JP2001281480A - フォトニック結晶光導波路と方向性結合器 - Google Patents
フォトニック結晶光導波路と方向性結合器Info
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- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- G—PHYSICS
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 外部光学系との結合効率の良好かつ作製容易
な新しいフォトニック結晶光導波路の形態を提供し、そ
れらフォトニック結晶光導波路のデバイスとしての応用
方法を提供する。 【解決手段】 光の波長程度の大きさで、屈折率が２次
元或いは３次元周期的に変調された構造体としてのフォ
トニック結晶導波路において、前記フォトニック結晶を
その屈折率が前記フォトニック結晶の平均的な屈折率よ
りも小さい材料（クラッド）で挟み込むことにより、フ
ォトニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォ
トニック結晶構造を有し、前記スラブ導波路型フォトニ
ック結晶のコア層部分の一部の厚さを他の部分よりも若
干厚くすることにより屈折率ガイド効果を持たせ、この
コアの層厚の厚い部分を導波路として光を導くことを特
徴とする。
な新しいフォトニック結晶光導波路の形態を提供し、そ
れらフォトニック結晶光導波路のデバイスとしての応用
方法を提供する。 【解決手段】 光の波長程度の大きさで、屈折率が２次
元或いは３次元周期的に変調された構造体としてのフォ
トニック結晶導波路において、前記フォトニック結晶を
その屈折率が前記フォトニック結晶の平均的な屈折率よ
りも小さい材料（クラッド）で挟み込むことにより、フ
ォトニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォ
トニック結晶構造を有し、前記スラブ導波路型フォトニ
ック結晶のコア層部分の一部の厚さを他の部分よりも若
干厚くすることにより屈折率ガイド効果を持たせ、この
コアの層厚の厚い部分を導波路として光を導くことを特
徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニック結晶
光導波路に関し、例えば、光通信システムや光交換シス
テムあるいは光計測システムの分野に、光波長を透過或
いは阻止する光フィルタ、光合波分波器、光分散補償デ
バイス等に用いられ、特に光通信用のフォトニック結晶
微小光回路を構成するフォトニック結晶光導波路及びそ
れを用いた方向性結合器に関する。
光導波路に関し、例えば、光通信システムや光交換シス
テムあるいは光計測システムの分野に、光波長を透過或
いは阻止する光フィルタ、光合波分波器、光分散補償デ
バイス等に用いられ、特に光通信用のフォトニック結晶
微小光回路を構成するフォトニック結晶光導波路及びそ
れを用いた方向性結合器に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光の波長オーダーでの屈折率の３
次元周期構造体としてのフォトニック結晶が注目されて
いる。このフォトニック結晶は、既存の光回路の大きさ
を３桁以上も小さくできる可能性を秘めており、光通信
を始めとする微小光回路への適用が期待されている。こ
のフォトニック結晶中に形成する微小光回路の光導波路
の構造は、従来様々な形態のものが提案されている。
次元周期構造体としてのフォトニック結晶が注目されて
いる。このフォトニック結晶は、既存の光回路の大きさ
を３桁以上も小さくできる可能性を秘めており、光通信
を始めとする微小光回路への適用が期待されている。こ
のフォトニック結晶中に形成する微小光回路の光導波路
の構造は、従来様々な形態のものが提案されている。
【０００３】図７は従来のフォトニック結晶中の光導波
路の一形態を表す図である。この光導波路は、伝搬させ
る光波の波長に対して、完全バンドギャップを有するフ
ォトニック結晶中に、線欠陥構造を導入することによ
り、この線欠陥部分を光導波路として用いるものであ
る。このような線欠陥光導波路の特徴としては、光の閉
じ込めが強いために急峻な曲がりにも対応でき、光回路
パターンの自由度を大きくでき、さらにその大きさを小
さくできるという特徴がある。
路の一形態を表す図である。この光導波路は、伝搬させ
る光波の波長に対して、完全バンドギャップを有するフ
ォトニック結晶中に、線欠陥構造を導入することによ
り、この線欠陥部分を光導波路として用いるものであ
る。このような線欠陥光導波路の特徴としては、光の閉
じ込めが強いために急峻な曲がりにも対応でき、光回路
パターンの自由度を大きくでき、さらにその大きさを小
さくできるという特徴がある。
【０００４】図7の構造においては、12のコア層として
いる部分がSi等の屈折率の高い材料から成り、11及び13
の下部及び上部クラッド層と呼んでいる部分がSiO2等の
屈折率の低い材料から成っている。この様な屈折率の異
なる2種類の材料による三次元周期構造体では、ある波
長域の光に対して、光の伝搬が禁止されるフォトニック
バンドギャップが形成されることが知られている。従っ
て、このフォトニックバンドギャップを有するフォトニ
ック結晶中で発生した光は、外部に出ることは出来な
