(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対をなして平行に対向配置されたミラーよりなる共振器と、前記対をなすミラーの間隙を変化させて共振器長を変える間隔可変機構と、を有する波長可変デバイスにおいて、
前記対をなすミラーの少なくとも一方と前記間隔可変機構とがともに基板上に一体的に形成され、かつ、そのミラーのミラー面が前記基板の基板面に対して垂直に形成され、
前記間隔可変機構が静電駆動型マイクロアクチュエータによって構成され、基板上に固定された固定電極と、前記ミラーのいずれかと一体形成された可動電極とを備え、
前記固定電極と前記可動電極とが櫛歯状に入り組んで形成され、前記固定電極の各櫛歯からの、該各櫛歯の両隣に隣接する前記可動電極の２枚の櫛歯までの距離(以下、「櫛歯間ギャップ寸法」という)が、前記固定電極と前記可動電極との間への電界無印加時において互いに異なり、前記固定電極と前記可動電極との間に電界を印加することによって、狭い方の櫛歯間ギャップ寸法が、電界無印加時の狭い方の櫛歯間ギャップ寸法(以下、「最小櫛歯間ギャップ寸法」という)よりも狭まる方向に可動電極が移動することを特徴とする波長可変デバイス。
【請求項２】
前記基板上に形成されたミラーが、入射する光に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャップを持つ半導体と空気の周期構造から成るフォトニック結晶であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変デバイス。
【請求項３】
前記間隔可変機構がマイクロマシンによって構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変デバイス。
【請求項４】
前記固定電極が、相異なる２方向に前記可動電極を移動させる２種類の固定電極（以下、「正方向駆動用固定電極」および「負方向駆動用固定電極」という）より成ることを特徴とする請求項１に記載の波長可変デバイス。
【請求項５】
前記可動電極の中央の櫛歯が、前記正方向駆動用固定電極端の櫛歯と負方向駆動用固定電極端の櫛歯とに挟まれ、前記可動電極の中央の櫛歯と、その両隣の前記正方向駆動用固定電極端の櫛歯および負方向駆動用固定電極端の櫛歯との櫛歯間ギャップ寸法が、前記固定電極と前記可動電極との間への電界無印加時において、ともに最小櫛歯間ギャップ寸法であることを特徴とする請求項４に記載の波長可変デバイス。
【請求項６】
電圧一定のバイアス電圧Ｖoを出力するバイアス電圧源と電圧可変の制御電圧Ｖを出力する制御電圧源とを用いて、前記正方向駆動用固定電極および前記負方向駆動用固定電極と、前記可動電極との間に、それぞれ、Ｖo＋Ｖ、Ｖo−Ｖとなる電圧を印加することを特徴とする請求項４または５に記載の波長可変デバイス。
【請求項７】
前記可動電極が、該可動電極を支持するバネの固定端によって前記基板に支持されていることを特徴とする請求項１，４から６のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項８】
前記基板が半導体によって形成され、前記可動電極と前記固定電極とがともに前記基板上に絶縁層を介して形成された半導体層から形成されていることを特徴とする請求項１，４から７のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項９】
前記可動電極と前記可動ミラーの下部の前記絶縁層が除去されていることを特徴とする請求項８に記載の波長可変デバイス。
【請求項１０】
前記基板と前記絶縁層と前記半導体層とにより、前記半導体層をＳＯＩ層としたＳＯＩ基板が構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の波長可変デバイス。
【請求項１１】
前記半導体層が（１１０）面を表面に持つシリコン層であって、前記共振器のミラー面が前記シリコン層の（１１１）面であることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項１２】
前記可動電極の変位を検知する静電容量型変位センサを具備していることを特徴とする請求項１，４から１０のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項１３】
対をなして平行に対向配置されたミラーよりなる共振器と、前記対をなすミラーの間隙を変化させて共振器長を変える間隔可変機構と、を有する波長可変デバイスにおいて、
前記対をなすミラーの少なくとも一方と前記間隔可変機構とがともに基板上に一体的に形成され、かつ、そのミラーのミラー面が前記基板の基板面に対して垂直に形成され、
前記対をなすミラーの双方が、入射する光に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャップを持つ半導体と空気との周期構造から成るフォトニック結晶であり、
前記間隔可変機構が連結された共振器が光伝播経路内に複数個直列に配置されていることを特徴とする波長可変デバイス。
【請求項１４】
固定のミラーを共通にしてその前後に前記間隔可変機構を備えたミラーがそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の波長可変デバイス。
【請求項１５】
対をなすミラーの一方が前記間隔可変機構を有し、他方が光増幅機能を有する半導体チップであって、前記間隔可変機構を有するミラーがレーザの外部共振器として機能することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の波長可変デバイス。
【請求項１６】
対をなして平行に対向配置されたミラーよりなる共振器と、前記対をなすミラーの間隙を変化させて共振器長を変える間隔可変機構と、を有する波長可変デバイスにおいて、
前記対をなすミラーの少なくとも一方と前記間隔可変機構とがともに基板上に一体的に形成され、かつそのミラーのミラー面が前記基板の基板面に対して垂直に形成されており、
前記対をなすミラーの双方が前記間隔可変機構を有し、かつ、双方が入射する光に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャップを持つ半導体と空気との周期構造から成る１次元または２次元フォトニック結晶であり、前記対をなすミラー間に光増幅機能を有する半導体チップが配置され、前記対をなすミラーがレーザの外部共振器として機能することを特徴とする波長可変デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長可変デバイスに関し、特に波長多重光の中から特定波長の光を選択する波長可変フィルタや特定の波長の光を選択して発振する波長可変レーザなどの波長可変デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送方式のキーデバイスの一つに、波長多重された複数の信号光から特定の波長光を選択的に取り出す波長可変フィルタと、特定の波長光を選択的に発振する波長可変レーザがある。従来の波長可変フィルタの代表例としては、誘電体多層膜内の多重反射を利用した波長可変フィルタと、ファブリペロー共振器を用いた波長可変フィルタとが知られている。しかしながら、前者は、誘電体多層膜への入射光の入射角度を制御して誘電体多層膜の実効的な膜厚を変化させることによって波長を可変にするものであるため、誘電体多層膜を回転させるサーボ機構を必要とする等、構成が複雑となり小型化、低価格化が困難であるという問題を抱えている。また、アレイ化して光並列伝送に適用するということも困難である。
【０００３】
一方、後者としては、例えば、特開2000-162516号公報に開示されるものが知られている。図１５は、この従来の波長可変フィルタの構成を示す断面図である。従来の波長可変フィルタは、光導波路基板５００内に対向して配置された光導波路５０１、５０２と、これら光導波路の両端面の間に配置されたダイヤフラム型マイクロマシン５０３とから構成され、入力側の光ファイバ５１０と出力側の光ファイバ５１１との間に配置される。ダイヤフラム型マイクロマシン５０３を構成する本体５０４とダイヤフラム５０５とにそれぞれ取り付けられた電極５０６と電極５０７との間に電圧を印加することによって発生する静電力により、ダイヤフラム５０５が変形する。それにより、誘電体多層膜からなる２つのハーフミラー５０８と５０９とによって構成されるファブリペロー共振器の共振器長が変化して透過波長が可変となる。この構造は、前者の構造に比して構成部品も少なく、小型化やアレイ化が可能である。
