JPH01158413A - 光導波路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は単一モード光導波路に関し、より詳細には光導
波路の光路差を調節することのできる光導波路装置に関
するものである。

［従来の技術］ 従来、平面基板上に作製される単一モード光導波路、特
にシリコン基板上に作製可能な石英系ガラス単一モード
光導波路は、そのコア部の断面寸法を通常使用されてい
る単一モード光ファイバに合わせて５〜ｌＯμｍ程度に
設定することができるため、光ファイバとの整合性に優
れた実用的な導波形光部品の実現手段として期待されて
いる。

とりわけ、石英系ガラス単一モード光導波路により構成
される導波形光干渉計は、単一モード光ファイバ通信用
や光センサ用の重要な光部品として期待されている。

導波形光干渉計の分野においては、伝播光の位相を調節
する機能を光導波路に具備させることが必要である。

第５図に、従来の位相調節部を有する石英系ガラス光導
波路の概略構成例を示す。第５図（ａ）は上述の光導波
路の平面図であり、第５図（ｂ）は第５図（ａ）のＡ−
Ａ’線に沿った断面図である。ここで、１はシリコン基
板、２は石英系ガラスからなるコア部、３はコア部２を
埋め込み、コア部２を取り囲む石英系ガラスからなるク
ラッド層、および４はコア部２上のクラッド層３の表面
に形成された位相調節器としての薄膜ヒータである。

以上のような構成において、薄膜ヒータ４に通電し、ク
ラッド層３を介してコア部２を加熱すると、いわゆる熱
光学効果（Ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）
により、コア部２の屈折率が増加し、薄膜ヒータ４の下
部の実効的な光路長が変化し、伝播光の位相を変化させ
ることができる。石英系ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ
／ｄＴは１Ｏ−５（１／　ｔ）程度であるから、１　ｃ
ｍの長さにわたって光導波路の温度を１０℃上昇させる
と、光路長を１μｍ程度変化させることができる。

上述した熱光学効果を利用した位相調節部は、顕著な電
気光学効果を有しないガラス光導波路の位相調節手段と
して有効である。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし「熱」を利用しているために、実用上次のような
問題点があった。

薄膜ヒータ４により発生した熱は、コア部２の近傍の温
度上昇に費やされるほか、大部分の熱はシリコン基板１
に拡散してしまい、加熱効率が悪く、消費電力の増大を
招くという問題点があった。

さらにまた、同一シリコン基板１上に複数個の位相調節
に用いる薄膜ヒータ４を集積化すると、シリコン基板１
を介して一方の薄膜ヒータ４の熱が他の薄膜ヒータ４の
近傍にまで伝わり、相互干渉（クロストーク）を生じる
という問題があった。

そこで、本発明の目的は、上述のような問題点を解消し
、加熱ヒータの加熱効率が良好となして、消費電力の増
大を抑制し、しかも相互干渉を生じることの少ない光導
波路装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、基板と、コア
部をクラッド層によって覆って基板上に配設した光導波
路とを具え、光導波路の一部分の光路長を微調するため
の加熱体をクラッド層の上に配設し、かつ加熱体により
加熱された光導波路から基板への熱伝導を抑制するよう
に構成したことを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、光導波路の一部分は基板から実質的に
分離されており、その分離された光導波路の上部に光路
長を微調するためのヒータが設けられているので、光導
波路への加熱効率が良好であり、したがって、消費電力
が小さく、しかも相互干渉（クロストーク）の小さい光
導波路装置を提供できる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

実施例１ 第１図に、本発明の一実施例の構成を示す。第１図（ａ
）はその平面図であり、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の
Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図である。本実施例では、第４
図に示した従来例の光導波路とは異なり、クラッド層３
の一部分に、コア部２の長手方向に沿って、溝１１ａお
よびｌｌｂが設けられ、シリコン基板ｌまで達している
。これらの溝１１ａおよびｌｌｂの底部を連通ずるよう
にシリコン基板１の一部をエツチングにより除去し、シ
リコン基板除去領域１２を形成して、加熱された光導波
路部１３から基板１への熱伝導を抑制するように構成す
る。上述したように、シリコン基板１から分離した光導
波路部１３の上部には、位相を調整する加熱体としての
薄膜ヒータ４が装荷されている。

このような構成の光導波路の構造の諸元は種々に定める
ことができるが、ここでは以下の通りに定めた。すなわ
ち、シリコン基板１の厚さは０．７ｍｍ、クラッド層３
の厚さは５０μｍ１コア部２の断面寸法は８μｍＸ８μ
ｍ１コア部とクラッド層間の比屈折率差は０，２％とし
た。

