JP2008233769A - Optical filter device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】小型で応答性に優れ、製作も容易なフォトニック結晶光共振器を用いた能動光フィルタ装置を提供する。
【解決手段】シリコン光導波路と、２次元フォトニック結晶内とフォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥と、点状欠陥が形成されたフォトニック結晶であるフォトニック結晶光共振器を移動させることで、あるいはシリコン光導波路を移動させることで、点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量を変化させることでシリコン光導波路を伝搬する特定波長の光の変量を行う。
【選択図】図１An active optical filter device using a photonic crystal optical resonator that is small in size, excellent in response, and easy to manufacture is provided.
Photonic crystal light which is a silicon optical waveguide, at least one point-like defect disturbing the periodic arrangement of the photonic crystal in the two-dimensional photonic crystal, and a photonic crystal in which the point-like defect is formed By moving the resonator or moving the silicon optical waveguide, the point-like defect captures and emits light of a specific wavelength in the light propagating through the silicon optical waveguide, or from the outside. The amount of light having a specific wavelength propagating through the silicon optical waveguide is changed by changing the amount of light extracted or introduced into the silicon optical waveguide by capturing light of the specific wavelength.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光計測・分析、光情報処理、光通信等に用いる光フィルタ装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical filter device used for optical measurement / analysis, optical information processing, optical communication, and the like, and a manufacturing method thereof.
近年、光通信システムは急速に発展しており、光通信で使用する波長1300〜1600nmで機能する光スイッチや光減衰器などの能動光学素子が開発されている。 In recent years, optical communication systems have been rapidly developed, and active optical elements such as optical switches and optical attenuators that function at wavelengths of 1300 to 1600 nm used in optical communication have been developed.
従来、光導波路における光の量を制御するデバイスとして、電気光学効果を利用して屈折率を変化させることで光を変調させる方式のデバイスや、光導波路を加熱して屈折率を変化させる方式のデバイスなどが開発されてきた。しかしながら、電気光学効果を利用するタイプは電気光学材料のような異種材質を導波路と組み合わせるために製造が困難になる。また、加熱するタイプは応答速度が遅い。 Conventional devices that control the amount of light in an optical waveguide include a device that modulates light by changing the refractive index using the electro-optic effect, and a method that changes the refractive index by heating the optical waveguide. Devices have been developed. However, the type using the electro-optic effect is difficult to manufacture because a different material such as an electro-optic material is combined with the waveguide. The heating type has a slow response speed.
シリコンの微細加工技術を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)のミラーデバイスによる光スイッチも開発されているが、ミラーを用いたMEMSデバイスはミラーの移動量や走査角度が大きいため、動作スピードに課題があり、自由空間光学系のため、ビーム径が大きくなり、光スイッチデバイスのサイズが大きくなってしまう。 Optical switches using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror devices using silicon microfabrication technology have also been developed. However, MEMS devices using mirrors have a large amount of mirror movement and scanning angle, so there is a problem in operation speed. Because of the free space optical system, the beam diameter increases and the size of the optical switch device increases.
また近年、フォトニック結晶を用いた光回路が開発されている（非特許文献１）。フォトニック結晶はシリコンなどにエアーホールなどの周期的な構造を設けた物である。エアーホールの大きさ、周期を適切に制御することで、特定の波長帯域で光を全く通さない、”光絶縁体”として作用する。これは電子のバンドギャップ構造との類似から、フォトニックバンドギャップと呼ばれる。フォトニック結晶は光を通さないが、部分的に周期構造を乱すことで、様々な特性を生み出すことが出来る。フォトニック結晶欠陥導波路は、２次元フォトニック結晶に線状欠陥を設けた物である。面内方向はフォトニック結晶による光の閉じこめ、厚み方向は屈折率差による閉じこめにより欠陥部分に光が導波する。フォトニック結晶導波路は光を強く閉じ込めることが出来るので、従来の石英系光導波路に比べてコンパクトな光導波路デバイスを製作することが出来る。また、シリコンの微細加工技術は半導体の分野で発達しており、微細構造を精度良く製作することが出来る。すでに、シリコンフォトニック結晶導波路を用いた分岐路のような基本的な受動光学素子が実現されている。また野田らは、フォトニック結晶導波路に隣接した場所に少なくとも一つ以上の点状欠陥を形成し、この点状欠陥が導波路中を伝搬する光のなかで、特定の波長の光を捕獲して外部へ放射したり、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してフォトニック結晶導波路へ導入する、フォトニック結晶光共振器を開発した（特許文献１）。非常に優れた波長選択性と高いQ値を有する非常に小さな光共振器であり、アド・ドロップ光素子への応用など、フォトニック結晶光集積回路を構成する上で重要な光素子となる。 In recent years, optical circuits using photonic crystals have been developed (Non-Patent Document 1). A photonic crystal is a silicon or the like provided with a periodic structure such as an air hole. By appropriately controlling the size and period of the air hole, it acts as a “photo insulator” that does not allow light to pass through in a specific wavelength band. This is called a photonic band gap because of its similarity to the electron band gap structure. Although the photonic crystal does not transmit light, various characteristics can be produced by partially disturbing the periodic structure. The photonic crystal defect waveguide is a two-dimensional photonic crystal provided with a linear defect. In the in-plane direction, light is confined by the photonic crystal, and in the thickness direction, light is guided to the defect portion by confinement due to the difference in refractive index. Since the photonic crystal waveguide can confine light strongly, a compact optical waveguide device can be manufactured as compared with the conventional silica-based optical waveguide. Further, silicon microfabrication technology has been developed in the field of semiconductors, and a fine structure can be manufactured with high accuracy. Already, a basic passive optical element such as a branch path using a silicon photonic crystal waveguide has been realized. In addition, Noda et al. Formed at least one point-like defect at a location adjacent to the photonic crystal waveguide, and captured the light of a specific wavelength among the light propagated in the waveguide. Then, a photonic crystal optical resonator that radiates to the outside or captures light of a specific wavelength from the outside and introduces it into the photonic crystal waveguide has been developed (Patent Document 1). It is a very small optical resonator having very good wavelength selectivity and high Q value, and is an important optical element for constructing a photonic crystal optical integrated circuit such as application to an add / drop optical element.
