JP4076917B2 - 平面光回路構造を有する光波長スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などに用いる平面光回路構造を有する光波長スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信容量が爆発的に増大しており、これに答えるため波長分割多重変調（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）を用いた大容量のフォトニックネットワークの構築が進められている。ＷＤＭフォトニックネットワークの効率の良い構成のためには、光伝送路途中に置かれる光挿入分岐モジュール（ＯＡＤＭ：Optic Add-Drop Module）や、光クロスコネクトモジュールを実現する波長スイッチが必要不可欠となる。
【０００３】
図１は、光挿入分岐モジュール１０を説明する図であり、前段ノードからの波長多重された入力光を入力ポート１１に、該当ノードにおける特定波長の挿入(Add)光を挿入ポート１２に入力する。また、出力側ポート１３に入力光１１の一部及び挿入光１２がそのまま通過(Through)出力され、分岐ポート１４には、入力光１１の一部の特定の波長光が分岐(Drop)される。
【０００４】
かかる光挿入分岐モジュール１０における光信号の挿入(Add)、通過(Through)及び、分岐(Drop)の機能は、波長スイッチにより実現される。従来のかかる機能を有する波長スイッチは、図２に示すような構成が知られている(特許文献１)。
【０００５】
図２に示す構成は、回折格子（分光機能）１０１とスイッチング機能を有するＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical System）ミラー１０２と集光レンズ１０３の組み合わせで構成される。
【０００６】
回折格子１０１により入力光（ＩＮ）と挿入光(ＡＤＤ)を波長ごとに分光し、集光レンズ１０３を通して、ＭＥＭＳミラー１０２に入力する。ＭＥＭＳミラー１０２において、ミラー角度を制御することにより出力（ＯＵＴ）ポートまたは分岐(ＤＲＯＰ)ポートに振り分けが可能である。
【０００７】
ここで、ＷＤＭ伝送システムの小型低コスト化のために、図１により説明した光挿入分岐モジュール１０の機能を、一括プロセスを用いて大量生産が可能な平面光導波路（Planner Lightwave Circuit）型機能集積素子で実現することが、望まれている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許５,９６０,１３３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２に示す従来例のような構成の回折格子１０１とＭＥＭＳミラー１０２の組み合わせでは、回折格子１０１から出た光をＭＥＭＳミラー１０２上に集光するために集光レンズ１０３やＭＥＭＳミラー１０２に対する高精度の位置あわせが必要である。
【００１０】
このために、組み立て工数が非常に大きく、低コスト化が困難であるという問題が存在する。また３次元空間に光を伝播させるため小型、薄型化するのは非常に困難である。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、上記の不都合を解決する、組み立て工数の低減、低コスト化を実現できる平面光回路構造を有する光波長スイッチを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第１の態様は、第１及び第２のスラブ導波路と、前記第１及び第２のスラブ導波路に接続されるアレイ導波路と、前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に配置され、複数の反射ミラーを有する可動ミラーアレイと、前記第１のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に、波長多重された入力光信号を入力し、更に前記入力光信号の波長分離された光信号を出力する光導波路を有し、前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラー位置に前記第２のスラブ導波路からの出力光の焦点を有し、前記複数の反射ミラーの設定される反射方向により前記第２のスラブ導波路に反射入力される光信号の方路を切り替えることを特徴とする。
【００１３】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第２の態様は、第１の態様において、前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラーは、凹み形状の反射面を有し、前記反射ミラーの反射角度は、前記凹み形状の反射面を光軸と垂直方向に移動することにより設定されることを特徴とする。
【００１４】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第３の態様は、第２の態様において、前記可動ミラーアレイと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記凹み形状部に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有することを特徴とする。
【００１５】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第４の態様は、基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、前記平面導波路は、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた少なくとも一つの導波路型回折格子を有し、更に、前記基板に片持ち梁状に支持された可動部と、前記第２のスラブ導波路の端面に対向するように前記可動部の先端部に形成された反射ミラーを有し、前記反射ミラーは、前記可動部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向するようにエッチングにより凹面を有する溝を形成することにより得られ、前記凹面で前記第２のスラブ導波路の端面から出力する光を全反射するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第５の態様は、第４の態様において、前記コア層とクラッド層は、屈折率が1.4142以上であり、前記凹面を有する溝が空気層を形成し、前記可動部の前記凹面から前記第２のスラブ導波路の端面に向かう側の領域において前記第２のスラブ導波路の端面から前記凹面に入射する光の入射角度が４５度以上となるように、前記前記第２のスラブ導波路の端面と前記凹面の位置関係が設定されていることを特徴とする。
【００１７】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第６の態様は、基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、基板上に形成された犠牲層上に、アンダークラッド層と、前記アンダークラッド層上に形成されたコア層及び前記コア層上に形成されたオーバークラッド層をそれぞれ有する、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた導波路型回折格子と、前記導波路型回折格子と同じ前記アンダークラッド層と、前記コア層及び前記オーバークラッド層を有する、一端が前記基板に固定された可動梁を有し、前記可動梁の先端部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向する反射ミラーを有し、前記反射ミラーの位置が光軸と垂直方向に移動可能に設定されることを特徴とする。
【００１８】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第７の態様は、第６の態様において、前記反射ミラーは、前記第２のスラブ導波路の端面に向かう面が凹面に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第８の態様は、第６の態様において、前記導波路型回折格子と前記反射ミラーとの間に前記犠牲層までエッチングされた溝による空気層を有し、前記反射ミラーの反射面は、前記可動部のアンダークラッド層の一部にまで達するエッチングにより形成された溝の前記第２のスラブ導波路の端面に向かう溝壁に高反射膜を成膜して形成されていることを特徴とする。
