JPWO2009051148A1 - Optical phase shifter - Google Patents
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Abstract
基板１上に形成され、光学的に透明な第１のクラッド層２と、第１のクラッド層２上に形成され、光学的に透明であると共に第１のクラッド層よりも屈折率および熱伝導率が高いコア層３と、光導波路を加熱／冷却する加熱／冷却手段４とを有している。コア層３は、コア層３の表面から突出すると共に長手方向に延びるように形成されたリブ３０１と、コア層３の内部にリブ３０１に隣接すると共に沿うように位置し、導波路として機能する導波路領域３０２とを備えている。加熱／冷却手段４は、コア層３の表面に、リブ３０１に間隔を置くと共に沿うように配置されている。A first clad layer 2 formed on the substrate 1 and optically transparent, and formed on the first clad layer 2 and optically transparent and having a refractive index and heat conduction higher than those of the first clad layer. It has a core layer 3 having a high rate, and heating / cooling means 4 for heating / cooling the optical waveguide. The core layer 3 protrudes from the surface of the core layer 3 and is formed so as to extend in the longitudinal direction. The core layer 3 is located inside the core layer 3 so as to be adjacent to and along the rib 301 and functions as a waveguide. And a waveguide region 302. The heating / cooling means 4 is arranged on the surface of the core layer 3 so as to be spaced along the ribs 301.
Description
本発明は、光の位相を制御する光位相シフタに関し、特に、光導波路の屈折率が温度に依存して変化する熱光学効果を利用した熱光学式光位相シフタに関する。 The present invention relates to an optical phase shifter that controls the phase of light, and more particularly to a thermooptic optical phase shifter that utilizes a thermooptic effect in which the refractive index of an optical waveguide changes depending on temperature.
この種の光位相シフタは、光の干渉を利用して光のオン／オフや経路切り替え等を行う光変調器や光スイッチ等の光学装置における主要な構成要素として用いられる。この光位相シフタとして、他の素子との集積性や量産性に優れた平面光導波路型が広く使用されている。
平面光導波路型の光位相シフタは、例えば、特開２００３−１３１１７９号公報の図９に開示されている（第１の関連技術）。図１Ａおよび１Ｂを参照すると、第１の関連技術の光位相シフタは、シリコン基板２１上に形成されたクラッド２４と、クラッド２４の内部に形成されたコア２２、２３と、クラッド２４上に形成されたヒータ２７とを有している。ヒータ２７の両端には、電気配線パッド２８、２９が形成されている。図中、符号２２ａ、２３ａは入力ポートを、符号２２ｂ、２３ｂは出力ポートを、符号２５、２６は３ｄＢ方向性結合器を示す。ところで、コア２２、２３とヒータ２７との間に熱伝導率の低いガラスのクラッド層２４が存在するため、ヒータ２７からコア２２、２３に熱が伝わるのに時間を要する。このため、この光位相シフタは、応答速度が遅い。また、ヒータからの熱がコアの横を通ってシリコン基板２１に逃げる経路があるため、コアの加熱効率に劣る。このため、この光位相シフタは、消費電力が大きい。
このような問題を解決しようとする光位相シフタは、例えば、特開２００３−１３１１７９号公報の図１に開示されている（第２の関連技術）。図２Ａおよび２Ｂを参照すると、第２の関連技術の光位相シフタは、クラッド３４上に形成されたコア３２、３３とを有している。図中、符号３２ａ、３３ａは入力ポートを、符号３２ｂ、３３ｂは出力ポートを、符号３５、３６は３ｄＢ方向性結合器を示す。コア３２、３３は、電気的に有限の抵抗を有し、光学的に透明である。コア３２には、一対の電気配線パッドが形成されている。そして、電気配線パッドを通してコアに電流を流し、発熱させる。ところで、コア３２、３３の材料としては、優れた光導波路の機能を発揮するための低い光損失または高い透明性と、優れた発熱体の機能を発揮するための高い発熱効率または低い電気抵抗との両方の性能を有するものが要求される。しかし、このような要求を満足する材料は無いのが実情である。第２の関連技術においても、コアの材料がシリコンの場合は単体のシリコンは電気抵抗が高いため、不純物をドープしてもよい旨が記載されている。しかし、シリコンに不純物をドープすると、電気抵抗が下がる反面、透明性が低下する。即ち、低い光損失の実現と、高い発熱効率の実現とは、トレードオフの関係にある。このトレードオフの関係は、電気を運ぶ電子／ホールが光を吸収するという本質的な作用により、不可避である。よって、第２の関連技術は、速い応答速度、低い消費電力、ならびに低い光損失の三点を同時に十分に達成できるとは云えない。This type of optical phase shifter is used as a main component in an optical device such as an optical modulator or an optical switch that performs on / off of light or path switching by utilizing interference of light. As this optical phase shifter, a planar optical waveguide type having excellent integration with other elements and mass productivity is widely used.
A planar optical waveguide type optical phase shifter is disclosed, for example, in FIG. 9 of JP-A No. 2003-131179 (first related technology). 1A and 1B, the optical phase shifter according to the first related art is formed on a clad 24 formed on a silicon substrate 21, cores 22 and 23 formed inside the clad 24, and the clad 24. The heater 27 is provided. Electrical wiring pads 28 and 29 are formed at both ends of the heater 27. In the figure, reference numerals 22a and 23a denote input ports, reference numerals 22b and 23b denote output ports, and reference numerals 25 and 26 denote 3 dB directional couplers. By the way, since the glass cladding layer 24 having low thermal conductivity exists between the cores 22 and 23 and the heater 27, it takes time for heat to be transferred from the heater 27 to the cores 22 and 23. For this reason, this optical phase shifter has a slow response speed. Further, since there is a path for heat from the heater to escape to the silicon substrate 21 through the side of the core, the heating efficiency of the core is inferior. For this reason, this optical phase shifter consumes a large amount of power.
An optical phase shifter that attempts to solve such a problem is disclosed, for example, in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-131179 (second related technology). Referring to FIGS. 2A and 2B, the second related art optical phase shifter has cores 32 and 33 formed on a clad 34. In the figure, reference numerals 32a and 33a denote input ports, reference numerals 32b and 33b denote output ports, and reference numerals 35 and 36 denote 3 dB directional couplers. The cores 32 and 33 have an electrically finite resistance and are optically transparent. The core 32 is formed with a pair of electrical wiring pads. Then, a current is passed through the core through the electrical wiring pad to generate heat. By the way, as a material of the cores 32 and 33, low light loss or high transparency for exhibiting an excellent optical waveguide function, and high heat generation efficiency or low electrical resistance for exhibiting an excellent function of a heating element. Those having both performances are required. However, there is actually no material that satisfies these requirements. The second related art also describes that when the core material is silicon, single silicon has a high electric resistance, so that impurities may be doped. However, when silicon is doped with impurities, the electrical resistance is lowered, but the transparency is lowered. That is, there is a trade-off between realizing low light loss and achieving high heat generation efficiency. This trade-off relationship is unavoidable due to the essential effect that electrons / holes carrying electricity absorb light. Therefore, it cannot be said that the second related technology can sufficiently achieve the three points of high response speed, low power consumption, and low optical loss at the same time.
それ故、本発明の課題は、速い応答速度、低い消費電力、ならびに低い光損失の三点を十分に達成できる光位相シフタを提供することである。
本発明によれば、基板上に形成され、光学的に透明な第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成され、光学的に透明であると共に前記第１のクラッド層よりも屈折率および熱伝導率が高いコア層と、光導波路を加熱／冷却する加熱／冷却手段とを有し、前記コア層は、該コア層の第１の表面から突出すると共に長手方向に延びるように形成されたリブと、前記リブに隣接すると共に沿うように前記コア層の内部に位置し、前記光導波路として機能する導波路領域とを備えており、前記加熱／冷却手段は、前記コア層の前記第１の表面または第２の表面に、前記リブに所定の距離を置いて沿うように配置されていることを特徴とする光位相シフタが得られる。
前記リブに沿うと共に前記コア層および前記第１のクラッド層のうちの少なくとも該コア層をその厚さ方向に貫通するように、前記コア層の前記第１の表面または前記第２の表面に形成された第１の溝部をさらに有し、前記加熱／冷却手段は、前記リブと前記第１の溝部との間に位置していてもよい。
前記リブに沿うと共に前記コア層および前記第１のクラッド層のうちの少なくとも該コア層をその厚さ方向に貫通するように、前記コア層の前記第１の表面または前記第２の表面に形成された第２の溝部をさらに有し、前記リブは、前記加熱／冷却手段と前記第２の溝部との間に位置していてもよい。
前記第１のクラッド層と共に前記導波路領域を挟むと共に該導波路領域に沿うように、前記コア層の前記第１の表面または前記第２の表面に形成された第２のクラッド層をさらに有していてもよい。
前記コア層が、シリコンから成っていてもよい。また、前記第１のクラッド層が、石英ガラスから成っていてもよい。
前記加熱／冷却手段は、薄膜ヒータであってもよい。また、前記加熱／冷却手段は、ペルチェ素子であってもよい。
本発明によればまた、前記光位相シフタを有することを特徴とする光スイッチが得られる。Therefore, an object of the present invention is to provide an optical phase shifter that can sufficiently achieve the three points of high response speed, low power consumption, and low optical loss.
