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JP5691033B2 - Waveguide type optical gate switch - Google Patents

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JP5691033B2 JP2010264600A JP2010264600A JP5691033B2 JP 5691033 B2 JP5691033 B2 JP 5691033B2 JP 2010264600 A JP2010264600 A JP 2010264600A JP 2010264600 A JP2010264600 A JP 2010264600A JP 5691033 B2 JP5691033 B2 JP 5691033B2
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Description

本発明は導波路型光ゲートスイッチに関するものであり、例えば、導波路型光ゲートスイッチのON−OFFを行う相変化材料の相変化、特に、アモルファス化を高速且つ容易に行うための構成に関するものである。   The present invention relates to a waveguide-type optical gate switch, for example, a phase change material for turning on / off a waveguide-type optical gate switch, and more particularly, to a configuration for performing amorphization quickly and easily. It is.

近年、光通信シムテムの進展に伴って光通信ネットワークが大容量化され、それに対応して様々な機能を有する光デバイスが開発されている。特に、光導波路を伝播する光信号の透過量を制御する光スイッチはキーデバイスとなる。   In recent years, with the progress of optical communication systems, the capacity of optical communication networks has been increased, and optical devices having various functions have been developed accordingly. In particular, an optical switch that controls the transmission amount of an optical signal propagating through an optical waveguide is a key device.

例えば、このような光スイッチにおいて、小型化或いはスイッチ速度の高速化の観点から相変化材料を用いて光信号のON−OFFを行う相変化光スイッチが注目を集めている(例えば、特許文献1参照)。   For example, in such an optical switch, a phase change optical switch that performs ON / OFF of an optical signal using a phase change material from the viewpoint of downsizing or increasing the switch speed has attracted attention (for example, Patent Document 1). reference).

また、本発明者も相変化材料を用いた光スイッチを幾つか提案している(例えば、特許文献2または特許文献3参照)。例えば、相変化材料を用いた方向性結合器型光スイッチは、方向性結合部において互いに平行して延在する一対のコア層の間に相変化材料部を設けている。   The present inventor has also proposed several optical switches using phase change materials (see, for example, Patent Document 2 or Patent Document 3). For example, in a directional coupler type optical switch using a phase change material, a phase change material portion is provided between a pair of core layers extending in parallel with each other in the directional coupling portion.

この構成では、相変化材料部に電流パルスを印加すること或いは制御光を照射することによって、結晶状態とアモルファス状態との間の相変化を行う。その結果、相変化材料の動作波長における複素屈折率(主に、実数部)が変化し、一対の導波路の屈折率の変化に伴って光結合量が変化して出力ポートが切り替わるので光スイッチとして動作する。なお、片方の入出力導波路に着目すれば光ゲートスイッチである。   In this configuration, a phase change between a crystalline state and an amorphous state is performed by applying a current pulse to the phase change material portion or irradiating control light. As a result, the complex refractive index (mainly the real part) at the operating wavelength of the phase change material changes, and the optical coupling amount changes with the change in the refractive index of the pair of waveguides, so that the output port is switched. Works as. If attention is paid to one of the input / output waveguides, it is an optical gate switch.

ここで、図を参照して、従来の導波路型光ゲートスイッチの一例を説明する。図は、従来の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図(a)は、概略的透視平面図であり、図(b)は図(a)におけるB−B′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。 Referring now to FIG. 9, an example of a conventional waveguide-type optical gate switch. Figure 9 is a diagram illustrating the configuration of a conventional waveguide-type optical gate switch, FIG. 9 (a) is a schematic perspective plan view, FIG. 9 (b) 9 (a) in the B-B ' It is a schematic sectional drawing in alignment with the dashed-dotted line which connects.

図に示すように、石英基板61上に下部クラッド層62を介してストライプ状のSiOコア層63を設け、このSiOコア層63を上部クラッド層64で被覆する。SiOコア層63の直上近傍の上部クラッド層64に凹部を設け、この凹部にGST(GeSbTe)膜等の相変化材料膜65を配置する。 As shown in the figure, a striped SiO 2 core layer 63 is provided on a quartz substrate 61 via a lower cladding layer 62, and this SiO 2 core layer 63 is covered with an upper cladding layer 64. A recess is provided in the upper cladding layer 64 immediately above the SiO 2 core layer 63, and a phase change material film 65 such as a GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) film is disposed in the recess.

この導波路型光ゲートスイッチにおいては、光パルスを相変化材料膜65に加えることによって結晶状態からアモルファス状態にあるいは、アモルファス状態から結晶状態に変化させる。その結果、相変化材料膜65の信号光波長における複素屈折率(主として虚数部)が変化し、光ゲートスイッチとして動作する。   In this waveguide type optical gate switch, an optical pulse is applied to the phase change material film 65 to change from a crystalline state to an amorphous state or from an amorphous state to a crystalline state. As a result, the complex refractive index (mainly the imaginary part) at the signal light wavelength of the phase change material film 65 changes and operates as an optical gate switch.

特開2004−117448号公報JP 2004-117448 A 特開2006−184345号公報JP 2006-184345 A 特開2009−128718号公報JP 2009-128718 A

しかしながら、従来の導波路型光ゲートスイッチの構成では、相変化材料膜の温度を急激に下げることが困難であり、結晶状態からアモルファス状態への変化が起こりにくいという問題があり、これがスイッチング速度の高速化の障害になるという問題がある。特に、相変化材料の近傍に存在するSiOは熱伝導率が小さいので相変化材料の放熱を妨げることになる。 However, in the configuration of the conventional waveguide type optical gate switch, it is difficult to rapidly reduce the temperature of the phase change material film, and there is a problem that the change from the crystalline state to the amorphous state hardly occurs. There is a problem that it becomes an obstacle to speeding up. In particular, SiO 2 present in the vicinity of the phase change material has a low thermal conductivity, and thus prevents heat dissipation of the phase change material.

10は、GST膜の冷却速度の膜厚依存性の説明図であり、図10(a)はシミュレーションモデルであり、図10(b)はシミュレーション結果である。図10(a)に示すように、シミュレーションにおいては、幅800nmで長さが2000nmのGST膜71をSiO膜72で覆った状態で、GST膜71の膜厚を変化させた。なお、シミュレーションにおいては、GSTの熱伝導率を1.5W・m−1・K−1とし、比熱容量を250J・kg−1・K−1とし、初期値において、900Kに加熱したと仮定している。 FIG. 10 is an explanatory diagram of the film thickness dependence of the cooling rate of the GST film, FIG. 10 (a) is a simulation model, and FIG. 10 (b) is a simulation result. As shown in FIG. 10 (a), in the simulation, with the length in the width 800nm covers the GST layer 71 of 2000nm in the SiO 2 film 72 was changed the thickness of the GST layer 71. In the simulation, it is assumed that the thermal conductivity of GST is 1.5 W · m −1 · K −1 , the specific heat capacity is 250 J · kg −1 · K −1 , and the initial value is 900 K. ing.

