JP2003255162A

JP2003255162A - フォトニック結晶を用いた光導波路及びその製造方法

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Publication number: JP2003255162A
Application number: JP2002051641A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Okubo; 博行大久保; Shojiro Kawakami; 彰二郎川上; Yasuo Odera; 康夫大寺
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP3921102B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】作製容易で、伝搬損失が低いフォトニック結
晶を用いた光導波路及びその製造方法を提供することに
ある。【解決手段】基板２上にコア４とクラッド５を形成し
た光導波路１において、コア４の少なくとも一部をフォ
トニック結晶３で構成し、クラッド５を単層膜で形成し
たものである。誘電体多層膜型のフォトニック結晶で構
成されるコアあるいはコアの一部を、スパッタデポジシ
ョンと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行う
際、デポジションとエッチングの比率を適正化する自己
クローニング法により作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上にコアとク
ラッドを形成した光導波路及びその製造方法に係り、特
に、コアの少なくとも一部をフォトニック結晶で構成し
て伝搬損失の低減化を図ったフォトニック結晶を用いた
光導波路及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、フォトニック結晶について簡単に
説明する。フォトニック結晶とは、屈折率が異なる２種
類の透明媒質を、媒質内平均波長の１／２程度の格子間
隔で１〜３次元の周期構造としたものである。３次元の
場合で大まかに言うと、ナノスケールの３次元市松模様
である。１次元〜３次元のフォトニック結晶を模式的に
示すと、それぞれ図７（ａ）〜（ｃ）のようになる。図
７（ａ）の１次元フォトニック結晶９０ａの場合はｚ方
向にのみ屈折率の周期性を有し、図７（ｂ）の２次元フ
ォトニック結晶９０ｂの場合はｘ，ｚ方向に屈折率の周
期性を有し、図７（ｃ）の３次元フォトニック結晶９０
ｃの場合はｘ，ｙ，ｚ方向に屈折率の周期性を有する。
図７中の屈折率が異なる２種類の透明媒質は、低屈折率
媒質９１と高屈折率媒質９２である。

【０００３】従来のフォトニック結晶を用いた光導波路
の代表的な例として、図８に示すようなＳＯＩ基板を用
いた円孔型のフォトニック結晶からなる光導波路１００
がある。この光導波路１００は、２００１年春季第４８
回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３０ａ−ＹＫ−
２に記載されているものである。

【０００４】従来の光導波路１００は、Ｓｉ基板１０１
上にＳｉＯ₂ 層を形成し、ＳｉＯ₂層上にＳｉ層１０３
を形成し、そのＳｉ層１０３に、直径が０．２３〜０．
２４μｍの複数個の円孔１０４を、隣接する円孔の中心
間距離（格子定数）ａが０．４２μｍ間隔となるように
２次元三角格子状に配列形成すると共に、一列のみ円孔
１０４を形成しないようにし、下部のＳｉＯ₂ 層を取り
除いた構造である。

【０００５】円孔１０４を形成しないようにした部分が
光導波路コア１０５となる。円孔１０４はフォトリソグ
ラフィーとドライエッチングにより作製され、下部のＳ
ｉＯ ₂ 層はウエットエッチング法により取り除かれる。
それによって、光導波路コア１０５の下部は空気（ａｉ
ｒ）からなる光導波路クラッド１０６ｄとなる。また、
光導波路コア１０５の上部も空気からなる光導波路クラ
ッド１０６ｕであることから、光導波路コア１０５が空
気からなる光導波路クラッド１０６ｕ，ｄでサンドイッ
チされた構造となる。この光導波路１００は、エアブリ
ッジ型と呼ばれている。

【０００６】図９に光導波路１００の伝搬損失の波長依
存性を示す。通信波長１．５０μｍ帯での光導波路１０
０の伝搬損失は１０ｄＢ／ｍｍである。すなわち、１ｃ
ｍあたり１００ｄＢである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
の光導波路１００の伝搬損失は１００ｄＢ／ｃｍと非常
に高く、実用上必要とされる１ｄＢ／ｃｍ以下の低損失
のものを作製するのが困難であるという問題がある。

