JP2008158411A - 導波路型光スイッチ及びアレイ導波路型光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】熱光学効果を有する光学材料を用いたＹ分岐型光スイッチにＳ字状彎曲型光導波路を接続することにより、高消光比を有し、且つ低消費電力の導波路型光スイッチ、アレイ型導波路型光スイッチを提供する。
【解決手段】平面基板上に形成されたコア及びクラッドからなる導波路と、導波路上に設けられるヒータ電極とを有する導波路型光スイッチであって、導波路は、Ｙ分岐型導波路と、Ｙ分岐型導波路の導波路出力端に接続される可変光減衰器とで構成され、可変光減衰器は、少なくとも２つ以上の彎曲部を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送システムの伝送路中に設けられ、光路の切り替えなどを行う導波路型光スイッチ、アレイ導波路型光スイッチ、及びその製造方法に関し、特に、消光比が高く、消費電力の低い導波路型光スイッチ及びアレイ導波路型光スイッチに関する。

近年のインターネットの普及に伴い、波長の異なる複数の光信号を多重化して１本の光ファイバで伝送する高密度波長分割多重伝送方式（ＤＷＤＭ）や粗波長分割多重伝送方式（ＣＷＤＭ）が実用化されている。このような幹線系ＤＷＤＭやメトロ系ＣＷＤＭシステムに用いられる光スイッチはその集積化や低消光比、低コストなどが求められている。

導波路型光スイッチには、電気光学効果（EO効果）や磁気光学効果（MO効果）、熱光学効果（TO効果、温度変化により屈折率が変化する現象）を用いた非機械式のものが数多く提案されている。これらの光スイッチはＬＳＩの製造技術を応用して作製できることから、量産性が高く、小型化でき、今後のＤＷＤＭシステムの普及における切替チャネルの増加と低コスト化の要求に応えるものとして注目されている。

ところで上記３種類の効果をそれぞれ利用した導波路型光スイッチにおいては、その構成材料により利用できる効果が異なる。特に熱光学効果を利用する材料には、石英系材料、ポリマー系材料などが挙げられ、これらのうちポリマー系材料には次の（１）〜（５）の特徴がある。（１）材料に多様性があるため屈折率が幅広く制御でき、機能性を付加することなどが容易である。（２）熱光学係数が大きい。（３）スピンコート法により薄膜形成が容易であり、更に低温プロセスのため、作製基板に限定がなく、大面積基板での作製、導波路の積層化も可能である。（４）フィルム化が容易である。（５）多種多様な加工法を適用できるため、量産性に優れ、低コスト化が期待できる。

なお、ここで、熱光学効果とは、加熱することにより、導波路材料の屈折率が変わることを指し、この熱光学効果は、通常、熱光学係数dn/dT（n：屈折率、T：温度）で表される。石英の熱光学係数dn/dTは＋1.0*10^(-6)程度であり、ポリマーの熱光学係数は−1.3*10^(-4)程度である。

また、石英系の光スイッチが、ＭＺ干渉型を基本にしているのに対して、ポリマー系の光スイッチは、方向性結合器（ＤＣ型）や、ＤＣ型とＤＣ型を組み合わせたマッハツェンダー干渉型（ＭＺＩ）や、Ｙ分岐型を基本にしたタイプ（Ｙ−ＤＯＳ）や、Ｘ分岐型を基本にしたタイプ（Ｘ−ＤＯＳ）等の多種多様な光スイッチ構成に適応できる。更に、ポリマー系材料の熱光学定数が石英系材料と比較して約１桁大きく、また熱伝導率も低いことから、低消費電力の導波路型光スイッチが期待できると言われている。尚、導波路型光スイッチにおいては、上記以外の特性の他に、低挿入損失、低消光比、波長無依存、偏波無依存、集積と実装の低コスト化が求められている。

このような状況において、光信号の切り替えを導波路型光スイッチのみで実現せず、導波路型光スイッチと可変光減衰器を接続して消光比を向上させる試みがなされている。特許文献１記載の導波路型光スイッチは、Ｙ分岐型光スイッチと可変光減衰器を接続した構成を有しており、Ｙ分岐型光スイッチで消光された信号光のうち、僅かに漏れ出た信号光を可変光減衰器で更に減衰させるものである。また特許文献２記載の導波路型光スイッチは、Ｙ分岐型光スイッチにマッハツェンダー干渉型光導波路を接続したものであり、この構成によれば消光比を低減することができる。
特開２００２−１６２６５４号公報 特表２００３−５２０９８７号公報

