JP4934614B2 - Thermo-optic phase shifter - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、加熱による温度変化によってコアの屈折率を制御し、導波する光の位相を変化させる熱光学位相シフタに関するものである。   The present invention relates to a thermo-optic phase shifter that controls the refractive index of a core by a temperature change caused by heating and changes the phase of guided light.

光通信分野においては、通信容量の増大に対応するため、多チャンネル化が提案されており、この中でも、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)通信方式が有望視されている。また、例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御や、スイッチングを行うなどのチャンネル毎の機能的な制御を、光電変換せずに実現するために、チャンネル数に応じた数の光素子が必要とされている。このため、近年、光スイッチなどに適用が可能であり、高密度集積が可能な小型光回路部品の必要性が高まっている。   In the optical communication field, in order to cope with an increase in communication capacity, multi-channeling has been proposed, and among these, a wavelength division multiplexing (WDM) communication method is considered promising. In addition, for example, in order to realize functional control for each channel, such as switching the power of each channel to be constant or switching, without photoelectric conversion, the number of optical elements corresponding to the number of channels is required. Has been. Therefore, in recent years, there is an increasing need for small optical circuit components that can be applied to optical switches and the like and can be integrated at high density.

小型光回路部品の1つとして、シリカ系材料による平面光波回路(PLC:Planer Light-wave Circuit)型デバイスがある。PLC型デバイスは、作製プロセスに半導体集積回路の作製技術を利用できることから、作製が容易であり、高機能化および大規模化にも有利であるという特徴を持つ。さらに、PLC型デバイスに熱光学位相シフタを加えることで、光スイッチ、光可変減衰器などの機能を容易に発現させることができ、近年では、光通信デバイスに広く用いられている。   As one of the small optical circuit components, there is a planar light wave circuit (PLC) type device made of silica-based material. Since a PLC type device can use a manufacturing technique of a semiconductor integrated circuit in a manufacturing process, it is easy to manufacture and has an advantage of high functionality and large scale. Furthermore, by adding a thermo-optic phase shifter to the PLC type device, functions such as an optical switch and an optical variable attenuator can be easily expressed, and in recent years, it has been widely used in optical communication devices.

ここで、シリカ系PLCによる光スイッチの例について説明する。これは、シリカ系材料のコアとクラッドとからなる光導波路を用い、1本の光導波路を入力端において2本に分岐し、少なくともこれらの一方を熱光学位相シフタの機能を備えた光導波路とし、このようにして2本に分岐した光導波路を、出力端において再結合させるようにしている。ここで用いている熱光学位相シフタは、例えば、光導波路とこの上に配置されたヒータとによって構成され、ヒータによる温度変化によってコアの屈折率を制御し、導波する光の位相を変化させる。   Here, an example of an optical switch using silica-based PLC will be described. This uses an optical waveguide consisting of a core and a clad of a silica-based material. One optical waveguide is branched into two at the input end, and at least one of them is an optical waveguide having a thermo-optic phase shifter function. The optical waveguide branched in this way is recombined at the output end. The thermo-optic phase shifter used here is composed of, for example, an optical waveguide and a heater disposed on the optical waveguide, and controls the refractive index of the core by changing the temperature of the heater to change the phase of the guided light. .

ヒータを動作させ、2本に分岐された光導波路の一方に導波する光の位相を、他方の光導波路に対して半波長分シフトさせることで、出力端で合波される光出力をゼロとすることができる。また、ヒータによる温度変化によってコアの屈折率を制御することで、分岐した2本の光導波路の位相が一致するように調整すれば、入力された光をこのまま出力させることができる。これらのことにより、出力端から出力される光のオン・オフ制御を可能とする光スイッチが実現できる。この光スイッチは、マッハツェンダー干渉計(MZI)型光スイッチと呼ばれている。   By operating the heater and shifting the phase of the light guided to one of the two branched optical waveguides by half the wavelength with respect to the other optical waveguide, the optical output combined at the output end is zero. It can be. Further, if the refractive index of the core is controlled by the temperature change caused by the heater so that the phases of the two branched optical waveguides are matched, the input light can be output as it is. By these things, the optical switch which enables on / off control of the light output from an output terminal is realizable. This optical switch is called a Mach-Zehnder interferometer (MZI) type optical switch.

図12は、上述したように光スイッチに用いられる熱光学位相シフタの構成を示す断面図である。例えば、シリコンからなる基板1201の上に、シリカ系の材料からなるコア1203およびシリカ系の材料からなる下部クラッド1202,上部クラッド1204よりなる光導波路が形成され、コア1203上部の上部クラッド1204上に薄膜ヒータ1205を備えている。図1は、光導波路の導波方向に垂直な断面を示している。一般的には、コア1203の断面が、4μm×4μmの正方形とされ、下部クラッド層1202および上部クラッド層1203は合わせて膜厚60μm程度とされ、これらの比屈折率差が1.5%程度とされている。また、薄膜ヒータ1205は、例えばクロム(Cr)から構成されたものである。このように構成された光スイッチの応答速度は、数msである。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the thermo-optic phase shifter used in the optical switch as described above. For example, an optical waveguide including a core 1203 made of a silica-based material and a lower clad 1202 made of a silica-based material and an upper clad 1204 is formed on a substrate 1201 made of silicon, and is formed on the upper clad 1204 above the core 1203. A thin film heater 1205 is provided. FIG. 1 shows a cross section perpendicular to the waveguide direction of the optical waveguide. Generally, the cross section of the core 1203 is a square of 4 μm × 4 μm, and the lower clad layer 1202 and the upper clad layer 1203 are about 60 μm in total, and the relative refractive index difference between them is about 1.5%. It is said that. The thin film heater 1205 is made of, for example, chromium (Cr). The response speed of the optical switch configured in this way is several ms.

光情報通信網が普及する中で、上述したような熱光学位相シフタを用いたシリカ系PLC光スイッチモジュールが製品化されている。この光スイッチモジュールに対する低コスト化、大規模化の要求が高まっているが、上述したような熱光学位相シフタを用いたシリカ系PLC光スイッチモジュールでは、ヒータでの発熱が大きいため、モジュールの大規模化が、冷却が可能な規模に限定されてしまう。このため、上述したシリカ系PLC光スイッチでは、熱光学位相シフタの低消費電力化が求められている。   Along with the widespread use of optical information communication networks, silica-based PLC optical switch modules using the thermo-optic phase shifter as described above have been commercialized. There is an increasing demand for cost reduction and scale-up of this optical switch module. However, in the silica-based PLC optical switch module using the thermo-optic phase shifter as described above, the heat generated by the heater is large, so the size of the module is large. Scaling is limited to a scale that allows cooling. For this reason, the silica-based PLC optical switch described above is required to reduce the power consumption of the thermo-optic phase shifter.

熱光学位相シフタの低消費電力化の方法として、熱光学位相シフタの周囲に断熱溝を形成することで、加熱が必要な体積を低減すると同時に、ヒータで発生した熱を外部に流出させずに導波路内に閉じ込められるようにし、熱効率を高める方法が提案されている。例えば、基板に平行な方向への熱の拡散を低減するために、光導波路の両側部に断熱溝を形成し、さらに、光導波路の下部(基板側)のクラッド層を厚くすることで、消費電力の低減を図るようにしている技術がある(非特許文献1参照)。この場合、消費電力は45mWである。   As a method of reducing the power consumption of the thermo-optic phase shifter, by forming a heat insulation groove around the thermo-optic phase shifter, the volume that needs to be heated is reduced, and at the same time, the heat generated by the heater is not discharged to the outside. A method for improving thermal efficiency by being confined in a waveguide has been proposed. For example, in order to reduce the diffusion of heat in the direction parallel to the substrate, heat insulation grooves are formed on both sides of the optical waveguide, and the cladding layer on the lower part (substrate side) of the optical waveguide is made thicker. There is a technique for reducing electric power (see Non-Patent Document 1). In this case, power consumption is 45 mW.

