CN1906513A

CN1906513A - 光波导元件

Info

Publication number: CN1906513A
Application number: CNA2005800015260A
Authority: CN
Inventors: 古屋博之; 榎原晃
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: JP3926838B2; US20060182400A1; US7200312B2; CN100427980C; JPWO2006051942A1; WO2006051942A1

Abstract

本发明的光波导元件，具有孔部(304)呈周期性排列的多个光子晶体区域(305)和在多个光子晶体区域(305)之间形成的光波导(302)。在光波导(302)两侧，与光波导(302)相邻的多个孔部(304)相对于沿光波导(302)的波导方向延伸的中心轴对称地排列。在光波导(302)的内部，沿波导方向周期性地排列多个折射率补偿区域(303)，使有相对于所述中心轴对称关系的各对孔部(304)所夹持的部分的等效折射率比其他部分的等效折射率高。设定孔部(304)的半径为r时，各折射率补偿区域(303)的重心位置从连接孔部(302)的中心的直线中点沿波导方向移动，而且，位于沿波导方向离开所述中点0.45r的位置和沿着与波导方向相反的方向离开所述中点0.25r的位置之间。

Description

光波导元件

技术领域

本发明涉及具有光子晶体(Photonic crystal)结构的光波导元件。

背景技术

已知在由电介质或半导体等能透过电磁波(包括光)的材料构成的基板上，如果形成以具有光的波长大小程度的周期调制折射率的结构，就能形成在电磁波的分散关系中与晶体的电子有关的频带结构同样的频带结构。对于电磁波的(典型的为“光”)，这样的频带称为光子频带，具有光子频带的周期结构体被称为“光子晶体”。非专利文献1中说明了众所周知的光子晶体。

利用光子晶体的光波导元件作为能使光路元件小型化的技术为人所期待。在通过光子晶体将光封闭在规定的区域中的光波导元件中，光波导部分和周期性的折射率补偿区域部分的折射率差是重要的。因此，有这样的报告：将砷化镓(折射率为3.6)和硅(折射率为3.4)等折射率为3以上的材料与二氧化硅(SiO₂：折射率为1.5)和空气(折射率为1)的折射率低的材料混合起来形成的例子(例如专利文献1)。

发表了通过将周期性的圆柱状的空气孔设置在半导体基板上，生成光子频带，能以90°急剧变化的角度使光路弯曲的光波导(非专利文献2)等。

图1表示使用光子晶体结构的光波导元件的一例(非专利文献2)。通过在由InP和GaAs等形成的基板101上形成多个空气孔102的周期性的排列，能制作该光波导元件。在不存在空气孔102的线状的缺陷部分103中，不存在光子频带，能在宽波长范围内透过光。

这样，通过在光波导的两侧设置光子晶体区域，利用该光子晶体区域的频带结构，能将禁止透过的波长的光封闭在光波导内。

根据这样的光波导元件，能实现用现有的折射率型光波导元件不能实现的角度急剧弯曲的光波导，能期待适用于波长次序(order)的光路元件。对于图1所示的光波导元件，提出了将滤光器和半导体激光器等集成起来的集成电路等多种用途。

另外，专利文献2公开了使用通过将空气孔排列成三角晶格状而形成的平板状的光子晶体的光波导元件。在该光波导元件中，通过使三角晶格的规定的晶格点位置的空气孔的大小和形状与其它晶格点位置的空气孔的大小和形状不同，形成具有作为光波导功能的线状缺陷区域。

非专利文献1：J.D.Joannopouls等人著“Photonic crystals”，Princeton University Press，1995.

非专利文献2：Chutinan et.al.，Physical Review B，vol.62，No.7，p4488 2000

专利文献1：日本专利特开2002-350657号公报

专利文献2：美国专利6853791号说明书

但是，在图1所示的光波导元件中，有透射率低于预计的问题。参照图2说明该问题。

图2表示被夹在光子晶体区域中的光波导的平面图及其局部放大图。

根据本发明人的研究，为了形成光子晶体结构，由于周期性排列的空气孔202、203的作用，光波导的等效折射率沿波导方向周期性地变化，成为透射率下降的原因。具体而言，在基板201中被夹在两个空气孔202、203中间的第一部分204的等效折射率比被夹在相邻的两个第一部分204之间的第二部分205的等效折射率相对地低。因此，在光波导内部，等效折射率沿波导方向周期性地变化，光波导特性中呈现共振器的性质。其结果，在光波导中传播的光的一部分共振，由于反射或不希望的频带特性，作为光波导的特性劣化。

在专利文献2公开的光波导元件中，在相当于图2中的第二部分205的位置上形成例如椭圆形的空气孔。如果采用这样的结构，则由于第二部分205的等效折射率比基板材料的折射率低很多，所以现在第一部分204的等效折射率比第二部分205的等效折射率大。因此，在专利文献2的波导元件中，未能解决光波导特性中呈现共振器的性质的问题。