フォトニック結晶を用いた光集積回路を実現する上で光変調を行う能動光学素子が必要不可欠であるが、ほとんど開発されていない。 In order to realize an optical integrated circuit using a photonic crystal, an active optical element that performs light modulation is indispensable, but it has hardly been developed.
フォトニック結晶はSOI基板を用いて製作されることが多く、下部クラッドとなるSiO2層上に、フォトニック結晶導波路あるいはフォトニック結晶光共振器が形成されている。光の閉じ込め効果を大きくするために下部SiO2層が除去されたエアブリッジ構造のデバイスも多い。エアブリッジのような自立構造であればアクチュエータを用いてフォトニック結晶を変位および変形することにより光変調を行うことができ、フォトニック結晶光共振器のような高効率な波長選択素子の光特性を能動制御することが出来れば、小型で優れた光スイッチや光減衰器などを実現することができる。 A photonic crystal is often manufactured using an SOI substrate, and a photonic crystal waveguide or a photonic crystal optical resonator is formed on an SiO 2 layer serving as a lower cladding. Many devices have an air bridge structure in which the lower SiO 2 layer is removed to increase the light confinement effect. A self-standing structure such as an air bridge can modulate light by displacing and deforming the photonic crystal using an actuator, and the optical characteristics of a highly efficient wavelength selective element such as a photonic crystal optical resonator. If it can be actively controlled, a small and excellent optical switch, optical attenuator, etc. can be realized.
上記のように、従来のデバイスは、応答性に優れ、小型で、製作が容易な光変調デバイスの実現は困難であった。また、コンパクトな光集積回路が実現できるフォトニック結晶を用いた能動光学フィルタについては存在しないのが実情である。 As described above, it has been difficult to realize a light modulation device that is excellent in response, small in size, and easy to manufacture. In fact, there is no active optical filter using a photonic crystal that can realize a compact optical integrated circuit.
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたものであり、小型で応答性に優れ、製作も容易なシリコンフォトニック結晶光共振器を用いた能動光フィルタ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such a technical problem, and an object thereof is to provide an active optical filter device using a silicon photonic crystal optical resonator that is small in size, excellent in response, and easy to manufacture. And
前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光フィルタ装置は、
シリコン光導波路と、
２次元フォトニック結晶内と、
前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥と、
前記点状欠陥が形成されたフォトニック結晶であるフォトニック結晶光共振器を移動させることで、あるいはシリコン光導波路を移動させることで、点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量を変化させる駆動機構と、
を備えたことを特徴としている。
In order to solve the above-described problem, an optical filter device according to claim 1 of the present invention provides:
A silicon optical waveguide;
In the two-dimensional photonic crystal,
At least one point-like defect that disturbs the periodic arrangement of the photonic crystal;
By moving the photonic crystal optical resonator, which is a photonic crystal in which the point defects are formed, or by moving the silicon optical waveguide, the point defects in the light propagating through the silicon optical waveguide A drive mechanism that captures and emits light of a specific wavelength, or changes the extraction or intake amount of light that captures light of a specific wavelength from the outside and introduces it into the silicon optical waveguide;
It is characterized by having.
本発明の請求項２に記載の光フィルタ装置は、
駆動機構で、フォトニック結晶光共振器を移動させることで、あるいはシリコン光導波路を移動させることにより、点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量を変化させることで、
シリコン光導波路を伝搬する光の量を制御することを特徴としている。
The optical filter device according to
By moving the photonic crystal optical resonator with the drive mechanism or by moving the silicon optical waveguide, the point-like defect captures light of a specific wavelength in the light propagating through the silicon optical waveguide. Or by changing the amount of light extracted or taken into the silicon optical waveguide by capturing light of a specific wavelength from the outside,
It is characterized by controlling the amount of light propagating through the silicon optical waveguide.
本発明の請求項３に記載の光フィルタ装置は、
シリコン光導波路に対してフォトニック結晶光共振器と対向する位置に、シリコン光導波路の光閉じ込め効果を強めるために2次元フォトニック結晶が形成されることを特徴としている。
The optical filter device according to claim 3 of the present invention is
A two-dimensional photonic crystal is formed at a position facing the photonic crystal optical resonator with respect to the silicon optical waveguide in order to enhance the optical confinement effect of the silicon optical waveguide.
