JP6121307B2 - 機械分岐挿入装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜機械構造からなるフォノニック導波路と、このフォノニック導波路と結合した環状の薄膜機械構造からなるメカニカルリング共振器とを用いた機械分岐挿入装置に関するものである。

近年の著しい微細加工技術の発展によって、μｍスケール、さらには、ｎｍスケールの精巧な薄膜機械構造の作製が可能となったため、ｎｇ〜ｐｇレベルの極小な有効質量を有し、ＧＨｚにまで達する高速動作が可能で、Ｑ値が最大で〜１０⁵と高品質なＮＥＭＳ（Nano electromechanical system）やＭＥＭＳ（Micro electromechanical system）が数多く報告されている（非特許文献１）。

これら高性能な機械素子の登場は、従来のＮＥＭＳ／ＭＥＭＳ分野のメイントピックである超高感度な物理量センサーの研究開発に加えて、ＮＥＭＳ／ＭＥＭＳをベースにした高周波（Radio-frequency：ＲＦ）信号処理技術の研究というトピックを新たに創成した。その理由は、ＮＥＭＳ／ＭＥＭＳの微小な構造と高いＱ値のおかげで、機械振動の非線形現象が容易に発現するようになり、機械振動制御法が一気に多様化したためである。

これまでに、単一の機械素子において、その非線形性を巧みに利用した複雑なロジック演算処理の実施（非特許文献２）や電力消費を低く抑えた機械メモリーの動作確認（非特許文献３）がなされている。また、これら機械素子は既存の半導体デバイスが動作不可能な高温下や高放射線下といった極限環境においても動作するため、既存の半導体デバイスの補完的役割としての利用が特に期待されている（非特許文献４）。

加えて、機械振動は熱によっても駆動することができるため（非特許文献５）、既存の情報処理システムでは忌避されてきた熱を新たなエネルギー源として有効活用できる究極の省エネデバイスの実現も期待されている。しかしながら、これまで提案されてきたＮＥＭＳ／ＭＥＭＳでは、局所的な機械振動のみを扱っており、その制御の過程において、電気−機械エネルギー変換が必要なため、その変換による莫大なエネルギー損失は不可避なものであった。

従来、余剰なエネルギー損失が発生することなく、ＮＥＭＳ／ＭＥＭＳ等の機械素子を機械的な信号で以て繋げることができる「フォノニック導波路」という、最も基本的な機械素子が存在しなかった。高度なＲＦ信号処理能力を有するフォノニック導波路が実現できれば、光情報通信の歴史において光ファイバやシリコンナノワイヤ、フォトニック結晶導波路といった光導波路の登場により全光的な情報通信技術や信号処理技術が急速に進展したことからみても自明なように（非特許文献６）、機械振動を情報キャリアとして利用した全く新しい概念のＲＦ信号処理技術が生まれ、全機械的な機械情報処理システムの実用可能性が高まると思われる。

全機械的な情報処理システムにおいて、フォノニック導波路は複数のＮＥＭＳ／ＭＥＭＳ素子間を有機的に繋ぎ、多数の機械情報を巧みに取り扱う役割が求められる。しかしながら、複数の機械素子間を有機的に繋ぎ、かつ多数の機械振動の中から特定の周波数の振動のみを取捨選択する、つまり機械振動フィルタのような機能を有するフォノニック導波路は実現できておらず、現状のままでは、複数の機械振動を同時に扱うことは不可能である。

一方、光情報通信の場合では、一本の光ファイバやナノワイヤ内に重畳した光は、光学分岐挿入装置（Optical Add-Drop Multiplexer：ＯＡＤＭ）と呼ばれる光学部品によって、導波路中で光の波長（周波数）によるフィルタリングを行うことで、大規模な光多重通信を実現している（非特許文献７）。このＯＡＤＭ装置は、バス導波路と入出力用導波路、光学共振器から構成され、共振器の共振条件を基に波長によってバス導波路内の光のフィルタリングを行い、共振条件を満足する光は入出力用導波路を介して空間的に分離できる。また、その逆の過程を経ることにより、入出力用導波路を介して特定の光をバス導波路へ挿入することもできる。

