光MEMS

東北大学大学院工学研究科ファインメカニクス専攻

羽根 一博

MEMS集中講義 8月1日（火） 10:40-12:00

内容

１．はじめに 国際会議等の傾向など

２．ディスプレイ

３．車載用スキャナ

４．高機能ミラー

５．光通信とシリコンフォトニクス

６．ミラーとLSIの集積

７．異種半導体の集積（Si+GaN)

８．まとめ

Transducers 2017

Transducers 2017

Tele

com

Scanning mirror,

Imaging

Sensor,

Sensing

Optical

components,

Actuator,

Integration

Bio

Medical

Others

Meta

material

20179%

7%

10%

10%

11%10%9%

19%

15%

Telecom 12 Scanning Mirror, Imaging 9

Sensor and Sensing 13 Optical components, Actuator 13

Bio 14 Adaptive Opt. 13

Nano Opt. 12 Meta material 25

Others 19 Total 130

Opt MEMS 2016

Opt MEMS 2016

ディスプレイ

マイクロミラーディスプレイ

走査

走査

DMD型

GLV型

MS型

投影光学系

2次元ミラーアレイ 白色インコヒーレント(2次元空間変調器）

1次元ミラーアレイ 三原色レーザ（1次元空間変調器＋1次元走査）

2次元走査単一ミラー 三原色レーザ(2次元走査）

http://www.dlp.com/jp/pico-projector/phone-projector/default.aspx

DLP Pico プロジェクタ5～50 インチの画像表示内蔵デジタルカメラLED 光源高解像度のカラータッチスクリーン直感的なフリック・ナビゲーションでプレゼンテーションやスライドショーを操作内蔵オーディオスピーカ完璧なモバイルオフィスおよびエンターテインメント・ソリューション軽量かつコンパクトなデザインDLP Pico チップセット

Laser Focus World January 2011 p9

http://goodereader.com/blog/e-paper/qualcomm-

mirasol-screen-technology-what-went-wrong

明るい場所で比較した液晶とMEMS

シャッター

朝日新聞ニュース2014

応用物理 ７６（２００７）１７４

Optical MEMS 2009

2D micromirror scanner

Light source 3 color LDs

Scanning三原色レーザ

2軸走査マイクロミラー

ビーム走査

スクリーン

2次元走査レーザディスプレイ

レーザディスプレイへの要求仕様

1.1

DN

θ:光学角(rad)

解像度N:

D:ミラー直径(m)

λ:波長(m)

１７

Optical MEMS 2008

2015；米ソニーからモバイルプロジェクターMP-CL1の発売が開始された。価格は350ドル。Wi-FiやHDMI/MHL接続ができ、スマートフォンやタブレットの映像を投影可能だ。ソニーは昨年初めに、同社のイメージセンサーとMicroVisionのMEMS（微小電気機械システム）ミラー技術を応用したPicoPモジュールを開発している。独自開発のレーザー走査方式（LBS）技術によって、投影面との距離や角

度にかかわらず焦点を合わせることができる「フォーカスフリー」が特長。また斜め画像歪補正回路により、投影面に対して斜めから投影すると台形などに歪む映像も本来の長方形画面に補正できるとしている。レンズは固定焦点レンズ。ネイティブ解像度はバッテリー駆動のピコプロジェクターで主流のVGAやWVGAを上回るHD解像度（1920×720）を実現。アスペクト比は16:9で、コントラスト比は80000:1。3メートルの距離で約120インチのスクリーン投影ができる。

HD解像度（1920×720）を実現http://www.pronews.jp/news/20151020185038.html

走査ミラーの市販モバイルプロジェクター

共振スキャナーのモデル

)exp(02

2

tikdt

dC

dt

dI

蓄えられるエネルギー(1周期)

20

20

2

1IE

消費されるエネルギー(1周期)

200 CL

C

I

L

EQ 02

共振運転： 消費エネルギー＝電気的供給エネルギー

R

VCL

2200

RC

V

0

0

I

k 0)0( C

R: 電気等価抵抗

θ:機械角(rad)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Mirror in air

Fracture limit

Mirror in vacuum

Resonant scanning frequency f0 (kHz)

