WO2011024968A1 - 光素子 - Google Patents

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WO2011024968A1
WO2011024968A1 PCT/JP2010/064633 JP2010064633W WO2011024968A1 WO 2011024968 A1 WO2011024968 A1 WO 2011024968A1 JP 2010064633 W JP2010064633 W JP 2010064633W WO 2011024968 A1 WO2011024968 A1 WO 2011024968A1
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WO
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semiconductor
strain
light guide
light source
optical element
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PCT/JP2010/064633
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English (en)
French (fr)
Inventor
一実 和田
靖彦 石川
幸平 吉本
優 堀江
亮太 鈴木
靖楠 蔡
理士 平勢
Original Assignee
国立大学法人 東京大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optical element on which a semiconductor light guide light source or semiconductor optical amplifier having a variable wavelength is mounted, and a method for manufacturing the optical element.
  • optical element using a silicon integrated circuit has been proposed.
  • electric circuits and optical circuits such as a light source, a modulator, an optical waveguide, a filter, and a light receiver are integrated on a silicon substrate.
  • the temperature of the optical element may be ⁇ 20 ° C. depending on the environmental temperature, and may rise to about 85 ° C. due to heat generation of the electric circuit and the optical circuit. Due to the refractive index of the optical circuit material and the temperature dependence of the forbidden band, the wavelength of the optical element changes when the temperature of the optical circuit changes.
  • the optical element of Patent Document 1 includes an active layer, an absorption light modulation layer, and a resonator, and operates as follows.
  • the active layer excites laser light.
  • the absorptive light modulation layer performs modulation using a change in a light absorption coefficient due to voltage application.
  • the resonator resonates light with two light reflection layers sandwiching the active layer and the light modulation layer.
  • a cantilever beam that warps when the temperature changes is used, and the distance between the two light reflecting layers is changed by using this warp to suppress the wavelength change due to the temperature change of the optical element.
  • the forbidden band of the active layer is not controlled.
  • Patent Document 1 since the change in the resonator length is large, there is a problem that the wavelength change of the optical element is large, and it is difficult to finely adjust the wavelength of the optical element.
  • An object of the present invention is to provide an optical element capable of finely adjusting an oscillation wavelength and a method for manufacturing the optical element, which are the problems described above.
  • an optical element of the present invention includes a substrate made of a semiconductor or a conductor, an insulator layer from which a part is removed, and a semiconductor layer having a beam shape on the upper surface of the part from which the insulator layer is removed. And a semiconductor light guide light source or semiconductor optical amplifier formed on the upper surface of the beam, and oscillation of the semiconductor light guide light source or semiconductor optical amplifier according to the amount of strain applied by the strain applying part. Variable wavelength.
  • a power source that varies an amount of strain applied by the strain applying unit by applying an electric field between the substrate and the semiconductor layer, a variable circuit that varies an electric field applied by the power source, It is preferable to further comprise.
  • the optical element of the present invention preferably further includes a temperature sensor for measuring the temperature of the beam, and the variable circuit varies the electric field applied by the power source in accordance with the temperature measured by the temperature sensor.
  • the semiconductor layer has two beams, and the two beams are formed so as to be substantially orthogonal to each other and intersect in the middle.
  • the beam includes a plurality of blades extending in different directions with each part being substantially centered, and the semiconductor light guide light source or the semiconductor optical amplifier is formed in the part. preferable.
  • the optical element of the present invention it is preferable that at least a part of the beam in the longitudinal direction is thin, and the semiconductor light guide light source or the semiconductor optical amplifier is formed in the thin part.
  • the optical element of the present invention it is preferable that at least a part of the beam in the longitudinal direction is thin, and the semiconductor light guide light source or the semiconductor optical amplifier is formed in the thinned part.
  • the optical element manufacturing method of the present invention includes a stacking step of sequentially stacking a substrate made of a semiconductor or a conductor, an insulator layer, and a semiconductor layer, a semiconductor layer removing step of removing a part of the semiconductor layer, and the insulator layer Of the semiconductor layer, the portion exposed by the semiconductor layer removing step and the peripheral portion thereof are removed by wet etching to form a recess, and the insulator layer removing step of the semiconductor layer is pushed out by the insulator layer removing step A beam shape forming step for dry etching the edges of the recesses while leaving the beam shape.
  • the 2nd example of a measurement of a distortion is shown, (a) shows maximum principal distortion, (b) shows distortion of the cross direction of a beam, and (c) shows distortion of the length direction of a beam. It is a simulation result of the distortion
  • the distribution of strain in the length direction of the beam is shown.
  • the 1st modification of the beam 31 is shown.
  • the 2nd modification of the beam 31 is shown.
  • the 3rd modification of the beam 31 is shown.
  • the 4th modification of the beam 31 is shown.
  • the 5th modification of the beam 31 is shown.
  • An example of the relationship between the forbidden band of the semiconductor and the band for optical communication with respect to the strain amount is shown.
  • An example of the cross-sectional structure of the strain imparting portion when Ge is used for the semiconductor layer is shown.
  • FIG. 9B is an example of a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the strain imparting portion in the manufacturing process according to Embodiment 6, where (a) shows the state after the semiconductor layer removal step, and (b) shows the state after the insulator layer removal step. (C) shows the state after the beam shape forming step.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an optical element according to the present embodiment.
  • the optical element according to the embodiment of the present invention includes a strain applying unit 11 and a semiconductor light guide light source 12.
  • the strain applying unit 11 includes a substrate 21 made of a semiconductor or a conductor, an insulator layer 22 from which a part has been removed, and a semiconductor layer 23 having a beam 31 shape on the upper surface of the part from which the insulator layer has been removed. Have in order. If an electric field is applied between the substrate 21 and the semiconductor layer 23, the distance between the beam 31 formed in the semiconductor layer 23 and the substrate 21 can be changed.
  • the strain applying unit 11 includes a substrate 21 made of Si, an insulator layer 22 made of SiO 2 , and a semiconductor layer 23 made of Si.
  • the substrate 21 may be an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • the strain applying unit 11 may include a substrate 21 made of GaAs, an insulator layer 22 made of Al 2 O 3 , and a semiconductor layer 23 made of GaAs.
  • the insulator layer 22 made of Al 2 O 3 can be formed by laminating AlGaAs on the upper surface of the substrate 21 and oxidizing the AlGaAs.
  • the shape of the beam 31 can be formed by selectively chemically etching AlGaAs.
  • the semiconductor layer 23 can be formed using GaAs suitable for a light source.
  • the beam 31 is, for example, a cantilever with one end fixed. In the case of a cantilever, it is preferable that the other open end is in contact with the substrate 21. Thereby, the natural vibration of the beam 31 can be suppressed. Further, the beam 31 may be a both-end fixed beam fixed at both ends. By adopting the both-end fixed beam, the natural vibration of the beam 31 can be suppressed.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the optical element.
  • FIG. 2 shows a cross section A-A ′ shown in FIG. 1.
  • the substrate 21 and the beam 31 are opposed to each other.
  • the beam 31 can be distorted.
  • the light emission wavelength of the semiconductor light guide light source 12 is varied.
  • the optical element according to the present embodiment applies an electric field between the substrate 21 and the semiconductor layer 23 to vary the amount of strain applied by the strain applying unit 11, and varies the electric field applied by the power source. And a variable circuit 52.
  • the strain amount of the beam 31 can be varied using the variable circuit 52. As a result, light having a desired oscillation wavelength can be generated in the semiconductor light guide light source 12.
  • the optical element according to the present embodiment may further include a temperature sensor 53 that measures the temperature of the beam 31.
  • the variable circuit 52 varies the electric field applied by the power source 51 according to the temperature measured by the temperature sensor 53.
  • the temperature sensor 53 measures the temperature change, and the variable circuit 52 changes the electric field applied by the power source 51 so as to return the wavelength change of the semiconductor light guide light source 12. Therefore, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 can be kept constant by varying the strain amount of the beam 31 according to the temperature of the beam 31.
  • the temperature sensor 53 is preferably arranged in the vicinity of the semiconductor light guide light source 12.
  • the semiconductor light guide light source 12 is, for example, a semiconductor rib type light guide light source.
  • the semiconductor rib-type light guide light source is a light emitting diode that has a pn junction in a direction orthogonal to the light propagation direction through the rib light guide and emits light from the light guide by flowing a forward current.
  • the semiconductor light guide light source 12 amplifies the emitted light with a resonator and takes out the light from the rib light guide.
  • the rib light guide is provided with a rib light source light guide that emits light.
  • the rib light source light guide is made of a semiconductor having an optical gain.
  • the semiconductor having optical gain is, for example, a group III-V semiconductor such as GaAs, Ge. It may be an indirect transition semiconductor such as n-Ge.
