WO2020138053A1 - 光信号処理装置および光信号処理装置の製造方法 - Google Patents

光信号処理装置および光信号処理装置の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an optical signal processing device and a method for manufacturing the optical signal processing device.
  • an optical signal processing device configured by a planar lightwave circuit (PLC) using a silica (silicon dioxide, SiO 2 ) material is a device that plays an important role in optical communication.
  • PLC planar lightwave circuit
  • silica silicon dioxide, SiO 2
  • An optical switch using a silica PLC can also have its function integrated in a chip, and its control is realized by using a thermo-optical effect by an electric signal.
  • FIG. 1 schematically shows an optical circuit of a PLC optical switch as an example of a conventional optical signal processing device.
  • This optical circuit constitutes a Mach-Zehnder interferometer (MZI), and an optical signal input from one of the left input waveguides 1a and 1b (for example, 1a) is directionally coupled to the left two inputs and two outputs.
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • the light is demultiplexed into the arm optical waveguides 3a and 3b, combined in the right two-input two-output directional coupler 6, and output from the right output waveguides 7a and 7b according to the interference result.
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • a heater 4 of a phase shifter as a phase modulation element is provided on the arm optical waveguide 3b, which is one of the two branched arm optical waveguides, and heat insulating grooves 5a and 5b are provided on both sides of the arm optical waveguide 3b. Is provided.
  • the power required to drive the silica PLC switch is the drive power of the heater 4 of the phase modulation element (phase shifter).
  • the lower arm optical waveguide 3b is heated by the heater 4 of the phase shifter to change the refractive index of the heated portion and modulate the phase of the guided light.
  • the interference condition in the directional coupler 6 changes according to the phase difference of the light passing through the upper and lower arm waveguides, and the output light intensity of the two output waveguides 7a and 7b changes.
  • An optical switching function can be realized by controlling this phase modulation element.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the substrate taken along the line AA′ in the region of the phase modulation element (phase shifter) shown in FIG.
  • the optical waveguide 3b formed on the Si substrate 10 is configured by sandwiching a region called a core 11 in which light is confined with a region called a clad (underclad 12, overclad 13).
  • the heater 4 of the phase shifter is provided on the overclad 13 in the region of the phase modulation element.
  • silica is usually used for both the core and the clad.
  • the heat supplied from the heater 4 it is possible to perform phase modulation of the guided light.
  • the heat can be efficiently delivered to the core by cutting the cladding on both sides of the core by etching and forming the heat insulating grooves 5a and 5b.
  • Si silicon
  • Si silicon
  • the heat finally supplied from the heater 4 escapes to the Si substrate 10.
  • the amount of heat escaping to the Si substrate 10 and the amount of heat supplied from the heater 4 become equal due to the temperature gradient between the heater 4 and the Si substrate 10. Therefore, the thicker the clad (underclad 12) between the core 11 and the substrate 10, the farther the core is from the Si substrate from which heat escapes. Therefore, even if the heat supply amount from the heater is the same, the temperature is raised. be able to. Therefore, by increasing the thickness of the underclad, the silica PLC switch can have low power consumption.
  • Non-Patent Document 2 There are CVD (Chemical Vapor Deposition) method and thermal oxidation method as a method of forming silica on the Si substrate, but it is known that the thermal oxidation method can form a silica film with high flatness and high quality. (See Non-Patent Document 2)
  • the present invention has been made to solve such a problem.
  • the purpose thereof is to realize an optical signal processing device capable of increasing the thickness of the underclad and shortening the film formation time during manufacturing while using a thermally oxidized silica film for the underclad of silica PLC. And to realize a method of manufacturing such an optical signal processing device.
  • An optical signal processing device formed as a planar optical circuit including an optical waveguide formed on a silicon substrate and having a phase modulation element using a thermo-optic effect, comprising a substrate having a thermally oxidized silica film and a silica film.
  • a thermally oxidized silica film is used as the underclad of the optical waveguide core.
  • the present invention is characterized by having the following configuration.
  • An optical signal processing device having a phase modulation element using a thermo-optic effect which is formed as a planar optical circuit including an optical waveguide formed on a silicon substrate, It has multiple silica films between the core of the optical waveguide and the silicon substrate, An optical signal processing device, wherein at least one of the plurality of silica films is formed by thermal oxidation.
  • Configuration 2 The optical signal processing device according to configuration 1, wherein at least one of the interfaces between the plurality of silica films has a silicon layer.
  • (Structure 3) The optical signal processing device according to Structure 1 or 2, wherein the silicon substrate and the silica film are produced by bonding a plurality of substrates together.
  • (Structure 4) 4. The optical signal processing device according to any one of configurations 1 to 3, wherein the optical waveguide forms a Mach-Zehnder interferometer.
  • (Structure 6) Forming a first silica film on the surface of the first silicon substrate; Laminating the first silicon substrate with another second silicon substrate on the surface of the first silica film, Grinding and polishing the back surface of the bonded first silicon substrate, A step of thermally oxidizing the silicon layer on the back surface of the ground and polished first silicon substrate to form an underclad of thermally oxidized silica;
  • a method for manufacturing an optical signal processing device comprising:
  • (Structure 7) Forming a silica film on the surface of the first silicon substrate; Forming a thermally oxidized silica film on the surface of the second silicon substrate; Bonding the silica film of the first silicon substrate and the surface of the thermally oxidized silica film of the second silicon substrate, A step of grinding and polishing the back surface of the second silicon substrate until the thermally oxidized silica film is exposed to form an underclad of thermally oxidized silica;
  • a method for manufacturing an optical signal processing device comprising:
  • a PLC of an optical signal processing device such as an optical switch or an optical filter that is realized by using a phase modulation element that uses an optical waveguide and a heater
  • power consumption is reduced by thickening an underclad. It is possible to realize an optical signal processing device and to realize a manufacturing method in which the time for forming a thermally oxidized silica film immediately below the optical waveguide core is shortened in manufacturing the optical signal processing device.