本发明就是鉴于上述情况而完成的，其主要目的在于提供一种补偿由于光子晶体区域的影响而在光波导中产生的等效折射率的周期性的变化，提高透射特性的光波导元件。

发明内容

本发明的光波导元件，具有孔部呈周期性排列的多个光子晶体区域；和在上述多个光子晶体区域之间形成的光波导，上述光子晶体区域中包含的多个孔部中，在上述光波导的两侧与上述光波导相邻的多个孔部相对于沿上述光波导的波导方向延伸的中心轴对称地排列，在上述光波导的内部，由相对于上述中心轴处于对称关系的各对孔部所夹持的部分的等效折射率高于其他部分的等效折射率的材料构成的多个高折射率部分沿波导方向周期性地排列，设定上述孔部的半径为r时，上述各高折射率部分的重心位置都从连接夹持该高折射率部分的上述成对孔部的中心的直线中点，沿波导方向移动，而且，位于沿波导方向离开上述中点0.45r的位置和沿与波导方向相反的方向离开上述中点0.25r的位置之间。

在优选的实施方式中，上述高折射率部分的排列周期等于上述光子晶体区域中上述孔部的排列周期。

在优选的实施方式中，上述多个光子晶体区域和上述光波导形成在基板上。

在优选的实施方式中，上述基板的至少表面区域由第一材料形成，上述高折射率部分由具有与上述第一材料的折射率不同的折射率的第二材料形成。

构成上述高折射率部分的上述第二材料填埋形成在上述基板上的孔。

上述第二材料含有选自Ga、Si、Al、Ga、Nb、Ta、Ti、Zn、Au、Pt、Ni和Ge中的至少一种金属单体或合金、或者上述金属的化合物。

上述金属的化合物是选自磷、氮、氧和砷中的至少一种元素与上述金属的化合物。

在优选的实施方式中，上述基板由铌酸锂(LiNbO₃)形成，上述高折射率部分由氮化铝(AlN)形成。

在优选的实施方式中，上述基板由铌酸锂(LiNbO₃)形成，上述高折射率部分由氧化铌(Nb₂O₅)形成。

在优选的实施方式中，上述高折射率部分由上述基板的改性的部分形成。

在优选的实施方式中，上述基板被改性的部分是上述基板中金属元素扩散的部分。

在优选的实施方式中，上述基板具有包括上述多个光子晶体区域和上述光波导的板状部件；和支撑上述板状部件的基底部件，

上述孔部由贯通上述板状部件的孔构成。

在优选的实施方式中，在上述板状部件与上述基底部件之间设置有空气隙。

根据本发明的光波导元件，能减少现有的光波导元件中的光波导内产生的周期性的等效折射率的变化，而且能调整光能量流。其结果，能减少光波导中的等效折射率的周期性的变化引起的共振，提高透射特性，实现光反射损失的降低。因此，通过使用本发明的光波导元件，能实现超小型光路，能使光调制器等光学器件小型化、高性能化。

附图说明

图1是表示具有光子晶体结构的光波导元件的现有例的平面图。

图2是表示现有的光波导元件中的光波导内的折射率分布的示意图。

图3(a)是本发明的实施方式1的光波导元件的平面图，(b)是其A-A’线剖面图，(c)是其B-B’线剖面图。

图4(a)～(h)是表示实施方式1的光波导元件的制造方法的工序剖面图。

图5(a)是表示实施例1的基板和折射率补偿区域(高折射率部分)之间的折射率差与光波导透射率的关系的曲线图，(b)是表示折射率补偿区域的配置的平面图。

图6(a)是表示实施例1的折射率补偿区域(高折射率部分)的位置移动和光波导透射率的关系的曲线图，(b)是表示折射率补偿区域的配置的平面图。

图7(a)是表示现有的光波导中的波因廷向量的示意图，(b)是表示实施方式1的光波导中的波因廷向量的示意图。

图8(a)是本发明的实施方式2的光波导元件的平面图，(b)是其A-A’线剖面图，(c)是其B-B’线剖面图。

图9(a)～(h)是表示实施方式2的光波导元件的制造方法的工序剖面图。

图10(a)是本发明的实施方式3的光波导元件的平面图，(b)是其A-A’线剖面图，(c)是其B-B’线剖面图。

图11(a)～(g)是表示实施方式3的光波导元件的制造方法的工序剖面图。

图12(a)是表示实施例2的折射率补偿区域的位置移动和光波导透射率的关系的曲线图，(b)是表示折射率补偿区域的配置方法的平面图。

图13是实施例1的折射率补偿区域的宽度与光波导的透射率的关系的曲线图(波导长10λ)。

符号说明

101：基板

102：空气孔

103：光波导

201：基板

202：空气孔

203：空气孔

204：低等效折射率部

205：高等效折射率部

301：基板

302：光波导

303：折射率补偿区域

304：孔部

305：光子晶体区域

306：空隙

401：基底部分

402：光波导部分

403：掩模图案

404：凹部

405：抗蚀剂图案

406：凹部

503：折射率补偿区域(低折射率)