According to the present invention, the optically transparent first cladding layer formed on the substrate and the optically transparent first cladding layer formed on the first cladding layer and more transparent than the first cladding layer. A core layer having a high refractive index and a high thermal conductivity; and heating / cooling means for heating / cooling the optical waveguide, wherein the core layer protrudes from the first surface of the core layer and extends in the longitudinal direction. And a waveguide region located inside the core layer so as to be adjacent to and along the rib, and functioning as the optical waveguide, and the heating / cooling means includes the core layer An optical phase shifter characterized in that the optical phase shifter is disposed on the first surface or the second surface so as to be along a predetermined distance from the rib.
Formed on the first surface or the second surface of the core layer so as to extend along at least the core layer of the core layer and the first cladding layer in the thickness direction along the rib. The heating / cooling means may be located between the rib and the first groove.
Formed on the first surface or the second surface of the core layer so as to extend along at least the core layer of the core layer and the first cladding layer in the thickness direction along the rib. The rib may be located between the heating / cooling means and the second groove.
A second cladding layer is further formed on the first surface or the second surface of the core layer so as to sandwich the waveguide region together with the first cladding layer and to follow the waveguide region. You may do it.
The core layer may be made of silicon. The first cladding layer may be made of quartz glass.
The heating / cooling means may be a thin film heater. Further, the heating / cooling means may be a Peltier element.
According to the present invention, an optical switch having the optical phase shifter can be obtained.
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の第１の関連技術の光位相シフタの平面図および切断線１Ａ−１Ａに沿った断面図である。
図２Ａおよび２Ｂは、本発明の第２の関連技術の光位相シフタの平面図および切断線２Ａ−２Ａに沿った断面図である。
図３Ａおよび３Ｂは、本発明の第１の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。
図４Ａおよび４Ｂは、本発明の第２の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。
図５Ａおよび５Ｂは、本発明の第３の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。
図６Ａおよび６Ｂは、本発明の第４の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。
図７Ａおよび７Ｂは、本発明の第５の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。
図８Ａおよび８Ｂは、本発明の第６の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。
図９Ａおよび９Ｂは、本発明の第７の実施例に係る光位相シフタの平面図および断面図である。そして、
図１０は、本発明の光導波路断面における光の電界分布図である。1A and 1B are a plan view of an optical phase shifter according to a first related art of the present invention and a cross-sectional view taken along a cutting line 1A-1A.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view taken along a cutting line 2A-2A of the optical phase shifter according to the second related art of the present invention.
3A and 3B are a plan view and a sectional view of the optical phase shifter according to the first embodiment of the present invention.
4A and 4B are a plan view and a sectional view of an optical phase shifter according to the second embodiment of the present invention.
5A and 5B are a plan view and a sectional view of an optical phase shifter according to a third embodiment of the present invention.
6A and 6B are a plan view and a sectional view of an optical phase shifter according to a fourth embodiment of the present invention.
7A and 7B are a plan view and a sectional view of an optical phase shifter according to a fifth embodiment of the present invention.
8A and 8B are a plan view and a sectional view of an optical phase shifter according to a sixth embodiment of the present invention.
9A and 9B are a plan view and a sectional view of an optical phase shifter according to a seventh embodiment of the present invention. And
FIG. 10 is an electric field distribution diagram of light in the cross section of the optical waveguide of the present invention.
本発明による光位相シフタは、基板上に形成され、光学的に透明な第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成され、光学的に透明であると共に第１のクラッド層よりも屈折率および熱伝導率が高いコア層と、光導波路を加熱／冷却する加熱／冷却手段とを有している。
コア層は、コア層の第１の表面から突出すると共に長手方向に延びるように形成されたリブと、リブに沿うようにコア層の内部のリブの基幹部に位置し、光導波路として機能する導波路領域とを備えている。
加熱／冷却手段は、コア層の第１の表面または第２の表面に、リブに所定の距離を置いて沿うように配置されている。
本発明による光位相シフタにおいては、光が閉じ込められたコア層の導波路領域と、加熱／冷却手段との間は、熱伝導率が高いコア層で接続されている。このため、加熱／冷却手段で発生させた温度変化は、光が閉じ込められた導波路領域に直ぐに伝わり、その部分の屈折率の変化によって光の位相シフトが発生する。この位相シフタを光スイッチに用いれば、光経路の切替時間を短くすることができる。
さらに、コア層と基板の間の第１のクラッド層の熱伝導率がコア層よりも低いため、加熱／冷却手段で発生した温度変化が基板に伝わることが防がれる。よって、消費電力を低減できる。
したがって、本発明による光位相シフタは、速い応答速度、低い消費電力、ならびに低い光損失の三点を十分に達成できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。An optical phase shifter according to the present invention is formed on a substrate and is optically transparent, and is formed on the first cladding layer. The optical phase shifter is optically transparent and is more transparent than the first cladding layer. It has a core layer having a high refractive index and high thermal conductivity, and heating / cooling means for heating / cooling the optical waveguide.
The core layer projects from the first surface of the core layer and is formed to extend in the longitudinal direction. The core layer is positioned at the backbone of the rib inside the core layer along the rib and functions as an optical waveguide. And a waveguide region.
The heating / cooling means is arranged on the first surface or the second surface of the core layer so as to be along a predetermined distance from the rib.
In the optical phase shifter according to the present invention, the waveguide layer of the core layer where light is confined and the heating / cooling means are connected by a core layer having high thermal conductivity. For this reason, the temperature change generated by the heating / cooling means is immediately transmitted to the waveguide region in which the light is confined, and the phase shift of the light occurs due to the change in the refractive index of that portion. If this phase shifter is used for an optical switch, the switching time of the optical path can be shortened.
Furthermore, since the thermal conductivity of the first cladding layer between the core layer and the substrate is lower than that of the core layer, it is possible to prevent the temperature change generated by the heating / cooling means from being transmitted to the substrate. Therefore, power consumption can be reduced.
