[发明专利]热光学移相器

说明书

技术领域

本发明涉及热光学移相器，更具体地，涉及具有为了减小功耗而使用 的桥结构的热光学移相器。

背景技术

在光通信领域，随着波分复用(WDM)通信系统的出现，多通道构 造已经得到迅速地发展。因此，当通道间功能控制试图例如使通道功率均 一化或者执行路径转换时，多到与通道的数目一致的光学装置变得必需 了。

在这种情况下，近年来对于能够适用于光学开关等并能够高密度集成 的小尺寸的光回路组件有增长的需求。在这种回路组件中，使用热光学移 相器的平面光波回路装置(PLC)有具有优秀的可生产性以及可集成性的 优点并且有利于高性能和大规模化集成，这是因为它们的制作工艺可以使 用半导体回路制作工艺。

通常以以下方式制作热光学移相器。首先，在衬底上形成由包覆层和 芯层所组成的光波导。金属薄层等之后沉积在光波导上，并被沿着光波导 处理为细线状，因此所得的线状金属薄膜可以被通电。当电能从外部电源 提供给线状金属薄膜时，从线状金属薄膜的电阻产生热量。换言之，线状 金属薄膜起到用于加热光波导的加热器的功能。由加热器所产生的热量通 过包覆层传递，以到达光波导的芯层。因此，在由加热器所加热的区域中 的光波导的折射率增加，并且折射率的改变可以被用来构造诸如光开关的 功能性光学装置。

由于多通道构造，单一的光学回路可以包括多个热光学移相器。在这 种情况下，如果每一个热光学移相器消耗较高电力，那么整个光学回路的 功耗可能非常高。例如，在迄今为止已经投入实践使用的热光学移相器 中，马赫曾德光开关消耗约400mW的电力以开关单一光通道。例如，为 了控制在每个通道上具有使用上述热光学移相器的光学开关的40通道光 通信回路，所需要的最大电力为40×400mW＝16000mW＝16W。实际上，为 了在全部通道上执行路径设置等，通常需要多达约通道数目的平方的光开 关。在这种情况下，功耗可能达到40×40×400mW＝640W。

为了防止由加热器所产生的热量扩散到衬底上，以便于减少热光学移 相器的功耗，已经提出了将位于光波导下方的牺牲层移除以构造桥结构的 光波导(例如，参见JP-A-2004-37524[专利文献1])。这种技术使得可以 将由加热器所产生的热量有效地限制在光波导中以供使用，由此显著地减 少热光学移相器的功耗。

现在，为了实现集成更小尺寸和更高密度的光学装置的目的，高Δ型 光波导技术已经最近获得了惊人的发展。即，对进入光波导芯层的光的限 制进一步增强了，以将弯曲损失减到最小，因此在传统的光波导装置中已 经多余的弯曲的波导可以被显著地减少或缩短。传统的光波导芯层材料在 实现这种高Δ光波导上具有局限性，而SiON、Si等可以被用作新的芯层 材料。

如上所述，现在所强烈期望的装置性能包括低功耗以及小尺寸集成， 并且上述两种技术，即，使用桥结构的热隔离技术以及高Δ光波导技术， 作为重要技术正在引起注意。

但是，这种技术的结合具有下述技术问题。

用于构造高Δ光波导的光波导芯层材料具有与包覆层材料远远不同的 热膨胀系数。制造工艺迄今为止也非常不同。例如，假设将具有宽的折射 率调节范围并且适合于高折射率的SiON用做光波导芯层材料。在这种情 况下，在光通信中所使用的红外波段的1500m附近，由于O-H键以及 SiON所特有的N-H键的红外吸收的存在，吸收损失增加。为了减小吸收 损失，需要在1000℃以上执行退火。这种高温退火使得玻璃薄膜紧密地压 缩，从而允许制作高可靠性的装置。但是，对于相互接触的不同类型的材 料执行高温退火可以造成与光波导内部的热膨胀系数之间的差异相一致的 极高的残余应力。因此，即使形成与传统的低Δ波导中的桥结构相同的桥 结构，桥的形成同时允许由衬底所支持的光波导部分自由地产生应力变 形，这导致光波导的桥结构破裂的问题。破裂通常在桥结构部分与在衬底 上在两端支持该桥结构部分的固定部分之间的连接处中。这种破裂的原因 是桥结构的力使得应力变形集中在连接处上。此外，如在上述专利文献1 中的示例中所清楚地记载的，如果桥结构部分包括光波导并且加热器具有 直线形状，不可预知应力变形的方向是否朝向衬底或远离衬底，以及变形 是否发生在平行于衬底的方向。变形的方向取决于当桥结构部分与衬底分 离时此刻周围的环境，并且取决于结构平衡。因此，即使桥结构保持未破 裂，也很难稳定地制作具有低功耗性能以及高光学特性的热光学移相器。