しかしながら、従来の光スイッチは、高い製造プロセス精度が要求され、より高価の製造設備が必要となるため製造コストの削減が困難となる問題があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、低コスト化を実現しつつ、高消光比を有し、且つ低消費電力を持つ導波路型光スイッチと、それを集積させたアレイ導波路型光スイッチの提供を目的とするものである。

本発明の請求項１記載の導波路型光スイッチは、平面基板上に形成されたコア及びクラッドからなる光導波路と、該光導波路上に設けられるヒータ電極とを有する導波路型光スイッチであって、前記コア及びクラッドは、いずれも熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料から成り、前記光導波路は、Ｙ分岐された分岐部を有するＹ分岐型光導波路と、該Ｙ分岐型光導波路の夫々の出力端に接続され、少なくとも２つ以上の彎曲部を有するＳ字型光導波路とで構成されることを特徴とする。

なお、ここで、感光性ポリマー材料とは、ある強度の紫外光（UV光）、あるいは特定波長の光を照射することにより、導波路パターンが転写できる材料と定義する。

本発明の請求項２記載の導波路型光スイッチは、請求項１記載の導波路型光スイッチであって、ヒータ電極は、Ｓ字型光導波路の彎曲部の内縁側斜め上方に配置され、且つ該彎曲部の曲線に沿って配置されることを特徴とする。

本発明の請求項３記載のアレイ導波路型光スイッチは、請求項１乃至２のいずれかに記載の導波路型光スイッチを複数並列配置させてなることを特徴とする。

本発明によれば、コア及びクラッドに高い熱光学効果を有し、かつ感光性を有するポリマー材料を用いることにより、製造プロセスが容易であると共に製造歩留まりが向上される。また高価で高精密な製造設備を使用する必要がないから製造コストを低減することができる。

さらにY分岐型光導波路の夫々の出力端に複数のＳ字型光導波路を接続し、該彎曲部の内縁側斜め上方にヒータ電極が設けられているため彎曲部の外側への光放射が促進される。このため高消光比で、且つ低消費電力の導波路型光スイッチ、及びアレイ型導波路型光スイッチを得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る導波路型光スイッチを上方から観察したときの平面図である。

この導波路型光スイッチは、熱光学効果を利用したポリマー系導波路型スイッチであって、Ｙ分岐型光導波路１の出力端にＳ字型光導波路２が接続されたものである。この導波路型光スイッチの具体的な構成を、図２〜図５を参照して説明する。図２は、Ｙ分岐型光導波路１を上方から観察した平面図であり、図３は、Ｙ分岐型光導波路１のＡ−Ａ断面図である。図４は、Ｓ字型光導波路２を上方から観察したときの平面図であり、図５は、Ｓ字型光導波路２のＢ−Ｂ断面図である。

図２及び図３に示すようにＹ分岐型光導波路１は、平面基板１２と、この基板１２上に設けられるＹ分岐型のコア７（ここでは入力導波路３と出力導波路６を総称して、こう呼ぶ）と、このコア７を覆うクラッド層１１とからなり、このＹ分岐型光導波路１のＹ分岐路に沿ってヒータ電極５が設けられている。

ここでヒータ電極５は、出力導波路６近傍に設けられ、ほぼ出力導波路６に沿って配置される。

尚、ヒータ電極５の電極幅は、本実施例ではＳ字型光導波路２の幅とほぼ同じ幅で形成しているが、目的とするスイッチング速度によって適宜選択して用いればよい。またヒータ電極５の長さ及び配置はポリマー材料の特性によって決められる。

次に、図４、図５を参照して、本発明の実施の形態に係る導波路型光スイッチの構成を説明する。

このＳ字型光導路２は、Ｙ分岐型光導波路１が形成される基板と同じ基板１２上に形成される。即ち図５に示すように、平面基板１２と、この平面基板１２上に形成される、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー導波路材料からなる下部クラッド層１１ａと、この下部クラッド層１１ａ上に設けられ、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー導波路材料からなる曲線状のコア７と、このコア７を覆うように設けられ、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー導波路材料からなる上部クラッド層１１ｂと、この上部クラッド層１１ｂの表面であって、上記コアの曲線に沿い、且つ曲線の内側に配置されるヒータ電極９で構成されている。

