JP6701816B2 - 屈折率制御素子、光位相シフタ、光スイッチ、及び屈折率制御素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、屈折率制御素子、光位相シフタ、光スイッチ、及び屈折率制御素子の製造方法に関する。

光位相シフタのような光導波路素子ではむろんのこと、光スイッチといった光導波路素子においても、光導波路を伝播する光の位相を制御する技術がしばしば要求される。一方、光導波路を伝播する光の位相を制御する光素子として、物質の熱光学効果を利用した光素子が知られている。熱光学効果とは、物質の温度を上げると屈折率が変化する性質のことであり、そのような光素子は、一般に、光導波路上に薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータで光導波路を加熱することにより伝搬する光の位相を制御する。

熱光学効果を用いた光位相シフタとして、例えば特許文献１に開示された導波路型熱光学光位相シフタが知られている。特許文献１に開示された導波路型熱光学光位相シフタは、基板上に配置されるクラッド層及びコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、その上面に形成される薄膜ヒータ及び光導波路の側面に形成された断熱溝によって構成される導波路型熱光学光位相シフタにおいて、断熱溝の光導波方向の長さが薄膜ヒータの長さよりも長いことを特徴とするものである。特許文献１では、このような導波路型熱光学光位相シフタによれば、より低い消費電力でより高密度な回路を提供することができるとしている。

一方、光導波路の温度を制御する技術として、特許文献２に開示された光導波路素子が知られている。特許文献２に開示された光導波路素子は、基板と、基板上に形成したバッファ層と、バッファ層上に形成したコアと、コア上に被せたクラッド層とから成る光導波路素子であって、基板とバッファ層との間に金属膜を形成して成ることを特徴とするものである。特許文献２では、このような光導波路素子によれば、温度調節する際にヒータ電力が小さくて済み、かつヒータのＯＮとＯＦＦの応答速度が速くなるとしている。

さらに、屈折率を調整することが可能な光導波路として特許文献３に開示された屈折率調整可能な光導波路が知られている。特許文献１に開示された屈折率調整可能な光導波路は、基板上の光導波路のコア又はクラッドの少なくとも一部に、エネルギー線の照射、電圧印加、電流印加、加熱、冷却、加圧、減圧、磁場印加、物質の含浸又はドープさせることのうち少なくとも一つの操作を行うことにより屈折率が変化可能な有機化合物が設けられている。特許文献３では、このような屈折率調整可能な光導波路によれば、光導波路の屈折率を簡便に調節し、しかも得られた屈折率を維持するのに何らエネルギーを必要としないとしている。

特開２００６−０５８８５８号公報 特開２００１−１４７３３５号公報 特開平０９−１４５９４２号公報

ところで、熱光学効果を利用して光導波路の屈折率を制御する場合、ヒータなどの発熱体で発生させた熱を効率よく光導波路に印加させることが、ヒータに供給する消費電力削減の観点から、あるいは屈折率制御の応答性の観点からも重要である。

この点、特許文献１に開示された導波路型熱光学光位相シフタ、あるいは特許文献２に開示された光導波路素子では、クラッドの上面、又は底面に設置されたヒータからの熱はコア部分に向かうが、クラッド内を伝搬する間に熱が徐々に広がってしまい、熱を付与したいコア部分以外の部位にも熱が拡散する。つまり、クラッド上にヒータを配置する従来技術に係る屈折率制御素子では、クラッドに一定の厚みがあるためにヒータ電極をコアに近づけるのが困難なので、熱効率、すなわち電力効率が悪い。

また、クラッドは熱が伝わりにくい材料で製造されることが多く、特許文献１あるいは特許文献２のもののような比較的厚いクラッドでは、発熱量を高くする必要が生ずる。このため、無駄な電力消費が生ずる共に、熱がクラッド層を伝搬する間のタイムラグも無視できなくなり、屈折率の制御精度も劣化してしまう。この点、特許文献３に開示された屈折率調整可能な光導波路は、無駄なエネルギーを用いることなく屈折率の調整が可能であるが、光導波路の使用状態において動的に屈折率を制御するものではない。

