JP2004325900A

JP2004325900A - フォトニック結晶を用いた光回路およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004325900A
Application number: JP2003121973A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Kawakami; 彰二郎川上; Yasuo Odera; 康夫大寺; Hiroyuki Okubo; 博行大久保
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Photonic Lattice Inc
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Photonic Lattice Inc
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】コア同士の接続部に空隙が無くかつ断面形状の変化部が無いように光学的に接続し、接続損失を低減できるフォトニック結晶を用いた光回路およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０１上に、コア１０２−１，１０２−２を形成すると共に、少なくとも一部がフォトニック結晶からなる閉曲線パターンの他のコア１０３を、スパッタデポジッションとスパッタエッチングとの比率を最適化する自己クローニング法により、コア１０２−１，１０２−２と局所的に平行かつ近接させて形成した後、クラッド１０４で覆って光回路を形成する。これにより、接続部に空隙や断面形状の変化部を発生することなく光共振器を製造できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路で形成される光回路およびその製造方法に係り、特にコア材料としてフォトニック結晶を用いた光回路およ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。
【０００３】
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から３次元の周期構造で積層した結晶である。
【０００４】
図５（ａ）から図５（ｃ）は１次元、２次元、３次元のフォトニック結晶の模式図である。図中、屈折率が異なる２種類の透明媒質は、低屈折率媒質５０１と高屈折率媒質５０２である。
【０００５】
図５（ａ）に示すように、１次元の周期構造は、Ｚ方向にのみ屈折率の周期性（低屈折率媒質５０１と高屈折率媒質５０２とで１周期Ｔとする。）を有する。また、図５（ｂ）に示すように、２次元の周期構造は、Ｘ，Ｚ方向に屈折率の周期性を有する。また、図５（ｃ）に示すように、３次元の周期構造は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に屈折率の周期性を有し、いわゆるナノスケールの３次元市松模様を有している。
【０００６】
このようなフォトニック結晶を用いた光導波路として、本発明者らは、先に２次元のフォトニック結晶をコアとする光導波路を用いて、基板上に光共振器を形成し、この光共振器を出願した（特願２００２−０５１６４１号参照。以下「先願の発明」という。）。
【０００７】
図６は先願の発明にかかる光導波路の斜視図であり、図７は図６の光回路の部分拡大図である。
【０００８】
図６に示すように、この光導波路は、基板６０１上に４μｍ×４μｍの矩形断面を有する直線状コアが形成され、さらにこのコアを覆うようにクラッド６０４が形成されている。さらに、コアは、中央部に形成された誘電体単層膜コア６０３と、この誘電体単層膜コア６０３の両端側に形成された２次元フォトニック結晶コア６０２−１，６０２−２とからなる。なお、必要であればフォトニック結晶として、３次元フォトニック結晶を用いることもできる。
【０００９】
図６の光導波路を製造するに際しては、先ず、基板６０１上の所定の位置に１次元初期格子を形成しておき、その１次元初期格子上に屈折率の異なる２種類の膜を交互に複数周期分成膜し、２次元のフォトニック結晶を形成する。
【００１０】
そして、この２次元フォトニック結晶部を２箇所で断面矩形化してコア６０２−１，６０２−２とする。次に、２箇所に作製されたフォトニック結晶コア６０２−１，６０２−２を、断面矩形化した誘電体単層膜からなるコア６０３で接続する。フォトニック結晶コア６０２−１，６０２−２と誘電体単層膜コア６０３の側面及び上面の全てはＳｉＯ_２クラッド６０４により覆われる。
【００１１】
最後に、光入力側のフォトニック結晶コア６０２−１に光入力用光ファイバ６０５−１を接続し、光出力側のフォトニック結晶コア６０２−２に光出力用光ファイバ６０５−２を接続する。
【００１２】
