JP2015219294A - 光変調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】梁構造の上に形成した光変調器に、梁構造を変位させることで応力を印加して光の変調帯域を可変させる光変調装置において、必要な光変調領域の長さにわたって均一な応力が加えられるようにする。【解決手段】固定部１０３に連結部１０４で連結されて基板１０１の上に離間して配置された可動構造体１０５を備え、連結部１０４に光変調器１０９が配置される。固定部１０３，連結部１０４，可動構造体１０５は、いわゆる片持ち梁構造であり、梁の固定端に近い部分が、平面視でくびれた構造となっている。また、平面視で、連結部１０４の幅が、固定部１０３に近づくほど広く形成されている。また、平面視で、固定部１０３の側の連結部１０４の幅が、可動構造体１０５の幅より小さく形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、応力の印加により光の変調帯域を拡幅する光変調を行う光変調装置に関する。

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変調器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変調器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変調器ではなく、シリコン系材料を用いた光変調器の開発が進んでいる。

シリコン系材料を用いた光変調器には、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変調器を形成し、この光変調器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、上記素子が配置される応力集中部を、平面視でより細い構造として変形しやすくし、より小さな駆動電圧で梁を変形可能として低消費電力化を図る提案もなされている。

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.

ところで、光変調器を配置する部分を変形させて応力を印加し、光の変調帯域の拡幅を実現する技術では、応力が均一に印加される領域を確保することが重要となる。しかしながら、片持ち梁構造では、応力分布が梁の固定端付近に応力が集中するため、必要な光変調領域の長さにわたって均一な応力を得ることができないという問題があった。

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変調器に、梁構造を変位させることで応力を印加して光の変調帯域を可変させる光変調装置において、必要な光変調領域の長さにわたって均一な応力が加えられるようにすることを目的とする。

本発明に係る光変調装置は、基板の上に形成された支持部と、支持部の上に形成された固定部と、固定部に連結部で連結されて基板の上に離間して配置された可動構造体と、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、固定部から連結部の上にかけて形成された光導波路と、連結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の変調帯域を可変する光変調器とを備え、平面視で、連結部の幅は、固定部に近づくほど広く形成され、平面視で、固定部の側の連結部の幅は、可動構造体の幅より小さく形成されている。

上記光変調装置において、連結部は、可動構造体の側に配置され、平面視で同一の幅とされた矩形部と、固定部の側に配置されて固定部に近づくほど幅広となる台形部とから構成してもよい。

上記光変調装置において、光変調器は、固定部から可動構造体に向かう方向に延在して設けられていればよい。また、光変調器は、連結部および可動構造体が延在する方向に垂直な方向に延在して設けら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変調器に、梁構造を変位させることで応力を印加して光の変調帯域を可変させる光変調装置において、必要な光変調領域の長さにわたって均一な応力が加えられ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装置の構成を示す斜視図である。 図２は、印加している電圧と発生している応力との関係を説明するための説明図である。 図３は、印加している電圧と発生している応力との関係を説明するための説明図である。 図４は、本発明の実施の形態における光変調装置の他の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装置の他の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本発明の実施の形態における光変調装置の構成を示す斜視図である。

この光変調装置は、まず、基板１０１の上に形成された支持部１０２と、支持部１０２の上に形成された固定部１０３と、固定部１０３に連結部１０４で連結されて基板１０１の上に離間して配置された可動構造体１０５とを備える。固定部１０３，連結部１０４，可動構造体１０５は、いわゆる片持ち梁構造であり、梁の固定端に近い部分が、平面視でくびれた構造となっている。

