JP2003101138A

JP2003101138A - 波長可変デバイス

Info

Publication number: JP2003101138A
Application number: JP2002191667A
Authority: JP
Inventors: Megumi Yoshida; 恵吉田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2003-04-04
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP3982349B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型、安価で、しかも広帯域において透過ス
ペクトルの透過率が高く、且つ、そのバンド幅が狭い良
好なフィルタ特性を示す波長可変フィルタを提供する。【解決手段】基板上に１次元フォトニック結晶からな
る平行に対向する一対のミラーで構成された共振器と、
静電駆動型マイクロアクチュエータが備えられている。
マイクロアクチュエータは、共振器を構成する可動ミラ
ーと一体となった可動電極、可動電極を支持するバネお
よび固定電極を有している。バネの固定端、固定電極お
よび固定ミラーは基板に固定されている。可動電極、バ
ネのうち固定端以外の部分および可動ミラーは基板から
分離されて宙に浮いている。可動電極と固定電極間に電
圧を印加すると、可動電極と固定電極間に静電力が発生
し可動電極が並進移動する。それにより、共振器の共振
器長が変化し、波長多重された複数の信号光から所望の
波長光が選択的に共鳴透過する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長可変デバイス
に関し、特に波長多重光の中から特定波長の光を選択す
る波長可変フィルタや特定の波長の光を選択して発振す
る波長可変レーザなどの波長可変デバイスに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送方式のキ
ーデバイスの一つに、波長多重された複数の信号光から
特定の波長光を選択的に取り出す波長可変フィルタと、
特定の波長光を選択的に発振する波長可変レーザがあ
る。従来の波長可変フィルタの代表例としては、誘電体
多層膜内の多重反射を利用した波長可変フィルタと、フ
ァブリペロー共振器を用いた波長可変フィルタとが知ら
れている。しかしながら、前者は、誘電体多層膜への入
射光の入射角度を制御して誘電体多層膜の実効的な膜厚
を変化させることによって波長を可変にするものである
ため、誘電体多層膜を回転させるサーボ機構を必要とす
る等、構成が複雑となり小型化、低価格化が困難である
という問題を抱えている。また、アレイ化して光並列伝
送に適用するということも困難である。

【０００３】一方、後者としては、例えば、特開2000-1
62516号公報に開示されるものが知られている。図１５
は、この従来の波長可変フィルタの構成を示す断面図で
ある。従来の波長可変フィルタは、光導波路基板５００
内に対向して配置された光導波路５０１、５０２と、こ
れら光導波路の両端面の間に配置されたダイヤフラム型
マイクロマシン５０３とから構成され、入力側の光ファ
イバ５１０と出力側の光ファイバ５１１との間に配置さ
れる。ダイヤフラム型マイクロマシン５０３を構成する
本体５０４とダイヤフラム５０５とにそれぞれ取り付け
られた電極５０６と電極５０７との間に電圧を印加する
ことによって発生する静電力により、ダイヤフラム５０
５が変形する。それにより、誘電体多層膜からなる２つ
のハーフミラー５０８と５０９とによって構成されるフ
ァブリペロー共振器の共振器長が変化して透過波長が可
変となる。この構造は、前者の構造に比して構成部品も
少なく、小型化やアレイ化が可能である。また、波長可
変レーザの従来例としては、回転型の回折格子をファブ
リペロー型レーザの外部共振器として実装したものが知
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
ファブリペロー共振器を用いた波長可変フィルタは構成
部品が少なく、小型化やアレイ化も可能であるという長
所を持つが、その反面、光が透過する際、ハーフミラー
５０８、５０９が形成されているところの本体５０４や
ダイヤフラム５０５を通過せざるを得ず、不必要な透過
損失を招くことになる。また、ハーフミラー５０８、５
０９の成膜や本体５０４とダイヤフラム５０５との接合
等、その作製プロセスは複雑である。さらに、ファブリ
ペロー共振器を用いた波長可変フィルタでは、ハーフミ
ラーの反射率が高ければ高いほど透過ピークのバンド幅
が狭くなるなど、ハーフミラーの反射率がフィルタ特性
に大きな影響を及ぼすために、使用する光の波長帯域全
域で良好なフィルタ特性を得ようとすれば、その波長帯
域をカバーし得る広帯域高反射率のミラーが不可欠とな
る。今後、Ｃバンド(１．５５μｍ帯)に加えＬバンド
(１．５８μｍ帯)、さらにはＳバンド(１．４９μｍ帯)
と光通信に使用される波長帯域が拡がってくると予想さ
れるが、従来の誘電体多層膜でＳバンドからＬバンドに
亙る広い帯域で高反射率を示すミラーを形成するのは極
めて困難である。また、上述の従来の波長可変レーザ
は、回折格子を回転させるサーボ機構を必要とした複雑
な構成となるため、小型化、低価格化が困難である。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、小型、安価で、アレイ化にも適
し、しかも広帯域において透過スペクトルの透過率が高
く、且つ、バンド幅が狭い良好なフィルタ特性を示す波
長可変フィルタと、小型、安価で、アレイ化にも適した
波長可変レーザを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、対をなして平行に対向配置された
ミラーよりなる共振器と、前記対をなすミラーの間隙を
変化させて共振器長を変える間隔可変機構と、を有する
波長可変デバイスにおいて、前記対をなすミラーの少な
くとも一方と前記間隔可変機構とがともに基板上に一体
的に形成され、かつ、そのミラーのミラー面が前記基板
の基板面に対して垂直に形成されていることを特徴とす
る波長可変デバイス、が提供される。そして、好ましく
は、前記対をなすミラーの少なくとも一方が入射する光
に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャップを
持つ半導体と空気の周期構造から成るフォトニック結晶
である。また、好ましくは、前記対をなすミラーの他方
も屈折率周期構造を有するフォトニック結晶によって構
成され、これにより波長可変フィルタが構成される。ま
た、好ましくは、前記対をなすミラーの他方が、光増幅
機能を有する半導体チップによって構成され、一方の可
動のミラーがレーザの外部共振器として機能する。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。〔第１の実施の形態〕図1は、本発明の第１の実施の形
態の可変波長フィルタの斜視図である。図２は、第１の
実施の形態のフォトニック結晶からなる固定ミラーの平
面図である。図３は、第１の実施の形態の可変波長フィ
ルタの平面図である。図４（ａ）〜（ｂ）、図５（ａ）
〜（ｃ）は、第１の実施の形態の一製造方法を説明する
ための工程順の断面図であり、図６（ａ）〜（ｃ）は、
第１の実施の形態の他の製造方法を説明するための工程
順の断面図である。図1に示されるように、本実施の形
態における波長可変フィルタは、１対の可動電極１０１
Ａ、１０１Ｂと、可動電極を支持する４本のバネ１０２
と、４本のバネのそれぞれの端部に設けられた固定端１
０９と、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０
４Ａ、１０４Ｂと、フォトニック結晶からなる可動ミラ
ー１０５と、可動ミラー１０５と対向する位置にあるフ
ォトニック結晶からなる固定ミラー１０６と、基板１０
７と、絶縁層１０８と、から構成される。２対の固定電
極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂと、フ
ォトニック結晶からなる固定ミラー１０６とは、基板１
０７に固定され、固定部を構成している。１対の可動電
極１０１Ａ、１０１Ｂと、可動電極を支持する４本のバ
ネ１０２と、フォトニック結晶からなる可動ミラー１０
５とは一体を成して宙に浮いており、可動電極を支持す
る４本のバネの固定端１０９を介して基板１０７に固定
されながら、可動部を構成している。２対の固定電極１
０３Ａ、１０３Ｂと１０４Ａ、１０４Ｂと、固定ミラー
１０６と、バネの固定端１０９とは、それぞれ、ＳｉＯ
_２等よりなる絶縁層１０８によって基板１０７と電気的
に絶縁されながら、基板１０７に固定されている。ただ
し、基板１０７がその表面に絶縁層を有する場合には、
絶縁層１０８は必ずしも必要ではない。また、２対の固
定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂ
と、バネの固定端１０９とには、それぞれ、電極パッド
（図示せず）が形成されており、この電極パッドを介し
て、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４
Ａ、１０４Ｂには電圧が印加され、バネの固定端１０９
は接地されている。