本発明の請求項４に記載の光フィルタ装置は、
フォトニック結晶光共振器は支持梁により支持され、支持梁は固定部とつながっているシリコン弾性ばねとつながっていて、
支持梁はフォトニック結晶光共振器を移動させるアクチュエータとつながっていることを特徴としている。
The optical filter device according to claim 4 of the present invention is
The photonic crystal optical resonator is supported by a support beam, and the support beam is connected to a silicon elastic spring connected to the fixed part.
The support beam is connected to an actuator that moves the photonic crystal optical resonator.
本発明の請求項５に記載の光フィルタ装置は、
あるいはシリコン光導波路は支持梁により支持され、支持梁は固定部とつながっているシリコン弾性ばねとつながっていて、
支持梁はシリコン光導波路を移動させるアクチュエータとつながっていることを特徴としている。
The optical filter device according to claim 5 of the present invention is
Alternatively, the silicon optical waveguide is supported by a support beam, and the support beam is connected to a silicon elastic spring connected to the fixed part.
The support beam is connected to an actuator that moves the silicon optical waveguide.
本発明の請求項６に記載の光フィルタ装置は、
フォトニック結晶光共振器はシリコン光導波路とエバネッセント光による光結合がほとんど無い距離を持って配置され、
アクチュエータによってフォトニック結晶光共振器がシリコン光導波路へ、あるいはシリコン光導波路がフォトニック結晶光共振器へ、エバネッセント光による光結合が可能な距離に近づくことによって、
点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量が増加することを特徴としている。
The optical filter device according to claim 6 of the present invention is
The photonic crystal optical resonator is arranged with a distance that there is almost no optical coupling between the silicon optical waveguide and the evanescent light,
By moving the photonic crystal optical resonator to the silicon optical waveguide by the actuator, or the silicon optical waveguide to the photonic crystal optical resonator, the distance capable of optical coupling by evanescent light is approached,
Extraction of light that captures and emits light of a specific wavelength, or captures light of a specific wavelength from outside and is introduced into the silicon optical waveguide, among the light that a point defect propagates through the silicon optical waveguide Or it is characterized by an increase in intake.
本発明の請求項７に記載の光フィルタ装置は、
フォトニック結晶光共振器はシリコン光導波路とエバネッセント光による光結合が可能な距離を持って配置され、
アクチュエータによってフォトニック結晶光共振器がシリコン光導波路から、あるいはシリコン光導波路がフォトニック結晶光共振器から、エバネッセント光による光結合がほとんど無い距離へ離れることによって、
点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量が減少することを特徴としている。
The optical filter device according to claim 7 of the present invention is
The photonic crystal optical resonator is arranged with a distance capable of optical coupling with the silicon optical waveguide and the evanescent light,
By the actuator, the photonic crystal optical resonator is separated from the silicon optical waveguide or the silicon optical waveguide is separated from the photonic crystal optical resonator to a distance where there is almost no optical coupling due to evanescent light.
Extraction of light that captures and emits light of a specific wavelength, or captures light of a specific wavelength from outside and is introduced into the silicon optical waveguide, among the light that a point defect propagates through the silicon optical waveguide Or it is characterized by a reduction in the amount of intake.
本発明の請求項８に記載の光フィルタ装置は、
駆動機構は、フォトニック結晶光共振器あるいはシリコン光導波路を、
平行方向に移動させることで、または垂直方向に移動させることで、
フォトニック結晶光共振器とシリコン光導波路のエバネッセント光による光結合により生じる光の伝搬量を変化させることで、
シリコン光導波路を伝搬する光の量を制御することを特徴としている。
The optical filter device according to claim 8 of the present invention is
The drive mechanism is a photonic crystal optical resonator or silicon optical waveguide,
By moving in the parallel direction or by moving in the vertical direction,
By changing the amount of light propagation caused by optical coupling between the photonic crystal optical resonator and the silicon optical waveguide by evanescent light,
It is characterized by controlling the amount of light propagating through the silicon optical waveguide.
本発明の請求項９に記載の光フィルタ装置は、
駆動機構は、基板に固定された固定電極と、
前記固定電極に対向配置され、固定電極との間に電圧を印加した時に生じる静電引力によって、基板に平行方向に移動させる可動電極と、
で駆動するアクチュエータを備えることを特徴としている。
The optical filter device according to claim 9 of the present invention is
The drive mechanism includes a fixed electrode fixed to the substrate,
A movable electrode disposed opposite to the fixed electrode, and moved in a direction parallel to the substrate by electrostatic attraction generated when a voltage is applied between the fixed electrode;
It is characterized by comprising an actuator driven by
本発明の請求項１０に記載の光フィルタ装置は、
駆動機構は、
基板と、フォトニック結晶光共振器あるいはシリコン光導波路が連結した自立構造との間に、
電圧を印加した時に生じる静電引力によって、基板に垂直方向に移動させる可動電極と、
で駆動するアクチュエータを備えることを特徴としている。
The optical filter device according to claim 10 of the present invention is
The drive mechanism is
Between the substrate and a free-standing structure in which a photonic crystal optical resonator or a silicon optical waveguide is connected,
A movable electrode that moves in a direction perpendicular to the substrate by electrostatic attraction generated when a voltage is applied;
It is characterized by comprising an actuator driven by
本発明の請求項１１に記載の光フィルタ装置は、
駆動機構は、アクチュエータとシリコン弾性ばねに働く力のバランスにより、
フォトニック結晶光共振器あるいはシリコン光導波路の位置を制御することにより光の量を変化させることを特徴としている。
An optical filter device according to an eleventh aspect of the present invention includes:
The drive mechanism has a balance of forces acting on the actuator and the silicon elastic spring,
It is characterized by changing the amount of light by controlling the position of the photonic crystal optical resonator or the silicon optical waveguide.