さらに消費電力を低減するために、導波路の両側部に形成する断熱溝に加え、導波路直下において、導波路と基板の間に断熱隙を形成する構造が提案されている(非特許文献2参照)。この技術では、まず、フォトリソグラフィー技術で断熱溝の形成領域が開口するマスクパターンを形成し、これをマスクとした選択的なドライエッチングにより、導波路の両側部を、導波路を支持するシリコン支持基板側から7μm程度の厚さの下部クラッドを残す深さまで掘る。これにより、断熱溝が形成された状態となり、加熱する体積を低減したことになる。   In order to further reduce power consumption, a structure in which a heat insulating gap is formed between the waveguide and the substrate directly under the waveguide in addition to the heat insulating grooves formed on both sides of the waveguide has been proposed (Non-Patent Document 2). reference). In this technology, first, a mask pattern in which a region for forming a heat insulation groove is opened is formed by a photolithography technique, and silicon support for supporting the waveguide is formed on both sides of the waveguide by selective dry etching using the mask pattern as a mask. Excavate from the substrate side to a depth that leaves a lower cladding with a thickness of about 7 μm. Thereby, it will be in the state in which the heat insulation groove | channel was formed, and the volume to heat was reduced.

次に、断熱溝の底面に、上述同様のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、所定の間隔で周期的に配置された複数の孔部を形成する。次いで、今度は、ウエットエッチング方法により、2つの断熱溝の各々に形成した上記孔部をつなげるように、コアの下の領域のシリコン支持基板を除去し、導波路下に空間(断熱隙)が形成された状態とする。このように空間を形成することで、シリコン支持基板への熱の流出を抑制している。このように、この技術では、断熱溝により加熱する体積を低減し、加えて導波路下に空間を形成して熱の流出を抑制することで、単体スイッチで15mWの低電力動作を実現している。   Next, a plurality of holes periodically arranged at predetermined intervals are formed on the bottom surface of the heat insulating groove by the same photolithography technique and dry etching technique as described above. Next, the silicon support substrate in the region under the core is removed so that the hole formed in each of the two heat insulation grooves is connected by a wet etching method, and a space (heat insulation gap) is formed under the waveguide. It is assumed that it is formed. By forming the space in this way, the outflow of heat to the silicon support substrate is suppressed. As described above, in this technology, the volume heated by the heat insulating groove is reduced, and additionally, a space is formed under the waveguide to suppress the outflow of heat, thereby realizing a low power operation of 15 mW with a single switch. Yes.

特開2004−133446号公報JP 2004-133446 A S.Sohma, et al., "Low switching power silica-based super high delta thermo-optic switch with heat insulating grooves", Electronics Letters, Vol.32, No.3, pp.127-28,2002.S.Sohma, et al., "Low switching power silica-based super high delta thermo-optic switch with heat insulating grooves", Electronics Letters, Vol.32, No.3, pp.127-28,2002. Y. Hashizume, et al., "Silica PLC-VOA using suspended narrow ride structures and its application to V-AWG", Optical Society of America, OWO4, 2007.Y. Hashizume, et al., "Silica PLC-VOA using suspended narrow ride structures and its application to V-AWG", Optical Society of America, OWO4, 2007.

しかしながら、上述した熱光学位相シフタでは、複雑な構造の断熱溝を形成する必要があり、作製プロセスが多く複雑となり、生産性が悪いという問題がある。また、複雑な構造の断熱溝を形成するために、製造上のバラツキなどを原因とし、実用的なデバイスとして安定性が低いという問題もある。加えて、断熱の構造によっては、低消費電力化が得られるものの、応答速度が低下するなどの問題が発生する。   However, the above-described thermo-optic phase shifter has a problem in that it is necessary to form a heat insulating groove having a complicated structure, the manufacturing process is complicated, and productivity is poor. In addition, since the heat insulating groove having a complicated structure is formed, there is a problem that the stability as a practical device is low due to manufacturing variations and the like. In addition, depending on the structure of heat insulation, although low power consumption can be obtained, problems such as a decrease in response speed occur.

一方、製造の容易さや安定性などが実用的な構造では、ヒータや断熱溝をコアにあまり近づけることができず、低消費電力化に限界がある。例えば、実用的な範囲では、30mW程度となる。   On the other hand, with a structure that is practical in terms of ease of manufacture, stability, and the like, the heater and the heat insulating groove cannot be brought too close to the core, and there is a limit to reducing power consumption. For example, in a practical range, it is about 30 mW.

以上に説明したように、現状では、製造が容易で安定性を備えた状態で、より低い消費電力とされた熱光学位相シフタを実現することが容易ではないという問題があった。   As described above, at present, there is a problem that it is not easy to realize a thermo-optic phase shifter with lower power consumption in a state that is easy to manufacture and has stability.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、製造が容易で安定性を備えた状態で、より低い消費電力とされた熱光学位相シフタを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a thermo-optic phase shifter with lower power consumption in a state that is easy to manufacture and stable. There is to do.

本発明に係る熱光学位相シフタは、支持基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンから構成されたコアと、下部クラッド層およびコアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、コアの上部にあたる上部クラッド層の上の一部領域に配置されてコアの所定領域を加熱するためのヒータ層とを少なくとも備えるものである。   The thermo-optic phase shifter according to the present invention includes a lower clad layer made of silicon oxide formed on a support substrate, a core made of single crystal silicon formed on the lower clad layer, and a lower clad layer And an upper clad layer made of silicon oxide formed on the core, and a heater layer disposed in a partial area on the upper clad layer corresponding to the upper part of the core and for heating a predetermined area of the core It is.

上記熱光学位相シフタにおいて、コアより構成された所定領域における光導波路の両脇に形成された2つの溝部を備え、2つの溝の間の光導波路の幅は、高々20μmとされている。また、溝部は、支持基板の表面が露出する深さに形成されている。   The thermo-optic phase shifter includes two groove portions formed on both sides of the optical waveguide in a predetermined region constituted by the core, and the width of the optical waveguide between the two grooves is at most 20 μm. Further, the groove is formed to a depth at which the surface of the support substrate is exposed.

上記熱光学位相シフタにおいて、ヒータ層が形成されている領域に対応する支持基板に形成された開口部を備え、この開口部の底部における支持基板の残厚が1μm以下とされている。加えて開口部の側壁部分に接触しない状態で開口部の底部に形成され、下部クラッド層を構成する材料より高い熱伝導率を備えた材料より構成された蓄熱伝導層を備える。 The thermo-optic phase shifter includes an opening formed in the support substrate corresponding to the region where the heater layer is formed, and the remaining thickness of the support substrate at the bottom of the opening is 1 μm or less. In addition , the heat storage conductive layer is formed at the bottom of the opening without being in contact with the side wall portion of the opening, and is made of a material having a higher thermal conductivity than the material constituting the lower cladding layer.