10(b)に示すように、GST膜の中心部の温度は膜厚が薄くなるほど急速に冷却して、例えば、20nmの膜厚の場合には3nsで100℃程度まで降温する。一方、図示はしていないものの、従来の相変化材料膜の膜厚である200nm程度では、アモルファス化に必要な10ns程度の時間での冷却は困難であった。 As shown in FIG. 10 (b), the temperature of the central portion of the GST film is rapidly cooled as the film thickness is reduced. For example, in the case of a film thickness of 20 nm, the temperature is lowered to about 100 ° C. in 3 ns. On the other hand, although not shown, it was difficult to cool in the time of about 10 ns required for amorphization at the conventional phase change material film thickness of about 200 nm.

したがって、ON状態を実現するためのアモルファス化を容易にするためには、相変化材料膜の膜厚を薄くすること、特に、100nm以下にすることが望ましいことが判明した。   Accordingly, it has been found that in order to facilitate the amorphization for realizing the ON state, it is desirable to reduce the thickness of the phase change material film, in particular, to 100 nm or less.

本発明は、相変化材料部の放熱効率を高めて、相変化材料部のアモルファス化を確実に且つ短時間で行うことを目的とする。   An object of the present invention is to increase the heat dissipation efficiency of the phase change material portion and to make the phase change material portion amorphous in a short time.

上記の課題を解決するために、
(1)本発明は、単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、前記相変化材料部を、少なくとも一層当りの膜厚が100nm以下の相変化材料膜と、前記相変化材料膜より熱伝導率の高い別種材料膜とを交互に多層に積層して構成されるとともに、前記単結晶コア層の分断部に配置する。
To solve the above problem,
(1) The present invention provides an optical waveguide comprising a single crystal core layer and a cladding layer surrounding the single crystal core layer, and light propagating through the optical waveguide by changing a complex refractive index provided in the optical waveguide. And a phase change material portion that changes a transmission amount of the phase change material portion, wherein the phase change material portion includes at least a phase change material film having a film thickness of 100 nm or less per layer, and the phase change material. The different material films having higher thermal conductivity than the film are alternately laminated in multiple layers, and are arranged in the divided portion of the single crystal core layer.

このように、相変化材料部を構成する相変化材料膜を多層で構成することで一層当たりの膜厚を薄くすることができ、且つ、相変化材料膜の間に熱伝導率の高い別種材料膜を設けることによって放熱効率を高くすることができる。それによって、制御光の照射によって溶融した相変化材料を急速に冷却してアモルファス化に要する時間、即ち、スイッチング時間を大幅に短縮することができる。特に、一層当たり100nm以下にすることによって、上記の図12(b)に示したように、数nsでアモルファス化することが可能になる。 In this way, by forming the phase change material film constituting the phase change material part in multiple layers, the film thickness per layer can be reduced, and another material having a high thermal conductivity between the phase change material films. By providing the film, the heat dissipation efficiency can be increased. Thereby, the time required for amorphization by rapidly cooling the phase change material melted by the irradiation of the control light, that is, the switching time can be greatly shortened. In particular, by making the thickness 100 nm or less per layer, it becomes possible to make it amorphous in a few ns as shown in FIG.

)また、本発明は、上記(1)において、前記別種材料膜を、Au、Pt、Al、Al、ダイヤモンド、BN、SiC、AlNのいずれかとする。別種材料膜は熱伝導率が良好な材料であれば良く、Au、Pt、Al等の金属、或いは、Al、ダイヤモンド、BN、SiC、AlN等の誘電体を用いれば良い。特に、制御光に対して透明なAlやダイヤモンド等が好適である。 ( 2 ) Further, according to the present invention, in the above (1), the different material film is any one of Au, Pt, Al, Al 2 O 3 , diamond, BN, SiC, and AlN. The different material film may be a material having good thermal conductivity, and a metal such as Au, Pt, or Al, or a dielectric such as Al 2 O 3 , diamond, BN, SiC, or AlN may be used. In particular, Al 2 O 3 or diamond that is transparent to the control light is suitable.

)また、本発明は、上記(1)または(2)において、前記相変化材料膜と前記別種材料膜との間に、SiOより硬度の低い保護膜を介在させる。このように、SiOより硬度の低い保護膜を介在させることによって、相変化材料膜の相変化に伴う体積変動が容易になるとともに、膜の剥離等が防止されるので長寿命化が可能になる。 (3) Further, the present invention is Oite above (1) or (2), between the phase change material layer and the different type material layer, interposing a low protective film hardness than SiO 2. In this way, by interposing a protective film having a hardness lower than that of SiO 2 , the volume change associated with the phase change of the phase change material film is facilitated, and the film can be prevented from being peeled off, thereby extending the life. Become.

)また、本発明は、単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、前記変化材料部を、100nm以下の膜厚の相変化材料膜からなるとともに、前記単結晶コア層上にSiOより硬度の低い保護膜を介して積層する。 ( 4 ) The present invention also provides an optical waveguide comprising a single crystal core layer and a cladding layer surrounding the single crystal core layer, and is propagated through the optical waveguide by changing a complex refractive index provided in the optical waveguide. A waveguide-type optical gate switch having a phase change material portion that changes a transmission amount of light to be transmitted, the phase change material portion being made of a phase change material film having a thickness of 100 nm or less, and the single crystal core A layer is laminated on the layer through a protective film having a hardness lower than that of SiO 2 .

このように、相変化材料部を、100nm以下の膜厚の相変化材料膜から構成するとともに熱伝導率の良好な単結晶コア層上に積層することによって、放熱効率を高めることができる。また、SiOより硬度の低い保護膜を介して積層することによって、相変化に伴う体積変動を容易にすることができる。 Thus, heat dissipation efficiency can be improved by forming a phase change material part from a phase change material film with a film thickness of 100 nm or less and laminating on a single crystal core layer with good thermal conductivity. Further, by stacking through a protective film having a hardness lower than that of SiO 2 , volume fluctuation accompanying phase change can be facilitated.

)また、本発明は、上記()において、前記相変化材料部の少なくとも一部を前記単結晶コア層の一部に設けた凹部に埋め込む。このように、変化材料部を埋込構造にすることによって、ゲート透過状態における有効屈折率の積層導波路部とSi導波路部の不一致が小さくなり損失の低い光ゲートスイッチを構成することができる。 ( 5 ) Moreover, this invention embeds at least one part of the said phase change material part in the recessed part provided in a part of said single-crystal core layer in said ( 4 ). Thus, by making the phase change material portion into an embedded structure, the mismatch between the effective refractive index laminated waveguide portion and the Si waveguide portion in the gate transmission state is reduced, and an optical gate switch with low loss can be configured. it can.

)また、本発明は、上記()において、前記凹部を、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下の複数の凹部とし、且つ、隣接する前記凹部の間隔を前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下とする。このように、伝搬光の波長の1/2以下の微細な凹凸構造にすることによって、相変化材料部の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。 ( 6 ) Moreover, the present invention is the above ( 5 ), wherein the recesses are a plurality of recesses having a width of 1/2 or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide, and the interval between the adjacent recesses is set. The wavelength of light propagating through the optical waveguide is ½ or less. In this way, the structure of the phase change material portion becomes invisible from the propagating light by making the fine uneven structure less than 1/2 of the wavelength of the propagating light, so the effect of the structure of the phase change material portion on the light propagation Can be reduced.