このような構成によって、フォトニック結晶コア６０２−１，６０２−２は誘電体多層膜フィルタのＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｅｒ：分布ブラッグ反射器）に相当し、誘電体単層膜コア６０３はキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）に相当することにより、基板面内伝搬型の光フィルタとして機能する。すなわち、入射光を光導波路の一方の端面ａから入射させ、光導波路の他方の端面ｂから出射された出力光を測定すると、ある波長の光のみ透過する光フィルタ特性が得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、先願の発明は、図７に示すように、フォトニック結晶コア７０２（６０２−１，６０２−２）と誘電体単層膜コア７０３（６０３）とを、接続部に空隙７０５が無くかつ断面形状が変化した変化部７０６が無いように両コア７０２，７０３（６０２−１，６０２−２，６０３）を接続することが難しかった。
【００１４】
すなわち、手順としてはフォトニック結晶コア７０２（６０２−１，６０２−２）を形成した後に誘電体単層膜コア７０３（６０３）を作製するが、そのプロセス中でフォトニック結晶コア７０２（６０２−１，６０２−２）を形成した後、誘電体単層膜コア７０３（６０３）を成膜する際に両コア７０２，７０３（６０２−１，６０２−２，６０３）の接続部で空隙７０５が発生したり、断面形状が変化した変化部７０６が形成されてしまうという問題があった。そのため、光導波路に良好な特性の光共振器を作製することが難しかった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、コア同士の接続部に空隙が無くかつ断面形状の変化部が無いように光学的に接続し、接続損失を低減できるフォトニック結晶を用いた光回路およびその製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、コアをクラッドで覆った光導波路と、少なくとも一部がフォトニック結晶からなるコアをクラッドで覆った他の光導波路とが光学的に接続された光回路であって、他の光導波路のコアは、光導波路のコアと局所的に平行かつ近接した部分を有する閉曲線パターンで形成されているものである。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、光導波路のコアはフォトニック結晶からなることが好ましい。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、閉曲線パターンは円形であることが好ましい。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の構成に加え、フォトニック結晶は誘電体多層膜型フォトニック結晶であることが好ましい。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の構成に加え、他の光導波路のコアのフォトニック結晶以外のコア部分は、透明な誘電体の単層膜で形成されていることが好ましい。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の構成に加え、クラッドは透明な誘電体の単層膜で形成されていることが好ましい。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の構成に加え、光導波路と他の光導波路のいずれか一方或いは両方に、コアのフォトニック結晶部分の光軸方向の長さが光信号の遅延量に応じて決められていることが好ましい。
【００２３】
請求項８の発明は、基板上に、コアを形成すると共に、少なくとも一部がフォトニック結晶からなる閉曲線パターンの他のコアを、スパッタデポジッションとスパッタエッチングとの比率を最適化する自己クローニング法により、コアと局所的に平行かつ近接させて形成した後、コアと他のコアとを覆うようにクラッドを形成する方法である。
【００２４】
上記請求項１及び請求項２の構成によれば、光導波路と他の光導波路との近接部に、局所的に方向性結合器が形成され、良好な光学的接続ができるために、コア同士の直接接続による方法で課題となっていた接続部における空隙の発生及び断面形状の変化などを回避することができると共に、フォトニック結晶導波路を用いたリング共振器を形成することができる。
【００２５】
請求項３に記載の構成によれば、損失が少ないリング共振器を形成することができる。
【００２６】
請求項４に記載の構成によれば、光回路のコアの屈折率を石英系光ファイバのコアの屈折率と同程度にすることができるので、光回路と光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００２７】
請求項５に記載の構成によれば、フォトニック結晶よりも誘電体単層膜の方が伝搬損失が小さいので、光回路の伝搬損失を低減することができる。
【００２８】
請求項６に記載の構成によれば、クラッドを石英系光ファイバのクラッドと同じ材料にすることで、接続性が向上すると共に強度が増し、接続損失を低減することができる。
【００２９】
請求項７に記載の構成のよれば、波長分散の制御を実現することができる。
