JP3921102B2 - フォトニック結晶を用いた光導波路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上にコアとクラッドを形成した光導波路に係り、特に、コアの一部をフォトニック結晶で構成して伝搬損失の低減を図ったフォトニック結晶を用いた光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、フォトニック結晶について簡単に説明する。フォトニック結晶とは、屈折率が異なる２種類の透明媒質を、媒質内平均波長の１／２程度の格子間隔で１〜３次元の周期構造としたものである。３次元の場合で大まかに言うと、ナノスケールの３次元市松模様である。１次元〜３次元のフォトニック結晶を模式的に示すと、それぞれ図７（ａ）〜（ｃ）のようになる。図７（ａ）の１次元フォトニック結晶９０ａの場合はｚ方向にのみ屈折率の周期性を有し、図７（ｂ）の２次元フォトニック結晶９０ｂの場合はｘ，ｚ方向に屈折率の周期性を有し、図７（ｃ）の３次元フォトニック結晶９０ｃの場合はｘ，ｙ，ｚ方向に屈折率の周期性を有する。図７中の屈折率が異なる２種類の透明媒質は、低屈折率媒質９１と高屈折率媒質９２である。
【０００３】
従来のフォトニック結晶を用いた光導波路の代表的な例として、図８に示すようなＳＯＩ基板を用いた円孔型のフォトニック結晶からなる光導波路１００がある。この光導波路１００は、２００１年春季第４８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３０ａ−ＹＫ−２に記載されているものである。
【０００４】
従来の光導波路１００は、Ｓｉ基板１０１上にＳｉＯ2 層を形成し、ＳｉＯ2 層上にＳｉ層１０３を形成し、そのＳｉ層１０３に、直径が０．２３〜０．２４μｍの複数個の円孔１０４を、隣接する円孔の中心間距離（格子定数）ａが０．４２μｍ間隔となるように２次元三角格子状に配列形成すると共に、一列のみ円孔１０４を形成しないようにし、下部のＳｉＯ2 層を取り除いた構造である。
【０００５】
円孔１０４を形成しないようにした部分が光導波路コア１０５となる。円孔１０４はフォトリソグラフィーとドライエッチングにより作製され、下部のＳｉＯ2 層はウエットエッチング法により取り除かれる。それによって、光導波路コア１０５の下部は空気（ａｉｒ）からなる光導波路クラッド１０６ｄとなる。また、光導波路コア１０５の上部も空気からなる光導波路クラッド１０６ｕであることから、光導波路コア１０５が空気からなる光導波路クラッド１０６ｕ，ｄでサンドイッチされた構造となる。この光導波路１００は、エアブリッジ型と呼ばれている。
【０００６】
図９に光導波路１００の伝搬損失の波長依存性を示す。通信波長１．５０μｍ帯での光導波路１００の伝搬損失は１０ｄＢ／ｍｍである。すなわち、１ｃｍあたり１００ｄＢである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題 】
しかしながら、従来の光導波路１００の伝搬損失は１００ｄＢ／ｃｍと非常に高く、実用上必要とされる１ｄＢ／ｃｍ以下の低損失のものを作製するのが困難であるという問題がある。
【０００８】
その主要因は、円孔１０４作製においてフォトリソグラフィーの精度が約±５％、ドライエッチングによる精度が約±４％と精度が悪いことであり、その要因を取り除くためにプロセス精度を上げることは容易ではない。その大きな伝搬損失によって、さまざまな光回路への応用の道が閉ざされている。
【０００９】
また、円孔フォトニック結晶からなる従来の光導波路１００とは異なり、下部クラッド、コア、上部クラッドの全領域を、石英系光ファイバとの屈折率差が小さい誘電体多層膜型のフォトニック結晶で作製した格子変調型フォトニック結晶からなる光導波路が報告されている（２００１年春季第４８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３０ｐ−ＹＫ−２）。
【００１０】
この光導波路では、後述する自己クローニング法により、誘電体多層膜を作製しているが、その厚さを１０μｍ以上とする必要があるので、作製が非常に困難であるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、作製容易で、伝搬損失が低いフォトニック結晶を用いた光導波路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板上にコアとクラッドを形成した光導波路において、コアの一部を、スパッタデポジッションと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行う際、デポジッションとエッチングの比率を適正化する自己クローニング法により作製した２次元あるいは３次元のフォトニック結晶で構成すると共に、そのフォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を、誘電体の単層膜で形成し、クラッドを単層膜で形成したフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１４】
請求項２の発明は、クラッドを誘電体の単層膜で形成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１５】
