JP2007240756A - Optical element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトニック結晶(photonic crystals)を用いた光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical element using photonic crystals and a method for manufacturing the same.
内部に周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶は、従来の光デバイスの機能を1/100から1/1000の大きさで作製できる可能性があり、従来は個別に作製されていた光合分波器、光フィルタ、レーザー、光導波路、カプラ等を1つに集積化した超小型の光集積回路の実現が期待されている。また、光以外の電磁波への応用も期待されている。 A photonic crystal having a periodic refractive index distribution inside may have the function of a conventional optical device having a size of 1/100 to 1/1000. Realization of an ultra-compact optical integrated circuit in which a waver, an optical filter, a laser, an optical waveguide, a coupler and the like are integrated into one is expected. Application to electromagnetic waves other than light is also expected.
フォトニック結晶には、多層膜構造の1次元フォトニック結晶、屈折率分布が2次元の2次元フォトニック結晶、同3次元の3次元フォトニック結晶の3種類がある。 There are three types of photonic crystals: a one-dimensional photonic crystal having a multilayer structure, a two-dimensional photonic crystal having a two-dimensional refractive index distribution, and a three-dimensional three-dimensional photonic crystal.
2次元フォトニック結晶は、製造が比較的容易であるという利点がある。そして、2次元フォトニック結晶には、代表的なものとしてSOI(Silicon On Insulator)基板上に作製したような上下が非対称な2次元フォトニック結晶と、アンダーエッチング等で作製された上下が空気に接するような上下が対称なエアーブリッジ構造の2次元フォトニック結晶などがある。 The two-dimensional photonic crystal has an advantage that it is relatively easy to manufacture. Two-dimensional photonic crystals typically include two-dimensional photonic crystals that are asymmetrical on the top and bottom, such as those fabricated on SOI (Silicon On Insulator) substrates, and those that are fabricated by under-etching, etc. There are two-dimensional photonic crystals with an air bridge structure that is symmetrical in contact with the top and bottom.
従来のエアーブリッジ構造の2次元フォトニック結晶(光素子)に関するものとして、例えば、テーパーの付いた光ファイバを、2次元フォトニック結晶スラブの欠陥導波路まで波長オーダーで近接させ、光パワーをエバネッセント光でフォトニック結晶へ移行し、光カップリングを行う技術が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
しかし、従来の光素子によると、テーパーの付いた光ファイバーをエアーブリッジ構造の2次元フォトニック結晶に固定する手段が必要になり、大型化することは避けられず、実用化に課題が残されている。 However, according to the conventional optical element, a means for fixing the optical fiber with a taper to the two-dimensional photonic crystal having an air bridge structure is required, and it is inevitable to increase the size, and there are problems in practical use. Yes.
従って、本発明の目的は、フォトニック結晶を用いた光素子の小型化を図ることが可能な光素子及びその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical element capable of reducing the size of an optical element using a photonic crystal and a method for manufacturing the same.
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の光素子及びその製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides the following optical element and method for manufacturing the same.
[1]周期構造を乱す欠陥を有する2次元フォトニック結晶と、基板上に形成され、前記スラブ導波路部に空隙を設けて対向配置された外部導波路とを備えたことを特徴とする光素子。 [1] Light comprising: a two-dimensional photonic crystal having a defect disturbing a periodic structure; and an external waveguide formed on a substrate and disposed opposite to each other with a gap provided in the slab waveguide portion element.
上記構成によれば、基板上に外部導波路を形成し、これに2次元フォトニック結晶を対向配置させることにより、小型化が可能となる。また、フォトニック結晶には、1次元結晶、2次元結晶、3次元結晶があるが、2次元フォトニック結晶を用いることにより、比較的容易に製造することができる。また、2次元フォトニック結晶を外部導波路に空隙を設けて対向配置することで、上下が空気に接するエアーブリッジ構造とすることができ、これにより光の閉じ込め効果が大きくなる。また基板への放射モードや直交する偏波へのモード変換を抑制でき、広帯域で高い伝搬効率が得られる。 According to the above configuration, the external waveguide can be formed on the substrate, and the two-dimensional photonic crystal can be disposed opposite to the external waveguide. Photonic crystals include a one-dimensional crystal, a two-dimensional crystal, and a three-dimensional crystal, but can be manufactured relatively easily by using a two-dimensional photonic crystal. In addition, by arranging the two-dimensional photonic crystal so as to face each other with a gap in the external waveguide, it is possible to obtain an air bridge structure in which the upper and lower surfaces are in contact with air, thereby increasing the light confinement effect. In addition, radiation mode to the substrate and mode conversion to orthogonal polarization can be suppressed, and high propagation efficiency can be obtained over a wide band.
