特開 2018-155963 光スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-155963(P2018-155963A)

(43)【公開日】2018年10月4日

(54)【発明の名称】光スイッチ

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/01 20060101AFI20180907BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/01 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-53507(P2017-53507)

(22)【出願日】2017年3月17日

(71)【出願人】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】津田 裕之

(72)【発明者】

【氏名】桑原 正史

(72)【発明者】

【氏名】河島 整

(72)【発明者】

【氏名】鶴岡 徹

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA28

2K102BA11

2K102BA14

2K102BB01

2K102BC10

2K102BD01

2K102CA20

2K102DA02

2K102DA04

2K102DB04

2K102DC07

2K102DC08

2K102DD10

2K102EA05

2K102EA12

(57)【要約】

【課題】スイッチ動作及びスイッチング特性の安定性を維持したまま、大規模集積が可能な光スイッチを提供する。
【解決手段】基板上に形成された下部クラッドの内部にコアが形成された光導波路と、前記下部クラッド上に形成された中間クラッドであって、前記コアの上部に埋め込まれた相変化材料、および該相変化材料の下面に接し、対向する面が前記下部クラッドと接するヒータ膜を含む中間クラッドと、該中間クラッド上に形成された上部クラッドとを備えた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成された下部クラッドの内部にコアが形成された光導波路と、
前記下部クラッド上に形成された中間クラッドであって、
前記コアの上部に埋め込まれた相変化材料、および
該相変化材料の下面に接し、対向する面が前記下部クラッドと接するヒータ膜を含む中間クラッドと、
該中間クラッド上に形成された上部クラッドと
を備えたことを特徴とする光スイッチ。

【請求項2】

前記上部クラッドは、前記相変化材料の上面と前記中間クラッドとに接するヒータ膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。

【請求項3】

前記相変化材料は、テトラヘドラル系材料、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料、またはＳｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。

【請求項4】

基板上に形成された下部クラッドの内部にコアが形成された光導波路と、
前記下部クラッド上に形成され、前記コアの上部に埋め込まれた下部相変化材料を含む中間クラッドと、
該中間クラッド上に形成された上部クラッドであって、
前記下部相変化材料の上面と前記中間クラッドとに接するヒータ膜、および
該ヒータ膜上に接して、前記下部相変化材料と対向する位置に埋め込まれた上部相変化材料を含む上部クラッドと
を備えたことを特徴とする光スイッチ。

【請求項5】

前記下部相変化材料および前記上部相変化材料は、テトラヘドラル系材料、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料、またはＳｂ−Ｔｅ系カルコゲナイド系材料からなることを特徴とする請求項４に記載の光スイッチ。

【請求項6】

前記ヒータ膜は、インジウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、ゲルマニウム、ガリウムの酸化物、ランタノイドを含む酸化物、遷移金属酸化物またはそれらの複合酸化物、カーボンナノチューブ、またはグラフェンからなることを特徴とする請求項１、２または４に記載の光スイッチ。

【請求項7】

前記コアは、シリコン、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、リン化インジウム、ヒ素化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ヒ素化インジウムガリウム、ヒ素化インジウムアルミニウム、ヒ素化インジウムガリウム、またはヒ素化窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項１、２または４に記載の光スイッチ。

【請求項8】

前記ヒータ膜に接続され、オーミック接触を形成する金、銀、プラチナ、銅、または高ドープされた半導体材料からなる電極をさらに備えたことを特徴とする請求項１、２または４に記載の光スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光スイッチに関し、より詳細には、相変化材料を位相変調器もしくは光減衰器として用いた導波路型の光スイッチに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光通信ネットワークにおける通信トラフィック及び消費電力の増大が深刻化し、光通信素子の高性能化が要求されている。特に、光導波路を伝播する光信号の制御を行う光スイッチは、キーデバイスとされる。このうち、不揮発かつ小型化、高速動作可能である相変化材料を用いた光スイッチが注目され、様々な構成が検討されてきた。