請求項３の発明は、コアを誘電体多層膜型のフォトニック結晶で構成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１６】
請求項４の発明は、光の伝搬方向に沿う屈折率の周期性を有するフォトニック結晶で構成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置して光共振器の機能を有する請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１７】
請求項５の発明は、光の伝搬方向に沿う屈折率の周期性を有するフォトニック結晶で構成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置させることにより、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光波長フィルタの機能を有する請求項１または４記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２０】
図１は、本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路１は、石英からなる基板２上の中央部に、誘電体多層膜型のフォトニック結晶３で構成される矩形体状のコア４を形成し、コア４とコア４が形成されない基板２上とを、ＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜で形成したクラッド５で覆ったものである。コア４の長さは、基板２の長手方向の長さと同じである。コア４の両端面４ｆ，４ｂは露出しており、一方の端面４ｆが基板２の正面２ｆと一致し、他方の端面４ｂが基板２の背面２ｂと一致している。基板２としては、通信波長帯１．３μｍ〜１．７μｍで透明な石英（ＳｉＯ2 ）を用いているが、Ｓｉを用いてもよい。
【００２２】
フォトニック結晶３は、高屈折率媒質膜３ａと低屈折率媒質膜３ｂとからなる２次元のフォトニック結晶である。このフォトニック結晶３は、各膜３ａ，３ｂが、基板２の長手方向に沿って凹凸形状が繰り返されて形成されると共に、基板２上に交互に積層されて形成されたものである。高屈折率媒質膜３ａとしては、例えば、Ｔａ2 Ｏ5 膜を使用している。低屈折率媒質膜３ｂとしては、例えば、ＳｉＯ2 膜を使用している。
【００２３】
フォトニック結晶３に用いる材料は、上述したものに限らず、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＳｉＯ2 などの酸化物、Ｇｅ、Ｓｉなどの半導体を使用することができる。例えば、現在すでに製品化されている誘電体多層膜フィルタには、Ｔａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 、Ｎｂ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 などの酸化物を組み合わせた材料が用いられているので、光導波路の低損失化のために、それらの材料を用いることができる。
【００２４】
光導波路１のコア４の屈折率は、約１．７〜１．８である。光導波路１のクラッド５の屈折率は、約１．４〜１．５である。この光導波路１では、コア４の一方の端面４ｆから入射した入射光は、フォトニック結晶３で構成されるコア４内を、基板２の上面２ｕおよび下面２ｄに対して平行に伝搬し、コア４の他方の端面４ｂから出射する。
【００２５】
次に、光導波路１の製造方法を説明する。
【００２６】
図２に示すように、まず、基板２０の上面２０ｕを、電子ビーム露光によるフォトリソグラフィーとドライエッチングにより、基板２の長手方向（ｘ方向）に沿ってＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターン状となるように加工する。ここで、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターンとは、凹凸に加工された形状のことである。図２では基板２の上面２ｕに、凸部（Ｌｉｎｅ）２１と凹部（Ｓｐａｃｅ）２２が交互に形成されている。すなわち、予め基板２０上に面内の１次元初期格子を形成しておく。ｘ方向のピッチ間隔Ｌｘは、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターンの一つのＬｉｎｅ幅と一つのＳｐａｃｅ幅を加えた値であり、ｘ方向のＬｉｎｅ幅およびＳｐａｃｅ幅をＬｉｎｅ−ｘ、Ｓｐａｃｅ−ｘとすれば、Ｌｘ＝（Ｌｉｎｅ−ｘ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｘ）となる。ここでは、Ｌｘ＝０．５μｍとした。Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターンが形成された基板２０は、ダイシングにより数ｍｍ×数ｍｍにチップ化される。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、チップ化した基板２上に、バイアススパッタリング法により、高屈折率媒質膜（Ｔａ2 Ｏ5 膜）３ａと低屈折率媒質膜（ＳｉＯ2 膜）３ｂとを交互に積層させる。バイアススパッタリング法を簡単に説明すると、ターゲットにＲ．Ｆ．（高周波）電力を印加させるだけではなく、基板にもＲ．Ｆ．電力を印加しながらスパッタデポジッションと同時あるいは交互にバイアススパッタエッチングを可能とする方法である。膜厚は目的とするデバイスの仕様により決められる。それぞれの膜を堆積させる際、後述する自己クローニング法により、ある一定の断面形状を保ちながら膜が堆積される。