  • FIG. 2 is a substrate cross-sectional view of a region of the phase modulation element (phase shifter) of FIG. 1. It is a board
  • FIG. 3 is a substrate cross-sectional view of a region of a phase modulation element (phase shifter) of the optical signal processing device according to the first exemplary embodiment of the present invention. It is a figure which shows the basic operation
  • a second embodiment of the present invention it is a diagram illustrating a method of manufacturing an optical signal processing device. It is a figure explaining a lattice filter as Example 3 of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates a configuration (plan view of the substrate) on the XZ plane of the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
  • the optical signal processing device shown in FIG. 3 is an optical circuit of a PLC optical switch and constitutes a Mach-Zehnder interferometer (MZI).
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • FIG. 3 an optical signal input from one (101a) of the left input waveguides 101a and 101b is split into an arm optical waveguide 103a and an arm optical waveguide 103b in a left 2-input 2-output directional coupler 102.
  • the signals are waved, multiplexed in the right two-input two-output directional coupler 106, and output from the right output waveguides 107a and 107b according to the interference result.
  • a heater 104 of a phase shifter as a phase modulation element is provided on the arm optical waveguide 103b, which is one of the two branched arm optical waveguides 103a and 103b, and heat insulation is provided on both sides of the arm optical waveguide 103b. Grooves 105a and 105b are provided. By supplying heat from the heater 104 of the phase shifter to the arm optical waveguide 103b, a phase change is given to the guided light of the arm waveguide by the thermo-optic effect to drive it as a phase modulation element (phase shifter). Also shown in FIG. 3 is electrical wiring 109 that supplies power to drive the heater 104 of the phase shifter. Although not shown in FIG. 3, a power supply for supplying electric power to the electric wiring 109 and a control unit for controlling the supply amount may be provided.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the substrate taken along the dotted line B-B′ in the first embodiment shown in FIG.
  • the first silica film (112-1) is provided on the silicon substrate 110.
  • a second silica film (112-2) formed by thermal oxidation is further present on the first silica film (112-1).
  • Such a silica film layer can be realized by bonding substrates. The details of the method for producing a silica film layer by bonding such substrates are specifically described in Example 2.
  • the optical waveguide core 111 is provided on the second silica film (112-2), and the second silica film (112-2) functions as an underclad.
  • Overcladding 113 is formed on and around the optical waveguide core 111.
  • a silica film is often used for the overclad as well, but it is sufficient if the refractive index is lower than that of the core, and therefore the surroundings may be etched to use air for the overclad.
  • a heater 104 of a phase shifter is installed above the overclad 113.
  • the clad on both sides of the core 111 may be etched to form the heat insulating grooves 105a and 105b.
  • FIG. 5 shows the basic operation of the MZI according to the first embodiment of the present invention.
  • the heater of the phase shifter is energized to generate heat.
  • the heater of the phase shifter is not energized and cools. It is in a state.
  • the light input to the MZI is split into two arm optical waveguides 103a and 103b by the directional coupler on the input side, and after passing through each arm, is again output by the directional coupler on the output side. Combined. At this time, the output destination from the directional coupler on the output side changes due to the phase difference of light when the light is input from the two arms to the directional coupler on the output side.
  • the refractive index of one arm of the MZI can be changed by driving the phase shifter, and the phase difference when inputting to the directional coupler on the output side can be adjusted.
  • phase shifter uses the thermo-optical effect, heat is supplied to the MZI arm by the heater 104 or the like.
  • the thermal conductivity of the silicon substrate is much higher than that of the core and the clad, and the volume of the silicon substrate is large. The heat escapes to the silicon substrate.
  • the heat insulating grooves 105a and 105b are formed, and the diffusion direction of the heat supplied from the heater 104 of the phase shifter is limited to the Y direction toward the substrate 110.
  • the longer the distance from the core to the silicon substrate having high thermal conductivity, that is, the thickness of the underclad (112-1, 112-2) is. The thicker the core, the higher the temperature of the core can be raised in the steady state for the same amount of heat supply, and thus the switching can be performed with less power.
  • a thermally oxidized silica film with high film quality is a preferred silica film for undercladding, but there is a problem in increasing the film thickness. This is because the thermal oxidation silica film has a longer growth time per unit thickness (the growth rate decreases) as the silica film thickness increases. Since the decrease in the growth rate becomes more remarkable as the film thickness increases, a very long film forming time is required to form a thick film.
  • the silicon substrate having the first silica film formed on the surface is bonded to another substrate on the side of the first silica film, and after polishing from the back surface of the silicon substrate, further heat treatment is performed.
  • a second silica film is formed by oxidation.
  • the total value of the silica film thicknesses existing up to the substrate is calculated as the total film thickness value of the first silica film and the second silica film while using the thermally oxidized silica film as the underclad immediately below the core.
  • the first silica film it is not necessary for the first silica film to be a thermally oxidized silica film because the second silica film directly below the core has a strong effect on the core through which light passes as an underclad.