【０００８】その主要因は、円孔１０４作製においてフ
ォトリソグラフィーの精度が約±５％、ドライエッチン
グによる精度が約±４％と精度が悪いことであり、その
要因を取り除くためにプロセス精度を上げることは容易
ではない。その大きな伝搬損失によって、さまざまな光
回路への応用の道が閉ざされている。

【０００９】また、円孔フォトニック結晶からなる従来
の光導波路１００とは異なり、下部クラッド、コア、上
部クラッドの全領域を、石英系光ファイバとの屈折率差
が小さい誘電体多層膜型のフォトニック結晶で作製した
格子変調型フォトニック結晶からなる光導波路が報告さ
れている（２００１年春季第４８回応用物理学関係連合
講演会講演予稿集３０ｐ−ＹＫ−２）。

【００１０】この光導波路では、後述する自己クローニ
ング法により、誘電体多層膜を作製しているが、その厚
さを１０μｍ以上とする必要があるので、作製が非常に
困難であるという問題がある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、作製容易で、伝
搬損失が低いフォトニック結晶を用いた光導波路及びそ
の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために創案されたものであり、請求項１の発明は、
基板上にコアとクラッドを形成した光導波路において、
コアの少なくとも一部をフォトニック結晶で構成し、ク
ラッドを単層膜で形成したフォトニック結晶を用いた光
導波路である。

【００１３】請求項２の発明は、フォトニック結晶で構
成したコア以外のコア領域を、誘電体の単層膜で形成し
た請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路で
ある。

【００１４】請求項３の発明は、クラッドを誘電体の単
層膜で形成した請求項１記載のフォトニック結晶を用い
た光導波路である。

【００１５】請求項４の発明は、コアを誘電体多層膜型
のフォトニック結晶で構成した請求項１記載のフォトニ
ック結晶を用いた光導波路である。

【００１６】請求項５の発明は、フォトニック結晶で構
成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置して光共振
器の機能を有する請求項１記載のフォトニック結晶を用
いた光導波路である。

【００１７】請求項６の発明は、フォトニック結晶で構
成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置させること
により、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光
波長フィルタの機能を有する請求項１または５記載のフ
ォトニック結晶を用いた光導波路である。

【００１８】請求項７の発明は、基板上にコアとクラッ
ドを形成した光導波路の製造方法において、誘電体多層
膜型のフォトニック結晶で構成されるコアあるいはコア
の一部を、スパッタデポジッションと同時あるいは交互
にスパッタエッチングを行う際、デポジッションとエッ
チングの比率を適正化する自己クローニング法により作
製することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光導
波路の製造方法である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適実施の形態を
添付図面にしたがって説明する。

【００２０】図１は、本発明の好適実施の形態であるフ
ォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。

【００２１】図１に示すように、本発明に係るフォトニ
ック結晶を用いた光導波路１は、石英からなる基板２上
の中央部に、誘電体多層膜型のフォトニック結晶３で構
成される矩形体状のコア４を形成し、コア４とコア４が
形成されない基板２上とを、ＳｉＯ₂ からなる誘電体の
単層膜で形成したクラッド５で覆ったものである。コア
４の長さは、基板２の長手方向の長さと同じである。コ
ア４の両端面４ｆ，４ｂは露出しており、一方の端面４
ｆが基板２の正面２ｆと一致し、他方の端面４ｂが基板
２の背面２ｂと一致している。基板２としては、通信波
長帯１．３μｍ〜１．７μｍで透明な石英（ＳｉＯ₂ ）
を用いているが、Ｓｉを用いてもよい。

【００２２】フォトニック結晶３は、高屈折率媒質膜３
ａと低屈折率媒質膜３ｂとからなる２次元のフォトニッ
ク結晶である。このフォトニック結晶３は、各膜３ａ，
３ｂが、基板２の長手方向に沿って凹凸形状が繰り返さ
れて形成されると共に、基板２上に交互に積層されて形
成されたものである。高屈折率媒質膜３ａとしては、例
えば、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜を使用している。低屈折率媒質膜３
ｂとしては、例えば、ＳｉＯ₂ 膜を使用している。

