JP2007193252A - ３次元フォトニック結晶体の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多種多様な構成で多種多様な材料の３次元フォトニック結晶体を簡便に高いスループットで安価に作製することができる方法。
【解決手段】周期的な高屈折領域と低屈折領域が３次元に配列された３次元フォトニック結晶体の作製方法であって、モールド１０基板の表面の１次元方向又は２次元方向に規則的な微細凹凸パターン、あるいは、その規則的な微細凹凸パターン中に欠陥が導入されてなる微細凹凸パターンが形成されており、そのモールド１０上に剥離材層を成膜し、その上に屈折率の異なる薄膜層が規則的に交互に積層されてなる多層膜、あるいは、その規則的に積層されてなる多層膜中に欠陥が導入されてなる多層膜１６を積層し、その上に基材１７を接着し、剥離材層を溶解してモールド１０から剥離する３次元フォトニック結晶体の作製方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、３次元フォトニック結晶体の作製方法に関し、特に、微細凹凸パターンが形成されたモールドを繰り返し使うことで簡便に高いスループットで３次元フォトニック結晶体を作製することができる方法に関するものである。

従来、例えば３次元フォトニック結晶光導波路を作製するためには、図１７（ａ）〜（ｃ）に模式的に示すように、基板１上に２次元の微細パターン２、３、４を順に積み木状に積層し、そこに任意の欠陥５を導入する方法が用いられてきた。

また、特許文献１には、周期パターンが形成された基板上に２種類以上の屈折率が異なる材料をスパッタデポジションとスパッタエツチングを同時に行う成膜プロセスにより３次元フォトニック結晶を作製する方法が開示されている。

また、特許文献２には、ナノインプリントリソグラフィー法により２次元微細パターンを作製する方法が開示されている。
特開２００１−７４９５４号公報 米国特許第５，７７２，９０５号明細書

しかし、図１７に示したような従来の２次元の微細パターンを積み木状に積層し、そこに任意の欠陥を導入する方法では、正確な位置合わせ技術が必要であり、工程数が多い等の欠点を持つ。

一方、特許文献１に記載の方法では、１つの３次元フォトニック結晶を作製するのに１つの周期パターンが描かれた基板が必要であり、また、製造の工程数も多い。また、特許文献２に記載の方法では、２次元的なものは作製可能であるが、３次元フォトニック結晶の作製は困難である。また、使用できる被転写材料が熱可塑性樹脂や紫外線硬化樹脂等に限られている。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多種多様な構成で多種多様な材料の３次元フォトニック結晶体を簡便に高いスループットで安価に作製することができる方法を提供することである。

上記目的を達成する本発明の３次元フォトニック結晶体の作製方法は、周期的な高屈折領域と低屈折領域が３次元に配列された３次元フォトニック結晶体の作製方法であって、モールドの表面の１次元方向又は２次元方向に規則的な微細凹凸パターン、あるいは、その規則的な微細凹凸パターン中に欠陥が導入されてなる微細凹凸パターンが形成されており、そのモールド上に剥離材層を成膜し、その上に屈折率の異なる薄膜層が規則的に交互に積層されてなる多層膜、あるいは、その規則的に積層されてなる多層膜中に欠陥が導入されてなる多層膜を積層し、その上に基材を接着し、前記剥離材層を溶解して前記モールドから剥離することを特徴とする方法である。

この場合、前記モールドの表面の微細凹凸パターンの凸部の少なくとも一部が円柱状の突起からなり、前記突起は積層された前記多層膜を貫通する高さを有しており、前記突起の規則的な配列間に前記突起の通路状の欠落又は孤立領域状の欠落を備えているものとすることができる。

また、前記モールドの表面の微細凹凸パターンは複数の領域に分割され、その領域毎に異なる微細凹凸パターンを有することもできる。

また、前記モールドの表面の微細凹凸パターンの凸部が多段構造の凸部乃至突起からなっていてもよい。

以上の作製方法によって作製される３次元フォトニック結晶体としては、回折格子や光導波路を備えるものとすることができる。

以上の本発明の３次元フォトニック結晶体の作製方法によると、微細凹凸パターンが形成されたモールドを繰り返し使うことができ、また、多層膜作製技術だけを用いているため、簡便に高いスループットで安価に３次元フォトニック結晶体を作製することができる。さらに、パターンエッチグ技術を必要としないため、構造や材料の自由度が高い等の利点を持つ。