上記2次元フォトニック結晶の周期構造は、高屈折率を有する板材(スラブ)に低屈折率の物質を波長程度の周期で周期的に配列することで形成することができる。また、上記欠陥部は、屈折率を変化させたり周期的配列を乱したりすることで形成することができる。低屈折率の部分は、凹部を三角格子又は正方格子に配列することにより実現することができる。凹部に低屈折率部材を充填してもよいが、空孔とすることにより製造が容易で、大きな屈折率差が得られる。なお、2次元フォトニック結晶スラブの場合、バンドギャップを得るために三角格子構造のほうが望ましい。 The periodic structure of the two-dimensional photonic crystal can be formed by periodically arranging substances having a low refractive index on a plate material (slab) having a high refractive index with a period of about the wavelength. The defective portion can be formed by changing the refractive index or disturbing the periodic arrangement. The low refractive index portion can be realized by arranging the concave portions in a triangular lattice or a square lattice. The recess may be filled with a low refractive index member, but by making it a hole, manufacturing is easy and a large refractive index difference is obtained. In the case of a two-dimensional photonic crystal slab, a triangular lattice structure is desirable for obtaining a band gap.
[2]前記外部導波路は、光がシングルモードにより伝播することを特徴とする前記[1]に記載の光素子。この構成により、マルチモードのように伝播速度の異なる光が存在することによる光通信の障害を招くことがない。また、シングルモードのため、欠陥導波路とのフェーズマッチングの条件も比較的簡単に見つけることができる。 [2] The optical element according to [1], wherein light propagates through the external waveguide in a single mode. With this configuration, there is no optical communication failure due to the presence of light with different propagation speeds as in multimode. In addition, because of the single mode, the condition for phase matching with the defect waveguide can be found relatively easily.
[3]前記基板は、前記外部導波路の両側に前記2次元フォトニック結晶を支持する一対の台座が立設されたことを特徴とする前記[1]に記載の光素子。基板に形成された外部導波路と2次元フォトニック結晶とは対向配置されているので、小型な台座で基板と2次元フォトニック結晶とを支持することができる。 [3] The optical element according to [1], wherein the substrate includes a pair of pedestals that support the two-dimensional photonic crystal on both sides of the external waveguide. Since the external waveguide formed on the substrate and the two-dimensional photonic crystal are opposed to each other, the substrate and the two-dimensional photonic crystal can be supported by a small pedestal.
[4]前記外部導波路は、前記基板上に形成されたクラッドと、前記クラッド上に形成されたコアとからなり、前記台座は、前記基板の露出している面に立設されたことを特徴とする前記[3]に記載の光素子。 [4] The external waveguide includes a clad formed on the substrate and a core formed on the clad, and the pedestal is erected on the exposed surface of the substrate. The optical device according to [3], which is characterized in that
[5]前記外部導波路は、前記基板上に形成されたクラッドと、前記クラッド上に形成されたコアとからなり、前記台座は、前記クラッドに立設されたことを特徴とする前記[3]に記載の光素子。 [5] The external waveguide includes a clad formed on the substrate and a core formed on the clad, and the pedestal is erected on the clad. ] The optical element as described in.
[6]周期構造を乱す欠陥部を有する2次元フォトニック結晶が形成されたフォトニック結晶基板と、基板上に外部導波路が形成され、かつ所定の高さの台座が前記外部導波路の両側に設けられた外部導波路基板とを準備する準備工程と、前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを接触させ、前記スラブ導波路部と前記外部導波路との間に空隙を設けて前記2次元フォトニック結晶と前記台座とを接合する接合工程と、前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを離間させて前記2次元フォトニック結晶を前記台座の上面に転写する離間工程とを含むことを特徴とする光素子の製造方法。 [6] A photonic crystal substrate on which a two-dimensional photonic crystal having a defect portion that disturbs the periodic structure is formed, an external waveguide is formed on the substrate, and a pedestal having a predetermined height is provided on both sides of the external waveguide. A preparation step of preparing an external waveguide substrate provided on the substrate, contacting the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate, and providing a gap between the slab waveguide portion and the external waveguide A bonding step of bonding the two-dimensional photonic crystal and the pedestal; and a separation step of separating the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate to transfer the two-dimensional photonic crystal to the upper surface of the pedestal; The manufacturing method of the optical element characterized by the above-mentioned.
