JP3830962B2 - フォトニック結晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶デバイスに関し、特に光導波路と光共振器とを備えるフォトニック結晶デバイスに関する。

誘電体または半導体中に形成した周期屈折率変調構造中では、光をはじめとする電磁波が周期的な摂動を受けるため、波数と周波数との間の関係（分散関係）が結晶中の電子のバンド構造と同様の光のバンド構造（フォトニックバンド構造）が形成される。このような周期的屈折率変調構造は、フォトニック結晶と呼ばれている（非特許文献１）。フォトニック結晶中の光の伝搬は、材料およびフォトニック結晶構造によって制御することができる。

フォトニック結晶構造を応用した光導波路は、光回路素子の小型化を可能にする技術として期待されている。フォトニック結晶構造を利用した光導波路では、光導波路部分と周期的な構造物部分との屈折率差が重要である。このため、屈折率が３以上の材料、例えばガリウムヒ素（屈折率３．６）や珪素（屈折率３．４）のような高屈折率材料と、二酸化珪素（屈折率：１．５）または空気（屈折率：１）のように屈折率の低い材料との組み合わせによって作製したフォトニック結晶の例が多数報告されている（例えば、特許文献１）。

非特許文献２は、半導体基板に周期的に配列された円柱状の空気穴を設けることによりフォトニックバンドを生じさせ、それによって光路を直角に折り曲げた光導波路を開示している。非特許文献３は、フォトニック結晶を利用して作製した光の波長サイズの光共振器を開示している。非特許文献４は、光共振器と光導波路とを備えるフォトニック結晶デバイスを開示している。

以下、図１を参照しながら、フォトニック結晶構造を用いて作製された従来のフォトニック結晶デバイスを説明する。

図１は、２次元フォトニック結晶デバイスの上面図である。この２次元フォトニック結晶デバイスは、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板１０１の半導体（シリコン）層に多数の空気穴１０２を配列することにより、２次元フォトニック結晶を形成している。フォトニック結晶は、特定波長帯域の光の伝搬を阻止するフォトニックバンド構造を有している。図１に示すようなフォトニック結晶デバイスは、例えば、厚さ２５０ｎｍのＳにスラブに直径２４０ｎｍの空気穴を４２０ｎｍ間隔で三角格子状に配列することによって作製され得る。

基板１０１のうち、空気穴１０２が形成されていない直線状の部分は、光導波路１０３として機能する。光導波路１０３は、フォトニック結晶における線状欠陥（line defect）であり、光導波路１０３にはフォトニックバンド構造は形成されていない。

光導波路１０３から、少なくとも１つの空気穴１０２を間に置いて離れた位置に、空気穴１０２の形成されていない空間１０４が設けられている。この空間１０４は、フォトニック結晶における点欠陥（point defects）であり、光の波長程度のサイズを有する超小型の光共振器として機能する。光共振器長は、空気穴１０２の直径の整数倍の値を有することになる。光導波路１０３中を伝搬する光のうち、特定波長域の光が空間１０４で共振する。空間１０４は、その周囲をフォトニック結晶で囲まれているため、光共振器として高いＱ値を示すことが可能である。図示されるフォトニック結晶デバイスは、光フィルタや半導体レーザなど多くの素子に利用され得る。

非特許文献４に記載されている図（Fig.5）を図１１に引用する。図１１は、縦軸が光強度（Intensity：任意単位）、横軸が波長（Wavelength：ｎｍ）のグラフであり、図１１（ａ）は光導波路を伝搬して透過する光の強度を示し、図１１（ｂ）は光共振器を介して外部に放射される光の強度を示している。光共振器を介して基板の外部に放射される光は、共振波長における狭いスペクトルを有しており、この共振器波長は、共振器長を調整することによって制御される。また、このようなフォトニック結晶デバイスでは、光共振器と光導波路との間の結合度を調節することにより、光共振器を介して外部に放射される光の強度を制御することができる。
特開２００２−３５０６５７号公報 J.D. Joannopouls他著"Photonic crystals", Princeton University Press, 1995 Chutinan et al., Physical Review B, vol.62, No.7, p.4488, 2000 Y. Akahane et al., "Investigation of high-Q channel drop filters using donor-type defects in two-dimensional photonic crystal slabs", Applied Physics Letters,vol.83, p.1512,2003 Y. Akahane et al., "Fine-tuned high-Q photonic crystal nanocavity", OPTICS EXPRESS, vol.13, No. 4 p.1202,2005

