JP3952294B2 - 導波路型光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【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
【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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