JP5871240B2

JP5871240B2 - 光素子

Info

Publication number: JP5871240B2
Application number: JP2013045382A
Authority: JP
Inventors: 福田　浩; 浩福田; 山田　浩治; 浩治山田; 靖彦石川; 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: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014174261A

Description

本発明は、光変調技術、光受光技術、光増幅技術、発光技術等の光機能技術に関し、特に応力の印加によりその作用光帯域を可変とする光機能素子を有する光素子に関する。

現在、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、光機能素子を高速化する必要があるが、現在は、速度面の要請から、化合物半導体の光機能素子が主流である。しかしながら、加入者網に導入するためには小型、低消費電力かつ低コストであることが必要であることから、より安価なシリコン系材料を用いた光機能素子の開発が進んでいる。

シリコン系材料を用いた光機能素子には、例えば、光変調器の場合は、キャリア注入による自由電子吸収を用いる構成（特許文献１参照）、マッハツェンダー干渉計を用いる構成（特許文献２参照）、ゲルマニウムの電界吸収効果を用いる構成（非特許文献１参照）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構成は、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。一方、電界吸収効果を用いる構成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１６００ｎｍ以上の長波長帯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。

ところが近年、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動作する光変調器が実現される可能性が出てきた。しかしながら、１つの量子構造で変調できる光帯域は数ｎｍと狭く、Ｃ帯およびＬ帯をカバーするためには、１０種類以上の量子構造を作り分ける必要がある。

これに対し、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, Vol. 19, Issue 8, pp. 7062-7067 (2011)

しかしながら、この応力印加構造を光導波路上に形成するためには、チャネル型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。その結果、応力印加に係る駆動電圧が１００Ｖ以上と大きくなり、この駆動電圧を供給する定電圧源の消費電力が大きく、低消費電力化が出来ないという課題があった。

応力印加に係る駆動電圧の低電圧化の手法としては、応力印加にあたり、応力集中構造を導入する手法がある。しかしながら、単純な電極構造では、プルインと呼ばれる現象が発生する。この現象は、昇圧時にあるプルイン電圧になると急激に構造変形が進行し、その後プルイン電圧以下に降圧しても変形が容易には元に戻らない現象である。プルインにより、電圧の高低を繰り返し付与した際のヒステリシス動作が除去できず、結果として連続的に応力値を制御することが困難になるため、所望の応力を実現できない領域が生ずる。

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、作用光帯域を広範囲で連続的に可変とする光機能素子を有する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、第１の電極が形成された基板と、前記基板と離間して配置された、一端が固定されたくびれ部分を有する梁部と、前記梁部上に形成された光導波路と、前記くびれ部分に位置する前記光導波路上に形成された光機能素子と、前記梁部上に形成された複数の第２の電極であって、プルイン用電極、および、前記梁部の長手方向に対し連続的に幅が変化した応力制御用電極を含む複数の第２の電極と、を備え、前記プルイン用電極と前記第１の電極との間に所定の電位差が生じるよう前記プルイン用電極および前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記梁部にプルインを生じさせ、前記プルインを生じさせた後に、前記応力制御用電極と前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記光機能素子に印加される応力を制御することを特徴する。

