JPH0442103A - 光導波路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、単一モード光導波路に関し、より詳細には光
導波路の光路長を調節することのできる光導波路装置に
関するものである。

［従来の技術１ 従来、平面基板上に製作される単一モード光導波路、特
にシリコン基板上に作製可能な石英系ガラス単一モード
光導波路は、そのコア部の断面寸法を通常使用されてい
る単一モード光ファイバに合わせて５〜１０μｍ程度に
設定することができるため、光ファイバとの整合性に優
れた実用的な導波路型光部品の実現手段として期待され
てい王 る（例えば、湾内〆夫：　“石英系光導波路と集積光部
品への応用”、光学、１８　（１９８９）６８１−６８
６．　　を参照）。

とりわけ、・石英系ガラス単一モード光導波路により構
成される導波路型光干渉計は、単一モード光ファイバ通
信用や光センサ用の重要な光部品、例えば、導波型光分
波器、光スイフチ等として期待されている。

導波型光干渉計の分野においては。伝播光の位相を調節
する機能を光導波路に具備させることが必要である。

第７図に、従来の位相調節部を有する石英系ガラス導波
路の概略構成例を示す。第７図（ａ）は上述の光導波路
の平面図であり、第７図（ｂ）は第７図（ａ）のＡ−Ａ
’線に沿った拡大断面図である。ここで、符号ｌはシリ
コン基板、２は石英系ガラスからなるコア部、３はコア
部２を埋め込むとともにコア部２を取り囲む石英系ガラ
スからなるクラッド層、４はコア部２のクラッド層３の
上面に形成された位相調節器としての薄膜ヒータ、５ａ
と５ｂは薄膜ヒータ４へ給電するための電気配線バンド
部である（パッド部への電気配線ワイヤは図示省略）。

以上のような構成において、薄膜ヒータ４に通電し、ク
ラッド層３を介してコア部２を加熱すると、いわゆる熱
光学効果（Ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃｅｆｆｅｃｔ）に
より、コア部２の屈折率が増加し、薄膜ヒータ４下部の
実効的な屈折率が変化し、伝播光の位相を変化させるこ
とができる。石英系ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ／ｄ
Ｔは１０”　（１／’Ｃ）程度であるから、５ｍｍの長
さにわたって光導波路の温度を１５℃上昇させると、光
路長を０．７５μｍ程度変化させることができ、これは
、例えば、波長１．５μｍの伝播光に対しては、２分の
１波長、すなわち、４ラジアンの位相シフトに相当する
。

上述した熱光学効果を利用した位相調節部は、顕著な電
気光学効果を有しないガラス光導波路の位相調節手段と
して有効である。

［発明が解決しようとする課題１ しかし、上記の位相調節部には実用上、次のような問題
点があった。

薄膜ヒータ４の一部に傷等の欠陥があると、欠陥部の電
気抵抗が増加し、欠陥部で消費される電力が増加し、欠
陥部の温度上昇が周辺部に比べて著しくなり、この温度
上昇により益々欠陥が拡大され、遂には薄膜ヒータ４の
断線に至るという問題点があった。

上述の薄膜ヒータの欠陥は、製造工程において、薄膜ヒ
ータ膜厚が一部分で薄くなる、塵等が紛れ込み、ヒータ
輻が一部分で細くなる、あるいは製造後の取扱時に、ヒ
ータ表面に傷が付く、等の原因に起因すると推察される
が、これらの欠陥を零にすることは難しく、上記位相調
節部を用いた導波型光干渉計の長期信頼性保証や製造歩
留り向上への障害となっていた。

そこで、本発明の目的は、上述のような問題点を解消し
、信頼性の優れた加熱ヒータを具えた光導波路装置を提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明では、光導波
路の光路長を微調節するための加熱体を、前記光導波路
に沿って配列された複数個の微小ヒータと、これら複数
個の微小ヒータを電気的に並列に結線して給電する給電
リードがら構成することを特徴とする。

