JP2002286958A - 光導波路およびそれを用いた半導体レーザ、または光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 曲がり部分においては、光の伝搬損失が殆ど
ない光導波路を提供する。 【解決手段】 光導波路１０は、基板１と、ガイド２，
３と、導波路４とを備える。導波路４は、ガイド２とガ
イド３とによって挟持される。導波路４は、光の入射口
５と光の出射口６とを有する。ガイド２，３は、光の進
行方向ＤＲ１と垂直な方向ＤＲ２に屈折率の異なる薄膜
１１と薄膜１２とを交互に積層した積層膜から成る。薄
膜１１は、シリコン（Ｓｉ）から成り、薄膜１２は、二
酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から成る。シリコンの屈折率は
３．５であり、二酸化ケイ素の屈折率は１．５である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、フォトニック結
晶を用いた光導波路およびそれを用いた半導体レーザま
たは光ピックアップ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、屈折率の異なる物質を交互に配列
して特定の振動数を有する光の伝搬を禁止するフォトニ
ック結晶体が注目されている。

【０００３】このフォトニック結晶体は、例えば、柱状
のシリコンもしくはインジウム燐基板を一定間隔ごとに
１つの平面内で配列し、ある平面のガリウムヒ素が隣接
する他の平面に配列された２つのガリウムヒ素の間に配
置されるようにして形成される。この場合、一定の方向
には、屈折率の異なるガリウムヒ素と空気とが周期的に
配列された構造になる。このように、屈折率の異なる材
料を周期的に配置することによってフォトニック結晶体
には光の伝搬を完全に禁止するフォトニックハンドギャ
ップが存在する。つまり、フォトニックバンドギャップ
に相当する光は、フォトニック結晶体を殆ど伝搬できな
い。

【０００４】フォトニック結晶体のこのような性質を応
用した光学製品として光導波路が提案されている。既に
提案されている光導波路は、２次元のフォトニック結晶
体を用いたものであり、導波路に接すするガイドを２次
元のフォトニック結晶体で構成したものである。この光
導波路における２次元のフォトニック結晶体は、単結晶
シリコンの表面を、円柱状のシリコンが周期的に残るよ
うにエッチングして作製したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガイドに２次
元のフォトニック結晶体を用いた光導波路においては、
導波路に曲がり部分を設けると、その曲がり部分におけ
る光の損失が増加するという問題がある。即ち、導波路
に接するガイドを構成するフォトニック結晶体におい
て、円柱状のシリコンが１個でも欠けると、円柱状のシ
リコンの周期性がくずれ、光の反射条件がずれる。その
結果、ガイドは光を１００％反射することができない。
曲がり部分は、特に、１個の円柱状のシリコンの欠落に
敏感であるため、曲がり部分での円柱状シリコンの欠落
は、光の閉込め作用に重大な悪影響を与える。

【０００６】そこで、本発明は、かかる問題を解決する
ためになされたものであり、その目的は、曲がり部分に
おいては、光の伝搬損失が殆どない光導波路を提供する
ことにある。

【０００７】また、本発明の別の目的は、光の伝搬損失
が殆どない光導波路を用いた半導体レーザまたは光ピッ
クアップ装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、光導
波路は、入射口と出射口とを有し、入射口から入射され
た光を出射口へ導く導波路と、導波路に接して設けられ
た第１のガイドと、導波路に接し、かつ、第１のガイド
に対向して設けられた第２のガイドとを備え、第１およ
び第２のガイドは、光が進行する第１の方向に垂直な第
２の方向に屈折率が規則的に変化する一次元のフォトニ
ック結晶体から成る。

【０００９】好ましくは、導波路は、入射口と出射口と
の間に湾曲部を含む。好ましくは、フォトニック結晶体
は、第１の屈折率を有する第１の薄膜と、第１の屈折率
よりも小さい第２の屈折率を有する第２の薄膜とが第２
の方向に交互に配置されて成る。

【００１０】好ましくは、導波路は、第２の屈折率と同
じ屈折率を有する第３の薄膜から成る。

【００１１】好ましくは、第１の薄膜はシリコンから成
り、第２の薄膜は二酸化ケイ素から成る。

【００１２】また、この発明によれば、半導体レーザ
は、円形形状から成り、かつ、レーザ発振によってレー
ザ光を生成するレーザ発振部と、レーザ発振部に接して
形成された第１のガイドと、第１のガイドに対向し、か
つ、レーザ発振部に接して形成された第２のガイドとを
備え、レーザ発振部は、レーザ光を出射するための出射
口を有し、第１および第２のガイドは、円形の半径方向
に屈折率が規則的に変化する一次元のフォトニック結晶
体から成る。

【００１３】また、この発明によれば、光ピックアップ
装置は、レーザ光を生成する半導体レーザと、半導体レ
ーザから出射されたレーザ光を光ディスクに照射する第
１の光導波路と、光ディスクで反射されたレーザ光を入
射して出射口から出射する第２の光導波路と、第２の光
導波路の出射口から出射されたレーザ光を検出する光検
出器とを備え、第１および第２の光導波路は、入射口と
出射口とを有し、入射口から入射された光を出射口へ導
く導波路と、導波路に接して設けられた第１のガイド
と、導波路に接し、かつ、第１のガイドに対向して設け
られた第２のガイドとを含み、第１および第２のガイド
は、レーザ光が進行する第１の方向に垂直な第２の方向
に屈折率が規則的に変化する一次元のフォトニック結晶
体から成る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一
または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さ
ない。

