DE4446101A1 - Thermo-optical switch with reduced power requirements - Google Patents

Abstract

The switch provides thermo-optical switching of received optical signals, using a switch element applied to the surface of a silicon substrate (S). The switch element has at least one heating element (HE), the opposite side of the substrate having a recess in alignment with the heating element, for reducing the heat flow through the substrate. Pref. the optical signals are supplied to and from the switch by silicon dioxide optical conductor paths, the heating element pref. formed from polycrystalline silicon and controlled by an integrated control element.

Description

Translated fromGerman

Der Anmeldungsgegenstand betrifft ein Schaltelement zum Schalten eines optischen Signals unter Ausnutzung des thermo­optischen Effekts, wobei das Schaltelement auf ein mit Sili­zium gebildetes Substrat aufgebracht ist und wobei das Schaltelement wenigstens ein Heizelement aufweist.The subject of the application relates to a switching element forSwitching an optical signal using the thermooptical effect, the switching element on a with Silizium-formed substrate is applied and whereinSwitching element has at least one heating element.

Ein Schaltelement mit den angegebenen Merkmalen ist bei­spielsweise aus NTT REVIEW, Vol. 5, No 1, January 1993, Sei­ten 38 . . . 45,Fig. 1b bekannt. Ein solches Schaltelement ist mit zwei Wellenleitern gebildet, die an zwei Stellen zu Richt­kopplern zusammengeführt sind. Zwischen den Richtkopplern bilden die Wellenleiter zwei gleich lange Arme. Das Schalt­element ist auf ein Substrat als Träger aufgebracht. Das Substrat weist aus Stabilitätsgründen eine vorgegebene Dicke auf. Wird dem Schaltelement eingangsseitig über die Wellen­leiter jeweils ein optisches Signal zugeführt und weisen die beiden Arme die gleiche Temperatur auf, so werden die Signale ausgangsseitig über Kreuz weitergeleitet; wird nun hingegen einer der beiden Arme beheizt bis zwischen den Armen ein vor­gegebener Temperaturunterschied herrscht, so werden die Si­gnale auf den ausgangsseitigen Wellenleitern gleichsinnig zu den eingangsseitigen Wellenleitern zugeordnet weitergeleitet. Der Eintritt des beschriebenen Schalteffekts ist mit dem Fak­tor Länge der Arme und dem Faktor Temperaturdifferenz zwi­schen den Armen verknüpft. Für eine technische Ausnutzung des Effekts ist eine relativ große Länge der Arme und eine rela­tiv große Temperaturdifferenz erforderlich. Die Erzeugung der Temperaturdifferenz erfolgt durch Erwärmung eines der Arme mittels einer elektrischen Widerstandsheizung. Ist die Wider­standsheizung zwischen dem Arm und dem Substrat angeordnet, so muß nicht nur der Arm, sondern auch das angrenzende Substrat erwärmt werden. Der Anteil der aufzuwendenden elek­trischen Leistung für die Erwärmung des Substrats ist erhöht, wenn ein Substrat mit relativ hoher thermischer Leitfähig­keit, wie z. B. monokristallines Silizium, zum Einsatz kommt. Neben einem erhöhten Wärmeabfluß führt ein Substrat mit hoher thermischer Leitfähigkeit auch zu einer Erwärmung des an sich nicht beheizten Armes, was der Ausbildung der erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen den Armen entgegenläuft.A switching element with the specified features is, for example, from NTT REVIEW, Vol. 5, No 1, January 1993, page 38. . . 45,Fig. 1b known. Such a switching element is formed with two waveguides, which are merged into directional couplers at two points. Between the directional couplers, the waveguides form two arms of the same length. The switching element is applied to a substrate as a carrier. For reasons of stability, the substrate has a predetermined thickness. If the switching element is supplied with an optical signal via the waveguide and the two arms are at the same temperature, the signals are forwarded crosswise on the output side; however, if one of the two arms is heated until there is a given temperature difference between the arms, the signals on the output-side waveguides are passed on in the same direction to the input-side waveguides. The occurrence of the switching effect described is linked to the factor length of the arms and the factor temperature difference between the arms. For a technical exploitation of the effect, a relatively large length of the arms and a relatively large temperature difference is required. The temperature difference is generated by heating one of the arms by means of an electrical resistance heater. If the resistance heater is arranged between the arm and the substrate, not only the arm but also the adjacent substrate must be heated. The proportion of the elec tric power to be heated for the heating of the substrate is increased when a substrate with a relatively high thermal conductivity, such as. B. monocrystalline silicon is used. In addition to increased heat dissipation, a substrate with high thermal conductivity also leads to heating of the arm, which is not heated per se, which runs counter to the formation of the required temperature difference between the arms.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt das Problem zugrunde, ein ein­gangs erwähntes thermo-optisches Schaltelement derart wei­terzubilden, daß der zum Schalten erforderliche Leistungsauf­wand - unter Beibehaltung der Länge der Arme - erheblich re­duziert ist.The subject of the application is based on the problem, aWhite thermo-optical switching element mentioned aboveter educate that the power required for switchingwall - while maintaining the length of the arms - considerably rightis induced.