例えば、基板１０１は、埋め込み酸化層１２１，表面シリコン層１２２を備える公知のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。厚さ０．２μｍ程度の表面シリコン層１２２をパターニングすることで、固定部１０３，連結部１０４，可動構造体１０５が一体に形成される。プラズマ等によるドライエッチングによれば、埋め込み酸化層１２１に対する選択的なエッチングにより、表面シリコン層１２２をパターニングすることができる。また、フッ酸によるウェットエッチングによれば、すでに形成している固定部１０３，連結部１０４，可動構造体１０５に対する選択的なエッチングにより、埋め込み酸化層１２１をパターニングすることができる。

ここで、実施の形態における光変調装置は、まず、平面視で、連結部１０４の幅が、固定部１０３に近づくほど広く形成されているところに第１の特徴がある。また、実施の形態における光変調装置は、平面視で、固定部１０３の側の連結部１０４の幅が、可動構造体１０５の幅より小さく形成されているところに第２の特徴がある。なお、固定部１０３との接続部における連結部１０４の幅は、可動構造体１０５の幅より大きくてもよい。「幅」は、片持ち梁構造の梁（連結部１０４，可動構造体１０５）が延在している方向（連結方向）に対し、平面視で垂直な方向の長さである。

また、実施の形態における光変調装置は、可動構造体１０５の上に形成された可動電極１０６と、基板１０１の上に形成されて可動電極１０６を基板１０１の側に引き寄せるための固定電極１０７とを備える。また、固定部１０３から連結部１０４の上にかけて形成された光導波路１０８と、連結部１０４の箇所で光導波路１０８の上に形成されて印加された応力により光の変調帯域を可変する光変調器１０９とを備える。光変調器１０９は、光導波路１０８を導波する光信号の変調を行う。また、可動電極１０６に接続する配線１１０が、連結部１０４を経由して固定部１０３の上に引き出されている。

可動電極１０６，固定電極１０７は、例えば、金、銀、アルミニウムなどの金属から構成すればよい。また、基板１０１をそのまま固定電極１０７としても良い。また、可動電極１０６，固定電極１０７は、シリコンなどの半導体から構成することもできる。

光導波路１０８は、連結部１０４の上で進行方向が曲げられ、光導波路１０８の両端は、固定部１０３の上に配置されている。光導波路１０８は、例えばリブ型導波路である。コアがシリコンから構成され、上部クラッドが空気であればよい。また、リブ幅が４００ｎｍ，コア厚さが２００ｎｍ、リブ厚さが１００ｎｍとされていればよい。なお、リブ導波路の上部クラッドは、空気に限らず、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。

光導波路１０８の一端より入射した光信号は、まず、連結部１０４の上の一方の光変調器１０９が形成されている箇所を通過する。次いで、連結部１０４の上の曲げられている部分の光導波路１０８で進行方向を変更する。次いで、連結部１０４の上の他方の光変調器１０９が形成されている箇所を通過し、光導波路１０８の他端より出射する。ここで、図１に示す構成では、光変調器１０９は、固定部１０３から可動構造体１０５に向かう方向に延在して設けられている。

光変調器１０９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。この構成とした光変調器１０９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、光変調器１０９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、光の変調帯域を可変することができる。

上述した光変調装置では、可動電極１０６と固定電極１０７との間に電位差が生じるように電圧（駆動電圧）を印加することで、可動電極１０６と固定電極１０７との間に静電引力を発生させ、可動構造体１０５を固定電極１０７（基板１０１）の側に近づけるように変位させることができる。また、印加する電圧を変化させることで、可動構造体１０５の変位量を変化させることができる。このとき、可動構造体１０５および連結部１０４が変形して応力を発生する。ここで発生する応力は、固定部１０３により近い箇所に配置され、可動構造体１０５からみるとくびれている連結部１０４に集中するようになる。

加えて、実施の形態によれば、平面視で、連結部１０４の幅が、固定部１０３に近づくほど広く形成されているので、連結部１０４の連結方向において、上記応力はより均一な状態となる。

