JP2014021270A

JP2014021270A - 光素子

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Publication number: JP2014021270A
Application number: JP2012159617A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukuda; 浩福田; Koji Yamada; 浩治山田; Yasuhiko Ishikawa; 靖彦石川; Kazumi Wada; 一実和田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: JP5858476B2

Abstract

【課題】幅の狭い範囲に光能動素子を実装することでデバイス全体を小型化し、可変可能な作用光帯域を低消費電力で広帯域化した光素子を提供すること。
【解決手段】梁部１は、基板０の凸部に固定された支持部と、支持部によって支持された可動部とからなる片持ち梁構造をとり、可動部の支持部側に、幅が梁部１の支持部または可動部の自由端側よりも狭いくびれ部分４、１０が形成されている。梁部１の上にリブ型導波路などの入射用光導波路３、出射用光導波路９がくびれ部分４、１０上を通過するように形成されている。くびれ部分４、１０上の入射用光導波路３、出射用光導波路９の上には量子井戸構造を持つ光能動素子５、１１が形成されている。応力の制御は、梁部１の可動部上に形成された電極２１および基板０上に形成された電極２２で行う。くびれ部分４、１０の幅を狭くとることで、くびれ部分４、１０にかかる応力を大きくとることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子に関し、特に応力の印加によりその作用光帯域を可変とする光能動素子を有する光素子に関する。

光通信の大容量化に伴い、基幹網に加え加入者網でも光通信装置の高速化が求められている。光通信装置を高速化するためには、光能動素子を高速化する必要がある。現在は、小型、低消費電力の要請から、化合物半導体の光能動素子が主流である。しかしながら、加入者網に導入するためには低コストであることが必要であり、シリコン系材料を用いた光能動素子の開発が進んでいる。

シリコン系材料を用いた光能動素子の方式は、例えば光変調器の場合、キャリア注入による自由電子吸収を用いる方法（特許文献１参照）、マッハツェンダー干渉計を用いる方法（特許文献２参照）、ゲルマニウムの電界吸収効果（非特許文献１参照）を用いる方法などがある。これらのうち、キャリア注入およびマッハツェンダー干渉計を用いる方法は、消費電力が大きく、低消費電力の要請に応えることが難しい。電界吸収効果を用いる方法は低消費電力化が可能であるが、ゲルマニウムの光吸収が１６５０ｎｍ以上の長波長に限定されてしまうことから、光通信に用いることは困難と考えられてきた。

近年、量子効果を用いることでゲルマニウムの光吸収を光通信波長帯にまで拡大する試みがなされている。これにより加入者網でも使用することが出来る低消費電力で高速光変調器が実現する可能性が出てきた。しかしながら、個々の変調可能な光帯域は数ｎｍと狭く、Ｃ帯およびＬ帯をカバーするには、１０種類以上の量子構造を作り分ける必要がある。

これに対し、片持ち梁による応力印加構造を用いることで、１つの量子構造でカバーできる光変調帯域を拡大する手法がある（特許文献３参照）。

特許第３９５７１８７号公報特許第４４２９７１１号公報国際公開第２０１１／２４９６８号パンフレット

Ning-Ning Feng, et al., "30GHz Ge electro-absorption modulator integrated with 3μm silicon-on-insulator waveguide", Optics Express, 11 April 2011, Vol.19, No.8, pp.7062-7067

しかしながら、この手法を光導波路上に形成するためには、チャネルが他光導波路よりも光閉じ込めが弱いリブ型光導波路を用いる必要があり、最小曲げ半径が数百ミクロン程度と大きくなってしまう。従って、幅の狭い範囲に光能動素子を作製することが出来ず、デバイス全体が大型化するという課題があった。