  • a portion of the rib light guide path excluding the rib light source light guide path is formed of a semiconductor having no optical gain, and guides light emitted from the rib light source light guide path. Thereby, the light emitted from the rib light source light guide can be extracted.
  • the semiconductor having no optical gain is, for example, Si, Ge, SiON, or SiN x .
  • the rib light guide may be a laminated rib light guide having a two-layer structure.
  • one layer is formed of a semiconductor having optical gain
  • the other layer is formed of a semiconductor having no optical gain.
  • the resonator may be a Fabry-Perot resonator, a ring resonator, or a photonic crystal.
  • a Fabry-Perot resonator for example, a pair of mirrors arranged opposite to two locations in the propagation direction of the propagation light of the rib light guide is formed, and light is reflected by repeating light reflection between the pair of mirrors. Resonate.
  • a ring resonator a ring resonator is formed at a position where it is coupled to the rib light guide, and light propagates through the rib light guide to resonate the light.
  • a photonic crystal light is resonated by forming the photonic crystal in the rib light guide.
  • the rib light source light guide preferably has a quantum well structure.
  • the quantum well structure may be a single quantum well structure or a multiple quantum well structure. Thereby, the threshold value of the semiconductor rib type light guide light source can be lowered.
  • the rib light guide provided in the semiconductor light guide light source 12 is distorted.
  • the forbidden band changes according to the strain amount of the rib light guide.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor light guide light source 12 can be varied according to the strain applied by the strain applying section 11. Therefore, it is possible to provide an optical element capable of finely adjusting the oscillation wavelength.
  • the semiconductor rib type light guide light source has been described as an example of the semiconductor light guide light source 12, but a semiconductor light guide light source having an arbitrary semiconductor structure that is not a rib type can also be used.
  • the position and number of the semiconductor light guide light sources 12 formed on the upper surface of the beam 31 are not limited. As will be described later, even when the beam 31 is formed of the same material, the amount of strain varies depending on the position of the beam 31. For this reason, when the position of the semiconductor light guide light source 12 formed on the upper surface of the beam 31 is different, it is possible to provide a light source that emits light at different wavelengths.
  • the semiconductor light guide light source 12 is formed on the upper surface of the beam 31
  • a semiconductor optical amplifier may be formed on the upper surface of the beam 31 instead of the semiconductor light guide light source 12.
  • the current flowing through the semiconductor light guide light source 12 is set to be equal to or less than the threshold current at which the semiconductor light guide light source 12 performs laser oscillation.
  • the semiconductor light guide light source 12 can be used as a semiconductor optical amplifier.
  • FIG. 3 is an example of a semiconductor forbidden band with respect to the strain amount.
  • a forbidden band change when a two-dimensional strain is introduced into GaAs which is one of semiconductors having optical gain is shown.
  • the conduction band Ec increases in energy as GaAs contracts and decreases in energy as GaAs extends.
  • the valence band Elh there is not much energy change even when GaAs contracts, and the energy increases as GaAs expands.
  • the semiconductor constituting the rib light guide is GaAs and strain is applied to the beam 31 shown in FIG. 2 in the direction in which the substrate 21 and the beam 31 approach each other.
  • the semiconductor light guide light source 12 since the semiconductor light guide light source 12 is formed on the upper surface of the beam 31, the rib light guide of the semiconductor light guide light source 12 is strained in the extending direction.
  • the energy gap between the conduction band Ec and the valence band Elh of the rib light guide becomes narrower than when the beam 31 is not distorted, and the emission wavelength in the rib light guide becomes longer. Therefore, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 can be shifted to the longer wavelength side by applying strain to the beam 31 in the direction in which the substrate 21 and the beam 31 approach each other as shown in FIG.
  • the semiconductor constituting the rib light guide is GaAs and the beam 31 shown in FIG. 2 is strained in the direction in which the substrate 21 and the beam 31 move away from each other.
  • the semiconductor light guide light source 12 is formed on the upper surface of the beam 31, the rib light guide of the semiconductor light guide light source 12 is distorted in the shrinking direction.
  • the energy gap between the conduction band Ec and the valence band Elh of the rib light guide is wider than when the beam 31 is not distorted, and the emission wavelength in the rib light guide is shortened. Therefore, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 can be shifted to the short wavelength side by applying strain to the beam 31 in the direction in which the substrate 21 and the beam 31 shown in FIG. 2 move away from each other.
  • the semiconductor light guide light source 12 is formed on, for example, the upper surface of the fulcrum of the beam 31 or the upper surface of the tip of the beam 31.
  • the strain generated in the beam 31 is larger in the order of the fulcrum, the tip, and other parts of the beam 31. For this reason, if the semiconductor light guide light source 12 is formed on the upper surface of the fulcrum, a large amount of strain can be applied to the semiconductor light guide light source 12.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing another form of the strain applying unit according to the present embodiment.
  • the semiconductor layer 23 has two beams 31a and 31b.
  • the two beams 31a and 31b are formed so as to be substantially orthogonal to each other and intersect each other in the middle.
  • the semiconductor light guide light source 12 is disposed at a portion where the beam 31a and the beam 31b intersect. For this reason, two-dimensional distortion can be generated in the semiconductor light guide light source 12.
  • the amount of distortion of each of the beams 31a and 31b can be reduced when the energy of the forbidden band of the rib light guide in the semiconductor light guide 12 is changed.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing an example of a method for producing a strain imparting portion according to the present embodiment, in which (a) shows the first step, (b) shows the second step, and (c) shows the third step. A process is shown.
  • the substrate 21, the insulator layer 22, and the semiconductor layer 23 are sequentially stacked. Then, a resist layer 41 is formed on the semiconductor layer 23 in accordance with the shape of the beam.
  • the insulator layer 22 is formed using thermal oxidation that forms a silicon oxide film (SiO 2 ) by exposing Si heated to a high temperature to an oxidizing atmosphere and chemically reacting Si and oxygen or Si and moisture. be able to.
  • a rib light guide In addition to the shape of the beam, it is preferable to form a rib light guide.
  • the semiconductor layer 23 is etched.
  • the insulator layer 22 is etched. Thereby, the distortion provision part 11 shown in FIG. 1 is producible. At this time, it is preferable to perform wet etching so as to obtain an undercut. Thereby, the insulator layer 22 laminated under the beam can be removed.
  • a semiconductor light guide light source (reference numeral 12 shown in FIG. 1) is formed on the upper surface of the beam.
  • a semiconductor light guide light source (reference numeral 12 shown in FIG. 1) is formed on the upper surface of the beam.
  • a thin film of a light emitting material is grown on the beam.
  • the amount of strain applied to the beam 31 is changed by applying an electric field between the substrate 21 and the semiconductor layer 23, but the present invention is not limited to this.
  • a mechanical method of pressing at least a part of the beam 31 may be used.
  • a piezoelectric element such as a piezoelectric element is used.
  • the beam 31 is bent by bringing the piezoelectric element into close contact with one side or both sides of the beam 31 and expanding and contracting the piezoelectric element.
  • Embodiment 2 In Embodiment 1, although the example in which the beam 31 is a rectangular parallelepiped was demonstrated, it can be set as arbitrary shapes. For example, the width and height of the beam 31 shown in FIG. 1 may be non-uniform.
  • FIG. 11 shows a first modification of the beam 31.
  • the beam 301 shown in FIG. 11 has a thin at least part 71 in the longitudinal direction.
  • the width W 2 of the portion 71 is narrower than the width W 1 of the tip portion of the beam 301.
  • the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or a semiconductor optical amplifier (not shown) is formed in a part 71. Thereby, even when the amount of deflection of the beam 301 is small, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or the semiconductor optical amplifier (not shown) can be varied efficiently.
  • the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or a semiconductor optical amplifier (not shown) is preferably within the range of part 71. The same applies to the following embodiments.
  • the shape of the beam 301 can be formed by masking in accordance with the shape of the beam 301 when the semiconductor layer (reference numeral 23 shown in FIG. 1) is etched.
  • the shape of the beam 301 can be accurately formed by using a manufacturing method that executes a beam shape forming step after the insulator layer removing step, which will be described later.
  • FIG. 12 shows a second modification of the beam 31.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line AA ′.
  • the beam 302 shown in FIG. 12 at least a portion 71 in the longitudinal direction is thin.
  • the height H 2 of the portion 71 is lower than the height H 1 of the tip portion of the beam 302.
  • the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or a semiconductor optical amplifier (not shown) is formed in a part 71. Thereby, even when the amount of deflection of the beam 302 is small, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or the semiconductor optical amplifier (not shown) can be varied efficiently.
  • the shape of the beam 302 can be formed by shortening the growth time of the part 71 when the semiconductor layers (reference numeral 23 shown in FIG. 1) are stacked.
  • the beam 31 shown in FIG. 1 may have a portion 71 that is thin and thin.