【００２０】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第９の態様は、第４の態様において、前記導波路型回折格子を２個有し、２個の前記第１のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、前記入出力導波路と接続される端面が異なるように一体化され、２個の前記第２のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、それぞれ異なる反射ミラーアレイと接続される端面が異なるように一体化されていることを特徴とする。
【００２１】
上記の本発明の課題を達成する波長スイッチ機能を有する光機能デバイスの製造方法は、シリコン基板に、ＧＳＧ（ゲルマニウム添加シリカガラス）からなる犠牲層を形成する工程と、ＢＰＳＧ（ボロン・リン添加シリカガラス）またはＰＳＧ（リン添加シリカガラス）からなるアンダークラッド層及びオーバクラッド層及び前記アンダークラッド層及びオーバクラッド層の間に形成されるＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）からなるコア層を有する導波路構造を形成する工程と、前記オーバクラッド層及びアンダークラッド層又はコア層を前記犠牲層に達するまで異方性エッチングして可動部の形状と導波路端面を形成する工程と、前記可動部の下の犠牲層を等方的なエッチング行い取り除くことにより、前記可動部分を基板から分離する工程を含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明の特徴は、以下に図面に従い説明される発明の実施の形態例から更に明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図３に本発明に従う平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成図を示し、図４に本発明の動作原理を示す。
【００２４】
図３に示す本発明に従う平面光回路構造は、シリコン基板上にＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）技術により形成されたＰＬＣ型の回路であり、二つのスラブ導波路(slab wave guide)１、３、アレイ導波路２及び、可動ミラーアレイ４を有する。スラブ導波路１の一方側に入力導波路１Ａ、出力導波路１Ｂ、１Ｃが接続され、他方側に、アレイ導波路２の一方側が接続されている。アレイ導波路２の他方側にはスラブ導波路３が接続され、これによって、導波路型回折格子を構成している。
【００２５】
さらに、ＰＬＣ上において、かかる導波路型回折格子の焦点位置にモノリシックに集積された可動ミラーアレイ４が形成されている。
【００２６】
スラブ導波路１、３は、誘電体などを一層又は、多層構造の平面媒体で構成されるものであり、面に沿った方向に光信号を伝播する性質を有するものである。かかるスラブ導波路１、３に入力する多波長光信号は、スラブ導波路面ないを広がりながら伝播し、伝播した入力光１Ａは、アレイ導波路２の対応する位置の光導波路に入力する。
【００２７】
アレイ導波路２を伝播した光信号は、アレイ導波路の長さに対応した光路長差を与えられて、スラブ導波路３に入力する。面に沿った所定の方向に伝播し、回析によって波長ごとに異なる方向に集光し、可動ミラーアレイ４の位置に入射する。
【００２８】
図４は、可動ミラーアレイ４の動作原理を説明する図である。波長ごとの集光位置に対応して、複数の反射ミラーが並べられている。各々の反射ミラーは、Ｖ字型の反射ミラーを形成し、図４に示すような第１の状態Ｓ１と第２の状態Ｓ２間を可動に形成されている。
【００２９】
状態Ｓ１側に動かされた反射ミラーに入射した光は当該反射ミラーで光路を変換され入射光より右にずれてスラブ導波路３に入射する。このため、前記導波路型回折格子を逆に戻って入力導波路からずれた位置に集光する。したがって、この集光位置に出力導波路を配置することにより出力１Ｂに光信号を出力する。
【００３０】
同様に状態Ｓ２側に動かされた反射ミラーで入射光より左にずれて折り返された光は出力導波路１Ｃから出力されることになる。
【００３１】
このようにそれぞれの波長の集光位置に反射ミラーを状態Ｓ１、Ｓ２に切り替えることによって入射ポート１Ａから入力する光を波長ごとに出力ポート１Ｂ、１Ｃに出力するようにスイッチングする光波長スイッチを構成している。
【００３２】
図３の例では、入射光１Ａとして波長λ１〜λ５の光信号が波長多重されている。そして、第１の出力ポート１Ｂに波長λ２、λ４の光信号が、第２の出力ポート１Ｃに波長λ１、λ３、λ５の光信号が出力される。
【００３３】
図５、図６に本発明の光波長スイッチを構成する可動ミラーアレイ４の第１の実施例構成を示す。図５は、光波長スイッチの可動ミラーアレイ４の一構成例の斜視図である。また、図６は、図５に示す可動ミラーアレイ４の平面図である。それぞれ可動ミラーアレイ４を構成する複数の反射ミラーの一部のみ示している。
【００３４】
シリコン等の基板１００上に形成される可動ミラーアレイ４において、可動部分は可動部梁４０と反射ミラー形成部４１からなる。可動部分は基板１００に接触しておらず、可動部梁４０の片端で片持ち梁状に基板１００に支持されている。
【００３５】
また、可動部梁４０の両側面には可動部電極４０Ａ，４０Ｂが形成されている。反射ミラー形成部４１のスラブ導波路３側の端面はＶ字型になっており、表面に金属膜等により反射ミラー４２が形成されている。
【００３６】
更に反射ミラー形成部４１の両脇に基板１００に固定されている固定部４３，４４が形成され、それぞれ側面には固定部電極４３Ａ，４３Ｂ及び４４Ａ，４４Ｂが形成されている。
【００３７】
固定部電極４３Ａと可動部電極４０Ａの間に電圧をかけると両部分の間に静電引力が働き、基板１００に片側でしか固定されていない可動部梁４０が固定部４３に引き寄せられてミラー形成部４１が固定部４３の先端に形成されたミラー位置決め部４３Ｃに突当たり、状態Ｓ１に保持される。
【００３８】
同様に固定部電極４４Ａと可動部電極４０Ｂの間に電圧をかけると状態Ｓ２に保持される。このような構造で入射光を出力１と出力２にスイッチングすることが出来る。
【００３９】
本発明の実施例として、図５、図６に示した構成では、可動部を動かす力として静電力を利用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、電磁力を利用しあるいは、可動部側面に圧電材料を形成することにより、圧電歪みの力を利用して同様の作用を得ることが可能である。
【００４０】
また、本発明の実施例では、反射ミラー４２の位置を状態Ｓ１、状態Ｓ２に限定してスイッチング機能を説明したが、電極にかける電圧を調整することにより状態Ｓ１、Ｓ２の中間状態に反射ミラーを保持することも可能である。
【００４１】
かかる構造の場合、出力に結合する光の量を調整することが可能であるので光可変減衰器としての機能を持たすことも可能である。
【００４２】
なお、スラブ導波路３と空気の双方の屈折率差が大きい場合は、スラブ導波路３から出射した光が反射ミラー４２までの空間を伝播する間にビーム径が広がることにより再びスラブ導波路３に入射する際に結合損失が大きくなったり端面で反射損失を生じたりする。
【００４３】
これを低減するために空間部分に導波路コア層の屈折率と同等または少し高めの屈折率を持つ液体を充填することも可能である。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施の形態例に従う可動ミラーアレイ４の構造を示す図であり、図７Ａは、可動ミラーアレイ４の一部の平面図であり、図７Ｂは、図７Ａにおいて、破線a-bで切断した横断面を示す図である。図７Ｃは、図７Ａと比較するための図６の実施の形態例における可動ミラーアレイ４の一部の平面図である。
【００４５】
図７のおいて、反射ミラー形成部４１以外の構成は図５、図６に示した第１の実施の形態例と同様である。
【００４６】
本実施の形態例では、反射ミラー形成部４１は、Ｖ字状の反射ミラー面４２の内側にミラー部スラブ導波路構造４２１が形成されている。これは、反射ミラー形成部４１にミラー形成溝４２２を形成することにより容易に実現可能である。
【００４７】