【００１５】［実施の形態１］図１は、実施の形態１に
よる光導波路の斜視図である。光導波路１０は、基板１
と、ガイド２，３と、導波路４とを備える。基板１は、
シリコンウェハから成る。ガイド２，３および導波路４
は、基板１上に縦方向の光閉込めを目的とするクラッド
領域を介して形成される。導波路４は、ガイド２とガイ
ド３との間に配置される。導波路４は、光の入射口５と
光の出射口６とを有し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から
成る。

【００１６】ガイド２，３は、光の進行方向ＤＲ１と垂
直な方向ＤＲ２に屈折率の異なる薄膜１１と薄膜１２と
を交互に積層した積層膜から成る。薄膜１１は、シリコ
ン（Ｓｉ）から成り、薄膜１２は、二酸化ケイ素から成
る。シリコンの屈折率は３．５であり、二酸化ケイ素の
屈折率は１．５である。薄膜１１と薄膜１２との１周期
分の膜厚は、０．７〜０．８μｍであり、導波路４に入
射する光の波長λの約半分に設定される。そして、薄膜
１１の膜厚と薄膜１２の膜厚との比は、約３：７に設定
される。したがって、ガイド２，３は、導波路４におけ
る光の進行方向ＤＲ１に垂直な方向ＤＲ２に屈折率が周
期的に変化した１次元のフォトニック結晶体から成る。
また、光導波路１０は、波長１．４〜１．６μｍの光に
対する導波路であり、入射口５から入射した光を１次元
のフォトニック結晶体から成るガイド２，３により反射
させることによって導波路４中を伝搬させて出射口６に
導くものである。

【００１７】図２は、薄膜１１の膜厚と薄膜１２の膜厚
との比を３：７に保持し、薄膜１１の屈折率と薄膜１２
の屈折率とを変化させたときの１次元フォトニック結晶
体における光の透過領域と光の反射領域とを示す図であ
る。図２の（ａ）〜（ｄ）の各図において、縦軸はフォ
トニック結晶体における光の振動数、つまり光のエネル
ギーに相当する物理量であり、横軸は、フォトニック結
晶体を構成する材料のうち屈折率の大きい材料における
角度である。また、図２の（ａ）は、薄膜１１の屈折率
が３．５であり、薄膜１２の屈折率が１．０の場合を示
し、図２の（ｂ）は、薄膜１１の屈折率が３．５であ
り、薄膜１２の屈折率が１．５の場合を示し、図２の
（ｃ）は、薄膜１１の屈折率が４．０であり、薄膜１２
の屈折率が１．０の場合を示し、図２の（ｄ）は、薄膜
１１の屈折率が４．０であり、薄膜１２の屈折率が１．
５の場合を示す。

【００１８】図２の（ａ）において、領域１３は、光の
透過率が１００％である領域であり、領域１４は、フォ
トニックバンドギャップである。そして、領域１４中に
光の反射率が１００％である領域１５が存在する。図２
の（ｂ）において、領域１６は、光の透過率が１００％
である領域であり、領域１７はフォトニックバンドギャ
ップである。そして、領域１７中に光の反射率が１００
％である領域１８が存在する。図２の（ｃ）において、
領域１９は、光の透過率が１００％である領域であり、
領域２０はフォトニックバンドギャップである。そし
て、領域２０中に光の反射率が１００％である領域２１
が存在する。図２の（ｄ）において、領域２２は、光の
透過率が１００％である領域であり、領域２３はフォト
ニックバンドギャップである。そして、領域２３中に光
の反射率が１００％である領域２４が存在する。

【００１９】図２の（ａ）〜（ｄ）に示す結果から、１
次元のフォトニック結晶体を構成する材料のうち、屈折
率の大きい材料から成る薄膜１１の屈折率を３．５また
は４．０に保持し、薄膜１２の屈折率を１．０から１．
５に大きくすると、光の反射率が１００％である領域は
領域１５（または領域２１）から領域１８（または領域
２４）へと変化する。その結果、反射率が１００％にな
る光の振動数の領域は狭くなり、反射率が１００％にな
る角度の領域は広くなる。また、薄膜１２の屈折率を
１．０または１．５に保持し、薄膜１１の屈折率を３．
５から４．０へ大きくすると、光の反射率が１００％で
ある領域は、領域１５（または領域１８）から領域２１
（または領域２４）へ変化するが、殆ど変化がない。こ
のように、薄膜１１の屈折率が３．５，４．０であり、
薄膜１２の屈折率が１．０，１．５であるとき、１次元
のフォトニック結晶体は、光の反射率が１００％になる
領域を有する。

【００２０】したがって、ガイド２，３の薄膜１１に屈
折率３．５のシリコンを用い、薄膜１２に屈折率１．５
の二酸化ケイ素を用い、１周期分の膜厚を０．７〜０．
８μｍとした場合、フォトニック結晶体における波長
１．６μｍの光の振動数は、約１．８となり、角度を選
択すれば、ガイド２，３を図２の（ｂ）の領域１８にお
いて光をほぼ１００％反射する材料として用いることが
できる。その結果、光導波路１０は、導波路４とガイド
２，３との界面で光をほぼ１００％反射し、入射口５か
ら入射された光を出射口６に導くことが可能となる。

【００２１】図３は、１次元のフォトニック結晶体にお
ける光の透過率の周期数依存性を示す。図３の（ａ）〜
（ｅ）は、それぞれ、２周期、３周期、４周期、５周
期、および６周期の場合を示す。また、図３の（ａ）〜
（ｅ）の各図において、縦軸は、ｄＢ単位で表した光の
透過率であり、横軸は光の振動数である。したがって、
縦軸の値「０」は、光の透過率が１００％であることを
示し、縦軸の値がマイナスの値であれば、光の透過率が
小さいことを示す。たとえば、縦軸の値が−２０ｄＢの
とき光の透過率は約１％である。更に、各図において、
破線は、１次元のフォトニック結晶体への光の入射角が
０度の場合を示し、１点鎖線は入射角が４５度の場合を
示し、実線は入射角が８９度の場合を示す。