また、波長可変レーザの従来例としては、回転型の回折格子をファブリペロー型レーザの外部共振器として実装したものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のファブリペロー共振器を用いた波長可変フィルタは構成部品が少なく、小型化やアレイ化も可能であるという長所を持つが、その反面、光が透過する際、ハーフミラー５０８、５０９が形成されているところの本体５０４やダイヤフラム５０５を通過せざるを得ず、不必要な透過損失を招くことになる。また、ハーフミラー５０８、５０９の成膜や本体５０４とダイヤフラム５０５との接合等、その作製プロセスは複雑である。さらに、ファブリペロー共振器を用いた波長可変フィルタでは、ハーフミラーの反射率が高ければ高いほど透過ピークのバンド幅が狭くなるなど、ハーフミラーの反射率がフィルタ特性に大きな影響を及ぼすために、使用する光の波長帯域全域で良好なフィルタ特性を得ようとすれば、その波長帯域をカバーし得る広帯域高反射率のミラーが不可欠となる。今後、Ｃバンド(１．５５μｍ帯)に加えＬバンド(１．５８μｍ帯)、さらにはＳバンド(１．４９μｍ帯)と光通信に使用される波長帯域が拡がってくると予想されるが、従来の誘電体多層膜でＳバンドからＬバンドに亙る広い帯域で高反射率を示すミラーを形成するのは極めて困難である。
また、上述の従来の波長可変レーザは、回折格子を回転させるサーボ機構を必要とした複雑な構成となるため、小型化、低価格化が困難である。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、小型、安価で、アレイ化にも適し、しかも広帯域において透過スペクトルの透過率が高く、且つ、バンド幅が狭い良好なフィルタ特性を示す波長可変フィルタと、小型、安価で、アレイ化にも適した波長可変レーザを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によれば、対をなして平行に対向配置されたミラーよりなる共振器と、前記対をなすミラーの間隙を変化させて共振器長を変える間隔可変機構と、を有する波長可変デバイスにおいて、前記対をなすミラーの少なくとも一方と前記間隔可変機構とがともに基板上に一体的に形成され、かつ、そのミラーのミラー面が前記基板の基板面に対して垂直に形成され、前記間隔可変機構が静電駆動型マイクロアクチュエータによって構成され、基板上に固定された固定電極と、前記ミラーのいずれかと一体形成された可動電極とを備え、前記固定電極と前記可動電極とが櫛歯状に入り組んで形成され、前記固定電極の各櫛歯からの、該各櫛歯の両隣に隣接する前記可動電極の２枚の櫛歯までの距離(以下、「櫛歯間ギャップ寸法」という)が、前記固定電極と前記可動電極との間への電界無印加時において互いに異なり、前記固定電極と前記可動電極との間に電界を印加することによって、狭い方の櫛歯間ギャップ寸法が、電界無印加時の狭い方の櫛歯間ギャップ寸法(以下、「最小櫛歯間ギャップ寸法」という)よりも狭まる方向に可動電極が移動することを特徴とする波長可変デバイス、が提供される。そして、好ましくは、前記対をなすミラーの少なくとも一方が入射する光に対し所望の波長帯域にフォトニックバンドギャップを持つ半導体と空気の周期構造から成るフォトニック結晶である。また、好ましくは、前記対をなすミラーの他方も屈折率周期構造を有するフォトニック結晶によって構成され、これにより波長可変フィルタが構成される。また、好ましくは、前記対をなすミラーの他方が、光増幅機能を有する半導体チップによって構成され、一方の可動のミラーがレーザの外部共振器として機能する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
〔第１の実施の形態〕
図1は、本発明の第１の実施の形態の可変波長フィルタの斜視図である。図２は、第１の実施の形態のフォトニック結晶からなる固定ミラーの平面図である。図３は、第１の実施の形態の可変波長フィルタの平面図である。図４（ａ）〜（ｂ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態の一製造方法を説明するための工程順の断面図であり、図６（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態の他の製造方法を説明するための工程順の断面図である。
図1に示されるように、本実施の形態における波長可変フィルタは、１対の可動電極１０１Ａ、１０１Ｂと、可動電極を支持する４本のバネ１０２と、４本のバネのそれぞれの端部に設けられた固定端１０９と、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂと、フォトニック結晶からなる可動ミラー１０５と、可動ミラー１０５と対向する位置にあるフォトニック結晶からなる固定ミラー１０６と、基板１０７と、絶縁層１０８と、から構成される。２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂと、フォトニック結晶からなる固定ミラー１０６とは、基板１０７に固定され、固定部を構成している。１対の可動電極１０１Ａ、１０１Ｂと、可動電極を支持する４本のバネ１０２と、フォトニック結晶からなる可動ミラー１０５とは一体を成して宙に浮いており、可動電極を支持する４本のバネの固定端１０９を介して基板１０７に固定されながら、可動部を構成している。２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂと１０４Ａ、１０４Ｂと、固定ミラー１０６と、バネの固定端１０９とは、それぞれ、ＳｉＯ２等よりなる絶縁層１０８によって基板１０７と電気的に絶縁されながら、基板１０７に固定されている。ただし、基板１０７がその表面に絶縁層を有する場合には、絶縁層１０８は必ずしも必要ではない。また、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂと、バネの固定端１０９とには、それぞれ、電極パッド（図示せず）が形成されており、この電極パッドを介して、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂには電圧が印加され、バネの固定端１０９は接地されている。
【０００８】
この構成において、１対の可動電極１０１Ａ、１０１Ｂと、これらを支持する４本のバネ１０２および固定端１０９と、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂと、から成るマイクロアクチュエータを用いて、可動ミラー１０５を図の左右方向に駆動して、可動ミラー１０５と固定ミラー１０６との間隙（すなわち、共振器長）を制御することにより、可動ミラー１０５に入射する波長多重された入射信号光λ１〜λｎのうち、固定ミラー１０６から所望の波長を持つ出射信号光λｉを選択的に透過させる。これにより、広帯域において透過スペクトルの透過率が高く、かつ、半値幅が狭い良好なフィルタ特性を実現することが可能となる。なお、図１では、作図の簡単のために各固定電極、各可動電極の櫛歯は、それぞれ、２本、３本のみを描いているが、必要な駆動力に応じて任意の数の櫛歯数が選択される。
【０００９】
次に、本発明による波長可変フィルタの、構成要素ごとの働きを順に説明する。まず、１対の可動電極１０１Ａ、１０１Ｂと、可動電極を支持する４本のバネ１０２と、その固定端１０９と、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂとは、可動ミラー１０５を図の左右方向に駆動するためのマイクロアクチュエータを構成している。１対の可動電極１０１Ａ、１０１Ｂと、２対の固定電極１０３Ａ、１０３Ｂおよび１０４Ａ、１０４Ｂとは全て櫛歯状形状をしており、可動電極１０１Ａは固定電極１０３Ａ、１０４Ａと、可動電極１０１Ｂは固定電極１０３Ｂ、１０４Ｂと互いに噛み合うように配置されている。可動電極１０１Ａ、１０１Ｂはともに、それぞれの可動電極を支持するバネ１０２とその固定端１０９に形成された電極パッドとを介して接地されている。
【００１０】