  • Embodiment 3 In Embodiment 1, although the structure where the beam 31 consists of one blade
  • the beam 31 illustrated in FIG. 1 may have a structure including a plurality of blades.
  • FIG. 13 shows a third modification of the beam 31.
  • the beam 303 shown in FIG. 13 includes a blade 61-1, a blade 61-2, and a blade 61-3.
  • the blades 61-1, 61-2, and 61-3 extend in different directions with the portion 72 as a substantial center.
  • the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or a semiconductor optical amplifier (not shown) is formed.
  • the strain that occurs when the blades 61-1, 61-2, and 61-3 are simultaneously deflected is less than the strain that occurs in the portion 72 when the blade 61-1 is bent.
  • the amount of strain in the portion 72 increases. For this reason, the beam 303 can increase the variable range of the amount of strain generated in the part 72.
  • At least a part 72 of the blades 61-1, 61-2, and 61-3 is thin in the longitudinal direction.
  • the wavelength of the part 72 of the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or the semiconductor optical amplifier (not shown) can be varied efficiently.
  • FIG. 14 shows a fourth modification of the beam 31.
  • the beam 304 shown in FIG. 14 includes a blade 62-1, a blade 62-2, and a blade 62-3.
  • the blade 62-1, the blade 62-2, and the blade 62-3 extend in different directions with the portion 72 as a substantial center. At least a portion 72 of the blade 62-1, blade 62-2, and blade 62-3 is thin in the longitudinal direction. Thereby, the variable range of the distortion amount generated in the part 72 can be increased.
  • the substantially central portions in the width direction of the blades 62-1, 62-2, and 62-3 are uniformly thinned.
  • a substantially central portion 63-1 in the width direction of the blade 62-1, as the height H 2 of FIG. 12, is thinner than the height H 1 of the other part. And it has a height H 2 also vanes 62-2 and blade 62-3.
  • the portion 72 becomes thin, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or the semiconductor optical amplifier (not shown) can be varied efficiently.
  • the number of blades may be two, or four or more. Since the distribution of the strain stress generated in the part 72 differs depending on the number, the number of blades may be selected according to the characteristics of the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or a semiconductor optical amplifier (not shown).
  • the beam 31 shown in FIG. 1 has a structure including a plurality of blades extending in different directions with each part being substantially the center, but the part is located at an arbitrary position of the beam 31. can do.
  • the part is preferably a base part of the beam 31.
  • FIG. 15 shows a fifth modification of the beam 31.
  • the beam 305 shown in FIG. 15 includes blades 64-1 and 64-2.
  • the beam 305 is formed at one corner 76 of the four corners of the semiconductor layer (reference numeral 23 shown in FIG. 1) cut out in a square shape, and the semiconductor layer of the blade 75-1, the blade 64-2, and the portion 75 surrounded by the corner. (Reference numeral 23 shown in FIG. 1) remains without being etched.
  • the blade 64-1 and the blade 64-2 extend in different directions with the base portion 73 of the beam 305 substantially at the center.
  • strain when the beam 305 is bent can be concentrated on the root portion 73.
  • the insulator layer (reference numeral 22 shown in FIG. 1) disposed under the portion 75 may be removed or may remain.
  • the substantially central portions 65-1 and 65-2 in the width direction of the blades 64-1 and 64-2 are uniformly thinned.
  • the outer edge of the portion 75 is also thin, so that the substantially central portion 65-1 and the substantially central portion 65-2 are extended.
  • the beam 305 has a blade 64-1 and a blade 64-2 that extend beyond the base portion 73 of the beam 305 to the outer edge portion of the portion 75, and a notch is provided in a part 74 thereof.
  • the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or a semiconductor optical amplifier (not shown) is formed at the base portion 73. Thereby, even when the deflection amount of the beam 305 is small, the wavelength of the semiconductor light guide light source 12 shown in FIG. 1 or the semiconductor optical amplifier (not shown) can be varied efficiently.
  • the optical element according to the present embodiment makes it possible to vary the oscillation wavelength of the semiconductor light guide light source or the semiconductor optical amplifier by varying the strain amount.
  • FIG. 16 shows an example of the relationship between the semiconductor forbidden band and the optical communication band with respect to the strain amount.
  • FIG. 16 shows changes in the forbidden band when two-dimensional strain is introduced into GaAs, which is one of the semiconductors having optical gain.
  • the semiconductor light guide light source (reference numeral 12 shown in FIG. 1) has an arbitrary wavelength from the O band in the 1.3 ⁇ m band to the U band in the 1.6 ⁇ m band. Light can be emitted. For this reason, after assembling various optical elements using a semiconductor light guide light source or a semiconductor optical amplifier, an optical element having an arbitrary wavelength characteristic can be manufactured by varying the strain amount of the beam 31. . For example, even when an optical element having a wavelength of 1.56 ⁇ m at the time when a semiconductor light guide light source or a semiconductor optical amplifier is mounted on the chip, an amount of distortion of the semiconductor layer (reference numeral 23 shown in FIG. 1) is appropriately selected. Thus, an optical element having a wavelength of 1.55 ⁇ m can be manufactured.
  • the temperature dependence of the forbidden band and the refractive index can be compensated by the strain by varying the strain amount.
  • WDM Widelength Division Multiplexer
  • the operation wavelength of the element can be dynamically controlled by realizing an arbitrary wavelength with an appropriate amount of distortion.
  • various active optical elements having wavelength selectivity such as an optical filter and an optical modulator can be easily manufactured.
  • Embodiment 6 In Embodiment 1, although the example which uses Si or GaAs for the semiconductor layer 23 was shown, it is not limited to this.
  • Ge can be used as a suitable example. Since Ge makes a direct transition, it can oscillate at an oscillation wavelength as designed, and is suitable for application to light sources and optical amplifiers that require wavelength control accuracy. Further, by using Ge, it is possible to output a mid-infrared wavelength without lowering the melting point.
  • FIG. 17 shows an example of a cross-sectional structure of the strain applying portion when Ge is used for the semiconductor layer 23.
  • the strain imparting unit 11 of this embodiment includes a substrate 21 made of Si, an insulator layer 22 made of SiO 2 , and a semiconductor layer 23 in which Ge is sandwiched between Si. Si on both sides of Ge functions as a barrier layer.
  • the Si of the semiconductor layer 23 is stacked on the SOI. There may be no Si layer on SOI.
  • the semiconductor layer 23 preferably has a quantum well structure.
  • a quantum well structure is inserted into the Ge layer and / or the Si layer of the semiconductor layer 23 shown in FIG.
  • the quantum well structure may be a fine wire structure or a box structure.
  • the layer thickness of each layer forming the quantum well structure must be a thickness that causes a quantum effect.
  • FIG. 17 shows an example of the semiconductor layer 23 in which Ge is sandwiched between Si, the present invention is not limited to this.
  • a structure in which a quantum well structure composed of AlGaAs, GaAs, and AlGaAs is sequentially stacked on Ge and SOI is an example.
  • the Ge layer may be omitted.
  • An example of such a quantum well structure is GaAs, InGaAs, and GaAs.
  • the Ge layer may be omitted.
  • the beam 31 is formed by etching the semiconductor layer 23 and then the insulator layer 22 is etched.
  • the present invention is not limited to this.
  • the beam 31 may be formed after etching the insulator layer 22.
  • the manufacturing method in this case will be described.
  • FIG. 18 is an example of a top view of the strain imparting portion in the manufacturing method according to the present embodiment, where (a) shows the state after the semiconductor layer removal step, and (b) shows the state after the insulator layer removal step. (C) shows the state after the beam shape forming step.
  • FIG. 19 is an example of a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the strain imparting portion in the manufacturing process according to the present embodiment.
  • FIG. 19A shows a state after the semiconductor layer removal process
  • FIG. 19B shows the insulator layer removal process. The latter state is shown
  • (c) shows the state after the beam shape forming step.
  • a laminating process for sequentially laminating the substrate 21, the insulator layer 22, and the semiconductor layer 23 is performed.
  • a semiconductor layer removal step is performed. In the semiconductor layer removing step, a part of the semiconductor layer 23 is removed. At this time, a part of the semiconductor layer 23 is removed so that the tip portion of the beam 31 remains. As a result, as shown in FIGS. 18A and 19A, the insulator layer 22 is exposed.
  • an insulator layer removing step is performed.
  • a portion of the insulator layer 22 exposed by the semiconductor layer removing step and its peripheral portion are removed by wet etching to form a recess.
  • etching is performed with hydrofluoric acid.
  • the insulator layer 22 is removed by a length wider than the range in which the semiconductor layer 23 is removed by the length of the beam 31 in the semiconductor layer removing process. Thereby, as shown in FIGS. 18 (b) and 19 (b), the edge 60 of the recess protrudes by the length of the beam 31.
  • a beam shape forming process is performed.
  • the insulator layer 22 is removed as shown in FIG.