［作用１ 複数個の微小ヒータが並列接続された加熱体は、仮に一
部の微小ヒータに欠陥が発生して、その微小ヒータが断
線するに至っても、残りの微小ヒータ群への供給電力を
僅かに増加させれば、熱光学効果位相調節部全体として
の機能を続行させることができ、光導波路装置の信頼性
を大幅に向上させることができる。光導波路装置の製造
歩留りも向上する。

熱光学効果位相調節部では、ヒータ下部の光導波路コア
部に沿った光路長の積分値が重要であり、各ヒータの絶
対温度そのものはそれほど重要でない。本発明では、こ
の事実を巧みに利用して上記の機能続行ができるように
したものである。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

（実施例１） 第１図に、本発明の一実施例の構成を示す。

第１図（ａ）はその平面図であり、第１図（ｂ）のＢ−
Ｂ’線に沿った拡大断面図である。本実施例では、第７
図に示した従来例の光導波路とは異なり、位相を調節す
る加熱体としても薄膜ヒータは、微小薄膜ヒータｌｌａ
、ｌｌｂ、ｌｌｃおよびｌｉｄに分割（ここでは４分割
）され、給電リード１２ａおよび１２ｂにより電気的に
並列に連結され、一体化されている。

このような構成の光導波路の構造の諸元は種々に定める
ことができるが、ここでは、以下の通りに定めた。すな
わち、シリコン基板ｌの厚さは０．７ｍｍ、クラッド層
３の厚さは５０μｍ１コア部２の断面寸法は８μｍＸ８
μｍ、コア部とクラッド層間の比屈折率差は０２％とし
た。

このような石英系光導波路構造は、５ｉＣ４４、ＴｉＣ
（４などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用したガラ
ス膜の堆積技術と反応性イオンエツチング技術との公知
の組み合・わせにより作製される。

微／Ｊ）薄膜ヒータｌｌａ、ｌｌｂ、ｌｌｃおよびｌｌ
ｄは、例えば、厚さ０　、３　ｐ　ｍ　、輻５０μｍ、
各々の実効長１．２５ｍｍにわたってクロム金属を真空
蒸着法により形成した。給電リード１２ａおよび１２ｂ
もクロム金属の真空蒸着法により同時に形成し、輻を３
００Ωｍと広くして抵抗値を下げて給電リード部での発
熱を抑制した。電気配線バッド５ａおよび５ｂを通して
合計０．４Ｗ＋７）ｉ力、すなわち、各微小薄膜ヒータ
には０．１Ｗの電力を給電したところ、光導波路に０．
７５μｍに光路長増加を生じさせることができた。この
際の印加電圧は４．５Ｖであった。

比較のために、第７図に示した従来例の位相調整部を有
する光導波路（単一の薄膜ヒータ４の長さは５ｍｍとし
た）を構成したところ、光路長を０．７５μｍ増加する
のに必要な薄膜ヒータ４への供給電力は０．４Ｗと変化
はなかったが、印加電圧は１８Ｖと約４倍であった。

これは、従来例では、ヒータは４分割され並列配置され
ている本実施例に比べて、４倍の電圧を印加しないと、
加熱に充分な電流がヒータに沿ってながれないためであ
る。換言すると、従来例の薄膜ヒータの抵抗値が５ｍｍ
長で８０００であったのに対し、本実施例の加熱部は、
１．２５ｍｍ長・２００Ωの微小ヒータの４個で構成さ
れ、４個奎列により抵抗値がさらに４分の１になり、全
体として抵抗値５０Ωのヒータに等価になったと考える
ことができる。

