JP3920730B2 - Thermo-optic light switch - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、光通信・光情報処理等の分野の石英系平面光波回路で用いられる熱光学効果を利用した石英系光スイッチの特に、高速化・低消費電力化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱光学現象は、文献：渡辺隆弥“新しい電気光学光偏向器”第３回強誘電体応用会議２０-Ｏ-６,昭和５６年５月２５日に各種透明材料で、この現象の発見が報告されている。その後、各所で基板材料としてＬｉＮｂＯ３やシリコンを使用した研究が進められてきた。デバイスの安定性や信頼性の面から、シリコンを基板とした２つの３ｄＢ方向性結合器と同一長のアーム光導波路からなる対称マッハツェンダー型の２×２光スイッチが開発の主流となっている。この光スイッチは、シリコン基板上のクラッド中に埋め込まれたコアの真上に薄膜ヒータのオン、またはオフにより、石英系膜の熱光学効果を利用して光導波路に屈折率分布を起こし光導波路中の導波光に位相差を与えバー状態またはクロス状態を生じさせ光スイッチングを実現させるものである。石英系熱光学光スイッチは、スイッチ素子の小型化と低消費電力化のために超高Δ導波路と断熱構造を適用して、ＷＤＭ用石英系平面光波回路の必須のモジュールに成長しつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
従来の石英系光スイッチでは、薄膜ヒータの加熱により、スイッチング動作をしていることから、薄膜ヒータで加熱したとき、熱がコアの下方に位置するシリコン基板を通じて逃げやすく消費電力が大きくなるという問題がある。このため、光導波路の形状をリッジ構造にすることで両サイドに断熱構造を形成し水平方向の熱の逃げを防ぐことで、低消費電力化を実現している。しかしながら光導波路を形成するシリコンを反応性ドライエッチングにより加工して両サイドに断熱構造を設けることは、ヒートシンクの役目をしているシリコンを除去することになる。このため光導波路がある石英ガラス薄膜の熱溜部に熱が滞留し、オンオフ時の高速応答を妨げることになり、得策でない。この光スイッチの構造では、応答速度が遅くなっていることが、実験データからも明らかである。光スイッチの大規模化のためには、さらなる低消費電力化を計る必要がある。この石英系光スイッチの切替速度に関しては、応答速度は１ｍｓ〜３ｍｓで十分とはいえないが、デバイスとして、ある程度満足のいく結果が得られている。しかしながら、ＷＤＭ技術を基礎とした光ネットワークの構築には、光スイッチの大規模化へのさらなる対応とμｓレベルの高速の応答を得ることが緊急の課題となっている。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
熱光学光スイッチのスイッチング速度に関しては、熱伝導の方程式を解くことにより求められる。ここでは、二次元の単純モデルを考える。時定数ｔは、およそ数１で与えられる。Ｄは材料の厚み、Ｗは材料の密度、Ｃは材料の比熱、λは材料の熱伝導度、Ｋは定数である。式からもわかるように、光導波路を形成する基板の厚みを薄くすることが時定数（立上り時間や立下り時間）を改善するのに、最も効果がある。一方、材料に屈折率分布を生じさせる温度勾配を発生させるために必要な熱量Ｈは、数２である。ここで、Ｖは材料の重さ、ΔＴは上昇温度である。つまり熱光学効果を発生させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くするダイヤフラム構造を採用することで、時定数ｔの改善と低消費電力化を達成できる可能性がある。また、薄膜ヒータから水平方向に熱拡散する温度をさまたげる構造に関しては、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面に光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置される貫通部をダイヤフラム構造部に形成することが有効である。この構造は、薄膜ヒータの両サイドが断熱構造を有することになる。次に熱溜と熱接触を有効にする方法について述べる。熱処理等の手段でシリコン基板の表面を酸化させると、シリコンの表面は酸化シリコンとなる。光導波路が断熱性のある石英ガラス薄膜であることで、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、熱光学効果を効率的に発生させ、光導波路がある石英ガラス薄膜の熱溜部と表面に酸化膜を有するシリコンとは、熱接触を良好にする構造となっている。このように厚み方向の熱の逃げも防ぐことで、効率的な電力消費の少ない光スイッチモジュールを実現することが可能となる。高信頼性を確保するために、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、ダイヤフラム部の厚みが薄くなると、ダイヤフラム構造はバイメタル効果で基板が反る。このため、放熱効果の高い、たとえば銅薄膜をダイヤフラム構造の裏面に蒸着やスパッタリングで形成することで、バランスのよい熱光学光スイッチ構造にすることで、ダイヤフラム部の反りを防止し、高信頼性の熱光学光スイッチを実現することができる。本発明で得られる熱光学光スイッチは、μsレベルの高速の応答と低消費電力化を実現することは極めて容易である。この特性を実現する方法としては、