これによりスラブ導波路３から出射した光が反射ミラー４２の面で反射してスラブ導波路３に再結合するまでに自由空間(空気層)を伝播する距離Ｌ１を短くすることができる（図５の実施例に対応する図７Ｃに示す距離Ｌ２との関係は、Ｌ２>Ｌ１である）。
【００４８】
これにより、図７Ａ、７Ｂに示す実施例では、可動ミラーアレイ４とスラブ導波路３の結合損失を大幅に低減できる。
【００４９】
ここで、スラブ導波路３からのスラブ導波路構造４２１への入射角度をスラブ導波路構造４２１のＶ字形状の端面で全反射条件を満たすように設定しておけば、スラブ導波路構造４２１のＶ字形状の端面がそのまま全反射ミラー４２として機能する。もちろん、前記端面に金属などの高反射膜を成膜して使用することも可能である。
【００５０】
本実施例ではスラブ導波路４２１からの出射光のＶ字反射ミラー４２への入射角度が４５°となるように配置し、Ｖ字の間の角度を９０°で形成してある。
【００５１】
導波路コア層及びクラッド層の屈折率を1.4142以上で作成すれば、スラブ導波路３からの出射光がスラブ導波路４２１入射した際に、溝部４２２の空気層との間での全反射条件を満たす。これによりミラー形成部端面が全反射ミラー４２として機能する。
【００５２】
更にＶ字の一辺で折り返された光はＶ字のもう一辺に入射角４５°で入射することになるためここでも全反射条件を満たして光がスラブ導波路３に向けて、スラブ導波路３からの出射光と平行に折り返すことが出来る。
【００５３】
図８は、さらに本発明に従う別の平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成図を示し、図９に本実施例の動作原理を示す。
【００５４】
この実施例では、図３に示した第１の実施例における、スラブ導波路１，３,アレイ導波路２及び可動ミラーアレイ４で構成される回折格子＋ミラーアレイの基本回路を２組用意し、スラブ導波路１，１’の一部分及び、スラブ導波路３，３’の一部分をそれぞれ共通化できるように２つに重ねた構成を有するものである。
【００５５】
かかる構成により回路の占有面積を低減でき、１枚のシリコン基板から取得できるチップの数を向上させることが可能となる。また２つの基本回路のスラブ導波路１，１’の出力をカプラ５０，５１で結合させることにより、入力１Ａ，１Ａ’と出力１Ｂ，１Ｃの間で任意の波長の交換が可能な光クロスコネクト機能が可能となる。
【００５６】
例えば、入力１Ａ，１Ａ’の光信号の波長をそれぞれλA1〜λA5，λB1〜λB5とするとき、カプラ５０からは第１の出力として、波長λA1,λB2,λA3，λB4,λA5の光信号が出力され、カプラ５１からは第２の出力として波長λB1、λA2，λB3，λA4,λB5の光信号が出力される。
【００５７】
図９は、かかる条件の入出力の関係を得るための可動ミラーアレイ４，４’における複数の反射ミラーの状態図であり、図９Ａはスラブ導波路３に対応する可動ミラーアレイ４における反射ミラーの状態図である。また、図９Ｂはスラブ導波路３’に対応する可動ミラー４’における反射ミラーの状態図である。
【００５８】
次に、図１０により本発明に従う光波長スイッチの可動ミラーアレイの製造工程を説明する。図１０Ａは、図７Ａに示した反射ミラー形成ブロック図４１の構造を有する光波長スイッチの平面図を示し、これを例にして以下に製造工程を説明する。
【００５９】
図１０Ｂにおいて、シリコン（Ｓｉ）基板１００上に、先ず犠牲層１０１となるＧＳＧ(ゲルマニウム添加シリカガラス)層を成膜し、次にアンダークラッド層１０２となるＢＰＳＧ（ボロン・リン添加シリカガラス）層またはＰＳＧ（リン添加シリカガラス）を形成し、続いてコア層１０３となるＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）層を成膜する。
【００６０】
次に、コア層１０２上にコアパターンを形成するためのエッチングマスク（フォトレジスト等）を形成し、このマスクを通してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で方向性を持ったエッチングを行う。
【００６１】
パターン部分以外のコア層１０３を除去して導波路コアパターンを製作する。その後、オーバークラッド層１０４となるＢＰＳＧ層を成膜する。これにより、コア埋め込み導波路構造を形成する。
【００６２】
なお、犠牲層１０１、アンダークラッド層１０２、コア層１０３及び、オーバークラッド層の成膜の方法としてはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）、スパッタリングなどの手法が用いられる。
【００６３】
図１０Ｃにおいて、オーバークラッド層１０４にフォトレジスト等でエッチングマスクを形成し、ＲＩＥ等で方向性を持ったエッチングにより、アンダークラッド１０２の途中部分までエッチングする。これにより、ミラー形成溝４２２を形成すると共に可動部梁４０の側面をアンダークラッド１０２の途中まで露出させる。
【００６４】
次に図１０Ｄにおいて、ミラー形成溝４２２のＶ字端面部分と前記可動部梁４０の側面にＣＶＤや無電解メッキや蒸着等で金属膜を形成する。これにより、反射ミラー４２及び、電極４０Ａ，４０Ｂが形成される。
【００６５】
図Ｅにおいて、更に、フォトレジスト等で可動部４０の形状をパターニングした後、ＲＩＥ等の方向性を持ったエッチングでシリコン基板１００までエッチングを行い可動部４０の形状を形成する。
【００６６】
最後に、図１０Ｆにおいて、可動部４０以外のところにフォトレジスト等でマスクを行った後、非常に薄いフッ硝酸溶液（フッ酸：硝酸：水＝１：１：５０）でエッチングを行う。
【００６７】
このとき、犠牲層１０１であるＧＳＧ（ゲルマニウム添加シリカガラス）膜はアンダークラッド１０２を形成しているＢＰＳＧ膜またはＰＳＧ膜、及びコアを形成しているＧＰＳＧ膜に対して１００倍以上早く前記フッ硝酸溶液に非常に早く溶解する。このため、選択的に犠牲層１０１だけをエッチングすることが可能である。これにより可動部分４０を基板１００から分離し、片持ち梁状の可動ミラー４を形成することが出来る。
【００６８】
ここで、ＧＳＧ層は、選択エッチングのために挿しているので、クラッド層及びコア層を形成する膜に対してエッチング選択比の大きい絶縁膜であれば、何でも良いことは言うまでもない。
【００６９】
なお、上記実施の形態例において、可動ミラーアレイ４において、反射ミラーを２つの状態Ｓ１，Ｓ２に切り替えることを説明したが、さらに先に言及したように状態Ｓ１，Ｓ２の中間位置に位置づけるように制御することにより可変減衰器としての機能を持たせることも可能である。
【００７０】
したがって、本願において光波長スイッチという用語の定義には、可変減衰器としての機能を有する光機能デバイスも含まれるものである。
【００７１】
（付記１）
第１及び第２のスラブ導波路と、
前記第１及び第２のスラブ導波路に接続されるアレイ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に配置され、複数の反射ミラーを有する可動ミラーアレイと、
前記第１のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に、波長多重された入力光信号を入力し、更に前記入力光信号の波長分離された光信号を出力する光導波路を有し、
前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラー位置に前記第２のスラブ導波路からの出力光の焦点を有し、前記複数の反射ミラーの設定される反射方向により前記第２のスラブ導波路に反射入力される光信号の方路を切り替えることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７２】
(付記２)付記１において、
前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラーは、凹み形状の反射面を有し、前記反射ミラーの反射角度は、前記凹み形状の反射面を光軸と垂直方向に移動することにより設定されることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７３】
(付記３)付記２において、
前記可動ミラーアレイと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記凹み形状部に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有することを特徴とする光波長スイッチ。
【００７４】
(付記４)