い。ところが、この3次元的に光の伝搬できない完全バ
ンドギャップを有するフォトニック結晶中に、ある種の
結晶欠陥、たとえば線状の線欠陥を導入すると、光がそ
の線欠陥に沿って伝搬できるようになる。これがフォト
ニック結晶による線欠陥導波路と呼ばれる所以である。
図7の構造においては、上下に劈開した構成としている
のは、この線欠陥導波路の内部を表現するためであり、
現実にはこの劈開はなく、１０に示す光が入射する部分
の結晶格子が、線状に欠けており、この部分が光導波路
として機能する。
いる部分がSi等の屈折率の高い材料から成り、11及び13
の下部及び上部クラッド層と呼んでいる部分がSiO2等の
屈折率の低い材料から成っている。この様な屈折率の異
なる2種類の材料による三次元周期構造体では、ある波
長域の光に対して、光の伝搬が禁止されるフォトニック
バンドギャップが形成されることが知られている。従っ
て、このフォトニックバンドギャップを有するフォトニ
ック結晶中で発生した光は、外部に出ることは出来な
い。ところが、この3次元的に光の伝搬できない完全バ
ンドギャップを有するフォトニック結晶中に、ある種の
結晶欠陥、たとえば線状の線欠陥を導入すると、光がそ
の線欠陥に沿って伝搬できるようになる。これがフォト
ニック結晶による線欠陥導波路と呼ばれる所以である。
図7の構造においては、上下に劈開した構成としている
のは、この線欠陥導波路の内部を表現するためであり、
現実にはこの劈開はなく、１０に示す光が入射する部分
の結晶格子が、線状に欠けており、この部分が光導波路
として機能する。
【０００５】また、第２の従来技術として、特開平１１
−２１８６２７号公報には、フォトニック結晶導波路の
特性の安定化と製造コストを削減するべく、シリコン基
板の表面に誘電体スラブ光導波路を有すると共にスラブ
導波路の一部にスラブ光導波路のコア層の屈折率と異な
る屈折率を有する屈折率変化領域が格子配列状に配置さ
れたフォトニック結晶構造が設けられたフォトニック結
晶導波路であって、前記屈折率変化領域は前記スラブ光
導波路のコア層を構成する材質と同じ材質でかつ光誘起
効果による屈折率変化処理が施された材質で構成されて
いることが記載されている。
−２１８６２７号公報には、フォトニック結晶導波路の
特性の安定化と製造コストを削減するべく、シリコン基
板の表面に誘電体スラブ光導波路を有すると共にスラブ
導波路の一部にスラブ光導波路のコア層の屈折率と異な
る屈折率を有する屈折率変化領域が格子配列状に配置さ
れたフォトニック結晶構造が設けられたフォトニック結
晶導波路であって、前記屈折率変化領域は前記スラブ光
導波路のコア層を構成する材質と同じ材質でかつ光誘起
効果による屈折率変化処理が施された材質で構成されて
いることが記載されている。
【０００６】また、同公報には、フォトニック結晶導波
路の製造方法として、気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法或い
は液相成長（ＬＰＥ）法などによって、基板上に下部ク
ラッド層、コア層、上部クラッド層からなるスラブ光導
波路を作製した後、電子線、ＳＯＲ（Synchrotron Orbi
tal Radiation）光、紫外線および近赤外線のうちのい
ずれかを前記上部クラッド層を通して前記コア層に選択
的に照射して光誘起効果による屈折率変化を生じさせて
前記屈折率変化領域を作製することが記載されている。
路の製造方法として、気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法或い
は液相成長（ＬＰＥ）法などによって、基板上に下部ク
ラッド層、コア層、上部クラッド層からなるスラブ光導
波路を作製した後、電子線、ＳＯＲ（Synchrotron Orbi
tal Radiation）光、紫外線および近赤外線のうちのい
ずれかを前記上部クラッド層を通して前記コア層に選択
的に照射して光誘起効果による屈折率変化を生じさせて
前記屈折率変化領域を作製することが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来技術としてのフォトニック結晶光導波路には幾つか
の課題もある。まず始めに図７の線欠陥光導波路におい
ては、光波１０が導入される際に、線欠陥光導波路の断
面が非常に小さく、外部光学系との光学結合を著しく困
難にしている。さらに、その製造方法は未だ確立されて
おらず、安定に作ることは困難である。
従来技術としてのフォトニック結晶光導波路には幾つか
の課題もある。まず始めに図７の線欠陥光導波路におい
ては、光波１０が導入される際に、線欠陥光導波路の断
面が非常に小さく、外部光学系との光学結合を著しく困
難にしている。さらに、その製造方法は未だ確立されて
おらず、安定に作ることは困難である。
【０００８】そこで、本発明の主な課題の一つは、この
ような従来技術としてのフォトニック結晶光導波路の欠
点を克服し、外部光学系との結合効率の良好かつ作製容
易な新しいフォトニック結晶光導波路の形態を提供する
ことにある。また、それらフォトニック結晶光導波路の
デバイスとしての応用方法を提案するものである。
ような従来技術としてのフォトニック結晶光導波路の欠
点を克服し、外部光学系との結合効率の良好かつ作製容
易な新しいフォトニック結晶光導波路の形態を提供する
ことにある。また、それらフォトニック結晶光導波路の
