JP2007003969A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で高性能な光学素子を提供する。
【解決手段】 開口３１と、少なくとも一方の表面３０ａに周期的に形成された凹凸形状（同心円状の溝３２）とを有し、その凹凸形状の存在によって表面３０ａに入射されて開口３１を透過する光の強度が増強される構造とされた導電性フィルム３０と、屈折率周期構造を有するフォトニック結晶２０とを備える。フォトニック結晶２０には光導波路と、その光導波路と光結合する欠陥構造（点状欠陥２２）とが形成され、導電性フィルム３０はフォトニック結晶２０上に配置されて開口３１が欠陥構造と近接される。
【選択図】 図１

Description

この発明は光インターコネクションなどに用いる微小な光学素子に関し、特にフォトニック結晶を用いる光学素子に関する。

屈折率の異なる２種類以上の物質が周期的に配列されてなるフォトニック結晶は、光のふるまいを高度に制御することが可能な材料として注目されている。フォトニック結晶を用いると、波長以下の空間領域に効率よく光を閉じ込めたり、急峻な角度であっても低損失で光の進行を曲げたりすることができるため、光学素子の大きさを従来と比較して非常に小さくすることができる。
このようなフォトニック結晶を用いた光学素子を実用化するためには、例えば光ファイバなどの外部光学系との光結合を行うことが必要となる。特許文献１には２次元フォトニック結晶スラブの面外からスラブ面に垂直に光を入射してスラブ面内へ光結合させる技術が開示されている。

一方、光の波長未満の径を有する開口列をもった金属フィルムを使用して、開口列を透過する光の透過率を著しく高める光伝送技術が特許文献２や特許文献３に開示されている。
これによれば、金属フィルムに開口を周期的な配列で設けることにより、あるいは開口と連携して金属フィルム上に周期的な表面形状を設けることにより、金属フィルムに照射された光の、金属フィルムに設けた波長未満の直径を有する１つ以上の開口を通過する光強度が、そのような周期的な開口や表面形状がない場合に比べて大幅に増加するものとなっている。実験的な検証によれば、光強度の増加率は１０００倍にも達することがあると言われ、このような光強度の増強は金属フィルムに入射する光が金属フィルムに励起される表面プラズモンモードと共振的に相互作用する時に起こると言われている。
特開２００１−２７２５５５号公報 特開平１１−７２６０７号公報 特開２０００−１７１７６３号公報

ところで、特許文献１に記載されているような２次元フォトニック結晶スラブの面外から垂直に光を入射してスラブ面内へ光結合させる方法では、光を結合させるために２次元フォトニック結晶スラブ中に導入されている欠陥部分の大きさが使用する光の波長と比較して非常に小さく、例えば光の波長が１．５μｍの時、欠陥の大きさは０．５μｍ程度となっている。従って、通常のレンズでは光の波長以下には集光できないので、このような欠陥部分における結合損失は極めて大きくなってしまうという問題がある。
一方、特許文献２等に開示されている技術は、光の波長よりも小さな開口から非常に効率よく光を透過させることができるものであるが、開口を透過した光は当然に広がるものであって、開口を透過した光を低損失で効率よく使う（光結合させる）ことができるような構成は示されていない。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、フォトニック結晶を用いるものであって、非常に小さな領域で光結合を極めて低損失で行えるようにして、光損失が小さく、小型で高性能な光学素子を提供することにある。

請求項１の発明によれば、開口と少なくとも一方の表面に周期的に形成された凹凸形状とを有し、その凹凸形状の存在によって一方の表面に入射されて開口を透過する光の強度が増強される構造とされた導電性フィルムと、屈折率周期構造を有するフォトニック結晶とを備え、フォトニック結晶には光導波路と、その光導波路と光結合する欠陥構造とが形成され、導電性フィルムはフォトニック結晶上に配置されて、開口が前記欠陥構造と近接されているものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、フォトニック結晶の、導電性フィルムが配置されている側と反対側の面にミラーが配置される。

