JP2005258376A - Micro and nano-device system, self-organizing optical network, and molecular nano-duplicating method - Google Patents
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本発明は、薄膜電子素子、薄膜光素子、バイオ素子などを高密度集積化したマイクロ/ナノデバイス・システムに係り、特に、非線形光学性、発光性、吸光性、透光性、導電性、半導体性、絶縁性などの機能を有するフォトニッククリスタル構造や強閉じ込め光回路に電極を形成し薄膜集積回路と電気的に連結したデバイス・システム、非線形光学効果を有するスラブ導波路に所定の電極を形成したAdd機能付光スイッチ、外部から刺激を与えることにより光ネットワークが自動形成するデバイス・システム、所定の角度・方向で光を照射することにより自由度の高い構造を付与したデバイス・システム、処理領域および/または表面に分子を有するシードコアを用いて選択成長させた成長部の全部または一部を他の支持体に転写・複製するプロセス“Molecular Nano−Duplication(MND)”とそれにより構築されるマイクロ/ナノデバイス・システム、書き込み光片側照射によりセルフアライン光ネットワークが自動形成するデバイス・システムに関する。 The present invention relates to a micro / nano device system in which thin film electronic elements, thin film optical elements, bio elements and the like are integrated at high density, and in particular, nonlinear optical properties, light emitting properties, light absorbing properties, light transmitting properties, conductive properties, semiconductors, and the like. Device system that is electrically connected to a thin film integrated circuit by forming an electrode in a photonic crystal structure or a strong confinement optical circuit having functions such as conductivity and insulation, and a predetermined electrode is formed in a slab waveguide having a nonlinear optical effect Optical switch with Add function, device / system automatically formed by an optical network by applying external stimulus, device / system with a high degree of freedom by irradiating light at a predetermined angle / direction, processing region And / or transfer / reproduce all or part of the growth part selectively grown using a seed core having molecules on the surface to another support Process "Molecular Nano-Duplication (MND)" and thereby a micro / nano device system constructed, self-aligned optical network to a device system that automatically formed by the write beam side irradiation.
近年、オプトエレクトロニックシステムやバイオシステムを微細化・高集積化したマイクロ/ナノデバイス・システムが登場してきた。サブミクロンの周期でエッチング加工したパターンを配列させたフォトニッククリスタルや強閉じ込め光導波路などがその例で、超微細導波路やフィルタなどが実現されている。フォトニッククリスタルの電気光学(EO)制御を行うために、バリアブルウエルオプティカルICの考え方を導入し、非線形光学効果を有するスラブ導波路上に、フォトニッククリスタルの格子点に対応して微小電極アレイを形成したフォトニッククリスタルが提案されている。また、バリアブルウエルオプティカルICの一種で、非線形光学効果を有するスラブ導波路にプリズム型電極を形成してなる導波路プリズム偏向器型マイクロ光スイッチ(WPD−MOS)や導波路形状電極を分割形成してなる光スイッチが提案されている(例えば非特許文献1参照)。また、光システム・モジュールの低コスト化を狙い、光照射により屈折率が高くなる材料を光素子間に配置して、外部から光素子に光を照射し、発生する蛍光により自己組織化光ネットワーク(SOLNET)を形成する技術が提案されている。また、SOLNETを形成する際、一方の素子の端面に書き込み光を反射する処理を行い、片側からの書き込み光照射で両側照射と同等の効果を生じさせる反射型SOLNET技術が提案されている(例えば非特許文献1、2参照)。また、感光性材料層に、所定の方向で光入射させ、光導波路の45°ミラー・フィルタなど各種構造を高い自由度で形成できる技術が提案されている。また、所望の配置で選択的に処理領域および/またはシードコアを形成した基体に分子を供給し,厚さ・配向・物性などが異なる膜を選択成長させ、自己組織化的にシステムを構築することが図られている。また、将来技術として、ナノデバイス、分子スケールで機能を持たせようとする分子素子などのアイディア提案がなされている。DNAチップやバイオチップなどのバイオ素子の研究も活発化しつつある。また、低コスト・省資源化に向けて、薄膜電子・光素子を高密度集積化したオプトエレクトロニックマイクロデバイス・システムの提案がなされている。例えば、S−FOLM(Scalable Film Optical Link Multi−chip module)、3−Dimensional Micro Switching System(3D−MOSS)、3D Stack Optoelectronic System LSIなどである(例えば非特許文献1参照)。スタック構造による省スペース化、メタル配線長短縮によるノイズ減少、フィルム積層構造特有のスケーラビィティによる低コスト化が実現される。高速光スイッチと駆動集積回路を3次元集積化した3D−MOSSにより、大規模高速光スイッチングの可能性が出ている。また、分子ナノテクノロジを用いたマイクロ/ナノデバイス・システムの実現方法として、分子を一層ずつ配列制御し分子単位での分子配列・配向を可能とするMolecular Layer Deposition(MLD)が開発されている(例えば非特許文献3、4参照)。 In recent years, micro / nano device systems that have miniaturized and highly integrated optoelectronic systems and biosystems have appeared. Examples include photonic crystals and highly confined optical waveguides in which patterns processed by submicron cycles are arranged, and ultrafine waveguides and filters are realized. In order to perform electro-optic (EO) control of the photonic crystal, the concept of variable well optical IC was introduced, and a microelectrode array corresponding to the lattice point of the photonic crystal was formed on a slab waveguide having a nonlinear optical effect. Formed photonic crystals have been proposed. In addition, it is a kind of variable well optical IC, and is divided into waveguide prism deflector type micro optical switch (WPD-MOS) and waveguide shaped electrodes, which are formed by forming prism type electrodes on a slab waveguide having a nonlinear optical effect. An optical switch is proposed (see Non-Patent
しかしながら、従来のマイクロ/ナノシステムでは、超小型光デバイスを実現するフォトニッククリスタルや強閉じ込め光回路の電気的制御が自由にはできない、Add機能を持つ光スイッチがない、マイクロ/ナノデバイス・システム内部での素子間および層間光配線の自己組織化に有用なSOLNETの簡便な形成に限界がある、45°ミラー付光導波路など複雑な構造を持つ導波路などの簡便な製造方法がない、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性が低いなどの問題があった。
本発明の一つの目的は、マイクロ/ナノデバイス・システムの高密度化と超小型光デバイスの電気的制御の自由度を高めることにある。また、本発明の他の目的は、Cross,Barに加え、Add機能を持つ光スイッチを実現することにある。また、本発明の他の目的は、素子間および層間光配線の自己組織化に有用なSOLNETの形成をより簡便にすることにある。また、本発明の他の目的は、マイクロ/ナノデバイス・システムにおいて形成可能な構造の自由度を増加させることにある。本発明の他の目的は、DNAの複写機能のアナロジーで、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性を、分子スケールの複製機能を持つMolecular Nano−Duplication(MND)の導入により向上させることにある。さらに、マイクロ/ナノスケールで構築された素子を分子スケールSORT法で配置し、マイクロ/ナノデバイス・システムを高集積化することにある。 An object of the present invention is to increase the density of micro / nano device systems and increase the degree of freedom in electrical control of micro optical devices. Another object of the present invention is to realize an optical switch having an Add function in addition to Cross and Bar. Another object of the present invention is to make it easier to form a SOLNET useful for self-organization of elements and interlayer optical wiring. Another object of the present invention is to increase the degree of freedom of structure that can be formed in a micro / nano device system. Another object of the present invention is an analogy of DNA replication function, which improves the productivity of device / system constructed at micro / nano scale by introducing Molecular Nano-Duplication (MND) with molecular scale replication function. There is to make it. Furthermore, the element constructed by the micro / nano scale is arranged by the molecular scale SORT method, and the micro / nano device system is highly integrated.
本発明の第1の態様に係るオプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイスは、非線形光学性、発光性、吸光性、透光性、導電性、半導体性、絶縁性から選ばれた少なくとも一つの性質を持つ材料をその構造の少なくとも一部に持ち、その格子領域および/または格子領域以外の領域に近接して微小電極を形成したフォトニッククリスタルと、前記フォトニッククリスタルに積層した集積回路を有することを特徴とする。また、非線形光学性、発光性、吸光性、透光性、導電性、半導体性、絶縁性から選ばれた少なくとも一つの性質を持つ材料をその構造の少なくとも一部に持ち、そのコア領域および/またはクラッド領域に近接して微小電極を形成した強閉じ込め光回路と、前記強閉じ込め光回路に積層した集積回路を有することを特徴とする。これにより、オプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイスの高密度化と超小型光デバイスの電気的制御の自由度を高めることができる。 The optoelectronic micro / nano device according to the first aspect of the present invention is a material having at least one property selected from nonlinear optical properties, light-emitting properties, light-absorbing properties, light-transmitting properties, conductive properties, semiconducting properties, and insulating properties. A photonic crystal having a microelectrode formed adjacent to the lattice region and / or a region other than the lattice region, and an integrated circuit stacked on the photonic crystal. To do. In addition, at least a part of the structure has a material having at least one property selected from nonlinear optical properties, light-emitting properties, light-absorbing properties, light-transmitting properties, conductive properties, semiconducting properties, and insulating properties, and the core region and / or Alternatively, a strong confinement optical circuit in which a microelectrode is formed in the vicinity of the cladding region and an integrated circuit stacked on the strong confinement optical circuit are provided. As a result, the density of the optoelectronic micro / nano device can be increased and the degree of freedom in electrical control of the micro optical device can be increased.
本発明の第2の態様に係るAdd機能付光スイッチは、非線形光学効果を有するスラブ導波路をその構造の少なくとも一部に持ち、前記スラブ導波路に近接して形成したプリズム形状電極、入力部、および前記入力部の数より多い出力部を有し、前期出力部のいくつかが合流され、前記プリズム形状電極に選択的に電圧が印加されることを特徴とする。これにより、Cross/Bar/Add動作が可能な光スイッチを実現することができる。 An optical switch with an Add function according to a second aspect of the present invention has a slab waveguide having a nonlinear optical effect as at least a part of its structure, and a prism-shaped electrode formed close to the slab waveguide, and an input unit And a number of output units larger than the number of the input units, some of the output units are joined together, and a voltage is selectively applied to the prism-shaped electrode. Thereby, an optical switch capable of performing a Cross / Bar / Add operation can be realized.
