JPH0634924A - 熱光学位相シフタ - Google Patents
熱光学位相シフタInfo
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Abstract
熱光学スイッチを可能にする熱光学位相シフタを提供す
る。 【構成】 シリコン基板1と、シリコン基板1上にコア
部2,3を、クラッド層4により覆って設けられたガラ
ス光導波路と、ガラス光導波路近傍に配置された薄膜ヒ
ータ7とからなる熱光学位相シフタであって、薄膜ヒー
タ7の抵抗温度係数が1×10-3から3×10-3(1/
℃)の範囲内にある。
Description
ものであり、さらに詳細には、基板上に配置された単一
モードガラス光導波路の光路長を調節するための熱光学
位相シフタに関するものである。
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る(例えば、河内正夫:「石英系
光導波路と集積光部品への応用」光学、vol.18
(1989),pp.681−686参照)。
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、
導波路型光合分波器、光スイッチ等として期待されてい
る。
光の位相を調節する機構を光導波路に具備させることが
必要である。
(2×2)導波路型熱光学スイッチの概略構成図を示
す。図1の(a)は平面図であり、図1の(b)は図1
の(a)のA−A′線における拡大断面図である。ここ
で、1はシリコン基板、2,3は石英系ガラスからなる
コア部、4はコア部2,3を覆っているクラッド層、
5,6は2本の光導波路が近接してなる3dB方向性結
合器、7はコア部2の上のクラッド層4の表面に形成さ
れた薄膜ヒータ、8a,8bは薄膜ヒータ7へ給電する
ための電気配線パッド部である。
を駆動しない状態では入力ポート2aから入射した光は
光クロスポートとして出力ポート3bから出力される。
この状態で薄膜ヒータ7に通電し、クラッド層4を介し
てコア部2を加熱すると、石英系ガラスのいわゆる熱光
学効果(Thermo−optic effect)に
より、コア部2の屈折率が増加し、薄膜ヒータ7の下部
の実効的な屈折率が変化し、伝搬光の位相を変化させる
ことができる(M.Haruna,“Thermoop
tic Waveguide Devices”,JA
RECT,vol.17,オーム社,pp.69〜8
1)。石英系ガラスの屈折率温度係数dn/dT(n:
屈折率、T:温度)は10-5(1/℃)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だけ変化させること
ができ、これは、例えば、波長1.5μmの伝搬光に対
しては、半波長すなわちπラジアンの位相シフトを与え
ることに相当する。この時、熱光学位相シフタのない導
波路を伝搬してきた光と熱光学位相シフタを伝搬してき
た光とで位相差がπになり、入力ポート3aから入射し
た光は結果としてスルーポートとして出力ポート2bか
ら出力される。
は、顕著な電気光学効果を有さない石英系ガラス光導波
路の位相制御手段として有効である。
熱光学位相シフタには実用上次のような問題点があっ
た。
の小さなCrが使われてきた。しかし、対称マッハツェ
ンダ干渉計の一方のアーム導波路に熱光学位相シフタを
配置した熱光学スイッチにおけるスイッチ電力の環境温
度依存性を測定したところ、環境温度が上昇すると図2
に示すように、スイッチ電力が小さくなることがわかっ
た。この時、薄膜ヒータの温度係数は−2×10-3(l
/℃)であった。ここで、上述の熱光学スイッチがスイ
ッチングするのは、マッハツェンダ干渉計の2本のアー
ム導波路でλ/2(λ:光の波長)の光路長差が生じた
時であり、すなわち、熱光学位相シフタにスイッチ電力
を供給した時に光路長がλ/2だけ変化する。従って、
図2は、同じλ/2という光路長の変化を生ずるスイッ
チ電力が環境温度の上昇によって小さくて済むことを意
味する。
に示されるようにシリコン基板上の石英系ガラス導波路
の単位光路長の温度係数(1/(nL))・d(nL)
/dTが環境温度と共に2×10-3(1/℃)の割合で
増加することがわかった。ここで、導波路の光路長とは
光にとって感じられる長さで、屈折率n×導波路の長さ
Lを意味する。
よって変化するために、ある環境温度における薄膜ヒー