デバイスとしての応用方法を提案するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によるフォトニッ
ク結晶光導波路は、光の波長程度の大きさで、屈折率が
２次元或いは３次元周期的に変調された構造体としての
フォトニック結晶において、前記フォトニック結晶をそ
の屈折率が前記フォトニック結晶の平均的な屈折率より
も小さい材料（クラッド）で挟み込むことにより、フォ
トニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォト
ニック結晶構造を有し、前記スラブ導波路型フォトニッ
ク結晶のコア層部分の一部の厚さを他の部分よりも若干
厚くすることにより屈折率ガイド効果を持たせ、このコ
アの層厚の厚い部分を導波路として光を導くことを特徴
とするフォトニック結晶光導波路、或いはまた、上記の
フォトニック結晶光導波路において、コア部分を成すフ
ォトニック結晶層の厚さは均一のままにして、コア部分
の一部にその屈折率がクラッド部分よりも大きい材料を
貼り付けることにより屈折率ガイド効果を持たせ、この
別の材料を貼り付けた部分を導波路として光を導くこと
を特徴とするフォトニック結晶光導波路、或いはまた、
上記において、コアの一部に貼り付ける材料としては、
レジスト特にＰＭＭＡ系レジスト或いはＳｉＯ2を用い
ることを特徴とするフォトニック結晶光導波路である。
ク結晶光導波路は、光の波長程度の大きさで、屈折率が
２次元或いは３次元周期的に変調された構造体としての
フォトニック結晶において、前記フォトニック結晶をそ
の屈折率が前記フォトニック結晶の平均的な屈折率より
も小さい材料（クラッド）で挟み込むことにより、フォ
トニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォト
ニック結晶構造を有し、前記スラブ導波路型フォトニッ
ク結晶のコア層部分の一部の厚さを他の部分よりも若干
厚くすることにより屈折率ガイド効果を持たせ、このコ
アの層厚の厚い部分を導波路として光を導くことを特徴
とするフォトニック結晶光導波路、或いはまた、上記の
フォトニック結晶光導波路において、コア部分を成すフ
ォトニック結晶層の厚さは均一のままにして、コア部分
の一部にその屈折率がクラッド部分よりも大きい材料を
貼り付けることにより屈折率ガイド効果を持たせ、この
別の材料を貼り付けた部分を導波路として光を導くこと
を特徴とするフォトニック結晶光導波路、或いはまた、
上記において、コアの一部に貼り付ける材料としては、
レジスト特にＰＭＭＡ系レジスト或いはＳｉＯ2を用い
ることを特徴とするフォトニック結晶光導波路である。
【００１０】また、本発明によるフォトニック結晶光導
波路は、上記のフォトニック結晶光導波路において、コ
ア層を挟み込むクラッド層の内どちらか一方が空気であ
ることを特徴とするフォトニック結晶光導波路、或いは
また、上記のフォトニック結晶光導波路において、光導
波路を導波させる光波の波長がフォトニック結晶のフォ
トニックバンドギャップの外に有りかつ分散性の強いフ
ォトニックバンドギャップの近傍を用いることを特徴と
するフォトニック結晶光導波路、或いはまた、上記に記
載のフォトニック結晶光導波路において、フォトニック
バンド端付近の強い分散を用いることにより、光導波路
を伝搬させる光波或いは光パルスの遅延動作、圧縮動作
および分散補償動作を行わせることを特徴とするフォト
ニック結晶光導波路である。
波路は、上記のフォトニック結晶光導波路において、コ
ア層を挟み込むクラッド層の内どちらか一方が空気であ
ることを特徴とするフォトニック結晶光導波路、或いは
また、上記のフォトニック結晶光導波路において、光導
波路を導波させる光波の波長がフォトニック結晶のフォ
トニックバンドギャップの外に有りかつ分散性の強いフ
ォトニックバンドギャップの近傍を用いることを特徴と
するフォトニック結晶光導波路、或いはまた、上記に記
載のフォトニック結晶光導波路において、フォトニック
バンド端付近の強い分散を用いることにより、光導波路
を伝搬させる光波或いは光パルスの遅延動作、圧縮動作
および分散補償動作を行わせることを特徴とするフォト
ニック結晶光導波路である。
【００１１】また、本発明によるフォトニック結晶光導
波路は、光学材料中に光の波長程度の大きさの孔を２次
元或いは３次元周期的に開けることにより、屈折率が２
次元或いは３次元周期的に変調された構造体としてのフ
ォトニック結晶において、前記フォトニック結晶をその
屈折率が前記フォトニック結晶の平均的な屈折率よりも
小さい材料（クラッド）で挟み込むことにより、フォト
ニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォトニ
ック結晶構造を有し、前記フォトニック結晶の一部の孔
を屈折率が１よりも大きい材質で満たすことによりこの
部分に光を局在させ、この別の材料で満たされた部分を
導波路として光を導くことを特徴とするフォトニック結
晶光導波路、或いはまた、上記のフォトニック結晶光導
波路において、孔を満たす材料としてはレジスト特にＰ
ＭＭＡ系レジストを用いることを特徴とするフォトニッ
ク結晶光導波路、或いはまた、上記のフォトニック結晶
光導波路において、孔を満たす材料として、コアとして
のフォトニック結晶を構成する物質の温度係数と符号が