１．基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、基板上に形成された光導波路のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造となし、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部には光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置された貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
２．基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、光導波路のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータの真下の基板を薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造とし、ダイヤフラム構造部の裏面には基板より熱伝導率の高い放熱用薄膜が装荷されてなることを薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部には光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置された貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
３．基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、基板上に形成された光導波路のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造となし、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部には光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置された貫通箇所がダイヤフラム構造部に形成され、かつ該薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部に該薄膜ヒータを挟むように光導波方向に沿って光導波路の両側に貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
４．シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなるガラス材料もしくは、有機材料からなる光導波路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、光導波路のコアの所定領域の真上に位置するように設けられた薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造とし、ダイヤフラム構造部の裏面には基板より熱伝導率の高い銀、銅、金、ＳｉＣ等の金属系材料からなる放熱用薄膜が装荷されてなり、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面には光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置された貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
５．表面を熱酸化させたシリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなるガラス材料もしくは、有機材料からなる光導波路が配置され熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の石英系光スイッチにおいて、光導波路のコアの所定領域の真上に設けられた薄膜ヒータの基板を薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積で基板の厚みを薄く加工してダイヤフラム構造とし、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面には光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置された貫通箇所をダイヤフラム構造部に形成してなる熱光学光スイッチ。
【０００５】