また、上記熱光学位相シフタにおいて、上部クラッド層の上にヒータ層を覆うように形成された被覆層を備えるようにしてもよい。被覆層は、上部クラッド層と同一の材料から構成されたものであればよい。   The thermo-optic phase shifter may include a coating layer formed on the upper cladding layer so as to cover the heater layer. The covering layer may be made of the same material as the upper cladding layer.

以上説明したように、本発明では、コアの上部にあたる上部クラッド層の上の一部領域に配置されてコアの所定領域を加熱するためのヒータ層を備え、また、例えば、ヒータ層に加え、光導波路の両脇に形成された2つの溝部を備え、また、支持基板に形成された開口部を備え、開口部の底部に蓄熱伝導層を備え、また、ヒータ層を覆う被覆層を備えるようにした。この結果、本発明によれば、製造が容易で安定性を備えた状態で、熱光学位相シフタの消費電力を抑制できるようになると言う優れた効果が得られる。 As described above, the present invention includes a heater layer disposed in a partial region on the upper cladding layer corresponding to the upper portion of the core to heat a predetermined region of the core, and, for example, in addition to the heater layer, Two groove portions formed on both sides of the optical waveguide, an opening formed in the support substrate, a heat storage conductive layer at the bottom of the opening, and a covering layer covering the heater layer I made it. As a result, according to the present invention, in a state in which manufacture with ease stability, excellent effect say will be able to suppress the power consumption of the thermo-optic phase shift data is obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
始めに、本実施の形態1における熱光学位相シフタについて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板101と、支持基板101の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成された単結晶シリコンの細線(シリコン細線)から構成されたコア103と、下部クラッド層102およびコア103の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層104と、コア103の上部にあたる上部クラッド層104の上に配置されたヒータ層105とを備えるものである。
[Embodiment 1]
First, the thermo-optic phase shifter according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a thermo-optic phase shifter according to Embodiment 1 of the present invention. The thermo-optic phase shifter includes, for example, a support substrate 101 made of single crystal silicon, a lower clad layer 102 made of silicon oxide formed on the support substrate 101, and single crystal silicon formed on the lower clad layer 102. Are disposed on a core 103 composed of a thin wire (silicon thin wire), an upper clad layer 104 made of silicon oxide formed on the lower clad layer 102 and the core 103, and an upper clad layer 104 above the core 103. The heater layer 105 is provided.

コア103は、断面の形状が幅0.4μm,高さ(厚さ)0.2μm程度に形成されている。また、下部クラッド層102および上部クラッド層104は、膜厚3μm程度に形成されている。例えば、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることで、下部クラッド層102およびコア103が形成可能である。SOI基板の埋め込み酸化膜を下部クラッド層102として用い、埋め込み酸化膜の上のSOI層を公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により加工することで、コア103が形成可能である。また、公知のCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりシリコン酸化物を堆積することで、上部クラッド層104が形成可能である。   The core 103 has a cross-sectional shape with a width of about 0.4 μm and a height (thickness) of about 0.2 μm. The lower clad layer 102 and the upper clad layer 104 are formed with a film thickness of about 3 μm. For example, the lower cladding layer 102 and the core 103 can be formed by using a well-known SOI (Silicon on Insulator) substrate. The core 103 can be formed by using the buried oxide film of the SOI substrate as the lower cladding layer 102 and processing the SOI layer on the buried oxide film by a known photolithography technique and etching technique. Further, the upper clad layer 104 can be formed by depositing silicon oxide by a known CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

また、ヒータ層105は、コア103の所定領域(位相シフタ領域)を加熱するためのものであり、例えば、クロムもしくは金−パラジウム合金などの金属膜であり、幅5μm,膜厚0.15μm程度に形成されていればよい。また、導波路の導波方向に500μm程度の長さに形成されている。例えば、スパッタリングなどのPVD(Physical Vapor Deposition)法により上記材料の金属膜を形成し、これを公知のミリングやエッチングなどにより加工することで、ヒータ層105が形成可能である。ヒータ層105は、これに電源などを接続するための配線部の抵抗より高い抵抗となるように、材料,幅,厚さ,およびヒータ長(導波路方向)などを、適宜設定して形成すればよい。   The heater layer 105 is for heating a predetermined region (phase shifter region) of the core 103. For example, the heater layer 105 is a metal film such as chromium or gold-palladium alloy, and has a width of about 5 μm and a film thickness of about 0.15 μm. What is necessary is just to be formed. Moreover, it is formed in a length of about 500 μm in the waveguide direction of the waveguide. For example, the heater layer 105 can be formed by forming a metal film of the above-described material by a PVD (Physical Vapor Deposition) method such as sputtering and processing it by known milling or etching. The heater layer 105 is formed by appropriately setting the material, width, thickness, heater length (waveguide direction), etc. so that the resistance is higher than the resistance of the wiring portion for connecting a power source or the like to the heater layer 105. That's fine.

次に、上述した本実施の形態1における熱光学位相シフタの適用例としてのMZI型光スイッチの構成例を、図2の平面図を用いて説明する。このMZI型光スイッチは、2つの光導波路によりマッハツェンダー型干渉計を構成しており、まず、一方の光導波路の入力ポートとなる入力側導波路201と、これに対となる他方の入力側導波路211と、入力側導波路201および入力側導波路211を結合する3dB方向性結合器202とを備える。また、3dB方向性結合器202より分岐する一方の中間導波路203および他方の中間導波路213と、中間導波路203および中間導波路213を結合する3dB方向性結合器204を備える。また、3dB方向性結合器204より分岐する一方の出力側導波路205および他方の出力側導波路215を備える。なお、3dB方向性結合器の代わりに、多モード干渉分岐手段を用いるようにしてもよい。   Next, a configuration example of an MZI type optical switch as an application example of the thermo-optic phase shifter in the first embodiment will be described with reference to a plan view of FIG. This MZI optical switch forms a Mach-Zehnder interferometer with two optical waveguides. First, an input-side waveguide 201 serving as an input port of one optical waveguide and the other input-side paired therewith A waveguide 211 and an input-side waveguide 201 and a 3 dB directional coupler 202 that couples the input-side waveguide 211 are provided. In addition, one intermediate waveguide 203 and the other intermediate waveguide 213 branched from the 3 dB directional coupler 202 and a 3 dB directional coupler 204 that couples the intermediate waveguide 203 and the intermediate waveguide 213 are provided. Further, one output side waveguide 205 and the other output side waveguide 215 branched from the 3 dB directional coupler 204 are provided. Note that multimode interference branching means may be used instead of the 3 dB directional coupler.

これらの構成の中で、中間導波路213に、上述した本実施の形態1における熱光学位相シフタ100が設けられている。ここで、中間導波路203と中間導波路213との間隔は、例えば、130μm程度である。また、中間導波路213において、導波方向に長さ500μmに渡ってヒータ層105が形成されて位相シフタ領域が構成されている。中間導波路213を構成しているコア103の上部にあたる上部クラッド層104(図2には示さず)の上にヒータ層105が配置され、ヒータ層105に所定の配線を介して電源が接続され、中間導波路213におけるコア103を加熱可能としている。   Among these configurations, the intermediate optical waveguide 213 is provided with the thermo-optic phase shifter 100 according to the first embodiment described above. Here, the interval between the intermediate waveguide 203 and the intermediate waveguide 213 is, for example, about 130 μm. In the intermediate waveguide 213, a heater layer 105 is formed over a length of 500 μm in the waveguide direction to form a phase shifter region. A heater layer 105 is disposed on an upper clad layer 104 (not shown in FIG. 2) corresponding to the upper part of the core 103 constituting the intermediate waveguide 213, and a power source is connected to the heater layer 105 via a predetermined wiring. The core 103 in the intermediate waveguide 213 can be heated.