  • the time required for growth is about half the thickness of the conventional single thermally oxidized silica film. It is possible to greatly reduce the length as compared with the conventional one.
  • polishing or thermal oxidation is reduced to form a silicon layer between the first silica film (112-1) and the second silica film (112-2).
  • the effect of the present invention is exhibited even with the structure in which 114 remains.
  • the heat is discharged to the silicon substrate under the underclad in the Y direction, the Z direction which is the traveling axis of the guided light, and the first silica film and the second silica.
  • the silicon layer 114 remaining between the films it also propagates in the X direction perpendicular to the direction of the arm. Since the X direction is etched and is in contact with air having a very poor thermal conductivity, the heat outflow can be ignored. In such a case, the easiness of heat outflow (propagation multiplier) depends on the cross-sectional area when the composition of the outflow path is the same. Heat can easily escape to a route with a wide cross-sectional area, and heat cannot escape easily with a narrow cross-sectional area.
  • the cross-sectional area of the heat outflow path in the Z direction remains between the width of the ridge of the waveguide portion surrounded by the groove and the first silica film and the second silica film. It is the product of the thickness of the silicon layer 114, and the cross-sectional area of the heat outflow path in the Y direction is the product of the width of the ridge of the waveguide portion surrounded by the groove and the length of the phase shifter.
  • the length of the phase shifter is on the order of millimeters, and if the thickness of the silicon layer 114 remaining between the first silica film and the second silica film is sufficiently smaller than this, the outflow from the path is prevented. The effect is limited and cannot be the dominant factor. Since the thickness of the silicon layer 114 may be set to a certain thickness or less, there is an advantage that the condition determination at the time of forming the thermally oxidized silica film is simplified.
  • two or more silica films may be provided between the core 111 of the optical waveguide and the silicon substrate 110.
  • One may be a thermally oxidized silica film formed by thermal oxidation.
  • a silicon layer may be provided on at least one of the bonding interfaces between a plurality of silica films.
  • the first silicon substrate is turned over and the surface of the first silica film is removed.
  • the layer thickness of the silicon layer on the silica film is controlled by adhering to another second silicon substrate and grinding and polishing the back surface of the adhered first silicon substrate.
  • the silicon layer remaining on the back surface of the first silicon substrate is further thermally oxidized to form the second silica film, whereby the thermally oxidized silica film to be the underclad can be formed in a short time.
  • a silica film 112-1 is formed on the surface of the Si substrate 112-0.
  • the silica film 112-1 may be a thermally oxidized silica film, but need not be a thermally oxidized silica film.
  • the Si substrate 112-0 is turned upside down and bonded to the Si substrate 110 on the surface of the silica film 112-1.
  • the Si substrate 112-0 on the upper surface (the lower surface and the back surface in FIG. 7A) of the Si substrate 112-0 which is turned over and bonded to the Si substrate 110 is desired by grinding/polishing. To the thickness of.
  • the Si substrate 112-0 thinned by grinding and polishing is subjected to thermal oxidation treatment.
  • the thermal oxidation process does not have to be performed up to the thickness of all Si substrates 112-0, and it is sufficient that the thermally oxidized silica film 112-2 having a desired thickness can be formed. If there is a remaining portion of the Si substrate 112-0 that has not been thermally oxidized, the silicon layer 114 of FIG. 6 is formed.
  • FIG. 7D the thermally oxidized silica film 112-2 produced by the thermal oxidation treatment is completed on the silica film 112-1 produced in FIG. 7A.
  • the silica film 112-1 and the thermally oxidized silica film 112-2, or the silica film 112-1 and the thermally oxidized silica film 112-2 sandwiching the silicon layer 114 become a thick silica film as a whole, and the thermally oxidized silica film 112-2 is formed. Becomes underclad.
  • the optical waveguide core 111, the overclad 113, the heat insulating grooves 105a and 105b are formed, and the heater 104 of the phase shifter and the electric wiring 109 are attached to complete the PLC.
  • the silica film 112-1 at the time of bonding does not have to be a film formed by thermal oxidation. Further, even when the silica film 112-1 is formed by thermal oxidation, if the thermal oxide film is formed in advance before the bonding, the manufacturing time of the PLC is not affected.
  • a silica film is formed on the surface of the first silicon substrate, a thermally oxidized silica film is formed on the surface of the second silicon substrate, and the silica film surfaces of the first and second silicon substrates are formed. You may produce a thick silica film by sticking together. After that, the back surface of the second silicon substrate is ground and polished until the thermally oxidized silica film is exposed, and undercladding by thermally oxidized silica can be realized.
  • the silica film formed by thermal oxidation can be formed with respect to the substrate thickness.
  • the total silica film thickness can be increased.
  • the drive power of the MZI can be reduced by the present invention, the power consumption can be reduced correspondingly in the case of an optical signal processing device that needs to drive many MZIs.
  • Non-Patent Document 4 it is necessary to drive 2 ⁇ N MZIs in an M-input/N-output optical switch such as a PILOSS switch (Non-Patent Document 4) or a multicast switch (Non-Patent Document 5). Therefore, a large-scale switch has a problem that driving power also increases. (See Non-Patent Documents 4 and 5)
  • a VOA (variable optical attenuator) array is another device that needs to drive many MZIs.
  • MZI variable optical attenuator
  • the output power of an optical signal is controlled by adjusting the phase shifter of MZI.
