「マイクロマシン構造を用いた波長可変光デバイス 　 −マイクロ構造半導体光共振器で光の波長を自在に制御する−」 東京工業大学大学院物理情報システム創造専攻博士課程3年 天野　建氏

1.　はじめに

　古来であれば、手紙だけが思いを伝える通信手段であったが、現在では通信技術の進 展のため、電話や電子メールなど非常に"簡単"に思いを伝える事ができる．しかし、“正確”に思いを伝えるためには文字や声だけで十分だろうか？リアルタイムな動画であれば、嬉しさや楽しさを今以 上に伝えられるのではないだろうか？また、テレビドラマのように相手からの思いを感じることができるのではないだろうか？

　現在、光通信では大都市間などの長距離通信では1本の光ファイバに数種類の波長の光を伝送する波長多重方式というものが普及しており、数年前と比べて飛躍的に伝送容量は増大している．しかし、それ以外では従来の電話線の部分が大半を占めており、もちろん家庭へもＡＤＳＬなどのブロードバンド伝送が導入されつつあるものの、大半は電話線である．このため、映像伝送などの大容量の情報伝送には十分な通信容量を確保できていない．将来、十分な通信容量を得るために家庭、オフィス．あるいはデスクまで光ファイバで繋がったフォトニックネットワークが実現する事が予想される．この時、技術的なネックとなるのは複数の波長を扱う事から、光ファイバと光ファイバとの繋ぎ目となるノードと呼ばれる部分に非常に負荷が掛かる事である．このノードで複数の波長の光を処理しなくてはならないため、多くの波長の光を扱える波長可変のレーザや光のフィルタなどの新しい光デバイスが必要となる．また、フォトニックネットワークが家庭まで伸びてきた時、現在の技術では不可欠な高精度な温度制御器といった制御系を省いた低コストな光デバイスの開拓が必須である．特に、光の発振器である半導体レーザでは、波長が温度に対して大きく変動するなどの本質的な課題が残されており、また、連続的に波長を大きく掃引する技術が未確立である．

　本研究では、私は熱応力とマイクロマシン構造を持つ波長可変光デバイスを創案し、光の波長を自在に制御して、広い波長範囲で連続的に波長を掃引できる波長可変光フィルタや、外部の温度が変動しても波長が全く変化しない波長温度無依存の半導体レーザの実現を目指して研究を行っている．本研究の特色は、以下に集約される．
１）マイクロマシンと光の波長オーダーの微小共振器による光の波長を連続的に掃引する技術の確立
２）熱応力を用いてマイクロ構造半導体共振器の温度係数を自在に制御する技術の確立
３）発光波長が温度に依存しない発光デバイスの実現
本論文では、マイクロマシン構造における熱応力の意義について述べ、熱応力を用いた波長制御デバイスの特性について議論する．

2.　マイクロマシン構造における熱応力の意義

　光通信の分野でマイクロマシン構造（ＭＥＭＳ）というと一般的には静電力によって動作するものが主流である．私の研究では熱応力を用いることを提案している．では、なぜ熱応力なのか？

　光デバイスを含む全てのエレクトロニクスデバイスでは使用時に熱を発生する．この発生した熱はデバイスの性能を悪化させる「悪」とされてきた．例えば光通信に用いる半導体レーザは使用時に熱を発生させる．熱は波長を変化させ、レーザ特性を劣化させるため、温度制御器を使って冷却している．これはコスト面、エネルギー面で非常にマイナスとなる．この様にエレクトロニクスデバイスでは「熱＝悪」の図式がある．しかし、この熱というエネルギーを使って、デバイスに新しい機能を持たすことができれば、コスト面のみならずエコロジーという観点からも非常に有益なのではないだろうか．本研究では、マイクロマシン構造と熱応力を融合した光フィルタや面発光レーザを提案し、波長を連続的掃引する機能や、絶対波長を安定化するなど、従来技術では実現困難であった新しい機能を実現した．この熱応力を用いたマイクロマシンデバイスが｢熱＝悪｣という図式を打ち破れる新しいエレクトロニクスデバイスになる事を期待している．

3.　熱応力を用いたマイクロマシンの構造と波長制御の原理

　本研究で提案する熱応力を用いたマイクロマシン光フィルタの構造図をＦｉｇ.1に示す．上部のＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）は片持ち梁構造となっている．この片持ち梁ＤＢＲと下部のＤＢＲが空気層を挟んで共振器構造となっている．上下のＤＢＲで共振した光のみが透過する共振器となっている．また、片持ち梁ＤＢＲの最上部には熱応力層が付加してある．この熱応力層はＤＢＲの材料系でエピタキシャル成長が可能なＧａＡｓ又はＡｌＡｓの混晶半導体で構成されている．通常の静電力を用いる構造では、梁の変位は上下のＤＢＲに電圧を掛け静電引力によって片持ち梁を基板側に引き寄せる．