602：表示氧化铌和铌酸锂的折射率差的箭头

603：表示氮化铝和铌酸锂的折射率差的箭头

604：孔部(空气孔)的中心

605：孔部(空气孔)的中心

606：连接中心604和中心605的线段的中点

607：折射率补偿区域303的重心

801：孔部

802：孔部

803：波因廷向量

901：基板

902：板状部件

903：折射率补偿区域

904：孔部

905：光子晶体区域

906：空隙

1001：基底部分

1002：板状部分

1003：掩模图案

1004：凹部

1005：光子晶体区域

1006：光敏抗蚀剂

1007：电子束描绘用抗蚀剂

1008：金属

1101：基板(SOI基板)

1102：光波导

1103：折射率补偿区域

1104：孔部

1105：光子晶体区域

1201：硅层

1202：SiO₂层

1203：硅层

1204：图案

1205：空气孔

1206：空隙

1207：光敏抗蚀剂

1208：电子束描绘用抗蚀剂

1304：空气孔的中心

1305：空气孔的中心

1306：连接点1304和点1305的线段的中心

1307：折射率补偿区域1103的重心

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的光波导元件的实施方式。

(实施方式1)

首先，参照图3(a)至(c)说明本发明的光波导元件的第一实施方式。

在本实施方式的光波导元件的基板301上，形成有周期性地排列有孔部304的多个光子晶体区域305；和在多个光子晶体区域305之间形成的光波导302。

图中表示的光子晶体区域305的孔部304二维排列为形成三角晶格，排列周期(晶格常数)a被设定为光的波长大小。当被导向的光的波长为λ时，图中所示的光波导元件的光波导302的长度为10×λ左右。但是，本发明的光波导元件的波导长度等的尺寸不限定于这样的大小。

光波导302位于基板301中没有形成孔部304的部分，在光波导302中多个折射率补偿区域303沿光波导方向周期性地排列。折射率补偿区域303的排列周期与孔部304的排列周期相同。该折射率补偿区域303由具有与基板301的材料(第一材料)的折射率不同的折射率的第二材料形成。在本实施方式中，第二材料的折射率设定得比第一材料的折射率高，所以本实施方式中的各个折射率补偿区域303具有作为“高折射率部分”的功能。因此，光波导302的折射率单独地沿波导方向被周期性地调制。但是，由折射率补偿区域303进行的折射率的调制，具有抵消构成光子晶体区域305的孔部304对光波导302的周期性的折射率调制的功能。

在本实施方式中，由于后面详细说明的理由，通过调节相对于光波导方向平行的折射率补偿区域303的位置，达到高透射率。具体而言，各折射率补偿区域303的重心位置从连接夹持光波导302相对的孔部302的中心的直线中点，沿波导方向移动，位于沿波导方向离开上述中点0.45r的位置和沿着与波导方向相反的方向离开上述中点0.25r的位置之间。所谓“波导方向”，在假定光从图3(a)所示的光波导302的左端入射、从右端出射的情况下，为图3(a)中的“向右的方向”。所谓“与波导方向相反的方向”，是根据上述假定的图3(a)中的“向左的方向”。

由于具有以上的结构，被光子晶体区域夹持的光波导302的等效折射率沿光波导方向实际上相同，解决了参照图2说明的现有的光波导元件中的问题，提高了光波导的透射特性。

优选本实施方式的基板301由半导体或电介质形成。作为半导体，例如能使用Si、GaAs、InP或它们的混晶材料，作为电介质，例如能使用蓝宝石、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、钛酸钾(KTiOPO₄)等电介质材料。

在将本实施方式的光波导元件应用于光调制器等的情况下，或者在毫米波等高频带中使用的情况下，为了抑制基板301内的不需要的电磁场的共振，优选将基板301的厚度设定在50μm～300μm的范围内。即使将基板的一部分(光波导部分)的厚度减薄到10μm～200μm来代替将基板301的总体厚度减薄，也能抑制不需要的共振。

作为构成折射率补偿区域303的材料(第二材料)，能使用金属、电介质、半导体或它们的混合物。特别是如果使用电介质材料的混合物玻璃，则能在大范围内进行折射率的调制。能采用的金属例如是Ti、Au、Pd、Pt、Ag、Zn，能采用的电介质例如是SiO₂、Al₂O₃、SiN、Nb₂O₅、Ta₂O₅，能采用的半导体例如是Si、GaAs、InP、GaP、GaN、InN、AlN或它们的混合晶。

光波导302被称为光子晶体中的线缺陷光波导，在基板301上设置的多个光子晶体区域305之间形成。光子晶体结构通过设置在基板301上的多个孔部304的周期性地排列来形成，通过孔部304的排列周期和排列图案，能调节光子晶体结构中的频带结构。本实施方式的孔部304是空气孔，内部被空气充满。也可以以具有与基板材料的折射率相比足够低的折射率的材料填满孔部304的内部。

如图3(b)和(c)所示，在相对薄的板状部件(片)402上形成本实施方式的光波导302和光子晶体区域305，由相对厚的基底部件401支撑该板状部件402。优选空隙306设置在板状部件402的下方。空隙306对具有任意波长的光是透明的。将这样的设置有空隙306的结构称为空中索道结构。