【００２２】図３の結果、１次元のフォトニック結晶体
への入射角が大きくなると、各周期数において光の透過
率が小さくなる。そして、４周期の場合、入射角が０度
であっても、光の振動数を選択すれば光の透過率は−２
０ｄＢ以下になり、十分に光を閉じ込められる。好適な
周期数の範囲は、４〜６周期の範囲である。

【００２３】図３に示したとおり、入射角が８９度の場
合、透過率が最も小さいため、ガイド２，３への光の入
射角が８９度になるように導波路４に光を入射させれ
ば、入射した光は、殆ど損失することなく導波路４を伝
搬する。すなわち、図４に示すように、ガイド２，３の
法線３０と成す角度が８９度になるように導波路４に光
を入射させる。入射された光は、ガイド２と導波路４と
の界面２５およびガイド３と導波路４との界面２６でほ
ぼ１００％反射されながら導波路４中を進行する。この
場合、光は、界面２５，２６において８９度の入射角と
等しい反射角で反射されるため、導波路４中をほぼ平行
光ＬＢとして進行する。

【００２４】このように、１次元のフォトニック結晶体
をガイドに用いれば、導波路とガイドとの界面で光をロ
スしない光導波路を作製することができる。

【００２５】図５は、光導波路１０の作製工程を示す。
シリコンウェハ１上にスピンコート法によってレジスト
２７を所定の膜厚だけ塗布する。そして、薄膜１２を形
成する位置に空孔２９を有するマスク２８を介して紫外
光を照射することによってシリコンウェハ１上のレジス
ト２８をパターニングする（図５の（ａ）参照）。この
パターニングによって、レジスト２８には露光部分３１
が形成される（図５の（ｂ）参照）。現像液を用いて露
光部分３１を除去し、レジスト２８に空孔３２を形成す
る。そして、イオン注入法を用いて空孔３２を介して酸
素をシリコンウェハ１に注入する（図５の（ｃ）参
照）。そして、イオン注入後、レジストを除去すると、
シリコンウェハ１上に、二酸化ケイ素から成る薄膜１２
とシリコンから成る薄膜１１とがＤＲ２の方向に交互に
形成されたガイド２，３と、ガイド２とガイド３との間
に二酸化ケイ素から成る導波路４とが形成される（図５
の（ｄ）参照）。これにより、光導波路１０を作製する
ことができる。ＤＲ２の方向における薄膜１１，１２お
よび導波路４の幅は、マスク２８のパターンによって制
御することができ、導波路４の幅を１μｍ程度に作製す
ることも可能である。なお、図５の（ａ）〜（ｃ）に示
す点線は、シリコンウェハ１のうち、光導波路１０が形
成される領域の境界を示す。

【００２６】図６は、光導波路１０の直角に曲がった部
分を示す。Ａ点において、法線３０に対して入射角θで
ガイド２に入射した光は、同じ角度θで１００％反射さ
れ、Ｂ点で、再度、ガイド２へ入射する。このＢ点にお
ける入射角は、Ａ点における入射角θと同じである。そ
して、光は、Ｂ点でも角度θで１００％反射されて導波
路４中を進行する。このように、ガイド２，３に１次元
のフォトニック結晶体を用いることにより、直角に曲が
った部分でも光の損失がない光導波路を作製することが
できる。導波路４の曲がり角は、９０度に限らず、１８
０度曲がっていても良い。したがって、１次元のフォト
ニック結晶体を光導波路のガイドに用いることによって
図７に示す光導波路１０Ａを作製することができる。光
導波路１０Ａは、基板１Ａと、導波路４Ａと、ガイド２
Ａ，３Ａとを備える。ガイド２Ａ，３Ａは、薄膜１１Ａ
と薄膜１２ＡとをＤＲ２の方向に交互に形成した構造を
有する。薄膜１１Ａ，１２Ａは、２ヶ所の直角に曲がっ
た部分を有する。その結果、２ヶ所の直角に曲がった部
分を有する導波路４Ａを作製することができる。光導波
路１０Ａを構成する薄膜１１Ａ，１２Ａおよび導波路４
Ａは、図１に示す光導波路１０の薄膜１１，１２および
導波路４を構成する材料と同じ材料から成る。

【００２７】図８は、図７に示す光導波路１０Ａを作製
するためのマスクを示す。マスク２８Ａは、２ヶ所の湾
曲した部分を有する空孔２９Ａを含む。マスク２８Ａを
図５に示すマスク２８に代えて用いることによって図５
に示す工程と同じ工程を経て図７に示す光導波路１０Ａ
を作製することができる。

【００２８】光導波路１０，１０Ａの薄膜１１，１１Ａ
および導波路４，４Ａは、シリコンに限られず、ゲルマ
ニウム（Ｇｅ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、インジ
ウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、アル
ミヒ素（ＡｌＡｓ）、ＧａＰ，ＧａＮ等の２元系、Ｉｎ
ＧａＰ，ＡｌＧａＡｓ等の３元系、ＩｎＧａＡｓＰ等の
４元系であってもよい。そして、これらの材料を薄膜１
１，１１Ａおよび導波路４，４Ａに用いる場合、これら
の材料は、単結晶、多結晶、およびアモルファスのいず
れであっても良い。この場合、ゲルマニウムの屈折率は
４．０であり、インジウムヒ素の屈折率は３．８９であ
り、インジウムリンの屈折率は３．５４であり、ガリウ
ムヒ素の屈折率は３．６２であり、アルミヒ素の屈折率
は２．９５である。特に、アモルファスシリコンを用い
る場合、ガラス、金属、およびプラスチック等の基板１
上にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりアモルファスシリコンを
所定の膜厚だけ堆積した後、マスク２８または２８Ａを
用いて図５に示す工程によって光導波路１０，１０Ａを
作製する。その他の材料を薄膜１１，１１Ａおよび導波
路４，４Ａに用いた場合も、図５に示す工程によって光
導波路１０，１０Ａを作製する。