基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、
前記平面導波路は、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた少なくとも一つの導波路型回折格子を有し、
更に、前記基板に片持ち梁状に支持された可動部と、
前記第２のスラブ導波路の端面に対向するように前記可動部の先端部に形成された反射ミラーを有し、
前記反射ミラーは、前記可動部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向するようにエッチングにより凹面を有する溝を形成することにより得られ、前記凹面で前記第２のスラブ導波路の端面から出力する光を全反射するように構成されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７５】
(付記５)付記４において、
前記可動部は前記スラブ導波路と同一構造のクラッド層を有し、
前記コア層とクラッド層は、屈折率が1.4142以上であり、前記凹面を有する溝が空気層を形成し、
前記可動部の前記凹面から前記第２のスラブ導波路の端面に向かう側の領域において前記第２のスラブ導波路の端面から前記凹面に入射する光の入射角度が４５度以上となるように、前記前記第２のスラブ導波路の端面と前記凹面の位置関係が設定されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７６】
(付記６)
基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、
基板上に形成された犠牲層上に、アンダークラッド層と、前記アンダークラッド層上に形成されたコア層及び前記コア層上に形成されたオーバークラッド層をそれぞれ有する、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた導波路型回折格子と、
前記導波路型回折格子と同じ前記アンダークラッド層と、前記コア層及び前記オーバークラッド層を有する、一端が前記基板に固定された可動梁を有し、
前記可動梁の先端部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向する反射ミラーを有し、前記反射ミラーの位置が光軸と垂直方向に移動可能に設定される
ことを特徴とする光波長スイッチ。
【００７７】
(付記７)付記６において、
前記反射ミラーは、前記第２のスラブ導波路の端面に向かう面が凹面に形成されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７８】
(付記８)付記６において、
前記導波路型回折格子と前記反射ミラーとの間に前記犠牲層までエッチングされた溝による空気層を有し、
前記反射ミラーの反射面は、前記可動部のアンダークラッド層の一部にまで達するエッチングにより形成された溝の前記第２のスラブ導波路の端面に向かう溝壁に高反射膜を成膜して形成されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７９】
(付記９)付記４において、
前記導波路型回折格子を２個有し、２個の前記第１のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、前記入出力導波路と接続される端面が異なるように一体化され、２個の前記第２のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、それぞれ異なる反射ミラーアレイと接続される端面が異なるように一体化されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００８０】
(付記１０)
シリコン基板に、ＧＳＧ（ゲルマニウム添加シリカガラス）からなる犠牲層を形成する工程と、
ＢＰＳＧ（ボロン・リン添加シリカガラス）またはＰＳＧ（リン添加シリカガラス）からなるアンダークラッド層及びオーバクラッド層及び前記アンダークラッド層及びオーバクラッド層の間に形成されるＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）からなるコア層を有する導波路構造を形成する工程と、
前記オーバクラッド層及びアンダークラッド層又はコア層を前記犠牲層に達するまで異方性エッチングして可動部の形状と導波路端面を形成する工程と、
前記可動部下の犠牲層を等方的なエッチング行い取り除くことにより、前記可動部分を基板から分離する工程を含むことを特徴とする波長スイッチ機能を有する光機能デバイスの製造方法。
【００８１】
【発明の効果】
以上図面に従い、実施の形態例を説明したように、本発明では、分光機能には、ＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）技術により基板上に作成した導波路型回折格子を用い、更にＭＥＭＳミラーをＰＬＣ基板状にモノリシックに集積化することにより、波長スイッチ機能を有する光機能デバイスが実現される。
【００８２】
本発明では分光機能部とスイッチ機能部を一つの基板上にモノリシックに集積するため位置あわせ工程が不要であり、組み立て工数が大幅に削減される。また、ウエハプロセスにより一括製作が可能となるため大幅な低コスト化が期待できる。
【００８３】
更に、基板上に製作した導波路内に光を閉じ込めて伝播させるので小型、薄型化が容易に実現可能である。本発明により組み立て工数の低減、低コスト化を実現できる平面光回路構造を有する光波長スイッチが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な光挿入分岐モジュールを説明する図である。
【図２】波長スイッチの従来例構成を示す図である。
【図３】本発明に従う平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成を示す図である。
【図４】本発明の動作原理を示す図である。
【図５】光波長スイッチの可動ミラーアレイ４の一構成例の斜視図である。
【図６】図５に示す可動ミラーアレイ４の平面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態例に従う可動ミラーアレイ４の構造を示す図である。
【図８】本発明に従う別の平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成図を示し、図９に本実施例の動作原理を示す。
【図９】図８の実施例の動作原理を示す図である。
【図１０】本発明に従う光波長スイッチの可動ミラーアレイの製造工程を説明する図である。
【符号の説明】
１，１’，３，３’スラブ導波路(slab wave guide)
２，２’ アレイ導波路
４，４’ 可動ミラーアレイ
４０ 可動部梁
４３，４４ 固定部
４１ 反射ミラー形成部
４２ 反射ミラー
１００ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などに用いる平面光回路構造を有する光波長スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信容量が爆発的に増大しており、これに答えるため波長分割多重変調（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）を用いた大容量のフォトニックネットワークの構築が進められている。ＷＤＭフォトニックネットワークの効率の良い構成のためには、光伝送路途中に置かれる光挿入分岐モジュール（ＯＡＤＭ：Optic Add-Drop Module）や、光クロスコネクトモジュールを実現する波長スイッチが必要不可欠となる。
【０００３】
図１は、光挿入分岐モジュール１０を説明する図であり、前段ノードからの波長多重された入力光を入力ポート１１に、該当ノードにおける特定波長の挿入(Add)光を挿入ポート１２に入力する。また、出力側ポート１３に入力光１１の一部及び挿入光１２がそのまま通過(Through)出力され、分岐ポート１４には、入力光１１の一部の特定の波長光が分岐(Drop)される。
【０００４】
かかる光挿入分岐モジュール１０における光信号の挿入(Add)、通過(Through)及び、分岐(Drop)の機能は、波長スイッチにより実現される。従来のかかる機能を有する波長スイッチは、図２に示すような構成が知られている(特許文献１)。
【０００５】