固定電極１０３Ａと１０３Ｂとに同時に同電圧を印加することにより、可動部が固定ミラー１０６に近づく方向に駆動される。一方、固定電極１０４Ａと１０４Ｂとに同時に同電圧を印加することにより、可動部が固定ミラー１０６から遠ざかる方向に駆動される。また、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂに電圧が印加されているときには、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂは接地され、逆に、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂに電圧が印加されているときには、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂは接地される。
【００１１】
可動部を左右に変位させるために、可動電極の櫛歯と固定電極の櫛歯との間の間隙は、可動電極の中央の櫛歯を除いてそれぞれの櫛歯の左右で非対称である。非対称にすることによって、間隙が狭い方の櫛歯間に、より強い静電引力が作用し、その間隙がより狭まる方向に可動電極が引き寄せられる。この場合、固定電極（可動電極）の一つの櫛歯だけに注目すれば、両隣にある可動電極（固定電極）の櫛歯のうち一方をできるだけその固定電極（可動電極）に接近させ、他方をその固定電極（可動電極）からできるだけ離すほうが、静電引力の和は大きくなる。しかしながら、櫛歯間の間隔を大きくすることは、単位間隔内に形成できる櫛歯数を少なくすることになり、空間的な効率を悪くするほうに働く。結局、電極の形成面積が一定であれば、発生力の体積効率（単位体積当りの発生力）を最大にするためには、一つの櫛歯に作用する静電引力と単位長さに形成できる櫛歯数との積を最大にすればよい。間隙が狭い方の櫛歯間隔、間隙が広い方の櫛歯間隔、それら両者の比、櫛歯の幅のうちのいずれか２つの量が決まれば、発生力の体積効率を最大にするように、他の２つの量も決定される。また、固定電極を基準に考えて、その固定電極の櫛歯と隣接する２本の可動電極の櫛歯のうち、左側の可動電極の櫛歯との間隔の方が小さければ、可動電極は右側に変位し、逆に、右側の可動電極の櫛歯との間隔の方が小さければ、可動電極は左側に変位する。
【００１２】
固定電極を２対設けることなく、１対の固定電極のみで可動電極の全ストロークをまかなうようにすることもできる。本実施の形態において、固定電極を右駆動用と左駆動用とに分割したのは、次の理由による。即ち、可動電極の中央の櫛歯（図１において、可動電極１０１Ａあるいは可動電極１０１Ｂの中央の櫛歯）は、その左右両隣のどちらの固定電極の櫛歯との間隔も狭い方の間隔にすることにより、左右両隣のどちらの固定電極にも寄与させて右駆動用としても左駆動用としても利用できる。したがって、体積効率の点から有利になる。特に、可動電極の櫛歯数が少ない場合に、その効果は相対的に大きくなる。
なお、可動電極１０１Ａを図の手前方向に引く静電引力と可動電極１０１Ｂを図の奥行き方向に引く静電引力とは互いに打ち消し合うために、可動部がこれらの方向に変位することはない。
【００１３】
次に、フォトニック結晶からなる可動ミラー１０５と固定ミラー１０６について説明する。近年、１次元的あるいは２次元的あるいは３次元的に波長のオーダーの周期を持って誘電率したがって屈折率の異なる材料を周期的に配列した構造を作製して、半導体中の電子の振る舞いと同様に、光あるいは電磁波の振る舞いを制御する材料構造が注目されている。このような構造はフォトニック結晶と呼ばれ、その振る舞いは、半導体中の電子のエネルギーバンドに相当するフォトニックバンドという概念を用いて説明される。このフォトニックバンドには、光あるいは電磁波が固有のモードを持ち得ない周波数領域、即ち、フォトニックバンドギャップが存在する。このフォトニックバンドギャップは、一般に、周期構造をなす誘電体の屈折率の変調が強い程、広帯域にわたって開く。このように、フォトニック結晶は本質的に光波長選択性を有するために、波長選択性を有するフィルタ、即ち、波長可変フィルタへの応用に適した構造であるといえる。
【００１４】
ただし、光波長のオーダーの周期を持つ屈折率変調を３次元的に実現することは極めて困難である。本発明のように、マイクロアクチュエータとフォトニック結晶から成るミラーを異方性エッチング等に代表されるマイクロマシーニング（マイクロマシン技術）によって一括成形するのであれば、３次元フォトニック結晶よりも、１次元もしくは２次元フォトニック結晶の方がプロセスとの整合性がよい。２次元フォトニック結晶としては、例えば、構造材中に円柱孔が三角格子配列したものが、マイクロマシーニングプロセスとの整合性がよいという点と、さらに、ブラヴェ格子でいえば六方格子に対応し、面内のどの方向へも高反射率を示す波長域を生成可能であるという点とにおいて好適である。本実施の形態においては、１次元フォトニック結晶を用いてミラーを形成した。
【００１５】
次に、固定ミラーを例として、フォトニック結晶からなるミラーの構造について説明する。図２は、本実施の形態の１次元フォトニック結晶からなる固定ミラーの平面図である。１次元フォトニック結晶からなる可動ミラーも同じ構造を有している。
フォトニック結晶からなる固定ミラー１０６は、長方形の空孔を形成した構造材層１２０と、空孔を満たしている空気層１２１との周期構造からなる1次元フォトニック結晶より成っている。各層厚ｄｉは、波長可変フィルタの動作帯域の真空中での中心波長をλ、各層の屈折率をｎｉとして、（１）式のように決定される。
ｄｉ＝λ／４ｎｉ                      ・・・（１）
【００１６】
これにより、波長可変フィルタの動作帯域の中心波長λが、共振器を構成した場合の最大透過波長となる。ただし、下付きｉは、構造材層（Ｓ）および空気層（Ａ）を示している。即ち、図２の１次元フォトニック結晶を用いた固定ミラー１０６においては、空気層１２１を４層含む次のような周期構造となる。
構造材層（ｄＳ＝λ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝λ/４）／
構造材層（ｄＳ＝λ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝λ/４）／
構造材層（ｄＳ＝λ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝λ/４）／
構造材層（ｄＳ＝λ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝λ/４）／
構造材層（ｄＳ＝λ/４ｎＳ）
ただし、空気の屈折率：ｎＡ＝１とした。図２では上記の通り空気層１２１が４層含まれる構造を採っているが、もちろん、その周期は数周期もあれば十分である。
【００１７】
本発明の波長可変フィルタの構造材層１２０に要求される特性としては、まず、マイクロマシーニングによる高アスペクト比加工が可能である材料であることが挙げられる。次に、構造材層１２０に空孔を開けてフォトニック結晶構造を形成する場合、フォトニックバンドギャップが広い波長域に亙って開くように、構造材層１２０の屈折率ｎＳが空気の屈折率に比して十分高いことが望ましい。このことは、フォトニック結晶が広帯域高反射率ミラーとして機能する上で欠くことのできない特性である。以上のことに鑑みて、本発明の波長可変フィルタの構造材層１２０の材料としては、既に半導体微細加工技術の分野において十分な実績があり、尚且つ、高屈折率を有するＳｉがふさわしいと判断される。また、Ｓｉに準ずる材料としては、ＧａＡｓやＩｎＰ等が挙げられる。
【００１８】
共振器を形成するフォトニック結晶からなる一対のミラーは、フォトニックバンドギャップ内の波長光に対しては完全なミラーとして機能する。このフォトニックバンドギャップは、周期構造を成す誘電体の屈折率の変調が強いほど、広帯域に亙って開く。例えば、図２に示されるような構造材層１２０と空気層１２１との周期構造からなる１次元フォトニック結晶において、構造材層１２０がＳｉのような高屈折率材料で形成されている場合には、前記周期構造の設計(各層厚をどの程度にするか)にも依存するが、一般には、中心波長λの周りに数１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のフォトニックバンドギャップが開く。したがって、本発明の波長可変フィルタにおけるフォトニック結晶からなるミラーは広帯域に亙って高い反射率を示す。ファブリペロー型共振器を用いた波長可変フィルタにおいて、このミラーの反射率は非常に重要な要素であり、ミラーの反射率が高いほど透過スペクトルの半値幅を狭くできる。
【００１９】