【0003】

相変化材料は、アモルファス相と結晶相の２つの相状態を保持可能な材料で、結晶相はアモルファス相よりも屈折率が高く、光吸収が大きいという特徴がある。結晶状態の相変化材料に融点以上で数十ｎｓ程度加熱し、その後急冷することにより、アモルファス相へと転移する。また、アモルファス相の相変化材料に結晶化温度以上融点未満の加熱を加えることにより、結晶相へと転移する。相変化材料を用いた光スイッチは、このような相転移に伴う光学的特性の変化を利用し、導波路コアを伝播する光信号の位相を変調し、または光エネルギーを吸収し、光スイッチ動作を達成する。

【0004】

従来の相変化材料を用いた光スイッチの構成には、相変化手段として高出力レーザによるパルス照射（例えば、特許文献１参照）、相変化材料の直接加熱（例えば、特許文献２参照）、金属ヒータを用いた相変化材料の間接加熱（例えば、特許文献２参照）が利用されてきた。

【0005】

レーザパルス照射を利用する構成では、導波路コアの一部を相変化材料に置き換え、相変化材料にパルス照射することにより、最小限の構成で最大限の性能を確保することができる。一方で、スイッチ部の数だけ相変化用の高出力レーザが必要になるため、大規模集積化が難しく、実用性に欠くという課題がある。また、照射するレーザパルスに存在するパワーの不均一性が原因で、相変化材料の均一な相転移が困難であり、スイッチ動作及びスイッチング特性の安定性に欠けるという課題もある。

【0006】

相変化材料への直接加熱を利用する構成では、相変化材料に通電するための金属配線が、導波路を伝播する光のフィールドにかかるため、スイッチング特性の劣化を生ずるという課題がある。また、直接加熱では、部分的な相変化を起こすため、相変化材料を均一に安定して相転移させることは難しく、スイッチ動作が不安定になるという課題もある。これは、相変化材料のアモルファス状態と結晶状態における抵抗率の違いが原因である。例えば、Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅という相変化材料であれば、アモルファス状態の抵抗率は結晶状態よりも５桁程度大きいため、結晶状態に相転移した瞬間に相変化材料を流れる電流値が５倍程度に上昇する。従って、電流制御が困難なこの構成では、安定した相変化は難しくなる。

【0007】

金属ヒータを用いる間接加熱を利用する構成では、直接加熱を利用する構成と同様に、金属材料が導波路近傍に存在することになるため、金属ヒータによって導波路伝搬光に吸収・散乱が生じ、スイッチング特性が劣化するという課題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１１−１５０２９７号公報

【特許文献2】特開２０１１−３３９６３号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Kentaro Kato and Hiroyuki Tsuda, “Design of a Current−Driven Optical Gate Switch using a Si Waveguide and Phase−Change Material,” 11th Conference on Lasers and Electro−Optics Pacific Rim （CLEO Pacific Rim 2015）, 26J3−2, Aug. 24−28, Busan, Korea, （2015）.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、導波路コアの近傍に相変化材料を装荷し、金属ヒータを用いて、相変化材料を間接加熱する構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。導波路コアと金属ヒータとの間に、上部クラッド層と相変化材料とがあることから、金属材料が導波路を伝播する光のフィールドにかかることがなく、スイッチング特性の劣化を抑制することができる。しかしながら、相変化材料によって所望の光エネルギーの吸収を得るには、導波路コアの一部を相変化材料に置き換えた場合と比較して、大きな相変化材料を装荷する必要がある。加えて、相変化手段としてのヒータの熱容量も大きくする必要がある。従って、導波路コアの一部を相変化材料に置き換えた場合と比較して、光スイッチの規模が大きくなってしまうという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の目的は、スイッチ動作及びスイッチング特性の安定性を維持したまま、大規模集積が可能な光スイッチを提供することにある。

【0012】

本発明は、このような目的を達成するために、光スイッチの一実施態様は、基板上に形成された下部クラッドの内部にコアが形成された光導波路と、前記下部クラッド上に形成された中間クラッドであって、前記コアの上部に埋め込まれた相変化材料、および該相変化材料の下面に接し、対向する面が前記下部クラッドと接するヒータ膜を含む中間クラッドと、該中間クラッド上に形成された上部クラッドとを備えたことを特徴とする。

