JP2005318462A - 音響電気変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で、且つ、半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な電気音響変換素子を提供することにある。
【解決手段】 音響電気変換素子においては、光源１４からの光波が振動基板１０の第１の光導波路に導入され、この第１の光導波路上に設けられた回折格子によって回折される。回折光は、光検出器１８に向けられて検出される。ここで、振動基板１０は、音響波に対して振動可能に支持され、従って、光検出器１８で検出される回折光は、音響波で変調され、検出器１８からは音響波に応じた信号が出力される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音響電気変換素子に係り、特に、音波に基づく機械的振動を光学的に検出して電気信号に変換する音響電気変換素子に関する。

音波に基づく機械的変位を電気信号に変換する音響電気変換素子としてマイクロフォンが知られている。一般的なマイクロフォンは、音波によって機械的に振動する振動板が貼り付けられている構造を有し、その振動板の質量及びバネ定数によって、共振周波数が一意的に決まっている。公称では、その周波数特性がフラットであるとされていても、その振動板に固有の共振周波数から遠ざかるにつれて、感度が低下する傾向がある。ダイナミックレンジが広いマイクロフォンを実現する手法として、振動板の大きさ並びにバネ定数が異なる振動板を複数個配置する手法が特許文献１及び特許文献２に報告されている。

一方、音圧によって振動板の振動変位を静電容量として検出するコンデンサマイクロフォンが知られ、また、音圧によって振動する振動板に光波を照射し、その反射光波の光強度の変化を振動板の振動変位として検出する光マイクロフォンが知られている（特許文献１及び２参照）。光マイクロフォンは、コンデンサマイクロフォンに比較して、指向性、耐雑音性といった観点から優れた特性が期待されている。

従来の光マイクロフォンでは、振動板に気体レーザ、固体レーザ或いは半導体レーザダイオードのレーザ波を照射し、その反射光波の光強度の変化を振動板の振動変位として検出している。このように振動板の振動振幅を光学的に検出する光マイクロフォンは、振動板の裏面に電極等を設置することを必ずしも必要としないため、振動板の表裏で同一の空間状況を作り出すことができ、従って、音圧傾度型マイクロフォンを形成することができる。

また、複数のコンデンサマイクロフォンを用い、その遅延和を利用することで単一指向性を実現するマイクロフォンアレイ技術がある。また、本来は密閉されている容器の一部にパイプを増設して振動板の後ろに外気を供給し、前方からの音波を遅れて振動板の背面に到達させてその分だけ「速度型」の動作を与え、全体として「単一指向性」の動作をさせる手法も取られている。
特開２００１−２９２４９８号公報 特開２００１−２３１１００号公報 ロッシ著，福田国弥，中井祥夫，加藤利三訳，物理学叢書「光学」，吉岡書店（１９６７）

上記の特許文献１及び特許文献２において提案された方法では、機械的な構造や寸法の制約による不具合がある。又、実装においても、製品群が増加するため歩留まりの低下が懸念される。

又、特許文献１に開示された従来の光マイクロフォンは、反射型のマイクロフォンであり、その構造では、振動板に対して入射する光の入射光学系及び反射光を所定のフォトディテクタへと導く反射光学系において、高い光学精度が要求される。そのため、入射光及び反射光に任意の光路をとらせるために、光ファイバ、光ガイドが用いられている。又、フォトディテクタ面において、振動板の振動変位に対応する反射光の移動幅を大幅に増大させるため、受光・発光素子の搭載された基板と振動板との間にレンズ素子の設置等の措置をとっている。即ち、従来の光マイクロフォンの集光方式では、振動板から反射される光波は広がるため、微小な振動板の振動変位をフォトディテクタで検知し、光強度の違いを検出するために強い光強度が必要で、このためには光路の補助や補正する要素を必要としている。そのため、発光・受光素子及び振動板以外に、高度な位置合わせを実現する光学素子並びに新たなシステムを必要とし、且つ、高精度な光学的アライメントが要求される。したがって、製品としての歩留まりの低下を招く恐れがある。それに付随してシステムとしてのコストも高くなってしまう。又、光ファイバや光ガイドを用いた場合、その使用範囲及び用途が大幅に限定されてしまう問題がある。また、その構造からも理解されるように光反射型のマイクロフォンは、小型化が困難である問題もある。

単純構造で鋭い指向性を実現できる光マイクロフォンは、非常に有用であるが、光源・振動板・光検出素子をそれぞれ厳密に適した位置に配置する必要があり、組み立て時の困難を伴う。また、基本的に従来の光マイクロフォンは、上記3素子を個別に導入するため、そのアライメントのために、空間的に大きなスペースを浪費している。限られた狭いスペースに配置されることが多く望まれるマイクロフォンシステムあって、2次元的あるいは3次元的に大きなスペースを取らざるを得ない現状の光マイクロフォンの適応は難しいと容易に推測できる。