ここで、図1は、図2におけるAA’線の断面を示している。なお、入力側導波路201,入力側導波路211,中間導波路203,出力側導波路205,および出力側導波路215においても、下部クラッド層102と、この上に形成されたコア103と、これらの上に形成された上部クラッド層104とから構成されている。   Here, FIG. 1 shows a cross section taken along line AA 'in FIG. In addition, also in the input side waveguide 201, the input side waveguide 211, the intermediate waveguide 203, the output side waveguide 205, and the output side waveguide 215, the lower cladding layer 102, the core 103 formed thereon, The upper clad layer 104 is formed on these layers.

上述した本実施の形態1の熱光学位相シフタによれば、熱光学係数が2e−4程度の単結晶シリコンからコアが構成されているようにしたので、熱光学係数が1e−5のシリカ系材料のコアに比較して1桁大きい。このため、本実施の形態1によれば、位相シフトに必要な屈折率変化Δnを、シリカ系のコアを用いた場合に比較して小さい温度上昇で得られるようになり、位相シフトに必要なヒータの消費電力を低減させることができる。例えば、上述した実施の形態1における熱光学位相シフタによれば、30mWの低い消費電力で動作した。   According to the thermo-optic phase shifter of the first embodiment described above, since the core is made of single crystal silicon having a thermo-optic coefficient of about 2e-4, the silica system having a thermo-optic coefficient of 1e-5. One order of magnitude larger than the material core. Therefore, according to the first embodiment, the refractive index change Δn necessary for the phase shift can be obtained with a small temperature rise compared to the case where the silica-based core is used, which is necessary for the phase shift. The power consumption of the heater can be reduced. For example, according to the thermo-optic phase shifter in the first embodiment described above, it operates with a low power consumption of 30 mW.

また、本実施の形態1によれば、シリコン細線からなるコア103を用いた光導波路は、コアとクラッドとの比屈折率差を40%程度にまで大きくすることができるため、シリカ系のコアに比較してより高い光閉じ込め効果が得られる。このため、コア103の断面寸法をサブミクロンオーダにすることが可能となり、コアからの光も漏れも少ない(モードフィールド径が小さい)。この結果、クラッドの厚さを薄くするなど導波路の断面積を小さくすることが可能であり、ヒータ層105からのコア103に対する熱伝導がより早くなり、スイッチ応答速度をより高速にすることができる。例えば、上述した本実施の形態1によれば、スイッチ応答速度が100μ秒であり、シリカ系のコアを用いたPLC型光スイッチに比較して1桁以上高速で動作する。   Further, according to the first embodiment, the optical waveguide using the core 103 made of a thin silicon wire can increase the relative refractive index difference between the core and the clad to about 40%. Compared to the above, a higher light confinement effect can be obtained. For this reason, it becomes possible to make the cross-sectional dimension of the core 103 on the order of submicron, and light and leakage from the core are small (mode field diameter is small). As a result, it is possible to reduce the cross-sectional area of the waveguide, for example, by reducing the thickness of the cladding, and the heat conduction from the heater layer 105 to the core 103 becomes faster, and the switch response speed can be further increased. it can. For example, according to the first embodiment described above, the switch response speed is 100 μs, and the switch operates at an order of magnitude higher than that of a PLC-type optical switch using a silica-based core.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図3および図4を用いて説明する。図3は、本実施の形態2における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板101と、支持基板101の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア103と、下部クラッド層102およびコア103の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層104と、コア103の上部にあたる上部クラッド層104の上に配置されたヒータ層105とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態1の熱光学位相シフタと同様である。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the thermo-optic phase shifter in the second embodiment. The thermo-optic phase shifter includes, for example, a support substrate 101 made of single crystal silicon, a lower clad layer 102 made of silicon oxide formed on the support substrate 101, and a silicon thin wire formed on the lower clad layer 102. The structured core 103, the lower clad layer 102, the upper clad layer 104 made of silicon oxide formed on the core 103, and the heater layer 105 disposed on the upper clad layer 104 above the core 103. Prepare. These configurations are the same as those of the thermo-optic phase shifter of the first embodiment described above.

本実施の形態2における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、コア103による光導波路の両脇に、断熱溝301を備えるようようにしたものである。断熱溝301は、ヒータ層105が形成されている領域(位相シフタ領域)に配置されいればよい。断熱溝301は、例えば、上部クラッド層104を形成した後に、公知のフォトリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用い、公知のエッチング技術により所定の深さまで、上部クラッド層104や下部クラッド層102を選択的に除去することで形成可能である。断熱溝301は、上部クラッド層104の途中の深さまで形成してもよく、上部クラッド層104の膜厚に等しい深さまで形成してもよく、また、支持基板101の表面が露出するまでの深さに形成してもよい。   The thermo-optic phase shifter according to the second embodiment is provided with heat insulating grooves 301 on both sides of the optical waveguide formed by the core 103 in addition to the above-described configuration. The heat insulation groove 301 should just be arrange | positioned in the area | region (phase shifter area | region) in which the heater layer 105 is formed. For example, after forming the upper clad layer 104, the heat insulating groove 301 uses a mask pattern formed by a known photolithography technique, and selects the upper clad layer 104 and the lower clad layer 102 to a predetermined depth by a known etching technique. It is possible to form by removing them. The heat insulating groove 301 may be formed to a depth in the middle of the upper clad layer 104, may be formed to a depth equal to the film thickness of the upper clad layer 104, or a depth until the surface of the support substrate 101 is exposed. Alternatively, it may be formed.

次に、2つの溝の間隔であるクラッド幅w(光導波路の幅)と熱光学位相シフタの動作電力との関係について説明する。図4(a)は、3種類の溝深さとした熱光学位相シフタの各々におけるクラッド幅wと動作電力との関係を示した特性図である。図4(a)において、三角は、図4(b)に示すように、断熱溝301の深さを上部クラッド層104の膜厚より小さい値の2μmとした場合を示している。また、黒四角は、図4(c)に示すように、断熱溝301の深さを上部クラッド層104の膜厚と等しい3μmとした場合を示している。また、黒丸は、図4(d)に示すように、断熱溝301の深さを、上部クラッド層104と下部クラッド層102とを合計した膜厚に等しい値の6μmとした場合を示している。   Next, the relationship between the clad width w (the width of the optical waveguide) that is the distance between the two grooves and the operating power of the thermo-optic phase shifter will be described. FIG. 4A is a characteristic diagram showing the relationship between the clad width w and the operating power in each of the thermo-optic phase shifters having three types of groove depths. In FIG. 4A, a triangle indicates a case where the depth of the heat insulating groove 301 is 2 μm, which is smaller than the film thickness of the upper cladding layer 104, as shown in FIG. 4B. The black squares indicate the case where the depth of the heat insulating groove 301 is 3 μm, which is equal to the film thickness of the upper cladding layer 104, as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 4D, the black circle shows the case where the depth of the heat insulating groove 301 is 6 μm, which is equal to the total film thickness of the upper cladding layer 104 and the lower cladding layer 102. .