図１に示すような従来のフォトニック結晶デバイスでは、光共振器として機能する空間１０４の長さを調節することにより、その共振周波数が制御されるが、光共振器（空間１０４）と光導波路１０３との間の光学結合度（「マッチング」）は、空間１０４と光導波路１０３との距離によって調整される。しかし、この距離は、空気穴の配列ピッチ（格子定数）の整数倍に設定されるため、光学結合度の精密な調整を行うことは難しい。このため、光共振器のＱ値、マッチング、および共振周波数を同時に所望の値にする設計をすることは不可能であった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、光導波路と光共振器とのマッチングをより精密に調節できるフォトニック結晶デバイスを提供することである。

本発明のフォトニック結晶デバイスは、基板と、前記基板内又は前記基板上に形成された周期的構造部分であって、周期的に配列された複数の穴を有する周期的構造部分と、前記基板内又は前記基板上に形成され、前記周期的構造部分と接している少なくとも１つの光導波路と、前記基板内又は前記基板上に形成され、前記周期的構造部分が有する前記複数の穴の少なくとも１つの穴を間に挟んで前記光導波路から離れた位置に形成された少なくとも１つの光共振器とを有するフォトニック結晶デバイスであって、前記周期構造部分が有する前記複数の穴は、前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の深さとは異なる深さを有する穴を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の深さは、前記複数の穴の深さより小さい。

好ましい実施形態において、前記周期構造部分が有する前記複数の穴は、前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の半径とは異なる半径を有する穴を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記基板のうちの少なくとも前記光導波路が形成される導波部分は、電気光学効果を有する材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記基板は、前記光導波路が形成される導波部分と、前記導波部分を支持するベース部分と、前記導波部分と前記ベース部分との間に形成された空隙とを有している。

好ましい実施形態において、前記周期的構造部分は、前記光導波路を伝搬する光の周波数においてフォトニックバンドを形成している。

好ましい実施形態において、前記光導波路は、フォトニック結晶の線状欠陥から形成されており、前記光共振器は、フォトニック結晶の点欠陥から形成されている。

前記光導波路の近傍に設けられた変調電極を更に備え、光変調素子として機能する請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。

好ましい実施形態において、前記光導波路は、マッハツェンダー干渉型光導波路構造を有している。

好ましい実施形態において、前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の底面には、前記穴の深さを減少させる膜が堆積されている。

本発明のフォトニック結晶構造によれば、フォトニック結晶中の欠陥の有無や穴の位置シフトではなく、穴の深さを調節することにより、光共振器と光導波路との間の結合度を調整するため、調整の自由度が向上し、低い光反射ロスでかつ超小型の光素子を実現することが可能である。本発明のフォトニック結晶デバイスを光変調器等の光デバイスに適用することにより、デバイスの小型・高性能化を実現することも可能となる。

（実施形態１）
図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第１の実施形態を説明する。図２（ａ）は、本実施形態のフォトニック結晶デバイスの上面を示す図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

本実施形態のフォトニック結晶デバイスは、基板２０１と、基板２０１に形成された周期的構造部分２０６と、周期的構造部分２０６と接して設けられた光導波路２０２と、光導波路２０２から離れた位置に形成された光共振器２０３とを備えている。周期的構造部分２０６は、基板２０１の主面に沿って２次元的かつ周期的に配列された複数の穴２０５０を有している。光共振器２０３は、少なくとも１つの穴２０５１を間に挟んで光導波路２０２から離れた位置に形成されている。

本実施形態では、光導波路２０２と光共振器２０３との間に挟まれた領域に位置する４つの穴２０５１が、他の領域に位置する穴２０５０の深さとは異なる深さを有している。本実施形態においては、光共振器２０３と光導波路２０２の間の穴２０５１の深さを調節することにより、光共振器２０３と光導波路２０２との間の結合度を制御している。なお、光導波路２０２と光共振器２０３との間に挟まれた領域以外の領域内に位置する穴２０５０は、相互に略等しい深さを有しているが、多数の穴２０５０の全てが厳密に等しい深さを有している必要は無い。

以下、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイスの構成をより詳細に説明する。

本実施形態で用いる基板２０１は半導体や誘電体の材料から好適に形成され得る。半導体材料は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ_1-xＧｅ_x、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮを含む。誘電体材料は、例えば、サファイア、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、チタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄）などを好適に含む。基板２０１は、単一の材料から形成されている必要は無く、半導体や誘電体の複数の層を含んでいても良く、例えばＳＯＩ基板であってもよい。