一方、さまざまな機能の素子を集積化する場合が多い光導波路素子では、特に製造工程の簡易化も要求される。例えば、光フェーズドアレイアンテナのような多くの位相制御部分を有する構成では、位相制御部分の個数分ヒータが必要になるので製造工程が複雑化する。さらに、熱効率を考慮してクラッドにヒータを埋め込みコアに近づけようとすると、ヒータの個数分の電極対に対するビアが緻密な間隔で必要となり、製造工程が複雑化するだけでなく製造上の許容誤差が厳しくなり、製造の難易度が高くなってしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、導電体からの熱を光導波路に付与し、該光導波路の屈折率を制御する屈折率制御素子において、無駄な発熱が抑制されると共に電力効率が向上し、さらに製造工程が簡素化されると共に屈折率の制御精度を向上させることが可能な屈折率制御素子、及びそれを用いた光位相シフタ、光スイッチを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の屈折率制御素子は、第１の屈折率を有する絶縁体層と、前記絶縁体層の内部に形成されると共に互いに対向する領域を有するように配置された前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する第１の線路及び第２の線路と、を含み、前記第１の線路は、前記領域に屈曲部を含むと共に光を伝播する光導波路であり、前記第２の線路は、前記領域以外の部分で前記第１の線路から離間するように配置され、かつ予め定められた不純物が添加されると共に前記第２の線路に電流を流すための電極対を有する加熱素子であるものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の線路及び前記第２の線路は、前記絶縁体層の断面視で高さ方向に同じ位置に形成されたものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第１の線路及び前記第２の線路は、前記絶縁体層の断面視で高さ方向に同じ厚さで形成されたものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記第１の線路及び前記第２の線路の両方が前記領域において屈曲部を有し、前記第１の線路の前記屈曲部の頂点と前記第２の線路の前記屈曲部の頂点とが互いに対向するように配置されたものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記第２の線路は前記領域において前記第２の線路の幅を細くする凹部及び前記第２の線路の厚さを薄くする凹部の少なくとも一方を有するものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記第２の線路は前記領域において前記不純物の濃度が他の領域に比べ低くされたものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記第２の線路に対し前記第１の線路と反対側に、前記絶縁体層の表面から内部に向けてかつ前記第２の線路の少なくとも一部に沿って形成された溝をさらに含むものである。

上記の目的を達成するために、請求項８に記載の光位相シフタは、光導波路で前記第１の線路同士が接続された複数の請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の屈折率制御素子と、複数の前記屈折率制御素子のうちの一方の端の屈折率制御素子の前記第１の線路に設けられた光の入力部と、複数の前記屈折率制御素子のうちの他方の端の屈折率制御素子の前記第１の線路に設けられた光の出力部と、前記領域に対応して設けられると共に前記入力部から入力された光を分岐して出力する複数の方向性結合器と、を含むものである。

上記の目的を達成するために、請求項９に記載の光スイッチは、前記第１の線路が円形に形成されリング導波路とされた請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の屈折率制御素子と、一端が前記リング導波路に結合されると共に他端が光の入力部とされた第１の方向性結合器と、一端が前記リング導波路に結合されると共に他端が光の出力部とされた第２の方向性結合器と、を含むものである。

本発明によれば、導電体からの熱を光導波路に付与し、該光導波路の屈折率を制御する屈折率制御素子において、無駄な発熱が抑制されると共に電力効率が向上し、さらに製造工程が簡素化されると共に屈折率の制御精度を向上させることが可能な屈折率制御素子、及びそれを用いた光位相シフタ、光スイッチを提供することができるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る屈折率制御素子の構成の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る屈折率制御素子の構成の一例を示す断面図である。 実施に形態に係る屈折率制御素子の製造方法の一例を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る屈折率制御素子の構成の一例を示す平面図、及び断面図である。 第３の実施の形態に係る光位相シフタの構成の一例を示す平面図、及び断面図である。 第４の実施の形態に係る光位相シフタの構成の一例を示す平面図である。 第５の実施の形態に係る光位相シフタの構成の一例を示す平面図である。 第６の実施の形態に係る光位相シフタの構成の一例を示す平面図である。 第７の実施の形態に係る光スイッチの構成の一例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１ないし図３を参照して、本実施の形態に係る屈折率制御素子について説明する。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る屈折率制御素子の一形態である屈折率制御素子１０ａの平面図を、図２は図１（ａ）に示すＡ−Ａ’線における断面図を示している。図１（ａ）及び図２に示すように、屈折率制御素子１０ａは、直線状に形成された導波路３０ａ、及び直線状に形成されたヒータ５０ａ（加熱素子）を備えている。

屈折率制御素子１０ａは、一例として光導波路技術により光導波路素子として製造されており、図２に示すように、基板３４及びクラッド３６（絶縁体層）を含んで構成されている。図２に示すように、予め定められた屈折率を有する導波路３０ａは、導波路３０ａより低い屈折率を有するクラッド３６で覆われ、光が伝播可能に構成されている。導波路３０ａは、一例としてＳｉ（シリコン）で形成されており、クラッド３６は、一例としてＳｉＯ２（シリコン酸化膜）で形成されている。また、導波路３０ａ及びクラッド３６の寸法は、材料の屈折率や使用する波長等に応じて決定することができる。図１（ａ）に示すように、伝播光は、導波路３０ａの一端から入力光Ｐｉｎとして入力され、他端から出力光Ｐｏｕｔとして出力される。