この発明は上述した事情に鑑みなされたものであって、その目的は、小型でかつ半導体素子の設計レベルで光学的なアライメントが可能な電気音響変換素子を提供することにある。

この発明によれば、
光波が導入される光導波路を有する基板と、及び
音響波に対して前記基板に振動可能に支持され、前記第１の光導波路を伝播する光波を回折し、回折光を光検出器に向ける回折格子から成る振動板と、
を具備することを特徴とする音響電気変換素子が提供される。

また、この発明によれば、
音響波に対して振動可能に基板に支持され、光波が照射され、光導波路に向けて光波を回折し、この光導波路を介して導かれた回折光を光検出器で検出させる回折格子から成る振動板と、
を具備することを特徴とする音響電気変換素子が提供される。

この発明の音響電気変換素子においては、半導体基板上に光源から照射された光波を振動板へと導く光導波路が形成され、振動板には光波を自由空間の点に集光する回折格子が形成されている。振動板と基板とが光を導波する連結部で連結されている。つまり、この連結部が基板に振動板を吊り下げるバネの役割をも果たしている。この構造によれば、従来3次元方向の空間的に位置していた光源を基板と同一平面状に設置することが可能となり省スペース化を図ることができる。更に、光検出素子を半導体基板上に形成し、或いは、光検出素子が形成された半導体チップを半導体基板に張り合わせることでハイブリッド型の光集積システムの構築が可能になり、３次元方向にスペースを要しない極めて小型のマイクロフォンの提供が可能となる。

以下図面を参照してこの発明の実施の形態に係る音響電気変換素子について説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に係る音響電気変換素子を概略的に示す斜視図である。図１に示される音響電気変換素子は、屈折率ｎｓを有する基板２上に光波をガイドする屈折率ｎｆを有する導波層４が形成されるとともに基板２並びに導波層４の積層構造６を有し、この積層構造６には、空洞或いは中空部８が形成されて枠体１７が形成され、この空洞部８に振動板としてのＦＧＣ(Focusing Grating Coupler：集光グレーティングカプラ)１０が配置され、枠体１７には、ＦＧＣ１０が導波層４を有する導波路部１２によって吊り下げられている。即ち、振動板としてのＦＧＣ１０は、外部から向けられる音波に対して微小振動するようにバネ機能を有する導波路部１２によって枠体１７に連結支持されている。ここで、枠体１７に吊り下げられたＦＧＣ１０は、音響周波数(例えば、20〜20kHz)に感度を示すような機械的な振動特性を有している。

また、積層構造６の側部には、光波１６を導波層４及び支持部１２を介してＦＧＣ１０に光波を照射するＬＤ（レーザーダイオード）１４が設けられ、このＦＧＣ１０において回折された光波の特定方向成分が向けられ、この特定方向成分の光波を検出する光検出素子（ＰＤ：フォトディテクタ）１８が積層構造６外に設けられている。光検出素子（ＰＤ）１８には、回折光成分によって回折像（回折パターン）が形成され、ＦＧＣ１０の振動に伴い光検出素子（ＰＤ）１８上の光強度が変動され、音響振動に応じた出力信号が光検出素子（ＰＤ）１８から出力される。即ち、ＬＤ１４から照射された光波は、屈折率ｎｃを有する空気層及び屈折率ｎｓを有する基板２によって挟まれた導波路４を伝搬して、ＦＧＣ１０に連結されているバネ導波路部１２に進入される。導波路部１２を経てＦＧＣ１０へ到達した光波は、ＦＧＣ１０から自由空間に放射されて光検出素子（ＰＤ）１８において検出される。

図１に示す音響電気変換素子においては、外部からの音響波が枠体１７に吊り下げられたＦＧＣ１０に振動を生じさせ、このＦＧＣ１０内に導かれる光波がこのＦＧＣ１０の振動によって変調される。光検出素子（ＰＤ）１８上では、光波の変調がその回折像の分布の変動として検出され、回折像の光強度変動が光検出素子（ＰＤ）１８から電子信号の変動として出力される。この出力信号は、増幅されて必要な回路からマイク出力として出力される。図１に示される構造によれば、音響振動が電気信号として出力され、マイクロフォンとして機能させることができる。