【０００８】この構成において、１対の可動電極１０１
Ａ、１０１Ｂと、これらを支持する４本のバネ１０２お
よび固定端１０９と、２対の固定電極１０３Ａ、１０３
Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂと、から成るマイクロアク
チュエータを用いて、可動ミラー１０５を図の左右方向
に駆動して、可動ミラー１０５と固定ミラー１０６との
間隙（すなわち、共振器長）を制御することにより、可
動ミラー１０５に入射する波長多重された入射信号光λ
_１〜λ_ｎのうち、固定ミラー１０６から所望の波長を持
つ出射信号光λ_ｉを選択的に透過させる。これにより、
広帯域において透過スペクトルの透過率が高く、かつ、
半値幅が狭い良好なフィルタ特性を実現することが可能
となる。なお、図１では、作図の簡単のために各固定電
極、各可動電極の櫛歯は、それぞれ、２本、３本のみを
描いているが、必要な駆動力に応じて任意の数の櫛歯数
が選択される。

【０００９】次に、本発明による波長可変フィルタの、
構成要素ごとの働きを順に説明する。まず、１対の可動
電極１０１Ａ、１０１Ｂと、可動電極を支持する４本の
バネ１０２と、その固定端１０９と、２対の固定電極１
０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂとは、可動
ミラー１０５を図の左右方向に駆動するためのマイクロ
アクチュエータを構成している。１対の可動電極１０１
Ａ、１０１Ｂと、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂお
よび１０４Ａ、１０４Ｂとは全て櫛歯状形状をしてお
り、可動電極１０１Ａは固定電極１０３Ａ、１０４Ａ
と、可動電極１０１Ｂは固定電極１０３Ｂ、１０４Ｂと
互いに噛み合うように配置されている。可動電極１０１
Ａ、１０１Ｂはともに、それぞれの可動電極を支持する
バネ１０２とその固定端１０９に形成された電極パッド
とを介して接地されている。

【００１０】固定電極１０３Ａと１０３Ｂとに同時に同
電圧を印加することにより、可動部が固定ミラー１０６
に近づく方向に駆動される。一方、固定電極１０４Ａと
１０４Ｂとに同時に同電圧を印加することにより、可動
部が固定ミラー１０６から遠ざかる方向に駆動される。
また、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂに電圧が印加されて
いるときには、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂは接地さ
れ、逆に、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂに電圧が印加さ
れているときには、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂは接地
される。

【００１１】可動部を左右に変位させるために、可動電
極の櫛歯と固定電極の櫛歯との間の間隙は、可動電極の
中央の櫛歯を除いてそれぞれの櫛歯の左右で非対称であ
る。非対称にすることによって、間隙が狭い方の櫛歯間
に、より強い静電引力が作用し、その間隙がより狭まる
方向に可動電極が引き寄せられる。この場合、固定電極
（可動電極）の一つの櫛歯だけに注目すれば、両隣にあ
る可動電極（固定電極）の櫛歯のうち一方をできるだけ
その固定電極（可動電極）に接近させ、他方をその固定
電極（可動電極）からできるだけ離すほうが、静電引力
の和は大きくなる。しかしながら、櫛歯間の間隔を大き
くすることは、単位間隔内に形成できる櫛歯数を少なく
することになり、空間的な効率を悪くするほうに働く。
結局、電極の形成面積が一定であれば、発生力の体積効
率（単位体積当りの発生力）を最大にするためには、一
つの櫛歯に作用する静電引力と単位長さに形成できる櫛
歯数との積を最大にすればよい。間隙が狭い方の櫛歯間
隔、間隙が広い方の櫛歯間隔、それら両者の比、櫛歯の
幅のうちのいずれか２つの量が決まれば、発生力の体積
効率を最大にするように、他の２つの量も決定される。
また、固定電極を基準に考えて、その固定電極の櫛歯と
隣接する２本の可動電極の櫛歯のうち、左側の可動電極
の櫛歯との間隔の方が小さければ、可動電極は右側に変
位し、逆に、右側の可動電極の櫛歯との間隔の方が小さ
ければ、可動電極は左側に変位する。

【００１２】固定電極を２対設けることなく、１対の固
定電極のみで可動電極の全ストロークをまかなうように
することもできる。本実施の形態において、固定電極を
右駆動用と左駆動用とに分割したのは、次の理由によ
る。即ち、可動電極の中央の櫛歯（図１において、可動
電極１０１Ａあるいは可動電極１０１Ｂの中央の櫛歯）
は、その左右両隣のどちらの固定電極の櫛歯との間隔も
狭い方の間隔にすることにより、左右両隣のどちらの固
定電極にも寄与させて右駆動用としても左駆動用として
も利用できる。したがって、体積効率の点から有利にな
る。特に、可動電極の櫛歯数が少ない場合に、その効果
は相対的に大きくなる。なお、可動電極１０１Ａを図の
手前方向に引く静電引力と可動電極１０１Ｂを図の奥行
き方向に引く静電引力とは互いに打ち消し合うために、
可動部がこれらの方向に変位することはない。

【００１３】次に、フォトニック結晶からなる可動ミラ
ー１０５と固定ミラー１０６について説明する。近年、
１次元的あるいは２次元的あるいは３次元的に波長のオ
ーダーの周期を持って誘電率したがって屈折率の異なる
材料を周期的に配列した構造を作製して、半導体中の電
子の振る舞いと同様に、光あるいは電磁波の振る舞いを
制御する材料構造が注目されている。このような構造は
フォトニック結晶と呼ばれ、その振る舞いは、半導体中
の電子のエネルギーバンドに相当するフォトニックバン
ドという概念を用いて説明される。このフォトニックバ
ンドには、光あるいは電磁波が固有のモードを持ち得な
い周波数領域、即ち、フォトニックバンドギャップが存
在する。このフォトニックバンドギャップは、一般に、
周期構造をなす誘電体の屈折率の変調が強い程、広帯域
にわたって開く。このように、フォトニック結晶は本質
的に光波長選択性を有するために、波長選択性を有する
フィルタ、即ち、波長可変フィルタへの応用に適した構
造であるといえる。

【００１４】ただし、光波長のオーダーの周期を持つ屈
折率変調を３次元的に実現することは極めて困難であ
る。本発明のように、マイクロアクチュエータとフォト
ニック結晶から成るミラーを異方性エッチング等に代表
されるマイクロマシーニング（マイクロマシン技術）に
よって一括成形するのであれば、３次元フォトニック結
晶よりも、１次元もしくは２次元フォトニック結晶の方
がプロセスとの整合性がよい。２次元フォトニック結晶
としては、例えば、構造材中に円柱孔が三角格子配列し
たものが、マイクロマシーニングプロセスとの整合性が
よいという点と、さらに、ブラヴェ格子でいえば六方格
子に対応し、面内のどの方向へも高反射率を示す波長域
を生成可能であるという点とにおいて好適である。本実
施の形態においては、１次元フォトニック結晶を用いて
ミラーを形成した。

【００１５】次に、固定ミラーを例として、フォトニッ
ク結晶からなるミラーの構造について説明する。図２
は、本実施の形態の１次元フォトニック結晶からなる固
定ミラーの平面図である。１次元フォトニック結晶から
なる可動ミラーも同じ構造を有している。フォトニック
結晶からなる固定ミラー１０６は、長方形の空孔を形成
した構造材層１２０と、空孔を満たしている空気層１２
１との周期構造からなる1次元フォトニック結晶より成
っている。各層厚ｄ_ｉは、波長可変フィルタの動作帯域
の真空中での中心波長をλ、各層の屈折率をｎ_ｉとし
て、（１）式のように決定される。ｄ_ｉ＝λ／４ｎ_ｉ・・・（１）

【００１６】これにより、波長可変フィルタの動作帯域
の中心波長λが、共振器を構成した場合の最大透過波長
となる。ただし、下付きｉは、構造材層（Ｓ）および空
気層（Ａ）を示している。即ち、図２の１次元フォトニ
ック結晶を用いた固定ミラー１０６においては、空気層
１２１を４層含む次のような周期構造となる。構造材層（ｄ_Ｓ＝λ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝λ/４）
／構造材層（ｄ_Ｓ＝λ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝λ/４）
／構造材層（ｄ_Ｓ＝λ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝λ/４）
／構造材層（ｄ_Ｓ＝λ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝λ/４）
／構造材層（ｄ_Ｓ＝λ/４ｎ_Ｓ）ただし、空気の屈折率：ｎ_Ａ＝１とした。図２では上記
の通り空気層１２１が４層含まれる構造を採っている
が、もちろん、その周期は数周期もあれば十分である。