本発明の第3の態様に係るAdd機能付光スイッチは、非線形光学効果を有するスラブ導波路をその構造の少なくとも一部に持ち、前記スラブ導波路に近接して分割形成された導波路形状電極、入力部および出力部を有し、前記導波路形状電極に選択的に電圧が印加されることを特徴とする。これにより、Cross/Bar/Add動作が可能な光スイッチを実現することができる。 An optical switch with an Add function according to a third aspect of the present invention has a slab waveguide having a nonlinear optical effect as at least a part of its structure, and is formed into a waveguide shape electrode divided in proximity to the slab waveguide And having an input part and an output part, and a voltage is selectively applied to the waveguide-shaped electrode. Thereby, an optical switch capable of performing a Cross / Bar / Add operation can be realized.
本発明の第4の態様に係るオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムは、第1−3態様に係るオプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイスおよび/またはAdd機能付光スイッチを他の支持体に移植集積化することにより形成され、少なくとも前記オプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイスおよび/またはAdd機能付光スイッチを含むことを特徴とする。これにより高密度集積化されたオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムを実現することができる。 The optoelectronic micro / nano system according to the fourth aspect of the present invention is obtained by implanting and integrating the optoelectronic micro / nano device and / or the optical switch with an Add function according to the first to third aspects on another support. It is formed and includes at least the optoelectronic micro / nano device and / or an optical switch with an Add function. Thereby, an optoelectronic micro / nano system integrated with high density can be realized.
本発明の第5の態様に係る自己組織化光ネットワークは、書き込み光照射により屈折率が高くなる材料を複数の光素子間に配置し、前記複数の光素子の少なくとも一つの光素子は外部からの刺激光により発光する導波路を有し、前記導波路に外部から光を照射することにより前記複数の光素子間を連結する光路を形成する自己組織化光ネットワークにおいて、前記導波路の幅および/または厚さを前記刺激光照射領域の少なくとも一部で増加させたことを特徴とする。これにより、簡便なSOLNET形成法を実現することができる。 In the self-organized optical network according to the fifth aspect of the present invention, a material having a refractive index increased by writing light irradiation is disposed between a plurality of optical elements, and at least one of the plurality of optical elements is externally provided. A self-organized optical network having a waveguide that emits light by the stimulating light of the above, and forming an optical path that connects the plurality of optical elements by irradiating the waveguide with light from the outside. The thickness is increased in at least a part of the stimulation light irradiation region. Thereby, a simple SOLNET formation method is realizable.
本発明の第6の態様に係る自己組織化光ネットワークは、書き込み光照射により屈折率が高くなる材料を複数の光素子間に配置し、前記複数の光素子の少なくとも一つの光素子は外部からの刺激光により発光する導波路を有し、前記導波路に外部から光を照射することにより前記複数の光素子間を連結する光路を形成する自己組織化光ネットワークにおいて、前記刺激光の少なくとも一つが前記発光する導波路に近接して設けられた薄膜発光素子から発することを特徴とする。これにより、簡便なSOLNET形成法を実現することができる。 In the self-organized optical network according to the sixth aspect of the present invention, a material having a refractive index increased by writing light irradiation is disposed between a plurality of optical elements, and at least one of the plurality of optical elements is externally provided. In a self-organizing optical network that has a waveguide that emits light by stimulating light of the above-mentioned structure and forms an optical path that connects the plurality of optical elements by irradiating the waveguide with light from outside, at least one of the stimulating light One is emitted from a thin film light emitting element provided in the vicinity of the light emitting waveguide. Thereby, a simple SOLNET formation method is realizable.
本発明の第7の態様に係る自己組織化光ネットワークは、書き込み光照射により屈折率が高くなる材料を複数の光素子間に配置し、前記複数の光素子の少なくとも一つの光素子からの出射光により前記複数の光素子間を連結する光路を形成する自己組織化光ネットワークにおいて、前記出射光の少なくとも一つが電流注入により発光する導波路から発することを特徴とする。これにより、簡便なSOLNET形成法を実現することができる。 In the self-organized optical network according to the seventh aspect of the present invention, a material whose refractive index is increased by irradiation of writing light is disposed between a plurality of optical elements, and the light emitted from at least one of the plurality of optical elements is output from the optical element. In the self-organized optical network that forms an optical path that connects the plurality of optical elements by incident light, at least one of the emitted light is emitted from a waveguide that emits light by current injection. Thereby, a simple SOLNET formation method is realizable.
本発明の第8の態様に係るオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムは、感光性材料層に、光を基板に対して特定の角度および/または方向、または複数の角度および/または方向で入射させて、前記感光性材料を変質させ構造を形成する製造工程を含むオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムにおいて、異なる物性または構造を有する感光性シートを含む積層構造が形成され、前記光の照射工程の少なくとも一部が前記積層構造の形成後に行われることを特徴とする。これにより、ミラー面など種々のマイクロ/ナノデバイス・システムの構造を実現することができる。上記のオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムにおいて、感光性シートの一部を露光した後、現像前に、導波路に書き込み光を伝播させて感光性シートの未露光部に照射し、自己組織化導波路を形成することにより、SOLNETが形成されたマイクロ/ナノシステムを容易に実現することができる。 In the optoelectronic micro / nano system according to the eighth aspect of the present invention, light is incident on the photosensitive material layer at a specific angle and / or direction, or at a plurality of angles and / or directions, In an optoelectronic micro / nano system including a manufacturing process in which the photosensitive material is altered to form a structure, a laminated structure including photosensitive sheets having different physical properties or structures is formed, and at least a part of the light irradiation process includes It is performed after the formation of the laminated structure. Thereby, various micro / nano device system structures such as a mirror surface can be realized. In the above optoelectronic micro / nano system, after exposing a part of the photosensitive sheet, before developing, the writing light is propagated to the waveguide to irradiate the unexposed portion of the photosensitive sheet, and the self-organized waveguide By forming, a micro / nano system in which SOLNET is formed can be easily realized.
上記のオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムにおいて、形成される構造体が導波路であり、導波路の傾斜面構造および/またはコーナターニング近傍において導波路幅の一部が他の導波路部分に比べて広いことにより、低ロスの45°ミラーを実現することができる。 In the above-described optoelectronic micro / nano system, the structure to be formed is a waveguide, and a part of the waveguide width is wider than other waveguide parts in the vicinity of the inclined surface structure and / or corner turning of the waveguide. As a result, a low-
本発明の第9の態様に係るマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法は、基体に分子を供給して成長部を形成し、前記成長部の少なくとも一部を他の支持体に移植する工程を含むことを特徴とする。これにより、分子スケールの複製機能を持つMNDを実現し、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 The method of manufacturing a micro / nano device system according to the ninth aspect of the present invention includes a step of supplying a molecule to a substrate to form a growth portion, and transplanting at least a part of the growth portion to another support. It is characterized by including. As a result, it is possible to realize an MND having a molecular-scale replication function, to improve the productivity of a device system constructed on a micro / nano scale, and to integrate the micro / nano device system.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、成長部を基体から他の支持体に移植した後、前記基体に分子を供給して再度成長部を形成し、前記再度形成した成長部の少なくとも一部を他の支持体に移植する工程を含むことにより、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 In the method of manufacturing a micro / nano device system described above, after the growth portion is transplanted from the substrate to another support, molecules are supplied to the substrate to form a growth portion again, and at least of the growth portion formed again By including a step of transplanting a part to another support, it is possible to improve the productivity of the device system constructed on the micro / nano scale and to integrate the micro / nano device system.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、所望の配置で選択的に処理領域および/またはシードコアを形成した基体に分子を供給し、前記処理領域および/またはシードコアが存在する部分と他の部分とにおいて異なる厚さおよび/または配向および/または物性の成長部を形成することにより、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 In the method of manufacturing a micro / nano device system, molecules are supplied to a substrate on which a processing region and / or a seed core is selectively formed in a desired arrangement, and a portion where the processing region and / or the seed core exists and other parts Increased productivity of micro / nano-scaled device systems and integration of micro / nano device systems by forming different thickness and / or orientation and / or physical properties can do.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、成長部と処理領域および/またはシードコアとの境界、または成長面の途中に分断可能な結合を形成することにより、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 In the manufacturing method of the micro / nano device system described above, the micro / nano scale is constructed by forming a severable bond at the boundary between the growth part and the processing region and / or the seed core, or in the middle of the growth surface. Improvement of device system productivity and integration of micro / nano device systems can be realized.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、分断可能な結合の分断を、溶液中または気相中で分断を促進する分子および/または原子および/またはイオンを導入して行うことにより、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 In the micro / nano device system manufacturing method described above, the breakable bond is broken by introducing molecules and / or atoms and / or ions that promote the breakage in a solution or in a gas phase. / Improvement of productivity of device / system constructed on nano scale and integration of micro / nano device / system can be realized.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、成長部の分断を成長部表面またはその上に形成した領域の表面に支持体を接着した後に行うことにより、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 In the micro / nano device system manufacturing method described above, a device constructed on a micro / nano scale is obtained by dividing the growth part after bonding the support to the surface of the growth part or the region formed thereon. -System productivity can be improved and micro / nano device systems can be integrated.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、マイクロ/ナノデバイス・システムに含まれる素子の少なくとも一つが、グレーティング、フォトニッククリスタル、光配線路、光スイッチ、可変波長フィルタ、波長変換素子、発光素子、受光素子、フィルタ、ミラー、プリズム、レンズ、ホログラム、光アンプ、光メモリ,電気配線路、トランジスタ、バイオ素子から構成される群から選択された素子であることができる。 In the micro / nano device system manufacturing method described above, at least one of the elements included in the micro / nano device system is a grating, photonic crystal, optical wiring path, optical switch, variable wavelength filter, wavelength conversion element, light emission It can be an element selected from the group consisting of an element, a light receiving element, a filter, a mirror, a prism, a lens, a hologram, an optical amplifier, an optical memory, an electrical wiring path, a transistor, and a bio element.
上記のマイクロ/ナノデバイス・システムの製造方法において、成長部形成が、有機CVD、蒸着重合、Molecular Layer Deposition(MLD)、溶液MLDから選ばれた方法により行われることにより、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。 In the micro / nano device system manufacturing method described above, the growth part is formed by a method selected from organic CVD, vapor deposition polymerization, molecular layer deposition (MLD), and solution MLD, and is constructed on a micro / nano scale. It is possible to improve the productivity of the manufactured device system and to integrate the micro / nano device system.