)また、本発明は、上記()において、前記相変化材料部を、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下の複数の分割相変化材料膜要素とし、且つ、隣接する前記分割相変化材料膜要素の間隔を前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下とする。 ( 7 ) Further, the present invention provides the above-mentioned ( 4 ), wherein the phase change material portion is a plurality of divided phase change material film elements having a width of 1/2 or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide, The interval between the adjacent divided phase change material film elements is set to ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide.

このように、伝搬光の波長の1/2以下の微細な分割相変化材料膜要素の集合体とすることによって、相変化材料部の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。また、各分割相変化材料膜要素は微細であるので、表面積の占める比率が高まり、熱が滞留することが少なくなるので急速冷却が容易になる。   In this way, the structure of the phase change material portion becomes invisible from the propagating light by forming an assembly of fine divided phase change material film elements having a wavelength of 1/2 or less of the wavelength of the propagating light. Can reduce the influence of light on the propagation of light. Moreover, since each divided phase change material film element is fine, the ratio of the surface area is increased, and heat is less likely to stay, so that rapid cooling is facilitated.

)また、本発明は、上記()において、前記単結晶コア層の一部が多モード干渉型1×1結合器を構成するとともに、前記相変化材料部を、前記多モード干渉型1×1結合器上に積層する。 ( 8 ) Further, according to the present invention, in the above ( 4 ), a part of the single crystal core layer constitutes a multimode interference type 1 × 1 coupler, and the phase change material portion is made to be the multimode interference type. Laminate on 1 × 1 coupler.

多モード干渉型1×1結合器に入力された信号光は、多モード干渉型1×1結合器中で一度集光し、再び出力導波路に結合する箇所で集光するので、相変化材料部を集光する箇所に設けることによって、相変化材料部の寸法を小さくすることができる。さらに、下部の多モード干渉型1×1結合器の幅が単結晶コア層の幅より太くなっているので、熱容量が増加し、放熱特性が改善されて冷却効率が高まる。   The signal light input to the multi-mode interference type 1 × 1 coupler is condensed once in the multi-mode interference type 1 × 1 coupler and then condensed again at the position where it is coupled to the output waveguide. By providing the portion at the location where the light is condensed, the dimension of the phase change material portion can be reduced. Furthermore, since the width of the lower multimode interference type 1 × 1 coupler is larger than the width of the single crystal core layer, the heat capacity is increased, the heat dissipation characteristics are improved, and the cooling efficiency is increased.

開示の導波路型光ゲートスイッチによれば、相変化材料部の放熱効率を高めているので、相変化材料膜のアモルファス化を確実に且つ短時間で行うことができ、それによって、光信号をON−OFFするスイッチング速度を向上することが可能になる。   According to the disclosed waveguide type optical gate switch, the heat dissipation efficiency of the phase change material portion is increased, so that the phase change material film can be amorphized reliably and in a short time, whereby the optical signal can be transmitted. It becomes possible to improve the switching speed of ON-OFF.

本発明の実施の形態の導波路型光ゲートスイッチの概念的構成図である。It is a notional block diagram of the waveguide type optical gate switch of an embodiment of the invention. 本発明の実施例1の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a waveguide type optical gate switch according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施例1の導波路型光ゲートスイッチの相変化材料部の概略的断面図である。It is a schematic sectional drawing of the phase change material part of the waveguide type optical gate switch of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。FIG. 5 is a configuration explanatory diagram of a waveguide type optical gate switch according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例3の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。FIG. 6 is a configuration explanatory diagram of a waveguide type optical gate switch according to a third embodiment of the present invention. 本発明の実施例4の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。FIG. 6 is a configuration explanatory diagram of a waveguide type optical gate switch according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施例5の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。FIG. 10 is a configuration explanatory diagram of a waveguide type optical gate switch according to a fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施例6の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。It is a structure explanatory drawing of the waveguide type optical gate switch of Example 6 of this invention. 従来の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図である。It is a configuration explanatory view of a conventional waveguide type optical gate switch. GST膜の冷却速度の膜厚依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the film thickness dependence of the cooling rate of a GST film | membrane.

ここで、図1を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の実施の形態の導波路型光ゲートスイッチの概念的構成図であり、図1(a)は相変化材料部を単結晶コア層の分断部に設けた場合の概略的断面図である。また、図1(b)は相変化材料部を単結晶コア層の直上に設けた場合の概略的断面図である。   Here, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a conceptual configuration diagram of a waveguide type optical gate switch according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a schematic cross-section when a phase change material portion is provided in a split portion of a single crystal core layer. FIG. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view in the case where the phase change material portion is provided immediately above the single crystal core layer.

図1(a)に示すように基板1上に設けた下部クラッド層2と上部クラッド層4との間にストライプ状の単結晶コア層3を設けて光導波路を構成するとともに、単結晶コア層3の分断部に相変化材料部5を設けて光ゲート部を構成する。   As shown in FIG. 1 (a), a stripe-shaped single crystal core layer 3 is provided between a lower clad layer 2 and an upper clad layer 4 provided on a substrate 1 to constitute an optical waveguide, and a single crystal core layer The phase change material portion 5 is provided in the divided portion 3 to constitute an optical gate portion.

この相変化材料部5は、複数の相変化材料膜6と相変化材料膜6より熱伝導率の高い別種材料膜7とを交互に多層に積層して形成する。また、相変化材料膜6と別種材料膜7との間には、SiOより硬度の低い保護膜8を介在させる。なお、図においては、相変化材料膜6を二層にしているが、三層以上にしても良い。 The phase change material portion 5 is formed by alternately laminating a plurality of phase change material films 6 and different material films 7 having higher thermal conductivity than the phase change material films 6. A protective film 8 having a hardness lower than that of SiO 2 is interposed between the phase change material film 6 and the different material film 7. In the figure, the phase change material film 6 has two layers, but may have three or more layers.

この場合の光導波路を構成する単結晶コア層3としては、Si、SiGe、InP、GaAs、InGaAsP、InAlAs、InGaAs、GaN、GaNAs等の半導体単結晶が望ましい。材料の選択に際して、光信号の波長帯における吸収率の低い材料を選択する必要があり、例えば、1.3μm〜1.55μm帯においてはSi或いはInGaAsPが望ましい。     As the single crystal core layer 3 constituting the optical waveguide in this case, a semiconductor single crystal such as Si, SiGe, InP, GaAs, InGaAsP, InAlAs, InGaAs, GaN, and GaNAs is desirable. In selecting the material, it is necessary to select a material having a low absorption rate in the wavelength band of the optical signal. For example, Si or InGaAsP is desirable in the 1.3 μm to 1.55 μm band.

また、光導波路を構成する基板構造としては、単結晶コア層3を構成するために、基板貼り合わせ技術或いはラテラルシーディング法によって形成したSOI(Sbmiconductor on Insulator)基板や、熱伝導率の高いサファイア基板を用いたSOS(Silicon on Sapphire)基板を用いることが望ましい。   As a substrate structure constituting the optical waveguide, an SOI (Sbiconductor on Insulator) substrate formed by a substrate bonding technique or a lateral seeding method to form the single crystal core layer 3, or sapphire having high thermal conductivity. It is desirable to use a SOS (Silicon on Sapphire) substrate using a substrate.