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、前記プルイン用電極は、前記梁部の長手方向に対し、前記応力制御用電極とは逆に連続的に幅が変化した電極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１に記載の光素子において、前記プルイン用電極は、前記応力制御用電極よりも前記梁部の開放端側に位置し、前記梁部の長手方向に対し幅が一定の電極であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、第１の電極が形成された基板と、前記基板と離間して配置された、一端が固定されたくびれ部分を有する梁部と、前記梁部上に形成された光導波路と、前記くびれ部分に位置する前記光導波路上に形成された光機能素子と、前記梁部上に形成された複数の第２の電極であって、プルイン用電極、および、前記梁部の長手方向に対し連続的に幅が変化した応力制御用電極を含む複数の第２の電極と、を備えた光素子を制御する光素子制御方法であって、前記プルイン用電極と前記第１の電極との間に所定の電位差が生じるよう前記プルイン用電極および前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記梁部にプルインを生じさせるステップと、前記プルインを生じさせた後に、前記応力制御用電極と前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記光機能素子に印加される応力を制御するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、作用光帯域を広範囲で連続的に可変とする光機能素子を有する光素子を実現することが出来る。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光素子の基本構造を示す図（斜視図）であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光素子の片持ち梁部分の平面図を示す図である。（ａ）は、各電極２１〜２４に電圧を印加した際の片持ち梁１のくびれ部分５、８から固定端２５付近での最大主応力の計算結果を示す図であり、（ｂ）は、この最大主応力の計算に用いた片持ち梁１および電極２１〜２３の構成ならびに電極２１〜２３の各々への印加電圧を示す図である。片持ち梁部分の変形状態を示す図であり、（ａ）は、変形無しの状態を示す図、（ｂ）は、プルイン状態を示す図、（ｃ）は、大変形状態を示す図である。光機能素子４、９に印加する引張応力と、ゲルマニウムを用いた光機能素子４、９のバンドギャップ変化量との関係を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる光素子の片持ち梁部分の平面図を示す図である。本発明の第３の実施形態にかかる光素子の片持ち梁部分の平面図を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）に、本発明の第１の実施形態に係る光素子の基本構造（斜視図）を示す。また、図１（ｂ）に、本発明の第１の実施形態に係る光素子の片持ち梁部分の平面図を示す。本実施形態の光素子は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成される。光素子は、基板０と離間するように配置された片持ち梁１上に形成された光導波路３、７の一部に光機能素子４、９を形成したものである。光導波路３、７は光導波路６で接続されており、それら光導波路はリブ型光導波路構造である。光機能素子４、９は、片持ち梁１のくびれ部分５、８に位置する光導波路３、７上に形成されている。

また、片持ち梁１の開放端２６側には、光機能素子４、９の光学特性を連続的に変化可能にする、応力印加を制御する複数の電極２１〜２３からなる電極構造を具備している。この複数の電極２１〜２３は、片持ち梁１の長手方向に対し連続的にその幅が変化している。尚、図示していないが、片持ち梁１の外に電極パッドを用意し、電極パッドと電極２１〜２３が電気配線でつながっている形状が望ましい。

複数の電極２１〜２３の一部にプルイン電圧を与え、残りの電極でプルイン後の片持ち梁１の変形を制御する。プルイン時にかかる応力は、片持ち梁１に形成されたくびれ部分５、８に集中するため、片持ち梁１のくびれ部分５、８に位置する光導波路３、７上に作製された光機能素子４、９には連続的な応力印加が可能となる。このような電極構造と電圧印加方法とにより、プルイン後も、各電極に印加する電圧の制御により連続可変制御可能な応力制御領域を拡大することができる。

片持ち梁１の上に形成された光導波路３（入射用光導波路）、光導波路７（出射用導波路）は、例えば、コア材料がシリコン、クラッド材料が空気であり、コアとなるリブ厚さが２００ｎｍ、リブ幅（コア幅）が４００ｎｍ、スラブ厚さが１００ｎｍのリブ型光導波路などである。リブ型光導波路の上下クラッドは、酸化シリコンなどのコア材料よりも屈折率が小さい材料で形成されていても良い。

片持ち梁１のくびれ部分５、８に位置する光導波路３、７上に形成された量子井戸構造を持つ光機能素子４、９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。

片持ち梁１の上に形成された電極２１〜２３および基板０上に形成された電極２４は、例えば、金、銀、アルミニウムなどの金属でも良いし、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。

ここで本発明の光素子の動作について説明する。

光素子への入射光２は、光導波路３（入射用光導波路）に入射する。光導波路３に入射した光は、片持ち梁１のくびれ部分５に位置する光導波路３上に形成された量子井戸構造を持つ光機能素子４により変調・受光・増幅等の作用を受ける。光機能素子４で変調・受光・増幅等の作用を受けた光は、光導波路３を通じて、光導波路６（折り返し光導波路）に入射する。

折り返し光導波路６は片持ち梁１の上に形成されたリブ型光導波路などで、例えば、光導波路３、７と同様にコア材料がシリコン、クラッド材料が空気からなるリブ型光導波路である。折り返し光導波路６を通った光は、光導波路７（出射用光導波路）に入射する。

光導波路７に入射した光は、片持ち梁１のくびれ部分８に位置する光導波路７上に形成された量子井戸構造を持つ光機能素子９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。