本発明の請求項１２に記載の光フィルタ装置は、
フォトニック結晶光共振器、シリコン光導波路、アクチュエータ、支持梁、シリコン弾性ばねは同一面内に形成され、シリコンで形成されることを特徴としている。
An optical filter device according to a twelfth aspect of the present invention includes:
A photonic crystal optical resonator, a silicon optical waveguide, an actuator, a support beam, and a silicon elastic spring are formed in the same plane and are formed of silicon.
本発明の請求項１３に記載の光フィルタ装置は、
請求項１に記載の光フィルタ装置を直列あるいは並列にシリコン光導波路で接続することにより、特定波長の光のエネルギーを分配して取り出しあるいは導入したり、特定波長の異なる光フィルタを複数個配置することにより多波長に対する光の量を制御することを特徴としている。
The optical filter device according to claim 13 of the present invention is
By connecting the optical filter device according to claim 1 in series or in parallel with a silicon optical waveguide, the energy of light having a specific wavelength is distributed and extracted or introduced, or a plurality of optical filters having different specific wavelengths are arranged. Thus, the amount of light with respect to multiple wavelengths is controlled.
本発明の請求項１４に記載の光フィルタ装置の製造方法は、
Silicon on Insulator(SOI)基板を用いて、リソグラフィーによるパターニングの後、それをマスクとしてデバイスシリコン層のエッチングを行い、その後、可動部下部のSiO2層をエッチングすることにより形成されることを特徴としている。
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided an optical filter device manufacturing method comprising:
Using a silicon on insulator (SOI) substrate, after patterning by lithography, the device silicon layer is etched using it as a mask, and then the SiO 2 layer under the movable part is etched. Yes.
本発明によれば、従来の石英系光回路よりもさらにコンパクトな光回路の形成が可能なシリコンフォトニック結晶の技術を用いて、光制御可能なデバイスを製作したので小型であり、半導体微細加工技術を用いて安価に大量生産できる。また、アクチュエータの移動量もエバネッセント光による光結合の量が制御できる程度でよいため、少ない移動量で大きな光量制御を行うことが出来るため、応答速度が速く、駆動電力も従来のものより少なく、フォトニック結晶光共振器の位置制御という単純な原理に基づき、特定波長の光の取り出し、取り入れ量を広範に渡って連続的に可変を行えるという効果が得られる。 According to the present invention, a device capable of optical control is manufactured by using a silicon photonic crystal technology capable of forming a more compact optical circuit than a conventional silica-based optical circuit. It can be mass-produced inexpensively using technology. In addition, since the amount of movement of the actuator may be such that the amount of optical coupling by evanescent light can be controlled, large light amount control can be performed with a small amount of movement, so the response speed is fast and the driving power is less than the conventional one, Based on the simple principle of position control of the photonic crystal optical resonator, it is possible to obtain an effect that the amount of light with a specific wavelength extracted and taken in can be continuously varied over a wide range.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は本発明の実施の形態による光フィルタ装置の概略構成を示す図である。シリコン光導波路とフォトニック結晶光共振器との間のギャップが十分離れている場合は、シリコン光導波路を伝搬する光はシリコン光導波路内を直進する。しかしシリコン光導波路とフォトニック結晶光共振器が近接した場合、フォトニック結晶光共振器に共振する波長(λ1)は、フォトニック結晶光共振器内で共振し、面外への放射光が得られる。異なる波長(λ2)では、共振は起こらず、シリコン光導波路内を直進する。このようにアクチュエータを用い、シリコン光導波路とフォトニック結晶光共振器とのギャップを調節することで、共振器との結合強さを調節できる。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical filter device according to an embodiment of the present invention. When the gap between the silicon optical waveguide and the photonic crystal optical resonator is sufficiently separated, the light propagating through the silicon optical waveguide travels straight in the silicon optical waveguide. However, when the silicon optical waveguide and the photonic crystal optical resonator are close to each other, the wavelength (λ 1 ) that resonates with the photonic crystal optical resonator resonates within the photonic crystal optical resonator, and the emitted light is out of the plane. can get. At different wavelengths (λ 2 ), resonance does not occur, and the light travels straight in the silicon optical waveguide. Thus, by using the actuator and adjusting the gap between the silicon optical waveguide and the photonic crystal optical resonator, the coupling strength with the resonator can be adjusted.