上記構成によれば、外部導波路基板に設けた台座を介して外部導波路と2次元フォトニック結晶とを対向配置させることにより、小型化が可能となる。また、2次元フォトニック結晶を用いることにより、比較的容易に製造することができる。また、2次元フォトニック結晶をエアーブリッジ構造とすることができるので、基板への放射モードや直交する偏波へのモード変換を抑制でき、広帯域で高い伝搬効率が得られる。 According to the above configuration, the external waveguide and the two-dimensional photonic crystal are arranged to face each other via the pedestal provided on the external waveguide substrate, thereby enabling miniaturization. Moreover, it can be manufactured relatively easily by using a two-dimensional photonic crystal. In addition, since the two-dimensional photonic crystal can have an air bridge structure, it is possible to suppress the radiation mode to the substrate and the mode conversion to the orthogonal polarization, and high propagation efficiency can be obtained in a wide band.
[7]前記準備工程は、ドナー基板に設けられた前記台座を、前記外部導波路の両側の前記外部導波路基板の表面に接合する接合工程を含むことを特徴とする前記[6]に記載の光素子の製造方法。 [7] In the above [6], the preparation step includes a bonding step of bonding the pedestal provided on the donor substrate to the surface of the external waveguide substrate on both sides of the external waveguide. Manufacturing method of the optical element.
[8]周期構造を乱す欠陥部を有する2次元フォトニック結晶が形成され、かつ所定の高さの台座が前記周期構造部よりも外側にそれぞれ設けられたフォトニック結晶基板と、基板上に外部導波路が形成された外部導波路基板とを準備する準備工程と、前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを接触させ、前記欠陥部と前記外部導波路との間に空隙を設けて前記台座と前記外部導波路基板とを接合する接合工程と、前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを離間させて前記2次元フォトニック結晶および前記台座を前記外部導波路基板に転写する離間工程とを含むことを特徴とする光素子の製造方法。 [8] A photonic crystal substrate in which a two-dimensional photonic crystal having a defect portion disturbing the periodic structure is formed and a pedestal having a predetermined height is provided outside the periodic structure portion, and an external surface on the substrate. A preparation step of preparing an external waveguide substrate on which a waveguide is formed, contacting the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate, and providing a gap between the defect portion and the external waveguide A bonding step of bonding the pedestal and the external waveguide substrate, and separating the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate to transfer the two-dimensional photonic crystal and the pedestal to the external waveguide substrate. A method for manufacturing an optical element, comprising: a separation step.
上記構成によれば、フォトニック結晶基板に設けた台座を介して外部導波路と2次元フォトニック結晶とを対向配置させることにより、小型化が可能となる。また、2次元フォトニック結晶を用いることにより、比較的容易に製造することができる。また、2次元フォトニック結晶をエアーブリッジ構造とすることができるので、基板への放射モードや直交する偏波へのモード変換を抑制でき、広帯域で高い伝搬効率が得られる。 According to the above configuration, the external waveguide and the two-dimensional photonic crystal are arranged to face each other via the pedestal provided on the photonic crystal substrate, thereby enabling miniaturization. Moreover, it can be manufactured relatively easily by using a two-dimensional photonic crystal. Further, since the two-dimensional photonic crystal can have an air bridge structure, it is possible to suppress the radiation mode to the substrate and the mode conversion to the orthogonal polarization, and high propagation efficiency can be obtained in a wide band.
[9]前記準備工程は、ドナー基板に設けられた前記台座を、前記周期構造部よりも外側の前記フォトニック結晶基板の表面に接合する接合工程を含むことを特徴とする前記[8]に記載の光素子の製造方法。 [9] In the above [8], the preparation step includes a bonding step of bonding the pedestal provided on the donor substrate to the surface of the photonic crystal substrate outside the periodic structure portion. The manufacturing method of the optical element of description.
[10]前記接合工程は、常温接合によることを特徴とする前記[6]〜[9]のいずれかに記載の光素子の製造方法。常温接合によれば、2次元フォトニック結晶や台座に熱変形が生じないため、高い形状精度が得られる。常温接合とは、室温で原子同士を直接接合することをいう。接合する前に、接合面に中性原子ビーム、イオンビーム等を照射して表面を清浄化するのが好ましい。清浄化により表面が活性化して強固な接合が得られる。 [10] The method for manufacturing an optical element according to any one of [6] to [9], wherein the bonding step is performed at room temperature bonding. According to the room temperature bonding, the two-dimensional photonic crystal and the pedestal are not thermally deformed, so that high shape accuracy can be obtained. Room temperature bonding refers to direct bonding of atoms at room temperature. Prior to bonding, it is preferable to clean the surface by irradiating the bonding surface with a neutral atom beam, ion beam or the like. By cleaning, the surface is activated and a strong bond is obtained.
