JP4638749B2 - 熱光学位相変調器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野で用いられる光導波回路である熱光学位相変調器とその製造方法に関する。更に詳には、本発明は、熱光学効果を利用した熱光学位相変調器において、低消費電力を実現する技術に関する。

平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器は、例えば波長分割多重技術を用いたブロードバンドの光通信分野において、キーデバイス（主要素子）となっている。この熱光学位相変調器では、導波路上部の薄膜ヒータに電力を印加してコアの温度を上昇させることで光の位相制御を行う。ヒータからの加熱により、コアが温度上昇することで、コアの屈折率が増大し、その屈折率の変化量と長さに対応して光路長が長くなることで射出端での出力光の位相が変調される。

この平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器の代表的な用途は光スイッチにある。導波路内に入射した光を３ｄＢ光カップラーによって分岐し、分岐した少なくとも一方の導波路上にヒータを設けた熱光学位相変調器に接続し、熱光学位相変調器からの出力光と他方の分岐光とを再度光カップラーによって結合させることで、光スイッチを実現している。分岐した一方で用いる波長の半波長に対応する位相差を熱光学位相変調器によって信号光に与えることで、回路の出射端での光のスイッチングを行う。

この平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器の解決すべき課題は、消費電力にある。１個の熱光学位相変調器によって消費される電力は、従来の典型的な構造では４５０ｍＷ程度になる。このような従来の熱光学位相変調器を用いて、１×３２、１６×１６等の大規模スイッチを実現しようとすると、回路全体の消費電力は非常に大きなものとなってしまう。そこで、熱光学位相変調器の消費電力を下げるために、さまざまなアプローチがこれまでに考えられてきた。

そのアプローチの一つとして、図１２の（Ａ）に示すような、薄膜ヒータ４０７の両側に断熱溝４０９，４０９を形成することが知られている（非特許文献１）。この断熱溝４０９，４０９は、薄膜ヒータ４０７から加えられた熱が、コア４０５の周囲のクラッドを通じて基板４０１の水平方向に拡散し、コア４０５の温度上昇に有効に電力が消費されなくなるのを防ぐ働きがある。非特許文献１によれば、断熱溝４０９，４０９によって区切られたリッジ（隆線、稜線）幅が細くなるほど、消費電力は小さくなり、４５ｍＷで半波長に対応する位相変調器が実現されている。また、リッジ幅を狭めることで消費電力だけを低下させ、応答速度の劣化は招かないことが非特許文献１に示されている。

さらなる大規模集積化のため、さらに消費電力を抑えるには、断熱溝４０９，４０９を形成した上に、アンダークラッドよりも熱伝導率の高い基板４０１とコア４０５の距離を離すことが有効であることが知られている。薄膜ヒータ４０７によって加えられた熱が、熱伝導率の高い基板４０１に逃げるのを防ぐ必要があるからである。そのため、アンダークラッドを厚くし、コア４０５と基板距離を離すことが有用である。

さらに消費電力を低減する方法として、図１２の（Ｂ）に示すようなコア４０５の下部のクラッドまたは、基板４０１の一部を除去することにより、ヒータ４０７を具備した熱光学位相変調器と基板４０１との間に空気からなる隙間４１１を設けることで、基板４０１への熱の拡散を遮断してしまう方法が非特許文献２によって提示されている。この空気からなる隙間４１１の効果は、理想的にはアンダークラッドを無限厚にした効果と同等であり、基板４０１への熱の拡散をほぼ完全に遮断できる構造であって、消費電力の低減効果は高い。

S.Sohma et al., "Low switching power silica-based super high data thermo-opticswitch with heat insulating grooves," Electronics Lett., VOl.38, No.3, pp.88-89, January 2002 A.Sugita et al., "Bridge-suspended silica-waveguide thermo-optic phase shifterand its application to Mach-Zehnder type optical switch," Trans. IEICE, Vol.E73, No.1, pp.105-109, January 1990

これまで提示されている方法（非特許文献１）に従ってさらに消費電力を低減するには、断熱溝４０９，４０９によって区切られたリッジ幅をできるだけ狭くし、かつリッジを形成するアンダークラッドを厚くする必要がある。

しかしながら、アンダークラッドをあまり厚くすると、そのアンダークラッドの堆積に膨大な時間がかかるだけでなく、基板４０９の反りが増大し、その堆積後の工程であるフォトリソグラフィー等の以後の工程に支障をきたす。また、断熱溝４０９，４０９の形成にも時間がかかり加工プロセスの負担が増大する。さらに、厚いクラッド層は、応力によりクラッドにクラックを生じるといった原因になり得る。

また、例えアンダークラッドを厚くできたとしても、断熱溝４０９，４０９によって区切られるリッジ幅を狭くし、断熱溝４０９，４０９を基板４０１まで形成するには高アスペクト比の加工が要求される。例えば２０μｍのリッジ幅とし、非特許文献１に示されている消費電力（４５ｍＷ）の半分の消費電力を実現するためには、計算上ほぼ１４０μｍ厚のクラッドに断熱溝４０９，４０９を形成する必要がある。そのため、アスペクト比にして７以上の加工が要求される。アスペクト比が７以上の加工は、断熱溝形成時のパターンシフトの制御が困難であり、歩留まりを低下させるだけではなく、膜厚のウエハ内での面内分布、エッチングの面内分布、ヒータ等形成時の位置合わせ精度等の製造誤差により、ウエハ内の熱光学位相変調器での消費電力を一定にすることが困難になるといった難点がある。

