JP2015025937A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】梁構造の上に形成した光能動素子に、梁構造を変位させることで応力を印加して光変調を行う光変調器において、光能動素子に効率的に応力が集中できるようにする。【解決手段】可動構造体１０４に、複数の貫通穴１４１を備え、複数の貫通穴１４１は、正三角形，正四角形，正六角形のいずれかを基本格子の形状とする格子の格子点に配置され状態に配列されている。貫通穴１４１は、可動部形成層１０３に対する選択的なエッチングにより支持層１０２を加工するときに用いるエッチャント（フッ酸）を、可動部形成層１０３（可動構造体１０４）より下層に侵入させるための穴である。【選択図】 図１

Description

本発明は、応力の印加により光変調を行う光変調器に関する。

光通信の大容量化に伴い、基幹網に加えて加入者網においても光通信の高速化が求められている。光通信の高速化には、光変調などを行う光能動素子の高速化が重要となる。現在、小型化および低消費電力化などの要望から、化合物半導体を用いた光能動素子が主に用いられている。しかしながら、加入者網の装置に適用するためには、低コストであることが重要であり、高価な化合物半導体を用いた光能動素子ではなく、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には、例えば、キャリア注入による自由電子吸収を用いた光吸収素子がある（特許文献１参照）。また、マッハツェンダー干渉計を用いた素子もある（特許文献２参照）。また、ゲルマニウムの電界吸収効果を用いた光変調器もある（非特許文献１参照）。これらのなかで、キャリア注入およびマッハツェンダー干渉計を用いた技術では、消費電力が大きく、低消費電力に対応させることが困難である。電界吸収効果を利用する技術では、低消費電力化が可能であるが、ゲルマニウムの光吸収端が１６５０ｎｍ以上の長波長域であり、通信波長帯から外れるため、光通信に用いることは困難と考えられていた。

これに対し近年、量子効果を用いることで、ゲルマニウムの光吸収端を光通信波長帯まで拡張する技術が提案されている。この技術によれば、加入者網でも使用可能な低コストの光変調器が、低消費電力で実現できる可能性がある。ただし、変調可能な光帯域は波長数ｎｍと広くなく、光通信波長帯のなかでＣ帯およびＬ帯をカバーするためには、１０種類以上の量子井戸構造を作り分けることになる。

これに対し、１つの素子でより広い光変調帯域を得る技術が提案されている（特許文献３参照）。この技術では、変位可能とした片持ち梁に上記構成とした光能動素子を形成し、この光能動素子に応力を印加することで、より広い光変調領域を得るようにしている。また、片持ち梁の構造を調整することで、より小さな駆動電圧で梁を変形可能とし、低消費電力化する技術も提案されている。この技術では、梁を駆動するための可動電極形成部と、梁を支持する支持部との間の応力が集中する領域に、上記素子を配置している。この領域を、平面視でより細い構造として変形しやすくすることで、より小さな駆動電圧で梁を変形可能とし、低消費電力化を図っている。

特許第３９５７１８７号公報 特許第４４２９７１１号公報 国際公開第２０１１／２４９６８号

N. Feng et al. , "30GHz Ge electro-absorption modulator integrated with 3μm silicon-on-insulator waveguide", Optics Express, vol.19, no.8, pp.7062-7067, 2011.

しかしながら、上述した技術では、平面視で細い構造とした部分と支持部との間隔が、製造上の制約により正確に設定できず、量子効果を用いたゲルマニウムから構成した光能動素子を配置した箇所に、効率的に応力を集中させることが妨げられるという問題がある。

上述した技術において、効果的にバンド端を制御するためには、応力集中が重要となる。応力集中の方法として、片持ち梁の固定端に、上述したようなより細いくびれを設けるようにしている。しかしながら、くびれを設けたとしても、固定端の位置とくびれの位置が一致していないと、応力集中の効果は期待できない。

光通信用デバイスの小型化、低コスト化に対応できるプラットフォームとして、シリコンフォトニクスが期待されている。シリコンフォトニクス上で上述したような応力印加可変帯域変調器を実現するためには、シリコンから構成した梁に、シリコン光導波路を装荷し、このシリコン光導波路上に形成したゲルマニウムの電界吸収効果を用いるのが有望である。

