WO2008047634A1 - Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci - Google Patents

Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci Download PDF

Info

Publication number
WO2008047634A1
WO2008047634A1 PCT/JP2007/069715 JP2007069715W WO2008047634A1 WO 2008047634 A1 WO2008047634 A1 WO 2008047634A1 JP 2007069715 W JP2007069715 W JP 2007069715W WO 2008047634 A1 WO2008047634 A1 WO 2008047634A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cladding layer
layer
sacrificial layer
optical waveguide
thermo
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/069715
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Morio Takahashi
Original Assignee
Nec Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nec Corporation filed Critical Nec Corporation
Priority to JP2008539754A priority Critical patent/JPWO2008047634A1/ja
Priority to US12/443,319 priority patent/US8027554B2/en
Publication of WO2008047634A1 publication Critical patent/WO2008047634A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0147—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on thermo-optic effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/011—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass
    • G02F1/0113—Glass-based, e.g. silica-based, optical waveguides

Definitions

  • the present invention relates to a thermo-optic phase shifter and a method for manufacturing the same, and particularly suitable for use as an optical device such as a switch, a variable attenuator, or a wavelength filter using a phase change due to a thermo-optic effect.
  • the present invention relates to a phase shifter and a manufacturing method thereof.
  • optical switches For this reason, recently, there is an increasing need for small optical circuit components that can be integrated at high density and can be applied to optical devices such as optical switches. Regarding optical switches, several single optical switches have been realized in the past, and matrix switches with multiple input / output ports using many of these optical switches have been put into practical use.
  • thermo-optic phase shifter is realized as follows. First, an optical waveguide composed of a clad layer and a core is fabricated on a substrate (not shown). A conductive thin film such as a metal thin film is formed on the thus produced optical waveguide, processed into a thin line shape along the optical waveguide, and energized. When electric power is applied to the thin film from the outside, heat is generated by the electric resistance of the thin film and it operates as a heater for the optical waveguide.
  • the heat generated by this heater travels through the cladding layer of the optical waveguide and reaches the core.
  • the refractive index of the portion heated by the heater in the optical waveguide increases.
  • the effective waveguide length becomes longer corresponding to the change in refractive index and the waveguide length due to this, and the phase of light shifts at the output end.
  • the amount of phase shift can be controlled arbitrarily by adjusting the power input to the heater.
  • the refractive index temperature coefficient of the quartz glass (dn / d T) is about 1 X 10- 5 (/ ° C ).
  • one optical waveguide is branched into two at the input end, and at least one of them is connected to the thermo-optic phase shifter, and at the output end, the two branched optical waveguides are recombined.
  • the power S can be realized.
  • the output at the output end can be made zero by shifting the phases of light guided through two branched optical waveguides by half a wavelength.
  • the input light can be output as it is. In this way, on / off of the output can be controlled by controlling the phase of light.
  • thermo-optic phase shifters that have been put to practical use so far, for example, when guiding light with a wavelength of 1550 nm (nanometer) that is normally used for optical communications, the power required to change the phase by half a wavelength is It is about 400mW (milliwatt) per channel.
  • thermo-optic phase shifter for example, if a 40-channel optical communication circuit is controlled and a switch using the thermo-optic phase shifter described above is provided for each channel, a maximum of 40 X 400mW, that is, 16000mW or 16W of power is required. Will do. Therefore, a method for efficiently using the heat generated by the heater has been proposed as a first proposal (see, for example, Patent Document 4).
  • Figs. 6 and 7 show a first conventional proposal for efficiently using the heat generated by the heater.
  • FIG. 6 shows a VI-VI cross-sectional view in FIG.
  • the thermo-optic phase shifter according to the first proposal has a substrate 101 made of, for example, silicon and having a thickness of 0.8 mm.
  • a sacrificial layer 102 is provided on the substrate 101.
  • the sacrificial layer 102 is formed of, for example, phosphorus-doped silica glass (PSG) in which glass is doped with phosphorus, and the film thickness thereof is, for example, 5 Hm.
  • PSG phosphorus-doped silica glass
  • a clad layer 103 is provided on the sacrificial layer 102.
  • the clad layer 103 is composed of a lower clad layer 104 provided on the sacrificial layer 102 and an upper clad layer 105 provided on the lower clad layer 104.
  • the lower cladding layer 104 and the upper cladding layer 105 are formed of, for example, BPSG (Boro-phospho silicate glass) doped with boron and phosphorus in glass, and the film thicknesses thereof are, for example, 14 Hm and 15 m, respectively.
  • the substrate 101 may be formed of a semiconductor other than silicon or an insulator such as quartz glass.
  • the sacrificial layer 102 is not limited to PSG, and may be formed of a material that can be selectively etched with respect to the substrate 101 and the clad layer 103, which has a higher etching speed than the substrate 101 and the clad layer 103. As long as this condition is satisfied, for example, it may be formed of glass other than semiconductors or PSG! /, Or even! /.
  • a core 106 extending in a direction parallel to the surface of the substrate 101 is provided on the lower clad layer 104, and the upper clad layer 105 is provided so as to cover the core 106.
  • An optical waveguide 107 is formed by the core 106 and the cladding layer 103 around the core 106.
  • the shape of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the core 106 is a rectangle having a height of 5 ⁇ 5 111 and a width of 5 ⁇ 5 111, for example.
  • the core 106 is made of a material having a higher refractive index than that of the cladding layer 103, for example, GP SG (germanium 'phosphorus-doped silica glass), and the relative refractive index difference ⁇ between the core 106 and the cladding layer 103 is, for example, 0 ⁇ 65%.
  • GP SG germanium 'phosphorus-doped silica glass
  • a thin film heater 108 is provided on the optical waveguide 107, that is, on the surface of the upper cladding layer 105.
  • the thin film heater 108 is a thin film made of chromium, for example, and the film thickness is 0.2 111, for example.
  • the thin film heater 108 includes electrode portions 108A at both ends and a heater portion 108B between the electrode portions 108A.
  • the electrode portion 108A has a square shape, for example, and the heater portion 108B has a width of For example, it is a fountain with a length of 10 ⁇ m and a length of 4 mm, for example.
  • the regions 109 located on both sides of the optical waveguide 107 are grooves 109 extending in parallel with the direction in which the core 106 extends. Is formed.
  • the grooves 109 are formed at two locations so as to sandwich the optical waveguide 107.
  • the longitudinal direction of the groove 109 that is, the length in the direction in which the core 106 extends is, for example, 4 mm, and the width of the groove 109, ie, the length in the direction orthogonal to the direction in which the core 106 extends, is, for example, 250 m.
  • the depth of the groove 109 is 29 m, for example.
  • the distance between the grooves 109, that is, the ridge width of the optical waveguide 107 is, for example, 25 m. Furthermore, between the optical waveguide 107 and the substrate 101, the sacrificial layer 102 is removed and a gap 111 is formed (FIG. 6). The height of the gap 111 is, for example, 5 111 which is equal to the film thickness of the sacrificial layer 102. Thus, the optical waveguide 107 is separated from the cladding layer 103, the sacrificial layer 102, and the substrate 101 other than the optical waveguide 107 by the two grooves 109 and the gap 111, and has a bridge shape. The sacrificial layer 102 is formed on the entire surface of the substrate 101 except for the gap 111! /.
  • thermo-optic phase shifter in order to reduce the power consumption, from the viewpoint of preventing heat generated by the thin film heater 108 from escaping to the substrate 101 side, an optical waveguide is provided.
  • the sacrificial layer 102 located below 107 is removed, and the optical waveguide 107 has a bridge structure.
  • FIGS. 8A to 8C show an outline of the first proposed method for manufacturing a thermo-optic phase shifter.
  • phosphorus-doped silica glass PSG
  • a lower cladding layer 104 is formed thereon
  • a core 106 is disposed thereon so as to cover it.
  • the upper cladding layer 105 is formed to form an optical waveguide.
  • a thin film heater 108 is formed on the surface of the upper cladding layer 105.
  • a resist 112 is formed on the thin film heater 108, and using this resist 112 as a mask, a groove reaching the substrate 101 made of a silicon thin film at a position sandwiching the optical waveguide. 109 is formed by etching.
  • thermo-optic phase shifter can be fabricated.
  • an over clad is formed so as to cover the core to form an optical waveguide, a heater is formed on the optical waveguide, and a groove is provided to remove the silicon terrace.
  • a technique is disclosed (see, for example, Patent Document 5).
  • FIGS. 9A to 9G show an outline of the glass waveguide manufacturing method according to the second proposal.
  • a silicon thin film having a thickness of about 2.5 ⁇ m is formed on the entire surface of the substrate by sputtering (not shown). This silicon thin film is put on the silicon terrace 122 by photolithography.
  • an underclad 123 having a thickness of about 8 m is formed by using plasma CVD (Cemical Vapor D mark osition).
  • a core film having a thickness of about 6 mm added with germanium is formed on the entire surface of the underclad 123 (not shown), and the core ( Optical circuit) 124 is formed.
  • an overcladding 125 having a thickness of 30 m is formed by a flame deposition method.
  • the lift-off method also gives a three-layer force of a titanium layer with a thickness of approximately 0.1 lrn, a platinum layer with a thickness of approximately 0.5m, and a gold layer with a thickness of approximately 0.5m.
  • a heater 126 is formed.
  • the exothermic area is made of a two-layer structure of titanium and platinum by removing gold by etching.
  • FIG. 9F (as shown, both sides of the heater and the heater 126 are formed.
  • a pit 127 is formed.
  • the pit 127 is etched until it reaches the silicon terrace 122.
  • FIG. 9G As shown in the figure, the silicon terrace 122 is completely removed over the entire length in the longitudinal direction of the glass waveguide device by etching, and is divided into each device by dicing and irradiated with an excimer laser to form a Bragg grating on the core 124.
  • a waveguide is obtained.
  • thermo-optic phase shifter can be reduced.
  • Patent Document 1 JP-A-9 5653 (paragraph 0011, FIG. 1, FIG. 2)
  • Patent Document 2 JP 2001-255474 A (paragraph 0008, FIG. 2)
  • Patent Document 3 JP-A-62-187826 (Page 5, lower right column, line 4 to page 6, upper right column, line 14)
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-37524 (paragraphs 0041 to 0044, paragraphs 0063 to 0065, FIGS. 1 and 4)
  • Patent Document 5 Japanese Patent No. 3152182 (paragraphs 0024 to 0031, FIG. 2)
  • Non-Patent Document 1 Proceedings of the IEICE General Conference C-3-8 (2002) p. 140 Disclosure of Invention
  • the first and second proposals have the following problems.
  • the technique shown as the second proposal shown in FIGS. 9A to 9G has a problem that selective etching of a silicon thin film is difficult.
  • a chemical solution in which a hydrofluoric acid aqueous solution and nitric acid are mixed is used for etching silicon.
  • This chemical is very troublesome, and the resist and silica glass will also be stripped or etched. For this reason, it is difficult to selectively and safely etch only the silicon thin film.
  • an underclad is formed so as to cover the selectively formed silicon thin film. Therefore, the upper surface of the under clad is not flat, and it is difficult to form the core, over clad, and heater layers on the under clad.
  • the optical waveguide is subjected to a high-temperature annealing process for the purpose of removing impurities that cause loss and increasing the density in order to reduce propagation loss and ensure reliability.
  • a high-temperature annealing process for the purpose of removing impurities that cause loss and increasing the density in order to reduce propagation loss and ensure reliability.
  • SiON suitable for increasing the refractive index is used as the material of the optical waveguide core