図２に示す構成は、回折格子（分光機能）１０１とスイッチング機能を有するＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical System）ミラー１０２と集光レンズ１０３の組み合わせで構成される。
【０００６】
回折格子１０１により入力光（ＩＮ）と挿入光(ＡＤＤ)を波長ごとに分光し、集光レンズ１０３を通して、ＭＥＭＳミラー１０２に入力する。ＭＥＭＳミラー１０２において、ミラー角度を制御することにより出力（ＯＵＴ）ポートまたは分岐(ＤＲＯＰ)ポートに振り分けが可能である。
【０００７】
ここで、ＷＤＭ伝送システムの小型低コスト化のために、図１により説明した光挿入分岐モジュール１０の機能を、一括プロセスを用いて大量生産が可能な平面光導波路（Planner Lightwave Circuit）型機能集積素子で実現することが、望まれている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許５,９６０,１３３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２に示す従来例のような構成の回折格子１０１とＭＥＭＳミラー１０２の組み合わせでは、回折格子１０１から出た光をＭＥＭＳミラー１０２上に集光するために集光レンズ１０３やＭＥＭＳミラー１０２に対する高精度の位置あわせが必要である。
【００１０】
このために、組み立て工数が非常に大きく、低コスト化が困難であるという問題が存在する。また３次元空間に光を伝播させるため小型、薄型化するのは非常に困難である。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、上記の不都合を解決する、組み立て工数の低減、低コスト化を実現できる平面光回路構造を有する光波長スイッチを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第１の態様は、第１及び第２のスラブ導波路と、前記第１及び第２のスラブ導波路に接続されるアレイ導波路と、前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に配置され、複数の反射ミラーを有する可動ミラーアレイと、前記第１のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に、波長多重された入力光信号を入力し、更に前記入力光信号の波長分離された光信号を出力する光導波路を有し、前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラー位置に前記第２のスラブ導波路からの出力光の焦点を有し、前記複数の反射ミラーの設定される反射方向により前記第２のスラブ導波路に反射入力される光信号の方路を切り替えることを特徴とする。
【００１３】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第２の態様は、第１の態様において、前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラーは、凹み形状の反射面を有し、前記反射ミラーの反射角度は、前記凹み形状の反射面を光軸と垂直方向に移動することにより設定されることを特徴とする。
【００１４】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第３の態様は、第２の態様において、前記可動ミラーアレイと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記凹み形状部に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有することを特徴とする。
【００１５】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第４の態様は、基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、前記平面導波路は、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた少なくとも一つの導波路型回折格子を有し、更に、前記基板に片持ち梁状に支持された可動部と、前記第２のスラブ導波路の端面に対向するように前記可動部の先端部に形成された反射ミラーを有し、前記反射ミラーは、前記可動部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向するようにエッチングにより凹面を有する溝を形成することにより得られ、前記凹面で前記第２のスラブ導波路の端面から出力する光を全反射するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第５の態様は、第４の態様において、前記コア層とクラッド層は、屈折率が1.4142以上であり、前記凹面を有する溝が空気層を形成し、前記可動部の前記凹面から前記第２のスラブ導波路の端面に向かう側の領域において前記第２のスラブ導波路の端面から前記凹面に入射する光の入射角度が４５度以上となるように、前記前記第２のスラブ導波路の端面と前記凹面の位置関係が設定されていることを特徴とする。
【００１７】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第６の態様は、基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、基板上に形成された犠牲層上に、アンダークラッド層と、前記アンダークラッド層上に形成されたコア層及び前記コア層上に形成されたオーバークラッド層をそれぞれ有する、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた導波路型回折格子と、前記導波路型回折格子と同じ前記アンダークラッド層と、前記コア層及び前記オーバークラッド層を有する、一端が前記基板に固定された可動梁を有し、前記可動梁の先端部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向する反射ミラーを有し、前記反射ミラーの位置が光軸と垂直方向に移動可能に設定されることを特徴とする。
【００１８】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第７の態様は、第６の態様において、前記反射ミラーは、前記第２のスラブ導波路の端面に向かう面が凹面に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第８の態様は、第６の態様において、前記導波路型回折格子と前記反射ミラーとの間に前記犠牲層までエッチングされた溝による空気層を有し、前記反射ミラーの反射面は、前記可動部のアンダークラッド層の一部にまで達するエッチングにより形成された溝の前記第２のスラブ導波路の端面に向かう溝壁に高反射膜を成膜して形成されていることを特徴とする。
【００２０】
上記の本発明の課題を達成する平面光回路構造を有する光波長スイッチの第９の態様は、第４の態様において、前記導波路型回折格子を２個有し、２個の前記第１のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、前記入出力導波路と接続される端面が異なるように一体化され、２個の前記第２のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、それぞれ異なる反射ミラーアレイと接続される端面が異なるように一体化されていることを特徴とする。
【００２１】
上記の本発明の課題を達成する波長スイッチ機能を有する光機能デバイスの製造方法は、シリコン基板に、ＧＳＧ（ゲルマニウム添加シリカガラス）からなる犠牲層を形成する工程と、ＢＰＳＧ（ボロン・リン添加シリカガラス）またはＰＳＧ（リン添加シリカガラス）からなるアンダークラッド層及びオーバクラッド層及び前記アンダークラッド層及びオーバクラッド層の間に形成されるＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）からなるコア層を有する導波路構造を形成する工程と、前記オーバクラッド層及びアンダークラッド層又はコア層を前記犠牲層に達するまで異方性エッチングして可動部の形状と導波路端面を形成する工程と、前記可動部の下の犠牲層を等方的なエッチング行い取り除くことにより、前記可動部分を基板から分離する工程を含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明の特徴は、以下に図面に従い説明される発明の実施の形態例から更に明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図３に本発明に従う平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成図を示し、図４に本発明の動作原理を示す。
