JP4233731B2

JP4233731B2 - 基板型光素子

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Publication number: JP4233731B2
Application number: JP2000138989A
Authority: JP
Inventors: 克敏甲本; 宏治大浦; 健一郎浅野; 英行細谷
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JP2001318245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高密度波長多重伝送式（ＤＷＤＭ）光通信システムなどにおいて、温度制御を必要とする基板型光素子に関し、例えばブラッグ格子型波長フィルタ、アレイド・ウェーブガイド・グレーティング型光合分波器（ＡＷＧ）などの波長制御光部品などに適用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
光素子においては、温度変化によって導波路の屈折率が変化したり、温度変化による材料の膨張、収縮などの影響によって導波路に応力が付与されて光学特性が変化する場合がある。
【０００３】
また、特にＤＷＤＭ光通信システムにおいては、光素子の集積化を図る観点などから、シリコン基板などの半導体基板上にクラッド層を形成し、このクラッド層内に導波路を形成して光素子を構成する場合が多い。しかしながら、半導体の線膨張係数は石英系ガラスなどのクラッド層および導波路の材料と比較して温度依存性が大きい場合が多く、膨張、収縮しやすい場合が多い。そのため、環境温度変化によって半導体基板が膨張、収縮すると、導波路に応力が付与され、基板型光素子の光学特性が変化してしまう。このように半導体基板を用いた基板型光素子においては、温度変化に伴う導波路自体の屈折率変化以外の要因によっても光学特性が変化する場合があり、特に温度依存性の精密な制御が必要となる場合がある。
【０００４】
図７は従来の温度制御を必要とする基板型光素子の一例を示したものであって、この例において、基板型光素子はアレイド・ウェーブガイド・グレーティング型光合分波器である。
このアレイド・ウェーブガイド・グレーティング型光合分波器においては、長方形板状の半導体基板１の上に石英系ガラスなどからなるクラッド層２が形成され、このクラッド層２内に導波路が設けられている。すなわち、複数のＵ字状のアレイ導波路６、６…が並列され、これらの両端部にスラブ導波路５、５が設けられ、さらに入射側のスラブ導波路５には１本の入射用の導波路４が接続されている。一方、出射側のスラブ導波路５には、複数の出射用の導波路８、８…が接続されている。
【０００５】
そして、前記半導体基板１の下面には、長方形板状のペルチェ素子１０が積層されている。ペルチェ素子１０はペルチェ効果と呼ばれる現象を利用したもので、熱電子に電界をかけて移動させ、ペルチェ素子１０の上下面の一方の温度を下げ、他方の温度を上げることができるものである。また、ペルチェ素子１０に印加する電流の強度によって、温度を制御することができる。上下面のいずれかの温度を上げるか下げるかは、電界方向によって決定することができる。したがって、ペルチェ素子１０の上下面の温度を変化させることによって半導体基板１を介してクラッド層２および導波路４〜８を加熱、冷却することができる。
なお、ペルチェ素子１０は、前記クラッド層２の上面に設けられた温度センサ１１の温度測定値により、この温度センサ１１とペルチェ素子１０とが接続された温度制御装置１２によって、半導体基板１との接触面の温度を上昇させて加熱するか、下降させて冷却するかが制御されるようになっている。温度センサ１１としてはサーミスタなどが用いられる。
また、温度センサ１１を半導体基板１とペルチェ素子１０との間に配置する場合もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サーミスタなどの通常の温度センサは、その周囲の温度を測定するものである。そのため、この例のようにクラッド層２の上面（基板型光素子の上面）に温度センサ１１を配置する場合においては、温度センサ１１はその周囲に位置するクラッド層２の表面温度と、この表面付近の空気の温度との平均温度を測定することになる。したがって、測定温度は環境温度変化の影響を受け易く、基板型光素子の光学特性に直接影響するクラッド層２や導波路４〜８の温度に対して誤差を生じる。
【０００７】
また、半導体基板１とペルチェ素子１０との間に温度センサ１１を配置する場合も同様であって、温度センサ１１の周囲に位置する半導体基板１の下面の温度とペルチェ素子１０の上面の温度との平均温度が測定値となる。したがって、クラッド層２および導波路４〜８の温度に対して誤差を生じる。