  • the insulator layer 22 existing under the semiconductor layer 23 may be removed from the edge toward the outside.
  • the edge 60 of the recessed portion protruding by the step of removing the insulator layer 22 in the semiconductor layer 23 may be dry etched leaving the shape of the beam 31. It is valid.
  • the beam 31 is formed.
  • the shape of the beam 31 can be formed as designed. For this reason, the distortion
  • FIG. 6 shows a strain applying unit according to the embodiment.
  • the substrate 21 shown in FIG. 1 is made of Si
  • the insulator layer 22 shown in FIG. 1 is made of SiO 2
  • the semiconductor layer 23 shown in FIG. 1 is made of Si.
  • the insulator layer 22 has a thickness of 3 ⁇ m
  • the semiconductor layer 23 has a thickness of 250 nm.
  • the opening space on both sides of the fulcrum of the beam 31 was 10 ⁇ m. A comparison was made when the width a and the length b of the beam 31 of the strain applying portion are different.
  • the width a of the beam 31 is 3 ⁇ m, and the length b of the beam 31 is 5 ⁇ m. At this time, the maximum allowable load of the beam 31 is 1.2 ⁇ 10 ⁇ 5 (N). In the second example, the width a of the beam 31 is 3 ⁇ m, and the length b of the beam 31 is 7 ⁇ m. At this time, the maximum allowable load of the beam 31 is 6.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (N). In the third example, the width a of the beam 31 is 5 ⁇ m, and the length b of the beam 31 is 7 ⁇ m. At this time, the maximum allowable load of the beam 31 is 9.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (N).
  • Si the following parameters of Si and SiO 2 were used in calculating the maximum allowable load.
  • -E is 130 GPa
  • -v 0.28
  • C 11 is 166 GPa
  • C 12 is 64 GPa
  • C 44 is 79.6 GPa.
  • SiO 2 -E is 73 GPa
  • -v 0.17
  • C 11 is 87.5 GPa
  • C 44 is 31.2 GPa.
  • the tip of the beam 31 of the first example, the second example, and the third example was pushed in the direction approaching the substrate 21 shown in FIG. 1, and the strain generated at that time was measured. As a result, it was found that the strain at the fulcrum is larger than the open end of the beam 31. It was also found that the fulcrum of the beam 31 is distributed in the direction of the width a of the beam 31.
  • FIG. 7 shows a first measurement example of strain
  • (a) shows the maximum principal strain
  • (b) shows the strain in the width direction of the beam
  • (c) shows the strain in the length direction of the beam.
  • the horizontal axis indicates the distance from the center point in the width a direction of the beam 31 shown in FIG.
  • the strain when the maximum allowable load was applied to the tip of the beam was measured. That is, the power of 1.2 ⁇ 10 -5 (N) was added in the first example, the power of 6.0 ⁇ 10 -6 (N) was added in the second embodiment, in the third example 9.0 ⁇ 10 - 6 (N) force was applied.
  • FIG. 8 shows a second measurement example of strain, where (a) shows the maximum principal strain, (b) shows the strain in the width direction of the beam, and (c) shows the strain in the length direction of the beam.
  • the horizontal axis represents the distance from the center point in the width a direction of the beam 31 shown in FIG.
  • a force of 6.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (N) was applied to the tip of the beam.
  • the strain amount is the smallest when the distance from the center is ⁇ 0.5 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less. It turned out that the amount of strain increased as it approached the edge of.
  • the third example has the smallest amount of strain, so that when the length b of the beam is increased, the amount of strain is reduced and the beam is easily bent.
  • the distribution of strain in the width direction of the beam 31 and the length direction of the beam 31 shown in FIG. 1 was measured.
  • the strain applying portion in which the width a of the beam 31 is 5 ⁇ m and the length b of the beam 31 is 6 ⁇ m in the above-described first embodiment is used.
  • tip of the beam 31 was pushed in the direction approaching the board
  • FIG. 9 is a simulation result of the strain imparting portion according to the present embodiment, where (a) shows the strain in the length direction on the upper surface of the beam, (b) shows the strain in the width direction on the upper surface of the beam, c) shows the strain in the length direction on the lower surface of the beam, and (d) shows the strain in the width direction on the lower surface of the beam. From the simulation results, it was found that when the strain in the elongation direction occurs on the upper surface, the shrinkage in the shrinkage direction corresponding to the strain on the upper surface occurs on the lower surface. As a result, it can be seen that when the tip of the beam 31 is pushed away from the substrate 21 shown in FIG.