また、用途としては、偏光子、光導波路や光集積回路等のフォトニック結晶光学素子に適用が可能であり、製造に必要な技術が簡便な薄膜作製技術と化学エッチング技術であることから、製造の高スループット化が図れ、安価に製造することができる。

本発明の３次元フォトニック結晶体の作製方法は、基本的には、フォトマスク製造技術等により製造されたした任意の微細凹凸パターンが形成されたモールド上に、Ｃｒ膜等の剥離材層を成膜し、その上に薄膜作製技術（スパッタリング法、ＥＢ蒸着法等）により多層膜を積層し、その上に基材を接着し、剥離材層を化学エツチング等により溶解してモールドから剥離することで、基材に接着され、モールド表面の微細凹凸パターンが多層膜に転写されて周期的な高屈折領域と低屈折領域が３次元に配列された３次元フォトニック結晶体を作製する方法である。

以下、本発明の３次元フォトニック結晶体の基本的な作製方法を図１〜図５を参照にして説明し、次いで、いくつかの実施例を説明する。

図１に斜視図を示すように、微細な凸部１１と凹部１２が周期的に表面に配置された石英ガラス等からなるモールド（母型）１０を用意する。凸部１１の高さ、凹部１２の深さは全て同一としているが、領域によって異なっていてもよい。また、３次元フォトニック結晶に欠陥を導入するために、凸部１１と凹部１２の周期が部分的に異なるか一部の凸部１１又は凹部１２が省かれていてもよい。

次いで、図２に示すように、表面にこのような微細な凹凸パターンが形成されているモールド１０表面全面に剥離材としてのＣｒ等の金属からなる金属層１３を成膜する。

次に、図３に示すように、金属層１３が表面に成膜されたモールド１０表面に、その凹凸パターンの段差を保存するように、屈折率の異なる例えば酸化物からなる薄膜層１４、１５を交互に所定数だけスパッタリング法、ＥＢ蒸着法等の薄膜作製技術を用いて積層して、モールド１０表面に沿った２つの方向Ｘ方向、Ｙ方向、及び、高さ方向（Ｚ方向）に、相互に独立に周期的に屈折率の異なる微細な領域が配置された多層膜体１６がモールド１０上に形成される。もちろん、上記したように、凸部１１と凹部１２の周期が部分的に異なるか一部の凸部１１又は凹部１２が省かれている場合、あるいは、薄膜層１４、１５の厚さが部分的に異なるように積層された場合、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向何れかに必要な欠陥が導入される。

次いで、図４に示すように、積層された多層膜体１６の上面に紫外線硬化樹脂や熱可塑性樹脂等からなる接着材１８を介して酸化物等からなる基材１７を接着する。そして、モールド１０の表面と多層膜体１６の下面の間に存在する金属層１３を化学エツチング（Ｃｒの場合は、硝酸第２セリウムアンモニウム系エッチング液でエツチング）してモールド１０から離型（インプリント）する。

このようにして、図５に示すような、基材１７に接着材１８により接着された多層膜体１６からなる３次元フォトニック結晶体２０が得られる。

以上のように、本発明の作製方法によると、微細凹凸パターンが形成されたモールドを繰り返し使うことができ、また、多層膜作製技術だけを用いているため、簡便に高いスループットで安価に３次元フォトニック結晶体を作製することができる。さらに、パターンエッチグ技術を必要としないため、構造や材料の自由度が高い等の利点を持つ。

次に、以上のような本発明の３次元フォトニック結晶体の作製方法を用いて、光導波路の一端に回折格子からなる光結合器を設けた光集積回路の作製方法を、図６〜図１２を参照にして説明する。

図６はそのためにモールド（母型）１０を示す斜視図であり、石英ガラス等からなる基板の表面に直線通路２２を挟んで両側に円柱状の高い突起２１が２次元的に規則的に配置され、その突起２１の列の前方に、直線通路２２に交差するように基板の表面に伸びる直線的で同じ高さの凸部２３と同じ深さの凹部２４が一定周期で配置されている。直線通路２２は、２次元的に規則的に配置されている突起２１の列の中に導入された欠陥と言うことができる。