  • optical filters can be realized by driving multiple MZIs.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a lattice filter as the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 also shows an optical waveguide 801 which is an actual optical circuit on the optical waveguide substrate and a layout of electric wiring for controlling the phase shifters 802-1 to 802-1.
  • the lattice filter has been described as an example in the third embodiment, it can be applied to a transversal filter, a filter using a ring resonator, a variable optical attenuator array using MZI, and an optical signal processing device combining them. It is clear that
  • the power can be increased by increasing the underclad. It is possible to realize an optical signal processing device with reduced consumption, and to realize a manufacturing method in which the time for forming the thermally oxidized silica film immediately below the optical waveguide core is shortened in manufacturing the optical signal processing device.

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Abstract

シリカＰＬＣのアンダークラッドに熱酸化シリカ膜を使用しつつ、アンダークラッドの厚みを厚くし、かつ製造時に成膜時間を短くすることが可能な光信号処理装置を実現する。シリコン基板上に形成された光導波路を含む平面光回路として形成され、熱光学効果を用いた位相変調素子を有する光信号処理装置であって、光導波路のコアとシリコン基板の間に複数のシリカ膜を有しており、前記複数のシリカ膜のうち少なくとも一つが熱酸化により形成されていることを特徴とする光信号処理装置とした。

Description

光信号処理装置および光信号処理装置の製造方法
　本発明は、光信号処理装置および光信号処理装置の製造方法に関する。
　従来、シリカ（二酸化シリコン、ＳｉＯ2）材料を用いた平面光回路（Planar Lightwave Circuit: ＰＬＣ）で構成された光信号処理装置は、光通信において重要な役割を担うデバイスとなっている。シリカＰＬＣでは、数～数十μｍという非常に小さな光導波路に光を閉じ込めることができ、小さなチップでさまざまな機能を発現する光信号処理装置を構成することができる。シリカＰＬＣを用いた光スイッチも、チップにその機能を集積することが可能であり、その制御は電気信号による熱光学効果を用いて実現される。
　図１に、従来の光信号処理装置の一例として、ＰＬＣ光スイッチの光回路を模式的に示す。この光回路は、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を構成しており、左の入力導波路１ａ、１ｂの一方（例えば１ａ）から入力された光信号は、左の２入力２出力の方向性結合器２において、アーム光導波路３ａ、３ｂに分波され、右の２入力２出力の方向性結合器６において合波され、干渉した結果に応じて右の出力導波路７ａ、７ｂから出力される。
　分岐した２本のアーム光導波路の片方の、アーム光導波路３ｂの上には、位相変調素子としての位相シフタのヒータ４が設けられ、またアーム光導波路３ｂの両脇には断熱溝５ａ、５ｂが設けられている。位相シフタのヒータ４に通電してアーム光導波路３ｂに熱を供給することで、熱光学効果によりアーム導波路３ｂの導波光に位相変化を与えて、位相変調素子（位相シフタ）として駆動する。（例えば、特許文献１参照）。
　シリカＰＬＣスイッチの駆動に必要な電力は、位相変調素子（位相シフタ）のヒータ４の駆動電力である。図１に記載した光スイッチでは、位相シフタのヒータ４により下層のアーム光導波路３ｂを加熱することで加熱された部分の屈折率を変化させ、導波光の位相を変調する。図１のＭＺＩ回路では、上下のアーム導波路を通る光の位相差に応じて方向性結合器６における干渉条件が変化し、２つの出力導波路７ａ、７ｂの出力光強度が変化するため、この位相変調素子の制御により光スイッチング機能を実現することができる。
　図２に、図１の位相変調素子（位相シフタ）の領域の、断面Ａ－Ａ’の基板断面図を示す。図２で、Ｓｉ基板１０の上に形成された光導波路３ｂは、コア１１と呼ばれる光が閉じ込められる領域の上下を、クラッド（アンダークラッド１２、オーバークラッド１３）と呼ばれる領域が挟んで構成されており、位相変調素子の領域のオーバークラッド１３の上には位相シフタのヒータ４が設けられている。