逆の性質を有する物質を用いることにより、特性の温度
変化を小さくすることを特徴とするフォトニック結晶光
導波路、或いはまた、上記のフォトニック結晶光導波路
において、フォトニック結晶光導波路２本を接近させる
ことにより得られる方向性結合器において、上記課題を
解決できる。
波路は、光学材料中に光の波長程度の大きさの孔を２次
元或いは３次元周期的に開けることにより、屈折率が２
次元或いは３次元周期的に変調された構造体としてのフ
ォトニック結晶において、前記フォトニック結晶をその
屈折率が前記フォトニック結晶の平均的な屈折率よりも
小さい材料（クラッド）で挟み込むことにより、フォト
ニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォトニ
ック結晶構造を有し、前記フォトニック結晶の一部の孔
を屈折率が１よりも大きい材質で満たすことによりこの
部分に光を局在させ、この別の材料で満たされた部分を
導波路として光を導くことを特徴とするフォトニック結
晶光導波路、或いはまた、上記のフォトニック結晶光導
波路において、孔を満たす材料としてはレジスト特にＰ
ＭＭＡ系レジストを用いることを特徴とするフォトニッ
ク結晶光導波路、或いはまた、上記のフォトニック結晶
光導波路において、孔を満たす材料として、コアとして
のフォトニック結晶を構成する物質の温度係数と符号が
逆の性質を有する物質を用いることにより、特性の温度
変化を小さくすることを特徴とするフォトニック結晶光
導波路、或いはまた、上記のフォトニック結晶光導波路
において、フォトニック結晶光導波路２本を接近させる
ことにより得られる方向性結合器において、上記課題を
解決できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の上記および他の目的、特
徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しな
がら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。
徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しな
がら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。
【００１３】［第１の実施形態］図１（ａ）〜図１
（ｃ）を参照すると、本発明の第１の実施形態としての
フォトニック結晶光導波路の構造とその作製方法を示し
ている。
（ｃ）を参照すると、本発明の第１の実施形態としての
フォトニック結晶光導波路の構造とその作製方法を示し
ている。
【００１４】最初に、２次元或いは３次元フォトニック
結晶層をコアとするスラブ構造フォトニック結晶を作製
す。この図１（ａ）に示すのは、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ
2（屈折率：約１．５）２をクラッドとする２次元スラ
ブ型フォトニック結晶で、上側クラッドは、この場合空
気（屈折率：１）である。フォトニック結晶層は、例え
ばＳｉ１とＳｉＯ2２を自己クローニング法で積層した
構造（例えば、１９９７年刊のエレクトロニクスレター
ズの第３３巻の１２６０頁にある、川上彰二郎著の論
文"Fabrication of submicrometre 3D periodic struct
ures composed ofSi/SiO2"）のものを用いることができ
る。
結晶層をコアとするスラブ構造フォトニック結晶を作製
す。この図１（ａ）に示すのは、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ
2（屈折率：約１．５）２をクラッドとする２次元スラ
ブ型フォトニック結晶で、上側クラッドは、この場合空
気（屈折率：１）である。フォトニック結晶層は、例え
ばＳｉ１とＳｉＯ2２を自己クローニング法で積層した
構造（例えば、１９９７年刊のエレクトロニクスレター
ズの第３３巻の１２６０頁にある、川上彰二郎著の論
文"Fabrication of submicrometre 3D periodic struct
ures composed ofSi/SiO2"）のものを用いることができ
る。
【００１５】この場合、フォトニック結晶層の平均的な
屈折率の値は２程度となる。ＳｉＯ 2クラッド層２およ
びフォトニック結晶層３の厚さは、光閉じ込めおよび外
部光学回路との結合効率の観点から、共に２μｍ程度が
好ましい。このようなスラブ型フォトニック結晶にレジ
スト４を塗布し（図１（ａ））、リソグラフィーにより
導波路を形成する部分にレジストパターンを形成する。
スラブ導波路において、レジストでパターンニングされ
た部分は他の部分よりも等価屈折率が高くなるので、こ
の部分に光が閉じ込められることにより、この状態（図
１）においても、レジストでパターンニングされた部分
を導波路とするフォトニック結晶光導波路が形成されて
いる。
屈折率の値は２程度となる。ＳｉＯ 2クラッド層２およ
びフォトニック結晶層３の厚さは、光閉じ込めおよび外
部光学回路との結合効率の観点から、共に２μｍ程度が
好ましい。このようなスラブ型フォトニック結晶にレジ
スト４を塗布し（図１（ａ））、リソグラフィーにより
導波路を形成する部分にレジストパターンを形成する。
スラブ導波路において、レジストでパターンニングされ