さらにこの場合は温度センサ１１とクラッド層２との間に半導体基板１が位置しており、温度センサ１１とクラッド層２との距離が大きい。また、ペルチェ素子１０は、加熱、冷却を行う素子であり、クラッド層２はペルチェ素子１０の加熱対象物であるため、ペルチェ素子１０の上面の温度とクラッド層２の温度との差が比較的大きい場合が多い。そのため、クラッド層２の上面に温度センサ１１を配置する場合よりも、さらに誤差が大きくなる傾向がある。
したがって、従来の技術では導波路の温度を正確に把握することができず、精密な制御が困難であった。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、基板型光素子において、できるだけクラッド層や導波路の温度を正確に把握して、温度制御を行うことができる温度制御手段を備えた基板型光素子を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の基板型光素子は、半導体基板と、その上に形成されたクラッド層と、その内部に形成された導波路と、加熱および／または冷却する手段を備えた基板型光素子において、
半導体基板の表面上に、導波路に沿って、該半導体基板に１０ ^１６ないし１０ ^１８ａｔｍｓ／ｃｍ ^３の濃度でドーパントを添加することにより、電気抵抗値を低下させた、ｐ型半導体またはｎ型半導体とした疑似導波路が設けられ、その両端部に電極が設けられてなり、温度により変化する該電極間の電気抵抗値を検出することによって、該疑似導波路の温度を測定し、該温度に基づいて前記加熱および／または冷却する手段を制御することにより、当該基板型光素子の温度制御を行うものであることを特徴とする。
また、前記電極は、前記半導体基板の両側面に設けられていると好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の基板型光素子の一実施例としてアレイド・ウェーブガイド・グレーティング型光合分波器を示したものである。図７に示した構成と同様のものについては同符号を付して説明を省略する。
【００１１】
図７に示したものと異なるのは、温度制御手段の構成である。
すなわち、半導体基板１の上下面には、長方形シート状の一対の電極２１、２２が対向するように設けられている。そして、半導体基板１の上には、石英系ガラスなどからなるクラッド層２が設けられているが、電極２１の上にはクラッド層２は形成されていない。すなわち、クラッド層２の一部に孔が設けられ、その孔に電極２１がはめ込まれているような状態になっている。なお、この例においては、電極２１は半導体基板１の上面の中央付近に、アレイ導波路６に囲まれるように配置されている。
半導体基板１の下面には、電極２２と、その周囲の半導体基板１の下面を覆うようにペルチェ素子１０が積層され、一体化されている。
また、電極２１、２２は、それぞれ導線２１ａ、２２ａを介して温度制御装置２３に接続されている。
【００１２】
この基板型光素子は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、半導体基板１の上面に火炎加水分解堆積法（ＦＨＤ法）などによって石英系ガラスなどからなる下部クラッド層を形成し、その上にチタン、金、アルミニウムなどからなる導電性薄膜を形成し、この導電性薄膜をエッチング法などによって加工して電極２１を形成するとともに、この電極２１の周囲の下部クラッド層を露出させる。また、電極２１には温度制御装置２３に接続するための導線２１ａの一端を接続する。
【００１３】
さらに、この露出した下部クラッド層に、ゲルマニウムなどの石英ガラスの屈折率を上昇させる作用を備えたドーパントを、導波路４〜８のパターンにそってドープする。そして、この下部クラッド層の上に火炎加水分解堆積法（ＦＨＤ法）などによって下部クラッド層と同様に石英系ガラスなどからなる上部クラッド層を形成し、この下部クラッド層と一体化させてクラッド層を完成させる。
一方、半導体基板１の下面にも上述の電極２１と同様にして導電性薄膜を加工して電極２２を形成する。また、この電極２２に導線２２ａの一端を接続する。そして、導線２２ａの他端を半導体基板１の外部に引き出すようにして、半導体基板１の下面との間に電極２２を挟むようにしてペルチェ素子１０を積層する。
そして、温度制御装置２３を、前記導線２１ａ、２２ａを介して電極２１、２２と接続し、導線１０ａを介してペルチェ素子１０とも接続する。
【００１４】
この例の設計サイズは、半導体基板１が長さ５０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ、クラッド層２の厚さが４０μｍ、１本の導波路の断面が７μｍ×７μｍ、電極２１、２２が１０ｍｍ×１５ｍｍである。
【００１５】
