JP7338657B2

JP7338657B2 - 位相シフタ

Info

Publication number: JP7338657B2
Application number: JP2021039179A
Authority: JP
Inventors: 高志勝野; 達弥山下; 伸一田村; 成雅副島; 栄子石井; 雅人樹神
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2041-03-11
Also published as: JP2022138985A

Description

本明細書が開示する技術は、位相シフタに関する。

特許文献１は、クラッド層と、そのクラッド層に埋設して設けられているコア層と、ヒータと、を備えた位相シフタを開示する。このような位相シフタは、ヒータからの熱によってコア層の屈折率を変化させることにより、コア層を伝搬する伝搬光の位相を変化させることができる。

このような位相シフタを利用して相互に位相差を有する複数の伝搬光を生成し、その複数の伝搬光の各々を対応するコア層の出射口から出射するように構成された光フェーズドアレイ（Optical Phased Array：OPA）が知られている。出射口から出射された複数の伝搬光は、回折現象及び干渉現象により特定の偏向角度を有する光ビームとなる。光ビームの偏向角度は、複数の伝搬光の位相差に依存する。複数の伝搬光の位相差は、コア層の温度、即ち、ヒータに投入する電力によって制御できる。このため、位相シフトを備えた光フェーズドアレイは、ヒータに投入する電力によって出射する光ビームを走査することができる。このように、位相シフトを備えた光フェーズドアレイは、例えば機械的なミラー構造を用いてなくても光ビームの偏向角度を変えることができるという特徴を有している。このような光フェーズドアレイは、例えばＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置に搭載され、その一例が特許文献２に開示されている。

特開２００１－１９４６３４号公報特開２０１９－１７４５３８号公報

消費電力を抑えるためには、効率的にコア層を加熱する技術が必要である。本明細書は、コア層を効率的に加熱することができる位相シフタを提供する。

本明細書が開示する位相シフタは、クラッド層と、前記クラッド層の上面に接するように設けられているコア層と、前記コア層の上部及び側部に対向するように配置されているヒータと、を備えることができる。この位相シフタでは、前記コア層を複数の方向から加熱することができるので、前記コア層を効率的に加熱することができる。

上記位相シフタでは、前記クラッド層が前記上面に凸部を有しており、前記コア層が前記凸部の頂面に接するように設けられていてもよい。この場合、前記コア層の側部に対向する前記ヒータは、前記コア層を超えて前記凸部の側面に対向する位置まで延びていてもよい。この位相シフタでは、前記コア層をさらに効率的に加熱することができる。

上記位相シフタでは、前記コア層と前記ヒータが接していてもよい。この場合、前記コア層の屈折率が前記ヒータの屈折率よりも大きくてもよい。この位相シフタでは、前記コア層と前記ヒータが接しているので、前記コア層をさらに効率的に加熱することができる。また、前記コア層の屈折率が前記ヒータの屈折率よりも大きいことから、伝搬光が前記ヒータに漏れることが抑えられる。

第１実施形態の位相シフタの要部斜視図を模式的に示す図である。図１のII-II線に対応した第１実施形態の位相シフタの要部断面図を模式的に示す図である。図１のII-II線に対応した第１実施形態の位相シフタの変形例の要部断面図を模式的に示す図である。第１実施形態の位相シフタを製造する一工程の要部斜視図を模式的に示す図である。第１実施形態の位相シフタを製造する一工程の要部斜視図を模式的に示す図である。第１実施形態の位相シフタを製造する一工程の要部斜視図を模式的に示す図である。第１実施形態の位相シフタを製造する一工程の要部斜視図を模式的に示す図である。第２実施形態の位相シフタの要部斜視図を模式的に示す図である。図８のIX-IX線に対応した第２実施形態の位相シフタの要部断面図を模式的に示す図である。図８のIX-IX線に対応した第２実施形態の位相シフタの変形例の要部断面図を模式的に示す図である。第２実施形態の位相シフタを製造する一工程の要部斜視図を模式的に示す図である。第２実施形態の位相シフタを製造する一工程の要部斜視図を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して位相シフタについて説明する。以下で説明する位相シフタは、特に限定されるものではないが、例えばＬｉＤＡＲ装置に搭載される光フェーズドアレイの一構成要素である。光フェーズドアレイの位相シフタは、複数の光導波路の各々を伝搬する伝搬光の位相差を制御し、出射する光ビームの偏向角度を調整することができる。以下では、複数の光導波路のうちの１つの光導波路を例にしてその形態について説明するが、位相シフタは、以下で説明する単位ユニットと実質的に共通の形態からなる複数個の単位ユニットによって構成されている。