K.L.Ekinci and M.L.Roukes，"Nanoelectromechanical systems"，Review Of Scientific Instruments 76，p.061101-1〜061101-12，2005 I.Mahboob et al.，"Interconnect-free parallel logic circuits in a single mechanical resonator"，Nature Communications 2，198，2011 I.Mahboob and H.Yamaguchi，"Bit storage and bit flip operations in an electromechanical oscillator"，Nature Nanotechnology 3，p.275-279，2008 O.Y.Loh and H.D.Espinosa，"Nanoelectromechanical contact switches"，Nature Nanotechnology 7，p.283-295，2012 P.G.Steeneken et al.，"Piezoresistive heat engine and refrigerator"，Nature Physics 7，p.354-359，2011 J.Leuthold et al.，"Nonlinear silicon photonics"，Nature Photonics 4，p.535-544，2010 S.Fan et al.，"Channel Drop Tunneling through Localized States"，Physical Review Letters 80，p.960-963，1998

複数の機械素子間を繋ぐフォノニック導波路においても光導波路のような多重伝送やデバイス制御を行うには、ＯＡＤＭ装置のような機械部品が必要である。しかしながら、上記のとおり機械振動フィルタのような機能を有するフォノニック導波路は実現できていなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、機械振動の選択・分岐の操作が可能な機械分岐挿入装置を提供することを目的とする。

本発明の機械分岐挿入装置は、基板と、この基板との間に空間をあけて配置された環状の薄膜からなり、共振条件を満足する機械振動を選択可能なメカニカルリング共振器と、前記基板との間に空間をあけて配置され且つ前記メカニカルリング共振器の環の外縁の一部と結合するように配置された薄膜からなり、機械振動の分岐もしくは挿入に用いられる複数の導波路と、前記基板上に形成され、機械振動の伝搬方向と垂直な方向から前記メカニカルリング共振器および導波路を支える支持部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の機械分岐挿入装置の１構成例は、少なくとも１つの前記導波路と前記メカニカルリング共振器との間の結合距離が、その他の前記導波路と前記メカニカルリング共振器との間の結合距離と異なることを特徴とするものである。
また、本発明の機械分岐挿入装置の１構成例において、前記支持部は、前記メカニカルリング共振器の環の外縁もしくは内縁のどちらか一方を支持し、前記メカニカルリング共振器の内周側もしくは外周側が自由端となることを特徴とするものである。

また、本発明の機械分岐挿入装置の１構成例は、さらに、前記機械振動の伝搬方向に沿って周期的に配列され、前記導波路と前記メカニカルリング共振器のうち少なくとも一方を、前記機械振動の伝搬方向と垂直な方向に貫通する複数の孔、もしくは前記導波路と前記メカニカルリング共振器のうち少なくとも一方に、前記機械振動の伝搬方向に沿って周期的に配列された段差を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の機械分岐挿入装置の１構成例において、前記メカニカルリング共振器となる薄膜および前記導波路となる薄膜は、圧電材料からなる。前記薄膜が圧電材料からなる構成においては、さらに、前記導波路となる薄膜の一部の上に形成された電極を備える。
また、本発明の機械分岐挿入装置の１構成例において、前記メカニカルリング共振器となる薄膜および前記導波路となる薄膜は、非圧電材料からなる。前記薄膜が非圧電材料からなる構成においては、さらに、前記導波路となる薄膜の一部の上に形成された第１の金属膜と、この第１の金属膜の上に形成された圧電材料と、この圧電材料の上に形成された第２の金属膜とからなる積層構造を備える。

本発明によれば、基板との間に空間をあけて配置された環状の薄膜からなり、共振条件を満足する機械振動を選択可能なメカニカルリング共振器と、基板との間に空間をあけて配置され且つメカニカルリング共振器の環の外縁の一部と結合するように配置された薄膜からなり、機械振動の分岐もしくは挿入に用いられる複数の導波路とを用いることにより、機械振動の選択・分岐の操作が可能な機械分岐挿入装置を実現することができる。本発明では、バス用の導波路から導入した機械振動のうち特定の周波数を有する機械振動のみをメカニカルリング共振器で選択・分岐し、メカニカルリング共振器と機械的に結合している入出力用の導波路から取り出すことができる。また、逆の過程で、入出力用の導波路から導入した機械振動のうち特定の周波数を有する機械振動のみをメカニカルリング共振器で選択・分岐し、メカニカルリング共振器と機械的に結合しているバス用の導波路から取り出すこともできる。また、本発明では、バス用の導波路とメカニカルリング共振器の結合距離を調節することで、バス用の導波路中を伝搬する特定の機械振動のみ、その伝搬効率を自在に変調できる。本発明では、メカニカルリング共振器をフォノニック導波路と組み合わせた機械分岐挿入装置によって、導波路による機械振動の多重伝送の制御性が改善される。それにより、機械振動を制御要素として用いる全機械的なＲＦ信号処理システム性能の飛躍的向上が期待される。本発明によれば、機械分岐挿入装置の実現によって、機械的作用のみで導波路内の機械振動を選別・操作することができるようになり、さらに、取り出した機械振動を空間的に分離・展開することも可能であり、将来のＲＦ信号処理プロセスに必要不可欠な部品になると思われる。