【００３０】
請求項８に記載の構成によれば、工業的に量産が容易な光回路を作製することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３２】
図１は本発明の一実施の形態を示すフォトニック結晶を用いた光回路の斜視図である。本実施の形態では、光信号の通信波長帯が１．３μｍ〜１．７μｍであり、基板として、透明な石英（ＳｉＯ_２）基板（Ｓｉ基板でも良い）１０１を用いた場合について述べる。
【００３３】
図１に示すように、本光回路は、ＳｉＯ_２基板１０１と、例えば約４μｍ×４μｍの矩形断面を有する円状の閉曲線パターンで形成された２次元あるいは３次元のフォトニック結晶コア１０３と、このフォトニック結晶コア１０３を２μｍの距離を隔てて挟むように、例えば約４μｍ×４μｍの矩形断面を有する直線パターンで形成されたほぼ平行な２本の誘電体単層膜コア１０２−１，１０２−２と、これらコア全体（コアの側面及び上面の全ての面）を覆うように形成された誘電体の単層膜であるＳｉＯ_２膜からなるクラッド１０４とで主に構成されている。以下、図１中、フォトニック結晶コア１０３をクラッド１０４で覆った光導波路を第３導波路といい、第３導波路の右側に配置された誘電体単層膜コア１０２−１をクラッド１０４で覆った光導波路を第１導波路、左側に配置された誘電体単層膜コア１０２−２をクラッド１０４で覆った光導波路を第２導波路という。
【００３４】
さらに、これらフォトニック結晶コア１０３と誘電体単層膜コア１０２−１，１０２−２との最近接部１０５−１，１０５−２は局所的に方向性結合器を形成している。
【００３５】
フォトニック結晶に用いる材料としては、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２などの酸化物や、Ｇｅ、Ｓｉなどの半導体を用いることが好ましい。現在すでに製品化されている誘電体多層膜フィルタに用いられている材料はＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２，Ｎｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２などの酸化物の組み合わせであるので、低損失化のためにはそれらの材料を用いた方が好ましい。
【００３６】
次に、図１に示したフォトニック結晶を用いた光回路の製造方法を、図１から図３を用いて作用と共に説明する。
【００３７】
図２（ａ）は図１のフォトニック結晶コアを形成する前の基板の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ部分の部分拡大図である。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、フォトニック結晶を用いた光回路を製造するに際しては、まず、基板２０１（１０１）上のフォトニック結晶が形成される円形の部分に、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、ライン＆スペース（Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ）パターンを加工する。
【００３９】
ここで、ライン＆スペースパターンとは、フォトニック結晶が形成される円の周方向（図２（ｂ）ではｘ方向）に対して垂直な凸部（ライン）２０２と凹部（スペース）２０３とが交互に形成された形状のことである。
【００４０】
図２（ｂ）に示すように、ｘ方向のピッチ間隔Ｌｘはライン＆スペースパターンの一つのライン幅と一つのスペース幅とを加えた値であり、ｘ方向のライン幅をＬｉｎｅ−ｘ、スペース幅をＳｐａｃｅ−ｘとすれば、下記数１式に示す関係になる。
【００４１】
【数１】Ｌｘ＝（Ｌｉｎｅ−ｘ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｘ）
本実施の形態ではＬｘ＝０．５μｍとした。
【００４２】
そして、このチップ（基板２０１）にバイアススパッタリング法により、Ｔａ_２Ｏ_５膜とＳｉＯ_２膜とが交互に積層される。
【００４３】
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（図示せず）にＲ．Ｆ．（高周波）電力を印加させるだけではなく、基板２０１（１０１）にもＲ．Ｆ．電力を印加しながらスパッタリングデポジッションと基板２０１（１０１）のスパッタエッチングを可能とする方法である。
【００４４】
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。
【００４５】
自己クローニング法を簡単に述べると、デポジッションとエッチングの比率を適正化する方法であり、ある一定の断面形状を維持しながら膜を堆積していくということである。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「３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」に詳しく記載されている。