種々の加速劣化試験を実施したところ、本実施例の位相
調節部を有する光導波路は、欠陥に強いことが確認され
た。劣化試験により、４個の微小ヒータの中の一個が破
損しても、残ったヒータにより充分に位相調節の機能が
維持できることが確認された。同時に２個の微小ヒータ
に欠陥が発生することは、極めてまれであり、本発明の
光導波路装置の信頼性は大幅に向上した。一箇所の破線
があれば破棄しなければならなかった従来例に比べて製
造歩留りも大幅な改善がなされた。

（実施例２） 第２図に本発明の第２の実施例としての導波型光スイッ
チの構成例を示す。第２図（ａ）はその平面図であり、
第２図（ｂ）は第２図（ａ）の中央付近の破線で囲んだ
位相調節部領域６の拡大平面図である。ここで、２ａと
２ｂは、シリコン基板ｌ上に形成された２本の石英系単
一モード光導波路のコア部であり、この２本のコア部は
、２箇所で互いに数ｐｍ間隔まで並行に接近して２個の
方向性結合器（３ｄＢカプラー）２１ａと２１ｂを構成
している。２個の方向性結合器２１ａと２１ｂと連結す
る部分の２本の光導波路コア部２１ａと２１ｂの長さは
、等しく設定されており、第２図（ａ）の光導波路は全
体として、いわゆる対称形マツハ・ツエンダ−光干渉形
回路を構成している。光干渉形を構成する一方の光導波
路コア部２ａを覆うクラッド層上面には、第２図（ｂ）
に拡大図示した位相調節部６が設置されている。

位相調節部６の構成は第１図に示した実施例１と同等で
あるが、本実施例では便宜上、電気配線バラド５ａと５
ｂが片側にそろえられている点のみが異なる（もちろん
、第１図の構成をそのまま採用することもできる）。

このような光回路構成とすることにより、入力端２３ａ
から入射した信号光は、光干渉作用に基づいて出力端２
２ｂから出射される。ところが位相調節部６の微小薄膜
ヒータ付き光干渉原理により、光が出射する出力端は２
２ｂから２３ｂへと変化する。すなわち、かかるマツハ
・ツエンダ−光干渉計回路は光スィッチとして作用する
。

本実施例の光スィッチが、比較のために作製した光導波
路コア部２ａ上部に単一ヒータを具えた従来例光スイン
チに比べて信頼性が向上したことは言うまでもない。こ
れは、従来、光スイツチ自体の故障の恐れがら採用が懸
念されていた光フアイバ回線の切り替え用高信頼性光ス
イツチ分野への光導波路応用を大きく拓くものである。

（実施例３） 第３図に本発明の第３の実施例としての光周波数多重用
分波器の構成を示す。ここで、３ａと３ｂは、シリコン
基板１上に形成された２本の石英系単一モード光導波路
のコア部であり、この２本のコア部は、２箇所で互いに
数μｍ間隔まで平行に近接して、２個の方向性結合器（
３ｄＢカプラー）２１ａと２１ｂを構成している。２個
の方向性結合器２１ａと２１ｂと連結する部分の２本の
光導波路コア部３ａと３ｂの長さの差ΔＬは１ｃｍに設
定されており、第２図（ａ）の光導波路は全体として、
いわゆる非対称形マツハ・ツエンダ−光干渉計回路を構
成している。光干渉計を構成する一方の光導波路コア部
３ａを覆うクラッド層上面には、円弧状に位相調節部が
設置されている。位相調節部は、６個の微小薄膜ヒータ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅおよび３１ｆ
とこれらのヒータを並列に結ぶリード３２ａおよび３２
ｂと、外部への電気配線取り出し用のバッド５ａおよび
５ｂから構成されている。徽／１１薄膜ヒータの寸法は
、長さ０．８４ｍｍ、輻５０μｍであり、６個の微小薄
膜ヒータ全体としての駆動電力は、２分の１波長相当の
光路長増分当り０．４Ｗであった。