【００２３】フォトニック結晶３に用いる材料は、上述
したものに限らず、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＳｉＯ₂
などの酸化物、Ｇｅ、Ｓｉなどの半導体を使用すること
ができる。例えば、現在すでに製品化されている誘電体
多層膜フィルタには、Ｔａ₂Ｏ₅ ／ＳｉＯ₂ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅
／ＳｉＯ₂ などの酸化物を組み合わせた材料が用いら
れているので、光導波路の低損失化のために、それらの
材料を用いることができる。

【００２４】光導波路１のコア４の屈折率は、約１．７
〜１．８である。光導波路１のクラッド５の屈折率は、
約１．４〜１．５である。この光導波路１では、コア４
の一方の端面４ｆから入射した入射光は、フォトニック
結晶３で構成されるコア４内を、基板２の上面２ｕおよ
び下面２ｄに対して平行に伝搬し、コア４の他方の端面
４ｂから出射する。

【００２５】次に、光導波路１の製造方法を説明する。

【００２６】図２に示すように、まず、基板２０の上面
２０ｕを、電子ビーム露光によるフォトリソグラフィー
とドライエッチングにより、基板２の長手方向（ｘ方
向）に沿ってＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターン状となるよ
うに加工する。ここで、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターン
とは、凹凸に加工された形状のことである。図２では基
板２の上面２ｕに、凸部（Ｌｉｎｅ）２１と凹部（Ｓｐ
ａｃｅ）２２が交互に形成されている。すなわち、予め
基板２０上に面内の１次元初期格子を形成しておく。ｘ
方向のピッチ間隔Ｌｘは、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパター
ンの一つのＬｉｎｅ幅と一つのＳｐａｃｅ幅を加えた値
であり、ｘ方向のＬｉｎｅ幅およびＳｐａｃｅ幅をＬｉ
ｎｅ−ｘ、Ｓｐａｃｅ−ｘとすれば、Ｌｘ＝（Ｌｉｎｅ
−ｘ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｘ）となる。本実施の形態で
は、Ｌｘ＝０．５μｍとした。Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパ
ターンが形成された基板２０は、ダイシングにより数ｍ
ｍ×数ｍｍにチップ化される。

【００２７】図３（ａ）に示すように、チップ化した基
板２上に、バイアススパッタリング法により、高屈折率
媒質膜（Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜）３ａと低屈折率媒質膜（ＳｉＯ
₂ 膜）３ｂとを交互に積層させる。バイアススパッタリ
ング法を簡単に説明すると、ターゲットにＲ．Ｆ．（高
周波）電力を印加させるだけではなく、基板にもＲ．
Ｆ．電力を印加しながらスパッタデポジッションと同時
あるいは交互にバイアススパッタエッチングを可能とす
る方法である。膜厚は目的とするデバイスの仕様により
決められる。それぞれの膜を堆積させる際、後述する自
己クローニング法により、ある一定の断面形状を保ちな
がら膜が堆積される。

【００２８】バイアススパッタリング法は、例えば、図
４に示すようなバイアススパッタリング装置４０を用い
て行われる。

【００２９】装置４０は、真空排気されたチャンバ４１
内の下部に設けられるターゲット電極４２ａ，４２ｂ
と、各ターゲット電極４２ａ，４２ｂの上方を覆うシャ
ッター４３ａ，４３ｂと、チャンバ４１内の上部に設け
られる基板電極４４と、基板電極４４に取り付けられ、
シャッター４３ｂと対向して設けられる基板ホルダー４
５と、チャンバ４１側部に設けられるガス導入部４６お
よびガス排気部４７とを備えたものである。ターゲット
電極４２ａ，４２ｂと基板ホルダー４５には、整合器４
８ａ，４８ｂ，４９を介して１３．５６ＭＨｚのＲ．
Ｆ．電源５０ａ，５０ｂ，５１が接続されており、反射
波がほぼゼロとなるように整合器４８ａ，４８ｂ，４９
のマッチングが制御される。