光機能素子４、９の作用波長領域を決めるのは、光機能素子４、９の量子井戸構造（寸法と組成）ならびに光機能素子４、９にかかる応力である。応力の制御は、片持ち梁１上に形成された電極２１〜２３および基板０上に形成された電極２４に印加する電圧を調整することで行う。例えば、電極２１〜２３に正の電圧を印加し、電極２４に負の電圧を印加すると、電極２１、電極２２および電極２３は正に帯電し、電極２４は負に帯電するため、電極間に静電引力が発生する。そのため片持ち梁１は基板０に近づくことになり、片持ち梁１がくびれ部分５、８を中心に変形する。

このときの静電引力は、電極２１〜２３の各面積、電極２４の面積、片持ち梁１と電極２４の間隙、電極２１と電極２４の間の電位差、電極２２と電極２４の間の電位差および電極２３と電極２４の間の電位差に依存する。

電極２１と電極２４の間の電位差、電極２２と電極２４の間の電位差、および電極２３と電極２４の間の電位差を大きくしていくと、片持ち梁１の変形状態は、片持ち梁１の固定端２５付近が変形する「小変形状態」、片持ち梁１の固定端２５付近が変形して片持ち梁１の開放端２６が電極２４に接触する「プルイン状態」、片持ち梁１の開放端２６付近が変形して片持ち梁１の開放端２６付近が電極２４に接触するプルイン後の「大変形状態」、と遷移する。

「小変形状態」、「プルイン状態」、「大変形状態」の各状態は固有の安定状態であり、これら状態間の遷移は不連続なものとなる。

ここで、片持ち梁１にくびれ部分５、８が設けられていることで、「小変形状態」から「プルイン状態」までで発生する梁変形をくびれ部分５、８からの変形で吸収し、「プルイン状態」から「大変形状態」までで発生する梁変形を固定端２５付近の変形で吸収するように、各電極２１〜２４に印加する電圧を設定することができる。これにより、片持ち梁１のくびれ部分５、８から固定端２５付近に発生する応力の可変制御範囲を連続的かつ広範囲にわたって取ることが出来る。

ここで、片持ち梁１のくびれ部分５、８から固定端２５付近に発生する応力について、各電極２１〜２４に印加する電圧を具体的に設定した例を用いて説明する。図２（ａ）に、各電極２１〜２４に電圧を印加した際の片持ち梁１のくびれ部分５、８から固定端２５付近での最大主応力の計算結果を示す。また、図２（ｂ）に、この最大主応力の計算に用いた片持ち梁１および電極２１〜２３の構成ならびに電極２１〜２３の各々への印加電圧を示す。尚、この最大主応力の計算には、光導波路3、７、６ならびに光機能素子４、９等を設置していない図２（ｂ）に示した片持ち梁の構成を用いた。

この最大主応力の計算においては、片持ち梁１の長手方向に対しその幅が減少する三角形電極を３つ備える片持ち梁１に対し、片持ち梁１上部に形成された両脇の電極２１、２２に初期電圧として４０Ｖの電位を付与し、基板０上の電極２４に０Ｖの電圧を付与し、片持ち梁１上部に形成された中央の電極２３に印加する電圧を０V〜１５０Vの範囲で増減して基板０上の電極２４との間の電位差を増減した時の、片持ち梁１のくびれ部分５、８から固定端２５付近での最大主応力を計算した。その計算結果を示したのが図２（ａ）である。

また、上記最大主応力の計算に用いた片持ち梁（図２（ｂ））の各部および各電極のサイズ等は以下の通りである。片持ち梁１の幅は３０μｍ、長さは２０μｍ、厚さは０．２μｍ、材質はヤング率１３０ＧＰａの誘電体である。片持ち梁１の固定端２５から５μｍの部分に、幅が５μｍのくびれ部分５、８を２つ有している。２つのくびれ部分の中心間距離は１５μｍである。片持ち梁１上部に形成された両脇の電極２１、２２の最大幅は１５μｍ、長さは２０μｍ、厚さは０．２μｍで完全導体である。片持ち梁１上部に形成された中央の電極２３の最大幅は３０μｍ、長さは２０μｍ、厚さは０．２μｍで完全導体である。また、片持ち梁１と基板０の間隙は３μｍである。