【0013】

このような構成により、光導波路近傍に装荷された相変化材料の相転移に伴う複素屈折率の変化を利用して、光導波路中の光信号の位相変調または吸収を行うことにより、スイッチ動作を達成する。相変化材料の下部に接してヒータ膜を設けることにより、電流駆動型の光スイッチを構成する。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、相変化材料の均一な相変化が可能になるため、スイッチ動作及びスイッチング特性をより安定化することができ、従来の構成と比較して、相変化材料、ヒータ膜を小さくすることができ、光スイッチの大規模集積化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態にかかる光スイッチを示す上面図である。

【図2】図１に示した光スイッチの断面図である。

【図3】本実施形態の光スイッチを適用したマッハツェンダー干渉計型光スイッチを示す図である。

【図4】本実施形態の光スイッチの適用例を示す図である。

【図5】実施例１にかかる光スイッチを示す上面図である。

【図6】図４に示した光スイッチの断面図である。

【図7】コアと相変化材料との間の距離に対する光損失の関係を示す図である。

【図8】実施例１にかかる光スイッチにおける相変化材料の抵抗値変化を示す図である。

【図9】実施例１にかかる光スイッチにおける光信号の透過率変化を示す図である。

【図10】実施例２にかかる光スイッチを示す上面図である。

【図11】図９に示した光スイッチの断面図である。

【図12】実施例３にかかる光スイッチを示す上面図である。

【図13】図１０に示した光スイッチの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0017】

図１に、本発明の一実施形態にかかる光スイッチの上面から見た透視図を示し、図２に断面図を示す。基板１００上に設けた下部クラッド１０１の内部にコア１０２を形成し、光導波路を構成する。下部クラッド１０１上には、中間クラッド１０４と上部クラッド１０７とが順に設けられている。中間クラッド１０４には、コア１０２の直上部に相変化材料１０３が埋め込まれており、相変化材料１０３の下面に接し、対向する面が下部クラッド１０１と接する下部ヒータ膜１０６が装荷されている。上部クラッド１０７には、相変化材料１０３の上面と中間クラッド１０４とに接する上部ヒータ膜１０５が装荷されている。上部ヒータ膜１０５の両端には電極１０８、１０９が、下部ヒータ膜１０６の両端には電極１１０、１１１が、それぞれ接続されている。

【0018】

相変化材料１０３を間に挟み込んだ２層のヒータ膜は、中間クラッド１０４により絶縁されており、独立に動作する。また、上部ヒータ膜１０５は上部クラッド１０７によって覆われ、ヒータによる熱の拡散を防ぐ。このような構成により、コア１０２と相変化材料１０３との間には、下部クラッド１０１と下部ヒータ膜１０６とが挿入されており、所定の間隔（ＧＡＰ）で配置されている。

【0019】

光導波路を構成するコア１０２としては、扱う光信号の波長帯域において吸収が少ない材料を選ぶ必要がある。本実施形態では、シリコンを用いる。下部クラッド１０１、中間クラッド１０４、上部クラッド１０７は、コア１０２に光の閉じ込めるために、屈折率がコア１０２よりも小さく、光の吸収が少ない材料を選ぶ必要がある。また、２層のヒータ膜１０５，１０６を絶縁するための絶縁性も必要である。

【0020】

相変化材料１０３としては、温度で結晶構造が変化し、加熱によって構造を制御できる材料であって、カルコゲナイド系材料などの相変化型光ディスクなどで実績のある材料が望ましい。光スイッチに適用する際、光信号の透過時の光損失を低減するためには、アモルファス状態で光の吸収が小さいものが望ましい。光信号を遮断する時の吸収材として用いる場合には、結晶状態での光の吸収が大きいものが望ましい。例えば、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系カルコゲナイド系材料などを用いることができる。このうち、Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅（ＧＳＴ）は、通信波長帯１５５０ｎｍの複素屈折率は、結晶状態で５．１＋０．５ｉ、アモルファス状態で３．６＋０．０１ｉであり、吸収材として望ましい。