図１（ａ）に示すように、ヒータ５０ａは、不純物がドープされ抵抗体（発熱体）とされた線路５２ａ、及び線路５２ａに電気的に接続された電極対５４−５４を含んで構成されている。図２に示すように、線路５２ａと電極５４とは、ビア６２によって接続されている。線路５２ａの寸法は、線路５２ａの抵抗値や発生させたい熱量等に応じて決定される。また、後述するように、線路５２ａと導波路３０ａとは、屈折率制御素子１０ａの製造工程において同じ製造プロセスで同時に製造される。従って、本実施の形態では、線路５２ａと導波路３０ａとは厚さ方向（紙面正面視上下方向）で同じ位置に同じ厚さで形成されている。なお、本実施の形態において「同じ位置」、「同じ厚さ」とは、製造誤差等を考慮して若干位置、あるいは幅がずれた「略同じ位置」、「略同じ厚さ」を含む。

以上のように構成された屈折率制御素子１０ａでは、電極対５４−５４間に電源を接続し、ヒータ５０ａに電流を流して線路５２ａを発熱させ、発生した熱を導波路３０ａに印加する。導波路３０ａでは熱を印加された領域の屈折率が変化し、導波路３０ａを伝播する光の位相が変化する。

以上のように、本実施の形態に係る屈折率制御素子１０ａは、導波路の製造工程において同時にヒータを形成するので、製造工程が簡素化される。また、光がカップリングしない範囲で、ヒータと導波路を近づけることができるので、無駄な発熱が抑制されると共に電力効率が向上する。さらに、熱の伝播遅延に起因する屈折率制御の遅延が抑制され、また、導波路の温度、すなわち屈折率もより精度よく設定することが可能となる。

ここで、上記実施の形態では、直線状に形成された導波路３０ａ、及び直線状に形成されたヒータ５０ａを備えた屈折率制御素子について説明したが、これに限られず、導波路３０ａ、及びヒータ５０ａの少なくとも一方を、屈曲部を含む構成としてもよい。図１（ｂ）ないし（ｄ）は、この屈曲部を含む構成のバリエーションを示している。

図１（ｂ）は、導波路３０ｂを屈曲部Ｂ１を有する屈曲導波路とし、ヒータ５０ａを直線状に形成させた屈折率制御素子１０ｂを示している。屈折率制御素子１０ｂも、屈折率制御素子１０ａ同様電極対５４−５４間に電流を流して線路５２ａを発熱させ、導波路３０ｂに熱を付与して導波路３０ｂの屈折率を変化させる。導波路３０ｂの屈折率が変化することにより、入力光Ｐｉｎとして屈折率制御素子１０ｂに入力され出力光Ｐｏｕｔとして出力する伝播光の位相が変えられる。

図１（ｃ）は、導波路３０ａを直線状に形成し、ヒータ５０ｂを屈曲部Ｂ２を有する屈曲ヒータとした屈折率制御素子１０ｃを示している。屈折率制御素子１０ｃも、屈折率制御素子１０ａ同様電極対５４−５４間に電流を流して線路５２ｂを発熱させ、導波路３０ａに熱を付与して導波路３０ａの屈折率を変化させる。導波路３０ａの屈折率が変化することにより、入力光Ｐｉｎとして屈折率制御素子１０ｃに入力され出力光Ｐｏｕｔとして出力する伝播光の位相が変えられる。

図１（ｄ）は、導波路３０ｂを屈曲部Ｂ１を有する屈曲導波路とし、ヒータ５０ｂを屈曲部Ｂ２を有する屈曲ヒータとした屈折率制御素子１０ｄを示している。換言すると、屈曲部Ｂ１と屈曲部Ｂ２とは互いの頂点同士が対向するように配置されている。屈折率制御素子１０ｄも、屈折率制御素子１０ａ同様電極対５４−５４間に電流を流して線路５２ｂを発熱させ、導波路３０ｂに熱を付与して導波路３０ｂの屈折率を変化させる。導波路３０ｂの屈折率が変化することにより、入力光Ｐｉｎとして屈折率制御素子１０ｄに入力され出力光Ｐｏｕｔとして出力する伝播光の位相が変えられる。

