JP2016142995A

JP2016142995A - 光導波回路および光導波回路の製造方法

Info

Publication number: JP2016142995A
Application number: JP2015020591A
Authority: JP
Inventors: 淳一長谷川; Junichi Hasegawa
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-08-08

Abstract

【課題】消費電力を低減可能であるとともに高い信頼特性を有する光導波回路を提供する。【解決手段】光導波回路１は、基板３、下側クラッド層５ａ、上側クラッド層５ｂ、コア７、ヒータ９、絶縁膜１３等から構成される。基板３上には、下側クラッド層５ａが形成される。また、下側クラッド層５ａ上には、コア７が形成される。さらに、コア７を覆うように、下側クラッド層５ａ上に、上側クラッド層５ｂが形成される。上側クラッド層５ｂ上には、ヒータ９が形成される。クラッド層５の上面１５およびヒータ９は絶縁膜１３で被覆される。また、断熱溝１１に露出するクラッド層５の側面１７も絶縁膜１３で被覆される。【選択図】図１

Description

本発明は、光スイッチにおける光導波回路およびその製造方法に関するものである。

ＣＤＣ（Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ，ＤｉｒｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓａｎｄＣｏｎｔｅｎｔｉｏｎｌｅｓｓ）−ＲＯＡＤＭ（ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＯｐｔｉｃａｌＡｄｄ／ＤｒｏｐＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を実現するために、光スプリッタと光スイッチを組み合わせたマルチキャストスイッチが使用されている。マルチキャストスイッチとしては、１つの筐体にＡＤＤ／ＤＲＯＰ機能を搭載したＤｕａｌ型が主流であり、例えば、８×８のマルチキャストスイッチが使用されている。今後は、さらなる波長数の増加が予測され、マルチキャストスイッチの小型化が要求されている。

光スイッチは、例えば、カプラで挟まれた二つの光導波回路を有し、光導波回路上に加熱手段であるヒータが設けられた複数のＭＺＩ（マッハツェンダ型干渉計）を有する。それぞれのＭＺＩのヒータのオン／オフによって、光信号の通る経路を変更することができる。

一方、マルチキャストスイッチの小型化が進むと、チップ面積に占めるヒータの割合も非常に大きくなる。このため、ヒータ１個に対する消費電力の削減が強く求められている。

このように、光導波回路上のヒータの低消費電力を低減する方法としては、たとえば、光導波回路の両側に断熱溝を構築する方法がある（特許文献１）。

特開２００７−６５６４５号公報

特許文献１のように、ヒータが設けられた光導波回路の両側に断熱溝を設けることで、ヒータからの熱を導波路に効率的に伝えることができる。このため、ヒータの消費電力を低減することができる。このような効果は、光導波回路のリッジ幅を小さくすれば小さくするほど効果が大きい。

しかしながら、リッジ幅を小さくすると、光スイッチの信頼性特性が劣化する場合がある。一方、リッジ幅を大きくすると、前述した消費電力の低減に反することとなる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、消費電力を低減可能であるとともに高い信頼特性を有する光導波回路を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、基板と、前記基板上に形成されるクラッド層と、前記クラッド層の内部に形成されるコアと、前記コアに沿って前記クラッド層の一部が除去されて形成される断熱溝と、前記クラッド層の上面に配置されるヒータと、を具備し、前記クラッド層の上面および前記断熱溝に露出する前記クラッド層の側面が、絶縁膜で被覆されることを特徴とする光導波回路である。

前記クラッド層は、上面から前記基板側に行くにつれて幅が広くなることが望ましい。

第１の発明によれば、クラッド層の上面のみではなく、断熱溝に露出するクラッド層の側面にも絶縁膜を形成することで、クラッド層への水分の浸入を防ぐことができる。このため、リッジ幅を小さくして消費電力を低減しても、高い信頼特性を得ることができる。

特に、クラッド層を、上面から基板側に行くにつれて幅が広くなるように形成することで、断熱溝に露出するクラッド層の側面の絶縁層の厚みを厚くすることができる。このため、さらにリッジ幅を小さくして消費電力を低減しても、高い信頼特性を得ることができる。

