JP4685535B2 - 熱光学位相変調器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱光学位相変調器およびその製造方法に関し、より詳細には、光通信分野で用いられる光導波路回路である、熱光学効果を利用し、低損失かつ低消費電力を実現する熱光学位相変調器およびその製造方法に関するものである。

平面光回路技術を用いたデバイスは、光通信分野においてキーデバイスとなっている。その中でも、熱位相変調器を用いた光スイッチ、光減衰器は特に注目されている。これらのデバイスに用いられる熱光学位相変調器では、導波路上部に形成された薄膜ヒータに電力を印加してコアの温度を上昇さることで光の位相制御を行う。ヒータからの熱により、変調領域の温度を上昇させることで、上記変調領域の屈折率が増大し、その変化量と長さに対応した光路長が長くなることで出射端での位相が変調される。

熱位相変調器を用いた回路で、最も用いられる回路構成は、導波路内に入射した光を３ｄＢカップラーにて分岐し、分岐した少なくとも一方の導波路上にヒータを設けることによって構成された熱光学位相変調器に接続し、該熱光学位相変調器から出射した光を、再度カップラーにて結合させるマッハツェンダー干渉計回路(ＭＺＩ回路)である。分岐した少なくとも一方を位相変調器に接続し、他方に比べ波長の半波長に対応する位相差を与えることで、出射端での光強度変調を行う。

この平面光回路技術を用いた熱光学位相変調器の最大の問題点は、消費電力にある。一つの熱光学位相変調器によって消費される電力は、典型的な構造では４５０ｍＷ程度になる。これを用いて、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、これまでに消費電力を下げるために、さまざまなアプローチが考えられてきた。

その一つとして、図１（ａ）および（ｂ）に示すような、薄膜ヒータの両側に断熱溝を形成することが知られている(非特許文献１参照)。図１(ａ)は、従来の、リッジ構造熱光学位相変調器の鳥轍図を示し、図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ａ’線切断の断面構造を示している。本明細書では、このような構造をリッジ型構造と呼ぶ。すなわち、図１（ａ）および（ｂ）では、基板１上に形成された、コア３が埋め込まれたクラッド２にコア３を横切らないように断熱溝６を形成することによって、リッジ構造４が形成されている。このリッジ構造４上には、コア３に適切に熱を加えるように、金属配線７に接続された薄膜ヒータ５が設けられている。

この断熱溝６は、薄膜ヒータ５から加えられた熱が、基板水平方向に拡散し、コア３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。すなわち、断熱溝６により、薄膜ヒータ５からの熱を基板水平方向に拡散するのを抑制し、コア３に効果的に熱を加えることができる。非特許文献１によれば、断熱溝６によって区切られて形成されたリッジ構造４のリッジ幅が細くなるほど、消費電力は小さくなることが示されている。スイッチング電力４５ｍＷの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は消費電力だけを低下させ、応答速度の劣化を招かないことが示されている。

他の方法として、図２に示されるように、断熱溝２６をクラッド２２に形成した後に、ヒータ２５下部にある熱伝導性の高い基板２１、またはクラッド２２の一部を除去することにより、ヒータ２５からの熱が熱伝導性の良い基板２１に逃げることを抑制する方法が知られている。本明細書では、このような構造をブリッジ構造と呼ぶ。すなわち、図２では、断熱溝２６は、ヒータ２５の長手方向に沿って連続的ではなく、所定の間隔で形成されており、各断熱溝の間には支柱２７が形成されている。この支柱２７によって、導波路部分２４と導波路部分２４以外のクラッドとを接続しており、この形態をブリッジ構造と呼ぶのである。さらに、図２では、少なくともヒータ２５下部の基板２１を除去することにより、基板除去部２８が形成されている。

なお、本明細書において、「導波路部分」とは、コアを含んだ領域であり、実際に光を伝搬させる領域を指し、リッジ構造の場合は、コアを含むリッジ部分であり、ブリッジ構造の場合は、支柱によって接続された、コアを含んだ領域である。

また、本明細書において、「支柱」とは、コアを挟むようにして断熱溝を任意の距離隔てて形成した結果形成される、各断熱溝の間の領域を指し、導波路部分と、導波路部分ではないクラッドとを接続する機能を有する。例えば、導波路部分の下部に基板除去部を形成した場合、支柱によって導波路部分と導波路部分以外のクラッドとを接続することにより、導波路部分を所望の位置に固定することができる。

図２は、Ｓｉからなる基板２１の一部を除去した基板除去部２８を形成した場合の、ブリッジ構造の熱光学位相変調器を示している。断熱溝２６を設ける際に、断熱溝２６を不連続とし、支柱２７となる部分を残して断熱溝形成を行った後、ヒータ２５下部のＳｉからなる基板２１の一部を除去して、基板除去部２８を形成する。損失の増加がないように、コア２３内のモードフィールドが、設けられた断熱溝２６にはみ出さない程度のクラッド２２がコア２３の周辺に覆ってある。また、機械的強度を持たせるために、支柱２７が設けられている。この支柱２７の上面は、上層クラッド表面と同じ高さとなっている。

この構造では、ヒータ２５より加えられた熱が効率良くコア２３に伝わり、コア２３の温度上昇を効率良く行える。よって、非常に消費電力の小さな熱光学位相変調器が実現できる。

S. Sohma et al. "Low switching power silica-based super high delta thermo-optic switch with heat insulating grooves"Electron Lett., Vol. 38, pp.127, 2002 A. Sugita et al. "Bridge-Suspended Silica-Waveguide Thermo-Optic Phase Shifter and Its Application to Mach-Zehnder Type Optical Switch" Trans. IEICE, Vol. E73, pp.105, 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、断熱溝によって区切られたリッジ構造のリッジ幅を狭くすることが考えられる。しかしながら、これまでの方法を単に世襲し、更に、上記リッジ幅をさらに狭めるにも限界がある。

図３は、本発明者らが作製し、測定した、従来構造のリッジ構造の熱光学位相変調器を有するＭＺＩ干渉計の挿入損失とリッジ幅との関係を示している。用いた導波路のコアとクラッドとの比屈折率差Δは１．５%である。これによると、単に従来構造のまま、リッジ幅を狭くすると、該リッジ箇所を光が伝播する際の損失が大きく増加してしまうといった課題が生じる。

このリッジ幅を狭めて損失が増大する要因は、主に次の2つの要因に大別できる。
［１］リッジ部（リッジ構造）に隣接する断熱溝形成時に生じる側面の荒れによって生じる散乱による損失増大。
［２］リッジ部の導波路のモードと、埋め込み導波路によって構成される導波路のモードとのモード不整合による損失増大。

要因［１］について説明する。断熱溝を形成する際、クラッド表面から基板付近まで、多い時には６０μｍ以上もの深さのガラスエッチングを実施する。そのためリッジ部の側面には、加工荒れが生じている。従来構造のようにリッジ幅が広い場合は、光からみて、側面は”見えない”ため散乱による損失の増大は起こらないが、リッジ幅を狭めると、伝播光から見て側面の荒れが”見える”ため散乱損失の原因となる。

次に、要因［２］に関して詳細に説明する。
図４（ａ）は、断熱溝が形成されていない場合の導波路の断面の模式図と、基板水平方向（ｘ軸方向）での光強度の分布を示している。図４（ａ）において、基板４１上には、コア４３が埋め込まれたクラッド４２が形成されている。断熱溝が形成されていない場合、コア４３を伝搬する光の基本モード幅をＷ_eとする。モード幅Ｗ_eは、一般的には、
Ｗ_e＝Ｗ_c＋（λ₀／π）（ｎ_c／ｎ_r）^2σ（ｎ_r ²−ｎ_c ²）^-(1/2)
によって、与えられる。ここで、Ｗ_cはコア幅、λ₀はコアを伝搬する光の波長である。また、ｎ_c、ｎ_rはそれぞれ、クラッド、コアの屈折率である。