次に、フォトニック結晶からなる可動ミラー１０５とフォトニック結晶からなる固定ミラー１０６とから構成されるファブリペロー型共振器について説明する。図1において、左側から、可動電極１０１Ａ、１０１Ｂと一体化した可動ミラー１０５に、波長多重された複数の入射信号光λ１〜λｎが入ってきた場合、フォトニックバンドギャップ内にある波長帯域において、（２）式を満足する波長λｍの信号光だけが固定ミラー１０６の右方向に共鳴透過して出射信号光となる。
λｍ＝２Ｌ／ｍ                      ・・・（２）
ここで、Ｌはフォトニック結晶からなる可動ミラー１０５の右側面とフォトニック結晶からなる固定ミラー１０６の左側面との間隙、ｍは整数を表す。この時、共鳴透過する出射信号光は、フォトニック結晶中を透過する以外は空気中を伝播するのみで、基板等の不要な物質は一切経由しない。また、透過する距離も光波長程度と非常に短いので、透過損失は極めて低く抑えられる。さらに、上述のように、ミラーが広帯域に亙って高い反射率を示すので、共振器の透過スペクトルの半値幅は極めて狭くなる。
また、この時、フォトニック結晶からなる可動ミラー１０５の右側面とフォトニック結晶からなる固定ミラー１０６の左側面との光の通らない部分の一部に電極を形成して、その間の容量をモニターすれば、ミラー間の間隙変化をセンシングすることも可能である。
【００２０】
次に、本実施の形態の波長可変フィルタの製造方法について説明する。図３は、本実施の形態の波長可変フィルタの平面図であり、図４（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施の形態の一製造方法を説明するためのＡ−Ａ線に沿った工程順の断面図である（但し、図１同様、図３では電極の櫛歯の一部が省略されている）。本実施の形態の波長可変フィルタは、ＳＯＩ基板にマイクロマシニング技術を用いて一括形成された。
まず、Ｓｉ基板１４３上に埋込み酸化膜１４２を介してＳＯＩ層１４１が形成された面指数（１１０）のＳＯＩ基板１４０を用意し、その裏面を数１０〜１００μｍ程度の厚さまで研磨してから、その裏面、即ち、Ｓｉ基板１４３側の表面上に、埋込み酸化膜１４２の膜厚よりも若干薄い程度の膜厚の熱酸化膜１３０を形成した後、通常のフォトリソグラフィー技術とＲＩＥ技術とを用いて熱酸化膜１３０のパターニングを行い、波長可変フィルタの可動部、即ち、バネの固定端１０９部を除いて、バネ１０２、可動電極１０１Ａ、１０１Ｂ、可動ミラー１０５となる部位の熱酸化膜１３０に開口を形成する〔図４（ａ）〕。この際、この開口は、可動部の各辺の外側に０．５μｍ程度はみ出して形成することが望ましい。次に、ＳＯＩ基板１４０の表面、即ち、ＳＯＩ層１４１側の表面に、可動電極１０１Ａ、１０１Ｂ、バネ１０２、バネの固定端１０９、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂ、可動ミラー１０５の構造材層１２０、固定ミラー１０６の構造材層１２０となる部位を覆うレジスト膜１３１を形成する〔図４（ｂ）〕。次いで、ＳＯＩ基板１４０の表面全体に保護用レジスト１３２を形成した後、ＳＯＩ基板１４０の裏面を、熱酸化膜１３０をマスクとして、ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングを行う。これにより、熱酸化膜１３０の開口部、即ち、波長可変フィルタの可動部となる部位に、深い溝１３３が、高アスペクト比にて形成できる〔図５（ａ）〕。この異方性エッチングにおいて、埋込み酸化膜１４２がエッチングストッパとなる。次に、可動部の底面を基板から離すために、溝１３３内の埋込み酸化膜１４２の除去を行うが、この方法には、次のウェットエッチングかドライエッチングのいずれかが用いられる。ウェットエッチングを用いる場合には、ＨＦ水溶液にてエッチングを行う。この場合、ウェットエッチングの進行とともに、固定電極やバネの固定端となる部位に向かっても埋込み酸化膜１４２のエッチングが進むが、例えば、埋込み酸化膜１４２の膜厚が２μｍ、可動電極と固定電極との間隔が１．５μｍ、固定電極の幅が４μｍ、バネの固定端が６μｍ□程度であれば、ウェットエッチングの時間を調節して、固定電極と可動電極を支持する４本のバネの固定端とを基板に固定しておくに十分な幅の酸化膜層を残すことが可能である。この工程において、基板裏面上の熱酸化膜１３０も除去される。ドライエッチングの場合には、Ｓｉとの選択比の大きいＣ３Ｆ８や、Ｃ３Ｆ８にＨ２や炭化水素ガスを添加したガス等を用いて、溝１３３内の埋込み酸化膜１４２の除去を行う。以上の工程により、本実施の形態の波長可変フィルタの可動部の底面がＳｉ基板１４３から分離され、溝１３３内で空中に露出する〔図５（ｂ）〕。
【００２１】
次に、ＳＯＩ基板１４０の表面を保護していた保護用レジスト１３２を除去し、露出したレジスト膜１３１をマスクとして、ＳＯＩ層１４１にＲＩＥエッチングを行う。このＲＩＥエッチングは埋込み酸化膜１４２が除去されるまで行うが、埋込み酸化膜１４２を越えてＳｉ基板１４３までエッチングが進行しても何ら不都合はない。以上の工程により、本実施形態の波長可変フィルタの各構成要素が形成される。最後に、ＳＯＩ層１４１の表面上のレジスト膜１３１をＯ２アッシングによって除去して、本実施の形態の製造工程を完了する〔図５（ｃ）〕。なお、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂやバネの固定端１０９に電圧を印加するための電極パッド（図示せず）は、例えば、上述の工程中のＳＯＩ基板１４０の表面にレジスト膜を形成する工程に先だって、パッド部になる領域にＡｌをデポシットする工程を置き、その後でレジスト膜１３１で覆い、以後の上述の工程を進めることによって、形成することができる。
【００２２】
次に、本実施の形態の波長可変フィルタの動作を具体的に説明する。
本実施の形態の波長可変フィルタは、ＳＯＩ層の膜厚が４μｍ、埋込み酸化膜の膜厚が２μｍのＳＯＩ基板１４０を用いて試作された。試作した波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ部の主要な構造パラメータを以下に記す。構造材は、Ｓｉである。構造は図１の基本構造と同じである。可動電極の櫛歯と固定電極の櫛歯間の狭い方の間隙と広い方の間隙の比は、１：２．５とした。また、本試作の可変波長フィルタでは、発生力を大きくするために、櫛歯数を図１に示した櫛歯数よりも増やした。
【００２３】
櫛歯の長さ：  ５０μｍ
櫛歯の幅：  ４μｍ
可動電極１０１Ａ、１０１Ｂの櫛歯数：  各１１
固定電極１０３Ａ、１０３Ｂの櫛歯数：  各６
固定電極１０４Ａ、１０４Ｂの櫛歯数：  各６
可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の狭い方の間隙：  １．６μｍ
可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の広い方の間隙：  ４．０μｍ
可動電極を支持するバネのバネ定数：  ６０．４Ｎ／ｍ
【００２４】
フォトニック結晶からなるミラーの構造は、図２のような１次元フォトニック結晶構造とした。その周期構造は、動作帯域の中心波長をλ＝１．５５μｍとして、空気の層を４層含んだ次のような構造とした。
Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／
Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／
Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／
Ｓｉ層（１１０ｎｍ）／空気層（３９０ｎｍ）／
Ｓｉ層（１１０ｎｍ）
ファブリペロー共振器部の主要な構造パラメータは以下の通りである。
構造材層の高さ：  ４μｍ
対向するミラー間の初期間隙：  ６．２μｍ
本実施の形態の波長可変フィルタは、チップ自体の大きさに限って言及すれば、約２００μｍ角内に収まる超小型素子であり、アレイ化にも適した構造である。
【００２５】
本実施の形態の波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・ドップラー振動計で調べたところ、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂに５０Ｖの電圧を印加した時に可動電極１０１Ａ、１０１Ｂは初期位置からミラー間隔が縮まる方向に２００ｎｍ、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂに５０Ｖの電圧を印加した時に可動電極１０１Ａ、１０１Ｂは初期位置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動することが判明した。また、駆動電圧の周波数をスイープしてマイクロアクチュエータの周波数応答スペクトルを調べたところ、共振周波数が約２３０ｋＨｚであることも判った。