本発明によれば、フォトニック結晶を用いた光素子を小型化することができる。 According to the present invention, an optical element using a photonic crystal can be reduced in size.
[第1の実施の形態]
(光素子の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る光素子を示す。この光素子100は、Si基板1と、Si基板1上に形成され、コア11及びクラッド12からなる外部導波路としての細線導波路14と、Si基板1上のクラッド12の両側に立設された長板状の台座2と、台座2上に固定された2次元フォトニック結晶3とを備えている。
[First Embodiment]
(Configuration of optical element)
FIG. 1 shows an optical element according to a first embodiment of the present invention. This optical element 100 is erected on both sides of a
2次元フォトニック結晶3は、コア11に空隙を設けて対向配置された帯状または線状の欠陥導波路部96と、欠陥導波路部96に隣接させて複数の孔95を三角格子状に設けて周期構造にした周期構造部97とを有している。なお、欠陥導波路部96を構成している部分は、孔95が設けられていない領域に相当する。
The two-dimensional
(第1の実施の形態に係る光素子の製造方法)
次に、光素子100の製造方法を説明する。
(Method for Manufacturing Optical Device According to First Embodiment)
Next, a method for manufacturing the optical element 100 will be described.
(1)コア及びクラッドの作製
図2(a),(b)は、コア11及びクラッド12の作製工程を示す。まず、図2の(a)のように、Si基板1上にSiO2層13を形成してSOI(Silicon On Insulator)基板5を準備し、SiO2層13の表面にSi細線からなるコア11を形成する。
(1) Production of Core and Cladding FIGS. 2A and 2B show a production process of the
次に、図2の(a),(b)のように、SiO2層13の中央付近が残るようにSiO2層13の両側をウェットエッチング等の処理方法を用いて除去し、チャネル導波路である細線導波路14を形成する。チャネル導波路とは、互いに直交する2方向(x,y)(導波路断面)に光が閉じ込められた3次元光導波路をいう。以上により、Si基板1および細線導波路14からなる外部導波路基板としてのターゲット基板6が完成する。
Next, as shown in FIGS. 2A and 2B, both sides of the SiO 2 layer 13 are removed using a processing method such as wet etching so that the vicinity of the center of the SiO 2 layer 13 remains, and a channel waveguide is obtained. The thin wire waveguide 14 is formed. The channel waveguide is a three-dimensional optical waveguide in which light is confined in two directions (x, y) (waveguide cross section) orthogonal to each other. As described above, the
(2)台座の作製
図3(a)〜(d)は、台座2の作製工程を示す。まず、図3の(a)のように、Si基板71上に離型層72をスピンコート法によって形成し、離型層72上に、例えば、450nmの厚みのSi層73を形成し、Si基板71、離型層72およびSi層73からなる第1のウェハ7を作製する。
(2) Production of Pedestal FIGS. 3A to 3D show a production process of the
離型層72は、Si層73とSi基板71との密着力を適正に保つ役割を有しており、そのような役割を果たすための材料として、ポリイミド、フッ化ポリイミド、酸化シリコン等の公知の材料を用いることができるが、ここでは、離型層72として一般的なポリイミドをスピンコート法でSi上に成膜した。
The
Si層73の着膜は、スパッタ法、分子線ビームエピタキシャル法、化学気相堆積法真空蒸着法等を用いることができるが、良好な平坦性が得られる点でスパッタ法が好ましい。 The Si layer 73 can be deposited by sputtering, molecular beam epitaxy, chemical vapor deposition, vacuum vapor deposition, or the like, but sputtering is preferred in terms of obtaining good flatness.