次に、図７に示すように、このような突起２１、直線通路２２、凸部２３、凹部２４が基板表面に配置されてなるモールド１０表面全面に、剥離材としてのＣｒ等の金属からなる金属層１３を成膜する。

次いで、図８に示すように、金属層１３が表面に成膜されたモールド１０表面に、その凹凸パターンの段差を保存するように、屈折率の異なる例えば酸化物からなる高屈折率の薄膜層２５と低屈折率の薄膜層２６とを交互に所定数だけスパッタリング法、ＥＢ蒸着法等の薄膜作製技術を用いて積層する。ただし、交互に積層された薄膜層２５と薄膜層２６の中の中間に位置する高屈折率の薄膜層２５’の厚さを他の薄膜層２５、２６より厚く成膜することにより、高さ方向（Ｚ方向）に欠陥を導入する。基準波長λとすると、例えば、薄膜層２５と２６の光学的厚さはλ／４とし、薄膜層２５’の光学的厚さはλ／２とする。このようにして、多層膜体２７がモールド１０上に形成される。

次いで、図９に示すように、積層された多層膜体２７の上面に紫外線硬化樹脂や熱可塑性樹脂等からなる接着材１８を介して酸化物等からなる基材１７を接着する。そして、モールド１０の表面と多層膜体２７の下面の間に存在する金属層１３を化学エツチング（Ｃｒの場合は、硝酸第２セリウムアンモニウム系エッチング液でエツチング）してモールド１０から離型（インプリント）すると、図１０に剥離されたモールド１０側から見た図を示すよに、基材１７に接着材１８により接着された多層膜体２７からなる３次元フォトニック結晶体（光集積回路）３０が得られる。なお、図９、図１０において、基材１７と多層膜体２７の間の接着材１８は薄く図示されているが、実際には、突起２１上に積層された薄膜層２５と２５’と２６からなる多層膜を接着材１８の中に取り込んで固定できるだけの厚さが必要である。以下の、図１１、図１２においても同じ。また、円柱状の突起２１の高さは、多層膜体２７を貫通する高さであることが望ましい。

図１１は、上記のようにして得られた３次元フォトニック結晶体（光集積回路）３０の機能を説明するための図であり、Ｘ方向に直線状に伸びるモールド１０の直線通路２２に対応する光導波領域２２’のＹ方向両側に、モールド１０の突起２１の列に対応して円柱状の深い穴２１’が２次元的に規則的に配置されて光導波路３１が形成されている。この光導波路３１における光導波領域２２’においては、Ｚ方向においては、厚さの厚い高屈折率の薄膜層２５’が欠陥となり、その両側にある規則的な薄膜層２５と２６の多層膜がフォトニック結晶を構成しており、光は薄膜層２５’中に閉じ込められる。また、Ｙ方向においては、円柱状の深い穴２１’の列がフォトニック結晶を構成しており、光導波領域２２’が欠陥となって、光はその光導波領域２２’中に閉じ込められる。したがって、光導波路３１の図１１の左側の一端から導入された光は光導波領域２２’中を薄膜層２５’に沿ってＸ方向にガイドされ、光導波路３１の先端部に設けられた回折格子３２に達する。

回折格子３２においては、モールド１０のＹ方向に伸びる凸部２３と凹部２４の繰り返しパターンに対応して薄膜層２５、２６、２５’はＺ方向に波打っているので、回折条件を満足する方向に回折されて図１１の矢印のように３次元フォトニック結晶体３０からＺ方向に所定の角度をなして外に射出する。