また、相変化材料膜6は、α−Si、α−Ge、α−GaSb、α−GaAs、α−Sb等のテトラヘドラル系材料、Ge−Sb−Te系カルコゲナイド系材料、Sb−Te系カルコゲナイト材料、AsSe或いはAsS等のカルコゲナイド材料、NiO、HfO、ZrO、或いは、ZnO等の遷移金属酸化物材料等の相変化型光ディスク等で実績のある材料が望ましい。特に、相変化に伴う光吸収率の変化の大きなGe−Sb−Te或いはGe−Sb−Te等のGe−Sb−Te系カルコゲナイド系材料が望ましい。 Further, the phase change material film 6 is made of tetrahedral materials such as α-Si, α-Ge, α-GaSb, α-GaAs, α-Sb, Ge-Sb-Te chalcogenide materials, and Sb-Te chalcogenite materials. A material having a proven record in a phase change optical disk such as a chalcogenide material such as AsSe 3 or AsS 3 , a transition metal oxide material such as NiO, HfO 2 , ZrO 2 , or ZnO is desirable. In particular, the change in the optical absorption due to the phase change large Ge 2 -Sb 2 -Te 5 or Ge 6 -Sb 2 -Te 9 Ge- Sb-Te chalcogenide based materials and the like are desirable.

また、保護膜としては、相変化に伴う体積変化を容易にするために、SiOより柔らかいSiOにZnSを添加したSiO−ZnS混合膜が望ましい。SiO−ZnS混合膜は、相変化材料膜6を構成する材料の拡散(マイグレーション)を防止する作用も有している。 As the protective film, a phase change in volume in order to facilitate the accompanying changes, SiO 2 -ZnS mixed film added with ZnS soft SiO 2 than SiO 2 is desirable. The SiO 2 —ZnS mixed film also has an action of preventing the diffusion of the material constituting the phase change material film 6.

また、別種材料膜7は、熱伝導率が良好な材料であれば良く、Au、Pt、Al等の金属、或いは、Al、ダイヤモンド、BN、SiC、AlN等の誘電体を用いれば良い。特に、制御光に対して透明なAlやダイヤモンド等が好適である。このような別種材料膜7を相変化材料膜6に隣接させることによって、相変化材料膜6の熱を急速に排出して短時間でアモルファス化することが容易になる。 The different material film 7 may be a material having a good thermal conductivity, and a metal such as Au, Pt, or Al or a dielectric such as Al 2 O 3 , diamond, BN, SiC, or AlN may be used. good. In particular, Al 2 O 3 or diamond that is transparent to the control light is suitable. By making such another kind of material film 7 adjacent to the phase change material film 6, it becomes easy to quickly discharge the heat of the phase change material film 6 and make it amorphous in a short time.

この相変化手段6にレンズ9を介して制御光を照射することによって、相変化材料膜6の複素屈折率を変化させることによって、相変化材料部5の相を変化させる。急激な温度の上昇による溶融と急冷により光吸収係数の小さなアモルファス状態となり、溶融しない程度の相対的にゆっくりとした温度上昇と徐冷によって光吸収係数の大きな結晶状態となる。この時、複素屈折率の主に実数部の変化による屈折率変化ではなく、複素屈折率の主に虚数部の変化による光吸収係数の変化により単結晶コア層3を伝播する光信号の消光比を高速に制御する。   By irradiating the phase change means 6 with control light through the lens 9, the phase of the phase change material portion 5 is changed by changing the complex refractive index of the phase change material film 6. An amorphous state with a small light absorption coefficient is obtained by melting and rapid cooling due to a rapid rise in temperature, and a crystalline state with a large light absorption coefficient is obtained by relatively slow temperature rise and slow cooling to such an extent that it does not melt. At this time, the extinction ratio of the optical signal propagating through the single crystal core layer 3 due to the change in the light absorption coefficient mainly due to the change of the imaginary part of the complex refractive index, not the change of the refractive index mainly due to the change of the real part. Control at high speed.

なお、消光比は相変化材料部5の長さに依存するものである(必要ならば、特願2009−182141参照)。相変化材料膜6として相変化に伴う光吸収率の変化の大きなGe−Sb−Teを用いた場合には、相変化材料部5の長さを1.0μm以上にすることで、消光比を−30dB以下にすることができる。 The extinction ratio depends on the length of the phase change material portion 5 (see Japanese Patent Application No. 2009-182141 if necessary). In the case of using Ge 2 -Sb 2 -Te 5 big change in light absorption due to the phase change material film 6 and to the phase change, by making the length of the phase change material portion 5 than 1.0 .mu.m, The extinction ratio can be set to -30 dB or less.

或いは、図1(b)に示すように基板1上に設けた下部クラッド層2と上部クラッド層4との間にストライプ状の単結晶コア層3を設けて光導波路を構成するとともに、単結晶コア層3の直上近傍に相変化材料部11を設けて光ゲート部を構成する。   Alternatively, as shown in FIG. 1B, a stripe-shaped single crystal core layer 3 is provided between the lower clad layer 2 and the upper clad layer 4 provided on the substrate 1 to form an optical waveguide, and the single crystal A phase change material portion 11 is provided in the vicinity immediately above the core layer 3 to constitute an optical gate portion.

この相変化材料部11は、厚さが100nm以下の相変化材料膜12をSiOより硬度の低い保護膜13で覆って形成する。この場合の単結晶コア層3、相変化材料膜12及び保護膜13の材料は、図1(a)に示した導波路型光ゲートスイッチの場合と同様の材料を用いる。なお、下限の厚さは、10nmが望ましい。 The phase change material portion 11 is formed by covering a phase change material film 12 having a thickness of 100 nm or less with a protective film 13 having a hardness lower than that of SiO 2 . In this case, the single crystal core layer 3, the phase change material film 12 and the protective film 13 are made of the same materials as those in the waveguide type optical gate switch shown in FIG. The lower limit thickness is desirably 10 nm.

このように、相変化材料部11を単結晶コア層3の直上近傍に設ける場合には、単結晶コア層3の一部に凹部を設けて埋め込んでも良い。相変化材料部11を埋込構造にすることによって、ゲート透過状態における有効屈折率の積層導波路部とSi導波路部の不一致が小さくなり損失の低い光ゲートスイッチを構成することができる。   As described above, when the phase change material portion 11 is provided in the vicinity immediately above the single crystal core layer 3, a recess may be provided in a part of the single crystal core layer 3. By making the phase change material portion 11 into an embedded structure, the mismatch between the laminated waveguide portion and the Si waveguide portion having an effective refractive index in the gate transmission state is reduced, and an optical gate switch with low loss can be configured.

また、この凹部を幅が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下で相互の間隔が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下の複数の微小凹部で構成することにより、相変化材料部11の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部11の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。   Further, by forming the concave portion with a plurality of minute concave portions whose width is ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide and whose mutual distance is ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide, Since the structure of the change material part 11 becomes invisible from the propagating light, the influence of the structure of the phase change material part 11 on the light propagation can be reduced.