根据本实施方式的光波导元件，通过适当地调节光波导302内部形成的折射率补偿区域303的折射率，能补偿光波导302内由孔部304产生的等效折射率的周期性的调制。

其次，参照图4(a)至(h)说明制造本实施方式的光波导元件的方法。

首先，准备沿垂直于z轴的面(z面)切割的LiNbO₃晶片，清洗后，如图4(a)所示，在晶片(板状部件402)的背面上形成掩模图案403。掩模图案403有使应该形成空隙部306的区域露出的开口部，典型的情况是由通过光刻技术形成图案的抗蚀剂层来形成。最终隔着空气隙306，用基底部分401支撑板状部分402。

其次，如图4(b)所示，对板状部件402的背面上未被掩模图案403覆盖的区域进行蚀刻，形成凹部404。能通过使用氟系气体和氩气的干蚀刻进行该蚀刻。蚀刻后，除去掩模图案403。

此后，如图4(c)所示，使形成有板状部件402的凹部404的面与基底部分401的上表面相对，使板状部件402与基底部分401缀合。通过将板状部件402按压在基底部分401上进行加热，能进行该缀合。通过基底部分401和板状部件402构成基板301。

通过对板状部件402的表面进行光学研磨或干蚀刻，减薄板状部件402，将形成有凹部404的区域的板状部件402的厚度调整为约3μm(图4(d))。上述区域的板状部件402的厚度规定光波导302的厚度。优选该厚度设定在1μm～5μm左右的范围内。

清洗基板301后，将电子束描绘用的抗蚀剂涂敷在板状部件402的表面上。将电子束照射在该抗蚀剂上，形成如图4(e)所示的抗蚀剂图案405。在抗蚀剂图案405上，形成规定图3所示的折射率补偿区域302的形状和位置的多个开口部。

通过对板状部件402中未被抗蚀剂图案405覆盖的部分进行各向异性蚀刻，如图4(f)所示，在板状部件402上形成凹部406。例如使用氯系或SF₆气体能进行该蚀刻。凹部406周期性地排列在应该形成光波导的区域中。板状部件402中，在应该形成图3(a)所示的折射率补偿区域303的部分上形成凹部406。通过调节抗蚀剂图案405的开口部的形状能任意地设定凹部406的形状。另外，在形成了凹部406的时刻，还未形成图3(a)所示的凹部304，光波导302的两侧被抗蚀剂图案405覆盖。

其次，从抗蚀剂图案405上堆积氮化铝(AlN)，用氮化铝填充凹部406的内部，形成折射率补偿区域303。此时，在抗蚀剂图案405上也堆积氮化铝。例如能用RF磁控管溅射装置进行氮化铝的堆积。也可以将其他材料填充在凹部406中，代替氮化铝。填充在凹部406中的材料的折射率具有与板状部件401的折射率不同的值。本实施方式的凹部406具有与图3(a)的平面图所示的呈矩形的折射率补偿区域303的形状相对应的平面形状。在图3(a)中，虽然表示折射率补偿区域303的平面形状呈矩形，但通过实际的蚀刻形成的凹部406的平面形状也可以呈圆形。

另外，在图3(b)和(c)中，虽然表示了凹部406的深度与板状部件402的厚度相同，但实际上凹部406不贯通板状部件402，由凹部406的底面保持氮化铝。通过调节该凹部406的深度也可以控制等效折射率。在难以将填充凹部406的内部的材料的折射率设定在所希望的范围内的情况下，通过改变凹部406的深度，产生适当的等效折射率差特别有效。为了使凹部406的深度均匀，也可以将蚀刻阻挡层设置在板状部件401的背面侧。

其次，如图4(g)所示，通过将抗蚀剂图案405除去，而将堆积在抗蚀剂图案405上的氮化铝从板状部件402上去掉(分离)，使板状部件402的表面露出。

此后，通过与形成凹部406同样的方法，在板状部件402的光波导形成区域的外侧形成多个孔部(图3中的孔部304)，形成图4(h)所示的光子晶体区域305。于是，完成具有空中索道结构的本实施方式的光波导元件。

上述的制造方法在将折射率补偿区域303的折射率与板状部件402的折射率之间存在的差异设定得大的情况下特别有效。通过适当地选择填充凹部406的内部的材料，能在较大的范围内调节折射率补偿区域303的折射率。

在图3(a)所示的光波导元件中，光子晶体区域305中包含的多个孔部304中，在光波导302的两侧与光波导302相邻的多个孔部304相对于沿光波导302的光波导方向延伸的中心轴对称地排列。换言之，在光波导302的一侧接近光波导302周期性地排列的孔部304与在光波导302的另一侧接近光波导302周期性地排列的孔部304相对。夹持中心轴且相对的两个孔部304将光波导302夹在中间。由于折射率补偿区域303的存在，在光波导302中，被相对的两个孔部304夹持的部分的等效折射率，变得比未被相对的两个孔部304夹持的部分的等效折射率大。