【数１】
【０００６】
【数２】
【０００７】
本発明の熱光学効果を利用した石英系熱光学光スイッチは、発生させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くするダイヤフラム構造とすることで、時定数の改善と低消費電力化が達成できる。また、薄膜ヒータから水平方向に熱拡散する温度に関しては、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面に光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置される貫通部をダイヤフラム構造部に形成して、薄膜ヒータの両サイドが断熱構造を有することになる。このように水平方向の熱の逃げを防ぐことで低消費電力化を実現することができる。なお、垂直方向の熱の逃げに関しては、光導波路自体の幅は、数ミクロン程度であり、幅方向の長さに比較して約千分の一のレベルである。光導波路を形成する石英ガラス薄膜が、熱伝導率の低い材料であることから、ほとんど無視できるが、さらなる低消費電力化をねらって、薄膜ヒータのある上下の光導波路の両端に断熱用貫通部を形成する。本発明では、基板に使用するシリコンの表面を熱酸化シリコンにすることで、光導波路がある石英ガラス薄膜の熱溜部と表面に酸化膜を有するシリコンとが熱接触を良好にする構造となっている。高信頼性を確保するためには、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、ダイヤフラム部の厚みが薄くなると、ダイヤフラム構造は、バイメタル効果で反る。このため、放熱効果の高い、たとえば銅薄膜をダイヤフラム構造の裏面に蒸着やスパッタリングで装荷することで、バランスのよい構造にすることができる。ダイヤフラム構造の表裏の両面に金属薄膜を装荷することで、ダイヤフラム部の反りを防止して高速の応答性能を有した、高信頼性の熱光学光スイッチを実現できる。
【０００８】
【実施例】
次に本発明の実施例を参照して、詳細に説明する。図１は、本発明の対象マッハツェンダー型光スイッチの断面と平面を併記して示した図である。図２は、本発明の分岐型光スイッチの断面と平面を併記して示した図である。
【０００９】
図１は、本発明の対象マッハツェンダー型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した図である。この図では、入出力部の３ｄＢ方向性結合器は省略してある。１００はシリコン基板である。厚み０．７ｍｍのシリコン基板１００上の光導波路を形成する面を熱酸化表面処理して、ＳｉＯ2膜１０１を形成する。１０２は、シリコン基板１００をドライエッチングにより凹部状に加工してダイヤフラム構造を得ている。このダイヤフラム部１０２は、Ｃｒ等の薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを薄くドライエッチング加工している。光導波路は、各々クラッド層１０３，１０４とコア１０５，１０６で構成されている。薄膜ヒータ１０７，１０８は加熱用ヒータ電極である。この薄膜ヒータ１０７，１０８に電流を流すと、薄膜ヒータ１０７，１０８で消費される電力により発生した熱により、熱光学効果により光導波路に屈折率分布を誘起させる。薄膜ヒータ１０７，１０８で発生した熱が水平方向に逃げないように薄膜ヒータ１０７，１０８の両端部には、貫通穴（１０９，１１０）、（１１１，１１２）が各々形成されている。薄膜ヒータ１０７，１０８で発生した熱が垂直方向（光導波方向）に逃げないように薄膜ヒータ１０７，１０８の上下両端部には、貫通穴（１１８，１１９，１２０，１２１）、（１２２，１２３，１２４，１２５）が各々光導波路を挟んで上下に形成されている。１１３，１１４は、薄膜ヒータ１０７に電流を流す端子対である。１１３，１１４は、薄膜ヒータ１０７に電流を流す端子対である。１１５，１１６は、薄膜ヒータ１０８に電流を流す端子対である。銅薄膜１１７は、ダイヤフラム部１０２の裏面に蒸着やスパッタリング法で形成することで、ダイヤフラム部を表裏に薄膜を形成することで反りの発生しないバランスのよいダイヤフラム構造を実現している。この光スイッチの時定数と供給電力を計算する。ダイヤフラム部のトータル厚みが８０μｍ（コアの断面寸法６μｍ角を含むクラッド層＋エッチング加工したシリコン厚み）、薄膜ヒータの寸法が幅５０μｍ、長さ４ｍｍとすると、時定数は1μsで、必要とする供給電力は約３ｍＷとなる。
【００１０】