Das Problem wird bei dem eingangs erwähnten thermo-opti­sches Schaltelement dadurch gelöst, daß das Substrat auf der dem Schaltelement abgewandten Seite im Bereich des Heizele­ments eine den Wärmefluß vermindernde Vertiefung aufweist.The problem is with the thermo-opti mentioned at the beginningsches switching element solved in that the substrate on thethe side facing away from the switching element in the area of the heating elementhas a depression reducing the heat flow.

Beim Anmeldungsgegenstand wird dem Wärmefluß in das Substrat ein erhöhter Wärmewiderstand entgegengesetzt. Hieraus ergibt sich zum einen eine Ersparnis von zur Erwärmung aufzuwenden­der Leistung, zum anderen bei einer gegebenen Temperaturdif­ferenz zwischen den beiden Armen die Möglichkeit zur Reduzie­rung des Abstandes zwischen den Armen und zum weiteren bei Zulassung einer erhöhten Temperatur des erwärmten Armes eine Reduzierung der Länge der Arme. Die beiden zuletzt genannten Maßnahmen, die auch in Kombination zur Anwendung kommen kön­nen, bringen eine Reduzierung des Flächenbedarfs des Schal­terelements mit sich.In the subject of the application, the heat flow into the substrateopposed to an increased thermal resistance. From this resultson the one hand to save on heatingthe performance, on the other hand at a given temperature difbetween the two arms the possibility of reductiondistance between the arms and furtherAllowing an increased temperature of the warmed armReduction in the length of the arms. The last twoMeasures that can also be used in combinationreduce the area requirement of the scarfterelements with himself.

Der Anmeldungsgegenstand wird nun als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher beschrieben.The subject of the application is now shown as an embodiment ina scope necessary for understanding based onFigures described in more detail.

Dabei zeigen:
Show:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines an sich bekannten Schaltelements, das nach dem thermo-optischen Effekt arbeitet undFig. 1 is a schematic representation of a known switching element that works according to the thermo-optical effect and

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Schalterelement ausFig. 1 an der Linie B-B′, wobei die anmeldungsgemäße Maß­nahme erkennbar ist.Fig. 2 shows a cross section through the switch element ofFig. 1 on the line BB ', the measure according to the application is recognizable.