以上のように、導波路（３０ａ、３０ｂ）及びヒータ（５０ａ、５０ｂ）の少なくとも一方を屈曲させることによって、屈曲部の頂点及び頂点近傍で両者が対向されるので、ヒータの熱をさらに効率よく導波路に付与することが可能となる。

次に、図３を参照して、実施の形態に係る屈折率制御素子（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の製造方法の一例について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、ＳｉＯ２層７２に、Ｓｉ膜７０及びＳｉ膜７４が貼られた基板を準備する。そして、フォトグラフィ及びエッチングを用いて線路（５２ａ、５２ｂ）を形成する箇所に開口を有するフォトレジストによるマスクを作成し、該開口から加速された不純物イオンを注入させて図３（ａ）に示す不純物領域８６を形成する。不純物領域８６の導電型（Ｐ型、Ｎ型）、及び不純物濃度（Ｐ＋、Ｎ＋、Ｐ−、Ｎ−）は特に限定されず、ヒータ（５０ａ、２０ｂ）の特性等に応じて適切に設定すればよい。その際、図１に示す電極５４の直下に高濃度不純物拡散（Ｐ＋又はＮ＋）を行って、コンタクト層を形成してもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト７６を塗布する。

次に、図３（ｃ）に示すように、導波路（３０ａ、３０ｂ）及び線路（５２ａ、５２ｂ）以外の領域に相当する部分を露光する。なお、本実施の形態では、フォトリソグラフィを用いる形態を例示して説明するが、これに限られず、試作などの場合は、電子ビームにより露光を行ってもよい。また、本実施の形態では露光部が除去されるポジ型フォトレジストを用いた形態を例示して説明するが、露光部が残留するネガ型フォトレジストを用いてもよい。

次に、図３（ｄ）示すように、フォトレジストを現像して不要領域のフォトレジストを除去する。

次に、図３（ｅ）に示すように、導波路（３０ａ、３０ｂ）及び線路（５２ａ、５２ｂ）以外の領域のＳｉ膜７４を除去する。このように、本実施の形態では、導波路（３０ａ、３０ｂ）に相当するＳｉ膜７４と、線路（５２ａ、５２ｂ）に相当する不純物領域８６とが同時に形成される。

次に、図３（ｆ）に示すように、フォトレジスト７６をエッチング等により除去する。

次に、図３（ｇ）に示すように、Ｓｉ膜７４及び不純物領域８６の上部に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法等により、ＳｉＯ２層７８を堆積させる。

次に、図３（ｈ）に示すように、ＳｉＯ２層７８上にフォトレジスト８０を塗布する。
そして、フォトレジスト８０に対して露光、現像を行い、線路（５２ａ、５２ｂ）と電極５４とを接続するビアを形成する領域に、図３（ｉ）に示す開口ＶＨを有するマスクを形成する。

次に、上記開口ＶＨの領域のＳｉＯ２層７８をエッチングし、図３（ｉ）に示すように、不純物領域８６を露出させる。

次に、図３（ｊ）に示すように、ＣＶＤ法等によって金属層８２を積層する。金属層８２を積層する金属としては、一例としてＡｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）等を用いることができる。なお、金属層８２の積層はＣＶＤ法等に限られず、他の方法、例えばスパッタ法等によってもよい。

次に、図３（ｋ）に示すようにフォトレジスト８０を除去する。このフォトレジスト８０と共に、フォトレジスト上の金属層８２も除去される（リフトオフ）。

次に、図３（ｋ）に示す構造体の全面にスパッタ法等によって金属膜を成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図３（ｌ）に示すように電極８４を形成する。

以上の製造工程によって、本実施の形態に係る屈折率制御素子（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）が製造される。なお、図３（ｌ）に示すＳｉ膜７４、不純物領域８６、Ｓｉ膜７０、ＳｉＯ２層７２、７８、金属層８２、及び電極８４が、各々図２に示す導波路３０ａ、線路５２ａ、基板３４、クラッド３６、ビア６２、及び電極５４に相当する。

以上、詳述したように、本実施の形態に係る屈折率制御素子によれば、導電体からの熱を光導波路に付与し、該光導波路の屈折率を制御する屈折率制御素子において、無駄な発熱が抑制されると共に電力効率が向上し、さらに製造工程が簡素化されると共に屈折率の制御精度を向上させることが可能な屈折率制御素子を提供することが可能となる。

なお、以下の実施の形態に係る屈折率制御素子、光位相シフタ、光スイッチも基本的に上記の製造方法によって製造される。

［第２の実施の形態］
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る屈折率制御素子１０ｅについて説明する。図４（ａ）は、屈折率制御素子１０ｅの平面図を、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ’線における断面図を各々示している。本実施の形態は、上記実施の形態において、熱拡散防止用の溝（トレンチ）を設けた形態である。