また、導波路を挟むように断熱溝を形成することによってリッジ構造を形成した際の、リッジ構造のリッジ幅をＷ_rとすると、図４（ａ）では、断熱溝が形成されていないので、リッジ幅Ｗ_rは∞と見なせる。

断熱溝によって区切られるリッジ構造４４のリッジ幅Ｗ_rが図４(ｂ)のように
Ｗ_r＞Ｗ_e
である時、伝播光は、断熱溝の影響を受けずに伝播できるため、要因［１］に示した散乱損失の増加を招かない。しかしながら、消費電力をさらに低減させるために、リッジ幅を狭くし、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）および（ｂ）のモード幅Ｗ_eよりも、リッジ構造４５のリッジ幅Ｗ_rを狭くする、つまり
Ｗ_r＜Ｗ_e
とすると、コア近傍の断熱溝の空気の影響を受けコア４３のｘ軸方向の有効屈折率が上昇し、クラッド４２を含むリッジ構造４５をガイドとして光が閉じ込められるようになる。クラッド４２と空気の屈折率差は非常に大きく、結果、リッジ構造４５でのモードフィールドは変化し、リッジ構造４５を伝搬する光の基本モード幅はＷ_e’となる。このモード幅Ｗ_e’は、モード幅Ｗ_eより小さく、リッジ構造４５のリッジ幅Ｗ_rにほぼ等しくなる。

図４（ｃ）において、埋め込み導波路内のコア４３を伝播してきた光が、突如、断熱溝によって区切られるリッジ構造（リッジ部）４５の導波路に接続されると、各々（リッジ構造４５を伝搬する光と、リッジ構造４５に接続した導波路を伝搬する光）のモードの不整合から損失を生じる。すなわち、埋め込み導波路でモード幅Ｗ_eで伝搬した光は、リッジ構造４５にてモード幅Ｗ_e’となり、モードの不整合が生じるのである。これまでリッジ幅を狭めると消費電力が下げられることはわかっていたものの、実用的なデバイスが実現されてこなかったのは、前述した2つの要因により損失が増大してしまう問題があるためである。これらの要因に対し、対策を行い、損失増加を低減し、低消費電力を実現できる構造が望まれている。

さらには、リッジ幅を狭めると、その上に設けられるヒータの幅も狭める必要がある。ヒータの細線化により従来では問題にならなかったことが問題となる。細線ヒータと金属配線との接続部において、細い配線を利用すると、配線抵抗が上昇するといった問題がある。また応力等の問題から、製造段階での断線が多くなる問題が生じる。このように細線化するとヒータの抵抗値が上昇するので、ヒータの厚さを増すことにより上記抵抗値を下げようとするとヒータ膜の応力が増大し、ヒータの剥離、クラックの生成等の製造上の問題が生じてしまう。特に、図５に示すように、ヒータ５１と金属配線５３とを接続する箇所の角部において、応力のためのクラック（ひび）５４が金属配線５３に入り断線に至ることが多いといった問題があった。特に細線化しヒータ抵抗値の上昇を緩和しようとヒータ膜厚を厚くするとこの問題は顕著となる。なお、図５において、符号５２は、断熱溝である。

非特許文献２に代表されるブリッジ型熱光学位相変調器においては、効率よくコアの温度が上昇するようにヒータへの印加電力が用いられる一方、放熱という観点では熱が逃げにくい。よって、消費電力を低下させるが、著しく応答速度の劣化を招くという問題がある。これは、蓄積された熱が、放熱されないためである。

多少の消費電力を犠牲にしてでも、応答時間をはやくする方法が知られている。熱が基板へと逃げるのを抑制するために基板または、クラッドの一部を除去する際に、除去する基板または、クラッドの一部を残して熱の逃げ道（放熱のための経路）を確保する方法である。しかしながら、上記逃げ道を確保するために残された基板またはクラッドの幅の制御は非常に困難である。なぜならば、基板または、クラッドの一部を残す加工は、基板に対する水平方向への加工である。この水平方向への加工においては、高度なエッチング量の監視方法もなく、精度が悪い。そのため、作製するバッチごとに消費電力、応答時間にばらつきが生じる問題がある。さらにはウエハー内のエッチングの均一性が悪いと、消費電力、応答時間にも同じだけのばらつきが生じてしまう。

また、機械的強度を持たせるために支柱を設けているが、不十分であり、振動、衝撃により、構造が破損しやすいといった問題があった。Ｓｉ等からなる基板を大きく除去することによる応力が要因で破損しやすい。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、消費電力を低減させ、かつ損失を低減することが可能な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。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に堆積された下層クラッドと、該下層クラッド上に形成された、前記下層クラッドよりも高い屈折率を有するコアと、前記コアの前記下層クラッドと接する面以外の面を覆うように形成された、前記コアよりも低い屈折率を有する上層クラッドと、少なくとも前記上層クラッドを除去して形成された断熱溝であって、それぞれの端を含む領域における、前記コア側の第１の縁の方向が、前記コアの長手方向に対して、該第１の縁の端に向かって、前記コアとは反対側に第１の角度を成す方向である断熱溝と、前記断熱溝の２つを、前記コアを挟むようにして形成することにより形成されるリッジ構造であって、該リッジ構造を形成する第１の断熱溝と第２の断熱溝との間の最も近い距離は、断熱溝が形成されない場合のコアの導波モード基本モード幅よりも小さく、前記第１の縁によって形成された領域は、前記第１の縁の端に近づくにつれて幅が徐々に大きくなるリッジ構造とを備え、前記リッジ構造の幅が徐々に大きくなる領域は、断熱溝が形成されていない領域の埋め込み型導波路から前記リッジ構造部分の導波路へモードフィールドを断熱的に変換するように形成されていることを特徴とする。

このように、断熱溝によって形成されるリッジ構造の幅を、断熱溝が形成されない場合のコアの導波モード基本モード幅よりも小さくしても、リッジ構造の両端に形成されるテーパー部によって損失を低減させることができるので、損失の増加を抑えて、低消費電力化を実現できる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記断熱溝の最深部が、前記基板表面まで達せず、前記下層クラッドの一部が残っており、前記断熱溝の底面に形成された、少なくとも１つ以上の前記基板除去用の窓と、前記基板除去用の窓から前記基板に対してエッチングして形成された基板除去部とをさらに備えることを特徴とする。