【００２９】光導波路１０，１０Ａの薄膜１２，１２Ａ
は、二酸化ケイ素に限らず、屈折率が１．０である空
気、屈折率が２．５の酸化チタン（ＴｉＯ₂）であって
もよい。空気を薄膜１２，１２Ａに用いる場合、図５の
（ｃ）に示す工程において、酸素のイオン注入に代え、
アルゴンイオン（Ａｒ）を用いたスパッタリングによっ
てシリコン等をエッチングする。これにより、図５の
（ｄ）において、薄膜１２の部分には何も形成されな
い、空気だけが存在する。したがって、ＤＲ２の方向に
シリコン等と空気とが交互に形成された１次元のフォト
ニック結晶体が形成される。

【００３０】また、薄膜１２，１２Ａとして酸化チタン
を用いる場合、図５の（ｃ）に示す工程においてアルゴ
ンイオンを用いたスパッタリングによってシリコン等を
エッチングした後、そのエッチングした部分にＣＶＤ法
によって酸化チタンを選択成長させる。これにより、薄
膜１１，１１Ａおよび導波路４，４Ａがシリコン等から
成り、薄膜１２，１２Ａが酸化チタンから成る光導波路
１０，１０Ａが作製される。

【００３１】上記においては、ガイド２，３を構成する
１次元フォトニック結晶体の薄膜１１および薄膜１２
は、図９に示すように配列されていてもよい。図９は、
１周期分の膜厚比を変化させたときの１次元フォトニッ
ク結晶体の断面構造図を示す。図９の（ａ）および
（ｂ）は、薄膜１１と薄膜１２とから成る層を４周期分
積層した１次元フォトニック結晶体において薄膜１１と
薄膜１２との膜厚比を変えた場合を示し、図９の（ｃ）
は、図９の（ａ）と（ｂ）とを積層した場合を示す。な
お、「層」とは、１つの薄膜１１と１つの薄膜１２とか
ら構成されるものを言う。

【００３２】層２１０は、薄膜１１と薄膜１２とから成
る。層２１０における薄膜１１の膜厚と薄膜１２の膜厚
との比は３：７である（図９の（ａ）参照）。層２２０
における薄膜１１の膜厚と薄膜１２の膜厚との比は２：
８である（図９の（ｂ）参照）。図９の（ｃ）に示す場
合は、層２２０，２１０を順次積層したものである。な
お、層２１０，２２０の各々の膜厚は、０．７〜０．８
μｍと同じである。

【００３３】図１０は、図９に示す各膜厚比によって構
成した１次元フォトニック結晶体において屈折率の大き
い薄膜１１から光が入射した場合の透過率を示す。図１
０の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図９の（ａ）〜
（ｃ）に対応する。図１０の（ａ）〜（ｃ）の各図にお
いて、縦軸は、ｄＢ単位で表した光の透過率であり、横
軸は光の周波数である。また、図１０の（ａ）〜（ｃ）
の各図において、波線は入射角が０度の場合を示し、１
点鎖線は入射角が４０度の場合を示し、実線は入射角が
４５度の場合を示す。

【００３４】薄膜１１と薄膜１２との膜厚比が３：７の
場合、図３の（ａ）に示す透過率とほぼ同様の透過率を
示し（図１０の（ａ）参照）、光の周波数領域を選択す
ることによって光をほぼ１００％反射可能なガイド２，
３として用いることができる。また、薄膜１１と薄膜１
２との膜厚比が２：８であるとき、薄膜１１と薄膜１２
との膜厚比が３：７である場合（図１０の（ａ））より
も光の透過率を更に小さくできる（図１０の（ｂ）参
照）。さらに、薄膜１１と薄膜１２との膜厚比が２：８
の層／薄膜１１と薄膜１２との膜厚比が３：７の層の８
層からなる１次元フォトニック結晶体においては、図１
０の（ａ），（ｂ）の場合に比べ、さらに透過率が低下
し、屈折率が大きい薄膜１１からの光の入射角が４０度
および４５度と小さいにも拘わらず、光をほぼ１００％
反射することが可能である。

【００３５】図１１は、図９の（ｃ）に示す断面構造か
ら成る１次元フォトニック結晶体のフォトニックバンド
を示したものである。領域２１１〜２１５は、光の透過
率が１００％の領域であり、領域２１６は、フォトニッ
クバンドギャップである。そして、領域２１７は、光を
ほぼ１００％反射可能な領域である。図９の（ｃ）に示
すような構造にすることによって、光をほぼ１００％反
射可能な領域が広くなる。すなわち、各層における薄膜
１１と薄膜１２との膜厚比が一定の場合は図２に示すよ
うに光をほぼ１００％反射できる光の入射角は０〜２５
度の範囲であるが、各層における薄膜１１と薄膜１２の
膜厚比を変化させた場合、光の入射角は０〜９０度の範
囲と広くなる。

【００３６】また、各層における薄膜１１と薄膜１２と
の膜厚比を変化させる例として図１２に示す断面構造図
も可能である。図１２の（ｂ）に示す断面構造図は図９
の（ａ）に示す断面構造図と同じである。図１２の
（ａ）に示す断面構造図は薄膜１２と薄膜１１との膜厚
比が７：３から成る層２３０を４層積層した構造から成
る。また、図１２の（ｃ）に示す断面構造図は、図１２
の（ｂ）に示す断面構造と図１２の（ａ）に示す断面構
造とを順次積層したものである。