基板２０１の上面に複数の穴２０５０を二次元的に配列することによって作製された周期的構造部分２０６は、フォトニック結晶構造を形成している。本実施形態で形成している穴２０５０、２０５１の形状は円柱であるが、他の形状を有していてもよい。

本実施形態では、穴２０５０、２０５１の内部に空気が存在し、基板２０１との間で等価的な屈折率差が生じている。穴２０５０、２０５１の配列により、基板２０１の上面に平行な平面内において周期的な屈折率変調が生じ、電磁波に対するフォトニックバンド構造が形成される。穴２０５０、２０５１の内部は、空気以外の材料で埋め込んでも良いが、穴２０５０、２０５１を埋める材料の屈折率は、基板材料の屈折率から異なる必要がある。基板２０１と穴２０５０、２０５１の内部（本実施形態では「空気」）との間の屈折率差が大きい程、穴２０５１の深さを変化させることによる等価屈折率の調整幅が大きくなるため、好ましい。基板２０１と穴２０５０、２０５１の内部との間の屈折率差は、２．０〜０．０５の範囲内の大きさに設定され得るが、２．０〜０．１の屈折率差を形成することが好ましい。

本実施形態では、フォトニック結晶構造が形成された部分（スラブ状部分）の下方には、厚さ１〜１００μｍ程度の空隙２０４が設けられている。空隙２０４は、任意波長の光に対して透明である。光導波路２０２や光共振器２０３が形成されている部分と基板本体部分との間に、このような空隙２０４が設けられた構造を「エアブリッジ構造」と称することができる。

本実施形態では、穴２０５１の深さを調節することにより、光共振器の結合度や共振周波数を、より高い精密さで制御することができる。

これに対し、図１を参照して説明した従来のフォトニック結晶デバイスでは、空気穴１０２の数を増減し、光共振器の結合度や共振周波数を制御しているが、制御パラメータが空気穴の有無だけでは、設計の自由度が低く、光共振器の結合度や共振周波数の精密な制御は困難である。

なお、光共振器のＱ値を高めるために、光共振器として機能する点欠陥部分の両端に位置する空気穴の位置をシフトさせることが効果的であることが知られている。しかし、空気穴の位置をシフトさせるためには、空気穴をエッチングによって形成するためのフォトマスクのレイアウトを変化させる必要があり、微調整を行うためには、多数のフォトマスクを用意する必要がある。

図２のフォトニック結晶デバイスでは、光導波路２０２と光共振器２０３との間の結合度により、光素子としての特性が大きく変化する。この結合度は、光導波路２０２と光共振器２０３とに挟まれた領域（光結合部分）に位置する穴２０５１の形状、サイズ、位置、個数などに依存する。前述のように、穴２０５１の個数の調節によっては、離散的な粗い調節しかできず、また、穴２０５１の形状や位置の調整は、高価なフォトマスクの変更が必要になる。これに対し、穴２０５１のサイズは、面内水平横方向に大きさ（直径）と垂直方向の大きさ（深さ）とに分けられるが、直径の調整には、形状の調節と同様にフォトマスクの変更が必要になる。このため、従来は、そもそも、光導波路２０２と光共振器２０３とに挟まれた領域に位置する穴２０５１の形状、サイズ、位置、個数などを調整しようとする試みは全く行われていなかった。

このため、光導波路２０２と光共振器２０３との間の結合度が最適化されず、光導波路２０２から光共振器２０３に効率的に結合できず、反射ロスが発生するなどして、所望の特性を得ることができなかった。

上記の問題を解決するため、本実施形態では、穴２０５１の深さを調整することにより、光導波路２０２と光共振器２０３との間の結合度を制御している。穴２０５１の深さの調整は、一般に困難であると考えられるが、本実施形態では、以下に説明する方法により、実用的なレベルで穴２０５１の深さを精密に調整している。

以下、図３（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本実施形態のフォトニック結晶デバイスを製造する方法の好ましい実施形態を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板（基板２０１のベース部分）３０１上に、犠牲層として機能するＳｉＯ₂層３０２（厚さ：１μｍ）を介してＳｉ層（基板２０１の導波部分）３０３（厚さ：０．５μｍ）が形成されたＳＯＩ構造を有する基板２０１を用意する。本実施形態で使用する基板２０１におけるＳｉＯ₂層３０２の厚さは１μｍ、Ｓｉ層３０３の厚さは０．５μｍであるが、これらの層の厚さは、上記の値に限定されない。

基板２０１を洗浄した後、電子ビーム描画用のレジスト層３０４を基板２０１の上面に塗布する。レジスト層３０４は、電子ビームの照射量（ドーズ量）によって現像後に除去される部分の厚さを制御できるレジスト材料（例えば、日本ゼオン製レジスト：商品名ＺＥＰ−２０００）などから形成する。