在图2所示的现有的光波导元件中，由于为了形成光波导而设置的孔部202、203的存在，光波导的宽度沿光波导方向周期性地变化，由此引起光波导的等效折射率的大小周期性地变化。因此，光波导本身变得具有滤波器的共振特性，存在透射特性下降、呈现频带特性等问题。对此，在本实施方式的光波导元件中，通过折射率补偿区域的作用降低光波导的等效折射率的变化，改善透射特性。

(实施例1)

对于图3(a)至(c)所示的光波导元件，研究了折射率补偿区域303的配置和折射率与光的透射率的关系。以下，说明该研究结果。

本实施例的折射率补偿区域303具有矩形形状，使其宽度(光波导相对于光波导方向垂直的方向的尺寸)相对于光子晶体结构的周期(a＝600nm)为0.8倍(480nm)，使长度(光波导沿光波导方向的大小)相对于孔部304的直径(2r＝480nm)为0.5倍(240nm)。

图5(a)是表示本实施例的折射率补偿区域303的折射率和铌酸锂基板的折射率之间的差异与光波导的透射率的关系的曲线图。图5(a)的“与基板的折射率差”意味着在折射率补偿区域303与铌酸锂基板之间产生的折射率差，“透射率”是入射到光波导中的光(自由空间波长：1.5μm，基板内波长：约0.7μm)的强度为1的情况下，从光波导(长度：7μm)出射的光的强度的比率。

图5(b)是表示本实施例的光波导元件的主要部分的平面图。图5(b)表示连接将光波导夹在中间相对的两个空气孔的中心604、605的线段中点606与矩形的重心607一致地配置折射率补偿区域303的例子。图中，以符号“W”表示折射率补偿区域303的宽度。

从图5(a)可知，光波导内未设置折射率补偿区域303的现有的光波导元件(折射率差＝0)的光波导的透射率为0.78。

在与基板的折射率差为0～0.085的范围内，伴随折射率差7的增加，透射率急剧上升，在折射率差＝0.085的情况下，透射率达到0.90。在折射率差为0.085～0.5的范围内，伴随折射率差的增加，透射率缓慢上升，在折射率差＝0.5左右时达到最大的透射率(0.98)。

如果折射率差超过0.5进一步增大，则透射率从最大值下降，只要折射率差不超过1，就能获得比现有的光波导元件的透射率(0.78)高的透射率。如果折射率差超过1进一步增大，则虽然图5(a)的曲线图中未示出，但可以认为透射率会进一步下降。这是因为不能使不存在折射率补偿区域303的现有的光波导的周期性的等效折射率差降低，不如说发生更大的周期性的等效折射率差。

另外，图5(a)中的箭头602表示的点对应于铌酸锂(折射率：约2.2)和Nb₂O₅(折射率：约2.3)的折射率差。箭头603表示的点表示氮化铝(AlN)和铌酸锂(也简略记作LiNbO₃、“LN”)的折射率差。

另外，从将透射率提高到85％以上的观点看，优选光波导的折射率补偿区域303与其他区域之间的折射率差设定在0.085～0.6的范围内。为了使透射率达到95％以上，优选将上述折射率差设定在0.38～0.6的范围内。但是，折射率差的优选范围的上限为0.6的理由，是因为实际上难以使用使其折射率差达到0.6以上的材料。

图13表示折射率补偿区域303的宽度(光波导沿与光波导方向垂直的方向的大小)和光波导的透射率的关系。折射率补偿区域303的宽度为光子晶体区域中的孔部304的排列周期a(参照图3，本实施例的情况下，a＝600nm)的0.75～1倍的大小时，透射率达到85％以上。因此，对应于排列周期a的折射率补偿区域303的宽度的优选比率范围为0.75以上1以下。对应于排列周期a的折射率补偿区域303的宽度的更优选的比率范围为0.83～0.97。在该范围时，透射率达到90％以上，几乎不受构成光子晶体结构的孔部的干扰。

另外，在通过改变折射率补偿区域303的深度来调整折射率差的情况下，优选在光波导中传播的光波的电磁场存在的深度范围内，调节折射率补偿区域303的深度。在本实施方式中，光波导中传播的光波的电磁场存在的深度为3μm左右。为了形成有效的等效折射率差，优选在光波导中传播的光波的电磁场存在的深度的30％～95％的范围内调制折射率补偿区域303的深度。

图6(a)是表示折射率补偿区域303的位置移动量与透射特性的关系曲线图，图6(b)是表示折射率补偿区域303的位置移动的平面图。图6(a)中的曲线的横轴表示折射率补偿区域303的位置移动量。位置移动量表示相对于连接将光波导夹在中间相对的两个空气孔的中心604、605的线段中点的位置606，折射率补偿区域303的重心607沿哪个方向移动多少(参照图5(b)的放大图)。沿着与波导方向相反的方向进行位置移动时，在位置移动量的前面附加标记“—”。