タへの印加電力を最適なスイッチ電力に調節しても、環
境温度が変化すると薄膜ヒータへの印加電力がスイッチ
電力からずれるという問題があった。例えば、20℃に
おいて最適なスイッチ電力を与えるよう電源電圧を設定
しても環境温度が0℃以下または40℃以上になると、
図4に示されるようにクロストークが−25dBを越え
てしまう。ここで、薄膜ヒータにはCr薄膜を用いた。
Crからなる薄膜ヒータの抵抗の温度係数は2×10-4
(1/℃)であった。
を、クロストークが−25dB以下であることと考える
と、その温度範囲は最適なスイッチ電圧を与えた温度T
0 を中心にT0 ±20℃となる。つまり、従来の石英系
ガラス導波路型熱光学スイッチは、スイッチ電力の環境
温度依存性のためにある限られた環境温度範囲内でしか
機能しないという問題点があった。
薄膜ヒータの間に外付けの温度補償器を入れて薄膜ヒー
タへの供給電力が常に最適な電力になるように調節する
方法が「B−1035 光映像分配システムの多チャン
ネル化へ向けた宅内選択装置の一検討」1992年電子
情報通信学会春期大会予稿集4−187に報告されてい
る。しかしながら、この方法は個々のスイッチに対して
複雑な電源回路を必要とするため、複数のスイッチが集
積化された場合に不適切であるという問題点があった。
しない石英系ガラス導波路型熱光学スイッチを可能にす
る熱光学位相シフタを提供することにある。
るために、本発明の熱光学位相シフタは、基板と、該基
板上にコア部をクラッド層により覆って設けられたガラ
ス光導波路と、該ガラス光導波路近傍に配置された薄膜
ヒータとからなる熱光学位相シフタであって、前記薄膜
ヒータの抵抗温度係数が1×10-3から3×10-3(l
/℃)の範囲内にあることを特徴とする。
で駆動することにより、環境温度に依存せず広い温度範
囲で機能する石英系ガラス導波路型熱光学スイッチが実
現することができる。
ラス導波路の光路長の温度係数(1/(nL))・d
(nL)/dTが増加する。これによってスイッチ電力
は小さく済むようになる。本発明の熱光学位相シフタ
は、(1/(nL))・d(nL)/dTの温度依存性
と同じ割合で薄膜ヒータの抵抗が増加する。この薄膜ヒ
ータを定電圧源で駆動しておけば、抵抗の増加と共に流
れる電流が減少して、常に最適なスイッチ電力を与える
ことができる。
温度に依存せずに機能することが極めて重要であり、本
発明によって石英系ガラス導波路型熱光学スイッチは汎
用部品として広く使用されることが可能となる。本発明
の熱光学位相シフタはシリコン基板上の石英系ガラスの
光路長温度係数(1/(nL))・d(nL)/dTが
室温付近で約2×10-3(l/℃)の割合で増加する。
に説明する。
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1の厚さを1mm、ク
ラッド層3の厚さを50μm、コア部2の断面寸法を8
μm×8μm、コアとクラッド層と間の比屈折率差を
0.3%とした。
l4 ,TiCl4 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法と反応性イオンエッチング法
との公知の組み合わせにより作製される。薄膜ヒータは
以下に挙げる各種の金属を真空蒸着法で付着させた。そ
のパターン化については、フォトリソグラフィ法によっ
てパターン化したレジストの上から金属の真空蒸着を行
い、その後にレジストを有機溶剤中に浸漬することによ
り剥離するリフトオフ法を用いた。
ガラス導波路の光路長温度係数(1/(nL))・d
(nL)/dTは2×10-3(1/℃)の割合で環境温
度と共に増加する。正確には光路長温度係数が以下の温
度の関数として与えられる。
力が環境温度と共に小さくなる。これは、環境温度が高
くなることによって1℃あたりの単位光路長の伸び、
(1/(nL))・d(nL)/dTが大きくなり、そ
の結果としてπラジアン位相をシフトさせるためのスイ
ッチ電力が小さくて済むようになったと解釈することが
できる。
圧源で駆動する。従って、薄膜抵抗の温度係数が約2×
10-3(1/℃)であれば、一定の駆動電圧で環境温度
によらず常に最適なスイッチ電力を与えることができ
る。
度を変化させてクロストークがどのように変化するかを
いくつかの薄膜ヒータ温度係数に関しての計算結果を図
5に示す。ここで、薄膜ヒータの抵抗温度係数を0〜4