また、結果として、応力印加に係る駆動電圧が１００Ｖ以上と大きくなり、電圧を供給する定電圧源の駆動電力を考えると、低消費電力化が出来ないという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、幅の狭い範囲に光能動素子を実装することでデバイス全体を小型化し、可変可能な作用光帯域を低消費電力で広帯域化した光素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光素子であって、凸部を有する基板と、前記凸部に固定された支持部と、前記支持部によって支持された可動部とからなる梁部であって、前記可動部の前記支持部側の第１の領域は、前記梁部の短手方向の幅が前記可動部の自由端側の第２の領域より狭い、梁部と、前記支持部上から前記第１の領域上を通過して前記第２の領域上に形成された２本の光導波路、および前記２本の光導波路を結合する前記第２の領域上に形成された光反射部からなる光導波路部と、前記第１の領域上の前記光導波路の上に形成された光能動素子と、前記可動部上に配置された第１の電極と、前記可動部と対向する前記基板上に配置された第２の電極とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光素子において、前記反射部は、端面が前記光導波路からの入射光および前記導波路への出射光を全反射する角度に加工された光導波路であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光素子において、前記反射部の端面は、高反射率材料でコーティングされていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光素子において、前記反射部は、フォトニック結晶導波路であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の光素子において、前記反射部は方向性結合器であり、前記方向性結合器の光結合領域の光導波路にブラッグ回折格子が形成されたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の光素子において、前記反射部は方向性結合器であり、前記方向性結合器の光結合領域の光導波路がフォトニック結晶導波路であることを特徴とする。

本発明は、幅の狭い範囲に光能動素子を実装可能なことでデバイス全体を小型化でき、可変可能な作用光帯域を低消費電力で広帯域化することができる。

本発明の一実施形態に係る光能動素子の基本構造を示す図である。くびれ部分を有していない片持ち梁に対し、２つの電極間に電位差を付与した時の、梁の根元部分の最大主応力の計算結果を示す図である。くびれ部分を有している片持ち梁に対し、２つの電極間に電位差を付与した時の、くびれ部分の最大主応力の計算結果を示す図である。光能動素子５、１１に印加する応力と、ゲルマニウムで光能動素子５、１１を作成した際のバンドギャップの関係を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図である。本発明の第２の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図である。本発明の第３の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図である。本発明の第４の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図である。本発明の第５の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図である。本発明の第６の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る光能動素子の基本構造を示す。

梁部１は、基板０の凸部に固定された支持部と、支持部によって支持された可動部とからなる片持ち梁構造をとり、可動部の支持部側に、幅が梁部１の支持部または可動部の自由端側よりも狭いくびれ部分４、１０が形成されている。

梁部１の上にリブ型導波路などの入射用光導波路３がくびれ部分４上を通過するように形成されおり、入射光２が入射用光導波路３に入射する。くびれ部分４上の入射用光導波路３の上には量子井戸構造を持つ光能動素子５が形成されている。入射用光導波路３に入射した光は光能動素子５により変調・受光・増幅等の作用を受ける。光能動素子５で変調・受光・増幅等の作用を受けた光は、入射用光導波路３を通じて、反射鏡６に入射する。

反射鏡６は、入射用光導波路３が、梁部１の先端部に到達した時点で、４５度の傾きで切断されたものである。入射用光導波路３のもつ有効屈折率と、空気等の梁を覆う物質の屈折率の差から、内部全反射を起こすため、反射鏡６として機能する。反射鏡６で反射された入射光２は、折り返し光導波路７に入射する。

折り返し光導波路７は梁部１の上に形成されたリブ型導波路などである。折り返し光導波路７に入射した入射光２は、反射鏡８に入射する。

反射鏡８は、折り返し光導波路７が梁部１の側部に到達した時点で、−４５度の傾きで切断されたものである。折り返し光導波路７のもつ有効屈折率と、空気等の梁を覆う物質の屈折率の差から、内部全反射を起こすため、反射鏡８として機能する。反射鏡８で反射された入射光２は、出射用光導波路９に入射する。