【００３０】この装置４０では、２種類のターゲット５
２ａ，５２ｂは、ターゲット電極４２ａ，４２ｂ上にそ
れぞれ配置される。チップ化された基板２は、基板ホル
ダー４５内に配置される。作動ガスとしては、例えば、
アルゴン、酸素を使用している。

【００３１】ここで、自己クローニング法について詳し
く説明する。自己クローニング法については、例えば、
川上彰二郎、花泉修、佐藤尚、大寺康夫、川嶋貴之、信
学論（Ｃ），ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．２９６−
２９７，１９９７．や、特開平１０−３３５７５８号公
報に記載されている。

【００３２】上述したバイアススパッタリング装置４０
を利用することにより、ターゲット５２ａ，５２ｂだけ
でなく基板２へもＲ．Ｆ．電力を印加することができ
る。一般的なスパッタリング法では、ターゲット材がＡ
ｒ⁺ イオンによってスパッタされてターゲットを構成す
る中性原子やそのイオン、多原子分子（クラスター）な
どになり、それらを基板上に拡散入射させてデポジッシ
ョンを行う。バイアススパッタリング法によれば、基板
２に積極的にＡｒ⁺ イオンを打ち込み、スパッタデポジ
ッションと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行
うことができる。その際、デポジッションとエッチング
の比率を適正化する自己クローニング法により、ある一
定の断面形状を維持しながら膜を堆積していくことが可
能である。

【００３３】自己クローニング法を用いると、デポジッ
ションとエッチングとがバランスよく行われるので、図
３（ａ）に示したように、基板２の上面２ｕに形成した
凹凸形状に応じて、各膜３ａ，３ｂが、基板２の長手方
向に沿って凹凸形状が繰り返されて形成されると共に、
基板２上に交互に積層されて形成された２次元のフォト
ニック結晶３を作製することができる。下地の形状を自
動的に複製するので、川上らは、この技術あるいは現象
を「自己クローニング」と命名した。自己クローニング
法を用いずに、ただ単にターゲットのみにＲ．Ｆ．電力
を印加して成膜していくと、デポジッションのみが行わ
れることから、図３（ｂ）示すように、基板表面の凹凸
形状がその形を保てず、断面の上方でやがてならされて
平坦になってしまう。

【００３４】より詳細な一例を説明する。まず、チップ
化した基板２をチャンバー内に入れ真空引きを行う。基
本圧力（Ｂａｓｅｐｒｅｓｓｕｒｅ）は１．３３×１
０^-3Ｐａ（１×１０^-5 Ｔｏｒｒ）以下とする。Ｔａ₂
Ｏ₅ 膜３ａの膜厚Ｄａは、１９０．５ｎｍである。成膜
条件はＲ．Ｆ電力：３００Ｗ、基板側Ｒ．Ｆ電力：９０
Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（９．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ₂ （１．０
ｓｃｃｍ）、成膜圧力：０．１３３Ｐａ（１．０×１０
^-3Ｔｏｒｒ）とした。成膜速度が１６．８ｎｍ／ｍｉｎ
であるので成膜時間を１１．３ｍｉｎとした。ＳｉＯ₂
膜３ｂは、膜厚Ｄｂが２７２．５ｎｍである。成膜条件
はＲ．Ｆ電力：３００Ｗ、基板側Ｒ．Ｆ電力：９０Ｗ、
成膜ガス：Ａｒ（７２．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ₂ （４．０ｓ
ｃｃｍ）、成膜圧力：０．８Ｐａ（６．０×１０^-3Ｔｏ
ｒｒ）とした。成膜速度が３．１ｎｍ／ｍｉｎであるの
で成膜時間を８７．９ｍｉｎとした。

【００３５】Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜３ａの厚さＤａとＳｉＯ₂ 膜
３ｂの厚さＤｂとの合計の厚さＤを、１周期（４６３．
０ｎｍ）として９周期成膜する。フォトニック結晶３の
厚さ、すなわちコア４の膜厚は４．１６７μｍとなる。