×10-3(l/℃)変化させて計算を行った。図6は薄
膜抵抗の温度係数に対して熱光学スイッチが機能する使
用可能温度範囲幅を示したものである。ただし、使用可
能温度範囲幅はスイッチストロークが−25dB以下と
なる温度範囲幅である。以上の結果よりわかるように、
定電圧源を用いて熱光学スイッチを駆動する場合は、薄
膜ヒータの抵抗が2×10-3(1/℃)程度の抵抗温度
係数であれば熱光学スイッチの使用可能温度範囲が大幅
に広くなる。
バークラッド層の表面にNi薄膜を2000Åの厚さに
真空スパッタリング法で作製した。薄膜ヒータのパター
ンの幅を50μm、長さを5mmとした。この時の電気
抵抗は530Ωであった。また、20℃における抵抗温
度係数を測定したところ、2.6×10-3(1/℃)で
あった。この熱光学位相シフタを用いた導波路型熱光学
スイッチのクロストークと環境温度との関係を図7に示
す。ここで、定電圧源の電圧を20℃で最適なスイッチ
ングが行われるように設定した。図7からわかるように
定電圧電源で駆動した場合、スイッチングを行った時の
クロストークが−25dB以下を確保できる温度範囲幅
が従来のCrを用いた時の40℃に比べて約60℃も広
い100℃である。
バークラッド層の表面にPt薄膜を2000Åに真空蒸
着法を用いて作製した。薄膜ヒータのパターンの幅を5
0μm、長さを5mmとした。この時の電気抵抗は40
0Ωであった。また、20℃における抵抗温度係数を測
定したところ、1.5×10-3(1/℃)であった。こ
の時の熱光学スイッチのクロストークと環境温度との関
係を図8に示す。ここで、定電圧源の電圧は20℃で最
適なスイッチが行われるように設定した。図8からわか
るように定電圧電源で駆動した場合、スイッチングを行
った時のクロストークが−25dB以下を確保できる温
度範囲が140℃以上である。
バークラッド層表面にRh薄膜を2000Åに真空蒸着
法で形成した。薄膜ヒータのパターンの幅を50μm、
長さを5mmとした。この時の電気抵抗は450Ωであ
った。また20℃における抵抗温度係数を測定したとこ
ろ、1.8×10-3(l/℃)であった。この時の熱光
学スイッチのクロストークと環境温度との関係を図9に
示す。ここで、定電圧源の電圧は20℃で最適なスイッ
チが行われるように設定した。図9からわかるように定
電圧電源で駆動した場合、スイッチングを行った時のク
ロストークが−25dB以下を確保できる温度範囲幅は
従来のCrを用いた時に比べて十分に広い。
バークラッド層の表面にAu/Cr薄膜をそれぞれCr
を300Å、Auを1000Åの厚さに真空蒸着法で作
製した。これはオーバークラッドガラスと密着性の良い
Crの上にAuを連続蒸着したものである。薄膜ヒータ
のパターンの幅を50μm、長さを5mmとした。この
時の電気抵抗は70Ωであった。また、20℃における
抵抗温度係数を測定したところ、1.6×10-3(l/
℃)であった。この時の熱光学スイッチのクロストーク
と環境温度との関係を図10に示す。ここで、定電圧源
の電圧は20℃で最適なスイッチが行われるように設定
した。図10からわかるように定電圧電源で駆動した場
合、スイッチングを行った時のクロストークが−25d
B以下を確保できる温度範囲幅は従来のCrを用いた時
に比べて十分に広い。
バークラッド層の表面に2000Åの膜厚のNi−Cu
薄膜を電子ビーム蒸着法で作製した。ターゲットとして
はNiとCuの重量比で10:0,9:1,8:2,
7:3の4種類を用意した。それぞれのターゲットを用
いて形成した薄膜ヒータの抵抗温度係数とターゲット重
量比との関係を図11に示す。ここで、定電圧源の電圧
は20℃で最適なスイッチングが行われるように設定し
た。この結果、Ni:Cuの重量比が9:1のターゲッ
トを用いて作製した薄膜ヒータの温度係数が最も2×1
0-3(l/℃)に近いことが分かった。Ni:Cu=
8:2以上の時、抵抗温度係数は1×10-3〜3×10
-3(1/℃)となる。次に、このターゲットを用いて実
際の石英導波路型熱光学スイッチを作製した。熱光学位
相シフタの薄膜ヒータのパターンの幅を50μm、長さ
を5mmとした。この時の電気抵抗は490Ωであっ
た。この時の熱光学スイッチのクロストークと環境温度
との関係を図12に示す。ここで、定電圧源の電圧は2
0℃で最適なスイッチが行われるように設定した。図1