Therefore, the optical phase shifter according to the present invention can sufficiently achieve the three points of high response speed, low power consumption, and low optical loss.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図３Ａおよび３Ｂを参照すると、本発明の第１の実施例による光位相シフタは、基板１上に形成された第１のクラッド層２と、第１のクラッド層２上に形成されたコア層３と、後述する光導波路を加熱／冷却する加熱／冷却手段４とを有している。
第１のクラッド層２は、光学的に透明である。コア層３は、光学的に透明であると共に、第１のクラッド層２よりも屈折率および熱伝導率が高い。
さらに、コア層３は、リブ３０１と、導波路領域３０２とを備えている。リブ３０１は、コア層３の第１の表面としての上表面から突出すると共に、長手方向（図３Ｂ中の紙面に垂直な方向）に延びるように形成されている。導波路領域３０２は、コア層３の内部に、リブ３に隣接すると共にリブ３０１に沿うように位置している。導波路領域３０２は、光導波路として機能する。
加熱／冷却手段４は、コア層３の上表面に、リブ３０１に所定の距離を置いて沿うように配置されている。この所定の距離については、後述する。
基板１は、これの上に設置される構成要素を物理的に支える働きをする。基板１の材料は、半導体、ガラス、誘電体結晶、金属、セラミックス、樹脂等のいずれであってもよい。しかし、表面の平滑性、安定性、入手および加工の容易性などの観点から、シリコン（Ｓｉ）が好適である。
第１のクラッド層２は、その上のコア層３を伝搬する光の電磁界分布を基板１から遠ざける働きをし、コア層３を伝搬する光に対して透明であり、コア層３よりも屈折率が低い材料が選択される。第１のクラッド層２はさらに、加熱／冷却手段４で発生させた温度変化が基板１に伝わるのを防ぐ働きもする。このため、コア層３よりも熱伝導率の低い材料が選択される。第１のクラッド層２の材料は、具体的には、ガラス、セラミックス、樹脂等のいずれであってもよい。しかし、透明性、屈折率、熱伝導率、安定性、シリコン基板上への形成の容易さ等の観点から、第１のクラッド層２としては石英ガラス（ＳｉＯ２）が好適である。第１のクラッド層２の厚さは、基板１およびコア層３がシリコン、かつ、第１のクラッド層２が石英ガラスの場合は、光学的なバッファ層の観点から、１μｍ程度あれば十分である。しかし、基板１とコア層３との間の断熱効果の観点から、第１のクラッド層２の厚さは、数μｍ程度の厚さがある方が好ましい。尚、例えば基板１に石英ガラス等の第１のクラッド層２に適した材料を用いる場合には、第１のクラッド層２を省略できる場合もある。
コア層３は、いわゆるリブ型導波路を構成している。リブ３０１の下部の導波路領域３０２には、光が閉じ込められ、図３Ｂ中の紙面に垂直な方向に伝搬される。このため、コア層３の材料には、コア層３を伝搬する光に対して透明であり、第１のクラッド層２よりも屈折率が高い材料が選択される。また、コア層３は加熱／冷却手段４で発生させた温度変化を、光が閉じ込められた導波路領域３０２に伝える働きもする。このため、コア層３の材料は、第１のクラッド層２よりも熱伝導率の高い材料が選択される。コア層３はさらに、温度変化に伴う屈折率の変化によって、光の位相をシフトさせる働きもする。このため、温度変化による屈折率変化の係数である屈折率温度係数が大きい材料が好ましい。コア層３の材料は、具体的には、半導体、ガラス、樹脂等のいずれであってもよい。しかし、透明性、屈折率、熱伝導率、屈折率温度係数、安定性、入手および加工の容易性などの観点から、波長が１．３または１．５５μｍ付近の光に対しては、コア層３の材料は、シリコンが好適である。特に、透明性の観点から、不純物濃度の極力低いシリコンを用いると、さらによい。コア層３の厚さは伝搬する光のシングルモード条件、最小曲げ半径等を考慮して選択される。コア層３がシリコン、第１のクラッド層２が石英ガラス、光の波長が１．５５μｍ付近の場合には、リブ３０１をも含むコア層３の厚さは、１．５μｍ程度が好適である。
コア層３のリブ３０１は、コア層の厚さの差に起因する等価屈折率の差により、その近傍の導波路領域３０２に光を閉じ込める働きをする。リブ３０１の高さおよび幅は、伝搬する光のシングルモード条件、最小曲げ半径等を考慮して選択できる。コア層３がシリコン、第１のクラッド層２が石英ガラス、光の波長が１．５５μｍ付近の場合には、コア層３のリブ３０１の高さは１．２μｍ、幅は１μｍ程度が好適である。尚、図３Ａおよび３Ｂにおいてはリブ３０１はコア層３と同じ材料としたが、前述のコア層３の条件を満たす材料であれば、必ずしもコア層３と同じ材料でなくてもよい。
加熱／冷却手段４は、光が閉じ込められた導波路領域３０２の温度を変化させる働きをする。加熱だけを行う手段としては薄膜ヒータ等があり、加熱と冷却の両方が可能な手段としては後述するペルチェ素子等がある。本実施例においては、加熱／冷却手段４は、薄膜ヒータである。薄膜ヒータの材料は、抵抗率、抵抗率温度係数、耐熱性等の観点から、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）等が好適である。ペルチェ素子を用いた場合については、別の実施例として後述する。
図１０は、コア層３の厚さが１．５μｍ、リブ３０１の高さが１．２μｍ、幅は１μｍの場合のＴＥモードの電界分布の計算結果を示す。リブ３０１はＸ方向に構造が対称であるため、リブ３０１の中心から右半分のみを計算している。したがって、Ｘ方向の距離は、リブ３０１の中心からの距離である。この計算においては、コア層３は計算導波路領域の右端であるＸ＝１．５μｍまで延びているが、電界分布はＸ≦１μｍ程度の範囲に閉じ込められていることが分かる。
加熱／冷却手段４は、光の電界分布に影響しない範囲で、光が閉じ込められる導波路領域３０２の可及的近くに配置することが好ましい。加熱／冷却手段４を光が閉じ込められる導波路領域３０２の近くに配置することで、低電力でその導波路領域を加熱または冷却でき、低電力で動作する光位相シフタが得られる。
図１０によれば、Ｘ≧１μｍの範囲にコア層３に接するように加熱／冷却手段４を設置しても、加熱／冷却手段４の影響で光の電界分布が影響を受けることはなく、光の損失が発生しないことが分かる。そこで、光の電界分布が十分小さな位置のコア層３に接した位置、前述された例においてはコア層３のリブ３０１の中心から１μｍ程度以上離れた位置に加熱／冷却手段４を設置する。加熱／冷却手段４は導波路領域３０２に閉じ込められた光の電磁界分布に影響を与えないため、加熱／冷却手段４は光の損失を考慮せずに、電気抵抗等を最適な値にすることができる。
また、本発明の第１の実施例においては、コア層３には直接電流を流さないため、第１の関連技術のようにコア層に不純物をドーピングして抵抗率を下げる必要がない。このため、不純物による光の損失も防ぐことができる。一方、光が閉じ込められた導波路領域３０２と加熱／冷却手段４の間は、熱伝導率が高いコア層３で接続されている。したがって、加熱／冷却手段４で発生させた温度変化は直ぐに光が閉じ込められた導波路領域３０２に伝わり、その部分の屈折率の変化によって光の位相シフトが発生する。このため、この位相シフタを光スイッチ等に用いれば、光経路の切替時間を短くすることができる。
さらに、コア層３と基板１の間の第１のクラッド層２の熱伝導率は、コア層３よりも低い。加熱／冷却手段４で発生した温度変化は基板１に伝わり難く、光が閉じ込められた導波路領域３０２の温度を効率よく変化させることができる。さらに、コア層３に屈折率温度係数が大きいシリコンを用いることにより、温度変化に伴う屈折率変化を大きくすることができるため、消費電力を低減することができる。尚、図３Ａおよび３Ｂにおいて加熱／冷却手段４はリブ３０１の片側だけに設置されているが、リブ３０１の両側に設置してもよい。
次に、第１の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。
近年、シリコン基板上に埋込酸化膜層を介して表面シリコン層が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が市販されている。このＳＯＩ基板の埋込酸化膜層を第１のクラッド層２として用いると共に表面シリコン層をコア層３として用いると、第１のクラッド層２およびコア層３の成膜工程を省略でき、好都合である。
ＳＯＩ基板上に電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法でリブ３０１の光導波路パターンを転写する。
次に、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法等によりリブ３０１以外の導波路領域をリブ３０１の高さと同じ深さだけエッチングする。
その後、加熱／冷却手段４となる薄膜ヒータ材料としてクロム、白金等を蒸着またはスパッタリング法により成膜する。電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法でパターンを転写し、リフトオフ法またはエッチング法によって不要部分を除去して薄膜ヒータを形成する。
以上の製造方法により、第１の実施例による光位相シフタが製造される。
第１の実施例による光位相シフタは、光が伝搬するコア層が凸形状を成しており、いわゆるリブ型導波路となっている。リブ型導波路においてはコア層の厚さの差に起因する等価屈折率の差により、コア層のリブ分付近に光が閉じ込められ、伝搬する。このコア層には直接電流を流さないため、第１の関連技術のようにコア層に不純物をドーピングして抵抗率を下げる必要がない。このため、不純物による光の損失を防ぐことができる。また、加熱／冷却手段はコア層のリブより所定の距離離れたコア層上に設置されているため、リブ付近に閉じ込められた光の電磁界分布が加熱／冷却手段の影響を受けることはない。このため、加熱／冷却手段は光の損失を考慮することなく、電気抵抗等を最適な値にすることができる。
また、光が閉じ込められたコア層の導波路領域と、加熱／冷却手段との間は、熱伝導率が高いコア層で接続されている。加熱／冷却手段で発生させた温度変化は、直ぐに光が閉じ込められたコア層のリブ付近に伝わり、その部分の屈折率の変化によって光の位相シフトが発生する。このため、この位相シフタを光スイッチに用いれば、光経路の切替時間を短くすることができる。さらに、コア層と基板の間の第１のクラッド層の熱伝導率がコア層よりも低いため、加熱／冷却手段で発生した温度変化が基板に伝わることが防がれる。よって、消費電力を低減できる。第１の実施例の構成によれば、消費電力が低く、応答速度が速い光位相シフタが得られる。3A and 3B, the optical phase shifter according to the first embodiment of the present invention includes a first clad layer 2 formed on the substrate 1 and a core layer formed on the first clad layer 2. 3 and heating / cooling means 4 for heating / cooling the optical waveguide described later.
The first cladding layer 2 is optically transparent. The core layer 3 is optically transparent and has a higher refractive index and higher thermal conductivity than the first cladding layer 2.
Further, the core layer 3 includes a rib 301 and a waveguide region 302. The rib 301 protrudes from the upper surface as the first surface of the core layer 3 and is formed to extend in the longitudinal direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 3B). The waveguide region 302 is located inside the core layer 3 so as to be adjacent to the rib 3 and along the rib 301. The waveguide region 302 functions as an optical waveguide.
The heating / cooling means 4 is arranged on the upper surface of the core layer 3 so as to be along the rib 301 with a predetermined distance. This predetermined distance will be described later.