梁部１の上にリブ型導波路などの出射用光導波路９がくびれ部分１０上を通過するように形成されている。くびれ部分１０上の出射用光導波路９の上には量子井戸構造を持つ光能動素子１１が形成されている。出射用光導波路９に入射した光は光能動素子１１により変調・受光・増幅等の作用を受ける。

以上の過程を以って、入射光２は変調・受光・増幅等の作用を受けることとなる。

反射鏡を設けることで、幅の狭い範囲に光能動素子を実装することが出来、結果としてデバイス全体を小型化することが出来る。

光能動素子５、１１の作用波長領域を決めるのは、光能動素子５、１１の量子井戸構造（寸法と組成）ならびに光能動素子５、１１にかかる応力である。応力の制御は、梁部１の可動部上に形成された電極２１および基板０上に形成された電極２２で行う。

例えば、電極２１に正の電圧を印加し、電極２２に負の電圧を印加すると、電極２１は正に帯電し、電極２２は負に帯電するため、電極間に静電引力が発生する。そのため梁１は基板０に近づくことになり、梁部１が応力を受けて変形する。

ことのき応力は、梁部１の可動部の支持部付近に形成されたくびれ部分４、１０に集中する。くびれ部分４、１０の幅を狭くとることで、電極２１と電極２２の間の電位差が小さくても、くびれ部分４、１０にかかる応力を大きくとることが出来る。従って、低い電圧による静電引力であっても光能動素子５、１１に十分な応力を印加することができるため、結果として低消費電力で作用光帯域を可変とする光素子を実現することが出来る。

図２に、くびれ部分を有していない片持ち梁に対し、２つの電極間に電位差を付与した時の、梁の根元部分の最大主応力の計算結果を示す。梁の幅は２０ｕｍ、長さは５０ｕｍ、厚さは０．２ｕｍ、材質はヤング率１３０ＧＰａの誘電体である。電極の幅は２０ｕｍ、長さは５０ｕｍ、厚さは０．２ｕｍで完全導体である。また、電極間の間隙は３ｕｍである。この計算結果は、７００ＭＰａの応力を得るためには９０Ｖの電位差が必要であることを示している。

図３に、くびれ部分を有している片持ち梁に対し、２つの電極間に電位差を付与した時の、くびれ部分の最大主応力の計算結果を示す。梁の幅は２０ｕｍ、長さは５０ｕｍ、厚さは０．２ｕｍ、材質はヤング率１３０ＧＰａの誘電体である。くびれ部分の幅は５ｕｍ、長さは５ｕｍ、厚さは０．２ｕｍ、材質はヤング率１３０ＧＰａの誘電体である。電極の幅は２０ｕｍ、長さは５０ｕｍ、厚さは０．２ｕｍで完全導体である。また、電極間の間隙は３ｕｍである。この計算結果は、７００ＭＰａの応力を得るためには３０Ｖの電位差があれば良いことを示している。

図４に、光能動素子５、１１に印加する応力と、ゲルマニウムで光能動素子５、１１を作成した際のバンドギャップの関係を示す。７００ＭＰａの引張応力を印加することができれば、ゲルマニウムのバンドギャップを１００ｎｍ可変することが出来るため、Ｃ帯およびＬ帯を１つの組成のゲルマニウムでカバーすることが可能となる。

（実施形態１）
図５に、本発明の第１の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図を示す。

本構成例は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成される。図５には基板および梁部の支持部を図示していないが、図１に示すように、図５に示す梁部は支持部が基板の凸部に固定され、基板上の梁部１の自由端側の下に位置する領域には電極が配置されている。

梁部１の上に形成された入射用光導波路３、折り返し導波路７、出射用導波路９は、例えば、コア材料がシリコン、クラッド材料が空気、リブ幅が４００ｎｍ、コア厚さが２００ｎｍ、リブ厚さが２００ｎｍのリブ型導波路などである。リブ導波路の上下クラッドは酸化シリコンなどのコア材よりも屈折率が小さい材料で形成されていても良い。