【００１７】本発明の波長可変フィルタの構造材層１２
０に要求される特性としては、まず、マイクロマシーニ
ングによる高アスペクト比加工が可能である材料である
ことが挙げられる。次に、構造材層１２０に空孔を開け
てフォトニック結晶構造を形成する場合、フォトニック
バンドギャップが広い波長域に亙って開くように、構造
材層１２０の屈折率ｎ_Ｓが空気の屈折率に比して十分高
いことが望ましい。このことは、フォトニック結晶が広
帯域高反射率ミラーとして機能する上で欠くことのでき
ない特性である。以上のことに鑑みて、本発明の波長可
変フィルタの構造材層１２０の材料としては、既に半導
体微細加工技術の分野において十分な実績があり、尚且
つ、高屈折率を有するＳｉがふさわしいと判断される。
また、Ｓｉに準ずる材料としては、ＧａＡｓやＩｎＰ等
が挙げられる。

【００１８】共振器を形成するフォトニック結晶からな
る一対のミラーは、フォトニックバンドギャップ内の波
長光に対しては完全なミラーとして機能する。このフォ
トニックバンドギャップは、周期構造を成す誘電体の屈
折率の変調が強いほど、広帯域に亙って開く。例えば、
図２に示されるような構造材層１２０と空気層１２１と
の周期構造からなる１次元フォトニック結晶において、
構造材層１２０がＳｉのような高屈折率材料で形成され
ている場合には、前記周期構造の設計(各層厚をどの程
度にするか)にも依存するが、一般には、中心波長λの
周りに数１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のフォトニック
バンドギャップが開く。したがって、本発明の波長可変
フィルタにおけるフォトニック結晶からなるミラーは広
帯域に亙って高い反射率を示す。ファブリペロー型共振
器を用いた波長可変フィルタにおいて、このミラーの反
射率は非常に重要な要素であり、ミラーの反射率が高い
ほど透過スペクトルの半値幅を狭くできる。

【００１９】次に、フォトニック結晶からなる可動ミラ
ー１０５とフォトニック結晶からなる固定ミラー１０６
とから構成されるファブリペロー型共振器について説明
する。図1において、左側から、可動電極１０１Ａ、１
０１Ｂと一体化した可動ミラー１０５に、波長多重され
た複数の入射信号光λ_１〜λ_ｎが入ってきた場合、フォ
トニックバンドギャップ内にある波長帯域において、
（２）式を満足する波長λ_ｍの信号光だけが固定ミラー
１０６の右方向に共鳴透過して出射信号光となる。 λ_ｍ＝２Ｌ／ｍ・・・（２）ここで、Ｌはフォトニック結晶からなる可動ミラー１０
５の右側面とフォトニック結晶からなる固定ミラー１０
６の左側面との間隙、ｍは整数を表す。この時、共鳴透
過する出射信号光は、フォトニック結晶中を透過する以
外は空気中を伝播するのみで、基板等の不要な物質は一
切経由しない。また、透過する距離も光波長程度と非常
に短いので、透過損失は極めて低く抑えられる。さら
に、上述のように、ミラーが広帯域に亙って高い反射率
を示すので、共振器の透過スペクトルの半値幅は極めて
狭くなる。また、この時、フォトニック結晶からなる可
動ミラー１０５の右側面とフォトニック結晶からなる固
定ミラー１０６の左側面との光の通らない部分の一部に
電極を形成して、その間の容量をモニターすれば、ミラ
ー間の間隙変化をセンシングすることも可能である。

【００２０】次に、本実施の形態の波長可変フィルタの
製造方法について説明する。図３は、本実施の形態の波
長可変フィルタの平面図であり、図４（ａ）〜図５
（ｃ）は、本実施の形態の一製造方法を説明するための
Ａ−Ａ線に沿った工程順の断面図である（但し、図１同
様、図３では電極の櫛歯の一部が省略されている）。本
実施の形態の波長可変フィルタは、ＳＯＩ基板にマイク
ロマシニング技術を用いて一括形成された。まず、Ｓｉ
基板１４３上に埋込み酸化膜１４２を介してＳＯＩ層１
４１が形成された面指数（１１０）のＳＯＩ基板１４０
を用意し、その裏面を数１０〜１００μｍ程度の厚さま
で研磨してから、その裏面、即ち、Ｓｉ基板１４３側の
表面上に、埋込み酸化膜１４２の膜厚よりも若干薄い程
度の膜厚の熱酸化膜１３０を形成した後、通常のフォト
リソグラフィー技術とＲＩＥ技術とを用いて熱酸化膜１
３０のパターニングを行い、波長可変フィルタの可動
部、即ち、バネの固定端１０９部を除いて、バネ１０
２、可動電極１０１Ａ、１０１Ｂ、可動ミラー１０５と
なる部位の熱酸化膜１３０に開口を形成する〔図４
（ａ）〕。この際、この開口は、可動部の各辺の外側に
０．５μｍ程度はみ出して形成することが望ましい。次
に、ＳＯＩ基板１４０の表面、即ち、ＳＯＩ層１４１側
の表面に、可動電極１０１Ａ、１０１Ｂ、バネ１０２、
バネの固定端１０９、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１
０４Ａ、１０４Ｂ、可動ミラー１０５の構造材層１２
０、固定ミラー１０６の構造材層１２０となる部位を覆
うレジスト膜１３１を形成する〔図４（ｂ）〕。次い
で、ＳＯＩ基板１４０の表面全体に保護用レジスト１３
２を形成した後、ＳＯＩ基板１４０の裏面を、熱酸化膜
１３０をマスクとして、ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エ
ッチングを行う。これにより、熱酸化膜１３０の開口
部、即ち、波長可変フィルタの可動部となる部位に、深
い溝１３３が、高アスペクト比にて形成できる〔図５
（ａ）〕。この異方性エッチングにおいて、埋込み酸化
膜１４２がエッチングストッパとなる。次に、可動部の
底面を基板から離すために、溝１３３内の埋込み酸化膜
１４２の除去を行うが、この方法には、次のウェットエ
ッチングかドライエッチングのいずれかが用いられる。
ウェットエッチングを用いる場合には、ＨＦ水溶液にて
エッチングを行う。この場合、ウェットエッチングの進
行とともに、固定電極やバネの固定端となる部位に向か
っても埋込み酸化膜１４２のエッチングが進むが、例え
ば、埋込み酸化膜１４２の膜厚が２μｍ、可動電極と固
定電極との間隔が１．５μｍ、固定電極の幅が４μｍ、
バネの固定端が６μｍ□程度であれば、ウェットエッチ
ングの時間を調節して、固定電極と可動電極を支持する
４本のバネの固定端とを基板に固定しておくに十分な幅
の酸化膜層を残すことが可能である。この工程におい
て、基板裏面上の熱酸化膜１３０も除去される。ドライ
エッチングの場合には、Ｓｉとの選択比の大きいＣ_３Ｆ
_８や、Ｃ_３Ｆ_８にＨ_２や炭化水素ガスを添加したガス等
を用いて、溝１３３内の埋込み酸化膜１４２の除去を行
う。以上の工程により、本実施の形態の波長可変フィル
タの可動部の底面がＳｉ基板１４３から分離され、溝１
３３内で空中に露出する〔図５（ｂ）〕。

【００２１】次に、ＳＯＩ基板１４０の表面を保護して
いた保護用レジスト１３２を除去し、露出したレジスト
膜１３１をマスクとして、ＳＯＩ層１４１にＲＩＥエッ
チングを行う。このＲＩＥエッチングは埋込み酸化膜１
４２が除去されるまで行うが、埋込み酸化膜１４２を越
えてＳｉ基板１４３までエッチングが進行しても何ら不
都合はない。以上の工程により、本実施形態の波長可変
フィルタの各構成要素が形成される。最後に、ＳＯＩ層
１４１の表面上のレジスト膜１３１をＯ_２アッシングに
よって除去して、本実施の形態の製造工程を完了する
〔図５（ｃ）〕。なお、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂ、
１０４Ａ、１０４Ｂやバネの固定端１０９に電圧を印加
するための電極パッド（図示せず）は、例えば、上述の
工程中のＳＯＩ基板１４０の表面にレジスト膜を形成す
る工程に先だって、パッド部になる領域にＡｌをデポシ
ットする工程を置き、その後でレジスト膜１３１で覆
い、以後の上述の工程を進めることによって、形成する
ことができる。