図１に示される導波層構造は、基板２が屈折率ｎｓを有する透明な屈折体であれば、この基板２上にこの基板２の屈折率ｎｓよりも屈折率ｎｆが大きな透明層が導波路４として設けられる。単に、光学的に透明な導波路４に代えて、この導波路４自体が屈折率ｎｆを有するコア層及び屈折率ｎｓを有するクラッディング層の積層構造に形成されても良い。即ち、基板２の屈折率ｎｓよりも屈折率ｎｆが大きなコア層が導波路４として設けられ、この透明コア層上にこの透明コア層の屈折率ｎｆよりも屈折率ｎｓが小さいクラディング層が設けられても良い。また、基板２が屈折体でなければ、この基板２上に屈折率ｎｓを有する第１のクラッディング層が設けられ、この第１のクラッディング層よりも屈折率ｎｆが大きな透明コア層が導波路４として設けられ、この透明コア層上にこの透明コア層よりも屈折率ｎｓが小さな第２のクラディング層が設けられても良い。いずれにしても導波路４は、効率的に所定強度の光波をＦＧＣ１０に伝達することができれば良い。

ＦＧＣ１０は、集光グレーティングカプラ或いはフォーカスグレーティングカプラと称せられるように導波層構造の表面に回折格子（グレーティング）が形成され、特定方向に光波を集光するレンズ機能を有している。回折格子は、直線状の溝及びリッジが互いに平行に所定ピッチで配列されている１次元回折格子でも良く、プリズム状の凸部及び凹部がマトリックス状に所定ピッチで配置された２次元回折格子であっても良い。また、ＦＧＣ１０に形成される回折格子は、凹凸のような周期的な形状な変化として設けられる場合に限らず、平坦層中に周期的に屈折が異ならせた領域が設けられ、光学的には凹凸に相当する屈折率の変化が与えられて形成されても良い。

ＦＧＣ１０においては、グレーティングの周期がある条件を満たすとき、導波モード-放射モード間の結合が生じる。このようなグレーティングは、導波光波の励振或いは導波光波の外部への取り出しのための入出結合器として用いられるので、既に述べたように、フォーカスグレーティングカプラ、或いは、集光グレーティングカプラとも称される。以下、この明細書では、単にＦＧＣ（Focusing Grating Couplerの略称）と称する。

下記に自由空間に光波を集光するＦＧＣ１０の基本概念について説明する。尚、以下の説明は、「光集積回路、西原浩、春名正光、栖原敏明著、オーム社(1985)」に開示されている旨を付記しておく。

ＦＧＣ１０に導波光が入射されたときの導波モード-放射モード結合の例が図２及び図３に示されている。ここで、図２は、光波の伝播及びその光波が回折される様子を概略的に示し、図３は、回折される光波のベクトル成分を示している。入射された光波は、２次元導波光路の導波面（ｙｚ面）に沿って広がり、その光波は、下記式（１）で表される。

ここで、Δε_ｑは、２次元導波光路上にグレーティングが設けられたことに基づく、比誘電率ε_ｑの分布の変化を表している。

グレーティングがある場合、この２次元導波光路構造内をz方向に伝搬定数β₀＝Ｎｋ（＞０）を有する導波光が伝搬するとき、この光波に付随して下記式（２）で示されるｚ方向伝搬定数β_ｑを有する空間高調波が生じる。

ここで、Ｎは、導波層中を伝搬するモードの等価屈折率、Ｋは、格子ベクトルとよばれるグレーティング面に垂直なベクトルで、Λはグレーティングの基本周期である。

基板、導波層、上部クラッド層の屈折率を各々、n_s、n_f、n_cとし、空間高調波のうち|β_q|=n_ckまたは|β_q|=n_skを満たす次数qが存在する場合は、この高調波の空気側または基板側に夫々（３）式で定まるように放射される。

このときグレーティングカプラを伝搬する波は、放射により導波路外部に漏洩する。グレーティングは、z方向には長いが、x方向には、薄いので、結合する波動間ではz方向の位相整合の（３）式のみが満たされれば良く、伝搬ベクトルダイアグラムは、図３のようになる。この結合で生じる放射ビームは、（３）式を成立させる

の実数値で定まる。（３）式でｎ_ｃ＜ｎ_ｓ＜Ｎ＜ｎ_fであることを考慮すれば、放射は、ｑ≦−の次数に限られ、ある次数のみは基板側のみに放射する場合と、基板側及び空気側の両方に放射する場合があることがわかる。図３は、複数の次数で３本以上のビームが生じる例で多ビーム結合とよばれる。基本次数（ｑ＝−１）の放射が生じる場合の放射ビーム数はＫ／ｋ、Ｎと式（３）で定められる。フォーカスグレーティングカプラに導波光が入射した場合、上述のような出力結合が生じる。このグレーティングパターンを変調することにより種々の波面変換を導波モード-放射モード結合と同時に実行することも可能になる。これを応用して、導波光を自由空間の点に集光する集光グレーティングカプラ（ＦＧＣ）を実現することができる。このＦＧＣの概念を利用して既に説明した図１に示されるような構造を有する光マイクロフォンが実現される。

上述したＦＧＣ１０の基本原理から明らかなようにＦＧＣ１０からの光出力は、空気層のみならず基板２の側へも放出させることができる。従って、図４に示すように、光検出素子１８を同一基板２上に形成することができる。このとき、光検出素子１８の他に増幅器２２並びに処理回路２４を集積化することで3次元の空間方向にスペースをほとんど必要としない光マイクロフォンを実現することができる。