【００３６】次に、フォトニック結晶３をフォトリソグ
ラフィーとドライエッチングによって加工し、両端の断
面が約４μｍ×４μｍのほぼ正方形となるように矩形化
する。この断面が正方形である矩形体状のフォトニック
結晶３がコア４となる。コア４の側面および上面の全て
の面と、コア４が形成されていない基板２上とを、Ｓｉ
Ｏ₂ からなる誘電体の単層膜で形成したクラッドで覆う
と、図１で示したようなフォトニック結晶を用いた光導
波路１が完成する。クラッドは、例えば、通常のスパッ
タデポジッションを行って作製すればよい。このＳｉＯ
₂ からなる誘電体の単層膜のクラッドを用いることによ
り、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることがで
き、それによってコア内に光を閉じ込めやすい構造とす
ることができる。

【００３７】本発明に係る光導波路１は、通信波長帯で
ある１．３〜１．７μｍ（１３３０〜１７００ｎｍ）の
全範囲に亘って、伝搬損失が１．０ｄＢ／ｃｍ以下、あ
るいは０．１ｄＢ／ｍｍ以下である。これは、図８およ
び図９で説明した従来の光導波路１００の伝搬損失１０
０ｄＢ／ｃｍ（１０ｄＢ／ｍｍ）に比べると、約２桁も
低い伝搬損失である。

【００３８】このように、本発明に係るフォトニック結
晶を用いた光導波路１は、フォトニック結晶のみで構成
される従来の光導波路１００とは異なり、コアの少なく
とも一部をフォトニック結晶で構成していることから、
クラッドの実効屈折率がコアの実効屈折率よりも低くな
り、しかも、クラッドを単層膜で形成しているので、コ
アとクラッドの屈折率差を大きくすることができる。し
たがって、コア内への光の閉じ込めが十分となり、光導
波路の伝搬損失を１．０ｄＢ／ｃｍ以下と非常に低くす
ることができる。

【００３９】ここで、特に、クラッドを誘電体の単層膜
とすることにより、光導波路の伝搬損失が低くなる理由
について説明する。

【００４０】一例として、誘電体単層膜をＳｉＯ₂ 、誘
電体多層膜をＴａ₂ Ｏ₅ とＳｉＯ₂からなる多層膜とす
る。クラッドをＴａ₂ Ｏ₅ ／ＳｉＯ₂ 誘電体多層膜とし
た場合には、その平均屈折率差が約１．７〜１．８とな
り、コアもＴａ₂ Ｏ₅ ／ＳｉＯ₂ の構造を持つことか
ら、コアの屈折率とクラッドのそれがほとんど同程度に
なる。一方、クラッドにＳｉＯ₂ 誘電体単層膜を用いる
と、ＳｉＯ₂ の屈折率が１．４〜１．５であるからＴａ
₂ Ｏ₅ ／ＳｉＯ₂ コアに比べて小さくすることができ
る。すなわち、クラッドの屈折率を小さくすることによ
り、コア内への伝搬光の閉じ込めを効果的に行うことが
でき、低伝搬損失となる。

【００４１】このように、クラッドを誘電体の単層膜と
することにより、コア、クラッドの双方とも誘電体膜で
形成されるので、それによって石英系光ファイバと同程
度の屈折率とすることができ、光ファイバとの接続損失
を低減することができる。

【００４２】また、コアを誘電体多層膜型のフォトニッ
ク結晶とすることにより、石英系光ファイバと同程度の
屈折率とすることができ、それによって光ファイバとの
接続損失が低く、かつコア内の伝搬損失が低い光導波路
を実現することができる。

【００４３】従来技術では、従来の光導波路の一例とし
て、格子変調型フォトニック結晶からなる光導波路を説
明した。この従来の光導波路では、自己クローニング法
での誘電体多層膜を１０μｍ以上の厚膜で維持させなけ
ればならず、作製が難しかったが、本発明に係る光導波
路１では、フォトニック結晶となるのはコア領域に限ら
れるので、作製プロセスが大幅に簡略される。しかも、
コア４の膜厚は約４μｍという薄膜であるので、作製が
容易である。