【００２８】
バイアススパッタリング法は、例えば、図４に示すようなバイアススパッタリング装置４０を用いて行われる。
【００２９】
装置４０は、真空排気されたチャンバ４１内の下部に設けられるターゲット電極４２ａ，４２ｂと、各ターゲット電極４２ａ，４２ｂの上方を覆うシャッター４３ａ，４３ｂと、チャンバ４１内の上部に設けられる基板電極４４と、基板電極４４に取り付けられ、シャッター４３ｂと対向して設けられる基板ホルダー４５と、チャンバ４１側部に設けられるガス導入部４６およびガス排気部４７とを備えたものである。ターゲット電極４２ａ，４２ｂと基板ホルダー４５には、整合器４８ａ，４８ｂ，４９を介して１３．５６ＭＨｚのＲ．Ｆ．電源５０ａ，５０ｂ，５１が接続されており、反射波がほぼゼロとなるように整合器４８ａ，４８ｂ，４９のマッチングが制御される。
【００３０】
この装置４０では、２種類のターゲット５２ａ，５２ｂは、ターゲット電極４２ａ，４２ｂ上にそれぞれ配置される。チップ化された基板２は、基板ホルダー４５内に配置される。作動ガスとしては、例えば、アルゴン、酸素を使用している。
【００３１】
ここで、自己クローニング法について詳しく説明する。自己クローニング法については、例えば、川上彰二郎、花泉修、佐藤尚、大寺康夫、川嶋貴之、信学論（Ｃ），ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．２９６−２９７，１９９７．や、特開平１０−３３５７５８号公報に記載されている。
【００３２】
上述したバイアススパッタリング装置４０を利用することにより、ターゲット５２ａ，５２ｂだけでなく基板２へもＲ．Ｆ．電力を印加することができる。一般的なスパッタリング法では、ターゲット材がＡｒ+ イオンによってスパッタされてターゲットを構成する中性原子やそのイオン、多原子分子（クラスター）などになり、それらを基板上に拡散入射させてデポジッションを行う。バイアススパッタリング法によれば、基板２に積極的にＡｒ+ イオンを打ち込み、スパッタデポジッションと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行うことができる。その際、デポジッションとエッチングの比率を適正化する自己クローニング法により、ある一定の断面形状を維持しながら膜を堆積していくことが可能である。
【００３３】
自己クローニング法を用いると、デポジッションとエッチングとがバランスよく行われるので、図３（ａ）に示したように、基板２の上面２ｕに形成した凹凸形状に応じて、各膜３ａ，３ｂが、基板２の長手方向に沿って凹凸形状が繰り返されて形成されると共に、基板２上に交互に積層されて形成された２次元のフォトニック結晶３を作製することができる。下地の形状を自動的に複製するので、川上らは、この技術あるいは現象を「自己クローニング」と命名した。自己クローニング法を用いずに、ただ単にターゲットのみにＲ．Ｆ．電力を印加して成膜していくと、デポジッションのみが行われることから、図３（ｂ）示すように、基板表面の凹凸形状がその形を保てず、断面の上方でやがてならされて平坦になってしまう。
【００３４】
より詳細な一例を説明する。まず、チップ化した基板２をチャンバー内に入れ真空引きを行う。基本圧力（Ｂａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は１．３３×１０-3Ｐａ（１×１０-5 Ｔｏｒｒ）以下とする。Ｔａ2 Ｏ5 膜３ａの膜厚Ｄａは、１９０．５ｎｍである。成膜条件はＲ．Ｆ電力：３００Ｗ、基板側Ｒ．Ｆ電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（９．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ2 （１．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：０．１３３Ｐａ（１．０×１０-3Ｔｏｒｒ）とした。成膜速度が１６．８ｎｍ／ｍｉｎであるので成膜時間を１１．３ｍｉｎとした。ＳｉＯ2 膜３ｂは、膜厚Ｄｂが２７２．５ｎｍである。成膜条件はＲ．Ｆ電力：３００Ｗ、基板側Ｒ．Ｆ電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（７２．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ2 （４．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：０．８Ｐａ（６．０×１０-3Ｔｏｒｒ）とした。成膜速度が３．１ｎｍ／ｍｉｎであるので成膜時間を８７．９ｍｉｎとした。
【００３５】
Ｔａ2 Ｏ5 膜３ａの厚さＤａとＳｉＯ2 膜３ｂの厚さＤｂとの合計の厚さＤを、１周期（４６３．０ｎｍ）として９周期成膜する。フォトニック結晶３の厚さ、すなわちコア４の膜厚は４．１６７μｍとなる。
【００３６】