Fig. 1 zeigt ein beispielsweise aus NTT Review, Vol. 5, No. 1, January 1993, Seiten 38 . . . 45,Fig. 1b bekanntes Schalt­element, das nach dem thermo-optischen Effekt arbeitet. Über zwei Wellenleiter1,2 wird dem Schaltelement jeweils ein optisches Signal zugeführt. Die Wellenleiter1,2 sind einem Richtkoppler RK1 eingangsseitig zugeführt. Der Richtkoppler RK1 ist ausgangsseitig über zwei, gleiche Länge L aufweisende Arme A1, A2, die mit Wellenleitern gebildet sind, mit den Eingängen eines zweiten Richtkopplers RK2 verbunden. Der Richtkoppler RK2 ist ausgangsseitig mit Wellenleitern3,4 verbunden, die optische Signale weiterzuleiten vermögen. Die Wellenleiter des Schaltelements, insbesondere die beiden Ar­me, mögen mit Siliziumdioxid SiO₂ gebildet sein. Einer der beiden Arme, im Ausführungsbeispiel der Arm A1, ist mittels eines Heizelementes HE erwärmbar. Zur Erwärmung wird das mit einer Widerstandsheizung gebildete Heizelement mittels eines über Klemmen zugeführten Stromes I erwärmt. Weisen die Arme gleiche Temperatur auf, so werden die auf den Wellenleitern1,2 zugeführten Signale über Kreuz auf die Wellenleiter3,4 weitergeleitet, wobei ein auf dem Wellenleiter1 zugeführtes Signal auf dem Wellenleiter4 weitergeleitet wird und ein auf dem Wellenleiter2 zugeführtes Signal auf dem Wellenleiter3 weitergeleitet wird. Die die optischen Signale führenden Ele­mente des Schaltelements, wie die Wellenleiter, die Richt­koppler und die Arme, mögen mit Siliziumdioxid SiO₂ gebildet sein. Weisen nun die beiden Arme durch Beheizen des einen Armes mittels eines Stromes I eine vorgegebene Temperaturdif­ferenz auf, so werden die auf den Wellenleitern1,2 dem Schaltelement eingangsseitig zugeführte optischen Signale gleichsinnig auf die Wellenleiter3,4 weitergeleitet, wobei ein auf dem Wellenleiter1 zugeführtes Signal auf dem Wellen­leiter3 weitergeleitet wird, und ein auf dem Wellenleiter2 zugeführtes Signal auf dem Wellenleiter4 weitergeleitet wird.Fig. 1 shows an example, NTT Review, Vol. 5, No. 1, January 1993, pages 38. . . 45,Fig. 1b known switching element that works on the thermo-optical effect. An optical signal is supplied to the switching element via two waveguides1 ,2 . The waveguides1 ,2 are fed to a directional coupler RK1 on the input side. On the output side, the directional coupler RK1 is connected to the inputs of a second directional coupler RK2 via two arms A1, A2, which have the same length L and are formed with waveguides. The directional coupler RK2 is connected on the output side to waveguides3 ,4 which are able to transmit optical signals. The waveguide of the switching element, in particular the two Ar me, may be formed with silicon dioxide SiO₂. One of the two arms, arm A1 in the exemplary embodiment, can be heated by means of a heating element HE. For heating, the heating element formed with a resistance heater is heated by means of a current I supplied via terminals. If the arms have the same temperature, the signals supplied on the waveguides1 ,2 are passed on to the waveguides3 ,4 crosswise, a signal supplied on the waveguide1 being passed on the waveguide4 and a signal supplied on the waveguide2 is passed on the waveguide3 . The optical signals leading elements of the switching element, such as the waveguide, the directional coupler and the arms, may be formed with silicon dioxide SiO₂. If the two arms now have a predetermined temperature difference by heating one arm by means of a current I, the optical signals fed to the switching element on the waveguides1 ,2 on the input side are passed on in the same direction to the waveguides3 ,4 , one on the waveguide1 supplied signal is transferred to the wave guide3, and a signal supplied on the waveguide2 signal is transmitted on the waveguide.4