【００３７】図１３は、図１２に示す各膜厚比によって
構成した１次元フォトニック結晶体において屈折率の小
さい薄膜１２から光が入射した場合の透過率を示す。図
１３の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図１２の（ａ）〜
（ｃ）に対応する。図１３の（ａ）〜（ｃ）の各図にお
いて、縦軸は、ｄＢ単位で表した光の透過率であり、横
軸は光の周波数である。また、図１３の（ａ）〜（ｃ）
の各図において、波線は入射角が０度の場合を示し、１
点鎖線は入射角が４５度の場合を示し、実線は入射角が
８９度の場合を示す。

【００３８】図１３に示すように、図１２に示すように
各層を構成する薄膜１１と薄膜１２との膜厚比を変化さ
せた場合も、光の透過率を小さくすることができ、光の
周波数領域を選択することによって光をほぼ１００％反
射可能なガイド２，３として用いることができる。

【００３９】図１４は、図１２の（ａ）および（ｂ）に
示す断面構造から成る１次元フォトニック結晶体のフォ
トニックバンドを示したものであり、図１４の（ａ）が
図１２の（ａ）に対応し、図１４の（ｂ）が図１２の
（ｂ）に対応する。

【００４０】図１４の（ａ）において、領域２２１，２
２２は、光の透過率が１００％の領域であり、領域２２
３は、フォトニックバンドギャップである。そして、領
域２２４は、光をほぼ１００％反射可能な領域である。
また、図１４の（ｂ）において、領域２３１〜２３３
は、光の透過率が１００％の領域であり、領域２３４，
２３５は、フォトニックバンドギャップである。そし
て、領域２３６，２３７は、光をほぼ１００％反射可能
な領域である。図１２の（ｂ）に示すような断面構造に
することによって光をほぼ１００％反射可能な領域が２
個存在する。さらに、図１２の（ｃ）に示す断面構造に
対応するフォトニックバンドギャップは示していない
が、図１２の（ｃ）に示す断面構造は、図１２の（ａ）
に示す断面構造と図１２の（ｂ）に示す断面構造とを積
層した断面構造から成るので、図１４に示す領域２２４
と領域２３６と領域２３７とを加えた領域となる。この
ように、積層方向における薄膜１１と薄膜１２との膜厚
比を図１２の（ｃ）に示すように変化させることによっ
て、ほぼ１００％反射可能な光の周波数領域を広くでき
る。

【００４１】なお、上記においては、薄膜１１と薄膜１
２との合計膜厚は０．７〜０．８μｍと一定であるとし
て説明したが、本発明においては、薄膜１１と薄膜１２
との合計膜厚を積層方向において変化させてもよい。そ
の場合、合計膜厚を変化させる方法は、図３、図１０、
および図１３における光の周波数に、変化させる膜厚比
を乗算した周波数において、光の透過率が小さくなるよ
うに合計膜厚を変化させる。したがって、１次元フォト
ニック結晶体の各層の合計膜厚を変化させることによっ
ても光をほぼ１００％反射可能なガイド２，３を作製す
ることが可能である。

【００４２】このように、本発明においては、１次元フ
ォトニック結晶体を構成する薄膜１１および薄膜１２
は、周期的に配列されているものに限らず、図９から図
１４において説明したように規則的に配列されていれば
よい。つまり、屈折率が薄膜１１および薄膜１２の積層
方向に規則的に変化する構造になっていればよい。

【００４３】更に、この発明による光導波路は、図１に
示す光導波路１０に限らず、図１５に示す光導波路４０
であってもよい。光導波路４０は、図１に示す光導波路
１０の導波路４を導波路４１に代えたものであり、その
他は光導波路１０と同じである。

【００４４】導波路４１は、ガイド２，３を構成する薄
膜１１の材料と異なる材料から成る。例えば、薄膜１１
がインジウムヒ素から成り、薄膜１２が空気から成ると
き、導波路４１は、アルミヒ素または酸化チタンから成
る。

【００４５】図１６は、図１５に示す光導波路４０にお
いて、薄膜１１の膜厚と薄膜１２の膜厚との比を３：７
に保持し、導波路４１をアルミヒ素または酸化チタンで
形成したときの１次元フォトニック結晶体における光の
透過領域と光の反射領域とを示す図である。図１６にお
いて、縦軸はフォトニック結晶体における光の振動数で
あり、横軸は、フォトニック結晶体を構成する材料のう
ち屈折率の大きい材料における角度である。

【００４６】領域４２は、光の透過率が１００％である
領域であり、領域４３は、フォトニックバンドギャップ
である。そして、領域４３中に光の反射率が１００％で
ある領域４４，４５が存在する。領域４４は、導波路４
１としてアルミヒ素を用いた場合であり、領域４５は、
導波路４１として酸化チタンを用いた場合である。導波
路４１としてアルミヒ素を用いた場合、光の反射率が１
００％になる領域４４は、非常に狭いが、導波路４１と
して酸化チタンを用いた場合、光の反射率が１００％に
なる領域４５は、図２の（ｂ）および（ｄ）に示す場合
よりも広くなる。したがって、導波路４１をガイド２，
３を構成する薄膜１１の材料と異なる材料によって形成
することによって光の反射率がほぼ１００％になる領域
が広い光導波路を作製することができる。

【００４７】光導波路４０の作製方法は、まず、図５の
（ａ），（ｂ）に示す工程の後、（ｃ）の工程において
アルゴンイオンを用いたスパッタリングによってインジ
ウムヒ素をエッチングしてインジウムヒ素から成る薄膜
１１と空気から成る薄膜１２とを形成する。これによ
り、ガイド２，３が作製される。

