JPH10142641A - 導波路型光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性の高い導波路型光スイッチ及びその製
造方法を提供する。 【解決手段】 光導波路２５の交差部２６にコア２３を
切断するように形成したスリット２７内に設けられた高
分子ポリマ２８の屈折率が屈折率制御部３１によって変
化する。高分子ポリマ２８の屈折率がコア２３と略等し
いときは、光導波路２５の枝路２５ａから交差部２６に
入射した光はスリット２７内の高分子ポリマ２８を透過
し、透過側の枝路２５ｃを伝搬する。高分子ポリマ２８
の屈折率とコア２３の屈折率とが異なるときは、光導波
路２５の枝路２５ａから交差部２６に入射した光はスリ
ット２７の内壁で反射され、反射側の枝路２５ｂ内を伝
搬する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝搬する光の光路
を切り替えるための導波路型光スイッチ及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムが高度化するに伴い、低
挿入損失で低クロストークの空間分割型光スイッチの必
要性が高まっている。

【０００３】空間分割型光スイッチとしては、先に本出
願人らは図３に示すような光スイッチを提案した（特願
平２−２６９４８９号）。図３（ａ）は、本発明の前提
となった導波路型光スイッチの平面図、図３（ｂ）は図
３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

【０００４】導波路型光スイッチ１は、シリコン基板２
と、シリコン基板２上に形成されたバッファ層３と、バ
ッファ層３上に形成され光の伝搬する略矩形断面形状で
Ｔ字状に交差するコア４をコア４より低い屈折率のクラ
ッド５で覆った光導波路と、コア４の交差部６に略４５
度の角度でコア４を横断して形成されたスリット７と、
スリット７の周囲のクラッド５の上面に設けられた薄膜
ヒータ８と、クラッド５、スリット７及び薄膜ヒータ８
を覆うように設けられた容器９と、容器９内に収容され
コア４の屈折率と略等しい屈折率を有する屈折率整合液
１０とで構成されている。

【０００５】この導波路型光スイッチ１の薄膜ヒータ８
に給電すると、スリット７の極近傍が加熱されてスリッ
ト７内の屈折率整合液１０が気化し、スリット７の内壁
が露出する。薄膜ヒータ８の給電中にコア４ａに入射し
た光は、スリット７内の壁面で反射し、直交するコア４
ｂへ伝搬する。

【０００６】薄膜ヒータ８への給電を停止すると、スリ
ット７の周辺は放熱により自然冷却され、気化していた
屈折率整合液１０が凝結して液体に戻り、スリット７内
が再び屈折率整合液１０で満たされる。薄膜ヒータ８の
給電停止中に、コア４ａに入射した光はスリット７を透
過してコア４ｃへ直進する。

【０００７】以上のように、導波路型光スイッチ１はス
リット７への屈折率整合液１０の供給及び排出動作を加
熱、自然冷却による屈折率整合液１０の蒸発凝結により
スイッチング動作を行うようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで図３に示した
導波路型光スイッチ１は、スリット７への屈折率整合液
１０の供給及び排出動作を、加熱、自然冷却による屈折
率整合液１０の蒸発凝結によってスイッチング動作を行
っているため、スリット空間を気密に封じる必要があ
る。また、微小なスリット空間を封じるには、通常高い
温度で行う必要がある。

【０００９】しかし、スリット空間には既に屈折率整合
液１０で満たされており、高い温度での封止技術が適用
できないので、完全に気密封止するのは困難である。こ
のため、屈折率整合液１０が気化したときに蒸気が外部
に漏れ出て、液量が減少するので、安定したスイッチン
グ動作を長期間行うことができないという課題がある。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、信頼性の高い導波路型光スイッチ及びその製造方法
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の導波路型光スイッチは、基板と、基板上に形
成されたバッファ層と、バッファ層上に形成され光の伝
搬する略矩形断面形状のコアをこのコアより低い屈折率
のクラッドで覆った光導波路と、光導波路の交差部にコ
アを横断して形成されたスリットと、スリット内に設け
られ屈折率がコアと略等しい高分子ポリマと、外部から
の電気信号によって高分子ポリマの屈折率を変化させる
ための屈折率制御部とを備えたものである。