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt an der inFig. 1 mit B-B′ bezeichneten Stelle. Das Schaltelement ist auf ein Substrat S aufgebracht, das aus Festigkeitsgründen eine vorgegebene Dicke T aufweist. Im Bereich des einen Armes A1 ist das Heiz­element HE in das Substrat eingebracht. Das Heizelement, das mit einem Dünnfilm-Chrom-Heizelement oder in einer bevorzug­ten Ausführungsform mit polykristallinem Silizium gebildet ist, möge bedarfsweise durch eine nicht in der Zeichnung dar­gestellte Isolation, wie sie dem Fachmann geläufig ist, ge­genüber dem Substrat elektrisch isoliert sein. In das Heiz­element und in das Substrat sind in einem Abstand D die bei­den Arme A1, A2 eingebracht. Auf der dem Schaltelement abge­wandten Seite des Substrats ist im Bereich des Heizelements eine Vertiefung V mit der Tiefe d eingebracht. Die Vertiefung setzt dem Wärmefluß von dem Heizelement in das Substrat durch eine Verringerung des für den Wärmefluß zur Verfügung stehenden Querschnitts einen erhöhten thermischen Widerstand entgegen. Der Anmeldungsgegenstand macht sich die Erkenntnis zunutze, daß durch Einbringen einer Vertiefung in das Substrat die Festigkeit des Substrats nur unwesentlich ge­schwächt wird, während eine ganzflächige Verringerung der Dicke T des Substrats um die Tiefe d eine erhebliche Stabili­tätsverminderung mit sich bringen würde. Abweichend von der Darstellung inFig. 2 kann sich die Vertiefung auch auf den Bereich des an sich nicht beheizten Armes A2 erstrecken. Diese Maßnahme bringt eine Erhöhung des Wärmewiderstandes zwischen den beiden Armen des Schaltelements mit sich. Sind mehrere Schaltelemente auf einem Substrat angeordnet, so kann eine für sämtliche Schaltelemente gemeinsame Vertiefung gege­ben sein. Zur Erhöhung der Stabilität des Substrats kann die Vertiefung mit einem Material niedriger thermischer Leitfä­ higkeit aufgefüllt sein. Dieses Material kann z. B. ein als Fritte eingebrachtes Weichglas, ein Glaslot oder Capton sein. Die Vertiefung V kann durch isotropes oder besonders vorteil­haft anisotropes Atzen mit einer geeigneten Orientierung des Siliziumkristalls in der sogenannten "V-groove"-Technik ein­gebracht sein. Mit der gleichen "V-groove"-Technik können auf der dem Schaltelement zugewandten Seite des Substrats V-groo­ves für die Aufnahme von optischen Fasern zur Implementierung einer Stoßkopplung eingebracht sein.Fig. 2 shows a cross section at the point designated inFig. 1 with BB '. The switching element is applied to a substrate S, which has a predetermined thickness T for reasons of strength. In the area of one arm A1, the heating element HE is introduced into the substrate. The heating element, which is formed with a thin-film chrome heating element or, in a preferred embodiment, with polycrystalline silicon, may be electrically insulated from the substrate, if necessary, by insulation not shown in the drawing, as is known to the person skilled in the art. In the heating element and in the substrate are introduced at a distance D in the arms A1, A2. On the side of the substrate facing away from the switching element, a depression V with the depth d is introduced in the region of the heating element. The depression opposes the heat flow from the heating element into the substrate by reducing the cross-section available for the heat flow with an increased thermal resistance. The subject of the application takes advantage of the knowledge that the strength of the substrate is only insignificantly weakened by introducing a depression into the substrate, while a reduction in the thickness T of the substrate over the entire area by the depth d would result in a considerable reduction in stability. In a departure from the illustration inFIG. 2, the depression can also extend to the region of the arm A2, which is not heated per se. This measure entails an increase in the thermal resistance between the two arms of the switching element. If several switching elements are arranged on a substrate, there can be a common depression for all switching elements. In order to increase the stability of the substrate, the depression can be filled with a material with low thermal conductivity. This material can e.g. B. be introduced as a frit soft glass, a glass solder or Capton. The recess V can be introduced by isotropic or particularly advantageous anisotropic etching with a suitable orientation of the silicon crystal in the so-called "V-groove" technique. With the same "V-groove" technology, V-grooves can be introduced on the side of the substrate facing the switching element for the reception of optical fibers to implement a butt coupling.

Ein den Heizstrom I schaltendes Steuerelement, wie z. B. ein Leistungstransistor, kann in unmittelbarer Nähe des Schalter­elementes auf dem Substrat integriert sein. Diese Maßnahme bringt insbesondere bei Anordnung mehrerer Schalterelemente auf nur einem Substrat den Vorteil mit sich, daß nur eine den Heizstrom führende Versorgungsleitung mit großem Querschnitt erforderlich ist, während das jeweilige das Steuerelement ansteuernde Steuersignal auf einer Leitung mit kleinem Quer­schnitt zugeführt ist.A control element switching the heating current I, such as. B. aPower transistor, can be in the immediate vicinity of the switchelement to be integrated on the substrate. This measurebrings especially when arranging several switch elementsthe advantage with only one substrate that only one theSupply line with a large cross section carrying heating currentis required while the respective controldriving control signal on a line with a small crosscut is fed.