本実施の形態では、図１に示す屈折率制御素子のバリエーションのうち、図１（ｂ）に示す屈折率制御素子１０ｂにトレンチを設けた形態を例示して説明するが、これに限られず、屈折率制御素子１０ａ、１０ｃ、１０ｄにトレンチを設けた形態としてもよい。図４に示すように、屈折率制御素子１０ｅは、トレンチ３２を有していること以外屈折率制御素子１０ｂと同様である。従って、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

上述したように、上記実施の形態に係る屈折率制御素子（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）は、導波路（３０ａ、３０ｂ）を伝播する光が線路（５２ａ、５２ｂ）に結合しない範囲で、導波路（３０ａ、３０ｂ）と線路（５２ａ、５２ｂ）とを近接させることができるので、ヒータ（５０ａ、５０ｂ）で発生する熱が効率よく導波路（３０ａ、３０ｂ）に付与される。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、線路５２ａから矢印Ｔ１で示す方向に移動する熱によって導波路３０ｂに熱が付与されるが、同時に線路５２ｂからは矢印Ｔ２で示す方向にも熱が拡散している。そこで、本実施の形態では矢印Ｔ２で示す方向に、基板３４まで到達するトレンチ３２を設けている。

本実施の形態では、トレンチ３２の内部は熱伝導率の低い空気で充填されているので、トレンチ３２は、矢印Ｔ２方向に拡散する熱に対する遮蔽壁の機能を果たし、矢印Ｔ２方向に拡散した熱を導波路３０ｂの方向に押し返す。従って、本実施の形態に係る屈折率制御素子１０ｅによれば、無駄な発熱がさらに抑制されると共に、電力効率がさらに向上する。

なお、本実施の形態では、内部が空気で充填されたトレンチ３２を用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、空気以外の例えば樹脂等で充填されたトレンチを用いる形態としてもよい。また、本実施の形態では、基板３４まで到達するトレンチ３２を用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、基板３４まで到達せずクラッド３６内に端部を有するトレンチを用いる形態としてもよい。

［第３の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係る光位相シフタ１００ａについて説明する。図５（ａ）は、光位相シフタ１００ａの平面図を、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＣ−Ｃ’線における断面図を、図５（ｃ）は、図５（ａ）におけるＤ−Ｄ’線における断面図を各々示している。図５に示すように、光位相シフタ１００ａは、導波路３０ｃ、及びヒータ５０ｃを含んで構成されている。

光位相シフタ１００ａは、光導波路技術によって光集積回路として構成されている。図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、光位相シフタ１００ａは、基板３４及びクラッド３６を備え、導波路３０ｃ、及びヒータ５０ｃを構成する線路５２ｃは、クラッド３６に覆われている。そして、図５（ｂ）に示すように、導波路３０ｃと線路５２ｃとは、高さ方向（紙面正面視上下方向）で同じ位置に同じ厚さで形成されている。

図５（ａ）に示すように、導波路３０ｃは３つの屈曲部Ｂ１を有すると共に、方向性結合器３８−１、３８−２を備えている。そして、導波路３０ｃの一端から入力された入力光Ｐｉｎは、方向性結合器３８−１で一部が出力光Ｐｏｕｔ１として出力され、残りの光が導波路３０ｃを伝播してさらに方向性結合器３８−２で一部が出力光Ｐｏｕｔ２として出力され、残りの光が導波路３０ｃを伝播して、最終的に出力光Ｐｏｕｔ３として出力される。

一方、ヒータ５０ｃは、線路５２ｃ及び電極対５４−５４を含んで構成されている。ヒータ５０ｃは、図１（ａ）に示すヒータ５０ａと基本的に同じものであり、図５（ｃ）に示すように、線路５２ｃと電極５４とはビア４０によって接続されている。

図５（ｂ）に示すように、線路５２ｃと導波路３０ｃとは屈曲部Ｂ１において最短で対向しており、ヒータ５０ｃで発生した熱は、この屈曲部Ｂ１及び屈曲部Ｂ１の近傍において導波路３０ｃに付与される。導波路３０ｃに熱が付与されると、入力光Ｐｉｎの位相が変化するが、いま１箇所の屈曲部Ｂ１における位相変化量をΔφとすると、出力光Ｐｏｕｔ１は入力光Ｐｉｎに対して位相がΔφシフトする。同様に次の屈曲部で位相がΔφ変化するので、出力光Ｐｏｕｔ２は入力光Ｐｉｎに対して位相が２・Δφシフトする。次の屈曲部Ｂ１でさらに位相がΔφ変化するので、出力光Ｐｏｕｔ３は入力光Ｐｉｎに対して位相が３・Δφシフトする。むろん、屈曲部Ｂ１の数を増やせば、入力光Ｐｉｎに対してさらに多くの種類の位相量だけシフトした光位相シフタを構成することができる。