このような梁構造の実現には、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用い、表面シリコン層で梁の形状を形成し、埋め込み酸化層（ＢＯＸ層）を犠牲層として除去する作製方法がとられる。ＢＯＸ層の除去は、一般的に、フッ酸によるウェットエッチングが用いられる。ドライエッチングでは、表面シリコン層の下のシリコン酸化膜（ＢＯＸ層）が除去できないため、回り込みエッチング可能な上述したウェットエッチングが適用される。

ここで、フッ酸によるシリコン酸化膜のウェットエッチングは、エッチングが等方的に進行する。このため、表面シリコン層で梁構造を作製する際に、この下の十分に厚いＢＯＸ層を完全にエッチングしようとすると、梁の固定端よりも深くエッチングされてしまう(アンダーカット)という制約があった。アンダーカットは、梁の固定端と梁のくびれ部との距離を拡大してしまうため、くびれ部に対する効率的な応力集中の妨げとなる。

アンダーカットを減らす方法として、梁に小さな穴を数多く形成し、これらの穴からフッ酸を浸入させて下層のＢＯＸ層をエッチングする方法がある。この方法によれば、アンダーカットを最小限に抑えることが可能となる。しかしながら、例えば、主応力方向と直交する軸に穴が並ぶような場合は、穴近傍に応力が集中してしまい、本来の目的であった梁固定端付近（くびれ部）に応力が集中できないという問題が発生する。この状態では、光能動素子に効率的に応力が集中できない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、梁構造の上に形成した光能動素子に、梁構造を変位させることで応力を印加して光変調を行う光変調器において、光能動素子に効率的に応力が集中できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光変調器は、基板の上に形成された支持層および支持層の上に形成された可動部形成層を加工することで形成した光変調器であって、可動部形成層を加工することで形成されて基板の上に離間して配置され、複数の貫通穴を備える可動構造体と、可動部形成層を加工することで形成された固定部と、可動部形成層を加工することで形成されて可動構造体の一端と固定部とを連結するくびれ部と、可動部形成層に対する選択的なエッチングにより支持層を加工することで固定部の下の領域に形成されて固定部を基板の上に支持する支持部と、可動構造体の上に形成された可動電極と、基板の上に形成されて可動電極を基板の側に引き寄せるための固定電極と、固定部からくびれ部を経由して可動構造体の上にかけて形成された光導波路と、くびれ部の箇所で光導波路の上に形成されて印加された応力により光変調を行う光能動素子とを備え、平面視で、くびれ部の幅は、可動構造体の幅より小さく形成され、複数の貫通穴は、正三角形，正四角形，正六角形のいずれかを基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列されている。

上記光変調器において、隣り合う貫通穴の間隔は、固定部に近いほど小さくされているようにしてもよい。

また、複数の貫通穴は、正三角形を基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列され、固定部からみて可動構造体が形成されている方向に対し、基本格子の辺が傾く状態とされているようにしてもよい。また、複数の貫通穴は、正四角形を基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列され、固定部からみて可動構造体が形成されている方向に対し、基本格子の辺が傾く状態とされているようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、梁構造の上に形成した光能動素子に、梁構造を変位させることで応力を印加して光変調を行う光変調器において、光能動素子に効率的に応力が集中できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光変調器の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を示す平面図である。 図４は、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を示す平面図である。 図５は、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を示す平面図である。 図６は、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を示す平面図である。 図７は、本発明の実施の形態における光変調器の一部構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光変調器の構成を示す斜視図である。この光変調器は、基板１０１の上に形成された支持層１０２および支持層１０２の上に形成された可動部形成層１０３を加工することで形成したものである。

まず、可動部形成層１０３を加工することで形成されて基板１０１の上に離間して配置された可動構造体１０４と、可動部形成層１０３を加工することで形成された固定部１０６と、可動部形成層１０３を加工することで形成されて可動構造体１０４の一端と固定部１０６とを連結するくびれ部１０７とを備える。