【００２２】次に、本実施の形態の波長可変フィルタの
動作を具体的に説明する。本実施の形態の波長可変フィ
ルタは、ＳＯＩ層の膜厚が４μｍ、埋込み酸化膜の膜厚
が２μｍのＳＯＩ基板１４０を用いて試作された。試作
した波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ
部の主要な構造パラメータを以下に記す。構造材は、Ｓ
ｉである。構造は図１の基本構造と同じである。可動電
極の櫛歯と固定電極の櫛歯間の狭い方の間隙と広い方の
間隙の比は、１：２．５とした。また、本試作の可変波
長フィルタでは、発生力を大きくするために、櫛歯数を
図１に示した櫛歯数よりも増やした。

【００２３】櫛歯の長さ：５０μｍ櫛歯の幅：４μｍ可動電極１０１Ａ、１０１Ｂの櫛歯数：各１１固定電極１０３Ａ、１０３Ｂの櫛歯数：各６固定電極１０４Ａ、１０４Ｂの櫛歯数：各６可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の狭い方の間隙：
１．６μｍ可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の広い方の間隙：
４．０μｍ可動電極を支持するバネのバネ定数：６０．４Ｎ／ｍ

【００２４】フォトニック結晶からなるミラーの構造
は、図２のような１次元フォトニック結晶構造とした。
その周期構造は、動作帯域の中心波長をλ＝１．５５μ
ｍとして、空気の層を４層含んだ次のような構造とし
た。Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／Ｓｉ層（１１０ｎｍ）ファブリペロー共振器部の主要な構造パラメータは以下
の通りである。構造材層の高さ：４μｍ対向するミラー間の初期間隙：６．２μｍ本実施の形態の波長可変フィルタは、チップ自体の大き
さに限って言及すれば、約２００μｍ角内に収まる超小
型素子であり、アレイ化にも適した構造である。

【００２５】本実施の形態の波長可変フィルタにおける
マイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・
ドップラー振動計で調べたところ、固定電極１０３Ａ、
１０３Ｂに５０Ｖの電圧を印加した時に可動電極１０１
Ａ、１０１Ｂは初期位置からミラー間隔が縮まる方向に
２００ｎｍ、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂに５０Ｖの電
圧を印加した時に可動電極１０１Ａ、１０１Ｂは初期位
置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動す
ることが判明した。また、駆動電圧の周波数をスイープ
してマイクロアクチュエータの周波数応答スペクトルを
調べたところ、共振周波数が約２３０ｋＨｚであること
も判った。

【００２６】次に、本実施の形態の可変波長フィルタの
フィルタ特性を調べた。可変波長フィルタに波長多重光
を入射し、透過光の波長を同定したところ、固定電極に
電圧を印加していない状態での透過中心波長は設計通り
に、１．５５μｍであった。固定電極１０３Ａ、１０３
Ｂに印加する電圧値を増大させるに従い共振器長が減少
して透過中心波長は小さくなり、５０Ｖ印加時では１５
０２．０ｎｍであった。一方、固定電極１０４Ａ、１０
４Ｂに印加する電圧値を増大させた場合には、共振器長
の増加に伴い透過中心波長も大きくなり、５０Ｖ印加時
には１５９７．４ｎｍであった。また、波長可変光源を
用いて透過光の波長スペクトルを調べたところ、固定電
極への電圧無印加時に、１．５５μｍを中心として可変
幅約１００ｎｍの範囲内で共鳴透過スペクトルの透過率
は９５％以上を示した。その時観測されるスペクトルの
半値幅は約０．１ｎｍであった。

【００２７】次に、図６を参照して第１の実施の形態の
波長可変フィルタの他の作製方法を説明する。本実施形
態における波長可変フィルタは、本作製方法によるマイ
クロマシニング技術を用いて、１枚のＳｉ基板に一括形
成される。図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の波長
可変フィルタの、図３に示す平面図のＡ−Ａ線に沿った
工程順の断面図である。まず、Ｓｉ基板１５１の表面
に、レジストパターン１５２を形成し、このレジストパ
ターン１５２をマスクとして、固定電極１０３Ａ、１０
３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂとなる部位、固定ミラー１０
６の構造材層１２０となる部位、バネの固定端１０９が
形成される部位を残して、他の領域を数μｍエッチング
する〔図６（ａ）〕。次に、レジストパターンを形成し
直して、波長可変フィルタの可動電極１０１Ａ、１０１
Ｂ、４本のバネ１０２、バネの固定端１０９、固定電極
１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂ、可動ミラー
１０５の構造材層、固定ミラー１０６の構造材層となる
部位を覆うレジストパターン１５３を形成する。このレ
ジストパターン１５３をマスクとして、数μｍ〜数１０
μｍエッチングを行う〔図６（ｂ）〕。この際のエッチ
ングは、ＲＩＥ等の異方性エッチングを用いて、高アス
ペクト比構造が得られるようにする。次に、レジストパ
ターン１５３を残した状態において、エッチングされた
領域の底部に数１０ｎｍ厚のＳｉＮ層を形成する。これ
は、後の工程においてエッチングストップ層となる。以
上の工程によって、Ｓｉ基板上に、可動部領域の上面
が、後に波長可変フィルタの底部となる固定部領域の上
面よりも数μｍだけ低い構造が形成される。

【００２８】次に、Ｓｉ基板１５１の加工面と別途用意
したガラス基板１５４とを、周知の陽極接合技術を用い
て接合する。次に、Ｓｉ基板１５１の裏面を研磨して数
１０μｍ程度の厚さに薄くした後、ＳｉＮエッチングス
トップ層までエッチングを行い、先のエッチングにて形
成した波長可変フィルタの各部位を露出させて、本実施
の形態の波長可変フィルタの製造工程を完了する。

【００２９】〔第２の実施の形態〕図７は、本発明の第
２の実施の形態の波長可変フィルタの平面図である。図
７は、デバイス全体レイアウト図であり、実用性を考慮
した詳細設計に基づいて描かれている。図８は、図７の
波長可変フィルタの主要部〔図７の破線で囲まれた領
域〕の詳細な平面図である。図７、図８において、図１
に示した第１の実施の形態と同等の部分には下２桁が等
しい参照符号を付し重複する説明は適宜省略する。ま
た、本実施の形態の概念的な斜視図は、図１に示された
第１の実施の形態のそれと同様である。図７、図８に示
されるように、本実施の形態に係る波長可変フィルタ
は、第１の実施の形態の波長可変フィルタと同様に、１
対の可動電極２０１Ａ、２０１Ｂと、可動電極を支持す
る４本のバネ２０２と、４本のバネのそれぞれの端部に
設けられた固定端２０９と、２対の固定電極２０３Ａ、
２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４Ｂと、フォトニック結
晶からなる可動ミラー２０５と、可動ミラー２０５と対
向する位置にあるフォトニック結晶からなる固定ミラー
２０６と、を有している。２対の固定電極２０３Ａ、２
０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４Ｂと、バネの固定端２０
９とには、それぞれ、電極取出し部２２０_１、２２０_２
が形成されており、電極取出し部２２０_１を介して２対
の固定電極２０３Ａ、２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４
Ｂには駆動電圧が印加され、電極取出し部２２０_２を介
してバネの固定端２０９は接地される。

【００３０】図８に示されるように、本実施の形態の波
長可変フィルタは、大きな外力が加わったり、電極に過
大な電圧が加わったりした際における可動電極２０１
Ａ、２０１Ｂの櫛歯と固定電極２０３Ａ、２０３Ｂ、２
０４Ａ、２０４Ｂの櫛歯との衝突、あるいは可動ミラー
２０５と固定ミラー２０６との衝突を防止するために、
ストッパー２２１を備えている。また、可動電極の変位
をモニタできるよう、電極取出し部２２０_３の端部と可
動電極２０１Ａ、２０１Ｂの端部との間隔２２２が静電
容量型変位センサ部を形成している。本実施の形態にお
いては、可動ミラー２０５および固定ミラー２０６から
形成される共振器にコリメート光を入／出射させるため
に、光が入射する側と出射する側とに、それぞれ、１本
の直径１２５μｍのコリメーション・ファイバを、共振
器を挟むように突き合せて配置する。従って、本実施の
形態の波長可変フィルタには、コリメーション・ファイ
バを挿入するための深い溝(ファイバ挿入溝)が設けられ
ている。なお、図７、図８における各固定電極の櫛歯数
は６本であり、各可動電極の櫛歯数は１１本である。