これらの結果より、コア103およびクラッド層の厚さなどが上述した寸法の場合、クラッド幅が20μmより狭くなると、消費電力が低くなることがわかる。また、断熱溝301は、上述した3条件の中では、深いほど消費電力が低いことがわかる。この中では、図4(d)に示す条件である、支持基板101の表面が露出する深さに形成されている状態が最も消費電力が低くなる。これらのように、クラッド幅を20μmより狭くした(高々20μmとした)状態とし、断熱溝301を形成することで加熱対象の体積を低減させることで、消費電力が低減できることがわかる。なお、図4の結果は、シミュレーションによるものである。   From these results, it is understood that when the thickness of the core 103 and the clad layer is the above-described dimensions, the power consumption is reduced when the clad width is narrower than 20 μm. Further, it can be seen that the heat insulating groove 301 has a lower power consumption as it is deeper in the above-described three conditions. Among these, the power consumption is lowest when the surface is formed to a depth at which the surface of the support substrate 101 is exposed, which is the condition shown in FIG. Thus, it can be seen that the power consumption can be reduced by reducing the volume of the object to be heated by forming the heat insulating groove 301 by making the clad width narrower than 20 μm (at most 20 μm). In addition, the result of FIG. 4 is based on simulation.

次に、本実施の形態2における熱光学位相シフタを適用したMZI型光スイッチデバイスの構成例について説明する。図5は、このMZI型光スイッチデバイスの構成を示す平面図(a)および断面図(b)である。このデバイスは、入力ポートとなる入力側導波路501と、入力側導波路501を分岐する多モード干渉分岐部502と、多モード干渉分岐部502より分岐する一方の中間導波路503および他方の中間導波路513と、中間導波路503および中間導波路513を結合する多モード干渉分岐部504と、多モード干渉分岐部504に接続する出力側導波路505を備える。   Next, a configuration example of the MZI type optical switch device to which the thermo-optic phase shifter in the second embodiment is applied will be described. FIG. 5 is a plan view (a) and a sectional view (b) showing the configuration of this MZI type optical switch device. This device includes an input-side waveguide 501 serving as an input port, a multimode interference branching unit 502 that branches the input-side waveguide 501, one intermediate waveguide 503 branched from the multimode interference branching unit 502, and the other intermediate A waveguide 513, a multimode interference branching unit 504 that couples the intermediate waveguide 503 and the intermediate waveguide 513, and an output-side waveguide 505 connected to the multimode interference branching unit 504 are provided.

これらの構成の中で、中間導波路503および中間導波路513に、上述した本実施の形態2における熱光学位相シフタが設けられている。各中間導波路を構成しているコア103の上部にあたる上部クラッド層104の上にヒータ層105が配置され、ヒータ層105に所定の配線を介して電源が接続され、各中間導波路におけるコア103を加熱可能としている。また、各熱光学位相シフタにおいて、コア103による光導波路の両脇に断熱溝301を備える。中間導波路503と中間導波路513と間においては、両者に共通の断熱溝301を備えている。   Among these configurations, the intermediate optical waveguide 503 and the intermediate waveguide 513 are provided with the above-described thermo-optic phase shifter in the second embodiment. A heater layer 105 is disposed on the upper clad layer 104 corresponding to the upper part of the core 103 constituting each intermediate waveguide, and a power source is connected to the heater layer 105 via a predetermined wiring. Can be heated. Each thermo-optic phase shifter includes heat insulating grooves 301 on both sides of the optical waveguide formed by the core 103. Between the intermediate waveguide 503 and the intermediate waveguide 513, a heat insulating groove 301 common to both is provided.

このPLCデバイスでは、各熱光学位相シフタにおいて、クラッド幅は10μmとし、下部クラッド層102の膜厚を3μmとし、上部クラッド層104の膜厚を7μmとした。従って、断熱溝301は、深さ7μmとなる。この熱光学位相シフタは、約26mWで動作した。図4を用いて説明したように、クラッド幅をより狭くすることで、さらに消費電力を低減することができる。   In this PLC device, in each thermo-optic phase shifter, the cladding width was 10 μm, the thickness of the lower cladding layer 102 was 3 μm, and the thickness of the upper cladding layer 104 was 7 μm. Accordingly, the heat insulating groove 301 has a depth of 7 μm. This thermo-optic phase shifter operated at about 26 mW. As described with reference to FIG. 4, the power consumption can be further reduced by narrowing the cladding width.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図6および図7を用いて説明する。図6は、本実施の形態3における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板101と、支持基板101の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア103と、下部クラッド層102およびコア103の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層104と、コア103の上部にあたる上部クラッド層104の上に配置されたヒータ層105とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態1の熱光学位相シフタと同様である。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. 6 and FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the thermo-optic phase shifter in the third embodiment. The thermo-optic phase shifter includes, for example, a support substrate 101 made of single crystal silicon, a lower clad layer 102 made of silicon oxide formed on the support substrate 101, and a silicon thin wire formed on the lower clad layer 102. The structured core 103, the lower clad layer 102, the upper clad layer 104 made of silicon oxide formed on the core 103, and the heater layer 105 disposed on the upper clad layer 104 above the core 103. Prepare. These configurations are the same as those of the thermo-optic phase shifter of the first embodiment described above.

本実施の形態3における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、ヒータ層105が形成されている領域に対応する支持基板101に、この裏面側に開放する開口部601を備えるようにしたものである。開口部601は、光導波路の導波方向においては、上述した位相シフタ領域に形成されていればよい。開口部601は、例えば、ウエットエッチング、ドライエッチング、あるいは機械的研磨などにより、支持基板101をこの裏面より選択的に除去することで形成可能である。このように、支持基板101に開口部601を備えることで、ヒータ層105の加熱により伝導して支持基板101の側に流出する熱が抑制されるようになり、コア103に対する加熱がより効率的に行えるようになる。この結果、熱光学位相シフタの低消費電力化が図れるようになる。   In addition to the configuration described above, the thermo-optic phase shifter according to the third embodiment is provided with an opening 601 that opens to the back side of the support substrate 101 corresponding to the region where the heater layer 105 is formed. It is. The opening 601 may be formed in the above-described phase shifter region in the waveguide direction of the optical waveguide. The opening 601 can be formed by selectively removing the support substrate 101 from the back surface by, for example, wet etching, dry etching, or mechanical polishing. Thus, by providing the support substrate 101 with the opening portion 601, heat that is conducted by the heating of the heater layer 105 and flows out to the support substrate 101 side is suppressed, and the heating to the core 103 is more efficient. Will be able to do. As a result, the power consumption of the thermo-optic phase shifter can be reduced.

次に、上述した開口部601の開口幅w2(導波路の幅方向)および基板残し厚tさと、消費電力の関係について説明する。まず、図7(a)に示すように、支持基板101における基板残し厚tは、1μmより厚い場合は、開口部601を形成しない場合と消費電力に差はない。これに対し、基板残し厚tが1μmより小さく0.5μm以下となると、消費電力が低下していることがわかる。特に、基板残し厚tをほぼ0の状態、言い換えると、下部クラッド層102の裏面が露出する程度にまで開口部601を形成することで、消費電力を10mW以下にまで小さくすることが可能となる。ただし、基板残し厚tを0とすると、開口部601の形成において下部クラッド層102に損傷を与える場合もあり、この損傷により光導波路の損失を増大させる可能性もあるので、あまり薄くしない方がよい。なお、この結果は、開口幅w2を40μmとした場合である。   Next, the relationship between the opening width w2 (waveguide width direction) of the opening 601 and the remaining substrate thickness t and the power consumption will be described. First, as shown in FIG. 7A, when the substrate remaining thickness t in the support substrate 101 is thicker than 1 μm, there is no difference in power consumption when the opening 601 is not formed. On the other hand, when the substrate remaining thickness t is less than 1 μm and 0.5 μm or less, it can be seen that the power consumption decreases. In particular, it is possible to reduce the power consumption to 10 mW or less by forming the opening 601 so that the remaining substrate thickness t is substantially zero, in other words, the back surface of the lower cladding layer 102 is exposed. . However, if the remaining substrate thickness t is 0, the lower clad layer 102 may be damaged in the formation of the opening 601, and this damage may increase the loss of the optical waveguide. Good. This result is obtained when the opening width w2 is 40 μm.