【００１２】上記構成に加え本発明の導波路型光スイッ
チは、高分子ポリマが、屈折率の温度変化が５×１０^-5
／℃以上の高分子材料からなるのが好ましい。

【００１３】上記構成に加え本発明の導波路型光スイッ
チは、光導波路の屈折率の温度変化が、高分子ポリマの
屈折率の温度変化より１桁以上小さいのが好ましい。

【００１４】上記構成に加え本発明の導波路型光スイッ
チは、屈折率制御部が、ヒータまたはレーザ等の熱源か
らなるのが好ましい。

【００１５】上記構成に加え本発明の導波路型光スイッ
チは、光導波路が、ｍ行ｎ列（ｍ，ｎ≧２）のマトリク
ス状に構成され、光導波路の交差角が１００〜１６０度
の範囲であってもよい。

【００１６】上記構成に加え本発明の導波路型光スイッ
チは、光導波路が、熱伝導率の高いシリコン、ＳｉＣ、
石英、アルミナ、化合物半導体の基板上に形成され、基
板には冷却フィン又は冷却のためのペルチェ素子を設け
てもよい。

【００１７】本発明の導波路型光スイッチの製造方法
は、基板上のバッファ層上に光導波路を形成すべく断面
が略矩形状のコアをフォトリソグラフィ及びエッチング
によって形成する工程と、コアより屈折率が低くコア及
びバッファ層を覆うクラッド層を形成する工程と、光導
波路の交差部の位置にエッチングによってコアを横断す
るスリットを形成する工程と、スリット内に高分子ポリ
マを設ける工程と、高分子ポリマの近傍にヒータ電極及
び配線からなる屈折率制御部を形成する工程とを備えた
ものである。

【００１８】本発明の導波路型光スイッチは、外部から
の電気信号によってスリット内の高分子ポリマの屈折率
が変化することにより、スリットの内外の屈折率差が変
化し、入射した光がスリットで反射或いは透過するよう
になっている。

【００１９】本発明によれば、光導波路の交差部にコア
を切断するように形成したスリット内に設けられた高分
子ポリマの屈折率が屈折率制御部によって変化する。高
分子ポリマの屈折率がコアと略等しいときは、光導波路
の枝路から交差部に入射した光はスリット内の高分子ポ
リマを透過し、透過側の枝路内を伝搬する。高分子ポリ
マの屈折率とコアの屈折率とが異なるときは、光導波路
の枝路から交差部に入射した光はスリットの内壁で反射
され、反射側の枝路内を伝搬する。

【００２０】高分子ポリマの温度による屈折率変化がコ
アの屈折率変化に比べて１桁大きい場合には、屈折率制
御部によって高分子ポリマを加熱すると高分子ポリマの
屈折率がコアよりも低くなり、加熱を停止すると高分子
ポリマの屈折率がコアと略等しくなる。すなわち、屈折
率制御部で高分子ポリマの加熱を行うときは、スリット
の内外における屈折率差が大きいので、コア内を伝搬す
る光はスリットで全反射されて交差するコア内を伝搬す
る。これに対して屈折率制御部で高分子ポリマの加熱を
行わないときは、スリットの内外における屈折率差が小
さいので、コア内を伝搬する光はスリットを通過して直
進する。

【００２１】以上において、本発明の光導波路は、コア
の交差部に形成されたスリット内の高分子ポリマを屈折
率制御部により加熱等して屈折率を変化させることによ
り、光の光路を切り替えることができる。本発明の光導
波路は、屈折率整合液を用いていないため、スリット内
を気密封止する必要がなく、信頼性を向上させることが
できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２３】図１（ａ）は本発明の導波路型光スイッチ
の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図１（ｂ）は
図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【００２４】導波路型光スイッチ２０は、例えば単結晶
シリコン（ＳｉＣ、石英、アルミナ、化合物半導体でも
よい）からなる平板状の基板２１上に異なる屈折率の酸
化珪素の層２２，２３，２４を重ねた積層構造体であ
り、光の伝搬するコア２３をコア２３より低い屈折率の
クラッド２４で覆った光導波路２５を有している。

【００２５】光導波路２５は、３つの枝路２５ａ，２５
ｂ，２５ｃを有しており、枝路２５ａ，２５ｃは直線状
に形成され、枝路２５ｂはこれらの枝路２５ａ，２５ｃ
に直交するように形成され、３つの枝路２５ａ，２５
ｂ，２５ｃが略Ｔ字状に形成されている。

【００２６】交差部２６には、光導波路２５を基板２１
の表面に垂直な方向に切断すると共に枝路２５ａ，２５
ｃの双方に略４５度の傾きを有するスリット２７が形成
されている。スリット２７内には光導波路２５を構成す
るコア２３の屈折率に略等しい屈折率を有する高分子ポ
リマ２８が設けられている。高分子ポリマ２８として
は、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）が用いられる
が、屈折率の温度変化が大きければＰＣ（ポリカーボネ
ート），ＰＳ（ポリスチレン）等他の種類のポリマを用
いてもよい。