次に、電子ビーム露光法により、レジスト層３０４のうちの穴２０５０、２０５１を規定する部分に電子ビームを照射した後、現像処理を行うことにより、電子ビーム照射部分を除去し、図３（ｂ）に示すレジストパターン３０５を形成する。電子ビームの照射量は、形成する穴の深さ（設計値）に合わせて調整する。本実施形態では、相対的に浅い穴を形成すべき領域に対しては、相対的に深い穴を形成すべき領域に対するよりも少ないドーズ量の電子ビームを照射している。このため、相対的に浅い穴を形成すべき領域では、レジストパターン３０５に貫通した開口部が形成されておらず、底部にレジストが残っている。

次に、レジストパターン３０５をマスクとして、塩素系あるいはＳＦ６などのガスを用いて、穴３０６ａ、３０６ｂ形成する。

上記の方法により、異なる深さを有する穴３０６ａ、３０６ｂをＳｉ層３０３に形成すると、図３（ｃ）に示すように、相対的に深い穴３０６ａはＳｉ層３０３を貫通し、ＳｉＯ₂層３０２に達する。この後、フッ酸に基板２０１を浸すことにより、ＳｉＯ₂層３０２に達する深い穴３０６ａを介して、フッ酸がＳｉＯ₂層３０２と接触し、ＳｉＯ₂層３０２を部分的に除去する。こうして、図３（ｄ）に示す空隙３０７を形成し、エアブリッジ構造を形成することができる。

次に、図９（ａ）から（ｄ）を参照しながら、製造方法の他の実施形態を説明する。

まず、前述の方法と略同様の方法により、シリコン基板３０１上にＳｉＯ₂層３０２（厚さ：１μｍ）を介して形成されたＳｉ層３０３（厚さ：０．５μｍ）に複数の穴を形成する。これらの穴は、穴の位置および形状を規定するパターンを有するレジストマスクをＳｉ層３０３上に形成した後、Ｓｉ層３０３を異方的にエッチングすることによって形成される。その後、レジストマスクを除去することにより、図９（ａ）に示す構成を得る。ここでは、全ての穴がＳｉＯ₂層３０２の表面にまで達しており、同じ深さを有している。

次に、図９（ｂ）に示すように、開口部を有するレジストマスク３０８をＳｉ層３０３上に形成する。レジスマスク３０８の開口部からは、深さを他の穴よりも浅く形成すべき穴が露出させる。

この後、図９（ｃ）に示すように、レジストマスク３０８上にＳｉ膜３０９ｂを堆積する。このとき、レジストマスク３０８の開口部を介して露出している領域にもＳｉ膜３０９ａが堆積される。

次に、レジストマスク３０８を除去することにより、レジストマスク３０８上に堆積されていたＳｉ膜３０９ｂも除去し、レジストマスク３０８の開口部に対応する領域に選択的にＳｉ膜３０９ａを残すことができる。こうして、特定の穴の底部にＳｉ膜３０９ａを形成することにより、その穴の深さを相対的に浅くすることができる。

図９（ｃ）では、穴の側面にはＳｉ膜３０９ａを形成していないが、薄膜堆積法によっては穴の側面にもＳｉ膜３０９ａが形成される。

堆積するＳｉ膜３０９ａ、３０９ｂの厚さは、堆積レートと堆積時間を調節することにより、極めて高い精度で制御できる。このため、光共振器と光導波路との間に位置する穴の深さを極めて高い精度で調整することにより、光共振器と光導波路との間の結合度を任意の大きさに制御することが可能になる。

この後、Ｓｉ層３０２に達する穴３０６ａを介してＳｉ層３０２の一部を除去すれば、エアブリッジ構造を形成することができる。

なお、レジストマスク３０８を形成する前に一様なＳｉ膜を堆積した後、レジスマスク３０８をＳｉ膜上に形成し、エッチング工程を行なっても良い。その場合、Ｓｉ膜のうちレジストマスク３０８の開口部を介して露出している部分がエッチングされるため、開口部内の穴が相対的に深くなる。すなわち、この場合には、前述した図９（ｂ）に示すレジストマスク３０８の反転パターンを有するレジストマスク３０８を形成し、深く形成すべき穴が存在する領域をレジストマスク３０８の開口部によって露出させることになる。