請求項３の発明では請求項１の発明において、前記凹凸形状が開口を中心とする同心円状をなすものとされる。
請求項４の発明では請求項１の発明において、開口の径が入射される光の波長より小さいものとされる。
請求項５の発明では請求項１の発明において、前記欠陥構造が点状欠陥とされ、その点状欠陥の径が開口の径より小さいものとされる。

この発明によれば、外部から入射した光は極めて低損失でフォトニック結晶の光導波路に結合するものとなり、よって小型で高性能な光学素子を提供することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１はこの発明による光学素子の第１の実施形態を示したものであり、光学素子は基板１０と、基板１０上に形成されたフォトニック結晶２０と、フォトニック結晶２０に近接して配置された導電性フィルム３０とを備えるものとされ、導電性フィルム３０は基板４０上に設けられ、基板４０を介してフォトニック結晶２０上に配置されているものとされる。なお、図２は図１に示した光学素子を２つに分離して示したものである。
まず、導電性フィルム３０の構成について説明する。

導電性フィルム３０には円形の開口３１が貫通形成され、さらに一方の表面（上面）３０ａに溝３２が形成されている。溝３２は図１では開口３１を中心とする同心円状をなすように形成され、これにより導電性フィルム３０の上面３０ａに周期的な凹凸形状が形成されている。光は導電性フィルム３０の上面３０ａに照射される。導電性フィルム３０は金属もしくは比較的導電率の高い半導体材料からなるものとされ、好ましくはアルミニウムや銀、金、クロム等がその材料に用いられる。
図１では導電性フィルム３０の上面３０ａに周期Λの同心円状をなす溝３２が形成されているが、他方の表面（下面）３０ｂにもそのような溝が形成されていてもよい。また、ここでは開口３１の周囲に同心円状に溝３２を設けているが、周期的な凹凸形状はこれに限らず、くぼみや突起が２次元格子状に配列されたものや、溝やリブが１次元配列あるいは２次元格子状に配列されたものであってもよい。なお、このような凹凸形状は例えば導電性フィルムにイオンミリング等の手法によって直接形成することができ、また各種の転写法などによっても形成することができる。

さらに、図１では開口３１の形状が円形とされているが、開口３１は例えば楕円形や長方形等の他の形状とすることもできる。なお、フォトニック結晶に光を入射させるべく、フォトニック結晶に導入される欠陥構造はその大きさが使用する光の波長以下であることが多く、その点で開口３１は波長より小さな直径をもつことが好ましい。開口３１が楕円形や長方形である場合には、少なくともその短軸方向の長さが波長よりも小さいことが望ましい。開口３１の位置に関しては周期的な凹凸形状の中央に位置するのが望ましいが、その位置ずれがΛ／４以下であれば大きな問題は発生しない。

ここで、凹凸形状の周期Λについて、表面プラズモンモードを考慮した上で好ましい寸法について説明する。入射光の波長をλとすると、凹凸形状が形成された面に垂直に光を入射させた場合の表面プラズモンモードが効果的に励起される条件は次式で表される。
λ＝Λ・（ε_ｍε_ｄ）^１／２／（ε_ｍ＋ε_ｄ）^１／２ …（１）
ここで、ε_ｍは導電性フィルムの誘電率、ε_ｄは導電性フィルムに隣接する誘電媒体の誘電率を表す。
例えば導電性フィルムとして銀を用い、凹凸形状の周期Λを１５００ｎｍとした場合、波長λ：１５８０ｎｍ付近に光透過強度のピークが現れた。また、凹凸形状の周期Λを１３００ｎｍとした場合、波長λ：１３７０ｎｍ付近に光透過強度のピークが現れた。この結果は（１）式と照らし合わせると、銀の空気側の表面における表面プラズモンモードによる光透過強度の増強現象として説明できる。

