CN101261341A - 具有空气桥结构的二维光子晶体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的二维光子晶体在薄板层(31)的下部配置包覆层(32)。并通过在薄板层上周期性配置与薄板层折射率不同的区域(35)来形成二维光子晶体。而且，具有缺省了该区域的一部分的点状缺陷(36)。点状缺陷成为使特定波长的光共振的共振器。面对着点状缺陷，在包覆层的规定范围内设置空气桥空间(37)。在该结构中，由于在设置空气桥空间的范围以外，薄板层由包覆层支承，所以二维光子晶体的机械强度较高。并且，由于在点状缺陷(36)的下部存在空气桥空间(37)，所以通过薄板层(31)和空气的折射率之差使光容易被封闭在点状缺陷(36)中，点状缺陷(36)由此成为具有高性能的共振器。

Description

具有空气桥结构的二维光子晶体及其制造方法

本案是基于申请日为2004年8月27日、申请号为200480024943.2、发明名称为“具有空气桥结构的二维光子晶体及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及波分复用通信等领域中复分接器等所使用的二维光子晶体。特别涉及一种具有在一部分设有空间的包覆层上，设置有二维光子晶体的薄板的结构的二维光子晶体及其制造方法。在本申请中，将这种结构称作“空气桥结构”，将空间称为“空气桥空间”。

背景技术

(1)关于光子晶体

近年来，作为具有周期折射率分布的光学功能材料的光子晶体已被注目。光子晶体具有如下特征，即通过其周期折射率分布相对光和电磁波的能量形成带结构，从而形成不能传播光和电磁波的能量区域(光子带隙)。另外，在本申请中所使用的“光”中，也包括光以外的电磁波。

通过在光子晶体中导入适当的缺陷，可在光子带隙中形成能级(缺陷能级)。由此，在与光子带隙中的能量对应的波长(频率)范围中，仅与缺陷能级的能量相对应的波长的光能够在该缺陷位置存在。可以通过将该缺陷设为线状而形成导波路径，通过设为点状而形成光共振器。在该点状缺陷中，共振的光的波长(共振波长)依存于其形状和折射率。

正在研究通过使用该共振器和导波路径来制作各种光器件。例如，通过将该共振器配置在导波路径附近，形成既作为分波器而发挥功能，又作为合波器而发挥功能的复分接器，所述分波器用于将在导波路径内传播的各种波长的光中，波长与共振器的共振波长一致的光，通过共振器从导波路径向外部导出；所述合波器将具有共振器共振波长的光通过共振器从外部导入到导波路径。这种复分接器，例如在光通信领域中能够被用于波分复用方式通信，所述波分复用方式通信为在一根光纤上传播多个波长的光，并在不同波长的光上载置分别的信号。

在光子晶体中存在一维晶体、二维晶体、三维晶体，其中二维光子晶体具有制造比较容易的优点。作为其一个例子，在专利文献1中记载有：在高折射率的板材(薄板)上具有周期性排列比该材料折射率低的物质的二维光子晶体，并以线状使该周期性排列缺陷的导波路径；和将该周期性排列打乱的点状缺陷与导波路径邻接而设置的二维光子晶体以及复分接器。另外，如上所述，在本申请中将形成于二维光子晶体内的导波路径称为“晶体内导波路径”。

专利文献1：特开2001-272555号公报(〔0019〕～〔0032〕、图1)。

一般，为了能够增大射率的差并实现制造上的简单化，在二维光子晶体中，将周期性配置于高折射率薄板内的低折射率区域设为空气(即，空孔)。

在专利文献1记载的二维光子晶体中，薄板在上下均与空气接触。如前所述，由于薄板和空气之间的折射率之差较大，因而，在晶体内导波路径内传播的光其大部分会通过全反射而被封闭在薄板内部，从而能够得到较高的传播效率。

(2)二维光子晶体的基板和共振器(点状缺陷)的关系

如专利文献1所公开那样，通常由于要求薄板厚度相当薄(在实施例中约为0.25μm)，因此厚度方向的强度较低。特别是通过在薄板上设置多个空孔而形成的二维光子晶体中，厚度方向的强度会进一步降低。若厚度方向的强度低，则会产生制造上成品率变差等问题。

作为提高二维光子晶体强度的结构，可以考虑在基板(薄板)上载置晶体的二维光子晶体(以下，称作“带基板光子晶体”)。此时，相对晶体的上面与空气接触，晶体的下面与基板接触。

但是，当在这种带基板光子晶体上设置点状缺陷的时候，与在薄板的上下均为空气的二维光子晶体(以下，称“无基板光子晶体”)上设置有点状缺陷的情况相比，作为点状缺陷的共振器的特性会降低。图1表示对于除了基板的有无之外，在具有相同形状的无基板光子晶体(a)和带基板光子晶体(b)上分别设置相同的点状缺陷的情况下，共振器的共振波长频谱的实验值。(b)的频谱的半幅值宽度比(a)的宽。因此，带基板光子晶体与无基板光子晶体的情况相比，其共振器的波长分辨率低。另外，作为表示共振器性能的值即Q值，在(a)中是Q＝3000，而在(b)中小至Q＝250。带基板光子晶体从共振器损失的光的能量较大。

(3)基板和细线导波路径的关系

另外，在二维光子晶体中，为了使光从外部导向晶体内导波路径，或者使光从晶体内导波路径导向外部，本申请的发明人，对在二维光子晶体上接连细线导波路径的带细线导波路径的二维光子晶体进行了研究。图2表示其一例。通过在薄板11上周期性地配置空孔12形成二维光子晶体10，通过使空孔12缺省一列，形成晶体内导波路径13。细线导波路径14接连在晶体内导波路径的延长部分上。通过以和薄板相同的材料形成该细线导波路径，可以将二维光子晶体和细线导波路径形成为一体。

本申请的发明者，计算了在晶体内导波路径和细线导波路径中导波的光的频率和波数的关系(导波模式)。结果得知，如图2所示，当细线导波路径的所有面均与空气接触的情况，在细线导波路径内存在两种导波模式。也就是说，在一条导波路径内两种模式同时导波，从而形成对于一个频率能够存在两个波数的光的多重模式。由于两种模式的光的传播速度不同，因此这种多重模式的存在，在光通信时有可能成为障碍。

另一方面，当如图3所示，在细线导波路径14的一个侧面上设置包覆部件15的时候，如图4所示，细线导波路径的导波模式变为对于一个频率仅存在一个波数的光的单一模式，从而不产生上述问题，其中，所述包覆部件15由具有比细线导波路径的折射率低，但比空气的折射率高的折射率的材料构成。

如上所述，在带细线导波路径的二维光子晶体中，优选二维光子晶体在薄板的上下均与空气接触(因此，不接触包覆部件)，另一方面，优选细线导波路径与包覆部件接触。

在专利文献1中，记载了制造无基板光子晶体(不设细线导波路径)的方法。在该方法中，使用在由InP或Si构成的层(以下，称“薄板层”)的下方具有由InGaAs或SiO₂构成的层(以下成包覆层)的基板。首先，通过周期性地形成贯通包覆层的空孔，而形成二维光子晶体。此时，通过适当设置空孔的大小和配置来形成点状缺陷和晶体内导波路径。接着，通过从形成的空孔导入蚀刻剂，对存在于空孔下的包覆层进行蚀刻。此时，通过以一定时间以上进行蚀刻，存在于空孔之间的包覆层也被蚀刻，从而实现在设有空孔的区域，即在二维光子晶体的下部全体形成一个空间(空气桥空间)。如此制造的二维光子晶体中，在空气桥空间上，形成有基于二维光子晶体的薄板而架设桥梁的架桥状结构(空气桥结构)。