入力端２２ａに入射する２本の信号光の光周波数をｆｌ
とｆ２とすると。

光周波数間隔△ｆ＝ｌｆ、−ｆ２１と△Ｌとが、△ｆ＝
ｃ／（２ｎ・△Ｌ） Ｃ：光速、 ｎ：光導波路屈折率 の関係にあると、上記の光干渉計回路は光周波数多重用
分波器として作用することが知られている。本実施例の
ΔＬ＝１ｃｍの場合は、△ｆ＝１０ＧＨｚ　（波長間隔
に換算すると、約０．８ｔ／クストローム）である。

２本の信号光ｆ１とｆ２は、非対称形マツハ・ツエンダ
−光干渉計の干渉原理により光周波数に応じて、出力”
４２２　ｂと２３ｂに分離して取り出されるが、その分
離度と、どちらの出力端にｆｌとｆ２のどちらを取り出
すかを位相調節部で制御することが可能なのである。例
えば、出力端２２ｂからｆｌ、出力端２３ｂからｆ２が
出力されている状態から位相調節部によりその下部の光
導波路にさらに２分の１波長相当の光路長増加を与える
と、出力端２２ｂから逆にｆ２、出力端２３ｂからｆｌ
が出力される状態に切り替えることができる。すなわち
、本実施例の光周波数多重用分波器においては、その状
態制御のために位相調節部の加熱ヒータは常時通ｔｇれ
ていることになるが、第３図の円弧状光導波路と部に設
置された位相調節部にも、本発明の並列分割薄膜微小ヒ
ータ構造を適用でき、位相調節部の信頼性向上や製造歩
留り向上に大いに寄与するのである。

（実施例４） 第４図に、本発明の第４の実施例の平面構成を示す。第
１図に示した実施例１と同様に光導波路コア部２を覆う
クランド層上部に位相調節部が設置されているが、相違
点は、４個の微小薄膜ヒータ４１ａ、４１ｂ、４１ｃお
よび４１ｄが単純な直線状ではなく、それぞれ「つづら
織り」状をなしている点である。

このようなつづら織り構造を採用することにより、微小
薄膜ヒータ４１ａ１４１ｂ、４１ｃおよび４１ｄの抵抗
値を調節し、位相調節部全体としての必要駆動電圧を調
節できるのである。すなわち、駆動電圧を大きくし駆動
電流を小さくするか、逆に駆動電圧を小さくして駆動電
流をおおきくするか、任意に設定できるのである。

（実施例５） 第５図に、本発明の第５の実施例の構成を示す。第５図
（ａ）はその平面図であり、第５図（ｂ）は第５図（ａ
）のｃ−ｃ’線に沿った拡大断面図である。第１図に示
した実施例１の光導波路との相違点は、微小薄膜ヒータ
ｌｌａ、１１ｂ１１１ｃおよびｌｌｄを配置した光導波
路コア部２の両側にシリコン基板１の一部をえぐる程の
溝５１ａ、５１ｂ、５１ｃが設けられていることである
。これらの溝は、微小薄膜ヒータから発生する熱が過度
にシリコン基板ｌに放散するのを抑制する作用を持って
いる（　Ａ、Ｓｕｇｉｔａ　ａｔａｌ、：Ｂｒｉｄｇｅ
−ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　　５ｉｌｉｃａ　　ｗａｖｅ　
　ｇｕｉｄｅｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ　　　ｐｈａｓ
ｅ　　　５ｈｉｆｔｅｒ　　　ａｎｄ　　　＋ｔｓａｐ
ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　　ｔｏ　　Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄ
ｅｒ　　ｔｙｐｅ　　ｏｐｔｉｃａｌｓｗｉｔｃｈ、” Ｔｒａｎｓ、ＩＥＩＣＥ、Ｅ７３（１９９０）ｐｐ、１
０５−１０９　　参照）。

