JP2005266267A - 光制御素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合コアを形成し、コアの屈折率を等価的に向上させた光制御素子を提供する。
【解決手段】 コアを備え、クラッドがコアの外層部分をなす光制御素子１である。コアは複合コア１３を構成する。この複合コア１３は、電気光学材料又は非線形光学材料で形成された薄膜層１１と、薄膜層１１より光屈折率が高い薄膜層１２とが積層されて構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コアを備えクラッドがコアの外層部分をなす光制御素子に関する。

特許文献１には、ＳｉＯ_２などの低屈折率媒質上に発光素子が構成可能な半導体基板を接触した構成が開示されている。

特開２０００−２３２２５８公報

フォトニック結晶と呼ばれる波長程度の誘電体周期構造により、光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップを形成することや，強い分散性により特異な効果を示すフォトニック結晶特有の現象を利用することで、これまでとは異なる光制御素子や、これまでの光制御素子のサイズを劇的に小さくすることが可能であると期待されている。そして、フォトニックバンドギャップを利用した偏光分離素子、欠陥を導入した急激曲げが可能な光導波路や、低閾値レーザなど、多くの光制御素子が研究されている。

完全な光の制御には３次元方向に光を制御する必要があるが、３次元のフォトニック結晶を大面積で安定的に製造するには極めて高度な技術を要する。３次元構造と比較すると、面内に形成する２次元のフォトニック結晶は半導体プロセス技術を転用することで、比較的容易に形成することが可能である。すなわち、２次元面内にリソグラフィーでパターンを形成し、エッチングによりパターンを転写する方法で構成できる。２次元フォトニック結晶は、結晶を構成している面とは垂直方向の光閉じ込めを実現する必要があり、多くの場合スラブ構造が採用されている。スラブ構造とは低屈折率媒質上にサブミクロンの厚さを有する高屈折率媒質が形成されている構造である。フォトニック結晶では、その効果を顕著に示すために大きな屈折率差が必要であるため、屈折率が３程度である半導体が用いられることが多い。

半導体スラブ構造としては、犠牲層上に形成されたＧａＡｓ系やＩｎＰ系の化合物半導体やＳｉなどにフォトニック結晶を形成し、犠牲層を除去することで空気に露出するエアーブリッジ型の２次元フォトニック結晶や、ＳＯＩ基板によるＳｉとＳｉＯ_２との屈折率差を利用したものが、代表的な構造である。

しかしながら、エアーブリッジ構造は構造として脆弱であり、実用化という点では不向きな構造である。また、ＳＯＩ基板は土台がしっかりしているが、Ｓｉであるために光導波路の応用などの受動素子にしか用いることができない。

そこで、例えば、特許文献１では、ＳｉＯ_２などの低屈折率媒質上に発光素子が構成可能な半導体基板を接触した構成が開示されている。図１６は、その構成の概要図であり、ＧａＡｓからなるフォトニック結晶配列である周期配列穴１１７をもつ半導体光結晶１１３と表面にＳｉＯ_２からなる低屈折率誘電体層１１４を有するＧａＡｓ基板１１５が平面接触されている。これにより、半導体発光素子をフォトニック結晶で構成でき、構造もエアーブリッジよりも強固なものとなる。

しかし、フォトニック結晶配列に欠陥を導入した光導波路などを形成した場合では、スラブ型にすることで生じるライトラインよりも低周波数側にある導波バンドを使わないと、土台となる低屈折率媒質に光が漏れてしまう現象が生じてしまうと予想されている。屈折率差が大きければ、バンドは低周波数側にシフトするので、光の漏れない領域を大きく取ることができる。つまり、スラブ型の２次元フォトニック結晶配列を使う場合には、屈折率が比較的大きい半導体層を使う必要がある。

一方、光制御素子に用いられる材料として、半導体以外には有機材料、電気光学材料、非線形光学材料など多くの材料が利用されている。例えば、高速な光制御素子としては、ニオブ酸リチウムで構成された方向性結合器型光制御素子もしくはマッハツェンダー型光制御素子が一般的であり、製品化がされているが、素子の小型化や印加電圧低減などの課題もある。このような材料でフォトニック結晶配列を形成することができれば、素子の劇的な微小化や低電圧化が可能となると考えられる。

前述のように、これらの材料においても、３次元構造を形成することは困難である。さらに、これらの材料の多くは屈折率が２程度であるため、低屈折率媒質上に形成されたスラブ構造に２次元フォトニック結晶配列を形成しても、前述のライトラインの影響から利用できるフォトニックバンドギャップ部分は極めて小さくなってしまい、フォトニック結晶としての特有の効果を利用することが困難となってしまう。