在一体形成二维光子晶体和细线导波路径的情况下，当制造带细线导波路径的二维光子晶体时，在薄板层上一并形成二维光子晶体和细线导波路径的图案，并可自然地通过蚀刻等一举制成。可是，若在如此形成的带细线导波路径的二维光子晶体的下部，通过蚀刻设置空气桥空间，则蚀刻剂会从细线导波路径的周围浸入到包覆层中，不仅二维光子晶体的下部被蚀刻，而且细线导波路径的正下也会被蚀刻。因此，细线导波路径变为不与包覆层接连，而成为多重模式传播。并且，由于强度不足，细线导波接连有可能会折损。为了防止此种情况，即使屏蔽细线导波路径的周围，也很难完全防止蚀刻剂从细线导波路径和屏蔽物之间的间隙浸入，细线导波路径正下的一部分还是会被蚀刻。

而且，若细线导波路径从晶体内导波路径的延长部分上错离，则晶体内导波路径和细线导波路径之间的导波效率会降低。因此，在制造带细线的二维光子晶体时，需要做到晶体内导波路径和细线导波路径尽可能不从规定的位置关系错离。

这样，由于包覆部件(基板)对二维光子晶体和设于其上的共振器(点状缺陷)和细线导波路径的强度与特性会造成影响，因此，需要对二维光子晶体中设置包覆部件的位置进行研究。而且，为了在二维光子晶体中的适当位置设置包覆部件，需要研究二维光子晶体的制造方法。

本发明将要解决的第一课题是，提供一种具有比以往的二维光子晶体高的机械性能，并且共振性能良好的二维光子晶体，并提供一种制造这种二维光子晶体的最佳方法。

本发明将要解决的第二课题是，提供一种带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法，所述带细线导波路径的二维光子晶体，其二维光子晶体的薄板在上下均与空气接触，并在与二维光子晶体接连的细线导波路径的下部设置包覆部件。特别是，提供一种二维光子晶体所具有的晶体内导波路径和细线导波路径的位置关系不发生错离的制造方法。

发明内容

本发明所涉及的具有空气桥结构的二维光子晶体，是为了解决上述第一课题而发明的器件，其特征在于，具有：

a)薄板状的主体；

b)设置在所述主体下面的包覆层；

c)以规定的周期成格子状配置在所述主体上，并与主体折射率不同的多个区域；

d)以点状设置所述不同折射率区域的缺陷而构成的点状缺陷；以及

e)面向所述点状缺陷而设于包覆层的规定范围内的空间。

本发明所涉及的具有空气桥结构的二维光子晶体的制造方法的第一方式，是为了解决上述第一课题而发明的方法，其特征在于，具有：

a)空孔形成工序，用于形成贯通板材的薄板层的蚀刻剂导入用空孔，所述板材是由薄板层和包覆层层叠而形成；

b)空气桥空间形成工序，通过经由蚀刻剂导入用空孔导入蚀刻剂，对蚀刻剂导入用空孔周围的包覆层进行蚀刻，从而在该包覆层上形成空间；

c)二维光子晶体形成工序，周期性形成通过仅以规定的大小除去薄板层而构成的空孔，并面向所述空间在薄板层上形成所述空孔的点状缺陷。

本发明所涉及的具有空气桥结构的二维光子晶体的制造方法的第二方式，是为了解决上述第二课题而发明的方法，其特征在于，具有：

a)二维光子晶体形成工序，在由薄板层和包覆层层叠而形成的板材的薄板层的规定范围内，周期性地设置空孔，并在该规定范围内形成晶体内导波路径；

b)空气桥空间形成工序，通过经由所述空孔导入蚀刻剂，对所述规定范围下部的包覆层进行蚀刻，从而在该包覆层上形成空间；

c)细线导波路径形成工序，从所述规定范围的外缘朝向该规定范围的外侧，在所述晶体内导波路径的延长部分上仅以规定宽度残留薄板层，并通过将其周围的薄板层除去，从而形成细线导波路径。

本发明所涉及的具有空气桥结构的二维光子晶体的制造方法的第三方式，是为了解决上述第二课题而发明的方法，其特征在于，具有：

a)空孔形成工序，在由薄板层和包覆层层叠形成的板材的薄板层上形成蚀刻剂导入用空孔；

b)空气桥空间形成工序，通过经由蚀刻剂导入用空孔导入蚀刻剂，对蚀刻剂导入用空孔周围的包覆层进行蚀刻，从而在该包覆层上形成空间；

c)带细线导波路径的二维光子晶体形成工序，通过在面向所述空间的薄板层上周期性地设置空孔，并从设有该空孔区域的外缘朝向其内侧形成晶体内导波路径，来形成二维光子晶体，并且，通过从设有该空孔区域的外缘朝向其外侧，在所述晶体内导波路径的延长部分上仅以规定的宽度残留薄板层，除去其周围的薄板层，来形成细线导波路径。

附图说明

图1表示设置在以往的无基板光子晶体(a)和带基板光子晶体(b)上的点状缺陷的共振波长频谱的实验值。

图2是表示带细线导波路径的二维光子晶体的一个例子的示意图。

图3是表示设置有包覆部件的带细线导波路径的二维光子晶体的一个例子的示意图。

图4是表示设置有包覆部件的细线导波路径和晶体内导波路径的导波模式的图表。

图5是表示向细线导波路径的宽度方向的光扩散的图表。

图6是表示面向本发明的点状缺陷而架设有空气桥空间的二维光子晶体的一个实施例的结构立体图、俯视图和剖面图。

图7是表示作为点状缺陷Q值的计算对象的空气桥空间的示意图。

图8是表示计算实施例1的点状缺陷Q值的结果的图表。

图9是表示实施例1的点状缺陷的其他例的俯视图。

图10是表示实施例1的导波路径的一个例子的俯视图。

图11是表示第一方式的二维光子晶体制造方法的一个实施例(实施例2)的示意图。

图12是具有在实施例2中制造的空气桥结构的二维光子晶体的SEM照片。

图13是表示具有在实施例2中制造的空气桥结构的二维光子晶体和以往的二维光子晶体的分波频谱的图表。

图14是表示导波路径的宽度相同时的导波路径透过带域的示意图。

图15是表示扩大空气桥空间正上的导波路径时的导波路径通过带域的示意图。

图16是表示当在空气桥空间的正上存在导波路径的狭窄区域时的导波路径透过带域的示意图。

图17是表示当在空气桥空间的外侧存在导波路径的宽区域时的导波路径透过带域的示意图。

图18是表示本发明第二方式的方法所涉及的带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法的一个实施例(实施例4)的立体图和剖面图。

图19是表示在实施例4的制造方法中，设置点状缺陷的例子的立体图。

图20是由实施例4所制造的带细线导波路径的二维光子晶体的扫描电子显微镜照片。

图21是表示本发明第三方式的方法所涉及的带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法的一个实施例(实施例5)的立体图。

图22是表示空气桥空间的一个例子，即带细线导波路径的二维光子晶体的剖面图。

图23是表示在实施例5中设置点状缺陷的例子的立体图。

图24是由实施例5所制造的带细线导波路径的二维光子晶体的扫描电子显微镜照片。

图中：10、91-二维光子晶体，11-薄板，12、35、45、51、62、72、85、96-空孔，13、63、73、87、94-晶体内导波路径，14、65、75、88、92-细线导波路径，15-包覆部件，31、611、711、811-薄板层，32、612、712、812-包覆层，33、613、813-Si层，36、361、3621、3622、363、364、365、46、603、604-点状缺陷，37、371、372、373、374、375、376、44、49、52、54、64、74、83、93-空气桥空洞(空气桥空间)，38、47-导波路径，41、61、81-SOI基板，42、82、95-蚀刻剂导入用空孔，43-氟化氢水溶液，66、76、86、97-沟槽，68、69、891、892-抗蚀剂。