  • infrared absorption caused by O—H coupling or N—H coupling is in the vicinity of 1500 nm in the infrared wavelength range used in optical communications. And absorption loss will increase.
  • annealing must be performed at a temperature exceeding 1000 ° C.
  • the glass film becomes dense due to the high-temperature annealing, it is possible to produce a highly reliable device that is not affected by the outside for a long time.
  • the technique disclosed as the first proposal shown in FIGS. 6 to 8C has a problem that the sacrificial layer and the clad layer cannot withstand the high-temperature annealing.
  • the heat resistance of glass has a large relationship with the softening temperature of the material.
  • the softening temperature of glass added with boron and phosphorus!
  • additives are used to ensure etching selectivity between the sacrificial layer and the cladding layer. For this reason, the softening temperature is considerably lowered, and when high-temperature annealing is performed, bubbles may be generated or devitrification may occur due to the influence of additives and internal crystal precipitation reaction. .
  • the softening temperature of the lower cladding layer and sacrificial layer is low, so the position of the optical waveguide core fluctuates during high-temperature annealing, generating propagation loss due to microbending, generating polarization dependence, Serious problems such as fluctuations in transmission characteristics occur.
  • an object of the present invention is to provide a thermo-optic phase shifter and a method for manufacturing the same, which are excellent in high-temperature annealing resistance and long-term reliability, have small residual stress and propagation loss, and polarization dependency of the optical waveguide core. There is.
  • thermo-optic phase shifter is formed on a substrate, a sacrificial layer provided on the substrate, and an upper portion of the sacrificial layer, and the film density thereof is higher than that of the sacrificial layer.
  • a heating heater provided in the region directly above the optical waveguide core of the second cladding layer, and a side region of the optical waveguide core extending from the surface of the second cladding layer to the substrate surface.
  • a material having a lower film density than that of the first cladding layer is used for the sacrificial layer as a material that can withstand high temperatures like the cladding layer.
  • its thermal properties softening temperature
  • the sacrificial layer can be finally and selectively removed while maintaining the high-temperature annealing resistance of the sacrificial layer, and a low power consumption thermo-optic phase shifter can be realized.
  • the sacrificial layer can be formed on the entire surface of the substrate, the upper surface of the sacrificial layer becomes flat, the formation of the clad layer becomes easy, and the optical characteristics of the optical waveguide are improved. Furthermore, a thermal insulation structure can be easily formed by selectively removing the sacrificial layer between the substrate and the first cladding layer through the portion where the cladding layer in the side surface region of the optical waveguide core is removed. be able to.
  • the method of manufacturing a thermo-optic phase shifter according to the present invention includes a sacrificial layer forming step for forming a sacrificial layer on a substrate, and a sacrificial layer formed on the sacrificial layer formed in the sacrificial layer forming step.
  • the first cladding layer forming step for forming the first cladding layer and the optical waveguide core is formed on the first cladding layer formed in the first cladding layer forming step.
  • a material having a lower film density than the first cladding layer is formed as a sacrificial layer as a material that can withstand a high temperature as in the case of the cladding layer, so that high-temperature annealing can be performed. Therefore, it is possible to manufacture a thermo-optic phase shifter that is excellent in long-term reliability and has a low stress applied to the optical waveguide core and can operate with low power consumption.
  • the sacrificial layer can be formed using a plasma-excited chemical vapor deposition method, an atmospheric pressure chemical vapor deposition method, or a sputtering method to produce a thermo-optic phase shifter.
  • the bulk density control of the sacrificial layer can be controlled relatively easily in the plasma enhanced chemical vapor deposition method and the atmospheric pressure chemical vapor deposition method.
  • the sputtering method is suitable for forming a sacrificial layer because the force and density of the sacrificial layer can be controlled relatively easily.
  • thermo-optic phase shifter having excellent optical characteristics with high controllability and high yield.
  • the sacrificial layer and the cladding layer can be continuously formed, and the manufacturing process can be greatly simplified. This As a result, it is possible to reduce the manufacturing cost and increase the yield.
  • the sacrificial layer of the thermo-optic phase shifter portion is removed, the sacrificial layer is left in the other portions, and the sacrificial layer functions as a stress relaxation layer. Therefore, the residual stress applied to the optical waveguide formed in the device is reduced, and the polarization dependence caused by the stress can be reduced.
  • thermo-optic phase shifter of the present invention hardly undergoes shrinkage due to high-temperature annealing during production, and maintains a stable structure. Therefore, the thermo-optic phase shifter can be easily and inexpensively formed with a low power consumption structure. .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a thermo-optic phase shifter in an embodiment of the present invention.
  • 2A] is a cross-sectional view of an essential part showing an outline of the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter of the present embodiment.
  • thermo-optic phase shifter 2B is a cross-sectional view of the main part showing the outline of the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter of the present embodiment.
  • thermo-optic phase shifter A cross-sectional view of the main part showing an outline of the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter of the present embodiment.
  • thermo-optic phase shifter 2D is a cross-sectional view of an essential part showing an outline of the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter of the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a principal part showing an example in which all of the sacrificial layer directly under the optical waveguide core is removed in the present embodiment.
  • thermo-optic phase shifter using high-density NSG as the upper cladding layer in the present embodiment.
  • thermo-optic phase shifter A cross-sectional view of the main part of a conventional thermo-optic phase shifter according to the first proposal.
  • thermo-optic phase shifter It is a plan view of a thermo-optic phase shifter according to the conventional first proposal.
  • thermo-optic phase shifter 8A is a cross-sectional view of an essential part showing an outline of the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter according to the first conventional proposal.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view of an essential part showing an outline of the manufacturing process of the thermo-optic phase shifter according to the first conventional proposal.
  • FIG. 9A is an explanatory view showing an outline of a manufacturing process of a glass waveguide according to a second conventional proposal.
  • FIG. 9B is an explanatory view showing an outline of the manufacturing process of the glass waveguide according to the second conventional proposal.
  • FIG. 9C is an explanatory diagram showing an outline of the manufacturing process of the glass waveguide according to the second conventional proposal.
  • FIG. 9D is an explanatory diagram showing an outline of the manufacturing process of the glass waveguide according to the second conventional proposal.
  • FIG. 9E is an explanatory view showing an outline of the manufacturing process of the glass waveguide according to the second conventional proposal.
  • FIG. 9F is an explanatory view showing an outline of the manufacturing process of the glass waveguide according to the second conventional proposal.
  • FIG. 9G is an explanatory diagram showing an outline of the manufacturing process of the glass waveguide according to the second conventional proposal.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a main part of a thermo-optic phase shifter according to an embodiment of the present invention.
  • the low power consumption type thermo-optic phase shifter 200 of the present embodiment includes a substrate 201, a sacrificial layer 202 provided on the substrate 201, and a lower clad layer 203 formed on the sacrificial layer 202.
  • Heater 206 is provided. Then, at least a part or all of the lower cladding layer 203, the upper cladding layer 205, and the sacrificial layer 202 in the side region of the optical waveguide core 204, and the sacrificial layer 202 in the region immediately below the optical waveguide core 204 are interposed via the groove 207. The heat insulating structure is removed, and the film density of the sacrificial layer 202 is lower than that of the lower clad layer 203.
  • the lower clad layer 203 and the upper clad layer 205 are formed on the sacrificial layer 202 formed first on the substrate 201.
  • it must be able to withstand high-temperature annealing to reduce propagation loss.
  • it is necessary to have a characteristic that only the sacrificial layer 202 can be easily removed at the end.
  • the lower clad layer 203 and the upper clad layer 205 as well as the force sacrificial layer 202 required to have a film quality that can withstand high-temperature annealing cannot be made of the same material as the lower clad layer 203 and the upper clad layer 205.
  • a material having a lower film density than the lower cladding layer 203 and the upper cladding layer 205 is used as the sacrificial layer 202 as a material that can withstand high temperatures similarly to the lower cladding layer 203 and the upper cladding layer 205.
  • the sacrificial layer 202 is a material that can withstand high temperatures, its thermal properties (softening temperature) are not determined by the film density, but if it is removed by reaction with a material such as wet etching or dry etching, the removal rate can be increased. it can. Therefore, the sacrificial layer 202 can be removed preferentially and selectively while maintaining the high-temperature annealing resistance of the sacrificial layer 202, and a low power consumption thermo-optic phase shifter can be realized.
  • the sacrificial layer 202 can be formed on the entire surface of the substrate 101, the upper surface of the sacrificial layer 202 becomes flat. This facilitates the formation of the lower cladding layer 203 and the upper cladding layer 205 and improves the optical characteristics of the optical waveguide. Further, the substrate 201 and the lower clad layer 203 are connected to each other through the portion where the upper clad layer 205 in the side surface region of the optical waveguide core 204 is removed. By selectively removing the sacrificial layer 202 therebetween, a heat insulating structure can be easily formed. As a result, it becomes possible to easily produce a thermo-optic phase shifter with excellent optical characteristics with high controllability and high yield. Further, the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203 can be continuously formed, and the manufacturing process can be greatly simplified. As a result, it is possible to reduce the production cost and increase the yield.
  • the sacrificial layer 202 constituting the thermo-optic phase shifter 200 even if the sacrificial layer 202 constituting the thermo-optic phase shifter 200 is removed, the sacrificial layer 202 remains in the other parts constituting the device. These remaining sacrificial layers 202 function as stress relaxation layers. For this reason, the force and residual stress applied to the optical waveguide formed in the device are reduced, and the force S that reduces the polarization-dependent lifetime generated by the stress is reduced.
  • the force S and the density of the sacrificial layer 202 as a value obtained by dividing the mass by the volume are 2. Og / cm 3 or more.
  • the strength and density of ordinary silica glass is approximately 2.3 g / cm 3 .
  • the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203 are preferably made of silica glass.
  • Optical waveguides made mainly of silica glass can be annealed at temperatures exceeding 1000 ° C, and propagation loss can be kept low.
  • the thermo-optic phase shifter 200 can change the film density arbitrarily from 2.0 to 2.3 g / cm 3 under the film deposition conditions of the chemical vapor deposition method and the high-temperature annealing conditions.
  • the clad layer can be formed by the same method. Therefore, the power S can be achieved to realize the thermo-optic phase shifter 200 that is simple, low-cost and low power consumption.