このように、窓を設けることによって、基板の一部を除去することができるので、加熱領域を減らすことができ、応答時間を従来に比べて大幅に改善することができる。また、下層クラッドに窓を形成することにより支柱を形成するので、支柱はコアよりも下部に形成されることになり、支柱部で生じるモードフィールドの不整合を低減することができる。さらに、リッジ構造の幅を狭くすることができるので基板の除去量を低減することができ、従来構造では大きな問題であった機械的強度も改善することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記コアの側面の少なくとも一部が前記断熱溝に接していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記コアに熱を加えるように、前記上層クラッド上に形成されたヒータと、前記ヒータと接続される端部から遠ざかるに従って、前記コアに対して第２の角度でその幅が徐々に広くなるテーパー部分を有する配線であって、前記第２の角度は、前記第１の角度とほぼ等しいか、または小さい角度である配線とをさらに備えることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記断熱溝は、前記第１の縁が直線または曲線であり、前記第１の縁の間に形成される第２の縁が前記コアと略平行に直線である形状、前記第１の縁の間に形成される第２の縁が曲線である形状、一方の端を含む領域に形成された第１の縁と他方の端を含む領域に形成された第１の縁とが直接連結した形状、前記第１の縁が直線または曲線であり、前記第１の縁の間に形成される第２の縁が前記コアと略平行に直線であり、その幅が長手方向に沿ってほぼ一定である形状のいずれか１つであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、下層クラッドと、該下層クラッド上に形成された、前記下層クラッドよりも高い屈折率を有するコアと、前記コアの前記下層クラッドと接する面以外の面を覆うように形成された、前記コアよりも低い屈折率を有する上層クラッドとを有する基板を用意する用意工程と、前記基板の少なくとも一部を除去するためのエッチングの窓となるパターンをエッチングすることによって、前記上層クラッド上に窓を形成する窓形成工程と、前記窓の段差を包括する領域に少なくとも前記上層クラッドを除去して形成された断熱溝であって、それぞれの端を含む領域における、前記コア側の第１の縁の方向が、前記コアの長手方向に対して、該第１の縁の端に向かって、前記コアとは反対側に第１の角度を成す方向であり、前記コアを挟むようにして２つの断熱溝を形成することによりリッジ構造を形成し、該リッジ構造を形成する第１の断熱溝と第２の断熱溝との間の最も近い距離は、断熱溝が形成されない場合のコアの導波モード基本モード幅よりも小さくなるように断熱溝を形成する断熱溝形成工程と、前記窓の底面が、前記基板に少なくとも達した時点で前記断熱溝の形成を終了する終了工程と、前記窓より、前記基板の少なくとも一部を除去する除去工程とを有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、前記断熱溝形成工程では、所望の消費電力または応答時間のいずれか一方に応じて、前記断熱溝の底面と、前記基板との間の前記下層クラッドの厚さを調節することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、リッジ構造の幅を狭くしても、リッジ構造の両端を含む領域にテーパー部を形成するように断熱溝を形成したので、損失の増加を抑えることができるので、消費電力を低減させ、かつ損失を低減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。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（第１の実施形態）
図６（ａ）は、本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（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’線切断断面図である。また、図７は、本実施形態に係る熱光学位相変調器を用いた１×２光スイッチの構成図である。

図６（ａ）および（ｂ）において、Ｓｉなどからなる基板６１上には、コア６３が埋め込まれたクラッド６２が形成されている。クラッド６２には、コア６３を挟むようにして、断熱溝６５が形成されており、これら断熱溝６５により、コア６３を含んだリッジ構造６４が形成される。リッジ構造６４の上部には、コア６３に熱を加えるようにヒータ６６が形成されている。このヒータ６６の幅は、直線形状のリッジ構造６４Ａの幅とほぼ同じでも良いし、直線形状のリッジ構造６４Ａの幅よりも細くても良い。なお、直線形状のリッジ構造６４Ａの幅は、断熱溝が形成されない場合のコアの導波モード基本モード幅よりも小さい。

上記断熱溝６５の長手方向はコア６３の長手方向とほぼ一致しており、断熱溝６５のコア６３側の縁の少なくとも１部分である第１の縁は、コア６３の長手方向と略平行である。また、上記断熱溝６５のコア６３側の残りの縁であって、第１の縁の両側に形成された第２の縁は、第１の縁の方向に対して、コア６３とは反対側に向かって所定の角度を成すように形成されている。第１の縁の形状によって、直線形状のリッジ構造６４Ａが形成され、この直線形状のリッジ構造６４Ａ上にヒータ６６が形成されることになる。また、第２の縁の形状によって、直線形状のリッジ構造６４Ａから離れるに従ってその幅が徐々に広がるようなテーパー形状のリッジ構造（テーパー部）６４Ｂが形成される。すなわち、１対の断熱溝６５によりコア６３を、該コア６３の長手方向を横切らないように区切ることによって、直線形状のリッジ構造６４Ａの両端部にテーパー形状のリッジ構造６４Ｂが形成されたリッジ構造６４が形成される。

なお、本明細書において、「縁」とは、ある領域と他の領域との境界を指し、断熱溝の縁とは、断熱溝とクラッドとの境界の部分を指す。

クラッド６２上には、テーパー部６７Ａを有する金属等の接続配線６７が形成されており、テーパー部６７の最も幅が小さい端と、ヒータ６６の端とが接続されることにより、外部からの電気信号を、接続配線６７を介してヒータ６６へと送信することができる。

本実施形態では、断熱溝６５が形成されていない場合のコア６３の導波モードの基本モード幅よりも、断熱溝によって区切られる直線形状のリッジ構造６４Ａの幅が狭く、かつ、該直線形状のリッジ構造６４Ａの幅がコア６３のコア幅より広い構造を有している。このような構造において、断熱溝６５の長手方向において、上記コア６３の側面の薄いクラッド層の厚さが、直線形状のリッジ構造６４Ａ（ヒータ６６）から離れるに従い次第に厚くなるような、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂを有する熱光学位相変調器を用いた、１×２光スイッチを図７に示す。なお、図７では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。

図７において、方向性結合器７２Ａの出力ポートにはそれぞれ、アーム導波路７３Ａ、７３Ｂの一方端が接続されている。アーム導波路７３Ａ、７３Ｂにはそれぞれ、図６（ａ）および（ｂ）にて説明した、熱光学位相変調器７１が形成されている。アーム導波路７３Ａ、７３Ｂの他方端はそれぞれ、方向性結合器７２Ｂの入力ポートに接続されている。

以下で、図７に示す、光スイッチの作製方法について述べる。ここで示す数値、作製方法は一例であり、他の値、作製方法であっても差し支えない。
まず、Ｓｉからなる基板上に、火炎堆積法を用いて下部クラッド５０μｍ、コア層４．５μｍを順に堆積する。ここで火炎堆積法とは、ＳｉＣｌ₄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る。この火炎堆積法は、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。堆積直後は、形成された膜は微粒子の集まりであるため可視光を散乱し、白色を示すが、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、Ｐ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₃などを適量添加したガラスを堆積し、さらにコア層には屈折率を上げるためにＧｅＯ₂等を添加する。ここでは、堆積したコア層の比屈折率差Δがクラッド層に対し１．５％となるようにする。

ついで、一般的なフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチングとを用いて、形成されたコア層に対して回路形状に加工を実施する。作製した光回路は、図７に示されるような直線アーム導波路７３Ａ、７３Ｂの両端に接続された２つの３ｄＢ方向性結合器７２Ａ、７２ＢからなるＭＺＩ回路である。なお、本実施形態では、アーム導波路７３Ａ、７３Ｂそれぞれの長さは、３ｍｍである。また、導波路（コア６３）の幅を６．０μｍとする。

エッチングした回路をさらに、オーバークラッドとなるガラスで埋め込む。このときのオーバークラッドとなるガラスの厚さは、２０μｍである。そのクラッド上にＣｒを用いてヒータ６６を形成後、金からなる接続配線６７を形成する。ここで、ヒータは、幅３μｍ、長さ２ｍｍとし、金からなるテーパー形状の電極（テーパー部６７Ａ）により配線されている形状とする。最後に、断熱溝６５を形成する。断熱溝６５は、ヒータ６６の両側は平行な断熱溝であり、該断熱溝の幅を５０μｍとし、コア６３の両側に形成された断熱溝６５によって区切られる直線形状のリッジ構造６４Ａのリッジ幅がコア幅と同じ６μｍとなるようにする。また上記平行な断熱溝６５の両端にコア側面の距離に対応する水平方向のクラッド厚さがヒータ６６から遠ざかるにつれて厚くなるように、断熱溝幅をテーパー形状の構造とする。このようにして、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂが形成される。テーパー形状のリッジ構造６４Ｂの長さを５００μｍとし、直線形状のリッジ構造６４Ａ（ヒータ６６）から離れるに従い断熱溝幅が５０μｍから３５μｍになるように徐々に断熱溝６５の幅を狭める。本実施形態では、これに限定されないが、断熱溝６５のテーパー角は１．７度に相当する。