【００３１】この構成において、第１の実施の形態と同
様に、１対の可動電極２０１Ａ、２０１Ｂと、これらを
支持する４本のバネ２０２および固定端２０９と、２対
の固定電極２０３Ａ、２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４
Ｂと、から成るマイクロアクチュエータを用いて、可動
ミラー２０５を図の左右方向に駆動して、可動ミラー２
０５と固定ミラー２０６との間隙（すなわち、共振器
長）を制御することにより、可動ミラー２０５に入射す
る波長多重された入射信号光のうち、固定ミラー２０６
から所望の波長を持つ出射信号光を選択的に透過させ
る。これにより、広帯域において透過スペクトルの透過
率が高く、かつ、バンド幅が狭い良好なフィルタ特性を
実現することが可能となる。

【００３２】本実施の形態による波長可変フィルタの各
構成要素の働きは、第１の実施の形態の場合と同様であ
るが、左方向駆動用固定電極対２０４Ａ、２０４Ｂおよ
び右方向駆動用固定電極対２０３Ａ、２０３Ｂに印加す
る電圧を、それぞれ、Ｖ_＋、Ｖ₋としたとき、電圧一定
のバイアス電圧Ｖ_０と電圧可変の制御電圧Ｖとを用い
て、Ｖ_＋＝Ｖ_０＋Ｖ、Ｖ₋＝Ｖ_０−Ｖと、左方向駆動用
固定電極対２０４Ａ、２０４Ｂと右方向駆動用固定電極
対２０３Ａ、２０３Ｂとに、差動的に電圧を印加して可
動電極を駆動することにより、印加電圧に対する変位応
答の線形性を改善することも可能である。その効果は変
位が小さい時に、より顕著となる。

【００３３】次に、本実施の形態におけるミラーの構造
について説明する。フォトニック結晶からなるミラーは
可動ミラー２０５および固定ミラー２０６ともに長方形
の空孔を形成した構造材層と、空孔を満たしている空気
層との周期構造からなる1次元フォトニック結晶より成
っている。構造材層および空気層それぞれの層厚ｄ_Ｓお
よびｄ_Ａは、各層の屈折率をそれぞれｎ_Ｓおよびｎ_Ａ、
波長可変フィルタの動作帯域の真空中での中心波長をλ
として、（３）式のように決定される。ｄ_ｉ＝ｕλ／４ｎ_ｉ・・・（３）ここで、ｕは奇数であり、各層で異なる値をとっても構
わない。また、添え字ｉは、構造材層（ｉ＝Ｓ）および
空気層（ｉ＝Ａ）を示している。

【００３４】これにより、λを中心波長としたフォトニ
ックバンドギャップが形成され、波長可変フィルタの動
作帯域において１次元フォトニック結晶が高反射率ミラ
ーとして機能する。ｕの値が大きくなれば、それだけ作
製は容易になるが、フォトニックバンドギャップを示す
波長帯域は狭くなる。本実施の形態における１次元フォ
トニック結晶を用いた可動ミラー２０５および固定ミラ
ー２０６は、空気層を４層含む次のような周期構造とな
る。構造材層（ｄ_Ｓ＝ｕ_Ｓλ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝ｕ
_Ａλ/４）／構造材層（ｄ_Ｓ＝ｕ_Ｓλ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝ｕ
_Ａλ/４）／構造材層（ｄ_Ｓ＝ｕ_Ｓλ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝ｕ
_Ａλ/４）／構造材層（ｄ_Ｓ＝ｕ_Ｓλ/４ｎ_Ｓ）／空気層（ｄ_Ａ＝ｕ
_Ａλ/４）／構造材層（ｄ_Ｓ＝ｕ_Ｓλ/４ｎ_Ｓ）ただし、空気の屈折率：ｎ_Ａ＝１とした。本実施の形態
では、上記の通り空気層が４層含まれる構造を採ってい
るが、もちろん、その周期は数周期もあれば十分であ
る。本発明の波長可変フィルタの構造材層としては、第
１の実施の形態と同様に、既に半導体微細加工技術の分
野において十分な実績があり、尚且つ、高屈折率を有す
るＳｉが使用された。

【００３５】次に、本実施の形態の波長可変フィルタの
製造方法について説明する。図９（ａ）〜図１１（ｄ）
は、本実施の形態の製造方法を説明するための工程順の
断面図である。図９（ａ）〜図１１（ｄ）は、図８のＢ
−Ｂ線に沿った断面を９０°左回転して示している。本
実施の形態の波長可変フィルタは、以下に示すような、
ＳＯＩ基板を用いた２枚マスクによる表面プロセスによ
り一括形成される。１枚目のマスクでは、本実施の形態
の波長可変フィルタの構成要素である１次元フォトニッ
ク結晶ミラーから成る共振器および静電駆動型マイクロ
アクチュエータのパターニングを行う。また、２枚目の
マスクでは、光が入射する側と出射する側とに直径１２
５μｍのコリメーション・ファイバ２本を共振器を挟む
ように突き合せて配置するためのファイバ挿入溝のパタ
ーニングを行う。

【００３６】まず、Ｓｉ基板２４３上に埋込み酸化膜２
４２を介してＳＯＩ層２４１が形成された面指数（１１
０）のＰ型ＳＯＩ基板２４０を用意し〔図９（ａ）〕、
ウエハ表面に濃度１０^２０ｃｍ^−３程度のボロン拡散層
２４４を形成する〔図９（ｂ）〕。次に、ウエハ表面に
熱酸化膜２４５を形成する〔図９（ｃ）〕。次いで、１
次元フォトニック結晶ミラーから成る共振器および静電
駆動型マイクロアクチュエータがパターニングされてい
る１枚目のマスクを用いてフォトリソグラフィーを行
い、熱酸化膜２４５上に第１のレジスト層２４６をパタ
ーニングする〔図９（ｄ）〕。この時、波長可変フィル
タの可動ミラー２０５および固定ミラー２０６のミラー
面とＳＯＩ層２４１の（１１１）面とが一致するよう、
マスクとＳＯＩウエハ２４０とをアライメントする。次
いで、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により熱酸
化膜２４５のパターニングを行った〔図１０（ａ）〕
後、第１のレジスト層２４６を取り除く〔図１０
（ｂ）〕。次に、熱酸化膜２４５の上に第２のレジスト
層２４７を厚く塗り、ファイバ挿入溝がパターニングさ
れている２枚目のマスクを用いてフォトリソグラフィー
技術により第２のレジスト層２４７のパターニングを行
う〔図１０（ｃ）〕。次いで、ＲＩＥ技術により、順
次、ＳＯＩ層２４１のエッチング〔図１０（ｄ）〕、埋
め込み酸化膜２４２のエッチング〔図１０（ｅ）〕、Ｓ
ｉ基板２４３のエッチング〔図１１（ａ）〕を行ってフ
ァイバ挿入溝を浅く形成する。次に、第２のレジスト層
２４７を除去〔図１１（ｂ）〕した後、熱酸化膜２４５
をマスクとしてＲＩＥ技術によりＳＯＩ層２４１のエッ
チングを行い、その後、ＫＯＨ水溶液によりミラー面と
して機能する可動ミラー２０５および固定ミラー２０６
の側壁をより平坦化する〔図１１（ｃ）〕。この側壁平
坦化の原理は次の通りである。ミラー面として機能する
側壁に一致するようアライメントされたＳＯＩ層２４１
の（１１１）面はＫＯＨ水溶液に対するエッチングレー
トが非常に低い。一方、側壁に存在する凹凸は様々な結
晶面が露出しているためにＫＯＨ水溶液に対するエッチ
ングレートが高い。この両者のエッチングレートの差に
より側壁の平坦性が著しく改善される。最後に、ＨＦ水
溶液により熱酸化膜２４５と、可動部の埋め込み酸化膜
２４２の除去〔図１１（ｄ）〕とを行い、可動部をリリ
ースして本実施の形態の波長可変フィルタの製造工程を
完了する。なお、本実施の形態においては金属製の電極
パッドは形成しなかったが、図１１（ｄ）の工程の終了
後にメタルマスクを介して金属膜を被着してメタルパッ
ドを形成することもできる。また、図９（ｂ）に示すよ
うに、ＳＯＩ層表面にボロン拡散層を形成した後、リフ
トオフ法ないし堆積／フォトエッチング法によって金属
電極パッドを形成し、その上にエッチング用マスクとな
る酸化膜をＣＶＤ法により形成すればよい。あるいは、
図９（ｃ）に示す工程において、熱酸化膜２４５を形成
するのに代えて電極パッドとなる金属膜を被着し、これ
をマスクとしてＳＯＩ層、Ｓｉ基板のエッチングを行う
ようにしてもよい。