或いは、相変化材料部11を、幅が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下で相互の間隔が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下の複数の分割相変化材料膜要素で構成しても良い。この場合も、相変化材料部11の構造が伝搬光から見えなくなるので、相変化材料部11の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。また、各分割相変化材料膜要素は微細であるので、表面積の占める比率が高まり、熱が滞留することが少なくなるので急速冷却が容易になる。   Alternatively, the phase change material portion 11 is divided into a plurality of divided phase change material films whose width is ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide and whose mutual interval is ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. It may consist of elements. Also in this case, since the structure of the phase change material portion 11 becomes invisible from the propagation light, the influence of the structure of the phase change material portion 11 on the light propagation can be reduced. Moreover, since each divided phase change material film element is fine, the ratio of the surface area is increased, and heat is less likely to stay, so that rapid cooling is facilitated.

或いは、単結晶コア層3の一部に多モード干渉型1×1結合器を設け、相変化材料部11多モード干渉型1×1結合器上に積層しても良い。この場合には、相変化材料部11の寸法を小さくすることができるとともに、放熱特性が改善されて冷却効率が高まる。   Alternatively, a multimode interference type 1 × 1 coupler may be provided in a part of the single crystal core layer 3 and laminated on the phase change material portion 11 multimode interference type 1 × 1 coupler. In this case, the dimensions of the phase change material portion 11 can be reduced, and the heat dissipation characteristics are improved, thereby increasing the cooling efficiency.

或いは、2本の伝搬用単結晶コア層と、前記2本の伝搬用単結晶コア層との間を光結合する結合用単結晶コア層とを設け、結合用単結晶コア層上に相変化材料膜を積層して導波路型光ゲートスイッチを構成しても良い。特に、相変化材料膜は、100nm以下且つ10nm以上の膜厚とし、SiOより硬度の低い保護膜を介して積層することが望ましい。 Alternatively, two single crystal core layers for propagation and a single crystal core layer for coupling that optically couples between the two single crystal core layers for propagation are provided, and a phase change is formed on the single crystal core layer for coupling. A waveguide type optical gate switch may be configured by laminating material films. In particular, it is desirable that the phase change material film has a thickness of 100 nm or less and 10 nm or more and is laminated via a protective film having a hardness lower than that of SiO 2 .

以上を前提として、次に、図2及び図3を参照して本発明の実施例1の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図2は本発明の実施例1の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図2(a)は概略的透視平面図であり、また、図2(b)は図2(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。   Based on the above, the waveguide type optical gate switch according to the first embodiment of the present invention will be described next with reference to FIGS. FIG. 2 is a configuration explanatory view of the waveguide type optical gate switch according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 (a) is a schematic perspective plan view, and FIG. 2 (b) is a diagram in FIG. 2 (a). It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects AA 'in FIG.

図に示すようにSOI基板を用いて、シリコン基板21上に形成した厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を下部クラッド層22とし、その上に形成した単結晶シリコン層をストライプ状にエッチングして例えば、幅が450nmで高さが220nmの単結晶シリコンコア層23を形成する。この時、単結晶シリコンコア層23に例えば、長さが2μmの分断部を形成しておき、この分断部に相変化材料部25を埋め込む。次いで、厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を堆積させて上部クラッド層24とする。 As shown in the figure, using an SOI substrate, an SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm formed on the silicon substrate 21 is used as the lower cladding layer 22, and the single crystal silicon layer formed thereon is etched in a stripe shape. Thus, for example, the single crystal silicon core layer 23 having a width of 450 nm and a height of 220 nm is formed. At this time, for example, a divided portion having a length of 2 μm is formed in the single crystal silicon core layer 23, and the phase change material portion 25 is embedded in the divided portion. Next, a SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm is deposited to form the upper cladding layer 24.

図3は本発明の導波路型光ゲートスイッチの相変化材料部の概略的断面図であり、単結晶シリコンコア層23に形成した分断部にメタルマスクを用いたマスクスパッタリング法を用いて相変化材料部25を形成する。厚さが、例えば、20nmのAl膜27及び厚さが、例えば、50nmのGe−Sb−Te組成のGST膜28を例えば、厚さが10nmのSiO−ZnS混合膜からなる保護膜26を介して交互に積層する。最後に、メタルマスクをサイズの大きなものに交換してSiO−ZnS混合膜からなる埋込保護膜29を形成する。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the phase change material portion of the waveguide type optical gate switch according to the present invention, and the phase change is performed by using a mask sputtering method using a metal mask at the dividing portion formed in the single crystal silicon core layer 23. The material part 25 is formed. Thickness, for example, Al 2 O 3 film 27 and the thickness of 20nm, for example, the 50nm of Ge 2 -Sb 2 -Te 5 Composition of GST film 28 for example a thickness of 10nm of SiO 2 -ZnS mixed film The protective films 26 are alternately stacked. Finally, the metal mask is replaced with a larger one to form a buried protective film 29 made of a SiO 2 —ZnS mixed film.

この場合の単結晶シリコンコア層23とGST膜28との間隔は、例えば、50nm〜100nm程度とする。また、図では、埋込保護膜29の表面を平坦に図示しているが、SiO−ZnS混合膜とSiOの屈折率差はあまりないので、この埋込保護膜29は上部クラッド層として機能するので、平坦にする必要はない。 In this case, the interval between the single crystal silicon core layer 23 and the GST film 28 is, for example, about 50 nm to 100 nm. In the drawing, the surface of the buried protective film 29 is shown flat, but since there is not much difference in refractive index between the SiO 2 —ZnS mixed film and SiO 2 , this buried protective film 29 is used as the upper cladding layer. It works and does not need to be flat.

次に、本発明の実施例1の導波路型光ゲートスイッチの定性的な動作を説明する。相変化材料膜であるGST膜28が始めに結晶状態にあると仮定する。結晶状態では吸収係数が大きいため、光導波路を伝搬する波長1500nmの信号光のほとんどは相変化材料部25で吸収されて透過しない。   Next, the qualitative operation of the waveguide type optical gate switch according to the first embodiment of the present invention will be described. Assume that the GST film 28, which is a phase change material film, is initially in a crystalline state. Since the absorption coefficient is large in the crystalline state, most of the signal light having a wavelength of 1500 nm propagating through the optical waveguide is absorbed by the phase change material portion 25 and does not pass therethrough.

ここで、パルス幅が10ns程度の高強度、例えば、100mW程度の制御光パルスを基板上面からレンズで集光して相変化材料部25に照射にすると、GST膜28は急激に温度が上昇し融点を超えて溶けるが、膜厚が薄いことと、熱伝導性に優れるAl膜27の作用により急速に冷却されてアモルファス状態に相変化する。アモルファス状態のGST膜28の吸収係数は小さいため、光導波路を伝搬する信号光はGST膜28でほとんど吸収されず透過する。 Here, when a control light pulse having a high pulse width of about 10 ns, for example, about 100 mW, is collected from the upper surface of the substrate with a lens and irradiated to the phase change material portion 25, the temperature of the GST film 28 rapidly increases. Although it melts beyond the melting point, it is rapidly cooled by the action of the Al 2 O 3 film 27 that is thin and has excellent thermal conductivity, and changes to an amorphous state. Since the GST film 28 in the amorphous state has a small absorption coefficient, the signal light propagating through the optical waveguide is hardly absorbed by the GST film 28 and is transmitted.