具体实施方式

(1)为了解决第一课题所发明的二维光子晶体

在本发明的二维光子晶体中，与面内方向的大小相比厚度十分薄的板状体即薄板作为主体。在主体的下面设置包覆(基板)层。该包覆层是为了提高二维光子晶体的强度。另外，这里为了方便起见，将设有包覆层的面记为主体的“下面”，但是本发明的二维光子晶体不限于将包覆层设在下侧而使用，可以向任意的朝向配置而使用。

在该主体内，以规定的周期配置有多个与该主体折射率不同的区域(不同折射率区域)，形成为格子状。由此，变为形成有光子带隙的二维光子晶体，所述光子带隙可以使由该周期所确定的规定波长带域的光在主体的面内方向不能通过。由于通过在该二维光子晶体中形成上述的结构，使得在主体和主体外(空气)之间因两者折射率之差而产生全反射，所以，在主体和主体外之间不会露光。这里，配置不同折射率区域的格子是三角格子或正方格子等。而且，不同折射率区域也可以是比主体折射率低或高的材料中任意一种，但是优选周期性在主体上打穿空孔而形成。通过在不同折射率区域上设置空孔，能够增大与主体的折射率之差，同时在制造时可容易地形成不同折射率区域，并能够容易地应用后述第一方式的制造方法。

通过将该不同折射率区域的缺陷设为点状，来形成点状缺陷。该点状缺陷可以通过使不同折射率区域具有与其他不同折射率区域不同的大小，或使之缺省等来形成。并且，设置有缺陷的不同折射率区域可以为一个或邻接的多个。在设置有邻接的多个不同折射率区域缺陷的情况下，该多个缺陷相互结合而成为一个点状缺陷。点状缺陷具有作为共振器的功能，使由其形状所确定的波长的光发生共振。并且，也可以设置多个点状缺陷。通过使点状缺陷的形状形成为各自不同的形状，能够在点状缺陷中使各自不同波长的光共振。

面向所述点状缺陷，在包覆层的规定范围内设置空间。该空间也可以仅在点状缺陷的正下方形成，还可以在与此相比更广的范围内，即在从点状缺陷的外缘向外方偏离一定距离的范围内形成。在设置有空间的范围之外，主体通过包覆层而被支撑。另外，在设置有多个点状缺陷的情况下，也可以按该点状缺陷来设置该空间，还可以设置面向多个点状缺陷的一个空间。该结构中，在空间上采用基于主体架设桥梁的空气桥结构。而且，这里将采用上述方法设置的空间称为“空气桥空间”。

这样，通过面向点状缺陷来设置空气桥空间，基于点状缺陷的光共振器的性能，能够比前述带基板光子晶体高，并且与前述无基板光子晶体等同。其理由如下。首先，由于在点状缺陷的位置主体的上下均存在空气，所以，即使在主体的包覆层一侧的面也能够增加与外部的折射率之差，使得光封闭效果较好。而且，由于点状缺陷的上下均是空气，所以与点状缺陷的特性相关的参数在该位置上下对称。由此，在共振器内存在的光变为仅是TE波，从而能够防止存在于共振器内的光因光子带隙而向晶体的面内方向漏散。

另外，由于本发明的二维光子晶体，在设有空气桥空间的范围以外由包覆层支撑，因此能够确保其机械强度。特别是在不同折射率区域上形成空孔的情况下，由于设置空孔而降低了晶体的机械强度，因此本发明的结构是有益的。

下面，研究空气桥空间的大小。虽然即使仅在点状缺陷的正下形成空气桥空间，就可以与前述带基板光子晶体的情况相比改善光共振器的性能，但是更加优选的是不仅在点状缺陷的正下，而是从点状缺陷的外缘起到远离不同折射率区域一个周期以上的区域设置空气桥空间。这样，通过在更广的范围内形成空气桥空间，能够得到与所述无基板光子晶体等同的较高的光共振器性能。另一方面，为了确保晶体的强度，优选空气桥空间的形成范围在一定尺寸以下。虽然该范围因主体的厚度和不同折射率区域的大小与材料等而稍有不同，但是，通常优选对于主体面内的至少一个方向，从点状缺陷的外缘向外方直至不同折射率区域的25个周期以下的范围。由于在一个方向上只要将该范围设为25个周期以下，就可以在该方向被支撑，因此即使将其他方向设计为其以上的长度，也能够确保晶体的强度。而且，虽然只要空气桥空间具有很小的深度，就可以与所述带基板光子晶体的情况相比改善光共振器的性能，但是，为了充分地排除光的漏散和上下非对称性对包覆层的影响，优选将其设计为不同折射率区域的周期的两倍以上。

通过在点状缺陷附近进一步设置导波路径，本发明的二维光子晶体可以作为复分接器使用。该导波路径，通过将不同折射率区域的缺省设置为线状而形成。特别是，优选为通过使不同折射率区域以线状缺省，即不设置不同折射率区域而形成。由此，可以作为复分接器而使用，即从流过导波路径的多个波长的重叠光中分波共振波长的光并取出到晶体外部，或者将共振波长的光从晶体外部合波到导波路径的重叠光中。

在这种导波路径的一部分面向空气桥空间的情况下，若在空气桥上以相同宽度形成导波路径和其以外的部分，则空气桥导波路径部的透过波长带域将移向比其以外的部分(“基板导波路径部”)的透过波长带域短的波长侧。由于导波路径全体的透过波长带域是所述两个部分的透过波长带域的共通部分，所以，比没有空气桥导波路径部的情况要狭窄。因此，优选将空气桥导波路径部的导波路径的宽度设定为仅比基板导波路径的导波路径幅度宽规定大小。由此，因空气桥导波路径部的透过波长带域向长波长侧移动，故能够防止这种透过波长带域的狭窄化。

但是，由于二维光子晶体制造上的限制，因此导波路径面向空气桥空间的部分和导波路径加宽的部分不一致，则在空气桥导波路径部形成导波路径宽度较窄的区域，在基板导波路径部形成导波路径宽度较宽的区域。由于若在空气桥导波路径部能够有导波路径宽度较窄的区域，则由于该区域的导波路径透过带域依然为上述短波长侧，则不能够将导波路径全体的透过波长带域加宽。另一方面，当在基板导波路径部形成导波路径宽度较宽的区域的情况下，该区域的导波路径透过带域向长波长侧移动，使得短波长侧的共同透过波长带域变小。但是，若在短波长侧是TE波和TM波混合的光，则在导波路径内会产生TM波的泄漏，使得在共同透过波长带域外也能够导波。若基板导波路径部的导波路径宽度较宽的区域充其量不过是不同折射率区域的多个周期，则能够将TM波的泄漏抑制为实用上没有问题的程度，从而能够有效地利用较宽的共同透过波长带域。因此，设计上是通过从空气桥导波路径部到仅远离规定距离的位置，将导波路径的宽度设定为比其他部分的导波路径的宽度仅宽规定的大小，这样即使制造时变更导波路径宽度的位置错离，也能够防止导波路径的共同透过波长带域变窄。

(2)第一方式的制造方法

下面，说明本发明所涉及的二维光子晶体的第一方式的制造方法。该方法涉及制造本发明的上述二维光子晶体，即面向点状缺陷而设置空气桥空间的二维光子晶体的方法，特别涉及一种当制造在不同折射率区域设置空孔的二维光子晶体时最佳使用的方法。