【００３７】以上により、本実施の形態の波長可変フィ
ルタの各構成要素が形成される。埋め込み酸化膜２４２
の除去に際しては、図８に示すように、固定電極２０３
Ａ、２０３Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂや固定ミラー２０
６、固定端２０９等の埋め込み酸化膜２４２を介してＳ
ｉ基板２４３に固定されるべき部分と、Ｓｉ基板２４３
から完全にリリースされるべき可動電極２０１Ａ、２０
１Ｂやバネ２０２とでは、その構造の幅や面積の上でか
なりの差を持たせているため、ＨＦ水溶液に浸漬する時
間を適度に調節すれば、可動電極２０１Ａ、２０１Ｂと
バネ２０２のみをＳｉ基板２４３からリリースすること
が可能となる。なお、固定電極と可動電極との櫛歯の幅
が等しければ、基板からの可動電極のリリースとともに
固定電極の櫛歯の部分もリリースするが、図８に示すよ
うに櫛歯の幅をバネの幅よりも広くして剛性を高くして
おくと、固定電極に電圧を印加し、固定電極の櫛歯と可
動電極の櫛歯との間に静電力を作用させてもバネが変形
するだけであるので、固定電極の櫛歯が基板からリリー
スすることには何ら問題がない。

【００３８】次に、本実施の形態の波長可変フィルタの
動作を具体的に説明する。本実施の形態の波長可変フィ
ルタは、ＳＯＩ層の膜厚が４０μｍ、埋込み酸化膜の膜
厚が２μｍのＳＯＩ基板２４０を用いて試作された。試
作した波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエー
タ部の主要な構造パラメータを以下に記す。構造材は、
Ｓｉである。構造は図７、図８に示されるものと同じで
ある。可動電極の櫛歯と固定電極の櫛歯との間の狭い方
の間隙と広い方の間隙の比は、１：２．８とした。

【００３９】櫛歯同士対向し合った部分の長さ：５０
μｍ櫛歯の幅：４μｍ可動電極２０１Ａ、２０１Ｂの櫛歯数：各１１固定電極２０３Ａ、２０３Ｂの櫛歯数：各６固定電極２０４Ａ、２０４Ｂの櫛歯数：各６可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の狭い方の間隙：
１．５μｍ可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の広い方の間隙：
４．２μｍ可動電極を支持するバネのバネ定数：２１８Ｎ／ｍ

【００４０】フォトニック結晶からなるミラーの構造
は、図８に示されるような１次元フォトニック結晶構造
とした。その周期構造は、動作帯域の中心波長をλ＝
１．５５μｍとして、空気の層を４層含んだ次のような
構造とした。Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）ファブリペロー共振器部の主要な構造パラメータは以下
の通りである。構造材層の高さ：４０μｍ対向するミラー間の初期間隙：１．５５μｍ本実施の形態の波長可変フィルタは、チップ自体の大き
さに限って言及すれば、約１ｍｍ角内に収まる超小型素
子であり、アレイ化にも適した構造である。

【００４１】本実施の形態の波長可変フィルタにおける
マイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・
ドップラー振動計で調べたところ、固定電極２０３Ａ、
２０３Ｂに約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極２０
１Ａ、２０１Ｂは初期位置からミラー間隔が縮まる方向
に２００ｎｍ、固定電極２０４Ａ、２０４Ｂに２８Ｖの
電圧を印加した時に可動電極２０１Ａ、２０１Ｂは初期
位置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動
することが判明した。また、駆動電圧の周波数をスイー
プしてマイクロアクチュエータの周波数応答スペクトル
を調べたところ、共振周波数が約６０ｋＨｚであること
も判った。

【００４２】次に、本実施の形態の波長可変フィルタの
分光特性を調べた。分光特性評価時の光学系は、光が入
射する側と出射する側とにそれぞれ１本の直径１２５μ
ｍのコリメーション・ファイバを共振器を挟むように突
き合せて配置した。コリメーション・ファイバのビーム
ウエストにおけるビーム径は約２０μｍ、ワーキングデ
ィスタンスは３００μｍである。以上のような光学系の
下、波長可変フィルタに入射する光の波長をスイープさ
せて分光特性を測定したところ、固定電極に電圧を印加
していない状態での透過スペクトルの中心波長は設計通
りに、１．５５μｍであった。固定電極２０３Ａ、２０
３Ｂに印加する電圧値を増大させるに従い共振器長が減
少して透過スペクトルの中心波長は短くなり、２８Ｖ印
加時では約１４７５ｎｍであった。一方、固定電極２０
４Ａ、２０４Ｂに印加する電圧値を増大させた場合に
は、共振器長の増加に伴い透過スペクトルの中心波長も
長くなり、２８Ｖ印加時には約１６０５ｎｍであった。
また、上記波長可変帯域１４７５ｎｍから１６０５ｎｍ
において、透過スペクトルの透過損失は−０．８ｄＢ以
内、半値幅は０．０６ｎｍ以下であった。なお、透過ス
ペクトルのピークからゲインを２５ｄＢ低下させたレベ
ルでの帯域幅（−２５ｄＢバンド幅）は０．８ｎｍ以下
であった。

【００４３】〔第３の実施の形態〕図１２は、本発明の
第３の実施の形態の波長可変フィルタの斜視図である。
図１３は、第３の実施の形態の波長可変フィルタの平面
図である。ここで、図１２は、本実施の形態の波長可変
フィルタにおいて必要となる最少構成要素のみを簡潔に
記した概念図であり、図１３は、実用性を考慮した詳細
設計に基づいて描かれたデバイスレイアウト図である。
図１３に示すように、本実施の形態における波長可変フ
ィルタは、Ｃ−Ｃ線に関して左右反転対称であり、左半
分の構造は、図８に示される第２の実施の形態の波長可
変フィルタの構造と同じである。図１２および図１３に
おいて、図１および図８に示した第１および第２の実施
の形態と同等の構成要素には下二桁が等しい参照符号を
付し、さらに、右半分の構成要素には参照符号の後
に「’」を付して、重複する説明を省略する。固定ミラ
ー３０６は左右で共通である。なお、図１２では基板と
絶縁層が、図１３では電極パッド部が省略されている。

【００４４】本実施の形態における波長可変フィルタ
は、フォトニック結晶からなる固定ミラー３０６の左右
両側に可動ミラー３０５および３０５’が対向する構
造、すなわち２つのキャビティを持つ構造をとってい
る。ファブリペロー共振器において、第１および第２の
実施の形態のようにキャビティを１つしか有しない構造
がシングルキャビティ構造と呼ばれるのに対して、本実
施の形態のようにキャビティを複数有する構造はマルチ
キャビティ構造と称されるが、このマルチキャビティ構
造を採用することによって、透過スペクトルの矩形性
を、シングルキャビティ構造に比べて著しく改善するこ
とができる。透過スペクトルの矩形性改善は、波長分割
多重（ＷＤＭ）光伝送方式において、波長領域における
隣接チャネル間のクロストークを抑制しつつ、１チャネ
ルあたりのバンド幅を広げることができるので有益であ
る。本実施の形態の波長可変フィルタは、第２の実施の
形態の波長可変フィルタと同様の製造方法によって作製
可能である。

【００４５】フォトニック結晶からなるミラーの構造
は、図１３に示すように、第２の実施の形態の場合と同
様に１次元フォトニック結晶構造とした。可動ミラー３
０５および３０５’の周期構造は、第２の実施の形態と
全く同じであり、その動作帯域の中心波長がλ＝１．５
５μｍとなるように、空気層を４層含んだ以下のような
構造とした。Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）

【００４６】また、固定ミラー３０６の周期構造は、動
作帯域の中心波長がλ＝１．５５μｍとなるように、空
気層を９層含んだ以下のような構造とした。Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／Ｓｉ層（９９６ｎｍ）