（第１実施形態の位相シフタ１）
図１及び図２に示されるように、第１実施形態の位相シフタ１は、基板１２と、下側クラッド層１４と、コア層２０と、ヒータ３０と、上側クラッド層４０と、を備えている。

基板１２は、下側クラッド層１４が成膜可能な材料で構成されており、特に限定されるものではないが、例えばシリコン（Ｓｉ）であってもよい。

下側クラッド層１４は、コア層２０よりも屈折率が小さい材料で構成されており、特に限定されるものではないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）であってもよい。

コア層２０は、下側クラッド層１４の上面に接するように設けられており、この例ではｙ方向に沿って延びている。コア層２０のｙ方向の正側の端面から伝搬光が入射し、コア層２０のｙ方向の負側の端面から伝搬光が出射する。伝搬光は、特に限定されるものではないが、例えば図示省略の半導体レーザから出射される単一波長のレーザ光である。レーザ光の波長は、特に限定されるものではないが、例えば１．５５μｍであってもよい。コア層２０は、下側クラッド層１４とヒータ３０と上側クラッド層４０よりも屈折率が大きく、且つ、伝搬光に対する吸収係数が小さい材料で構成されている。コア層２０は、特に限定されるものではないが、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）又はシリコン（Ｓｉ）であってもよい。

コア層２０は、長手方向（この例では、ｙ方向）に対して直交する断面で見たときに矩形状であり、上面２０Ｕと下面２０Ｂと一対の側面２０Ｓを有している。コア層２０の幅（一対の側面２０Ｓの間の長さ）は、特に限定されるものではないが、例えば数μｍ、具体的には０．３～５μｍであってもよい。コア層２０の高さ（下面２０Ｂと上面２０Ｕの間の長さ）は、特に限定されるものではないが、例えば数百ｎｍ、具体的には５０～５００ｎｍであってもよい。

ヒータ３０は、コア層２０の長手方向（この例では、ｙ方向）の一部の区間において、コア層２０の上面２０Ｕ及び一対の側面２０Ｓに対向するように、即ち、コア層２０の上面２０Ｕに対してその上面２０Ｕに直交する方向（この例ではｚ方向）に配置されるとともに、一対の側面２０Ｓに対してその一対の側面２０Ｓに直交する方向（この例ではｘ方向）に配置されている。この例では、ヒータ３０は、コア層２０の長手方向の一部の区間を被覆しており、コア層２０の上面２０Ｕと一対の側面２０Ｓに接している。ヒータ３０は、図示省略の電源にスイッチを介して接続されている。ヒータ３０は、スイッチがオンすると通電され、ジュール熱によって発熱し、コア層２０の一部の区間を加熱するように構成されている。ヒータ３０は、コア層２０よりも屈折率が小さい材料で構成されている。コア層２０の材料が窒化シリコン（ＳｉＮ）の場合、ヒータ３０は、特に限定されるものではないが、例えば透明導電膜であってもよい。透明導電膜としては、例えばＩＴＯ（In doped SnO）膜、ＦＴＯ（F doped SnO）膜、ＡＺＯ（Al doped ZnO）膜、ＧＺＯ（Ga doped ZnO）膜が例示される。