2からわかるように定電圧電源で駆動した場合、スイッ
チングを行った時のクロストークが−25dB以下を確
保できる温度範囲幅は従来のCrを用いた時に比べて十
分に広い。
バークラッド層の表面にCr薄膜を真空蒸着法で作製し
た。その後、1100℃のN2 雰囲気中で1時間熱処理
することによりCrNからなる薄膜ヒータを形成した。
図13にCrN膜厚と抵抗温度係数の関係を示す。ここ
で、定電圧源の電圧は20℃で最適なスイッチが行われ
るように設定した。この結果、CrNの膜厚が420Å
程度の時に抵抗温度係数が2×10-3(l/℃)になる
ことが分かる。また、CrNの膜厚が約400Å以上の
時、抵抗温度係数は1.9×10-3(l/℃)以上であ
る。次に、420Åの膜厚で実際の熱光学スイッチを作
製した。薄膜ヒータのパターンの幅を50μm、長さを
5mmとした。この時の電気抵抗は3100Ωであっ
た。また、20℃における抵抗温度係数を測定したとこ
ろ、2.1×10-3(l/℃)であった。この時の熱光
学スイッチのクロストークと環境温度との関係を図14
に示す。ここで、定電圧源の電圧は20℃で最適なスイ
ッチングが行われるように設定した。図14からわかる
ように定電圧電源で駆動した場合、スイッチングを行っ
た時のクロストークが−25dB以下を確保できる温度
範囲幅は従来のCrを用いた時に比べて十分に広い。
導波路の光路長温度係数(1/(nL))・d(nL)
/dTが約2×10-3(1/℃)であることが初めて明
らかになったことに基づいたものであり、定電圧源を用
いて熱光学位相シフタを駆動する場合は以上述べたとお
り薄膜ヒータの抵抗温度係数(1/R)・(dR/d
T)を約2×10-3(1/℃)に設定することによって
熱光学スイッチの使用可能温度範囲を広げることができ
る。一方、定電流源を用いて熱光学位相シフタを駆動す
る場合は、定電圧源を使用した場合と逆に、熱光学位相
シフタの薄膜ヒータの抵抗温度係数を−2×10-3(1
/℃)程度に設定することによって熱光学スイッチの使
用可能温度範囲を広げることができる。
抵抗温度係数が約2×10-3(1/℃)程度である薄膜
ヒータを使用することによって導波路型熱光学スイッチ
の使用可能温度範囲を大幅に広げることができた。熱光
学スイッチという極めて汎用性の大きな部品にとって使
用可能な温度範囲が広いということは非常に大きな利点
である。
学スイッチの概略構成図を示すもので、(a)は平面構
成図、(b)は(a)のA−A′線における拡大断面図
である。
学スイッチにおけるスイッチ電力の環境温度依存性を示
す特性図である。
光路長あたりの温度係数の環境温度依存性を示す特性図
である。
使用した場合の熱光学スイッチのクロストークの環境温
度依存性を示す特性図である。
定電圧源を使用した時の熱光学スイッチのクロストーク
の環境温度依存性の計算値を示す図である。
ッチの温度範囲幅の計算値を示す図である。
膜ヒータ抵抗を用いた時の導波路型熱光学スイッチのク
ロストークの環境温度依存性を示す特性図である。
膜ヒータ抵抗を用いた時の導波路型熱光学スイッチのク
ロストークの環境温度依存性を示す特性図である。
膜ヒータ抵抗を用いた時の導波路型熱光学スイッチのク
ロストークの環境温度依存性を示す特性図である。
とCrの二層構造の薄膜ヒータ抵抗を用いた時の導波路
型熱光学スイッチのクロストークの環境温度依存性を示
す特性図である。
ト中のNiとCuの重量比を変化させた時作製した薄膜
ヒータの抵抗温度係数の変化を示す特性図である。
−Cuからなる薄膜ヒータの抵抗を用いた時の導波路型
熱光学スイッチのクロストークの環境温度依存性を示す
特性図である。
の膜厚を変化させた時の抵抗温度係数の変化を示す特性
図である。
N薄膜ヒータ抵抗を用いた時の導波路型熱光学スイッチ
のクロストークの環境温度依存性を示す特性図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 基板と、 該基板上にコア部をクラッド層により覆って設けられた
ガラス光導波路と、 該ガラス光導波路近傍に配置された薄膜ヒータとからな
る熱光学位相シフタであって、 前記薄膜ヒータの抵抗温度係数が1×10-3から3×1
0-3(l/℃)の範囲内にあることを特徴とする熱光学
位相シフタ。 - 【請求項2】 前記薄膜ヒータがNi,Pt,Rhおよ
びAuからなる群から選ばれた少なくとも1つを含む材