【００４８】その後、図１７に示す工程に移行する。ガ
イド２，３を形成した後、再度、レジスト４６をスピン
コート法によって塗布し、マスク５０を用いて露光す
る。マスク５０は、ガイド２とガイド３との間に空孔５
１を有するマスクである。この場合、ガイド２とガイド
３との間にはインジウムヒ素４８が残っており、インジ
ウムヒ素４８上に露光部分４７が形成される（図１７の
（ａ）参照）。そして、露光部分４７を除去し、アルゴ
ンイオンを用いたスパッタリングによってインジウムヒ
素４８をエッチングする（図１７の（ｂ）参照）。その
後、エッチングした部分に、アルミヒ素または酸化チタ
ンをＣＶＤ法により形成し（図１７の（ｃ）参照）、最
後に、残ったレジスト４６，４６を除去して光導波路４
０を作製する（図１７の（ｄ）参照）。アルミヒ素また
は酸化チタンの形成時に、レジスト４６，４６上にもア
ルミヒ素または酸化チタンが堆積することもあり得る
が、レジスト４６，４６上のアルミヒ素または酸化チタ
ンは、レジスト４６，４６の除去時に一緒に除去され
る。

【００４９】このように、図５および図１７に示す工程
を用いて光導波路４０を作製することができる。

【００５０】その他については光導波路１０と同じであ
る。光導波路４０においても、ガイド２，３を構成する
１次元フォトニック結晶体における薄膜１１と薄膜１２
との膜厚比、および薄膜１１と薄膜１２の合計膜厚を変
化させることが可能である。

【００５１】実施の形態１によれば、光導波路は、光の
反射率がほぼ１００％である１次元のフォトニック結晶
体によって構成されたガイドを含むので、入射口から入
射した光を損失なく出射口に導くことができる。特に、
実施の形態１による光導波路は、曲がり部における光の
伝搬損失を抑えることができる。

【００５２】［実施の形態２］図１８は、実施の形態１
による光導波路を用いた半導体リングレーザの平面図を
示す。半導体リングレーザ６０は、ガイド６１，６２
と、発振部６３とを備える。ガイド６１，６２、および
発振部６３は、同心の楕円形状を有する。なお、発振部
６３は、レーザ光を出射するために楕円の周方向に沿っ
た形状を一部に有する。

【００５３】ガイド６１，６２は、薄膜６１１と薄膜６
１２とを径方向に交互に配置した構造から成る。薄膜６
１１は、光導波路１０の薄膜１１に相当し、薄膜６１２
は光導波路１０の薄膜１２に相当する。

【００５４】半導体リングレーザ６０の半径は、５０〜
１００μｍの範囲である。また、発振部６３の径方向の
幅は２０μｍ程度である。この場合、発振するレーザ光
の波長は、１．０〜２．０μｍ程度である。

【００５５】半導体リングレーザ６０の半径は、３００
μｍ程度であってもよい。この場合、発振するレーザ光
の波長は、６μｍ以上である。

【００５６】図１９は、図１８に示す半導体リングレー
ザ６０の断面図である。基板６４上にガイド６１，６２
と発振部６３とが形成される。発振部６３は、電極６３
１と、クラッド層６３２，６３４と、活性層６３３とを
有する。活性層６３３は、クラッド層６３２とクラッド
層６３４との間に配置される。電極６３１は、クラッド
層６３２とオーミック接触を有する。また、基板６４
は、クラッド層６３４とオーミック接触を有する。そし
て、基板６４は、電極の機能を果たす。クラッド層６３
２，６３４および活性層６３３は、それぞれ、アルミガ
リウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡ
ｓ）等の半導体材料から成る。基板６４と電極６３１と
を用いて電流を活性層６３４へ注入することによって活
性層６３３においてレーザ発振が起こる。

【００５７】レーザ発振によって生成されたレーザ光
は、２つのクラッド層６３２，６３４および２つのガイ
ド６１，６２によって閉じ込められて、矢印６５の方向
に進行する。

【００５８】その結果、図２０に示すように、半導体リ
ングレーザ６０においてレーザ発振によって生成された
レーザ光は、矢印６６，６７の方向に進行し、ガイド６
１，６２によって反射される。そして、ガイド６１，６
２によって反射されたレーザ光は、再び、活性層６３３
へ達し、新たなレーザ発振に寄与する。このように、半
導体リングレーザ６０によって生成されたレーザ光は、
その強度を強めながら活性層６３３を進行し、最終的に
出射口６８から出射する。

【００５９】半導体リングレーザ６０は、楕円形状に限
らず、円形であっても良い。半導体リングレーザ６０
は、図５および図１７に示した工程を用いることにより
作製することができる。

【００６０】図２１は、実施の形態１による光導波路を
用いた光ピックアップ装置を示す。光ピックアップ装置
１００は、光導波路７０，８０と、半導体レーザ素子７
７と、光検出器７８とを備える。

【００６１】光導波路７０は、ガイド７１，７２と、導
波路７３とを含む。光導波路８０は、ガイド７４，７５
と導波路７６とを含む。ガイド７１，７２，７４，７５
は、二酸化ケイ素から成る薄膜７１１と、シリコンから
成る７１２とを交互に配置した構造を有する。そして、
薄膜７１１と薄膜７１２との周期数は２周期である。ま
た、導波路７３，７６は、二酸化ケイ素から成り、その
幅Ｌ１は１μｍ程度である。