第２の発明は、基板上にクラッド層とコア層とを成膜する工程と、コアを形成し、前記コアをさらにクラッド層で覆う工程と、前記コアの両側方の前記クラッド層に断熱溝を形成する工程と、前記クラッド層の上面および前記断熱溝に露出する前記クラッド層の側面を、絶縁膜で被覆する工程と、を具備することを特徴とする光導波回路の製造方法である。

前記絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により被覆し、前記クラッド層の上面および前記断熱溝に露出する前記クラッド層の側面を前記絶縁膜で被覆する際に、前記基板を傾けて、前記絶縁膜を被覆してもよい。

第２の発明によれば、断熱溝を形成した後に絶縁膜でクラッド層を被覆するため、断熱溝に露出するクラッド層の側面にも絶縁膜を形成することができる。

また、絶縁膜をプラズマＣＶＤ法によって形成する際に、基板を傾けて絶縁膜を形成することで、断熱溝に露出するクラッド層の側面にも容易に絶縁膜を形成することができる。

本発明によれば、消費電力を低減可能であるとともに高い信頼特性を有する光導波回路等を提供することができる。

光導波回路１を示す図。（ａ）〜（ｃ）は、光導波回路１を製造する工程を示す図。（ａ）〜（ｃ）は、光導波回路１を製造する工程を示す図。光導波回路１ａを示す図。高温高湿試験におけるＰＤＬの変化を示す図。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態にかかる光導波回路１について説明する。図１は、光導波回路１を示す断面模式図である。光導波回路１は、基板３、下側クラッド層５ａ、上側クラッド層５ｂ、コア７、ヒータ９、絶縁膜１３等から構成される。なお、光導波回路１の配置や列数は図示した例には限られない。

光導波回路１は、熱光学位相シフタを構成する。基板３は例えばシリコン基板である。基板３上には、下側クラッド層５ａが形成される。また、下側クラッド層５ａ上には、コア７が形成される。さらに、コア７を覆うように、下側クラッド層５ａ上に、上側クラッド層５ｂが形成される。なお、以下の説明では、下側クラッド層５ａと上側クラッド層５ｂとを合わせて、クラッド層５とする。

上側クラッド層５ｂ上には、ヒータ９が形成される。なお、ヒータ９には配線が接続され、図示を省略した基板３上の電極部に接続される。このようにして形成される複数のクラッド層５が、断熱溝１１を介して併設される。すなわち、クラッド層５は、光の伝送方向に対して垂直な方向に互いに分離して複数形成される。なお、クラッド層５の材質は、加工性等を考慮して、ＳｉＯ_２にリン、ボロン等が添加されたものが適用可能である。

クラッド層５の上面１５およびヒータ９は絶縁膜１３で被覆される。また、断熱溝１１に露出するクラッド層５の側面１７も絶縁膜１３で被覆される。すなわち、クラッド層５の上面１５と側面１７の両方の外周面が、絶縁膜１３で被覆される。なお、絶縁膜１３は、絶縁性を有し、断熱性が高く、硬度の高いものが望ましい。

なお、以下の説明では、光の伝送方向に対して垂直な断面におけるクラッド層５の全幅をリッジ幅と称する。図１に示す例では、リッジ幅はクラッド層５の高さ方向に対して略一定である。

リッジ幅を小さくすると、光スイッチの信頼性特性が劣化する場合がある。より具体的には、リッジ幅を小さくすると、高温高湿試験（８５℃／８５％／２０００ｈ）における、偏波依存特性（ＰＤＬ）の変化が大きくなる場合がある。

発明者らは、このような信頼特性の劣化は、外部から光導波回路中への水分の混入が要因の一つであることを見出した。すなわち、断熱溝に露出する光導波回路のクラッド層へ水分が混入することで、光導波回路の応力状態が変わり、これによって信頼特性が劣化することを見出した。

この対策としては、リッジ幅を大きくして、水分の混入の影響を小さくする方法がある。しかし、リッジ幅を大きくすると、前述した消費電力の低減に反することとなる。また、リッジ幅を大きくする方法では、水分による影響を完全に抑えることはできない。
そこで、このようにクラッド層５の上面１５と側面１７の両方の外周面を絶縁膜１３で被覆することで水分の浸入を抑制できる。なお、絶縁膜１３としては、例えばＳｉＯ_２を適用することができるが、上述の特性を満足し、水分の浸入を防止することができれば他の材質でも良い。