  • the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203 are composed of one or more impurity materials, either silica glass, phosphor glass, boron glass, or germanium glass. It may be.
  • the optical waveguide is a device formed by utilizing the difference between the refractive index of the lower clad layer 203 and the upper clad layer 205 and the refractive index of the core layer, and it is necessary to precisely control the respective refractive indexes.
  • a mixed material of silica glass and other impurities for adjusting the refractive index is mixed with the lower cladding layer 203 and And may be used for the upper clad layer 205.
  • the difference in content of impurity materials contained in the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203 is 1 wt% or less. If there is a large difference in the content of the impurity material, an etching difference due to the content of the impurity material may occur in the process of removing the sacrificial layer 202, and there may be a difference in high-temperature annealing resistance. For this reason, the materials of the sacrificial layer 202 and the lower cladding layer 203 are preferably as close as possible. If the content difference of the impurity material is less than 1 wt%, there is almost no difference in heat resistance and etching characteristics.
  • the contents of the impurity materials contained in the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203 are 4 wt% or less, respectively. This is because, as the impurity content increases, the softening temperature decreases, so that high-temperature annealing resistance for reducing loss cannot be obtained.
  • the impurity content is 4 wt% or less, high-temperature annealing resistance of 1000 ° C or more can be obtained, and a glass material satisfying the function as a sacrificial layer and the necessary requirements as a cladding layer can be realized.
  • thermo-optic phase shifter 200 includes the following steps.
  • thermo-optic phase shifter 200 can perform high-temperature annealing, is excellent in long-term reliability, has low stress on the optical waveguide core, and can operate with low power consumption.
  • the thermo-optic phase shifter 200 can be manufactured by forming the sacrificial layer 202 using a plasma enhanced chemical vapor deposition method, an atmospheric pressure chemical vapor deposition method, or a sputtering method.
  • plasma enhanced chemical vapor deposition and conventional In the pressure chemical vapor deposition method, the bulk density of the sacrificial layer 202 can be controlled relatively easily.
  • the sputtering method can control the bulk density of the sacrificial layer 202 relatively easily. Therefore, it can be said that the manufacturing method is suitable for forming the sacrificial layer 202.
  • FIGS. 2A to 2D show the outline of the manufacturing method of the thermo-optic phase shifter of the present embodiment.
  • a sacrificial layer 202 having a low film density and capable of withstanding high temperatures exceeding 1000 ° C., for example, non-doped silica glass (NSG) is formed on a substrate 201.
  • NSG non-doped silica glass
  • P—CVD Plasma chemical vapor deposition method
  • the film quality is controlled by the type of gas introduced into the film formation chamber of a CVD apparatus (not shown), the pressure in the chamber, the temperature of the substrate 201, and the high-frequency energy for plasma generation.
  • the film density of the formed non-doped silica glass (NSG) can be decreased by lowering the temperature of the substrate 201 or increasing the pressure in the chamber. Therefore, in the present embodiment, the substrate temperature at the time of forming the sacrificial layer 202 is set lower than that at the time of forming the lower clad layer 203 and the pressure in the chamber is set higher, so that the sacrificial layer 202 is formed.
  • the film density was lower than that of the lower clad layer 203 to form 411 m.
  • a method of measuring the film density of the sacrificial layer 202 is possible by measuring, for example, volume weight, but precise measurement is difficult. For this reason, the following method is the simplest and most reliable method. That is, in this embodiment, after forming the sacrificial layer 202, for example, non-doped silica glass (NSG) is formed as the lower clad layer 203 whose film density is higher than that of the sacrificial layer 202. At this time, the most important is the film density difference between the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203.
  • NSG non-doped silica glass
  • FIG. 3A and FIG. 3B are for explaining the state of measurement of the etching rate difference.
  • FIG. 3A shows a state in which a portion where the substrate 201, the sacrificial layer 202, and the lower clad layer 203 are stacked is cut in a direction perpendicular to the substrate 201 in the direction of an arrow 221 and a cross section is taken out.
  • the sacrificial layer 202 is made of non-doped silica glass (NSG) having a low film density
  • the lower cladding layer 203 is made of non-doped silica glass having a high film density.
  • etching is performed on the entire cross section. Since the etching speed is faster when the film density is lower, a step is formed between the sacrificial layer 202 and the lower cladding layer 203 in the cross section, as shown in FIG. 3B. It is possible to confirm the difference in film density depending on the level of this step. However, as disclosed in Patent Document 4, if the difference between the additives contained in each of the sacrificial layer 202 and the lower cladding layer 203 is greatly different, a difference S is generated in the etching rate.
  • the amount of additive contained in the glass film should be confirmed by quantitatively analyzing the additive in the sacrificial layer 202 and the lower cladding layer 203 using an analytical instrument such as micro-region X-ray analysis or SIMS (Secondary Ionization Mass Spectra meter). Can do. In this way, the force S is used to clarify whether the etching rate is determined by the amount of additive or the film density.
  • an analytical instrument such as micro-region X-ray analysis or SIMS (Secondary Ionization Mass Spectra meter).
  • an optical waveguide core 204 having a SiON force was formed on the surface of the lower cladding layer 203.
  • the optical waveguide core 204 is particularly where light power is concentrated, and slight fluctuation and deformation greatly affect the light transmission characteristics.
  • substances that cause infrared absorption for example, O—H bonds or N—H bonds
  • silicon is used for the sacrificial layer 202, or the sacrificial layer 202 of phosphorus-doped silica glass (PSG) containing a large amount of additives or the lower cladding layer 203 of BPSG is used.
  • PSG phosphorus-doped silica glass
  • problems arise.
  • the sacrificial layer 202 is silicon
  • the thermal expansion coefficient differs from that of the non-doped silica glass (NSG) constituting the lower cladding layer 203.
  • NSG non-doped silica glass
  • birefringence is generated by applying external force to the optical waveguide core 204, for example.
  • the light transmission characteristics are adversely affected.
  • the lower cladding layer that should support the optical waveguide core 204 is deformed because the melting temperature is low. End up. As a result, the shape of the optical waveguide core 204 is deformed, and adverse effects such as an increase in propagation loss and deterioration of light transmission characteristics occur. For this reason, the sacrificial layer 202 and the lower clad layer 203 excellent in high-temperature annealing resistance are essential, and the method of forming the sacrificial layer 202 with a film density difference as in this embodiment is effective.
  • the upper clad layer 205 is formed, and the heating heater 206 is formed immediately above the optical waveguide core 204.
  • the upper clad layer 205 does not necessarily have to be resistant to high-temperature annealing! /.
  • the optical waveguide core 204 is deformed according to the annealing, it is deformed in accordance with the shape of the optical waveguide core 204.
  • the embedded state around the optical waveguide core 204 is good, and the flatness of the surface can be ensured.
  • glass having excellent high-temperature annealing resistance can also be used as the upper cladding layer 205.
  • boron phosphorus silica glass (BPSG) is used to give priority to good embedding characteristics and surface flatness.
  • BPSG boron phosphorus silica glass
  • a distance of 20 Hm from the center of the optical waveguide core 204 is placed on both sides of the optical waveguide core 204 immediately below where the heater pattern is formed by the heater 206.
  • a groove 207 was formed.
  • the groove 207 was formed by using a resist 208 formed on the upper cladding layer 205 and a reactive ion etching apparatus (RIE).
  • RIE reactive ion etching apparatus
  • the shape is such that side etching can be performed uniformly from the side of the sacrificial layer 202.
  • a wet etching method is suitable for side etching as shown in FIG. 2D.
  • a buffered hydrofluoric acid aqueous solution (BHF) is optimal for the non-doped silica glass (NSG) formed as the sacrificial layer 202 in this embodiment.
  • the sacrificial layer 202 was etched using a buffered hydrofluoric acid aqueous solution (BHF).
  • BHF buffered hydrofluoric acid aqueous solution
  • the etching rate ratio of the sacrificial layer 202 to the lower cladding layer 203 is 1.5 times. Etching was designed so that a part of the sacrificial layer 202 remains, so that the strength of the heat insulating structure is maintained.
  • the clad layer 203 was etched by 10 m from both directions, and the upper clad layer 205 was etched by 5 Hm from both directions.
  • the width of the remaining sacrificial layer 202 was 10 ⁇ m, the width of the lower cladding layer 203 was 20 am, and the width of the upper cladding layer 205 was 30 ⁇ m.
  • FIG. 4 shows an example in which all of the sacrificial layer immediately below the optical waveguide core is removed.
  • the power consumption of an optical switch is defined as the amount of power required to switch the contact on / off, that is, the amount of power required for the phase change amount to be ⁇ (rad).
  • the power consumption was 400 mW when neither the trench 207 nor the sacrificial layer 202 was etched.
  • the power consumption of the optical switch was reduced to 200mW.
  • the sacrificial layer 202 is etched to obtain the structure of this embodiment, whereby the power consumption of the optical switch is reduced to lOOmW. In this way, the power consumption of the optical switch can be further reduced by half compared to the case where the groove 207 is simply formed.
  • the thickness of the sacrificial layer 202 is increased, the formation distance of the groove 207 is decreased, the width of the remaining sacrificial layer 202 is decreased, or the sacrificial layer 202 is formed as shown in FIG. It is possible to further reduce power consumption by taking measures such as removing all of them.
  • the sacrificial layer 202 after etching the upper clad layer 205 having a width of 30 am and the lower clad layer 203 having a width of 20 ⁇ m is similar to the embodiment shown in FIG.
  • the power consumption of the optical switch can be 40 mW or less.
  • the upper cladding layer 205 is doped with boron and phosphorus in the glass.
  • the power of using BPSG is not limited to this. It is also possible to use high-density non-doped silica glass (NSG).
  • NSG high-density non-doped silica glass
  • BHF buffered hydrofluoric acid solution
  • the upper cladding layer becomes wider. This leads to a decrease in thermal resistance and an increase in heat capacity of the heat insulating part, which has a slight adverse effect on low power consumption and operation speed. Therefore, as long as the light propagating through the optical waveguide core 204 is not affected, it is desirable that the upper clad layer 205 and the lower clad layer 203 have the same width and are as narrow as possible.
  • FIG. 5 shows the main part of a thermo-optic phase shifter using high-density NSG as the upper cladding layer.
  • high-density NSG for the upper cladding layer 205 in this way, the widths of the upper cladding layer 205 and the lower cladding layer 203 can be made the same.
  • the upper clad layer 205 can be annealed at a high temperature like the lower clad layer 203. For this reason, an optical waveguide with lower loss and excellent long-term reliability can be produced.
  • the film thickness can be widened and the film thickness can be narrowed. That is, it is important to design the structural parameters according to the wavelength, the refractive index difference between the optical waveguide core 204 and the upper cladding layer 205 and the lower cladding layer 203, and the required switching speed. In any situation, the present invention greatly contributes to low power consumption, low loss, and low polarization dependency.
  • the present invention is used, for example, in optical devices such as switches, variable attenuators, wavelength filters, and the like that utilize a phase change due to a thermo-optic effect.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