【００２７】高分子ポリマ２８の上面又はスリット２７
の極近傍のクラッド２４上に位置して薄膜ヒータ２９と
配線３０からなる屈折率制御部３１が設けられている。
薄膜ヒータ２９は、加熱により高分子ポリマ２８の屈折
率を変化させるものである。

【００２８】次に本発明の導波路型光スイッチの作用を
述べる。

【００２９】薄膜ヒータ２９に通電することにより、薄
膜ヒータ２９が発熱して高分子ポリマ２８の温度が上昇
する。高分子ポリマ２８は屈折率の温度変化が大きいた
め薄膜ヒータ２９の熱で屈折率が低下する。従って、コ
ア２３の屈折率と高分子ポリマ２８の屈折率とを略等し
くなるようにしておけば、加熱によって屈折率に差が生
じる。光導波路２５の枝路２５ａから交差部２６に入射
した光は、スリット２７の内壁で反射され、直交枝路２
５ｂへ曲げられる。薄膜ヒータ２９への通電を停止する
と、高分子ポリマ２８の屈折率が元の値に戻り、コア２
３の屈折率と高分子ポリマ２８の屈折率との差がなくな
る。屈折率差がなくなると、光導波路２５の枝路２５ａ
から交差部２６に入射した光は、スリット２７の内壁で
の反射がなくなるので、枝路２５ｃへ直進する。

【００３０】ここで、コア２３は石英ガラスで構成され
ているので、屈折率の温度変化が高分子ポリマ２８より
１桁小さい。このため、スリット２７の近傍のコア２３
が加熱されても屈折率差への影響はほとんどない。ま
た、一般に高分子ポリマ２８の透過損失は、石英に比べ
て大きいが、光導波路２５の一部に用いているだけであ
り、石英単体と同等の特性が得られる。

【００３１】本発明の導波路型光スイッチ２０は、連続
して使用しても安定な特性が得られるが、基板２１に冷
却フィンやペルチェ素子を設け（いずれも図示せず）、
導波路型光スイッチ２０の熱の蓄積による信頼性の低下
を防止することができる。

【００３２】以上において本発明の導波路型光スイッチ
は、スリットの内外における屈折率差を、高分子ポリマ
の屈折率の温度変化で生じさせるので、高速でスイッチ
ング動作を行うことができる。

【００３３】次に図１に示した導波路型光スイッチの製
造方法について図２を参照して説明する。図２は本発明
の導波路型光スイッチの製造方法を説明するための工程
図である。

【００３４】単結晶シリコンからなる基板２１上に、プ
ラズマＣＶＤ法によってコアより屈折率の低いＳｉＯ₂
等からなるバッファ層２２を形成する。バッファ層２２
の上に、ＳｉＯ₂ にＴｉＯ₂ 、ＧｅＯ₂ 等の不純物をド
ープしたコア膜を形成する。フォトリソグラフィ技術に
より直交する光導波路２５の枝路２５ａ，２５ｂ，２５
ｃのパターン形成を行い、エッチングガスにＣＨＦ₃ を
用いてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）でコア２３を
形成する。

【００３５】ＳｉＯ₂ にＰ₂ Ｏ₅ 、Ｂ₂ Ｏ₃ 等の不純物
がドープされ、かつ、コア２３より屈折率の低いクラッ
ド２４をコア２３及びバッファ層２２の上に形成する
（コア２３の厚さを約８μｍとし、クラッド２４の厚さ
を約２０μｍとし、コア２３の寸法を厚さ幅共に約８μ
ｍとしたがこれに限定されるものではない、図２
（ａ））。

【００３６】コア２３の交差部２６にフォトリソグラフ
ィ技術を用いてスリット２７のパターンを形成した後、
ＲＩＥでスリット２７を形成する（図２（ｂ））。

【００３７】スリット２７内に液状のＰＭＭＡをシリン
ジを用いて注入し、硬化させる（図２（ｃ））。

【００３８】硬化したＰＭＭＡ、すなわち高分子ポリマ
２８の表面にクロム（或いはタンタル）からなる薄膜ヒ
ータ２９と配線３０を設けることにより導波路型光スイ
ッチ２０が得られる（図２（ｄ））。