Re

so

lutio

n n

um

be

r N

D=1.4mm

1.5

2.0

2.53.0

3.51.2 1.1 1.0

1.51.4

2.5

D=3.0mm

G=6.15×1010Pa (Siヤング率:160GPa、ポアソン比:0.3)、 λ=0.7μm、 a=20μm、 ℓ=150μm、 ρ=2.3×103Kg/m3、Ω=8733、 h=10μm、 g=150μm、 μ=1.8×10-5Pa・sec（大気圧）

共振スキャナーのモデル解析

陽極接合による2Dミラーのパッケージ

H.M.Chu etal, J. Electrostatics 71(2)(2013)130-133

500 μm

スキャンイメージ

ミラー共振周波数：40kHz

フレーム共振周波数：162Hz

水平方向回転軸垂直方向回転軸

ミラー電圧：12V(11.5度)

フレーム電圧：10V(14度)

圧力：１Pa 真空

2軸回転の走査マイクロミラー

低融点金属の支持構造を用いた陽極接合

１．高真空ベーキングによる排気２．ゲッターの活性化３．真空中接合

パッケージした２Dマイクロミラー

H.M.Chu, T.Sasaki, K.Hane, Transducers’11 558-561

100

101

102

3000

3600

4200

4800

5400

6000

6600

7200

7800

8400(b)Packaged mirror (Type I)

Qual

ity F

acto

r

Pressure (Pa)

100

101

102

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

(a)Packaged mirror (Type I)

Opti

cal

Rota

tion A

ngle

(deg

rees

)

Pressure (Pa)

振動振幅とQ値の圧力依存性

パッケージ内圧力：0.7Pa

High-Q MEMS Resonators for Laser Beam Scanning DisplaysU. Hofmann, J. Janes H-J.Quenzer, Micromachines 2012, 3, 509-528

High Q-factors up to 145,000 total optical scan angle of 86 degrees at a resonant frequency of 30.8 kHz

車載用スキャナ

棚橋ら，「レーザープロジェクターを用いたフルカラーヘッドアップディスプレイの開発」，PIONEER R&D (Vol.22, 2013),1-7

レーザープロジェクターを用いた`ヘッドアップディスプレイ（パイオニア）

ラスタースキャン方式

レーザープロジェクターの外観写真

RGB 光源モジュールの外観写真

パイオニア（株），光学43(10)464(2014)

今夏、Googleの開発した自動運転専用車もいよいよ公道デビュー

http://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/1505/29/news024.html

赤外線レーザ

赤外線検出器

Time of fright 測定

用途 走査角度 分解能 周波数 最小ミラー径(投光)

距離検出投光用 90~360度

~0.5度/点150点~600点

>200Hz

~110μm

運転支援ディスプレイ >30度

>0.05度/点640点(VGA)

16kHz

（VGA) ~670μm

車載用MEMSスキャナの仕様例

日経エレクトロニクス 2016年1月号 Emerging TechMEMS技術で3次元LIDARが小型化、パイオニアや日本信号が相次ぎ投入日経Robotics、今月の1本 進藤智則 2015/12/18 00:00 1/3ページ

市販LIDAR

受光用7x2

スキャナ投光用スキャナ

T. Sandner, et.al. Proc. SPIE 7594, doi: 10.1117/12.844926 (2010)

Omnidriectional scanning concept

Schematic cross-section of the packaged MEMS mirror

Fabricated tripod MEMS mirror

Circular scanning trajectory by biaxial MEMS actuation

The MEMS mirror oscillates at 550 Hz.

mirror diameter = 7 mm

circular scan trajectory

mechanical tilt angle = +/-

15 degrees

a high Q-factor in vacuum

encapsulation

Optical MEMS 2012 pp. 150-151

詳細：J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 13(1), 011103 (Jan–Mar 2014)

全方向走査マイクロミラー

1000mmContact hole

Frame

Mirror

Comb Electrode

Scanning beam pattern

2.5 deg.

2.5

de

g.