更に、非特許文献２で提案された熱光学位相変調器のヒータ４０７の下部のクラッドと基板４０１との間に空気からなる隙間４１１を設けた図１２の（Ｂ）に示すような構造では、空気層による断熱効果が高いために消費電力の低減効果は大きく、ヒータに印加した電力が効率よくコアの温度上昇に用いられると理解できる。しかしながら、その反面、不要となった熱を基板４０１側へ効率よく逃がすことができないため、応答速度の極度の劣化を招く。従来からある平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器で応答速度は、ほぼ３msec程度であるが、この図１２の（Ｂ）の構造ではその応答速度は、ほぼ５０msec程度となって一桁以上も応答速度が低下し、隙間４１１によりヒータ下部のコアとクラッドを基板４０１から完全に遮断した場合にはその応答速度は１００msec以上になることもある。このように非特許文献２で提案された熱光学位相変調器は消費電力の低減は図れるものの、実用的な応答速度が得られないといった難点がある。

消費電力の低減を多少犠牲にしても実用的な応答スピードを達成するため、上記のように基板または、クラッドの全部を除去してのヒータ下部のクラッドと基板４０１との間に空間４１１を設けるのではなく、基板４０１またはヒータ下部のクラッドの一部を完全に除去せずに残して、その残した非常に狭い幅の連結部でヒータ下部のクラッドと基板４０１とを連結させることが実施されている。図１２の（Ｃ）はクラッドの一部を狭めて連結部４１３とした構造を示し、図１２の（Ｄ）はＳｉ基板４０１の上部を部分的に除去して残った一部を連結部４１４とした構造を示している。この連結部４１３、４１４の残し幅により、ヒータ４０７と基板４０１間の熱抵抗を制御し、消費電力、応答時間の制御を行う。

この基板４０１またはヒータ下部のクラッドの一部を除去する加工プロセスは、基板水平方向に対する加工プロセスであるため、通常は等方的なドライエッチング、またはウエットエッチングによって実施される。しかし、これらの工程では、エッチングの進行をモニタする方法に乏しいため、連結部４１３、４１４の幅の制御は非常に困難である。そのため、ヒータ４０７を具備した熱光学位相変調器のヒータ下部のクラッドと基板４０１との間に空気からなる隙間の部分に、上記のように連結部４１３，４１４を設ける構造では、連結部４１３，４１４の幅によって大きく消費電力が大きく変動し、安定して歩留まりよく熱光学位相変調器を作製できないといった難点がある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、基板上に堆積するクラッドの厚みもさほど厚くなく（その結果、基板反りが小さい）、高アスペクト比の加工を必要とせずに、所望の応答速度を実現できる低消費電力の平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の熱光学位相変調器は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ _２ 層とＳｉ層とが順に堆積されたＳＯＩ基板であって、前記Ｓｉ層の一部をエッチング除去した箇所を有するＳＯＩ基板と、エッチングを実施した前記ＳＯＩ基板の基板面上に堆積されたクラッド層と、前記クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、
前記コア上方の前記クラッド層上に形成された薄膜ヒータと、前記薄膜ヒータの近傍の前記クラッド層に形成された第１の断熱溝と、前記薄膜ヒータを挟んで前記第１の断熱溝がある側とは反対方向で前記薄膜ヒータから離れた前記クラッド層に形成された第２の断熱溝と、前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記ＳＯＩ基板の前記ＳｉＯ _２ 層とを隔離する空間と、前記第２の断熱溝に隣接して前記空間を終端し、前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層を連結する基板連結部とを有し、前記第２の断熱溝は、前記エッチング除去した箇所に前記クラッド層が残るように形成され、前記エッチング除去した箇所において残されたクラッド層の部分を前記基板連結部とすることを特徴とする。

ここで、前記基板連結部と前記薄膜ヒータ間の距離が、該薄膜ヒータと前記基板間の距離よりも長いことを特徴とすることができる。

また、前記基板連結部上部を含む、前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層の少なくとも一部の厚さが、前記コア周辺のクラッド層よりも薄くなっていることを特徴とすることができる。

また、前記基板連結部側にある前記第２の断熱溝がコの字型、または逆コの字型となっていることを特徴とすることができる。

また、前記基板連結部の導波路と平行な方向の長さが、前記薄膜ヒータ近傍の前記クラッド層の導波路と平行な方向の長さよりも短いことを特徴とすることができる。

また、前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層が、台形の形状を多段に連結した配置形状を有することを特徴とすることができる。

また、前記基板がＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板であることを特徴とすることができる。

上記目的を達成するため、本発明の熱光学位相変調器の製造方法は、基板上に堆積されたクラッド層と、該クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、該コア上方の前記クラッド層上に形成した薄膜ヒータと、前記薄膜ヒータの両側の前記クラッド層にそれぞれ形成した一対の断熱溝とを有する熱光学位相変調器の製造方法において、後に基板連結部となる箇所の前記基板上のＳＯＩ層を除去する工程と、前記ＳＯＩ層の前記箇所を除去した基板上に、アンダークラッド、コア層を順次堆積し、該コア層からコアを加工し、該コアをオーバークラッドにて埋め込む工程と、前記一対の断熱溝を形成する工程と、前記断熱溝により露出した前記ＳＯＩ層を選択的に除去することで、前記一対の断熱溝に挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記基板とを隔離する空間と、前記空間を終端して前記基板と前記クラッド層とを連結する前記基板連結部を同時に形成する工程とを含むことを特徴とする。