なお、半導体基板１としてシリコン基板を用いる場合、シリコンは酸化されやすいため、通常、シリコン基板の表面は絶縁体であるＳｉＯ₂膜が形成されている。したがって、電極２１、２２を作製する前にエッチングなどの方法でシリコン基板表面のＳｉＯ₂膜を除去すると好ましい。あるいは、ＳｉＯ₂膜が形成されていないシリコン基板を用いて不活性ガス中で作業を行い、シリコン基板の表面が酸化される前に電極２１、２２を作製するようにすると好ましい。
【００１６】
図２は、図１に示したものと同様の構成のシリコン基板と電極を用い、４５℃付近で温度を変化させたときのシリコン基板の電気抵抗と温度との関係を示したグラフである。このグラフからわかるように、±０．１℃の温度変化によって電気抵抗は土１Ω程度変化する。
そのため、この基板型光素子においては、電極２１、２２間の電気抵抗の変化を測定することによって半導体基板１の温度を正確に把握することができる。半導体基板１の上面とクラッド層２の下面は、通常隙間無く密着しており、半導体基板１とクラッド層２との温度差は比較的小さい。したがって、半導体基板１の温度を正確に把握することにより、クラッド層２の正確な温度に近い温度を測定することができる。そして、この温度測定値を基にして、温度制御装置２３によってペルチェ素子１０を制御することにより、導波路２〜８の正確な温度制御が可能となる。
【００１７】
また、半導体基板１としては、上述のようにシリコン基板を用いる場合が多いが、離間して配置した一組の電極によって電気抵抗を測定でき、図２に示したグラフのように温度変化に伴って電気抵抗が変化する半導体材料からなるものであれば特に限定せずに使用することができる。シリコンの他には、例えばゲルマニウム、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどを例示することができる。この場合の半導体材料は真性半導体が好ましい。
また、この例においては、クラッド層および導波路を加熱および／または冷却する手段としてペルチェ素子を用いているが、これに限定するものではない。また、加熱、冷却の両方を行うものであってもよいし、どちらか一方を行うものであってもよく、基板型光素子の特性などによって適宜選択可能である。他の例としてはヒータを用いて加熱する方法などを例示することができる。
【００１８】
また、導波路とクラッド層は、上述のように石英系ガラスなどから形成する場合が多いが、特に限定せず、ポリイミド系樹脂や、メタクリレート系樹脂などの透明なプラスチック材料から形成することもできる。なお、導波路は光を導波するため、クラッド層よりも高い屈折率を備えた材料から形成されているが、プラスチック材料においては、通常材料の組成を変更することによって屈折率を調整することができる。
また、各構成のサイズは特に限定せず、基板型素子の種類によって適宜設計する。
【００１９】
また、基板型光素子の種類としては、平板なクラッド層の内部に導波路を形成したタイプのものであれば特に限定せず、アレイド・ウェーブガイド・グレーティング型光合分波器の他には、例えばブラッグ格子型波長フィルタ、方向性光合分波器などを例示することができる。
【００２０】
また、図３に示したように、電極２１Ａ、２２Ａを、半導体基板１の一組の対向側面に配置することもできる。電極２１Ａ、２２Ａは、前記側面全体に設けることもできるし、その一部に設けることもできる。この例の電極２１Ａ、２２Ａのサイズは３０ｍｍ×０．５ｍｍである。
また、この場合は、クラッド層２を半導体基板１の上面全体に設けることができる。
図２に示したグラフの場合と同様に、例えば長さ５０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの半導体基板１を４５℃付近で制御すると、電気抵抗値は数ΩＭ程度の値が得られる。そして、この電気抵抗値の変化を測定することにより、半導体基板１の温度を測定することができる。
【００２１】
また、図４に示したように、疑似導波路と電極とを組み合わせた温度測定手段を用いることもできる。
すなわち、この基板型光素子においては、真性半導体からなる半導体基板１の上面に、一組の曲線状の疑似導波路２４、２５が設けられている。これらの疑似導波路２４、２５は、半導体基板１の上に位置する導波路４〜８の長さ方向に沿って、導波路４〜８を挟むように設けられている。この例において、疑似導波路２４、２５は導波路４〜８から０．５〜３ｍｍ程度離れた位置に設けられている。また、疑似導波路２４、２５の幅は２〜５ｍｍ程度である。
【００２２】
疑似導波路２４、２５はｐ型半導体あるいはｎ型半導体から形成されており、例えば半導体基板１としてシリコン基板を用いる場合は、疑似導波路２４、２５のパターンにそってＧａ、Ａｓ、Ｐ、Ａｌなどの不純物をドープして形成することができる。なお、この例において疑似導波路２４、２５の上にはクラッド層２は形成されていないが、形成されていてもよい。