Size [mm]

Mirror Area 3480 * 2000

Torsion Bar Length 425

Torsion Bar Width 20

Device Layer Thickness 50

Handle Layer Thickness 200

高機能ミラー

焦点可変ミラー付きスキャナ

Varifocal Scanner Using Wafer Bonding

K. Nakazawa, et.al, J. MEMS 26(2) (2017) 440-447

Varifocal

mirror

Movable

comb

Torsion

spring

Electrode of

Fixed comb

Electrode of

varifocal mirror

Varifocal mirror Scanner

Diameter 2 mm Torsion bar length 770 μm

Thickness 10 μm Torsion bar width 60 μm

gap spacing 25 μm Torsion bar thickness 60 μm

Number of beams 16 Number of combs 21

Comb length 500 μm

Comb width 30 μm

Comb gap spacing 10 μm

Design parameters of the varifocal scanner

Au – Au thermocompression

bonding

high yield, high electrical

conductivity, low process

temperature

Fabrication Scanner chip

Si SiO2

Scanner chip

SOI wafer (60 μm/2 μm/300 μm)

1. SiO2 deposition, pattering 3. Si etching 5. BOX etching

2. Cr/Au deposition, pattering 4. Si etching

Bonding pad

(frame)Bonding pad

(mirror)

Torsion

spring

Electrode of

fixed comb

1 mm

Electrode of

mirror

Fabricated Scanner Chip

Cr/Au

Counter

electrode

Fabrication Mirror chip

Si SiO2 Cr/Au

3. Cr/Au deposition, pattering1. SiO2 deposition, pattering

Bonding pad

(frame)Bonding pad

(mirror)

1 mm

2. Si etchingMirror chip

SOI wafer (10 μm/2 μm/300 μm)

Varifocal

mirror

Fabricated Varifocal Mirror Chip

Si SiO2 Cr/Au

1. Bonding 2. Si etching

1 mm

Varifocal

mirror

Fixed comb

3. BOX etching

Fabricated Varifocal Scanner

Fabrication Bonding and Releasing

Process temp.: 290°C

Loading pressure: 6 MPa

Driving testL

=1

35

mm

Microscop

e

CCD

Screen

Varifocal

scanner

Laser

BS

Function

Generator

Amplifier

LD

FWMH

69.3

μm

FWMH

82.3

μm

Focus

Defo

c

us

Intensity

Intensity

Po

sitio

n [μm

]P

ositio

n [μm

]

Frequency response; Scanner

0

1

2

3

4

5

6

7

8

3.4 3.45 3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8

Opti

cal

angle

, θ

[deg

.]

Frequency [kHz]

50 V

37.5 V

25 V

The resonant frequency is 3.59 kHz.

The optical angle is 7 deg. at the resonant frequency and 50 V.

θ

Screen

Varifocal scanner

LaserBS

-200

-150

-100

-50

0

50

100

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

-1000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1000

Surface profile

Deviation from parabola is less than λ/2 inside of 0.75r.

Def

orm

atio

n [μm

]

Position [μm]

Measured A

Measured B

Fitting curve

500 μm

A

B

Initial

Dev

iati

on f

rom

par

abola

[nm

]

Deviation A

Deviation B

18

0 n

m

Interference fringes of the VM

Focus spot image

Frequency response; VM

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

10 15 20 25 30

150 V

100 V

50 V

Def

orm

atio

n a

t th

e ce

nte

r of

var

ifo

cal

mir

ror

[μm

]

Frequency [kHz]

The deformation is 1.8 μm at 18.6 kHz and 150V.

Minimum focal length is 138 mm

125

208

156

313

625

Inf.

Fo

cal

leng

th [

mm

]

Motion coupling from Scanner frame to VM

0

0.5

1

1.5

2

0

50

100

150

200

10 15 20 25 30

Measured point

Exci

ted

vib

rati

on

am

pli

tud

e [n

m]

Frequency [kHz]

Def

orm

atio

n a

t th

e ce

nte

r o

f

var

ifo

cal

mir

ror

[μm

]

Varifocal mirror

Scanner

1

2

The motion of the varifocal mirror is influenced by the frame

vibration of the varifocal scanner at 22 kHz.