また、可動部形成層１０３に対する選択的なエッチングにより支持層１０２を加工することで固定部１０６の下の領域に形成されて固定部１０６を基板１０１の上に支持する支持部１０５を備える。固定部１０６が、支持部１０５の上に固定された状態となる。

可動構造体１０４，固定部１０６，くびれ部１０７は、可動部形成層１０３を加工することで一体に形成されている。くびれ部１０７の幅は、平面視で、可動構造体１０４の幅より小さく形成されている。

例えば、基板１０１，支持層１０２，可動部形成層１０３は、よく知られたＳＯＩ基板であり、厚さ０．２μｍ程度の表面シリコン層が可動部形成層１０３であり、厚さ２〜３μｍ程度の埋め込み酸化層が支持層１０２である。従って、フッ酸によるウェットエッチングによれば、可動部形成層１０３に対する選択的なエッチングにより支持層１０２を加工することができる。

また、可動構造体１０４の上に形成された可動電極１０８を備える。ここで、基板１０１を、不純物を導入したシリコンから構成することで、基板１０１を電極として用いることができる。この場合、基板１０１が、可動電極１０８を基板１０１の側に引き寄せるための固定電極となる。可動電極１０８は、一部のくびれ部１０７を経由して固定部１０６の上に引き出された配線１１０に接続している。なお、基板１０１とは別に固定電極を形成する場合、平面視で、可動電極１０８に重なる位置、言い換えると、可動構造体１０４を投影した領域の基板１０１上に固定電極が形成されていればよい。

また、固定部１０６からくびれ部１０７を経由して可動構造体１０４の上にかけて形成された光導波路１１１と、くびれ部１０７の箇所で光導波路１１１の上に形成されて印加された応力により光変調を行う光能動素子１１２とを備える。光能動素子１１２は、光導波路１１１を導波する光信号の変調を行う。

光導波路１１１は、可動構造体１０４の上で進行方向が曲げられ、光導波路１１１の両端は、固定部１０６の上に配置されている。光導波路１１１は、リブ型導波路である。光導波路１１１の一端より入射した光信号は、まず、分割形成されているいずれかのくびれ部１０７の上の光能動素子１１２が形成されている箇所を通過する。次いで、可動構造体１０４の上の曲げられている部分の光導波路１１１で進行方向を１８０°変更する。次いで、他のいずれかのくびれ部１０７の上の光能動素子１１２が形成されている箇所を通過し、光導波路１１１の他端より出射する。

光能動素子１１２は、ゲルマニウムからなる層厚１０ｎｍ程度の井戸層と、シリコンとゲルマニウムとの混晶からなる層厚１０ｎｍ程度の障壁層とから構成された量子井戸構造を備える。この構成とした光能動素子１１２は、応力が加わると、井戸層を構成するゲルマニウムのバンドギャップを波長に換算して１００ｎｍ可変することができる。従って、光能動素子１１２は、応力が加わることで、吸収する光波長を変更することができる。

上述した光変調器では、可動電極１０８と、基板１０１の間に電位差が生じるように電圧を印加することで、可動電極１０８と基板１０１との間に静電引力を発生させ、可動構造体１０４を基板１０１の側に近づけるように変位させることができる。このとき、可動構造体１０４およびくびれ部１０７が変形し応力を発生する。ここで発生する応力は、固定部１０６により近い箇所に配置され、幅が狭く形成されたくびれ部１０７に集中するようになる。また、印加する電圧を変化させることで、可動構造体１０４の変位量を変化させることができる。

このようにして応力が集中するくびれ部１０７の上に光能動素子１１２が形成されているので、上述したように可動構造体１０４に対して静電引力を発生させることで、光能動素子１１２に応力（引っ張り歪み）を加えることができ、結果として、光能動素子１１２における透過光波長を変更（変調）することができる。なお、上述した光変調器の構成については、特願２０１２−１５９６１７を参照されたい。