このような石英系光導波路構造は、　５ｆＣＪ２４゜Ｔ
ｉＣＩＬ４などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用し
たガラス膜の堆積技術と反応性イオンエツチング技術と
の組合わせにより作製される（河内正夫：「石英系光導
波路の微細加工」、応用物理学会光学懇話会微小光学研
究グループ機関誌、１９８６　、Ｖｏｌ、４　、　Ｎｏ
、２　、ｐｐ、３３−３８）　。

溝１１ａおよびｌｌｂの谷幅は６０μｍ、各長さは２ｍ
ｍとして、分離光導波路部１３の幅が６０μｍとなるよ
うに配置した。溝１１ａおよびｌｌｂは、クラッド層３
の一部分を、反応性イオンエツチングにより、シリコン
基板１が露呈するまで除去することにより形成されてい
る。これら溝１１ａおよびｌｌｂを通して、シリコン基
板１の一部分が化学エツチングにより深さ５０μｍ程度
まで除去されて、分離光導波路部１３を構成している。

シリコン基板１の化学エツチング液としては、フッ酸、
硝酸、酢酸の混合液を使用した。

薄膜ヒータ４は、たとえば厚さ　０．３μｍ、幅５０μ
ｍ、実効長約２ｍｍにわたってクロム金属膜を真空蒸着
法により形成して構成した。約１　（１ｍＷの電力を薄
膜ヒータ４に通電すると、光導波路の光路長が０．２μ
ｍ増加することが観測された。この光路長増加は、薄膜
ヒータ４の下に位置する分離光導波路部１３のコア部２
の近傍の温度が約１０℃上昇することに相当する。

比較のために、第５図に示した従来例の位相調節部を有
する光導波路（薄膜ヒータ４の構造は第１図と同様にし
た）を構成したところ、光路長が０．２μｍ増加するの
に必要な薄膜ヒータ４への印加電力は約１００ｍＷであ
った。

この比較例から明らかなように、本発明の構成によれば
、従来構成の場合に比べて約１相手さい消費電力で位相
調節を実現することができる。

五ｇユ 第２図に本発明の第２の実施例の構成例を示す。第２図
（ａ）はその平面図、第２図（ｂ）および（ｃ）は、第
２図（ａ）における、それぞれ、Ｃ−Ｃ′線およびＤ−
Ｄ’　線に沿った断面図である。

第２図（’ｂ）に示したＣ−Ｃ’線断面の部分は第１図
に示した構成と同じである。本実施例では、実施例１と
異なって、複数の溝２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ。

２３ａ、２３ｂを設け、溝２１ａ、２１ｂと２２ａ、２
２ｂおよび溝２２ａ、２２ｂと２３ａ、２３ｂの間にブ
リッジ構造部３１８゜３１ｂおよび３２ａ、３２ｂ　　
（第２図（ａ）参照）を配設する。これら溝２１ａ、２
１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａおよび２３ｂでの断面は
第２図（ｂ）に示すようになるのに対し、ブリッジ構造
部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂにおいては、第２図
（Ｃ）に示すように、クラッド層３はブリッジ状をなし
ている。そのために、薄膜ヒータ４の配置されている部
分に対応する分離光導波路部１３は各ブリッジ構造部３
１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂによってシリコン基板１
に支持されている。

このような構成をとることにより、加熱された光導波路
部Ｉ３から基板１への熱伝導を抑制するように構成する
ことができる。ここで、分離光導波路部１３はコア部２
の長手方向に沿って複数個に分割され、ブリッジ構造部
３１ａ、３１ｂ、３２ａおよび３２ｂによってシリコン
基板１により支持される。

本実施例のコア部２の断面寸法は実施例１と同様に定め
ることができる。また、本例では、谷溝２１ａ、２１ｂ
、２２ａ、２２ｂ、２３ａおよび２３ｂの長手方向の長
さは４４０μｍと定め、ブリッジ構造部３１ａ、３１ｂ
。

３２ａおよび３２ｂの幅は６０μｍとした。このように
して、溝とブリッジ構造部の幅との合計長である５００
μｍを周期としてブリッジ構造を繰り返して、１０ｍｍ
の長さの分離光導波路部１３およびシリコン基板除去領
域１２を形成した。第２図（ａ）においては、図示を簡
単にするために、３周期のブリッジ構造のみを示した。

分離光導波路部１３の上面には、クロム金属薄膜蒸着を
基本として約１０ｍａ＋長の薄膜ヒータ４を形成した。

上述のようなブリッジ構造の採用により、数ｍｍ長以上
に及ぶ比較的長い薄膜ヒータ４を装荷した分離先導被部
１３も破損することなく形成維持することができた。

上述の薄膜ヒータ４に５０ｍＷの電力を印加したところ
、光路長が１μｍ程度変化した。ちなみに、分離光導波
路部１３を形成しない従来例の構成の場合には、１μｍ
の光路長の変化を達成するのには、５００ｍＷ程度の印
加電力が必要であったことを付記する。このことは、分
離光導波路部１３を設けることにより、薄膜ヒータ４の
発熱が、シリコン基板１に無駄に拡散することなく有効
に利用されていることを示しており、かつブリッジ構造
部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂを経てシリコン基板
１へ至る経路の断熱性も充分に高いことを意味している
。