在本方式的方法中，将薄板(主体)层和包覆(基板)层层叠而形成的板材作为材料。在薄板层上形成二维光子晶体，在包覆层上形成空气桥空间。作为这种板材，例如薄板层由Si构成，包覆层中至少设置空气桥空间的部分使用由SiO₂构成的基板。具体地说，可以使用在Si的厚膜上形成SiO₂薄膜，进而在SiO₂薄膜上形成Si薄膜的市售的SOI(Silicon on insulator)基板。使用SOI基板的话，Si薄膜作为薄板层，SiO₂薄膜和Si厚膜作为包覆层，包覆层中形成空气桥空间的是SiO₂薄膜。

首先，在板材上形成贯通薄板层的空孔(空孔形成工序)。这里将该空孔称为“蚀刻剂导入用空孔”。该蚀刻剂导入用空孔在完成后的二维光子晶体中成为不同折射率区域的一部分。但是，该空孔形成工序中，并不形成所有的不同折射率区域，仅形成薄板层的一部分。该蚀刻剂导入用空孔例如可以通过使用光平板印刷术(photo lithography)或电子射线(EB)描绘和蚀刻技术而形成。

接着，通过蚀刻剂导入用空孔，将蚀刻剂导入包覆层中。由此，蚀刻剂从蚀刻剂导入用空孔浸入到包覆层，则包覆层被蚀刻。这样，蚀刻剂导入用空孔周围的包覆层被除去，从而在该位置形成空气桥空间(空气桥空间形成工序)。蚀刻剂可以使用现有的蚀刻液或蚀刻气体。例如当包覆层由SiO₂构成的情况下，可以使用氟化氢溶液。

所述蚀刻结束之后，在薄板层上通过仅将该薄板层除去规定大小而周期性形成空孔。按照该工序而形成所有的不同折射率区域。与此同时，面向空气桥空间、在薄板层上形成点状缺陷。通过设置与其他空孔不同孔径的空孔或使空孔缺省等来形成点状缺陷。通过这些作业，在薄板层上形成二维光子晶体(二维光子晶体形成工序)。空孔和点状缺陷，与专利文献1中所记载的方法相同，可以使用光平板印刷术(photo lithography)或EB描绘以及蚀刻技术等形成。通过上述工序，能够制造在点状缺陷的下部形成有空气桥空间的二维光子晶体。

在用于二维光子晶体复分接器的情况等，即在本发明的二维光子晶体上进一步设置晶体内导波路径的情况下，只要在所述二维光子晶体形成工序中，将空穴的缺陷设置为线状即可。而且，在导波路径面向所形成的空气桥空间的情况下，如上所述，优选以该部分(空气桥导波路径部)的导波路径的宽度比其他部分宽的方式形成导波路径。并且，如前所述，优选从空气桥导波路径部到仅远离规定的距离的位置，导波路径的宽度形成为比其他部分的导波路径的宽度仅宽规定的大小，使得即使在制造时变更导波路径宽度的位置发生错位，也能够防止导波路径的共同透过波长带域变窄。

根据本发明所涉及的第一方式的制造方法，可以使用半导体制造中所利用的现有技术，容易地即低成本制造具有空气桥结构的二维光子晶体。

(3)第二方式的制造方法

第二方式的制造方法，是具有空气桥结构的带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法。在该实施方式中，也与第一方式的情况相同，将薄板(主体)层和包覆(基板)层层叠而形成的板材(例如SOI基板)作为材料。

首先，在包覆层的规定范围内周期性地设置空孔。由此，因为形成折射率的周期性分布，所以设有空孔的范围内成为二维光子晶体。此时，同时形成晶体内导波路径。晶体内导波路径，一般是通过空孔的周期性排列的线状错乱而形成，但典型的方法是通过将没有形成空孔的区域设置为线状而形成。另外，通过移近其两侧的空孔配置而将宽度变窄，或者相反使之扩展，作为晶体内导波路径都充分地发挥作用。而且，通过将与周围的空孔不同孔径的空孔以线状配置，并埋入其他不同的物质，当然也能够形成晶体内导波路径。空孔例如是通过在各种半导体装置的制造中所使用的光平板印刷术、电子射线印刷术或干蚀刻等而形成。在二维光子晶体中，根据需要形成点状缺陷。另外，在该工序中不形成细线导波路径。

接着，通过空孔将蚀刻剂导入包覆层。蚀刻剂从空孔浸入到包覆层，从而蚀刻空孔的下部及其周围的包覆层。由此，在设有空孔的范围，即在二维光子晶体的下部形成空气桥空间。此时，通过调节进行蚀刻的时间，能够使空气桥空间的区域与二维光子晶体的区域大致一致。这里，不需要空气桥空间的区域与二维光子晶体的区域完全一致，比其稍微大或稍小一点均可以。蚀刻剂可以使用现有的蚀刻液或蚀刻气。例如在包覆层由SiO₂构成的情况下，可以使用氟化氢水溶液。

然后，从前述的规定范围，即二维光子晶体的外缘向其外侧，在晶体内导波路径的延长部分上形成细线导波路径。即，仅留下细线导波路径宽度的薄板层，并除去其周围的薄板层。由于在空气桥空间的外侧残留有包覆层，所以如此形成的细线导波路径其下部与包覆层接触。薄板层的除去与形成空孔时相同，可以使用光平板印刷术、电子射线印刷术或干蚀刻等进行。这里，由于将要形成的细线导波路径，被恰当地配置在先前所形成的晶体内导波路径的延长部分上，所以也可以使用市售的印刷术(lithography)装置所具有的重合功能。该重合功能在半导体制造领域中被广泛应用，在与前道工序形成的图案对齐进一步形成图案时，可以将两图案的位置错离抑制在规定大小以下。

在细线导波路径形成工序中除去薄板层时，无需将细线导波路径部分以外的薄板层完全除去，只要除去薄板层使得在细线导波路径的两侧形成沟槽即可。例如在通过电子射线印刷术除去薄板层的情况下，与大范围除去薄板层相比，如此仅除去沟槽部分的方法较为容易。

基于以下理由，该沟槽的宽度优选为空孔配置的1个周期以上。另外，在本申请中，“空孔配置的周期”表示最邻近的空孔之间的距离。

图5表示在导波路径的宽度方向上，在细线导波路径中传播的光的电场分布。横轴表示细线导波路径宽度方向的位置，图中的符号21的范围相当于细线导波路径的区域。纵轴表示电场的振幅，纵轴的绝对值越大表示电场越大。虽然，电场在细线导波路径21的外侧也存在，但是从细线导波路径的端部到仅远离空孔配置一个周期a的位置22处，电场大致为0。因此，只要上述沟槽的宽度为空孔配置的一个周期以上，在细线导波路径的侧部的薄板层中就几乎没有光的泄漏。

在二维光子晶体中，光从晶体内导波路径浸透到该导波路径宽度方向的某种程度的范围并传播(但是，由于光不会扩散到比该范围更靠近外侧的地方，因此晶体内导波路径的光不损失)。该浸透范围为空孔配置的5个周期左右。若在比细线导波路径两侧的沟槽更靠近外侧残存的薄板层与二维光子晶体直接接连，则由于从晶体内导波路径浸透的光浸入到该残存的薄板层中，所以光会产生损失。因此，在所述细线导波路径形成工序中，优选从细线导波路径起，进一步将二维光子晶体的外缘部的薄板层除去空孔配置的5个周期以上。由此，可以防止从晶体内导波路径浸透的光浸入到残存于沟槽外侧的薄板层中而造成损失。

根据本发明所涉及的第二方式的制造方法，能够得到以下的效果。本发明中，由于在形成二维光子晶体并在其下部形成空气桥空间之后，从二维光子晶体的外缘朝向其外侧形成细线导波路径，所以，包覆层能够可靠地接触在细线导波路径的下部。因此，通过该方法所制造的细线导波路径中，导波模式为单一模式，不会产生由多重模式所引起的问题。另一方面，由于在二维光子晶体的下部形成空气桥空间，因此通过存在于其上下的空气和薄板的折射率差，能够在二维光子晶体内将光封闭于与薄板垂直的方向，从而将光的损失抑制为最小。