本実施形態では、テーパー形状のリッジ構造は、断熱溝幅を徐々に狭くすることで構成している。しかしながら、本実施形態では、断熱溝によって区切られるリッジ構造両端がテーパー構造となっていることが重要であり、断熱溝によって形成されるリッジ構造の両端がテーパー形状となっていれば、例えば、後述のように、断熱溝そのものを該当箇所で曲げて作製しても問題はない。

以下に、断熱溝の両端をテーパー構造とすることによる効果について述べる。
上述したように、断熱溝を狭くしたリッジ構造においては、伝播光の水平方向の成分は、断熱溝内の空気をクラッドとして伝播する。この時のモードフィールドは、断熱溝がない箇所の導波路のモードフィールドとは異なる。また、リッジ構造は、シングルモードの導波路ではなくなり、マルチモードの導波路となる。そのため、ガラスで埋め込まれた導波路内を伝播してきた光が、突如断熱溝によって区切られるリッジ構造と接続されると、モードフィールドの不整合により損失を生じる。さらに高次モードを励振し、そのことによっても損失を発生させてしまう。

この損失を低減するには、断熱的に埋め込み型導波路からリッジ部の導波路ヘモードフィールドを変換することが望ましい。図８は、断熱的にモードフィールドが変換される様子を模式的に示した図である。図８に示されるように、断熱溝が突如現れるのではなく、徐々に現れるようにするためにテーパー部（テーパー形状のリッジ構造６４Ｂ）を直線形状のリッジ構造６４Ａの両側に設ける。すなわち、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂを設けることで、導波路を伝搬してきた光のモード幅Ｗ_Iは、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂを通過するに従い徐々に小さくなり、直線形状のリッジ構造６４Ａではモード幅Ｗ_O（Ｗ_I＞Ｗ_O）となる。よって、モード不整合を解消ないしは軽減することができ、かつ高次モードの励振を抑えることができ、伝搬光を、低損失に、狭リッジ部を伝播させることが可能となる。

作製した回路の損失増加を測定したところ、図９に示されるようにリッジ幅を狭めても、損失増加はほとんど認められなかった。詳細に調べるため、テーパー部を含め長さ３ｍｍの狭リッジ部（リッジ構造）を形成した箇所を２０箇所設けたテスト回路において測定をしたところ、０．２ｄＢの損失増加を確認した。これは、一箇所の狭リッジ部を透過しただけでは僅か０．０１ｄＢの損失増加が起こる、ということに対応する。なお、従来構造、すなわちテーパー部を形成するように断熱溝を形成しない場合は、一箇所当たりの通過による損失は１４ｄＢ以上であり、本実施形態の断熱溝をテーパー形状のリッジ構造を形成するように形成することにより、損失が大幅に低減できていることがわかった。

作製した熱光学位相変調器において、消費電力を測定した結果、位相がπ回転するのに要した電力はわずかに２５ｍＷであり、断熱溝が形成されない場合の消費電力４５０ｍＷの実に５％の電力まで低減ができた。また、従来構造の非特許文献１に報告されている消費電力４５ｍＷと比べても、ほぼ半分にまで消費電力を低減することがでた。

このように本実施形態によれば、消費電力を低減させるためにリッジ構造の幅を狭くしても、リッジ構造の両端をテーパー形状とすることにより、リッジ構造と該リッジ構造と接続する導波路とにおいて、モード不整合を低減することができるので、消費電力を低減させ、かつ損失を低減することができる。すなわち、リッジ構造と該リッジ構造に接続される導波路の光結合の劣化を抑えながら、リッジ構造の幅を小さくすることができる。

なお、本実施形態では、コア幅と直線形状のリッジ構造のリッジ幅とが等しくなる場合について示したが、リッジ構造の作製前に埋め込まれていたコア幅よりも上記リッジ幅が狭くなっていても問題とはならない。また逆に、直線形状のリッジ構造において、コア側面が断熱溝空間に接している必要性は必ずしもなく、コア側面に極薄いクラッド層が残っていても同じ効果が得られる。なぜならば、側面にクラッドがある場合と、無い場合とでは、本実施形態では本質的な違いはなく、コアやクラッドの屈折率は断熱溝空間の空気に比べて大きいため非常に閉じ込めが強く、直線形状のリッジ構造を伝搬するモードフィールドはリッジ幅で決定されるためである。すなわち、断熱溝空間の空気は、コアおよびクラッドに比べて屈折率が小さいので、クラッドを含めコアが実質上のコアとして機能し、断熱溝空間の空気が実質上のクラッドとして機能するので、リッジ構造と結合する導波路を考慮すると、リッジ構造には少なくともコアを含んでいれば良いのである。

本実施形態によると、従来構造では、消費電力を下げる目的でリッジ幅を狭くすると、損失が増加してしまうという問題に対し、断熱溝両端にテーパー構造を設けることでモードフィールドを埋め込み導波路部分から、断熱溝リッジ構造部へ断熱的に変化させることで、消費電力を下げかつ損失増加を招かない構造が実現可能である。

本実施形態では、テーパー形状のリッジ構造の形状は、直線形状のリッジ構造（ヒータ）から離れるに従い断熱溝幅を徐々に狭くすることで構成している。しかしながら、本実施形態では、断熱溝によって区切られるリッジ構造両端がテーパー構造となっていることが重要であり、例えば、図１０（ａ）〜（ｅ）に示したような構成の断熱溝であっても良い。

図１０（ａ）は、本実施形態で作製した断熱溝１０２を示しており、該断熱溝１０２は、断熱溝１０２のコア１０１側の、該コア１０１の長手方向と略平行である縁１０３と、該縁１０３と対向する縁１０５とが略平行であり、縁１０３の方向に対して、コア１０１とは反対側に向かって角度θ（テーパー角とも呼ぶ）で形成された縁１０４を有する、台形形状となっている。図１０（ａ）では、縁１０３により、直線形状のリッジ構造１０７を形成し、縁１０４により、テーパー角θのテーパー形状のリッジ構造１０８を形成する。

図１０（ａ）では、断熱溝１０２を台形形状としたが、狭くなった先１０６が尖る形状としても良い。本実施形態では、ヒータやコアは直線形状であるが、曲線であっても良い。その場合は、図１０(ｅ)に示すように、テーパー部１０８の間のリッジ構造は直線でなく曲線であっても問題はない。すなわち、断熱溝１０９の、コア１０１側の縁１１０を、形成されるべきヒータ（不図示）やコアの形状に合わせて曲線とすることにより、曲線形状のリッジ構造１１１を形成しても良い。

また、断熱溝の幅が狭くなる箇所においては、断熱溝をエッチングする際ローディング効果により、狭くなった箇所ではエッチングが良好に行えない場合がある。そこで、図１０（ｂ）に示すように、断熱溝１１２の幅を一定にして、折り曲げた形状としてもよい。すなわち、縁１０３および１０４に対向する縁１１３を、対向する縁と略平行になるようにするのである。この場合、断熱溝１１２のいずれの箇所においても一定の深さとすることができる。

さらに損失増加を抑え断熱的にモードフィールドの変換を行う目的から、図１０（ｃ）に示すように、テーパー部１０８が曲線である方が好ましい。すなわち、テーパー部１０８を形成するための、断熱溝１１４の縁を、その形状が直線から曲線（例えば、図１０（ａ）の縁１０４の形状を直線から曲線に変更した縁）に変更された縁１１５としても良い。この場合は、テーパー部１０８を形成するための縁が直線の場合よりもテーパー部１０８に必要な長さを削減することが可能となる。

さらに、消費電力を下げるという目的では、テーパー構造を採用して、断熱溝によって区切られる体積を減少させればよく、直線形状のリッジ構造を有さず、図１０(ｄ)に示すようにテーパー部１０８が二つ向き合ったような構造の断熱溝１１６であっても、少なくとも、従来構造に比べて消費電力を下げる効果が得られる。