【００４６】
次に、自己クローニング法を用いてフォトニック結晶用基板２０１（１０１）上にコア層をスパッタリング成膜する。図３は図１のフォトニック結晶コアのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００４７】
図３に示すように、フォトニック結晶コア１０３を形成するに際しては、まず基板１０１上に下部クラッド膜を形成する。下部クラッド膜として、第１膜のＳｉＯ_２膜３０２の膜厚を約５２７ｎｍ、第２膜のＴａ_２Ｏ_５膜３０３の膜厚を約３６９．２ｎｍとし、第１膜と第２膜とを合わせて１周期（約８９６．２ｎｍ）として３周期分成膜する。
【００４８】
その下部クラッド膜上にコア膜を成膜する。コア膜としては、第３膜のＳｉＯ_２膜３０４の膜厚を約２６３．５ｎｍ、第４膜のＴａ_２Ｏ_５膜３０５の膜厚を約１８４．６ｎｍとし、第３膜と第４膜とを合わせて１周期（約４４８．１ｎｍ）として９周期分成膜する。コア膜の膜厚は約４．０３３μｍとなる。
【００４９】
このフォトニック結晶を上述したフォトリソグラフィとドライエッチングによって加工し、断面が約４μｍ×４μｍとなるように矩形化する。そのフォトニック結晶部が断面矩形化された部分がコア１０３となる。
【００５０】
次に、誘電体単層膜のコアを作製する。誘電体単層膜コア膜はＧｅＯ_２ −ＳｉＯ_２膜とし、数２式で示される基板１０１との屈折率比Δは１．５％となるようにＧｅＯ_２量を制御する。
【００５１】
【数２】Δ＝（ｎｃｏｒｅ−ｎｓｕｂ．）／ｎｃｏｒｅ
ここで、ｎｃｏｒｅは誘電体単層膜コアの屈折率であり、ｎｓｕｂ．は石英基板の屈折率である。
【００５２】
この誘電体単層膜コア膜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、断面が約４μｍ×４μｍとなるように矩形化する。その誘電体単層膜が断面矩形化された部分が誘電体単層膜コア１０２−１，１０２−２となる。
【００５３】
これにより、第３導波路のコア１０３と第１導波路のコア１０２−１及び第２導波路のコア１０２−２との間に、局所的に平行かつ近接した部分（方向性結合器）１０５−１，１０５−２が形成される。この最近接部１０５−１，１０５−２における両コアの間隔は本実施の形態ではそれぞれ２μｍとした。
【００５４】
最後に、誘電体単層膜コア１０２−１，１０２−２とフォトニック結晶コア１０３との側面及び上面の全ての面とコア近接部を、クラッド１０４となるＳｉＯ_２単層膜で覆う。クラッド１０４としてＳｉＯ_２単層膜を用いることにより、コア１０２−１，１０２−２，１０３とクラッド１０４との屈折率比を大きくすることができ、それによって光閉じ込めし易い構造とすることができる。
【００５５】
このように構成された光回路は、図１に示したように、第１導波路の端面Ａから入射された光信号が近接部１０５−１により第３導波路内に入射されてフォトニック結晶コア１０３中を基板１０１面と平行方向に伝搬する。伝搬中、エネルギーが高められ、他の近接部１０５−２により、第２導波路内に出射され、端面Ｂより出射される光共振器となる。この光共振器は、様々な光回路の基本パーツとなるものである。
【００５６】
このように、本実施の形態は、光学的な結合を行うためにコア近接部１０５−１，１０５−２を用いることによって、先願の発明で問題となっていたフォトニック結晶コアと誘電体単層膜コアとの接続部で空隙が発生したり、断面形状が変化するという問題は解消される。それによって、良好な特性の光共振器を容易に作製することができる。
【００５７】
次に、本発明の他の実施の形態について述べる。
【００５８】
図４は本発明の他の実施の形態を示すフォトニック結晶を用いた光回路の斜視図である。
【００５９】
図４に示すように、この光回路は、石英基板４０１上に、円状の閉曲線パターンを有する第３導波路のコア４０３がフォトニック結晶で形成されているのに加え、直線パターンを有する第１導波路のコア４０２−１及び第２導波路のコア４０２−２も同じ構造のフォトニック結晶で形成されている以外は、図１に示した光回路と同様のものである。
【００６０】
すなわち、この光回路には、第１及び第２導波路のコア４０２−１，４０２−２と第３導波路のコア４０３とが局所的に平行かつ近接する部分４０５−１，４０５−２が形成されており、その近接する部分４０５−１，４０５−２を有するコア４０２−１，４０２−２，４０３の側面及び上面が全てＳｉＯ_２からなるクラッド４０４で覆われて、方向性結合器となっている。
【００６１】
このように、第１及び第２導波路のコア４０２−１，４０２−２をフォトニック結晶で構成することにより、第１及び第２導波路内で光共振器などの光機能を持たせることができる。例えば、光共振器は、様々な光回路の基本パーツとなるものである。
【００６２】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。
【００６３】