料からなることを特徴とする請求項1に記載の熱光学位
相シフタ。 - 【請求項3】 前記薄膜ヒータがNiとCuを含む合金
からなり、Niの含有量が80重量%以上であることを
特徴とする請求項1に記載の熱光学位相シフタ。 - 【請求項4】 前記薄膜ヒータがCrNからなり、その
膜厚が400Å以上であることを特徴とする請求項1に
記載の熱光学位相シフタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04192078A JP3077719B2 (ja) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | 熱光学位相シフタ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04192078A JP3077719B2 (ja) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | 熱光学位相シフタ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0634924A true JPH0634924A (ja) | 1994-02-10 |
JP3077719B2 JP3077719B2 (ja) | 2000-08-14 |
Family
ID=16285275
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04192078A Expired - Lifetime JP3077719B2 (ja) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | 熱光学位相シフタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3077719B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002091069A1 (fr) * | 2001-05-07 | 2002-11-14 | Fujitsu Limited | Rotateur de faraday |
US6925217B2 (en) | 2003-11-07 | 2005-08-02 | Nec Corporation | Optical waveguide device, variable optical attenuator, and optical switch |
EP1693697A1 (en) * | 2005-02-22 | 2006-08-23 | STMicroelectronics S.r.l. | Optical phase shift device and antenna system employing the device |
-
1992
- 1992-07-20 JP JP04192078A patent/JP3077719B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002091069A1 (fr) * | 2001-05-07 | 2002-11-14 | Fujitsu Limited | Rotateur de faraday |
US6925217B2 (en) | 2003-11-07 | 2005-08-02 | Nec Corporation | Optical waveguide device, variable optical attenuator, and optical switch |
EP1693697A1 (en) * | 2005-02-22 | 2006-08-23 | STMicroelectronics S.r.l. | Optical phase shift device and antenna system employing the device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3077719B2 (ja) | 2000-08-14 |
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Legal Events
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