Claims (13)

Translated fromGerman

1. Schaltelement zum Schalten eines optischen Signals unter Ausnutzung des thermo-optischen Effekts, wobei

• - das Schaltelement auf ein mit Silizium gebildetes Substrat (S) aufgebracht ist
• - das Schaltelement wenigstens ein Heizelement (HE) auf­weist

1. switching element for switching an optical signal using the thermo-optical effect, wherein

• - The switching element is applied to a substrate (S) formed with silicon
• - The switching element has at least one heating element (HE)

dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat auf der dem Schaltelement abgewandten Seite im Bereich des Heizelements eine den Wärmefluß vermindernde Ver­tiefung (V) aufweist.characterized in that
the substrate on the side facing away from the switching element in the region of the heating element has a depression (V) which reduces the heat flow.2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das optische Signal führende Material des Schaltelementes mit Siliziumdioxid SiO₂ gebildet ist.2. Switching element according to claim 1,characterized in thatthe material of the switching element carrying the optical signalis formed with silicon dioxide SiO₂.3. Schalterelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine unter Anwendung von isotropen Ätzen gebildeten Vertie­fung.3. Switch element according to one of claims 1 or 2,marked bya recess formed using isotropic etchingfung.4. Schalterelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine unter Anwendung von anisotropen Atzen gebildete Vertie­fung.4. Switch element according to one of claims 1 or 2,marked bya recess formed using anisotropic etchesfung.5. Schalterelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vertiefung, die mit der gleichen Technik in das Substrat eingebracht ist wie eine auf der dem Schalterelement zuge­wandten Seite des Substrats eingebrachte Vertiefung für die Aufnahme eines ein optisches Signal führenden Faserwellenlei­ters zur Implementierung einer Stoßkopplung.5. Switch element according to one of the preceding claims,marked bya recess made using the same technique in the substrateis introduced as one on the switch elementfacing side of the substrate introduced recess for theRecording of an optical fiber carrying an optical signalters to implement a butt coupling.6. Schaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Erwärmung des Schaltelements bewirkende Heizelement mit einem auf Silizium Si basierenden Material gebildet ist.6. Switching element according to one of the preceding claims, characterized in thatthe heating element causing the heating of the switching elementis formed with a material based on silicon Si.7. Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement mit polykristallinem Silizium gebildet ist.7. switching element according to claim 6,characterized in thatthe heating element is formed with polycrystalline silicon.8. Schaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement durch ein auf dem Substrat integriertes Steu­erelement ansteuerbar ist.8. Switching element according to one of the preceding claims,characterized in thatthe heating element by a control integrated on the substrateelement is controllable.9. Schaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung mit einer Substanz niedriger thermischer Leit­fähigkeit gefüllt ist.9. Switching element according to one of the preceding claims,characterized in thatthe depression with a substance of low thermal conductivityability is filled.10. Schaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement zwei Arme aufweist und daß sich die Vertiefung auf den Bereich der beiden Arme erstreckt.10. Switching element according to one of the preceding claims,characterized,that the switching element has two arms and that theRecess extends to the area of the two arms.11. Schaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, eine Mehrzahl von Schaltelementen zu einer Gruppe zusammenge­faßt ist und eine für sämtliche Schaltelemente der Gruppe gemeinsame Vertiefung gegeben ist.11. Switching element according to one of the preceding claims,characterized,a plurality of switching elements to form a groupis summarized and one for all switching elements of the groupcommon deepening is given.12. Schaltelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Siliziumsubstrat eine Mehrzahl von Gruppen von Schaltelementen angeordnet ist.12. Switching element according to claim 11,characterized in thaton the silicon substrate a plurality of groups ofSwitching elements is arranged.