【００２６】
次に、本実施の形態の可変波長フィルタのフィルタ特性を調べた。可変波長フィルタに波長多重光を入射し、透過光の波長を同定したところ、固定電極に電圧を印加していない状態での透過中心波長は設計通りに、１．５５μｍであった。固定電極１０３Ａ、１０３Ｂに印加する電圧値を増大させるに従い共振器長が減少して透過中心波長は小さくなり、５０Ｖ印加時では１５０２．０ｎｍであった。一方、固定電極１０４Ａ、１０４Ｂに印加する電圧値を増大させた場合には、共振器長の増加に伴い透過中心波長も大きくなり、５０Ｖ印加時には１５９７．４ｎｍであった。また、波長可変光源を用いて透過光の波長スペクトルを調べたところ、固定電極への電圧無印加時に、１．５５μｍを中心として可変幅約１００ｎｍの範囲内で共鳴透過スペクトルの透過率は９５％以上を示した。その時観測されるスペクトルの半値幅は約０．１ｎｍであった。
【００２７】
次に、図６を参照して第１の実施の形態の波長可変フィルタの他の作製方法を説明する。本実施形態における波長可変フィルタは、本作製方法によるマイクロマシニング技術を用いて、１枚のＳｉ基板に一括形成される。図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の波長可変フィルタの、図３に示す平面図のＡ−Ａ線に沿った工程順の断面図である。
まず、Ｓｉ基板１５１の表面に、レジストパターン１５２を形成し、このレジストパターン１５２をマスクとして、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂとなる部位、固定ミラー１０６の構造材層１２０となる部位、バネの固定端１０９が形成される部位を残して、他の領域を数μｍエッチングする〔図６（ａ）〕。次に、レジストパターンを形成し直して、波長可変フィルタの可動電極１０１Ａ、１０１Ｂ、４本のバネ１０２、バネの固定端１０９、固定電極１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂ、可動ミラー１０５の構造材層、固定ミラー１０６の構造材層となる部位を覆うレジストパターン１５３を形成する。このレジストパターン１５３をマスクとして、数μｍ〜数１０μｍエッチングを行う〔図６（ｂ）〕。この際のエッチングは、ＲＩＥ等の異方性エッチングを用いて、高アスペクト比構造が得られるようにする。次に、レジストパターン１５３を残した状態において、エッチングされた領域の底部に数１０ｎｍ厚のＳｉＮ層を形成する。これは、後の工程においてエッチングストップ層となる。以上の工程によって、Ｓｉ基板上に、可動部領域の上面が、後に波長可変フィルタの底部となる固定部領域の上面よりも数μｍだけ低い構造が形成される。
【００２８】
次に、Ｓｉ基板１５１の加工面と別途用意したガラス基板１５４とを、周知の陽極接合技術を用いて接合する。次に、Ｓｉ基板１５１の裏面を研磨して数１０μｍ程度の厚さに薄くした後、ＳｉＮエッチングストップ層までエッチングを行い、先のエッチングにて形成した波長可変フィルタの各部位を露出させて、本実施の形態の波長可変フィルタの製造工程を完了する。
【００２９】
〔第２の実施の形態〕
図７は、本発明の第２の実施の形態の波長可変フィルタの平面図である。図７は、デバイス全体レイアウト図であり、実用性を考慮した詳細設計に基づいて描かれている。図８は、図７の波長可変フィルタの主要部〔図７の破線で囲まれた領域〕の詳細な平面図である。図７、図８において、図１に示した第１の実施の形態と同等の部分には下２桁が等しい参照符号を付し重複する説明は適宜省略する。また、本実施の形態の概念的な斜視図は、図１に示された第１の実施の形態のそれと同様である。
図７、図８に示されるように、本実施の形態に係る波長可変フィルタは、第１の実施の形態の波長可変フィルタと同様に、１対の可動電極２０１Ａ、２０１Ｂと、可動電極を支持する４本のバネ２０２と、４本のバネのそれぞれの端部に設けられた固定端２０９と、２対の固定電極２０３Ａ、２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４Ｂと、フォトニック結晶からなる可動ミラー２０５と、可動ミラー２０５と対向する位置にあるフォトニック結晶からなる固定ミラー２０６と、を有している。２対の固定電極２０３Ａ、２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４Ｂと、バネの固定端２０９とには、それぞれ、電極取出し部２２０１、２２０２が形成されており、電極取出し部２２０１を介して２対の固定電極２０３Ａ、２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４Ｂには駆動電圧が印加され、電極取出し部２２０２を介してバネの固定端２０９は接地される。
【００３０】
図８に示されるように、本実施の形態の波長可変フィルタは、大きな外力が加わったり、電極に過大な電圧が加わったりした際における可動電極２０１Ａ、２０１Ｂの櫛歯と固定電極２０３Ａ、２０３Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂの櫛歯との衝突、あるいは可動ミラー２０５と固定ミラー２０６との衝突を防止するために、ストッパー２２１を備えている。また、可動電極の変位をモニタできるよう、電極取出し部２２０３の端部と可動電極２０１Ａ、２０１Ｂの端部との間隔２２２が静電容量型変位センサ部を形成している。本実施の形態においては、可動ミラー２０５および固定ミラー２０６から形成される共振器にコリメート光を入／出射させるために、光が入射する側と出射する側とに、それぞれ、１本の直径１２５μｍのコリメーション・ファイバを、共振器を挟むように突き合せて配置する。従って、本実施の形態の波長可変フィルタには、コリメーション・ファイバを挿入するための深い溝(ファイバ挿入溝)が設けられている。なお、図７、図８における各固定電極の櫛歯数は６本であり、各可動電極の櫛歯数は１１本である。
【００３１】
この構成において、第１の実施の形態と同様に、１対の可動電極２０１Ａ、２０１Ｂと、これらを支持する４本のバネ２０２および固定端２０９と、２対の固定電極２０３Ａ、２０３Ｂおよび２０４Ａ、２０４Ｂと、から成るマイクロアクチュエータを用いて、可動ミラー２０５を図の左右方向に駆動して、可動ミラー２０５と固定ミラー２０６との間隙（すなわち、共振器長）を制御することにより、可動ミラー２０５に入射する波長多重された入射信号光のうち、固定ミラー２０６から所望の波長を持つ出射信号光を選択的に透過させる。これにより、広帯域において透過スペクトルの透過率が高く、かつ、バンド幅が狭い良好なフィルタ特性を実現することが可能となる。
【００３２】
本実施の形態による波長可変フィルタの各構成要素の働きは、第１の実施の形態の場合と同様であるが、左方向駆動用固定電極対２０４Ａ、２０４Ｂおよび右方向駆動用固定電極対２０３Ａ、２０３Ｂに印加する電圧を、それぞれ、Ｖ＋、Ｖ−としたとき、電圧一定のバイアス電圧Ｖ０と電圧可変の制御電圧Ｖとを用いて、Ｖ＋＝Ｖ０＋Ｖ、Ｖ−＝Ｖ０−Ｖと、左方向駆動用固定電極対２０４Ａ、２０４Ｂと右方向駆動用固定電極対２０３Ａ、２０３Ｂとに、差動的に電圧を印加して可動電極を駆動することにより、印加電圧に対する変位応答の線形性を改善することも可能である。その効果は変位が小さい時に、より顕著となる。
【００３３】
次に、本実施の形態におけるミラーの構造について説明する。フォトニック結晶からなるミラーは可動ミラー２０５および固定ミラー２０６ともに長方形の空孔を形成した構造材層と、空孔を満たしている空気層との周期構造からなる1次元フォトニック結晶より成っている。構造材層および空気層それぞれの層厚ｄＳおよびｄＡは、各層の屈折率をそれぞれｎＳおよびｎＡ、波長可変フィルタの動作帯域の真空中での中心波長をλとして、（３）式のように決定される。
ｄｉ＝ｕλ／４ｎｉ                      ・・・（３）
ここで、ｕは奇数であり、各層で異なる値をとっても構わない。また、添え字ｉは、構造材層（ｉ＝Ｓ）および空気層（ｉ＝Ａ）を示している。
【００３４】