  • FIG. 10A and 10B are measurement results of the strain amount distribution according to the present example, in which FIG. 10A shows the distribution of strain generated in the beam length direction in the beam length direction, and FIG. 10B shows the beam width. The distribution in the length direction of the beam generated in the direction is shown.
  • the horizontal axis of Fig.10 (a) and FIG.10 (b) shows the distance from the fulcrum of the beam 31 shown in FIG.
  • strain is generated in the extending direction in the length direction of the beam, and strain is generated in the contracting direction in the width direction of the beam.
  • the strain varies depending on the position of the beam.
  • the strain distribution in the length direction of the beam is almost linear.
  • decomposability of the variable distortion amount can be changed with the position in the length direction of a beam. Therefore, it is possible to vary the resolution when the oscillation wavelength of the semiconductor light guide light source is varied depending on which position in the length direction of the beam the semiconductor light guide light source is formed.
  • the amount of strain is not zero when the distance is 6 ⁇ m. That is, the strain amount is not zero even at the open end of the beam. For this reason, the semiconductor light guide light source can also be arranged at the open end of the beam.
  • the optical element of the present invention can be used in an optical transmission apparatus, the present invention can be applied to the information communication industry.
  • 11 Strain imparting unit 12: Semiconductor light guide light source 21: Substrate 22: Insulator layer 23: Semiconductor layers 31, 31a, 31b: Beam 41: Resist layer 51: Power source 52: Variable circuit 53: Temperature sensors 61-1, 61 -2, 61-3, 62-1, 62-2, 62-3: blade 71, 73: part of beam 72: part of blade 301, 302, 303: beam

Abstract

本発明の目的は、微細に発振波長を調整可能な光素子を提供することにある。本願発明の光素子は、半導体又は導体からなる基板２１、一部が除去されている絶縁体層２２、絶縁体層の除去された部分の上面に梁３１形状を有する半導体層２３を順に有するひずみ付与部１１と、梁３１の上面に形成された半導体導光路光源１２と、を備える。基板２１と梁３１との間に電界を印加することで、梁３１にひずみを発生させ、半導体導光路光源１２にひずみを生じさせる。半導体導光路光源１２は加わるひずみに応じて発振波長が異なるため、ひずみ付与部１１の付与するひずみ量によって半導体導光路光源１２の発振波長を可変する。

Description

光素子
　本発明は、波長の可変な半導体導光路光源又は半導体光増幅器を搭載した光素子及び光素子の製造方法に関する。
　シリコン集積化回路を用いた光素子が提案されている。この光素子では、光源、変調器、光導波路、フィルタ、受光器などの電気回路及び光回路をシリコン基板上に集積する。光素子の温度は、環境温度によっては－２０℃になることがあるとともに、電気回路及び光回路の発熱によって８５℃程度まで上昇することがある。光回路の材料のもつ屈折率と禁制帯の温度依存性から、光回路の温度が変化すると光素子の波長が変化する。
　特許文献１の光素子は、活性層と、吸収型光変調層と、共振器と、を備え、以下のように動作する。活性層は、レーザ光を励起する。吸収型光変調層は、電圧印加による光吸収係数の変化を利用して変調を行なう。共振器は、活性層及び光変調層を挟む２つの光反射層で光を共振させる。このとき、温度が変化すると反りが生じる片持ち梁を採用し、この反りを用いて２つの光反射層の距離を変化させ、光素子の温度変化による波長変化を抑制する。このように、活性層の禁制帯の制御は行なわない。
特開２００６－２１６７２２号公報
　上述した特許文献１においては、共振器長の変化が大きいため、光素子の波長変化が大きく、光素子の波長の微細な調整が困難であるという問題があった。
　本発明の目的は、上述した課題である微細に発振波長を調整可能な光素子及び光素子の製造方法を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本願発明の光素子は、半導体又は導体からなる基板、一部が除去されている絶縁体層、絶縁体層の除去された部分の上面に梁形状を有する半導体層を順に有するひずみ付与部と、前記梁の上面に形成された半導体導光路光源又は半導体光増幅器と、を備え、前記ひずみ付与部の付与するひずみ量によって前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器の発振波長を可変する。
　本願発明の光素子では、前記基板と前記半導体層との間に電界を印加して前記ひずみ付与部の付与するひずみ量を可変する電源と、前記電源の印加する電界を可変する可変回路と、をさらに備えることが好ましい。
　本願発明の光素子では、前記梁の温度を測定する温度センサをさらに備え、前記可変回路は、前記温度センサの測定する温度に応じて前記電源の印加する電界を可変することが好ましい。
　本願発明の光素子では、前記半導体層は、２つの梁を有し、前記２つの梁は、略直交するように形成され、途中で交差していることが好ましい。
　本願発明の光素子では、前記梁は、一部を略中心にしてそれぞれ異なる方向に伸びる複数の羽根を備え、前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器は、前記一部に形成されていることが好ましい。
　本願発明の光素子では、前記梁は、長手方向の少なくとも一部が細くなっており、前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器は、前記細くなっている部分に形成されていることが好ましい。
　本願発明の光素子では、前記梁は、長手方向の少なくとも一部が薄くなっており、前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器は、前記薄くなっている部分に形成されていることが好ましい。
　本願発明の光素子の製造方法は、半導体又は導体からなる基板、絶縁体層及び半導体層を順に積層する積層工程と、前記半導体層の一部を除去する半導体層除去工程と、前記絶縁体層のうちの前記半導体層除去工程によって露出した部分及びその周辺部分をウェットエッチングによって除去して凹部を形成する絶縁体層除去工程と、前記半導体層のうちの前記絶縁体層除去工程によって迫り出した前記凹部の縁を、梁形状を残してドライエッチングする梁形状形成工程と、を順に有する。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本発明によれば、微細に発振波長を調整可能な光素子及び光素子の製造方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る光素子の一例を示す概略構成図である。 光素子の縦断面図である。 ひずみ量に対する半導体の禁制帯変化の一例である。 本実施形態に係るひずみ付与部の別形態を示す概略構成図である。 本実施形態に係るひずみ付与部の製造方法の一例を示す説明図である。 実施例に係るひずみ付与部を示す。 ひずみの第１の測定例を示し、（ａ）は最大主ひずみを示し、（ｂ）は梁の幅方向のひずみを示し、（ｃ）は梁の長さ方向のひずみを示す。 ひずみの第２の測定例を示し、（ａ）は最大主ひずみを示し、（ｂ）は梁の幅方向のひずみを示し、（ｃ）は梁の長さ方向のひずみを示す。 本実施例に係るひずみ付与部のシミュレーション結果であり、（ａ）は梁の上面における長さ方向のひずみを示し、（ｂ）は梁の上面における幅方向のひずみを示し、（ｃ）は梁の下面における長さ方向のひずみを示し、（ｄ）は梁の下面における幅方向のひずみを示す。 本実施例に係るひずみ量の分布の測定結果であり、（ａ）は梁の長さ方向に発生するひずみの梁の長さ方向における分布を示し、（ｂ）は梁の幅方向に発生するひずみの梁の長さ方向における分布を示す。 梁３１の第１の変形例を示す。 梁３１の第２の変形例を示す。 梁３１の第３の変形例を示す。 梁３１の第４の変形例を示す。 梁３１の第５の変形例を示す。 ひずみ量に対する半導体の禁制帯と光通信用帯域の関係の一例を示す。 半導体層にＧｅを用いた場合のひずみ付与部の断面構造の一例を示す。 実施形態６に係る製造工程におけるひずみ付与部の上面図の一例であり、（ａ）は半導体層除去工程後の状態を示し、（ｂ）は絶縁体層除去工程後の状態を示し、（ｃ）は梁形状形成工程後の状態を示す。 実施形態６に係る製造工程におけるひずみ付与部のＢ－Ｂ’断面図の一例であり、（ａ）は半導体層除去工程後の状態を示し、（ｂ）は絶縁体層除去工程後の状態を示し、（ｃ）は梁形状形成工程後の状態を示す。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施形態１）