先に示した図１０（ｂ）は、エッチング時、幅の狭い箇所は深く掘ることができないことを防ぐための構造である。この効果を逆に利用することで、より低損失にモードフィールドを変換することができる。図１１(ａ)は、本実施形態に係るテーパー部（テーパー形状のリッジ構造）の上面を示す図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の、Ｃ−Ｃ’線切断断面図である。エッチングにより断熱溝１２１を形成する工程において、エッチングに用いるガス種、ガス圧等を適当に変化させることで、断熱溝の幅によりエッチングレートを変化させることができる。それを利用すると、図１２（ａ）および（ｂ）のように、断熱溝１２２が細くなった箇所１２３において、ローディング効果により、三次元的に、テーパー形成を成すことが可能である。このような構造にすることで、断熱的にモードフィールドを変換するという観点から、横方向の２次元的な変換だけでなく、３次元的にモードフィールドが変換できるので、より低損失を実現することが可能である。

（第２の実施形態）
本実施形態では、熱光学位相変調器の低消費電力化を実現し、損失増加を招かない、ないしは低減させるのに最適な金属配線形状について述べる。
図１３（ａ）は、本実施形態に係る、配線形状を示す上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の、テーパー形状のリッジ構造の拡大図である。

本実施形態では、Ｃｒヒータ６６を用いた、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂを形成する断熱溝６５を有する熱光学位相変調器に適した電気配線構造を作製する。
電気配線を含めた作製工程は、第１の実施形態の工程と同じである。
本実施形態では、幅３μm、長さ２ｍｍ、厚さ８００ｎｍのＣｒヒータ６６を直線形状のリッジ構造６４Ａ上に形成する。その後、ヒータ６６に接続する金からなる接続配線６７を形成する。接続配線６７は、ヒータ接続点付近でヒータ６６の幅とほぼ同じ幅とし、ヒータ６６から遠ざかるにつれ幅が広くなるようなテーパー部６７Ａを有する。テーパー角は、１．５度である。これは、後に形成する、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂの広がり角１．７度よりも狭い角度である。

なお、本実施形態では、テーパー部の角度を１．５度とし、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂの広がり角を１．７度としているが、これに限定されず、回路の設計に応じて適宜角度を決めればよい。また、本実施形態では、テーパー部の幅、長さに関しても、この限りではない。すなわち、金属等からなる接続配線６７が有するテーパー部６７Ａのテーパー角が断熱溝６５より形成される、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂのテーパー角よりも小さければ、以下に示す効果が得られる。

以下で、接続配線のヒータ接続部を含む所定の領域をテーパー構造とする効果、および接続配線のテーパー部のテーパー角を、テーパー形状のリッジ構造のテーパー角より少なくとも同じか、または小さくすることによる効果について述べる。

ＬＳＩを代表とする電気大規模集積回路においては、近年配線太さはナノメートルオーダーと非常に細くなっている。しかしながら、光回路におけるヒータ配線は、電気回路ではありえない熱源に対し配線を実施する。そのため、膜厚等は電気回路のそれと大きく異なり区別される。

その一つの問題として、図５に示される熱光学位相変調器の従来構造の電気配線構造に細線ヒータ５１を取り付けた場合、同図内で拡大して示しているような角（ヒータ５１と金属配線５３との接続部付近）の箇所に、クラック５４が入り、断線するといった問題が生じる。これは、ヒータを細線化することにより抵抗が大きくなるのを防ぐため、ヒータ膜厚を厚くすると顕著に現れる。膜応力によるものであると考えられる細線化特有の問題である。しかしながら、本実施形態のようにヒータ６６に接続する箇所の電気配線形状を、テーパー構造とすることで、細線化されたヒータ６６との接続部における断線は見られなくなった。本実施形態で作製した構造では、ウエハー内すべての箇所において断線箇所はみられず、断線を防ぐ効果がある。

上記のような断線の問題もあるが、さらに深刻な問題を抱えている。それは、配線抵抗の問題である。
熱光学位相変調器に用いるヒータとそれに電力を供給するための電気配線は、通常ヒータの幅よりも電極配線の幅の方が太い。というのも、電極配線は、通常、金、アルミ、銅などの電気抵抗率の小さな金属を用いて作製されるが、その配線抵抗はゼロではない。そのため、印加した電力がすべて効率よくヒータの加熱に用いられるわけではなく、電気配線部により熱に変換されるものも存在する。ヒータの抵抗値が８００Ωである際、配線抵抗が８Ωあると、簡単には約１／１００の電力は配線によって消費され熱となってしまう。この影響を少なくするために、電気配線の幅を広くし抵抗値を下げる必要がある。

図１４(ａ)は、これまで従来からあった配線と抵抗を示している（図１の構成と同一の構成）。これを本実施形態のテーパー構造を有する断熱溝を形成した熱光学位相変調器に適応した場合を考える。テーパー形状のリッジ構造（テーパー部）６４Ｂの箇所にもヒータ６６を形成した場合(図１４（ｂ）)、テーパー部６４Ｂはヒータ中央から遠ざかるにつれて、徐々にリッジ幅が広くなる。そのため、リッジ幅を狭めて消費電力をさげる目的からは、テーパー部６４Ｂにてリッジ幅が広くなった部分を暖める分、無駄な消費電力が増えることとなる。

細い配線部分は可能な限り細くした方が抵抗を小さくできるため金属配線７の、テーパー部６４Ｂの上部に形成される配線部分７Ａの幅をヒータ６６の幅まで狭くした場合(図１４（ｃ）)、テーパー部６４Ｂの上部の配線部分７Ａの幅が狭くなるため、該箇所での配線抵抗が大きくなってしまう。つまり、配線材料(金等)であっても細配線すれば抵抗値が高くなり、配線部分７Ａをヒータ６６の一部とみなせるようになるため、図１４（ｂ）と同じ理由から、無駄な消費電力が増えてしまう。

ヒータ６６はリッジ幅が狭くなった箇所（直線形状のリッジ構造６４Ａ）のみに設けるのが消費電力低減の観点からは望ましい。かといって図１４（ｄ）のように、太い金属配線７を、断熱溝６５を、後に形成すべき領域にまで設けると、断熱溝６５の形成時に、金属配線７がガラスエッチングのマスク材として働き、テーパー部６４Ｂの形状を乱すこととなる。これは伝播損失増加の要因となりえる(先に示した散乱による損失；要因［１］)。断熱溝６５を形成した後に、金属配線形成過程を実施すればこの問題はないが、通常は金属配線工程を実施してから、断熱溝形成工程を行うのが普通である。断熱溝６５の形成後では、断熱溝６５により金属をパターン化する際に塗布するレジストが上手く塗布できない、均一な厚さにレジストが塗布できない、フォトリソグラフィー工程において均一に露光現像できないといった問題があるためである。そのため断熱溝形成工程の前にヒータ、金属配線の形成工程を実施するのが一般的である。

そこで、本実施形態のように、テーパー部６４Ｂを形成するように断熱溝６５を形成した場合には、金属配線もテーパー化することが最良形状である。ヒータ６６が細線化してもそれに接続する箇所の金属配線抵抗上昇を極力抑えることが可能となる。結果、断線を防ぐことができる。また、断熱溝６５により形成されたテーパー部６４Ｂのテーパー角よりも小さなテーパー角を持つようにテーパー部６７Ａを形成することで、断熱溝側面形状が加工時に金属配線による影響を受けないようにし、伝播損失の増加なく、配線抵抗の上昇を抑えつつ、ヒータに電力を供給することが可能となる。

加工時に接続配線６７が、エッチング箇所にかからず、テーパー部の側面の形状を変形させない目的では、テーパー部６７Ａのテーパー角は、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂのテーパー角よりも必ずしも小さくなくても良い。図１５に示すように、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂのテーパー角とテーパー部６７Ａのテーパー角とがほぼ同じ角度であり、テーパー形状のリッジ構造６４Ｂのテーパー開始点αより、テーパー部６７Ａのテーパー開始点βを距離ｌだけずらしても同じ効果が得られる。この時は、ずらす幅は小さい方が、先に述べた図１４（ｃ）の説明と同じく、細い配線を可能な限り短くした方が配線抵抗を小さくできるため、細い配線箇所の長さを短くする。