このような溝付き光導波路の場合においても、溝と溝の
間に設けた支持橋部５２ａ、５２ｂと５２ｃの上面を介
して、図示のように、微小薄膜ヒータｌｌａ、ｌｌｂ、
ｌｌｃおよびｌｉｄをリード１２ａおよび１２ｂに連結
して給電することにより、本発明の長所を活かすことが
できる。

（実施例６） 第６図に、本発明の第６の実施例の構成を示す。第６図
（ａ）はその平面図であり、第６図（ｂ）は第６図（ａ
）のＤ−Ｄ’線に沿った拡大断面図である。本実施例で
は、位相調節部は、８個の微小薄膜ヒータ６１ａ、６１
ｂ１６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ、６１ｆ、６１ｇおよび６
１ｈをリード６２ａおよび６２ｂで並列に連結して給電
のためのパッド６３ａおよび６３ｂに導いている。

微小薄膜ヒータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１
ｅ、６１ｆ、６１ｇおよび６１ｈは、クロム金属薄膜で
構成されている点は上記の実施例１〜５と同様であるが
、リード６２ａ、６２ｂと、パッド６３ａ、６３ｂはク
ロム金属薄膜の上部に重なるように金（Ａ　ｕ　）薄膜
を蒸着していることが、これまでの実施例と異なる。厚
さ０．３Ｉ１ｍのクロム金属薄膜の上に０．３ｐｍの金
薄膜を重ねた構造ではリード部の抵抗を約１桁低下させ
ることができた。

このように全熱部以外の領域をＡｕ等の導電性に優れた
金薄膜で補強することは、リード６２ａ、６２ｂの輻を
小さくして位相調節部の占有する面積を低減する上で有
効であり、並列接続された微小薄膜ヒータを具備した多
数個の位相調節部を限られたシリコン基板上に配設する
集積光回路構成上きわめて有効である。

以上の実施例においては、薄膜ヒータの並列数が４．６
．８の場合について言及したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、さらに１０以上に拡張することがで
きることは言うまでもない。並列数が２程度以下である
と、−個のヒータが断線した際に残されたヒータの負担
が急増するので、並列数はできれば４程度以上であるこ
とが望ましい。

上記実施例では、ヒータ材質としてクロムを用いたが、
本発明はこれに限定されるものではなく、ニクロムやタ
ングステン、白金、あるいは窒化タンタル等の材料を用
いてもよい。

なお、以上の実施例では、シリコン基板上の石英系ガラ
ス光導波路を例にとって、本発明を説明したが、これは
、石英系ガラス光働が路が光ファイバとの整合性の点で
実用上有利なためである。

しかし、本発明は、石英系ガラス光導波路のみに限定さ
れるものでなく、熱光学効果を利用し得る一般のガラス
材料系やプラスチック材料系をコア部とする先導・波路
などにも適用できることはもちろんである。