本発明の目的は、複合コアを形成し、コアの屈折率を等価的に向上させた光制御素子を提供することである。

本発明は、コアを備えクラッドが当該コアの外層部分をなす光制御素子において、電気光学材料又は非線形光学材料を有する第１の層と、前記第１の層より光屈折率が高い第２の層と、を備え、前記第１の層と前記第２の層とが前記コアとなる複合コアを形成している、ことを特徴とする光制御素子である。

本発明によれば、電気光学材料または非線形光学材料を用いた第１の層と、これよりも大きな屈折率を持つ第２の層を組み合わせて複合コアとしているので、複合コアの等価的な屈折率を第１の層よりも大きくすることが可能となる光制御素子を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について複数例説明する。

図１は、本実施の形態の光制御素子１を模式的に示した構成図である。この光制御素子１コアを備え、空気層などのクラッドがコアの外層部分をなす構成である。符号１１は、電気光学材料または非線形光学材料から形成される薄膜層である（第１の層）。電気光学材料とは、電気を印加したときに屈折率などの光学特性が変化する材料であり、非線形光学材料とは、光学非線形定数が大きな材料である。薄膜層１２（第２の層）は、薄膜層１１よりも屈折率が高く、薄膜層１１と薄膜層１２は平面的に近接配置、又は、平面的に接触することで、複合コア１３を形成している。複合コア１３は、光制御素子１の前述のコアとなるものである。この複合コア１３の等価的な屈折率は、薄膜層１１と薄膜層１２との中間の屈折率となる。

ここで、等価的な屈折率というときの「等価的」ということの意味について説明する。すなわち、伝送路を形成しない媒質中を光が伝搬する場合、光のスピードは媒質中の屈折率（ｎ）の影響を受けて，ｃ_０／ｎ（ｃ_０：真空中の光速）で伝搬する。ところが，全反射による伝送路を形成した場合，進行方向とは垂直方向に定在波を形成し（モードを形成し）、コアとクラッドの屈折率の影響を受けて光が伝搬する。この定在波が感じる屈折率のことを「等価屈折率」と表現する。

一般的には、等価屈折率はコアとクラッドの屈折率の間の値を取る。見方を変えると、コアとクラッドから形成される伝送路を伝搬する光は、この等価屈折率（ｎ_ｅｑ）の媒質内を伝搬する光に置き換えて考えることができ、光のスピードはｃ_０／ｎ_ｅｑで伝搬すると表現することができる。

光を光線として感覚的に述べると、全反射が許される角度内でモードが形成できる２つの角度が存在した場合、大きな角度で光が入射したときのほうが小さな角度で光が入射した場合と比較して界面での反射回数が多くなる。つまり、そのぶん光が遅く伝送路内を伝搬することになる。

このことを波動的に表現すると、光のスピードが遅くなることは、伝送路内で光のモードが感じる屈折率が大きくなることに相当し、モードによって感じる屈折率が異なることを意味する。

本実施の形態のように複合コア１３を用いた場合にも同じように考えることができる。例えば、屈折率が低／高／低で形成される複合コアで１３があれば、図２に示すように、複合コアで無い場合と比較して光が遅く伝搬することになる。つまり伝送路を伝搬する光が感じる屈折率が「等価的に」大きくなったように伝搬すると考えられる。

等価屈折率が大きな伝送路では、光が強く閉じ込められるため（このことは波動の性質であるので、光線では説明できず、その点で論理に飛躍があることに注意を要する）、後述のようにフォトニック結晶を構成した場合に性能向上が見込める。

等価屈折率の意味がこのようなものであるとすると、複合コア１３が複合コア１３の等価屈折率よりも低い屈折率をもつ基板上に配置され、もしくは低い屈折率の基板上に挟まれて配置されることで（図１において基板は図示せず）、空気もしくは低屈折率基板をクラッドとして光導波路を形成し、複合コア１３内を全反射により、層厚方向とは垂直方向、基板に沿って光は伝搬する。

複合コア１３の等価屈折率が薄膜層１１の屈折率よりも高くなるために、この複合コア１３を伝搬する光は、単に電気光学材料による薄膜層１１を伝搬する光が受ける屈折率よりも高い屈折率を受けながら伝搬する。

このような構成をとることで、コア１３として屈折率が小さい材料も、屈折率が大きな材料と組み合わせることで等価的な屈折率を上昇させることができ、光閉じ込めを大きくすることができる。

そして、薄膜層１１と薄膜層１２との層厚を制御することで、複合コア１３の等価屈折率を薄膜層１１と薄膜層１２との屈折率の間で制御することが可能となる。

前述の電気光学材料とは、電界を印加したときに屈折率などの光学特性が変化する材料であり、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸チタン、ＫＴＰ等の無機結晶、ＰＺＴ，ＰＺＬＴ等のセラミックス、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダストなどの有機分子または有機結晶、さらには量子井戸構造を有する半導体結晶を用いることができる。