(4)第三方式的制造方法

第三方式的制造方法与第二方式的制造方法相同，是具有空气桥结构的带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法。在本方式的制造方法中，也是将薄板层和包覆层层叠而形成的板材(例如SOI)作为材料。

首先，形成贯通薄板层的空孔。这里所设置的空孔与第二方式的情况不同，不是作为用于形成二维光子晶体的不同折射率区域的空孔，而是为了将蚀刻剂导入包覆层而设置的。这里，将该空孔称作“蚀刻剂导入用空孔”。蚀刻剂导入用空孔，如后所述，优选在完成后设置于变为带细线导波路径的二维光子晶体的区域的外侧。进而优选以在晶体内导波路径的两侧，从该晶体内导波路径仅远离规定的距离而大致平行地排列的方式设置。但是，也可以如后所述，将该蚀刻剂导入用空孔作为用于形成不同折射率区域的空孔的一部分。蚀刻剂导入用空孔，通过光平板印刷术(photolithography)、电子射线印刷术或干蚀刻等而形成。

接着，通过蚀刻剂导入用空孔，将蚀刻剂导入到包覆层中。蚀刻剂从空孔浸入到包覆层，并对空孔的下部及其周围的包覆层进行蚀刻。由此，从空孔起在一定范围内形成空气桥空间。蚀刻剂与第二方式的情况相同，可以使用现有的蚀刻液或蚀刻气体。

然后，在面向空气桥空间的薄板层，即空气桥空间上的薄板层，周期性地设置空孔。由于由此形成了折射率的周期分布，所以在设有空孔的区域内变成二维光子晶体。这里，设置空孔的区域无需与空气桥空间的区域完全一致，可以比其稍微大或稍小一点。而且，设置空孔之际一并形成晶体内导波路径。晶体内导波路径的一端或两端到达设有空孔的区域的外缘部。晶体内导波路径，一般通过空孔的周期性排列的线状错乱而形成，典型的方法是通过将没有形成空孔的区域设为线状而形成。另外，通过移近其两侧的空孔配置而将宽度变窄，或者相反使其扩展，能够作为晶体内导波路径而充分地发挥作用。并且，通过将与周围的空孔不同孔径的空孔以线状配置，并埋入其他不同的物质，当然也能够形成晶体内导波路径。在二维光子晶体中根据需要形成点状缺陷。例如，可通过配置与周期性地配置的空孔不同孔径的空孔，或者使空孔缺省等来形成点状缺陷。该工序中的空孔的形成与蚀刻剂导入用空孔相同，可以通过光平板印刷术、电子射线印刷术或干蚀刻等进行。

如上所述，在形成二维光子晶体的同时，从所述晶体内导波路径的端部朝向空气桥空间的外侧形成细线导波路径。该细线导波路径，通过除去周围的薄板层，仅残留其宽度的薄板层而形成。由于在空气桥空间的外侧残留有包覆层，所以如此形成的细线导波路径在其下部具有包覆层。包覆层的除去与形成空孔时相同，可以通过光平板印刷术、电子射线平板印刷术或干蚀刻而等进行。

由于当以不同工序分别形成二维光子晶体和细线导波路径的情况时，在晶体内导波路径和细线导波路径中，以与先前工序中所形成的一方导波路径的位置重合的方式，形成另一方导波路径，所以，在后面的工序中需要进行导波路径之间的定位。与此相对，由于在该第三方式的制造方法中，二维光子晶体的形成和细线导波路径的形成在同一工序(带细线导波路径的光子晶体的形成工序)中进行，因此无需进行这种旨在定位的作业，从儿不仅节省工夫和时间，还能够可靠地对两者进行定位。

蚀刻剂导入用空孔，优选在完成后设于变为带有细线导波路径二维光子晶体的区域外侧。由此，可以比较随便地进行蚀刻剂导入用空孔的形成和通过蚀刻剂而进行的空气桥空间的形成，从而使制造工艺简略化。另一方面，也可以将蚀刻剂导入用空孔设于带细线导波路径的二维光子晶体的区域内，并将该蚀刻剂导入用空孔作为后述所形成的二维光子晶体的空孔的一部分或点状缺陷等。但是，该情况下，在带细线导波路径的二维光子晶体形成工序中，要进行蚀刻剂导入用空孔和二维光子晶体图案的定位。

并且，优选蚀刻剂导入用空孔为在晶体内导波路径的两侧从该晶体内道波路径仅远离规定距离而大致平行地排列的多个空孔。

在仅设置一个蚀刻剂导入用空孔的情况下，空气桥空间的外缘形状为圆形。另外，在设置多数个线状蚀刻剂导入用空孔的情况下，由于包覆层从各空孔仅远离相同距离而被分别蚀刻，所以，空气桥空间的外缘形状为与蚀刻剂导入用空孔的列平行的带状，其带的端部为以顶端的空孔为中心的圆弧状形状。若将所述晶体内导波路径的端部配置于这些圆弧形状的外缘，则从该位置向该导波路径的宽度方向不存在空气桥空间。因此，二维光子晶体的一部分不与空气桥空间接连。

与此相对，若在晶体内导波路径的两侧，从该晶体内导波路径仅远离规定距离而大致平行地排列蚀刻剂导入用空孔，则所形成的空气桥空间变为其上述空气桥空间的带的侧部重合的形状。此时，在晶体内导波路径的端部，变为上述带状空气桥空间的圆弧形状区域交叉的形状。因此，从晶体内导波路径的端部向该导波路径的宽度方向也存在空气桥空间，并且二维光子晶体全体与空气桥空间接连。这样，即使如前所述光从晶体内导波路径浸透，该光也不会通过包覆层而损失。

在第三方式的情况下，与第二方式的情况相同，优选在细线导波路径形成工序中，以只要在细线导波路径的两侧形成沟槽即可的方式除去薄板层(不需将细线导波路径部分以外的薄板层完全除去)，并以空孔配置的一个周期以上设置该沟槽的宽度。而且，在所述细线导波路径形成工序中也与第二实施方式的情况相同，优选从细线导波路径起进一步将二维光子晶体的外缘部薄板层除去空孔配置的5个个周期以上，。

根据本发明所涉及的第三方式的制造方法，能够得到以下的效果。本发明中，由于在形成空气桥空间之后，在空气桥空间的外侧形成细线导波路径，所以，能够使包覆层可靠地接连在细线导波路径的下部。因此，通过该方法制造的细线导波路径中，导波模式变为单一模式，不会产生由多重模式所引起的问题。而且，由于在形成空气桥空间之后，在其上部形成二维光子晶体，所以空气桥空间能够可靠地接连在二维光子晶体的下部。因此，通过存在于二维光子晶体的上下的空气和薄板的折射率之差，可以将光封闭于和薄板面垂直的方向，从而将光的损失抑制为最小限度。并且，由于晶体内导波路径的形成和细线导波路径的形成在同一工序中进行，所以无需进行晶体内导波路径和细线导波路径的定位，就可以适当地将细线导波路径配置于晶体内导波路径的延长部分上。

实施例1

图6表示面向点状缺陷而设置有空气桥空间的二维光子晶体的结构例。(a)是其立体图，(b)是俯视图，(c)是(b)所示的A-A’方向的剖面图(左侧)以及B-B’方向的剖面图(右侧)。该器件具有：以Si为材料的薄板层31、以SiO₂为材料的包覆层32、以及以Si为材料的Si层33。包覆层32和Si层33重合的层支承薄板层31。