本発明の第10の態様に係る反射型自己組織化光ネットワークは、光素子の入力および/または出力端の反射部が湾曲していること、あるいは入力および/または出力端の書き込み光に対する反射率がその周辺に比べて高い前記光素子が複数個設置されたこと、あるいは入力および/または出力端の書き込み光に対する反射率がその周辺に比べて高い前記光素子の少なくとも一つが、レーザダイオード、VCSEL、フォトディテクタ、光スイッチ、光変調器、光アンプ素子、波長変換素子、波長フィルタ、フォトニッククリスタルの中から選ばれたこと、あるいは複数の光導波路層が3次元的に積層され、前記光導波路層うちの少なくとも一つが導波光を層外に光路変更するリフレクタを有し、書き込み光に対する反射率が高い波長フィルタを前記リフレクタ近傍に形成したこと、あるいは光素子の少なくとも一つがフォトニッククリスタルであり、その入力および/または出力部の書き込み光に対する反射率の増大化がフォトニッククリスタル構造の変調により生じることを特徴とする。これにより、簡便なSOLNET形成法を実現することができる。 In the reflective self-organizing optical network according to the tenth aspect of the present invention, the reflection part of the input and / or output end of the optical element is curved, or the reflectivity with respect to the write light of the input and / or output end A plurality of the optical elements having a higher than that of the periphery thereof are installed, or at least one of the optical elements having a higher reflectance with respect to the writing light at the input and / or output ends is a laser diode, VCSEL , A photodetector, an optical switch, an optical modulator, an optical amplifier element, a wavelength conversion element, a wavelength filter, a photonic crystal, or a plurality of optical waveguide layers laminated three-dimensionally, and the optical waveguide layer At least one of them has a reflector that changes the optical path of the guided light to the outside of the layer, and the wavelength filter has a high reflectivity for the writing light. Is formed in the vicinity of the reflector, or at least one of the optical elements is a photonic crystal, and an increase in reflectance with respect to writing light at its input and / or output is caused by modulation of the photonic crystal structure. And Thereby, a simple SOLNET formation method is realizable.
以下に、本実施の形態を、図面を参照して説明する。各図において、同一の符号をふされたものは同様の要素を示しており、重複した説明は省略される。以下の記載は本発明が適用可能な実施形態を説明するものであって、本発明の範囲がこの記載に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。 The present embodiment will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals denote the same elements, and duplicate descriptions are omitted. The following description explains an embodiment to which the present invention can be applied, and the scope of the present invention is not limited to this description. For clarity of explanation, the following description is omitted and simplified as appropriate. Further, those skilled in the art will be able to easily change, add, and convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention.
[第1実施形態]
図1に、本発明による集積回路と積層化した電気制御可能なフォトニッククリスタルの例を示した。非線形光学性、発光性、吸光性、透光性、導電性、半導体性、絶縁性などの性質を持つ物質を、基板1上にアレイ状に形成し、フォトニッククリスタル2とする(図1(b))。各アレイまたはアレイの一部には電極3が設けられ、積層された薄膜集積回路(IC)7により駆動される。格子点を抜いたタイプのフォトニッククリスタル(図1(c))では、電極はフォトニッククリスタル格子点以外の領域に適当な分割パターンで形成される。格子欠陥部が導波路となる。ICとフォトニッククリスタルはインタフェース層5中の配線6により連結される。インタフェース層内の配線は、多数の駆動配線が必要になる場合は、LSIと同様の多層配線を適用することにより、サブミクロンから数ミクロンオーダの微細配線が可能となる。電極3は、一つ一つ独立に駆動されることが望ましい。場合によっては、いくつかグルーピングされ、まとめて駆動してもよい。例えば、フォトニッククリスタルがEO効果を持つ場合、電極3と対向電極4との間に電圧を印加することにより、屈折率が変化し、光の伝播状態を制御できる。フォトニッククリスタル内の欠陥で構成される波長フィルタは、電圧印加により共振条件が変化しチューナブルとなる。また、電圧印加により反射特性を変化させ、光スイッチや光変調器動作を実現することもできる。フォトニッククリスタルが発光特性を持つ場合は、一つまたは数個のフォトニッククリスタル格子点またはフォトニッククリスタル格子点以外の領域に電流を注入して発光させ、光を微細光回路内に伝播させることができる。フォトニッククリスタルが吸光性・半導体性を持つ場合は、微細光回路を伝播してきた光を一つまたは数個のフォトニッククリスタル格子点またはフォトニッククリスタル格子点以外の領域で受光し、電気信号に変換することができる。このような機能を集積化することにより、オプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイスの高密度化と超小型光デバイスの電気的制御の自由度を高めることができる。[First Embodiment]
FIG. 1 shows an example of an electrically controllable photonic crystal laminated with an integrated circuit according to the present invention. Substances having properties such as nonlinear optical properties, light-emitting properties, light-absorbing properties, light-transmitting properties, conductive properties, semiconducting properties, and insulating properties are formed in an array on the
同様の機能は、フォトニッククリスタルのかわりに、コア/クラッドの屈折率差を大きくした強閉じ込め光回路あるいは、メタルクラッドからなる強閉じ込め光回路を使用することによっても可能である。 A similar function can be achieved by using a strong confinement optical circuit having a large core / clad refractive index difference or a strong confinement optical circuit made of a metal clad instead of the photonic crystal.
フォトニッククリスタル、強閉じ込め光回路の材料としては、第9実施形態で述べるような選択成長による有機系材料、III−V族化合物のような無機半導体系材料、希土類ドープガラスのようなガラス系材料、Lithium Niobate(LN)やPLZTのような誘電体材料などがある。 As materials for photonic crystals and strong confinement optical circuits, organic materials by selective growth as described in the ninth embodiment, inorganic semiconductor materials such as III-V compounds, and glass materials such as rare earth doped glass are used. And dielectric materials such as Lithium Niobate (LN) and PLZT.
[第2実施形態]
Add機能付光スイッチは、フォトニックルータなどのネットワークスイッチングシステムのアーキテクチャを簡略化する素子として重要である。図2に、導波路プリズム偏向型マイクロ光スイッチ(WPD−MOS)をベースとした本発明によるAdd機能付光スイッチの例を示した。ここでは簡単のために2x2スイッチングの例を示した。スラブ導波路11、EO効果を有するEOスラブ導波路12、入力導波路9、およびAdd導波路15からなる。導波路はクラッド10で囲まれている。スラブ導波路11内には、導波光をコリメートするために、導波路レンズ14が形成されている。導波路レンズのかわりに、スラブ導波路との接続部付近で徐々に幅を広げた導波路を用いることもできる。EOスラブ導波路12は対向電極とプリズム型電極13a、bで挟まれた構造を持つ。基底モードを抽出する必要がある場合は、モード抽出器16を付加する。動作原理は下記の通りである。入力−1には波長λ1の信号光17、入力−2には波長λ2の信号光18が入射するとする。プリズム型電極に電圧を印加しなければBar状態、プリズム型電極に電圧を印加すればCross状態となる。プリズム型電極13bのみに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−1にAddされる。図2の信号光経路はこのケースを示す。プリズム型電極13aのみに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−2にAddされる。図3に、上記スイッチのバリエーションを示した。この場合、出力側にプリズム型電極13cおよび13dが増設されている。また、出力側の導波路レンズ数が増加している。プリズム型電極に電圧を印加しなければBar状態、プリズム型電極に電圧を印加すればCross状態となる。プリズム型電極13b、dのみに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−1にAddされる。図3の信号光経路はこのケースを示す。プリズム型電極13a、cのみに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−2にAddされる。図4に、もう一つのバリエーションを示した。この場合も、出力側にプリズム型電極13cおよび13dが増設され、出力側の導波路レンズ数が増加している。プリズム型電極に電圧を印加すればBar状態、プリズム型電極に電圧を印加しなければCross状態となる。プリズム型電極13a、cのみに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−1にAddされる。図4の信号光経路はこのケースを示す。プリズム型電極13b、dのみに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−2にAddされる。スラブ導波路は全面EO材料であっても良い。PLZTからなる厚さ4ミクロンのEOスラブ導波路で駆動電圧12Vとした場合、スイッチ長さ300μmから数mm程度でスイッチングが可能となる。チャネル数は2のみならず3以上であっても良い。この場合、合流導波路数はチャネル数の増加と共に増えることになる。また、Add導波路は、チャネル導波路に限られることはなく、導波路レンズ、ミラー、プリズムなどを備えたスラブ導波路であっても良い。これにより、チャネル配線の交錯を低減することが可能となる。[Second Embodiment]
An optical switch with an Add function is important as an element that simplifies the architecture of a network switching system such as a photonic router. FIG. 2 shows an example of an optical switch with an Add function according to the present invention based on a waveguide prism deflection type micro optical switch (WPD-MOS). Here, for the sake of simplicity, an example of 2 × 2 switching is shown. The
[第3実施形態]
図5に、分割導波路形状電極型マイクロ光スイッチをベースとした本発明によるAdd機能付光スイッチの例を示した。EOスラブ導波路12、入力導波路9、および出力導波路19からなる。EOスラブ導波路は対向電極と分割導波路形状型電極13e−oで挟まれた構造を持つ。入力−1には波長λ1の信号光17、入力−2には波長λ2の信号光18が入射するとする。分割導波路形状型電極13e、f、g、k、l、mに電圧を印加すればBar状態、分割導波路形状型電極13e、h、i、j、g、k、n、o、mに電圧を印加すればCross状態となる。分割導波路形状型電極13e、f、g、k、n、i、jに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−1にAddされる。図2の信号光経路はこのケースを示す。分割導波路形状型電極13e、h、i、o、m、k、lに電圧を印加した場合、信号光17,18はともに出力−2にAddされる。分割導波路形状型電極は、かならずしも直線に限られることはなく、曲線部を含んでいてもよい。EO材料としては、WPD−MOSと同様のものが使用できる。[Third Embodiment]
FIG. 5 shows an example of an optical switch with an Add function according to the present invention based on a divided waveguide electrode micro-optical switch. It consists of an
[第4実施形態]
第1−第3実施形態で述べたオプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイスおよびAdd機能付光スイッチはそれぞれ単体で使用可能であるが、これらを集積化することにより高密度オプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムが実現できる。集積化の効果的な方法の一例としてPhotolithographic Packagingwith Selectively Occupied Repeated Transfer(PL−Pack with SORT)がある(例えば非特許文献1参照)。さらに、光導波路、発光素子、受光素子、波長変換素子、光スイッチ、可変波長フィルタ、光メモリ、光アンプ、バイオ素子など他の薄膜素子を合わせて集積化することにより、より多機能な高密度集積化されたオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムを実現することができる。例えば、オプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイス間を導波路で接続することにより、光インタコネクトやフォトニックルータのようなマイクロ/ナノデバイスを集積化したシステムが構築できる。また、積層したオプトエレクトロニックマイクロ/ナノデバイス間をOptical Z−Connectionで接続することにより、3次元光インタコネクト/フォトニックルータのような3次元システムが構築できる。[Fourth Embodiment]
The optoelectronic micro / nano device and the optical switch with an Add function described in the first to third embodiments can be used individually, but a high density optoelectronic micro / nano system can be realized by integrating them. . As an example of an effective method of integration, there is a Photographic Packaging Selective Occupied Repeated Transfer (PL-Pack with SORT) (for example, see Non-Patent Document 1). Furthermore, by integrating other thin-film elements such as optical waveguides, light-emitting elements, light-receiving elements, wavelength conversion elements, optical switches, variable wavelength filters, optical memories, optical amplifiers, bio-elements, etc. Optoelectronic micro / nano system can be realized. For example, a system in which micro / nano devices such as optical interconnects and photonic routers are integrated can be constructed by connecting optoelectronic micro / nano devices with waveguides. In addition, a three-dimensional system such as a three-dimensional optical interconnect / photonic router can be constructed by connecting the stacked optoelectronic micro / nano devices with an optical Z-connection.