　図１は、本実施形態に係る光素子の一例を示す概略構成図である。本発明の実施形態に係る光素子は、ひずみ付与部１１と、半導体導光路光源１２と、を備える。
　ひずみ付与部１１は、半導体又は導体からなる基板２１と、一部が除去されている絶縁体層２２と、絶縁体層の除去された部分の上面に梁３１形状を有する半導体層２３と、を順に有する。基板２１と半導体層２３との間で電界を印加すれば、半導体層２３に形成されている梁３１と基板２１との距離を変化させることができる。
　例えば、ひずみ付与部１１は、Ｓｉからなる基板２１と、ＳｉＯ２からなる絶縁体層２２と、Ｓｉからなる半導体層２３と、を備える。ここで、基板２１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。
　また、ひずみ付与部１１は、ＧａＡｓからなる基板２１と、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁体層２２と、ＧａＡｓからなる半導体層２３と、を備えてもよい。この場合、基板２１の上面にＡｌＧａＡｓを積層し、ＡｌＧａＡｓを酸化させれば、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁体層２２を形成することができる。また、ＡｌＧａＡｓを選択的に科学エッチングすることで、梁３１形状を形成することができる。本構成を採用することで、光源に適したＧａＡｓを用いて半導体層２３を形成することができる。
　ここで、梁３１は、例えば、一方の端部が固定されている片持ち梁である。片持ち梁の場合、開放されている他端は基板２１に接触していることが好ましい。これにより、梁３１の固有振動を抑制することができる。また、梁３１は、両端固定の両端固定梁であってもよい。両端固定梁を採用することで、梁３１の固有振動を抑制することができる。
　図２は、光素子の縦断面図である。図１に示すＡ－Ａ’断面を示す。基板２１と梁３１が対向している。基板２１と梁３１との間に電界を印加することで、梁３１にひずみを発生させることができる。これにより、半導体導光路光源１２の発光波長を可変する。
　そのため、本実施形態に係る光素子は、基板２１と半導体層２３との間に電界を印加してひずみ付与部１１の付与するひずみ量を可変する電源５１と、電源の印加する電界を可変する可変回路５２と、を備えることが好ましい。可変回路５２を用いて梁３１のひずみ量を可変することができる。これにより、所望の発振波長の光を半導体導光路光源１２に発生させることができる。
　本実施形態に係る光素子は、梁３１の温度を測定する温度センサ５３をさらに備えていてもよい。この場合、可変回路５２は、温度センサ５３の測定する温度に応じて電源５１の印加する電界を可変する。梁３１の温度が変化すると、半導体導光路光源１２の波長が変化する。このとき、温度センサ５３は温度変化を測定し、可変回路５２は半導体導光路光源１２の波長変化を戻すように電源５１の印加する電界を可変する。そのため、梁３１の温度に応じて梁３１のひずみ量を可変することで、半導体導光路光源１２の波長を一定に保つことができる。半導体導光路光源１２の温度を正確に測るため、温度センサ５３は、半導体導光路光源１２の近傍に配置されることが好ましい。
　図１に示す半導体導光路光源１２は、梁３１の上面に形成されている。半導体導光路光源１２は、例えば、半導体リブ型導光路光源である。半導体リブ型導光路光源は、リブ導光路を光が伝搬する方向と直交する方向にｐｎ接合を有し、順方向電流を流すことにより導光路を発光させる発光ダイオードである。半導体導光路光源１２は、発光させた光を共振器で増幅し、リブ導光路から光を取り出す。
　リブ導光路は、光を発光するリブ光源導光路を備える。リブ光源導光路は、光学利得を有する半導体からなる。これにより、リブ光源導光路に順方向電流が流れると、リブ光源導光路が発光する。光学利得を有する半導体は、例えば、ＧａＡｓなどのＩＩＩ－Ｖ族半導体、Ｇｅである。ｎ－Ｇｅなどの間接遷移半導体であってもよい。
　リブ導光路のうちリブ光源導光路を除く部分は、光学利得を有しない半導体で形成され、リブ光源導光路の発光する光を導く。これにより、リブ光源導光路の発光する光を取り出すことができる。光学利得を有しない半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮｘである。
　リブ導光路は、２層構造を有する積層リブ導光路であってもよい。この場合、一方の層は光学利得を有する半導体で形成され、他方の層は光学利得を有しない半導体で形成される。このような積層リブ導光路を採用することで、一方の層を発光させ、他方の層から光を取り出すことができる。
　共振器は、ファブリペロ共振器であってもよいし、リング共振器であってもよいし、フォトニック結晶であってもよい。ファブリペロ共振器の場合、例えば、リブ導光路の伝搬光の伝搬方向の２箇所に対向して配置される１対のミラーを形成し、１対のミラー間で光の反射を繰り返すことで光を共振させる。リング共振器の場合、リブ導光路と結合する位置にリング共振器を形成し、リブ導光路の伝搬光をリング共振器に伝搬させることで光を共振させる。フォトニック結晶の場合、リブ導光路にフォトニック結晶を形成することで光を共振させる。
　リブ光源導光路は、量子井戸構造を有していることが好ましい。量子井戸構造は、単一量子井戸構造であってもよいし、多重量子井戸構造であってもよい。これにより、半導体リブ型導光路光源の閾値を低くすることができる。
　梁３１にひずみを与えると、半導体導光路光源１２に備わるリブ導光路にひずみが発生する。リブ導光路を構成する光学利得を有する半導体は、リブ導光路のひずみ量に応じて禁制帯が変化する。このため、ひずみ付与部１１の付与するひずみ量によって半導体導光路光源１２の発振波長を可変することができる。したがって、微細に発振波長を調整可能な光素子を提供することができる。
　なお、本実施形態では半導体導光路光源１２の一例として半導体リブ型導光路光源について説明したが、リブ型でない任意の半導体構造の半導体導光路光源も採用することができる。また、梁３１の上面に形成する半導体導光路光源１２の位置や数は限定しない。後述するように、梁３１を同一の材料で形成した場合であっても、梁３１の位置によってひずみ量は異なる。このため、梁３１の上面に形成する半導体導光路光源１２の位置が異なることで、異なる波長で発光する光源を提供することができる。
　本実施形態では半導体導光路光源１２が梁３１の上面に形成されている例を示したが、半導体導光路光源１２に代えて半導体光増幅器を梁３１の上面に形成してもよい。この場合、半導体導光路光源１２に流す電流を、半導体導光路光源１２がレーザ発振するしきい値電流以下とする。これにより、半導体導光路光源１２を半導体光増幅器として用いることができる。
　図３は、ひずみ量に対する半導体の禁制帯の一例である。光学利得を有する半導体のひとつであるＧａＡｓに２次元的なひずみを導入したときの禁制帯変化を示す。伝導帯Ｅｃは、ＧａＡｓが縮むに従ってエネルギーは高くなり、ＧａＡｓが伸びるに従ってエネルギーは低くなる。価電子帯Ｅｌｈは、ＧａＡｓが縮んでもエネルギー変化はあまりなく、ＧａＡｓが伸びるに従ってエネルギーは高くなる。
　リブ導光路を構成する半導体がＧａＡｓであって、図２に示す梁３１に対して、基板２１と梁３１が近づく方向にひずみを付与する場合を考える。この場合、半導体導光路光源１２は梁３１の上面に形成されているため、半導体導光路光源１２のリブ導光路は伸びる方向にひずみが付与される。このとき、リブ導光路の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｌｈのエネルギーギャップは、梁３１にひずみを与えない場合に比べて狭くなり、リブ導光路での発光波長は長くなる。したがって、図２に示す基板２１と梁３１が近づく方向に梁３１にひずみを付与することで、半導体導光路光源１２の波長を長波長側にシフトさせることができる。
　リブ導光路を構成する半導体がＧａＡｓであって、図２に示す梁３１に対して、基板２１と梁３１が遠ざかる方向にひずみを付与する場合を考える。この場合、半導体導光路光源１２は梁３１の上面に形成されているため、半導体導光路光源１２のリブ導光路は縮む方向にひずみが付与される。このとき、リブ導光路の伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｌｈのエネルギーギャップは、梁３１にひずみを与えない場合に比べて広くなり、リブ導光路での発光波長は短くなる。したがって、図２に示す基板２１と梁３１が遠ざかる方向に梁３１にひずみを付与することで、半導体導光路光源１２の波長を短波長側にシフトさせることができる。
　半導体導光路光源１２は、例えば、梁３１の支点の上面や、梁３１の先端の上面に形成される。梁３１で発生するひずみは、梁３１の支点、先端、その他の部分、の順に大きい。このため、半導体導光路光源１２が支点の上面に形成されていれば、多くのひずみ量を半導体導光路光源１２に加えることができる。
　図４は、本実施形態に係るひずみ付与部の別形態を示す概略構成図である。ひずみ付与部の別形態では、半導体層２３は、２つの梁３１ａ及び３１ｂを有する。２つの梁３１ａと梁３１ｂは、略直交するように形成され、途中で交差している。半導体導光路光源１２は、梁３１ａと梁３１ｂが交差する部分に配置される。このため、半導体導光路光源１２に２次元のひずみを発生させることができる。２次元のひずみが発生することで、半導体導光路光源１２におけるリブ導光路の禁制帯のエネルギーを変化させる際に、梁３１ａと梁３１ｂそれぞれのひずみ量を小さくすることができる。
　図５は、本実施形態に係るひずみ付与部の作製方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示す。図５（ａ）に示す第１工程では、基板２１、絶縁体層２２、半導体層２３を順に積層する。そして、半導体層２３上に、梁の形状に合わせてレジスト層４１を形成する。
　このとき、絶縁体層２２の形成は、高温にしたＳｉを酸化性雰囲気に晒し、Ｓｉと酸素又はＳｉと水分を化学反応させることで、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する熱酸化を用いることができる。また、梁の形状だけでなく、リブ導光路も形成することが好ましい。
　図５（ｂ）に示す第２工程では、半導体層２３のエッチングを行なう。
　図５（ｃ）に示す第３工程では、絶縁体層２２のエッチングを行なう。これにより、図１に示すひずみ付与部１１を作製することができる。このとき、アンダーカットとなるよう、ウェットエッチングで行なうことが好ましい。これにより、梁の下に積層されていた絶縁体層２２を除去することができる。
　第３工程の後に、梁の上面に半導体導光路光源（図１に示す符号１２）を形成する。例えば、梁に発光材料を薄膜成長する。このとき、梁の上面と下面に発光材料を薄膜成長することが好ましい。これにより、梁の断面方向に梁が対称となり、ひずみを上下方向に導入する際に破断などに対し強度が増す。