上記の方法では、レジストマスク３０８のパターンによって、任意の位置にある穴の深さを調節することができる。ただし、穴の直径が小さいため、現在のリソグラフィ技術では特定の１個の穴の深さのみを他の穴の深さから変化させることは難しい。例えば、図２（ａ）に示す例において、光共振器２０３と光導波路２０２との間に存在する７個の穴の深さだけを他の穴よりも相対的に小さくすることは、量産レベルでは容易でないかもしれない。その理由は、レジストマスクにおける開口部などのパターンを小さく形成し、かつ、位置合わせを正確に行うことが難しいためである。

図１０（ａ）は、光共振器２０３と光導波路２０２との間に存在する７個の穴を含むレジスト開口部の形状の一例を模式的に示している。図１０（ａ）の例では、破線で示されるレジスト開口部のエッジが一部の穴を横切っている。このような場合、一部の穴の深さは、１つの穴の中でも位置に応じて変化する可能性がある。穴の底部は平坦である必要はないので、各穴の深さとは、深さの平均値を意味するものとする。

一方、図１０（ｂ）は、レジスト開口部を比較的大きく形成することにより、レジスト開口部が光共振器２０３と光導波路２０２とによって挟まれる領域以外の領域に位置する他の穴をも含む例を示している。この場合、レジスト開口部が光共振器２０３と光導波路２０２とによって挟まれる領域以外の領域に位置する他の幾つかの穴も、レジストマスクで覆われている穴の深さに比べて浅く形成されることになる。より詳細に説明すると、図１０（ｂ）に示す例では、光導波路２０２に関して光共振器２０３とは反対側に位置する一部の穴についても、その深さが減少することになる。このような場合でも、光導波路２０２は正常に機能するため、特に問題ない。

図１０（ｂ）に示すように、比較的大きな領域に含まれる穴の深さを調節することは、現在のリソグラフィ技術でも容易である。このような理由から、相対的に浅く形成されるべき穴は、光共振器２０３と光導波路２０２とによって挟まれる領域以外に位置していても良い。

（実施形態２）
以下、図４を参照しながら、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第２の実施形態を説明する。実施形態１のフォトニック結晶デバイスでは、光導波路から離れた位置に光共振器が設けられているが、実施形態のフォトニック結晶デバイスでは、光導波路内に光共振器が設けられている。このように、光導波路に設けられた光共振器を「光導波路型共振器」と称することとする。

図４（ａ）に示すフォトニック結晶デバイスは、基板２０１と、基板２０１に穴２０５０を周期的に配列した周期的構造部分２０６と、基板２０１に設けられた光導波路２０２とを備えている。本実施形態に特徴的な点は、図４（ｂ）に示すように、光導波路２０２の途中に４つの穴２０５１を設け、光導波路２０２の途中に光共振器２０３を形成していることにある。また、光導波路２０２に形成した穴２０５１は、周期的構造部分２０６の穴２０５１よりも浅く形成されており、穴２０５１の深さを調節することにより、光導波路２０２と光共振器２０３との間の結合度を調節している。

図４（ｃ）および（ｄ）に示すフォトニック結晶デバイスは、光導波路２０２の途中に２つの穴２０５１を設け、光共振器２０３を形成している点で図４（ａ）および（ｂ）に示すフォトニック結晶デバイスと異なっているが、他の点では両者は共通の構成を有している。

（実施形態３）
次に、図５を参照しながら、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第３の実施形態を説明する。

図５（ａ）および（ｂ）に示すフォトニック結晶デバイスでは、光導波路２０２の屈曲部に２個の穴２０５１が設けられている。これに対し、図５（ｃ）および（ｄ）に示すフォトニック結晶デバイスでは、４個の穴２０５１が光導波路２０２の屈曲部に設けられている。いずれのフォトニック結晶デバイスでも、穴２０５１が周期的構造部分２０６の穴２０５０よりも浅く形成されており、穴２０５１の深さを調節することにより、等価屈折率の微調整が行われている。本実施形態では、穴２０５１の深さを調節することにより、光導波路２０２の透過特性が制御されている。

（実施形態４）
次に、図６を参照しながら、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第４の実施形態を説明する。

図６（ａ）および（ｂ）は、いずれも、多段光共振器構成を有するフォトニック結晶デバイスを示している。すなわち、本実施形態のフォトニック結晶デバイスは、相互に結合した複数の光共振器２０３を備えている。光共振器２０３は、実施形態２における光共振器と同様に、フォトニック結晶の点状欠陥から形成されている。