[第5実施形態]
SOLNETは、位置ずれのある光デバイス間、3次元構造内のOptical Z−Connecton、あるいはFree Space中に自動的に光導波路を形成する技術である。SOLNETの問題点は、導波路に書き込み光を入射させる必要があるということである。これを解決するために、以前、書き込み光の入射を、蛍光体をドープした導波路に外部から光照射し、その発光によりSOLNETを形成するPhosphor SOLNETを提案した。本発明は、その改良版である。[Fifth Embodiment]
SOLNET is a technology for automatically forming an optical waveguide between optical devices having misalignment, Optical Z-Connecton in a three-dimensional structure, or Free Space. The problem with SOLNET is that it is necessary to make writing light incident on the waveguide. In order to solve this problem, Phosphor SOLNET has been proposed in which writing light is incident on a waveguide doped with a phosphor from the outside and SOLNET is formed by light emission. The present invention is an improved version thereof.
図6に、本発明によるPhosphor SOLNETの例を示した。Photo−refractive(PR)材料22(書込みビーム24の照射により屈折率が高くなる材料)に向かった導波路20の蛍光体をドープした発光部21aの幅を、導波路出射部の幅より広くする。これにより、刺激光23aの照射面積が広くなり書込みビーム24の出射部でのエネルギ密度を増大させることができる。同様に、発光部の厚さを厚くすることによっても書込みビームのエネルギ密度を増大させることができる。これにより、SOLNET形成に必要なパワーを、より弱い刺激光で得ることができ、SOLNET形成プロセスを簡略化することができるようになる。刺激光は通常、紫外光である。これを吸収するクマリン色素などを蛍光体に使用すると青色の書き込み光が得られる。必要に応じてアニール,光照射などにより形成された自己組織化導波路を定着させる.刺激光は、発光部近傍にマスクパターンや投影パターンなどにより選択的に照射することが望ましい。平面状の2次元システムや線状の1次元システムに対しても適用可能である。PR材料としては、光照射により屈折率が変化する物質であれば何でも使用できる。例としては、ホログラム用の感光性ポリマ、DuPont社製のPolyguide(登録商標)材料、光硬化性ポリマ、カルバゾールドープのアクリルやエポキシ材料、アクリル/エポキシ混合材料などがある。増感により、波長感度の調整が可能である。 FIG. 6 shows an example of a Phosphor SOLNET according to the present invention. The width of the light emitting portion 21a doped with the phosphor of the
[第6実施形態]
図7に、本発明によるPhosphor SOLNETの改良構造の他の例を示した。発光部21aに隣接して薄膜発光素子を配置する。例えば、薄膜発光素子としては、EL発光部21bと電極23bからなる有機ELを用いることができる。これに電流を注入し、発光させ、それによって導波路内に発生した光を書き込み光として用いる。このような方法により、電流を流すだけでSOLNET形成ができ、SOLNET形成プロセスを簡略化することができるようになる。[Sixth Embodiment]
FIG. 7 shows another example of the improved structure of the Phosphor SOLNET according to the present invention. A thin film light emitting element is disposed adjacent to the light emitting portion 21a. For example, as a thin film light emitting element, an organic EL composed of an EL
[第7実施形態]
図8に、本発明によるPhosphor SOLNETの改良構造の他の例を示した。EL特性を持つ導波路を電極でサンドイッチし、電流を流して発光させ、書き込み光として用いる。これにより、電流を流すだけでSOLNET形成ができ、プロセスを簡略化できる。発光部にポリマ鎖、オリゴマ鎖からなる材料を用いた場合、望ましくは、鎖の方向を電極面と垂直またはそれに近い方向にすることが効率的である。その理由は、「鎖配向によりキャリアモビリティが増加し発光効率が向上する」、および「発光が鎖と垂直方向に主に出射するため、導波路内への書き込み光閉じ込め効率が向上する」の2点である。[Seventh Embodiment]
FIG. 8 shows another example of the improved structure of the Phosphor SOLNET according to the present invention. A waveguide having EL characteristics is sandwiched between electrodes, and a current is passed to emit light, which is used as writing light. Thereby, SOLNET formation can be performed only by passing an electric current, and the process can be simplified. When a material composed of a polymer chain or an oligomer chain is used for the light emitting portion, it is desirable that the direction of the chain be perpendicular to or close to the electrode surface. The reason is that “the carrier mobility is increased by the chain orientation and the light emission efficiency is improved” and “the light emission is mainly emitted in the direction perpendicular to the chain, so that the light confinement efficiency for writing light into the waveguide is improved”. Is a point.
[第8実施形態]
図9に、本発明による、感光性材料を利用した構造形成法を示す。まず、透光性基板25の上に選択的に金属膜や誘電体フィルタなどの遮光層26を形成する。その上に剥離層27を形成し、さらに下地フィルム28を形成する。つぎに、感光性アンダクラッドシート29a、コアシート30a、およびオーバクラッドシート31aをラミネートする。透光性基板側から斜めに紫外線などの光37を照射し、感光性材料を変質させ、アンダクラッドシート硬化部29b、コアシート硬化部30b、およびオーバクラッドシート硬化部31bを生成し、斜めの壁を持つ構造を形成する。部分露光する場合は、Cover Mask−1 32aを配置する。壁の傾斜は、入射光の角度により幅広く制御可能である。露光角度を〜45°とすると、45°ミラー/フィルタとなる。つぎに、Cover Mask−2 32bを配置し、透光性基板側から別の角度で紫外線などの光37を照射し、アンダクラッドシート硬化部29b、コアシート硬化部30b、およびオーバクラッドシート硬化部31bを生成する。垂直露光した場合は垂直な壁を持つ構造が形成される。その後、現像により、アンダクラッド29c、コア30c、およびオーバクラッド31cからなる導波路構造を形成する。斜めの壁を持つ構造は、全反射を利用することにより、ミラー機能を実現できる。必要に応じて、斜めの壁を持つ構造にミラーまたはフィルタ33を形成することができる。これをクラッド34でカバーする。クラッド形成は有機CVD、MLD、蒸着重合などの気相製膜、スピンコーティング、ディッピング,スプレイなどのウエット製膜など何でも良い。さらにその表面に支持基板35を密着させ、剥離層を除去することにより、フィルム導波路36を得る。感光性フィルム材料としては、アクリル・エポキシ・イミド・シリコーン系などがある。支持基板の接着力は、例えば、GelPakフィルムなどを配して得られる。剥離層にポリビニルアルコールを用いた場合、水などの溶媒に浸して除去できる。剥離層を除去した後、遮光層付の透光性基板は再使用できる。再使用回数を多くするために、遮光層付基板上にコーティング薄膜を形成すると有効である。[Eighth Embodiment]
FIG. 9 shows a structure forming method using a photosensitive material according to the present invention. First, a
図9では、2方向露光の例を示したが、3方向以上の露光も可能である。導波路/ミラー/フィルタを例としたが、グレーティング、フォトニッククリスタルなど、各種構造の一括形成が可能となる。カバーマスクには、メタルマスク、レジストパターンなど光を適当にブロックするものであれば何でも使用できる。パターン化された光のプロジェクションにより露光領域を部分的に選択し、上記カバーマスクと同等の選択露光を行うこともできる。また、遮光膜にフィルタを適用し、露光パターンに対応して、遮光膜となるフィルタの透過波長特性を部分的に変化させる方法もある。これにより、光の波長を切り替えることで上記カバーマスクと同等の選択露光を行うことができる。また、波長フィルタの透過特性が光の入射角度に依存することを利用し、垂直露光部分には垂直光透過/45°光反射、45°露光部分には45°光透過/垂直光反射のようなフィルタを遮光膜として形成することにより、カバーマスクなしで部分露光が可能となる。また、図9では、チャネル導波路を例としたが、スラブ導波路の一部に傾斜面を作製することもできる。さらに、斜めカットパターンの拡張版として、円形、楕円形、多角形または特定の島状の遮光パターンの周りに斜め角度で光を入射させることによりコーン状、ピラミッド状,多角形台形体状などの立体的マイクロ/ナノ構造を形成することも可能である。逆に、円形、楕円形、多角形または特定の島状の窓パターンの周りに斜め角度で光を入射させることによっても同様のことができる。 FIG. 9 shows an example of two-way exposure, but exposure in three or more directions is also possible. The waveguide / mirror / filter is taken as an example, but various structures such as a grating and a photonic crystal can be collectively formed. As the cover mask, any metal mask, resist pattern or the like that can appropriately block light can be used. It is also possible to partially select an exposure region by projection of patterned light and perform selective exposure equivalent to the cover mask. There is also a method in which a filter is applied to the light shielding film, and the transmission wavelength characteristics of the filter serving as the light shielding film are partially changed in accordance with the exposure pattern. Thereby, the selective exposure equivalent to the said cover mask can be performed by switching the wavelength of light. Further, utilizing the fact that the transmission characteristic of the wavelength filter depends on the incident angle of light, vertical light transmission / 45 ° light reflection is applied to the vertical exposure portion, and 45 ° light transmission / vertical light reflection is applied to the 45 ° exposure portion. By forming a simple filter as a light shielding film, partial exposure can be performed without a cover mask. In FIG. 9, the channel waveguide is taken as an example, but an inclined surface can be formed on a part of the slab waveguide. In addition, as an extended version of the diagonal cut pattern, light is incident at an oblique angle around a circular, elliptical, polygonal or specific island-shaped shading pattern, such as a cone, pyramid, or polygonal trapezoid It is also possible to form steric micro / nano structures. Conversely, the same can be done by making light incident at an oblique angle around a circular, elliptical, polygonal or specific island-like window pattern.