　これに対して、本研究で提案する熱応力を用いたものは温度変化時に応力によって片持ち梁を変化させる．変化の様子をＦｉｇ．2に示す．熱応力層がＧａＡｓ層の時はＧａＡｓ層がＤＢＲよりも大きな熱膨張係数を持ち，温度上昇時に片持ち梁は基板側に下がる．また，応力層がＡｌＡｓ層の時はＤＢＲよりも小さな熱膨張を持つので，温度上昇時には片持ち梁は基板側とは逆に反る．この様に温度を変化させることで，片持ち梁を上下方向共に動作させることができる．この片持ち梁の上下の変位は共振器長の変化を意味しており、連続的に共振波長を掃引可能な光フィルタや面発光レーザを実現できる．この熱応力による波長可変共振器の特徴として、
　1）静電力を用いる波長可変共振器の限界（空気層の1/3以下）以上の大きな波長可変特性、
　2）応力層の材料を選択する事で波長可変方向とその大きさを任意に選べる、
　3）エピタキシャル成長を用いているため、高精度な波長制御
の3つが挙げられる．

4.　デバイス製作と測定方法

　 マイクロマシン光フィルタ、またマイクロマシン面発光レーザの製作において、片持ち梁構造の製作が1番の課題となる．この片持ち梁構造を製作するにあたって，本研究では選択水蒸気酸化と選択ウエットエッチングといった新しい方法で製作した．製作手順としてまずＭＯＣＶＤにより基板から下部ＤＢＲ、ＡｌＧａＡｓ犠牲層、上部ＤＢＲ、応力層の順に結晶成長を行う．フォトリソグラフィーを行った後，誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチングでパターンをメサ状にドライエッチングを行う．次に片持ち梁構造の製作を行う．窒素バブリングによる水蒸気をアニール炉内に導入し，基板温度460℃，90分間放置する．これにより，ＡｌＧａＡｓ犠牲層は選択的に酸化されてＡｌｘＯｙになる．これをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で15 minのエッチングを行う．このあと，本来であればＢＨＦのリンスとして通常の純水リンスだけを用いが、これでは粘性の影響で梁が破壊されてしまう．このため、本プロセスではアセトンによるボイル処理を純水処理後に用いた．揮発性の高いアセトンを共に用いることで梁を壊さずにデバイスが製作できた．完成した片持ち梁構造のＳＥＭ写真をＦｉｇ．3に示す．ＳＥＭ写真から片持ち梁構造が形成できていることが分かる．
製作した光共振器の測定は光ファイバを用いて広帯域な光をデバイス上面から入射させ、その反射スペクトルを再び光ファイバで観測する事で共振器の共振波長を評価した．

5.　熱応力による連続波長可変動作

　マイクロマシンデバイスは片持ち梁を動作させ，その共振器長を変化させることで波長可変動作を行う．その波長可変幅はＦＳＲ（Free Spectral Range）の大きさで決められる．共振器長の小さいマイクロマシンデバイスは、200nm(25THz)以上の大きなＦＳＲを持ち、大きな波長可変特性が期待できる．しかし，実際には広いＦＳＲを活かしたデバイスは存在していない．通常の静電力を用いたマイクロマシンデバイスでは共振器長が小さいがゆえに片持ち梁の動作を制限してしまう．具体的には電圧印加前の空気層厚の1/3ほどしか変位できない．これ以上変位すると静電力と梁の機械的な反発力のバランスが維持できないため、片持ち梁は基板と接着してしまう．しかし熱応力を用いたマイクロマシンデバイスではその様な動作制限を超えることを明らかにした．

　波長可変マイクロマシン光フィルタの波長可変特性の計算結果をＦｉｇ．4に示す．空気層の厚さ、片持ち梁の長さを0.78 μm、250 μmと定めた．応力層をＧａＡｓ、Ｇａ0.2Ａl0.8Ａｓの2種類を想定し、厚さは500 nmと一定にした．静電力では短波側に約120 nmの波長可変幅であるが，熱応力では250 nmを超える波長可変動作が可能だと見積もられる．また、波長可変の方向も短波長側、長波長側の両方を選択する事ができる．実際にＧａＡｓ 500 nm、Ｇａ0.2Ａｌ0.8Ａｓ 125 nmの応力層をもつ上下ＤＢＲのペア数が15ペアと20ペアのマイクロマシン光フィルタを製作し、温度による波長特性を測定した．結果をＦｉｇ．5に示す．素子全体を加熱し、波長の温度依存性を測定した．ＧａＡｓ応力層を持つもので+ 0.79 nm/K、ＧａＡｌＡｓ応力層を持つもので- 0.22 nm/Kとなっている．長波長側、短波長側の双方の波長可変が実現されている．また、ＧａＡｓ応力層を持つもので、60 nmを超える波長可変幅を得る事ができた．