ヒータ３０は、コア層２０の長手方向（この例では、ｙ方向）に対して直交する断面で見たときにハット形状であり、被覆部３０ａと突出部３０ｂを有している。ヒータ３０の被覆部３０ａは、コア層２０の上面２０Ｕ及び一対の側面２０Ｓに接する部分であり、コア層２０の周囲を略一定の厚みで被覆する部分である。ヒータ３０の被覆部３０ａの厚みは、特に限定されるものではないが、例えば数百ｎｍ、具体的には３００～３０００ｎｍであってもよい。ヒータ３０の突出部３０ｂは、コア層２０の側方において、下側クラッド層１４の上面に接するとともにコア層２０から離れる向き（この例では、ｘ方向）に延びる部分（即ち、ハット形状のつば部）である。ヒータ３０の突出部３０ｂの長さ（この例では、被覆部３０ａからｘ方向に伸びる長さ）は、特に限定されるものではないが、例えば数百ｎｍ、具体的には１００～１０００ｎｍであってもよい。

上側クラッド層４０は、下側クラッド層１４上に設けられており、コア層２０及びヒータ３０を被覆している。上側クラッド層４０は、コア層２０よりも屈折率が小さい材料で構成されており、特に限定されるものではないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）であってもよい。

位相シフタ１は、ヒータ３０からの熱によってコア層２０の屈折率を変化させることにより、コア層２０を伝搬する伝搬光の位相を変化させることができる。このように、位相シフタ１は、ヒータ３０に供給する電力を制御することにより、コア層２０を伝搬する伝搬光の位相を調整することができる。

さらに、位相シフタ１では、ヒータ３０がコア層２０の上面２０Ｕ及び一対の側面２０Ｓに対向するように配置されており、コア層２０が複数の方向から加熱されるよう構成されている。このため、位相シフタ１では、コア層２０を効率的に加熱することができる。例えば、コア層の上面のみに対向するようにヒータが設けられている比較例に比して、第１実施形態の位相シフタ１では、ヒータ３０に電力を供給してからのコア層２０の温度上昇速度が数倍程度速くなる。このことは、消費電力が数分の１に低下することが可能であることを示唆する。このように、位相シフタ１は、上記した比較例に比して低消費電力で動作可能である。

また、上記した比較例では、コア層内の温度分布が、コア層の長手方向に対して直交する断面で見たときに、左右下端のエッジ部の温度が低くなる傾向にある。この結果、上記した比較例では、コア層内の温度差が大きい。一方、第１実施形態の位相シフタ１では、コア層２０の一対の側面２０Ｓに対向するようにヒータ３０が配置されているので、エッジ部の温度が高くなり、コア層２０内の温度差が小さくなる。特に、第１実施形態の位相シフタ１では、ヒータ３０が突出部３０ｂを有するように構成されているので、コア層２０内の温度を良好に均一化することができる。この結果、コア層２０を伝搬する伝播光の位相変化量の分布を狭くすることができる。

さらに、位相シフタ１では、コア層２０とヒータ３０が接するように構成されている。コア層２０とヒータ３０が接しているので、コア層２０を効率的に加熱することができる。なお、位相シフタ１では、コア層２０の屈折率がヒータ３０の屈折率よりも大きいことから、伝搬光がヒータ３０に漏れることが抑えられている。

なお、図３に示されるように、コア層２０とヒータ３０の間に中間クラッド層１６が設けられていてもよい。中間クラッド層１６は、コア層２０よりも屈折率が小さい材料で構成されており、特に限定されるものではないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）であってもよい。このような中間クラッド層１６にヒータ３０よりも屈折率が低い材料を採用することにより、伝搬光の漏れをさらに抑えることができる。また、このような中間クラッド層１６が設けられていることにより、ヒータ３０の材料が透明導電膜以外の材料、特に限定されるものではないが、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブテン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）等の単層又はこれらから選択される積層を用いることができる。ヒータ３０の材料に安価なもの採用することにより、低コストで位相シフタ１を製造することができる。なお、中間クラッド層１６の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば数百ｎｍ、具体的には５０～５０００ｎｍであってもよい。

（第１実施形態の位相シフタ１の製造方法）
まず、図４に示されるように、化学気相成長（CVD：Chemical Vapor Deposition）技術又は熱酸化技術を利用して、基板１２上に下側クラッド層１４を成膜する。

次に、図５に示されるように、スパッタ技術を利用して、下側クラッド層１４上にコア膜２２を成膜する。

次に、図６に示されるように、反応性イオンエッチング(RIE：Reactive Ion Etching)技術を利用して、コア膜２２の一部を除去し、コア層２０を形成する。