また、図7(b)に示すように、支持基板101に形成する開口部601の幅w2は、例えば、40μm程度とすることで消費電力は10mW以下と、開口部601を形成しない場合に比較して大幅に低減させることができる。また、開口部601の幅を120μmとすることで、消費電力は3mW程度にまで低減することができる。   Further, as shown in FIG. 7B, the width w2 of the opening 601 formed in the support substrate 101 is, for example, about 40 μm, so that the power consumption is 10 mW or less, compared with the case where the opening 601 is not formed. Can be greatly reduced. Further, by setting the width of the opening 601 to 120 μm, the power consumption can be reduced to about 3 mW.

また、前述した断熱溝と上記開口部とを組み合わせて用いることで、さらに消費電力を低減させることが可能となる。例えば、クラッド幅が10μmとなるように位相シフタ領域の導波路両脇に深さ3μmの断熱溝を形成し、加えて、基板裏面に残し厚さ0μmで幅120μmの開口部を形成することで、消費電力を1mW程度にまで低減させることが可能となる。さらに、断熱溝や開口部の構造(形状)の最適化を行うことで、μWオーダにまで消費電力を低減させることも可能である。なお、上述した消費電力抑制の結果は、シミュレーションによるものである。   Moreover, it becomes possible to further reduce power consumption by using the heat insulation groove | channel and the said opening part mentioned above in combination. For example, by forming a heat insulating groove with a depth of 3 μm on both sides of the waveguide in the phase shifter region so that the cladding width is 10 μm, in addition, an opening with a thickness of 0 μm and a width of 120 μm is formed on the back surface of the substrate. The power consumption can be reduced to about 1 mW. Furthermore, by optimizing the structure (shape) of the heat insulating groove and the opening, it is possible to reduce the power consumption to the order of μW. In addition, the result of the power consumption suppression mentioned above is based on simulation.

[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について、図8を用いて説明する。図8は、本実施の形態4における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板101と、支持基板101の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア103と、下部クラッド層102およびコア103の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層104と、コア103の上部にあたる上部クラッド層104の上に配置されたヒータ層105とを備える。また、この熱光学位相シフタは、ヒータ層105が形成されている領域に対応する支持基板101に、この裏面側に開放する開口部601を備える。これらの構成は、前述した実施の形態3の熱光学位相シフタと同様である。
[Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the thermo-optic phase shifter in the fourth embodiment. The thermo-optic phase shifter includes, for example, a support substrate 101 made of single crystal silicon, a lower clad layer 102 made of silicon oxide formed on the support substrate 101, and a silicon thin wire formed on the lower clad layer 102. The structured core 103, the lower clad layer 102, the upper clad layer 104 made of silicon oxide formed on the core 103, and the heater layer 105 disposed on the upper clad layer 104 above the core 103. Prepare. The thermo-optic phase shifter includes an opening 601 that opens to the back surface side of the support substrate 101 corresponding to the region where the heater layer 105 is formed. These configurations are the same as those of the thermo-optic phase shifter of the third embodiment described above.

本実施の形態4における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、開口部106の底部に、下部クラッド層102を構成する材料より高い熱伝導率を備えた高熱伝導率材料より構成された蓄熱伝導層801を備えるようにしたものである。蓄熱伝導層801は、光導波路の導波方向において、上述した位相シフタ領域に形成されていればよい。従って、位相シフタ領域においては、コア103が、ヒータ層105と蓄熱伝導層801とに挟まれた状態となる。   In addition to the above-described configuration, the thermo-optic phase shifter according to the fourth embodiment has a heat storage configured by a high thermal conductivity material having a higher thermal conductivity at the bottom of the opening 106 than that of the material forming the lower cladding layer 102. A conductive layer 801 is provided. The heat storage conductive layer 801 may be formed in the above-described phase shifter region in the waveguide direction of the optical waveguide. Therefore, in the phase shifter region, the core 103 is sandwiched between the heater layer 105 and the heat storage conductive layer 801.

蓄熱伝導層801は、例えば、アルミニウムや銅などの金属から構成されていればよい。例えば、スパッタ法などにより上述したような高熱伝導率材料の薄膜を形成し、これを公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とにより加工することで形成可能である。また、ステンシルマスクを用いたスパッタ法などにより、形成してもよい。また、支持基板101の一部を残すことで、蓄熱伝導層801としてもよい。この場合、蓄熱伝導層801は、単結晶シリコンから構成されたものとなる。なお、蓄熱伝導層801は、開口部601の側壁部分に接触しないように形成する。側壁部分に接触した状態で蓄熱伝導層801を形成すると、蓄熱伝導層801から支持基板101への熱伝導経路が形成されるようになり、後述する蓄熱伝導層801における効果が低減する。   The heat storage conductive layer 801 should just be comprised from metals, such as aluminum and copper, for example. For example, it can be formed by forming a thin film of the above-described high thermal conductivity material by sputtering or the like and processing it by a known photolithography technique and etching technique. Alternatively, it may be formed by sputtering using a stencil mask. Alternatively, the heat storage conductive layer 801 may be formed by leaving a part of the support substrate 101. In this case, the heat storage conductive layer 801 is composed of single crystal silicon. Note that the heat storage conductive layer 801 is formed so as not to contact the side wall portion of the opening 601. When the heat storage conductive layer 801 is formed in contact with the side wall portion, a heat conduction path from the heat storage conductive layer 801 to the support substrate 101 is formed, and an effect in the heat storage conductive layer 801 described later is reduced.

本実施の形態4の熱光学位相シフタによれば、上述したように蓄熱伝導層801を備えるようにしたので、ヒータ層105による加熱により、上部クラッド層104,コア103,および下部クラッド層102に伝導した熱が、支持基板101に伝導して拡散することが抑制され、蓄熱伝導層801に伝導して蓄積されるようになる。このため、コア103においては、ヒータ層105に加えて蓄熱伝導層801も熱源となる。この結果、蓄熱伝導層801を設けたことにより、これを備えていない場合に比較して、ヒータ層105からコア103にかけて形成される温度勾配が小さくなり、ヒータ層105を必要以上に恒温に設定することなく、コア103を所望の温度にまで加熱できるようになり、消費電力を抑制できるようになる。   According to the thermo-optic phase shifter of the fourth embodiment, since the heat storage conductive layer 801 is provided as described above, the upper cladding layer 104, the core 103, and the lower cladding layer 102 are heated by the heater layer 105. It is suppressed that the conducted heat is conducted and diffused to the support substrate 101, and is conducted and accumulated in the heat storage conductive layer 801. For this reason, in the core 103, in addition to the heater layer 105, the heat storage conductive layer 801 also serves as a heat source. As a result, by providing the heat storage conductive layer 801, the temperature gradient formed from the heater layer 105 to the core 103 becomes smaller than when the heat storage conductive layer 801 is not provided, and the heater layer 105 is set to a constant temperature more than necessary. Without this, the core 103 can be heated to a desired temperature, and power consumption can be suppressed.