The substrate 1 serves to physically support the components installed on it. The material of the substrate 1 may be any of semiconductor, glass, dielectric crystal, metal, ceramics, resin, and the like. However, silicon (Si) is preferable from the viewpoint of surface smoothness, stability, availability, and ease of processing.
The first cladding layer 2 works to keep the electromagnetic field distribution of the light propagating through the core layer 3 above the substrate 1 away from the substrate 1 and is transparent to the light propagating through the core layer 3. A material with a low refractive index is selected. The first cladding layer 2 further functions to prevent the temperature change generated by the heating / cooling means 4 from being transmitted to the substrate 1. For this reason, a material having a lower thermal conductivity than the core layer 3 is selected. Specifically, the material of the first cladding layer 2 may be any of glass, ceramics, resin, and the like. However, from the viewpoints of transparency, refractive index, thermal conductivity, stability, ease of formation on a silicon substrate, etc., the first cladding layer 2 is preferably quartz glass (SiO 2 ). When the substrate 1 and the core layer 3 are silicon and the first cladding layer 2 is quartz glass, a thickness of about 1 μm is sufficient for the first cladding layer 2 from the viewpoint of an optical buffer layer. is there. However, from the viewpoint of the heat insulating effect between the substrate 1 and the core layer 3, it is preferable that the thickness of the first cladding layer 2 is about several μm. For example, when a material suitable for the first cladding layer 2 such as quartz glass is used for the substrate 1, the first cladding layer 2 may be omitted.
The core layer 3 constitutes a so-called rib-type waveguide. Light is confined in the waveguide region 302 below the rib 301 and propagates in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 3B. For this reason, a material that is transparent to light propagating through the core layer 3 and has a higher refractive index than that of the first cladding layer 2 is selected as the material of the core layer 3. The core layer 3 also serves to transmit the temperature change generated by the heating / cooling means 4 to the waveguide region 302 in which light is confined. For this reason, a material having a higher thermal conductivity than that of the first cladding layer 2 is selected as the material of the core layer 3. The core layer 3 further functions to shift the phase of light by a change in refractive index accompanying a change in temperature. For this reason, a material having a large refractive index temperature coefficient, which is a coefficient of refractive index change due to temperature change, is preferable. Specifically, the material of the core layer 3 may be any of semiconductor, glass, resin, and the like. However, from the viewpoints of transparency, refractive index, thermal conductivity, refractive index temperature coefficient, stability, availability, and ease of processing, the core layer is used for light having a wavelength of about 1.3 or 1.55 μm. The material 3 is preferably silicon. In particular, from the viewpoint of transparency, it is even better to use silicon with an impurity concentration as low as possible. The thickness of the core layer 3 is selected in consideration of the single mode condition of the propagating light, the minimum bending radius, and the like. When the core layer 3 is silicon, the first cladding layer 2 is quartz glass, and the wavelength of light is around 1.55 μm, the thickness of the core layer 3 including the ribs 301 is preferably about 1.5 μm. .
The rib 301 of the core layer 3 functions to confine light in the waveguide region 302 in the vicinity thereof due to a difference in equivalent refractive index caused by a difference in thickness of the core layer. The height and width of the rib 301 can be selected in consideration of the single mode condition of the propagating light, the minimum bending radius, and the like. When the core layer 3 is silicon, the first cladding layer 2 is quartz glass, and the wavelength of light is around 1.55 μm, the height of the rib 301 of the core layer 3 is preferably about 1.2 μm and the width is about 1 μm. is there. 3A and 3B, the rib 301 is made of the same material as that of the core layer 3. However, the rib 301 is not necessarily made of the same material as that of the core layer 3 as long as the material satisfies the conditions of the core layer 3 described above.
The heating / cooling means 4 serves to change the temperature of the waveguide region 302 in which light is confined. A means for performing only heating includes a thin film heater and the like, and a means for performing both heating and cooling includes a Peltier element described later. In the present embodiment, the heating / cooling means 4 is a thin film heater. The material of the thin film heater is preferably chromium (Cr), platinum (Pt), titanium (Ti) or the like from the viewpoint of resistivity, resistivity temperature coefficient, heat resistance, and the like. The case where a Peltier element is used will be described later as another embodiment.
FIG. 10 shows the calculation result of the electric field distribution in the TE mode when the thickness of the core layer 3 is 1.5 μm, the height of the rib 301 is 1.2 μm, and the width is 1 μm. Since the rib 301 has a symmetrical structure in the X direction, only the right half from the center of the rib 301 is calculated. Therefore, the distance in the X direction is the distance from the center of the rib 301. In this calculation, the core layer 3 extends to X = 1.5 μm, which is the right end of the calculation waveguide region, but it can be seen that the electric field distribution is confined within a range of about X ≦ 1 μm.
The heating / cooling means 4 is preferably arranged as close as possible to the waveguide region 302 in which light is confined within a range that does not affect the electric field distribution of light. By disposing the heating / cooling means 4 near the waveguide region 302 where light is confined, the waveguide region can be heated or cooled with low power, and an optical phase shifter operating with low power can be obtained.
According to FIG. 10, even if the heating / cooling means 4 is installed so as to be in contact with the core layer 3 in the range of X ≧ 1 μm, the electric field distribution of light is not affected by the influence of the heating / cooling means 4, It can be seen that no light loss occurs. Therefore, the heating / cooling means 4 is installed at a position where the electric field distribution of light is in contact with the core layer 3 at a sufficiently small position, that is, at a position away from the center of the rib 301 of the core layer 3 by about 1 μm or more. Since the heating / cooling unit 4 does not affect the electromagnetic field distribution of the light confined in the waveguide region 302, the heating / cooling unit 4 sets the electric resistance or the like to an optimum value without considering the light loss. be able to.
In the first embodiment of the present invention, since no current flows directly through the core layer 3, it is not necessary to dope the core layer with impurities to lower the resistivity as in the first related art. For this reason, loss of light due to impurities can also be prevented. On the other hand, the waveguide region 302 in which light is confined and the heating / cooling means 4 are connected by the core layer 3 having a high thermal conductivity. Therefore, the temperature change generated by the heating / cooling means 4 is immediately transmitted to the waveguide region 302 where the light is confined, and the phase shift of the light occurs due to the change in the refractive index of that portion. For this reason, if this phase shifter is used for an optical switch or the like, the switching time of the optical path can be shortened.
Furthermore, the thermal conductivity of the first cladding layer 2 between the core layer 3 and the substrate 1 is lower than that of the core layer 3. The temperature change generated by the heating / cooling means 4 is not easily transmitted to the substrate 1, and the temperature of the waveguide region 302 in which light is confined can be changed efficiently. Further, by using silicon having a large refractive index temperature coefficient for the core layer 3, the refractive index change accompanying the temperature change can be increased, so that the power consumption can be reduced. 3A and 3B, the heating / cooling means 4 is installed only on one side of the rib 301, but may be installed on both sides of the rib 301.
Next, a method for manufacturing the optical phase shifter according to the first embodiment will be described.
In recent years, an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which a surface silicon layer is formed on a silicon substrate via a buried oxide film layer is commercially available. If the buried oxide film layer of this SOI substrate is used as the first clad layer 2 and the surface silicon layer is used as the core layer 3, the step of forming the first clad layer 2 and the core layer 3 can be omitted. is there.
The optical waveguide pattern of the rib 301 is transferred onto the SOI substrate by electron beam lithography or photolithography.
Next, the waveguide region other than the rib 301 is etched to the same depth as the rib 301 by a reactive ion etching (RIE) method or the like.
Thereafter, chromium, platinum or the like is deposited as a thin film heater material to be the heating / cooling means 4 by vapor deposition or sputtering. A pattern is transferred by electron beam lithography or photolithography, and unnecessary portions are removed by lift-off or etching to form a thin film heater.
With the above manufacturing method, the optical phase shifter according to the first embodiment is manufactured.
In the optical phase shifter according to the first embodiment, the core layer in which light propagates has a convex shape, which is a so-called rib-type waveguide. In the rib-type waveguide, light is confined and propagated near the rib portion of the core layer due to the difference in equivalent refractive index caused by the difference in thickness of the core layer. Since no current flows directly through the core layer, it is not necessary to lower the resistivity by doping impurities into the core layer as in the first related art. For this reason, loss of light due to impurities can be prevented. Further, since the heating / cooling means is installed on the core layer at a predetermined distance from the rib of the core layer, the electromagnetic field distribution of the light confined in the vicinity of the rib is not affected by the heating / cooling means. . For this reason, the heating / cooling means can set the electric resistance or the like to an optimum value without considering the loss of light.