明 細 書
熱光学位相シフタ及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、熱光学位相シフタ及びその製造方法に係わり、特に熱光学効果による 位相変化を利用したスィッチや可変減衰器、波長フィルタなどの光デバイスとして使 用することが好適な熱光学位相シフタ及びその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 光通信分野における多チャンネル化は、波長分割多重（WDM : Wavelength Divisi on Multiplexing)通信方式の出現により急速に促進されている。これに伴い、チャン ネルごとの機能的な制御を実現しょうとすると、チャンネル数に応じた数の光素子が 必要となってくる。例えば各チャンネルのパワーを一定に揃える制御を行ったり、スィ ツチングを行うような場合である。
[0003] このため、近時、高密度集積が可能で光スィッチ等の光デバイスに適用することの できる小型光回路部品の必要性が高まっている。光スィッチに関しては、従来、単体 の光スィッチが幾つか実現されており、これらの光スィッチを多数使用した複数の入 出力ポートを持つマトリックススィッチも実用化されている。
[0004] 光スィッチを実現する技術は従来から各種提案されている。例えば、入力ポート及 び出力ポートを機械的に動かして接続する方法 (例えば、特許文献 1参照）、可動式 のミラーを回転して所定の角度に傾けることにより入力ポートと出力ポートとを接続す る方法 (例えば、特許文献 2及び非特許文献 1参照）、液晶を使用する方法 (例えば 、特許文献 3参照）、交差接続された導波路の交差点で泡を発生させる等の手段に より光の反射を制御し入力 ·出力ポート間の接続を変更する方法等のように多岐に亘 つている。
[0005] この中でも、熱光学位相シフタを利用した平面光波回路（PLC : Plan Light-wave Ci rcuit)型デバイスは、その作製プロセスに半導体回路の作製技術を利用することがで きる。このため、作製の容易さ及び集積性が極めて優れており、高機能化'大規模化 にも有利であるとレ、う特長を持ってレ、る。 [0006] 通常、熱光学位相シフタは次のようにして実現される。まず、図示しない基板上にク ラッド層及びコアからなる光導波路を作製する。このようにして作製した光導波路上 に金属薄膜等の導電性薄膜を成膜して光導波路に沿った細線形状に加工し、通電 できるようにする。この薄膜に外部から電力を投入すると、薄膜の電気抵抗により熱 が発生して、光導波路のヒータとして動作する。このヒータにより発生した熱は、光導 波路のクラッド層を伝わってコアに達する。その結果、光導波路におけるヒータで加 熱された部分の屈折率が増加する。これによる屈折率の変化量と導波路長とに対応 して実効導波路長が長くなり、出力端で光の位相がシフトする。ヒータに投入する電 力を調節することにより、位相のシフト量を任意に制御することができる。なお、光導 波路が石英ガラスにより形成されている場合、石英ガラスの屈折率温度係数 (dn/d T)は約 1 X 10—5 (/°C)である。
[0007] そこで、 1本の光導波路を入力端で 2本に分岐して、その少なくとも一方を熱光学位 相シフタに接続すると共に、これらの出力端では 2本に分岐した光導波路を再結合さ せることにより、光スィッチを実現すること力 Sできる。例えば、 2本の分岐された光導波 路を導波する光の位相を相互に半波長分シフトさせることにより、出力端における出 力をゼロとすることができる。また、 2本の分岐された光導波路の位相をシフトさせな ければ、入力された光をそのまま出力することができる。このように光の位相の制御に よって、出力のオン'オフを制御することができる。
[0008] ところで、多チャンネル化に対応するために、 1つの光回路内に複数の熱光学位相 シフタを配置すると、 1つの熱光学位相シフタが消費する電力が大きい場合、光回路 全体の消費電力が極めて大きくなつてしまう。これまでに実用化された熱光学位相シ フタでは、例えば光通信に通常使用される波長が 1550nm (ナノメートル）の光を導 波させる場合、位相を半波長分変化させるために必要な電力は、 1チャンネル当たり 400mW (ミリワット）程度である。従って、例えば 40チャンネルの光通信回路を制御 するものとし、各チャンネルに、前記した熱光学位相シフタを利用したスィッチを設け たとすると、最大で 40 X 400mW、すなわち 16000mWあるいは 16Wもの電力を必 要とすることになる。そこで、ヒータで発生した熱を効率的に利用する方法が第 1の提 案として提案されている（例えば特許文献 4参照）。 [0009] 図 6及び図 7は、ヒータで発生した熱を効率的に利用する従来の第 1の提案を表わ したものである。ここで、図 6は図 7における VI— VI断面図を表わしている。図 6に示 すように、この第 1の提案による熱光学位相シフタでは、例えばシリコンからなり厚さが 0. 8mmの基板 101を有している。この基板 101上には、犠牲層 102が設けられてい る。犠牲層 102は、例えばガラスにリンをドープしたリン添加シリカガラス（PSG)により 形成されており、その膜厚は例えば 5 H mである。
[0010] 犠牲層 102上にはクラッド層 103が設けられている。クラッド層 103は、犠牲層 102 上に設けられた下側クラッド層 104と、この下側クラッド層 104上に設けられた上側ク ラッド層 105とから構成されている。下側クラッド層 104及び上側クラッド層 105は、例 えばガラスにボロン及びリンをドープした BPSG (Boro-phospho silicate glass)により 形成されており、その膜厚は例えばそれぞれ 14 H m及び 15 mである。なお、基板 101はシリコン以外の半導体又は石英ガラス等の絶縁体から形成されていてもよい。 また、犠牲層 102は、 PSGに限らず、基板 101及びクラッド層 103よりもエッチング速 度が大きぐ基板 101及びクラッド層 103に対して選択エッチングが可能な材料によ り形成されていればよぐこの条件を満たす限り、例えば半導体又は PSG以外のガラ スにより形成されて!/、てもよ!/、。
[0011] 下側クラッド層 104上には基板 101の表面に平行な方向に延びるコア 106が設け られており、上側クラッド層 105はコア 106を覆うように設けられている。コア 106及び コア 106の周囲のクラッド層 103により、光導波路 107が形成されている。コア 106の 長手方向に直交する断面の形状は、高さが例えば 5· 5 111、幅が例えば 5· 5 111の 矩形である。また、コア 106はクラッド層 103よりも屈折率が大きい材料、例えば、 GP SG (ゲルマニウム 'リン添加シリカガラス）により形成されており、コア 106とクラッド層 1 03との比屈折率差 Δは例えば 0· 65%である。
[0012] この第 1の提案の熱光学位相シフタでは、光導波路 107上、すなわち、上側クラッド 層 105の表面に薄膜ヒータ 108が設けられている。薄膜ヒータ 108は例えばクロムか らなる薄膜であり、膜厚は例えば 0. 2 111である。図 7に示すように、薄膜ヒータ 108 は両端部の電極部分 108Aと、電極部分 108A間のヒータ部分 108Bとからなってい る。電極部分 108Aの形状は例えば正方形であり、ヒータ部分 108Bの形状は、幅が 例えば 10 μ m、長さが例えば 4mmの細泉状である。
[0013] また、クラッド層 103及び犠牲層 102における薄膜ヒータ 108の下方に相当する領 域のうちの光導波路 107の両脇に位置する領域には、コア 106が延びる方向と平行 に延びる溝 109が形成されている。溝 109は光導波路 107を挟むように 2ケ所に形成 されている。溝 109の長手方向、すなわちコア 106が延びる方向の長さは例えば 4m mであり、、溝 109の幅、すなわち、コア 106が延びる方向に直交する方向の長さは例 えば 250 mであり、溝 109の深さは例えば 29 mである。溝 109間の距離、すなわ ち、光導波路 107のリッジ幅は例えば 25 mである。更にまた、光導波路 107と基板 101との間においては、犠牲層 102が除去され、隙間 111が形成されている（図 6)。 隙間 111の高さは犠牲層 102の膜厚と等しぐ例えば 5 111である。これにより、光導 波路 107は、 2本の溝 109及び隙間 111により、光導波路 107以外のクラッド層 103 、犠牲層 102及び基板 101から離間され、橋梁状となっている。犠牲層 102は基板 1 01上にお!/、て隙間 111を除く全面に形成されて!/、る。
[0014] このように、第 1の提案の熱光学位相シフタでは、その消費電力を低減するために 、薄膜ヒータ 108が発した熱が基板 101側に逃げることを防止する観点から、光導波 路 107の下方に位置する犠牲層 102を除去し、光導波路 107をブリッジ構造にして いる。
[0015] 図 8A〜8Cは、第 1の提案の熱光学位相シフタの製造方法の概要を表わしたもの である。まず、図 8Aに示すように基板 101の上に犠牲層 102としてリン添加シリカガ ラス（PSG)を形成し、その上に下側クラッド層 104を形成してコア 106を配置し、これ を覆うように上側クラッド層 105を形成して光導波路を形成する。上側クラッド層 105 の表面には薄膜ヒータ 108を形成する。
[0016] 次に、図 8Bに示すように薄膜ヒータ 108の上にレジスト 112を形成し、このレジスト 1 12をマスクとして、光導波路を挟む位置に、シリコン薄膜からなる基板 101にまで到 達する溝 109を、エッチングによって形成する。
[0017] 次に、図 8Cに示すように、形成した溝 109を介して犠牲層 102としてのリン添加シリ 力ガラスをウエットエッチングによって選択的に除去する。これにより、犠牲層 102が 残留せず、溝 109の外側で、基板 101の上に下側クラッド層 104が間隔を置いて配 置された熱光学位相シフタを作製することができる。
[0018] 一方、第 2の提案として、コアを覆うようにオーバークラッドを形成して光導波路を形 成し、この光導波路上にヒータを形成すると共に、溝を設けてシリコンテラスを除去す る技術が開示されている（例えば特許文献 5参照）。
[0019] 図 9A〜9Gは、この第 2の提案によるガラス導波路の製造方法の概要を表わしたも のである。まず、図 9Aに示すように石英基板 121上に厚さ約 2. 5〃mのシリコン薄膜 をスパッタ法によって基板全面に成膜する（図示せず)。このシリコン薄膜をフォトリソ グラフィによりシリコンテラス 122にパターユングする。