このコア７は、少なくとも２つ以上の彎曲部を有するＳ字型であり、Ｓ字型光導路２を構成している。

尚ここで、一例として第１の彎曲部Ｒ１の曲率半径Ｒと第２の彎曲部Ｒ２の曲率半径Ｒは、１０〜１００ｍｍが望ましい。曲率半径Ｒは小さすぎると挿入損失が大きくなり、大きすぎると導波路の彎曲による放射モード効果が得られなくなるため、光スイッチが大きくなり、消費電力も高くなるからである。

上記したＳ字型光導波路２を構成するコア７と、上部及び下部クラッド層は、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料で作製されることが好ましく、望ましくはフッ素化ポリイミド、アクリル、エポキシ、ポリシロキサン（感光性ゾルゲル）、ポリシランやケイ素ポリマーなどの感光性を有するポリマーで作製されるのが最適である。こうした感光性ポリマーを用いると、プロセス工程が簡易になり、ドライエッチングなどの高価装置が必要なくなるため、プロセス時間の短縮及び低コスト化を図ることができるからである。

また図４に示すように、Ｓ字型光導波路２の上面、若しくは上部クラッド層１１ｂを介して上部クラッド層１１ｂの表面にはヒータ電極９が設けられている。このヒータ電極９は、第１の彎曲部Ｒ１及び第２の彎曲部Ｒ２の曲線内側に配置されると共に、この曲線に沿って平行に配置されている。このときのヒータ電極９は、第１のヒータ電極９ａの一部が、第１の湾曲部Ｒ１に重なるように配置されている。この重なりの範囲は、図５に示す断面図において、Ｓ字型光導波路２の長手方向であってヒータ電極９ａに隣接する側の側線、即ちｄ０を基準としたときに、ヒータ電極９ａの長手方向のＳ字型光導波路２に隣接する側の側線、即ちＸ_０が、基準ｄ_０を中心として「−Ｘ」から「＋Ｘ」の範囲内とする。ここで具体的にＸは、Ｓ字型光導波路２の幅ｄｗが４．０μｍであり、Ｓ字型光導波路２の高さｈが７．５μｍであるときに、「−３」〜「＋３」の範囲内とする。即ち、Ｓ字型光導波路２のコア幅ｄｗの約１／２までをヒータ電極の重なり許容範囲とする。尚、このケースにおいては下部クラッド層１１ａの層厚を２０μｍ、上部クラッド層１１ｂの層厚を２０μｍ（Ｓ字型クラッド層の層厚を含む）とした。

尚ここで基板１２とは、シリコン基板、ガラス基板、若しくは高分子ポリマーからなる基板とする。

次に、図６、図７を参照して本実施形態に係る導波路型光スイッチの製造方法を説明する。尚、本発明の導波路型光スイッチは、Ｙ分岐型光導波路１とＳ字型光導波路２を同一基板上に同時に形成するが、本説明では、図１のＣ−Ｃ断面における工程のみを説明する。

まずは図６（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）、又はガラス（石英）を主原材料とする基板１２を用意し、図６（ｂ）に示すように、この基板１２上に感光性ポリマー材料をスピンコート法にて均一厚となるように成膜する。これにより基板１２上に下部クラッド層１１ａが形成される。

次いで図６（ｃ）に示すように、下部クラッド層１１ａ上に、感光性ポリマー材料からなるコア剤を同じくスピンコート法により均一厚となるように成膜する。これによりコア層が形成される。

そして図６（ｄ）に示すように、コア層の上に導波路パターンを有するマスク２０を被せ、その上から紫外光（ＵＶ光）を照射し、マスク２０で覆われた部分以外を露光・現像により除去して、マスク２０により転写された導波路パターンを加熱処理（ベイク）して硬化させ、図６（ｅ）に示すコア６を完成させる。

次いで、図６（ｆ）に示すように、このコア６を覆うように、下部クラッド層１１ａと同一の原材料からなる感光性ポリマー材料をスピンコート法により塗布して成膜し、表面が平坦面を有する上部クラッド層１１ｂを形成する。これにより下部クラッド層１１ａ及び上部クラッド層１１ｂからなるクラッドと、コアで構成される光導波路が完成する。

次に、上述した光導波路上にヒータ電極を設ける。

まず図７（ａ）に示すように、光導波路の表面（すなわち上部クラッド層１１ａの表面）に導電性材料をスパッタ法、真空蒸着法の何れかから、成膜させる導電性材料に合った方法を選んで成膜する。