図２は、本発明の分岐型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した図である。２００はシリコン基板である。厚み０．７ｍｍのシリコン基板２００上の光導波路を形成する面を熱酸化表面処理して、ＳｉＯ２膜２０１を形成する。２０２は、シリコン基板２００をドライエッチングにより凹部状に加工してダイヤフラム構造を得ている。このダイヤフラム部２０２は、Ｃｒ等の薄膜ヒータのパターン幅と同等またはそれより大きい面積の領域で基板の厚みを薄くドライエッチング加工している。Ｙ分岐型光導波路２０８は、クラッド層２０３とコア２０９，２１０で構成されている。薄膜ヒータ２０４，２０５は加熱用ヒータ電極である。この薄膜ヒータ２０４，２０５に電流を流すと、薄膜ヒータ２０４，２０５で消費される電力により発生した熱により、熱光学効果により光導波路に屈折率分布を誘起させる。薄膜ヒータ２０４，２０５で発生した熱が水平方向に逃げないように薄膜ヒータ２０４，２０５の左右両端部には、貫通穴２０６，２０７が形成されている。２１１，２１２は、薄膜ヒータ２０４に電流を流す端子対である。２１３，２１４は、薄膜ヒータ２０５に電流を流す端子対である。銅薄膜２１５は、ダイヤフラム部２０２の裏面に蒸着やスパッタリング法で形成することで、ダイヤフラム部を表裏に薄膜を形成することで反りの起こらないバランスのよいダイヤフラム構造を実現している。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の熱光学効果を利用した石英系熱光学光スイッチは、発生させる薄膜ヒータ部の基板の厚みを薄くするダイヤフラム構造で、応答速度の飛躍的改善と低消費電力化が達成できる。また、薄膜ヒータから水平方向に熱拡散する温度に関しては、薄膜ヒータが装荷されたダイヤフラム部の表面に光導波路の光導波方向に沿って薄膜ヒータを挟むように対向して設置される貫通部をダイヤフラム構造部に形成して、薄膜ヒータの両サイドが断熱構造を有することになる。このように水平方向の熱の逃げを防ぐことで低消費電力化を実現することができる。なお、垂直方向の熱の逃げに関しては、光導波路自体の幅は、数ミクロン程度であり、幅方向の長さに比較して約千分の一のレベルである。光導波路を形成する石英ガラス薄膜が、熱伝導率の低い材料であることから、ほとんど無視できるが、さらなる低消費電力化をねらって、薄膜ヒータのある上下の光導波路の両端に断熱用貫通部を形成する。本発明では、基板に使用するシリコンの表面を熱酸化シリコンにすることで、光導波路がある石英ガラス薄膜の熱溜部と表面に酸化膜を有するシリコンとが熱接触を良好にする構造で熱溜を保っている。高信頼性を確保するためには、薄膜ヒータ、石英ガラス、酸化膜シリコン基板の組合せは、ダイヤフラム部の厚みが薄くなると、ダイヤフラム構造は、バイメタル効果で反るが、この対策として、放熱効果の高いたとえば、銅薄膜をダイヤフラム構造の裏面に蒸着やスパッタリング法で装荷することで、バランスのよい構造にすることで、反りを防止し、高速の応答性能を有し、高信頼性の熱光学光スイッチを実現することができる。なお、ダイヤフラムの厚みが薄くなると、放熱効果が顕著になり、オンオフ時の切り替え時の応答速度が速くなる効果がある。以上のとおり、本発明の石英系熱光学光スイッチは、波長無依存光スイッチであるが、この他偏波面分離型光スイッチにも適用でき、熱光学光スイッチとして工業的にも完成されたもので、多くの基幹光ネットワークや加入者系光ネットワークの構築に多大な貢献ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の対象マッハツェンダー型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した図である。
【図２】図２は、本発明の他の適用例である分岐型光スイッチの平面と中心部での断面とを併記した図である。
【符号の説明】
１００ シリコン基板
１０１ 熱酸化ＳｉＯ2膜
１０２ ダイヤフラム構造部
１０３ クラッド層
１０４ クラッド層
１０５ コア
１０６ コア
１０７ 薄膜ヒータ
１０８ 薄膜ヒータ
１０９ 貫通穴
１１０ 貫通穴
１１１ 貫通穴
１１２ 貫通穴
１１３ ヒータ用電極端子
１１４ ヒータ用電極端子
１１５ ヒータ用電極端子
１１６ ヒータ用電極端子
１１７ 放熱用銅薄膜
１１８ 貫通穴
１１９ 貫通穴
１２０ 貫通穴
１２１ 貫通穴
１２２ 貫通穴
１２３ 貫通穴
１２４ 貫通穴
１２５ 貫通穴
２００ シリコン基板
２０１ 熱酸化ＳｉＯ2膜
２０２ ダイヤフラム構造部
２０３ クラッド層
２０４ 薄膜ヒータ
２０５ 薄膜ヒータ
２０６ 貫通穴
２０７ 貫通穴
２０８ Ｙ分岐光導波路
２０９ コア
２１０ コア
２１１ ヒータ用電極端子
２１２ ヒータ用電極端子
２１３ ヒータ用電極端子
２１４ ヒータ用電極端子
２１５ 放熱用銅薄膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a high speed and low power consumption of a quartz optical switch using a thermo-optic effect used in a quartz planar lightwave circuit in fields such as optical communication and optical information processing.