以上に説明したように、断熱溝によってテーパー形状のリッジ構造を形成し、断熱溝によって区切られる幅が狭い構造では、接続配線にもテーパーを設け、そのテーパー角は、テーパー形状のリッジ構造のテーパー角よりも小さいか、または、等しくすることにより、断線の防止ができ、かつ配線抵抗を極力抑え、消費電力を下げる効果が得られる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、第１および第２の実施形態で説明した、断熱溝構造および接続配線構造をブリッジ型熱光学位相変調器に適用した形態について説明する。図１６（ａ）は、本実施形態に係る、ブリッジ型熱光学位相変調器の上面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の鳥瞰図である。なお、構成を分かりやすくするために、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＥ−Ｅ’の切断断面を示す。また、図１７は、本実施形態に係る、熱光学位相変調器の作製方法を示す図である。

図１６（ａ）および（ｂ）において、本実施形態に係る、ブリッジ型熱光学位相変調器は、図６にて説明した熱光学位相変調器の、断熱溝６５の底面に、所定の間隔毎に、基板除去部１６３を形成するための、エッチング窓１６１が形成されている。各エッチング窓１６１の間には、支柱１６２が形成されている。また、少なくとも直線形状のリッジ構造６４Ａの下部には、エッチング窓１６１から基板６１に対してエッチングを行うことにより、基板除去部１６３が形成されている。

なお、本実施形態では、断熱溝６５によってリッジ構造６４が形成されるが、このリッジ構造６４は、支柱１６２によって支えられるので、本実施形態に係る、熱光学位相変調器は、ブリッジ型となる。

本実施形態の熱光学位相変調器は次のようにして作製することができる。
工程１として、Ｓｉからなる基板１７１上にアンダークラッド１７２を１０μｍ、火炎堆積法(ＦＨＤ)を用いて堆積する（図１７（ａ））。次いで工程２として、コアとなる１７３層をＦＨＤにて、アンダークラッド１７２上に４．５μｍ堆積する(図１７（ｂ）)。ここでコア１７３とクラッド１７２との比屈折率差Δは１．５％とする。次いで工程３として、標準的なフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチング法とを用いて回路形状にコア１７４を加工する（図１７（ｃ））。コア１７４の幅は５μｍとする。次いで工程４として、それらの加工したコア１７４をオーバークラッド１７５となるガラスで埋め込みを実施する（図１７（ｄ））。埋め込みガラス厚さは１５μｍである。また、コア１７３とクラッド１７５との比屈折率差Δは１．５％とする。

さらに、工程５として、クラッド１７５の上部であって、コア１７４の上部にヒータ１７６と、ヒータ１７６に接続するように、テーパー部を有する電極（不図示）を形成する（図１７（ｅ））。ヒータ幅は約３μｍであり、テーパー形状の電極にて接続された形状とする。

ここまでは第１の実施形態に示した標準的な熱光学変調器の作製方法と同じである。
次いで、工程６として、ヒータ１７６と電極とを形成した表面にレジスト１７７を塗布し、後にＳｉ等方エッチングの窓となるパターン１７８を形成する（図１７（ｆ））。なお、窓の大きさは３０μｍ×３０μｍとして、上記窓の、導波路方向（コア１７４の長手方向）の間隔は、１０μ間隔とする。ヒータ１７６を挟んだＳｉ等方エッチングの窓の距離は最も近いところで１２μｍとする。

次いで工程７として、パターン化したレジストをマスク材としてクラッド１７５に対して、反応性イオンエッチングを用いて１０μｍの深さまでエッチングを施し、レジストを除去して、エッチング窓１７９を形成する（図１７（ｇ））。この際、エッチング深さは、市販されているエッチングモニターを用いてモニターリングしながらエッチングを施し精度よく加工を行うことができる。このようにして形成されたエッチング窓の間の領域が、後の工程を経て支柱となる。

次いで工程８として、再度レジスト１８０をクラッド１７５に塗布する（図１７（ｈ））。次いで工程９として、断熱溝のパターン１８１を、標準的なフォトリソグラフィーを用いてパターニングする（図１７（ｊ））。この際、断熱溝によって区切られた直線形状のリッジ構造の幅は１０μｍとし、形成される断熱溝のコア側の縁が、Ｓｉ等方エッチング窓１７９よりも内側にくるようにする。ここで工程８では、既にＳｉ等方エッチング窓１７９としてエッチングされた段差上にレジスト１８０を塗布することとなるが、この塗布後の表面の凹凸は１μｍ以下であり、後の工程に影響を与えない。

さらに、工程１０として、パターン化したレジストをマスク材としてクラッド１７５に対して、反応性イオンエッチングを用いて断熱溝１８２を形成する（図１７（ｋ））。この際、エッチングは既にエッチング済みであるＳｉ等方エッチング窓部が先にＳｉ基板１７１に達する。この時点でエッチングをストップさせる。このとき、断熱溝１８２の底面の基板１７１からの高さは、コア１７４の基板１７１からの高さよりも低い高さになるようにエッチングを行う。このようにエッチングを行うことにより、直線形状のリッジ構造とその両端に形成されたテーパー形状のリッジ構造とを有するリッジ構造１８３が形成される。

次いで工程１１として、Ｓｉ等方エッチング窓１７９により露出しているＳｉ基板１７１に、ＳＦ₆系のガスを用いてＳｉの等方エッチングを実施すると、エッチング窓１７９の下部の所定の領域の基板１７１は除去され、基板除去部１８４が形成される（図１７（ｌ））。断熱溝１８２によって区切られるリッジ構造１８３の下部のＳｉが除去され、リッジ構造を挟んで形成されたエッチング窓１７９から形成される、それぞれの基板除去部１８４がつながった時点でエッチングを止める。図１７（ｌ）では、リッジ構造１８３が宙に浮いているように見えるが、実際は、各エッチング窓の間に形成された支柱（不図示）により、固定されている。このようにして、ブリッジ型の熱光学位相変調器の構成が実現される。最後に工程１２として、レジスト１８０を除去する（図１７（ｍ））。

本実施形態では、コア１７４の側面が直接断熱溝１８２に接していない場合、すなわち、コア１７４の幅はリッジ構造１８３の幅よりも小さい場合を示しているが、無論、コア１７４の側面が断熱溝１８２に露出していても問題はなく、同じ効果が得られる。

このように作製した熱光学位相変調器をＭＺＩ回路に適用して光スイッチを作製し、電
力、消費電力の評価を実施した。その結果、消費電力は約９ｍＷとなり、従来の消費電力を大きく下回った。また本構造としたことによる過剰損失は、０．１ｄＢ以下であり、測定の誤差以内でありほとんど過剰損失が生じなかった。応答時間(ここでは光強度が１０％から９０％に変化するのに要する時間とする)は、約７ｍｓｅｃであった。

従来のブリッジ構造では、消費電力を下げられる一方、応答時間が劣化し、実用的な速度が得られないという問題があった。ブリッジ部の幅を狭めると、加熱体積が減少でき、無駄に加熱する箇所を減少できるため、応答時間の改善が可能である。

ここで、フィールド不整合による損失の低減効果について述べる。
従来からあるブリッジ型の熱光学位相変調器では、図１８（ａ）に示したように、断熱溝がない場合のモードフィールドの全幅Ｗ_eよりも導波路部分の幅を狭めると、図１８（ｂ）に示すように、支柱２７となる柱があるところと、ないところとでは伝播するモードフィールドが異なるため該箇所を通過する際、フィールド不整合による損失が非常に大きくなってしまう問題がある。なお、図１８（ａ）において、導波路部分１８１は、上述した図２の構成の導波路部分２４の幅よりも小さい幅を有する導波路部分である。