次に、図3の(b)のように、第1のウェハ7を複数の正方形のセル74に区分し、ウェットエッチング等をSi層73に施して、図3の(c)のように、各セル74に一対の平行な台座2を形成する。本実施の形態は、簡単のために1つのセル74内に一対の台座2を形成しているが、1つのセル74内に複数の台座を形成した方が生産性の点から望ましい。このようにしてSi基板71、離型層72、及び各セル74に形成された一対の台座2からなるドナー基板8が完成する。
Next, as shown in FIG. 3B, the first wafer 7 is divided into a plurality of
(3)2次元フォトニック結晶の作製
図4(a)〜(d)は、2次元フォトニック結晶3の作製工程を示す。まず、図4の(a)のように、Si基板91上に離型層92をスピンコート法によって形成し、更に、離型層92上に、2次元フォトニック結晶のスラブ(板材)となるSi層93を、例えば、スパッタ法で250nmの厚みに堆積した第2のウェハ9を用意する。
(3) Fabrication of two-dimensional photonic crystal FIGS. 4A to 4D show a fabrication process of the two-
離型層92は、Si層93とSi基板91との密着力を適正に保つ役割を有しており、そのような役割を果たすための材料として、ポリイミド、フッ化ポリイミド、酸化シリコン等の公知の材料を用いることができるが、ここでは、離型層92として一般的なポリイミドをスピンコート法でSi上に成膜した。
The
また、Si層93の着膜は、スパッタ法、分子線ビームエピタキシャル法、化学気相堆積法真空蒸着法等を用いることができるが、スパッタ法が好ましい。
The
次に、図4の(b)のように、Si層93を複数の正方形のセル94に区分し、EB(Electron Beam)露光、ドライエッチング等により、図4の(c)のように、各セル94のSi層93に複数の孔95を形成し、複数の孔95からなる周期構造部97、および欠陥導波路部96を備えた2次元フォトニック結晶3を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
本実施の形態は、簡単のために1つのセル94内に1つの2次元フォトニック結晶の欠陥導波路部96を形成しているが、1つのセル94内に複数の欠陥導波路部96を形成した方が生産性の点から望ましい。このようにしてSi基板71、離型層72、及び各セル94に形成された周期構造部97および欠陥導波路部96を有する2次元フォトニック結晶3からなる第2のウェハ9が完成する。
In the present embodiment, a single two-dimensional photonic crystal
(4)光素子の作製
図5A(a)〜(c)、図5B(d)〜(f)は、光素子100の作製工程を示す。なお、図5Bにおいては、第1のドナー基板10を断面図で示している。まず、図2の(b)に示すターゲット基板6、図3の(d)に示す第2のドナー基板8、及び図4の(d)に示す第1のドナー基板10を図示しない真空チャンバに搬入する。
(4) Fabrication of Optical Element FIGS. 5A (a) to (c) and FIGS. 5B (d) to (f) show fabrication steps of the optical element 100. FIG. In FIG. 5B, the
次に、図5Aの(a)のように、ターゲット基板6を図示しない下部ステージに固定し、第2のドナー基板8を図示しない上部ステージに固定し、第2のドナー基板8をターゲット基板6の上方に位置決めし、ターゲット基板6および第2のドナー基板8の表面をFAB(Fast Atom Beam)処理により清浄化する。FAB処理とは、中性原子ビーム、イオンビーム等を高電圧で加速して接合面に照射し、接合面の酸化膜、不純物等を除去する処理をいう。
Next, as shown in FIG. 5A, the
次に、ターゲット基板6を上昇させ、図5Aの(b)のように、台座2の下端面をターゲット基板6のSi基板1の上面に所定時間、適当な加重をかけ接触させ、台座2をSi基板1の上面に常温接合する。
Next, the
次に、図5Aの(c)のように、ターゲット基板6を下降させ、第2のドナー基板8から離間する。これにより、台座2の上端面がドナー基板8から剥離し、台座2はターゲット基板6上に転写する。このようにして図2に示すターゲット基板4が作製される。
Next, as shown in (c) of FIG. 5A, the
次に、図5Bの(d)のように、第2のドナー基板8に代えて第1のドナー基板10を上部ステージに固定し、第1のドナー基板10をターゲット基板4の上方に位置決めする。このとき、2次元フォトニック結晶3のスラブ導波路部96とコア11が平面から見て一致するようにアライメントを行い、ターゲット基板4および第1のドナー基板10の表面をFABにより清浄化する。
Next, as shown in (d) of FIG. 5B, the
次に、ターゲット基板4を上昇させ、図5Bの(e)のように、2次元フォトニック結晶3の下面を台座2の上端面に所定時間、適切な加重をかけ接触させる。この接触により、2次元フォトニック結晶3の下面と台座2の上面の接触部分が常温接合される。
Next, the
次に、図5Bの(f)のように、ターゲット基板4を下降させると、2次元フォトニック結晶3の下面と台座2の上面が接合しているために、2次元フォトニック結晶3はドナー基板10の離型層92から剥離してターゲット基板4に転写される。以上により、図1に示した光素子100が完成する。
Next, as shown in FIG. 5B (f), when the
(光素子の動作)
図6は、光素子100の動作を説明するための縦方向断面図である。コア11に図6の左側から白色光(λc1を含むある帯域を有する光)の光信号200を入光すると、光信号200はコア11内を右方向に伝搬する。光信号200の白色光のうち、2次元フォトニック結晶3の欠陥導波路部96の導波モード(導波する光の周波数と波数の関係をいう。)とコア11の導波モードとが位相整合した波長λ1の光がエバネッセント光として欠陥導波路部96に光結合し、光パワーはコア11から欠陥導波路部96へ移行する。このとき、光信号200のうちスラブ導波路部96に結合した光は、光信号200が入射した方向とは逆方向にスラブ導波路部96内を伝搬し、出射光201としてスラブ導波路部96の左側から出射する。以上のように、本実施の形態の光素子100は、光結合素子として機能する。