本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の製造方法を説明する工程図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の製造方法を説明する工程図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の製造方法を説明する工程図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の製造方法を説明する工程図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置のモーダル解析結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の導波路の別の形状例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の別の形状例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の別の形状例を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の別の形状例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る機械分岐挿入装置の別の形状例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施の形態では、２本以上のフォノニック導波路とメカニカルリング共振器とを組み合わせた機械分岐挿入装置（Mechanical Add Drop Multiplexer、以下、ＭＡＤＭ装置）に関して、その制御手法と、有限要素法（Finite-Element Method：ＦＥＭ）計算から得られた機械伝搬特性の議論を通して説明する。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は本発明の実施の形態に係るＭＡＤＭ装置の製造方法を説明する工程図である。図１（Ａ）、図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）はＭＡＤＭ装置の製造方法を説明する平面図、図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）はそれぞれ図１（Ａ）、図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、図３（Ｃ）、図４（Ｃ）はそれぞれ図１（Ａ）、図２（Ａ）、図３（Ａ）、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

本実施の形態では、フォトリソグラフィ法もしくは電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィ法、リン酸またはフッ化水素酸を用いたウェットエッチング法、及び反応性イオンエッチング等の技術を用いて、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示す作製プロセスにより、化合物半導体であるガリウムヒ素（ＧａＡｓ）／アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）のヘテロ構造から成る薄膜構造を有する２本以上のフォノニック導波路とメカニカルリング共振器とを組み合わせたＭＡＤＭ装置を作製する。

具体的には、ＧａＡｓ基板１００上のＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜を、フォトリソグラフィ法もしくはＥＢリソグラフィ法によるレジストパターンニングと、リン酸によるウェットエッチング法もしくは反応性イオンエッチングによるドライエッチング法により加工して、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示すようにリング共振器や導波路の土台となるメサ構造を形成する。ここでは、ＧａＡｓ基板１００上に形成するＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜として、Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１と、Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１上に形成されたＳｉドープＧａＡｓ層１０２と、ＳｉドープＧａＡｓ層１０２上に形成されたＡｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層１０３と、Ａｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層１０３上に形成されたＧａＡｓ層１０４とからなる構造を用いた。

次に、機械振動の誘起・検出で用いる電極１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄを、フォトリソグラフィ法もしくはＥＢリソグラフィ法と、真空蒸着法と、リフトオフ法によってメサ構造のＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜上（ＧａＡｓ層１０４上）に形成する（図２（Ａ）〜図２（Ｃ））。

そして、ＭＡＤＭ装置の導波路部を作製する。具体的には、フォトリソグラフィ法もしくはＥＢリソグラフィ法と、リン酸によるウェットエッチング法もしくは反応性イオンエッチングによるドライエッチング法によって、メサ構造のＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜の表面（ＧａＡｓ層１０４）からＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１（犠牲層）まで届く孔１０６（１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ）を複数個形成する（図３（Ａ）〜図３（Ｃ））。

このとき、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示すように、共振器を形成したい位置には、最終工程で形成されるリング薄膜部の内径に等しい直径を有する孔１０６ａを形成し、導波路を形成したい位置には導波路を形成したい方向（図３（Ａ）、図３（Ｃ）のＸ方向）に沿って複数の孔１０６ｂ，１０６ｃを形成する。ただし、孔１０６ａの直径をｄ₁、孔１０６ｂ，１０６ｃの直径をｄ₂、導波路の幅をｗ₂（図４（Ａ））とすると、少なくともｄ₁＞ｗ₂＞ｄ₂の関係が成り立つものとする。また、孔１０６ａの端から孔１０６ｂの端までの距離ｓ₁、孔１０６ａの端から孔１０６ｃの端までの距離ｓ₂は、犠牲層エッチングによって作製される導波路の幅ｗ₂よりも小さくなるよう設計する（ｓ₁，ｓ₂＜ｗ₂）。