在图6(a)中，用实线表示作为基板材料使用LiNbO₃、作为折射率补偿区域303的材料使用AlN时的计算结果，另一方面，用虚线表示作为基板材料使用LiNbO₃、作为折射率补偿区域303的材料使用Nb₂O₅时的计算结果。

从图6(a)中的曲线可知，位置移动量为“0.25”时，即，折射率补偿区域303的重心位置沿光波导方向只移动0.25r时，透射率表示最高值。以下，参照图7(a)和(b)，说明其理由。

图7(a)是表示不具有折射率补偿区域303的现有光波导元件的主要部分的平面图，图7(b)是表示本实施方式的主要部分的平面图。

图7(a)和(b)中的箭头表示光波导的波因廷向量。在图7(a)所示的现有例中，光能沿孔部801、802流动。换句话说，光能量流由于折射率补偿区域801、802的作用，沿光波导方向以外的方向散乱，成为光损失的原因。

另一方面，如图7(b)所示，根据本实施方式的结构，由于折射率补偿区域303的存在，能减少沿孔部801、802的波因廷向量的803的弯曲。即，光能的传递方向由于折射率补偿区域303的作用而与光波导方向一致，进一步改善透射特性。

为了使透射率达到90％以上，优选折射率补偿区域303的位置使得连接两个空气孔的中心604、605的线段中点606和矩形的重心607的距离在-0.25r～0.45r的范围内，更优选在0～0.35r的范围内。

另外，在专利文献2中记载的光波导元件中，椭圆孔的重心位置相对于连接两个空气孔的中心的线段中心移动0.5r左右，不能获得上述的效果。

如上所述，在本实施方式的光波导元件中，由于(1)补偿等效折射率的效果，和(2)调整光能的传递方向的效果，透射特性得以改善。

在本实施方式中，虽然作为基板材料使用LiNbO₃，使用由AlN和Nb₂O₅构成的高折射率部分构成折射率补偿区域303，但高折射率部分的材料不限于AlN或Nb₂O₅。如果是具有通过与光波导相邻的孔部来抵消光波导的等效折射率减少的效果大小的折射率的材料，则也可以设置由其他材料构成的高折射率部分。

具有比基板的折射率高的折射率的第二材料，例如包括选自Ga、Si、Al、Ga、Nb、Ta、Ti、Zn、Au、Pt、Ni和Ge中的至少一种金属单体或合金、或者上述金属的化合物。作为第二材料，使用金属的化合物时，能使用选自磷、氮、氧和砷中的至少一种元素与上述任意的金属的化合物。

(实施方式2)

其次，参照图8说明本发明的光波导元件的第二实施方式。

在本实施方式的光波导元件中，如图8所示，形成具有与基板901的折射率不同的折射率的孔部904呈周期性排列的光子晶体区域904，在被两个光子晶体区域夹在中间的位置设置有光波导902。在光波导902中，具有与基板901的折射率不同折射率的折射率补偿区域903沿光波导方向呈周期性地排列。

基板901由与实施方式1的基板301的材料相同的材料形成。另一方面，折射率补偿区域903通过使Ti和Zn等金属在基板903的规定区域中进行热扩散，与基板901的其他部分相比，相对地提高了上述规定区域的折射率。

其次，参照图9说明本实施方式的制造方法。

首先，准备沿垂直于z轴的面(z面)切割的LiNbO₃晶片，清洗后，如图9(a)所示，在晶片(板状部件1002)的背面的面上形成掩模图案1003。该板状部件1002是图8(b)和(c)所示的基板901中形成光波导902和光子晶体区域905的部分。最终隔着空气隙906，用基底部分1001支撑该板状部分1002。

掩模图案1003具有使应该形成空气部906的区域露出的开口部，典型的情况是由通过光刻技术进行了形成有图案的抗蚀剂层来形成。

其次，如图9(b)所示，对板状部件1002的背面上未被掩模图案1003覆盖的区域进行蚀刻，形成凹部1004。能采用使用氟系气体和氩气的干蚀刻，进行该蚀刻。蚀刻后，将掩模图案1003除去。

其次，如图9(c)所示，使板状部件1002的形成有凹部1004的面与基底部分1001的上面相对，将板状部件1002缀合在基底部分1001上。通过将板状部件1002按压在基底部分1001上进行加热，能进行该缀合。通过基底部分1001和板状部件1002构成基板901。

其次，通过对板状部件1002的表面进行光学研磨或干蚀刻，减薄板状部件1002，将形成有凹部1004的区域的板状部件1002的厚度调整为约3μm(图9(d))。上述区域的板状部件1002的厚度规定光波导的厚度。优选该厚度设定在1μm～5μm左右的范围内。

清洗基板901后，将电子束描绘用的抗蚀剂涂敷在板状部件1002的表面上。将电子束照射在该抗蚀剂上，形成抗蚀剂图案。在抗蚀剂图案上，形成有规定光子晶体区域1005中的空气孔的形状和位置的多个开口部。