隣接する光共振器２０３の間の領域に位置する穴２０５０は、周期的構造部分２０６の穴２０５１よりも浅く形成されており、穴２０５１の深さを調節することにより、光導波路２０２と光共振器２０３との間の結合度のみならず、２つの光共振器２０３との間の結合度が調節されている。

穴２０５０の深さに対する穴２０５１の深さの比率は、例えば３０％〜９５％の範囲に設定され、必要に応じて５０％〜９５％の範囲に設定される。穴２０５１の直径は、穴２０５０を設ける配列周期（格子定数）の１／２以下にすることが好ましい。

本実施形態によれば、２つの光共振器２０３の間の結合度をも任意のレベルに制御することができるため、透過帯域のリップルを低減し、透過特性を改善することが可能である。

（実施形態５）
図７を参照しながら、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第５の実施形態を説明する。本実施形態のフォトニック結晶デバイスは、マッハツェンダー干渉型の光変調素子として機能する。

図７に示す光変調素子では、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）単結晶などの電気光学効果を有する基板４０１の表面部に、複数の穴が周期的に配列された周期的構造部分が設けられ、それによってフォトニック結晶構造が形成されている。基板４０１の表面部には、周期的構造部分に接するように光導波路４０２が形成されている。光導波路４０２は、フォトニック結晶における線状欠陥から形成されている。

光導波路４０２は、２箇所の分岐点４０７ａ、４０７ｂで２つに分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂに分岐している。入口側光導波路４０２ｃから入力された光が一方の分岐点４０７ａで分岐して２つの分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂを通過した後、他方の分岐点４０７ｂで共通の出口側光導波路４０２ｄを進むように構成されており、光導波路によるマッハツェンダー干渉計として動作する。

分岐した光導波路４０２ａ、４０２ｂの各々には、複数の光共振器４０３ａ、４０３ｂが形成されている。光共振器４０３ａ、４０３ｂは、光導波路４０２ａ、４０２ｂを伝搬する光の群速度を低下させるように機能する。

基板４０１の上には、分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂに沿うように２つの電極４０４ａ、４０４ｂおよび接地電極４０６からなる変調電極４０４が設けられている。一対の変調電極４０４ａ、４０４ｂは、平行結合線路を形成し、奇モードが励振されるように設計されている。電極４０４ａ、４０４ｂの内側端は、それぞれ、分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂのほぼ中央部の直上に位置している。

変調電極４０４の各線路４０４ａ、４０４ｂは、真空蒸着法、フォトリソグラフィ及びエッチングなどのプロセスを用いて形成されたアルミニウムや金などの金属膜によってそれぞれ形成されている。

変調電極４０４ａと変調電極４０４ｂとの間隔が小さいほど、光導波路４０２に形成される電界を大きくすることができる。一方、分岐光導波路４０２ａと分岐光導波路４０２ｂとの間隔が小さすぎると、双方を伝搬する光を分離できなくなる。このため、分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂのうちの平行な部分の間隔、すなわち、変調電極４０４が形成されている区間における分岐光導波路４０２ａと分岐光導波路４０２ｂとの間隔は、２μｍ〜２０μｍの範囲に設定することが好ましい。この間隔は、５μｍ〜１５μｍの範囲に設定することが更に好ましい。

本実施形態では、基板４０１として、ｚ軸（誘電主軸方向）に垂直な面（ｚ面）に沿ってカットされたＬｉＮｂＯ₃ウエハを使用している。ミリ波などの高い周波数帯で使用する場合、基板４０１内での不要な電磁界の共振を抑制するため、基板４０１の厚さを５０μｍ〜３００μｍの範囲に設定することが好ましい。薄い基板４０１を使用する代わりに基板４０１の一部分の厚さを１０μｍ〜２００μｍに低減し、それによって不要な共振を抑制してもよい。

入力光は、入口側光導波路４０２ｃから導入され、各分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂを通過する際に、以下のように、光変調作用を受ける。

変調電極４０４の各線路４０４ａ、４０４ｂに変調信号（高周波信号）が印加されると、間隙部４０５に電界が生じる。そして、電気光学的効果により、分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂの屈折率が電界強度に応じて変化する。

本実施形態では、分岐光導波路４０２ａおよび分岐光導波路４０２ｂには、互いに上下逆方向の電界が形成されるので、２つの分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂを伝搬する光には互いに逆の位相変化が与えられる。そのため、出口側光導波路４０２ｄでは、分岐光導波路４０２ａ、４０２ｂを通過した２つの光の干渉が生じることになる。この干渉の有無により、出力光の強度が変化するため、本実施形態の光変調素子は光強度変調器として動作する。