た部分は他の部分よりも等価屈折率が高くなるので、こ
の部分に光が閉じ込められることにより、この状態（図
１）においても、レジストでパターンニングされた部分
を導波路とするフォトニック結晶光導波路が形成されて
いる。
【００１６】導波路を定義するレジストパターンの幅
は、光閉じ込めおよび外部光学回路との結合効率の観点
から２μｍ程度が好ましい。この場合、光導波路の断面
サイズは２μｍ×２μｍとなり、従来例の線欠陥導波路
に比べてかなり大きいので、外部光学系との結合も楽に
なる。このようなレジストパターンによる光閉じ込め型
導波路では、レジストの光吸収が無視できないので伝搬
損失が問題となるが、短い距離であれば導波路として用
いることができる。
は、光閉じ込めおよび外部光学回路との結合効率の観点
から２μｍ程度が好ましい。この場合、光導波路の断面
サイズは２μｍ×２μｍとなり、従来例の線欠陥導波路
に比べてかなり大きいので、外部光学系との結合も楽に
なる。このようなレジストパターンによる光閉じ込め型
導波路では、レジストの光吸収が無視できないので伝搬
損失が問題となるが、短い距離であれば導波路として用
いることができる。
【００１７】より理想的には、レジストパターンを一旦
ＳｉＯ2等の吸収の少ない材料に転写し、このＳｉＯ2等
のパターンによる光閉じ込め効果を用いる導波路の方が
好ましい。さらには、このレジストやＳｉＯ2パターン
をマスクとして、図１（ｂ）に示す様に、フォトニック
結晶コア部分を加工し、導波路パターン以外の部分を、
ドライエッチングによって、若干削ることにより、図１
（ｃ）のように、コアの膜厚に変化を持たせ、膜厚の厚
くなっている部分に、光波を閉じ込めて、導波路とする
こともできる。この場合、例えばＳｉＯ2クラッド層を
２μｍ、フォトニック結晶層３のレジストパターン部分
の幅を同じ２μｍとし、ドライエッチングにより削除し
た厚さは１μｍとしている。
ＳｉＯ2等の吸収の少ない材料に転写し、このＳｉＯ2等
のパターンによる光閉じ込め効果を用いる導波路の方が
好ましい。さらには、このレジストやＳｉＯ2パターン
をマスクとして、図１（ｂ）に示す様に、フォトニック
結晶コア部分を加工し、導波路パターン以外の部分を、
ドライエッチングによって、若干削ることにより、図１
（ｃ）のように、コアの膜厚に変化を持たせ、膜厚の厚
くなっている部分に、光波を閉じ込めて、導波路とする
こともできる。この場合、例えばＳｉＯ2クラッド層を
２μｍ、フォトニック結晶層３のレジストパターン部分
の幅を同じ２μｍとし、ドライエッチングにより削除し
た厚さは１μｍとしている。
【００１８】この場合、従来のリッジ導波路と比べる
と、導波路以外の部分には、フォトニック結晶構造が存
在するので、光導波路からの光波の漏れが抑制され、こ
のフォトニック結晶光導波路は、従来のリッジ導波路に
比べて、光路の急峻な曲げにも十分対応できる。また、
ベースとなるフォトニック結晶のフォトニックバンドの
外では、光波の伝搬は禁止されないが、フォトニックバ
ンドの近傍は非常に分散が大きく群速度が小さいので、
これらの光導波路にバンド端近傍の波長の光を伝搬させ
ると、分散補償やパルス圧縮、遅延回路等、様々なデバ
イスに応用できる。なお、ここではＳｉ基板上のＳｉ／
ＳｉＯ2系材料について示したが、ＧａＡｓ基板上のＡ
ｌＧａＡｓ系材料や、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系
材料等についても同様の構造を考えることができる。
と、導波路以外の部分には、フォトニック結晶構造が存
在するので、光導波路からの光波の漏れが抑制され、こ
のフォトニック結晶光導波路は、従来のリッジ導波路に
比べて、光路の急峻な曲げにも十分対応できる。また、
ベースとなるフォトニック結晶のフォトニックバンドの
外では、光波の伝搬は禁止されないが、フォトニックバ
ンドの近傍は非常に分散が大きく群速度が小さいので、
これらの光導波路にバンド端近傍の波長の光を伝搬させ
ると、分散補償やパルス圧縮、遅延回路等、様々なデバ
イスに応用できる。なお、ここではＳｉ基板上のＳｉ／
ＳｉＯ2系材料について示したが、ＧａＡｓ基板上のＡ
ｌＧａＡｓ系材料や、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ系
材料等についても同様の構造を考えることができる。
【００１９】［第２の実施形態］つぎに、図２（ａ）〜
図２（ｃ）に示すのは、本発明の第２の実施形態として
のフォトニック結晶光導波路の構造とその作製方法であ
る。
図２（ｃ）に示すのは、本発明の第２の実施形態として
のフォトニック結晶光導波路の構造とその作製方法であ
る。
【００２０】図２（ａ）に示すのは、図１で用いたもの
と同様の２次元或いは３次元フォトニック結晶層をコア
とするスラブ構造フォトニック結晶であり、図２（ｂ）
のように収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工等を用いてダ
ブルチャンネルを形成し、図２（ｃ）に示すようなリッ
ジ導波路を形成する。光はダブルチャンネルに挟まれた
リッジ導波路５の部分をガイドされ、この場合も光導波
路として機能する。図１（ｃ）の構造と機能的には同等
であるが、この場合加工する面積が小さいことと、ＦＩ
Ｂ等による加工を用いれば、リソグラフィー工程が不用