　シリカＰＬＣでは、通常コアとクラッドはともにシリカが使用される。ヒータ４から供給される熱により、コア１１の温度を制御することで導波光の位相変調を行うことができる。ヒータ４からの熱をコア１１に効率的に伝えるため、コアの両サイドのクラッドをエッチングで削り、断熱溝５ａ，５ｂを形成することで、効率的に熱をコアに届けることができる。
　シリカＰＬＣでは一般的に、基板１０にＳｉ（シリコン）を用いることが多い。Ｓｉはシリカと比較して熱伝導率が高いため、最終的にヒータ４から供給される熱はＳｉ基板１０に逃げていく。加熱時の定常状態では、ヒータ４とＳｉ基板１０の間の温度勾配により、Ｓｉ基板１０へ逃げる熱量とヒータ４から供給される熱量が等しくなる。そのため、コア１１と基板１０の間のクラッド（アンダークラッド１２）が厚ければ厚いほど、コアは熱が逃げるＳｉ基板から離れるため、ヒータからの熱供給量が同一であっても高い温度にすることができる。よって、アンダークラッドを厚くすることで、シリカＰＬＣスイッチは低消費電力化することができる。
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　Ｓｉ基板上にシリカを形成する方法として、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や熱酸化法があるが、熱酸化法ではフラットネスが高く品質の良いシリカ膜が形成できることが知られている。（非特許文献２参照）
　しかしながら、熱酸化によって厚いシリカ膜を形成するためには、周辺雰囲気中の酸素分子がすでに形成されたシリカ膜を抜けてＳｉ基板に届く必要があり、厚くなればなるほど熱酸化シリカ膜の成長には時間がかかる。そのため、光スイッチのような光信号処理装置の消費電力を下げるためにシリカＰＬＣのアンダークラッドとして熱酸化シリカ膜を使用し、かつ厚いシリカ膜とするためには、作製に必要な時間とコストが増大することが問題となる。
　本発明は、このような問題を解決するためになされたものである。その目的とするところは、シリカＰＬＣのアンダークラッドに熱酸化シリカ膜を使用しつつ、アンダークラッドの厚みを厚くし、かつ製造時に成膜時間を短くすることが可能な光信号処理装置の実現、およびそのような光信号処理装置の製造方法の実現にある。
　本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成としている。
シリコン基板上に形成された光導波路を含む平面光回路として形成され、熱光学効果を用いた位相変調素子を有する光信号処理装置であって、熱酸化シリカ膜を有する基板と、シリカ膜を有する基板を貼り合わせた構成として、光導波路コアのアンダークラッドとして熱酸化シリカ膜を使用した構成としている。
　本発明は、具体的には、以下のような構成を備えることを特徴とする。
（構成１）
　シリコン基板上に形成された光導波路を含む平面光回路として形成され、熱光学効果を用いた位相変調素子を有する光信号処理装置であって、
　光導波路のコアとシリコン基板の間に複数のシリカ膜を有しており、
　前記複数のシリカ膜のうち少なくとも一つが熱酸化により形成されている
ことを特徴とする光信号処理装置。
（構成２）
　前記複数のシリカ膜同士の界面のうち、少なくとも一つの界面にシリコン層を有する
ことを特徴とする構成１の光信号処理装置。
（構成３）
　複数の基板の貼り合わせにより前記シリコン基板とシリカ膜が作製されている
ことを特徴とする構成１または２に記載の光信号処理装置。
（構成４）
　前記光導波路がマッハツェンダー干渉計を形成している
ことを特徴とする構成１から３のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
（構成５）
　前記光信号処理装置が、マトリックススイッチ、マルチキャストスイッチ、または光フィルタもしくは光信号減衰器の機能を有する
ことを特徴とする構成１から４のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
（構成６）
　第１のシリコン基板の表面に第１のシリカ膜を形成するステップと、
　第１のシリコン基板を第１のシリカ膜の面で別の第２のシリコン基板と張り合わせるステップと、
　張り合わせた第１のシリコン基板の裏面を研削・研磨するステップと、
　研削・研磨された第１のシリコン基板の裏面のシリコン層を熱酸化して熱酸化シリカによるアンダークラッドを形成するステップと、
を備えることを特徴とする光信号処理装置の製造方法。
（構成７）
　第１のシリコン基板の表面にシリカ膜を形成するステップと、
　第２のシリコン基板の表面に熱酸化シリカ膜を形成するステップと、
　第１のシリコン基板のシリカ膜と、第２のシリコン基板の熱酸化シリカ膜の面を貼り合わせるステップと、
　第２のシリコン基板の裏面を熱酸化シリカ膜が露出するまで研削・研磨して、熱酸化シリカによるアンダークラッドを形成するステップと、
を備える光信号処理装置の製造方法。
（構成８）
　アンダークラッドの上に光導波路コアおよびオーバークラッドを形成するステップと、
　位相変調素子の光導波路の両脇に断熱溝を形成し、位相変調素子の位相シフタのヒータと電気配線を取り付けるステップと、
をさらに備える構成６または７に記載の光信号処理装置の製造方法。
　本発明によれば、光導波路とヒータを利用した位相変調素子を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置のＰＬＣにおいて、アンダークラッドを厚くすることで電力消費量を削減した光信号処理装置を実現でき、またその製造に際して光導波路コア直下の熱酸化シリカ膜成膜時間を短縮した製造方法を実現することができる。