【００６２】半導体レーザ素子７７は、レーザ光の出射
点７７Ａを導波路７３の入射口７０Ａに接して配置され
ており、波長１．５μｍのレーザ光を導波路７３に入射
させる。光検出器７８は、導波路７６の出射口８０Ｂに
接して配置される。導波路７３は、入射口７０Ａから入
射されたレーザ光を出射口７０Ｂへ導き、出射口７０Ｂ
からコンパクトディスク（ＣＤ：Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉ
ｓｋ）等の光ディスク９０にレーザ光を照射する。出射
口７０Ｂと光ディスク９０との距離Ｌ２は、２０μｍ程
度と非常に近いため、出射口７０Ｂから出射されたレー
ザ光は、殆ど拡がることなく光ディスク９０に照射され
る。

【００６３】導波路７６は、光ディスク９０で反射され
たレーザ光を領域７９から入射して出射口８０Ｂから光
検出器７８に照射する。

【００６４】半導体レーザ素子７７の出射点７７Ａから
出射されたレーザ光は、導波路７３へ入射され、曲がり
部８１，８２で損失されることなく導波路７３中を伝搬
して出射口７０Ｂから出射される。出射口７０Ｂから出
射されたレーザ光は、光ディスク９０に照射され、光デ
ィスク９０の信号記録面で反射され、出射口７０Ｂから
再び導波路７３へ入射される。そして、導波路７３に入
射されたレーザ光は、直進して領域７９に到達する。領
域７９は、薄膜７１１と薄膜７１２とが交互に配置され
た１次元のフォトニック結晶体から成るため、法線方向
に対して８９度程度の大きな入射角で入射した光を殆ど
反射する。しかし、領域７９は、法線方向に対して０
度、つまり、直角に入射した場合、その光をある程度透
過する。したがって、領域７９は、半導体レーザ素子７
７から出射されたレーザ光を殆ど反射して出射口７０Ｂ
の方向へ導くが、光ディスク９０で反射され、導波路７
３を伝搬してきた光を透過する。この場合、領域７９に
おける光の透過率は図３の（ａ）から見積もると２１％
以上である。領域７９を透過したレーザ光は、導波路７
６を伝搬して出射口８０Ｂから光検出器７８に照射され
る。

【００６５】図２２は、光検出器７８の光検出部７８１
の平面図を示す。光検出部７８１は、Ａ領域７８１１、
Ｂ領域７８１２、Ｃ領域７８１３、およびＤ領域７８１
４の４つの領域に分割されている。Ａ領域７８１１とＤ
領域７８１４、およびＢ領域７８１２とＣ領域７８１３
は、光ディスク９０の径方向ＤＲ３に配置され、Ａ領域
７８１１とＢ領域７８１２、およびＣ領域７８１３とＤ
領域７８１４は、光ディスク９０の周方向に配置され
る。

【００６６】光ディスク９０で反射されたレーザ光ＬＢ
を４つの領域で検出する。そして、Ａ領域７８１１、Ｂ
領域７８１２、Ｃ領域７８１３、およびＤ領域７８１４
の各領域で検出された光強度の和は再生信号として用い
られ、Ａ領域７８１１で検出された光強度とＢ領域７８
１２で検出された光強度との和から、Ｃ領域７８１３で
検出された光強度とＤ領域７８１４で検出された光強度
との和を引いた信号はトラッキングエラー信号として用
いられる。加算器や減算器を用いれば、各領域で検出さ
れた光強度に基づいて再生信号およびトラッキングエラ
ー信号を容易に生成することができる。

【００６７】生成されたトラッキングエラー信号は、レ
ーザ光が光ディスク９０の信号列に照射されるように、
光ピックアップ装置１００を光ディスク９０の径方向に
移動させるための制御信号として用いられる。光ピック
アップ装置１００を光ディスク９０の径方向に移動させ
る機構は、周知のサーボ機構を用いれば良い。

【００６８】したがって、図２１に示す光ピックアップ
装置１００は、半導体レーザ素子７７から出射されたレ
ーザ光を、その強度を殆ど損失させることなく、光ディ
スク９０へ照射し、光ディスク９０で反射されたレーザ
光を光検出器７８によって検出して光ディスク９０から
信号を再生するものである。また、光ピックアップ装置
１００は、当然に光ディスク９０に信号を記録すること
も可能である。この場合、半導体レーザ素子７７は、記
録信号によって変調されたレーザ光を出射する。

【００６９】光ピックアップ装置１００は、半導体プロ
セスによって作製されたガイド７１，７２，７４，７
５、および導波路７３，７６によって構成される光導波
路７０，８０を主な構成要素とするため、全体の寸法を
非常に小さくできる。また、光ピックアップ装置１００
は、対物レンズを用いずにレーザ光を光ディスク９０に
照射するので、レーザ光の波長に関係なくスポット径を
小さくできる。

【００７０】実施の形態２によれば、１次元のフォトニ
ック結晶体をガイドに用いた光導波路は、高い光閉込め
効果を有するので、半導体レーザから出射されるレーザ
光の強度を強くできる。また、光導波路を用いて軽量か
つコンパクトな光ピックアップ装置を作製できる。

【００７１】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００７２】

【発明の効果】本発明による光導波路は、光の反射率が
ほぼ１００％である１次元のフォトニック結晶体によっ
て構成されたガイドを含むので、入射口から入射した光
を損失なく出射口に導くことができる。特に、光導波路
は、曲がり部における光の伝搬損失を抑えることができ
る。

【００７３】また、本発明による光導波路は、１次元の
フォトニック結晶体から成るガイドを含むので、設計の
自由度が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１による光導波路の斜視
図である。