くびれ部分４上の入射用光導波路３の上に形成された量子井戸構造を持つ光能動素子５およびくびれ部分１０上の出射用光導波路９の上に形成された量子井戸構造を持つ光能動素子１１は、例えば、量子井戸の厚さが１０ｎｍ以下程度のゲルマニウムであり、量子障壁の厚さが１０ｎｍ以下程度のシリコンゲルマニウム混晶である。

梁部１上に形成された電極２１および基板（図示していない）に形成された電極２２は、例えば、金、銀、アルミニウムなどの金属であるし、高濃度に不純物をドープして導電率を大きくした半導体でも良い。

電極２１は図１のように、複数配置されていても良いし、１つでも良い。また、図には記載していないが、梁部１の外に電極パッドを用意し、電極パッドと電極２１が電気配線でつながっている。

反射鏡６、８は、全反射する角度にドライエッチング加工で形成したシリコンの端面である。反射鏡６、８は全反射形のミラーを使っているため、波長依存性を小さくすることが出来るという特徴を持つ。

（実施形態２）
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図を示す。
本構成例は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成される。図６には基板および梁部の支持部を図示していないが、図１に示すように、図６に示す梁部は支持部が基板の凸部に固定され、基板上の梁部１の自由端側の下に位置する領域には電極が配置されている。

梁部１上に形成された電極２１および基板上０に形成された電極２２は、例えば、金、銀、アルミニウムなどの金属であるし、高濃度に不純物をドープして導電率を大きくした半導体でも良い。

電極２１は図１のように、複数配置されていても良いし、１つでも良い。また、図には記載していないが、梁部１の外に電極パッドを用意し、電極パッドと電極２１が電気配線でつながっている形状が望ましい。

反射鏡６、８は、ドライエッチング加工で形成したシリコンの端面に金属等の高反射率材料でコーティングしたものである。そのため、第１の実施形態よりも反射鏡６、８での光損失を小さくすることが出来るという特徴を持つ。

（実施形態３）
図７に、本発明の第３の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図を示す。

本構成例は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成される。図７には基板および梁部の支持部を図示していないが、図１に示すように、図７に示す梁部は支持部が基板の凸部に固定され、基板上の梁部１の自由端側の下に位置する領域には電極が配置されている。

入射用光導波路３の一部、反射鏡６、折り返し導波路７、出射用導波路９の一部が、フォトニック結晶導波路で形成されているため、フォトニック結晶で波長依存性はでるものの、第１の実施形態および第２の実施形態より、反射鏡６、折り返し導波路７および反射鏡８での光損失を小さくすることが出来るという特徴を持つ。

（実施形態４）
図８に、第４の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図を示す。

本構成例は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成される。図８には基板および梁部の支持部を図示していないが、図１に示すように、図８に示す梁部は支持部が基板の凸部に固定され、基板上の梁部１の自由端側の下に位置する領域には電極が配置されている。

梁部１の上に形成された入射用光導波路３、出射用導波路９は、例えば、コア材料がシリコン、クラッド材料が空気、リブ幅が４００ｎｍ、コア厚さが２００ｎｍ、リブ厚さが２００ｎｍのリブ型導波路などである。リブ導波路の上下クラッドは酸化シリコンなどのコア材よりも屈折率が小さい材料で形成されていても良い。尚、本実施形態では、入射用光導波路３および出射用光導波路９は、先端部分付近において導波路間の間隔を狭めて方向性結合器を構成するように形成されている。

反射鏡６、８は、入射用光導波路３と出射用光導波路９との光結合部にブラッグ回折格子をドライエッチング加工で形成することで、方向性結合器およびブラッグ回折格子とで構成した。

反射鏡６、８が、方向性結合器とブラッグ回折格子で形成されているため、方向性結合器とブラッグ回折格子で波長依存性はでるものの、第１の実施形態および第２の実施形態より、反射鏡６、８での光損失を小さくすることが出来という特徴を持つ。