[0020] 次に、図 9Bに示すようにプラズマ CVD (Cemical Vapor D印 osition)を用いて、厚さ 約 8 mのアンダークラッド 123を形成する。次にスパッタ法を用いて、ゲルマニウム を添加した厚さ約 6〃 mのコア膜をアンダークラッド 123上の全面に成膜し（図示せず )、図 9Cに示すように、フォトリソグラフィによりコア（光回路） 124を形成する。
[0021] この後、図 9Dに示すように、火炎堆積法によって厚さ 30 mのオーバークラッド 12 5を形成する。そして、図 9Eに示すように、リフトオフ法によって厚さ約 0. l rnのチ タン層、厚さ約 0· 5 mの白金層、厚さ約 0· 5 mの金層の 3層力もなるヒータ 126 を形成する。ただし、発熱領域は金をエッチングにより除去し、チタン及び白金の 2層 構造とする。
[0022] 次 ίこ、図 9F(こ示すよう ίこ、ヒータ 126の両伹 Wこピット 127を形成する。このピット 127 のエッチングはシリコンテラス 122に到達するまで行う。この後、図 9Gに示すように、 エッチングによりシリコンテラス 122をガラス導波路素子の長手方向全長にわたって すべて除去する。そして、ダイシングにより各素子に分割し、エキシマレーザを照射し てコア 124にブラッググレーティングを形成することによりガラス導波路が得られる。
[0023] これら第 1及び第 2の提案によれば、光導波路と基板との間に隙間を形成すること ができるので、熱光学位相シフタの消費電力を低減することができる。
特許文献 1 :特開平 9 5653号公報 (第 0011段落、図 1、図 2)
特許文献 2：特開 2001— 255474号公報（第 0008段落、図 2)
特許文献 3：特開昭 62— 187826号公報（第 5ページ右下欄第 4行目〜第 6ページ 右上欄第 14行目） 特許文献 4：特開 2004— 37524号公報（第 0041段落〜第 0044段落、第 0063段 落〜第 0065段落、図 1、図 4)
特許文献 5 :特許第 3152182号公報（第 0024段落〜第 0031段落、図 2)
非特許文献 1：電子情報通信学会総合大会予稿 C - 3 - 8 (2002年) p. 140 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0024] しかしながら、第 1及び第 2の提案では、次に説明するような問題があった。まず、 図 9A〜9Gに示した第 2の提案として示されている技術では、シリコン薄膜の選択ェ ツチングが困難であるという問題点がある。通常、シリコンのエッチングに利用される のはフッ化水素酸水溶液と硝酸を混合した薬液である。この薬液は非常に厄介なも のであり、レジストやシリカガラスも剥離あるいはエッチングしてしまう。このため、シリコ ン薄膜のみを選択的にかつ安全にエッチングすることが困難である。また、第 2の提 案では、選択的に形成されたシリコン薄膜を覆うようにアンダークラッドを形成する。し たがって、このアンダークラッドの上面が平坦にならず、このアンダークラッド上にコア 、オーバークラッド、ヒータの各層を形成することが困難であるという問題点もある。
[0025] 更に、第 2の提案では、光導波路について、伝搬損失の低減や信頼性確保のため に、損失原因となる不純物除去及び高密度化を目的とした高温のァニール処理を行 つている。例えば、光導波路コアの材料として高屈折率化に適した SiONを用いる場 合、光通信で利用される赤外波長域 1500nm近辺に O— H結合や N— H結合に起 因する赤外吸収が存在し、吸収損失が大きくなつてしまう。このために、 1000°Cを超 える温度でァニール処理を行う必要がある。また、高温ァニールによりガラス膜が密 になることで、長期にわたり外部からの影響を受けず、信頼性に優れたデバイスを作 製することが可能になる。
[0026] しかしながら、異種材料が接触する場合に高温ァニールを行うと、異種材料が接触 した場所では熱膨張係数に応じた応力が発生し、光導波路コアの複屈折を誘起して しまうという問題が発生する。すなわち、第 2の提案では、ガラスとは材料の異なるシリ コン薄膜がコア直下にあることで、ガラス層のァニールを行う際に大きな熱履歴による 応力が発生してしまい、シリコン薄膜を除去した後でもコアに内部応力が残留し、光 学特性に大きな悪影響がでてしまう。
[0027] 一方、図 6〜図 8Cに示した第 1の提案として開示されている技術では、前記した高 温ァニールに犠牲層及びクラッド層が耐えられないという問題点がある。ガラスの耐 熱性は材料の軟化温度との関係が大きぐボロンやリンと!/、つた添加物を加えたガラ スの軟化温度は低下する。第 1の提案では犠牲層とクラッド層のエッチング選択性を 確保するために添加物を使用している。このため、軟化温度が相当低下することにな り、高温ァニールを行った際に添加物の影響や内部での結晶析出反応のために気 泡の発生や失透現象が発生する可能性がある。また、第 1の提案では下側クラッド層 や犠牲層の軟化温度が低いため、高温ァニールの際に光導波路コアの位置が変動 し、マイクロベンディングによる伝搬損失の発生や、偏光依存性の発生、透過特性の 変動などの重大な問題が生じる。
[0028] そこで本発明の目的は、高温ァニール耐性及び長期信頼性に優れ、光導波路コア の残留応力及び伝搬損失、偏光依存性が小さ!/、熱光学位相シフタ及びその製造方 法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0029] 本発明に係る熱光学位相シフタは、基板と、この基板上に設けられた犠牲層と、こ の犠牲層の上部に形成され、その膜密度が犠牲層のそれよりも高くなつた第一のクラ ッド層と、この第一のクラッド層の上部に形成された光導波路コアと、この光導波路コ ァを覆うように第一のクラッド層上に設けられた第二のクラッド層と、この第二のクラッ ド層の光導波路コアの直上域に設けられた発熱ヒータと、前記光導波路コアの側面 域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に至り形成された溝部とを備え
[0030] すなわち本発明では、クラッド層と同様に高温に耐えられる材料として、第一のクラ ッド層よりも膜密度が低い材料を犠牲層に用いることにしている。高温に耐えられる材 料の場合、その熱特性 (軟化温度）は膜密度によって決まらないが、ウエットエツチン グゃドライエッチングなどの材料と反応して除去する場合、その除去速度を速めるこ とができる。従って、犠牲層の高温ァニール耐性を維持しつつ、最後に犠牲層を優 先的 ·選択的に除去することができ、低消費電力熱光学位相シフタを実現できる。ま た、犠牲層を基板上に全面に成膜できることにより、この犠牲層の上面が平坦となり、 クラッド層の形成が容易になると共に、光導波路の光学特性が良好になる。更に、光 導波路コアの側面域のクラッド層が除去された部分を介して、基板と第一のクラッド層 との間の犠牲層を選択的に除去することにより、簡便に断熱構造を形成することがで きる。
[0031] また、本発明に係る熱光学位相シフタの製造方法は、基板上に、犠牲層を形成す る犠牲層形成工程と、この犠牲層形成工程で形成された犠牲層の上部に犠牲よりも 膜密度の高レ、第一のクラッド層を形成する第一のクラッド層形成工程と、この第一の クラッド層形成工程で形成された第一のクラッド層の上部に光導波路コアを形成する 光導波路コア形成工程と、この光導波路コア形成工程で形成された光導波路コアを 覆うように第一のクラッド層上に第二のクラッド層を形成する第二のクラッド層形成ェ 程と、この第二のクラッド層形成工程で形成された第二のクラッド層の光導波路コア の直上域に発熱ヒータを形成する発熱ヒータ形成工程と、前記光導波路コアの側面 域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に至る溝部を形成する溝部形 成工程とを備える。
[0032] すなわち本発明では、クラッド層と同様に高温に耐えられる材料として、第一のクラ ッド層よりも膜密度が低い材料を犠牲層として形成し、高温ァニールを行うことができ るようにしたため、長期信頼性に優れ、かつ光導波路コアにかかる応力が小さい、低 消費電力動作可能な熱光学位相シフタを作製することができる。また、犠牲層を、プ ラズマ励起化学気相成長法あるいは常圧化学気相成長法あるいはスパッタリング法 を用いて形成し、熱光学位相シフタを製造することができる。これは化学気相成長法 の中でも、プラズマ励起化学気相成長法や常圧化学気相成長法では、犠牲層のか さ密度制御が比較的容易に行えることによる。また、スパッタリング法も同様に、比較 的容易に犠牲層の力、さ密度制御を行うことができるため、犠牲層の形成に適する。 発明の効果
[0033] 以上説明したように本発明によれば、光学特性が優れた熱光学位相シフタを、容 易に制御性良く高収率で作製することが可能となる。また、犠牲層及びクラッド層の 成膜を連続的に行うことができ、作製プロセスを大幅に簡略化することができる。この 結果、作製コスト低減と高収率化とを実現することが可能になる。更に、熱光学位相 シフタ部の犠牲層が除去されても、それ以外の部分には犠牲層が残されており、そ の犠牲層が応力緩和層として機能する。したがって、デバイスに形成された光導波路 に力、かる残留応力は小さくなり、応力により発生する偏光依存性を減じることができる 。また、本発明の熱光学位相シフタは製造の際に高温ァニールでの収縮がほとんど 発生せず、安定した構造を維持するので、簡便かつ低コストで低消費電力の構造を 形成すること力でさる。
図面の簡単な説明
園 1]本発明の一実施の形態における熱光学位相シフタの要部断面図である。 園 2A]本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断 面図である。
園 2B]本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断 面図である。
園 2C]本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断 面図である。
園 2D]本実施の形態の熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした要部断 面図である。
園 3A]エッチング速度差の測定の様子を示した説明図である。
園 3B]エッチング速度差の測定の様子を示した説明図である。
[図 4]本実施の形態で光導波路コアの直下の犠牲層のすべてを除去した例を示した 要部断面図である。
園 5]本実施の形態で高密度の NSGを上側クラッド層に用いた熱光学位相シフタの 要部を表わした要部断面図である。
園 6]従来の第 1の提案による熱光学位相シフタの要部断面図である。
園 7]従来の第 1の提案による熱光学位相シフタの平面図である。
園 8A]従来の第 1の提案による熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした 要部断面図である。
園 8B]従来の第 1の提案による熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした 要部断面図である。
