JP5858476B2 - 光素子 - Google Patents

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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であって、前記2本の光導波路が前記梁部の表面上に形成されたリブ型光導波路である、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であって、印加された応力により、作用光帯域を可変とする光能動素子と、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、前記光反射部は、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とフォトニック結晶形成され、前記方向性結合器の光結合領域の光導波路フォトニック結晶が形成されたことを特徴とする。
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(Silicon on Insulator)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(Silicon on Insulator)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(Silicon on Insulator)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。
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。
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(Silicon on Insulator)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。
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。
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。
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(Silicon on Insulator)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。
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。
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。
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。
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(Silicon on Insulator)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。
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。
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 (6)

  1. 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であって、前記2本の光導波路が前記梁部の表面上に形成されたリブ型光導波路である、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であって、印加された応力により、作用光帯域を可変とする光能動素子と、
    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。
  2. 前記光反射部は、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。
  3. 前記光反射部の端面は、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。
  4. 前記光反射部は、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。
  5. 前記光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。
  6. 前記光反射部は方向性結合器とフォトニック結晶で形成され、前記方向性結合器の光結合領域の光導波路にフォトニック結晶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。
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