在薄板层31上以三角格子状的周期配置空孔35。由于由此形成光子带隙，所以与光子带隙内的能量相对应的波长的光无法在主体层内传播。这里，三角格子的周期a是0.41μm。另外，通过使以直线状排列的三个空孔35缺省，即不设置三个空孔来形成一个点状缺陷36。包覆层32中，在点状缺陷的下部区域设置没有SiO₂的空气桥空间37。由于该空气桥空间是以薄板层31、包覆层32和Si层33围绕其周围的空洞状区域，所以，这里将空气桥空间称为“空气桥空洞”。至于设置该空气桥空洞37的范围，后面将详细叙述。

在薄板层31的下侧与包覆层32接连的区域中，通过Si(折射率～3.5)和SiO₂(折射率～1.5)的折射率之差，能够某种程度地将光封闭于垂直于薄板层31的方向。但是，相比于主体层与空气接触的情况，该封闭不够充分，若假设在点状缺陷36的正下方存在SiO₂，则光会从点状缺陷36漏散到包覆层32。而且，由于在点状缺陷36的位置产生上下非对称性，所以会产生TE波和TM波的结合，使得光会从点状缺陷36漏散到薄板层31的面内。因此，本实施例中在点状缺陷36的下部设置空气空洞37，防止了光从点状缺陷36漏散到包覆层32和薄板层31的面内。

对于具有图6这样构造的二维光子晶体，通过基于时间区域差分法(Finite Difference Time Domain method；FDTD法)来计算，求得点状缺陷36的Q值。这里，对于设置空气桥空洞37的范围仅在点状缺陷36的正下方(图7(a))、在从点状缺陷36到仅偏离格子一个周期的外侧(b)、以及在从点状缺陷36到仅偏离格子两个周期的外侧(c)的情况，分别计算Q值。另外，空气桥空洞37的深度设为2a。而且，为了比较，对于在薄板31的上下均将整个面形成为空气的情况(无基板光子晶体)，和在包含点状缺陷36的正下方的薄板层31的下部整个面上设置包覆层32的情况(带基板光子晶体)，计算Q值。图8表示这些计算结果。另外，在图8中将无基板光子晶体简略表示为“无基板”，将带基板光子晶体简略表示为“带基板”。在(b)、(c)的情况下，能够得到与无基板光子晶体上设置的点状缺陷同等的Q值。因此，空气桥空洞37在比(b)更广的范围内，即能够确保薄板层31的强度的范围即可。如上所述可知，能够实现具有比本实施例的二维光子晶体更高性能的点状缺陷共振器。

形成于薄板层31的点状缺陷除了图6所示之外还存在各种方式。图9示出了其若干个例子。(a)是通过空孔35中的一个孔径比其他空孔的孔径大而形成点状缺陷361。这种点状缺陷，能够通过变化其孔径而容易地控制共振波长。(b)是两个相同的点状缺陷并列设置而形成的点状缺陷。相对这两个点状缺陷3621和3622设置一个空气桥空洞372。两个点状缺陷3621和3622以相同波长的光共振，作为一个共振器而发挥作用。(c)和(d)是在一个光子晶体上配置不同的多个点状缺陷363～365。在各点状缺陷363～365中，分别对不同波长的光进行共振。在(c)中按各点状缺陷分别设置空气桥空洞373～375。与此相对，在(d)中对这些点状缺陷363～365的全部设置一个共同的空气桥空洞376。虽然该空气桥空洞376比空气桥空洞373～375大，但是由于在与点状缺陷363～365的排列方向垂直的面内方向的长度L较短，所以能够确保足够的强度。

图10表示在本发明的二维光子晶体中设置导波路径的例子。导波路径38是通过使空孔35以线状缺省，即通过不设置空孔35而构成。而且，也可以单纯地使空孔35从排列有空孔35的三角格子的格子点缺省，进而通过错开空孔35的排列来适当地设定导波路径38的宽度，可以调整透过导波路径的光的波长带。通过在点状缺陷附近设置这种导波路径，可作为复分接器使用，具体地说从流过导波路径的多个波长的重叠光中对共振波长的光进行分波，并取出至晶体的外部，或者将共振波长的光从晶体外部合波到导波路径的重叠光中。

实施例2

下面，使用图11说明第一方式的二维光子晶体的制造方法的一个实施例。

准备SOI基板41，其由以Si为材料的薄板层31、以SiO₂为材料的包覆层32、以及以Si为材料的Si层33这三层构成。SOI基板41可以使用市售的材料。首先，在薄板层31上挖空两个蚀刻剂导入用空孔42(a)。蚀刻剂导入用空孔42的形成例如可以通过以下方式进行，即在薄板层31的表面涂布EB抗蚀剂，并在蚀刻剂导入用空孔42的位置进行EB描绘后，使用蚀刻气体(例如SF₆)来进行干蚀刻。接着，将SOI基板41浸入氟化氢水溶液43中(b)。从蚀刻剂导入用空孔42浸入的氟化氢水溶液，对薄板层31和Si层33不产生影响，而仅蚀刻包覆层32。由此，从蚀刻剂导入用空孔42直至一定距离，包覆层32被蚀刻，从而形成空气桥空间44。基于与上述同样的理由，下面将该空气桥空间称作“空气桥空洞”。然后，以三角格子状形成作为不同折射率区域的空孔45，并以被配置于空气桥空洞44上方位置的方式，形成空孔缺省的点状缺陷46。这里，调整SOI基板41的位置，使得蚀刻剂导入用空孔42成为不同折射率区域空孔中的一个。该空孔45的形成也与蚀刻导入用空孔42相同，可以使用EB描绘或干蚀刻法进行。

进而，在设置导波路径的时候，替代(c-1)，如图(c-2)所示只要在导波路径47的位置的格子点，不挖出空孔45即可。

图12表示由第二实施例例制造的二维光子晶体的扫描电子显微镜(SEM)照片。(a)和(b)是从薄板层31的上部观察该二维光子晶体的照片。在该例中形成有点状缺陷和导波路径。因变色而可看到的区域48是在该薄板层31的正下方形成的空气桥空洞。(c)表示从斜上方对区域48的边界附近的SOI基板41的剖面进行摄影的SEM照片。包覆层32被蚀刻，形成空气桥空洞49。而且，之所以包覆层32被斜着蚀刻(符号40)，是因为接近主体层的包覆层32的上部，能够从蚀刻剂导入用空孔42起被蚀刻至很远的位置，以及根据SiO₂的结晶性的缘故。

在图12的(a)和(b)中，导波路径和空气桥空洞之间的位置不同。与在(a)中导波路径的一部分通过区域48相对，在(b)中导波路径的全体通过区域48的外部。但是，对于导波路径和点状缺陷的位置关系，(a)和(b)没有不同。在(b)中，为了将点状缺陷配置于空气桥空洞上，并将导波路径配置于空气桥空洞以外，将点状缺陷的外缘配置于大致与区域48接连的位置。

图13表示对(a)和(b)的二维光子晶体，测定从导波路径被点状缺陷分波的光的分波频谱的结果。在该图中一并表示了无基板光子晶体和带基板光子晶体的分波频谱的测定结果。点状缺陷的Q值，在(a)中为Q＝3000，在(b)中为Q＝950。在(a)、(b)中均得到了比带基板光子晶体的的情况更高的Q值，特别是在(a)中能够得到与无基板光子晶体的Q值相同的值。虽然(b)中的Q值比无基板光子晶体的Q值稍低，但可以认为这是由于在(b)中，为了将点状缺陷的外缘配置在大致与区域48的端部接连的位置，会在点状缺陷的下方多少残存有SiO₂的缘故。