[0002]
[Prior art]
The thermo-optic phenomenon is reported in the literature: Takaya Watanabe “New Electro-Optical Light Deflector” 3rd Ferroelectric Application Conference 20-O-6 on May 25, 1986, and the discovery of this phenomenon was reported. Has been. Since then, research using LiNbO 3 or silicon as a substrate material has been advanced in various places. From the viewpoint of device stability and reliability, symmetric Mach-Zehnder type 2 × 2 optical switches consisting of two 3 dB directional couplers made of silicon and arm optical waveguides of the same length have become the mainstream of development. . This optical switch causes a refractive index distribution in the optical waveguide by utilizing the thermo-optic effect of the silica-based film by turning on or off the thin film heater directly above the core embedded in the clad on the silicon substrate. A phase difference is given to the guided light inside to generate a bar state or a cross state to realize optical switching. Silica-based thermo-optic optical switches are growing into an indispensable module for WDM silica-based planar lightwave circuits by applying ultra-high Δ waveguides and heat insulation structures to reduce the size and power consumption of switch elements. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional quartz-based optical switch, the switching operation is performed by heating the thin film heater. Therefore, when heated by the thin film heater, the heat easily escapes through the silicon substrate located below the core, and the power consumption increases. There is. For this reason, by reducing the shape of the optical waveguide to a ridge structure, a heat insulating structure is formed on both sides to prevent the heat escape in the horizontal direction, thereby realizing low power consumption. However, if silicon that forms the optical waveguide is processed by reactive dry etching and a heat insulating structure is provided on both sides, the silicon that serves as a heat sink is removed. Thus heat is accumulated in the heat reservoir of the quartz glass film has an optical waveguide, it will interfere with high-speed response at OFF, not advisable. It is clear from experimental data that the response speed is slow in this optical switch structure. In order to increase the scale of optical switches, it is necessary to further reduce power consumption. Regarding the switching speed of the quartz optical switch, a response speed of 1 ms to 3 ms is not sufficient, but a satisfactory result has been obtained as a device. However, for the construction of an optical network based on the WDM technology, it is an urgent issue to further cope with the increase in scale of an optical switch and to obtain a high-speed response of μs level.
[0004]
[Means for solving problems]
The switching speed of the thermo-optic optical switch can be obtained by solving a heat conduction equation. Here, a two-dimensional simple model is considered. The time constant t is given by the equation (1). D is the thickness of the material, W is the density of the material, C is the specific heat of the material, λ is the thermal conductivity of the material, and K is a constant. As can be seen from the equation, reducing the thickness of the substrate forming the optical waveguide is most effective in improving the time constant (rise time and fall time). On the other hand, the amount of heat H necessary to generate a temperature gradient that causes a refractive index distribution in the material is expressed by Equation 2. Here, V is the weight of the material, and ΔT is the rising temperature. That is, by adopting a diaphragm structure that reduces the thickness of the substrate of the thin film heater portion that generates the thermo-optic effect, there is a possibility that an improvement in time constant t and a reduction in power consumption can be achieved. In addition, regarding the structure that blocks the heat diffusion temperature in the horizontal direction from the thin film heater, it is installed on the surface of the diaphragm part loaded with the thin film heater so as to sandwich the thin film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide. It is effective to form the penetration part in the diaphragm structure part. In this structure, both sides of the thin film heater have a heat insulating structure. Next will be described a method to enable the thermal reservoir and thermal contact. When the surface of the silicon substrate is oxidized by means such as heat treatment, the silicon surface becomes silicon oxide. By optical waveguide is quartz glass film with a heat-insulating, thin film heater, a quartz glass, a combination of oxide silicon substrate, a thermo-optic effect efficiently generate heat reservoir of the quartz glass film has an optical waveguide In addition, silicon having an oxide film on the surface has a structure that makes good thermal contact. Thus, by preventing heat escape in the thickness direction, it is possible to realize an efficient optical switch module with low power consumption. In order to ensure high reliability, in the combination of the thin film heater, the quartz glass, and the oxide silicon substrate, when the thickness of the diaphragm portion is reduced, the diaphragm structure warps the substrate due to the bimetal effect. For this reason, a highly heat-radiating effect, for example, a copper thin film is formed on the back surface of the diaphragm structure by vapor deposition or sputtering, thereby creating a well-balanced thermo-optic optical switch structure. The thermo-optic optical switch can be realized. The thermo-optic optical switch obtained by the present invention is very easy to realize a high-speed response at the microsecond level and low power consumption. As a method of realizing this characteristic,
1. In an interferometer-type or branch-type silica-based optical switch using the thermo-optic effect in which a silica-based optical waveguide composed of a lower clad layer, a core, and an upper clad layer is disposed on a substrate, the optical waveguide formed on the substrate A diaphragm having a thin film heater loaded by thinning the thickness of the substrate in an area equal to or larger than the pattern width of the thin film heater provided so as to be positioned directly above a predetermined area of the core. A thermo-optic optical switch having a diaphragm structure formed with through-holes disposed opposite to each other so as to sandwich a thin film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide.