これにより、λを中心波長としたフォトニックバンドギャップが形成され、波長可変フィルタの動作帯域において１次元フォトニック結晶が高反射率ミラーとして機能する。ｕの値が大きくなれば、それだけ作製は容易になるが、フォトニックバンドギャップを示す波長帯域は狭くなる。本実施の形態における１次元フォトニック結晶を用いた可動ミラー２０５および固定ミラー２０６は、空気層を４層含む次のような周期構造となる。
構造材層（ｄＳ＝ｕＳλ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝ｕＡλ/４）／
構造材層（ｄＳ＝ｕＳλ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝ｕＡλ/４）／
構造材層（ｄＳ＝ｕＳλ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝ｕＡλ/４）／
構造材層（ｄＳ＝ｕＳλ/４ｎＳ）／空気層（ｄＡ＝ｕＡλ/４）／
構造材層（ｄＳ＝ｕＳλ/４ｎＳ）
ただし、空気の屈折率：ｎＡ＝１とした。本実施の形態では、上記の通り空気層が４層含まれる構造を採っているが、もちろん、その周期は数周期もあれば十分である。
本発明の波長可変フィルタの構造材層としては、第１の実施の形態と同様に、既に半導体微細加工技術の分野において十分な実績があり、尚且つ、高屈折率を有するＳｉが使用された。
【００３５】
次に、本実施の形態の波長可変フィルタの製造方法について説明する。図９（ａ）〜図１１（ｄ）は、本実施の形態の製造方法を説明するための工程順の断面図である。図９（ａ）〜図１１（ｄ）は、図８のＢ−Ｂ線に沿った断面を９０°左回転して示している。本実施の形態の波長可変フィルタは、以下に示すような、ＳＯＩ基板を用いた２枚マスクによる表面プロセスにより一括形成される。１枚目のマスクでは、本実施の形態の波長可変フィルタの構成要素である１次元フォトニック結晶ミラーから成る共振器および静電駆動型マイクロアクチュエータのパターニングを行う。また、２枚目のマスクでは、光が入射する側と出射する側とに直径１２５μｍのコリメーション・ファイバ２本を共振器を挟むように突き合せて配置するためのファイバ挿入溝のパターニングを行う。
【００３６】
まず、Ｓｉ基板２４３上に埋込み酸化膜２４２を介してＳＯＩ層２４１が形成された面指数（１１０）のＰ型ＳＯＩ基板２４０を用意し〔図９（ａ）〕、ウエハ表面に濃度１０２０ｃｍ−３程度のボロン拡散層２４４を形成する〔図９（ｂ）〕。次に、ウエハ表面に熱酸化膜２４５を形成する〔図９（ｃ）〕。次いで、１次元フォトニック結晶ミラーから成る共振器および静電駆動型マイクロアクチュエータがパターニングされている１枚目のマスクを用いてフォトリソグラフィーを行い、熱酸化膜２４５上に第１のレジスト層２４６をパターニングする〔図９（ｄ）〕。この時、波長可変フィルタの可動ミラー２０５および固定ミラー２０６のミラー面とＳＯＩ層２４１の（１１１）面とが一致するよう、マスクとＳＯＩウエハ２４０とをアライメントする。次いで、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により熱酸化膜２４５のパターニングを行った〔図１０（ａ）〕後、第１のレジスト層２４６を取り除く〔図１０（ｂ）〕。次に、熱酸化膜２４５の上に第２のレジスト層２４７を厚く塗り、ファイバ挿入溝がパターニングされている２枚目のマスクを用いてフォトリソグラフィー技術により第２のレジスト層２４７のパターニングを行う〔図１０（ｃ）〕。次いで、ＲＩＥ技術により、順次、ＳＯＩ層２４１のエッチング〔図１０（ｄ）〕、埋め込み酸化膜２４２のエッチング〔図１０（ｅ）〕、Ｓｉ基板２４３のエッチング〔図１１（ａ）〕を行ってファイバ挿入溝を浅く形成する。次に、第２のレジスト層２４７を除去〔図１１（ｂ）〕した後、熱酸化膜２４５をマスクとしてＲＩＥ技術によりＳＯＩ層２４１のエッチングを行い、その後、ＫＯＨ水溶液によりミラー面として機能する可動ミラー２０５および固定ミラー２０６の側壁をより平坦化する〔図１１（ｃ）〕。この側壁平坦化の原理は次の通りである。ミラー面として機能する側壁に一致するようアライメントされたＳＯＩ層２４１の（１１１）面はＫＯＨ水溶液に対するエッチングレートが非常に低い。一方、側壁に存在する凹凸は様々な結晶面が露出しているためにＫＯＨ水溶液に対するエッチングレートが高い。この両者のエッチングレートの差により側壁の平坦性が著しく改善される。最後に、ＨＦ水溶液により熱酸化膜２４５と、可動部の埋め込み酸化膜２４２の除去〔図１１（ｄ）〕とを行い、可動部をリリースして本実施の形態の波長可変フィルタの製造工程を完了する。
なお、本実施の形態においては金属製の電極パッドは形成しなかったが、図１１（ｄ）の工程の終了後にメタルマスクを介して金属膜を被着してメタルパッドを形成することもできる。また、図９（ｂ）に示すように、ＳＯＩ層表面にボロン拡散層を形成した後、リフトオフ法ないし堆積／フォトエッチング法によって金属電極パッドを形成し、その上にエッチング用マスクとなる酸化膜をＣＶＤ法により形成すればよい。あるいは、図９（ｃ）に示す工程において、熱酸化膜２４５を形成するのに代えて電極パッドとなる金属膜を被着し、これをマスクとしてＳＯＩ層、Ｓｉ基板のエッチングを行うようにしてもよい。
【００３７】
以上により、本実施の形態の波長可変フィルタの各構成要素が形成される。埋め込み酸化膜２４２の除去に際しては、図８に示すように、固定電極２０３Ａ、２０３Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂや固定ミラー２０６、固定端２０９等の埋め込み酸化膜２４２を介してＳｉ基板２４３に固定されるべき部分と、Ｓｉ基板２４３から完全にリリースされるべき可動電極２０１Ａ、２０１Ｂやバネ２０２とでは、その構造の幅や面積の上でかなりの差を持たせているため、ＨＦ水溶液に浸漬する時間を適度に調節すれば、可動電極２０１Ａ、２０１Ｂとバネ２０２のみをＳｉ基板２４３からリリースすることが可能となる。なお、固定電極と可動電極との櫛歯の幅が等しければ、基板からの可動電極のリリースとともに固定電極の櫛歯の部分もリリースするが、図８に示すように櫛歯の幅をバネの幅よりも広くして剛性を高くしておくと、固定電極に電圧を印加し、固定電極の櫛歯と可動電極の櫛歯との間に静電力を作用させてもバネが変形するだけであるので、固定電極の櫛歯が基板からリリースすることには何ら問題がない。
【００３８】
次に、本実施の形態の波長可変フィルタの動作を具体的に説明する。
本実施の形態の波長可変フィルタは、ＳＯＩ層の膜厚が４０μｍ、埋込み酸化膜の膜厚が２μｍのＳＯＩ基板２４０を用いて試作された。試作した波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ部の主要な構造パラメータを以下に記す。構造材は、Ｓｉである。構造は図７、図８に示されるものと同じである。可動電極の櫛歯と固定電極の櫛歯との間の狭い方の間隙と広い方の間隙の比は、１：２．８とした。
【００３９】
櫛歯同士対向し合った部分の長さ：  ５０μｍ
櫛歯の幅：  ４μｍ
可動電極２０１Ａ、２０１Ｂの櫛歯数：  各１１
固定電極２０３Ａ、２０３Ｂの櫛歯数：  各６
固定電極２０４Ａ、２０４Ｂの櫛歯数：  各６
可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の狭い方の間隙：  １．５μｍ
可動電極の櫛歯−固定電極の櫛歯間の広い方の間隙：  ４．２μｍ
可動電極を支持するバネのバネ定数：  ２１８Ｎ／ｍ
【００４０】
フォトニック結晶からなるミラーの構造は、図８に示されるような１次元フォトニック結晶構造とした。その周期構造は、動作帯域の中心波長をλ＝１．５５μｍとして、空気の層を４層含んだ次のような構造とした。
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）
ファブリペロー共振器部の主要な構造パラメータは以下の通りである。
構造材層の高さ：  ４０μｍ
対向するミラー間の初期間隙：  １．５５μｍ
本実施の形態の波長可変フィルタは、チップ自体の大きさに限って言及すれば、約１ｍｍ角内に収まる超小型素子であり、アレイ化にも適した構造である。
【００４１】