図４に示す音響電気変換素子においては、ＬＤ１４から照射された光波は、導波路４を伝搬して、ＦＧＣ１０に連結されている導波路部１２に進入される。導波路部１２を経てＦＧＣ１０へ到達した光波は、基板２内に放射されてその一部が導波路部１２及び透明な基板２を介して基板２内の光検出素子（ＰＤ）１８に集光される。従って、外部からの音響波がＦＧＣ１０に振動を生じさせる場合には、このＦＧＣ１０内に導かれる光波がこのＦＧＣ１０の振動によって変調される。光検出素子（ＰＤ）１８上では、光波の変調がその回折像の分布の変動として検出され、回折像の光強度変動が光検出素子（ＰＤ）１８から電子信号の変動として出力される。この出力信号は、増幅回路２２で増幅されて回路２４からマイク出力として出力される。

図５は、ＦＧＣ１０が形成される第１の半導体基板２−１及び検出素子１８が形成される第２の半導体基板２−１が別個に作製され、互いに張り合わせた構造を示している。図５に示す音響電気変換素子は、図４に示されるに示す音響電気変換素子と同様に動作して音響波が検出される。

ここで、光検出素子１８、増幅回路２２及び信号処理回路２４は、ＦＧＣ１０が形成される第１の半導体基板２−１に形成されても良く、或いは、他の基板２−２に作り込まれても良い。ここで、導波層４は、単一の屈折率で形成されても良く、或いは、導波路部１２に光波を集光させるようにある屈折率分布を与えてレンズ機能を備えさせても良い。

既に説明したように、ＦＧＣ１０は、ＦＧＣ１０からの放射光波を自由空間へと放出できるという特徴を有している。光波路の可逆性から、自由空間からの放射光波をＦＧＣ１０によって基板２，２−１，２−２内に導くことができる。従って、図６及び図７に示されるように光源としてのレーザーダイオード１４が透明な基板２、２−１、２−２の外部に取り付けられ、ＦＧＣ１０からの回折光が導波路部１２及び透明な基板２、２−１、２−２を通過して光検出素子１８に向けられても良い。図６及び図７に示される配置では、導波路４を介して光波がＦＧＣ１０に向けられず、レーザーダイオード１４からの光波が空間を介して直接ＦＧＣ１０に向けられ、ＦＧＣ１０において回折されて基板２、２−１、２−２内に導かれている。ここで、基板２、２−１、２−２が周りの雰囲気、例えば、空気に対して適切な屈折率を与えられていれば、ＦＧＣ１０で回折された光波の一部をその内に封じ込め、光検出素子１８に導くことができる。

尚、図６は、単一の基板２上にＦＧＣ１０並びに光検出素子１８、増幅回路２２及び信号処理回路２４が形成される構造を示し、図７は、ＦＧＣ１０が第１の基板２−１に形成され、光検出素子１８、増幅回路２２及び信号処理回路２４が第２の基板２−１に形成される構造を示している。

図３を参照して説明したように導波路４を伝播し、ＦＧＣ１０に伝播される光波は、ＦＧＣ１０の回折格子によって光波の進行方向を含む３次元の方向に向けられている。従って、図４から図７に示される光学系においては、原理的には、光検出器１８は、ＦＧＣ１０によって回折された光波が向けられるいずれの方向に配置されても、回折光を検出することができる。即ち、回折格子に向かう光波の進行方向に対して反対方向の空間或いは基板中に光検出器１８が配置される場合にあっても、光検出器１８は、回折格子で回折された光波を検出することができる。また、回折格子が頂部及び溝が互いに平行に配置されている平行な格子である場合においても、図６に示されるように光波がその平行な格子に対して斜め方向或いは平行な方向からこの回折格子に入射される場合においても同様に回折された光波は、同様に３次元の方向に向けられて光検出器１８によって検出することができる。しかし、図１、図５或いは図７に示されるように格子の方向に対して略垂直な方向から平行回折格子に光波が入射されることが好ましく、また、図５或いは図７に示されるようにその光波の進行方向に光検出器１８が配置されることが好ましい。光波が平行回折格子に格子の配列方向に対して略垂直に入射される場合には、光波が配列方向から平行回折格子に入射される場合に比して入射光波は、より大きな回折を受け、また、この回折格子で回折された回折光は、入射光波の進行方向及び進行方向を含む進行方向の空間により大きな回折光成分を持って回折格子から向けられるからである。図６に示されるような光学系では、光波がその平行な格子に対して斜め方向或いは平行な方向から入射されることから、回折格子で回折を受ける成分が他の光学系に比べて小さく、従って、検出器１８で検出される回折光の光強度も小さくなる虞があり、図６に示される光学系に比べて、好ましくは、図７に示されるように光源１４が配置されることが好ましいこととなる。ここで、光検出器１８は、入射光波の進行方向及び進行方向を含む進行方向の空間に配置されることが、好ましいが、進行方向に配置される場合には、回折を受けない光波がそのまま光検出器１８に入射される虞があるため、より好ましくは、入射光波の進行方向を除く、進行方向の周辺空間に光検出器１８が配置される。