2. In an interferometer-type or branch-type silica-based optical switch using the thermo-optic effect in which a silica-based optical waveguide composed of a lower cladding layer, a core, and an upper cladding layer is disposed on a substrate, the true region of a predetermined region of the core of the optical waveguide is The substrate just below the thin film heater located above is processed into a diaphragm structure by thinning the thickness of the substrate to an area equal to or larger than the pattern width of the thin film heater, and the back surface of the diaphragm structure part is from the substrate The heat-dissipating thin film with high thermal conductivity is loaded, and the diaphragm part loaded with the thin-film heater has a through-hole installed oppositely facing the thin-film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide. Thermo-optic optical switch formed on the structure.
3. In an interferometer-type or branch-type silica-based optical switch using the thermo-optic effect in which a silica-based optical waveguide composed of a lower clad layer, a core, and an upper clad layer is disposed on a substrate, the optical waveguide formed on the substrate A diaphragm having a thin film heater loaded by thinning the thickness of the substrate in an area equal to or larger than the pattern width of the thin film heater provided so as to be positioned directly above a predetermined area of the core. The diaphragm portion is formed with a through-hole that is disposed opposite to the optical waveguide so as to sandwich the thin film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide, and the thin film heater is sandwiched between the diaphragm portions loaded with the thin film heater Thus, a thermo-optic optical switch formed by forming a through-hole in the diaphragm structure part on both sides of the optical waveguide along the optical waveguide direction.
4). In an interferometer-type or branch-type quartz optical switch using a thermo-optic effect in which an optical waveguide made of a glass material or an organic material consisting of a lower clad layer, a core, and an upper clad layer is disposed on a silicon substrate, the optical waveguide The thickness of the substrate is thinned to an area equal to or larger than the pattern width of the thin-film heater provided so as to be located immediately above a predetermined area of the core of the core to form a diaphragm structure. A thin film for heat dissipation made of a metal material such as silver, copper, gold, or SiC having high thermal conductivity is loaded, and a thin film is formed along the optical waveguide direction of the optical waveguide on the surface of the diaphragm portion loaded with the thin film heater. A thermo-optic optical switch formed by forming a through-hole in a diaphragm structure so as to face each other with a heater interposed therebetween.
5. Interferometer-type or branch-type quartz-based light that utilizes the thermo-optic effect by placing an optical waveguide made of glass material or organic material consisting of a lower clad layer, core, and upper clad layer on a silicon substrate whose surface is thermally oxidized In the switch, the substrate of the thin film heater provided immediately above a predetermined region of the core of the optical waveguide is processed into a diaphragm structure by thinning the thickness of the substrate with an area equal to or larger than the pattern width of the thin film heater. A thermo-optic optical switch having a diaphragm structure formed with through-holes placed opposite to each other so as to sandwich a thin film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide on the surface of the loaded diaphragm.
[0005]
[Expression 1]
[0006]
[Expression 2]
[0007]
The quartz-based thermo-optic optical switch using the thermo-optic effect of the present invention can achieve improvement in time constant and low power consumption by adopting a diaphragm structure in which the thickness of the substrate of the thin film heater portion to be generated is reduced. In addition, regarding the temperature at which the thin film heater is thermally diffused in the horizontal direction, a through-portion that is installed facing the thin film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide on the surface of the diaphragm portion loaded with the thin film heater is provided. It forms in a diaphragm structure part, and both sides of a thin film heater have a heat insulation structure. In this way, low power consumption can be realized by preventing the heat escape in the horizontal direction. Regarding the heat escape in the vertical direction, the width of the optical waveguide itself is about several microns, which is about a thousandth of the width in the width direction. The quartz glass thin film that forms the optical waveguide is a material with low thermal conductivity, so it is almost negligible, but with the aim of further reducing power consumption, the heat-insulating through-holes at both ends of the upper and lower optical waveguides with thin-film heaters Form. In the present invention, the surface of the silicon to be used for the substrate by a thermal silicon oxide, is a silicon having an oxide film on the heat reservoir and the surface of the quartz glass film has an optical waveguide is a structure to improve the thermal contact ing. In order to ensure high reliability, in the combination of a thin film heater, quartz glass, and an oxide silicon substrate, the diaphragm structure warps due to the bimetal effect when the thickness of the diaphragm portion is reduced. For this reason, it is possible to achieve a well-balanced structure by loading, for example, a copper thin film having a high heat dissipation effect on the back surface of the diaphragm structure by vapor deposition or sputtering. By loading metal thin films on both the front and back sides of the diaphragm structure, it is possible to realize a highly reliable thermo-optic optical switch having high-speed response performance by preventing warping of the diaphragm portion.