本実施の形態の波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・ドップラー振動計で調べたところ、固定電極２０３Ａ、２０３Ｂに約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極２０１Ａ、２０１Ｂは初期位置からミラー間隔が縮まる方向に２００ｎｍ、固定電極２０４Ａ、２０４Ｂに２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極２０１Ａ、２０１Ｂは初期位置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動することが判明した。また、駆動電圧の周波数をスイープしてマイクロアクチュエータの周波数応答スペクトルを調べたところ、共振周波数が約６０ｋＨｚであることも判った。
【００４２】
次に、本実施の形態の波長可変フィルタの分光特性を調べた。分光特性評価時の光学系は、光が入射する側と出射する側とにそれぞれ１本の直径１２５μｍのコリメーション・ファイバを共振器を挟むように突き合せて配置した。コリメーション・ファイバのビームウエストにおけるビーム径は約２０μｍ、ワーキングディスタンスは３００μｍである。以上のような光学系の下、波長可変フィルタに入射する光の波長をスイープさせて分光特性を測定したところ、固定電極に電圧を印加していない状態での透過スペクトルの中心波長は設計通りに、１．５５μｍであった。固定電極２０３Ａ、２０３Ｂに印加する電圧値を増大させるに従い共振器長が減少して透過スペクトルの中心波長は短くなり、２８Ｖ印加時では約１４７５ｎｍであった。一方、固定電極２０４Ａ、２０４Ｂに印加する電圧値を増大させた場合には、共振器長の増加に伴い透過スペクトルの中心波長も長くなり、２８Ｖ印加時には約１６０５ｎｍであった。また、上記波長可変帯域１４７５ｎｍから１６０５ｎｍにおいて、透過スペクトルの透過損失は−０．８ｄＢ以内、半値幅は０．０６ｎｍ以下であった。なお、透過スペクトルのピークからゲインを２５ｄＢ低下させたレベルでの帯域幅（−２５ｄＢバンド幅）は０．８ｎｍ以下であった。
【００４３】
〔第３の実施の形態〕
図１２は、本発明の第３の実施の形態の波長可変フィルタの斜視図である。図１３は、第３の実施の形態の波長可変フィルタの平面図である。ここで、図１２は、本実施の形態の波長可変フィルタにおいて必要となる最少構成要素のみを簡潔に記した概念図であり、図１３は、実用性を考慮した詳細設計に基づいて描かれたデバイスレイアウト図である。
図１３に示すように、本実施の形態における波長可変フィルタは、Ｃ−Ｃ線に関して左右反転対称であり、左半分の構造は、図８に示される第２の実施の形態の波長可変フィルタの構造と同じである。図１２および図１３において、図１および図８に示した第１および第２の実施の形態と同等の構成要素には下二桁が等しい参照符号を付し、さらに、右半分の構成要素には参照符号の後に「’」を付して、重複する説明を省略する。固定ミラー３０６は左右で共通である。なお、図１２では基板と絶縁層が、図１３では電極パッド部が省略されている。
【００４４】
本実施の形態における波長可変フィルタは、フォトニック結晶からなる固定ミラー３０６の左右両側に可動ミラー３０５および３０５’が対向する構造、すなわち２つのキャビティを持つ構造をとっている。ファブリペロー共振器において、第１および第２の実施の形態のようにキャビティを１つしか有しない構造がシングルキャビティ構造と呼ばれるのに対して、本実施の形態のようにキャビティを複数有する構造はマルチキャビティ構造と称されるが、このマルチキャビティ構造を採用することによって、透過スペクトルの矩形性を、シングルキャビティ構造に比べて著しく改善することができる。透過スペクトルの矩形性改善は、波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送方式において、波長領域における隣接チャネル間のクロストークを抑制しつつ、１チャネルあたりのバンド幅を広げることができるので有益である。
本実施の形態の波長可変フィルタは、第２の実施の形態の波長可変フィルタと同様の製造方法によって作製可能である。
【００４５】
フォトニック結晶からなるミラーの構造は、図１３に示すように、第２の実施の形態の場合と同様に１次元フォトニック結晶構造とした。可動ミラー３０５および３０５’の周期構造は、第２の実施の形態と全く同じであり、その動作帯域の中心波長がλ＝１．５５μｍとなるように、空気層を４層含んだ以下のような構造とした。
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）
【００４６】
また、固定ミラー３０６の周期構造は、動作帯域の中心波長がλ＝１．５５μｍとなるように、空気層を９層含んだ以下のような構造とした。
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）／空気層（１１６３ｎｍ）／
Ｓｉ層（９９６ｎｍ）
【００４７】
共振器部の主要な構造パラメータは以下の通りである。
構造材層の高さ：  ４０μｍ
対向するミラー間の初期間隙：  １．５５μｍ
【００４８】
本実施の形態の波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・ドップラー振動計で調べたところ、第２の実施の形態の場合と同様な動特性が得られた。まず、固定電極３０３Ａ、３０３Ｂに約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極３０１Ａ、３０１Ｂは初期位置からミラー間隔が縮まる方向に２００ｎｍ、固定電極３０４Ａ、３０４Ｂに２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極３０１Ａ、３０１Ｂは初期位置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動することが判明した。同様に、固定電極３０３Ａ’、３０３Ｂ’に約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極３０１Ａ’、３０１Ｂ’は初期位置からミラー間隔が縮まる方向に２００ｎｍ、固定電極３０４Ａ’、３０４Ｂ’に２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極３０１Ａ’、３０１Ｂ’は初期位置からミラー間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動することが明らかとなった。また、駆動電圧の周波数をスイープしてマイクロアクチュエータの周波数応答スペクトルを調べたところ、可動ミラー３０５および３０５’ともに主共振が約６０ｋＨｚであることが判った。
【００４９】
次に、第２の実施の形態の場合と同じ光学系を用いて、本実施の形態の波長可変フィルタの分光特性を調べた。波長可変フィルタに入射する光の波長をスイープさせて分光特性を測定したところ、固定電極に電圧を印加していない状態での透過スペクトルの中心波長は設計通りに、１．５５μｍであった。固定電極３０３Ａ、３０３Ｂ、３０３Ａ’、３０３Ｂ’に印加する電圧値を増大させるに従い共振器長が減少して透過スペクトルの中心波長は短くなり、２８Ｖ印加時では約１４７５ｎｍであった。一方、固定電極３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ａ’、３０４Ｂ’に印加する電圧値を増大させた場合には、共振器長の増加に伴い透過スペクトルの中心波長も大きくなり、２８Ｖ印加時には約１６０５ｎｍであった。上記波長可変帯域１４７５ｎｍから１６０５ｎｍにおいて、透過スペクトルの透過損失は−１．５ｄＢ以内、半値幅は０．０６ｎｍ以下であった。また、−２５ｄＢバンド幅は、０．４ｎｍ以下であった。−２５ｄＢバンド幅／半値幅比を、本実施の形態の場合と第２の実施の形態の場合とで比較すると、本実施の形態の場合の方が第２の実施の形態の場合の半分程度である。したがって、本実施の形態における波長可変フィルタは、共振器の構造がダブルキャビティ構造であることにより、第２の実施の形態におけるシングルキャビティの共振器の波長可変フィルタに比べ、その透過スペクトルの矩形性が改善されていることが明らかである。
【００５０】
〔第４の実施の形態〕
図１４は、本発明の第４の実施の形態の波長可変レーザの斜視図である。図１４には、本実施の形態の波長可変レーザにおいて必要となる最少構成要素のみが簡潔に記されている。図１４に示されるように、本実施の形態における波長可変レーザは、第１あるいは第２の実施の形態における波長可変フィルタの固定ミラーの替わりにレーザチップ４６１を搭載した構造となっている。図１４において、図１に示した第１の実施の形態と同等の構成要素には下２桁が等しい参照符号を付して、重複する説明を省略する。