次に図７（ｂ）に示すように、上記工程で形成された導電層５の上にマスク２１を配置する。

次に図７（ｃ）に示すように、エッチング法によりマスク２１で覆われた導電層５以外の導電層５を除去する。エッチング法にはドライエッチングとウェットエッチングの２つの方法があり、設計要求に応じて上記２つの方法を使い分けるものとする。

そして最後に図７（ｄ）に示すように、レジスト２２を除去してヒータ電極５を得る。以上の工程により本発明の導波路型光スイッチが完成する。

次に上記製造方法で作製された導波路型光スイッチの作用及び効果を説明する。

ここで図１を正視して、導波路型光スイッチの右側の電極に加熱電流を流すと、Ｙ分岐型光導波路１では光モード分離原理により、光エネルギーの大半は左側の出力導波路に結合し、残りの微量光エネルギーは右のＳ字型光導路２に流れる。右のＳ字型光導路２に配置されたヒータ電極９に加熱電流を同時に加えると、Ｓ字型光導路２の横方向に温度差が発生し、ポリマー材料の負の熱光学係数により光導波路の横方向及び深さ方向に屈折率差が発生し、Ｓ字型光導波路２の彎曲外縁側への光輻射によりエネルギー漏洩が大きくなる。

このようにＹ分岐制御で右側に漏れ出した微量の光エネルギーは、Ｓ字型光導波路２で更に減衰されるので、従来の光スイッチの消光比を大きく改善することができる。

このように、本発明では、Ｙ分岐型光導波路を光エネルギーの大きな流れを切り替える機能として利用し、消光比の制御はＹ分岐型光導波路の両出力端に接続されたＳ字型光導波路の制御で実現させる。
本発明の製造方法に係る効果は、図６に示した光導波路を製造する工程において、コアの材料を感光性ポリマー材料とした点にある。これにより従来のレジスト塗布工程、レジストの露光・現像工程及びドライエッチング工程を不要とすることができるので、この製造工程分の時間が短縮される。換言すれば、この工程に要していた製造時間を削減できるので、その分の人件費コストを低減し、結果として製造コストを低減することができる。また上記工程が不要になることにより、この工程で使用していた材料費の負担が軽減され、材料コストを低減することができるので、結果として低コスト化に寄与する。

このような上記構成を有する導波路型光スイッチをＲｓｏｆｔ社のＢＥＡＭＰＲＯＰソフトを用いて数値シュミレーションした結果、本発明の導波路型光スイッチは、消光比が低く、挿入損失が低い、且つ波長特性が平坦で集積し易い特徴を見出せた。また本発明の光導波路型光スイッチのＯＮ／ＯＦＦ特性を測定した結果、図８に示すように光減衰量は４０ｄＢ時に消費電力は５０ｍＷ以下、挿入損失は０．３ｄＢが得られ、従来よりも消費電力が低減できた。

次に、本発明の導波路型光スイッチの一実施例を説明する。製造方法は、図６、図７に示した工程と同じため詳細説明は省略する。

まず、平坦面を有するシリコン基板（又はガラス基板）上に感光性を有するポリシロキンのクラッド剤をスピンコートにより塗布して下部クラッド層１１ａを形成した。

次いで、この下部クラッド層１１ａ上に感光性を有するポリシロキサンのコア剤をスピンコートし、コア層を成膜して、このコア層の上に導波路パターンを有するマスクを被せ、紫外光を照射（露光）・現像して導波路パターンを転写し、これを加熱処理することでＹ分岐型光導波路１とＳ字型光導波路２のコアを形成した。

そして、上記パターンニングにより形成されたＹ分岐型光導波路１とＳ字型光導波路２のコアを覆うように、再度感光性を有するポリシロキサンのクラッド剤をスピンコートで塗布して上部クラッド層１１ｂを形成される。以上の工程により光導波路が形成した。本実施例において使用した感光性を有するポリシロキサンは、波長１．５５μｍの場合、コア屈折率は１．４４６であり、コアとクラッドの屈折率差は０．００５である。また熱光学係数は、−１．３×１０^−４、線膨張率は９×１０^−５、耐半田熱は３００℃以上のものを使用した。