　基板全体を加熱する方法では効率が悪く、高速波長掃引の観点から望ましいとは言えない．片持ち梁のみに温度を与える事ができれば、より効率よく波長可変を行う事ができる．この為に、マイクロヒーターを集積したマイクロマシン光フィルタを製作した．その構造図をＦｉｇ．6に示す．この構造の特徴はパット部に電極を設けており、電流を流す事でデバイス加熱を行う事ができる．また、電極間に溝を掘り、電流経路を片持ち梁の直上とする事ができる．

　具体的な構造は片持ち梁の長さ110 μm，ＧａＡｓ熱応力層500 nm，電極間の距離60 μm，溝の長さ40 μmとなっている．電極間に電流を流し，電極間の抵抗からくる発熱でデバイス単体の加熱が可能となる．電流制御の溝は表面の熱応力層をＦＩＢによりエッチングしており、また垂直方向の電流も制御するためにＧａＡｓ応力層のみをP型にドーピングしている．3次元有限要素法を用いて熱分布の計算を行った．溝を付けて電流経路を制限したデバイスでは無いものに比べて、同じ加熱量で片持ち梁に5倍の熱が集中する事が分かった．次に電極に電圧をかけ，デバイス単体の加熱を行い，波長可変特性を測定した．そのときの反射スペクトルをＦｉｇ．7に示す．電圧を印加することで，連続的に波長可変ができた．6.1 Vと静電力のものに比べて，数分の一以下の低電圧で50 nmを超える大きな波長可変を実現している．この時、電流は13 mA流れているので消費電力は81 mWということになる．


　次に波長可変速度を調べた．波長可変デバイスでは波長を変化が速いことが望まれる．通常、片持ち梁構造の速度は機械的な共振周波数で決まる．また、熱応力を用いたものではさらに熱応答によっても制限が掛かる．この事から熱応力を用いた波長可変デバイスの速度について調べることは重要となる．溝の無い熱応力マイクロマシン光フィルタを用いて測定を行った．電極間に77 Hzのパルス周期で2 Vの電圧を掛けた時の可変速度特性をＦｉｇ．8に示す．可変速度として約100 μsが得られた．これは3次元有限要素法を用いて求められた熱応答の計算値と一致し、熱を使用した変位機構を用いても、微小構造体にすることによりサブミリ秒の比較的高速動作が可能であることを実証した．

6.　波長温度無依存化　?波長が温度に依存しない発光素子の実現へ向けて？

　前章では波長可変デバイスについて述べたが、この章では波長が温度に全く依存しない新しい発光デバイスについて報告する．光フィルタやレーザといった半導体デバイスでは温度変化時に材料の屈折率変化により扱う波長が変化してしまうといった問題がある．半導体レーザの実現から四半世紀が経過するが、未だこの問題は解決の糸口が無かった．この為、光デバイスでは温度を制御する装置が必要となり、通信システムを高価なものとしている．本研究で提案したマイクロマシン構造を用いれば、この温度による波長変化をなくす事ができる．これにより、光通信がもっと我々の身近なものとなる．波長温度無依存に設計されたマイクロマシン光フィルタ及び面発光レーザの計算値をＦｉｇ．9に示す．片持ち梁の長さを100 μm、ＧａＡｓ応力層を30 nmの時、通常の導波路型の温度依存性が+ 0.1 nm/Kであるのに対して、< ±0.001 nm/Kと1/100以下の温度依存性に抑えられる事が見積もられた．製作したマイクロマシン光フィルタの構造は上下ＤＢＲが15ペア、20ペアとなっており、片持ち梁の長さ96 mm、ＧａＡｓ応力層の厚さ30 nmとなっている．温度変化時の反射スペクトル変化をＦｉｇ．10に示す．DT = 0 K，20 K，50 Kのディップのピーク波長（これが共振波長に相当する）は1607 nm，1607.2 nm，1607.5 nmとなり，温度変化時のピーク波長変化は+0.01 nm/Kとなり、通常の半導体光共振器に比べて、1/10の温度依存性に抑えられた．この結果は理論値とよく一致している．設計した構造をさらに精度良く製作する事ができれば、温度依存性を1/100以下に抑えた光フィルタが実現できると考えている．