【0021】

上部ヒータ膜１０５および下部ヒータ膜１０６は、電気伝導性を持ちつつ、光の吸収・散乱をしにくい材料が望ましい。例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化アルミニウム、酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム、カーボンナノチューブ、グラフェン、ＬｉＴｉ₂Ｏ₄、Ｎｂ₁₂Ｏ₂₉、ＭｏＯ_Xなどを用いることができる。光通信の波長帯で透明、または光吸収の低い伝導材料を用いることにより、ヒータ部における光の散乱・吸収を抑え、光信号の透過時の光損失を抑制することができる。また、電気抵抗率の低い材料は熱伝導率が高いため、加熱後のヒータ膜は放熱膜として働き、相転移時の冷却を補助することができる。

【0022】

一般的に、透明伝導材料は耐熱性に乏しく、相転移に必要な高温に耐える材料が少ない。しかしながら、以下の実施例にも示す通り、本実施形態の光スイッチでは、ナノ秒オーダの短期的な加熱であるため、耐熱性の乏しい透明伝導材料であっても、破損することなく繰り返し動作することができる。

【0023】

電極１０８〜１１１は、耐熱性を有し、電気伝導性の高い金属材料が望ましく、２層のヒータ膜１０５、１０６とオーミック接触する金属からなる。例えば、金、銀、プラチナ、銅、高ドープされた半導体材料などを用いることができる。

【0024】

相変化手段として、２層のヒータ膜１０５、１０６の片方もしくは両方に電流を流し、ヒータとして発熱させることにより、相変化材料１０３を加熱する間接加熱を利用する構成とすることができる。また、２層のヒータ膜１０５、１０６を異なる極性の電極として用いて電圧を印加することにより、相変化材料１０３に直接電流を流して発熱させる、直接加熱を利用する構成とすることもできる。このような相変化手段を用いることにより、相変化材料１０３の相転移に伴う複素屈折率変化を利用し、コア１０２を伝播する光信号を吸収し、スイッチ動作を達成する。

【0025】

本実施形態によれば、相変化材料の上下に密着した２つのヒータ層により、独立して加熱することができ、上下からの加熱により相変化材料全体を均一に加熱することができる。従って、従来より厚い相変化材料を用いることもでき、光スイッチの設計の自由度を高めることができる。また、相変化材料への直接加熱と間接加熱の両方式を適用することができる。従って、相変化材料の均一な相変化が可能になるため、スイッチ動作及びスイッチング特性をより安定化することができる。

【0026】

本実施形態によれば、所定のスイッチ動作及びスイッチング特性が与えられたとき、従来の構成と比較して、相変化材料、ヒータ膜を小さくすることができ、光スイッチの大規模集積化が容易になる。

【0027】

図３に、本実施形態の光スイッチを適用したマッハツェンダー干渉計型光スイッチを示す。マッハツェンダー干渉計型光スイッチは、入力導波路１１４ａ，ｂに接続された方向性結合器１１５と、出力導波路１１６ａ，ｂに接続された方向性結合器１１７と、方向性結合器１１５，１１７の間を接続する２本のアーム導波路１１２ａ，ｂと、アーム導波路１１２ａ，ｂの各々に挿入されたスイッチ動作部１１３ａ，ｂとから構成されている。スイッチ動作部１１３ａ，ｂを除く回路は、図２に示した基板１００上に設けた下部クラッド１０１の内部にコア１０２を形成した光導波路により作製する。

【0028】

スイッチ動作部１１３は、図１に示した光スイッチに同じである。入力導波路１１４の一方から入力された光信号を、スイッチ動作部１１３の各々により位相変調を行い、方向性結合器１１７での干渉を利用して、出力導波路１１６のいずれか一方から出力されるようにスイッチ動作を行う。このように相変化材料１０３を位相変調器として用いる場合は、相変化による屈折率変化が大きく、結晶状態での光吸収が小さい材料が望ましい。また、相変化材料１０３に窒素ドーピングを行うことにより、複素屈折率を低減することができる。