实施例3

下面，在具有空气桥结构的二维光子晶体中，示出对在空气桥空间的正上设置导波路径时的导波路径透过带域进行解析的结果。

首先，如图14(a)所示，在SiO₂基板层的正上区域501和空气桥空间52的正上区域502的导波路径宽度相等(宽度为空孔51周期a的1.11倍)的情况下，光在区域501和区域502的导波路径共同透过的区域，变为图14(b)所示的共同带域531。另外，(b)的纵轴表示在光的频率上乘以空孔51的周期并除以光速的标准化频率，横轴表示光的波数。而且，阴影部分表示由于在导波路径内TE波和TM波结合，使得TM波向面内方向泄漏，因此不优选作为导波路径透过带域而使用的频率带域。

与此相对，如图15(a)所示，在通过调节空孔51的位置使区域502的导波路径的宽度扩展到空孔51周期a的1.16倍时，如图15(b)所示，区域502的导波路径透过带域移向低频侧，与不扩展导波路径宽度的情况相比，能够扩大共同带域532。

接着，用与上述同样的分析，研究在制造具有空气桥结构的二维光子晶体时，扩展导波路径宽度的区域的边界从空气桥空间的边界错位的情况。由于如图16(a)所示，当在空气桥空间54的正上存在导波路径狭窄的区域551时，如图16(b)所示，带域56的光不能透过区域551内的导波路径，所以，导波路径全体的透过区域57要比上述没有错位的情况窄。与此相对，由于如图17(a)所示，在空气桥空间54的外侧存在导波路径较宽的区域552时，如图17(b)所示，带域57的光中TM波向薄板的面内方向泄漏，但能够在导波路径全体内传播。若区域552变窄则该泄漏的影响较小。在此以外的带域中，不存在区域552产生影响的情况。因此，即使在空气桥空间54的外侧存在导波路径的较宽区域552，导波路径的共同透过波长带域59也不会变窄。

实施例4

接着，使用图18和图19，说明第二实施方式的二维光子晶体的制造方法，即带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法的一个实施例。图18中，左侧表示各工序的立体图，右侧表示A-A’或B-B’的剖面图。

准备SOI基板61，其由以Si为材料的薄板层611、以SiO₂为材料的包覆层612、以及以Si为材料的Si层613这三层构成。SOI基板61可以使用市售的材料。本实施例中所使用的SOI基板61的各层厚度分别是，薄板层611为0.25μm，包覆层612为1.5μm，Si层613为725μm。首先，在薄板层611的表面涂布抗蚀剂68，利用电子射线在空孔周期性配置的图案中将抗蚀剂68除去(a)。在本实施例中，空孔的半径为0.12μm，空孔的配置为三角格子，其格子常数为0.42μm。此时，在成为晶体内导波路径的位置不形成空孔。晶体内导波路径的宽度在本实施例中为0.48μm。另外，晶体内导波路径，也可以通过将空孔的形状形成与其他的不同，或错移空孔的位置来形成。接着，通过使用蚀刻气体(SF₆气体)的干蚀刻在薄板层611中形成空孔612。此时，晶体内导波路径63(进而，对于设置点状缺陷的情况是该点状缺陷)的部分不被蚀刻(b)。之后，除去抗蚀剂68。通过进行这里的工序(二维光子晶体形成工序)，在薄板层611上形成二维光子晶体。但是，在该阶段，包覆层612与二维光子晶体的下部接连。

接着，将SOI基板61在浓度为5％的氟化氢水溶液中浸泡1分30秒。从空孔62浸入的氟化氢水溶液，对薄板层611和Si层613的Si不产生影响，而仅对包覆层612的SiO₂进行蚀刻。由此，包覆层612能够从各空孔62起被蚀刻到一定距离，在空孔间被蚀刻的区域相连接。这样，在二维光子晶体的下部形成空气桥空洞64(c)。另外，本实施例中，在薄板层611侧端部的一定宽度区域上不设置空孔。由此，在侧端部的下部67，包覆层67仅以一定宽度不被蚀刻而残留。该包覆层612的残留部分，起到支承二维光子晶体的作用。

接着，在薄板层611的上面涂布抗蚀剂69，并利用电子射线仅以规定宽度，将形成细线导波路径的位置两侧的抗蚀剂除去。此时，通过使用电子射线描绘装置的重合(registration：叠合)功能，使形成的(残留的)细线导波路径恰当地叠合在晶体内导波路径63的延长部分上。该沟槽的宽度为空孔配置的一个周期。本实施例中，与形成该空孔同时，在二维光子晶体的外缘部，于抗蚀剂69上形成大致垂直于细线导波路径的方向的沟槽(d)。该晶体外缘部的沟槽的长度，比空孔配置的5个周期长，作为空孔列的6列(5.2个周期)，其宽度设定为与细线导波路径的两侧沟槽的宽度相同的空孔配置的一个周期。接着，通过使用SF₆气体进行干蚀刻，在薄板层611上形成两条沟槽66。之后，若除去抗蚀剂69，则残留于两条沟槽66之间的薄板层611成为细线导波路径65(e)。

通过以上的工序，可以完成带细线导波路径的二维光子晶体的形成，其在二维光子晶体的下部具有空气桥空洞64，在细线导波路径65的下部具有包覆层612。由于在该带细线导波路径的二维光子晶体的晶体内导波路径63中，在其下部形成有空气桥空洞64，所以光不能在Si层613的方向漏散。而且，通过细线导波路径65的下部与包覆层612接连，细线导波路径65的导波模式为单一模式。并且，由于细线导波路径两侧的沟槽66的宽度为空孔配置的一个周期，所以细线导波路径65的光不漏散到该导波路径65侧方的薄板层611。进而，由于在晶体外缘部在大致垂直于细线导波路径65的方向，以六列空孔列(5.2个周期)形成沟槽66，所以从晶体内导波路径65向该宽度方向浸透的光，不会漏散到细线导波路径65侧方的薄板层611。

当设置点状缺陷的情况，在图18(a)所示的所述工序中，只要不在目的位置形成空孔即可。或者，还可以将该位置空孔的形状形成与其他位置的不同、在打乱周期排列的位置配置空孔。图19(a-1)是表示在位置601没有形成三个空孔的例子的图，(a-2)是表示将形成于位置602的空孔的直径加工得比其他空孔的直径大的例子的图。通过与上述同样地进行此外的工序，可以得到设置有三个空孔缺省的点状缺陷603(b-1)，或比其他空孔直径大的点状缺陷604(b-2)的带细线导波路径的二维光子晶体。另外，关于这些点状缺陷，在专利文献1和特开2003-279764号公报中已被详细记载。

图20表示由本实施例制造的带细线导波路径的二维光子晶体的扫描电子显微镜(SEM)照片。(a)是从斜上方对二维光子晶体部的剖面(对应于图18的A-A’剖面)进行摄影的照片，(b)是其放大照片。在薄板层711上周期性形成空孔72，并形成缺省一列空孔72的晶体内导波路径73。在二维光子晶体的下部形成空气桥空洞74。另外，包覆层712之所以被倾斜蚀刻，是因为靠近薄板层711的包覆层712上部从空孔72会被蚀刻到较远的位置，以及根据SiO₂的结晶性。(c)是从斜上方摄影细线导波路径部的剖面(对应于图18的B-B’的剖面)的图，(d)是从斜侧方摄影该剖面的图。通过形成两条沟槽76，来在其之间形成细线导波路径75。而且，如(c)所示，细线导波路径75的下部与包覆层712接连。由此，细线导波路径75的导波模式为单一模式。

实施例5

接着，使用图21和图22，说明第三方式的二维光子晶体的制造方法，即带细线导波路径的二维光子晶体的制造方法的一个实施例。

与实施例4相同，准备SOI基板81，其由以Si为材料的薄板层811、以SiO₂为材料的包覆层812、以及以Si为材料的Si层813这三层构成。首先，在薄板层811的表面涂布抗蚀剂891，并利用电子射线在蚀刻剂导入用空孔82的图案中将抗蚀剂891除去(a)。该图案是将半径0.12μm的空孔以直线形状大致平行地排列两列。这两列间的距离是7.2μm。接着，通过使用蚀刻气体(SF₆气体)进行干蚀刻，在薄板层811上形成空孔82。之后，除去抗蚀剂891(b)。