ここで、前記基板連結部上部を含む前記基板面と同一方向に伸びるクラッド層の少なくとも一部を除去する工程を含むことを特徴とすることができる。

また、前記基板連結部となる箇所の前記基板上のＳＯＩ層を除去する工程は、同時に等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を形成することを特徴とすることができる。

また、前記等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を、アンダークラッドを堆積する工程において同時にガラスで充填することを特徴とすることができる。

本発明は、上記のように、断熱溝で囲まれたクラッド層の一部を基板から離れた中空構造とし、この中空構造を支える基板連結部をヒータから離れた片側に設け、これにより断熱溝で囲まれたクラッド層の全体の断面が片持ちばり状（またはオーバハング状）となるように構成したことを特徴する。本発明は、この特徴構成により、従来構造では非常に困難であった基板−ヒータ間の熱抵抗を、半導体産業で広く用いられている平面加工プロセスを利用して、精度良く調整できる効果が得られる。したがって、本発明によれば、基板上に堆積するクラッドの厚みもさほど厚くなく、高アスペクト比の加工を必要とせずに、所望の応答速度を実現できる低消費電力の熱光学位相変調器が実現できる。

また、本発明によれば、上記のように熱抵抗を容易に精度よく調整できるため、小型で消費電力の小さな熱光学位相変調器を歩留まりよく作製することが可能となる。

さらに、本発明の製造方法を用いることで、従来制御が困難であった等方エッチングを用いた基板水平方向への加工を行う際に、精度良く加工を行うことができる。その結果、本発明によれば、歩留まりよく均一な消費電力の熱光学位相変調器を簡便に作製することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１の（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図（斜視図）であり、図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）中のＡ−Ａ′切断線における断面構造を示す。また、図２の（Ａ）〜（Ｈ）は、本実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法を工程順に、図１の（Ａ）のＡ−Ａ′切断線における断面図（図面右側）と上面図（図面左）とで示したものである。

本実施形態では、図１の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１０１上に堆積されたクラッド層１０３中に形成されたコア１０５の真上のオーバークラッドの上に薄膜ヒータ１０７を形成し、コア１０５の近傍に第１の断熱溝１０９を形成すると共に、コア１０５から比較的離れた反対位置に第２の断熱溝１１５を形成している。そして、両断熱溝１０９、１１５で囲まれたクラッド層１０３の基板１０１と接触する下部を基板連結部１１３の部分を残して除去することにより、クラッド層１０３と基板１０１を隔離する空気層の比較的広い隙間１１１を形成している。この隙間１１１からなる中空構造を支える上記基板連結部１１３は、ヒータ１０７から離れた第２の断熱溝１１５に接して形成され、これにより両断熱溝１０９、１１５で囲まれたクラッド層１０３の全体の断面形状が片持ちばり状（またはオーバハング状）となっている。より分かり易く言うと、従来の基板１０１に垂直に伸びた、断熱溝１０９，１１５によって区切られるリッジ形状を、コア１０５よりも下のクラッドで水平方向に折り曲げた断面構造となっている。

このような構造は、図２に示すような工程で容易に作製することができる。本実施形態では、基板１０１として、ＳＯＩ基板（silicon on insulating substrate)を用いた。基板１０１となるＳｉ上にＳｉＯ_２が３μｍあり（この層をＢＯＸ層２０１と呼ぶ）、さらにその上に単結晶Ｓｉ層が３μｍ（この層をＳＯＩ層２０３と呼ぶ）あり、その上に薄い自然酸化膜が形成されている基板である。しかし、各層の厚さはこの限りではない。また、本例では市販されているＳＯＩ基板を用いたが、基板１０１上にＢＯＸ層２０１に相当するガラス層を堆積した後、ＳＯＩ層２０３に対応するＳｉ層（アモルファスＳｉ、多結晶Ｓｉ等を含む）を堆積した基板を用いても良く、ＢＯＸ層や、クラッドに用いるガラスとエッチングする際に選択比が大きな物質の層がある基板であれば、材質はＳＯＩ基板に限らない。以下、実施例の工程を説明する。

工程１として、まず５％のフッ酸水溶液を用いて基板の表面の酸化膜を除去した。

次いで、工程２として、後に基板連結部となる箇所２０５、および、エッチングストッパーとなる箇所２０５のＳＯＩ層２０３を、レジストを塗布、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを行った後、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置を用いて除去した。この時、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層２０１は膜厚方向のエッチングストップ層として働く。後に基板連結部と断熱溝の底面となる箇所として幅４０μｍ、長さ２．２ｍｍ、エッチングストッパーとして幅１．５μｍ、長さ２．２ｍｍのＳＯＩ層２０３を予め除去した。このエッチングは所望箇所のＳＯＩ層２０３が除去できればよく、ウエットエッチング、等方ドライエッチング等の簡便な方法を用いてもよい。

次いで、工程３として、所望のＳＯＩ層２０３のエッチングが完了した基板において、ＳＯＩ層エッチングを実施した面に、火炎堆積法によってアンダークラッド２０９、コアとなるガラスを堆積し、透明化を実施した。堆積したアンダークラッド２０９の厚さは１０μｍ、コア層２１１の厚さは、４．５μｍとした。コア層２１１の比屈折率差は１．５％とした。