【0029】

図４に、本実施形態の光スイッチのさらなる適用例を示す。断面構造は、図２に示した構造に同じであり、コア１５２の直上部には、相変化材料１５３ａ，ｂが２箇所に埋め込まれており、それぞれ下部ヒータ膜１５６ａ，ｂと上部ヒータ膜１５５ａ，ｂとが装荷されている。上部ヒータ膜１５５ａ，ｂの両端にはそれぞれ電極１５８ａ，ｂ、１５９ａ，ｂが、下部ヒータ膜１５６ａ，ｂの両端にはそれぞれ電極１６０ａ，ｂ、１６１ａ，ｂが、それぞれ接続されている。

【0030】

このような構成により、図１の構成と同じ大きさの相変化材料を用いれば、コア１５２を伝播する光信号への光吸収・変調効果をより高めることができる。一方、図１の構成と比較して、同じ光吸収・変調効果を奏するようにする場合、それぞれの相変化材料、ヒータ膜を小さくすることができるので、回路設計の自由度が増す。

【実施例1】

【0031】

図５に、実施例１にかかる光スイッチの上面から見た透視図を示し、図６に断面図を示す。多結晶シリコンからなる基板１００上に設けた石英からなる下部クラッド１０１の内部にシリコンコア２０２を形成し、光導波路を構成する。下部クラッド１０１上には、石英からなる中間クラッド１０４と石英からなる上部クラッド１０７とが順に設けられている。中間クラッド１０４には、コア２０２の直上部に、Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅で構成される相変化材料２０３が埋め込まれており、相変化材料２０３の下面に接し、対向する面が下部クラッド１０１と接する下部ヒータ膜２０６が装荷されている。上部クラッド１０７には、相変化材料２０３の上面と中間クラッド１０４とに接する上部ヒータ膜２０５が装荷されている。上部ヒータ膜２０５の両端には電極２０８、２０９が、下部ヒータ膜２０６の両端には電極２１０、２１１が、それぞれ接続されている。

【0032】

コア２０２にはシリコンを用いているが、窒化シリコン、シリコンゲルマニウム、リン化インジウム、ヒ素化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ヒ素化インジウムガリウム、ヒ素化インジウムアルミニウム、ヒ素化インジウムガリウム、又は、ヒ素化窒化ガリウムなどでも代用可能である。

【0033】

上部ヒータ膜２０５および下部ヒータ膜２０６は、電気伝導性を持ちつつ、光の吸収・散乱をしにくいＩＴＯを用いているが、インジウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、ゲルマニウム、ガリウムの酸化物、ランタノイドを含む酸化物、遷移金属酸化物またはそれらの複合酸化物、カーボンナノチューブ、またはグラフェンなどの透明伝導材料でも代用可能である。また、２つのヒータ膜２０５，２０６を、コア２０２に対して鋭角に交差させることにより、ヒータ部分における光損失をより低減することができる。２つのヒータ膜２０５，２０６のサイズは、幅１．５〜２μｍ、長さ３〜５μｍ、厚さ３０ｎｍである。

【0034】

電極２０８〜２１１の材料には、金を用いているが、銀、プラチナ、銅、高ドープされた半導体材料などでも代用可能である。

【0035】

コア２０２は、相変化材料２０３の近傍において、コア１０２より幅を広くしている。コア１０２は、幅４００ｎｍ、高さ２１０ｎｍであり、コア２０２は、幅２μｍ、高さ２１０ｎｍであり、それぞれテーパ部により接続されている。相変化材料２０３近傍においてコア幅を広くすることにより、相変化材料２０３がアモルファス状態（光信号の透過時）における放射損失を低減することができる。