上述したように動作する光変調器において、実施の形態では、可動構造体１０４に、複数の貫通穴１４１を備え、複数の貫通穴１４１は、正三角形，正四角形（正方形），正六角形のいずれかを基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列されているところに特徴がある。貫通穴１４１は、可動部形成層１０３に対する選択的なエッチングにより支持層１０２を加工するときに用いるエッチャント（フッ酸）を、可動部形成層１０３（可動構造体１０４）より下層に浸入させるための穴である。なお、図１において、各貫通穴１４１の間に示す点線は、格子の状態を説明するための仮想の線であり、実際には存在しない。これは、図２，図３，図４，図５，図６，図７においても同様である。

貫通穴１４１は可動構造体１０４を貫通しており、ここからフッ酸が浸入し、酸化シリコンからなる支持層１０２をエッチングすることができる。貫通穴１４１の径は、５０ｎｍ程度以上であれば良い。この穴径であれば、フッ酸が浸入可能である。複数の貫通穴１４１は、可動構造体１０４の全域に、均等に配列されているとよい。

上述した光変調器の製造について簡単に説明する。まず、ＳＯＩ基板を用意する。ＳＯＩ基板の基体部が基板１０１であり、埋め込み酸化層が支持層１０２であり、表面シリコン層が可動部形成層１０３である。初めに、公知のリソグラフィー技術、エッチング技術および成膜技術により光導波路１１１および光能動素子１１２を形成する。可動部形成層１０３の上に公知の成膜技術によりフッ酸耐性のある金からなる金属層を形成した後、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により金属層をパターニングすることで、可動電極１０８および配線１１０を形成する。

次いで、公知のリソグラフィー技術により、可動構造体１０４，固定部１０６，およびくびれ部１０７を形成するためのマスクパターンを形成する。このとき、マスクパターンの可動構造体１０４とする領域に、貫通穴１４１に対応する複数の穴部を備えるものとする。このように形成したマスクパターンを用い、公知のドライエッチング技術により可動部形成層１０３をパターニングすることで、可動構造体１０４，固定部１０６，およびくびれ部１０７が形成できる。また、複数の貫通穴１４１が形成できる。この場合、可動電極１０８の部分においては、貫通穴１４１は、可動電極１０８も貫通している。

上述したように可動構造体１０４，固定部１０６，およびくびれ部１０７を形成した後、用いたマスクパターンを除去する。次に、可動構造体１０４およびくびれ部１０７の周囲の開口領域、また、貫通穴１４１を通してフッ酸を支持層１０２に作用させることで、固定部１０６の下部領域以外の支持層１０２を選択的にエッチング除去する。

このエッチングにより、可動構造体１０４およびくびれ部１０７の下部の支持層１０２は除去され、可動構造体１０４およびくびれ部１０７は、基板１０１より離間した状態となる。また、上述したウェットエッチングでは、等方的にエッチングされるため、固定部１０６の端部下部も、ある程度エッチングされアンダーカットが生じる。

しかしながら、可動構造体１０４に複数の貫通穴１４１が形成され、ここからも支持層１０２に対してフッ酸が作用するので、可動構造体１０４の下部の支持層１０２が、貫通穴１４１がない場合に比較してより迅速にエッチング除去されるようになる。この結果、可動構造体１０４およびくびれ部１０７の中空構造が、より短時間のエッチングで実現できるようになり、結果として、上述したアンダーカットの量を減らすことができる。アンダーカットの量が減らせれば、前述したくびれ部１０７に対する応力集中が、より効率的になされるようになる。

ところで、貫通穴１４１は、例えば、上述したように六角形格子で配置している。正六角形の基本格子を有するハニカム構造は、建築材料などで高強度かつ高剛性の多孔材料として知られている。このため、この配置で複数の貫通穴１４１を形成しても、可動構造体１０４の強度および剛性を著しく損なうことがない。

ここで、厚さｄのシリコン酸化膜（支持層１０２）を完全に除去するためには、フッ酸浸入用の貫通穴１４１の間隔を、厚さｄ以下に設定する必要がある。１辺がｄの長さを持つ六角格子の格子間隔は√３ｄであることから、六角格子の頂点にフッ酸浸入用穴を配置する場合、図２の平面図に示す六角格子の格子間隔ｘは、支持層１０２の厚さの√３倍以下であればよい。