Further, the waveguide region of the core layer in which light is confined and the heating / cooling means are connected by a core layer having high thermal conductivity. The temperature change generated by the heating / cooling means is immediately transmitted to the vicinity of the rib of the core layer where the light is confined, and the phase shift of the light occurs due to the change in the refractive index of that portion. For this reason, if this phase shifter is used in an optical switch, the switching time of the optical path can be shortened. Furthermore, since the thermal conductivity of the first cladding layer between the core layer and the substrate is lower than that of the core layer, it is possible to prevent the temperature change generated by the heating / cooling means from being transmitted to the substrate. Therefore, power consumption can be reduced. According to the configuration of the first embodiment, an optical phase shifter with low power consumption and high response speed can be obtained.
図４Ａおよび４Ｂに示された本発明の第２の実施例による光位相シフタは、第１の溝部７を備えている点が、図３Ａおよび３Ｂに示された第１の実施例と異なる。したがって、第１の実施例と同一または同様部については、詳細な説明を省略する。
図４Ａおよび４Ｂを参照すると、第１の溝部７は、コア層３の第１の表面としての上表面に、リブ３０１に沿うと共に、コア層３および第１のクラッド層２をそれらの厚さ方向に貫通するように、形成されている。加熱／冷却手段４は、リブ３０１と、第１の溝部７との間に位置している。即ち、第１の溝部７は、加熱／冷却手段４を挟んでコア層のリブ３０１の反対側に位置している。第１の溝部７は、加熱／冷却手段４で発生させた温度変化が、光が閉じ込められた導波路領域３０２と反対方向に伝わるのを防ぐ断熱手段として機能する。第１の溝部７内部を真空にすると最大の断熱効果が得られるが、空気等の熱伝導率の低い気体でも十分な効果が得られる。
第１の溝部７を設置することにより、第１の実施例よりもさらに、光が閉じ込められた導波路領域３０２の温度を効率よく変化させることができ、より消費電力を低減することができる。また、この光位相シフタを同一基板上に複数集積化した場合、隣接する光位相シフタ間での熱のクロストークを低減する効果も得られる。尚、図４Ａおよび４Ｂにおいて、第１の断熱溝は、コア層３と第１のクラッド層２の両方を貫いている。しかし、コア層３の熱伝導率が第１のクラッド層２の熱伝導率に比べて十分高い場合は、第１の溝部７はコア層３のみを貫けばよく、この場合であっても相応の効果が得られる。
次に、第２の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。
前述された第１の実施例の製造方法に引き続き、電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法で溝部７のパターンを転写する。その後リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法等によりエッチングし、溝部７を形成する。
以上の製造方法により、第２の実施例による光位相シフタが製造される。
第２の実施例による光位相シフタは、第１の実施例による光位相シフタにさらに、第１の断熱溝が設けられている。この断熱溝は、光が閉じ込められた導波路領域３０２と反対方向に、加熱／冷却手段４で発生させた温度変化が伝わるのを防ぐ断熱手段として機能する。このため、第１の実施例による光位相シフタに比較し、加熱／冷却手段４で発生させた温度変化は、より効率的に光が閉じ込められた導波路領域３０２に伝わり、より光位相シフタの消費電力を低減できる。第２の実施例の構成によれば、さらに、消費電力が低く、応答速度が速い光位相シフタが得られる。The optical phase shifter according to the second embodiment of the present invention shown in FIGS. 4A and 4B is different from the first embodiment shown in FIGS. 3A and 3B in that the optical phase shifter includes the first groove portion 7. Therefore, detailed description of the same or similar parts as those in the first embodiment is omitted.
Referring to FIGS. 4A and 4B, the first groove portion 7 extends along the rib 301 on the upper surface as the first surface of the core layer 3, and the thickness of the core layer 3 and the first cladding layer 2 is increased. It is formed so as to penetrate in the direction. The heating / cooling means 4 is located between the rib 301 and the first groove portion 7. That is, the first groove 7 is located on the opposite side of the core layer rib 301 with the heating / cooling means 4 interposed therebetween. The first groove portion 7 functions as a heat insulating means for preventing the temperature change generated by the heating / cooling means 4 from being transmitted in the opposite direction to the waveguide region 302 in which light is confined. When the inside of the first groove portion 7 is evacuated, the maximum heat insulating effect is obtained, but a sufficient effect can be obtained even with a gas having a low thermal conductivity such as air.
By installing the first groove portion 7, the temperature of the waveguide region 302 in which light is confined can be changed more efficiently than in the first embodiment, and the power consumption can be further reduced. Further, when a plurality of optical phase shifters are integrated on the same substrate, an effect of reducing thermal crosstalk between adjacent optical phase shifters can be obtained. In FIGS. 4A and 4B, the first heat insulating groove penetrates both the core layer 3 and the first cladding layer 2. However, when the thermal conductivity of the core layer 3 is sufficiently higher than the thermal conductivity of the first cladding layer 2, the first groove portion 7 only has to penetrate only the core layer 3, and even in this case, The effect is obtained.
Next, a method for manufacturing an optical phase shifter according to the second embodiment will be described.
Subsequent to the manufacturing method of the first embodiment described above, the pattern of the groove 7 is transferred by electron beam lithography or photolithography. Thereafter, etching is performed by a reactive ion etching (RIE) method or the like to form the groove 7.
With the above manufacturing method, the optical phase shifter according to the second embodiment is manufactured.
The optical phase shifter according to the second embodiment is further provided with a first heat insulating groove in addition to the optical phase shifter according to the first embodiment. This heat insulating groove functions as a heat insulating means for preventing the temperature change generated by the heating / cooling means 4 from being transmitted in the opposite direction to the waveguide region 302 in which light is confined. Therefore, as compared with the optical phase shifter according to the first embodiment, the temperature change generated by the heating / cooling means 4 is more efficiently transmitted to the waveguide region 302 in which the light is confined, and the optical phase shifter of the optical phase shifter is more Power consumption can be reduced. According to the configuration of the second embodiment, an optical phase shifter with low power consumption and high response speed can be obtained.
図５Ａおよび５Ｂに示された本発明の第３の実施例による光位相シフタは、第２の溝部８を備えている点が、図４Ａおよび４Ｂに示された第２の実施例と異なる。したがって、第２の実施例と同一または同様部については、詳細な説明を省略する。
図５Ａおよび５Ｂを参照すると、第２の溝部８は、コア層３の第１の表面としての上表面に、リブ３０１に沿うと共に、コア層３および第１のクラッド層２をそれらの厚さ方向に貫通するように、形成されている。リブ３０１は、加熱／冷却手段４と、第２の溝部８との間に位置している。即ち、第２の溝部８は、加熱／冷却手段４およびリブ３０１を挟んで、第１の溝部７の反対側に配置される。第２の溝部８は、光が閉じ込められた導波路領域３０２まで伝わった温度変化が、加熱／冷却手段４と反対方向にさらに伝わるのを防ぐ断熱手段として機能する。第２の溝部８内部を真空にすると最大の断熱効果が得られるが、空気等の熱伝導率の低い気体でも十分な効果が得られる。
第２の溝部８を設置することにより、第２の実施例よりもさらに、光が閉じ込められた導波路領域３０２の温度を効率よく変化させることができ、より消費電力の低減になる。また、この光位相シフタを同一基板上に複数集積化した場合、隣接する光位相シフタ間での熱のクロストークをより低減する効果も得られる。ただし、加熱／冷却手段４がヒータ等の加熱だけの手段の場合は、第２の溝部８を設置すると放熱効率が悪くなるため、温度の立下り時間が長くなる。このため、第２の溝部８を設置するか否かは、加熱／冷却手段４の種類および光位相シフタの用途を勘案して選択すべきである。
次に、第３の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。第３の実施例の製造方法は、前述された第２の実施例の製造方法と同様である。
第２の実施例の製造方法における溝部７のパターン転写、エッチング時に、溝部７および８を同時にパターン転写、エッチングする。
以上の製造方法により、第３の実施例による光位相シフタが製造される。
第３の実施例による光位相シフタは、第２の実施例による光位相シフタにさらに、第２の断熱溝が設けられている。この第２の断熱溝は、光が閉じ込められた導波路領域３０２まで伝わった温度変化がさらに、加熱／冷却手段４と反対方向に伝わるのを防ぐ断熱手段として機能する。加熱／冷却手段４による温度変化を第１、第２の断熱溝により、より効率的に光が閉じ込められた導波路領域３０２に伝える。第３の実施例による光位相シフタは、第２の実施例による光位相シフタに比較し、加熱／冷却手段４で発生させた温度変化を、より効率的に光が閉じ込められた導波路領域３０２に伝えることができる。このため、第３の実施例による光位相シフタは、より消費電力を低減できる。このように第３の実施例の構成によれば、さらに、消費電力が低く、応答速度が速い光位相シフタが得られる。The optical phase shifter according to the third embodiment of the present invention shown in FIGS. 5A and 5B differs from the second embodiment shown in FIGS. 4A and 4B in that a second groove 8 is provided. Therefore, detailed description of the same or similar parts as in the second embodiment will be omitted.