アンダクラッド・コア・オーバクラッドシートは感光性を有するので、SOLNET形成に使用することもできる。すなわち、各シートを導波路パターン状に露光した後、現像する前に、導波路に書き込み光を伝播させ、シート未露光部に出射させ、SOLNETを形成する。その後一括して現像することにより、もともと露光により固化した部分とSOLNET部分が残る。また、アンダクラッドシート、コアシート・オーバクラッドシートの全部または一部に発光特性を付与することにより(例えば、クマリンのような蛍光分子ドープにより)、Phosphor SOLNETが形成できる。 Since the underclad / core / overclad sheet has photosensitivity, it can also be used for SOLNET formation. That is, after each sheet is exposed in a waveguide pattern shape and before development, writing light is propagated through the waveguide and emitted to an unexposed portion of the sheet to form a SOLNET. Thereafter, development is performed in a lump so that a portion that has been solidified by exposure and a SOLNET portion remain. Further, Phosphor SOLNET can be formed by imparting light emission characteristics to all or a part of the underclad sheet and the core sheet / overclad sheet (for example, by fluorescent molecule doping such as coumarin).
以上、感光性材料を遮光層を通して露光する場合について例を述べてきた。しかしながら、露光法はこれに限定されない。遮光層の代わりに、感光性材料層上にマスクを配置し、これを通して露光することによっても同様の自由度の高い構造が得られる。さらに、マスクと遮光層を組み合わせ、両サイドからの露光を併用することにより、より高い自由度が実現できる。また、マスク露光の代わりに投影露光を用いることも可能である。また,感光性材料としては,光硬化性材料のみならず,ホログラム用フォトポリマやPolyGuide材料のようなフォトリフラクティブ材料を用いることもできる.この場合,導波路チャネルの側面はもともとクラッドで覆われることになる.また,剥離層として,場合によっては,Si,GaAs,KBr,NaCl,ガラスなどエッチング可能な基板を用い,基板エッチングにより剥離プロセスを実行することも可能である。 In the foregoing, examples have been described in which a photosensitive material is exposed through a light shielding layer. However, the exposure method is not limited to this. A similar structure with a high degree of freedom can be obtained by arranging a mask on the photosensitive material layer instead of the light shielding layer and exposing through the mask. Furthermore, a higher degree of freedom can be realized by combining a mask and a light shielding layer and using exposure from both sides. Further, it is also possible to use projection exposure instead of mask exposure. As the photosensitive material, not only a photo-curable material but also a photorefractive material such as a hologram photopolymer or a PolyGuide material can be used. In this case, the side surface of the waveguide channel is originally covered with the cladding. In some cases, an etchable substrate such as Si, GaAs, KBr, NaCl, or glass can be used as the peeling layer, and the peeling process can be performed by substrate etching.
以上のプロセスを、PL−Pack with SORT法と組み合わせることにより、薄膜素子が埋め込み集積化されたOEフィルムを作製することができ、S−FOLMの構成エレメントを供給できる。また、図9に示したプロセスでは、剥離層を挿入してフィルム化したが、剥離層無しで、基板上に導波路形成することも可能である。 By combining the above process with the PL-Pack with SORT method, an OE film in which thin film elements are embedded and integrated can be manufactured, and the constituent elements of S-FOLM can be supplied. In the process shown in FIG. 9, a release layer is inserted into a film, but a waveguide can be formed on the substrate without the release layer.
図10に、傾斜コア面近傍のコアパターンのバリエーション例を示した。傾斜コア面付近の導波路幅を広げてある。このようなスカート構造により、ミラー・フィルタ面の側面への回り込みが防止でき、伝播光の散乱が低減できる。この手法は、平面導波路のコーナターニングミラー部にも同様に通用する。この場合、スカートはコーナターニング部のミラー側(曲がりの外側)に形成され、ミラー面と共に3角形を形作る形状となる。 FIG. 10 shows a variation example of the core pattern in the vicinity of the inclined core surface. The waveguide width near the inclined core surface is widened. With such a skirt structure, it is possible to prevent the mirror / filter surface from wrapping around and to reduce the scattering of propagating light. This method is also applicable to the corner turning mirror portion of the planar waveguide. In this case, the skirt is formed on the mirror side (outside of the bend) of the corner turning portion and forms a triangle with the mirror surface.
[第9実施形態]
図11に、本発明によるMolecular Nano−Duplication(MND)法の例を示す。成長基板40の上に処理領域および/またはシードコア41aをパターン化して形成する。その上に、剥離部42、成長部43aを形成する。処理領域および/またはシードコアが存在する部分と他の部分とにおいて異なる厚さおよび/または配向および/または物性の成長部が形成される。つぎに、Catch−up層45を有するCatch−up基板44を表面に設置し、剥離部で分断して成長部をCatch−up基板に移植する。成長部は、この状態でマイクロ/ナノデバイス・システムとして使用しても良いし、さらにプロセス・処理を加えて使用しても良い。あるいは、成長部を他の基板に移植して他の素子と集積化し、マイクロ/ナノデバイス・システムを構築することもできる。Catch−up基板は、成長部表面に直接接してもよいし、あるいは、成長部の上に層またはパターンを形成し、その表面に接してもよい。[Ninth Embodiment]
FIG. 11 shows an example of the Molecular Nano-Duplication (MND) method according to the present invention. A processing region and / or a seed core 41a is formed on the growth substrate 40 by patterning. A peeling
図12に、2種類の成長部に対するMNDの例を示す。成長基板40の上に処理領域および/またはシードコアI 41bおよび処理領域および/またはシードコアII 41cをパターン化して形成する。処理領域および/またはシードコアIの上に、剥離部、成長部I 43bを形成する。処理領域および/またはシードコアIIの上に、剥離部、成長部II 43cを形成する。処理領域および/またはシードコアの種類に依存して異なる厚さおよび/または配向および/または物性の成長部が形成される。つぎに、Catch−up基板44を表面に設置し、剥離部で分断して成長部をCatch−up基板に移植する。成長部はこの状態で機能させ、マイクロ/ナノデバイス・システムとして使用しても良いし、さらにプロセス・処理を加えて使用しても良い。あるいは、成長部を他の基板に移植して他の素子と集積化し、マイクロ/ナノデバイス・システムを構築することもできる。 FIG. 12 shows an example of MND for two types of growth parts. A processing region and / or seed core I 41 b and a processing region and / or seed core II 41 c are formed on the growth substrate 40 by patterning. On the processing region and / or the seed core I, a peeling portion and a growth portion I 43b are formed. A separation part and a growth part II 43c are formed on the processing region and / or the seed core II. Depending on the type of processing region and / or seed core, different thicknesses and / or orientations and / or physical growths are formed. Next, the catch-up
図11および図12において、成長部を成長基板から他の基板に移植した後、成長基板に再度成長部を形成し、その再生成長部を他の基板に移植することができる。これにより、いったん、処理領域および/またはシードコアを形成すれば、成長部を自動的に成長、複製することができ、マイクロ/ナノデバイス・システムの生産効率を上げることができる。これがMND命名の由来である。マイクロ/ナノデバイス・システムでは、通常マイクロ・ナノオーダの微細パターンを含んでいる。このようなパターンを毎回作製することは、時間と資源の浪費につながる。MNDでは、微細パターンを一度作製すれば、後は、成長/移植の繰り返しにより簡単にマイクロ/ナノデバイス・システムが複製できる。マイクロ/ナノデバイス・システムとしては、フォトニッククリスタル、グレーティング、導波路、光配線路、光スイッチ、可変波長フィルタ、波長変換素子、発光素子、受光素子、フィルタ、ミラー、プリズム、レンズ、ホログラム、光アンプ、光メモリ,電気配線路、トランジスタ、バイオ素子などが例として挙げられる。成長部の種類は1、2種類に限られることはなく、3種類以上とすることも可能である。 In FIGS. 11 and 12, after the growth part is transplanted from the growth substrate to another substrate, the growth part is formed again on the growth substrate, and the regenerated growth part can be transplanted to the other substrate. Thereby, once the processing region and / or the seed core is formed, the growth portion can be automatically grown and replicated, and the production efficiency of the micro / nano device system can be increased. This is the origin of MND naming. A micro / nano device system usually includes a micro / nano-order fine pattern. Producing such a pattern each time is a waste of time and resources. In MND, once a fine pattern is formed, a micro / nano device system can be easily replicated by repeated growth / implantation. Micro / nano device systems include photonic crystals, gratings, waveguides, optical wiring paths, optical switches, variable wavelength filters, wavelength conversion elements, light emitting elements, light receiving elements, filters, mirrors, prisms, lenses, holograms, light Examples include an amplifier, an optical memory, an electrical wiring path, a transistor, and a bio element. The types of growing parts are not limited to one or two, and can be three or more.