(Operation of optical element)
FIG. 6 is a longitudinal sectional view for explaining the operation of the optical element 100. When the optical signal 200 of white light (light having a certain band including λc1) enters the core 11 from the left side of FIG. 6, the optical signal 200 propagates in the core 11 in the right direction. Of the white light of the optical signal 200, the waveguide mode of the
なお、図6において、上記の説明とは逆に、欠陥導波路部96側に光信号200を入射し、コア11側から出射光201を出射させる構成も可能である。
In FIG. 6, contrary to the above description, a configuration in which the optical signal 200 is incident on the
図7は、波長λと光透過率(図6のE部の出力光のレベル/光信号200の入力光のレベル)の関係を示している。gは、欠陥導波路部96とコア11の間のギャップであり、g1<g2<g3(例えば、g1=0.3μm、g2=0.2μm、g3=0.1μm)である。また、図8は、波長λ1において、ギャップgに応じた出射光201の出射光レベルを示す。
FIG. 7 shows the relationship between the wavelength λ and the light transmittance (the level of the output light at the E portion in FIG. 6 / the level of the input light of the optical signal 200). g is a gap between the
図7から明らかなように、2次元フォトニック結晶スラブの欠陥導波路部96の導波モードとコア11の導波モードとが位相整合した波長λ1では、光透過率にディップを生じることが分かる。そして、光透過率は、ギャップgが小さいほど光透過率が悪くなる。換言すれば、スラブ導波路96に結合する光のレベルが高くなる。
As is apparent from FIG. 7, at the wavelength λ 1 where the waveguide mode of the
図8から明らかなように、光信号200の波長λがλ1で、かつ最も小さいギャップg1において出射光201のレベルが最も大きくなる。従って、特定の波長域により光結合を制御することができる。 As is clear from FIG. 8, the wavelength λ of the optical signal 200 is λ1, and the level of the outgoing light 201 is the highest at the smallest gap g1. Therefore, optical coupling can be controlled by a specific wavelength range.
(第1の実施の形態の効果)
上述した第1の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
(イ)細線導波路14を有するターゲット基板4と、2次元フォトニック結晶スラブの欠陥導波路部96が形成された2次元フォトニック結晶3を有するドナー基板10とを個別に作製し、両者を常温接合により組み合わせることにより、光素子100の小型化を図ることができる。
(ロ)2次元フォトニック結晶3は、エアーブリッジ構造を有し、上下対称にでき、更に屈折率差も大きくとれるため、設計マージンを広くとることができる。
(ハ)細線導波路14は、Si基板1上に形成されているために堅牢であり、1つの周波数に対して1つの波数の光のみが存在する、所謂、シングルモードで光を導入することができる。
(Effects of the first embodiment)
According to 1st Embodiment mentioned above, there exist the following effects.
(A) The
(B) The two-
(C) The thin-line waveguide 14 is robust because it is formed on the
なお、上記実施の形態において、細線導波路14とスラブ導波路部96を効率良く結合させるには、細線導波路14の伝搬定数と2次元フォトニック結晶3の伝搬定数をマッチングさせるように設計する。また、細線導波路14とスラブ導波路部96の電磁界プロファイルがなるべく一致するように設計する。
In the above embodiment, in order to efficiently couple the thin wire waveguide 14 and the
[第2の実施の形態]
図9A(a)〜(c)、図9B(d)〜(f)は、本発明の第2の実施の形態に係る光素子の作製工程を示す。第1の実施の形態では、台座2をターゲット基板6に接合してターゲット基板4を作製した後、2次元フォトニック結晶3をターゲット基板4に接合したが、本実施の形態では、台座2を第1のドナー基板10に接合した後、台座2付きの2次元フォトニック結晶3をターゲット基板6に接合したものである。
[Second Embodiment]
FIGS. 9A (a) to 9 (c) and FIGS. 9B (d) to (f) show the manufacturing steps of the optical element according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the
以下に、第2の実施の形態に係る光素子100の製造方法を説明する。 A method for manufacturing the optical element 100 according to the second embodiment will be described below.