The low coupled area (18.6 kHz) is used for focusing.

Low coupled

Coupled

Low coupled

To

rsio

n s

prin

g d

ire

ctio

n

The varifocal mirror is slightly deformed by the

inertial force caused by the scanner motion.

1

3

Motion coupling from Scanner to VM

Position [μm]

Su

rfac

e p

rofi

le [n

m]

Dy

nam

ic d

efo

rmat

ion

[n

m]

1

4

Motion coupling from Scanner to VM

The deformation is less than λ/10.

光通信シリコンフォトニクス

48

Ultra-small optical circuits for

optical telecommunication

Optical interconnections

in computer chips

Silicon light wave modulator (IBM)

Silicon photonics :Integrated optical circuits

and devices

New Si photonic devices

IBM

3D Chip Stack: (top) optical

NoC

memory layer, (bottom)

processing coreshttp://www.3dincites.com/2015/02/silicon-photonics-2-5d-interposer-design/

シリコンフォトニクス:集積光回路とデバイス

シリコン電子回路＋シリコン光回路 どちらもLSI技術利用

シリコンの光透過帯域>1μm

光通信波長(主要帯域)：1.5μm

ボンディング技術光源，光検出器は非シリコン系(InP) (Ge)

問題点

電子系，光系の接続，貫通配線

外部とのインターフェイス

MEMS技術による解決

貫通配線

パッケージ

シリコンフォトニクスに期待されるMEMS技術

光集積回路とレーザ/ファイバーの接続

(a),(b) 中空支持導波路

(c) V溝付き接続部

(d) V溝レンズ可動機構付き接続部

C. Li, et.al. Int. Conf. Optical MEMS and Nanophotoics,

(2016) 277.

Q. X. Zhang, el.al. IEEE J. Sel. Top. Quantum Elect., 16, 1

(2010) 267

シリコンとIII-V族半導体の張り合わせ

シリコン基板とIII-V基板の接合によるフォトニックデバイスの製作

(a)(b)InP, (c)GaN

D. Liang, et.al. Elec. Lett., 45, 12 (2009)

578.B. Thubthimthong, et.al. Photon. J. 7, 4 (2015)

7801511.

InP GaN

光集積回路のテストプローブ

(a)

(b) (c)

(d)

Optical waveguide

Compliant probes

光電子集積回路のウエハ試験プローブ，(a)断面構造(b)電気プローブと光導波路，(c)電気プローブ，(d)導波路グレーティング結合器

H. D. Thacker, et.al, J. Sel. Top. Quantum Elec. 17, 3 (2011) 659

M. Geng et.al. Opt. Exp. 17 (2009) 5502

MEMS静電アクチュエータ

導波路スイッチ > 0.4mW/channel

波長可変リング >1mW/nm

応答時間 >100μsec.

Q. Fang et.al. Photon Technol. Lett. 23 (2011) 525

電気光学効果

高速変調器波長可変リング > 0.1nm/V

熱光学効果

導波路スイッチ < 1pJ/channel

波長可変リング ~1nm/V

応答時間 ~10μsec.

Qianfan Xu, et.al. Nature 435(2005) 325

シリコンデバイスのチューニング方法

Compact 1 ×N thermo-optic switches based on silicon photonic wire waveguides, Tao Chu, Hirohito Yamada, Satomi Ishida and Yasuhiko Arakawa, et al., 12 December 2005 / Vol. 13, No. 25 / OPTICS EXPRESS 10114

マッハツェンダー(MZI)型光スイッチ

・熱で屈折率変調・応答速度：約100µs

・消光比：15dB

・消費電力：90mW

熱型シリコン細線導波路光スイッチ

入力出力

導波路マトリクス光スイッチ

２ｘ２スイッチ

シリコン導波路MEMSスイッチ

シリコン導波路結合器MEMSスイッチ，(a)2x2, (b)1x6

シリコン導波路断熱結合器64x64MEMSクロスコネクトスイッチ(a) スイッチマトリクス構成，(b) スイッチ断面構造，(c) 製作されたスイッチ

Y. Akihama, K. Hane, Light: Sci. Appl., 1 (2012)

e16.