処理領域を利用した成長部形成の一例を以下に述べる。例えば、基板をSi、処理領域をパターン化したSiO2として、真空中でTerephthalaldehyde(TPA)とp−Phenylenediamine(PPD)を導入して有機CVD、蒸着重合、MLDなどで製膜すると、ポリアゾメチンがSiO2上に選択成長する(詳しくは非特許文献3および4を参照)。これらの分子導入時の圧力は10−4−10−2Torr程度が一般的である。冷却・加熱により選択成長の選択性を調整できる。An example of formation of a growth part using a processing region will be described below. For example, if the substrate is Si and the processing region is patterned SiO 2 , and the terephthalaldehyde (TPA) and p-phenylenediamine (PPD) are introduced in a vacuum to form a film by organic CVD, vapor deposition polymerization, MLD, etc., polyazomethine is obtained. It grows selectively on SiO 2 (see
処理領域として、Self−Assembled Monolayer(SAM)を形成したシードコアを用いることもできる。例えば、ガラス基板上にAu薄膜をパターン化して形成し(必要であれば、Crなどの密着層を介して)、これを、例えば11−Amino−1−undecanethiol hydrochloride 、 8−Amino−1−octanethiolhydrochloride、6−Amino−1−hexanethiol hydrochlorideなどアミノアルカンチオールのエタノール溶液に浸すことにより、Auの表面にSAMを形成でき、SAMの上側端にはアミノ基が存在することになる。ここにアミノ基と反応する分子(例えばTPA)を導入するとSAMに結合する。つぎに異なる種類の分子(例えばPDA)を導入すると、これがTPA上に結合する。このような反応結合が繰り返され、蒸着重合・CVD・MLDの原理で膜がSAM上に選択成長する。SAMとしては、前記のアミノアルカンチオール以外にも適用可能な材料は種々ある。例えば、末端にカルボキシル基を有するジスルフィド化合物や末端にNH3活性エステル基を有するジスルフィド化合物を用いることができる。前者では、アミノ基を有する分子の導入により、また後者では、カルボキシル基を有する分子の導入により、アミド結合を形成し選択成長が開始される。また、末端にヒドロキシル基を有するチオール化合物により親水面が、一方,末端にハイドロカーボンを有するチオール化合物分子により疎水面が形成され、これを利用した選択成長が可能である。光学的透過性を向上させるためには、例えば、2、2ビス(3、4フェニルカルボキシル)ヘキサフロロプロパン2無水物(6FDA)と2、2ビス(4(4アシノフェノキシ)フェニル)ヘキサフロロプロパン(Bis−OAF)を用い、フッ素化ポリイミドを成長させることが有効である。A seed core formed with a Self-Assembled Monolayer (SAM) can also be used as the processing region. For example, an Au thin film is formed on a glass substrate by patterning (via an adhesion layer such as Cr, if necessary), and this is formed, for example, by 11-Amino-1-undecanethiol hydride, 8-Amino-1-octanethiohydrochloride. By immersing in an ethanol solution of aminoalkanethiol such as 6-Amino-1-hexanethiol hydrochloride, SAM can be formed on the surface of Au, and an amino group is present on the upper end of the SAM. When a molecule (for example, TPA) that reacts with an amino group is introduced, it binds to SAM. Next, when a different type of molecule (eg PDA) is introduced, it binds onto TPA. Such reactive bonding is repeated, and a film is selectively grown on the SAM by the principle of vapor deposition polymerization, CVD, and MLD. As the SAM, there are various applicable materials other than the aminoalkanethiol. For example, a disulfide compound having a carboxyl group at the terminal or a disulfide compound having an NH 3 active ester group at the terminal can be used. In the former, by introducing a molecule having an amino group, and in the latter, by introducing a molecule having a carboxyl group, an amide bond is formed and selective growth is started. Further, a hydrophilic surface is formed by a thiol compound having a hydroxyl group at a terminal, and a hydrophobic surface is formed by a thiol compound molecule having a hydrocarbon at a terminal, and selective growth using this is possible. In order to improve the optical transparency, for example, 2, 2 bis (3,4 phenylcarboxyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA) and 2, 2 bis (4 (4 asinophenoxy) phenyl) hexafluoropropane It is effective to grow fluorinated polyimide using (Bis-OAF).
上記SAMのパターンをフォトニッククリスタル状にすることにより、フォトニッククリスタルが自己組織化的ビルドアップされる。ポリマ柱のアレイからなるフォトニッククリスタル、ポリマにあいた穴のアレイからなるフォトニッククリスタルいずれも可能である。 By making the SAM pattern into a photonic crystal shape, the photonic crystal is self-organized and built up. Both a photonic crystal consisting of an array of polymer pillars and a photonic crystal consisting of an array of holes in the polymer are possible.
また、分子流に対して基板を傾け、成長部を斜めに成長させることにより、傾斜したフォトニッククリスタルを形成することも可能である。供給する分子のフローを処理領域表面に対し傾けることにより、フロー方向に配向した分子鎖を形成することも可能である。これを利用すると、3次元フォトニッククリスタルが形成可能となる。SiO2の斜め蒸着膜を処理領域として分子鎖を配向させることもできる。「T.Yoshimura et al.,Jpn.J.Appl.Phys. vol.31,pp.L980−L982,1992.」に詳しい説明がなされている。このような各種配向技術を併用することにより、成長膜の構造コントロールのバリエーションを拡大することができる。例えば、同じ材料を用いて部分的に屈折率変調・誘電率変調ができる。分子の選択的ブロッキングにより,一つの基板内で種々の傾き角・方向を有する面を形成することも可能である。It is also possible to form a tilted photonic crystal by tilting the substrate with respect to the molecular flow and growing the growth portion obliquely. It is also possible to form molecular chains oriented in the flow direction by tilting the flow of molecules to be supplied with respect to the surface of the treatment region. By utilizing this, a three-dimensional photonic crystal can be formed. The molecular chain can also be oriented using the SiO 2 oblique deposition film as a treatment region. “T. Yoshimura et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31, pp. L980-L982, 1992” is described in detail. By using such various alignment techniques in combination, the variation of the structure control of the growth film can be expanded. For example, refractive index modulation and dielectric constant modulation can be performed partially using the same material. By selectively blocking molecules, it is possible to form surfaces having various inclination angles and directions in one substrate.
図12に示すように異なるシードコアが必要な場合は、パターン化された保護膜を選択的に形成しながら異なる種類のSAMを選択的に形成する。あるいは、下地領域として、Au以外の材料、例えばPt、Cu、種々の半導体や酸化物などを適用し、選択吸着を利用することも可能である。ナノスケールパターンの形成には、STM(Scanning Tunneling Microscope)や近接場光学系などのナノ微細加工技術を応用したSPMリソグラフィの他、通常のEB露光やエキシマレーザ露光を用いたフォトリソグラフィ、さらには、ディップペンナノテクノロジなどの分子スケールの描画方式が有効である。 When different seed cores are required as shown in FIG. 12, different types of SAMs are selectively formed while selectively forming a patterned protective film. Alternatively, it is possible to use selective adsorption by applying a material other than Au, for example, Pt, Cu, various semiconductors, oxides, or the like as the base region. For the formation of nanoscale patterns, in addition to SPM lithography using nano-micromachining technology such as STM (Scanning Tunneling Microscope) and near-field optical system, photolithography using normal EB exposure and excimer laser exposure, Molecular-scale drawing methods such as dip pen nanotechnology are effective.
シードコアへの分子供給法として、蒸着重合やCVDのように反応分子をガス状に導入する方法とともに、液体に溶かした状態で供給する方法も適用可能である。また、前者において、複数種類の分子を切り替えながら特定の順序で供給するMLD法、後者において、複数種類の分子を切り替えながら特定の順序で供給する溶液MLD法が使用できる。これらにより、供給分子の種類を変えることにより分子鎖内部の分子の種類・配列に変調をかけた成長部の形成が可能である。例えば、低屈折率領域(フッ素化ポリイミド)/高屈折領域(ポリアゾメチン)/低屈折領域(フッ素化ポリイミド)構造により、導波路構造内装のフォトニッククリスタルが可能となる。分子鎖内部に分子オーダで制御された分子配列構造を付与することにより、非線形光学特性、発光/受光性能の制御、導電率やp型/n型の制御など、各種物性の制御が可能となる。フタロシアニン系、ポルフィリン系などの環状分子では、分子がシードコア表面に水平に向き積層成長する例もある。 As a method of supplying molecules to the seed core, a method of supplying reactive molecules in a gaseous state as well as a method of introducing reactive molecules in a gaseous state, such as vapor deposition polymerization or CVD, can be applied. In the former case, an MLD method in which a plurality of types of molecules are supplied in a specific order while switching, and in the latter case, a solution MLD method in which a plurality of types of molecules are supplied in a specific order while switching can be used. By these, it is possible to form a growth part in which the type and arrangement of molecules inside the molecular chain are modulated by changing the type of supply molecule. For example, a photonic crystal with a waveguide structure can be formed by a low refractive index region (fluorinated polyimide) / high refractive region (polyazomethine) / low refractive region (fluorinated polyimide) structure. By providing a molecular arrangement structure controlled in the molecular order inside the molecular chain, it is possible to control various physical properties such as nonlinear optical characteristics, control of light emission / light reception performance, and control of conductivity and p-type / n-type. . In the case of cyclic molecules such as phthalocyanine-based and porphyrin-based molecules, there are examples in which the molecules are horizontally stacked on the seed core surface.
分子鎖が、感分子機能、感光機能、感圧機能、感温機能、感電機能、プロテイン判別機能、分子捕獲・変換機能、発光機能、吸光機能などを有する場合はバイオ素子が形成される。あるいは下地処理膜、すなわちSAM自身に上記のような機能を付与することもできる。これにより、多くの機能が集積化されたバイオチップが実現できる。さらに、これまで述べてきたような電子・光素子と集積化することにより、バイオ機能と信号処理・ネットワーク機能などを備えたスマートなバイオ系マイクロ/ナノデバイス・システムが実現できる。 When the molecular chain has a molecular sensitive function, a photosensitive function, a pressure sensitive function, a temperature sensitive function, an electric shock function, a protein discrimination function, a molecular capture / conversion function, a light emitting function, a light absorbing function, etc., a bio element is formed. Alternatively, the above functions can be imparted to the base treatment film, that is, the SAM itself. Thereby, a biochip in which many functions are integrated can be realized. Furthermore, by integrating with electronic / optical elements as described above, a smart bio-based micro / nano device system having bio functions, signal processing / network functions, and the like can be realized.