接着，将SOI基板81在浓度为5％的氟化氢水溶液中浸泡三分钟。从蚀刻剂导入用空孔82浸入的氟化氢水溶液，对薄板层811和Si层813的Si不产生影响，而仅对包覆层812的SiO₂进行蚀刻。由此，包覆层812从各蚀刻剂导入用空孔82被蚀刻到一定距离，从而形成两条带的侧部重合形状的空气桥空洞83(c)。图22表示从SOI基板81的剖面A-A’(图5(c)所示)观察该空气桥空洞的图。

接着，在薄板层811的上面涂布抗蚀剂892，并利用电子射线，在空孔被周期性配置的图案中将抗蚀剂892除去(d)。该空孔是用于形成二维光子晶体的周期折射率分布的空孔。在本实施例中，空孔的半径为0.12μm，空孔的配置为三角格子，其格子常数为0.42μm。此时，在成为晶体内导波路径的位置不形成空孔。另外，也可以通过将空孔的形状形成为与其他空孔的形状不同，或将空孔的位置错位来形成晶体内导波路径。而且，使晶体内导波路径端部的位置，重合在空气桥空洞83的圆弧形状区域交叉的位置84。可以使用市售的平板印刷(lithography)装置所具有的重合功能，来完成该位置重合。晶体内导波路径的宽度在本实施例中为0.48μm。与此同时，利用电子射线仅以规定宽度将形成细线导波路径的位置两侧的抗蚀剂892除去(d)。该沟槽的宽度设定为空孔85的一个周期。在本实施例中，在形成该沟槽的同时，在二维光子晶体的外缘部，于抗蚀剂892上形成与细线导波路径大致垂直的方向的沟槽(d)。该晶体外缘部沟槽的长度比空孔85的5个周期长，为空孔85的六个列(5.2个周期)，其宽度为与细线导波路径两侧的沟槽宽度相同，即空孔85的一个周期。接着，通过使用SF₆气体进行干蚀刻，在包覆层811上形成空孔85和沟槽86。由此，形成了晶体内导波路径87和细线导波路径88。之后，除去抗蚀剂892(e)，则完成细线导波路径的二维光子晶体的形成。

在如此制造的带细线导波路径的二维光子晶体中，晶体内导波路径87和细线导波路径88在位置84处连接。由于从该位置84起在导波路径的宽度方向形成空气桥空洞83，所以，二维光子晶体其全体与空气桥空洞连接。因此，即使在晶体内导波路径87中传播的光从该导波路径浸出到一定的范围而传播，该光也不会因包覆层812而损失。

而且，由于在晶体内导波路径87的下部形成空气桥空洞83，所以光不漏散到Si层813的方向。并且，通过细线导波路径88的下部接连在包覆层812上，细线导波路径88的导波模式成为单一模式，从而光能够在晶体内导波路径87和细线导波路径88之间高效率地进行导波。由于细线导波路径88两侧的沟槽86的宽度为空孔85的一个周期，所以细线导波路径88的光不漏散到该导波路径侧方的薄板层811。此外，由于在晶体外缘部，在大致垂直于细线导波路径88的光的方向，以5列空孔85形成沟槽86，所以从晶体内导波路径87向其宽度方向浸透出的光，不会漏散到细线导波路径88侧方的薄板层811。

当设置点状缺陷时，只要在图21(d)所示的所述工序中，不在目的位置形成空孔即可。或者，也可以将该位置空孔的形状形成为与其他的不同、在打乱周期排列的位置上配置空孔。也可以将空孔配置于使周期性排列错乱的位置。图23(a)是表示在位置80处没有形成三个空孔的例子的图，(b)是表示将形成于位置802的空孔直径加工得比其他空孔的直径大的例子的图。通过与上述相同地进行除此以外的工序，可以得到设置有缺省三个空孔的点状缺陷((a)的情况)，或者比其他空孔直径大的点状缺陷((b)的情况)的带细线导波路径的二维光子晶体。另外，形成于位置801的缺陷与实施例4的形成于位置601(图19(a-1))的缺陷相同，形成于位置802的缺陷与实施例4的形成于位置602(图19(a-2))的缺陷相同。

图24表示由本实施例制造的带细线导波路径的二维光子晶体的扫描电子显微镜(SEM)照片。(a)是从薄板层的上侧摄影的照片，其表示二维光子晶体91的全体和细线导波路径92的一部分。二维光子晶体91的长度方向的全长是100μm。图中，在位于因变色而能够看到的区域下部的包覆层上，形成有空气桥空洞93。

(b)是将晶体内导波路径94和细线导波路径93的边界附近放大的照片。蚀刻剂导入用空孔95在二维光子晶体的外侧形成为两列。二维光子晶体的空孔96排列为三角格子状，另外，形成缺省一列空孔96的晶体内导波路径94。在两条沟槽97之间形成细线导波路径92。进而，从晶体内导波路径94和细线导波路径92的连接部，在大致垂直于细线导波路径的方向上也形成沟槽97。将该连接部附近扩大显示如(c)。这些晶体内导波路径94和细线导波路径92，在空气桥空洞93的外缘，即两个圆弧981和982的交点99处连接。因此，从连接部起在垂直于导波路径的方向上也存在空气桥空洞93，这样，二维光子晶体全体形成在空气桥空洞93上。

Claims (8)

1、一种具有空气桥结构的二维光子晶体，备有：

a)薄板状的主体；和

b)设置在所述主体下面的包覆层；和

c)以规定的周期成格子状配置在所述主体上，并与主体折射率不同的多个区域；和

d)以点状设置所述不同折射率区域的缺陷而构成的点状缺陷；以及

e)面向所述点状缺陷而设于包覆层的规定范围内的空间。

2、根据权利要求1所述的具有空气桥结构的二维光子晶体，其特征在于：所述不同折射率区域通过在主体上设置空孔而形成。

3、根据权利要求1或2所述的具有空气桥结构的二维光子晶体，其特征在于：设置多个所述点状缺陷。

4、根据权利要求1或2所述的具有空气桥结构的二维光子晶体，其特征在于：所述空间的范围，是对于主体面内的至少一个方向，从所述点状缺陷的外缘向外方的不同折射率区域的周期的1～25个周期。

5、根据权利要求1或2所述的具有空气桥结构的二维光子晶体，其特征在于：所述空间的深度是不同折射率区域周期的两倍以上。

6、根据权利要求1或2所述的具有空气桥结构的二维光子晶体，其特征在于：在所述点状缺陷附近，还备有导波路径，其通过将所述不同折射率区域的缺陷设置为线状而形成。

7、一种具有空气桥结构的二维光子晶体，由通过薄板层和包覆层层叠而成的板材形成，并具有在薄板层上被周期性地配置的空孔和导波路径的二维光子晶体，以及与该导波路径连接的细线导波路径构成，在该二维光子晶体的下部设置除去包覆层的空间，且包覆层连接在该细线导波路径的下部，所述细线导波路径两侧的薄板层仅以空孔配置的一个周期以上的宽度被除去。

8、一种具有空气桥结构的二维光子晶体，由通过薄板层和包覆层层叠而成的板材形成，并具有在薄板层上被周期性地配置的空孔和导波路径的二维光子晶体，以及与该导波路径连接的细线导波路径构成，在该二维光子晶体的下部设置除去包覆层的空间，且包覆层连接在该细线导波路径的下部，所述二维光子晶体外缘部的薄板层从细线导波路径起以空孔配置的5个周期以上被除去。

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