【００２４】
図３に示す本発明に従う平面光回路構造は、シリコン基板上にＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）技術により形成されたＰＬＣ型の回路であり、二つのスラブ導波路(slab wave guide)１、３、アレイ導波路２及び、可動ミラーアレイ４を有する。スラブ導波路１の一方側に入力導波路１Ａ、出力導波路１Ｂ、１Ｃが接続され、他方側に、アレイ導波路２の一方側が接続されている。アレイ導波路２の他方側にはスラブ導波路３が接続され、これによって、導波路型回折格子を構成している。
【００２５】
さらに、ＰＬＣ上において、かかる導波路型回折格子の焦点位置にモノリシックに集積された可動ミラーアレイ４が形成されている。
【００２６】
スラブ導波路１、３は、誘電体などを一層又は、多層構造の平面媒体で構成されるものであり、面に沿った方向に光信号を伝播する性質を有するものである。かかるスラブ導波路１、３に入力する多波長光信号は、スラブ導波路面ないを広がりながら伝播し、伝播した入力光１Ａは、アレイ導波路２の対応する位置の光導波路に入力する。
【００２７】
アレイ導波路２を伝播した光信号は、アレイ導波路の長さに対応した光路長差を与えられて、スラブ導波路３に入力する。面に沿った所定の方向に伝播し、回析によって波長ごとに異なる方向に集光し、可動ミラーアレイ４の位置に入射する。
【００２８】
図４は、可動ミラーアレイ４の動作原理を説明する図である。波長ごとの集光位置に対応して、複数の反射ミラーが並べられている。各々の反射ミラーは、Ｖ字型の反射ミラーを形成し、図４に示すような第１の状態Ｓ１と第２の状態Ｓ２間を可動に形成されている。
【００２９】
状態Ｓ１側に動かされた反射ミラーに入射した光は当該反射ミラーで光路を変換され入射光より右にずれてスラブ導波路３に入射する。このため、前記導波路型回折格子を逆に戻って入力導波路からずれた位置に集光する。したがって、この集光位置に出力導波路を配置することにより出力１Ｂに光信号を出力する。
【００３０】
同様に状態Ｓ２側に動かされた反射ミラーで入射光より左にずれて折り返された光は出力導波路１Ｃから出力されることになる。
【００３１】
このようにそれぞれの波長の集光位置に反射ミラーを状態Ｓ１、Ｓ２に切り替えることによって入射ポート１Ａから入力する光を波長ごとに出力ポート１Ｂ、１Ｃに出力するようにスイッチングする光波長スイッチを構成している。
【００３２】
図３の例では、入射光１Ａとして波長λ１〜λ５の光信号が波長多重されている。そして、第１の出力ポート１Ｂに波長λ２、λ４の光信号が、第２の出力ポート１Ｃに波長λ１、λ３、λ５の光信号が出力される。
【００３３】
図５、図６に本発明の光波長スイッチを構成する可動ミラーアレイ４の第１の実施例構成を示す。図５は、光波長スイッチの可動ミラーアレイ４の一構成例の斜視図である。また、図６は、図５に示す可動ミラーアレイ４の平面図である。それぞれ可動ミラーアレイ４を構成する複数の反射ミラーの一部のみ示している。
【００３４】
シリコン等の基板１００上に形成される可動ミラーアレイ４において、可動部分は可動部梁４０と反射ミラー形成部４１からなる。可動部分は基板１００に接触しておらず、可動部梁４０の片端で片持ち梁状に基板１００に支持されている。
【００３５】
また、可動部梁４０の両側面には可動部電極４０Ａ，４０Ｂが形成されている。反射ミラー形成部４１のスラブ導波路３側の端面はＶ字型になっており、表面に金属膜等により反射ミラー４２が形成されている。
【００３６】
更に反射ミラー形成部４１の両脇に基板１００に固定されている固定部４３，４４が形成され、それぞれ側面には固定部電極４３Ａ，４３Ｂ及び４４Ａ，４４Ｂが形成されている。
【００３７】
固定部電極４３Ａと可動部電極４０Ａの間に電圧をかけると両部分の間に静電引力が働き、基板１００に片側でしか固定されていない可動部梁４０が固定部４３に引き寄せられてミラー形成部４１が固定部４３の先端に形成されたミラー位置決め部４３Ｃに突当たり、状態Ｓ１に保持される。
【００３８】
同様に固定部電極４４Ａと可動部電極４０Ｂの間に電圧をかけると状態Ｓ２に保持される。このような構造で入射光を出力１と出力２にスイッチングすることが出来る。
【００３９】
本発明の実施例として、図５、図６に示した構成では、可動部を動かす力として静電力を利用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、電磁力を利用しあるいは、可動部側面に圧電材料を形成することにより、圧電歪みの力を利用して同様の作用を得ることが可能である。
【００４０】
また、本発明の実施例では、反射ミラー４２の位置を状態Ｓ１、状態Ｓ２に限定してスイッチング機能を説明したが、電極にかける電圧を調整することにより状態Ｓ１、Ｓ２の中間状態に反射ミラーを保持することも可能である。
【００４１】
かかる構造の場合、出力に結合する光の量を調整することが可能であるので光可変減衰器としての機能を持たすことも可能である。
【００４２】
なお、スラブ導波路３と空気の双方の屈折率差が大きい場合は、スラブ導波路３から出射した光が反射ミラー４２までの空間を伝播する間にビーム径が広がることにより再びスラブ導波路３に入射する際に結合損失が大きくなったり端面で反射損失を生じたりする。
【００４３】
これを低減するために空間部分に導波路コア層の屈折率と同等または少し高めの屈折率を持つ液体を充填することも可能である。
【００４４】
図７は、本発明の第２の実施の形態例に従う可動ミラーアレイ４の構造を示す図であり、図７Ａは、可動ミラーアレイ４の一部の平面図であり、図７Ｂは、図７Ａにおいて、破線a-bで切断した横断面を示す図である。図７Ｃは、図７Ａと比較するための図６の実施の形態例における可動ミラーアレイ４の一部の平面図である。
【００４５】
図７のおいて、反射ミラー形成部４１以外の構成は図５、図６に示した第１の実施の形態例と同様である。
【００４６】
本実施の形態例では、反射ミラー形成部４１は、Ｖ字状の反射ミラー面４２の内側にミラー部スラブ導波路構造４２１が形成されている。これは、反射ミラー形成部４１にミラー形成溝４２２を形成することにより容易に実現可能である。
【００４７】
これによりスラブ導波路３から出射した光が反射ミラー４２の面で反射してスラブ導波路３に再結合するまでに自由空間(空気層)を伝播する距離Ｌ１を短くすることができる（図５の実施例に対応する図７Ｃに示す距離Ｌ２との関係は、Ｌ２>Ｌ１である）。
【００４８】
これにより、図７Ａ、７Ｂに示す実施例では、可動ミラーアレイ４とスラブ導波路３の結合損失を大幅に低減できる。
【００４９】
ここで、スラブ導波路３からのスラブ導波路構造４２１への入射角度をスラブ導波路構造４２１のＶ字形状の端面で全反射条件を満たすように設定しておけば、スラブ導波路構造４２１のＶ字形状の端面がそのまま全反射ミラー４２として機能する。もちろん、前記端面に金属などの高反射膜を成膜して使用することも可能である。
【００５０】
本実施例ではスラブ導波路４２１からの出射光のＶ字反射ミラー４２への入射角度が４５°となるように配置し、Ｖ字の間の角度を９０°で形成してある。
【００５１】
導波路コア層及びクラッド層の屈折率を1.4142以上で作成すれば、スラブ導波路３からの出射光がスラブ導波路４２１入射した際に、溝部４２２の空気層との間での全反射条件を満たす。これによりミラー形成部端面が全反射ミラー４２として機能する。
【００５２】
更にＶ字の一辺で折り返された光はＶ字のもう一辺に入射角４５°で入射することになるためここでも全反射条件を満たして光がスラブ導波路３に向けて、スラブ導波路３からの出射光と平行に折り返すことが出来る。
【００５３】
図８は、さらに本発明に従う別の平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成図を示し、図９に本実施例の動作原理を示す。
【００５４】
この実施例では、図３に示した第１の実施例における、スラブ導波路１，３,アレイ導波路２及び可動ミラーアレイ４で構成される回折格子＋ミラーアレイの基本回路を２組用意し、スラブ導波路１，１’の一部分及び、スラブ導波路３，３’の一部分をそれぞれ共通化できるように２つに重ねた構成を有するものである。