光導波路４０２内に設けられた光共振器４０３の存在により、光導波路４０２ａ、４０２ｂを伝搬する光は共振し、変調電極４０２の下部を複数回通過し得る。これにより、光共振器４０３ａ、４０３ｂ中に光エネルギーが蓄積され、変調効率が向上する。また、光共振器４０３ａ、４０３ｂにより、光の群速度が低下するため、変調効率が更に向上する。

本実施形態では、光導波部分４０２に深さの調節された空気穴を設けることにより、光導波路４０２ａ、４０２ｂに複数の光共振器４０３ａ、４０３ｂを形成している。光導波路４０２ａ、４０２ｂと光共振器４０３ａ、４０３ｂとの間の結合度は、光導波路４０２ａ、４０２ｂの途中に設ける穴の深さを、フォトニック結晶構造を形成するための穴の深さと異なる深さに調節することにより、制御している。

次に、図８（ａ）から（ｅ）を参照しながら、本実施形態のフォトニック結晶デバイスを製造する方法の実施形態を説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、基板４０１の光導波部分５０２として機能するＬｉＮｂＯ₃基板を用意し、この基板を洗浄した後、光導波部分５０２の裏面側にフォトレジストからなるマスク層５０３を形成する。マスク層５０３で覆われてない部分は、後のエッチング工程によって薄くエッチングされる部分である。

次に、図８（ｂ）に示すように、光導波路部分５０２の裏面のうち、マスク層５０３で覆われてない部分をエッチングして、空隙部５０４を形成する。このエッチングは、フッ素系ガスとアルゴンガスを用いたドライエッチングによって行う。エッチング後、マスク層５０３を除去する。

図８（ｃ）に示すように、光導波部分５０２の裏面側をベース部分５０１に接触させた後、熱処理により接合させる。図７に示す基板４０１は、導波部分５０２およびベース部分５０１から構成されることになる。

導波部分５０２の表面に対する光学研磨またはドライエッチングを行うことにより、導波部分５０２の厚さを減少させる。これにより、空隙部５０４上に位置する導波部分５０２の厚さを約３μｍに減少させる。この部分の厚さは、１μｍ〜５μｍ程度の範囲に設定することが好ましい。

次に、図８（ｅ）に示すように、導波部分５０２に多数の穴を形成することにより、フォトニック結晶構造５０５を形成する。フォトニック結晶構造５０５は、前述の実施形態について説明した方法で作製することができる。

本実施形態における光共振器は、図４（ａ）に示す光共振器２０３と同様の構成を有している。すなわち、光導波路中の空気穴の深さを他の空気穴の深さから変化させることにより、光共振器２０３の結合度を調整している。この結合度によって光透過特性が左右されるため、その調整は非常に重要となる。本実施形態では、前述した方法によって光導波路中の穴の深さを調節し、良好な透過特性を維持しつつ、変調効率を向上させることができる。

なお、フォトニック結晶構造を形成するための穴の深さは、光導波路の中を伝搬する光波の電磁界が存在する程度の深さ（今回は３μｍ程度）であれば十分である。光導波路内に形成する穴の深さは、その他の穴の深さの３０％〜９５％であることが望ましい。

図７（ｂ）に示す基板４０１におけるエアギャップにより、基板主面に垂直な方向に沿って屈折率差を形成する代わりに、基板の主面からＴｉ拡散を行うことにより、上記の屈折率差を設けてもよい。Ｔｉ拡散による屈折率差を設けることにより、基板の表面に垂直な方向について光閉じ込めを行うことが可能である。ただし、光波の閉じこめは、前者が強いため、光閉じ込めを強くするという観点からは、エアギャップを設けることが好ましい。

本実施形態によれば、光導波路部分に複数個の光共振器を設けることにより透過帯域を大きくすることができる。各光共振器の結合度の調整を、従来から提案されているように空気穴の有無によって行うと、透過域のリップルが大きくなるという問題があるが、本実施形態によれば、空気穴の深さを調節しているため、結合度を高精度に調節でき、光変調器の光学特性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、穴の深さを変化させることによって等価屈折率を制御しているが、これに加えて、穴の直径、形状、または位置を変化させてもよい。ただし、穴の径を小さくすると、フォトリソグラフィおよびエッチング技術によって穴を形成する工程における微細加工が難しくなる。

なお、物理的な凹部を基板に形成する代わりに、光学結晶が有する光によって屈折率が変化する性質（フォトリフラクティブ）を利用して基板に「穴」を形成してもよい。例えばニオブ酸リチウム結晶では、波長５３２ｎｍ、出力数百ｍＷ程度のレーザ光を照射すると、照射部分の屈折率を未照射部分の屈折率とは異なる値に変化させることができる。このようなフォトリフラクティブを利用することにより、深さの異なる穴を光学結晶に形成することにより、本発明のフォトニック結晶デバイスを製造することもできる。