次に、図７に示されるように、スパッタ技術又は蒸着技術を利用して、コア層２０を被覆するようにヒータ３０を成膜する。具体的には、コア層２０を含んで下側クラッド層１４上の全体にヒータ３０を成膜した後に、エッチング技術を利用してヒータ３０を加工することにより、所定の位置に配設されたヒータ３０を形成することができる。

最後に、化学気相成長技術を利用して、コア層２０及びヒータ３０を被覆するように下側クラッド層１４上に上側クラッド層４０を成膜する。これらの工程を経て、位相シフタ１が製造される。

（第２実施形態の位相シフタ２）
図８及び図９を参照し、第２実施形態の位相シフタ２について説明する。なお、第１実施形態の位相シフタ１と共通する構成要素には共通の符号を付し、その説明を省略することがある。

位相シフタ２では、下側クラッド層１４が上面に凸部１４ａを有していることを特徴としている。下側クラッド層１４の凸部１４ａは、この例ではｙ方向に沿って延びている。コア層２０は、凸部１４ａの頂面に接するように設けられている。下側クラッド層１４の凸部１４ａの高さは、特に限定されるものではないが、例えば数百ｎｍ、具体的には１０～１０００ｎｍであってもよい。

位相シフタ２では、コア層２０の一対の側面２０Ｓに対向するヒータ３０が、コア層２０を超えて凸部１４ａの側面に対向する位置まで延びており、凸部１４ａの側面及び下側クラッド層１４のうちの凸部１４ａ以外の上面に接している。換言すると、コア層２０の一対の側面２０Ｓに対向するヒータ３０は、コア層２０よりも深い位置まで延びている。

このように、位相シフタ２では、ヒータ３０がコア層２０よりも深い位置まで延びているので、コア層２０を側方から効率的に加熱することができる。さらに、位相シフタ２では、ヒータ３０がコア層２０よりも深い位置まで延びているので、コア層２０内の温度をさらに均一化することができる。なお、図１０に示されるように、第１実施形態の位相シフタ１と同様に、位相シフタ２も中間クラッド層１８を備えていてもよい。

（第２実施形態の位相シフタ２の製造方法）
コア膜２２を成膜するまでの工程（図５）は、第１実施形態の位相シフタ１を製造する方法と同一である。

次に、図１１に示されるように、反応性イオンエッチング技術を利用して、コア膜２２の一部を除去し、コア層２０を形成する。このとき、下側クラッド層１４の上面の一部も同時に除去し、コア層２０の下側に凸部１４ａを選択的に形成する。

次に、図１２に示されるように、スパッタ技術又は蒸着技術を利用して、コア層２０及び下側クラッド層１４の凸部１４ａを被覆するようにヒータ３０を成膜する。具体的には、コア層２０を含んで下側クラッド層１４上の全体にヒータ３０を成膜した後に、エッチング技術を利用してヒータ３０を加工することにより、所定の位置に配設されたヒータ３０を形成することができる。

最後に、化学気相成長技術を利用して、コア層２０及びヒータ３０を被覆するように下側クラッド層１４上に上側クラッド層４０を成膜する。これらの工程を経て、位相シフタ２が製造される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１，２：位相シフタ
１２：基板
１４：下側クラッド層
２０：コア層
３０：ヒータ
４０：上側クラッド層

Claims

位相シフタであって、
クラッド層と、
前記クラッド層の上面に接するように設けられているコア層と、
前記コア層の上部及び側部に対向するように配置されているヒータと、を備えており、
前記コア層と前記ヒータが接しており、
前記コア層の屈折率が前記ヒータの屈折率よりも大きく、
前記ヒータは、前記コア層の上面と一対の側面に接しており、
前記ヒータは、前記コア層の長手方向に対して直交する断面で見たときにハット形状であり、前記コア層の上面及び一対の側面に接する被覆部と、前記コア層の側方において、前記クラッド層の上面に接するとともに前記コア層から離れる向き延びている突出部と、を有する、位相シフタ。
前記コア層が窒化シリコンであり、
前記ヒータが透明導電膜である、請求項１に記載の位相シフタ。