【００５５】
かかる構成により回路の占有面積を低減でき、１枚のシリコン基板から取得できるチップの数を向上させることが可能となる。また２つの基本回路のスラブ導波路１，１’の出力をカプラ５０，５１で結合させることにより、入力１Ａ，１Ａ’と出力１Ｂ，１Ｃの間で任意の波長の交換が可能な光クロスコネクト機能が可能となる。
【００５６】
例えば、入力１Ａ，１Ａ’の光信号の波長をそれぞれλA1〜λA5，λB1〜λB5とするとき、カプラ５０からは第１の出力として、波長λA1,λB2,λA3，λB4,λA5の光信号が出力され、カプラ５１からは第２の出力として波長λB1、λA2，λB3，λA4,λB5の光信号が出力される。
【００５７】
図９は、かかる条件の入出力の関係を得るための可動ミラーアレイ４，４’における複数の反射ミラーの状態図であり、図９Ａはスラブ導波路３に対応する可動ミラーアレイ４における反射ミラーの状態図である。また、図９Ｂはスラブ導波路３’に対応する可動ミラー４’における反射ミラーの状態図である。
【００５８】
次に、図１０により本発明に従う光波長スイッチの可動ミラーアレイの製造工程を説明する。図１０Ａは、図７Ａに示した反射ミラー形成ブロック図４１の構造を有する光波長スイッチの平面図を示し、これを例にして以下に製造工程を説明する。
【００５９】
図１０Ｂにおいて、シリコン（Ｓｉ）基板１００上に、先ず犠牲層１０１となるＧＳＧ(ゲルマニウム添加シリカガラス)層を成膜し、次にアンダークラッド層１０２となるＢＰＳＧ（ボロン・リン添加シリカガラス）層またはＰＳＧ（リン添加シリカガラス）を形成し、続いてコア層１０３となるＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）層を成膜する。
【００６０】
次に、コア層１０２上にコアパターンを形成するためのエッチングマスク（フォトレジスト等）を形成し、このマスクを通してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で方向性を持ったエッチングを行う。
【００６１】
パターン部分以外のコア層１０３を除去して導波路コアパターンを製作する。その後、オーバークラッド層１０４となるＢＰＳＧ層を成膜する。これにより、コア埋め込み導波路構造を形成する。
【００６２】
なお、犠牲層１０１、アンダークラッド層１０２、コア層１０３及び、オーバークラッド層の成膜の方法としてはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）、スパッタリングなどの手法が用いられる。
【００６３】
図１０Ｃにおいて、オーバークラッド層１０４にフォトレジスト等でエッチングマスクを形成し、ＲＩＥ等で方向性を持ったエッチングにより、アンダークラッド１０２の途中部分までエッチングする。これにより、ミラー形成溝４２２を形成すると共に可動部梁４０の側面をアンダークラッド１０２の途中まで露出させる。
【００６４】
次に図１０Ｄにおいて、ミラー形成溝４２２のＶ字端面部分と前記可動部梁４０の側面にＣＶＤや無電解メッキや蒸着等で金属膜を形成する。これにより、反射ミラー４２及び、電極４０Ａ，４０Ｂが形成される。
【００６５】
図Ｅにおいて、更に、フォトレジスト等で可動部４０の形状をパターニングした後、ＲＩＥ等の方向性を持ったエッチングでシリコン基板１００までエッチングを行い可動部４０の形状を形成する。
【００６６】
最後に、図１０Ｆにおいて、可動部４０以外のところにフォトレジスト等でマスクを行った後、非常に薄いフッ硝酸溶液（フッ酸：硝酸：水＝１：１：５０）でエッチングを行う。
【００６７】
このとき、犠牲層１０１であるＧＳＧ（ゲルマニウム添加シリカガラス）膜はアンダークラッド１０２を形成しているＢＰＳＧ膜またはＰＳＧ膜、及びコアを形成しているＧＰＳＧ膜に対して１００倍以上早く前記フッ硝酸溶液に非常に早く溶解する。このため、選択的に犠牲層１０１だけをエッチングすることが可能である。これにより可動部分４０を基板１００から分離し、片持ち梁状の可動ミラー４を形成することが出来る。
【００６８】
ここで、ＧＳＧ層は、選択エッチングのために挿しているので、クラッド層及びコア層を形成する膜に対してエッチング選択比の大きい絶縁膜であれば、何でも良いことは言うまでもない。
【００６９】
なお、上記実施の形態例において、可動ミラーアレイ４において、反射ミラーを２つの状態Ｓ１，Ｓ２に切り替えることを説明したが、さらに先に言及したように状態Ｓ１，Ｓ２の中間位置に位置づけるように制御することにより可変減衰器としての機能を持たせることも可能である。
【００７０】
したがって、本願において光波長スイッチという用語の定義には、可変減衰器としての機能を有する光機能デバイスも含まれるものである。
【００７１】
（付記１）
第１及び第２のスラブ導波路と、
前記第１及び第２のスラブ導波路に接続されるアレイ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に配置され、複数の反射ミラーを有する可動ミラーアレイと、
前記第１のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に、波長多重された入力光信号を入力し、更に前記入力光信号の波長分離された光信号を出力する光導波路を有し、
前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラー位置に前記第２のスラブ導波路からの出力光の焦点を有し、前記複数の反射ミラーの設定される反射方向により前記第２のスラブ導波路に反射入力される光信号の方路を切り替えることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７２】
(付記２)付記１において、
前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラーは、凹み形状の反射面を有し、前記反射ミラーの反射角度は、前記凹み形状の反射面を光軸と垂直方向に移動することにより設定されることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７３】
(付記３)付記２において、
前記可動ミラーアレイと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記凹み形状部に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有することを特徴とする光波長スイッチ。
【００７４】
(付記４)
基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、
前記平面導波路は、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた少なくとも一つの導波路型回折格子を有し、
更に、前記基板に片持ち梁状に支持された可動部と、
前記第２のスラブ導波路の端面に対向するように前記可動部の先端部に形成された反射ミラーを有し、
前記反射ミラーは、前記可動部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向するようにエッチングにより凹面を有する溝を形成することにより得られ、前記凹面で前記第２のスラブ導波路の端面から出力する光を全反射するように構成されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７５】
(付記５)付記４において、
前記可動部は前記スラブ導波路と同一構造のクラッド層を有し、
前記コア層とクラッド層は、屈折率が1.4142以上であり、前記凹面を有する溝が空気層を形成し、
前記可動部の前記凹面から前記第２のスラブ導波路の端面に向かう側の領域において前記第２のスラブ導波路の端面から前記凹面に入射する光の入射角度が４５度以上となるように、前記前記第２のスラブ導波路の端面と前記凹面の位置関係が設定されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７６】
(付記６)
基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、
基板上に形成された犠牲層上に、アンダークラッド層と、前記アンダークラッド層上に形成されたコア層及び前記コア層上に形成されたオーバークラッド層をそれぞれ有する、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた導波路型回折格子と、