最後に、希フッ化水素酸によって犠牲層であるＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１のみを、孔１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを中心にして等方的にエッチングすることで、ＳｉドープＧａＡｓ層１０２とＡｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層１０３とＧａＡｓ層１０４とからなる多層膜は、ＧａＡｓ基板１００と離間し、残ったＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１によって支持される状態となる（図４（Ａ）〜図４（Ｃ））。すなわち、エッチング後に残ったＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１は、多層膜を支える支持部となる。

Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１を孔１０６ａを中心にして等方的にエッチングすると、孔１０６ａの位置のＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１に、孔１０６ａの直径ｄ₁よりも直径が大きい平面視円形の空間１０７が形成され、この空間１０７上の多層膜が平面視円環状のメカニカルリング共振器１０８となる。エッチング後に残ったＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１は、機械振動の伝搬方向（メカニカルリング共振器１０８の場合は円周方向）と垂直な方向からメカニカルリング共振器１０８の外縁を支える支持部となる。メカニカルリング共振器１０８の内周側は、ＧａＡｓ基板１００から浮いた状態の自由端となる。

また、Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１をエッチングによって削る距離Ｄを、孔１０６ｂの間隔（および孔１０６ｃの間隔）ｓ₃よりも長くすると、孔１０６ｂ，１０６ｃが並ぶ方向に沿ってＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１に平面視略矩形の空間１０９ｂ，１０９ｃが形成され、この空間１０９上の多層膜が平面視略矩形の導波路１１０，１１１となる。エッチング後に残ったＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１は、機械振動の伝搬方向（導波路１１０，１１１の場合は図１（Ａ）〜図１（Ｃ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）のＸ方向）と垂直な方向から導波路１１０，１１１を支える支持部となる。メカニカルリング共振器１０８と導波路１１０，１１１は、ｓ₁，ｓ₂＜２Ｄ＝ｗ₂の関係性によって、機械的に結合しており、メカニカルリング共振器１０８と導波路１１０，１１１間の機械振動の伝搬が可能となる。

以上の製造方法により、円環状のメカニカルリング共振器１０８とフォノニック導波路である導波路１１０，１１１とを機械的に結合したＭＡＤＭ装置の作製が可能である。ここでは、２本の導波路１１０，１１１がメカニカルリング共振器１０８の接線方向に長軸を向けて機械的に結合している。この結合によって、導波路１１０，１１１とメカニカルリング共振器１０８の間で機械振動の往来が可能になる。

本実施の形態では、Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１の厚さを３０００ｎｍ、ＳｉドープＧａＡｓ層１０２の厚さを１００ｎｍ、Ａｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層１０３の厚さを９５ｎｍ、ＧａＡｓ層１０４の厚さを５ｎｍ、電極１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄの厚さを８０ｎｍとしている。また、メカニカルリング共振器１０８の内径（孔１０６ａの直径ｄ₁）を１００〜２００μｍ程度、メカニカルリング共振器１０８の幅ｗ₁を１０〜３０μｍ程度、導波路１１０，１１１の幅ｗ₂を１０〜３０μｍ程度としている。すなわち、メカニカルリング共振器１０８の内径ｄ₁は、メカニカルリング共振器１０８の幅ｗ₁よりも大きい。

次に上述の方法で作製したＭＡＤＭ装置の動作について説明する。本実施の形態のＭＡＤＭ装置は、圧電特性をもつ材料（本実施の形態では、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体）で作製されている。そのため、バス用導波路１１０の一端に配置された電極１０５ａとその下のＳｉドープＧａＡｓ層１０２との間に周波数ｆの交流電圧を印加すると、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのピエゾ電気効果によりＳｉドープＧａＡｓ層１０２とＡｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層１０３とＧａＡｓ層１０４とからなる多層膜内に面内歪みが誘起される。その結果、Ａｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層１０３内の電極界面に近い領域とそれ以外の領域で歪み分布に偏りが生じ、多層膜に曲げモーメントが発生する。それゆえ、印加した交流電圧の周波数ｆに等しい周波数の機械振動がバス用導波路１１０中に発生する。