前述の非線形光学材料とは、光放射に対して、強く非線形な誘電的応答機能を持つ光学材料であり、非線形分極を利用して光高調波発生、光混合、光パラメトリック発振などに用いられる材料である。

前述の非線形光学材料は、大きな２次の非線形定数を有し、好ましくは２次の非線形定数が０．０１ｐｍ/Ｖ以上であり、より好ましくは２次の非線形定数が１ｐｍ/Ｖ以上の材料である。または前述の非線形材料は、大きな３次の非線形定数を有し、好ましくは３次の非線形定数が０．０１×１０^−２２ｍ^２／Ｖ^２であり、より好ましくは３次の非線形定数が１×１０^−２２ｍ^２／Ｖ^２である材料である。

前述の材料としては、無機光学材料として、ＡＤＰ（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ＤＫＤＰ（ＫＤ_２ＰＯ_４）、ＲＤＰ（ＲｂＨ_２ＰＯ_４）、ＲＤＡ（ＲｂＨ_２ＡｓＯ_４）、ＬＮ、ＬＴ、ＫＮ、ＫＴ、ＢＮＮ、ＳＢＮ、ＬＩ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢＳＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ａｇ_３ＡｓＳ_３、Ａｇ_３ＳｂＳ_３、ＡｇＧａＳ_２、ＡｇＧａＳｅ_２、ＺｎＧｅＰ_２、ＧｄＧｅＡｓ_２、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０、Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０、Ｂｉ_１２ＴｉＯ_２０、ＫＴｉＯＡｓＯ_４、ＫＴｉＯＰＯ_４、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＫＴａＯ_３、ＫＴａ_０．６５Ｎｂ_０．３５Ｏ_３、Ｃｄ_２Ｎｂ_２Ｏ_７、ＬａＢＧｅＯ_５、セラミックスとしてＰＺＴ、ＰＬＺＴ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ、Ｚｎ、ＳｅのＩＩＩ‐Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族半導体混晶である半導体量子井戸構造、有機光学材料として、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダスト、ポリジアセチレン、低分子系２次非線形光学材料として、ｍＮＡ、ＭＮＡ、ＭＡＰ、ＰＯＭ、ＤＡＮ、ＤＩＶＡ、ＮＰＰ、ＣＯＡＮＰ、ＭＮＢＡ、ＭＭＯＮＳ、ＭＢＡＮＰ、ＴＣ−２８、ＤＮＢＢ、ＤＭＮＰ、ＭＮＡ、ＭＮＰ、ＭＭＮＡ、ＰＣＮＢ、ＥＣＮＢ、ＩＰＭＰＵ，ＥＣＰＭＤＡ、ｐ−ＮＭＤＡ、ＭＮＰＭＤＡ、４ＮｐＮａ、高分子系２次非線形光学材料として、ホストゲスト系材料、高分子側錯あるいは主錯にＮＬＯ基を化学結合した修飾型材料、架橋系材料があり、ホストゲスト系材料として、ホストポリマー（ＬＣＰ、ＰＭＭＡ、ＰＯＥ、Ｐｏｌｙ（Ｖｐ−ｃｏ−Ｓｔ）、ＰＶＰ、ＰＲＯ、ＰＣＬ、ＰＢＳＳｅ、ＰＢＤＧ）とゲスト色素（ＤＡＮＳ、ＤＡＮＳ_３３、ＤＲ１、ＤＣＶ、ＴＣＶ、ｐ−ＮＭＤＡ、ｐ−ＮＡ、ｐ−ＤＭＮＰ、ＣＰＡＢＭＣＡ、ＭＮＡ）の組み合わせ、高分子側錯あるいは主錯にＮＬＯ基を化学結合した修飾型材料で、ＮＬＯポリマーとして、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＤＲ１）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＤＡＳＰ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＮＰＰ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ＨＮＳ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−ＤＣＶ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ｃｏ−ＭＡＡＢ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ｃｏ−ＭＡＢＡ）、Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ｃｏ−ＭＡ−ＣＭ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−ＤＲ１）、Ｐｏｌｙ（ｏｒｇａｎｏｐｈｏ−ｓｐｈａｚｅｎｅ−ＡＮＳ）、ＰＰＮＡ、Ｐｏｌｙ（ＶＡ−ｃｏ−Ｖａｔ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＶＡｃ−ｃｏ−Ｖａｔ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＳＴ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ＮＡ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−２Ｒ）、Ｐｏｌｙ（ＭＭＳ−ｃｏ−ＭＭＡ−３Ｒ）、Ｐ６ＣＳ/ＭＭＡ、ポリアリルアミン、ｐＮＡ−ＥＧ、ＰＭＭＡ/ＭＮＡ、ｐＮＡ−ＰＶＡ、Ｐｏｌｙ（ＶＤＣＮ−ｃｏ−ＶＡｃ）、ＭＳＭＡ、架橋系材料として、（架橋モノマーポリマー、ＮＬＯ色素）の組み合わせで、（Ｂｉｓ‐Ａ、ＮＰＤＡ）、（Ｂｉｓ‐Ａ、ＡＮＴ）、（ＮＮＤＮ、ＮＡＮ）、（ＤＧＥ＋ＰＳ（Ｏ）、ＮＰＰ）、（ＰＶＣＮ、ＣＮＮＢ−Ｒ）、ＬＢ膜材料として、ＤＣＡＭＰ、ＦＡ６、ＰＯ８６、ＡＯＤＡ、ＴＭＳＣ、Ｐｏｌｙ（ＨＥＡ−ｃｏ−Ａ−ＡＳＢ）、ＰｔＢＭ、高分子系３次非線形光学材料として、ポリジアセチレン（ＰＴＳ、ＴＣＤＵ、ＤＣＨＤＦＭＰ、ＢＴＦＰ、ｍＢＣＭＵ）、ポリアセチレン誘導体、ポリフェニルアセチレン誘導体、ポリアリレンビニレン（ＰＰＶ、ＰＴＶ、ＭＯ−ＰＰＶ、ＰＦＶ）、ポリチオフェン、アヌレン類、フタロシアニン、フラーレン、などがある。