このように使用する光源の波長に合わせて凹凸形状の周期を決めることで光学素子を伝送する光を好適に増強することができる。なお、上記のように光源の波長に対して凹凸形状の周期を調整しなくても何らかの周期構造が設けられていれば、凹凸形状を設けない場合に比べ、光の増強は起こる。
なお、実際の製造を前提とした現実的な構造を考えると、例えば導電性フィルムの上面が空気、下面が導電性フィルムを支持する基体（基板）である場合等、導電性フィルムの両側が必ずしも同じ誘電媒体でない状態が考えられる。その場合は（１）式に基づき、それぞれの誘電媒体に適した周期の凹凸形状を形成してもよい。

以下、作製方法を含め、数値例を示して具体的実施例について説明する。

光学素子を図１及び２に示す構成とした。
基板１０及び基板１０上に位置するフォトニック結晶２０の作製には、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを用いた。Ｓｉ層の上に電子ビーム露光用のレジストを塗布した。そして、電子ビーム露光装置を用い、図２に示したような円が周期的に配列されたレジストパターンを形成した。この時、円を一列配列しない状態の線状欠陥及び円の直径が少し大きい欠陥構造（点状欠陥）も同時に形成した。その後、円内のレジストを現像除去して、円孔レジストパターンを形成した。さらに、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、Ｓｉ層をエッチングして２次元フォトニック結晶スラブを作製した。この時、三角格子状に配列した空気孔２１の配列周期は０．４２μｍ、Ｓｉ層よりなるスラブ厚は０．２５６μｍで、周期配列した空気孔２１の直径は０．２４４μｍとし、点状欠陥２２の直径は０．４７μｍとした。なお、図２中、２３は線状欠陥によって形成された光導波路を示し、この光導波路２３と光結合するよう点状欠陥２２が設けられている。また、２４はＳｉＯ_２層を示し、２５はＳｉ層を示す。

次に、導電性フィルム３０として、厚さ０．３μｍの銀膜を基板４０上にＤＣスパッタ法で成膜した。基板４０はＳｉＯ_２よりなるものとし、その厚さは０．３μｍとした。この銀膜よりなる導電性フィルム３０上に集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工を用いて凹凸形状をなす周期１．５μｍ、深さ０．２μｍの同心円状の溝３２を形成した。溝３２の幅はちょうど１周期の半分となるように設定した。また、溝３２の数は３あるいは４とした。そして、この後、同心円状をなす溝３２の中央にＦＩＢ加工により直径０．１μｍ〜１．６μｍの範囲で開口３１を形成した。

このような構造の導電性フィルム３０が設けられた基板４０をフォトニック結晶２０の表面に静電接合技術を用いて貼り合わせることによって光学素子を作製した。この時、フォトニック結晶２０の点状欠陥２２の中心と導電性フィルム３０の開口３１の中心が一致するようにアライメントを行った。
作製した光学素子の開口３１にフォトニック結晶２０の点状欠陥２２に対応する波長１．５８７μｍのレーザ光を入射させ、フォトニック結晶２０の光導波路２３に結合する光強度をフォトダイオードによりモニタした。結果を図３の表１に示す。光導波路２３に結合する光強度は入射光の光強度に対する比率として示している。なお、図示を省略しているが、フォトダイオードは光導波路２３の延伸方向の一方の端面に対向して配置した。

図４はこの発明による光学素子の第２の実施形態の要部構成を図１Ｂと同様に示したものであり、この光学素子では導電性フィルム３０の上面３０ａ及び下面３０ｂにそれぞれ同心円状をなす溝３２，３３が形成され、つまり導電性フィルム３０の両面に周期的な凹凸形状が形成されたものとなっている。このような構成の光学素子を、導電性フィルム３０の両面に凹凸形状を作製する点を除いて実施例１と同様に作製した。
導電性フィルム３０を成膜するＳｉＯ_２よりなる基板４０上に予めＦＩＢ加工を用いて凹凸形状を形成し、これにより基板４０上に周期１．４μｍ、高さ０．２μｍの同心円状の凸部４１が存在するようにした。凸部４１の幅はちょうど１周期の半分となるように設定し、凸部４１の数は３とした。次に、この基板４０上に銀膜をＤＣスパッタ法で成膜した。これにより、凸部４１と対応して導電性フィルム３０の下面３０ｂに同心円状をなす深さ０．２μｍの３つの溝３３が形成されることになる。