になる等のメリットがある。
と同様の２次元或いは３次元フォトニック結晶層をコア
とするスラブ構造フォトニック結晶であり、図２（ｂ）
のように収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工等を用いてダ
ブルチャンネルを形成し、図２（ｃ）に示すようなリッ
ジ導波路を形成する。光はダブルチャンネルに挟まれた
リッジ導波路５の部分をガイドされ、この場合も光導波
路として機能する。図１（ｃ）の構造と機能的には同等
であるが、この場合加工する面積が小さいことと、ＦＩ
Ｂ等による加工を用いれば、リソグラフィー工程が不用
になる等のメリットがある。
【００２１】図３および図４は、このような２本のリッ
ジ型フォトニック結晶光導波路５を接近させて形成する
ことにより、方向性結合器として動作させるものであ
る。方向性結合器としての動作は、フォトニック結晶で
ない従来の光学材料を用いたものと基本的には同じであ
るが、フォトニック結晶導波路を用いれば、導波路５内
部で光の群速度を著しく小さくすることができるので、
通常のリッジ型光導波路による方向性結合器に比べて著
しく小さく作ることができる。
ジ型フォトニック結晶光導波路５を接近させて形成する
ことにより、方向性結合器として動作させるものであ
る。方向性結合器としての動作は、フォトニック結晶で
ない従来の光学材料を用いたものと基本的には同じであ
るが、フォトニック結晶導波路を用いれば、導波路５内
部で光の群速度を著しく小さくすることができるので、
通常のリッジ型光導波路による方向性結合器に比べて著
しく小さく作ることができる。
【００２２】すなわち、図４において、リッジ導波路
５，１５が近接して２列の構成の場合、リッジ導波路１
５に光波６が入力することにより、直進するリッジ導波
路１５と、図上点線で示す隣接したリッジ導波路５に一
部が導入されることにより、フォトニック結晶による方
向性結合器として、主導波路のリッジ導波路１５から
と、その一部の光波として副導波路のリッジ導波路５か
らそれぞれ光波を得ることができる。この場合、リッジ
導波路５，１５がそれぞれ同一の導波路の場合、リッジ
導波路５を主導波路として、リッジ導波路１５を副導波
路として機能するのは勿論である。
５，１５が近接して２列の構成の場合、リッジ導波路１
５に光波６が入力することにより、直進するリッジ導波
路１５と、図上点線で示す隣接したリッジ導波路５に一
部が導入されることにより、フォトニック結晶による方
向性結合器として、主導波路のリッジ導波路１５から
と、その一部の光波として副導波路のリッジ導波路５か
らそれぞれ光波を得ることができる。この場合、リッジ
導波路５，１５がそれぞれ同一の導波路の場合、リッジ
導波路５を主導波路として、リッジ導波路１５を副導波
路として機能するのは勿論である。
【００２３】［第３の実施形態］図５（ｂ）及び図５
（ｃ）は、本発明の第３の実施形態としてのフォトニッ
ク結晶光導波路の構造である。ここで用いるフォトニッ
ク結晶基板は、例えば１のＳｉ基板の上に２のＳｉＯ２
層を２μm程度積層し、さらにその上に３のＳｉ層を２
μm程度積層したウエハを準備し、３のＳｉ層部分に直
径約０．５μm、中心間隔０．６〜０．８μm程度の孔を
２のＳｉＯ２層に達する深さまで正方格子状あるいは三
角格子状あるいは六角格子状に開けたものである。ここ
で３のフォトニック結晶層としては、２次元(平面)状に
周期的に規則正しく孔が開いた構造のものを示したが、
一般的には光学材料中に光の波長程度の大きさの孔を２
次元或いは３次元周期的に開けることにより、屈折率が
２次元或いは３次元周期的に変調された或いは繰り返さ
れた構造体であればよい。このフォトニック結晶層３を
その屈折率が前記フォトニック結晶層の平均的な屈折率
よりも小さいクラッド材料で挟み込むことにより、フォ
トニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォト
ニック結晶構造を成している。この図の例では、下側ク
ラッド層に相当するのは２のＳｉＯ２層であり、上側ク
ラッド層に相当するのは図には書かれてないが、屈折率
１の空気の層である。
（ｃ）は、本発明の第３の実施形態としてのフォトニッ
ク結晶光導波路の構造である。ここで用いるフォトニッ
ク結晶基板は、例えば１のＳｉ基板の上に２のＳｉＯ２
層を２μm程度積層し、さらにその上に３のＳｉ層を２
μm程度積層したウエハを準備し、３のＳｉ層部分に直
径約０．５μm、中心間隔０．６〜０．８μm程度の孔を
２のＳｉＯ２層に達する深さまで正方格子状あるいは三
角格子状あるいは六角格子状に開けたものである。ここ
で３のフォトニック結晶層としては、２次元(平面)状に
周期的に規則正しく孔が開いた構造のものを示したが、
一般的には光学材料中に光の波長程度の大きさの孔を２
次元或いは３次元周期的に開けることにより、屈折率が
２次元或いは３次元周期的に変調された或いは繰り返さ
れた構造体であればよい。このフォトニック結晶層３を
その屈折率が前記フォトニック結晶層の平均的な屈折率
よりも小さいクラッド材料で挟み込むことにより、フォ
トニック結晶部分をコアとするスラブ導波路型のフォト
ニック結晶構造を成している。この図の例では、下側ク
ラッド層に相当するのは２のＳｉＯ２層であり、上側ク
ラッド層に相当するのは図には書かれてないが、屈折率
１の空気の層である。