レーザチップ４６１と可動ミラー４０５は、ファブリペロー型レーザを構成し、その共振器長は約３００μｍである。レーザチップ４６１の可動ミラー４０５と向き合う側のへき開面には反射防止膜が形成されており、レーザチップ４６１は可動ミラー４０５から約３μｍ隔てた位置に実装されている。このような構成により、可動ミラー４０５を外部共振器とした波長可変レーザを得ることができる。
【００５１】
本実施の形態の波長可変レーザは、レーザチップ４６１を除けば、外部共振機構および静電駆動型マイクロアクチュエータからなる共振器長可変機構とも、第２の実施の形態の波長可変フィルタと同様の製造方法によって作製可能である。フォトニック結晶からなる可動ミラー４０５の周期構造は、動作帯域の中心波長がλ＝１．５５μｍとなるように、空気層を４層含んだ第２および第３の実施の形態の構造と全く同じある。構造材層の高さおよび可動ミラー４０５の１次元フォトニック結晶が形成されている部分の幅は４０μｍである。
【００５２】
本実施の形態の波長可変フィルタにおけるマイクロアクチュエータ部の動特性を顕微鏡型レーザ・ドップラー振動計で調べたところ、第２の実施の形態の場合と同様な動特性が得られた。固定電極４０３Ａ、４０３Ｂに約２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極４０１Ａ、４０１Ｂは初期位置から可動ミラー４０５とレーザチップ４６１との間隔が縮まる方向に２００ｎｍ、固定電極４０４Ａ、４０４Ｂに２８Ｖの電圧を印加した時に可動電極４０１Ａ、４０１Ｂは初期位置から可動ミラー４０５とレーザチップ４６１との間隔が広がる方向に２００ｎｍ並進移動することが判明した。また、駆動電圧の周波数をスイープしてマイクロアクチュエータの周波数応答スペクトルを調べたところ、可動ミラー４０５の主共振が約６０ｋＨｚであることが判った。
【００５３】
また、上述のマイクロアクチュエータ部の動特性評価と同時に、レーザチップ４６１に２５ｍＡの動作電流を流し、本実施の形態の波長可変レーザの発振特性を調べた。その結果、ファブリペロー型レーザの縦モードのうちある特定の発振モードに着目すると、上述のように可動ミラー４０５を±２００ｎｍ動かしたときに、発振波長が約０．４ｎｍシフトすることが明らかになった。
第４の実施の形態は、第２の実施の形態とレーザチップとを組み合わせたものであったが、第３の実施の形態の固定ミラーに代えてレーザチップを配置するようにすることもできる。この場合にはレーザチップの両端面に反射防止膜が形成される。
【００５４】
以上、本発明をその好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明の波長可変フィルタおよび波長可変レーザは、上述した実施の形態のみに制限されるものではなく、本願発明の要旨を変更しない範囲で種々の変化を施した波長可変フィルタも、本発明の範囲に含まれる。例えば、可動電極および固定電極の櫛歯数は、必要な静電引力に応じて変更することができる。可動電極を支持する４本のバネも、板バネだけではなく、可動電極の変位量を大きくしたい場合には、バネ定数の小さくなる複数回の折り返し構造を持つバネにしてもよい。また、構造材はＳｉに限らず、ＧａＡｓやＩｎＰ等の高屈折率を持つ材料が用いられ得る。ミラーの構造についても、１次元フォトニック結晶に限らず、構造材中に円柱孔が三角格子配列あるいは正方格子配列した２次元フォトニック結晶構造を用いても良い。さらに、エッチングマスクとして用いた熱酸化膜は、熱酸化膜に限らず、シリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを積層したものであってもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による波長可変フィルタは、▲１▼ファブリペロー共振器型波長可変フィルタの共振器を構成する対向する一対のミラーのミラー面が基板に対して垂直に形成され、そのミラーが高屈折率半導体と空気の周期構造から成るフォトニック結晶である、▲２▼光の伝播経路にフォトニック結晶からなるミラー以外に基板等の不要な物質が存在しない、という特徴を有するものであるので、本発明によれば、広帯域において透過スペクトルの透過率が高く、尚且つ、そのバンド幅が狭い良好なフィルタ特性を示す波長可変フィルタを実現することが可能になる。
【００５６】
また、本発明による波長可変フィルタおよび波長可変レーザは、▲３▼共振器を構成するミラーを高屈折率半導体と空気の周期構造から成る１次元フォトニック結晶構造とする、▲４▼ファブリペロー共振器の共振器長可変機構を静電駆動型マイクロアクチュエータで構成する、▲５▼マイクロアクチュエータの構造材がフォトニック結晶の構造材と同じ高屈折率半導体である、という特徴を有するものであるので、半導体微細加工技術を基礎としたマイクロマシーニングによって、共振器長可変機構およびフォトニック結晶構造を一括成形できる。したがって、本発明によれば、小型で安価な波長可変フィルタおよび波長可変レーザを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の波長可変フィルタの斜視図。
【図２】  本発明の第１の実施の形態の固定ミラーの平面図。
【図３】  本発明の第１の実施の形態の波長可変ミラーの平面図。
【図４】  本発明の第１の実施の形態の一製造方法を説明するための工程順の断面図の一部。
【図５】  本発明の第１の実施の形態の一製造方法を説明するための、図４の工程に続く工程での工程順の断面図。
【図６】  本発明の第１の実施の形態の他の製造方法を説明するための工程順の断面図。
【図７】  本発明の第２の実施の形態の波長可変フィルタの平面図。
【図８】  図７の波長可変フィルタの主要部の平面図。
【図９】  本発明の第２の実施の形態の製造方法を説明するための工程順断面図の一部。
【図１０】  本発明の第２の実施の形態の製造方法を説明するための、図９の工程に続く工程での工程順断面図の一部。
【図１１】  本発明の第２の実施の形態の製造方法を説明するための、図１０の工程に続く工程での工程順断面図。
【図１２】  本発明の第３の実施の形態の波長可変フィルタの斜視図。
【図１３】  図１２の波長可変フィルタの平面図。
【図１４】  本発明の第４の実施の形態の波長可変レーザの斜視図。
【図１５】  従来例の波長可変フィルタの断面図。
【符号の説明】
１０１Ａ、１０１Ｂ、２０１Ａ、２０１Ｂ、３０１Ａ、３０１Ｂ、３０１Ａ’、３０１Ｂ’、４０１Ａ、４０１Ｂ  可動電極
１０２、２０２、３０２、３０２’、４０２  可動電極を支持する４本のバネ
１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂ、２０３Ａ、２０３Ｂ、２０４Ａ、２０４Ｂ、３０３Ａ、３０３Ｂ、３０４Ａ、３０４Ｂ、３０３Ａ’、３０３Ｂ’、３０４Ａ’、３０４Ｂ’、４０３Ａ、４０３Ｂ、４０４Ａ、４０４Ｂ  固定電極
１０５、２０５、３０５、３０５’、４０５  フォトニック結晶からなる可動ミラー
１０６、２０６、３０６  フォトニック結晶からなる固定ミラー
１０７  基板
１０８  絶縁層
１０９、２０９、３０９、３０９’、４０９  可動電極を支持する４本のバネの固定端
１２０  構造材層
１２１  空気層
１３０  熱酸化膜
１３１  レジスト膜
１３２  保護用レジスト
１３３  溝
１４０、２４０  ＳＯＩ基板
１４１、２４１  ＳＯＩ層
１４２、２４２  埋め込み酸化膜
１４３、２４３  Ｓｉ基板
１５１  シリコン基板
１５２、１５３  レジストパターン
１５４  ガラス基板
２２０１、２２０２、２２０３  電極取出し部
２２１、３２１、３２１’  ストッパー
２２２、３２２、３２２’  間隔
２４４  ボロン拡散層
２４５  熱酸化膜
２４６  第１のレジスト層
２４７  第２のレジスト層
４６１  レーザチップ
５００  光導波路基板
５０１、５０２  光導波路
５０３  ダイヤフラム型マイクロマシン
５０４  本体
５０５  ダイヤフラム
５０６、５０７  電極
５０８、５０９  ハーフミラー
５１０、５１１  光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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