【図２】 フォトニック結晶体の光学特性図である。

【図３】 フォトニック結晶体の光学特性図である。

【図４】 図１に示す導波路における光の伝搬機構を説
明するための断面図である。

【図５】 図１に示す光導波路の作製方法を説明するた
めの工程図である。

【図６】 図１に示す光導波路の曲がり部分における光
の伝搬を説明するための断面図である。

【図７】 本発明の実施の形態１による光導波路の他の
斜視図である。

【図８】 光導波路の作製に用いるマスクの斜視図であ
る。

【図９】 フォトニック結晶体の構成材料の膜厚比を変
化させた断面構造図である。

【図１０】 図９に示す断面構造から成るフォトニック
結晶体の光学特性図である。

【図１１】 図９に示す断面構造から成るフォトニック
結晶体の光学特性図である。

【図１２】 フォトニック結晶体の構成材料の膜厚比を
変化させた他の断面構造図である。

【図１３】 図１２に示す断面構造から成るフォトニッ
ク結晶体の光学特性図である。

【図１４】 図１２に示す断面構造から成るフォトニッ
ク結晶体の光学特性図である。

【図１５】 本発明の実施の形態１による光導波路のさ
らに他の斜視図である。

【図１６】 フォトニック結晶体の光学特性図である。

【図１７】 図１５に示す光導波路の作製方法を説明す
るための工程図である。

【図１８】 この発明による半導体リングレーザの平面
図である。

【図１９】 図１８に示す半導体リングレーザの断面図
である。

【図２０】 図１８に示す発振部の平面図である。

【図２１】 この発明による光ピックアップ装置の平面
図である。

【図２２】 図２１に示す光検出器に含まれる光検出部
の平面図である。

【符号の説明】

１，６４ 基板、２，２Ａ，３，３Ａ，６１，６２，７
１，７２，７４，７５ガイド、４，４１，７３，７６
導波路、５ 入射口、６ 出射口、１０，１０Ａ，７
０，８０ 光導波路、１１，１１Ａ，１２，１２Ａ，６
１１，６１２，７１１，７１２ 薄膜、１３，１５，１
６，１８，１９，２１，２２，２４，４２，４４，４
５，２１１〜２１５，２１７，２２１，２２２，２２
４，２３１〜２３３，２３６，２３７ 領域、１４，１
７，２０，２３，４３，２１６，２２３，２３４，２３
５ フォトニックバンドギャップ、２５，２６ 界面、
２７，４６ レジスト、２８，２８Ａ，５０ マスク、
２９，２９Ａ，３２，５１ 空孔、３０ 法線、４７
露光部分、４８ インジウムヒ素、６０ 半導体リング
レーザ、６３ 発振部、６５〜６７ 矢印、６８，７０
Ｂ，８０Ｂ 出射口、７０Ａ 入射口、７７Ａ 出射
点、７７ 半導体レーザ、７８ 光検出器、８１，８２
曲がり部分、７９，７８１１〜７８１４ 領域、２１
０，２２０，２３０，２４０ 層、６３１ 電極、６３
２，６３４ クラッド層、６３３ 活性層、７８１ 光
検出部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 太郎 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 (72)発明者 西村 剛太 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 (72)発明者 會田 田人 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 Ｆターム(参考） 2H047 KA00 KA03 KA12 KB09 LA01 PA02 PA04 PA05 PA21 PA24 QA02 QA04 TA00 5D119 AA01 AA43 JA16 JA36 5F073 AA66 AB21 AB25 BA05 CA04 CA05 FA06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射口と出射口とを有し、前記入射口か
   ら入射された光を前記出射口へ導く導波路と、 前記導波路に接して設けられた第１のガイドと、 前記導波路に接し、かつ、前記第１のガイドに対向して
   設けられた第２のガイドとを備え、 前記第１および第２のガイドは、前記光が進行する第１
   の方向に垂直な第２の方向に屈折率が規則的に変化する
   一次元のフォトニック結晶体から成る、光導波路。
2. 【請求項２】 前記導波路は、前記入射口と前記出射口
   との間に湾曲部を含む、請求項１に記載の光導波路。
3. 【請求項３】 前記フォトニック結晶体は、第１の屈折
   率を有する第１の薄膜と、前記第１の屈折率よりも小さ
   い第２の屈折率を有する第２の薄膜とが前記第２の方向
   に交互に配置されて成る、請求項１または請求項２に記
   載の光導波路。
4. 【請求項４】 前記導波路は、前記第２の屈折率と同じ
   屈折率を有する第３の薄膜から成る、請求項３に記載の
   光導波路。
5. 【請求項５】 前記第１の薄膜はシリコンから成り、 前記第２の薄膜は二酸化ケイ素から成る、請求項４に記
   載の光導波路。
6. 【請求項６】 円形形状から成り、かつ、レーザ発振に
   よってレーザ光を生成するレーザ発振部と、 前記レーザ発振部に接して形成された第１のガイドと、 前記第１のガイドに対向し、かつ、前記レーザ発振部に
   接して形成された第２のガイドとを備え、 前記レーザ発振部は、前記レーザ光を出射するための出
   射口を有し、 前記第１および第２のガイドは、前記円形の半径方向に
   屈折率が規則的に変化する一次元のフォトニック結晶体
   から成る、半導体レーザ。
7. 【請求項７】 レーザ光を生成する半導体レーザと、 前記半導体レーザから出射されたレーザ光を光ディスク
   に照射する第１の光導波路と、 前記光ディスクで反射されたレーザ光を入射して出射口
   から出射する第２の光導波路と、 前記第２の光導波路の出射口から出射されたレーザ光を
   検出する光検出器とを備え、 前記第１および第２の光導波路は、 入射口と出射口とを有し、前記入射口から入射された光
   を前記出射口へ導く導波路と、 前記導波路に接して設けられた第１のガイドと、 前記導波路に接し、かつ、前記第１のガイドに対向して
   設けられた第２のガイドとを含み、 前記第１および第２のガイドは、前記レーザ光が進行す
   る第１の方向に垂直な第２の方向に屈折率が規則的に変
   化する一次元のフォトニック結晶体から成る、光ピック
   アップ装置。