ここで火炎堆積法とは、ＳｉＣｌ_４等の塩化物を酸水素炎の中で燃焼させ、基板上に高速にガラス膜を製膜する方法であり、比較的厚い膜を堆積するのに適しており、埋め込み特性に優れているため、光導波路の作製に広く用いられている方法である。その堆積直後は、微粒子の集まりであるため可視光の散乱のため白色を示しているが、熱処理を実施することで透明な膜を得ることができる。一般的には透明化温度降下のため、例えば、Ｐ_２Ｏ_５、Ｂ_２Ｏ_３などを適量添加したガラスを堆積し、さらにコア層２１１には屈折率を上げるためＧｅＯ_２等を添加する。

また、上記の工程２において、後に基板連結部となる箇所２０５、および、エッチングストッパーとなる箇所２０５として隙間Ｓｉを除去した箇所は、ＳＯＩ層２０３の厚さに対応する段差（ほぼ３μｍ）があるが、火炎堆積法を用いてガラス堆積した後の表面段差はわずかに０．３μｍ程度しかなかった。この程度の段差は、以後の工程に支障を生じないし、導波路が該箇所上を横切っても損失の原因とはならない程度である。

ＳＯＩ層２０３が比較的厚い〜８μｍ程度の基板１０１を使用した場合は、段差上に堆積したガラス層の表面には〜１μｍ程度の段差を生じることがある。この上に導波路を形成した場合、損失の原因となってしまう場合がある。そのような場合は、コア下方にくるＳＯＩ層２０３は工程２では除去せずに、図３の（Ａ）に示すようなパターンでエッチングを実施することで、光が伝播する箇所には段差を生じずに作製することが可能となる。

図３の（Ｂ）は最終的な形状の上面図を示している。円弧で示される箇所は、等方エッチングにより円弧形状を形成する。この円弧部分は制御が困難となるがヒータ１０７から離れた位置にあるため問題とならない。（ヒータ１０７の長さ２ｍｍ程度に対し、円弧の半径は１００μｍ程度である。）

次いで、工程４として、コア層２１１まで堆積した基板１０１を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、所望の導波路回路に加工を行った。

次いで、工程５として、コア１０５の幅は、シングルモード導波路となるように５μｍとした。このコア１０５を再度、火炎堆積法を用いて１５μｍの厚さのガラス２１３で埋め込むプロセスを実施した。

その後、工程６として、所定の位置に断熱溝１０９，１１５を形成した。この際、断熱溝１０９，１１５を形成する位置は、後に除去するＳＯＩ層以外のＳＯＩ層２０３がエッチングされるのを防ぐために、予め設けたエッチングストッパー２１５よりも若干内側（後に除去するＳＯＩ層側）にくるよう設計した。

図４は、エッチングストッパー２１５の部分を拡大した図を示す。図中の斜線部はエッチングガスが流入する箇所を示している。エッチングをする必要のないＳＯＩ層２０３をエッチングストッパー２１５のガラスを用いてエッチングガスと隔離することで、除去する必要のないＳｉをエッチングガスから保護することができる。余計なＳＯＩ層の除去を防ぐことで、機械的強度を保つことができ、またさらには、回路の基板占有面積を少しでも小さくでき、その結果は光回路のコストを引き下げることにつながる。

また、後に基板連結部１１３になる箇所においては、予めＳＯＩ層２０３を除去した箇所と、除去しないＳＯＩ層２０３の間にガラスが残り、基板水平方向へのエッチングストッパー２１５となる位置に断熱溝１０９，１１５を形成した。本実施形態では、基板連結部１１３としてＳｉを除去した箇所の一部を、エッチングストッパー２１５として使用している場合について示しているが、この限りではなく、別の箇所にエッチングストッパーを設けてもよい。図４では、光が伝播する導波路に対し垂直な方向の断面図を示しているが、導波路に平行な方向においても、このエッチングストッパー２１５を設けることで、ＳＯＩ層２０３の余計なエッチング除去を防ぐことが可能である。段差が問題となる場合は、導波路の下に位置する箇所には、エッチングストッパー２１５を設けないため、図３の（Ｂ）のような円弧になる。

次に、工程７において、除去すべきＳＯＩ層２０３の一部が露出した状態で、エッチングガスとしてＳＦ_６を用いた等方ドライエッチングを行い、ＳＯＩ層２０３の選択除去を行うことで、クラッド１０３と基板１０１の間に空間１１１を形成した。ＳＦ_６によるガラスとＳｉの選択比は非常に大きく（＞〜７０）、クラッド層１０３は、このエッチングによりほとんど影響を受けない。

エッチングは予め形成した基板連結部１１３およびエッチングストッパー２１５に到達すると、そのエッチングは停止する。そのため、基板１０２とクラッド１０３が連結している面積をウエハ内すべての箇所で同じにすることができる。作製したエッチングによる連結部１１３の幅は１０μｍとした。また、この連結部の中心１１３とヒータ１０７との基板水平方向の距離は１００μｍとした。

最後に、最終工程の行程８として、Ａｕ電極（図示しない）および、コア１０５上方にＣｒによってヒータ１０７を形成した。ヒータ１０７は幅１５μｍ、長さ２．０ｍｍ、厚さ０．５μｍである。本実施形態では断熱溝１０９，１１５の加工工程後に、配線（図示しない）およびヒータ１０７の作製を実施したが、断熱溝１０９，１１５を形成する前にメタル工程を実施しても同じである。また、用いる金属はＡｕ／Ｃｒに限らず、配線、ヒータ１０７として同等の機能を発揮できる物質であれば、Ａｕ／Ｃｒに限らない。