【００４４】さらに、本発明に係る光導波路１は、誘電
体多層膜型のフォトニック結晶から構成されるコアを自
己クローニング法を用いて作製しているので、工業的に
量産が容易である。

【００４５】第２の実施の形態を説明する。

【００４６】図５は、本発明の第２の実施の形態である
フォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。

【００４７】図５に示すように、光導波路６０は、石英
からなる基板２上の中央部の正面側と背面側の２箇所
に、誘電体多層膜型のフォトニック結晶３で構成される
矩形体状のフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂを形成
し、これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ間に、
ＧｅＯ₂ −ＳｉＯ₂ 膜からなる矩形体状の誘電体の単層
膜コア６２を形成したものである。単層膜コア６２の基
板２との比屈折率比Δは、１．５％である。ここで、比
屈折率比Δは、単層膜コア６２の屈折率をｎｃｏｒｅ、
基板２の屈折率をｎｓｕｂ．として、（ｎｃｏｒｅ−ｎ
ｓｕｂ．）／ｎｃｏｒｅで表される。この光導波路６０
は、図１で説明した光導波路１のように全てのコア領域
をフォトニック結晶３で構成するのではなく、コア領域
の一部をフォトニック結晶で構成したものである。光導
波路６０のその他の構成は、光導波路１と同じ構成であ
る。

【００４８】光導波路６０では、フォトニック結晶コア
６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２とからなる光共振器を
構成している。この構成によって、フォトニック結晶コ
ア６１ｆ，６１ｂが誘電体多層膜フィルタのＤＢＲ（分
布ブラッグ反射器）に相当し、単層膜コア６２が誘電体
多層膜フィルタのキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）に相当す
るので、光フィルタを構成しているとも言える。

【００４９】この光導波路６０では、入射光をフォトニ
ック結晶コア６１ｆの一方の端面６１ｆｐに入射させ、
フォトニック結晶コア６１ｂの他方の端面６１ｂｑから
出射される出射光を測定すると、ある波長の光のみを透
過する光フィルタ特性が得られる。すなわち、光導波路
６０は、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光
波長フィルタの機能を有する。

【００５０】次に、光導波路６０の製造方法を説明す
る。

【００５１】まず、基板２の中央部上の正面側と背面側
の２箇所に、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂを、
図１で説明した光導波路１のコア４と同じ要領で作成す
る。これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ間に、
スパッタデポジッション法により、単層膜コア６２を成
膜する。このとき、ＳｉＯ₂ に添加するＧｅＯ₂ の量を
制御し、基板との比屈折率比Δが１．５％となるように
する。矩形化はフォトリソグラフィーとドライエッチン
グを用いて両端の断面が４μｍ×４μｍとなるように加
工される。これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ
と単層膜コア６２を、ＳｉＯ₂ からなる誘電体の単層膜
で形成されるクラッド５で覆うと、図５で示した光導波
路６０が完成する。

【００５２】このＳｉＯ₂ からなる誘電体の単層膜のク
ラッドを用いることにより、コアとクラッドの屈折率差
を大きくすることができ、それによってコア内に光を閉
じ込めやすい構造とすることができる。

【００５３】本光導波路６０の光学測定を行ったとこ
ろ、１５６０ｎｍに透過中心波長を持つ光フィルタが得
られた。透過中心波長における伝搬損失は１．０ｄＢ／
ｃｍ、あるいは０．１ｄＢ／ｍｍ以下と非常に低く、精
度の高い波長選択型の光フィルタを実現できたことが分
かる。この光導波路６０も、従来の光導波路１００に比
べて約２桁低い伝搬損失である。

【００５４】このように、本発明に係る光導波路６０
は、フォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を
誘電体の単層膜とすることにより、フォトニック結晶を
用いた光導波路の伝搬損失をさらに低減することができ
る。