前記導波路型回折格子と同じ前記アンダークラッド層と、前記コア層及び前記オーバークラッド層を有する、一端が前記基板に固定された可動梁を有し、
前記可動梁の先端部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向する反射ミラーを有し、前記反射ミラーの位置が光軸と垂直方向に移動可能に設定される
ことを特徴とする光波長スイッチ。
【００７７】
(付記７)付記６において、
前記反射ミラーは、前記第２のスラブ導波路の端面に向かう面が凹面に形成されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７８】
(付記８)付記６において、
前記導波路型回折格子と前記反射ミラーとの間に前記犠牲層までエッチングされた溝による空気層を有し、
前記反射ミラーの反射面は、前記可動部のアンダークラッド層の一部にまで達するエッチングにより形成された溝の前記第２のスラブ導波路の端面に向かう溝壁に高反射膜を成膜して形成されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００７９】
(付記９)付記４において、
前記導波路型回折格子を２個有し、２個の前記第１のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、前記入出力導波路と接続される端面が異なるように一体化され、２個の前記第２のスラブ導波路は、一部に共通部を有し、それぞれ異なる反射ミラーアレイと接続される端面が異なるように一体化されていることを特徴とする光波長スイッチ。
【００８０】
(付記１０)
シリコン基板に、ＧＳＧ（ゲルマニウム添加シリカガラス）からなる犠牲層を形成する工程と、
ＢＰＳＧ（ボロン・リン添加シリカガラス）またはＰＳＧ（リン添加シリカガラス）からなるアンダークラッド層及びオーバクラッド層及び前記アンダークラッド層及びオーバクラッド層の間に形成されるＧＰＳＧ（ゲルマニウム・リン添加シリカガラス）からなるコア層を有する導波路構造を形成する工程と、
前記オーバクラッド層及びアンダークラッド層又はコア層を前記犠牲層に達するまで異方性エッチングして可動部の形状と導波路端面を形成する工程と、
前記可動部下の犠牲層を等方的なエッチング行い取り除くことにより、前記可動部分を基板から分離する工程を含むことを特徴とする波長スイッチ機能を有する光機能デバイスの製造方法。
【００８１】
【発明の効果】
以上図面に従い、実施の形態例を説明したように、本発明では、分光機能には、ＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit）技術により基板上に作成した導波路型回折格子を用い、更にＭＥＭＳミラーをＰＬＣ基板状にモノリシックに集積化することにより、波長スイッチ機能を有する光機能デバイスが実現される。
【００８２】
本発明では分光機能部とスイッチ機能部を一つの基板上にモノリシックに集積するため位置あわせ工程が不要であり、組み立て工数が大幅に削減される。また、ウエハプロセスにより一括製作が可能となるため大幅な低コスト化が期待できる。
【００８３】
更に、基板上に製作した導波路内に光を閉じ込めて伝播させるので小型、薄型化が容易に実現可能である。本発明により組み立て工数の低減、低コスト化を実現できる平面光回路構造を有する光波長スイッチが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な光挿入分岐モジュールを説明する図である。
【図２】波長スイッチの従来例構成を示す図である。
【図３】本発明に従う平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成を示す図である。
【図４】本発明の動作原理を示す図である。
【図５】光波長スイッチの可動ミラーアレイ４の一構成例の斜視図である。
【図６】図５に示す可動ミラーアレイ４の平面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態例に従う可動ミラーアレイ４の構造を示す図である。
【図８】本発明に従う別の平面光回路構造を有する光波長スイッチの構成図を示し、図９に本実施例の動作原理を示す。
【図９】図８の実施例の動作原理を示す図である。
【図１０】本発明に従う光波長スイッチの可動ミラーアレイの製造工程を説明する図である。
【符号の説明】
１，１’，３，３’スラブ導波路(slab wave guide)
２，２’ アレイ導波路
４，４’ 可動ミラーアレイ
４０ 可動部梁
４３，４４ 固定部
４１ 反射ミラー形成部
４２ 反射ミラー
１００ 基板
Claims (3)
- 第１及び第２のスラブ導波路と、
前記第１及び第２のスラブ導波路に接続されるアレイ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に配置され、複数の反射ミラーを有する可動ミラーアレイと、
前記第１のスラブ導波路の前記アレイ導波路が接続される側と反対側に、波長多重された入力光信号を入力し、更に前記入力光信号の波長分離された光信号を出力する光導波路を有し、
前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラー位置に前記第２のスラブ導波路からの出力光の焦点を有し、前記複数の反射ミラーの設定される反射方向により前記第２のスラブ導波路に反射入力される光信号の方路を切り替え、
前記可動ミラーアレイを構成する複数の反射ミラーは、凹み形状の反射面を有し、前記反射ミラーの反射角度は、前記凹み形状の反射面を光軸と垂直方向に移動することにより設定され、更に
前記可動ミラーアレイと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記凹み形状部に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有する、
ことを特徴とする光波長スイッチ。 - 基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、
前記平面導波路は、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた少なくとも一つの導波路型回折格子を有し、
更に、前記基板に片持ち梁状に支持された可動部と、
前記第２のスラブ導波路の端面に対向するように前記可動部の先端部に形成された反射ミラーを有し、
前記反射ミラーは、前記可動部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向するようにエッチングにより凹面を有する溝を形成することにより得られ、前記凹面で前記第２のスラブ導波路の端面から出力する光を全反射するように構成され、
前記可動ミラーと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記反射ミラーの凹面に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有する、
ことを特徴とする光波長スイッチ。 - 基板上に形成された平面導波路を有する光波長スイッチであって、
基板上に形成された犠牲層上に、アンダークラッド層と、前記アンダークラッド層上に形成されたコア層及び前記コア層上に形成されたオーバークラッド層をそれぞれ有する、入出力導波路と、前記入出力導波路に接続する第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に一方側を接続するアレイ導波路と、前記アレイ導波路の他方側を接続する第２のスラブ導波路とを備えた導波路型回折格子と、
前記導波路型回折格子と同じ前記アンダークラッド層と、前記コア層及び前記オーバークラッド層を有する、一端が前記基板に固定された可動梁を有し、
前記可動梁の先端部に前記第２のスラブ導波路の端面に対向し、凹み形状の反射面を備えた反射ミラーであって、前記反射ミラーの位置が光軸と垂直方向に移動可能に設定され、
さらに、前記可動ミラーと前記第２のスラブ導波路の間に空間を有し、且つ前記反射ミラーの凹面に、前記第２のスラブ導波路と同一構造のクラッド層とコア層を有する、
ことを特徴とする光波長スイッチ。
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