(1)コア及びクラッドの作製
図2の(a)で説明したように、Si基板1上にクラッド12およびコア11からなる細線導波路14を形成して、外部導波路基板としてのターゲット基板6を作製する。
(1) Production of Core and Cladding As described with reference to FIG. 2A, a thin-line waveguide 14 composed of the
(2)台座の作製
図3(a)〜(d)で説明したように、Si基板71上に離型層72を形成し、離型層72上に台座2の形成して、第2のドナー基板8を作製する。
(2) Fabrication of pedestal As described in FIGS. 3A to 3D, the
(3)2次元フォトニック結晶の作製
図4(a)〜(d)で説明したように、Si基板91上に離型層92を形成し、離型層92上に2次元フォトニック結晶スラブの欠陥導波路部96および周期構造部97からなる2次元フォトニック結晶3を形成してフォトニック結晶基板としての第1のドナー基板10を作製する。
(3) Fabrication of two-dimensional photonic crystal As described with reference to FIGS. 4A to 4D, the
(4)光素子の作製
まず、図2の(b)に示すターゲット基板6、図3の(d)に示す第2のドナー基板8、及び図4の(d)に示す第1のドナー基板10を図示しない真空チャンバに搬入する。
(4) Fabrication of optical element First, the
次に、図9Aの(a)のように、第1のドナー基板10を図示しない下部ステージに固定し、第2のドナー基板8を図示しない上部ステージに固定し、第2のドナー基板8を第1のドナー基板10の上方に位置決めし、第1および第2のドナー基板8,10の表面をFABにより清浄化する。
Next, as shown in FIG. 9A, the
次に、第2のドナー基板8を下降させ、図9Aの(b)のように、台座2の下端面を第1のドナー基板10の2次元フォトニック結晶3の上面に所定時間、接触させ、台座2を2次元フォトニック結晶3の上面に常温接合する。
Next, the second donor substrate 8 is lowered, and the lower end surface of the
次に、図9Aの(c)のように、第2のドナー基板8を上昇させ、第1のドナー基板10から離間する。これにより、台座2の上端面が第2のドナー基板8から剥離し、台座2は第1のドナー基板10上に転写する。なお、本実施の形態の場合、第1のドナー基板10と第2のドナー基板8の両方に離型層92、72を設けているため、第1のドナー基板10の2次元フォトニック結晶2と離型層92の接合強度の方を第2のドナー基板8の台座2と離型層72との接合強度よりも大きく調整しておく。
Next, as shown in FIG. 9A (c), the second donor substrate 8 is raised and separated from the
次に、図9Bの(d)のように、第2のドナー基板8に代えて図9A(c)の第1のドナー基板10を上部ステージに固定し、第1のドナー基板10をターゲット基板6の上方に位置決めし、ターゲット基板4および第1のドナー基板10の表面をFAB処理により清浄化する。
Next, as shown in FIG. 9B (d), the
次に、第1のドナー基板10を下降させ、図9Bの(e)のように、台座2の下面をターゲット基板6のSi基板1の上面に所定時間、接触させる。この接触により、台座2の下面とSi基板1の上面の接触部分が常温接合される。
Next, the
次に、図9Bの(f)のように、Si基板91を上昇させると、2次元フォトニック結晶3および台座2が第1のドナー基板10の離型層92から剥離してターゲット基板6に転写される。以上により、図1に示した光素子100が完成する。
Next, as shown in FIG. 9B (f), when the
(第2の実施の形態の効果)
上述した第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様に、光素子100の小型化を図ることができる。
(Effect of the second embodiment)
According to the second embodiment described above, the optical element 100 can be reduced in size as in the first embodiment.