【0036】

相変化材料２０３のサイズは、幅・長さともに１〜１．５μｍ、厚さ３０ｎｍである。コア幅に合わせて、相変化材料２０３の幅も広くすることができるので、結晶状態（光信号の遮断時）における光の吸収効率を上げることができる。また、コアの直上部に相変化材料を埋め込む際の作製トレランスが大きくなるので、作製も容易になる。なお、上述したように、相変化材料を均一に安定して相転移させることは難いので、光信号の遮断時における光の吸収量を確保できる限り、小さい方が望ましく、特に、電極間の距離、すなわち厚さは薄い方がよい。

【0037】

下部クラッド１０１の厚さは３μｍ程度、中間クラッド１０４の厚さは３０ｎｍ程度、上部クラッド１０７の厚さは２μｍ程度である。

【0038】

光スイッチの設計方法について簡単に述べる。光信号波長が決まり、導波路のパラメータが決定すると、コア２０２の幅が決まる。光信号の透過率、および透過時と遮断時との間の消光比から、相変化材料２０３のサイズを決定し、相変化に必要な熱量からヒータ膜のサイズを決定する。このとき、コア２０２と相変化材料２０３との間の距離は、光信号の透過時における放射損失を関わる。

【0039】

図７に、コアと相変化材料との間の距離に対する光損失の関係を示す。実施例１の構成において、波長１５５０ｎｍの光信号の透過時、コア２０２と相変化材料２０３との間の距離（ＧＡＰ）が４０ｎｍのとき、最も放射損失が小さいことがわかる。従って、下部ヒータ膜２０６の厚さ３０ｎｍであるので、コア２０２の上部と下部ヒータ膜２０６との間に１０ｎｍ程度の下部クラッド１０１が残っていることが望ましい。

【0040】

間接加熱を利用して相変化材料２０３を加熱する場合、結晶状態からアモルファス状態へ相転移させるとき、電極２０８，２０９の間、電極２１０，２１１の間の少なくとも一方に、数Ｖ、数十〜数百ｎｓ幅のパルス電圧を印加する。アモルファス状態から結晶状態へ遷移させるときは、同様にして数Ｖ、数百ｎｓ〜数百ｍｓ幅のパルス電圧を印加する。

【0041】

直接加熱を利用して相変化材料２０３を加熱する場合、２層のヒータ膜２０５、２０６を異なる極性の電極として用いて、間接加熱の場合と同じ電圧およびパルス幅のパルス電圧を印加する。

【0042】

図８に、実施例１にかかる光スイッチにおける相変化材料の抵抗値変化を示す。実施例１の構成において、間接加熱を利用して相変化材料２０３を加熱したとき、２つのヒータ膜２０５，２０６間の相変化材料２０３の抵抗値変化を測定したグラフである。初期状態（０回）は結晶相であり、奇数回のパルス電圧の印加によりアモルファス相に変化し、偶数回のパルス電圧の印加により結晶相に変化して、パルス印加毎に繰り返し相変化していることがわかる。

【0043】

奇数回（結晶相→アモルファス相）においては、約１２Ｖ、パルス幅１００ｎｓのパルス電圧を印加し、偶数回（アモルファス相→結晶相）においては、約６．５Ｖ、パルス幅１００ｍｓのパルス電圧を印加している。

【0044】

なお、直接加熱を利用して相変化材料２０３を加熱する場合は、奇数回（結晶相→アモルファス相）においては、約１０Ｖ、パルス幅１００ｎｓのパルス電圧を印加し、偶数回（アモルファス相→結晶相）においては、抵抗値変化が大きいため、パルス電圧ではなく、０〜２Ｖの電圧を印加する。相変化に伴う相変化材料２０３の抵抗値変化は、図８に示した結果とほぼ同じになる。

【0045】

図９に、実施例１にかかる光スイッチにおける光信号の透過率変化を示す。実施例１の構成において、上述した間接加熱を利用して相変化材料２０３を制御してスイッチ動作をさせたときの透過率変化を示す。光通信の代表的な波長帯Ｃ帯とＬ帯の波長１５２５〜１６２５ｎｍで測定した。波長帯の全域にわたって、一定の透過率変化を示していることがわかる。