格子間隔ｘを小さくとると剛性が低下するので、応力集中を促すことも可能となる。従って、図３に示すように、まず、可動構造体１０４の固定部１０６から遠いところでは、支持層１０２の厚さの√３倍の格子寸法で複数の貫通穴１４１を配置する。また、固定部１０６に近づくにつれて小さい格子寸法で複数の貫通穴１４２を配置する。隣り合う貫通穴１４２の間隔を、固定部１０６に近いほど小さくされているようにする。これらの構成とすることで、くびれ部１０７における応力集中を増強させることも可能となる。

また、貫通穴１４１の配置は、六角形格子のほかに、図４に示すように四角形格子としてもよい。このように、基本格子の形状を正方形とした四角形格子の格子点に複数の貫通穴１４１が配置される構成では、格子の辺が、固定部１０６からみて可動構造体１０４が形成されている方向と、平行または直交する構成もある。この場合、変位する可動構造体１０４に発生する主応力方向が上述した方向であり、この主応力方向に垂直な方向に貫通穴１４１が配列される状態となる。この状態では、剛性が低下するため、図５に示すように、固定部１０６からみて可動構造体１０４が形成されている方向に対し、四角格子（基本格子）の辺が傾く状態とするとよい。

また、貫通穴１４１の配置は、図６に示すように三角形格子としてもよい。このように、基本格子の形状を正三角形とした三角形格子の格子点に複数の貫通穴１４１が配置される構成では、格子の辺が、固定部１０６からみて可動構造体１０４が形成されている方向と、直交する構成もある。この場合、変位する可動構造体１０４に発生する主応力方向が上述した方向であり、この主応力方向に垂直な方向に貫通穴１４１が配列される状態となる。この状態では、剛性が低下するため、図７に示すように、固定部１０６からみて可動構造体１０４が形成されている方向に対し、三角格子（基本格子）の辺が傾く状態とするとよい。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、貫通孔は、くびれ部に形成されていてもよい。

１０１…基板、１０２…支持層、１０３…可動部形成層、１０４…可動構造体、１０５…支持部、１０６…固定部、１０７…くびれ部、１０８…可動電極、１１０…配線、１１１…光導波路、１１２…光能動素子、１４１…貫通穴。

Claims (4)

1. 基板の上に形成された支持層および前記支持層の上に形成された可動部形成層を加工することで形成した光変調器であって、
   前記可動部形成層を加工することで形成されて前記基板の上に離間して配置され、複数の貫通穴を備える可動構造体と、
   前記可動部形成層を加工することで形成された固定部と、
   前記可動部形成層を加工することで形成されて前記可動構造体の一端と前記固定部とを連結するくびれ部と、
   前記可動部形成層に対する選択的なエッチングにより前記支持層を加工することで前記固定部の下の領域に形成されて前記固定部を前記基板の上に支持する支持部と、
   前記可動構造体の上に形成された可動電極と、
   前記基板の上に形成されて前記可動電極を前記基板の側に引き寄せるための固定電極と、
   前記固定部から前記くびれ部を経由して前記可動構造体の上にかけて形成された光導波路と、
   前記くびれ部の箇所で前記光導波路の上に形成されて印加された応力により光変調を行う光能動素子と
   を備え、
   平面視で、前記くびれ部の幅は、前記可動構造体の幅より小さく形成され、
   複数の前記貫通穴は、正三角形，正四角形，正六角形のいずれかを基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列されていることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１記載の光変調器において、
   隣り合う前記貫通穴の間隔は、前記固定部に近いほど小さくされていることを特徴とする光変調器。
3. 請求項１または２記載の光変調器において、
   複数の前記貫通穴は、正三角形を基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列され、
   前記固定部からみて前記可動構造体が形成されている方向に対し、前記基本格子の辺が傾く状態とされていることを特徴とする光変調器。
4. 請求項１または２記載の光変調器において、
   複数の前記貫通穴は、正四角形を基本格子の形状とする格子の格子点に配置された状態に配列され、
   前記固定部からみて前記可動構造体が形成されている方向に対し、前記基本格子の辺が傾く状態とされていることを特徴とする光変調器。

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