本発明のフォトニック結晶デバイスは、低消費電力で動作可能な光変調素子や小型光フィルタとして好適に用いることができる。また、本発明のフォトニック結晶デバイスにおける光共振器を半導体レーザの光共振器として使用すると、レーザ発振の閾値を低下させることが可能になる。このように、本発明のフォトニック結晶デバイスは、光通信システムの小型・高効率化を実現することに大きく寄与する。

光導波路および光共振器を備える従来のフォトニック結晶デバイスを示す平面図である。 （ａ）は、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第１実施形態の平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、そのＢ−Ｂ’線断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明のフォトニック結晶デバイスを製造する方法の実施形態を示す工程断面図である。 （ａ）は、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第２実施形態の平面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、第２実施形態の他の構成を示す平面図であり、（ｄ）は、そのＢ−Ｂ’線断面図である。 （ａ）は、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第３の実施形態における光導波路の構成を示す平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、上記第３の実施形態における他の光導波路の構成を示す平面図、（ｄ）は、そのＢ−Ｂ’線断面図である。 （ａ）は、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第４の実施形態における多段光共振器の構成を示す平面図、（ｂ）は、多段光共振器の別の構成を示す平面図である。 （ａ）は、本発明によるフォトニック結晶デバイスの第５の実施形態（光変調素子）の構成を示す平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、図７に示す光変調素子の製造工程を示す断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明のフォトニック結晶デバイスを製造する方法の他の実施形態を示す工程断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、いずれも、浅く形成される穴の配置例を示している。 非特許文献４に示されている図であり、フォトニック結晶デバイスにおける光透過特性を示す図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 空気穴
１０３ 光導波路
１０４ 光共振器
２０１ 基板
２０２ 光導波路
２０３ 光共振器
２０４ 空隙
２０５０ 穴
２０５１ 穴
２０６ 周期的構造部分
３０１ 基板２０１のベース部分
３０２ 基板２０１の犠牲層
３０３ 基板２０１の導波部分
３０４ レジスト層
３０５ マスク層
３０６ａ 深い穴
３０６ｂ 浅い穴
３０７ 空隙（エアギャップ）
４０２ 光導波路部分
４０３ 光共振器（エネルギー蓄積部）
４０４ 変調電極
５０１ 基板４０１のベース部分
５０２ 基板４０１の導波部分
５０３ マスク層
５０４ エアギャップ
５０５ フォトニック結晶構造

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板内又は前記基板上に形成された周期的構造部分であって、周期的に配列された複数の穴を有する周期的構造部分と、
   前記基板内又は前記基板上に形成され、前記周期的構造部分と接している少なくとも１つの光導波路と、
   前記基板内又は前記基板上に形成され、前記周期的構造部分が有する前記複数の穴の少なくとも１つの穴を間に挟んで前記光導波路から離れた位置に形成された少なくとも１つの光共振器と、
   を有するフォトニック結晶デバイスであって、
   前記周期構造部分が有する前記複数の穴は、前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の深さとは異なる深さを有する穴を含んでいる、フォトニック結晶デバイス。
   
2. 前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の深さは、前記複数の穴の深さより小さい請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
3. 前記周期構造部分が有する前記複数の穴は、前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の半径とは異なる半径を有する穴を含んでいる請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
4. 前記基板のうちの少なくとも前記光導波路が形成される導波部分は、電気光学効果を有する材料から形成されている請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
5. 前記基板は、前記光導波路が形成される導波部分と、前記導波部分を支持するベース部分と、前記導波部分と前記ベース部分との間に形成された空隙とを有している、請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
6. 前記周期的構造部分は、前記光導波路を伝搬する光の周波数においてフォトニックバンドを形成している、請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
7. 前記光導波路は、フォトニック結晶の線状欠陥から形成されており、
   前記光共振器は、フォトニック結晶の点欠陥から形成されている、請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
8. 前記光導波路の近傍に設けられた変調電極を更に備え、光変調素子として機能する請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
9. 前記光導波路は、マッハツェンダー干渉型光導波路構造を有している請求項８に記載のフォトニック結晶デバイス。
10. 前記光導波路と前記光共振器との間に挟まれた前記少なくとも１つの穴の底面には、前記穴の深さを減少させる膜が堆積されている、請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
    

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