T. J. Seok, et.al. Optica 3, 1

(2016) 64.

OFC 2015 M2B.4

Elliptical

bridge

Si freestanding

waveguide

Support

arm

Si freestanding

rib waveguide

Support

arm

Low loss bridge

support

Rib waveguide

support

Basic waveguide support structure for

freestanding waveguide

Submicron wide cross sections

R6µm

2.05µm

Variable-gap Si waveguide coupler switch

Freestanding waveguide

width: 400nm

height: 260nm

Coupling length:10μm

Gap:20-1000nm

Voltage:~30V

* Response time

~10μsec

* Energy consumption

<1pJ per switching

* Actuator

< 60μm square

*Symmetric coupler

arrangement

* Uniform air clad in

coupler region

10μm

58

Gap (nm)

Norm

aliz

ed inte

nsity Through port

Drop port

Simulation of variable-gap coupler

Gap: 100 nm

Simulation by FDTD

Waveguide width : 400nm

thickness: 260nm

Wavelength: 1.55μm

Si refractive index: 3.467

Mode: TE

Co

up

ling

co

effic

ient (μ

m-1

)

Gap (nm)

400nm wide

260nm thick

TE mode

Gap:100nm

Input

Drop

59

Gap : 350nm

Gap : 100nm

input5μm

Switch-on

Switch-off

Motion of fabricated coupler switchOptical microscope image

Actuator voltage < 30V 10μm 60

Input

Drop

Through

Applied voltage is changed from

0V to 30.5V repeatedly at 1.55

μm. Laser power: 80 μW

Optical outputs measured by IR camera

Arrangement of switch

Clear spot images were obtained

at through and drop portsIR camera image

Nearly 100% intensity at

through port is transferred

to drop port under

switch-on condition

Port isolation: 15dB

(at 28.9V)

Wavelength: 1550 nm

Laser power: 80 µW61

)(10 tuVxV

C

qqR

qV

kxxxm

Motion x:displacement, m:mass，γ:dumping coeff.,

equation k:spring const., ℓ:overlap length of comb

Circuit q:excess charge, R:resistance, C:capacitance,

equation V:initial voltage，V0u-1:step voltage

Response time and energy consumption

Response time:~15μs

Energy consumption:~1pJS. Abe et.al. IEEE Photon.Technol.Lett. 26 (2014) DOI:10.1109/LPT.2014.2329033

Calculations Measurement

1x6 switch consisting of five 2x2 switches

Y. Akihama, K. Hane, Light: Sci. Appl., 1 (2012)

e16.

F

E

B

A

C

D

F

E

B

A

C

D

F

E

B

A

C

D

Optical outputs measured by IR camera

Spot images under

switch-on condition

at respective ports

Comparison of

spot images at

respective ports

F port ONE port ON

B port ON

Port isolation: 6.2dB~27.3dB

Cross talk: 6.9dB~28.1dB

Insertion loss: <1dB

(single switch) 64

ミラーとLSIの集積

PACKAGING OF 11 MPIXEL CMOS-INTEGRATED SIGE MICRO-MIRROR

ARRAYS A Witvrouw et.al. IMEC, Philips Applied Technologies, ASML MEMS 2009 136-139

MEMS-type monocrystalline silicon SLM on LSI circuit

T. Sasaki, S. Chernroj, H. Matsuura and K. Hane, OMN 2015 Tu3.3-1F. Zimmer, M. Lapisa, T. Bakke, M. Bring, G. Stemme, JMEMS, 20, pp.564-572 (2011)(a) (b)

100 mm100 mm1 mm

1 mm

In this study, we fabricate the monocrystalline silicon grating on LSI circuit using two step

polymer bonding process and measure the characteristics.

However, the device was not actuated due to the serious electrical damage of LSI. So the

feasibility of fabrication process and characteristics of the grating on LSI is not apparent.