[図 8C]従来の第 1の提案による熱光学位相シフタの製造プロセスの概要を表わした 要部断面図である。
[図 9A]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
[図 9B]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
[図 9C]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
[図 9D]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
[図 9E]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
[図 9F]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
[図 9G]従来の第 2の提案によるガラス導波路の製造プロセスの概要を表わした説明 図である。
符号の説明
200 熱光学位相シフタ
201 基板
202 犠牲層
203 下側クラッド層
204 光導波路コア
205 上側クラッド層
206 発熱ヒータ
207 溝
208 レジスト
発明を実施するための最良の形態 [0036] 以下実施の形態につき本発明を詳細に説明する。図 1は、本発明の一実施の形態 における熱光学位相シフタの要部断面構造を表わしたものである。本実施の形態の 低消費電力型の熱光学位相シフタ 200は、基板 201と、この基板 201上に設けられ た犠牲層 202と、この犠牲層 202の上部に形成された下側クラッド層 203と、下側クラ ッド層 203の上部に形成された光導波路コア 204と、この光導波路コア 204を覆うよう に設けられた上側クラッド層 205と、光導波路コア 204の直上域に設けられた発熱ヒ ータ 206を備えている。そして、光導波路コア 204の側面域の下側クラッド層 203及 び上側クラッド層 205及び犠牲層 202と、光導波路コア 204の直下域の犠牲層 202 の少なくとも一部あるいは全部が溝 207を介して除去されている断熱構造となってお り、犠牲層 202の膜密度が下側クラッド層 203よりも低いことを特徴としている。
[0037] このような低消費電力型の熱光学位相シフタ 200を作製するに当たり、基板 201に 最初に形成される犠牲層 202には、その後の下側クラッド層 203及び上側クラッド層 205の成膜や伝搬損失低減のための高温ァニールに耐えられる特性が必要である 。また、犠牲層 202のみを最後に容易に除去できる特性も併せ持つ必要がある。下 側クラッド層 203及び上側クラッド層 205はもちろん高温ァニールに耐えるような膜質 が要求される力 犠牲層 202に下側クラッド層 203及び上側クラッド層 205と全く同じ 材料を用いるわけにはいかない。このため本実施の形態では下側クラッド層 203及 び上側クラッド層 205と同様に高温に耐えられる材料として、下側クラッド層 203及び 上側クラッド層 205よりも膜密度が低い材料を犠牲層 202に用いることで問題を解決 している。犠牲層 202が高温に耐えられる材料の場合、その熱特性（軟化温度）は膜 密度によって決まらないが、ウエットエッチングやドライエッチングなどの材料と反応し て除去する場合、その除去速度を速めることができる。従って、犠牲層 202の高温ァ ニール耐性を維持しつつ、最後に犠牲層 202を優先的 ·選択的に除去することがで き、低消費電力熱光学位相シフタを実現することができる。
[0038] また、犠牲層 202を基板 101上に全面に成膜できるので、この犠牲層 202の上面 が平坦となる。このため、下側クラッド層 203及び上側クラッド層 205の形成が容易に なると共に、光導波路の光学特性が良好になる。更に、光導波路コア 204の側面域 の上側クラッド層 205が除去された部分を介して、基板 201と下側クラッド層 203との 間の犠牲層 202を選択的に除去することにより、簡便に断熱構造を形成することがで きる。この結果、光学特性が優れた熱光学位相シフタを、容易に制御性良く高収率 で作製することが可能となる。また、犠牲層 202及び下側クラッド層 203の成膜を連 続的に行うことができ、作製プロセスを大幅に簡略化することができる。この結果、作 製コスト低減と高収率化とを実現することが可能になる。
[0039] また、本実施の形態では、熱光学位相シフタ 200を構成する部分の犠牲層 202が 除去されても、デバイスを構成するそれ以外の部分には犠牲層 202が残されている。 これら残存する犠牲層 202は、応力緩和層として機能する。このため、そのデバイス に形成された光導波路に力、かる残留応力は小さくなり、応力により発生する偏光依存 十生を減じること力 Sでさる。
[0040] なお、質量を体積で割った値としての犠牲層 202の力、さ密度は 2. Og/cm3以上で あること力 S好ましい。通常のシリカガラスの力、さ密度はおよそ 2. 3g/cm3である。その 90%以上の値となる力、さ密度（2. Og/cm3以上）では、密度が低いことによる犠牲 層の自己崩壊や、 1000°Cを超える高温ァニールでの収縮がほとんど発生しない。そ のため、安定した構造を維持しつつ低消費電力構造を形成することができる。
[0041] 更に、犠牲層 202及び下側クラッド層 203は、シリカガラスから構成されることが好ま しい。シリカガラスを主材料とする光導波路は、 1000°Cを超える高温ァニールが可 能で、伝搬損失を低く抑えることができる。なお、熱光学位相シフタ 200は、化学気 相成長法の成膜条件、及び高温ァニール条件で膜密度を 2. 0〜2. 3g/cm3まで 任意に変えることが可能であり、犠牲層とクラッド層を同様の手法で成膜することがで きる。したがって、簡便かつ低コストで低消費電力の熱光学位相シフタ 200を実現す ること力 Sでさる。
[0042] また、熱光学位相シフタ 200は、犠牲層 202及び下側クラッド層 203が、シリカガラ スと、リンガラスあるいはボロンガラスあるいはゲルマニウムガラスのいずれ力、 1つ以上 の不純物材料から構成されるものであってもよい。光導波路は、下側クラッド層 203 及び上側クラッド層 205の屈折率及びコア層の屈折率の差を利用して形成するデバ イスであり、それぞれの屈折率を精密に制御する必要がある。このために、シリカガラ スと、その他の屈折率を調整するための不純物との混合材料を下側クラッド層 203及 び上側クラッド層 205に利用することがある。
[0043] 更にまた、犠牲層 202及び下側クラッド層 203に含まれる不純物材料の含有量の 差は、 lwt%以下であることが望ましい。不純物材料の含有量に大きな差があると、 犠牲層 202を除去する工程で、不純物材料含有量に起因するエッチング差が発生 し、また高温ァニール耐性にも差が生じる可能性がある。このため、犠牲層 202と下 側クラッド層 203の材料はなるべく近い方が好ましい。不純物材料の含有量差が lwt %以下であると、熱耐性やエッチング特性には、ほとんどその差は認められない。
[0044] また、犠牲層 202及び下側クラッド層 203に含まれる不純物材料の含有量は、それ ぞれ 4wt%以下であることが好まし!/、。不純物の含有量が増加してくると軟化温度が 低下するため、低損失化のための高温ァニール耐性が得られなくなるからである。不 純物の含有量が 4wt%以下であると、 1000°C以上の高温ァニール耐性が得られ、 犠牲層としての機能とクラッド層としての必要要件を満たすガラス材料を実現すること ができる。
[0045] このような熱光学位相シフタ 200の製造方法は、次の各工程を備えることになる。
(a)基板 201上に、犠牲層 202を形成する工程
(b)犠牲層 202の上部にこの犠牲層 202よりも膜密度の高い下側クラッド層 203を 形成する工程
(c)下側クラッド層 203の上部に光導波路コア 204を形成する工程
(d)光導波路コア 204を覆うように上側クラッド層 205を形成する工程
(e)光導波路コア 204の直上域に発熱ヒータ 206を形成する工程
(f)光導波路コア 204の側面域の下側クラッド層 203、上側クラッド層 205及び犠牲 層 202の少なくとも一部あるいは全部を除去して溝を形成する工程
(g)光導波路コア 204の直下域の犠牲層 202を溝 207を介して除去する工程
[0046] このような熱光学位相シフタ 200は、高温ァニールを行うことができるため長期信頼 性に優れ、かつ光導波路コアにかかる応力が小さぐかつ低消費電力動作が可能で ある。また、犠牲層 202を、プラズマ励起化学気相成長法あるいは常圧化学気相成 長法あるいはスパッタリング法を用いて形成することで、熱光学位相シフタ 200を製 造することができる。化学気相成長法の中でも、プラズマ励起化学気相成長法や常 圧化学気相成長法では、犠牲層 202のかさ密度制御を比較的容易に行えることによ る。また、スパッタリング法も、同様に、比較的容易に犠牲層 202のかさ密度制御を行 うこと力 Sできる。このため、犠牲層 202の形成に適した製造方法と言うことができる。
[0047] 図 2A〜2Dは、本実施の形態の熱光学位相シフタの製造方法の概要を表わしたも のである。熱光学位相シフタ 200を製造するには、まず、図 2Aに示すように、基板 2 01に、膜密度が低く 1000°Cを超える高温に耐えられる犠牲層 202、例えばノンドー プシリカガラス（NSG)を成膜する。ここでは一例として、プラズマ化学気相成長法 (P — CVD (Plasma— enhanced し nemical Vapor Deposition) )を用レヽ 方法を不す。
[0048] P— CVDでは、図示しない CVD装置の成膜チャンバへの導入ガスの種類と、チヤ ンバ内の圧力、基板 201の温度及びプラズマ生成のための高周波エネルギによって 膜質を制御する。ここで、基板 201の温度を低くすること、あるいはチャンバ内の圧力 を上げることにより、成膜されたノンドープシリカガラス（NSG)の膜密度を低下させる ことができる。従って、本実施の形態では、下側クラッド層 203の成膜時よりも、犠牲 層 202の成膜時の基板温度を低くし、かつチャンバ内の圧力を高く設定することで、 犠牲層 202の膜密度を下側クラッド層 203よりも下げて 411 m成膜した。
[0049] このように成膜条件によって膜密度が変わる現象は、スパッタリング法や他の化学 気相成長法（CVD法）でも同様である。したがって、スパッタリング装置や常圧 CVD 装置などの別の装置を使用した成膜方法でも、膜密度差をつけることは比較的容易 に実現することができる。ただし、同じ成膜方法でも、装置メーカや装置の状態によつ て設定条件が大きくことなるのが一般的である。このため、それぞれの状況に応じて 膜密度や添加物量などを調整する必要がある。