【００５５】また、フォトニック結晶で構成されるコア
を２箇所以上に配置することにより、光共振器を実現す
ることができる。この光共振器を応用することにより、
精度が高い光波長フィルタを実現することができる。こ
の光波長フィルタとは、特に波長選択型の光フィルタの
ことである。

【００５６】本発明は上記実施の形態に限定されるもの
ではない。フォトニック結晶からなるコアを分散配置
し、それぞれ分散配置されたフォトニック結晶部で各種
機能部品を形成し、それらを単層膜コアからなる光配線
で結ぶといった光機能部品のモノリシック化することも
できる。一例として、フォトニック結晶を用いた光導波
路で共振器、分散制御、レンズ、ミラー、モードフィー
ルド変換等の光機能部品を構成し、それら光機能部品を
光配線で結ぶという構成が考えられる。

【００５７】第３の実施の形態を説明する。

【００５８】図６は、本発明の第３の実施の形態である
フォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。

【００５９】図６に示すように、光導波路８０は、図５
で説明したフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと誘電
体単層膜コア６２からなる共振器で構成した光フィルタ
の入力導波路の入力側および出力導波路の出力側の２箇
所に、モードフィールド変換導波路を設けたものであ
る。

【００６０】この光導波路８０は、基板２上の中央部の
正面側と背面側の２箇所に、ＧｅＯ ₂ −ＳｉＯ₂ 膜から
なる略立方体状の誘電体の単層膜コア８１ｆ，８１ｂを
形成し、これら単層膜コア８１ｆ，８１ｂ間に、図５で
説明したフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと誘電体
の単層膜コア６２を形成したものである。

【００６１】単層膜コア８１ｆ，８１ｂの基板２との屈
折率比Δは０．３％である。単層膜コア８１ｆ，８１ｂ
も、単層膜コア６２と同様、スパッタデポジッション法
により成膜される。このとき、ＳｉＯ₂ に添加するＧｅ
Ｏ₂ の量を制御し、基板との比屈折率比Δが０．３％と
なるようにする。各単層膜コア８１ｆ，８１ｂの両端面
の寸法は７μｍ×７μｍとした。単層膜コア８１ｆの一
方の端面８１ｆｐには、モードフィールド径が１０μｍ
のシングルモード光ファイバ８２ｆが接続され、単層膜
コア８１ｂの他方の端面８１ｂｑには、モードフィール
ド径が１０μｍのシングルモード光ファイバ８２ｂが接
続されている。光導波路８０のその他の構成は、光導波
路６０とほぼ同じ構成である。

【００６２】光導波路８０では、シングルモード光ファ
イバ８２ｆから入射される入射光Ｌ１は、そのモードフ
ィールド径を保ったまま、単層膜コア８１ｆに入射さ
れ、単層膜コア８１ｆとフォトニック結晶コア６１ｆの
境界面でモードフィールド径が１０μｍから４μｍに変
換される。フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層
膜コア６２は、図５で説明したように光波長フィルタを
構成するので、モードフィールド径が１０μｍから４μ
ｍに変換された入射光のうち、特定のスペクトルのみが
透過する。光波長フィルタを透過したスペクトルは、フ
ォトニック結晶コア６１ｂと単層膜コア８１ｂの境界面
でモードフィールド径が４μｍから１０μｍに変換さ
れ、モードフィールド径を１０μｍに保ったまま単層膜
コア８２ｂを伝搬し、シングルモード光ファイバ８２ｂ
に出射され、出射光Ｌ２として伝搬する。

【００６３】この光導波路６０では、損失が図５で説明
した光導波路６０と同程度かそれ以上低いスペクトルが
得られる。また、単層膜コア８１ｆ，８１ｂ、フォトニ
ック結晶コア６１ｆ，６１ｂ、単層膜コア６２などの各
種光機能部品がモノリシック化されているので、機能性
を向上させることができる。