犬Ａ■ユ 第３図は、本発明の第３の実施例の構成を示し、これは
光スイツチアレイに応用した一例である。

第３図においては、４列の光スィッチが同一シリコン基
板１上に密接して集積されている。

第３図において、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４
３ａ、４３ｂ。

４４ａ、４４ｂは、石英系光導波路により構成された方
向性光結合器（３ｄＢカプラー）、４１ｃと４１ｄ、４
２ｃと４２ｄ、４３ｃと４３ｄ、４４ｃと４４ｄは、そ
れぞれ、方向性結合器４１ａと４１ｂ、４２ａと４２ｂ
、４３ａと４３ｂ、４４ａと４４ｂを対として連結する
よう配置された位相調節に用いる薄膜ヒータ付光導波路
である。例えば、方向性結合器４１ａと４１ｂは、薄膜
ヒータ付光導波路４１ｃと４１ｄを介して連結され対称
形マツハ・ツエンダ−光干渉計の光回路を構成している
。４１ｅと４１ｆ、４２ｅ　と４２ｆ、４３ｅと４３ｆ
　、４４ｅ　と４４ｆは、それぞれ、光結合器４１ａ、
４２ａ、４３ａ、４４ａ　ヘの入力端である。４１ｇと
４１ｈ、４２ｇと１１２ｈ、４３ｇと４３ｈ、４４３と
４４ｈは、それぞれ、光結合器４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ
、４４ｂからの出力端である。

このような光回路構成とすることにより、入力端４１ｅ
から入射した信号光は、光干渉作用に基づいて出力端４
１ｈから出射される。ところが、薄膜ヒータ付光導波路
４１ｃあるいは４１ｄに通電して光路長を信号光波長の
１／２相当だけ変化させると、公知の光干渉原理により
、光が出射する出力端は４１ｈから４１ｇへと変化する
。すなわち、かかるマツハ・ツエンダ−光干渉計回路は
光スィッチとして作用する。

第３図における光導波路の配置の概略寸法の一例を示す
と、入力端４１ｅ、４１ｆ、４２ｅ、４２ｆ、４３ｅ、
４３ｆ。

４４ｅ、４４ｆは２５０μｍピッチとなし、出力端４１
ｇ。

４１ｈ、４２ｇ、４２ｈ、４３ｇ、４３ｈ、４４ｇ、４
４ｈのピッチも同様とした。本実施例の薄膜ヒータ付光
導波路は、第２図示の実施例２と同様の分刻１光導波路
構造を有しており、その実効的な加熱長は１０ｍｍとし
た。シリコン基板１の寸法は、縦１　ｃｍ、横４ｃｍと
した。

一般に、同一シリコン基板上に複数個の光スィッチが集
積されている構造においては、特定の光スイ：ンチの切
替動作のために薄膜ヒータに通電すると、発生した熱が
シリコン基板を介して隣接する光スィッチにまで伝わり
、隣接する光スィッチの誤動作を招く、すなわち相互干
渉（クロストーク）が生ずるという問題が、従来の熱光
学効果利用の光スィッチには見られた。

しかし、本発明による分離光導波路を用いて、その薄膜
ヒータによる位相器を利用した光スィッチでは、上述の
従来の問題点は最小限に抑制される。実際、第３図の構
成で、任意の薄膜ヒータに通電して切替動作を行ない、
隣接する光スィッチを同時に通過している信号光の強度
変化を観察したところ、強度変化は０．１％以下であっ
た。これに対して、第３図の実施例と同規模であるが、
ただし従来例と同様の構成で分離光導波路部のない光ス
イツチ列を形成したところ、数％の強度変化が観察され
、実用上不都合であった。

本実施例の構成では、従来例の構成に比べて、約１桁の
低消費電力化が達成されており、消費電力の低減が、ク
ロストークの低減に貢献していることも見逃せない点で
ある。

以上の実施例では、シリコン基板除去領域１２において
コア部２はシリコン基板１から完全に分離されていたが
、次の実施例に示すように、必ずしも完全に分離しなく
とも本発明の目的を達成することができる。

実施例４ 第４図は、本発明の第４の実施例の構成を示す断面図で
ある。第１図に示した実施例１との相違点は、分離光導
波路部１３の下部のシリコン基板除去領域１２のシリコ
ン基板分離が完全ではなく、連結部５１を残している点
である。本例においても、シリコン基板除去領域１２に
より、加熱された光導波路部１３から基板１への熱伝導
を抑制するように構成する。