以上のように、本実施の形態に係る光位相シフタでは、１本の線路（５２ｃ）を有するヒータ（５０ｃ）によって、多くの屈曲部Ｂ１における屈折率を変化させ、同時に多くの位相シフトを施すことができる。つまり、多くの異なる位相シフト量を有する光を発生することが可能であるにもかかわらず電極対５４−５４は一対ですみ、ビアも２つ設けるだけでよい。従って、製造プロセスにおいてもさほど微細なプロセスを用いることも要求されない。

本実施の形態に係る光位相シフタの応用例を考えた場合、例えば、光フェーズドアレイアンテナでは、基準となる光に対して異なる位相シフト量を有する多くの光が必要になる。本実施の形態に係る光位相シフタ１００ａによれば、入力光Ｐｉｎに対して位相シフト量が異なる複数の出力光を簡便に出力することができるので、本実施の形態に係る光位相シフタ１００ａを用いることにより、より低消費電力の光フェーズドアレイアンテナを実現することができる。

以上、詳述したように、本実施の形態に係る光位相シフタによれば、無駄な発熱が抑制されると共に電力効率が向上し、さらに製造工程が簡素化されると共に屈折率の制御精度を向上させることが可能となる。

［第４の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係る光位相シフタ１００ｂについて説明する。光位相シフタ１００ｂは、上記実施の形態に係る光位相シフタ１００ａのヒータ５０ｃをヒータ５０ｄに置き換えた形態である。従って、図６に示すように、導波路３０ｃの部分は光位相シフタ１００ａと同様なので、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示すように、本実施の形態に係るヒータ５０ｄは、線路５２ｄ及び電極対５４−５４を備えている。そして、線路５２ｄは凹部５６を有し、凹部５６で線路５２ｄの幅が細くされている点がヒータ５０ｃと異なる点である。

図５に示すヒータ５０ｃは、一様に不純物が拡散され、均一の幅を有する線路５２ｃを備えているので、ヒータ５０ｃの全体が一様に発熱する。一方、導波路３０ｃにおいて位相シフトの効果を生ずるのは屈曲部Ｂ１であることから、屈曲部Ｂ１及び屈曲部Ｂ１の近傍以外ではヒータとして機能する必要がない。そこで、本実施の形態に係るヒータ５０ｄでは、線路５２ｄの屈曲部Ｂ１に対向する位置に凹部５６を形成し、幅を細くすることにより抵抗を高くした領域を設けた。このことにより、屈曲部Ｂ１及び屈曲部Ｂ１の近傍において集中的にヒータ５０ｄによる発熱は生じ、消費電力をさらに低減することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、凹部５６を線路５２ｄの導波路３０ｃと反対側に設ける形態を例示して説明したが、むろん凹部５６を線路５２ｄの導波路３０ｃと同じ側に設ける形態としてもよい。

また、本実施の形態では、図６に示すように、平面視において線路の幅を細くする凹部を設ける形態を例示して説明したが、これに限られず、線路の断面視において、つまり、光位相シフタの厚さ方向において、線路の厚さを薄くする凹部を設けてもよい。

［第５の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る光位相シフタ１００ｃについて説明する。本実施の形態は、上記実施の形態に係る光位相シフタ１００ａのヒータ５０ｃをヒータ５０ｅに置き換えた形態である。従って、図７に示すように、導波路３０ｃの部分は光位相シフタ１００ａと同様なので、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図７に示すように、光位相シフタ１００ｃのヒータ５０ｅは、線路５２ｅ及び電極対５４−５４を備えている。そして、線路５２ｅは導波路３０ｃの屈曲部Ｂ１に沿った形状の屈曲部５８を有している点がヒータ５０ｃと異なる点である。

上記実施の形態では、ヒータ５０ｃあるいは５０ｄによって、主に導波路３０ｃの屈曲部Ｂ１及び屈曲部Ｂ１の近傍に熱が付与される構成となっていた。例えば、位相シフト量をより大きくしたい場合などでは、導波路３０ｃの屈曲部Ｂ１を含むさらに長い領域に熱を付与したい場合がある。本実施の形態は、このよう要求に配慮した形態である。