[0050] 犠牲層 202の膜密度を測定する方法は、例えば体積重量を測定することにより可 能であるが、精密な測定は難しい。このため、次のような方法によるのが最も簡便で 確実である。すなわち、本実施の形態では犠牲層 202を形成したのち、膜密度が犠 牲層 202よりも高い下側クラッド層 203として例えばノンドープシリカガラス（NSG)を 形成する。このとき、最も重要なのは犠牲層 202と下側クラッド層 203との膜密度差で ある。そこで、本実施の形態では、下側クラッド層 203を形成した後に基板 202を切 断して断面を出し、エッチングを行ってエッチング速度差を測定する。 [0051] 図 3A及び図 3Bは、このエッチング速度差の測定の様子を説明するためのもので ある。図 3Aは、基板 201、犠牲層 202及び下側クラッド層 203が積層された部分を、 基板 201に垂直に矢印 221方向に切断して断面を出した状態を表わしたものである 。ここで、犠牲層 202はノンドープシリカガラス（NSG)が低膜密度のものからなり、下 側クラッド層 203はノンドープシリカガラスが高膜密度のものからなっている。
[0052] この図 3Aに示した状態で、断面の全域にエッチングを行う。膜密度が低い方がェ ツチングスピードが速いので、図 3Bに示すように、断面には犠牲層 202と下側クラッ ド層 203との間に段差が形成される。この段差の程度によって膜密度の差分を確認 すること力 Sできる。ただし、特許文献 4でも開示されているように、犠牲層 202と下側ク ラッド層 203のそれぞれに含まれる添加物の差が大きく異なるとエッチング速度に差 力 S生じること力 Sある。ガラス膜に含まれる添加物量は、犠牲層 202及び下側クラッド層 203の添加物をマイクロ領域 X線分析や SIMS (Secondary Ionization Mass Spectra meter)などの分析機器により定量分析することなどで確認することができる。これによ り、エッチング速度を決めているのが添加物の量なのか膜密度なのかを明らかにする こと力 Sでさる。
[0053] 図 2Aに戻って説明する。高温ァニール耐性のある犠牲層 202を 4 μ m厚形成する と共に下側クラッド層 203を 8 m厚形成した後、下側クラッド層 203の表面に SiON 力もなる光導波路コア 204を形成した。光導波路コア 204は、特に光のパワーが集中 するところでもあり、僅力、な揺らぎや変形が光透過特性に大きな影響を与えてしまう。 また、光導波路コア 204を形成する材料に赤外吸収の原因となる物質 (例えば O— H結合や N— H結合）が残留していると、伝搬損失の増加を招くことになり問題である 。そのため、特に光導波路コア 204の高温ァニールは重要である。
[0054] ただし、従来から行われていたように、犠牲層 202にシリコンを用いたり、添加物が 多量に含まれるリン添加シリカガラス（PSG)の犠牲層 202や BPSGの下側クラッド層 203を用いたりした場合には問題が生じる。例えば、犠牲層 202がシリコンの場合、 下側クラッド層 203を構成するノンドープシリカガラス（NSG)との熱膨張係数が異な る。このため、特に高温ァニールから冷却する際に収縮量の差から内部応力が蓄積 されてしまう。この結果、例えば光導波路コア 204に外力が加わることで複屈折を生 じ、光透過特性に悪影響を与えてしまう。
[0055] また、 PSGの犠牲層 202と BPSGの下側クラッド層 203を用いる場合には、溶融温 度が低いために光導波路コア 204を支えるべきであるはずの下側クラッド層が変形し てしまう。この結果、光導波路コア 204の形状の変形を引き起こすことになり、伝搬損 失の増加や光透過特性の劣化といった悪影響が生じる。このため、高温ァニール耐 性に優れる犠牲層 202及び下側クラッド層 203は必須であり、本実施の形態のように 膜密度差で犠牲層 202を形成する方法は有効である。
[0056] 続いて、図 2Bに示すように、上側クラッド層 205の成膜と光導波路コア 204の直上 域に発熱ヒータ 206の形成を行う。ここで、上側クラッド層 205は必ずしも高温ァニー ル耐性は必要な!/、。ァニールにより光導波路コア 204の形状に合わせて変形した方 ヽ光導波路コア 204の周辺の埋め込み状態が良好であり、かつ表面の平坦性が確 保できる力、らである。もちろん、上側クラッド層 205として高温ァニール耐性に優れる ガラスを用いることもできる。本実施の形態では、ボロンリンシリカガラス（BPSG)を用 いて、良好な埋め込み特性と表面平坦性を優先した。この結果、横幅 δ πιの金属 薄膜細線抵抗による発熱ヒータ 206のパターユングが良好に行えた。
[0057] 次に、図 2Cに示すように、発熱ヒータ 206によるヒータパターンを形成した直下の 光導波路コア 204の両側面域に、光導波路コア 204の中心からそれぞれ 20 H mの 距離を置いて溝 207を形成した。溝 207の形成には、上側クラッド層 205の上に形成 したレジスト 208と反応性イオンエッチング装置（RIE : Reactive Ion Etching)を用いた 。溝 207は上側クラッド層 205から犠牲層 202の最下部まで形成し、
犠牲層 202の横から均一にサイドエッチングが可能な形状となるようにしている。
[0058] 図 2Dに示したようなサイドエッチングにはウエットエッチング法が適している。特に 本実施の形態で犠牲層 202として成膜したノンドープシリカガラス（NSG)には緩衝 フッ化水素酸水溶液 (BHF)が最適である。本実施の形態でも緩衝フッ化水素酸水 溶液（BHF)を用いて犠牲層 202のエッチングを行った。本実施の形態では、下側ク ラッド層 203に対する犠牲層 202のエッチング速度比が 1. 5倍であった。エッチング は犠牲層 202の一部が残る設計として、断熱構造の強度を保つように配慮した。溝 2 07の両側力、らそれぞれ犠牲層 202について 15 mのサイドエッチングを行い、下側 クラッド層 203が両方向よりそれぞれ 10 mエッチングされ、上側クラッド層 205は両 方向よりそれぞれ 5 H mエッチングされた。残留した犠牲層 202の幅は 10 μ m、下側 クラッド層 203の幅は 20 a m、また上側クラッド層 205の幅は 30 μ mであった。
[0059] 図 4は、光導波路コアの直下の犠牲層のすべてを除去した例を示したものである。
このように、図 2Dとは異なり、光導波路コア 204の直下の犠牲層 202のすベてを除 去することも可能である。
[0060] 次に、図 2A〜2Dに示すプロセスで製造した熱光学位相シフタ 200による光スイツ チの消費電力について説明する。光スィッチの消費電力を、その接点のオン ·オフを 切り替えるために要する電力量、すなわち位相変化量が π (rad)となるのに要する電 力量であると定義する。
[0061] 図 2Bに示すように、溝 207も犠牲層 202のエッチングも無い状態のとき、消費電力 は 400mWであった。図 2Cに示すように溝 207を形成すると、光スィッチの消費電力 は 200mWにまで減少した。更に、図 2Dに示すように犠牲層 202のエッチングを行 つて本実施の形態の構造とすることで、光スィッチの消費電力は lOOmWに減少した 。このように光スィッチの消費電力は、単純に溝 207を形成する場合と比較して更に 半分の消費電力を実現することができたことになる。
[0062] このような工夫を行うことで、断熱構造を形成していない部分の光回路でも偏光依 存性が小さくなり、低密度の犠牲層 202の効果を確認することができた。これにより、 低損失、低消費電力、低偏光依存性、長期信頼性のすべてを満たす良好な光デバ イスを作製することが可能になる。
[0063] なお、犠牲層 202の膜厚を厚くしたり、溝 207の形成距離を狭めたり、残留した犠 牲層 202の幅を狭めたり、あるいは図 4に示したように犠牲層 202をすベて除去する といった工夫を行うことで更なる低消費電力化が可能である。例えば、犠牲層 202の エッチング後の上側クラッド層 205の幅が 30 a mで下側クラッド層 203の幅が 20 μ m という前記した図 2Dに示した実施の形態と同様であり、かつ図 4に示したように光導 波路コア 204の直下域の犠牲層 202がすべて除去されている場合、光スィッチの消 費電力は 40mW以下にすることができる。
[0064] 以上説明した実施の形態では、上側クラッド層 205にガラスにボロン及びリンをドー プした BPSGを使用した力 これに限るものではなぐ高密度のノンドープシリカガラ ス（NSG)を使用することも可能である。通常、 BPSGは高密度の NSGと比較して緩 衝フッ化水素酸水溶液（BHF)によるエッチングレートが低い。このため、図 1に示す ように上側クラッド層の幅が広くなつてしまう。これは、断熱部分の熱抵抗の低下と熱 容量の増大を招き、低消費電力化や動作速度に若干の悪影響を及ぼすことになる。 したがって、光導波路コア 204を伝搬する光に影響を与えない限り、上側クラッド層 2 05及び下側クラッド層 203の幅が互いに同一で、かつ、なるべく狭いことが望ましい
[0065] 図 5は、高密度の NSGを上側クラッド層に用いた熱光学位相シフタの要部を表わし たものである。このように高密度の NSGを上側クラッド層 205に用いることで、上側ク ラッド層 205及び下側クラッド層 203の幅を互いに同一とすることができる。この場合 、上側クラッド層 205は下側クラッド層 203と同様に高温ァニールが可能である。この ため、より損失が低く長期信頼性に優れた光導波路を作製することができる。
[0066] なお、高密度の NSGを上側クラッド層 205に用いることで、高温ァニールを行って も、 BPSGによって得られる上側クラッド層 205の表面の平坦性には及ばない。この ため、微細パターユングに与える悪影響が若干残ることになる。し力、しながら、その代 わりに断熱特性に優れた低消費電力化が可能となる。例えば、図 5に示す例で、上 側クラッド層 205と下側クラッド層 203の幅がそれぞれ 20 mで、残留犠牲層幅が 1 C^ mとなった場合、光スィッチの消費電力はおよそ 85mWとなり、約 15%の更なる 低消費電力化を実現することができる。
[0067] 以上説明した実施の形態で示した具体的な設計及び製造後の数値は、あくまで一 例としての数値である。したがって、光導波路の設計や必要とされる構造に応じて、 幅を広ぐ膜厚を厚くすることもでき、また幅を狭ぐ膜厚を薄くすることも可能である。 すなわち、波長や光導波路コア 204と上側クラッド層 205及び下側クラッド層 203との 屈折率差、必要とされるスイッチング速度に応じて、構造パラメータを設計することが 重要となる。いずれの状況であっても、本発明は、低消費電力化、低損失化、低偏光 依存性に大きく寄与するものである。
産業上の利用可能性 本発明は、例えば、熱光学効果による位相変化を利用したスィッチや可変減衰器、 波長フィルタなどの光デバイスに利用される。