また、以上の実施例においては、薄膜ヒータ加熱により
引き起こされる可逆的な熱光学効果について説明した。

すなわち、薄膜ヒータ下部の光導波路の温度上昇幅が高
々１０℃〜１００℃の領域の熱光学効果による位相調節
作用について説明した。しかし、本発明の光導波路構造
は、さらに高温、すなわち、数１００度から場合によっ
ては、１０００℃を越える程度にまで光導波路を加熱し
、光導波路に熱履歴による光路長変化を残留させる、言
わば光路長トリミングの目的にも適用でき、実際極めて
有効であることを指摘しておく。このような高温加熱を
利用した光路長トリミングの分野に従来の単純な薄膜ヒ
ータを用いた場合、ヒータ欠陥に起因してのヒータ断線
が高確率で生じていたが、本発明の並列微小ヒータ構造
の採用により、致命的なヒータ断線を大幅に抑制・改良
することができた。薄膜ヒータにより加熱昇温すべき最
高温度が高ければ高いほど、従来例に比べて本発明の効
果がむしろ顕著になると言える。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明では、光導波路の光路長を
微調するための加熱体を、前記光導波路の沿って配列さ
れた複数個の微小ヒータと、これら複数個の微小ヒータ
を電気的に並列に結線し給電する給電リードから構成す
ることにより、熱光学効果を利用した位相調節部の信頼
性や製造歩留りを大幅に改善することができる。微小ヒ
ータの並列個数や微細構造の工夫により印加電圧の大小
を加減し、駆動電源仕様に合わせることもできる。本発
明の光導波路構造は、熱光学効果を利用した可逆的な光
路長微調節のみならず、光導波路を局部的に高温に加熱
して熱履歴現象を発生させる光路長トリミングの分野に
適用しても効果は益々顕著である。本発明は、大容量の
通信容量を持つ光フアイバ伝送路を切り替える高信頼光
スイツチ分野や、１個のヒータ断線が光回路全体の故障
につながる集積光部品分野や、光路長のトリミングを必
要とする光波集積回路の分野等に利用して効果が極めて
大である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の第１の実施例の構
成を示すもので、（ａ）図は平面構成図、（ｂ）図は（
ａ）図Ｂ−Ｂ’線に沿う断面構成図、 第２図（ａ）および（ｂ）は本発明の第２の実施例とし
て光スインチの構成を示すもので、（ａ）図は平面構成
図、（ｂ）図は位相間節部拡大図、 第３図は本発明の第３の実施例としての光周波数多重用
分波器の構成を示す平面構成図、第４図は本発明の第４
実施例の構成を示す平面図、 第５図（ａ）および（ｂ）は本発明の第５の実施例の構
成を示すもので、（ａ）図は平面構成図、（ｂ）図は（
ａ）図のｃ−ｃ’線に沿う断面構成図、 第６図（ａ）および（ｂ）は本発明の第６の実施例の構
成を示すもので、 （ａ）図は平面構成図、（ｂ）図は（ａ）図のＤ′線に
沿う断面構成図、 第７図（ａ）および（ｂ）は従来の光導波路の概略構成
を示すもので、（ａ）図は平面構成図、（ｂ）図は（ａ
）図のＡ−Ａ’線に沿う断面構成図である。 ｌ・・・シリコン基板、 ２　・・光導波路コア部、 ２ａ、２ｂ・・・光導波路コア部、 ３・　・クラッド層、 ３ａ、３ｂ・・　光導波路コア部、 ４・　・−薄膜ヒータ、 ５ａ、５ｂ・−一電気配線バノド、 ６・・・位相調節部、 １１ａ、ｌｌｂ、ｌｌｃ、１１ｄ・　・ｆｆｉ小薄膜ヒ
ータ、 １２ａ、１２ｂ・　　　給電リード、 ２１ａ、２１ｂ・　・方向性結合器、 ２２ａ、２３ａ・・　入力端、 ２２ｂ、２３ｂ・・・出力端、 ３１ａ、　　３１ｂ、　　３１ｃ、　　３１ｄ、　　３
１ｅ　、　３１ｆ・・・微小薄膜ヒータ、 ４１ａ１４１ｂ１４１ｃ、４１ｄ・・・微小薄膜ヒータ
。 ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ・・・溝、５２ａ１５
２ｂ、５２ｃ　−−−支持橋部、６１ａ、６１ｂ１６１
ｃ１６１ｄ、６１ｅ、６ｉｆ、６１ｇ、６１ｈ・・・微
小薄膜ヒータ、６２ａ、６２ｂ　・　−・給電リード、
６３ａ、６３ｂ・・・電気配線パッド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、この基板上にコア部をクラッド層により
   覆って配置した光導波路とを有し、前記光導波路の一部
   分の光路長を微調節するための加熱体を前記クラッド層
   上に配設した光導波路装置であって、 前記加熱体が、前記光導波路に沿って配列された複数個
   の微小ヒータと、これら複数個の微小ヒータを電気的に
   並列に結線して給電する給電リードとを有してなること
   を特徴とする光導波路装置。