以上説明した工程により作製した熱光学位相変調器の動作について述べる。作製した熱光学位相変調器の連結部１１３の中心とヒータ１０７の中心との基板水平方向の距離は１００μｍである。熱光学位相変調器のクラッド部の厚さはアンダークラッド２０９とオーバークラッド２１３を合わせ、２５μｍとなる。これに相当する従来の熱光学位相変調器は、断熱溝１０９，１１５により区切られるリッジ部の幅が２５μｍ、深さ１２０μｍ以上のクラッド厚を持つことになる（オーバークラッド２１３の厚さを含む）。

図５の（Ａ）は、比較のため、従来構造での、ヒータ４０７に半波長に対応する位相変化を与えるのに必要な電力を印加した際の温度傾斜のシミュレーション結果を示している。基板４０１は室温に保たれていると仮定し境界条件を与え計算を行ったものである。図５の（Ｂ）は本発明による第１の実施形態の構造での、ヒータ１０７に半波長に対応する位相変化を与えるのに必要な電力を印加した際の温度傾斜のシミュレーション結果を示している。基板１０１は室温に保たれていると仮定し境界条件を与え計算を行ったものである。これらの計算の結果によると、図５の（Ａ）に示した従来構造では、半波長分に対応する位相変調を与えるのに２５ｍＷの電力が必要であることが分かった。また、図５の（Ｂ）の本実施形態の構造では、それを下回る１８ｍＷの電力でよいことが分かった。したがって、本実施形態の構造によると、従来構造に比べて３０％程度の電力低下が見込まれる。

本実施形態の構造と従来構造とは、同程度の基板−ヒータ間距離であるにもかかわらず、上記のように本実施形態の構造の電力が従来構造で予測される電力よりも大幅に小さくなったのは、図５に示すように、本実施形態の構造では基板接合部１１３の断面積が連続する他のクラッド１０３の断面積よりも小さいため（すなわち、基板接合部１１３の幅が狭い）、その基板接合部１１３の箇所での熱抵抗が大きくなったことに起因する。

従来方法ではヒータ４０７と基板４０１間の熱抵抗を高めるため、断熱溝４０９，４０９によって区切られるリッジ部の一部を狭くするにも（図１２の（Ｃ）に示すような構造）、非常に加工プロセスが複雑であり、実施が困難であった。例え、そのリッジ部の一部を狭くできたとしても、そのリッジ部の幅の制御性に欠け、ウエハ面内での消費電力にばらつきを生じたりしやすい。これに対し、本実施形態の構造では設計時の基板接合面積を容易に調整することが可能であり、その調整により熱抵抗を可変させて所望の消費電力の熱光学位相変調器を容易に作製できる利点がある。

先の予想に基づき、実際に本実施形態の構造の性能比較のために、先に述べた寸法で従来構造の熱光学位相変調器の作製も試みた。しかしながら、ガラスを製膜し、熱処理を実施した時点でクラックが入り、回路を作製することができなかった。厚いアンダークラッド（ほぼ９０μｍ）を堆積したことにより、基板４０１との熱膨張係数の違いから応力がかかりクラックを生じたものと思われる。

また、本実施形態により作製された熱光学位相変調器の半波長に対応する位相差を与える電力を測定したところ、２０ｍＷであった。ほぼ予想された消費電力の熱光学位相変調器を得ることができた。

従来、これまで消費電力を下げようと、断熱溝４０９，４０９により区切られたリッジ部の幅を狭くして、かつアンダークラッドを厚くしようとした構造で、アンダークラッドを厚く堆積するために、また、深い断熱溝４０９，４０９を形成するためにかかっていた加工プロセス時間が、本実施形態によれば大幅に短縮することができる。また、アンダークラッドを厚く堆積すると生じやすいクラック生成の問題も本実施形態によれば回避できる。さらに、本実施形態によれば、非常に困難である高アスペクト比の加工を避けることができ、歩留まりを向上させることができる。加えて、本実施形態によれば、従来構造では作製が困難であった、基板−ヒータ間の一部を狭くして熱抵抗を上げることが、基板連結部１１３の基板１０１との接合部分の面積を変化させるだけで容易に、かつ、ウエハ内均一性よく作製することができ、劇的に歩留まりを向上させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図６の（Ａ）は本発明の第２の実施形態に係る熱光学位相変調器を示す鳥瞰図であり、図６の（Ｂ）は、同図（Ａ）中の切断線Ａ−Ａ′での断面構造を示している。本実施形態では、第１の実施形態で示した構造からさらに消費電力の低減を図った構造について述べる。

図６の（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱光学位相変調器は、第１の実施形態で示した構造からさらに、基板連結部１１３上部を含む、基板１０１と水平にあるクラッド１０３の少なくとも一部を厚さ方向に除去した構造になっている。同図の例では、ヒータ１０７の近傍を除くクラッド部分と基板連結部１１３上部のオーバークラッド２１３の全部とアンダークラッド２０９の一部が削られた構造になっている。

このような構造は以下のようにして作製することができる。第１の実施形態中で示した図２中の工程６を図７に示した工程６−１と工程６−２の二つの工程に置き換えることで作製できる。

まず、最終的に基板連結部１１３上部及び、基板１０１と水平にあるクラッドとなる箇所を予め所望の残し厚さになるまでエッチングする（工程６−１）。その後、再度レジスト等によってマスクを施し、断熱溝１０９，１１５となる箇所のみを基板１０１または、ストップ層となっているＢＯＸ層２０１までエッチングを施し、断熱溝１０９，１１５を形成する。以後の工程７、工程８は第１の実施形態のそれと同じである。