これらの材料の多くは屈折率が高くても２．５程度であり、半導体のような屈折率が３を超える材料は少ないため、これを単独で薄膜化し、ＳｉＯ_２などの低屈折率媒質上に形成しても屈折率差が大きく取ることができない。

等価的な屈折率差を大きくする必要がある光制御素子１は、このような材料と屈折率が高い材料とで形成される上記の複合コア１３の構造により実現できる。

これにより、高い屈折率差を保ちながら、電気光学材料や非線形光学材料が有する光学特性を利用することが可能となる。

電気光学材料や非線形光学材料が有する光学特性は、例えば、電界印加や光照射による屈折率変調の特性や非線形特性を利用した波長変換などの現象を利用することが可能となる。

これは、量子井戸構造を持たせた半導体により、屈折率変調などを起こさせることは可能であるが、光変調特性などでは電気光学材料を用いた光制御素子と同等か若干劣る面も多い。そのため、屈折率差を等価的に大きくし、電気光学効果や非線形光学効果を利用した光素子を本実施の形態により構成できる。

次に、別の実施の形態について説明する。

図３は、本実施の形態の光制御素子１を模式的に示した構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。図１の実施の形態と同一の部材などには同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。

図３の例においても、電気光学材料または非線形光学材料から形成される薄膜層１１と、薄膜層１１より高い屈折率をもつ薄膜層１２とを備え、薄膜層１２は薄膜層１１と平面的に近接配置、もしくは平面的に接触することで複合コア１３が形成されている。この複合コア１３が複合コア１３の等価屈折率よりも低い屈折率をもつ基板上に形成され、もしくは低い屈折率の基板上に挟まれた配置を形成されることで（基板については後述）、空気もしくは低屈折率基板をクラッドとして光導波路を形成し、複合コア内を全反射により、層厚方向とは垂直方向、基板に沿って光は伝搬する。

図３の光制御素子１が図１のものと相違するのは、複合コア１３に２次元フォトニック結晶配列構造が形成されていることである。この例でのフォトニック結晶は、複合コア１３の層厚方向に貫通する円孔２１の３角配列により構成されている。

フォトニック結晶配列構造は、周期構造を調整することで、光の禁制体であるフォトニックバンドギャップを持たせることが可能である。フォトニック結晶の特性は、基板と形成された構造体(ここでは空気円孔)の誘電率の差、その配置、光の波長と構造体の大きさ、構造体間の距離などによって決定される。そのため、これらのどれかを変化させれば、フォトニック結晶の特性を変化させることができる。

フォトニック結晶配列構造としては、円孔２１のほかにも、誘電体ピラーで周囲が低屈折率媒質である構造でも良い。また誘電体周期構造は、円孔形状である必要はなく、多角形形状の孔として構成しても良い。

また、図４に示すように、フォトニック結晶配列構造の一部に線状にフォトニック結晶配列構造の配列を無くすことで（符号２２部分）、線欠陥構造を設けることで光導波路を形成できる。