次に、上述した本実施の形態4における熱光学位相シフタを用いたMZI型光スイッチデバイスの構成例について、図9を用いて説明する。図9は、このMZI型光スイッチデバイスの構成を示す平面図(a),(b)である。図9(a)は、コア103が形成されている側から見た平面図であり、図9(b)は、支持基板101の側から見た平面図である。このデバイスは、入力ポートとなる入力側導波路901と、出力ポートとなる出力側導波路902および出力側導波路903を備える。また、2つの熱光学位相シフタ911,熱光学位相シフタ912が直列に接続されている。このように、入力ポートから出力ポートにかけて2段の熱光学位相シフタを設けることで、より高い消光比を得ることができる。   Next, a configuration example of the MZI type optical switch device using the thermo-optic phase shifter in the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIGS. 9A and 9B are plan views (a) and (b) showing the configuration of this MZI type optical switch device. FIG. 9A is a plan view seen from the side where the core 103 is formed, and FIG. 9B is a plan view seen from the support substrate 101 side. This device includes an input-side waveguide 901 serving as an input port, an output-side waveguide 902 serving as an output port, and an output-side waveguide 903. Two thermo-optic phase shifters 911 and thermo-optic phase shifters 912 are connected in series. Thus, a higher extinction ratio can be obtained by providing a two-stage thermo-optic phase shifter from the input port to the output port.

これらの構成の中で、2つの熱光学位相シフタ911,熱光学位相シフタ912にかけて、連続して形成された開口部602が支持基板101に形成され、開口部602の内部に、連続して形成された蓄熱伝導層802が形成されている。開口部602は、熱光学位相シフタ911,熱光学位相シフタ912の部分においては、ヒータ層105の形成領域に対向して形成され、熱光学位相シフタ911と熱光学位相シフタ912との間では、コア103が形成されている領域を避けるように形成され、1つの溝とされている。従って、蓄熱伝導層802は、2つの熱光学位相シフタ911,熱光学位相シフタ912において、共通に形成されている。   Among these configurations, an opening 602 that is continuously formed over the two thermo-optic phase shifters 911 and 912 is formed in the support substrate 101, and is continuously formed inside the openings 602. The heat storage conductive layer 802 thus formed is formed. The opening 602 is formed in the portion of the thermo-optic phase shifter 911 and the thermo-optic phase shifter 912 so as to face the formation region of the heater layer 105, and between the thermo-optic phase shifter 911 and the thermo-optic phase shifter 912, It is formed so as to avoid the region where the core 103 is formed, and is formed as one groove. Therefore, the heat storage conductive layer 802 is formed in common in the two thermo-optic phase shifters 911 and thermo-optic phase shifters 912.

このように構成された2つの熱光学位相シフタ911,熱光学位相シフタ912においては、例えば、これらの間の温度をより均一な状態にすることが容易である。また、一方のヒータ層105からの熱が、蓄熱伝導層802を介して他方のコア103にまで伝導するので、より効率的にスイッチ動作をさせることができる。なお、これらに、前述した断熱溝を組み合わせるようにしてもよい。   In the two thermo-optic phase shifter 911 and the thermo-optic phase shifter 912 configured as described above, for example, it is easy to make the temperature between them more uniform. Moreover, since the heat from one heater layer 105 is conducted to the other core 103 through the heat storage conductive layer 802, the switch operation can be performed more efficiently. In addition, you may make it combine the heat insulation groove | channel mentioned above in these.

[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について説明する。図10は、本実施の形態5における熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。この熱光学位相シフタは、例えば単結晶シリコンからなる支持基板101と、支持基板101の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成されたシリコン細線から構成されたコア103と、下部クラッド層102およびコア103の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層104と、コア103の上部にあたる上部クラッド層104の上に配置されたヒータ層105とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態1の熱光学位相シフタと同様である。
[Embodiment 5]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the thermo-optic phase shifter according to the fifth embodiment. The thermo-optic phase shifter includes, for example, a support substrate 101 made of single crystal silicon, a lower clad layer 102 made of silicon oxide formed on the support substrate 101, and a silicon thin wire formed on the lower clad layer 102. The structured core 103, the lower clad layer 102, the upper clad layer 104 made of silicon oxide formed on the core 103, and the heater layer 105 disposed on the upper clad layer 104 above the core 103. Prepare. These configurations are the same as those of the thermo-optic phase shifter of the first embodiment described above.

本実施の形態2における熱光学位相シフタは、上述した構成に加え、上部クラッド層104の上にヒータ層105を覆うように形成された被覆層1001を備えるようにしたものである。例えば、上部クラッド層104を形成し、この上にヒータ層105を形成した後に、上部クラッド層104と同様に酸化シリコンを堆積することで、被覆層1001とすればよい。言い換えると、酸化シリコンからなる上部クラッド層の中に、埋設された状態にヒータ層105が形成されていてもよい。   The thermo-optic phase shifter according to the second embodiment includes a coating layer 1001 formed on the upper cladding layer 104 so as to cover the heater layer 105 in addition to the above-described configuration. For example, after forming the upper clad layer 104 and forming the heater layer 105 thereon, silicon oxide is deposited in the same manner as the upper clad layer 104 to form the cover layer 1001. In other words, the heater layer 105 may be formed in an embedded state in the upper clad layer made of silicon oxide.

このように、被覆層1001を形成することで、ヒータ層105からの熱が、上方の大気側への放熱が抑制された状態で、上部クラッド層104に伝導されるようになる。また、前述した断熱溝の形成や、支持基板101への開口部の形成において、ヒータ層105の損傷を抑制できるようになる。   By forming the covering layer 1001 in this manner, heat from the heater layer 105 is conducted to the upper cladding layer 104 in a state where heat dissipation to the upper atmosphere side is suppressed. In addition, damage to the heater layer 105 can be suppressed in the formation of the heat insulating grooves and the formation of the openings in the support substrate 101 described above.

ところで、上述したように被覆層1001を備えることで、図11に示すように、スポットサイズ変換部をより容易に形成することが可能となる(スポットサイズ変換部については、例えば、特許文献1参照)。例えば、被覆層1001を、上部クラッド層104より屈折率の小さい材料から構成する。例えば、上部クラッド層104を屈折率1.52のシリコン酸化(SiOx)膜から構成し、被覆層1001を屈折率1.47のシリコン酸化(SiO2)膜から構成すればよい。これらのような材料を用い、まず、コア103の上に上部クラッド層104が形成された状態とする。この後、図11(a)の平面図に示すスポットサイズ変換部1101とする箇所においては、上部クラッド層104を所定の形状に微細加工し、図11(c)の断面図に示すように、コア103を覆う第2コア104aが形成された状態とする。 By the way, by providing the coating layer 1001 as described above, it becomes possible to more easily form the spot size conversion section as shown in FIG. 11 (see, for example, Patent Document 1 for the spot size conversion section). ). For example, the covering layer 1001 is made of a material having a refractive index smaller than that of the upper cladding layer 104. For example, the upper cladding layer 104 may be composed of a silicon oxide (SiO x ) film having a refractive index of 1.52, and the covering layer 1001 may be composed of a silicon oxide (SiO 2 ) film having a refractive index of 1.47. Using such materials, first, the upper clad layer 104 is formed on the core 103. After that, in the place to be the spot size conversion unit 1101 shown in the plan view of FIG. 11A, the upper cladding layer 104 is finely processed into a predetermined shape, and as shown in the sectional view of FIG. It is assumed that the second core 104a covering the core 103 is formed.