Monocrystalline Si tilt type mirror array on LSI

circuit

Tunable monocrystalline si grating on LSI

circuit

・Drift free characteristics

・Planarization using polishing process

・Simple fabrication process without

planarization

Lens

Grating

Anamorphic

prism

Input fiber

Output fiber

Output fiber

MEMS gratingsMovable ribbonsMEMS gratings

LSI chip

MEMS chip

25

0 r

ibb

on

s

24 channels

MEMS grating:9μm wide, 1μm space400μm long, 250 ribbons1μm-3μm gap

波長選択スイッチ（MEMSグレーティング)Wavelength selective switches using MEMS grating

Ribbon MEMS Optical network

in town

光ビーム走査の原理Principle of light beam steering

MEMS gratings

25

0 r

ibb

on

s

24 channels

LSI chip

MEMS chip

Si gratings

The UR3100 polymer is used as

the bonding pad and anchor of

grating structure.

The Epotek 353ND is used for

filling the space between bonded

silicon membrane and electrode

matrix glass to avoid sticking of

membrane during process.

Capillary

ChannelsCapillary

Channels

Grating Support

Structure

2.6um Spacers

(4)Polymer Patterning (5) SOI wafer bonding (6) Polymer filling

2. Polymer patterning and SOI wafer bonding

(7) Si Handle layer etching (8) SiO2 layer etching (9) Au coating

(11) FAB etching (12) O2 ashing (10)Resist coat/Patterning

3. Grating fabrication

Au/Cr

SiO2 Si

UR3100 Polymer Photo resist Silica sphere

EPOTEK 353ND

Polymer

(1) Au/Cr Sputtering (2)Resist coat/Patterning(3) Au/Cr Etching and

Resist Removing.

1. Electrode Matrix Fabrication

Vacuum chamber

bubbles

Filling bridge

Polymer

Source

Polyamide Tape

Polymer filling technique using Epotek 353ND

Si グレーティングの製作Fabrication of Si gratings

Collaboration with Prof H. Matsuura

(Tohoku Gakuin Univ.)

Fabricated LSI

8 inch wafer

Alignment marks

Electrodes for movable grating

24 channels

Memory and DAC

Ele

ctr

od

es fo

r sig

na

l co

ntr

ol

Supporting part

for MEMS

grating mirrors

12

.5 m

m

25 mm

Memory and DACElectrodes for grating

100μm

Voltage output by program

1cm

100μm

Memory and DAC

Grating

Silicon grating on LSI circuit

LSI上に製作したSiグレーティングFabricated Si grating on LSI

Static characteristics of grating

It is shown that the proposed fabrication process can be utilized for fabrication of tunable

grating on LSI circuit. Stress acting on the grating ribbon is estimated to be 3MPa.

Cross-sectional profiles of ribbon

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Hei

gh

t[m

m]

Position [mm]

0 V

2 V

3 V

4 V

4.5 V

5 V

Fit curve (beam with a moment and an in-plane stress)50

0

-50

-

100

-

150

-

200

-

250

He

igh

t [n

m]

-6

-4

-2

0

2

4

6

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-25 25 75 125 175

Tri

gger

volt

age

for

the

sett

ing o

f

ribbon v

olt

age

[V]

Vel

oci

ty o

f ri

bbon [

arb. unit

]

Time [ms]

Dynamic characteristics of grating

Tc

Under damped characteristic was obtained. The conversing time Tc was about 50 μs.

Velocity and voltage as a function of time

Generation of grating height pattern

Position(µm)

Cro

ss

sectionalpro

file

of

gra

ting

[µm

]

One period

One period

The lineally varying height distribution could be generated roughly.