図１８（ｂ）は、従来からあるブリッジ型熱光学位相変調器において、支柱２７があるところと、ないところとのモードフィールの基板平面方向強度を導波路上に模式的に示した図である。支柱２７のないところでは、モードフィールドの幅は狭いが、支柱２７部分ではモードフィールドが広がる。そのため、従来からある構造にて、断熱溝２６によって区切られる箇所の横幅を狭くすると、これらのモードフィールド不整合により、支柱箇所を通過するたびに、損失が増大する結果となってしまう。

そこで、本実施形態のように、Ｓｉなどからなる基板に等方工ッチングを実施するための溝（エッチング窓）と、断熱溝とを分離することで上記の問題を解決することができる。本実施形態の構造では、支柱はコア側面の高さにはない。つまりコアよりも下部(基板に近い側)にて導波路部分（図１６（ａ）および（ｂ）では、リッジ構造６４）を支えている。そのため、図１９に模式的に示したように、断熱溝１９３によって区切られる区画のコア側面は常に一定の幅を有し、すなわち、断熱溝１９３によって形成されるリッジ構造１９１の、コア１９２の底部（基板側）よりも上部の部分は一定の幅を有し、伝播する光のモードフィールを保つことができる。つまり、リッジ構造１９１において、光が伝搬する領域（コア）の側面には支柱１９４が形成されていないので、モードフィールドをほぼ一定に保つことができるのである。

本実施形態では、断熱溝によって形成されるリッジ構造１９１と、該リッジ構造に接続される埋め込み導波路との整合を取るために、リッジ構造１９１の両端にテーパー形状のリッジ構造さえ設けておけばよく、支柱の有無によるモードフィールドの大きさに違いが生じず、損失の増加がほとんどない。しかも、基板除去工程は、従来と同じように実施することが可能である。

以上に述べたように、本実施形態のように、導波路部分（リッジ構造）のコアの側面部には支柱を設けず、基板側のみに支柱を設け、導波路部分を支えることで、断熱溝によって区切られる箇所（導波路部分）の幅を狭くして、消費電力を下げても、伝播損失の増加を抑えることが可能となる。

さらに本実施形態の構造では、従来構造で問題となっていた機械的強度に対しても効果が得られる。
従来構造のブリッジ構造では、図２０（ａ）のように、コア内のモードフィールドの裾が断熱溝２０１内に出ない程度にコア２０２をクラッド２０３で覆って導波路部分２０４を形成している。その状態で理想的なＳｉ等方エッチング(ここで理想的とは、深さ方向のエッチングスピードと、基板水平方向へのエッチングスピードとが等しい場合を指す)を断熱溝２０１の底面から基板２０５に実施して、両断熱溝２０１間のＳｉを除去することで、導波路部分２０４の両側から形成された基板除去部２０６をつなげるには、少なくとも図２０（ａ）に示したように、断熱溝２０１によって区切られる幅（導波路部分２０４の幅）Ｗ₁の半分の深さＷ_1/2のＳｉ等方エッチング量が必要となる。例えば、断熱溝２０１によって区切られる幅が３０μｍあった場合は、深さ１５μｍ以上のＳｉ等方エッチングが必要となる。そのため、従来構造では多くのＳｉを除去する結果に至る。Ｓｉからなる基板２０５の除去は、その上方にあるガラスの応力を開放するため、ガラス部が破損しやすくなる。

ところが本実施形態の構造では、図２０（ｂ）に示したように、断熱溝２０７によって区切られて形成される、コア２０８を含む導波路部分２０９の幅が狭い。つまり、Ｓｉ等方エッチングにより両断熱溝２０７を、Ｓｉ等からなる基板２１０を除去し、導波路部分２０９の両側から、形成された基板除去部２１１をつなげるには、少なくとも導波路部分２０９の幅Ｗ₂の半分だけのエッチングでよい。本実施形態の場合、Ｓｉ等方エッチング窓のヒータを挟んだ距離は８μｍとした。それらをＳｉ等方エッチングによりつなげるには、理想的な場合、わずか４μｍのＳｉ等方エッチングを実施すればよい。結果として、Ｓｉの除去体積は減少でき、応力の影響を少なく抑制することが可能となり、機械的強度を増す結果となる。無論、Ｓｉ等方エッチングの時間の短縮も可能となり、スループット向上という効果もある。

（第４の実施形態）
本実施形態では、コアより下部にて、導波路部分を支える支柱を設けたブリッジ型熱光学位相変調器における、加工精度による熱流制御の高度化の効果について述べる。
従来からあるブリッジ構造では、熱の逃げ道としては支柱があげられ、該支柱の間隔、加工精度により大きく消費電力が左右される。支柱幅は、エッチング時のパターンシフトの制御等を管理し実施しないといけないため、非常に制御が困難であった。つまり、熱の流れも加工精度に応じて変動し、制御が困難であった。また、消費電力、応答時間の調整方去として、基板またはクラッドの一部を残すことでそれらを制御することが試みられてきた。しかしこれらも、基板水平方向への加工が必要であり、非常に制御が難しく、再現性に欠けるという問題があった。

しかしながら、本実施形態の構造では、支柱の加工は、厚さ方向の加工により実施する。図１７にて説明した工程７がそれにあたる。通常、エッチング加工を行う際、厚さ方向の加工は、半導体産業で広く用いられている、優れた厚さモニターにより、高精度に行うことができ、また、厚さの制御も高精度に行うことができる。仮想的に従来構造での支柱を横に倒した形状とし、その加工を基板垂直方向への加工に置き換えることで精度よく加工を実施し、熱の流れの高度制御を可能とするものである。つまり、加工精度良く作製できることで、ウエハーバッチ間の違いを低減し、またウエハー内でも面内均一性をより高める効果がある。
図２１は、本実施形態に係る、コアより下部にて、導波郎部分（リッジ構造）を支える支柱を設けたブリッジ型熱光学位相変調器を示している。図２１（ａ）は上面図であり、図２１(ｂ)は図２１(ａ)の破線により区画された箇所に対して３次元熱解析シミュレーションを実施した結果の一例を示している。図２１（ａ）において、ヒータ６６によって加熱される箇所は周期的な構造を有しているため、一周期において、ヒータ６６より熱がどのように伝わり、コアの温度が何度上昇するかをシミュレーションすれば十分であり、熱光学位相変調器としての性能を計算することができる。

ここでは、厚さ方向の高度加工により、消費電力と応答時間を高度に制御できるということを示す。図２２は、図２１（ｂ）の立体構造を横方向から眺めた図であり、図２３は、その時の消費電力と応答時間を計算により求めた結果を示している。ここで図２３の横軸は、図２２に示される支柱の基板垂直方向の幅(厚さ)ｄ₁を示している。

図２３において、支柱厚さが、１０μｍの場合(第３の実施形態で実際に作製したものに相当する)、消費電力は、９ｍＷであり、応答時間は１７ｍｓｅｃとなった。消費電力は、第３の実施形態で実際に作製したデバイスの値と同じ値となった。一方、応答時間に関しては、実際のデバイスよりも長く見積もられている。これは、計算上では空気への熱伝導は行わない完全断熱系という境界条件を与えているためである。ここに示した応答時間は定量的には実デバイスとずれが生じるが、定性的には効果は得られる。図に示すように支柱の厚さを薄くすることで、さらに消費電力が下げられることがわかる。この時、応答時間は劣化する結果となる。逆に、この厚さを厚くすると消費電力は大きくなるが応答時間は短くすることができる。