【００２３】
疑似導波路２４の両端部は、半導体基板１の一組の対向側面の一部にそれぞれ設けられた電極２１Ｂ、２２Ｂに接続されている。
一方、疑似導波路２５の両端部においても同様であって、電極２１Ｂ、２２Ｂと同様に、それれぞれ電極２１Ｃ、２２Ｃが設けられている。
なお、電極２１Ｂ、２２Ｂ、２１Ｃ、２２Ｃは図３に示した電極２１Ａ、２２Ａと同様のものである。この例において、電極２１Ｂ、２２Ｂ、２１Ｃ、２２Ｃのサイズは３ｍｍ×０．５ｍｍである。
【００２４】
図５は、シリコンにドーパントとしてＰとＡｌをそれぞれ添加したｎ型半導体とｐ型半導体の電気抵抗値とドーパントの濃度の関係を示したグラフである。図２に示したシリコンの電気抵抗値と比べると、ｎ型、ｐ型半導体の電気抵抗値は真性半導体よりもかなり小さい値であることがわかる。なお、ドーパントの濃度は特に限定しないが、例えば１０¹⁶〜１０¹⁸atms／cm³とされる。
そして、疑似導波路２４、２５の電気抵抗値を測定することにより、特に導波路４〜８に近い位置の半導体基板１の温度を測定することができるため、測定精度が向上し、より正確な温度制御が可能となる。
【００２５】
なお、電極の配置位置は半導体基板１の側面に限定されず、例えば図６に示したように半導体基板１の上面に設けることもできる。図６に示した例においては、半導体基板１の上に、光学特性の温度依存性の原因となりやすい一方のスラブ導波路５から他方のスラブ導波路５にかけて、アレイ導波路６の形状に沿って１本の疑似導波路２６が設けられている。疑似導波路２６の両端には、長方形の金属薄膜からなる電極２１Ｄ、２２Ｄが設けられている。
この例において電極２１Ｄ、２２Ｄのサイズは５ｍｍ×１０ｍｍである。また、疑似導波路２６の幅は３ｍｍ程度であり、導波路４〜８から０．５〜３ｍｍ程度離れた位置に設けられている。
【００２６】
この場合は疑似導波路２６と電極２１Ｄ、２２Ｄの上にはクラッド層２は形成されていない。
この場合においても、スラブ導波路５、５およびアレイ導波路６、６…付近の温度を正確に把握することができるため、図５に示したものと同様の効果を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、半導体基板の温度を電気抵抗値を用いて正確に把握するため、導波路の温度制御を精密に行うことができる。その結果、周囲の温度変化に対する基板型光素子の光学特性の温度依存性を改善し、安定した特性を備えた基板型光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基板型光素子の一実施例としてアレイド・ウェーブガイド・グレーティング型光合分波器を示した斜視図である。
【図２】シリコン基板の電気抵抗と温度との関係を示したグラフである。
【図３】図１に示した基板型光素子において、電極の配置を変更した他の例を示した斜視図である。
【図４】本発明の基板型光素子において、疑似導波路と電極を組み合わせた他の実施例を示した斜視図である。
【図５】ｎ型半導体とｐ型半導体の電気抵抗値とドーパントの濃度の関係を示したグラフである。
【図６】本発明の基板型光素子において、疑似導波路を電極を組み合わせた他の実施例を示した斜視図である。
【図７】従来の基板型光素子の一例を示した斜視図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…クラッド層、４、８…導波路、５…スラブ導波路、
６…アレイ導波路、１０…ペルチェ素子（加熱および／または冷却する手段）、
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ…電極、
２２、２１Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ…電極、
２３…温度制御装置、２４、２５、２６…疑似導波路。

Claims

半導体基板と、その上に形成されたクラッド層と、その内部に形成された導波路と、加熱および／または冷却する手段を備えた基板型光素子において、
半導体基板の表面上に、導波路に沿って、該半導体基板に１０ ^１６ないし１０ ^１８ａｔｍｓ／ｃｍ ^３の濃度でドーパントを添加することにより、電気抵抗値を低下させた、ｐ型半導体またはｎ型半導体とした疑似導波路が設けられ、その両端部に電極が設けられてなり、温度により変化する該電極間の電気抵抗値を検出することによって、該疑似導波路の温度を測定し、該温度に基づいて前記加熱および／または冷却する手段を制御することにより、当該基板型光素子の温度制御を行うものであることを特徴とする基板型光素子。
前記電極は、前記半導体基板の両側面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の基板型光素子。