従来の光信号処理装置の一例として、ＰＬＣ光スイッチの光回路（ＭＺＩ）を模式的に示す図である。 図１の位相変調素子（位相シフタ）の領域の、基板断面図である。 本発明の実施例１の光信号処理装置の基板平面図である。 本発明の実施例１の光信号処理装置の位相変調素子（位相シフタ）の領域の、基板断面図である。 本発明の実施例１のＭＺＩの基本動作を示す図である。 本発明の実施例１の別構成の、基板断面図である。 本発明の実施例２として、光信号処理装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例３として、ラティスフィルタを説明する図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
　図３に本発明の実施例１の光信号処理装置のＸ－Ｚ面の構成（基板平面図）を図示する。図３の光信号処理装置は、ＰＬＣ光スイッチの光回路であり、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を構成している。図３において、左の入力導波路１０１ａ、１０１ｂの一方（１０１ａ）から入力された光信号は、左の２入力２出力の方向性結合器１０２において、アーム光導波路１０３ａ、アーム光導波路１０３ｂに分波され、右の２入力２出力の方向性結合器１０６において合波され、干渉した結果に応じて右の出力導波路１０７ａ、１０７ｂから出力される。
　分岐した２本のアーム光導波路１０３ａ、１０３ｂのうち片方の、アーム光導波路１０３ｂの上には、位相変調素子としての位相シフタのヒータ１０４が設けられ、またアーム光導波路１０３ｂの両脇には断熱溝１０５ａ、１０５ｂが設けられている。位相シフタのヒータ１０４からアーム光導波路１０３ｂに熱を供給することで、熱光学効果によりアーム導波路の導波光に位相変化を与えて位相変調素子（位相シフタ）として駆動する。図３にはまた、位相シフタのヒータ１０４を駆動する電力を供給する電気配線１０９も示されている。図３には記載しないが、電気配線１０９に電力を供給する電源や供給量を制御する制御部があってもよい。
　また、図４は、図３の実施例１における点線Ｂ－Ｂ’の部分の基板断面図である。
　本実施例１の構成では、シリコン基板１１０の上に第１のシリカ膜（１１２－１）を有する。第１のシリカ膜（１１２－１）上にはさらに、熱酸化で成膜された第２のシリカ膜（１１２－２）が存在する。このようなシリカ膜層は、基板の貼り合わせにより実現することが可能である。このような基板の貼り合わせによるシリカ膜層の製造方法の詳細は、具体的には実施例２に記載している。
　また、第２のシリカ膜（１１２－２）の上に光導波路コア１１１を有しており、第２のシリカ膜（１１２－２）がアンダークラッドとして機能している。光導波路コア１１１の上部と周囲にはオーバークラッド１１３が形成されている。オーバークラッドにもシリカ膜が使用されることが多いが、コアよりも屈折率が低ければ良いため、周囲をエッチングして空気をオーバークラッドに活用しても構わない。オーバークラッド１１３の上部には位相シフタのヒータ１０４が設置されている。コア１１１の両サイドのクラッドをエッチングで削り、断熱溝１０５ａ，１０５ｂを形成してもよい。
　図５に、本発明の実施例１のＭＺＩの基本動作を示す。図５（ａ）の位相シフタＯＮの状態では、位相シフタのヒータが通電されて発熱状態であり、図５（ｂ）の位相シフタＯＦＦの状態では、位相シフタのヒータが通電されずに冷えた状態である。
　図５で、ＭＺＩに入力された光は、入力側の方向性結合器により２つのアーム光導波路１０３ａ、１０３ｂに分岐し、それぞれのアームを通ったのちに再度、出力側の方向性結合器によって合波される。この時、２つのアームから出力側の方向性結合器に入力する際の光の位相差により、出力側の方向性結合器からの出力先が変化する。
　本構成の光信号処理装置では、位相シフタを駆動することによりＭＺＩの片側のアームの屈折率を変化させ、出力側の方向性結合器に入力する際の位相差を調整することができる。
　位相シフタでは熱光学効果を使用するため、ヒータ１０４などによりＭＺＩのアームに熱を供給する。シリコン基板上に導波路を形成し、コアやクラッドにシリカ膜を使用する場合にはコアやクラッドと比較してシリコン基板の熱伝導率の方が非常に高く、かつシリコン基板の体積が大きいためにシリコン基板に熱が逃げていく。
　本構成では断熱溝１０５ａ、１０５ｂを形成しており、位相シフタのヒータ１０４から供給される熱の拡散方向は、基板１１０に向かうＹ方向に限られる。この場合、供給する熱により温度を上げたいのはコア１１１であるため、コアから熱伝導率の高いシリコン基板までの距離が長いほど、つまりアンダークラッド（１１２－１、１１２－２）の厚みが厚いほど同量の熱供給量に対して定常状態でのコアの温度を上げることができるため、少ない電力でスイッチングを行うことができる。
　先に述べたが、膜質の高い熱酸化シリカ膜はアンダークラッドとして好ましいシリカ膜であるが、厚膜化に課題がある。これは、熱酸化シリカ膜は、シリカ膜厚が厚くなるほど単位厚さあたりの成長時間が長くなる（成長速度が低下する）ことによる。この成長速度の低下は膜厚が厚くなるほど顕著になるため、厚い膜の形成には非常に長い成膜時間が必要になる。
　これに対し、本実施例１の構成では、表面に第１のシリカ膜を形成したシリコン基板を、第１のシリカ膜の側で別の基板に張り合わせ、シリコン基板の裏面から研磨後、更に熱酸化により第２のシリカ膜を形成する。これにより、コア直下のアンダークラッドとして熱酸化シリカ膜を使用しつつ、基板までの間に存在するシリカ膜厚の合計値を、第１のシリカ膜と第２のシリカ膜の膜厚の合計値とすることができる。
　このようなシリカ膜形成後の張り合わせはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板等の作製で行われており、これらの一般的な手法が活用可能である。（非特許文献３参照）