このようにして局所的に誘起された機械振動は、バス用導波路１１０内に閉じ込められ、その長軸方向に沿って群速度ｖ_gでメカニカルリング共振器１０８との結合箇所まで伝搬する。ここで、その機械振動の周波数ｆが、次式に示すメカニカルリング共振器１０８の共振条件の関係を満たせば、バス用導波路１１０を伝搬していた周波数ｆの機械振動はメカニカルリング共振器１０８へも伝搬が許され、リングの共振を引き起こすことができる。

式（１）におけるｄ₃はメカニカルリング共振器１０８の直径である。そして、メカニカルリング共振器１０８内を伝搬する機械振動の一部は他方の入出力用導波路１１１へも伝搬するため、バス用導波路１１０の機械振動を周波数によって選択・分離し、異なる導波路１１１によって取り出す機械振動フィルタリングが可能となる。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）にＦＥＭにより得られたＭＡＤＭ装置のモーダル解析結果を示す。この計算では、直径ｄ₃＝１５０μｍのメカニカルリング共振器１０８と幅ｗ₂＝３０μｍ、長さｌ＝３００μｍ、孔１０６ｂ，１０６ｃの直径ｄ₂＝５μｍを有する２本の導波路１１０，１１１とを、結合距離ｓ₁＝ｓ₂＝２６μｍで結合しているＭＡＤＭ装置を設計し、用いている。図５（Ａ）は周波数ｆ＝４．１５ＭＨｚの機械振動における伝搬の様子をシミレーションした結果を示し、図５（Ｂ）は周波数ｆ＝３．９７ＭＨｚの機械振動における伝搬の様子をシミレーションした結果を示している。

バス用導波路１１０を伝搬する４．１５ＭＨｚの機械振動は、メカニカルリング共振器１０８の共振条件を満足するため、ほぼ全ての振動がメカニカルリング共振器１０８へと伝わり、メカニカルリング共振器１０８内を周回する。その結果、入出力用導波路１１１へもメカニカルリング共振器１０８から機械振動が伝搬し、電極１０５ｃ，１０５ｄに達する。電極１０５ｃ，１０５ｄに達した機械振動伝搬波は、ピエゾ電気効果によって電圧に変換されるので、電極１０５ｃまたは１０５ｄを介して電気的に検出することができる。

一方で、周波数３．９７ＭＨｚの機械振動は、メカニカルリング共振器１０８の共振条件を満たさないため、バス用導波路１１０を伝搬する機械振動のメカニカルリング共振器１０８への大規模な伝搬は発生せず、そのまま、バス用導波路１１０内を伝搬していく様子が観られる。以上のＦＥＭ計算結果からも明らかなように、メカニカルリング共振器１０８をフィルタとして利用することで、導波路中の機械振動の周波数による分離・挿入が可能であり、本実施の形態で提案した構造を用いれば、ＭＡＤＭ装置の構築が可能であることが分かる。

メカニカルリング共振器１０８の共振条件はその直径ｄ₃を調節することで変更できるため、適当な直径でメカニカルリング共振器１０８を設計すれば、どの機械振動においても分岐・挿入が可能である。さらに、バス用導波路１１０とメカニカルリング共振器１０８の結合距離ｓ₁を調整すれば、バス用導波路１１０とメカニカルリング共振器１０８間のクリティカルカップリング（Critical Coupling）をつくり出すことができ、バス用導波路１１０を伝搬する周波数ｆの機械振動とメカニカルリング共振器１０８からバス用導波路１１０へ伝搬する周波数ｆの機械振動とが互いに干渉し、打ち消し合う結果、バス用導波路１１０の機械振動はメカニカルリング共振器１０８との結合箇所付近においてほぼ完全に消失させることができる。

そして、入出力用導波路１１１とメカニカルリング共振器１０８間では、メカニカルリング共振器１０８から入出力用導波路１１１への伝搬効率が最大となるように結合距離ｓ₂を調整することで、機械振動の取り出し効率を高めることもできる。このような２本の導波路１１０，１１１との非対称な結合特性を有するメカニカルリング共振器１０８を設計することで、ＭＡＤＭ装置の性能をより向上させることが可能である。以上のような結合距離調整は、バス用導波路１１０の機械振動の強度制御を行う上でも有用である。