図８を参照して、図１に示される光集積マイクロフォンを作製する方法の一実施の形態を説明する。

図８（ａ）に示すように半導体基板２としてシリコン基板が用意される。この例のように、光導波路が形成される半導体基板２としてシリコン基板を用いる場合には、屈折率が比較的高い（ｎ_ｓ＝３．４２＠λ＝１μm）ため、導波層４を形成する前に図８（ｂ）に示すようにバッファ層３２が形成されることが好ましい。バッファ層３２に適応する材料の一例としてＳｉＯ２（ｎ_ｂ＝１．５程度）を挙げることができる。バッファ層３２がシリコン基板のような半導体基板２上にスパッタ法、或いは、ＣＶＤ法によって形成される。

次に、図８（ｂ）に示すようにこのバッファ層３２上に導波層４となる材料を形成する。導波層４には、バッファ層３２よりも屈折率が若干高い材料を用いられる。導波層４の材料として、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４であれば、屈折率がｎ_ｆ＝２程度あるため、上述した構造では好適な材料とされる。このＳｉ_３Ｎ_４の層が同様に、スパッタ、或いは、ＣＶＤによって形成される。導波層４の材料として、Ｓｉ_３Ｎ_４以外にもＰＭＭＡ或いはポリマー、フォトレジストのような有機材料であっても良い。ここで、これらのバッファ層３２及び導波層４が所望の形状に成形されることが必要とされる。

その後、図８（ｃ）に示すように、この導波層４上の領域にＦＧＣ１０の格子部分が形成される。ＦＧＣ１０の格子部分の形成には、コンベンショナルなフォトリソ技術が適用される。即ち、導波層４上の領域に導波層４の材料と同様な材料でマスクを利用して回折格子用の層が積層形成される。その後、この格子層上の領域にフォトレジストが塗布されて回折格子パターンが転写露光されてフォトレジストが格子用のマスクに形成される。この格子用のマスクを利用して格子層が選択エッチングされて回折格子が形成される。その後、フォトレジストが除去されて回折格子が導波層４上に形成されている基板構造が用意される。

次に、図８（ｄ）に示されるようにＦＧＣ１０の領域がフォトリソ技術とエッチングを用いて振動板形状に形成される。ここで、振動板を支えるバネとしての導波路部１２は、基板２上に形成された導波層４の導波路の一部分として形成される。即ち、図８（ｃ）に示される基板構造の導波層４上に同様にフォトレジストが塗布されて振動板のパターンが転写露光されて振動板及び導波路部のパターンを有するマスクが用意される。このマスクを利用して導波層４が選択エッチングされて振動板及びこれを支える導波路部１２が形成される。その後、フォトレジストが除去されてＦＧＣ１０及び導波路部１２が基板２上に独立して形成されている基板構造が用意される。

最後に、図８（ｅ）に示されるようにウェットエッチング等を用いてＦＧＣ４が形成された振動板が基板２から分離される。図８（ｅ）に示すように基板２の背面にマスク３４が形成されて異方性エッチングによってＦＧＣ１０の背面に空洞部８が形成される。ここで、ウェットエッチングによってこの空洞化プロセスが異方的に行われる旨を説明したが、特にこれに限定することは無くドライプロセスによって等方的に行われるものであっても良い。上述した工程で光導波路４が作製された素子に、ＬＤチップ１４が光導波路４にカップリングされて光集積マイクロフォンが完成される。

図８（ａ）及び（ｂ）に示した工程では、半導体基板２上に素子を作り込まないまま光導波路が形成されているが、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、光導波路４を形成する前に半導体基板２に光検出素子１８、増幅回路２２及び処理回路２４を形成しても良い。即ち、図９（ａ）に示すように半導体基板２が用意され、次に、図９（ｂ）に示すようにその半導体基板２上に光検出素子１８、増幅回路２２及び処理回路２４が形成され、その後、図９（ｃ）に示すようにバッファ層３２及び導波層４が形成されても良い。図９において、図９（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、夫々図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）に対応している。従って、図９（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）の工程の説明は、夫々図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）の工程の説明を参照されたい。