　この時、アンダークラッドとして光が通るコアへと強い影響を与えるのはコア直下にある第２のシリカ膜であるため、第１のシリカ膜は熱酸化シリカ膜でなくても構わない。
　もし第１のシリカ膜および第２のシリカ膜の両方で熱酸化シリカ膜を使用したとしても、従来の単独の熱酸化シリカ膜の厚さの半分程度であるから、成長に必要とする時間は従来に比較して大幅に短縮することが可能である。
　また、図６の実施例１の別構成のように、研磨または熱酸化を少なくして、第１のシリカ膜（１１２－１）と第２のシリカ膜（１１２－２）の間にシリコン層１１４の残った構成であっても、本発明の効果は発揮される。
　この図６の別構成のような場合、熱が流出する先は、アンダークラッド下のシリコン基板というＹ方向に加え、導波光の進行軸であるＺ方向および第１のシリカ膜と第２のシリカ膜の間に残ったシリコン層１１４を通じてアームの通る方向に直角なＸ方向にも伝搬する。Ｘ方向はエッチングしてあり、熱伝導率の非常に悪い空気と接しているため、熱の流出を無視することができる。このような場合、熱の流出のしやすさ（伝搬乗数）は、流出経路の組成が同じ場合には断面積に依存する。広い断面積を持つ経路には熱が逃げやすく、狭い断面積では熱が逃げにくい。
　図６の別構成の場合、Ｚ方向への熱流出経路の断面積は、溝に囲まれた導波路部のリッジの幅と、第１のシリカ膜および第２のシリカ膜の間に残ったシリコン層１１４の厚みの積であり、Ｙ方向への熱流出経路の断面積は、溝に囲まれた導波路部のリッジの幅と位相シフタの長さの積である。
　通常、位相シフタの長さはミリメータのオーダであり、第１のシリカ膜および第２のシリカ膜の間に残ったシリコン層１１４の厚みがこれよりも十分薄ければ、その経路からの流出の効果は限定的なものになり、支配的な要因にはなりえない。シリコン層１１４の厚みは、ある一定以下の厚みにすればよいため、熱酸化シリカ膜成膜時の条件決めが簡易になる等のメリットがある。
　また、２以上の複数のシリコン基板を張り合わせることにより、光導波路のコア１１１とシリコン基板１１０の間に、２以上の複数のシリカ膜を有していてもよく、複数のシリカ膜のうち少なくとも一つが熱酸化により形成された熱酸化シリカ膜であればよい。
　またさらに、複数のシリカ膜同士の張り合わせ界面のうち、少なくとも一つの界面にシリコン層を有していてもよい。
　このような構成でアンダークラッドを形成することで、ＰＬＣ光スイッチとしてＭＺＩの出力先の切り替えを低い電力で実現しつつ、トータルの製造時間を削減することが可能である。
（光信号処理装置の製造方法）
　実施例１の説明において、熱酸化シリカ膜をアンダークラッドにしつつ、シリコン基板までのシリカ膜厚を厚くするため、基板の張り合わせを行う構造が、光信号処理装置の低消費電力化および製造時間の短縮に有効であることを説明した。
　本発明の実施例２として、光信号処理装置の製造方法を説明する。特に、基板の張り合わせの方法について図７を参照して詳細に説明する。
　実施例２の光信号処理装置の製造方法では、概略、第１のシリコン基板の表面に第１のシリカ膜を形成した後で、第１のシリコン基板を裏返して第１のシリカ膜の面で別の第２のシリコン基板と張り合わせ、張り合わせた第１のシリコン基板の裏面を研削・研磨することで、シリカ膜上のシリコン層の層厚を制御する。
　その後、第１のシリコン基板の裏面に残ったシリコン層をさらに熱酸化して第２のシリカ膜を形成することにより、アンダークラッドとなる熱酸化シリカ膜を短時間で形成することができる。
　この実施例２の製造方法の詳細フローを、図７（ａ）～（ｄ）に示す。
　まず図７（ａ）のように、２枚のＳｉ基板１１０と１１２－０を用意して、Ｓｉ基板１１２－０の表面にシリカ膜１１２－１を形成しておく。シリカ膜１１２－１は熱酸化シリカ膜であってもよいが、熱酸化シリカ膜でなくてもかまわない。そしてＳｉ基板１１２－０を裏返して、シリカ膜１１２－１の面でＳｉ基板１１０と張り合わせる。
　次に図７（ｂ）のように、裏返してＳｉ基板１１０と張り合わせたＳｉ基板１１２－０の上面（図７（ａ）における下面、裏面）のＳｉ基板１１２－０を、研削・研磨により所望の厚みまで薄層化する。
　図７（ｃ）では、研削・研磨により薄層化したＳｉ基板１１２－０を、熱酸化処理する。熱酸化処理は、全てのＳｉ基板１１２－０の厚みまで行う必要は無く、所望の厚みの熱酸化シリカ膜１１２－２が形成できればよい。熱酸化されなかったＳｉ基板１１２－０の残り部分がある場合は、図６のシリコン層１１４となる。
　図７（ｄ）では、熱酸化処理により生成された熱酸化シリカ膜１１２－２が、図７（ａ）で作成したシリカ膜１１２－１の上に完成している。シリカ膜１１２－１と熱酸化シリカ膜１１２－２、またはシリコン層１１４を挟んだシリカ膜１１２－１と熱酸化シリカ膜１１２－２が、全体として厚いシリカ膜となり、熱酸化シリカ膜１１２－２がアンダークラッドとなる。
　以後、光導波路コア１１１、オーバークラッド１１３、断熱溝１０５ａ，１０５ｂを形成して、位相シフタのヒータ１０４や電気配線１０９を取り付けてＰＬＣの完成となる。
　この時、張り合わせる際のシリカ膜１１２－１は、熱酸化による成膜でなくても問題ないことは、実施例１の説明で既に述べた。また、シリカ膜１１２－１を熱酸化による成膜とする場合でも、張り合わせる際に先んじて予め熱酸化膜を形成しておけば、ＰＬＣの製造時間には影響はしない。
　他の製造方法としては、第１のシリコン基板の表面にシリカ膜を形成し、第２のシリコン基板の表面に熱酸化シリカ膜を形成し、第１および第２のシリコン基板のシリカ膜の面同士を貼り合わせることで厚いシリカ膜を作製してもよい。そののちに第２のシリコン基板の裏面を熱酸化シリカ膜が露出するまで研削・研磨して、熱酸化シリカによるアンダークラッドを実現できる。