Referring to FIGS. 5A and 5B, the second groove 8 is formed along the rib 301 on the upper surface as the first surface of the core layer 3, and the thickness of the core layer 3 and the first cladding layer 2 is increased. It is formed so as to penetrate in the direction. The rib 301 is located between the heating / cooling means 4 and the second groove 8. That is, the second groove 8 is disposed on the opposite side of the first groove 7 with the heating / cooling means 4 and the rib 301 interposed therebetween. The second groove 8 functions as a heat insulating unit that prevents the temperature change transmitted to the waveguide region 302 where light is confined from further transmitting in the opposite direction to the heating / cooling unit 4. When the inside of the second groove 8 is evacuated, the maximum heat insulation effect is obtained, but a sufficient effect can be obtained even with a gas having a low thermal conductivity such as air.
By installing the second groove 8, the temperature of the waveguide region 302 in which light is confined can be changed more efficiently than in the second embodiment, and the power consumption can be further reduced. Further, when a plurality of the optical phase shifters are integrated on the same substrate, an effect of further reducing the heat crosstalk between the adjacent optical phase shifters can be obtained. However, when the heating / cooling means 4 is a heating-only means such as a heater, the heat radiation efficiency is deteriorated when the second groove portion 8 is provided, so that the temperature fall time becomes longer. For this reason, whether or not to install the second groove portion 8 should be selected in consideration of the type of the heating / cooling means 4 and the use of the optical phase shifter.
Next, a method for manufacturing an optical phase shifter according to the third embodiment will be described. The manufacturing method of the third embodiment is the same as the manufacturing method of the second embodiment described above.
At the time of pattern transfer and etching of the groove 7 in the manufacturing method of the second embodiment, the grooves 7 and 8 are simultaneously transferred and etched.
With the above manufacturing method, the optical phase shifter according to the third embodiment is manufactured.
The optical phase shifter according to the third embodiment is further provided with a second heat insulating groove in addition to the optical phase shifter according to the second embodiment. The second heat insulating groove functions as a heat insulating means for preventing the temperature change transmitted to the waveguide region 302 where light is confined from further transmitting in the opposite direction to the heating / cooling means 4. The temperature change by the heating / cooling means 4 is transmitted to the waveguide region 302 where light is confined more efficiently by the first and second heat insulating grooves. Compared with the optical phase shifter according to the second embodiment, the optical phase shifter according to the third embodiment is a waveguide region 302 in which the temperature change generated by the heating / cooling means 4 is more efficiently confined. Can tell. For this reason, the optical phase shifter according to the third embodiment can further reduce power consumption. Thus, according to the configuration of the third embodiment, an optical phase shifter with low power consumption and high response speed can be obtained.
図６Ａおよび６Ｂに示された本発明の第４の実施例による光位相シフタは、第２のクラッド層９を備えている点が、図５Ａおよび５Ｂに示された第３の実施例と異なる。したがって、第３の実施例と同一または同様部については、詳細な説明を省略する。
図６Ａおよび６Ｂを参照すると、第２のクラッド層９は、コア層３の第１の表面としての上表面に、第１のクラッド層２と協働して導波路領域３０２を挟むと共に、導波路領域３０２に沿うように形成されている。第２のクラッド層９は、コア層３の導波路領域３０２を伝搬する光の電磁界分布を外部環境から遠ざける保護手段として機能する。第２のクラッド層９は、コア層３を伝搬する光に対して透明であり、コア層３よりも屈折率が低い材料が選択される。第２のクラッド層９の材料としては、これらの条件を満たせば、ガラス、セラミックス、樹脂等のいずれであってもよい。しかし、第２のクラッド層９の材料としては、透明性、屈折率、安定性等の観点から、石英ガラス（ＳｉＯ２）または窒化珪素（ＳｉＮ）が好適である。また、第２のクラッド層９の材料としては、透明性や安定性はやや劣るもの、成膜の簡便性の観点からはポリイミド等の樹脂も好適である。
第２のクラッド層９を設置することにより、第２のクラッド層９がない第３の実施例に比べ、光が閉じ込められる導波路領域３０２付近を、外部環境からの物理的または化学的なダメージから保護することができる。このため、第４の実施例による光位相シフタは、より信頼性の高い光位相シフタを実現できる。尚、ここでは第３の実施例に第２のクラッド層９を設置した例を示したが、第１および第２の実施例に対して第２のクラッド層９を設置しても同様の効果を得ることができる。
次に、第４の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。
前述された第３の実施例の製造方法に引き続き、化学気相堆積（ＣＶＤ）法またはスピンコーティング法等を用いて第２のクラッド層９となる石英ガラス、窒化珪素、ポリイミド等を成膜する。その後電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法で第２のクラッド層９のパターンを転写し、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法等により不要な部分の第２のクラッド層を除去する。
以上の製造方法により、第４の実施例による光位相シフタが製造される。
第４の実施例による光位相シフタは、光が閉じ込められる導波路領域の上部に第２のクラッド層が設けられている。この第２のクラッド層は、コア層３を伝搬する光の電磁界分布を外部環境から遠ざける保護手段として機能する。光が閉じ込められる導波路領域付近を、外部環境からの物理的または化学的なダメージから保護することができ、より信頼性の高い光位相シフタが得られる。The optical phase shifter according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIGS. 6A and 6B is different from the third embodiment shown in FIGS. 5A and 5B in that the optical phase shifter includes the second cladding layer 9. . Therefore, detailed description of the same or similar parts as in the third embodiment will be omitted.
Referring to FIGS. 6A and 6B, the second clad layer 9 sandwiches the waveguide region 302 on the upper surface as the first surface of the core layer 3 in cooperation with the first clad layer 2 and is guided. It is formed along the waveguide region 302. The second cladding layer 9 functions as a protection unit that keeps the electromagnetic field distribution of light propagating through the waveguide region 302 of the core layer 3 away from the external environment. For the second cladding layer 9, a material that is transparent to light propagating through the core layer 3 and has a lower refractive index than the core layer 3 is selected. The material of the second cladding layer 9 may be any of glass, ceramics, resin, etc. as long as these conditions are satisfied. However, the material of the second cladding layer 9 is preferably quartz glass (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) from the viewpoints of transparency, refractive index, stability, and the like. The material of the second cladding layer 9 is slightly inferior in transparency and stability, and is preferably a resin such as polyimide from the viewpoint of film formation simplicity.
By providing the second cladding layer 9, physical or chemical damage from the external environment is caused in the vicinity of the waveguide region 302 where light is confined, compared to the third embodiment in which the second cladding layer 9 is not provided. Can be protected from. For this reason, the optical phase shifter according to the fourth embodiment can realize a more reliable optical phase shifter. Here, the example in which the second clad layer 9 is provided in the third embodiment is shown, but the same effect can be obtained even if the second clad layer 9 is provided in the first and second embodiments. Can be obtained.
Next, a method for manufacturing an optical phase shifter according to the fourth embodiment will be described.
Subsequent to the manufacturing method of the third embodiment described above, quartz glass, silicon nitride, polyimide, or the like to be the second cladding layer 9 is formed using a chemical vapor deposition (CVD) method or a spin coating method. . Thereafter, the pattern of the second cladding layer 9 is transferred by electron beam lithography or photolithography, and unnecessary portions of the second cladding layer are removed by reactive ion etching (RIE) or the like.
The optical phase shifter according to the fourth embodiment is manufactured by the above manufacturing method.
In the optical phase shifter according to the fourth embodiment, the second cladding layer is provided above the waveguide region where light is confined. The second cladding layer functions as a protection means that keeps the electromagnetic field distribution of the light propagating through the core layer 3 away from the external environment. The vicinity of the waveguide region where light is confined can be protected from physical or chemical damage from the external environment, and a more reliable optical phase shifter can be obtained.