【００２４】ここで、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す
様に、３のフォトニック結晶層の一部の孔を屈折率が１
よりも大きい材質で満たすことにより、この部分に光を
局在させ、この部分を導波路として光を導くことが可能
となる。このような光導波路構造の実現方法の一例を、
図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。最初にフォトニッ
ク結晶からなるコア部分全面にレジスト７を塗布し、図
６（ａ）に示す様に、リソグラフィーを用いて、導波路
パターンを露光する。この後、現像することにより、図
６（ｂ）に示す様に、感光した部分のレジストは溶解し
てなくなるので、導波路パターンとしてレジストが残
る。このレジストパターンを導波路として用いることが
できる。
様に、３のフォトニック結晶層の一部の孔を屈折率が１
よりも大きい材質で満たすことにより、この部分に光を
局在させ、この部分を導波路として光を導くことが可能
となる。このような光導波路構造の実現方法の一例を、
図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。最初にフォトニッ
ク結晶からなるコア部分全面にレジスト７を塗布し、図
６（ａ）に示す様に、リソグラフィーを用いて、導波路
パターンを露光する。この後、現像することにより、図
６（ｂ）に示す様に、感光した部分のレジストは溶解し
てなくなるので、導波路パターンとしてレジストが残
る。このレジストパターンを導波路として用いることが
できる。
【００２５】勿論、光導波路として用いるレジストは、
ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）系のレジストのよ
うに、長波長帯で吸収損失の小さいものが望ましい。ま
た、レジスト以外の材料でも、ポリイミドやＢＣＢのよ
うに吸収損失の小さい材料があれば、レジストの代わり
として、光導波路部分に用いることができる。このよう
なタイプの光導波路構造では、図５（ａ）に示す様に、
孔を埋め込む材料の温度係数を、母体のフォトニック結
晶材料の温度係数と、符号が逆のものを用いることによ
り、温度変化を打ち消し、温度無依存化（アサーマル
化）を図ることもできる。
ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）系のレジストのよ
うに、長波長帯で吸収損失の小さいものが望ましい。ま
た、レジスト以外の材料でも、ポリイミドやＢＣＢのよ
うに吸収損失の小さい材料があれば、レジストの代わり
として、光導波路部分に用いることができる。このよう
なタイプの光導波路構造では、図５（ａ）に示す様に、
孔を埋め込む材料の温度係数を、母体のフォトニック結
晶材料の温度係数と、符号が逆のものを用いることによ
り、温度変化を打ち消し、温度無依存化（アサーマル
化）を図ることもできる。
【００２６】なお、本発明は上記各実施形態に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は
適宜変更され得ることは明らかである。
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は
適宜変更され得ることは明らかである。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外部回路との光学結合の良好な微小光回路を実現でき
る。すなわち、外部光学系との結合効率を良好としかつ
作製容易な新しいフォトニック結晶光導波路の形態を提
供することができる。
外部回路との光学結合の良好な微小光回路を実現でき
る。すなわち、外部光学系との結合効率を良好としかつ
作製容易な新しいフォトニック結晶光導波路の形態を提
供することができる。
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構造図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す構造図である。
【図３】本発明の第１および第２の実施形態の構造のデ
バイス応用の一例を示す図である。
バイス応用の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１および第２の実施形態の構造のデ
バイス応用の一例を示す図である。
バイス応用の一例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す構造図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す構造図である。
【図７】従来例としての線欠陥導波路を示す図である。
１ シリコン基板 ２ 酸化シリコン層 ３ フォトクラッド層 ４ レジストマスク ５ リッジ導波路 ６ 光波 ７ レジスト ８ フォトマスク
Claims (10)
- 【請求項１】 光学材料中に光の波長程度の大きさの孔
を設け、屈折率が２次元或いは３次元周期的に繰り返さ
れた構造体としてのフォトニック結晶を用いたフォトニ
ック結晶光導波路において、 前記フォトニック結晶をその屈折率が前記フォトニック
結晶の平均的な屈折率よりも小さい材料（クラッド）で
挟み込むことにより、前記フォトニック結晶部分をコア