[0008]
【Example】
Next, with reference to the Example of this invention, it demonstrates in detail. FIG. 1 is a view showing both a cross section and a plane of a target Mach-Zehnder optical switch according to the present invention. FIG. 2 is a view showing both a cross section and a plane of the branched optical switch of the present invention.
[0009]
FIG. 1 is a diagram in which a plane of a target Mach-Zehnder type optical switch of the present invention and a cross section at a central portion are shown. In this figure, the 3 dB directional coupler of the input / output unit is omitted. Reference numeral 100 denotes a silicon substrate. The surface on which the optical waveguide is formed on the 0.7 mm thick silicon substrate 100 is subjected to thermal oxidation surface treatment to form the SiO 2 film 101. Reference numeral 102 denotes a diaphragm structure obtained by processing the silicon substrate 100 into a concave shape by dry etching. This diaphragm portion 102 is dry-etched with a thin substrate in a region having an area equal to or larger than the pattern width of a thin film heater such as Cr. The optical waveguide is composed of cladding layers 103 and 104 and cores 105 and 106, respectively. The thin film heaters 107 and 108 are heater electrodes for heating. When a current is passed through the thin film heaters 107 and 108, the refractive index distribution is induced in the optical waveguide by the thermo-optic effect due to the heat generated by the power consumed by the thin film heaters 107 and 108. Through holes (109, 110) and (111, 112) are formed at both ends of the thin film heaters 107 and 108 so that the heat generated by the thin film heaters 107 and 108 does not escape in the horizontal direction. Through holes (118, 119, 120, 121), (122, 123) are formed in the upper and lower ends of the thin film heaters 107, 108 so that the heat generated by the thin film heaters 107, 108 does not escape in the vertical direction (optical waveguide direction). , 124, 125) are formed vertically with the optical waveguide interposed therebetween. Reference numerals 113 and 114 denote terminal pairs for supplying current to the thin film heater 107. Reference numerals 113 and 114 denote terminal pairs for supplying current to the thin film heater 107. Reference numerals 115 and 116 denote terminal pairs for passing a current through the thin film heater 108. The copper thin film 117 is formed on the back surface of the diaphragm portion 102 by vapor deposition or sputtering, so that a thin diaphragm is formed on the front and back surfaces of the diaphragm portion, thereby realizing a well-balanced diaphragm structure without warping. The time constant and supply power of this optical switch are calculated. If the total thickness of the diaphragm is 80 μm (cladding layer including the core cross-sectional dimension of 6 μm square + etched silicon thickness), the thin-film heater dimensions are 50 μm wide and 4 mm long, the time constant is 1 μs and the required supply The power is about 3 mW.