クラッド層５には、ＳｉＯ_２にリンやボロンが添加されるため、高純度のＳｉＯ_２と比較して、水が浸入しやすい。前述した様に、断熱溝１１側からクラッド層５への水が浸入すると、光導波回路の応力状態が変わることにより、信頼特性が劣化する。特に、リッジ幅を狭くすると、この影響が顕著である。しかし、本実施形態では、クラッド層５の側面１７も絶縁膜１３で被覆されることにより、水の浸入を防ぐことができる。この結果、リッジ幅を狭くして、ヒータ９の電力消費を抑えることができる。本実施形態によれば、リッジ幅が例えば１５μｍ以下、クラッド層５の側面からコアまでの距離が６μｍ以下においても、信頼特性の劣化を抑制できる。

次に、光導波回路１の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板３上に下側クラッド層５ａを形成する。下側クラッド層５ａは、例えばＦＨＤ（ＦｌａｍｅＨｙｄｒｏｌｙｓｉｓＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって製膜することができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、下側クラッド層５ａ上に、ＦＨＤ法等によりコア層７ａを形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチング等によってコア７を形成する。なお、図では、３列のコア７を形成した例を示す。

その後、図３（ａ）に示すように、コア７が埋設されるように、下側クラッド層５ａ上に上側クラッド層５ｂをＦＨＤ法等により形成する。なお、下側クラッド層５ａ、コア７、上側クラッド層５ｂは、必要に応じてそれぞれ熱処理が施される。

次に、上側クラッド層５ｂ上に、スパッタまたは蒸着等によって金属膜を成膜し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチング等によってヒータ９を形成する。また、同様の方法でクラッド層５の一部を除去して、断熱溝１１を形成する。

次に、プラズマＣＶＤなどによって、クラッド層５及びヒータ９を絶縁膜１３で被覆する。この際、光の伝送方向を回転軸として、基板３を所定の角度だけ傾けながら成膜することで、クラッド層５の側面１７にも、絶縁膜１３を効率よく形成することができる。

以上、本実施の形態によれば、断熱溝１１に露出するクラッド層５の側面１７が絶縁膜１３で覆われる。すなわち、クラッド層５が断熱溝１１に直接露出せず、絶縁膜１３によって保護される。したがって、クラッド層５への水の浸入を防止することができる。このため、クラッド層５のリッジ幅を狭くすることができ、ヒータの消費電力を抑制することができる。

（実施形態２）
次に、第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態にかかる光導波回路１ａを示す断面模式図である。なお、以下の説明において、光導波回路１と同様の機能を奏する構成については、図１と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

光導波回路１ａは、光導波回路１と略同様の構造であるが、クラッド層５の形状が異なる。光の伝送方向に垂直な断面において、光導波回路１ａのクラッド層５は、上面１５側から基板３側に向かって、リッジ幅が徐々に広がるように形成される。図示した例では、クラッド層５の断面形状は略台形である。

なお、基板３側に向かってリッジ幅が広くなるようにするためには、断熱溝１１を形成する際のエッチングにおいて、マスクの形状やガス流量等のプロセスパラメータを調整すればよい。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、クラッド層５のリッジ幅が、基板側に向かって広くなるため、効率よく、クラッド層５の側面１７に絶縁膜１３を形成することができる。したがって、クラッド層５の側面１７の絶縁膜１３の膜厚を厚くすることができる。このため、水の浸入をより確実に防止することができる。

また、ヒータ９が配置される上面側の上側クラッド層５ｂのリッジ幅を狭くすることができるため、ヒータ９の消費電力をより抑えることができる。なお、クラッド層５の断面形状を台形にする場合でも、必要に応じて、基板３を傾けながら絶縁膜１３を形成してもよい。