とするスラブ導波路型のフォトニック結晶構造を有し、
前記スラブ導波路型フォトニック結晶のコア層部分の一
部の厚さを他の部分よりも若干厚くすることにより屈折
率ガイド効果を持たせ、このコアの層厚の厚い部分を光
導波路として光を導くことを特徴とするフォトニック結
晶光導波路。 - 【請求項２】 請求項１に記載のフォトニック結晶光導
波路において、前記コア層部分を成すフォトニック結晶
層の厚さは均一のままにして、前記コア部分の一部にそ
の屈折率がクラッド部分よりも大きい材料を貼り付ける
ことにより前記屈折率ガイド効果を持たせ、前記屈折率
がクラッド部分よりも大きい材料を貼り付けた部分を光
導波路として光を導くことを特徴とするフォトニック結
晶光導波路。 - 【請求項３】 請求項２に記載のフォトニック結晶光導
波路において、前記コア層の一部に前記屈折率がクラッ
ド部分よりも大きい材料としては、ＰＭＭＡ系レジスト
或いはＳｉＯ2を用いることを特徴とするフォトニック
結晶光導波路。 - 【請求項４】 請求項１又は、２、３に記載のフォトニ
ック結晶光導波路において、前記コア層を挟み込むクラ
ッド層の内どちらか一方が空気であることを特徴とする
フォトニック結晶光導波路。 - 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載のフォ
トニック結晶光導波路において、前記光導波路を導波さ
せる光波の波長が前記フォトニック結晶のフォトニック
バンドギャップの外に有りかつ分散性の強い前記フォト
ニックバンドギャップの近傍を用いることを特徴とする
フォトニック結晶光導波路。 - 【請求項６】 請求項５に記載のフォトニック結晶光導
波路において、前記フォトニックバンドギャップ端付近
の強い分散を用いることにより、前記光導波路を伝搬さ
せる光波或いは光パルスの遅延動作、又は、圧縮動作、
分散補償動作を行わせることを特徴とするフォトニック
結晶光導波路。 - 【請求項７】 光学材料中に光の波長程度の大きさの孔
を２次元或いは３次元周期的に開けることにより、屈折
率が２次元或いは３次元周期的に繰り変えされた構造体
としてのフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶光
導波路において、 前記フォトニック結晶をその屈折率が前記フォトニック
結晶の平均的な屈折率よりも小さい材料（クラッド）で
挟み込むことにより、前記フォトニック結晶部分をコア
とするスラブ導波路型のフォトニック結晶構造を有し、
前記フォトニック結晶の一部の孔を屈折率が１よりも大
きい材質で満たすことにより当該屈折率が１よりも大き
い材質で満たす部分に光を局在させ、前記屈折率が１よ
りも大きい材質の材料で満たされた部分を光導波路とし
て光を導くことを特徴とするフォトニック結晶光導波
路。 - 【請求項８】 請求項７に記載のフォトニック結晶光導
波路において、前記屈折率が１よりも大きい材質の材料
としてはＰＭＭＡ系レジストを用いることを特徴とする
フォトニック結晶光導波路。 - 【請求項９】 請求項８に記載のフォトニック結晶光導
波路において、前記孔を満たす材料として、前記コアと
しての前記フォトニック結晶を構成する物質の温度係数
と符号が逆の性質を有する物質を用いることにより、特
性の温度変化を小さくすることを特徴とするフォトニッ
ク結晶光導波路。 - 【請求項１０】 請求項５又は７、８のいずれかに記載
のフォトニック結晶光導波路上の前記光導波路の２本を
接近させることにより一方の前記導波路の光波の一部を
他方の前記導波路に得ることを特徴とする方向性結合
器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000091781A JP2001281480A (ja) | 2000-03-29 | 2000-03-29 | フォトニック結晶光導波路と方向性結合器 |
| US09/819,797 US6631236B2 (en) | 2000-03-29 | 2001-03-29 | Photonic crystal waveguide and directional coupler using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000091781A JP2001281480A (ja) | 2000-03-29 | 2000-03-29 | フォトニック結晶光導波路と方向性結合器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001281480A true JP2001281480A (ja) | 2001-10-10 |
Family
ID=18607206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000091781A Pending JP2001281480A (ja) | 2000-03-29 | 2000-03-29 | フォトニック結晶光導波路と方向性結合器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6631236B2 (ja) |
| JP (1) | JP2001281480A (ja) |
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