（実施形態５）
図９に、本発明の第５の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図を示す。

本構成例は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成される。図９には基板および梁部の支持部を図示していないが、図１に示すように、図９に示す梁部は支持部が基板の凸部に固定され、基板上の梁部１の自由端側の下に位置する領域には電極が配置されている。

反射鏡６、８は、入射用光導波路３および出射用光導波路９の光結合部にフォトニック結晶をドライエッチング加工で形成することで構成されている。

反射鏡６、８が、方向性結合器とフォトニック結晶で形成されているため、方向性結合器とフォトニック結晶で波長依存性はでるものの、第１の実施形態および第２の実施形態より、反射鏡６、８での光損失を小さくすることが出来という特徴を持つ。

（実施形態６）
図１０に、本発明の第６の実施形態にかかる光能動素子の構成例の平面図を示す。

本構成例は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に形成される。図１０には基板および梁部の支持部を図示していないが、図１に示すように、図１０に示す梁部は支持部が基板の凸部に固定され、基板上の梁部１の自由端側の下に位置する領域には電極が配置されている。

梁部１の上に形成された入射用光導波路３、出射用導波路９は、例えば、コア材料がシリコン、クラッド材料が空気、リブ幅が４００ｎｍ、コア厚さが２００ｎｍ、リブ厚さが２００ｎｍのリブ型導波路などである。リブ導波路の上下クラッドは酸化シリコンなどのコア材よりも屈折率が小さい材料で形成されていても良い。

くびれ部分４の上に形成された量子井戸構造を持つ光能動素子５およびくびれ部分１０の上に形成された量子井戸構造を持つ光能動素子１１は、例えば、量子井戸の厚さが１０ｎｍ以下程度のゲルマニウムであり、量子障壁の厚さが１０ｎｍ以下程度のシリコンゲルマニウム混晶である。

くびれ部分４，１０より先端部分の入射用導波路３および出射用導波路９、反射鏡６、８、折り返し導波路７は、ドライエッチング加工で形成したフォトニック結晶導波路から構成されている。

入射用導波路３、反射鏡６、８、折り返し導波路７、出射用導波路９が、フォトニック結晶導波路で形成されているため、フォトニック結晶で波長依存性はでるものの、第１の実施形態および第２の実施形態より、反射鏡６、８での光損失を小さくすることが出来という特徴を持つ。

０基板
１梁部
２入射光
３入射用光導波路
４、１０くびれ部分
５、１１光能動素子
６、８反射鏡
７折り返し導波路
９出射用光導波路
２１、２２電極

Claims

凸部を有する基板と、
前記凸部に固定された支持部と、前記支持部によって支持された可動部とからなる梁部であって、前記可動部の前記支持部側の第１の領域は、前記梁部の短手方向の幅が前記可動部の自由端側の第２の領域より狭い、梁部と、
前記支持部上から前記第１の領域上を通過して前記第２の領域上に形成された２本の光導波路、および前記２本の光導波路を結合する前記第２の領域上に形成された光反射部からなる光導波路部と、
前記第１の領域上の前記光導波路の上に形成された光能動素子と、
前記可動部上に配置された第１の電極と、
前記可動部と対向する前記基板上に配置された第２の電極と
を備えたことを特徴とする光素子。
前記反射部は、端面が前記光導波路からの入射光および前記導波路への出射光を全反射する角度に加工された光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
前記反射部の端面は、高反射率材料でコーティングされていることを特徴とする請求項２に記載の光素子。
前記反射部は、フォトニック結晶導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
前記反射部は方向性結合器であり、前記方向性結合器の光結合領域の光導波路にブラッグ回折格子が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光素子。
前記反射部は方向性結合器であり、前記方向性結合器の光結合領域の光導波路がフォトニック結晶導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。