【実施例2】

【0046】

図１０に、実施例２にかかる光スイッチの上面から見た透視図を示し、図１１に断面図を示す。多結晶シリコンからなる基板１００上に設けた石英からなる下部クラッド１０１の内部にシリコンコア３０２を形成し、光導波路を構成する。下部クラッド１０１上には、石英からなる中間クラッド１０４と石英からなる上部クラッド１０７とが順に設けられている。中間クラッド１０４には、コア３０２の直上部に、Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅で構成される相変化材料３０３が埋め込まれており、相変化材料３０３の下面に接し、対向する面が下部クラッド１０１と接する下部ヒータ膜３０６が装荷されている。上部クラッド１０７は、相変化材料２０３の上面と中間クラッド１０４とに接し、下部ヒータ膜３０６の両端には電極３１０、３１１が、それぞれ接続されている。

【0047】

実施例１にかかる光スイッチと比較すると、上部ヒータ膜を備えていない。相変化材料３０３の厚さが薄く、片面のヒータだけでも均一に加熱できる場合に、作製プロセスを簡易化することができる。

【0048】

間接加熱を利用して相変化材料３０３を加熱する構成となり、結晶状態からアモルファス状態へ相転移させるとき、電極３１０，３１１の間に、数Ｖ、数十〜数百ｎｓ幅のパルス電圧を印加する。アモルファス状態から結晶状態へ遷移させるときは、同様にして数Ｖ、数百ｎｓ〜数百ｍｓ幅のパルス電圧を印加する。

【実施例3】

【0049】

図１２に、実施例３にかかる光スイッチを上面から見た透視図を示し、図１３に、断面図を示す。多結晶シリコンからなる基板１００上に設けた石英からなる下部クラッド１０１の内部にシリコンコア４０２を形成し、光導波路を構成する。下部クラッド１０１上には、石英からなる中間クラッド１０４と石英からなる上部クラッド１０７とが順に設けられている。中間クラッド１０４には、コア４０２の直上部に、Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅で構成される下部相変化材料４０３ａが埋め込まれている。上部クラッド１０７には、相変化材料４０３ａの上面と中間クラッド１０４とに接するヒータ膜４０６が装荷され、さらに、ヒータ膜４０６の上に接して、コア４０２の直上部、下部相変化材料４０３ａと対向する位置にＧｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅で構成される上部相変化材料４０３ｂが埋め込まれている。ヒータ膜４０６の両端には電極４１０、４１１が、それぞれ接続されている。

【0050】

コア４０２、ヒータ膜４０６、電極４１０、４１１の材料は、実施例１に同じである。実施例２にかかる光スイッチに上部相変化材料を配置した形態をとる。上部相変化材料４０３ｂと下部相変化材料４０３ａの２つが透明なヒータ膜に接しているため、一度のパルス電圧の印加により、より大きな光吸収・変調効果を得ることができる。

【0051】

間接加熱を利用して相変化材料４０３を加熱する構成となり、結晶状態からアモルファス状態へ相転移させるとき、電極４１０，４１１の間に、数Ｖ、数十〜数百ｎｓ幅のパルス電圧を印加する。アモルファス状態から結晶状態へ遷移させるときは、同様にして数Ｖ、数百ｎｓ〜数百ｍｓ幅のパルス電圧を印加する。

【符号の説明】

【0052】

１００ 基板
１０１ 下部クラッド
１０２，１５２，２０２，３０２，４０２ コア
１０３，１５３，２０３，３０３，４０３ 相変化材料
１０４ 中間クラッド
１０５，１５５，２０５ 上部ヒータ膜
１０６，１５６，２０６，３０６ 下部ヒータ膜
４０６ ヒータ膜
１０７ 上部クラッド
１０８〜１１１，１５８〜１６１，２０８〜２１１，３１０，３１１，４１０，４１１ 電極
１１２ アーム導波路
１１３ スイッチ動作部
１１４ 入力導波路
１１５，１１７ 方向性結合器
１１６ 出力導波路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】