このようにして応力が集中する連結部１０４の上に光変調器１１２が形成されているので、上述したように可動構造体１０５に対して静電引力を発生させることで、光変調器１１２に応力（引っ張り歪み）を加えることができ、結果として、光変調器１１２における透過光波長の限界（吸収端）を変更することができる。図示していないが、光変調器１０９には、高速な電気の変調信号を導く電極が備わっている。応力により、光変調器１０９の吸収端と、光変調器１０９に入力される光の波長を近づけることができる。吸収端近傍の波長で光変調器１０９を動作させると、低い変調電圧で、大きな変調効率（消光比）を得ることができるため、結果として効率的な光の変調帯域を拡幅することができる。

ここで、より低い駆動電圧で可動構造体を変位させ、連結部を変形させるためには、連結部を平面視で可動構造体より細い構造（くびれ構造）とし、連結部に応力が集中する構成とすることが望ましい。しかしながら、このようなくびれ構造では、図２に示すように、連結部２０３の固定部側の付け根付近２３１に応力が集中する。

図２の（ｂ）は、基板２０１の上に、片持ち張り構造とした可動構造体２０２および連結部２０３が形成されている構造において、電圧を印加して静電引力により可動構造体２０２を基板２０１の側に引き寄せている状態を示している。また、図２の（ａ）は、印加している電圧と発生している応力との関係を示す特性図である。

印加電圧と応力との関係は、力学電磁場連成解析により求めた。用いた有限要素法のメッシュサイズは２μｍ以下であり、可動構造体２０２および連結部２０３は、シリコンから構成されているものとし、ヤング率を１８５ＧＰａとした。また、連結部２０３の固定端と基板２０１の下面を固定し、可動構造体２０２の上の可動電極（不図示）に電圧を印加して計算した。

また、可動構造体２０２は、連結方向の長さ５０μｍ，幅２０μｍ，板厚０．２μｍとした。また、連結部２０３は、連結方向の長さ１０μｍ，幅５μｍ，板厚０．２μｍとした。また、上述した可動電極と基板２０１との間に電位差を設ける。可動電極の寸法は、長さ５０μｍ、幅２０μｍ、厚さ０．１μｍであり、基板２０１と可動電極の距離は３μｍとした。

図２の（ａ）において、白丸は、連結部２０３の付け根付近２３１の応力変化を示し、黒四角は、連結部２０３の中央部２３２の応力変化を示している。付け根付近２３１の応力は、中央部２３２の応力の４倍以上になる。このため、連結部２０３の付け根付近２３１から中央部２３２にかけて光変調器を配置すると、光変調器の全体にわたり、均一に応力を加えることが困難となっている。

これに対し、実施の形態によれば、図３に示すように、応力の差が小さくなる。図３の（ａ）は、実施の形態における光変調装置において、可動構造体１０５上の可動電極（不図示）に印加している電圧と、連結部１０４に発生している応力との関係を示す特性図である。

印加電圧と応力との関係は、前述同様に、力学電磁場連成解析により求めた。可動構造体１０５は、連結方向の長さ５０μｍ，幅２０μｍ，板厚０．２μｍとした。また、連結部１０４は、まず、連結方向の長さを１０μｍとした。また、連結部１０４は、図３には示していない固定部１０３の側の幅２０μｍとし、可動構造体１０５の側の幅を５μｍとした。平面視で見ると、上底５μｍ，下底２０μｍ，高さ１０μｍの台形となっている。また、板厚は、０．２μｍとした。また、上述した可動電極と基板１０１との間に電位差を設ける。可動電極の寸法は、長さ５０μｍ、幅２０μｍ、厚さ０．１μｍであり、基板１０１と可動電極の距離は３μｍとした。