　なお、本実施形態では、基板２１と半導体層２３との間に電界を印加して梁３１に付与するひずみ量を可変したが、これに限定されない。例えば、梁３１の少なくとも一部を押圧する機械式の方式を用いてもよい。押圧は、例えば、ピエゾ素子などの圧電素子を用いる。この場合、梁３１の片面又は両面に圧電素子を密着させ、圧電素子を伸縮させることで梁３１を曲げる。
（実施形態２）
　実施形態１においては、梁３１が直方体である例について説明したが、任意の形状とすることができる。例えば、図１に示す梁３１の幅や高さは不均一であってもよい。
　図１１に、梁３１の第１の変形例を示す。図１１に示す梁３０１は、長手方向の少なくとも一部７１が細くなっている。例えば、梁３０１の先端部分の幅Ｗ１に比べて一部７１の幅Ｗ２が狭い。このような形状にすることによって、梁３０１をたわませたときのひずみを一部７１に集中させることができる。さらに、梁３０１の付け根部分に一部７１を配置することで、ひずみを一部７１に効率よく集中させることができる。
　そして、一部７１に、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器を形成する。これにより、梁３０１のたわみ量が少ない場合であっても、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器の波長を、効率よく可変することができる。図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器は、一部７１の範囲に収まることが好ましい。以下の形態においても同様である。
　ここで、梁３０１の形状は、半導体層（図１に示す符号２３）のエッチングの際に、梁３０１の形状に合わせてマスキングすることによって形成することができる。特に後述する、絶縁体層除去工程の後に梁形状形成工程を実行する製造方法を用いることによって、梁３０１の形状を精度よく形成することができる。
　図１２に、梁３１の第２の変形例を示す。図１２はＡ－Ａ’断面図である。図１２に示す梁３０２は、長手方向の少なくとも一部７１が薄くなっている。例えば、梁３０２の先端部分の高さＨ１に比べて一部７１の高さＨ２が低い。このような形状にすることによって、梁３０２をたわませたときのひずみを一部７１に集中させることができる。さらに、梁３０２の付け根部分に一部７１を配置することで、ひずみを一部７１に効率よく集中させることができる。
　そして、一部７１に、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器を形成する。これにより、梁３０２のたわみ量が少ない場合であっても、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器の波長を、効率よく可変することができる。
　ここで、梁３０２の形状は、半導体層（図１に示す符号２３）の積層の際に、一部７１の成長時間を短くすることによって形成することができる。
　なお、梁３０１と梁３０２を組み合わせたような形状とすることもできる。例えば、図１に示す梁３１は、一部７１が細くかつ薄くなっていてもよい。
（実施形態３）
　実施形態１においては、梁３１が１枚の羽根からなる構造について説明したが、これに限定されない。例えば、図１に示す梁３１は、複数の羽根を備える構造を有していてもよい。
　図１３に、梁３１の第３の変形例を示す。図１３に示す梁３０３は、羽根６１－１、羽根６１－２及び羽根６１－３を備える。羽根６１－１、羽根６１－２及び羽根６１－３は、一部７２を略中心にしてそれぞれ異なる方向に伸びる。一部７２には、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器が形成される。羽根６１－１単体をたわませたときに一部７２に発生するひずみよりも、羽根６１－１、羽根６１－２及び羽根６１－３を同時にたわませたときのひずみの方が、一部７２におけるひずみ量は多くなる。このため、梁３０３は、一部７２に発生させるひずみ量の可変域を大きくすることができる。
　実施形態２の梁３０１と同様に、羽根６１－１、羽根６１－２及び羽根６１－３は、長手方向の少なくとも一部７２が細くなっている。これにより、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器を一部７２の波長を、効率よく可変することができる。
　図１４に、梁３１の第４の変形例を示す。図１４に示す梁３０４は、羽根６２－１、羽根６２－２及び羽根６２－３を備える。羽根６２－１、羽根６２－２及び羽根６２－３は、一部７２を略中心にしてそれぞれ異なる方向に伸びる。羽根６２－１、羽根６２－２及び羽根６２－３は、長手方向の少なくとも一部７２が薄くなっている。これにより、一部７２に発生させるひずみ量の可変域を大きくすることができる。
　特に、梁３０４では、羽根６２－１、羽根６２－２及び羽根６２－３の幅方向の略中心部分を一様に薄くしている。例えば、羽根６２－１の幅方向の略中心部分６３－１は、図１２に示す高さＨ２のように、他の部分の高さＨ１よりも薄くなっている。羽根６２－２及び羽根６２－３についても高さＨ２となっている。このような構成を採用しても、一部７２が薄くなるため、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器の波長を、効率よく可変することができる。
　なお、梁３０３及び梁３０４では、複数の羽根が３枚の場合について説明したが、羽根の数は２枚であってもよいし、４枚以上であってもよい。枚数によって一部７２に発生するひずみ応力の分布が異なるため、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器の特性に応じて羽根の枚数を選択するとよい。
（実施形態４）
　実施形態３においては、図１に示す梁３１が一部を略中心にしてそれぞれ異なる方向に伸びる複数の羽根を備える構造を有していたが、当該一部は、梁３１の任意の位置にすることができる。特に当該一部は、梁３１の付け根部分であることが好ましい。
　図１５に、梁３１の第５の変形例を示す。図１５に示す梁３０５は、羽根６４－１及び羽根６４－２を備える。梁３０５は、方形に切り出した半導体層（図１に示す符号２３）の４隅の一角７６に形成されており、羽根６４－１と羽根６４－２と当該一角で囲まれる部分７５の半導体層（図１に示す符号２３）は、エッチングされることなく残存している。この結果、羽根６４－１及び羽根６４－２は、梁３０５の付け根部分７３を略中心にしてそれぞれ異なる方向に伸びている。このような形状にすることによって、梁３０５をたわませたときのひずみを付け根部分７３に集中させることができる。部分７５の下に配置されている絶縁体層（図１に示す符号２２）は、除去されていてもよいし、残っていてもよい。
　また、梁３０５は、図１４に示す梁３０４と同様に、羽根６４－１及び羽根６４－２の幅方向の略中心部分６５－１及び６５－２を一様に薄くなっている。これに加えて、部分７５の外縁も薄くなっており、略中心部分６５－１及び略中心部分６５－２が延長されたような形となっている。このような形状にすることによって、梁３０５をたわませたときのひずみを付け根部分７３に集中させることができる。
　また、梁３０５は、羽根６４－１及び羽根６４－２は梁３０５の付け根部分７３を超えて、部分７５の外縁部分にまで伸びており、その一部７４に切り欠きが設けられている。このような形状にすることによって、梁３０５のうちの羽根６４－１若しくは羽根６４－２又はこれらの両方をたわませたときのひずみを、付け根部分７３にさらに集中させることができる。
　そして、付け根部分７３に、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器を形成する。これにより、梁３０５のたわみ量が少ない場合であっても、図１に示す半導体導光路光源１２又は図示しない半導体光増幅器の波長を、効率よく可変することができる。
（実施形態５）
　本実施形態に係る光素子は、ひずみ量を可変することによって半導体導光路光源又は半導体光増幅器の発振波長を可変することを可能とする。図１６に、ひずみ量に対する半導体の禁制帯と光通信用帯域の関係の一例を示す。図１６は、光学利得を有する半導体のひとつであるＧａＡｓに２次元的なひずみを導入したときの禁制帯変化を示す。
　半導体層（図１に示す符号２３）を用いることで、半導体導光路光源（図１に示す符号１２）に、１．３μｍ帯のＯバンドから１．６μｍ帯のＵバンドまでの任意の波長の光を発光させることができる。このため、半導体導光路光源又は半導体光増幅器を用いた種々の光素子を組み立てた後に、梁３１のひずみ量を可変することによって、任意の波長特性を有する光素子を製造することが可能になる。例えば、チップ上に半導体導光路光源又は半導体光増幅器を搭載した時点では波長１．５６μｍであった光素子であっても、半導体層（図１に示す符号２３）の歪み量を適切に選ぶことで、波長１．５５μｍの光素子を製造することができる。
　また、半導体層（図１に示す符号２３）にＧａＡｓを用いた場合、歪み量を可変することで、禁制帯や屈折率の温度依存をひずみにより補償することができる。これにより、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）の安定動作を保証することもできる。
　上記のように、任意の波長を適切な歪み量により実現することにより素子の動作波長を動的に制御することができる。これにより、光源のみならず、光フィルタや光変調器といった、波長選択性のある種々のアクティブ光素子を、容易に製造することが可能となる。
（実施形態６）
　実施形態１においては、半導体層２３にＳｉ又はＧａＡｓを用いる例を示したが、これに限定されない。例えば、好適な例として、Ｇｅを用いることができる。Ｇｅは直接遷移するため、設計どおりの発振波長で発振させることが可能であり、波長制御の精度を要求される光源や光増幅器への適用に適している。また、Ｇｅを用いることによって、融点を下げずに、中赤外の波長を出力することもできる。
　図１７に、半導体層２３にＧｅを用いた場合のひずみ付与部の断面構造の一例を示す。本実施形態のひずみ付与部１１は、Ｓｉからなる基板２１と、ＳｉＯ２からなる絶縁体層２２と、ＧｅがＳｉで挟まれた半導体層２３と、を順に有する。Ｇｅの両側のＳｉは障壁層として機能する。半導体層２３のＳｉは、ＳＯＩ上に積層される。ＳＯＩ上のＳｉ層はなくてもよい。
　半導体層２３が、量子井戸構造を有していることが好ましい。この場合、図１７に示す半導体層２３のＧｅ層およびＳｉ層あるいはどちらか一方に、量子井戸構造が挿入する。量子井戸構造は、細線構造であってもよいし、箱構造であってもよい。但し、量子井戸構造をなす各層の層厚は量子効果の生じる厚さでなければ、ならない。図１７ではＧｅがＳｉで挟まれた半導体層２３の例を示したが、これに限定されない。例えば、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる量子井戸構造が、Ｇｅ及びＳＯＩ上に順に積層されている構造が一例である。ここで、Ｇｅ層はなくてもよい。量子井戸構造がＧａＡｓとＩｎＧａＡｓとＧａＡｓからなるものもその一例である。ここで、Ｇｅ層はなくてもよい。