　上記のように張り合わせや成膜方法は複数考えられるが、本発明では成膜を別に行ったシリカを有する基板を貼り合わせることで、熱酸化で成膜するシリカ膜厚に対して、基板までのシリカ膜厚の総膜厚を厚くすることができる。
　本発明によりＭＺＩの駆動電力を小さくできるため、多くのＭＺＩを駆動する必要のある光信号処理装置であれば、それだけ電力消費量を削減できる。
　例えば、ＰＩＬＯＳＳスイッチ（非特許文献４）やマルチキャストスイッチ（非特許文献５）のＭ入力Ｎ出力光スイッチでは、２×Ｎ個のＭＺＩを駆動する必要がある。そのため、大規模なスイッチになると駆動電力も大きくなることが課題となる。（非特許文献４、５参照）
　本発明により各ＭＺＩを駆動するための電力を削減することができる為、デバイス全体の電力削減効果も大きなものになる。
　多くのＭＺＩを駆動する必要のあるデバイスとして、ＶＯＡ（variable optical attenuator）アレイも挙げられる。（非特許文献６参照）ＭＺＩを用いたＶＯＡでは、ＭＺＩの位相シフタの調整により、光信号の出力パワーを制御する。ＭＺＩをアレイ化することで、一つのデバイスで多くの光信号の強度を独立して制御することが可能になる。しかし全てのＭＺＩを駆動する必要があり、アレイ数に比例して消費電力は増えていくことが課題であった。このような場合にも、ＭＺＩの消費電力を下げる事ができる本発明は有効な解決手段となる。
　さらに、光フィルタでも複数のＭＺＩを駆動することで実現するものがある。
　図８は、本発明の実施例３としてラティスフィルタの例を説明する図である。図８には光導波路基板上の実際の光回路となる光導波路８０１、および位相シフタ８０２－１～６を制御する電気配線のレイアウトも記載している。
　また、本実施例３では、ラティスフィルタを例として説明したが、トランスバーサルフィルタやリング共振器によるフィルタ、ＭＺＩを用いる可変光減衰器アレイや、さらにはそれらを組み合わせた光信号処理装置に適用可能であることは明らかである。
　以上のように、本発明によれば、光導波路とヒータを利用した位相変調素子を用いて実現される光スイッチや光フィルタ等の光信号処理装置のＰＬＣにおいて、アンダークラッドを厚くすることで電力消費量を削減した光信号処理装置を実現でき、またその製造に際して光導波路コア直下の熱酸化シリカ膜の成膜時間を短縮した製造方法を実現することができる。
１ａ、１ｂ、１０１ａ、１０１ｂ　入力導波路
２、６、１０２、１０６　方向性結合器
３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ　アーム光導波路
７ａ、７ｂ、１０７ａ、１０７ｂ　出力導波路
４、１０４　位相シフタのヒータ
５ａ、５ｂ、１０５ａ、１０５ｂ　断熱溝
１０，１１０、１１２－０　Ｓｉ基板
１１、１１１　コア
１２　アンダークラッド
１１２－１　シリカ膜
１１２－２　熱酸化シリカ膜
１３、１１３　オーバークラッド
１１４　シリコン層
１０９　電気配線

Claims (8)

  1. 　シリコン基板上に形成された光導波路を含む平面光回路として形成され、熱光学効果を用いた位相変調素子を有する光信号処理装置であって、
    　光導波路のコアとシリコン基板の間に複数のシリカ膜を有しており、
    　前記複数のシリカ膜のうち少なくとも一つが熱酸化により形成されている
    ことを特徴とする光信号処理装置。
  2. 　前記複数のシリカ膜同士の界面のうち、少なくとも一つの界面にシリコン層を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
  3. 　複数の基板の貼り合わせにより前記シリコン基板とシリカ膜が作製されている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
  4. 　前記光導波路がマッハツェンダー干渉計を形成している
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
  5. 　前記光信号処理装置が、マトリックススイッチ、マルチキャストスイッチ、または光フィルタもしくは光信号減衰器の機能を有する
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
  6. 　第１のシリコン基板の表面に第１のシリカ膜を形成するステップと、
    　第１のシリコン基板を第１のシリカ膜の面で別の第２のシリコン基板と張り合わせるステップと、
    　張り合わせた第１のシリコン基板の裏面を研削・研磨するステップと、
    　研削・研磨された第１のシリコン基板の裏面のシリコン層を熱酸化して熱酸化シリカによるアンダークラッドを形成するステップと、
    を備えることを特徴とする光信号処理装置の製造方法。
  7. 　第１のシリコン基板の表面にシリカ膜を形成するステップと、
    　第２のシリコン基板の表面に熱酸化シリカ膜を形成するステップと、
    　第１のシリコン基板のシリカ膜と、第２のシリコン基板の熱酸化シリカ膜の面を貼り合わせるステップと、
    　第２のシリコン基板の裏面を熱酸化シリカ膜が露出するまで研削・研磨して、熱酸化シリカによるアンダークラッドを形成するステップと、
    を備える光信号処理装置の製造方法。
  8. 　アンダークラッドの上に光導波路コアおよびオーバークラッドを形成するステップと、
    　位相変調素子の光導波路の両脇に断熱溝を形成し、位相変調素子の位相シフタのヒータと電気配線を取り付けるステップと、
    をさらに備える請求項６または７に記載の光信号処理装置の製造方法。
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