　さらに、この技術を発光素子へと展開し、温度無依存の光共振器の面発光レーザについて報告する．面発光レーザは垂直共振器構造であるため、温度無依存光フィルタを集積する事が可能である．これにより、これまで実現が困難であった波長温度無依存の半導体レーザが実現される．熱応力層を持つ面発光レーザの構造図をＦｉｇ．11に示す．基本的には光フィルタ構造と類似している．上部DBRが基板から浮いた片持ち梁構造となっており、この片持ち梁の最上部には熱応力層が付加されている．エアギャップと下部ＤＢＲの間には活性領域を設けている．熱膨張係数差によって、温度変化時に片持ち梁は変位し、発振波長を変化させる．実際製作した構造は上下ＧａＡｓ／Ｇａ0.2Ａl0.8Ａｓ ＤＢＲは20、36ペアとし、活性層は発振波長0.98 μmのＩｎＧａＡｓとした．片持ち梁構造は長さ130 μmとなっており、熱応力層はＧａＡｓ 500 nmとした．製作した面発光レーザは残念ながら発振には至らなかったが、共振スペクトルの温度依存特性を制御できたので報告する．駆動電流を2 mAに固定し、温度を20 ℃から40, 60, 80, 100, 110 ℃まで変化させた(Ｆｉｇ．12)．波長変化量1.7 nmと小さな値を得た．これは温度係数にすると+0.015nm/KとDFB-LDの+0.1 nm/K、面発光レーザの0.07 nm/Kと比べて、1/5以下の小さな値となっている．

7.　多波長アレー化

　熱応力を利用するマイクロマシン構造は大規模な２次元多波長アレー化をも可能にする．応力層を有する片持ち梁はある温度では応力により変位している．この反り量は応力層の厚さや梁の長さを変えることで制御できる．つまり面内であらかじめ応力層の厚さをそれぞれ変えておけば，完成時に片持ち梁の反り量は個々で変わってくるので、多波長フィルタアレーや多波長レーザアレーが実現できる．

　多波長マイクロマシンフィルタの2次元集積アレーを製作した．エッチングによって面内の応力層厚を16種類にした．これにより16種類の多波長マイクロマシン光フィルタアレーが製作できた．エッチングの深さは0 nm〜45 nm，約3 nm間隔となっている．製作したデバイスの室温でのそれぞれの反射スペクトルをＦｉｇ．8にエッチングしたGaAs層の厚さによるフィルタ波長をＦｉｇ．13に示す．Ｆｉｇ．13より16種類のフィルタ波長が得られていることがわかる．波長帯域は45 nmと広い．フィルタ波長は約2 nm間隔となっている．この結果は計算値と一致しており、さらにＧａＡｓ層の層厚を変えることで，フィルタ波長の多いフィルタアレーの製作が可能であることを示している．

　また、応力を事前に面内で変えておくことで，多波長アレー化を実現しているが、この熱応力の調節をデバイス完成後に行うことで，光フィルタや面発光レーザの絶対波長を高精度に制御することも可能となる．絶対波長を微調整する技術を波長トリミングと言う．本研究ではデバイス製作後にドライエッチングを行い，20 nmを超える波長トリミングを実現する事にも成功している．

8.　結論

　本研究では、マイクロマシン構造と微小共振器を融合した光フィルタや面発光レーザなどの波長可変デバイスについて、熱応力を活用した新しい機能を実現することに成功した．本論文をまとめると
�@ 熱応力層を有するマイクロマシン光共振器を提案し、低電圧で広帯域な波長可変デバイスを実現した．
�A 半導体共振器の温度係数をゼロ温度係数や負の係数も含めて自在に制御できることを実証した．
�B 発光波長が温度に依存しない発光素子を初めて実現した．
�C 多波長アレー化や波長トリミングといった新規技術を開拓した．
　今後、これらの機能を持つ面発光レーザの実現を行っていきたい．これにより、我々にとって光ネットワークがもっと身近になると考えている．また、いずれ波長可変動作もデバイスから発生する熱のエネルギーを再利用するなど、熱を上手くエネルギーとしてデバイスに新しい機能を与えているものを創案していきたい．本研究が次世代ＩＴ＆エコロジーの1つの解となれば、幸いである．

謝辞

　本研究は文部省科研費ＣＯＥ( ＃０７ＣＥ２００３「超並列光エレクトロニクス」)の援助を得た．また、本研究を行うにあたり、日々ご指導頂いている小山二三夫教授に心より感謝する．