このような２次元フォトニック結晶は、層厚方向は全反射により光を閉じ込め、層が形成されている部分にフォトニック結晶が形成されている。そして、層厚方向が全反射によって光を閉じ込めているので、伝搬光の波数によっては光閉じ込めができなくなる場合がある。全反射による光閉じ込めができなくなるのは、光が閉じ込められている部分において波数が大きく変化する場合や、大きな波数分布をもったモードが励振されてしまう場合である。この現象は、上下のクラッドとなる部分の材料の屈折率に大きく影響され、この部分とコア部分の屈折率差によって、全反射による光閉じ込めが無効になるかどうかが決定される。フォトニックバンド図内でライトラインとよばれるクラッド部分の屈折率によって決定される直線よりも、下の部分にフォトニックバンド構造が存在すれば、その部分での光閉じ込めが無効にならずに、２次元フォトニック結晶が有効に作用することになる。

つまり、フォトニック結晶の効果を利用するためには、フォトニックバンドギャップを大きく開かせ、さらにライトラインよりも低周波数側に存在させる必要がある。フォトニック結晶配列において、フォトニックバンドギャップを大きく開かせるためには、屈折率差が必要となる。さらに、前述のライトライン以下でフォトニックバンドギャップを開かせるためにも、バンドギャップ自体を低周波数側に移動させる必要がある。

図５に、平面波展開法を用いた計算機シミュレーション結果を示す。２次元フォトニック結晶配列を仮定して、屈折率１の円孔２１が、屈折率３と屈折率２の基板に設けていると仮定して計算した。ＴＥ偏光について計算してある。屈折率３に対応するバンド図が図５（ａ）であり、屈折率２に対応するバンド図が図５（ｂ）である。横軸のあらゆる波数に対して、規格化周波数が存在しない部分がフォトニックバンドギャップである。屈折率２に対して、屈折率３ではフォトニックバンドギャップ自体が低周波数側に移動し、ギャップ自体も大きくなっていることがわかる。このことから、フォトニック結晶配列が形成されている部分での屈折率差が大きいことが、フォトニック結晶による光制御素子の特性と、設計トレランスに大きく影響しており、屈折率差を大きくとる必要があることがわかる。

２次元フォトニック結晶配列構造の構成は具体的には以下のようにして実現できる。例えば、上記複合コア１３に光の半波長程度の円孔２１を半導体プロセスによるリソグラフィーとエッチングで形成することができる。リソグラフィーには、レジスト上に電子ビーム露光や短波長のフォトリソグラフィーなどでパターンニングすることで可能である。また、エッチングはドライエッチング技術を用いることで、レジストパターンを転写することができる。

より具体的には、高い屈折率を持つ薄膜層にＳｉを用いた場合、フォトリソグラフィーや電子ビーム露光により、１μｍ以下の微小円孔をレジストにパターンニングし、それをフロン系のエッチングガスにより、レジストをマスクとしてドライエッチングすることにより、フォトニック結晶配列を形成することができる。この場合、薄膜層は１μｍ以下の極めて薄いものであるので、高アスペクト比を与えるエッチングプロセスは必要なく、容易に形成することができる。

また、電気光学材料としてニオブ酸リチウム（ＬＮ）を利用する場合であれば、そのＺ軸カット結晶基板の表面を、ＣＦ系ガスに対してメタルマスクを用いてドライエッチングする。これにより、１μｍ以下の深さの微細孔を形成することができる。シリコンとの組み合わせであれば、共通のガスを用いることができるのでより好ましいが、ガスを変えてエッチングしても、前述の微細孔を形成することは可能である。

あらかじめ、ＬＮの微細孔付近の上下部分や、微細孔に電極を設けておくと、微小空間に強電解を印加することができ、より効果的である。さらに、シリコン上に電気駆動素子を設けており、エレクトロフォレシスによりＬＮ上の電極とシリコン上の電気駆動素子との電気的接続を行い、複合基板による電気駆動素子一体型の光制御素子を作製することができる。

ニオブ酸リチウムのかわりに、ニオブ酸チタン，ＫＴＰ、ＳＢＮ（Ｓｒ：ストロンチウム、Ｂａ：バリウム、Ｎｂ：ニオブの複合酸化物）、チタン酸バリウム等の無機結晶や高屈折率の有機材料、もしくはＰＺＴ，ＰＺＬＴ、チタン酸バリウム等の無機セラミックスに対して、同様にドライエッチングにより微細孔を作製してもよい。また、シリコン基板のかわりに、ＬＮ基板、ＭｇＯドープＬＮ基板、ＧａＡｓ基板、その他の基板を用いてもよい。さらに、これらＬＮのフォトニック結晶の一部に、プロトン拡散またはチタン拡散による導波路を設けたり、ダイシングやドライエッチによるリッジ形または埋め込み形導波路を作製したりしてもよい。