なお、制御光の波長は、相変化材料の状態にかかわらず相変化材料が吸収できる波長であれば良いが、ここでは、入手が容易なレーザの発光波長である650nmとする。溶融された後の冷却速度が遅いと、アモルファス状態に相変化できない。レンズ(図1に示したレンズ9と同様)は、集光ビームスポット形状を相変化材料部25の形状に合わせて吸収効率を高める。   Note that the wavelength of the control light may be any wavelength that can be absorbed by the phase change material regardless of the state of the phase change material. Here, the wavelength of the control light is 650 nm, which is an easily available laser emission wavelength. If the cooling rate after melting is low, the phase cannot be changed to an amorphous state. The lens (similar to the lens 9 shown in FIG. 1) increases the absorption efficiency by matching the shape of the focused beam spot with the shape of the phase change material portion 25.

本発明の実施例1においては、GST膜28の膜厚を100nm以下の50nmにしているので、ナノ秒オーダで光吸収領域の急速冷却が可能になる。また、高い消光比でのゲート動作には、相変化材料体積を増やす必要があるのでここでは、二層のGST膜28を用いて多層化している。   In the first embodiment of the present invention, since the thickness of the GST film 28 is set to 50 nm which is 100 nm or less, the light absorption region can be rapidly cooled in nanosecond order. In addition, in order to perform gate operation at a high extinction ratio, it is necessary to increase the volume of the phase change material, and therefore, here, the GST film 28 of two layers is used for multilayering.

一方、アモルファス化したGST膜28にパルス幅が100ns程度の低強度の、例えば、30mW程度の制御光パルスを照射すると、GST膜28の温度は上昇し、結晶化温度よりも高くなるが融点は超えない。長いパルスで比較的ゆっくりと冷却されるとGST膜28は再び結晶状態に変化する。   On the other hand, when the amorphous GST film 28 is irradiated with a control light pulse with a low pulse width of about 100 ns, for example, about 30 mW, the temperature of the GST film 28 rises and becomes higher than the crystallization temperature, but the melting point is Do not exceed. When the GST film 28 is cooled relatively slowly with a long pulse, the GST film 28 changes to a crystalline state again.

次に、図4を参照して本発明の実施例2の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図4は、本発明の実施例2の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図4(a)は概略的透視平面図であり、図4(b)は図4(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例2の基本的な光導波路は上記の実施例1と同様である。   Next, a waveguide type optical gate switch according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration explanatory view of a waveguide type optical gate switch according to a second embodiment of the present invention, FIG. 4 (a) is a schematic perspective plan view, and FIG. 4 (b) is in FIG. 4 (a). It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects AA '. The basic optical waveguide of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.

この実施例2の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層23の直上に、厚さが、例えば、20nmのSiO−ZnS混合膜からなる保護膜31を介して長さが例えば2μmで厚さが100nm以下、例えば、50nmのGe−Sb−Te組成のGST膜32をマスクスパッタリング法で堆積し、その表面をSiO−ZnS混合膜からなる保護膜33で被覆して相変化材料部30を形成する。次いで、厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を堆積させて上部クラッド層24とする。なお、ここでは、屈折率変化が連続的に変化するように、GST膜32の両端をテーパ状にしている。 In the waveguide type optical gate switch according to the second embodiment, the length is, for example, directly above the single crystal silicon core layer 23 via the protective film 31 made of, for example, a 20 nm thick SiO 2 —ZnS mixed film. A GST film 32 having a Ge 2 —Sb 2 —Te 5 composition of 2 μm and a thickness of 100 nm or less, for example, 50 nm is deposited by mask sputtering, and the surface is covered with a protective film 33 made of a SiO 2 —ZnS mixed film. Thus, the phase change material portion 30 is formed. Next, a SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm is deposited to form the upper cladding layer 24. Here, both ends of the GST film 32 are tapered so that the refractive index change continuously changes.

この実施例2においては、単結晶シリコンコア層23の直上に相変化材料部30を設けるだけであるので、製造が容易になる。また、単結晶シリコンコア層23を形成するSiは熱伝導率が高いので、実施例1のようにAl等からなる別種材料膜を設ける必要がないので構成も簡素化される。なお、スイッチの動作は実施例1と同様である。 In the second embodiment, since the phase change material portion 30 is merely provided immediately above the single crystal silicon core layer 23, the manufacture is facilitated. In addition, since Si forming the single crystal silicon core layer 23 has high thermal conductivity, it is not necessary to provide another material film made of Al 2 O 3 or the like as in the first embodiment, so that the configuration is simplified. The operation of the switch is the same as in the first embodiment.

次に、図5を参照して本発明の実施例3の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図5は、本発明の実施例3の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図5(a)は概略的透視平面図であり、図5(b)は図5(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例3の基本的な光導波路は上記の実施例1と同様である。   Next, a waveguide type optical gate switch according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram of a configuration of a waveguide type optical gate switch according to a third embodiment of the present invention, FIG. 5 (a) is a schematic perspective plan view, and FIG. 5 (b) is a diagram in FIG. It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects AA '. The basic optical waveguide of the third embodiment is the same as that of the first embodiment.

この実施例3の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層23の表面に例えば、長さが2μmで深さが50nmの凹部を形成する。この凹部にマスクスパッタリング法を用いて、厚さが、例えば、20nmのSiO−ZnS混合膜からなる保護膜35を介して厚さが100nm以下、例えば、50nmのGe−Sb−Te組成のGST膜36を堆積させ、その表面をSiO−ZnS混合膜からなる保護膜37で被覆して相変化材料部34を形成する。次いで、厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を堆積させて上部クラッド層24とする。 In the waveguide type optical gate switch of the third embodiment, for example, a recess having a length of 2 μm and a depth of 50 nm is formed on the surface of the single crystal silicon core layer 23. Using a mask sputtering method in the recess, the thickness is, for example, 20 nm SiO 2 -ZnS protective film 35 via the thickness of a mixed layer is 100nm below, for example, 50 nm of Ge 2 -Sb 2 -Te 5 A GST film 36 having a composition is deposited and the surface thereof is covered with a protective film 37 made of a SiO 2 —ZnS mixed film to form a phase change material portion 34. Next, a SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm is deposited to form the upper cladding layer 24.

この実施例3においては、単結晶シリコンコア層23に設けた凹部に相変化材料部34を埋め込んでいるので、ゲート透過状態における有効屈折率の積層導波路部とSi導波路部の不一致が小さくなり損失の低い光ゲートスイッチを構成することができる。   In the third embodiment, since the phase change material portion 34 is embedded in the recess provided in the single crystal silicon core layer 23, the mismatch between the laminated waveguide portion and the Si waveguide portion having an effective refractive index in the gate transmission state is small. An optical gate switch with low loss can be configured.

次に、図6を参照して本発明の実施例4の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図6は、本発明の実施例4の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図6(a)は概略的透視平面図であり、図6(b)は図6(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例4の基本的な光導波路は上記の実施例1と同様である。   Next, a waveguide type optical gate switch according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a configuration explanatory view of a waveguide type optical gate switch according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 6 (a) is a schematic perspective plan view, and FIG. 6 (b) is a diagram in FIG. 6 (a). It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects AA '. The basic optical waveguide of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment.