Position [µm]

2 level

4 level

6 level

One period

Setting height distribution

10 mm

LSIによるSiグレーティングの動作Operation of Si grating by using LSI

Operation of addressed ribbons of gratingSwitching of diffraction pattern

Experimental demonstration by T. Suzuki and T. Sasaki

異種半導体の集積Si＋GaN

GaN nanophotonics

- Nonlinear effect (QW optical limiter, 2nd harmonic

generator)

- Pockels effect investigated but on bulk GaN, GaN MZI

(only proposed design, 2016)

Highly integrated systems on chip using Si/GaN

On-chip

transceiver

Waveguides

Off-chip transceiver/

MUX/DEMUX

1, 2, 3

Pockels effect

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1T

ran

sm

issio

n

Wavelength

Refractive index change [Saleh & Teich, 2ed, 2007]

3

13

2

GaN

GaN

r n En

0GaNn 0GaNn 0GaNn

Blue-shifting Red-shifting

E = 1 x 10-5 V

r13 = 0.6 pm/V

nGaN = 2.32

nGaN = 5 x 10-7

@ 1 V applied

Key Fabrication Process Features:

Batch processing

Possibly CMOS-compatible, if not using EBL (DUV, etc.)

Independent designs of Si and GaN WG circuit

Processing Tmax = 400 °C

450 nm coupling gap for Si/GaN directional coupling (not too small/large)

GaN MR (top)

Outer Si

ElectrodeInner Si

Electrode

Si Bus SW

(bottom)

Design Fabrication processes

Design and Fabrication

Burried

outer Si

electrode

Burried inner Si

electrodeBuried Si bus WG

(bottom)

GaN MR (top)

Electrode

Electrode

16 um

TE selector

Incoming

TE & TM

Outgoing TE

TE

Design and Fabrication

B. Thubthimthong, et.al. Photon. J. 7, 4 (2015) 7801511.

B. Thubthimthong, et.al. Opti. Express 24,

26(2016)29643

Transmission spectrum measurement (no tuning)

IR image of the excited microring

Qloaded

=

30,00

0

-68

-66

-64

-62

-60

-58

-56

-54

-52

-50

1522.29 1522.59 1522.89 1523.19 1523.49

Tra

nsm

issi

on

(d

B)

Source wavelength (nm()

On-resonanceOff-resonance

Qloaded = λ/Δλ = 1523 nm/50 pm = 30,460

Energy density profile (MPB)

of fundamental TE-like mode, neff = 2.06

Experiments

Static electro-optic tuning

- +----

+

+

+ +

++

++

-

+ -+

+++

--

-

- -

--

--

-

+

+

y = -0.1163x

-15

-10

-5

0

5

10

15

-60 -40 -20 0 20 40 60

Re

so

na

nce

sh

iftin

g (

pm

)

Applied voltage (V)

-70

-68

-66

-64

-62

-60

-58

-56

-54

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Tra

nsm

issio

n (

dB

)

Detuning (pm)

60 V

40 V

00 V

-20 V

-40 V

-60 V

Monolithic displacement encoder sensor integrating

GaN LED and Si photodiodes Collaboration with Sanken Electric Co.Ltd.

Design of optical encoder Grating image principle

* Incoherent light source

・・・ 484 nm GaN blue LED

* Object, Scale and Index gratings

・・・ 20 mm pitch

* Photodiode

・・・ Si pn-junction

4-phase-shifted grating

patterned implantation

S.Nagai, T.Sasaki, H.Kawaguchi, A.Iwabuchi, and K.Hane Transducers 2013, 972-97584

Fabricated encoder with LED and Si photodiodes

Whole view of encoder sensor

LED with grating mask Si photodiode patterned by ion implantation

85

Characteristics of GaN-LED and Si-PD

Electroluminescence

image of the fabricated

LED and its intensity

distribution

86

I-V characteristics of the fabricated Si-PD

inset: wavelength responsivity

Voltage (V)

Fabricated photodiode on GaN/Si substrate

Encoder signals and displacement sensing

Encoder measurement setup

・The gap is 4.1 mm, ・Signal periods (10 mm for

lateral displacement, 0.4 mm for gap change)

agree with the theoretical calculations

・ Displacement measurement error is smaller

than 0.15 mm

Encoder signal measured as a function of displacement

87

まとめ

Burried outer

Si

electrode

Burried inner Si

electrode

１．はじめに 国際会議等の傾向など

２．ディスプレイ

３．車載用スキャナ

４．高機能ミラー

５．光通信とシリコンフォトニクス

６．ミラーとLSIの集積

７．異種半導体の集積（Si+GaN)

８．まとめ