図２は、製作するデバイスの形状を示す。固定電極と可動電極の間に電圧を印加することによって発生する静電気力によって可動電極を固定電極へ引き付ける静電櫛歯型アクチュエータは、シリコン光導波路、フォトニック結晶光共振器、シリコン弾性ばね、支持梁およびフォトニック結晶などの他の部位と同一のデバイスシリコン層に製作するため、厚みは260nmとなる。設計したアクチュエータの大きさは54μm×34μmである。シリコン弾性ばねは二段一組の組み合わせを4本、回転防止の梁と共に設けた。シリコン弾性ばねの断面寸法は250nm(幅)×260nm(厚)であり、長さは17.5μmである。このバネを用いることで、回転方向に働く力が抑制され動作が安定化し、駆動電圧も低減される。櫛歯幅は250nmで櫛歯間のギャップは350nmである。計算では20Vの駆動電圧においておよそ900nmの変位を得る事が出来る。これはフォトニック結晶光共振器やシリコン光導波路のエバネッセント光の光結合制御が可能であることを示す。製作したアクチュエータの共振周波数の理論値は156kHzである。シリコン光導波路に対してフォトニック結晶光共振器と対向する位置に、シリコン光導波路の光閉じ込め効果を強めるために2次元フォトニック結晶が形成されている。 FIG. 2 shows the shape of the device to be fabricated. An electrostatic comb actuator that attracts the movable electrode to the fixed electrode by electrostatic force generated by applying a voltage between the fixed electrode and the movable electrode is a silicon optical waveguide, photonic crystal optical resonator, silicon elastic spring, support Since it is fabricated in the same device silicon layer as other parts such as beams and photonic crystals, the thickness is 260 nm. The size of the designed actuator is 54μm × 34μm. Silicon elastic springs were provided in 4 pairs of 2 stages, with anti-rotation beams. The cross-sectional dimension of the silicon elastic spring is 250 nm (width) × 260 nm (thickness) and the length is 17.5 μm. By using this spring, the force acting in the rotational direction is suppressed, the operation is stabilized, and the drive voltage is also reduced. The comb tooth width is 250 nm and the gap between the comb teeth is 350 nm. In the calculation, a displacement of about 900 nm can be obtained at a driving voltage of 20V. This indicates that the optical coupling control of the evanescent light of the photonic crystal optical resonator or the silicon optical waveguide is possible. The theoretical value of the resonance frequency of the manufactured actuator is 156kHz. A two-dimensional photonic crystal is formed at a position facing the photonic crystal optical resonator with respect to the silicon optical waveguide in order to enhance the optical confinement effect of the silicon optical waveguide.
図３は、フォトニック結晶光共振器において、点状欠陥形成部の形状を示す。格子周期a=420nm、エアーホール半径=122nmとした。計算によるとλ=1538〜2039nmの領域にバンドギャップを持つ。ナノ共振器はエアーホールを3つ取り除いた構造とした。この構造により、半値幅1.0nm以下の鋭い共振が得られる。 FIG. 3 shows the shape of the point defect forming portion in the photonic crystal optical resonator. The grating period a = 420 nm and the air hole radius = 122 nm. According to the calculation, there is a band gap in the region of λ = 1538-2039 nm. The nanoresonator has a structure in which three air holes are removed. With this structure, a sharp resonance with a half width of 1.0 nm or less can be obtained.
図４は、点状欠陥からの光取り出し量のギャップ依存性の計算値を示す。縦軸は電界強度（電解の振幅値）を示しているが、電界強度が大きいことは光取り出し量も大きいことを示している。計算はFinite Difference Time Domain(FDTD)法を用いた。ギャップが1000nmのとき、シリコン光導波路とフォトニック結晶光共振器との光結合がほとんど生じないため、シリコン光導波路を伝搬する光はそのままシリコン光導波路内を伝搬していく。しかしながら、ギャップが50nmと狭くなると、フォトニック結晶光共振器と共振する特定の波長が点状欠陥から外部へ取り出されていることが分かる。ギャップが1000nmの時よりも50nmの方が、光取り出し量が31dB増加することが分かり、十分な光取り出しが出来ることが分かる。ギャップをアクチュエータによりアナログ的に変化させれば、光取り出し効率もアナログ的に可変することが出来る。 FIG. 4 shows a calculated value of the gap dependence of the light extraction amount from the point defect. The vertical axis indicates the electric field strength (amplitude value of electrolysis), but a large electric field strength indicates a large light extraction amount. The calculation used Finite Difference Time Domain (FDTD) method. When the gap is 1000 nm, optical coupling between the silicon optical waveguide and the photonic crystal optical resonator hardly occurs, so that light propagating through the silicon optical waveguide propagates through the silicon optical waveguide as it is. However, it can be seen that when the gap is narrowed to 50 nm, a specific wavelength resonating with the photonic crystal optical resonator is taken out from the point defect. It can be seen that the amount of light extraction increases by 31 dB when the gap is 50 nm than when the gap is 1000 nm. If the gap is changed in an analog manner by an actuator, the light extraction efficiency can also be varied in an analog manner.