また、ＬＮやＰＺＴの薄膜またはフォトニック結晶構造薄膜は、結晶を用いることに限定されるわけではなく、ゾルゲル法を用いた前駆体およびその前駆体のドライエッチングにより作製してもよい。さらに、シリコン上にドライエッチングにより形成した微細孔に液晶を充填してもよい。このとき、液晶の配向を基板に対して垂直な方向とし、横電界を印加することにより作製した、液晶フォトニック結晶を用いることも効果的である。さらには、単なる基板ではなく、ＬＮ基板のような電気光学効果を有する基板に液晶を部分的に充填して、複合的に電気光学効果を生じさせてもよい。

別の実施の形態について説明する。

図６は、本実施の形態の光制御素子１を模式的に示した縦断面図である。図３、図４の実施の形態と同一の部材などには同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。

図６において、電気光学材料または非線形光学材料による薄膜層１１と、薄膜層１１よりも屈折率が高い薄膜層１２の２層は、平面的に近接配置、もしくは平面的に接触することで複合コア１３を形成しているが、この複合コア１３が基板上３１に接して配置されており、この基板３１は薄膜層１１よりも低い屈折率で構成されている。基板３１上に複合コア１３を形成するときは、図６のように薄膜層１１、薄膜層１２をこの順に順次形成してもよいし、図７のように薄膜層１２、薄膜層１１をこの順に順次形成してもよい。

基板３１の具体的な構成としては、ＳｉＯ_２やガラスを用いた基板や、Ｓｉ上に１μｍ以上の膜厚を持つＳｉＯ_２もしくは有機材料層が形成された基板を用いることができる。

この基板３１の低屈折率部分と空気とをクラッドとして光導波路が形成される。光導波路を形成する方法としては、低屈折率層で挟み込む構造でもよいし、空気に複合コア１３が露出されたエアーブリッジ構造でもよい。

複合コア１３に前述のフォトニック結晶配列構造を形成することで、スラブ型２次元フォトニック結晶を形成することができる。

この複合コア１３は薄膜層１１の屈折率よりも大きな等価屈折率を有するために、光は複合コア１３内に強く閉じ込められるので、前述のような低屈折率媒質によるライトラインの影響から生じる低屈折率媒質方向への光の漏れがなくなるか、もしくは少なくなる。

この構造は以下のようにして実現できる。例えば、電子回路に用いられる、屈折率１．４５のＳｉＯ_２上に形成された波長以下の厚みのＳｉ薄膜をもつＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を用い、最上部の１００ｎｍ程度のＳｉ層に電気光学材料の薄膜を接合する。電気光学材料の薄膜は、例えば、ニオブ酸リチウムなどの電気光学材料の基板に、プロトンやヘリウムイオンなどの陽イオンを、イオン注入装置で打ち込んだ基板を加熱することで、イオン打ち込み部分から電気光学材料薄膜層が分離させることで、形成できる。薄膜層の厚さはイオン注入エネルギーを調整することで、数１００ｎｍの膜厚を実現できる。これを利用すると、イオン注入された電気光学材料基板とＳＯＩ基板を接合し、その基板を加熱することで、イオン注入された部分で電気光学材料は分離され、Ｓｉ層上に電気光学材料の薄膜層が形成される。この薄膜層は５００ｎｍ以下の薄膜層である。そして、電気光学材料薄膜層の面と低屈折率媒質層とを接合し、ＳＯＩ基板のシリコン層を研磨とウェットエッチングにより除去、さらにＳｉＯ_２層をウェットエッチングにより除去する。接合には真空中で接合する常温接合やプラズマ活性化接合、ウェハ融着技術などを用いることが可能である。その後、リソグラフィーとエッチングにより２次元フォトニック結晶配列を形成することで、構造を実現することができる。最後のＳｉＯ_２層は除去する必要はなく、除去しない場合には後述の保護層７１になる。接合は、加熱接合や超高真空装置を用いた常温接合などの方法で実現できる。低屈折率媒質としてはＳｉＯ_２やガラスなどを用いることができる。電気光学材料として、例えばニオブ酸リチウムを用いた場合であれば、熱膨張係数がほとんど同じであるＳｉＯ_２層との接合により、接合後の薄膜の加熱分離において、熱膨張による層分離がおきにくい。

別の実施の形態について説明する。

図８は、本実施の形態の光制御素子１を模式的に示した縦断面図である。図６、図７の実施の形態と同一の部材などには同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。

図８において、光制御素子１は、複合コア１３は、電気光学材料による薄膜層１１に、それよりも高い屈折率を持つ薄膜層１２が挟まれて積層された構造である。

このような構造により、複合コア１３内の屈折率分布がコア中心から対称な形状になるので、光導波路としてより安定した動作が期待できる。

光パワーは高屈折率薄膜層に集中するが、高屈折率層が１００ｎｍ程度の極めて薄い層であれば、コア内を伝搬する光モードは電気光学薄膜層へ広がりながら伝搬するため、電気光学材料または非線形光学材料の特性を伝搬光は受けることができる。