つぎに、剥離部を設けて成長部を成長基板から分離する方法を例示する。第1の例は、処理領域および/またはシードコア上に分子を供給して分離可能な結合を形成し、つぎに成長部を形成、Catch−up基板でサポートした後、分離可能な結合を切断する方法である。例えば、図13に示すようなアミド結合やエステル結合を分離可能な結合として用いることができる。接合の切断は、加水分解を用いて行うことができる。加水分解は、希塩酸、希硫酸を混入しH+を含有させた水溶液に剥離部をさらすことにより生じる。アミド結合(ペプチド結合)の切断は、ペプシンなどの酵素・触媒をPH調整された水溶液に混入することにより、より効率的に進行させることができる。また、切断は、水蒸気にさらすことによっても可能である。剥離後、残留した処理領域および/またはシードコア上に、成長部を再生し、成長部の複製を行うことが可能である。Next, a method of separating the growth part from the growth substrate by providing a peeling part will be exemplified. In the first example, molecules are supplied onto the processing region and / or the seed core to form a separable bond, then a growth portion is formed, supported by a catch-up substrate, and then the separable bond is cut. Is the method. For example, an amide bond or an ester bond as shown in FIG. 13 can be used as a separable bond. The junction can be cut using hydrolysis. Hydrolysis is caused by exposing the peeled portion to an aqueous solution mixed with dilute hydrochloric acid and dilute sulfuric acid and containing H + . The cleavage of the amide bond (peptide bond) can proceed more efficiently by mixing an enzyme / catalyst such as pepsin into the aqueous solution adjusted in pH. Cutting is also possible by exposure to water vapor. After the peeling, it is possible to regenerate the growing part on the remaining processing region and / or the seed core and to replicate the growing part.
図14により詳細な例を示す。図14(a)は、Au上に10−Carboxy−1−decanethiol、7−Carboxy−1−hepanethiol、5−Carboxy−1−pentanethiolなどのSAMを形成し、処理領域および/またはシードコアの表面にCOOH基を配した例である。その上にNH2基を2つ持つ分子を飛来させ、アミド結合をつくることにより剥離部が形成される。最表面にはNH2基が配される。ここに、例えばTPAを飛来させると、NH2基とCHO基が反応し、2重結合が形成される。その後、MLD、溶液MLD、蒸着重合、有機CVDなどを用いて成長プロセスを継続することにより成長部を形成することができる。TPAのかわりにPMDAを用いた場合も、NH2基とPMDAが反応し、上記と同様なプロセスが可能となる。NCO基を持つ分子についても同様にNH2基と反応する。図14(b)は、処理領域および/またはシードコアの表面にCOOH基を配し、そこに、OH基を2つ持つ分子を飛来させ、エステル結合をつくることにより剥離部が形成された例である。この場合、最表面にはOH基が配される。その後、OH基と反応可能な分子を導入し、さらにMLD、溶液MLD、蒸着重合、有機CVDなどを用いて成長プロセスを継続することにより成長部を形成することができる。図14(c)は、Au上にアミノアルカンチオールなどのSAMを形成し、処理領域および/またはシードコアの表面にNH2基を配した例である。その上にCOOH基を2つ持つ分子を飛来させ、アミド結合をつくることにより剥離部が形成される。最表面にはCOOH基が配される。その後、COOH基と反応可能な分子を導入し、さらにMLD、溶液MLD、蒸着重合、有機CVDなどを用いて成長プロセスを継続することにより成長部を形成することができる。図14(d)は、Au上に11−Hydroxy−1−undecanethiol 、 8−Hydroxy−1−octanethiol 、6−Hydroxy−1−hexanethiolなどのSAMを形成し、処理領域および/またはシードコアの表面にOH基を配した例である。その上にCOOH基を2つ持つ分子を飛来させ、エステル結合をつくることにより剥離部が形成される。最表面にはCOOH基が配される。その後、COOH基と反応可能な分子を導入し、さらにMLD、溶液MLD、蒸着重合、有機CVDなどを用いて成長プロセスを継続することにより成長部を形成することができる。以上の例では、剥離部を処理領域および/またはシードコアと成長部の境界に形成したが、場合によっては、成長部の中に、形成することも可能である。A more detailed example is shown in FIG. FIG. 14A shows the formation of SAMs such as 10-Carboxy-1-decanethiol, 7-Carboxy-1-hepanethiol, 5-Carboxy-1-pentanethiol on Au, and COOH on the surface of the processing region and / or seed core. This is an example in which a group is arranged. A peeling part is formed by allowing a molecule having two NH 2 groups to fly thereon and forming an amide bond. An NH 2 group is arranged on the outermost surface. Here, for example, when TPA is introduced, the NH 2 group and the CHO group react to form a double bond. Thereafter, the growth portion can be formed by continuing the growth process using MLD, solution MLD, vapor deposition polymerization, organic CVD, or the like. Even when PMDA is used instead of TPA, the NH 2 group reacts with PMDA, and the same process as described above is possible. Molecules with NCO groups react similarly with NH 2 groups. FIG. 14B shows an example in which a COOH group is arranged on the surface of the treatment region and / or the seed core, a molecule having two OH groups is caused to fly there, and an exfoliation part is formed by creating an ester bond. is there. In this case, OH groups are arranged on the outermost surface. Thereafter, molecules capable of reacting with OH groups are introduced, and further, the growth part can be formed by continuing the growth process using MLD, solution MLD, vapor deposition polymerization, organic CVD, or the like. FIG. 14C shows an example in which a SAM such as aminoalkanethiol is formed on Au and NH 2 groups are arranged on the surface of the processing region and / or the seed core. A peeling part is formed by allowing a molecule having two COOH groups to fly thereon and creating an amide bond. COOH groups are arranged on the outermost surface. Thereafter, a molecule capable of reacting with a COOH group is introduced, and further, a growth portion can be formed by continuing the growth process using MLD, solution MLD, vapor deposition polymerization, organic CVD, or the like. FIG. 14 (d) shows the formation of SAMs such as 11-Hydroxy-1-undecanethiol, 8-Hydroxy-1-octanethiol, 6-Hydroxy-1-hexanethiol on Au, and OH on the surface of the processing region and / or the seed core. This is an example in which a group is arranged. A peeling part is formed by allowing a molecule having two COOH groups to fly thereon and creating an ester bond. COOH groups are arranged on the outermost surface. Thereafter, a molecule capable of reacting with a COOH group is introduced, and further, a growth portion can be formed by continuing the growth process using MLD, solution MLD, vapor deposition polymerization, organic CVD, or the like. In the above example, the peeling portion is formed at the processing region and / or the boundary between the seed core and the growth portion. However, depending on the case, it may be formed in the growth portion.
第2の例は、弱い結合で剥離部を形成し、つぎに成長部を形成、Catch−up基板でサポートした後、分離可能な結合を切断する方法である。この場合、成長部とCatch−up層との接着力が、処理領域および/またはシードコアと成長部の接着力より強いことが必要である。例えば、処理領域および/またはシードコアと成長部との間の結合がファンデアワールス力など弱いメカニズムで生じている場合、この条件を満たすことができる。 The second example is a method of forming a peeling portion with a weak bond, then forming a growth portion, and supporting it with a catch-up substrate, and then cutting the separable bond. In this case, it is necessary that the adhesive force between the growth part and the catch-up layer is stronger than the adhesive force between the processing region and / or the seed core and the growth part. For example, this condition can be satisfied when the bond between the processing region and / or the seed core and the growth part is caused by a weak mechanism such as van der Waals force.
上記例に示すように、処理領域および/またはシードコア表面の基の種類により、反応可能な分子が異なる。すなわち、表面がCOOH基からなるときは、NH2基やOH基を持つ分子とは反応するが、COOH基を持つ分子とは反応しない。表面がNH2基からなるときは、COOH基を持つ分子とは反応するが、NH2基を持つ分子とは反応しない。したがって、処理領域および/またはシードコアの一部をNH2基の表面、一部をCOOH基の表面とすることにより、成長部の選択形成が可能となる。例えば、COOH基を持つ分子を飛来させてNH2基の表面に選択結合(アミド結合)させる。つぎに、NH2基を持つ分子を飛来させてCOOH基の表面に選択結合(エステル結合)させる。これにより、異種の成長部が選択的に形成されることになる。これらを、直接、または追加の成長部を形成した後、Catch−up基板に接着し、アミド結合、エステル結合を切断することにより、成長部がCatch−up基板に移植できる。また、アミド結合、エステル結合の切断条件(温度、PH、酵素・触媒など)が異なることを利用して、異種の成長部を選択的にピックアップすることも可能である。As shown in the above example, the molecules capable of reacting differ depending on the type of group on the treatment region and / or the seed core surface. That is, when the surface is composed of COOH groups, it reacts with molecules having NH 2 groups or OH groups, but does not react with molecules having COOH groups. When the surface is composed of NH 2 groups, it reacts with molecules having COOH groups, but does not react with molecules having NH 2 groups. Therefore, by forming a part of the processing region and / or the seed core as the NH 2 group surface and a part as the COOH group surface, it is possible to selectively form the growth part. For example, a molecule having a COOH group is allowed to fly and selectively bond (amide bond) to the surface of the NH 2 group. Next, a molecule having an NH 2 group is allowed to fly and selectively bond (ester bond) to the surface of the COOH group. As a result, different kinds of growth portions are selectively formed. These can be directly or after forming an additional growth portion, adhered to the catch-up substrate, and the growth portion can be transplanted to the catch-up substrate by cleaving the amide bond and ester bond. It is also possible to selectively pick up different growth parts by utilizing the fact that the amide bond and ester bond cleavage conditions (temperature, PH, enzyme / catalyst, etc.) are different.
成長部とCatch−up基板との接合は、Catch−up層に通常の接着性材料を用いることにより実行できる。あるいは、Catch−up層表面に、成長部末端と反応可能な基を配置し、接合することもできる。また、本発明による移植技術により、従来薄膜素子に適用されていたSORT法を、本マイクロ/ナノデバイス・システムに適用した分子スケールSORT法に拡張することができる。これにより、各種素子が集積化されたマイクロ/ナノデバイス・システムの高生産性化が可能となる。 Bonding between the growth portion and the catch-up substrate can be performed by using a normal adhesive material for the catch-up layer. Alternatively, a group capable of reacting with the end of the growth part may be disposed on the surface of the catch-up layer and bonded. In addition, the transplant technique according to the present invention can expand the SORT method that has been applied to the conventional thin film element to the molecular scale SORT method applied to the present micro / nano device system. This makes it possible to increase the productivity of a micro / nano device system in which various elements are integrated.