この実施例4の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層23の表面に例えば、長さが70nmで深さが50nmの溝38を例えば、30nmの間隔で形成する。この溝38内にマスクスパッタリング法を用いて、厚さが、例えば、10nmのSiO−ZnS混合膜からなる保護膜40を介して厚さが100nm以下、例えば、50nmのGe−Sb−Te組成のGST膜41を堆積させ、その表面をSiO−ZnS混合膜からなる保護膜42で被覆して相変化材料部39を形成する。次いで、厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を堆積させて上部クラッド層24とする。 In the waveguide type optical gate switch of the fourth embodiment, for example, grooves 38 having a length of 70 nm and a depth of 50 nm are formed on the surface of the single crystal silicon core layer 23 at intervals of, for example, 30 nm. Using a mask sputtering method in this groove 38, the thickness is, for example, 100 nm or less, for example, 50 nm of Ge 2 —Sb 2 — through a protective film 40 made of a SiO 2 —ZnS mixed film of 10 nm. A GST film 41 having a Te 5 composition is deposited, and the surface thereof is covered with a protective film 42 made of a SiO 2 —ZnS mixed film to form a phase change material portion 39. Next, a SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm is deposited to form the upper cladding layer 24.

この実施例4においては、単結晶シリコンコア層23に設けた周期的な溝38にGST膜41を埋め込んで相変化材料部39としているので、上記の実施例3に比べてGST膜41の体積が小さくなり冷却が容易になる。   In the fourth embodiment, since the GST film 41 is buried in the periodic groove 38 provided in the single crystal silicon core layer 23 to form the phase change material portion 39, the volume of the GST film 41 is larger than that of the third embodiment. Becomes smaller and cooling becomes easier.

また、この場合のGST膜41としての構造は幅50nmの微細構造が50nmの間隔で周期的には配置された構造となり、幅及び間隔が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下となるので、相変化材料部39の構造が伝搬光から見えなくなり、相変化材料部39の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。 Further, the structure as the GST film 41 in this case is a structure in which fine structures with a width of 50 nm are periodically arranged at intervals of 50 nm, and the width and interval are not more than ½ of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. Therefore, the structure of the phase change material portion 39 is not visible from the propagation light, and the influence of the structure of the phase change material portion 39 on the light propagation can be reduced.

次に、図7を参照して本発明の実施例5の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図7は、本発明の実施例5の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図7(a)は概略的透視平面図であり、図7(b)は図7(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例5の基本的な光導波路は上記の実施例1と同様である。   Next, a waveguide type optical gate switch according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a configuration explanatory view of a waveguide type optical gate switch according to a fifth embodiment of the present invention, FIG. 7A is a schematic perspective plan view, and FIG. 7B is a diagram in FIG. It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects AA '. The basic optical waveguide of the fifth embodiment is the same as that of the first embodiment.

この実施例5の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層23の直上に、厚さが、例えば、20nmのSiO−ZnS混合膜からなる保護膜44を介して導波路伝搬方向の長さが、例えば、50nm、導波路伝搬垂直方向の長さが、例えば、1000nm、厚さが100nm以下、例えば、50nmのGe−Sb−Te組成のGST膜45を例えば50nmの間隔でマスクスパッタリング法で堆積し、その表面をSiO−ZnS混合膜からなる保護膜46で被覆して相変化材料部43を形成する。次いで、厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を堆積させて上部クラッド層24とする。なお、相変化材料部43全体の導波路伝搬方向の長さは例えば、2μmとする。 In the waveguide type optical gate switch of the fifth embodiment, the waveguide propagation direction is directly above the single crystal silicon core layer 23 via the protective film 44 made of, for example, a 20 nm thick SiO 2 —ZnS mixed film. the length, for example, 50nm, length of the waveguide propagation vertically, for example, 1000 nm, is 100nm or less in thickness, for example, 50nm of Ge 2 -Sb 2 of -Te 5 composition GST layer 45, for example, 50nm of The phase change material portion 43 is formed by depositing the mask sputtering method at intervals and covering the surface with a protective film 46 made of a SiO 2 —ZnS mixed film. Next, a SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm is deposited to form the upper cladding layer 24. Note that the length of the entire phase change material portion 43 in the waveguide propagation direction is, for example, 2 μm.

この実施例5においては、微細構造のGST膜45を堆積するだけであるので、製造が容易になるとともに、体積が小さくなるので冷却が容易になる。また、この場合も、GST膜45の幅及び間隔が光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下となるので、相変化材料部43の構造が伝搬光から見えなくなり、相変化材料部43の構造が光の伝搬に与える影響を小さくすることができる。   In the fifth embodiment, since only the GST film 45 having a fine structure is deposited, the manufacturing is facilitated and the volume is reduced, so that the cooling is facilitated. Also in this case, since the width and interval of the GST film 45 are ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide, the structure of the phase change material portion 43 becomes invisible from the propagating light, and the phase change material portion 43 The influence of the structure on the propagation of light can be reduced.

次に、図8を参照して本発明の実施例6の導波路型光ゲートスイッチを説明する。図8は、本発明の実施例6の導波路型光ゲートスイッチの構成説明図であり、図8(a)は概略的透視平面図であり、図8(b)は図8(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。この実施例6は、単結晶シリコンコア層の一部に多モード干渉型1×1結合器を設けたもので、その他の基本的な構成は上記の実施例2と同様である。   Next, a waveguide type optical gate switch according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8A and 8B are configuration explanatory views of a waveguide type optical gate switch according to Embodiment 6 of the present invention, FIG. 8A is a schematic perspective plan view, and FIG. 8B is a diagram in FIG. It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects AA '. In the sixth embodiment, a multimode interference type 1 × 1 coupler is provided in a part of the single crystal silicon core layer, and other basic configurations are the same as those of the second embodiment.

この実施例6の導波路型光ゲートスイッチにおいては、単結晶シリコンコア層23の一部に設けた幅が例えば、4.0μmの多モード干渉型1×1結合器47の直上に、厚さが、例えば、20nmのSiO−ZnS混合膜からなる保護膜49を介して長さが例えば2μmで厚さが100nm以下、例えば、30nmのGe−Sb−Te組成のGST膜50をマスクスパッタリング法で堆積し、その表面をSiO−ZnS混合膜からなる保護膜51で被覆して相変化材料部48を形成する。次いで、厚さが、150nm〜200nmのSiO膜を堆積させて上部クラッド層24とする。 In the waveguide type optical gate switch according to the sixth embodiment, the thickness provided in a part of the single crystal silicon core layer 23 is, for example, just above the multimode interference type 1 × 1 coupler 47 having a width of 4.0 μm. but, for example, 20 nm of SiO 2 length through the protective film 49 made of -ZnS mixed film is, for example, a thickness in the 2μm of 100nm or less, for example, a Ge 2 -Sb 2 -Te 5 GST film 50 having the composition of 30nm The phase change material portion 48 is formed by depositing by a mask sputtering method and covering the surface with a protective film 51 made of a SiO 2 —ZnS mixed film. Next, a SiO 2 film having a thickness of 150 nm to 200 nm is deposited to form the upper cladding layer 24.