本実施形態では、工程６−１において、基板連結部１１３上部を含む基板１０１と水平にあるクラッドの少なくとも一部を薄くエッチングするのと同時に、断熱溝１０９，１１５の箇所もエッチングを施している。そうすることで、次の工程６−２において断熱溝１０９，１１５の形成の際のエッチング量が減らせるため、工程時間を短縮できる。無論、それぞれ別々にエッチングを実施してもよい。

次に、基板連結部１１３上部を含む基板１０１と水平にあるクラッド１０３を薄くする効果について説明する。図８は、基板連結部１１３上部を含む基板１０１と水平にあるクラッド部１０３の厚さが２５μｍの時の消費電力で規格化をしたそのクラッド部厚さと消費電力の関係を計算機にて求めた結果を示している。そのクラッド部の厚さが２５μｍは、第１の実施形態の構造を基にしている。

図８のグラフによると、上記クラッド部の厚さが薄くなるとともに、消費電力が低減されていることがわかる。上記クラッド部の厚さを５μｍまで薄くすることで、その厚さが２５μｍの時に比べて、消費電力を３割程度まで減少させることが見込まれる。図１に示した第１の実施形態の構造で作製した熱光学位相変調器が、半波長に対応する位相差を与えるのに必要な消費電力が、２０ｍＷであったことを考慮すると、第２の実施形態の消費電力は７ｍＷ程度の消費電力に対応する。

第２の実施形態で得られる、上記の消費電力の低減は、クラッド部分を薄くした箇所において基板１０１−ヒータ１０７間の熱抵抗が上昇するため、より少ない電力で位相変化を与えられるようになるためである。

他方、図１２に示すような従来の構造において、同じように基板４０１−ヒータ４０７間の熱抵抗をコア４０５よりも基板４０１側で、一部のクラッド（または基板４０１）を狭めて高めようとすると、基板水平方向にエッチングを施さなければならないという、加工の困難性が生じる。具体的には、クラッド４０３（または基板４０１）の一部の組成を変え、エッチングレートの違いからクラッド（または基板）を部分的に細くする等が考えられる。例えば、基板４０１と通常のクラッドの間に添加物（Ｐ_２Ｏ_５等）を添加した層を用意し、適当なエッチング溶液に浸し、クラッドとその添加層とのエッチングレートの違いから特定箇所のクラッドを細めるということが考えられる（図１２の（Ｃ））。また、断熱溝４０９，４０９から露出した箇所からＳｉ基板４０１を等方エッチングによって基板のＳｉを除去してゆき、所定の結合部の厚さを残してエッチングを停止させることで、部分的に基板４０１−ヒータ４０７間の熱抵抗を上昇させる方法がある（図１２の（Ｄ））。従来例の図１２の（Ｂ）に示すように、完全に隙間４１１を空けてしまうには精度は無論いらないが先に述べた応答時間が遅すぎるという問題から、一部を除去せずに精度よく残す必要性がある。

しかしながら、これらの従来方法では、完全に基板４０１とクラッドの間に隙間４１１を開けるならともかく、決まった幅で所望箇所を細めることが非常に困難である。なぜならば、これらの工程は基板４０１水平方向のエッチングであり、そのためエッチングの途中に、後どれほどエッチングすれば良いのかモニタする適当な方法がなく、多くの場合、条件出しから求めたエッチング時間のみの制御となるためである。

従来方法によって一部のクラッド４０３（または基板４０１）を狭める際、エッチングによる加工の斑（むら）は、ウエハ内の熱光学位相変調器の消費電力斑に大きく反映され、問題となる。例えば、図８で厚さが２．５μｍ変動すると電力で一割ほどの変化が見られる。つまり、狭めた箇所の厚さの違いにより、大きく消費電力が上下する結果となる。したがって、従来の構造や従来の加工方法を用いたのでは、一定の消費電力のものを歩留まりよく作製するのが困難となる。

これに対し、本発明の第２の実施形態で示した構造では、精度よく基板連結部１１３上部を含む、基板と水平にあるクラッドの厚さを制御することができる。つまり、本実施形態によれば、歩留まりよく一定の消費電力の熱光学位相変調器を作製することができる。なぜならば、一般的に広く用いられている半導体プロセス技術では、本実施形態で実施されている厚さ方向（基板垂直方向）への加工精度の方が、従来技術で必要としている横方向（基板水平方向）への加工精度よりもはるかに精度が高いためである。本実施形態で行なわれる膜厚方向への加工は、エッチングの際に加工膜厚または残留膜厚を常に高精度にモニタしながらエッチングすることが可能である。そのモニタのための単色レーザ光による干渉を用いた膜厚モニタや、白色光源を用いた干渉膜厚モニタ等、高精度のエッチング膜厚モニタが多数市販されている。

以上述べたように、従来の断熱溝によって区切られたリッジ部のコア−基板間の一部のクラッド（または基板）を基板水平方向に細めて熱抵抗を調整するということが困難であったという問題を、本実施形態では厚さ方向（基板垂直方向）への加工に置き換えることで解決することができる。その結果、本実施形態によれば、歩留まり良く高精度の熱抵抗、つまりは消費電力の制御を可能とする。

（第３の実施の形態）
図９の（Ａ）は本発明の第３の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、同図の（Ｂ）は同図の（Ａ）の上面図、同図の（Ｃ）は、同図の（Ａ）中の切断線Ａ−Ａ′での断面構造を示している。本実施形態では、第２の実施形態で示した構造からさらに消費電力の低減を図った構造について述べる。