なお、上記の製造方法では、ＭＡＤＭ装置の材料として圧電特性を有するＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜を用いたが、ＰＺＴやＺｎＯ等の圧電材料の積層構造からなるものは勿論のこと、ＳｉやＳｉＯ₂を含む非圧電材料を用いてもＭＡＤＭ装置の作製が可能である。

ＰＺＴやＺｎＯ等の圧電性酸化物をＭＡＤＭ装置の材料として用いると、それら圧電性酸化物の大きなピエゾ定数のため、電圧による機械振動の効率的な励振・検出が可能となり、ＭＡＤＭ装置の駆動エネルギーの省電力化が期待される。

一方、ＳｉやＳｉＯ₂等の非圧電材料をＭＡＤＭ装置の材料として用いる場合、上記で説明したような電極のみによる機械振動の誘起は不可能である。この場合、ＳｉやＳｉＯ₂等の非圧電材料の上に形成される第１の金属膜と、第１の金属膜の上に形成される圧電材料と、圧電材料の上に形成される第２の金属膜とからなる積層構造を電極１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄの代わりに形成し、電極１０５ａまたは１０５ｂの位置に形成した積層構造の下側の第１の金属膜と上側の第２の金属膜との間に交流電圧を印加すれば、機械振動の局所励振が実現できる。また、電極１０５ｃまたは１０５ｄの位置に形成した積層構造の下側の第１の金属膜と上側の第２の金属膜との間からＭＡＤＭ装置の出力を電気的に取り出すことができる。第１、第２の金属膜の材料としては例えばＭＯ、圧電材料としては例えばＡｌＮがある（文献「S.Mohammadi and A.Adibi，“Waveguide-Based Phononic Crystal Micro/Nanomechanical High-Q Resonators”，Journal Of Microelectromechanical Systems，Vol.21，No.2，p.379-384，2012」参照）。ＳｉやＳｉＯ₂といったIV族半導体とその周辺物質は、既存の電子デバイスやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、光デバイス部品の主要素であり、ＳｉやＳｉＯ₂等の非圧電材料をＭＡＤＭ装置の母材として使用することで、既存技術との高い整合性が得られる。

また、上記の製造方法では、メカニカルリング共振器１０８と導波路１１０，１１１の作製において、フッ化水素酸溶液をエッチャントに用いて選択エッチングを行ったが、メカニカルリング共振器及び導波路を構成する層と犠牲層と基板とからなる積層構造において、犠牲層のみを等方的に除去できるエッチャントであれば、エッチャントはフッ化水素酸溶液に限られるものではない。

さらに、上記の製造方法では、メカニカルリング共振器１０８と導波路１１０，１１１の作製のため、基板表側からの選択エッチングを用いていたが、基板裏面からのエッチングでも、基板の種類によってはメカニカルリング共振器１０８と導波路１１０，１１１の作製が可能である。上記の製造方法で使用したＧａＡｓ基板において、基板裏面からのリン酸ウェットエッチングは、ＧａＡｓの結晶異方性のため、等方性エッチングが必要となる円環状の振動部形成が困難であった。しかしながら、結晶異方性のない材料を基板に用いれば、裏面からのエッチングによってメカニカルリング共振器１０８と導波路１１０，１１１を形成できる。その場合、犠牲層を含む多層構造を用いなくとも、単層構造においてＭＡＤＭ装置は作製可能である。

また、本実施の形態では、ＧａＡｓベースの化合物半導体を母材に扱う場合を仮定したため、周期的に配列した複数の孔１０６ｂ，１０６ｃを有した導波路１１０，１１１を用いたが、フォノニック導波路として機能するならば、図６（Ａ）に示すように孔の無い導波路１１０，１１１を用いてもよい。また、図６（Ｂ）に示すように孔１０６ｂ，１０６ｃの代わりに周期的な段差１１２を有した導波路１１０，１１１を用いてもよい。また、メカニカルリング共振器１０８の機械振動の伝搬方向に沿って、図６（Ｂ）と同様の周期的な段差をメカニカルリング共振器１０８に設けてもよい。