図５は製作工程を示す。デバイス製作にSilicon on Insulator(SOI)基板を用いた。デバイスシリコン層の厚さは260nm、犠牲層のSiO2厚さは2000nmである。シリコン光導波路、フォトニック結晶光共振器、櫛歯静電アクチュエータ構造はすべてデバイスシリコン層に形成する。まず微細加工用の切断機であるダイシング装置を用いてSOIウェハを2cm角に切断する。洗浄した後、電子線レジストを塗布する。電子線レジストはZEP-520Aを用いる。次に電子線描画装置を用い、電子線レジストにシリコン光導波路、フォトニック結晶光共振器、櫛歯静電アクチュエータ、シリコン弾性ばね、支持梁、フォトニック結晶などのパターンを描画する。現像により、電子線が照射された部分のレジストを除去する。次に、高速原子線加工装置を用いデバイスシリコン層をエッチングする。この装置は中性化した高速原子線を用いることで、垂直に精度良くエッチングできる。特にシリコン光導波路およびフォトニック結晶は側面の表面荒れにより光学損失が大きくなるので、本装置によるエッチングは有効である。次に電子線レジストを剥離する。次にSOI基板表面をテープで保護し、裏側からダイシング装置で溝を入れる。溝より劈開することで、シリコン光導波路に光を入射するための平坦なシリコン光導波路端面を形成する。最後に気相フッ酸により犠牲層SiO2をエッチングし自立構造を形成する。 FIG. 5 shows the manufacturing process. A silicon on insulator (SOI) substrate was used for device fabrication. The device silicon layer has a thickness of 260 nm, and the sacrificial layer has a SiO 2 thickness of 2000 nm. The silicon optical waveguide, the photonic crystal optical resonator, and the comb electrostatic actuator structure are all formed in the device silicon layer. First, an SOI wafer is cut into 2 cm square using a dicing machine which is a cutting machine for fine processing. After cleaning, an electron beam resist is applied. ZEP-520A is used as the electron beam resist. Next, using an electron beam drawing apparatus, patterns such as a silicon optical waveguide, a photonic crystal optical resonator, a comb electrostatic actuator, a silicon elastic spring, a support beam, and a photonic crystal are drawn on the electron resist. By developing, the resist in the portion irradiated with the electron beam is removed. Next, the device silicon layer is etched using a high-speed atomic beam processing apparatus. This apparatus can perform vertical etching with high accuracy by using neutralized high-speed atomic beams. In particular, the silicon optical waveguide and the photonic crystal have a large optical loss due to the surface roughness of the side surface, so that etching using this apparatus is effective. Next, the electron beam resist is peeled off. Next, the surface of the SOI substrate is protected with tape, and a groove is formed from the back side with a dicing machine. By cleaving from the groove, a flat silicon optical waveguide end face for allowing light to enter the silicon optical waveguide is formed. Finally, the sacrificial layer SiO 2 is etched by vapor hydrofluoric acid to form a self-supporting structure.
図６は、製作したデバイスのSEM写真を示す。静電櫛歯アクチュエータに、20Vの電圧を印加している。櫛歯幅は263nmで櫛歯間のギャップは337nmとほぼ設計通りに製作することが出来た。 FIG. 6 shows an SEM photograph of the manufactured device. A voltage of 20V is applied to the electrostatic comb actuator. The comb tooth width was 263 nm and the gap between the comb teeth was 337 nm.
図７は、製作したデバイスのフォトニック結晶光共振器付近の拡大写真である。フォトニック結晶光共振器、シリコン光導波路および、フォトニック結晶光共振器に対向配置されたフォトニック結晶が精度良く製作されている。フォトニック結晶光共振器に対向配置されたフォトニック結晶は、フォトニック結晶光共振器がシリコン光導波路に近づくと散乱体として機能し、シリコン光導波路に対して散乱損失を生じる可能性があるので、フォトニック結晶光共振器に対向する位置にフォトニック結晶を配置して、シリコン光導波路に対して構造の対称性を良くすることにより、光閉じ込め効率を高め、シリコン光導波路からの伝搬光の漏れを抑制する狙いがある。 FIG. 7 is an enlarged photograph of the vicinity of the photonic crystal optical resonator of the manufactured device. A photonic crystal optical resonator, a silicon optical waveguide, and a photonic crystal disposed opposite to the photonic crystal optical resonator are manufactured with high accuracy. Since the photonic crystal placed opposite to the photonic crystal optical resonator functions as a scatterer when the photonic crystal optical resonator approaches the silicon optical waveguide, there is a possibility of causing scattering loss to the silicon optical waveguide. By placing a photonic crystal at a position opposite to the photonic crystal optical resonator and improving the symmetry of the structure with respect to the silicon optical waveguide, the optical confinement efficiency is improved, and the propagation light from the silicon optical waveguide is increased. There is an aim to suppress leakage.
図８は、製作したデバイスのアクチュエータの変位量と駆動電圧の関係を示す。実験では20Vでおよそ1μmの変位が得られている。また計算値と良く一致していることが分かる。計算値は、静電櫛歯アクチュエータに発生する力とシリコン弾性ばねの力の釣り合いの関係から求めた。 FIG. 8 shows the relationship between the displacement of the actuator of the manufactured device and the drive voltage. In the experiment, a displacement of about 1μm was obtained at 20V. It can also be seen that the calculated values are in good agreement. The calculated value was obtained from the relationship between the force generated in the electrostatic comb actuator and the force of the silicon elastic spring.
図９は、製作したデバイスの共振周波数を示す。実験は、SEM内で1V程度のSin波電圧を加え、周波数を変化させることで共振周波数を測定した。測定結果から132.05kHzに鋭い共振を得た。このことから製作したアクチュエータは100kHz以上の高速な応答が可能である事が分かる。 FIG. 9 shows the resonant frequency of the fabricated device. In the experiment, the resonance frequency was measured by applying a sine wave voltage of about 1 V in the SEM and changing the frequency. From the measurement results, a sharp resonance was obtained at 132.05 kHz. This shows that the manufactured actuator is capable of high-speed response of 100kHz or more.