光導波回路について信頼特性を評価した。まず、図１に示すように、断面が長方形（リッジ幅が略一定）のクラッド層５および断熱溝１１を前述の方法で形成した。リッジ幅は３０μｍとした。断熱溝１１の形成後、得られたクラッド層５に、ＳｉＯ_２の絶縁膜１３を形成した。絶縁膜１３の厚みは、上面１５は５μｍ、側面１７は０．５μｍであった（サンプルＡ）。

また、図４に示すように、断面が台形のクラッド層５および断熱溝１１を前述の方法で形成した。上面１５のリッジ幅は１５μｍとし、上面１５と側面１７との角度は１００°とした。断熱溝１１の形成後、得られたクラッド層５に、ＳｉＯ_２の絶縁膜１３を形成した。絶縁膜１３の厚みは、上面１５は５μｍ、側面１７は２μｍであった（サンプルＢ）。

また、比較のため、サンプルＡに対して、クラッド層５の側面１７に絶縁膜を有さないサンプルを作成した（サンプルＣ）。具体的には、サンプルＡと同一の条件および形状でクラッド層５を形成するが、絶縁膜１３を形成した後に断熱溝１１を形成した。

各サンプルを高温高湿環境下（８５℃／８５％）におき、５００時間経過後に二次イオン質量分析法によって分析を行った。その結果、サンプルＡ〜Ｃのいずれにおいても、絶縁膜１３を形成した上面１５からの水分の混入は確認されなかったが、サンプルＣは、側面１７からの水分の混入が確認された。

次に、各サンプルを高温高湿環境下（８５℃／８５％）におき、２０００時間経過後までの、偏波依存特性の変化を評価した。図５は、時間と偏波依存特性の変化量（ｄＢ）との関係を示す図である。図中の黒三角は、サンプルＡの結果を示し、黒丸はサンプルＢの結果を示し、×はサンプルＣの結果を示す。

側面１７に絶縁膜１３を有さないサンプルＣは、２０００時間後に偏波依存特性が１ｄＢ程度変化したのに対し、側面１７に絶縁膜１３を設けたサンプルＡは、２０００時間後でも０．１５ｄＢ以下とほとんど変化しなかった。また、そのときのヒータ９の消費電力は１５０ｍＷ/πシフトであり、十分小さな消費電力を実現できた。

さらに、サンプルＢは、上面１５のリッジ幅がサンプルＡよりも狭いのにもかかわらず、十分な信頼性特性を得られることができた。また、そのときのヒータ９の消費電力は１００ｍＷ/πシフトであり、さらに小さな消費電力を実現できた。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、クラッド層５の形状は、図示した例には限られない。例えば、台形における上面１５と側面１７との角度は、１００°である必要はない。また、完全な台形ではなくても、基板側にリッジ幅が広がり、上面側からの成膜時に側面１７に影ができなければよい。

１、１ａ………光導波回路
３………基板
５………クラッド層
５ａ………下側クラッド層
５ｂ………上側クラッド層
７………コア
７ａ………コア層
９………ヒータ
１１………断熱溝
１３………絶縁膜
１５………上面
１７………側面

Claims

基板と、
前記基板上に形成されるクラッド層と、
前記クラッド層の内部に形成されるコアと、
前記コアに沿って前記クラッド層の一部が除去されて形成される断熱溝と、
前記クラッド層の上面に配置されるヒータと、
を具備し、
前記クラッド層の上面および前記断熱溝に露出する前記クラッド層の側面が、絶縁膜で被覆されることを特徴とする光導波回路。
前記クラッド層は、上面から前記基板側に行くにつれて幅が広くなることを特徴とする請求項１記載の光導波回路。
基板上にクラッド層とコア層とを成膜する工程と、
コアを形成し、前記コアをさらにクラッド層で覆う工程と、
前記コアの両側方の前記クラッド層に断熱溝を形成する工程と、
前記クラッド層の上面および前記断熱溝に露出する前記クラッド層の側面を、絶縁膜で被覆する工程と、
を具備することを特徴とする光導波回路の製造方法。
前記絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により被覆し、
前記クラッド層の上面および前記断熱溝に露出する前記クラッド層の側面を前記絶縁膜で被覆する際に、前記基板を傾けて、前記絶縁膜を被覆することを特徴とする請求項３記載の光導波回路の製造方法。