これを従来方法で実施するには、Ｓｉ等からなる基板を除去する際、一部を残す、または、支柱の幅を高精度に制御しないといけない。これらはいずれも、基板水平方向の加工であり、制御が非常に困難であり、実質制御しきれないというのが問題点であった。しかし、本実施形態によれば、基板垂直方向(厚さ方向)の加工に対して高精度の加工が可能であり、これらの高精度の熱流の制御を可能とし、所望の消費電力と応答時間との熱光学位相変調器を再現性よく作製することが可能である。

（ａ）は、従来の、リッジ構造熱光学位相変調器の鳥瞰図であり、（ｂ）は、（ａ）の、Ａ−Ａ’線切断断面図である。 従来の、ブリッジ構造熱光学位相変調器の鳥瞰図である。 従来の、リッジ構造熱光学位相変調器の挿入損失とリッジ幅との関係を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、リッジ構造のリッジ幅と伝搬モードフィールドとの関係を示す図である。 従来の、幅が細いヒータ材料と金属配線とを接続する様子を示す図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る熱光学位相変調器を示す鳥瞰図であり、（ｂ）は、（ａ）の、Ｂ−Ｂ’線切断断面図である。 本発明の一実施形態係る熱光学位相変調器を用いた１×２光スイッチの構成図である。 本発明の一実施形態に係る、リッジ構造の熱光学位相変調器において断熱的にモードフィールドが変換される様子の模式図である。 本発明の一実施形態に係る、リッジ構造の熱光学位相変調器の挿入損失とリッジ幅との関係を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る、断熱溝の形状を示す図である。 (ａ)は、本発明の一実施形態に係るテーパー形状のリッジ構造の上面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の、Ｃ−Ｃ’線切断断面図である。 (ａ)は、本発明の一実施形態に係るテーパー形状のリッジ構造の上面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の、Ｄ−Ｄ’線切断断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、配線形状を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の、テーパー形状のリッジ構造の拡大図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態２かかる、配線形状を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る、テーパー形状のリッジ構造のテーパー角と、接続配線のテーパー部のテーパー角とがほぼ同じである様子を示す図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、ブリッジ型熱光学位相変調器の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の鳥瞰図である。 （ａ）〜（ｍ）は、本発明の一実施形態に係る、熱光学位相変調器の作製方法を示す図である。 （ａ）は、従来からあるブリッジ型熱光学位相変調器の導波路部分の幅を狭めた構成を示す図であり、（ｂ）は、支柱によるモードフィールドの不整合を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る、導波路部分を通過する光のモードフィールドがほぼ一定に保つ様子を示す図である。 （ａ）は、従来のブリッジ構造において基板除去する量を示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るブリッジ構造において基板除去する量を示す図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る、熱光学位相変調器の上面図であり、(ｂ)は(ａ)の破線により区画された箇所に対して３次元熱解析シミュレーションを実施した結果の一例を示す図である。 図２１（ｂ）の立体構造を横方向から眺めた図である。 本発明の一実施形態に係る、熱光学位相変調器における、支柱の厚さと、消費電力および応答時間との関係を示す図である。

符号の説明

６１ 基板
６２ クラッド
６３ コア
６４ リッジ構造
６４Ａ 直線形状のリッジ構造
６４Ｂ テーパー形状のリッジ構造
６５ 断熱溝
６６ ヒータ
６７ 接続配線
６７Ａ テーパー部

Claims (7)

1. 基板上に堆積された下層クラッドと、
   該下層クラッド上に形成された、前記下層クラッドよりも高い屈折率を有するコアと、
   前記コアの前記下層クラッドと接する面以外の面を覆うように形成された、前記コアよりも低い屈折率を有する上層クラッドと、
   前記コアに熱を加えるように前記上層クラッド上に形成されたヒータと、
   少なくとも前記上層クラッドを除去して形成された断熱溝であって、それぞれの端を含む領域における、前記コア側の第１の縁の方向が、前記コアの長手方向に対して、該第１の縁の端に向かって、前記コアとは反対側に第１の角度を成す方向である断熱溝と、
   前記断熱溝の２つを、前記コアを挟むようにして形成することにより形成されるリッジ構造であって、該リッジ構造を形成する第１の断熱溝と第２の断熱溝との間の最も近い距離は、断熱溝が形成されない場合のコアの導波モード基本モード幅よりも小さく、前記第１の縁によって形成された領域は、前記第１の縁の端に近づくにつれて幅が徐々に大きくなるリッジ構造と
   を備え、
   前記リッジ構造の幅が徐々に大きくなる領域は、断熱溝が形成されていない領域の埋め込み型導波路から前記リッジ構造部分の導波路へモードフィールドを断熱的に変換するように形成されていることを特徴とする熱光学位相変調器。
2. 前記断熱溝の最深部が、前記基板表面まで達せず、前記下層クラッドの一部が残っており、
   前記断熱溝の底面に形成された、少なくとも１つ以上の前記基板除去用の窓と、前記基板除去用の窓から前記基板に対してエッチングして形成された基板除去部とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の熱光学位相変調器。
3. 前記コアの側面の少なくとも一部が前記断熱溝に接していることを特徴とする請求項１または２記載の熱光学位相変調器。
4. 前記ヒータと接続される端部から遠ざかるに従って、前記コアに対して第２の角度でその幅が徐々に広くなるテーパー部分を有する配線であって、前記第２の角度は、前記第１の角度とほぼ等しいか、または小さい角度である配線と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱光学位相変調器。
5. 前記断熱溝は、前記第１の縁が直線または曲線であり、前記第１の縁の間に形成される第２の縁が前記コアと略平行に直線である形状、前記第１の縁の間に形成される第２の縁が曲線である形状、一方の端を含む領域に形成された第１の縁と他方の端を含む領域に形成された第１の縁とが直接連結した形状、前記第１の縁が直線または曲線であり、前記第１の縁の間に形成される第２の縁が前記コアと略平行に直線であり、その幅が長手方向に沿ってほぼ一定である形状のいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱光学位相変調器。
6. 下層クラッドと、該下層クラッド上に形成された、前記下層クラッドよりも高い屈折率を有するコアと、前記コアの前記下層クラッドと接する面以外の面を覆うように形成された、前記コアよりも低い屈折率を有する上層クラッドと、前記コアに熱を加えるように前記上層クラッド上に形成されたヒータとを有する基板を用意する用意工程と、
   前記基板の少なくとも一部を除去するためのエッチングの窓となるパターンをエッチングすることによって、前記上層クラッド上に窓を形成する窓形成工程と、
   前記窓の段差を包括する領域に少なくとも前記上層クラッドを除去して形成された断熱溝であって、それぞれの端を含む領域における、前記コア側の第１の縁の方向が、前記コアの長手方向に対して、該第１の縁の端に向かって、前記コアとは反対側に第１の角度を成す方向であり、前記コアを挟むようにして２つの断熱溝を形成することによりリッジ構造を形成し、該リッジ構造を形成する第１の断熱溝と第２の断熱溝との間の最も近い距離は、断熱溝が形成されない場合のコアの導波モード基本モード幅よりも小さくなるように形成され、前記リッジ構造の幅が徐々に大きくなる領域は、断熱溝が形成されていない領域の埋め込み型導波路から前記リッジ構造部分の導波路へモードフィールドを断熱的に変換するように断熱溝を形成する断熱溝形成工程と、
   前記断熱溝形成工程により、前記窓の底面が前記基板に少なくとも達した時点で、前記断熱溝の形成を終了する終了工程と、
   前記底面が前記基板に達した前記窓より、前記基板の少なくとも一部を除去する除去工程と
   を有することを特徴とする熱光学位相変調器の製造方法。
7. 前記断熱溝形成工程では、前記熱光学位相変調器における所望の消費電力または応答時間のいずれか一方に応じて、前記断熱溝の底面と前記基板との間の前記下層クラッドの厚さを調節することを特徴とする請求項６記載の熱光学位相変調器の製造方法。

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