また、本実施の形態では、導波路１１０，１１１のメカニカルリング共振器１０８と接する側とその反対側の両方をＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１からなる支持部によって支える構造としているが、これに限るものではなく、図６（Ｃ）に示すように導波路１１０，１１１のメカニカルリング共振器１０８と接する側とその反対側のうちどちらか一方のみを支持部によって支える構造としてもよい。

また、本実施の形態では、２本の導波路１１０，１１１を１つのメカニカルリング共振器１０８で結合した例を示したが、図７に示すように２本の導波路１１０，１１１を複数のメカニカルリング共振器１０８−１，１０８−２，１０８−３によって接合した構造を用いることもできる。

また、本実施の形態では、ＭＡＤＭ装置として、平面視円環状のメカニカルリング共振器１０８を有するものを例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、メカニカルリング共振器１０８が環状の構造をしていれば、メカニカルリング共振器１０８の平面形状は円に限られるものではない。

また、本実施の形態では、メカニカルリング共振器１０８として、それを支持するメザ構造の内側より形成されている構造のもの、すなわちＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１からなる支持部がメカニカルリング共振器１０８の外縁を支え、メカニカルリング共振器１０８の内周側がＧａＡｓ基板１００から浮いた状態の自由端となっている構造のものを用いたが、これに限るものではなく、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示すように、メザ構造の外側より形成された庇状導波路構造のもの、すなわち支持部がメカニカルリング共振器１０８の内縁を支え、メカニカルリング共振器１０８の外周側が自由端となっている構造のものを用いてもよい。なお、図８（Ａ）はＭＡＤＭ装置の平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

また、本実施の形態では、メカニカルリング共振器１０８の接線方向と平行になるように、直線状の導波路１１０，１１１を配置しているが、導波路１１０，１１１とメカニカルリング共振器１０８の結合領域において、局所的に、導波路１１０，１１１の伝搬方向とメカニカルリング共振器１０８の伝搬方向が互いに平行であればよいとする（文献「A.Vorckel et al.，“Asymmetrically Coupled Silicon-On-Insulator Microring Resonators for Compact Add.Drop Multiplexers”，IEEE Photonics Technology Letters 15，p.921-923,2003」）。そのため、メカニカルリング共振器１０８の平面形状は、図９（Ａ）に示すように結合領域において直線状であってもよく、また図９（Ｂ）に示すように導波路１１０，１１１の平面形状が曲線状であってもよい。

また、本実施の形態では、メカニカルリング共振器１０８と結合する導波路の本数を２本としているが、これに限るものではなく、３本以上の導波路をメカニカルリング共振器１０８と結合してもよい。

以上、詳細を示したように、本実施の形態によれば以下のような効果を奏することができる。
（ａ）バス用導波路１１０から導入した機械振動のうち特定の周波数を有する機械振動のみをメカニカルリング共振器１０８で選択・分岐し、メカニカルリング共振器１０８と機械的に結合している入出力用導波路１１１から取り出すことができる。
（ｂ）上記の（ａ）と逆の過程で、入出力用導波路１１１から導入した機械振動のうち特定の周波数を有する機械振動のみをメカニカルリング共振器１０８で選択・分岐し、メカニカルリング共振器１０８と機械的に結合しているバス用導波路１１０から取り出すこともできる。
（ｃ）バス用導波路１１０とメカニカルリング共振器１０８の結合距離を調節することで、バス用導波路１１０中を伝搬する特定の機械振動のみ、その伝搬効率を自在に変調できる。

このようにメカニカルリング共振器をフォノニック導波路と組み合わせたＭＡＤＭ装置によって、導波路による機械振動の多重伝送の制御性が改善される。それにより、機械振動を制御要素として用いる全機械的なＲＦ信号処理システム性能の飛躍的向上が期待される。本実施の形態によれば、ＭＡＤＭ装置の実現によって、機械的作用のみで導波路内の機械振動を選別・操作することができるようになり、さらに、取り出した機械振動を空間的に分離・展開することも可能であり、将来のＲＦ信号処理プロセスに必要不可欠な部品になると思われる。