図１０（ａ）〜（ｆ）は、光検出素子１８、増幅回路２２及び処理回路２４が形成された第２の基板２−２を用意し、ＦＧＣ１０が形成された半導体基板２に張り付けて光集積マイクロフォンを製造する工程を示している。図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、図８（ａ）〜図１０（ｄ）までの工程と同様であるのでその説明は省略する。図１０（ｅ）に示すようにＦＧＣ４の領域がフォトリソ技術とエッチングを用いて振動板形状に形成されている第１の基板２―１が用意され、この第１の基板２―１背面に別途用意された第２の基板２−２が密着されて両者が接合される。その後、図１０（ｆ）に示すように第２の基板２−２の背面にマスク（図示せず）が設けられ、このマスクを利用して異方性エッチングによって第１及び第２の基板２−１，２−２の所定領域がエッチングされてＦＧＣ４の背面に空洞部８が形成される。

前述したように、基板２にシリコンのような高屈折材料を用いた場合、バッファ層３２の形成が望まれるが、ＳＯＩ基板を用い、埋め込み酸化膜層をバッファ層３２として活用することもできる。図１１には、ＳＯＩ基板を用いて形成した光導波路の構造の例が示されている。図１１に示すようにＳＯＩ基板構造では、単結晶Ｓｉからなる支持基板２上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）５２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）５３が順次積層されている。このＳＯＩ基板構造６０を用いた場合でも、前述した作製プロセスを適応することができる。

図１２（ａ）〜（ｅ）及び図１３（ａ）〜（ｅ）を参照して、ＳＯＩ基板構造にＦＧＣ１０を形成する工程を説明する。ここで、図１２（ａ）〜（ｅ）は、図１１に示されるＡ−Ａ’線に沿った断面を示し、図１３（ａ）〜（ｅ）は、図１１に示されるＢ−Ｂ’ に沿った断面を示している。

図１２（ａ）及び図１３（ａ）に示されるようにＳｉ基板２上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）５２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）５３が順次積層されている基板構造６０が用意される。次に、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）に示されるように単結晶Ｓｉ層５３が例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等の技術により、選択的にエッチング除去されて導波層４に領域に相当する単結晶Ｓｉ層５３が帯状に除去される。

次に、図１２（ｃ）に示すようにこの帯状の領域に導波層４が形成される。この導波層４には、バッファ層としての埋め込み絶縁膜５２よりも屈折率が若干高い材料を用いられる。導波層４の材料として、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４がある。このＳｉ_３Ｎ_４の層は、同様に、スパッタ、或いは、ＣＶＤによって形成される。導波層４の材料として、Ｓｉ_３Ｎ_４以外にもＰＭＭＡ或いはポリマー、フォトレジストといった有機材料であっても良い。ここでは、導波層４が所望の形状に成形されることが必要とされる。

更に、図１３（ｃ）に示すようにこの導波層４上の領域にＦＧＣ１０の格子部分が形成される。導波層４上の領域に導波層４の材料と同様な材料でマスクを利用して回折格子用の層が積層形成される。その後、この格子層上の領域にフォトレジストが塗布されて回折格子パターンが転写露光されてフォトレジストが格子用のマスクに形成される。この格子用のマスクを利用して格子層が選択エッチングされて回折格子が形成され、フォトレジストが除去される。

その後、図１２（ｄ）及び図１３（ｄ）に示すように、この導波層４上の領域が振動板としてのＦＧＣ１０に形成される。ＦＧＣ１０の形成には、同様にコンベンショナルなフォトリソ技術が適用される。即ち、図１３（ｃ）に示される基板構造の導波層４上に同様にフォトレジストが塗布されて振動板のパターンが転写露光されて振動板及び導波路部のパターンを有するマスクが用意される。このマスクを利用して導波層４が選択エッチングされて振動板及びこれを支える導波路部１２が形成される。その後、フォトレジストが除去されてＦＧＣ１０及び導波路部１２が基板２上に独立して形成されている基板構造が用意される。ここで、振動板を支えるバネとしての導波路部１２は、基板２上に形成された導波層４の導波路の一部分として形成される。

最後に、図１２（ｅ）及び図１３（ｅ）に示されるようにウェットエッチング等を用いてＦＧＣ４が形成された振動板が基板２から分離される。図１２（ｅ）及び図１３（ｅ）に示すように基板２の背面にマスク３４が形成されて異方性エッチングによってＦＧＣ１０の背面に空洞部８が形成される。ここで、ウェットエッチングによってこの空洞化プロセスが異方的に行われる旨を説明したが、特にこれに限定することは無くドライプロセスによって等方的に行われるものであっても良い。上述した工程で光導波路４が作製された素子に、ＬＤチップ１４が光導波路４にカップリングされて光集積マイクロフォンが完成される。