其次，通过对板状部件1002中未被抗蚀剂图案覆盖的部分进行各向异性蚀刻，如图9(e)所示，在板状部件1002上形成光子晶体区域1005。例如使用氯系或SF₆气体能进行该蚀刻。光子晶体区域1005被排列在应该形成图8(a)所示的光波导902的区域以外的区域中。

其次，如图9(f)所示，依次堆积了分离用抗蚀剂1006和电子束描绘用抗蚀剂1007后，通过电子束描绘，在应该形成折射率补偿区域的区域中形成开口部。虽然为了容易进行金属的分离而设置有分离用抗蚀剂1006，但埋没光子晶体区域105的孔部，也能发挥使基板表面平坦化的功能。

如图9(g)所示，在电子束描绘用抗蚀剂1007上堆积有成为热扩散对象的金属1008后，通过分离法使形成有图案的金属残留在板状部件1002的表面上。具体而言，通过抗蚀剂剥离液将分离用抗蚀剂1006和电子束描绘用抗蚀剂1007除去。

此后，通过例如在1000℃左右下进行一昼夜的热处理，使金属离子从表面扩散到板状部件1002的内部。金属离子扩散的区域(折射率补偿区域903)的折射率比其他部分增大。于是，完成了图9(h)所示的光波导元件。

这样在本实施方式中，利用金属热扩散引起的折射率变化，在光波导中形成有周期性排列的折射率补偿区域。在本实施方式中，为了制作折射率补偿区域，有必要进行长时间的高温热处理，但没有必要在光波导中形成周期性排列的凹部和用其他材料填入凹部的内部。

也可以通过折射率由于光的作用而变化的现象(光折变：Photorefractive)，代替通过进行金属的热扩散，来使板状部分1002的折射率变化。在例如由铌酸锂这样发挥光折射效应的材料形成板状部件1002的情况下，通过照射波长为532nm、功率为数百mW左右的激光，能使板状部件1002的照射部分的折射率变化。在通过光照射形成折射率补偿区域的情况下，不需要进行长时间高温热处理。

(实施方式3)

以下，参照图10说明本发明的光波导元件的第三实施方式。

在本实施方式的光波导元件中，如图10所示，形成具有与基板1101的折射率不同的折射率的孔部1104呈周期性排列的光子晶体区域1105，在被两个光子晶体区域1105夹在中间的位置设置有光波导1102。

在光波导1102的表面上，沿光波导方向周期性地排列由具有与基板1101的折射率不同的折射率的材料形成的折射率补偿区域1103。折射率补偿区域1103具有使光波导1102中位于折射率补偿区域1103的正下方的部分的等效折射率增大的功能。

基板1101能由与实施方式1中的基板301的材料相同的材料形成获得。折射率补偿区域1103能由Ti、Au、Pd、Pt、Ag、Zn等金属和SiN等电介质形成获得。在由金属材料形成了折射率补偿区域1103的情况下，为了易于有效地调节光波导1102中位于折射率补偿区域1103的正下方的部分的等效折射率，优选本实施方式的折射率补偿区域1103由金属形成。

在本实施方式中，在基板1101上设置的孔部1104与基板1101之间也形成等效折射率的差，能将光电场封闭在不存在孔部1104的线缺陷区域中。如图10(b)和(c)所示，优选在光波导1102的下部设置有空隙。另外，使具有与基板1101的折射率不同的折射率的部分周期性地排列，也能形成光子晶体结构，来代替设置孔部1104。

在本实施方式中，通过光波导1102上设置的折射率补偿区域1103，补偿光波导1102的周期性变化的等效折射率。基板1101与孔部1104之间存在的折射率差越大，将光电场封闭在光波导内的能力越高，但容易显著地发生光波导1102中的等效折射率的周期性变化。如上所述，这样的等效折射率的周期性变化使光波导的透射特性下降。这样的问题在等效折射率差为2～0.05的范围内变得显著。因此，等效折射率差在2～0.05的范围内时，本实施方式的结构具有有利的效果，特别是等效折射率差在2～0.1的范围内时，具有显著的效果。

其次，参照图11(a)至(g)，说明本实施方式的制造方法。

首先准备具有SOI(Silicon-on-insulator)结构的基板1101。如图11(a)所示，该基板1101具有：硅基板1201、在硅基板1201上形成的SiO₂膜1202(厚1μm)、设置在SiO₂层1202(厚1μm)上的Si层1203(厚0.5μm)。将基板1101清洗后，涂敷电子束描绘用的抗蚀剂1204(图11(a))。通过电子束曝光法使抗蚀剂1024形成图案(图11(b))。在形成有图案的抗蚀剂1024上形成有规定光子晶体区域1105中的空气孔的形状和位置的多个开口部。

其次，对Si层1203板状中未被形成有图案的抗蚀剂1024覆盖的部分进行各向异性蚀刻，如图11(c)所示，在Si层1203上形成构成光子晶体区域1105的空气孔1205。能用例如氯系或SF₆气体进行该蚀刻。空气孔1205排列在应该形成光波导的区域以外的区域中。空气孔1205贯通Si层1203，到达SiO₂膜1202。