なお、本発明のＭＡＤＭ装置の作製は既存の微細加工技術（ＥＢリソグラフィ、フォトリソグラフィ、ナノインプリント、ドライエッチング、ウェットエッチング、蒸着、スパッタリング、化学気相成長法など）を複数組み合わせて使用することも可能であり、ＭＡＤＭ装置の作製法は本実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本実施の形態では、メサ構造のＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜の表面（ＧａＡｓ層１０４）からＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１（犠牲層）まで届く孔１０６ａを形成して、希フッ化水素酸によってＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１のみを、孔１０６ａを中心にして等方的にエッチングすることで、メカニカルリング共振器１０８を形成しているが、孔１０６ａを設けなくてもよい。

孔１０６ａを設けない場合は、上記のように基板裏面からのエッチングによってメカニカルリング共振器１０８を形成してもよいし、図１０に示すようにＧａＡｓ／Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ多層膜の表面（ＧａＡｓ層１０４）からＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１（犠牲層）まで届く孔１０６ｄを、メカニカルリング共振器１０８を配置したい周方向に沿って複数形成してもよい。希フッ化水素酸によって犠牲層であるＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１のみを、孔１０６ｄを中心にして等方的にエッチングすれば、導波路１１０，１１１と同様の形成原理により、孔１０６ｄが並ぶ方向に沿ってＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層１０１に平面視円環状の空間が形成され、この空間上の多層膜がメカニカルリング共振器１０８となる。また、孔１０６ｂ，１０６ｃを設けずに、例えば基板裏面からのエッチングによって導波路１１０，１１１を形成してもよい。

本発明は、機械振動を選択・分岐する技術に適用することができる。

１００…ＧａＡｓ基板、１０１…Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ層、１０２…ＳｉドープＧａＡｓ層、１０３…Ａｌ_0.27Ｇａ_0.73Ａｓ層、１０４…ＧａＡｓ層、１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄ…電極、１０６ｂ，１０６ａ，１０６ｃ…孔、１０７，１０９ｂ，１０９ｃ…空間、１０８…メカニカルリング共振器、１１０，１１１…導波路。

Claims (8)

1. 基板と、
   この基板との間に空間をあけて配置された環状の薄膜からなり、共振条件を満足する機械振動を選択可能なメカニカルリング共振器と、
   前記基板との間に空間をあけて配置され且つ前記メカニカルリング共振器の環の外縁の一部と結合するように配置された薄膜からなり、機械振動の分岐もしくは挿入に用いられる複数の導波路と、
   前記基板上に形成され、機械振動の伝搬方向と垂直な方向から前記メカニカルリング共振器および導波路を支える支持部とを備えることを特徴とする機械分岐挿入装置。
2. 請求項１記載の機械分岐挿入装置において、
   少なくとも１つの前記導波路と前記メカニカルリング共振器との間の結合距離が、その他の前記導波路と前記メカニカルリング共振器との間の結合距離と異なることを特徴とする機械分岐挿入装置。
3. 請求項１または２記載の機械分岐挿入装置において、
   前記支持部は、前記メカニカルリング共振器の環の外縁もしくは内縁のどちらか一方を支持し、
   前記メカニカルリング共振器の内周側もしくは外周側が自由端となることを特徴とする機械分岐挿入装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械分岐挿入装置において、
   さらに、前記機械振動の伝搬方向に沿って周期的に配列され、前記導波路と前記メカニカルリング共振器のうち少なくとも一方を、前記機械振動の伝搬方向と垂直な方向に貫通する複数の孔、もしくは前記導波路と前記メカニカルリング共振器のうち少なくとも一方に、前記機械振動の伝搬方向に沿って周期的に配列された段差を備えることを特徴とする機械分岐挿入装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機械分岐挿入装置において、
   前記メカニカルリング共振器となる薄膜および前記導波路となる薄膜は、圧電材料からなることを特徴とする機械分岐挿入装置。
6. 請求項５記載の機械分岐挿入装置において、
   さらに、前記導波路となる薄膜の一部の上に形成された電極を備えることを特徴とする機械分岐挿入装置。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の機械分岐挿入装置において、
   前記メカニカルリング共振器となる薄膜および前記導波路となる薄膜は、非圧電材料からなることを特徴とする機械分岐挿入装置。
8. 請求項７記載の機械分岐挿入装置において、
   さらに、前記導波路となる薄膜の一部の上に形成された第１の金属膜と、この第１の金属膜の上に形成された圧電材料と、この圧電材料の上に形成された第２の金属膜とからなる積層構造を備えることを特徴とする機械分岐挿入装置。