次に、この導電性フィルム３０の上面３０ａにＦＩＢ加工を用いて周期１．５μｍ、深さ０．２μｍの同心円状の溝３２を下面３０ｂの同心円状の溝３３の中心と一致させて形成した。溝３２の幅はちょうど１周期の半分となるように設定し、溝３２の数は３とした。そして、溝３２の中央にＦＩＢ加工により直径０．６μｍの開口３１を形成した。
このような構造の導電性フィルム３０が設けられた基板４０を実施例１と同一仕様のフォトニック結晶２０の表面に静電接合技術を用いて貼り合わせることによって光学素子を作製した。この時、フォトニック結晶２０の点状欠陥２２の中心と導電性フィルム３０の開口３１の中心が一致するようにアライメントを行った。

作製した光学素子の開口３１に実施例１の場合と同様、波長１．５８７μｍのレーザ光を入射させ、光導波路に結合する光強度をフォトダイオードによりモニタした。結果を表１に示す。

図５はこの発明による光学素子の第３の実施形態の要部構成を図４と同様に示したものであり、この光学素子ではフォトニック結晶２０の、導電性フィルム３０が配置されている側と反対側の面にミラー（ミラー構造体）５０が配置され、フォトニック結晶２０が導電性フィルム３０とミラー構造体５０との間に挟まれた構造となっている。この光学素子を以下のようにして作製した。
基板１０にはＳｉ基板を用い、その上にミラー構造体５０として、ＳｉＯ_２層５１とＳｉ層５２をスパッタ法により２層ずつ成膜して交互積層構造とした。それぞれの厚さはＳｉＯ_２層５１が０．２６５μｍ、Ｓｉ層５２が０．１０６μｍとした。さらに、フォトニック結晶２０用としてＳｉＯ_２層２４とＳｉ層２５をスパッタ法により成膜し、このＳｉ層２５に対して実施例１と同様にレジストパターン形成、エッチング加工を施して実施例１と同一仕様の２次元フォトニック結晶スラブを作製した。

導電性フィルム３０は実施例１と同一仕様のものを同様に作製し、フォトニック結晶２０に実施例１と同様に貼り合わせて光学素子を作製した。
作製した光学素子の開口３１に実施例１，２の場合と同様に波長１．５８７μｍのレーザ光を入射させ、光導波路に結合する光強度をフォトダイオードによりモニタした。結果を表１に示す。

フォトニック結晶２０の点状欠陥２２の中心と導電性フィルム３０の開口３１の中心を多少ずらしてアライメントを行った点を除いて、実施例１と同様に光学素子を作製した。
点状欠陥２２の中心と開口３１の中心のずれ量を点状欠陥２２の直径のほぼ半分である０．２３μｍとした時、実施例１と同様にモニタして得た光導波路に結合する光強度は１５％であった。また、ずれ量を点状欠陥２２の直径と同じ０．４７μｍとした時、光導波路に結合する光強度は２％となった。
［比較例］
実施例１と同様にフォトニック結晶２０を作製し、導電性フィルム３０を配置しないで光学素子とした。