図２（ａ）からは、大変形状態を利用することで、広範囲にわたる応力変化を利用できることが分かる。また、図１に示したような静電引力を利用した素子は、電圧が変化する際に電力を消費するが、一定電圧を保持する際には大きな電力を消費しない。よって、予め何らかの方法によりプルイン状態とし、最小限の電圧変化で大変形状態に移行させ、大変形状態において応力を制御することが望ましい。例えば、応力制御用電極以外の複数の電極の一部に電圧を印加して予めプルイン状態とすることで、応力制御用電極への印加電圧を小さくすることができる。

また、片持ち梁１の長手方向に電極幅を変化させ、片持ち梁１に生ずるモーメントを変化させることで、同じ印加電圧であっても、広範囲な応力発生と精緻な応力制御のいずれか必要な制御方法を選択することができる。

ここで改めて、片持ち梁１の変形状態について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）に、変形無し、プルイン状態、大変形状態を模式的に示す。尚、ここでは、変形状態を模式的に示すために、図２（ｂ）に示した片持ち梁１と同様の構成、すなわち光導波路3、７、６ならびに光機能素子４、９等を設置していない構成でシミュレートした変形状態を示した。基板０上の電極２４に０Ｖの電圧を付与し、片持ち梁１上部に形成された両脇の電極２１、２２に４０Ｖの電圧を印加すると、片持ち梁１はプルイン状態になる（図３（ｂ））。このプルイン状態後、電極２３に電圧を印加すると大変形状態（図３（ｃ））に遷移する。

図２（ａ）に示すように、片持ち梁１上部に形成された両脇の電極２１、２２に印加する初期電圧および各種電極の形状・寸法を適切に選択することで、電極２３に付与する電圧値で片持ち梁１のくびれ部分５、８から固定端２５付近に発生させる応力を、広範囲にわたり連続的に制御できることができる。

図４に、光機能素子４、９に印加する引張応力と、ゲルマニウムを用いた光機能素子４、９のバンドギャップ変化量との関係を示す。光機能素子４、９に対し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。

尚、図１（ａ）、（ｂ）に示した本実施形態の光素子においては、電極２１〜２４は各々独立に電圧を設定することが出来るものとする。例えば、電極２４を０Ｖに設定し、電極２１、２２に予め例えば４０Ｖの電圧を印加して、予めプルイン状態とし、電極２３に印加する電圧を電極２１、２２とは独立に制御することで、固定端２５付近に発生させる応力を制御することが出来る。

また、本実施形態では、図１に示したように電極２１、電極２２を片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が大きくなる三角形状とし、電極２３を片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が小さくなる三角形状とした形態を説明したが、電極２１、２２は、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が大きくなる構造であれば、三角形でなく、台形でも良いし、複数の変曲点を持つ多角形でも良いし、曲線から構成される図形でも良い。また、電極２３は、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が小さくなる構造であれば、三角形でなく、台形でも良いし、複数の変曲点を持つ多角形でも良いし、曲線から構成される図形でも良い。

本実施形態では、例えば、プルイン電極として電極２１又は２２を用い、応力制御用電極として電極２３を用いる。電極２１または電極２２、あるいは電極２１及び電極２２の両方には予め必要な所定の定電圧を印加し、片持ち梁１をプルイン状態にしておく。電極２３は、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれてその幅が小さくなっているので、幅が一定の場合と比べ、電圧印加時のモーメント荷重が小さくなり、結果として大きな印加電圧で小さな応力変化を得ることができる。よって、精緻な応力制御、ひいては精緻なバンドギャップ制御を必要とする用途に適する。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる光素子の片持ち梁部分の平面図を示す。尚、片持ち梁部分以外の構成（基板０等）は、第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の光素子では、第１の実施形態と同様に電極２４を有する基板０と離間して片持ち梁１が配置されている。本実施形態と第１の実施形態との差異は、下記のような電極２１〜２３の形状にある。

すなわち、第１の実施形態とは逆に、電極２１、２２が、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が小さくなる三角形状をしていることを特徴とする。片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が小さくなる構造であれば、三角形でなく、台形でも良いし、複数の変曲点を持つ多角形でも良いし、曲線から構成される図形でも良い。