図７Ａおよび７Ｂに示された本発明の第５の実施例による光位相シフタは、リブ３０１がコア層３の第１の表面としての下表面に形成されている点が、図５Ａおよび５Ｂに示された第３の実施例と異なる。したがって、第３の実施例と同一または同様部については、詳細な説明を省略する。
図７Ａおよび７Ｂを参照すると、リブ３０１は、コア層３の第１の表面としての下表面に、形成されている。一方、加熱／冷却手段４は、コア層３の第２の表面としての上表面に配置されている。
第５の実施例による光位相シフタも、第３の実施例による光位相シフタと同様に動作する。即ち、光は、導波路領域３０２に閉じ込められ、図７Ｂ中の紙面に垂直な方向に伝搬する。
このような構成にすることにより、第１〜４の実施例に比べて上面が平坦な光位相シフタを製造することができる。そして、光スイッチ等を製造する際に光位相シフタ上にさらなる構成要素を形成するのに好都合である。同様に、第１、第２の実施例による光位相シフタにおいても、リブ３０１をコア層３の下表面に形成してもよい。
次に、第５の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。
シリコン基板１上に熱酸化法または化学気相堆積（ＣＶＤ）法等で第１のクラッド層２となる石英ガラス膜を形成する。
続いて、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法等により、後に形成されるコア層３のリブ３０１に対応する位置、形状、およびサイズの溝が形成されるように、第１のクラッド層２をエッチングする。
次に、スパッタリング法等でコア層３となるシリコン膜を堆積する。コア層３のうち、前記溝に対応する部分がリブ３０１となる。
その後、加熱／冷却手段４となる薄膜ヒータ材料としてクロム、白金等を蒸着またはスパッタリング法により成膜する。電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法でパターンを転写し、リフトオフ法またはエッチング法によって不要部分を除去して薄膜ヒータを形成する。
さらに、電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法で溝部７および８のパターンを転写し、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法等により溝部７および８を形成する。
以上の製造方法により、第５の実施例による光位相シフタが製造される。
第５の実施例による光位相シフタは、リブが下向きに形成されているけれども、第３の実施例と同様に、光位相シフタの動作をなすと共に、消費電力が低く、応答速度が速い。その一方で、リブが下向きに形成されることにより、光位相シフタの上面が平坦になり、そこに他のデバイスを形成して集積化することがし易くなる。The optical phase shifter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIGS. 7A and 7B shows that the rib 301 is formed on the lower surface as the first surface of the core layer 3 in FIGS. 5A and 5B. Different from the third embodiment shown. Therefore, detailed description of the same or similar parts as in the third embodiment will be omitted.
Referring to FIGS. 7A and 7B, the rib 301 is formed on the lower surface as the first surface of the core layer 3. On the other hand, the heating / cooling means 4 is disposed on the upper surface as the second surface of the core layer 3.
The optical phase shifter according to the fifth embodiment operates in the same manner as the optical phase shifter according to the third embodiment. That is, the light is confined in the waveguide region 302 and propagates in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 7B.
With this configuration, it is possible to manufacture an optical phase shifter having a flat upper surface as compared with the first to fourth embodiments. It is convenient to form additional components on the optical phase shifter when manufacturing an optical switch or the like. Similarly, in the optical phase shifter according to the first and second embodiments, the rib 301 may be formed on the lower surface of the core layer 3.
Next, a method for manufacturing an optical phase shifter according to the fifth embodiment will be described.
A quartz glass film to be the first cladding layer 2 is formed on the silicon substrate 1 by thermal oxidation or chemical vapor deposition (CVD).
Subsequently, the first clad layer 2 is formed by a reactive ion etching (RIE) method or the like so that a groove having a position, shape, and size corresponding to the rib 301 of the core layer 3 to be formed later is formed. Etch.
Next, a silicon film that becomes the core layer 3 is deposited by sputtering or the like. A portion of the core layer 3 corresponding to the groove is a rib 301.
Thereafter, chromium, platinum or the like is deposited as a thin film heater material to be the heating / cooling means 4 by vapor deposition or sputtering. A pattern is transferred by electron beam lithography or photolithography, and unnecessary portions are removed by lift-off or etching to form a thin film heater.
Furthermore, the pattern of the groove portions 7 and 8 is transferred by an electron beam lithography method or a photolithography method, and the groove portions 7 and 8 are formed by a reactive ion etching (RIE) method or the like.
The optical phase shifter according to the fifth embodiment is manufactured by the above manufacturing method.
In the optical phase shifter according to the fifth embodiment, the ribs are formed downward, but as in the third embodiment, the operation of the optical phase shifter is performed, and the power consumption is low and the response speed is high. On the other hand, when the rib is formed downward, the upper surface of the optical phase shifter becomes flat, and it becomes easy to form another device there and integrate it.
図８Ａおよび８Ｂに示された本発明の第６の実施例による光位相シフタは、第２のクラッド層９を備えている点が、図７Ａおよび７Ｂに示された第５の実施例と異なる。したがって、第５の実施例と同一または同様部については、詳細な説明を省略する。
図８Ａおよび８Ｂを参照すると、第５の実施例による光位相シフタと同様に、リブ３０１が、コア層３の第１の表面としての下表面に、形成されている。光は、導波路領域３０２に閉じ込められ、図８Ｂ中の紙面に垂直な方向に伝搬する。
また、第２のクラッド層９は、加熱／冷却手段４と同様にコア層３の第２の表面としての上表面に、第１のクラッド層２と協働して導波路領域３０２を挟むと共に、導波路領域３０２に沿うように形成されている。尚、第４の実施例と異なり、第２のクラッド層９は、例えば加熱／冷却手段４と同様の厚さの、平坦な形状を呈している。第２のクラッド層９は、コア層３の導波路領域３０２を伝搬する光の電磁界分布を外部環境から遠ざける保護手段として機能する。第２のクラッド層９は、コア層３よりも屈折率が低い材料が選択される。第２のクラッド層９の材料としては、透明性、屈折率、安定性等の観点から、石英ガラス（ＳｉＯ２）または窒化珪素（ＳｉＮ）が好適である。また、第２のクラッド層９の材料としては、透明性や安定性はやや劣るもの、成膜の簡便性の観点からはポリイミド等の樹脂も好適である。第６の実施例による光位相シフタは、上面が平坦であるため、光スイッチ等を製造する際に光位相シフタ上にさらなる構成要素を形成するのに好都合である。
次に、第６の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。
前述された第５の実施例の製造方法に引き続き、化学気相堆積（ＣＶＤ）法またはスピンコーティング法等を用い、コア層３の上表面上に、石英ガラス、窒化珪素、ポリイミド等から成る層を形成する。この層の厚さは、形成すべき第２のクラッド層９と同厚である。
電子線リソグラフィ法またはフォトリソグラフィ法により、形成すべき第２のクラッド層９に対応する位置および形状のパターンを転写する。続いて、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法等により、前記層のうちの不要な部分を除去し、第２のクラッド層９を形成する。
以上の製造方法により、第６の実施例による光位相シフタが製造される。
第６の実施例による光位相シフタは、第５の実施例による光位相シフタにさらに、第２のクラッド層が設けられている。この第２のクラッド層は、光が閉じ込められる導波路領域３０２付近を、外部環境からの物理的または化学的なダメージから保護することができ、より信頼性の高い光位相シフタが得ることができる。The optical phase shifter according to the sixth embodiment of the present invention shown in FIGS. 8A and 8B differs from the fifth embodiment shown in FIGS. 7A and 7B in that the optical phase shifter includes the second cladding layer 9. . Therefore, detailed description of the same or similar parts as those in the fifth embodiment is omitted.
Referring to FIGS. 8A and 8B, a rib 301 is formed on the lower surface as the first surface of the core layer 3 as in the optical phase shifter according to the fifth embodiment. The light is confined in the waveguide region 302 and propagates in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 8B.
The second cladding layer 9 sandwiches the waveguide region 302 on the upper surface as the second surface of the core layer 3 in cooperation with the first cladding layer 2 in the same manner as the heating / cooling means 4. The waveguide region 302 is formed along the waveguide region 302. Unlike the fourth embodiment, the second cladding layer 9 has a flat shape, for example, the same thickness as the heating / cooling means 4. The second cladding layer 9 functions as a protection unit that keeps the electromagnetic field distribution of light propagating through the waveguide region 302 of the core layer 3 away from the external environment. For the second cladding layer 9, a material having a refractive index lower than that of the core layer 3 is selected. As a material of the second cladding layer 9, quartz glass (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) is preferable from the viewpoint of transparency, refractive index, stability, and the like. The material of the second cladding layer 9 is slightly inferior in transparency and stability, and is preferably a resin such as polyimide from the viewpoint of film formation simplicity. Since the optical phase shifter according to the sixth embodiment has a flat upper surface, it is convenient to form additional components on the optical phase shifter when manufacturing an optical switch or the like.
Next, a method for manufacturing an optical phase shifter according to the sixth embodiment will be described.
Subsequent to the manufacturing method of the fifth embodiment described above, a layer made of quartz glass, silicon nitride, polyimide or the like on the upper surface of the core layer 3 by using a chemical vapor deposition (CVD) method or a spin coating method. Form. The thickness of this layer is the same as that of the second cladding layer 9 to be formed.
A pattern having a position and shape corresponding to the second cladding layer 9 to be formed is transferred by electron beam lithography or photolithography. Subsequently, an unnecessary portion of the layer is removed by a reactive ion etching (RIE) method or the like to form a second cladding layer 9.
The optical phase shifter according to the sixth embodiment is manufactured by the above manufacturing method.
The optical phase shifter according to the sixth embodiment is further provided with a second cladding layer in addition to the optical phase shifter according to the fifth embodiment. The second cladding layer can protect the vicinity of the waveguide region 302 where light is confined from physical or chemical damage from the external environment, and a more reliable optical phase shifter can be obtained. .