　また、実施形態１においては、半導体層２３のエッチングで梁３１を形成し、その後に絶縁体層２２のエッチングを行なったが、これに限定されない。例えば、絶縁体層２２のエッチングの後に、梁３１を形成してもよい。以下、この場合の製造方法について説明する。
　図１８は、本実施形態に係る製造方法におけるひずみ付与部の上面図の一例であり、（ａ）は半導体層除去工程後の状態を示し、（ｂ）は絶縁体層除去工程後の状態を示し、（ｃ）は梁形状形成工程後の状態を示す。図１９は、本実施形態に係る製造工程におけるひずみ付与部のＢ－Ｂ’断面図の一例であり、（ａ）は半導体層除去工程後の状態を示し、（ｂ）は絶縁体層除去工程後の状態を示し、（ｃ）は梁形状形成工程後の状態を示す。
　まず、基板２１、絶縁体層２２及び半導体層２３を順に積層する積層工程を行う。
　次に、半導体層除去工程を行う。半導体層除去工程では、半導体層２３の一部を除去する。このとき、梁３１の先端部分が残るように、半導体層２３の一部を除去する。これにより、図１８（ａ）及び図１９（ａ）に示すように、絶縁体層２２が露出する。
　次に、絶縁体層除去工程を行う。絶縁体層除去工程では、絶縁体層２２のうちの半導体層除去工程によって露出した部分及びその周辺部分をウェットエッチングによって除去して凹部を形成する。例えばフッ酸でエッチングする。このとき、梁３１の長さ分だけ、半導体層除去工程で半導体層２３を除去した範囲よりも広い範囲で絶縁体層２２を除去する。これにより、図１８（ｂ）及び図１９（ｂ）に示すように、凹部の縁６０が、梁３１の長さ分だけ迫り出す。
　次に、梁形状形成工程を行う。梁形状形成工程では、図５に示すように絶縁体層２２の除去工程を行い半導体２３の梁構造を製作する。この場合、図１８に示すように半導体層２３の下に存在する絶縁体層２２が縁から外部に向かって除去される場合がある。これを防ぐためには、図１８および図１９に示すように半導体層２３のうちの絶縁体層２２の除去工程によって迫り出した凹部の縁６０を、梁３１の形状を残してドライエッチングすることが有効である。これにより、図１８（ｃ）及び図１９（ｃ）に示すように、梁３１が形成される。本工程では既に絶縁体層２２が除去されているため、梁３１の形状を設計どおりに形成することができる。このため、本実施形態に係る製造方法を採用することで、設計どおりの特性をもつひずみ付与部を容易に製造することができる。
　図６は、実施例に係るひずみ付与部を示す。図１に示す基板２１がＳｉからなり、図１に示す絶縁体層２２がＳｉＯ２からなり、図１に示す半導体層２３がＳｉからなる。絶縁体層２２の厚さは３μｍであり、半導体層２３の厚さは２５０ｎｍである。梁３１の支点の両脇の開きスペースは、１０μｍ設けた。このひずみ付与部の梁３１の幅ａ及び長さｂが異なる場合の比較を行なった。
　第１例では、梁３１の幅ａが３μｍであり、梁３１の長さｂが５μｍである。このとき、梁３１の最大許容荷重は１．２×１０－５（Ｎ）である。第２例では、梁３１の幅ａが３μｍであり、梁３１の長さｂが７μｍである。このとき、梁３１の最大許容荷重は６．０×１０－６（Ｎ）である。第３例では、梁３１の幅ａが５μｍであり、梁３１の長さｂが７μｍである。このとき、梁３１の最大許容荷重は９．０×１０－６（Ｎ）である。
　ここで、上記最大許容荷重の算出に際してＳｉとＳｉＯ２の次のパラメータを用いた。Ｓｉについては、－Ｅが１３０ＧＰａであり、－ｖが０．２８であり、Ｃ１１が１６６ＧＰａであり、Ｃ１２が６４ＧＰａであり、Ｃ４４が７９．６ＧＰａである。ＳｉＯ２については、－Ｅが７３ＧＰａであり、－ｖが０．１７であり、Ｃ１１が８７．５ＧＰａであり、Ｃ４４が３１．２ＧＰａである。
　第１例、第２例、第３例の梁３１の先端を図１に示す基板２１に近づく方向に押し、そのときに発生するひずみを測定した。その結果、梁３１の開放された先端よりも支点におけるひずみの方が大きいことが分かった。また、梁３１の支点においても、梁３１の幅ａの方向に分布していることがわかった。
　図７は、ひずみの第１の測定例を示し、（ａ）は最大主ひずみを示し、（ｂ）は梁の幅方向のひずみを示し、（ｃ）は梁の長さ方向のひずみを示す。図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）において、横軸は、図６に示す梁３１の幅ａ方向における中心点からの距離を示す。ひずみの第１の測定例では、梁の先端に最大許容荷重を加えた場合のひずみを測定した。すなわち、第１例では１．２×１０－５（Ｎ）の力を加え、第２例では６．０×１０－６（Ｎ）の力を加え、第３例では９．０×１０－６（Ｎ）の力を加えた。
　図８は、ひずみの第２の測定例を示し、（ａ）は最大主ひずみを示し、（ｂ）は梁の幅方向のひずみを示し、（ｃ）は梁の長さ方向のひずみを示す。図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）において、横軸は、図６に示す梁３１の幅ａ方向における中心点からの距離を示す。ひずみの第２の測定例では、梁の先端に６．０×１０－６（Ｎ）の力を加えた。
　上記図７及び図８に示す結果から、第１例、第２例、第３例のいずれも、中心からの距離が－０．５μｍ以上０．５μｍ以下のときにひずみ量が最も小さく、梁の端に近づくほどひずみ量が大きくなっているのが分かった。
　図８の測定結果において、第３例が最もひずみ量が小さいことから、梁の長さｂが長くなると、ひずみ量が小さくなり、梁が曲がりやすくなることが分かった。
　図８（ａ）の測定結果において、第１例よりも第２例の方がひずみ量が大きいことから、梁の幅ａが太くなると、ひずみ量が大きくなり、梁が曲がりにくくなることが分かった。
　図１に示す梁３１の幅方向と梁３１の長さ方向における、ひずみ量の分布を測定した。本実施例では、前述の実施例１において、梁３１の幅ａが５μｍであり、梁３１の長さｂが６μｍであるひずみ付与部を用いた。そして、梁３１の先端を図１に示す基板２１に近づく方向に押し、そのときに発生するひずみを測定した。
　図９は、本実施例に係るひずみ付与部のシミュレーション結果であり、（ａ）は梁の上面における長さ方向のひずみを示し、（ｂ）は梁の上面における幅方向のひずみを示し、（ｃ）は梁の下面における長さ方向のひずみを示し、（ｄ）は梁の下面における幅方向のひずみを示す。このシミュレーション結果から、上面に伸び方向のひずみが生じるとき、下面には上面のひずみに対応する縮み方向のひずみが生じることがわかった。これにより、梁３１の先端を図１に示す基板２１から遠ざかる方向に押すことで、上面に縮み方向のひずみが生じることがわかる。
　図１０は、本実施例に係るひずみ量の分布の測定結果であり、（ａ）は梁の長さ方向に発生するひずみの梁の長さ方向における分布を示し、（ｂ）は梁の幅方向に発生するひずみの梁の長さ方向における分布を示す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）の横軸は、図６に示す梁３１の支点からの距離を示す。
　図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、梁の長さ方向には伸びる方向にひずみが生じ、梁の幅方向には縮む方向にひずみが生じている。そして、梁の位置によってひずみが異なる。
　特に、図１０（ａ）に示すように、梁の長さ方向におけるひずみの分布はほぼ線形性を有している。このため、梁の長さ方向における位置によって、可変するひずみ量の分解能を変えることができる。したがって、梁の長さ方向のいずれの位置に半導体導光路光源を形成するかによって、半導体導光路光源の発振波長の可変する際の分解能を可変することができる。
　また、図１０（ａ）に示すように、距離が６μｍのときもひずみ量はゼロではない。すなわち、梁の開放された先端においても、ひずみ量はゼロではない。このため、梁の開放された先端にも半導体導光路光源を配置することができる。
　本発明の光素子は光送信装置に用いることができるため、本発明は情報通信産業に適用することができる。
１１：ひずみ付与部
１２：半導体導光路光源
２１：基板
２２：絶縁体層
２３：半導体層
３１、３１ａ、３１ｂ：梁
４１：レジスト層
５１：電源
５２：可変回路
５３：温度センサ
６１－１、６１－２、６１－３、６２－１、６２－２、６２－３、：羽根
７１、７３：梁の一部
７２：羽根の一部
３０１、３０２、３０３：梁

Claims (8)

  1. 　半導体又は導体からなる基板、一部が除去されている絶縁体層、絶縁体層の除去された部分の上面に梁形状を有する半導体層を順に有するひずみ付与部と、
    　前記梁の上面に形成された半導体導光路光源又は半導体光増幅器と、を備え、
    　前記ひずみ付与部の付与するひずみ量によって前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器の発振波長を可変する光素子。
  2. 　前記基板と前記半導体層との間に電界を印加して前記ひずみ付与部の付与するひずみ量を可変する電源と、
    　前記電源の印加する電界を可変する可変回路と、をさらに備える請求項１に記載の光素子。
  3. 　前記梁の温度を測定する温度センサをさらに備え、
    　前記可変回路は、前記温度センサの測定する温度に応じて前記電源の印加する電界を可変する請求項２に記載の光素子。
  4. 　前記半導体層は、２つの梁を有し、
    　前記２つの梁は、略直交するように形成され、途中で交差している請求項１から３のいずれかに記載の光素子。
  5. 　前記梁は、一部を略中心にしてそれぞれ異なる方向に伸びる複数の羽根を備え、
    　前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器は、前記一部に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光素子。
  6. 　前記梁は、長手方向の少なくとも一部が細くなっており、
    　前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器は、前記細くなっている部分に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光素子。
  7. 　前記梁は、長手方向の少なくとも一部が薄くなっており、
    　前記半導体導光路光源又は半導体光増幅器は、前記薄くなっている部分に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光素子。
  8. 　半導体又は導体からなる基板、絶縁体層及び半導体層を順に積層する積層工程と、
    　前記半導体層の一部を除去する半導体層除去工程と、
    　前記絶縁体層のうちの前記半導体層除去工程によって露出した部分及びその周辺部分をウェットエッチングによって除去して凹部を形成する絶縁体層除去工程と、
    　前記半導体層のうちの前記絶縁体層除去工程によって迫り出した前記凹部の縁を、梁形状を残してドライエッチングする梁形状形成工程と、
    　を順に有する光素子の製造方法。
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