【００３９】尚、本実施の形態ではスリット２７内に高
分子ポリマ２８をシリンジを用いて注入する場合で説明
したが、これに限定されるものではなく、薄膜ヒータ２
９を形成した高分子ポリマの微小板をスリット２７内に
挿入してもよい。また、スリット２７の内外における屈
折率差を得るのに負の屈折率の温度変化を有する高分子
ポリマ２８について説明したが、正及び負の屈折率の温
度変化を有する材料を組み合わせて用いてもよい。さら
に、本実施の形態ではスリット２７の内外における屈折
率差を得るのに、温度による屈折率変化を有する高分子
ポリマ２８を用いたが、これに限定されるものではな
く、電圧による屈折率変化を生じる電気光学物質、例え
ばメロシアニン色素を添加したポリマを用いてもよい。
屈折率制御部３１は薄膜ヒータ２９及び配線３０に限定
されず、半導体レーザを用いて高分子ポリマ２８を加熱
するようにしてもよい。

【００４０】さらにまた、本実施の形態では１単位素子
の導波路型光スイッチ２０について説明したが、これに
限定されずシリコン基板上にコアをｍ行ｎ列（ｍ，ｎ≧
２）のマトリクス状に形成し、多数の導波路型光スイッ
チを集積させてもよい。尚、この場合、光導波路の交差
角が１００〜１６０度の範囲であるのが好ましい。

【００４１】以上において本発明によれば、全反射面に
おける屈折率差を得るのに、高分子ポリマの屈折率の温
度変化を用いているため、信頼性の高い導波路型光スイ
ッチが得られる。ガラス光導波路のスリットにのみ高分
子ポリマを用いているため、光の損失が少ない。スリッ
トの気密封止が不要となり、その分実装が簡易となりコ
ストを低下させることができる。スイッチング速度がｍ
ｓｅｃオーダの高速スイッチング動作を行うことができ
る。大規模なｎ×ｍの導波路型マトリクス光スイッチの
小型化が実現できる。

【００４２】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００４３】コアの交差部に形成されたスリット内の高
分子ポリマを屈折率制御部により加熱等して屈折率を変
化させることにより、光の光路を切り替えることができ
るので、信頼性の高い導波路型光スイッチ及びその製造
方法の提供を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の導波路型光スイッチの一実施
の形態を示す外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ線断面図である。

【図２】本発明の導波路型光スイッチの製造方法を説明
するための工程図である。

【図３】（ａ）は、本発明の前提となった導波路型光ス
イッチの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であ
る。

【符号の説明】

２３ コア ２５ 光導波路 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ 枝路 ２６ 交差部 ２７ スリット ２８ 高分子ポリマ ３１ 屈折率制御部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成されたバッファ
   層と、該バッファ層上に形成され光の伝搬する略矩形断
   面形状のコアを該コアより低い屈折率のクラッドで覆っ
   た光導波路と、該光導波路の交差部に上記コアを横断し
   て形成されたスリットと、該スリット内に設けられ屈折
   率が上記コアと略等しい高分子ポリマと、外部からの電
   気信号によって上記高分子ポリマの屈折率を変化させる
   ための屈折率制御部とを備えたことを特徴とする導波路
   型光スイッチ。
2. 【請求項２】 上記高分子ポリマが、屈折率の温度変化
   が５×１０^-5／℃以上の高分子材料からなる請求項１に
   記載の導波路型光スイッチ。
3. 【請求項３】 上記光導波路の屈折率の温度変化が、上
   記高分子ポリマの屈折率の温度変化より１桁以上小さい
   請求項１に記載の導波路型光スイッチ。
4. 【請求項４】 上記屈折率制御部が、ヒータまたはレー
   ザ等の熱源からなる請求項１に記載の導波路型光スイッ
   チ。
5. 【請求項５】 上記光導波路が、ｍ行ｎ列（ｍ，ｎ≧
   ２）のマトリクス状に構成され、光導波路の交差角が１
   ００〜１６０度の範囲である請求項１に記載の導波路型
   光スイッチ。
6. 【請求項６】 上記光導波路が、熱伝導率の高いシリコ
   ン、ＳｉＣ、石英、アルミナ、化合物半導体の基板上に
   形成され、該基板には冷却フィン又は冷却のためのペル
   チェ素子を設けた請求項１に記載の導波路型光スイッ
   チ。
7. 【請求項７】 基板上のバッファ層上に光導波路を形成
   すべく断面が略矩形状のコアをフォトリソグラフィ及び
   エッチングによって形成する工程と、上記コアより屈折
   率が低く上記コア及び上記バッファ層を覆うクラッド層
   を形成する工程と、上記光導波路の交差部の位置にエッ
   チングによって上記コアを横断するスリットを形成する
   工程と、該スリット内に高分子ポリマを設ける工程と、
   該高分子ポリマの近傍にヒータ電極及び配線からなる屈
   折率制御部を形成する工程とを備えた導波路型光スイッ
   チの製造方法。