また、図９に示すように、複合コア１３は、薄膜層１２に薄膜層１１が挟まれて積層された構造としてもよい。

このような構造により、複合コア１３内の屈折率分布がコア中心から対称な形状になるので、光導波路としてより安定した動作が期待できる。

図８の構造と比較して、図９の構造では、光パワーの集中した部分に電気光学材料の薄膜層１１が存在するために、電気光学材料または非線形光学材料の特性を伝搬光が十分に受けることができる。

別の実施の形態について説明する。

図９は、本実施の形態の光制御素子１を模式的に示した縦断面図である。図６、図７の実施の形態と同一の部材などには同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。

図９の光制御素子１は、電気光学材料または非線形光学材料から形成される薄膜層１１と、薄膜層１１よりも高い屈折率をもつ薄膜層１２、４１とが、複合コア１３を形成している。薄膜層１２の屈折率よりも薄膜層４１（第３の層）の屈折率が高い。そして、薄膜層１１よりも低い屈折率を持つ基板上３１に、薄膜層４１，１１，１２の順で平面的に近接配置もしくは平面的に接触して構成されている。

このような構造であれば、複合コア１３を構成する薄膜に三種類の材料を使うことができ、複合コア１３の等価屈折率も薄膜層１１よりも大きな値を取ることができる。

このように複合コア１３に３種類の材料を用いることができれば、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系などの半導体発光材料を用いることが可能となる。また、電気光学効果と非線形効果のどちらかが大きい材料を同時に光導波路のコアとしても用いることができる。このときに、Ｓｉなどの屈折率が高い媒質を用いることで、複合コア１３の屈折率を向上させることができる。

また、図１０に示すような薄膜層の配置であれば、電気光学材料が複合コア１３の中央に存在するために、導波光の光パワーが集中しているので、電気光学効果などの特性による影響を大きくすることができる。

また、この配置であると、薄膜層１２が最表面であるので、薄膜層１２への光照射などが可能となり、薄膜層１２を半導体発光材料としたときにも効果がある。

また、次のように構成してもよい。すなわち、図１１に示すように、基板上３１に、図１０の例とは異なり、薄膜層１２，１１，４１の順で各薄膜層を平面的に近接配置もしくは平面的に接触して構成する。

図１１に示すような薄膜層の配置であれば、電気光学材料が複合コア１３の中央に存在するために、導波光の光パワーが集中しているので、電気光学効果などの特性による影響を大きくすることができる。また、この配置であると、薄膜層１２への光パワー分布も図７と比較して大きくなるので、薄膜層１２を半導体発光材料としたときにも効果がある。

さらに、次のように構成してもよい。すなわち、図１２に示すように、基板上３１に、図１０、図１１の例とは異なり、薄膜層１２，４１，１１の順で各薄膜層を平面的に近接配置もしくは平面的に接触して構成する。

図１２に示すような薄膜層の配置であれば、最も高い屈折率を持つ薄膜層４１が複合コア１３の中央に存在するために、導波光のモード形状をシンプルな形に保つことができ、安定した導波光の伝搬が可能となる。

また、薄膜層４１を十分に薄くすることで、光パワーを薄膜層１２に分配しながら光伝搬させることが可能となるので、電気光学効果等の光特性変化を起こさせることができる。

別の実施の形態について説明する。

図１３（ａ）は、本実施の形態の光制御素子１を模式的に示した縦断面図である。図９の実施の形態と同一の部材などには同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。

図１３の構成では、複合コアとして電気光学材料による薄膜層１１が、屈折率が徐々に変化する多層膜から形成される屈折率変化層５１（第４の層）に挟まれ、複合コア１３を形成する構造である。屈折率変化層１４には、誘電体多層膜、半導体多層膜、有機膜などを用いることができる。

図１３では、屈折率がコア中央に向かって徐々に屈折率が高くなる構造であり、複合コア１３としての等価屈折率が薄膜層１１よりも大きくなるような屈折率分布をしている。
この構造により光パワーは安定して複合コア内に分布することになる。

前述の各実施の形態において、複合コアを形成する各薄膜層１１，１２，４１，５１の層間に、当該薄膜層１１，１２，４１，５１同士の直接接合を防止するバッファ層６１を挟み込むようにしてもよい。

これは、例えば、異なる材料基板上にＳｉＯ_２などをスパッタリングにより１００ｎｍ以下の厚みに製膜し、製膜した部分同士を接合することで、複合コア１３を形成する。この場合、膜厚を５０ｎｍ以下にすることで、バッファ層に低屈折率材料を用いても透過屈折率を低下させずに、複合コアを形成できる。