Claims

請求の範囲
[1] 基板と、
この基板上に設けられた犠牲層と、
この犠牲層の上部に形成され、その膜密度が前記犠牲層のそれよりも高くなつた第 一のクラッド層と、
この第一のクラッド層の上部に形成された光導波路コアと、
この光導波路コアを覆うように前記第一のクラッド層上に設けられた第二のクラッド 層と、
この第二のクラッド層の前記光導波路コアの直上域に設けられた発熱ヒータと、 前記光導波路コアの側面域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に 至り形成された溝部とを備える熱光学位相シフタ。
[2] 前記犠牲層のかさ密度が 2. Og/cm3以上であることを特徴とする請求項 1記載の 熱光学位相シフタ。
[3] 前記犠牲層及び前記第一のクラッド層が、シリカガラスから構成されていることを特 徴とする請求項 1記載の熱光学位相シフタ。
[4] 前記犠牲層及び前記第一のクラッド層が、シリカガラスと、リンガラスあるいはボロン ガラスあるいはゲルマニウムガラスのいずれか 1つ以上の不純物材料から構成されて いることを特徴とする請求項 1記載の熱光学位相シフタ。
[5] 前記犠牲層及び前記第一のクラッド層に含まれる前記不純物材料の含有量の差
1S lwt%以下であることを特徴とする請求項 4記載の熱光学位相シフタ。
[6] 前記犠牲層及び前記第一のクラッド層に含まれる前記不純物材料の含有量が、そ れぞれ 4wt%以下であることを特徴とする請求項 4記載の熱光学位相シフタ。
[7] 基板上に、犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
この犠牲層形成工程で形成された犠牲層の上部に犠牲よりも膜密度の高い第一の クラッド層を形成する第一のクラッド層形成工程と、
この第一のクラッド層形成工程で形成された第一のクラッド層の上部に光導波路コ ァを形成する光導波路コア形成工程と、
この光導波路コア形成工程で形成された光導波路コアを覆うように前記第一のクラ ッド層上に第二のクラッド層を形成する第二のクラッド層形成工程と、 この第二のクラッド層形成工程で形成された第二のクラッド層の前記光導波路コア の直上域に発熱ヒータを形成する発熱ヒータ形成工程と、
前記光導波路コアの側面域に、前記第二のクラッド層の表面から前記基板表面に 至る溝部を形成する溝部形成工程とを備える熱光学位相シフタの製造方法。
[8] 前記犠牲層を、プラズマ励起化学気相成長法、常圧化学気相成長法あるいはスパ ッタリング法のいずれかを用いて形成することを特徴とする請求項 7記載の熱光学位 相シフタの製造方法。
[9] 前記溝部形成工程は、反応性イオンエッチング装置を用いて前記第二のクラッド層 から前記犠牲層の最下部までエッチングを行って縦溝を形成する縦溝形成工程と、 この縦溝形成工程が行われた後に前記縦溝にウエットエッチング法によってサイドエ ツチングを行うサイドエッチング工程を備えることを特徴とする請求項 7記載の熱光学 位相シフタの製造方法。
PCT/JP2007/069715 2006-10-20 2007-10-10 Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci WO2008047634A1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008539754A JPWO2008047634A1 (ja) 2006-10-20 2007-10-10 熱光学位相シフタ及びその製造方法
US12/443,319 US8027554B2 (en) 2006-10-20 2007-10-10 Thermo-optic phase shifter and method for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006286756 2006-10-20
JP2006-286756 2006-10-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008047634A1 true WO2008047634A1 (fr) 2008-04-24

Family

ID=39313873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2007/069715 WO2008047634A1 (fr) 2006-10-20 2007-10-10 Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8027554B2 (ja)
JP (1) JPWO2008047634A1 (ja)
CN (1) CN101529312A (ja)
WO (1) WO2008047634A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010098295A1 (ja) * 2009-02-25 2010-09-02 日本電気株式会社 光導波路、光導波回路、および光導波回路の製造方法
JP2019530978A (ja) * 2016-09-29 2019-10-24 ルメンタム・テクノロジー・ユーケー・リミテッド 導波路構造体

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008047634A1 (fr) * 2006-10-20 2008-04-24 Nec Corporation Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci
CN101833220A (zh) * 2010-04-20 2010-09-15 浙江大学 一种相变材料辅助的自持式波导光开关
US9221074B2 (en) 2012-10-11 2015-12-29 Octrolix Bv Stress-tuned planar lightwave circuit and method therefor
US9448422B2 (en) * 2014-03-05 2016-09-20 Huawei Technologies Co., Ltd. Integrated thermo-optic switch with thermally isolated and heat restricting pillars
CN105829956A (zh) * 2014-04-17 2016-08-03 华为技术有限公司 热光移相器
US11456532B2 (en) 2016-05-04 2022-09-27 California Institute Of Technology Modular optical phased array
US10416380B1 (en) * 2016-06-23 2019-09-17 Acacia Communications, Inc. Suspended photonic waveguides with top side sealing
US11249369B2 (en) 2016-10-07 2022-02-15 California Institute Of Technology Integrated optical phased arrays with optically enhanced elements
US10795188B2 (en) * 2016-10-07 2020-10-06 California Institute Of Technology Thermally enhanced fast optical phase shifter
US10241352B2 (en) 2017-01-19 2019-03-26 Lionix International Bv Integrated-optics-based stress-optic phase modulator and method for forming
US10942273B2 (en) 2017-02-13 2021-03-09 California Institute Of Technology Passive matrix addressing of optical phased arrays
JP7175278B2 (ja) 2017-03-09 2022-11-18 カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー コプライム光トランシーバアレイ
US10095056B1 (en) 2017-04-26 2018-10-09 Cisco Technology, Inc. Thermo-optic phase shifter for semiconductor optical waveguide
CN109581696A (zh) * 2017-09-28 2019-04-05 北京万集科技股份有限公司 一种波导移相器及其制备方法
GB2571269B (en) 2018-02-21 2021-07-07 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device
GB2595588B (en) * 2018-02-21 2022-08-31 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device
US10627655B2 (en) * 2018-03-29 2020-04-21 Sifotonics Technologies Co., Ltd. Monolithic electro-optical modulator having suspended structure
GB2587071A (en) 2019-06-13 2021-03-17 Rockley Photonics Ltd Multilayer metal stack heater
CN112305785A (zh) * 2019-07-29 2021-02-02 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于soi衬底的热光相移器的制备方法
US11298564B2 (en) 2020-03-10 2022-04-12 Dennis M. Anderson Medical, surgical and patient lighting apparatus, system, method and controls with pathogen killing electromagnetic radiation
US11226506B2 (en) * 2020-03-17 2022-01-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Heater structure with a gas-filled isolation structure to improve thermal efficiency in a modulator device
FR3111997B1 (fr) * 2020-06-29 2022-09-23 Soitec Silicon On Insulator Procede de fabrication d’un composant thermo-optique
US11619714B2 (en) * 2020-11-23 2023-04-04 Ours Technology, Llc Heat dissipation for LIDAR sensors
US11460555B2 (en) 2020-12-07 2022-10-04 Ours Technology, Llc Heat dissipation in an optical device
KR102660577B1 (ko) 2020-12-07 2024-04-24 오로라 오퍼레이션스, 인크. 광학 장치의 방열
CN114764163A (zh) * 2021-01-15 2022-07-19 宁波元芯光电子科技有限公司 一种悬空波导支撑结构及其制作方法
CN113359328A (zh) * 2021-06-28 2021-09-07 苏州极刻光核科技有限公司 热光型相位调制模块及光调制器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003513328A (ja) * 1999-11-03 2003-04-08 スパーコラー・コーポレーション 差動導波路対
JP2003287641A (ja) * 2002-03-28 2003-10-10 Toshiba Mach Co Ltd 光通信用の積層構造型素子の製造方法
JP2004037524A (ja) * 2002-06-28 2004-02-05 Nec Corp 熱光学位相シフタ及びその製造方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4720172A (en) 1985-11-05 1988-01-19 Itt Defense Communications, A Division Of Itt Corporation Liquid crystal optical switching device
US5623564A (en) 1995-06-07 1997-04-22 Lucent Technologies Inc. Self-aligned mechanical optical switch
JP3152182B2 (ja) 1997-10-07 2001-04-03 日立電線株式会社 ガラス導波路素子及びその製造方法
US6370307B1 (en) * 1999-07-15 2002-04-09 Agere Systems Guardian Corp. Optical device formed on a substrate with thermal isolation regions formed therein
JP2001255474A (ja) 2000-03-14 2001-09-21 Kddi Corp 光ビーム空間伝播型光スイッチ
US6704487B2 (en) * 2001-08-10 2004-03-09 Lightwave Microsystems Corporation Method and system for reducing dn/dt birefringence in a thermo-optic PLC device
US6825966B2 (en) * 2001-11-13 2004-11-30 International Business Machines Corporation Optical phase shifting device
WO2008047634A1 (fr) * 2006-10-20 2008-04-24 Nec Corporation Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003513328A (ja) * 1999-11-03 2003-04-08 スパーコラー・コーポレーション 差動導波路対
JP2003287641A (ja) * 2002-03-28 2003-10-10 Toshiba Mach Co Ltd 光通信用の積層構造型素子の製造方法
JP2004037524A (ja) * 2002-06-28 2004-02-05 Nec Corp 熱光学位相シフタ及びその製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010098295A1 (ja) * 2009-02-25 2010-09-02 日本電気株式会社 光導波路、光導波回路、および光導波回路の製造方法
JP2019530978A (ja) * 2016-09-29 2019-10-24 ルメンタム・テクノロジー・ユーケー・リミテッド 導波路構造体
US10746922B2 (en) 2016-09-29 2020-08-18 Lumentum Technology Uk Limited Waveguide structure

Also Published As

Publication number Publication date
CN101529312A (zh) 2009-09-09
US20090297092A1 (en) 2009-12-03
JPWO2008047634A1 (ja) 2010-02-25
US8027554B2 (en) 2011-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008047634A1 (fr) Déphaseur thermo-optique et procédé de production de celui-ci
JP4078898B2 (ja) 熱光学位相シフタ及びその製造方法
US6704487B2 (en) Method and system for reducing dn/dt birefringence in a thermo-optic PLC device
US7565038B2 (en) Thermo-optic waveguide apparatus
KR100972677B1 (ko) 실리콘 구조물 및 이를 제조하는 방법
US20070086719A1 (en) Functional optical devices and methods for producing them
JPWO2008111407A1 (ja) 熱光学位相シフタ
KR20000018925A (ko) 열광학 가변 파장 필터 제작방법
KR20090006808A (ko) 실리콘 구조 및 그 제조 방법
US20030044151A1 (en) Method and system for a combination of high boron and low boron bpsg top clad fabrication process for a planar lightwave circuit
US7292752B2 (en) Tuneable grating assisted directional optical coupler
JP4638749B2 (ja) 熱光学位相変調器及びその製造方法
US6366730B1 (en) Tunable optical waveguides
US6732550B2 (en) Method for performing a deep trench etch for a planar lightwave circuit
Day et al. Single-chip variable optical attenuator and multiplexer subsystem integration
KR20020092209A (ko) 광도파로 장치 및 그 제조 방법
JP4934614B2 (ja) 熱光学位相シフタ
Kokubun Vertically coupled microring resonator filter for integrated add/drop node
KR100563489B1 (ko) 실리카/폴리머 하이브리드 광도파로를 이용한 광소자
US20100092682A1 (en) Method for Fabricating a Heater Capable of Adjusting Refractive Index of an Optical Waveguide
JP3573332B2 (ja) 干渉型熱光学光部品
Takato et al. Silica-based single-mode waveguides and their applications to integrated-optic devices
JP2009222742A (ja) 熱光学位相シフタおよびその製造方法
Dumais et al. Planar lightwave circuits: it's all in the cladding
JP2007248785A (ja) 光導波路

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200780038861.7

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07829453

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12443319

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008539754

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07829453

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1