[0010]
FIG. 2 is a diagram in which the plane and the cross section at the center of the branching optical switch of the present invention are shown. Reference numeral 200 denotes a silicon substrate. The surface on which the optical waveguide is formed on the 0.7 mm thick silicon substrate 200 is subjected to thermal oxidation surface treatment to form the SiO 2 film 201. In 202, a diaphragm structure is obtained by processing the silicon substrate 200 into a concave shape by dry etching. The diaphragm 202 is dry-etched with a thin substrate in an area having an area equal to or larger than the pattern width of a thin film heater such as Cr. The Y-branch optical waveguide 208 includes a clad layer 203 and cores 209 and 210. The thin film heaters 204 and 205 are heating heater electrodes. When a current is passed through the thin film heaters 204 and 205, the heat generated by the power consumed by the thin film heaters 204 and 205 induces a refractive index distribution in the optical waveguide due to the thermooptic effect. Through holes 206 and 207 are formed at the left and right ends of the thin film heaters 204 and 205 so that the heat generated by the thin film heaters 204 and 205 does not escape in the horizontal direction. Reference numerals 211 and 212 denote terminal pairs for supplying current to the thin film heater 204. Reference numerals 213 and 214 denote terminal pairs for supplying current to the thin film heater 205. The copper thin film 215 is formed on the back surface of the diaphragm portion 202 by vapor deposition or sputtering, so that a thin diaphragm is formed on the front and back surfaces of the diaphragm portion to realize a well-balanced diaphragm structure that does not cause warping.
[0011]
【The invention's effect】
The quartz-based thermo-optic optical switch using the thermo-optic effect of the present invention has a diaphragm structure that reduces the thickness of the substrate of the thin film heater portion to be generated, and can achieve dramatic improvement in response speed and reduction in power consumption. In addition, regarding the temperature at which the thin film heater is thermally diffused in the horizontal direction, a through-portion that is installed facing the thin film heater along the optical waveguide direction of the optical waveguide on the surface of the diaphragm portion loaded with the thin film heater is provided. It forms in a diaphragm structure part, and both sides of a thin film heater have a heat insulation structure. In this way, low power consumption can be realized by preventing the heat escape in the horizontal direction. Regarding the heat escape in the vertical direction, the width of the optical waveguide itself is about several microns, which is about a thousandth of the width in the width direction. The quartz glass thin film that forms the optical waveguide is a material with low thermal conductivity, so it is almost negligible, but with the aim of further reducing power consumption, the heat-insulating through-holes at both ends of the upper and lower optical waveguides with thin-film heaters Form. In the present invention, heat the surface of the silicon to be used for the substrate by a thermally oxidized silicon, a structure in which the silicon having an oxide film on the heat reservoir and the surface of the quartz glass film has an optical waveguide is to improve the thermal contact I keep the reservoir . In order to ensure high reliability, the combination of a thin film heater, quartz glass, and oxide silicon substrate is warped by the bimetal effect when the diaphragm thickness is reduced. High, for example, a thin copper film is loaded on the back surface of the diaphragm structure by vapor deposition or sputtering to create a well-balanced structure, preventing warping, having high-speed response performance, and highly reliable thermo-optic light A switch can be realized. In addition, when the thickness of a diaphragm becomes thin, the heat dissipation effect becomes remarkable and there exists an effect which the response speed at the time of switching at the time of ON / OFF becomes quick. As described above, the quartz-based thermo-optic optical switch of the present invention is a wavelength-independent optical switch, but can be applied to other polarization plane separation type optical switches, and has been industrially completed as a thermo-optic optical switch. Thus, it can greatly contribute to the construction of many backbone optical networks and subscriber optical networks.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing both a plane and a cross section at a central portion of a target Mach-Zehnder optical switch of the present invention.
FIG. 2 is a diagram in which a plane and a cross section at the center of a branching optical switch which is another application example of the present invention are shown.
[Explanation of symbols]
100 silicon substrate 101 thermally oxidized SiO 2 film 102 diaphragm structure 103 clad layer 104 cladding layer 105 the core 106 core 107 thin-film heater 108 thin-film heater 109 through hole 110 through hole 111 through hole 112 through hole 113 a heater electrode terminal 114 heater electrode Terminal 115 Heater electrode terminal 116 Heater electrode terminal 117 Heat dissipation copper thin film 118 Through hole 119 Through hole 120 Through hole 121 Through hole 122 Through hole 123 Through hole 124 Through hole 125 Through hole 200 Silicon substrate 201 Thermal oxide SiO 2 film 202 Diaphragm structure 203 Cladding layer 204 Thin film heater 205 Thin film heater 206 Through hole 207 Through hole 208 Y branch optical waveguide 209 Core 210 Core 211 Heater electrode terminal 212 Heater electrode terminal 213 Heater electrode terminal 14 electrode terminal 215 radiating copper thin film heater
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