[第3の実施の形態]
図10は、本発明の第3の実施の形態に係る光素子を示す。第1の実施の形態では、図2に示すように、SiO2層13をエッチング等の処理によって細線状にしてクラッド12を形成したが、本実施の形態は、SiO2層13を細線状にせずにそのままクラッドとして用いたものである。本実施の形態は、第1又は第2の実施の形態と同様の方法により製造することができる。
[Third Embodiment]
FIG. 10 shows an optical element according to the third embodiment of the present invention. In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the SiO 2 layer 13 is formed into a fine line by etching or the like to form the
この第3の実施の形態によれば、SiO2層13を細線状にする工程を省略することができ、また、台座2を作製するための第1のウェハ7のSi層73の厚さを薄くすることができる。
According to the third embodiment, the step of forming the SiO 2 layer 13 into a thin line can be omitted, and the thickness of the Si layer 73 of the first wafer 7 for producing the
次に、本発明の実施例1について説明する。本実施例1は、2次元フォトニック結晶3の周期構造部97は、格子定数aを420nm、孔95の半径を122nm、スラブ導波路部96の厚さを250nmとした。格子定数aは、図4の(c)に示す1つの孔95と、それを取り囲む6つの孔95からなる7つの孔95の組み合わせにおいて、隣接する相互間の距離をいう。また、細線導波路14を構成するコア11の幅を485nm、高さを250nmとした。また、ギャップgを0.1nmとした。
Next, Example 1 of the present invention will be described. In Example 1, the
上記の条件で、1.55μmを含む白色光の光信号200をコア11に入光すると、スラブ導波路部96から1.55μmの光が得られることが判明した。
Under the above conditions, it was found that when a white light optical signal 200 including 1.55 μm is incident on the
[他の実施の形態]
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々な変形が可能である。
[Other embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
また、レーザー発光部、その他の発光素子、受光素子等を、図1の光素子100に内蔵さし、或いは搭載することも可能である。 Further, a laser light emitting unit, other light emitting elements, light receiving elements, and the like can be built in or mounted in the optical element 100 of FIG.
また、細線導波路に2次元フォトニック結晶を用いて構成してもよい。 Moreover, you may comprise using a two-dimensional photonic crystal for a thin wire | line waveguide.
1 基板
2 台座
3 2次元フォトニック結晶
4 ターゲット基板
5 SOI基板
6 ターゲット基板
7 第1のウェハ
8 ドナー基板
9 第2のウェハ
10 ドナー基板
11 コア
11 ターゲット基板
12 クラッド
13 SiO2層
14 細線導波路
71 Si基板
72 離型層
73 Si層
74 セル
91 Si基板
92 離型層
93 Si層
94 セル
95 孔
96 スラブ導波路部
97 周期構造部
100 光素子
200 光信号
201 出射光
DESCRIPTION OF
Claims (10)
基板上に形成され、前記欠陥部に空隙を設けて対向配置された外部導波路とを備えたことを特徴とする光素子。 A two-dimensional photonic crystal having defects that disturb the periodic structure;
An optical element comprising: an external waveguide formed on a substrate and disposed opposite to each other with a gap provided in the defect portion.
前記台座は、前記基板の露出している面に立設されたことを特徴とする請求項3に記載の光素子。 The external waveguide includes a clad formed on the substrate and a core formed on the clad,
The optical element according to claim 3, wherein the pedestal is erected on an exposed surface of the substrate.
前記台座は、前記クラッドに立設されたことを特徴とする請求項3に記載の光素子。 The external waveguide includes a clad formed on the substrate and a core formed on the clad,
The optical element according to claim 3, wherein the pedestal is erected on the clad.
前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを接触させ、前記スラブ導波路部と前記外部導波路との間に空隙を設けて前記2次元フォトニック結晶と前記台座とを接合する接合工程と、
前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを離間させて前記2次元フォトニック結晶を前記台座の上面に転写する離間工程とを含むことを特徴とする光素子の製造方法。 A photonic crystal substrate on which a two-dimensional photonic crystal having a defect that disturbs the periodic structure is formed, an external waveguide is formed on the substrate, and a pedestal having a predetermined height is provided on both sides of the external waveguide. A preparation step of preparing an external waveguide substrate;
Joining the two-dimensional photonic crystal and the pedestal by bringing the photonic crystal substrate into contact with the external waveguide substrate and providing a gap between the slab waveguide portion and the external waveguide; ,
A method of manufacturing an optical element, comprising: a separation step of separating the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate to transfer the two-dimensional photonic crystal to the upper surface of the pedestal.
前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを接触させ、前記スラブ導波路部と前記外部導波路との間に空隙を設けて前記台座と前記外部導波路基板とを接合する接合工程と、
前記フォトニック結晶基板と前記外部導波路基板とを離間させて前記2次元フォトニック結晶および前記台座を前記外部導波路基板に転写する離間工程とを含むことを特徴とする光素子の製造方法。 A two-dimensional photonic crystal having a defect portion that disturbs the periodic structure is formed, and a photonic crystal substrate in which a pedestal having a predetermined height is provided outside the periodic structure portion, and an external waveguide is provided on the substrate. A preparation step of preparing the formed external waveguide substrate;
Joining the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate, and joining the pedestal and the external waveguide substrate by providing a gap between the slab waveguide portion and the external waveguide;
A method for manufacturing an optical element, comprising: a separation step of separating the photonic crystal substrate and the external waveguide substrate to transfer the two-dimensional photonic crystal and the pedestal to the external waveguide substrate.
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-
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