【００４７】共振器部の主要な構造パラメータは以下の
通りである。構造材層の高さ：４０μｍ対向するミラー間の初期間隙：１．５５μｍ

【００４８】本実施の形態の波長可変フィルタにおける
マイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・
ドップラー振動計で調べたところ、第２の実施の形態の
場合と同様な動特性が得られた。まず、固定電極３０３
Ａ、３０３Ｂに約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極
３０１Ａ、３０１Ｂは初期位置からミラー間隔が縮まる
方向に２００ｎｍ、固定電極３０４Ａ、３０４Ｂに２８
Ｖの電圧を印加した時に可動電極３０１Ａ、３０１Ｂは
初期位置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進
移動することが判明した。同様に、固定電極３０３
Ａ’、３０３Ｂ’に約２８Ｖの電圧を印加した時に可動
電極３０１Ａ’、３０１Ｂ’は初期位置からミラー間隔
が縮まる方向に２００ｎｍ、固定電極３０４Ａ’、３０
４Ｂ’に２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極３０１
Ａ’、３０１Ｂ’は初期位置からミラー間隔が広がる方
向に２００ｎｍ並進移動することが明らかとなった。ま
た、駆動電圧の周波数をスイープしてマイクロアクチュ
エータの周波数応答スペクトルを調べたところ、可動ミ
ラー３０５および３０５’ともに主共振が約６０ｋＨｚ
であることが判った。

【００４９】次に、第２の実施の形態の場合と同じ光学
系を用いて、本実施の形態の波長可変フィルタの分光特
性を調べた。波長可変フィルタに入射する光の波長をス
イープさせて分光特性を測定したところ、固定電極に電
圧を印加していない状態での透過スペクトルの中心波長
は設計通りに、１．５５μｍであった。固定電極３０３
Ａ、３０３Ｂ、３０３Ａ’、３０３Ｂ’に印加する電圧
値を増大させるに従い共振器長が減少して透過スペクト
ルの中心波長は短くなり、２８Ｖ印加時では約１４７５
ｎｍであった。一方、固定電極３０４Ａ、３０４Ｂ、３
０４Ａ’、３０４Ｂ’に印加する電圧値を増大させた場
合には、共振器長の増加に伴い透過スペクトルの中心波
長も大きくなり、２８Ｖ印加時には約１６０５ｎｍであ
った。上記波長可変帯域１４７５ｎｍから１６０５ｎｍ
において、透過スペクトルの透過損失は−１．５ｄＢ以
内、半値幅は０．０６ｎｍ以下であった。また、−２５
ｄＢバンド幅は、０．４ｎｍ以下であった。−２５ｄＢ
バンド幅／半値幅比を、本実施の形態の場合と第２の実
施の形態の場合とで比較すると、本実施の形態の場合の
方が第２の実施の形態の場合の半分程度である。したが
って、本実施の形態における波長可変フィルタは、共振
器の構造がダブルキャビティ構造であることにより、第
２の実施の形態におけるシングルキャビティの共振器の
波長可変フィルタに比べ、その透過スペクトルの矩形性
が改善されていることが明らかである。

【００５０】〔第４の実施の形態〕図１４は、本発明の
第４の実施の形態の波長可変レーザの斜視図である。図
１４には、本実施の形態の波長可変レーザにおいて必要
となる最少構成要素のみが簡潔に記されている。図１４
に示されるように、本実施の形態における波長可変レー
ザは、第１あるいは第２の実施の形態における波長可変
フィルタの固定ミラーの替わりにレーザチップ４６１を
搭載した構造となっている。図１４において、図１に示
した第１の実施の形態と同等の構成要素には下２桁が等
しい参照符号を付して、重複する説明を省略する。レー
ザチップ４６１と可動ミラー４０５は、ファブリペロー
型レーザを構成し、その共振器長は約３００μｍであ
る。レーザチップ４６１の可動ミラー４０５と向き合う
側のへき開面には反射防止膜が形成されており、レーザ
チップ４６１は可動ミラー４０５から約３μｍ隔てた位
置に実装されている。このような構成により、可動ミラ
ー４０５を外部共振器とした波長可変レーザを得ること
ができる。

【００５１】本実施の形態の波長可変レーザは、レーザ
チップ４６１を除けば、外部共振機構および静電駆動型
マイクロアクチュエータからなる共振器長可変機構と
も、第２の実施の形態の波長可変フィルタと同様の製造
方法によって作製可能である。フォトニック結晶からな
る可動ミラー４０５の周期構造は、動作帯域の中心波長
がλ＝１．５５μｍとなるように、空気層を４層含んだ
第２および第３の実施の形態の構造と全く同じある。構
造材層の高さおよび可動ミラー４０５の１次元フォトニ
ック結晶が形成されている部分の幅は４０μｍである。

【００５２】本実施の形態の波長可変フィルタにおける
マイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・
ドップラー振動計で調べたところ、第２の実施の形態の
場合と同様な動特性が得られた。固定電極４０３Ａ、４
０３Ｂに約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極４０１
Ａ、４０１Ｂは初期位置から可動ミラー４０５とレーザ
チップ４６１との間隔が縮まる方向に２００ｎｍ、固定
電極４０４Ａ、４０４Ｂに２８Ｖの電圧を印加した時に
可動電極４０１Ａ、４０１Ｂは初期位置から可動ミラー
４０５とレーザチップ４６１との間隔が広がる方向に２
００ｎｍ並進移動することが判明した。また、駆動電圧
の周波数をスイープしてマイクロアクチュエータの周波
数応答スペクトルを調べたところ、可動ミラー４０５の
主共振が約６０ｋＨｚであることが判った。

【００５３】また、上述のマイクロアクチュエータ部の
動特性評価と同時に、レーザチップ４６１に２５ｍＡの
動作電流を流し、本実施の形態の波長可変レーザの発振
特性を調べた。その結果、ファブリペロー型レーザの縦
モードのうちある特定の発振モードに着目すると、上述
のように可動ミラー４０５を±２００ｎｍ動かしたとき
に、発振波長が約０．４ｎｍシフトすることが明らかに
なった。第４の実施の形態は、第２の実施の形態とレー
ザチップとを組み合わせたものであったが、第３の実施
の形態の固定ミラーに代えてレーザチップを配置するよ
うにすることもできる。この場合にはレーザチップの両
端面に反射防止膜が形成される。

【００５４】以上、本発明をその好適な実施の形態に基
づいて説明したが、本発明の波長可変フィルタおよび波
長可変レーザは、上述した実施の形態のみに制限される
ものではなく、本願発明の要旨を変更しない範囲で種々
の変化を施した波長可変フィルタも、本発明の範囲に含
まれる。例えば、可動電極および固定電極の櫛歯数は、
必要な静電引力に応じて変更することができる。可動電
極を支持する４本のバネも、板バネだけではなく、可動
電極の変位量を大きくしたい場合には、バネ定数の小さ
くなる複数回の折り返し構造を持つバネにしてもよい。
また、構造材はＳｉに限らず、ＧａＡｓやＩｎＰ等の高
屈折率を持つ材料が用いられ得る。ミラーの構造につい
ても、１次元フォトニック結晶に限らず、構造材中に円
柱孔が三角格子配列あるいは正方格子配列した２次元フ
ォトニック結晶構造を用いても良い。さらに、エッチン
グマスクとして用いた熱酸化膜は、熱酸化膜に限らず、
シリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜とシリコン窒化
膜とを積層したものであってもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による波長
可変フィルタは、ファブリペロー共振器型波長可変フ
ィルタの共振器を構成する対向する一対のミラーのミラ
ー面が基板に対して垂直に形成され、そのミラーが高屈
折率半導体と空気の周期構造から成るフォトニック結晶
である、光の伝播経路にフォトニック結晶からなるミ
ラー以外に基板等の不要な物質が存在しない、という特
徴を有するものであるので、本発明によれば、広帯域に
おいて透過スペクトルの透過率が高く、尚且つ、そのバ
ンド幅が狭い良好なフィルタ特性を示す波長可変フィル
タを実現することが可能になる。

【００５６】また、本発明による波長可変フィルタおよ
び波長可変レーザは、共振器を構成するミラーを高屈
折率半導体と空気の周期構造から成る１次元フォトニッ
ク結晶構造とする、ファブリペロー共振器の共振器長
可変機構を静電駆動型マイクロアクチュエータで構成す
る、マイクロアクチュエータの構造材がフォトニック
結晶の構造材と同じ高屈折率半導体である、という特徴
を有するものであるので、半導体微細加工技術を基礎と
したマイクロマシーニングによって、共振器長可変機構
およびフォトニック結晶構造を一括成形できる。したが
って、本発明によれば、小型で安価な波長可変フィルタ
および波長可変レーザを実現することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の波長可変フィル
タの斜視図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の固定ミラーの平
面図。