上述した工程によれば、ＳＯＩ層構造６０にデバイスを形成することが可能になるため、高耐圧素子の集積化が望まれる構造体には有用となる。

図１４（ａ）及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）は、ＳＯＩ基板構造上に導波路４及びＦＧＣ１０を形成する工程を示している。図１４（ａ）及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）を参照して音響電気変換素子の製造方法について説明する。ここで、図１４（ａ）〜（ｅ）は、図１１に示されるＡ−Ａ’線に沿った断面に相当し、図１５（ａ）〜（ｅ）は、図１１に示されるＢ−Ｂ’ に沿った断面に相当している。但し、図１４（ａ）及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）に示される構造は、図１１に示される構造とは異なる構造を有していることに注意されたい。

始めに、図１４（ａ）及び図１５（ａ）に示されるようにＳｉ基板２上に埋め込み絶縁膜（ＳＯＩ酸化膜）５２、単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）５３が順次積層されている基板構造６０が用意される。次に、この基板構造の表面に導波層４を形成する為のマスクが設けられて単結晶Ｓｉ層（ＳＯＩ層）５３よりも屈折率が若干高い材料で作られた導波層４が形成される。導波層４の材料として、既に述べたＳｉ_３Ｎ_４がある。このＳｉ_３Ｎ_４の層は、同様に、スパッタ、或いは、ＣＶＤによって形成される。導波層４の材料として、Ｓｉ_３Ｎ_４以外にもＰＭＭＡ或いはポリマー、フォトレジストといった有機材料であっても良い。

この導波層４上には、図１４（ｂ）及び図１５（ｂ）に示されるように更にこの導波層４よりも屈折率が若干低い材料、例えば、単結晶Ｓｉで作られた層５４がスパッタ、或いは、ＣＶＤによって形成される。この構造は、光ファイバと同様な構造を有し、コアに相当する導波層４が導波層４よりも屈折率が低いクラッドに相当する層５３，５４によって囲まれている。従って、光波は、効率的に導波層４を導波される。

図１４（ｃ）及び図１５（ｃ）に示すようにこの導波層４上の領域にＦＧＣ１０の格子部分が形成される。導波層４上の領域に層５４の材料と同様な材料、例えば、単結晶Ｓｉでマスクを利用して回折格子用の層が積層形成される。その後、この格子層上の領域にフォトレジストが塗布されて回折格子パターンが転写露光されてフォトレジストが格子用のマスクに形成される。この格子用のマスクを利用して格子層が選択エッチングされて回折格子が形成され、フォトレジストが除去される。

その後、図１４（ｄ）及び図１５（ｄ）に示すように、この導波層４上の領域が振動板としてのＦＧＣ１０に形成される。ＦＧＣ１０の形成には、同様にコンベンショナルなフォトリソ技術が適用される。即ち、図１４（ｃ）及び図１５（ｃ）に示される基板構造の層５４上に同様にフォトレジストが塗布されて振動板のパターンが転写露光されて振動板及び導波路部のパターンを有するマスクが用意される。このマスクを利用して導波層４が選択エッチングされて振動板及びこれを支える導波路部１２が形成される。その後、フォトレジストが除去されてＦＧＣ１０及び導波路部１２が基板２上に独立して形成されている基板構造が用意される。ここで、振動板を支えるバネとしての導波路部１２は、基板２上に形成された導波層４の導波路の一部分として形成される。

最後に、図１４（ｅ）及び図１５（ｅ）に示されるようにウェットエッチング等を用いてＦＧＣ４が形成された振動板が基板２から分離される。図１４（ｅ）及び図１５（ｅ）に示すように基板２の背面にマスク３４が形成されて異方性エッチングによってＦＧＣ１０の背面に空洞部８が形成される。ここで、ウェットエッチングによってこの空洞化プロセスが異方的に行われる旨を説明したが、特にこれに限定することは無くドライプロセスによって等方的に行われるものであっても良い。上述した工程で光導波路４が作製された素子に、ＬＤチップ１４が光導波路４にカップリングされて光集積マイクロフォンが完成される。

上述した工程によれば、同様にＳＯＩ層構造６０にデバイスを形成することが可能になるため、高耐圧素子の集積化が望まれる構造体には有用となる。

図１に示される光集積マイクロフォンは、具体的には、図１６に示すようにパケージ（筐体）６０内に実装される。即ち、パケージ６０内には、電気的なアイソレータ６２を介して図１に示される光集積マイクロフォンが設置固定される。また、ＦＧＣ１０からの光波を検出する為の光検出素子１８がパケージ６０内に設けた支持板６６に固定される。また、ＦＧＣ６４及び空洞部８に対向してパケージ６０には、音波の通過を許すスルーホール６４、６８が設けられる。このような実装構造によって小型の光集積マイクロフォン装置として構成することができる。