図９Ａおよび９Ｂに示された本発明の第７の実施例による光位相シフタは、加熱／冷却手段として、薄膜ヒータの代わりにペルチェ素子を用いている点、ならびに、第２の溝部８を備えている点が、図３Ａおよび３Ｂに示された第１の実施例と異なる。したがって、第１の実施例や第３の実施例と同一または同様部については、詳細な説明を省略する。
尚、ペルチェ素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが交互に電極を介して直列に接続された構成である。ペルチェ素子に直流電流を流すと、Ｐ型半導体からＮ型半導体に電流が流れる箇所の電極部が加熱される一方、Ｎ型半導体からＰ型半導体に電流が流れる箇所の電極部が冷却される。
図９Ａおよび９Ｂを参照すると、コア層３は、シリコンから成っている。加熱／冷却手段としてのペルチェ素子は、銅（Ｃｕ）等の金属から成る第１の電極４０３、第２の電極４０４を介して交互に直列に接続された複数のＰ型シリコン領域４０１およびＮ型シリコン領域４０２を有している。
隣り合うＰ型シリコン領域４０１とＮ型シリコン領域４０２との間には、Ｐ型シリコン領域４０１とＮ型シリコン領域４０２との間で電流が直接流れないようにするための複数のスロット部４０５が形成されている。スロット部４０５は、コア層３をその厚さ方向に貫通している。スロット部４０５は、コア層３のうちのＰ型シリコン領域４０１およびＮ型シリコン領域４０２以外の部分を通じて電極４０３と電極４０４との間で熱が伝わるのを防ぐ断熱手段としても機能する。
ペルチェ素子に直流電流を流すと、電流の向きに応じて、第１の電極４０３が加熱される一方で第２の電極４０４が冷却される、もしくは、第１の電極４０３が冷却される一方で第２の電極４０４が加熱される。ペルチェ素子は、この反対の効果により、加熱のみ可能な薄膜ヒータに比べ、より大きい温度変化を低い消費電力で導波路領域３０２に与えることができる。
第７の実施例においては、第１の実施例の加熱／冷却手段をペルチェ素子に置き換えた例を説明したが、本明細書に記載したそれ以外の実施例についても、同様に加熱／冷却手段４として薄膜ヒータをペルチェ素子に置き換えることが可能であり、同様の効果が得られる。
また、加熱／冷却手段としてペルチェ回路を用いる場合は、図９Ａおよび９Ｂに示すようにコア層のリブ側に断熱手段としての溝部（第２の溝部８）を設けることが好ましい。しかし、ペルチェ回路側にも断熱手段としての溝部（第１の溝部）を設けることができる。この場合は、第１の溝部とペルチェ回路との間隔を一定距離離して配置する。
次に、第７の実施例による光位相シフタの製造方法を説明する。
前述された第１の実施例の製造方法において、薄膜ヒータを作成する工程の代わりに、イオン打ち込み法等により、Ｐ型シリコン領域４０１とＮ型シリコン領域４０２が形成される。例えば、コア層３にリン（Ｐ）等の不純物がイオン注入されてＮ型シリコン領域４０２が形成される一方、コア層３にボロン（Ｂ）等の不純物がイオン注入されてＰ型シリコン領域４０１が形成される。
さらに、薄膜ヒータの作成方法と同様の方法により、第１の電極４０３および第２の電極４０４を形成する。
さらにまた、第２および第３の実施例と同様の方法により、第２の溝部８と、スロット部４０５が形成される。
以上の製造方法により、第７の実施例による光位相シフタが製造される。
第７の実施例による光位相シフタは、薄膜ヒータよりも少ない電力で大きい温度変化を導波路領域３０２に与えることができる。このため、低い消費電力ならびに速い応答速度が得られる。The optical phase shifter according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIGS. 9A and 9B includes a Peltier element instead of a thin film heater as heating / cooling means, and a second groove 8. This is different from the first embodiment shown in FIGS. 3A and 3B. Therefore, detailed description of the same or similar parts as those in the first and third embodiments is omitted.
The Peltier device has a configuration in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately connected in series via electrodes. When a direct current is passed through the Peltier element, the electrode portion where the current flows from the P-type semiconductor to the N-type semiconductor is heated, while the electrode portion where the current flows from the N-type semiconductor to the P-type semiconductor is cooled.
Referring to FIGS. 9A and 9B, the core layer 3 is made of silicon. A Peltier device as a heating / cooling means includes a plurality of P-type silicon regions 401 and N-type that are alternately connected in series via a first electrode 403 and a second electrode 404 made of a metal such as copper (Cu). A silicon region 402 is included.
Between adjacent P-type silicon region 401 and N-type silicon region 402, there are a plurality of slot portions 405 for preventing current from flowing directly between P-type silicon region 401 and N-type silicon region 402. Is formed. The slot portion 405 penetrates the core layer 3 in the thickness direction. The slot portion 405 also functions as a heat insulating means for preventing heat from being transferred between the electrode 403 and the electrode 404 through a portion of the core layer 3 other than the P-type silicon region 401 and the N-type silicon region 402.
When a direct current is passed through the Peltier element, the first electrode 403 is heated while the second electrode 404 is cooled or the first electrode 403 is cooled depending on the direction of the current. The second electrode 404 is heated. Due to the opposite effect, the Peltier element can apply a larger temperature change to the waveguide region 302 with lower power consumption than a thin film heater that can only be heated.
In the seventh embodiment, an example in which the heating / cooling means of the first embodiment is replaced with a Peltier element has been described. However, the heating / cooling means is similarly applied to the other embodiments described in this specification. 4, the thin film heater can be replaced with a Peltier element, and the same effect can be obtained.
Moreover, when using a Peltier circuit as a heating / cooling means, it is preferable to provide the groove part (2nd groove part 8) as a heat insulation means in the rib side of a core layer, as shown to FIG. 9A and 9B. However, a groove (first groove) as a heat insulating means can be provided also on the Peltier circuit side. In this case, the distance between the first groove and the Peltier circuit is arranged at a certain distance.
Next, a method for manufacturing an optical phase shifter according to the seventh embodiment will be described.
In the manufacturing method of the first embodiment described above, the P-type silicon region 401 and the N-type silicon region 402 are formed by ion implantation or the like instead of the step of forming the thin film heater. For example, an impurity such as phosphorus (P) is ion-implanted into the core layer 3 to form an N-type silicon region 402, while an impurity such as boron (B) is ion-implanted into the core layer 3 to form a P-type silicon region 401. Is formed.
Further, the first electrode 403 and the second electrode 404 are formed by a method similar to the method for forming the thin film heater.
Furthermore, the second groove 8 and the slot 405 are formed by the same method as in the second and third embodiments.
By the above manufacturing method, the optical phase shifter according to the seventh embodiment is manufactured.
The optical phase shifter according to the seventh embodiment can apply a large temperature change to the waveguide region 302 with less power than the thin film heater. For this reason, low power consumption and fast response speed can be obtained.
以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、当該特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。
この出願は、２００７年１０月１８日に出願された日本出願特願第２００７−２７０９４６号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。The present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various modifications are possible within the technical scope described in the claims.
This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2007-270946 for which it applied on October 18, 2007, and takes in those the indications of all here.
Claims (10)
前記コア層は、該コア層の第１の表面から突出すると共に長手方向に延びるように形成されたリブと、前記リブに隣接すると共に沿うように前記コア層の内部に位置し、前記光導波路として機能する導波路領域とを備えており、
前記加熱／冷却手段は、前記コア層の前記第１の表面または第２の表面に、前記導波路領域に間隔を置くと共に沿うように配置されていることを特徴とする光位相シフタ。A first clad layer formed on the substrate and optically transparent, and formed on the first clad layer, optically transparent and having a refractive index and a thermal conductivity higher than those of the first clad layer. Having a high core layer and heating / cooling means for heating / cooling the optical waveguide,
The core layer is disposed inside the core layer so as to protrude from the first surface of the core layer and extend in the longitudinal direction, and adjacent to and along the rib. And a waveguide region that functions as
The optical phase shifter is characterized in that the heating / cooling means is disposed on the first surface or the second surface of the core layer so as to be spaced along the waveguide region.
前記加熱／冷却手段は、前記リブと前記第１の溝部との間に位置している請求項１または２に記載の光位相シフタ。Formed on the first surface or the second surface of the core layer so as to extend along at least the core layer of the core layer and the first cladding layer in the thickness direction along the rib. A first groove portion formed,
The optical phase shifter according to claim 1, wherein the heating / cooling unit is located between the rib and the first groove.
前記リブは、前記加熱／冷却手段と前記第２の溝部との間に位置している請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光位相シフタ。Formed on the first surface or the second surface of the core layer so as to extend along at least the core layer of the core layer and the first cladding layer in the thickness direction along the rib. A second groove portion formed,
4. The optical phase shifter according to claim 1, wherein the rib is located between the heating / cooling unit and the second groove portion. 5.
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