この後、中間導波路503および中間導波路513の領域からスポットサイズ変換部1101にかけて上述した被覆層1001となる材料の膜を形成することで、熱光学位相シフタの領域では、図11(b)の断面図に示すように、ヒータ層105の上に被覆層1001が形成され、スポットサイズ変換部1101では、図11(c)に示すように、スポットサイズ変換領域の上部クラッド層1001aが形成された状態とする。このように形成されたスポットサイズ変換部1101によれば、モードフィールド径の大きい光ファイバやシリカ系光導波路回路を、モードフィールド径を変換して入力側導波路501,出力側導波路505に接続させることができる。また、上述したように、スポットサイズ変換部1101は、上部クラッド層104および被覆層1001の形成とほぼ同時に形成可能であるため、生産性の観点からも利点がある。   After that, by forming a film of the material to be the coating layer 1001 from the region of the intermediate waveguide 503 and the intermediate waveguide 513 to the spot size conversion unit 1101, in the region of the thermo-optic phase shifter, FIG. As shown in FIG. 11C, a coating layer 1001 is formed on the heater layer 105, and in the spot size conversion unit 1101, an upper cladding layer 1001a in the spot size conversion region is formed as shown in FIG. 11C. State. According to the spot size converter 1101 formed in this way, an optical fiber having a large mode field diameter or a silica-based optical waveguide circuit is connected to the input-side waveguide 501 and the output-side waveguide 505 by converting the mode field diameter. Can be made. Further, as described above, the spot size conversion unit 1101 can be formed almost simultaneously with the formation of the upper clad layer 104 and the covering layer 1001, and thus has an advantage from the viewpoint of productivity.

なお、被覆層1001は、SiOxに限らず、シリコン(屈折率3.478)より屈折率が低く、上部クラッド層や第2コアなどを構成できる材料であればよく、例えば、窒素が添加されたシリコン酸化物(酸窒化シリコン)や、光学材料として用いることが可能な高分子材料(プラスチック)であってもよい。 The covering layer 1001 is not limited to SiO x and may be any material that has a refractive index lower than that of silicon (refractive index: 3.478) and can form the upper cladding layer, the second core, and the like. For example, nitrogen is added. Further, silicon oxide (silicon oxynitride) or a polymer material (plastic) that can be used as an optical material may be used.

本発明の実施の形態1における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the thermo-optic phase shifter in Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1における熱光学位相シフタの適用例としてのMZI型光スイッチの構成例を示す平面図である。3 is a plan view showing a configuration example of an MZI type optical switch as an application example of a thermo-optic phase shifter in Embodiment 1. FIG. 本発明の実施の形態2における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the thermo-optic phase shifter in Embodiment 2 of this invention. 3種類の溝深さとした熱光学位相シフタの各々におけるクラッド幅wと動作電力との関係を示した特性図(a)と、各溝深さの状態を説明する説明図(b),(c),(d)である。A characteristic diagram (a) showing the relationship between the clad width w and the operating power in each of the three types of thermo-optic phase shifters, and explanatory diagrams (b), (c) explaining the state of each groove depth ), (D). 実施の形態2における熱光学位相シフタの適用例としてのMZI型光スイッチデバイスの構成を示す平面図(a)および断面図(b)である。FIG. 6 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) showing a configuration of an MZI type optical switch device as an application example of a thermo-optic phase shifter in the second embodiment. 本発明の実施の形態2における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the thermo-optic phase shifter in Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2における熱光学位相シフタの開口部601の開口幅w2(導波路の幅方向)および基板残し厚tさと、消費電力の関係を示す特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the opening width w2 (waveguide width direction) and the remaining substrate thickness t of the thermooptic phase shifter opening 601 and the power consumption in the second embodiment. 本実施の形態4における熱光学位相シフタの構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structural example of the thermo-optic phase shifter in this Embodiment 4. 実施の形態4における熱光学位相シフタを用いたMZI型光スイッチデバイスの構成例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a configuration example of an MZI type optical switch device using a thermo-optic phase shifter in a fourth embodiment. 本発明の実施の形態5における熱光学位相シフタの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the thermo-optic phase shifter in Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態5における熱光学位相シフタの構成例を示す平面図(a)および断面図(b),(c)である。It is the top view (a) and sectional drawing (b), (c) which show the structural example of the thermo-optic phase shifter in Embodiment 5 of this invention. 光スイッチに用いられる熱光学位相シフタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the thermo-optic phase shifter used for an optical switch.

符号の説明Explanation of symbols

101…支持基板、102…下部クラッド層、103…コア、104…上部クラッド層、105…ヒータ層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Support substrate, 102 ... Lower clad layer, 103 ... Core, 104 ... Upper clad layer, 105 ... Heater layer.

Claims (5)

支持基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンから構成されたコアと、
前記下部クラッド層および前記コアの上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、
前記コアの上部にあたる前記上部クラッド層の上の一部領域に配置されて前記コアの所定領域を加熱するためのヒータ層と
前記ヒータ層が形成されている領域に対応する支持基板に形成された開口部と、
前記開口部の側壁部分に接触しない状態で前記開口部の底部に形成され、前記下部クラッド層を構成する材料より高い熱伝導率を備えた材料より構成された蓄熱伝導層と
を少なくとも備え
前記開口部の底部における前記支持基板の残厚が1μm以下とされていることを特徴とする熱光学位相シフタ。
A lower clad layer made of silicon oxide formed on a support substrate;
A core made of single crystal silicon formed on the lower cladding layer;
An upper cladding layer made of silicon oxide formed on the lower cladding layer and the core;
A heater layer disposed in a partial region on the upper cladding layer corresponding to the upper portion of the core to heat a predetermined region of the core ;
An opening formed in a support substrate corresponding to a region where the heater layer is formed;
A heat storage conductive layer formed at a bottom portion of the opening without being in contact with a side wall portion of the opening and made of a material having a higher thermal conductivity than a material constituting the lower cladding layer ;
Thermo-optic phase shifter the remaining thickness of the supporting substrate at the bottom of the opening is characterized that you have been a 1μm or less.
請求項1記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記コアより構成された前記所定領域における光導波路の両脇に形成された2つの溝部を備え、
前記2つの溝の間の前記光導波路の幅は、高々20μmとされている
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
The thermo-optic phase shifter according to claim 1,
Comprising two grooves formed on both sides of the optical waveguide in the predetermined region composed of the core;
A thermo-optic phase shifter characterized in that the width of the optical waveguide between the two grooves is at most 20 μm.
請求項2記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記溝部は、前記支持基板の表面が露出する深さに形成されている
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
The thermo-optic phase shifter according to claim 2,
The groove is formed to a depth at which the surface of the support substrate is exposed. The thermo-optic phase shifter.
請求項1〜のいずれか1項に記載の記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記上部クラッド層の上に前記ヒータ層を覆うように形成された被覆層を備える
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
In the thermo-optic phase shifter according to any one of claims 1 to 3 ,
A thermo-optic phase shifter comprising: a coating layer formed on the upper cladding layer so as to cover the heater layer.
請求項記載の熱光学位相シフタにおいて、
前記被覆層は、前記上部クラッド層と同一の材料から構成されたものである
ことを特徴とする熱光学位相シフタ。
The thermo-optic phase shifter according to claim 4 ,
The thermo-optical phase shifter, wherein the coating layer is made of the same material as the upper cladding layer.
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