[第10実施形態]
2つの光素子間のセルファライン光結合をSOLNETにより行う場合、両方の素子から書き込み光を入射させ両側照射タイプのSOLNETを形成する必要がある。この方法は、2つのファイバ間結合のような簡単な構造の場合は問題ないが、光回路網内部でのSOLNET形成や書き込み光を放射できない素子とのSOLNET形成では大きな問題となる。これを解決する方法の一つが反射型SOLNET(Reflective SOLNET)である(非特許文献1に詳述)。その概念図を図15に示す。結合する一方の素子の端面がその周辺より書き込み光に対して高い反射率を持つようにしておく。図15の例では、光素子として導波路/ファイバを考え、そのコア端面付近に波長フィルタが形成してある。この波長フィルタは、書き込み光に対する反射率が高く、信号光に対する透過率が高い特性を持つ。この構造に他方の光素子から書き込み光24を導入すると、それと端面からの反射書き込み光によりSOLNETが形成され、両側照射と同様のセルフアライン光結合が実現できる。すなわち、反射書き込み光が両側照射の片方の書き込み光の役割を果たすため、片側照射により両側照射と同様のセルフアライン効果が実現でできる。[Tenth embodiment]
When self-line optical coupling between two optical elements is performed by SOLNET, it is necessary to form writing light from both elements to form a double-sided irradiation type SOLNET. This method has no problem in the case of a simple structure such as coupling between two fibers, but becomes a serious problem in SOLNET formation inside an optical circuit network or SOLNET formation with an element that cannot emit write light. One of the methods for solving this is reflective SOLNET (Reflective SOLNET) (detailed in Non-Patent Document 1). The conceptual diagram is shown in FIG. The end face of one element to be coupled is set to have a higher reflectance with respect to the writing light than the periphery. In the example of FIG. 15, a waveguide / fiber is considered as an optical element, and a wavelength filter is formed in the vicinity of the core end face. This wavelength filter has high reflectivity for writing light and high transmittance for signal light. When the writing
図16に本発明による反射型SOLNETの例を示す。図16(a)では、光素子端面の反射部が湾曲している。これにより反射光の広がりが大きくなり、入射書き込み光との重なり領域が拡大できるため、位置ずれが大きい場合でも反射型SOLNET形成がしやすくなる。図16(b)では、反射端面を持つ光素子が複数配置されている。書き込み光24 1つだけで一度に複数の結合導波路を形成することができる。図16(c)は、一方の光素子がLD、VCSEL、PD、光スイッチ、光変調器、光アンプデバイス、フォトニッククリスタルなどで、書き込み光を放射することが困難な素子とのSOLNET形成例を示している。これらの光素子の信号光を導きたい場所に波長フィルタなど書き込み光反射率の大きい素子・材料を配置することにより、SOLNET形成が可能になる。特に、光素子がフォトニッククリスタルの場合、フォトニッククリスタル内の導波路部分に、他の領域と異なる格子点配置および/または格子点サイズからなるフォトニッククリスタル構造変調部51を配置することにより、書き込み光に対する反射率を増加させ、反射部を形成することができる。 FIG. 16 shows an example of a reflective SOLNET according to the present invention. In FIG. 16A, the reflection part on the end face of the optical element is curved. As a result, the spread of the reflected light is increased, and the overlapping area with the incident writing light can be enlarged, so that it is easy to form the reflective SOLNET even when the positional deviation is large. In FIG. 16B, a plurality of optical elements having reflection end faces are arranged. A plurality of coupled waveguides can be formed at a time with only one
図17は、多層の導波路からなる立体光回路の層間光結合に反射型SOLNETを適用した例である。ここでは導波路を有するフィルム52を積層した例を示す。導波路リフレクタ(ミラー、フィルタなど)により導波光が光路変更され、層間光結合が行われる。一方の層のリフレクタの位置に、波長フィルタを形成することにより、セルフアライン縦型導波路が形成できる。 FIG. 17 shows an example in which a reflective SOLNET is applied to interlayer optical coupling of a three-dimensional optical circuit composed of multilayer waveguides. Here, an example in which a film 52 having a waveguide is laminated is shown. The optical path of the guided light is changed by a waveguide reflector (mirror, filter, etc.), and interlayer optical coupling is performed. A self-aligned vertical waveguide can be formed by forming a wavelength filter at the position of the reflector of one layer.
図18は、第1−10の実施形態を組み合わせたマイクロ/ナノシステムの1例を表す概念図である。フォトニッククリスタルと薄膜ICの積層ユニットが他の光素子と集積化され、導波路で3次元的に接続されている。ここでは、フォトニッククリスタル内のビームサイズと導波路内のビームサイズが異なる場合を示した。フォトニッククリスタルと導波路、光素子53と導波路、および層間のOpticalZ−ConnectionはSOLNETにより形成されている。フォトニッククリスタルと導波路の間は、端面結合、または表面結合どちらでも良い。Reflective SOLNETを併用することによりシンプルなSOLNET形成プロセスが可能となる。薄膜ICを薄膜LSIとし、フォトニッククリスタル中に発光部、受光部を設けることにより、高密度なLSI内およびLSI間光インタコネクトが可能となる。また、フォトニッククリスタル内に光スイッチ、可変波長フィルタ、波長変換素子が内装されている場合、大規模光スイッチング、re−configurable光配線が可能となる。バイオ素子が集積化されている場合、マイクロ/ナノバイオシステムも可能となる。 FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating an example of a micro / nano system combining the first to tenth embodiments. A stacked unit of a photonic crystal and a thin film IC is integrated with another optical element and is three-dimensionally connected by a waveguide. Here, the case where the beam size in the photonic crystal is different from the beam size in the waveguide is shown. The photonic crystal and the waveguide, the optical element 53 and the waveguide, and the optical Z-Connection between the layers are formed by SOLNET. Between the photonic crystal and the waveguide, either end face coupling or surface coupling may be used. By using Reflective SOLNET in combination, a simple SOLNET formation process becomes possible. When the thin film IC is a thin film LSI and the light emitting part and the light receiving part are provided in the photonic crystal, high-density optical interconnection between LSIs and between LSIs is possible. Further, when an optical switch, a variable wavelength filter, and a wavelength conversion element are incorporated in the photonic crystal, large-scale optical switching and re-configurable optical wiring are possible. Micro / nano biosystems are also possible when bioelements are integrated.
以上のように、本発明に係る第1−10の実施形態によれば、マイクロ/ナノデバイスの高密度化と超小型光デバイスの電気的制御の自由度を高めることができる。あるいは、Cross/Bar/Add動作が可能な光スイッチを実現することができる。あるいは、高密度集積化されたオプトエレクトロニックマイクロ/ナノシステムを実現することができる。あるいは、簡便なSOLNET形成法を実現することができる。あるいは、ミラー面など種々のマイクロ/ナノデバイス・システムの構造を実現することができる。あるいは、低ロスの45°ミラーを実現することができる。あるいは、分子スケールの複製“Molecular Nano−Duplication(MND)”機能を持つMNDを実現し、マイクロ/ナノスケールで構築されたデバイス・システムの生産性向上およびマイクロ/ナノデバイス・システムの集積化を実現することができる。本明細に記されている発明を組み合わせることにより、種々のマイクロ/ナノシステムが構築できる。 As described above, according to the 1-10th embodiment of the present invention, it is possible to increase the degree of freedom of the micro / nano device density increase and the electrical control of the micro optical device. Alternatively, an optical switch capable of performing a Cross / Bar / Add operation can be realized. Alternatively, a highly integrated optoelectronic micro / nano system can be realized. Alternatively, a simple SOLNET forming method can be realized. Alternatively, various micro / nano device system structures such as mirror surfaces can be realized. Alternatively, a low-
、1 基板、2 フォトニッククリスタル、3 電極、4 対向電極、5 インタフェース層、6 配線、7 薄膜集積回路(IC)、8 フォトニッククリスタル中の導波路、9 入力導波路、10 クラッド、11 スラブ導波路、12 EOスラブ導波路、13a、b、c、d プリズム型電極、13e−o 分割導波路形状型電極、14 導波路レンズ、15 Add導波路、16 モード抽出器 17 信号光λ1、18 信号光λ2、19 出力導波路、20 導波路、21a 発光部、21b EL発光部、22 Photo−refractive(PR)材料、23a 刺激光、23b 電極、24 書込みビーム、25 透光性基板、26 遮光層、27 剥離層、28 下地フィルム、29a アンダクラッドシート、29b アンダクラッドシート硬化部、29c アンダクラッド、30a コアシート、30b コアシート硬化部、30c コア、31a オーバクラッドシート、31b オーバクラッドシート硬化部、32a Cover Mask−1、 32b Cover Mask−1、31c オーバクラッド、33 ミラーまたはフィルタ、34 クラッド、35 支持基板、36 フィルム導波路、37 光、40 成長基板、41a 処理領域および/またはシードコア、41b 処理領域および/またはシードコアI、41c 処理領域および/またはシードコアII、42 剥離部、43a 成長部、43b 成長部I、43c 成長部II、44 Catch−up基板、45 Catch−up層、46 導波路/ファイバ、47 波長フィルタ、48 Reflective SOLNET、49 LD/VCSEL/PD/光スイッチ/光変調器/光アンプデバイス/フォトニッククリスタル、50 フォトニッククリスタル、51 フォトニッククリスタル構造変調部、52 フィルム、53 光素子1 substrate 2 photonic crystal 3 electrode 4 counter electrode 5 interface layer 6 wiring 7 thin film integrated circuit (IC) 8 waveguide in photonic crystal 9 input waveguide 10 clad 11 slab Waveguide, 12 EO slab waveguide, 13a, b, c, d Prism type electrode, 13e-o Split waveguide shape type electrode, 14 Waveguide lens, 15 Add waveguide, 16 Mode extractor 17 Signal light λ1, 18 Signal light λ2, 19 output waveguide, 20 waveguide, 21a light emitting part, 21b EL light emitting part, 22 Photo-refractive (PR) material, 23a stimulation light, 23b electrode, 24 writing beam, 25 translucent substrate, 26 light shielding Layer, 27 release layer, 28 base film, 29a underclad sheet, 29b underclad Cured part, 29c underclad, 30a core sheet, 30b core sheet cured part, 30c core, 31a overclad sheet, 31b overclad sheet cured part, 32a Cover Mask-1, 32b Cover Mask-1, 31c overclad, 33 mirror or filter, 34 cladding, 35 support substrate, 36 film waveguide, 37 light, 40 growth substrate, 41a processing region and / or seed core, 41b processing region and / or seed core I, 41c processing region and / or seed core II, 42 exfoliation part, 43a growth part, 43b growth part I, 43c growth part II, 44 Catch-up substrate, 45 Catch-up layer, 46 waveguide / fiber, 47 wavelength filter, 48 Reflecti e SOLNET, 49 LD / VCSEL / PD / optical switch / optical modulator / optical amplifier device / photonic crystal, 50 a photonic crystal, 51 photonic crystal structure modulating unit, 52 film, 53 an optical element
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