図１２は、図１１に示したような３次元フォトニック結晶体（光集積回路）３０を２つ用意し、それらの間で光結合させる様子を示すものであり、それぞれの３次元フォトニック結晶体を３０₁ 、３０₂ とする。３次元フォトニック結晶体３０₁ 、３０₂ それぞれの回折格子３２を相互に向かい合わせるように、一方の３次元フォトニック結晶体３０₁ と他方の３次元フォトニック結晶体３０₂ の基材１７とは反対側の面を対向させて配置し、一方の３次元フォトニック結晶体３０₁ の一端から図の矢印のように光をその光導波路３１中に入射させると、入射された光はその３次元フォトニック結晶体３０₁ の光導波路３１中をガイドされ、その先端部の回折格子３２に達して、外へ射出させる。その一方の３次元フォトニック結晶体３０₁ から外へ出た光は、今度は他方の３次元フォトニック結晶体３０₂ の回折格子３２から光導波路３１へ導入され、その光導波路３１の他端から図の矢印のように射出される。

このように、この実施例の３次元フォトニック結晶体３０₁ 、３０₂ においては、それぞれの中を導波された光を相互に光学的に結合することができる。

なお、図１１の構成において、回折格子３２の周期や高さを変えることで、反射器、光合波分波器、波長フィルター等の様々な光学機能を付加することができる。

以上の、図６〜図１２の例では、Ｘ−Ｙ面内の光導波領域２２’は直線状のものであったが、本発明の３次元フォトニック結晶体の作製方法で作製可能な光導波領域としては、途中で屈曲するものも可能である。図１３は、そのような途中で鈍角あるいは直角に屈曲する光導波領域を作製するためのモールド（母型）１０を示す斜視図であり、石英ガラス等からなる基板の表面に途中で鈍角あるいは直角に屈曲する通路４２を挟んで両側に円柱状の高い突起２１が２次元的に規則的に配置されている。途中で鈍角あるいは直角に屈曲する通路４２は、２次元的に規則的に配置されている突起２１の列の中に導入された欠陥と言うことができる。

このようなモールド１０から図７〜図９と同様にしてインプリントで得られた３次元フォトニック結晶体（光導波路）４０の図１１と同様の図を図１４に示す。モールド１０のＸ方向に直線状に伸び途中でＹ方向へ鈍角あるいは直角に屈曲する通路４２に対応する光導波領域４２’の両側に、モールド１０の突起２１の列に対応して円柱状の深い穴２１’が２次元的に規則的に配置されて光導波路３１が形成されている。この光導波路３１における光導波領域４２’においては、Ｚ方向においては、厚さの厚い高屈折率の薄膜層２５’が欠陥となり、その両側にある規則的な薄膜層２５と２６（図８参照）の多層膜がフォトニック結晶を構成しており、光は薄膜層２５’中に閉じ込められる。また、Ｘ−Ｙ面内ににおいては、円柱状の深い穴２１’の列がフォトニック結晶を構成しており、光導波領域４２’が欠陥となって、光はその光導波領域４２’中に閉じ込められる。したがって、光導波路３１の図１４の左側の一端から導入された光は光導波領域４２’中を薄膜層２５’に沿って途中で屈曲してガイドされ、光導波領域４２’の先端に達する。

図１５は、Ｘ−Ｙ面で点欠陥を導入してＸ−Ｙ面で光共振器を構成するためのモールド（母型）１０を示す斜視図であり、円柱状の高い突起２１が２次元的に規則的に配置されている中の隣接した孤立領域の１本又は複数本の突起２１を省いて欠陥４３を構成したものであり、このようなモールド１０から図７〜図９と同様にしてインプリントで得られた３次元フォトニック結晶体においては、光はＸ−Ｙ面内でこの欠陥４３に対応する領域に制限され、例えばその欠陥４３に対応する領域のＺ方向に配置された光源からの光をこの欠陥に対応する領域に制限して放射する作用を持つ。

ところで、以上の説明では、モールド（母型）１０上に設ける凸部乃至突起は単一高さのものであったが、図１６に示すように、多段構造の凸部乃至突起４４を用いることで、例えば特性を特定方向へブレーズドするようにすることもできる。

以上、本発明の３次元フォトニック結晶体の作製方法をその基本形と実施例に基づいて説明してきたが、本発明は種々の変形が可能である。また、本発明の作製方法で作製した３次元フォトニック結晶光導波路を組み合わせることにより、任意な３次元光導波路や光集積回路が作製できる。