また、電極２３は、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が大きくなる三角形状をしていることを特徴とする。片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が大きくなる構造であれば、三角形でなく、台形でも良いし、複数の変曲点を持つ多角形でも良いし、曲線から構成される図形でも良い。

本実施形態では、例えば、プルイン電極として電極２１又は２２を用い、応力制御用電極として電極２３を用いる。電極２１または電極２２、あるいは電極２１及び電極２２の両方には予め必要な所定の定電圧を印加し、片持ち梁１をプルイン状態にしておく。電極２３は、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれてその幅が大きくなっているので、幅が一定の場合と比べ、電圧印加時のモーメント荷重が大きくなり、結果として小さな印加電圧で大きな応力変化を得ることができる。よって、大きな応力差、ひいては大きなバンドギャップ差を必要とする用途に適する。

（第３の実施形態）
図６に、本発明の第３の実施形態にかかる光素子の片持ち梁部分の平面図を示す。尚、片持ち梁部分以外の構成（基板０等）は、第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の光素子では、第１の実施形態と同様に電極２４を有する基板０と離間して片持ち梁１が配置されている。本実施形態は、片持ち梁１上の開放端２６近傍に長方形の電極３２が配置され、電極３２よりも固定端２５側に片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が小さくなる三角形状をした電極３１が配置されていることを特徴とする。電極３１は、片持ち梁１の開放端２６に近づくにつれその幅が変化する構造であれば、三角形でなく、台形でも良いし、複数の変曲点を持つ多角形でも良いし、曲線から構成される図形でも良い。

本実施形態では、例えば、プルイン電極として電極３２を用い、応力制御用電極として電極３１を用いる。電極３２には予め必要な所定の定電圧を印加し、片持ち梁１をプルイン状態にしておく。電極３２は、片持ち梁１の開放端２６近傍にあるので、第１又は第２の実施形態と比べ、より小さな電圧でプルイン状態にすることができる。よって、大電圧の供給が困難な場合の用途に適する。

以上の各実施形態では、片持ち梁１のくびれ部分５、８に位置する光導波路３、７の上に光機能素子４、９をそれぞれ備える構成例を示したが、くびれ部分５、８に位置する光導波路３、７のいずれか一方の上にのみ光機能素子を備える構成としても良い。

０基板
１片持ち梁
２入射光
３、６、７光導波路
４、９光機能素子
５、８くびれ部分
１０出射光
２１〜２４、３１、３２電極
２５固定端
２６開放端

Claims

第１の電極が形成された基板と、
前記基板と離間して配置された、一端が固定されたくびれ部分を有する梁部と、
前記梁部上に形成された光導波路と、
前記くびれ部分に位置する前記光導波路上に形成された光機能素子と、
前記梁部上に形成された複数の第２の電極であって、プルイン用電極、および、前記梁部の長手方向に対し連続的に幅が変化した応力制御用電極を含む複数の第２の電極と、
を備え、前記プルイン用電極と前記第１の電極との間に所定の電位差が生じるよう前記プルイン用電極および前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記梁部にプルインを生じさせ、前記プルインを生じさせた後に、前記応力制御用電極と前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記光機能素子に印加される応力を制御することを特徴する光素子。
前記プルイン用電極は、前記梁部の長手方向に対し、前記応力制御用電極とは逆に連続的に幅が変化した電極であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
前記プルイン用電極は、前記応力制御用電極よりも前記梁部の開放端側に位置し、前記梁部の長手方向に対し幅が一定の電極であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
第１の電極が形成された基板と、前記基板と離間して配置された、一端が固定されたくびれ部分を有する梁部と、前記梁部上に形成された光導波路と、前記くびれ部分に位置する前記光導波路上に形成された光機能素子と、前記梁部上に形成された複数の第２の電極であって、プルイン用電極、および、前記梁部の長手方向に対し連続的に幅が変化した応力制御用電極を含む複数の第２の電極と、を備えた光素子を制御する光素子制御方法であって、
前記プルイン用電極と前記第１の電極との間に所定の電位差が生じるよう前記プルイン用電極および前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記梁部にプルインを生じさせるステップと、
前記プルインを生じさせた後に、前記応力制御用電極と前記第１の電極のそれぞれに電圧を印加して前記光機能素子に印加される応力を制御するステップと、
を有することを特徴とする光素子制御方法。