すなわち、本実施の形態に係るヒータ５０ｅの線路５２ｅは、導波路３０ｃの屈曲部Ｂ１に対向して屈曲部５８を有し、屈曲部５８は屈曲部Ｂ１の先端部を含む一定の領域に沿う形状とされている。そのため、屈曲部５８で発生した熱が導波路３０ｃのより長い領域に付与され、導波路３０ｃに対する加熱がより効率化される。ただし、本実施の形態では、導波路３０ｃと線路５２ｅとの対向する距離が長いので、導波路３０ｃを伝播する伝播光が線路５２ｅに結合しないように、より留意する必要がある。

［第６の実施の形態］
図８を参照して、本実施の形態に係る光位相シフタ１００ｄについて説明する。本実施の形態は、上記実施の形態に係る光位相シフタ１００ａのヒータ５０ｃをヒータ５０ｆに置き換えた形態である。従って、図８に示すように、導波路３０ｃの部分は光位相シフタ１００ａと同様なので、同様の構成には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図８に示すように、本実施の形態に係るヒータ５０ｆは、線路５２ｆ及び電極対５４−５４を備えている。そして、線路５２ｆは、屈曲部Ｂ１と対向する位置に、不純物の濃度が変えられた低濃度部６０を有している点がヒータ５０ｃと異なる点である。

上記実施の形態の光位相シフタ１００ｂでは、導波路３０ｃの屈曲部Ｂ１及び屈曲部Ｂ１の近傍を効率よく加熱するために、凹部５６を設けて線路５２ｄの幅を細くし、抵抗値を高くしていた。本実施の形態も同様の目的で、隣接する領域（例えば、Ｐ＋又はＮ＋）よりも不純物濃度の低い（例えば、Ｐ−又はＮ−）低濃度部６０を設け、低濃度部６０の抵抗値を高くしている。このようなヒータ５０ｆによっても、導波路３０ｃの屈曲部Ｂ１及び屈曲部Ｂ１の近傍を効率よく加熱することができる。

［第７の実施の形態］
図９を参照して、本実施の形態に係る光スイッチ２００について説明する。光スイッチ２００は、上記各実施の形態に係る屈折率制御素子を採用した光スイッチである。図９に示すように、光スイッチ２００は、導波路部２０及びヒータ５０ｇを含んで構成されている。

導波路部２０は、入力導波路４２、方向性結合器４４−１及び４４−２、リング導波路４６、及び出力導波路４８を備えており、リング導波路４６を共振器とするリング共振器として構成されている。すなわち、入力導波路４２から入力された入力光Ｐｉｎは、その周波数がリング共振器の共振周波数と一致した場合に、方向性結合器４４−１を介してリング導波路４６に入力され、方向性結合器４４−２及び出力導波路４８を介して、出力光Ｐｏｕｔとして出力される。

ヒータ５０ｇは、基本的に図１（ａ）に示すヒータ５０ａと同様の構成であり、線路５２ｇ及び電極対５４−５４を有している。線路５２ｇは、リング導波路４６と結合しない程度の距離だけ離間させ、リング導波路４６と線路５２ｇの仮想的な接点Ｎ（リング導波路４６と線路５２ｇとを接触させた場合の接点、リング導波路４６と線路５２ｇとが最も近接している点）において、リング導波路４６と対向して配置されている。つまり、形態的には、図１（ｂ）に示す直線状のヒータと屈曲導波路とを組み合わせた形態に相当し、ヒータ５０ｇで発生した熱は、接点Ｎ及び接点Ｎの近傍においてリング導波路４６に付与される。

リング導波路４６が加熱されると、加熱箇所において屈折率が変化し等価的に導波路長が変化するので、リング導波路４６の共振周波数が変化する。光スイッチ２００では、この現象を利用することにより、入力導波路４２から入力された入力光Ｐｉｎを出力光Ｐｏｕｔとして透過させるか遮断させるかを切り替えている。

以上、詳述したように、本実施の形態に係る光スイッチによれば、無駄な発熱が抑制されると共に電力効率が向上し、さらに製造工程が簡素化されると共に屈折率の制御精度を向上させることが可能となる。

なお、上記各実施の形態で説明した内容は各実施の形態に限定されたものではなく、各実施の形態に係る技術事項同士を組み合わせて新たな実施の形態を構成してもよい。例えば、第２の実施の形態に係るトレンチ３２を設けてヒータからの熱の拡散を抑制する構成を、第３のないし第６の実施の形態に係る光位相シフタ、あるいは第７の実施の形態に係る光スイッチに採用して新たな光位相シフタ、あるいは光スイッチを構成してもよい。また、第４の実施の形態に係る凹部５６や、第５の実施の形態に係る屈曲部５８、あるいは第６の実施の形態に係る低濃度部６０を設けて加熱をより効率化する構成を、第７の実施の形態に係る光スイッチ２００に採用して新たな光スイッチを構成してもよい。