図９の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る熱光学位相変調器は、第２の実施形態に示した構造からさらに、基板連結部１１３上部を含む、基板１０１と水平にあるクラッド１０３の少なくとも一部を除去し、上方から見て、クラッド１０３が基板連結部１１３に向かって次第に細くなるようにした構造になっている。図９の構成例では、２つの断熱溝１０９，１１５で挟まれたクラッド１０３が上方から見て台形の形状に加工されている。また、その結果として第２の実施形態よりも基板連結部１１３側の断熱溝１１５の面積が拡大しているが、断熱溝１１５の形状はこれに限らない。

本実施形態の台形構造を第１の実施形態に示した構造に対して適応しても勿論効果は得られる。また、次第に細くせずとも、少なくとも一部が細くなる構造となっていれば効果は得られる。

また、図９では理解しやすくするために、ヒータ１０７部の長さを短く縮めて示している。実際の回路では、ヒータ１０７長は２〜３ｍｍ程度になるため、図１０に示すように多連に上記台形構造を配置している。

本実施形態で提案するこのような構造は、第１の実施形態、および第２の実施形態で説明したと同じ製造方法で作製することができる。断熱溝１０９，１１５を形成する際に、コア１０５近傍から基板連結部１１３に向かって次第に細くなるようにレジスト塗布後パターン化しエッチングすることで、本実施形態の構造は得られる。その作製に使用するマスクの形状を設計時に変更するだけでよく、第１の実施形態、第２の実施形態から工程の増加はない。

上述のように、基板連結部１１３の導波路と平行な方向の長さを、ヒータ１０７近傍のクラッド層１０３のその長さよりも短くする（少なくとも一部が短くなるようにする）ことで、熱抵抗を大きくすることができる。その結果、消費電力をさらに下げることができる。

これに対し、図１２の（Ｃ），（Ｄ）に示した従来構造では、導波光進行方向と垂直方向にクラッド（または基板）の一部にくびれを設け、熱抵抗を上げることは、加工プロセスは困難であるにしろ可能であった。しかしながら、本実施形態が示すように導波光進行方向と平行方向に熱抵抗を増す構造を設けることは、それら従来構造では、ほとんど不可能であるといえる。

図１０に示すように、本実施形態の構造を多連に配置した場合には、その多連を構成する台形の個数が多いほど、回路を小さくできるので望ましい。本実施形態の台形の構造は、熱が流動するヒータ１０７と基板１０１間の距離が導波路方向によって変化する構造となっているので、導波路上では温度分布が生じた一様な過熱ではなくなる。しかしながら、熱光学位相変調器は、そもそも、位相の変化を与えるだけなので、変調器全体でいかほどの光路長を変えられるかが問題であり、その間の温度分布は問題とならない。

第１と第２の実施形態に示した構造で光スイッチを構成した場合、場合によっては回路が大きくなってしまうことが考えられる。図１１の（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ３ｄＢカップラー３０１を２つ有し熱光学位相変調器を２つ備えた光スイッチの構造を示している。図１１の（Ａ）は第１の実施形態、または第２の実施形態の構造を用いた場合を示している。これでも十分回路として働き、低消費電力化が見込める。通常は、同図中に光スイッチのアーム間隔（図中矢印で示される距離）は、用いる導波路コア３０３の比屈折率差や導波路曲げ半径によって決められる。しかし、所望の消費電力を得るためにヒータ１０７と基板連結部１１３間の距離があまりにも長くなると、アーム間隔が、その距離で決定されてしまうようになり、回路全体が不適切に大きくなってしまうことも考える。特に、コア１０５の屈折率がクラッド１０３に比べて十分に大きい場合には、回路自身の大きさはかなり小さくすることが可能であるにもかかわらず、ヒータ１０７と基板連結部１１３間の必要距離のため、不適切に大きくしなければならないことになりかねない。

これに対し、図１１の（Ｂ）に示すように、本実施形態の構造を利用した場合には、基板連結部１１３の面積を調整することで熱抵抗を調整できれば、ヒータ１０７と基板連結部１１３間の距離をさほど長くしなくとも、所望の熱抵抗を実現することが可能となる。その結果、回路全体を小さくすることが可能となる。

（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

上述したように、本発明は、基板上に堆積するクラッドの厚みもさほど厚くなく、高アスペクト比の加工を必要とせずに、所望の応答速度を実現できる低消費電力の熱光学位相変調器が実現できる。また、本発明によれば、小型で消費電力の小さな熱光学位相変調器を歩留まりよく作製することが可能となる。さらに、本発明によれば、歩留まりよく均一な消費電力の熱光学位相変調器を簡便に作製することが可能となる。したがって、本発明は、より実用的な低消費電力、大規模熱光学光スイッチ回路や、集積型熱光学可変光減衰器を作製するのに欠かせない極めて有用な技術である。