またこのときの下部クラッド層厚は２０μｍ、コア層厚は７μｍ、コア層を含む上部クラッド層厚は２０μｍである。Ｙ分岐型光導波路１、及び入出力導波路３、６、７のコア幅は７μｍ、Ｓ字型光導波路２のコア幅は４μｍ、Ｓ字型光導波路１０の曲率半径は５０ｍｍである。次いで、スパッタ装置を用いて上部クラッド層１１ｂ上に導電性膜を形成させた。この導電層の上にヒータ電極パターンを有するマスクを被せ、ヒータ電極パターンを転写させ、それ以外の部分をエッチングにより除去し、上部クラッド層１１ｂ上にヒータ電極５（及びヒータ電極９）を形成した。ここでヒータ電極５（及びヒータ電極９）は、クロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）の2層薄膜構造を採用した。またこのときの電極幅はＳ字型光導波路２のコア幅とほぼ同じ幅とし、膜厚は１００〜３００ｎｍとした。

次に、本発明の他の実施例を説明する。前述の図１に示した本発明の導波路型光スイッチは、平坦な波長特性とコンパクトで集積し易い構造を有するので、これをアレイ化することが可能である。または、一枚の基板上に複数の導波路型光スイッチを平行に配置することができる。更には、Ｓ字型光導波路２は、第１の彎曲部Ｒ１と第２の彎曲部Ｒ２を連結するのみならず、更に第３の彎曲部Ｒ３〜第Ｎの彎曲部ＲＮを連結するようにしてもよい。これにより更に減衰量範囲を広くすることができる。また必要に応じて第１の彎曲部Ｒ１と第２の彎曲部Ｒ２の間に直線光導波路を設けるようにすることもできる。

以上、詳述したように、本発明の実施形態によれば、コア及びクラッドに高い熱光学効果を有し、かつ感光性を有するポリマー材料を用いることにより、製造プロセスが容易であると共に製造歩留まりが向上される。また高価で高精密な製造設備を使用する必要がないから製造コストを低減することができる。

さらにY分岐型光導波路の夫々の出力端に複数のＳ字型光導波路を接続し、該彎曲部の内縁側斜め上方にヒータ電極が設けられているため彎曲部の外側への光放射が促進される。このため高消光比で、且つ低消費電力の導波路型光スイッチ、及びアレイ型導波路型光スイッチを得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る導波路型光スイッチを上方から観察したときの平面図である。 本発明の導波路型光スイッチを構成するＹ分岐型光導波路を上方から観察した平面図である。 本発明の導波路型光スイッチを構成するＹ分岐型光導波路１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の導波路型光スイッチを構成するＳ字型光導波路２を上方から観察したときの平面図である。 本発明の導波路型光スイッチを構成するＳ字型光導波路２のＢ−Ｂ断面図である。 本実施形態に係る導波路型光スイッチの製造方法一例を説明するための工程図（その１）である。 本実施形態に係る導波路型光スイッチの製造方法一例を説明するための工程図（その２）である。 本発明の光導波路型光スイッチのＯＮ／ＯＦＦ特性を示すグラフである。 本発明の導波路型光スイッチの温度変化に対する減衰量の関係である。 本発明の導波路型光スイッチの波長特性である。

符号の説明

１…Ｙ分岐型光導波路
２…Ｓ字型光導波路
３…入力導波路
４…面取り部
５…ヒータ電極
６…出力導波路
７…コア
９…ヒータ電極
９ａ…第１のヒータ電極
９ｂ…第２のヒータ電極
１１…クラッド層
１１ａ…下部クラッド層
１１ｂ…上部クラッド層
１２…基板
２０…導波路パターンを有するマスク
２１…ヒータ電極パターンを有するマスク

Claims (3)

1. 平面基板上に形成されたコア及びクラッドからなる光導波路と、該光導波路上に設けられるヒータ電極とを有する導波路型光スイッチであって、
   前記コア及びクラッドは、いずれも熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料から成り、
   前記光導波路は、Ｙ分岐された分岐部を有するＹ分岐型光導波路と、該Ｙ分岐型光導波路の夫々の出力端に接続され、少なくとも２つ以上の彎曲部を有するＳ字型光導波路とで構成されることを特徴とする導波路型光スイッチ。
2. 前記ヒータ電極は、
   前記Ｓ字型光導波路の前記彎曲部の内縁側斜め上方に配置され、且つ該彎曲部の曲線に沿って配置されることを特徴とする請求項１記載の導波路型光スイッチ。
3. 請求項１または２に記載の導波路型光スイッチを複数並列配置させてなることを特徴とするアレイ導波路型光スイッチ。

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