また、図１（ｃ）あるいは（ｄ）に示す屈曲ヒータの構成を、屈曲導波路の屈曲部Ｂ１と屈曲ヒータの屈曲部Ｂ２とを対向させて第３の実施の形態に係る光位相シフタ１００ａに採用し、新たな光位相シフタを構成してもよいし、さらにその新たな光位相シフタの屈曲部Ｂ２の位置に、第４の実施の形態の凹部５６を設けてさらに新たな光位相シフタを構成してもよい。

また、上記各実施の形態では、１層の導波路層を有する光導波路素子を用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、複数層の導波路層を有する光導波路素子を用いる形態とし、導波路とヒータとを別の層に形成する形態としてもよい。この場合、例えば、２層の導波路層を有する形態では、基板側に近い導波路層を光導波路、その上部の導波路層をヒータとし、光導波路とヒータとが少なくとも一部の領域で対向するように配置
すればよい。

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ 屈折率制御素子
２０ 導波路部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 導波路
３２ トレンチ
３４ 基板
３６ クラッド
３８−１、３８−２ 方向性結合器
４０ ビア
４２ 入力導波路
４４−１、４４−２ 方向性結合器
４６ リング導波路
４８ 出力導波路
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ ヒータ
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、５２ｇ 線路
５４ 電極
５６ 凹部
５８ 屈曲部
６０ 低濃度部
６２ ビア
７０ Ｓｉ膜
７２ ＳｉＯ２層
７４ Ｓｉ膜
７６ フォトレジスト
７８ ＳｉＯ２層
８０ フォトレジスト
８２ 金属層
８４ 電極
８６ 不純物領域
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ 光位相シフタ
２００ 光スイッチ
Ｂ１、Ｂ２ 屈曲部
Ｎ 接点
Ｐｉｎ 入力光
Ｐｏｕｔ、Ｐｏｕｔ１、Ｐｏｕｔ２、Ｐｏｕｔ３ 出力光
ＶＨ 開口

Claims (9)

1. 第１の屈折率を有する絶縁体層と、
   前記絶縁体層の内部に形成されると共に互いに対向する領域を有するように配置された前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する第１の線路及び第２の線路と、を含み、
   前記第１の線路は、前記領域に屈曲部を含むと共に光を伝播する光導波路であり、
   前記第２の線路は、前記領域以外の部分で前記第１の線路からの離間距離が漸増するように配置され、かつ予め定められた不純物が添加されると共に前記第２の線路に電流を流すための電極対を有する加熱素子である
   屈折率制御素子。
2. 前記第１の線路及び前記第２の線路は、前記絶縁体層の断面視で高さ方向に同じ位置に形成された
   請求項１に記載の屈折率制御素子。
3. 前記第１の線路及び前記第２の線路は、前記絶縁体層の断面視で高さ方向に同じ厚さで形成された
   請求項１又は請求項２に記載の屈折率制御素子。
4. 前記第１の線路及び前記第２の線路の両方が前記領域において屈曲部を有し、前記第１の線路の前記屈曲部の頂点と前記第２の線路の前記屈曲部の頂点とが互いに対向するように配置された
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の屈折率制御素子。
5. 前記第２の線路は前記領域において前記第２の線路の幅を細くする凹部及び前記第２の線路の厚さを薄くする凹部の少なくとも一方を有する
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の屈折率制御素子。
6. 前記第２の線路は前記領域において前記不純物の濃度が他の領域に比べ低くされた
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の屈折率制御素子。
7. 前記第２の線路に対し前記第１の線路と反対側に、前記絶縁体層の表面から内部に向けてかつ前記第２の線路の少なくとも一部に沿って形成された溝をさらに含む
   請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の屈折率制御素子。
8. 光導波路で前記第１の線路同士が接続された複数の請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の屈折率制御素子と、
   複数の前記屈折率制御素子のうちの一方の端の屈折率制御素子の前記第１の線路に設けられた光の入力部と、
   複数の前記屈折率制御素子のうちの他方の端の屈折率制御素子の前記第１の線路に設けられた光の出力部と、
   前記領域に対応して設けられると共に前記入力部から入力された光を分岐して出力する複数の方向性結合器と、
   を含む光位相シフタ。
9. 前記第１の線路が円形に形成されリング導波路とされた請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の屈折率制御素子と、
   一端が前記リング導波路に結合されると共に他端が光の入力部とされた第１の方向性結合器と、
   一端が前記リング導波路に結合されると共に他端が光の出力部とされた第２の方向性結合器と、
   を含む光スイッチ。

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