此后，通过用氟酸将SiO₂膜1202局部地除去，形成图11(d)所示的空隙1206。接着，如图11(e)所示，将分离用光敏抗蚀剂1207和电子束描绘用的抗蚀剂1208层叠在基板表面上后，形成架设在光波导上的金属的形成图案用的掩模。

如图11(f)所示，从掩模上蒸镀Zn、Ti、Au等金属1209后，通过抗蚀剂剥离液将分离用光敏抗蚀剂1207、电子束描绘用的抗蚀剂1208除去。由此，如图11(g)所示，在光波导上形成由金属1209构成的折射率补偿区域1103，完成本实施方式的光波导元件。

另外，在实施方式2和实施方式3的光波导元件中，由折射率补偿区域引起的折射率变化变得缓和。在此情况下，调整上述光能量流的效果小。因此，折射率补偿区域的形状和位置与透射特性的关系变成与实施方式1的光波导元件中的上述关系不同的关系。以下说明这一点。

(实施例2)

图12(a)是表示用金(Au)形成了折射率补偿区域1103情况下的折射率补偿区域的位置移动量与透射特性的关系的曲线图，图12(b)是表示折射率补偿区域的位置移动的平面图。图12(a)中的曲线的横轴表示折射率补偿区域的位置移动量。位置移动量表示相对于连接将光波导夹在中间相对的两个空气孔的中心1304、1305的线段中点的位置1306，折射率补偿区域的重心1307沿哪个方向移动多少。沿着与波导方向相反的方向进行位置移动时，在位置移动量的前面附加标记“—”。

从图12(a)中的曲线可知，位置移动量沿光波导方向的相反侧约0.1时，即，折射率补偿区域303的重心位置沿光波导方向只移动-0.1r时，透射率表示最大值。其理由是因为在本实施例的结构中，调整折射率补偿区域引起的光能量流的效果小。

对应于连接两个空气孔的中心1304、1305的线段中心1306的折射率补偿区域的重心1307的位置关系优选在-0.5r～0.25r范围内，更优选在-0.45r～0.25r范围内，最优选在-0.2r～0.1r范围内。

工业上的可利用性

利用本发明的光波导元件能实现光损失少、能小型化的光调制元件等光学器件。

本发明的光波导元件也能用作发光二极管、激光二极管等半导体发光元件的光波导部分，通过这样使用，能降低光波导部分中的传输损失，提高特性。

这样，本发明的光波导元件适用于光通信系统，实现其小型化、高效率化。

Claims

1.一种光波导元件，其特征在于，具有：孔部呈周期性排列的多个光子晶体区域；和在所述多个光子晶体区域之间形成的光波导，

所述光子晶体区域中包含的多个孔部中，在所述光波导的两侧与所述光波导相邻的多个孔部相对于沿所述光波导的波导方向延伸的中心轴对称地排列，

在所述光波导的内部，由相对于所述中心轴具有对称关系的各对孔部所夹持的部分的等效折射率高于其他部分的等效折射率的材料构成的多个高折射率部分沿波导方向周期性地排列，

设定所述孔部的半径为r时，所述各高折射率部分的重心位置都从连接夹持该高折射率部分的所述成对孔部的中心的直线，中点沿波导方向移动，而且，位于沿波导方向离开所述中点0.45r的位置和沿与波导方向相反的方向离开所述中点0.25r的位置之间。

2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于：所述高折射率部分的排列周期等于所述光子晶体区域中所述孔部的排列周期。

3.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于：所述多个光子晶体区域和所述光波导形成在基板上。

4.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于：所述基板的至少表面区域由第一材料形成，

所述高折射率部分由具有与所述第一材料的折射率不同的折射率的第二材料形成。

5.根据权利要求4所述的光波导元件，其特征在于：构成所述高折射率部分的所述第二材料填埋形成在所述基板上的孔。

6.根据权利要求5所述的光波导元件，其特征在于：所述第二材料含有选自Ga、Si、Al、Ga、Nb、Ta、Ti、Zn、Au、Pt、Ni和Ge中的至少一种金属单体或合金、或者所述金属的化合物。

7.根据权利要求6所述的光波导元件，其特征在于：所述金属的化合物是选自磷、氮、氧和砷中的至少一种元素与所述金属的化合物。

8.根据权利要求5所述的光波导元件，其特征在于：所述基板由LiNbO₃形成，

所述高折射率部分由AlN形成。

9.根据权利要求5所述的光波导元件，其特征在于：所述基板由LiNbO₃形成，

所述高折射率部分由Nb₂O₅形成。

10.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于：所述高折射率部分由所述基板被改性的部分形成。

11.根据权利要求10所述的光波导元件，其特征在于：所述基板被改性的部分是所述基板中金属元素扩散的部分。

12.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于：所述基板具有包括所述多个光子晶体区域和所述光波导的板状部件；和支撑所述板状部件的基底部件，

所述孔部由贯通所述板状部件的孔构成。

13.根据权利要求10所述的光波导元件，其特征在于：在所述板状部件与所述基底部件之间设置有空气隙。