また、前述の各実施の形態において、複合コア１３の上部、すなわち、複合コア１３の基板３１に設けられた側とは反対側の面に複合コア１３を保護する保護層７１を設けてもよい。保護層７１の材料には、複合コア１３が配置されている基板３１の屈折率と同一屈折率を材料が好ましい。より好ましくは、材料自体も基板３１と同一とするのが良い。

フォトニック結晶配列構造は、この保護層７１を含むクラッド層をも含めて形成した構成でもかまわず、むしろこのような構成であれば、クラッド部分の等価屈折率も同時に低下するので、ライトラインによる影響も緩和できる。

さらに、前述の各実施の形態において、複合コア１３の全体にフォトニック結晶配列構造（円孔２１など）を形成する必要はなく、複合コア１３を形成する一部の薄膜層にだけ、フォトニック結晶配列を形成し、他の薄膜層には形成しないようにしてもよい。

これにより、円孔２１もしくはピラー構造を形成したときに生じる屈折率の低下を抑えることが可能となる。

また、屈折率分布を図１３（ｂ）に示す。屈折率変化層５１の最小屈折率がクラッド３１の屈折率よりも高ければ、薄膜層１１の屈折率は最大屈折率と比較して大きい場合、等しい場合、小さい場合のいずれの場合でも良い。
薄膜層１１の屈折率が低くても屈折率変化層５１の最大屈折率が十分に大きければ、等価屈折率としてのコアの屈折率は大きくなるので、光をより強く閉じ込めることが可能となる。

本実施の形態の光制御素子の複合コアの断面図である。 等価的な屈折率というときの「等価的」ということの意味について説明する説明図である。 フォトニック結晶配列構造である円孔を形成した複合コアの断面図（ａ）、平面図（ｂ）である。 複合コアからフォトニック結晶配列構造の一部に線状にフォトニック結晶配列構造の配列を無くした構成例を示す平面図である。 平面波展開法を用いた計算機シミュレーション結果を示す説明図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 光制御素子の他の構成例を示す断面図である。 特許文献１に開示の技術の説明図である。

符号の説明

１ 光制御素子
１１ 第１の層
１２ 第２の層
２１ フォトニック結晶配列構造（円孔）
３１ 基板
４１ 第３の層
５１ 第４の層
６１ バッファ層
７１ 保護層

Claims (13)

1. コアを備えクラッドが当該コアの外層部分をなす光制御素子において、
   電気光学材料又は非線形光学材料を有する第１の層と、
   前記第１の層より光屈折率が高い第２の層と、
   を備え、
   前記第１の層と前記第２の層とが前記コアとなる複合コアを形成している、
   ことを特徴とする光制御素子。
2. 前記複合コアには、フォトニック結晶配列構造が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光制御素子。
3. 前記第１の層よりも低い屈折率を持つ基板上に、前記複合コアの前記第１の層、前記第２の層が順次積層されて形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
4. 前記第１の層よりも低い屈折率を持つ基板上に、前記複合コアの前記第２の層、前記第１の層が順次積層されて形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
5. 前記複合コアは、前記第２の層が２枚の前記第１の層により挟み込まれて形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
6. 前記複合コアは、前記第１の層が２枚の前記第２の層により挟み込まれて形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
7. 前記第１及び第２の層より屈折率が高い第３の層が前記第１の層と前記第２の層とともに前記複合コアを形成していて、
   前記第１の層よりも低い屈折率を持つ基板上に、前記第３の層、前記第１の層、及び前記第２の層が順次積層されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
8. 前記第１及び第２の層より屈折率が高い第３の層が前記第１の層と前記第２の層とともに前記複合コアを形成していて、
   前記第１の層よりも低い屈折率を持つ基板上に、前記第２の層、前記第１の層、及び前記第３の層が順次積層されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
9. 前記第１及び第２の層より屈折率が高い第３の層が前記第１の層と前記第２の層とともに前記複合コアを形成していて、
   前記第１の層よりも低い屈折率を持つ基板上に、前記第２の層、前記第３の層、及び前記第１の層が順次積層されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光制御素子。
10. 前記複合コアは、前記第１の層が前記第２の層に代えて屈折率が徐々に変化する多層膜から形成される２つの第４の層により挟み込まれて形成されている、ことを特徴とする請求項６に記載の光制御素子。
11. 前記複合コアを形成する前記第１、第２、第３、及び第４の層の各間に当該各層間の直接接合を防止するバッファ層を設けている、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかの一に記載の光制御素子。
12. 前記複合コアの前記基板に設けられた側とは反対側の面に当該複合コアを保護する保護層を設けている、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの一に記載の光制御素子。
13. 前記複合コアは、前記第１、第２、第３、及び第４の層のうち一部の層に前記フォトニック結晶配列構造が形成され、他の層には形成されていない、ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかの一に記載の光制御素子。
    

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