【図３】本発明の第１の実施の形態の波長可変ミラー
の平面図。

【図４】本発明の第１の実施の形態の一製造方法を説
明するための工程順の断面図の一部。

【図５】本発明の第１の実施の形態の一製造方法を説
明するための、図４の工程に続く工程での工程順の断面
図。

【図６】本発明の第１の実施の形態の他の製造方法を
説明するための工程順の断面図。

【図７】本発明の第２の実施の形態の波長可変フィル
タの平面図。

【図８】図７の波長可変フィルタの主要部の平面図。

【図９】本発明の第２の実施の形態の製造方法を説明
するための工程順断面図の一部。

【図１０】本発明の第２の実施の形態の製造方法を説
明するための、図９の工程に続く工程での工程順断面図
の一部。

【図１１】本発明の第２の実施の形態の製造方法を説
明するための、図１０の工程に続く工程での工程順断面
図。

【図１２】本発明の第３の実施の形態の波長可変フィ
ルタの斜視図。

【図１３】図１２の波長可変フィルタの平面図。

【図１４】本発明の第４の実施の形態の波長可変レー
ザの斜視図。

【図１５】従来例の波長可変フィルタの断面図。

【符号の説明】

１０１Ａ、１０１Ｂ、２０１Ａ、２０１Ｂ、３０１Ａ、
３０１Ｂ、３０１Ａ’、３０１Ｂ’、４０１Ａ、４０１
Ｂ可動電極１０２、２０２、３０２、３０２’、４０２可動電極
を支持する４本のバネ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、
１０４Ｂ、２０３Ａ、２０３Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂ、
３０３Ａ、３０３Ｂ、３０４Ａ、３０４Ｂ、３０３
Ａ’、３０３Ｂ’、３０４Ａ’、３０４Ｂ’、４０３
Ａ、４０３Ｂ、４０４Ａ、４０４Ｂ固定電極１０５、２０５、３０５、３０５’、４０５フォトニ
ック結晶からなる可動ミラー１０６、２０６、３０６フォトニック結晶からなる固
定ミラー１０７基板１０８絶縁層１０９、２０９、３０９、３０９’、４０９可動電極
を支持する４本のバネの固定端１２０構造材層１２１空気層１３０熱酸化膜１３１レジスト膜１３２保護用レジスト１３３溝１４０、２４０ＳＯＩ基板１４１、２４１ＳＯＩ層１４２、２４２埋め込み酸化膜１４３、２４３Ｓｉ基板１５１シリコン基板１５２、１５３レジストパターン１５４ガラス基板２２０_１、２２０_２、２２０_３電極取出し部２２１、３２１、３２１’ ストッパー２２２、３２２、３２２’ 間隔２４４ボロン拡散層２４５熱酸化膜２４６第１のレジスト層２４７第２のレジスト層４６１レーザチップ５００光導波路基板５０１、５０２光導波路５０３ダイヤフラム型マイクロマシン５０４本体５０５ダイヤフラム５０６、５０７電極５０８、５０９ハーフミラー５１０、５１１光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対をなして平行に対向配置されたミラー
よりなる共振器と、前記対をなすミラーの間隙を変化さ
せて共振器長を変える間隔可変機構と、を有する波長可
変デバイスにおいて、前記対をなすミラーの少なくとも
一方と前記間隔可変機構とがともに基板上に一体的に形
成され、かつ、そのミラーのミラー面が前記基板の基板
面に対して垂直に形成されていることを特徴とする波長
可変デバイス。
【請求項２】前記基板上に形成されたミラーが、入射
する光に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャ
ップを持つ半導体と空気の周期構造から成るフォトニッ
ク結晶であることを特徴とする請求項１に記載の波長可
変デバイス。
【請求項３】前記間隔可変機構がマイクロマシンによ
って構成されることを特徴とする請求項１または２に記
載の波長可変デバイス。
【請求項４】前記間隔可変機構が静電駆動型マイクロ
アクチュエータによって構成されることを特徴とする請
求項１から３のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項５】前記間隔可変機構が、基板上に固定され
た固定電極と、前記ミラーのいずれかと一体形成された
可動電極と、を備えていることを特徴とする請求項４に
記載の波長可変デバイス。
【請求項６】前記固定電極と前記可動電極とが櫛歯状
に入り組んで形成されていることを特徴とする請求項５
に記載の波長可変デバイス。
【請求項７】前記固定電極の各櫛歯からの、該各櫛歯
の両隣に隣接する前記可動電極の２枚の櫛歯までの距離
(以下、「櫛歯間ギャップ寸法」という)が、前記固定電
極と前記可動電極との間への電界無印加時において互い
に異なり、前記固定電極と前記可動電極との間に電界を
印加することによって、狭い方の櫛歯間ギャップ寸法
が、電界無印加時の狭い方の櫛歯間ギャップ寸法(以
下、「最小櫛歯間ギャップ寸法」という)よりも狭まる
方向に可動電極が移動することを特徴とする請求項６に
記載の波長可変デバイス。
【請求項８】前記固定電極が、相異なる２方向に前記
可動電極を移動させる２種類の固定電極（以下、「正方
向駆動用固定電極」および「負方向駆動用固定電極」と
いう）より成ることを特徴とする請求項７に記載の波長
可変デバイス。
【請求項９】前記可動電極の中央の櫛歯が、前記正方
向駆動用固定電極端の櫛歯と負方向駆動用固定電極端の
櫛歯とに挟まれ、前記可動電極の中央の櫛歯と、その両
隣の前記正方向駆動用固定電極端の櫛歯および負方向駆
動用固定電極端の櫛歯との櫛歯間ギャップ寸法が、前記
固定電極と前記可動電極との間への電界無印加時におい
て、ともに最小櫛歯間ギャップ寸法であることを特徴と
する請求項８に記載の波長可変デバイス。
【請求項１０】電圧一定のバイアス電圧Ｖoを出力す
るバイアス電圧源と電圧可変の制御電圧Ｖを出力する制
御電圧源とを用いて、前記正方向駆動用固定電極および
前記負方向駆動用固定電極と、前記可動電極との間に、
それぞれ、Ｖo＋Ｖ、Ｖo−Ｖとなる電圧を印加すること
を特徴とする請求項８または９に記載の波長可変デバイ
ス。
【請求項１１】前記可動電極が、該可動電極を支持す
るバネの固定端によって前記基板に支持されていること
を特徴とする請求項５から１０のいずれかに記載の波長
可変デバイス。
【請求項１２】前記基板が半導体によって形成され、
前記可動電極と前記固定電極とがともに前記基板上に絶
縁層を介して形成された半導体層から形成されているこ
とを特徴とする請求項５から１１のいずれかに記載の波
長可変デバイス。
【請求項１３】前記可動電極と前記可動ミラーの下部
の前記絶縁層が除去されていることを特徴とする請求項
１２に記載の波長可変デバイス。
【請求項１４】前記基板と前記絶縁層と前記半導体層
とにより、前記半導体層をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板が
構成されていることを特徴とする請求項１２または１３
に記載の波長可変デバイス。
【請求項１５】前記半導体層が（１１０）面を表面に
持つシリコン層であって、前記共振器のミラー面が前記
シリコン層の（１１１）面であることを特徴とする請求
項１２から１４のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項１６】前記可動電極の変位を検知する静電容
量型変位センサを具備していることを特徴とする請求項
５から１４のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項１７】対をなす前記ミラーの双方が、入射す
る光に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャッ
プを持つ半導体と空気との周期構造から成るフォトニッ
ク結晶であることを特徴とする請求項１から１６のいず
れかに記載の波長可変デバイス。
【請求項１８】前記間隔可変機構が連結された共振器
が光伝播経路内に複数個直列に配置されていることを特
徴とする請求項１７に記載の波長可変デバイス。
【請求項１９】固定のミラーを共通にしてその前後に
前記間隔可変機構を備えたミラーがそれぞれ配置されて
いることを特徴とする請求項１８に記載の波長可変デバ
イス。
【請求項２０】対をなすミラーの一方が前記間隔可変
機構を有し、他方が光増幅機能を有する半導体チップで
あって、前記間隔可変機構を有するミラーがレーザの外
部共振器として機能することを特徴とする請求項１から
１６のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項２１】対をなすミラーの双方が前記間隔可変
機構を有し、かつ、双方が入射する光に対し所望の波長
帯域にフォトニックバンドギャップを持つ半導体と空気
との周期構造から成る１次元または２次元フォトニック
結晶であり、前記対をなすミラー間に光増幅機能を有す
る半導体チップが配置され、前記対をなすミラーがレー
ザの外部共振器として機能することを特徴とする請求項
１から１６のいずれかに記載の波長可変デバイス。