同様に、図４、図５及び図６に示される光集積マイクロフォンも同様に夫々図１７、図１８及び図１９に示すようなパケージ（筐体）６０内に実装されて小型の光集積マイクロフォン装置として構成することができる。図１７、図１８及び図１９に示す装置は、図１６に示す装置の部分の符号と同一の符号を使用してその説明を省略する。このようなマイクロフォン装置は、２次元或いは３次元の空間方向に占有するスペースの軽減をはかることができ、システムの小型化をはかることが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る音響電気変換素子を概略的に示す斜視図である。 図１に示されたＦＧＣに導波光が入射された場合の導波モード-放射モード結合の様子を概略的に示す説明図である。 図２に示した回折光の伝搬ベクトルを示すダイアグラムである。 本発明の他の実施の形態に係る音響電気変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明のまた他の実施の形態に係る音響電気変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の更に他の実施の形態に係る音響電気変換素子を概略的に示す斜視図である。 本発明の更にまた他の実施の形態に係る音響電気変換素子を概略的に示す斜視図である。 （ａ）から（ｅ）は、図に示される光集積マイクロフォンを作製する方法の工程を概略的に示す断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、図４に示される光集積マイクロフォンを作製する方法の工程を概略的に示す断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、図５に示される光集積マイクロフォンを作製する方法の工程を概略的に示す断面図である。 図１に示される光集積マイクロフォンを実現する為にＳＯＩ基板に光導波路を組み込んだ構造を概略的に示す斜視断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、図１に示される光集積マイクロフォンを作製する方法の工程を概略的に示す図１１に示されるＳＯＩ基板構造におけるＡ−Ａ‘線に沿った断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、図１に示される光集積マイクロフォンを作製する方法の工程を概略的に示す図１１に示されるＳＯＩ基板構造におけるＢ−Ｂ‘線に沿った断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、図１に示される光集積マイクロフォンを作製する他の方法の工程を概略的に示す図１１に示されるＳＯＩ基板構造におけるＡ−Ａ‘線に沿った断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、図１に示される光集積マイクロフォンを作製する他の方法の工程を概略的に示す図１１に示されるＳＯＩ基板構造におけるＢ−Ｂ‘線に沿った断面図である。 図１に示される光集積マイクロフォンを筐体内に格納したマイクロフォン装置を概略的に示す断面図である。 図４に示される光集積マイクロフォンを筐体内に格納したマイクロフォン装置を概略的に示す断面図である。 図５に示される光集積マイクロフォンを筐体内に格納したマイクロフォン装置を概略的に示す断面図である。 図６に示される光集積マイクロフォンを筐体内に格納したマイクロフォン装置を概略的に示す断面図である。

符号の説明

２．．．基板
４．．．導波層
６．．．積層構造
８．．．空洞部
１０．．．ＦＧＣ
１２．．．導波路部
１４．．．レーザーダイオード
１８．．．光検出素子
２２．．．増幅器
２４．．．信号処理部
３２．．．バッファ層
５２．．．埋め込み絶縁層
５３．．．単結晶Ｓｉ層

Claims (8)

1. 光波が導入される光導波路を有する基板と、及び
   音響波に対して前記基板に振動可能に支持され、前記第１の光導波路を伝播する光波を回折し、回折光を光検出器に向ける回折格子から成る振動板と、
   を具備することを特徴とする音響電気変換素子。
2. 前記基板及び前記振動板は、半導体で作られ、前記振動板は、半導体支持層を備え、前記回折格子がこの半導体支持層上に形成されていることを特徴とする請求項１の音響電気変換素子。
3. 前記基板は、前記振動板が配置される空洞部を備え、前記振動板は、前記導波路に光学的に結合され、前記基板及び前記支持層に機械的に連結され、当該振動板を前記空洞部内で振動可能に吊り下げ支持する連結部とを更に備えることを特徴とする請求項１の音響電気変換素子。
4. 前記光検出器は、前記基板に埋め込み形成され、前記回折光は、前記半導体支持層、前記連結部及び前記基板を介して前記光検出器に導かれることを特徴とする請求項１の音響電気変換素子。
5. 音響波に対して振動可能に基板に支持され、光波が照射され、光導波路に向けて光波を回折し、この光導波路を介して導かれた回折光を光検出器で検出させる回折格子から成る振動板と、
   を具備することを特徴とする音響電気変換素子。
6. 前記基板及び前記振動板は、半導体で作られ、前記振動板は、半導体支持層を備え、前記回折格子がこの半導体支持層上に形成されていることを特徴とする請求項５の音響電気変換素子。
7. 前記基板は、前記振動板が配置される空洞部を備え、前記振動板は、前記導波路に光学的に結合され、前記基板及び前記支持層に機械的に連結され、当該振動板を前記空洞部内で振動可能に吊り下げ支持する連結部とを更に備えることを特徴とする請求項５の音響電気変換素子。
8. 前記光検出器は、前記基板に埋め込み形成され、前記回折光は、前記支持層、前記連結部及び前記導波路を介して前記光検出器に導かれることを特徴とする請求項５の音響電気変換素子。

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