また、本発明の光フィルタ装置は実施例に記載した点状欠陥からの光取り出し機能に限らず、フォトニック結晶光共振器に共振する特定の波長を点状欠陥へ導入することにより、特定の波長をシリコン光導波路へ取り入れ、ギャップ量に応じてその取り入れ効率を制御できる光フィルタを実現することができる。 In addition, the optical filter device of the present invention is not limited to the light extraction function from the point-like defect described in the embodiment, and a specific wavelength that resonates with the photonic crystal optical resonator is introduced into the point-like defect. An optical filter can be realized in which the wavelength is taken into the silicon optical waveguide and the taking-in efficiency can be controlled according to the gap amount.
また、本発明の光フィルタ装置は実施例に記載した波長に対する光の取り入れまたは取り出しに限らず、フォトニック結晶光共振器におけるフォトニック結晶の周期、エアホール、厚みなどの形状・寸法や、点状欠陥の形状・寸法に依存して共振する特定波長が変わるので、他の波長に対する光フィルタ装置を実現することができる。 In addition, the optical filter device of the present invention is not limited to the introduction or extraction of light with respect to the wavelength described in the embodiments, but the shape and dimensions such as the period, air hole, and thickness of the photonic crystal in the photonic crystal optical resonator, Since the specific wavelength to resonate changes depending on the shape and size of the defect, it is possible to realize an optical filter device for other wavelengths.
また、本発明の光フィルタ装置を直列あるいは並列にシリコン光導波路で接続することにより、特定波長の光のエネルギーを分配して取り出しあるいは導入したり、特定波長の異なる光フィルタを複数個配置することにより多波長に対する光フィルタを実現するのは容易に考えられる。 In addition, by connecting the optical filter devices of the present invention in series or in parallel with silicon optical waveguides, the energy of light having a specific wavelength can be distributed and extracted or introduced, or a plurality of optical filters having different specific wavelengths can be arranged. Therefore, it is easy to realize an optical filter for multiple wavelengths.
また、本発明に用いるアクチュエータは実施例に記載した櫛歯静電アクチュエータに限らず、並行平板静電アクチュエータ、ピエゾアクチュエータ、熱アクチュエータ、電磁アクチュエータなど、フォトニック結晶光共振器あるいはシリコン光導波路を移動できるアクチュエータであれば良い。 In addition, the actuator used in the present invention is not limited to the comb-teeth electrostatic actuator described in the embodiment, but moves through a photonic crystal optical resonator or a silicon optical waveguide, such as a parallel plate electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, a thermal actuator, and an electromagnetic actuator. Any actuator can be used.
また、本発明に用いるアクチュエータの移動方向は実施例に記載した基板に対して平行方向に限らず、フォトニック結晶光共振器とシリコン光導波路とのギャップを制御できれば伝搬光の量を制御できるので、基板に対して垂直方向に移動しても同様の効果が得られることは容易に考えられる。 Further, the moving direction of the actuator used in the present invention is not limited to the direction parallel to the substrate described in the embodiment, and the amount of propagating light can be controlled if the gap between the photonic crystal optical resonator and the silicon optical waveguide can be controlled. It can be easily considered that the same effect can be obtained even if the substrate moves in a direction perpendicular to the substrate.
また、本発明に用いるパターニングは実施例に記載した電子線描画装置に限らず、ナノインプリント装置、ステッパーなど、形状をパターニングできる手法であれば良い。 The patterning used in the present invention is not limited to the electron beam drawing apparatus described in the embodiment, and any technique that can pattern the shape, such as a nanoimprint apparatus or a stepper, may be used.
また、本発明に用いるシリコンのエッチングは、実施例に記載した高速原子線加工装置に限らず、反応性イオンエッチング、集束イオンビームエッチングなど、シリコンをエッチングできる装置であれば良い。 Etching of silicon used in the present invention is not limited to the high-speed atomic beam processing apparatus described in the embodiment, and any apparatus capable of etching silicon such as reactive ion etching or focused ion beam etching may be used.
また、本発明に用いるSiO2層のエッチングは実施例に記載した気相フッ酸による方法に限らず、フッ酸溶液、プラズマエッチングなど、SiO2をエッチングできる手法であれば良い。 Etching of the SiO 2 layer used in the present invention is not limited to the method using vapor-phase hydrofluoric acid described in the embodiment, and any method that can etch SiO 2 such as hydrofluoric acid solution or plasma etching may be used.
本発明に係る光フィルタ装置は、光通信、光情報処理、光分析・計測等の様々な分野に適用できる。 The optical filter device according to the present invention can be applied to various fields such as optical communication, optical information processing, optical analysis / measurement, and the like.
Claims (14)
２次元フォトニック結晶内と、
前記フォトニック結晶の周期的配列を乱す少なくとも１つの点状の欠陥と、
前記点状欠陥が形成されたフォトニック結晶であるフォトニック結晶光共振器を移動させることで、あるいはシリコン光導波路を移動させることで、点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量を変化させる駆動機構と、
を備えたことを特徴とする光フィルタ装置。 A silicon optical waveguide;
In the two-dimensional photonic crystal,
At least one point-like defect that disturbs the periodic arrangement of the photonic crystal;
By moving the photonic crystal optical resonator that is a photonic crystal in which the point defects are formed, or by moving the silicon optical waveguide, the point defects in the light propagating through the silicon optical waveguide, A drive mechanism that captures and emits light of a specific wavelength, or changes the extraction or intake amount of light that captures light of a specific wavelength from the outside and introduces it into the silicon optical waveguide;
An optical filter device comprising:
シリコン光導波路を伝搬する光の量を制御することを特徴とする光フィルタ装置。 By moving the photonic crystal optical resonator with the drive mechanism or by moving the silicon optical waveguide, the point-like defect captures light of a specific wavelength in the light propagating through the silicon optical waveguide. Or by changing the amount of light extracted or taken in the silicon optical waveguide by capturing light of a specific wavelength from the outside,
An optical filter device that controls the amount of light propagating through a silicon optical waveguide.
