に並べて設置され、前記電極パッドに電気接続され、外部から前記屈折率制御手段に電力供給するプリント配線板を有し、
前記プリント配線板と前記電極パッドとが、異方性導電ペースト又は異方性導電フィルムを用いて電気接続されていることを特徴とする導波路型光スイッチ。 - 請求項1に記載の導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドが並んで形成される電極パッドの列における電極パッドのピッチaと、前記チップの表面に設置された電極パッドの総数nと、前記チップの一辺の長さLとの関係が、
a×n>2Lであることを特徴とする導波路型光スイッチ。 - 基板上に形成された2本の入力光導波路と、2個の光結合器と、2本のアーム導波路と、2本の出力光導波路と、前記アーム導波路の少なくとも一方に装荷され前記アーム導波路の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを有するマッハツェンダ干渉計から構成され、前記屈折率制御手段の作動により光スイッチングを行うスイッチ素子と、
前記屈折率制御手段から延びる電気配線の終端に設けられる電極パッドとを有する導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドは、前記スイッチ素子が複数形成されてなるチップの周辺部以外の1又は複数の位置に並べて設置され、
前記電極パッドに電気接続され、外部から前記屈折率制御手段に電力供給するプリント配線板を有し、
前記プリント配線板と前記電極パッドとが、異方性導電ペースト又は異方性導電フィルムを用いて電気接続され、
前記電極パッドが並んで形成される電極パッドの列における電極パッドのピッチaと、前記スイッチ素子が複数形成されてなるチップの表面に設置された電極パッドの総数nと、前記チップの一辺の長さLとの関係が、
a×n>2Lであることを特徴とする導波路型光スイッチ。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載する導波路型光スイッチにおいて、
前記屈折率制御手段は、熱により屈折率を変化させる熱光学移相器、電流注入により導波路の屈折率を変化させる装置、又は電圧印加により導波路の屈折率を変化させる装置のいずれかであることを特長とする導波路型光スイッチ。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載する導波路型光スイッチにおいて、
前記導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする導波路型光スイッチ。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載する導波路型光スイッチにおいて、
前記導波路は、高分子系光導波路であることを特徴とする導波路型光スイッチ。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載する導波路型光スイッチにおいて、
前記電極パッドと前記プリント配線板との設置位置を正確に一致させるアライメントマークを設けたことを特徴とする導波路型光スイッチ。 - 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載する導波路型光スイッチにおいて、
前記プリント配線板は、フレキシブルプリント配線板であることを特徴とする導波路型光スイッチ。
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