本実施の形態にあっては、閉曲線パターン有する第３導波路のコア１０３，４０３は全体がフォトニック結晶で形成されているが、コア１０３，４０３の一部のみをフォトニック結晶で形成しても良い。
【００６４】
また、方向性結合器を用いた応用デバイスとしては、光合分波器、光スイッチ、分散制御デバイス等がある。特に分散制御デバイスについては、フォトニック結晶部を内部に有する第１導波路、第２導波路あるいは第３導波路は、遅延量の波長依存性を持つために、第１導波路及び第２導波路と第３導波路のいずれか一方或いは両方に、コアにおけるフォトニック結晶部分の割合が光信号の遅延量に応じて決められた部分を形成するなど、光回路の構成を工夫することにより、遅延量が波長依存性を持つような波長分散を制御するデバイスを実現することができる。
【００６５】
さらに、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様々な光学的機能部品を形成し、それらを次の１）から３）の３パーツで光学的に接続するといった光機能部品への展開が可能である。
【００６６】
１）誘電体単層膜コアからなる光導波路
２）閉曲線パターンのフォトニック結晶コアを含む光導波路
３）誘電体単層膜コアからなる光導波路とフォトニック結晶コアからなる光導波路との近接部
一例として、このフォトニック結晶を用いた光導波路で、共振器、分散制御器、レンズ、ミラー、モードフィールド変換器等の光機能部品を構成し、それら光学的機能部品を光配線で結ぶという光回路が考えられる。すなわち、光機能部品のモノリシック化に道を開くものである。
【００６７】
尚、本実施の形態では、第１及び第２導波路のコア１０２−１，１０２−２，４０２−１，４０２−２は直線パターンで形成されており、第３導波路のコア１０３，４０３は閉曲線パターンで形成されているが、光導波路の形状はこれらに限定されず、様々な形状の光導波路同士の接続部に本発明を適用することで、本実施の形態と同様に低損失で接続することが可能になる。
【００６８】
また、本実施の形態では、第３導波路のコア１０３，４０３は円形に形成されているが、長円形や楕円形などでも良い。
【００６９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、コア同士の接続部に空隙が無くかつ断面形状の変化部が無いように光学的に接続し、接続損失を低減できるフォトニック結晶を用いた光回路およびその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すフォトニック結晶を用いた光回路の斜視図である。
【図２】（ａ）は図１のフォトニック結晶コアを形成する前の基板の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ部分の部分拡大図である。
【図３】図１のフォトニック結晶コアのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示すフォトニック結晶を用いた光回路の斜視図である。
【図５】（ａ）から（ｃ）は１次元、２次元、３次元のフォトニック結晶の模式図である。
【図６】先願の発明にかかる光導波路の斜視図である。
【図７】図６の光回路の部分拡大図である。
【符号の説明】
１０１石英基板
１０２−１，１０２−２誘電体単層膜コア
１０３フォトニック結晶コア
１０４クラッド
１０５−１，１０５−２近接部

Claims

コアをクラッドで覆った光導波路と、少なくとも一部がフォトニック結晶からなるコアをクラッドで覆った他の光導波路とが光学的に接続された光回路であって、上記他の光導波路のコアは、上記光導波路のコアと局所的に平行かつ近接した部分を有する閉曲線パターンで形成されていることを特徴とするフォトニック結晶を用いた光回路。
上記光導波路のコアはフォトニック結晶からなる請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた光回路。
上記閉曲線パターンは円形である請求項１に記載のフォトニック結晶を用いた光回路。
上記フォトニック結晶は誘電体多層膜型フォトニック結晶である請求項１から３のいずれかに記載のフォトニック結晶を用いた光回路。
上記他の光導波路のコアのフォトニック結晶以外のコア部分は、透明な誘電体の単層膜で形成されている請求項１から４のいずれかに記載のフォトニック結晶を用いた光回路。
上記クラッドは透明な誘電体の単層膜で形成されている請求項１から５のいずれかに記載のフォトニック結晶を用いた光回路。
上記光導波路と上記他の光導波路のいずれか一方或いは両方に、上記コアのフォトニック結晶部分の光軸方向の長さが光信号の遅延量に応じて決められている請求項１から６のいずれかに記載のフォトニック結晶を用いた光回路。
基板上に、コアを形成すると共に、少なくとも一部がフォトニック結晶からなる閉曲線パターンの他のコアを、スパッタデポジッションとスパッタエッチングとの比率を最適化する自己クローニング法により、上記コアと局所的に平行かつ近接させて形成した後、上記コアと上記他のコアとを覆うようにクラッドを形成することを特徴とするフォトニック結晶を用いた光回路の製造方法。