【００６４】上記実施の形態では、フォトニック結晶と
して、２次元のフォトニック結晶を用いた例で説明した
が、必要であれば３次元のフォトニック結晶を用いるこ
ともできる。３次元のフォトニック結晶を使用した場
合、２次元のフォトニック結晶を使用した場合に比べる
と構造がやや複雑になるものの、コア内への光の閉じ込
めがより強くなり、光導波路の伝搬損失がより低くなる
という利点がある。

【００６５】本発明は、フォトニック結晶を用いた光導
波路及びその製造方法に関するものであるが、フォトニ
ック結晶を用いた光部品およびフォトニック結晶を応用
した光デバイス、あるいはそれら光部品ならびに光デバ
イスを適用した光システムに幅広く適用することが可能
である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。

【００６７】（１）フォトニック結晶を用いた光導波路
の伝搬損失を０．１ｄＢ／ｃｍ以下とすることができ
る。

【００６８】（２）フォトニック結晶で構成したコア以
外のコア領域を誘電体の単層膜とすることにより、光導
波路の伝搬損失をさらに低減することができる。

【００６９】（３）石英系光ファイバとの接続損失を低
減することができる。

【００７０】（４）石英系光ファイバとの接続損失が低
く、かつコア内の伝搬損失が低い光導波路を実現するこ
とができる。

【００７１】（５）光共振器を実現することができる。

【００７２】（６）光フィルタを実現することができ
る。

【００７３】（７）工業的に量産が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適実施の形態を示す斜視図である。

【図２】基板の斜視図である。

【図３】図３（ａ）は、自己クローニング法を用いて作
製したフォトニック結晶の断面図である。図３（ｂ）
は、自己クローニング法を用いずに作製したフォトニッ
ク結晶の断面図である。

【図４】バイアススパッタリング装置の概略図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す斜視図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す斜視図であ
る。

【図７】フォトニック結晶の模式図である。

【図８】従来の光導波路のＳＥＭ写真である。

【図９】図８に示した従来の光導波路の波長に対する伝
搬損失特性を示す図である。

【符号の説明】

１フォトニック結晶を用いた光導波路２基板３フォトニック結晶３ａ高屈折率媒質膜３ｂ低屈折率媒質膜４コア５クラッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大久保博行東京都千代田区大手町一丁目６番１号日立電線株式会社内 (72)発明者川上彰二郎宮城県仙台市若林区土樋236番地愛宕橋マンションフォラオＣ−09 (72)発明者大寺康夫宮城県仙台市太白区泉崎１−13−９シティーハイムショウセン１−202号Ｆターム(参考） 2H047 KA04 PA04 PA21 PA24 QA01 TA37 2H049 AA03 AA31 AA37 AA44 AA50 AA59 AA62

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にコアとクラッドを形成した光導
波路において、コアの少なくとも一部をフォトニック結
晶で構成し、クラッドを単層膜で形成したことを特徴と
するフォトニック結晶を用いた光導波路。
【請求項２】フォトニック結晶で構成したコア以外の
コア領域を、誘電体の単層膜で形成した請求項１記載の
フォトニック結晶を用いた光導波路。
【請求項３】クラッドを誘電体の単層膜で形成した請
求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路。
【請求項４】コアを誘電体多層膜型のフォトニック結
晶で構成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた
光導波路。
【請求項５】フォトニック結晶で構成されるコアを、
基板上の２箇所以上に配置して光共振器の機能を有する
請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路。
【請求項６】フォトニック結晶で構成されるコアを、
基板上の２箇所以上に配置させることにより、基板面と
平行方向に伝搬する入射光に対して光波長フィルタの機
能を有する請求項１または５記載のフォトニック結晶を
用いた光導波路。
【請求項７】基板上にコアとクラッドを形成した光導
波路の製造方法において、誘電体多層膜型のフォトニッ
ク結晶で構成されるコアあるいはコアの一部を、スパッ
タデポジッションと同時あるいは交互にスパッタエッチ
ングを行う際、デポジッションとエッチングの比率を適
正化する自己クローニング法により作製することを特徴
とするフォトニック結晶を用いた光導波路の製造方法。