一例として、分離光導波路部１３の幅は約６０μｍ、連
結部５１の幅は最も狭い所で約２０μｍとした。このよ
うな構造はクラッド層３の一部分をＣ２Ｆ８ガスを主な
エツチングガスとする反応性イオンエツチングにより除
去して溝１１ａおよびｌｌｂを形成した後、エツチング
ガスをＳＦ６に変えてシリコン基板１をいわゆるアンダ
ーカット気味にドライエツチングすることにより作製し
た。

本実施例では、実施例１に比較して、連結部５１を残し
ているものの、連結部５１の幅が比較的狭いため、第５
図に示した従来構造に比べて、シリコン基板１への熱伝
導はわずかであり、１桁近い消費電力の低減が達成され
た。第１図に示した実施例１に比べて、消費電力やクロ
ストークの低減面で若干化ることは事実であるが、反面
、連結部５１を残しているために、分離光導波路部１３
の機械的強度を保つことが容易であり、機械振動が加わ
る環境下での使用にも耐える利点がある。

このように、本発明の実施にあたっては、応用分野に応
じて、完全分！！！ｌ（実施例１）と不完全分離（実施
例４）を使いわけることができる。

なお、以上の実施例では、シリコン基板上の石英系ガラ
ス光導波路を例にとって本発明を説明したが、これは、
石英系ガラス光導波路が光ファイバとの整合性の点で実
用上有利なためである。しかし、本発明は、石英系ガラ
ス光導波路のみに限定されるものではなく、他のガラス
材料系、例えば窒化シリコンをコア部とする光導波路な
どにも適用できることはもちろんである。

さらにまた、シリコン基板分離領域を形成するにあたっ
て、上記実施例では、クラッド層にあけた溝を介して、
シリコン基板の一部をエツチング除去する構成を示した
が、場合によっては、シリコン基板の裏面から所望領域
のシリコン基板をエツチングして除去する方法を採用す
ることもできることもちろんである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光導波路の一部
分は基板から実質的に分離されており、その分離された
光導波路の上部に光路長を微調するためのヒータが設け
られているので、光導波路への加熱効率が良好であり、
したがって、消費電力が低く、しかも相互干渉（クロス
トーク）の小さい光導波路装置を提供できる。

さらにまた、本発明において、加熱された光導波路部か
ら基板への熱伝導を抑制するように構成する構造は上側
に限られず、たとえばシリコン基板除去領域に熱伝導の
低い材料によるスペーサを配置するなど、材料の点から
、加熱された光導波路部から基板への熱伝導を抑制する
ように構成することもできる。

本発明光導波路装置は、ガラス光導波路にチューニング
やスイッチング機能を付与して、多種多様な導波形光部
品を提供する上で、きわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の第１実施例の構成
を示す、それぞれ、平面図およびＢ−Ｂ’線断面図、 第２図（ａ）　、　（ｂ）および（ｃ）は本発明の第２
実施例の構成を示す、それぞれ、平面図、ｃ−ｃ’線断
面図およびＤ−Ｄ’線断面図、 第３図は本発明第３の実施例としての光スィッチの構成
を示す平面図、 第４図は本発明の第４実施例の構成を示す断面図、 第５図（ａ）および（ｂ）は従来の光導波路の概略構成
を示す、それぞれ、平面図およびＡ−Ａ’線断面図であ
る。 １・・・シリコン基板、 ２・・・コア部、 ３・・・クラッド層、 ４・・・薄膜ヒータ、 １１ａ、　ｌｌｂ・・−溝、 ｌ２・・・シリコン基板除去領域、 １３・・・分離光導波路部、 ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ　−
−−溝、３１ａＪ１ｂ、３２ａ、３２ｂ−・−ブリッジ
構造部、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４
３ｂ、４４ａ、４４ｂ　＝方向性結合器、 ４１ｃ、４１ｄ、４２ｃ、４２ｄ、４３ｃ、４３ｄ、４
４ｃ、４４ｄ・・・薄膜ヒータ付光導波路、 ４１ｅ、４１ｆ、４２ｅ、４２ｆ、４３ｅ、４３ｆ、４
４ｅ、４４ｆ　・・・入力端、 ４１ｇ、４１ｈ、４２ｇ、４２ｈ、４３ｇ、４３ｈ、４
４ｇ、４４ｈ・・・出力端、 ５１・・・連結部。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板と、コア部をクラッド層によって覆って前記基
   板上に配設した光導波路とを具え、前記光導波路の一部
   分の光路長を微調するための加熱体を前記クラッド層の
   上に配設し、かつ前記加熱体により加熱された前記光導
   波路から前記基板への熱伝導を抑制するように構成した
   ことを特徴とする光導波路装置。 ２）前記コア部および前記クラッド層を、それぞれ、Ｓ
   ｉＯ＿２を主成分とする石英系ガラスで構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光導波路装置。