図３の（ａ）において、白丸は、連結部１０４の付け根付近１４１の応力変化を示し、黒四角は、連結部１０４の中央部１４２の応力変化を示している。実施の形態によれば、付け根付近１４１の応力が、中央部１４２の応力の２倍程度に軽減され、応力が、連結部１０４の全体にわたり分布していることがわかる。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、必要な光変調器１０９の長さにわたってより均一に近い応力分布を与えることができるようになる。このことにより、光変調器１０９の全体にわたり、応力による吸収端波長の変化の分布をおさえることができるため、光変調器１０９の駆動電圧を低く保ちながら、光変調器１０９にとって有効に動作する波長の制御域を広くできる。

また、連結部１０４を平面視で台形状とすることで、光変調器１０９をより大きな応力の場所に配置できるという長所もある。図２の（ｂ）を用いて説明したような矩形の連結部での場合は、台形状に比較して固定部側（固定端）の幅が狭くなる。光導波路は、光閉じ込めを実現するための最小曲げ半径があり、曲げ部の配置を考慮すると、固定端近傍に光変調器を配置することは事実上不可能である。

一方で、連結部１０４を台形状とすることで、連結部１０４の固定端の幅を広くとることができる。このため、図４に示すように、固定部１０３から連結部１０４の上にかけて形成された光導波路４０８の素子配置領域を、連結方向（図中ｘ方向）に垂直な方向（図中ｙ方向）に平行な状態として設けることが可能となる。このような素子配置領域に光変調器４０９を設ける。光変調器４０９は、連結部１０３および可動構造体１０５が延在する方向に垂直な方向に延在して配置されることになる。

前述したように、連結部１０４においては、固定端に近いほど大きな応力が得られ、また、ｙ方向には応力の均一性が高い。従って、上述したように光変調器４０９を設けることで、応力による吸収端波長の変化の分布をおさえることができ、光変調器４０９の駆動電圧を低く保ちながら、光変調器４０９にとって有効に動作する波長の制御域を広くできる。

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、上述した実施の形態では、連結部１０４の幅が、連結方向に線形に幅が変化する平面視台形としているが、これに限るものではない。連結部１０４の平面視の幅が、固定部１０３に近づくほど広くなっていればよく、平面視で釣鐘形状となっていてもよい。

また、図５に示すように、同一の幅の矩形部１４３と、固定部１０３に近づくほど幅広となる台形部１４４とにより連結部１０４ａを構成してもよい。矩形部１４３の幅は、台形部１４４の最も幅の小さい部分と等しく、幅が小さい領域がより長くなる。このため、連結部１０４ａ全体の剛性は、連結部１０４よりも小さくなり、より低い電圧で可動構造体１０５を変位させることができるようになる。

１０１…基板、１０２…支持部、１０３…固定部、１０４…連結部、１０５…可動構造体、１０６…可動電極、１０７…固定電極、１０８…光導波路、１０９…光変調器、１１０…配線、１２１…埋め込み酸化層、１２２…表面シリコン層。

Claims (4)

1. 基板の上に形成された支持部と、
   前記支持部の上に形成された固定部と、
   前記固定部に連結部で連結されて前記基板の上に離間して配置された可動構造体と、
   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連結部の上にかけて形成された光導波路と、
   前記連結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の変調帯域を可変する光変調器と
   を備え、
   平面視で、前記連結部の幅は、前記固定部に近づくほど広く形成され、
   平面視で、前記固定部の側の前記連結部の幅は、前記可動構造体の幅より小さく形成されている
   ことを特徴とする光変調装置。
2. 請求項１記載の光変調装置において、
   前記連結部は、前記可動構造体の側に配置され、平面視で同一の幅とされた矩形部と、
   前記固定部の側に配置されて前記固定部に近づくほど幅広となる台形部と
   から構成されていることを特徴とする光変調装置。
3. 請求項１または２記載の光変調装置において、
   前記光変調器は、前記固定部から前記可動構造体に向かう方向に延在して設けられていることを特徴とする光変調装置。
4. 請求項１または２記載の光変調装置において、
   前記能動素子は、前記連結部および前記可動構造体が延在する方向に垂直な方向に延在して設けられていることを特徴とする光変調装置。