この実施例6においては、多モード干渉型1×1結合器47中で周期的に導波光が集光する特性を利用している。即ち、多モード干渉型1×1結合器47に入力された信号光は、多モード干渉型1×1結合器47中で一度集光し、再び出力導波路に結合する箇所で集光する。相変化材料部47は、集光する箇所に設けられるのでその寸法を小さくすることができる。   In the sixth embodiment, the characteristic that guided light is periodically condensed in the multimode interference type 1 × 1 coupler 47 is used. That is, the signal light input to the multi-mode interference type 1 × 1 coupler 47 is condensed once in the multi-mode interference type 1 × 1 coupler 47 and then condensed again at a position where it is coupled to the output waveguide. Since the phase change material part 47 is provided in the location which condenses, the dimension can be made small.

さらに、多モード干渉型1×1結合器47は単結晶シリコンコア層23の幅より太くなっているので熱容量が増加し、放熱特性が改善されて冷却効率が高まる。スイッチの動作は実施例1と同様である。   Furthermore, since the multimode interference type 1 × 1 coupler 47 is thicker than the width of the single crystal silicon core layer 23, the heat capacity is increased, the heat dissipation characteristics are improved, and the cooling efficiency is increased. The operation of the switch is the same as in the first embodiment.

1 基板
2 下部クラッド層
3 単結晶コア層
4 上部クラッド層
5 相変化材料部
6 相変化材料膜
7 別種材料膜
8 保護膜
9 レンズ
10 制御光
11 相変化材料部
12 相変化材料膜
13 保護膜
21 シリコン基板
22 下部クラッド層
23 単結晶シリコンコア層
24 上部クラッド層
25,30,34,39,43,48 相変化材料部
26,31,33,35,37,40,42,44,46,49,51 保護膜
27 Al
28,32,36,41,45,50 GST膜
29 埋込保護膜
47 多モード干渉型1×1結合器
61 石英基板
62 下部クラッド層
63 SiOコア層
64 上部クラッド層
65 相変化材料膜
71 GST膜
72 SiO
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Lower clad layer 3 Single crystal core layer 4 Upper clad layer 5 Phase change material part 6 Phase change material film 7 Different material film 8 Protective film 9 Lens 10 Control light 11 Phase change material part 12 Phase change material film 13 Protective film 21 Silicon substrate 22 Lower clad layer 23 Single crystal silicon core layer 24 Upper clad layer 25, 30, 34, 39, 43, 48 Phase change material portions 26, 31, 33, 35, 37, 40, 42, 44, 46, 49, 51 Protective film 27 Al 2 O 3 film 28, 32, 36, 41, 45 , 50 GST film 29 Embedded protective film 47 Multimode interference type 1 × 1 coupler
61 Quartz substrate 62 Lower cladding layer 63 SiO 2 core layer 64 Upper cladding layer 65 Phase change material film 71 GST film 72 SiO 2 film

Claims (8)

単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、
前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、
前記相変化材料部は、少なくとも一層当りの膜厚が100nm以下の相変化材料膜と、
前記相変化材料膜より熱伝導率の高別種材料膜とを交互に多層に積層して構成されるとともに、前記単結晶コア層の分断部に配置された導波路型光ゲートスイッチ。
An optical waveguide comprising a single crystal core layer and a clad layer surrounding the single crystal core layer;
A waveguide-type optical gate switch provided in the optical waveguide and having a phase change material portion that changes a transmission amount of light propagating through the optical waveguide by changing a complex refractive index;
The phase change material portion includes at least a phase change material film having a film thickness of 100 nm or less per layer;
A waveguide type optical gate switch that is configured by alternately laminating multiple different material films having higher thermal conductivity than the phase change material film, and disposed at a dividing portion of the single crystal core layer.
前記別種材料膜は、Au、Pt、Al、Al、ダイヤモンド、BN、SiC、AlNのいずれかからなる請求項1に記載の導波路型光ゲートスイッチ。 2. The waveguide type optical gate switch according to claim 1, wherein the different material film is made of any one of Au, Pt, Al, Al 2 O 3 , diamond, BN, SiC, and AlN. 前記相変化材料膜と前記別種材料膜との間に、SiOより硬度の低い保護膜を介在させた請求項1または請求項2に記載の導波路型光ゲートスイッチ。 3. The waveguide type optical gate switch according to claim 1, wherein a protective film having a hardness lower than that of SiO 2 is interposed between the phase change material film and the different material film. 単結晶コア層と前記単結晶コア層を囲むクラッド層とからなる光導波路と、
前記光導波路に設けられ、複素屈折率を変化させることによって前記光導波路を伝搬する光の透過量を変化させる相変化材料部とを有する導波路型光ゲートスイッチであって、
前記変化材料部は、100nm以下の膜厚の相変化材料膜からなるとともに、前記単結晶コア層上にSiOより硬度の低い保護膜を介して積層されている導波路型光ゲートスイッチ。
An optical waveguide comprising a single crystal core layer and a clad layer surrounding the single crystal core layer;
A waveguide-type optical gate switch provided in the optical waveguide and having a phase change material portion that changes a transmission amount of light propagating through the optical waveguide by changing a complex refractive index;
The waveguide type optical gate switch, wherein the phase change material portion is made of a phase change material film having a thickness of 100 nm or less and is laminated on the single crystal core layer through a protective film having a hardness lower than that of SiO 2 .
前記相変化材料部の少なくとも一部が、前記単結晶コア層の一部に設けた凹部に埋め込まれている請求項に記載された導波路型光ゲートスイッチ。 5. The waveguide type optical gate switch according to claim 4 , wherein at least a part of the phase change material part is embedded in a recess provided in a part of the single crystal core layer. 前記凹部が、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下の複数の凹部からなり、且つ、隣接する前記凹部の間隔が前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下である請求項に記載の導波路型光ゲートスイッチ。 The recess comprises a plurality of recesses having a width of 1/2 or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide, and the interval between the adjacent recesses is 1/2 or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. The waveguide type optical gate switch according to claim 5 . 前記相変化材料部が、幅が前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下の複数の分割相変化材料膜要素からなり、且つ、隣接する前記分割相変化材料膜要素の間隔が前記光導波路を伝搬する光の波長の1/2以下である請求項に記載の導波路型光ゲートスイッチ。 The phase change material portion is composed of a plurality of divided phase change material film elements having a width of ½ or less of the wavelength of light propagating through the optical waveguide, and an interval between adjacent divided phase change material film elements is 5. The waveguide type optical gate switch according to claim 4 , wherein the waveguide type optical gate switch has a wavelength equal to or less than ½ of the wavelength of light propagating through the optical waveguide. 前記単結晶コア層の一部が多モード干渉型1×1結合器を構成するとともに、前記相変化材料部が、前記多モード干渉型1×1結合器上に積層されている請求項に記載の導波路型光ゲートスイッチ。 Wherein together with a part of the monocrystalline core layer constitutes a multimode interference-type 1 × 1 coupler, the phase change material portion, in claim 4 which is laminated on the multimode interference-type 1 × on 1 coupler The waveguide type optical gate switch described.
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