（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の切断線Ａ−Ａ′に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法において、導波路コアに段差を生じない構造を示す図であり、（Ａ）はＳＯＩ層の加工パターンを、（Ｂ）は最終工程後の形状を示す上面図である。 図２で示すエッチングストッパー部の拡大図である。 （Ａ）は従来からある熱光学位相変調器に係る熱光学位相変調器の温度分布の計算結果を規格化して示す特性図、（Ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る熱光学位相変調器の温度分布の計算結果を規格化して示す特性図である。 （Ａ）は本発明の第２の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の切断線Ａ−Ａ′に沿う断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱光学位相変調器の製造方法を工程順に示す工程図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱光学位相変調器の効果を説明する、クラッド厚み対消費電力（規格化）の関係を示す特性図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施形態に係る熱光学位相変調器の構成を示す鳥瞰図であり、（Ｂ）はその上面図、（Ｃ）は（Ａ）中の切断線Ａ−Ａ′に沿う断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱光学位相変調器において、図９の構造を多連に配置した構造を示す上面図である。 本発明の熱光学位相変調器を用いた熱光学スイッチの構成を示す上面図であり、（Ａ）は第１，第２の実施形態に示す構造を用いた場合を示す図であり、（Ｂ）は第３の実施形態に示す構造を用いた場合を示す図である。 従来からある熱光学位相変調器の構造を示す図であり、（Ａ）は断熱溝を用いる例を示す図であり、（Ｂ）はクラッドと基板の間に隙間を設ける構造の例を示す図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の構造においてクラッドの一部が狭くなって基板と連結されている構造例を示す図であり、（Ｄ）は基板Ｓｉの除去されていない部分とクラッドとが連結している例を示す図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０３ クラッド層
１０５ コア
１０７ 薄膜ヒータ
１０９ 断熱溝
１１１ 空間、隙間
１１３ 基板連結部
１１５ 断熱溝
２０１ ＢＯＸ層
２０３ ＳＯＩ層
２０５ 後に基板連結部、エッチングストッパーとなる箇所
２０９ アンダークラッド
２１１ コア層
２１３ オーバークラッド
２１５ エッチングストッパー
３０１ ３ｄＢカップラー
４０１ 基板
４０５ コア
４０７ 薄膜ヒータ
４０９ 断熱溝
４１１ 空間
４１３ 連結部
４１５ 連結部

Claims (11)

1. Ｓｉ基板上にＳｉＯ _２ 層とＳｉ層とが順に堆積されたＳＯＩ基板であって、前記Ｓｉ層の一部をエッチング除去した箇所を有するＳＯＩ基板と、
   エッチングを実施した前記ＳＯＩ基板の基板面上に堆積されたクラッド層と、
   前記クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、
   前記コア上方の前記クラッド層上に形成された薄膜ヒータと、
   前記薄膜ヒータの近傍の前記クラッド層に形成された第１の断熱溝と、
   前記薄膜ヒータを挟んで前記第１の断熱溝がある側とは反対方向で前記薄膜ヒータから離れた前記クラッド層に形成された第２の断熱溝と、
   前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記ＳＯＩ基板の前記ＳｉＯ _２ 層とを隔離する空間と、
   前記第２の断熱溝に隣接して前記空間を終端し、前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層を連結する基板連結部と
   を有し、
   前記第２の断熱溝は、前記エッチング除去した箇所に前記クラッド層が残るように形成され、前記エッチング除去した箇所において残されたクラッド層の部分を前記基板連結部とすることを特徴とする熱光学位相変調器。
2. 前記基板連結部と前記薄膜ヒータ間の距離が、該薄膜ヒータと前記基板間の距離よりも長いことを特徴とする請求項１の熱光学位相変調器。
3. 前記基板連結部上部を含む、前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層の少なくとも一部の厚さが、前記コア周辺のクラッド層よりも薄くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱光学位相変調器。
4. 前記基板連結部側にある前記第２の断熱溝がコの字型、または逆コの字型となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱光学位相変調器。
5. 前記基板連結部の導波路と平行な方向の長さが、前記薄膜ヒータ近傍の前記クラッド層の導波路と平行な方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱光学位相変調器。
6. 前記第１の断熱溝と前記第２の断熱溝とに挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層が、台形の形状を多段に連結した配置形状を有することを特徴とする請求項５に記載の熱光学位相変調器。
7. 前記基板がＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相変調器。
8. 基板上に堆積されたクラッド層と、該クラッド層中に形成され該クラッド層よりも屈折率の高いコアと、該コア上方の前記クラッド層上に形成した薄膜ヒータと、前記薄膜ヒータの両側の前記クラッド層にそれぞれ形成した一対の断熱溝とを有する熱光学位相変調器の製造方法において、
   後に基板連結部となる箇所の前記基板上のＳＯＩ層を除去する工程と、
   前記ＳＯＩ層の前記箇所を除去した基板上に、アンダークラッド、コア層を順次堆積し、該コア層からコアを加工し、該コアをオーバークラッドにて埋め込む工程と、
   前記一対の断熱溝を形成する工程と、
   前記断熱溝により露出した前記ＳＯＩ層を選択的に除去することで、前記一対の断熱溝に挟まれて前記基板面と同一方向に伸びる前記クラッド層と前記基板とを隔離する空間と、前記空間を終端して前記基板と前記クラッド層とを連結する前記基板連結部を同時に形成する工程と
   を含むことを特徴とする熱光学位相変調器の製造方法。
9. 前記基板連結部上部を含む前記基板面と同一方向に伸びるクラッド層の少なくとも一部を除去する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の熱光学位相変調器の製造方法。
10. 前記基板連結部となる箇所の前記基板上のＳＯＩ層を除去する工程は、同時に等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を形成することを特徴とする請求項８に記載の熱光学位相変調器の製造方法。
11. 前記等方エッチングを実施する際のエッチングストッパーとなる溝を、アンダークラッドを堆積する工程において同時にガラスで充填することを特徴とする請求項１０に記載の熱光学位相変調器の製造方法。
    

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