図６はこの導電性フィルム３０のない光学素子を示したものであり、光学素子の開口（ここではフォトニック結晶２０の点状欠陥２２）に実施例１と同様、波長１．５８７μｍのレーザ光を入射させ、光導波路２３に結合する光強度をフォトダイオードによりモニタした。結果を表１に示す。
・実施例１及び比較例を参照すると、次のことがわかる。
導電性フィルム３０を用いることによってフォトニック結晶２０の光導波路２３に結合する光強度が著しく増加する。これは図７に示したようなメカニズムであると考えられる。図７Ｂに示したように導電性フィルムがない場合にはフォトニック結晶２０中に設けた点状欠陥２２部分以外にも光が照射されて、その光は反射や透過してしまい、損失となる。これに対し、図７Ａに示したように導電性フィルム３０を設けることによって、点状欠陥２２に光が集光される現象が起こり、よって損失となる透過光や反射光が著しく低減されるものとなる。

また、実施例１より導電性フィルム３０上の溝３２の数を変化させても光導波路２３に結合する光強度はそれほど変化がなく、溝３２の数は特に限定する必要がないことがわかる。
さらに、開口３１の直径は点状欠陥２２の直径よりも大きい方が効果的であることがわかる。また、開口３１の直径は入射される光の波長よりも小さい方がより効果的であることもわかる。なお、入射光ビームの直径を変化させても同様に効果があることがわかる。
・実施例１と実施例２を比較すると、次のことがわかる。

導電性フィルム３０の両面に溝を形成することによって、さらに効果的にフォトニック結晶２０の光導波路２３に光結合させることができる。これはフォトニック結晶２０の点状欠陥２２付近から反射した光が再び導電性フィルム３０の下面３０ｂに設けた溝３３によって集光されて点状欠陥２２に入射され、結果的に光結合効率があがるものと考えられる。
・実施例１と実施例３を比較すると、次のことがわかる。
フォトニック結晶２０が導電性フィルム３０とミラー構造体５０の間に配置されていることによって、さらに効果的にフォトニック結晶２０の光導波路２３に光結合させることができる。これはフォトニック結晶２０の点状欠陥２２付近から透過した光を反射させて再び点状欠陥２２に戻すことが起こっているものと考えられる。

なお、フォトニック結晶２０の光導波路２３と光結合する欠陥構造として、上述した各実施形態ではフォトニック結晶２０中に単一の点状欠陥２２を設けた構成となっているが、欠陥構造はこれに限らず、例えば複数の点状欠陥が配列されてなる領域とすることもできる。

この発明による光学素子の第１の実施形態を示す図、Ａは斜視図、Ｂはその部分拡大断面図。 図１に示した光学素子の分解斜視図。 各種実施例及び比較例の光導波路に結合する光強度を示す表。 この発明による光学素子の第２の実施形態を説明するための断面図。 この発明による光学素子の第３の実施形態を説明するための断面図。 光学素子の従来構成（比較例）を示す図、Ａは斜視図、Ｂはその部分拡大断面図。 光学素子に入射された光の進行を説明するための図、Ａはこの発明の第１の実施形態の場合を示し、Ｂは従来構成の場合を示す。

Claims (5)

1. 開口と、少なくとも一方の表面に周期的に形成された凹凸形状とを有し、その凹凸形状の存在によって一方の表面に入射されて前記開口を透過する光の強度が増強される構造とされた導電性フィルムと、
   屈折率周期構造を有するフォトニック結晶とを備え、
   前記フォトニック結晶には光導波路と、その光導波路と光結合する欠陥構造とが形成されており、
   前記導電性フィルムは前記フォトニック結晶上に配置されて、前記開口が前記欠陥構造と近接されていることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１記載の光学素子において、
   前記フォトニック結晶の、前記導電性フィルムが配置されている側と反対側の面にミラーが配置されていることを特徴とする光学素子。
3. 請求項１記載の光学素子において、
   前記凹凸形状は前記開口を中心とする同心円状をなすものとされていることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１記載の光学素子において、
   前記開口の径は前記入射される光の波長より小さいことを特徴とする光学素子。
5. 請求項１記載の光学素子において、
   前記欠陥構造が点状欠陥とされ、その点状欠陥の径は前記開口の径より小さいことを特徴とする光学素子。

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