本発明の３次元フォトニック結晶体の基本的な作製方法を示す図であり、モールドの斜視図である。 図１のモールド表面全面に剥離材としての金属層を成膜した様子を示す図である。 図２のモールド表面に多層膜体を形成する様子を示す図である。 図３で積層された多層膜体の上面に基材を接着すると共にモールドから離型する様子を示す図である。 図１〜図４の工程を経て得られる３次元フォトニック結晶体を示す斜視図である。 本発明に基づく光集積回路の作製方法を示す図であり、モールドの斜視図である。 図６のモールド表面全面に剥離材としての金属層を成膜した様子を示す図である。 図７のモールド表面に多層膜体を形成する様子を示す図である。 図８で積層された多層膜体の上面に基材を接着すると様子を示す図である。 図６〜図９の工程を経て得られる光集積回路を示す斜視図である。 図６〜図９の工程を経て得られる光集積回路の機能を説明するための図である。 図１１に示したような光集積回路を２つ用意し、それらの間で光結合させる様子を示す図である。 途中で屈曲する光導波領域を作製するためのモールドを示す斜視図である。 図１３のモールドからインプリントで得られた３次元フォトニック結晶体の機能を説明するための図である。 光共振器を構成するためのモールドを示す斜視図である。 モールド上に設ける凸部乃至突起を多段構造のものとする場合の斜視図である。 従来の１つの３次元フォトニック結晶光導波路を作製するための工程を模式的に示す図である。

符号の説明

１…基板
２、３、４…２次元の微細パターン
５…欠陥
１０…モールド（母型）
１１…凸部
１２…凹部
１３…金属層
１４、１５…薄膜層
１６…多層膜体
１７…基材
１８…接着材
２０…３次元フォトニック結晶体
２１…円柱状の突起
２１’…円柱状の穴
２２…直線通路
２２’…光導波領域
２３…凸部
２４…凹部
２５…高屈折率の薄膜層
２６…低屈折率の薄膜層
２５’…中間に位置する高屈折率の薄膜層（欠陥）
２７…多層膜体
３０、３０₁ 、３０₂ …３次元フォトニック結晶体（光集積回路）
３１…光導波路
３２…回折格子
４０…３次元フォトニック結晶体（光導波路）
４２…鈍角あるいは直角に屈曲する通路
４２’…光導波領域
４３…欠陥
４４…多段構造の凸部又は突起

Claims (6)

1. 周期的な高屈折領域と低屈折領域が３次元に配列された３次元フォトニック結晶体の作製方法であって、モールドの表面の１次元方向又は２次元方向に規則的な微細凹凸パターン、あるいは、その規則的な微細凹凸パターン中に欠陥が導入されてなる微細凹凸パターンが形成されており、そのモールド上に剥離材層を成膜し、その上に屈折率の異なる薄膜層が規則的に交互に積層されてなる多層膜、あるいは、その規則的に積層されてなる多層膜中に欠陥が導入されてなる多層膜を積層し、その上に基材を接着し、前記剥離材層を溶解して前記モールドから剥離することを特徴とする３次元フォトニック結晶体の作製方法。
2. 前記モールドの表面の微細凹凸パターンの凸部の少なくとも一部が円柱状の突起からなり、前記突起は積層された前記多層膜を貫通する高さを有しており、前記突起の規則的な配列間に前記突起の通路状の欠落又は孤立領域状の欠落を備えていることを特徴とする請求項１記載の３次元フォトニック結晶体の作製方法。
3. 前記モールドの表面の微細凹凸パターンは複数の領域に分割され、その領域毎に異なる微細凹凸パターンを有することを特徴とする請求項１又は２記載の３次元フォトニック結晶体の作製方法。
4. 前記モールドの表面の微細凹凸パターンの凸部が多段構造の凸部乃至突起からなることを特徴とする請求項１から３記載の３次元フォトニック結晶体の作製方法。
5. 前記３次元フォトニック結晶体が回折格子を備えることを特徴とする請求項１から４記載の３次元フォトニック結晶体の作製方法。
6. 前記３次元フォトニック結晶体が光導波路を備えることを特徴とする請求項１から５記載の３次元フォトニック結晶体の作製方法。

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