支持梁はフォトニック結晶光共振器を移動させるアクチュエータとつながっていることを特徴とする光フィルタ装置。 The photonic crystal optical resonator is supported by a support beam, and the support beam is connected to a silicon elastic spring connected to the fixed part.
An optical filter device, wherein the support beam is connected to an actuator for moving the photonic crystal optical resonator.
支持梁はシリコン光導波路を移動させるアクチュエータとつながっていることを特徴とする光フィルタ装置。 Alternatively, the silicon optical waveguide is supported by a support beam, and the support beam is connected to a silicon elastic spring connected to the fixed part.
An optical filter device characterized in that the support beam is connected to an actuator for moving the silicon optical waveguide.
アクチュエータによってフォトニック結晶光共振器がシリコン光導波路へ、あるいはシリコン光導波路がフォトニック結晶光共振器へ、エバネッセント光による光結合が可能な距離に近づくことによって、
点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量が増加することを特徴とする光フィルタ装置。 The photonic crystal optical resonator is arranged with a distance that there is almost no optical coupling between the silicon optical waveguide and the evanescent light,
By moving the photonic crystal optical resonator to the silicon optical waveguide by the actuator, or the silicon optical waveguide to the photonic crystal optical resonator, the distance capable of optical coupling by evanescent light is approached,
Extraction of light that captures and emits light of a specific wavelength, or captures light of a specific wavelength from outside and is introduced into the silicon optical waveguide, among the light that a point defect propagates through the silicon optical waveguide Alternatively, an optical filter device characterized in that the amount of intake increases.
アクチュエータによってフォトニック結晶光共振器がシリコン光導波路から、あるいはシリコン光導波路がフォトニック結晶光共振器から、エバネッセント光による光結合がほとんど無い距離へ離れることによって、
点状欠陥がシリコン光導波路を伝搬する光のなかで、特定波長の光を捕獲してこれを放射し、あるいは外部からの特定波長の光を捕獲してシリコン光導波路内に導入する光の取り出しまたは取り入れ量が減少することを特徴とする光フィルタ装置。 The photonic crystal optical resonator is arranged with a distance capable of optical coupling with the silicon optical waveguide and the evanescent light,
By the actuator, the photonic crystal optical resonator is separated from the silicon optical waveguide or the silicon optical waveguide is separated from the photonic crystal optical resonator to a distance where there is almost no optical coupling due to evanescent light.
Extraction of light that captures and emits light of a specific wavelength, or captures light of a specific wavelength from outside and is introduced into the silicon optical waveguide, when the point-like defect propagates through the silicon optical waveguide Alternatively, an optical filter device characterized in that the amount of intake is reduced.
平行方向に移動させることで、または垂直方向に移動させることで、
フォトニック結晶光共振器とシリコン光導波路のエバネッセント光による光結合により生じる光の伝搬量を変化させることで、
シリコン光導波路を伝搬する光の量を制御することを特徴とする光フィルタ装置。 The drive mechanism is a photonic crystal optical resonator or silicon optical waveguide,
By moving in the parallel direction or by moving in the vertical direction,
By changing the amount of light propagation caused by optical coupling between the photonic crystal optical resonator and the silicon optical waveguide by evanescent light,
An optical filter device that controls the amount of light propagating through a silicon optical waveguide.
前記固定電極に対向配置され、固定電極との間に電圧を印加した時に生じる静電引力によって、基板に平行方向に移動させる可動電極と、
で駆動するアクチュエータを備えることを特徴とする光フィルタ装置。 The drive mechanism includes a fixed electrode fixed to the substrate,
A movable electrode disposed opposite to the fixed electrode, and moved in a direction parallel to the substrate by electrostatic attraction generated when a voltage is applied between the fixed electrode;
An optical filter device comprising an actuator driven by
基板と、フォトニック結晶光共振器あるいはシリコン光導波路が連結した自立構造との間に、
電圧を印加した時に生じる静電引力によって、基板に垂直方向に移動させる可動電極と、
で駆動するアクチュエータを備えることを特徴とする光フィルタ装置。 The drive mechanism is
Between the substrate and a free-standing structure in which a photonic crystal optical resonator or a silicon optical waveguide is connected,
A movable electrode that moves in a direction perpendicular to the substrate by electrostatic attraction generated when a voltage is applied;
An optical filter device comprising an actuator driven by
フォトニック結晶光共振器あるいはシリコン光導波路の位置を制御することにより光の量を変化させることを特徴とする光フィルタ装置。 The drive mechanism has a balance of forces acting on the actuator and the silicon elastic spring,
An optical filter device characterized in that the amount of light is changed by controlling the position of a photonic crystal optical resonator or a silicon optical waveguide.
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