次に、フォトニック結晶３をフォトリソグラフィーとドライエッチングによって加工し、両端の断面が約４μｍ×４μｍのほぼ正方形となるように矩形化する。この断面が正方形である矩形体状のフォトニック結晶３がコア４となる。コア４の側面および上面の全ての面と、コア４が形成されていない基板２上とを、ＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜で形成したクラッドで覆うと、図１で示したようなフォトニック結晶を用いた光導波路１が完成する。クラッドは、例えば、通常のスパッタデポジッションを行って作製すればよい。このＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜のクラッドを用いることにより、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができ、それによってコア内に光を閉じ込めやすい構造とすることができる。
【００３７】
本発明の前提技術である光導波路１は、通信波長帯である１．３〜１．７μｍ（１３３０〜１７００ｎｍ）の全範囲に亘って、伝搬損失が１．０ｄＢ／ｃｍ以下、あるいは０．１ｄＢ／ｍｍ以下である。これは、図８および図９で説明した従来の光導波路１００の伝搬損失１００ｄＢ／ｃｍ（１０ｄＢ／ｍｍ）に比べると、約２桁も低い伝搬損失である。
【００３８】
このように、本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路１は、フォトニック結晶のみで構成される従来の光導波路１００とは異なり、コアの少なくとも一部をフォトニック結晶で構成していることから、クラッドの実効屈折率がコアの実効屈折率よりも低くなり、しかも、クラッドを単層膜で形成しているので、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができる。したがって、コア内への光の閉じ込めが十分となり、光導波路の伝搬損失を１．０ｄＢ／ｃｍ以下と非常に低くすることができる。
【００３９】
ここで、特に、クラッドを誘電体の単層膜とすることにより、光導波路の伝搬損失が低くなる理由について説明する。
【００４０】
一例として、誘電体単層膜をＳｉＯ2 、誘電体多層膜をＴａ2 Ｏ5 とＳｉＯ2 からなる多層膜とする。クラッドをＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 誘電体多層膜とした場合には、その平均屈折率差が約１．７〜１．８となり、コアもＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 の構造を持つことから、コアの屈折率とクラッドのそれがほとんど同程度になる。一方、クラッドにＳｉＯ2 誘電体単層膜を用いると、ＳｉＯ2 の屈折率が１．４〜１．５であるからＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 コアに比べて小さくすることができる。すなわち、クラッドの屈折率を小さくすることにより、コア内への伝搬光の閉じ込めを効果的に行うことができ、低伝搬損失となる。
【００４１】
このように、クラッドを誘電体の単層膜とすることにより、コア、クラッドの双方とも誘電体膜で形成されるので、それによって石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００４２】
また、コアを誘電体多層膜型のフォトニック結晶とすることにより、石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、それによって光ファイバとの接続損失が低く、かつコア内の伝搬損失が低い光導波路を実現することができる。
【００４３】
従来技術では、従来の光導波路の一例として、格子変調型フォトニック結晶からなる光導波路を説明した。この従来の光導波路では、自己クローニング法での誘電体多層膜を１０μｍ以上の厚膜で維持させなければならず、作製が難しかったが、本発明の前提技術である光導波路１では、フォトニック結晶となるのはコア領域に限られるので、作製プロセスが大幅に簡略される。しかも、コア４の膜厚は約４μｍという薄膜であるので、作製が容易である。
【００４４】
さらに、本発明の前提技術である光導波路１は、誘電体多層膜型のフォトニック結晶から構成されるコアを自己クローニング法を用いて作製しているので、工業的に量産が容易である。
【００４５】
さて、本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００４６】
図５は、本発明の第１の実施の形態であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【００４７】
図５に示すように、光導波路６０は、石英からなる基板２上の中央部の正面側と背面側の２箇所に、誘電体多層膜型のフォトニック結晶３で構成される矩形体状のフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂを形成し、これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ間に、ＧｅＯ2 −ＳｉＯ2 膜からなる矩形体状の誘電体の単層膜コア６２を形成したものである。単層膜コア６２の基板２との比屈折率比Δは、１．５％である。ここで、比屈折率比Δは、単層膜コア６２の屈折率をｎｃｏｒｅ、基板２の屈折率をｎｓｕｂ．として、（ｎｃｏｒｅ−ｎｓｕｂ．）／ｎｃｏｒｅで表される。この光導波路６０は、図１で説明した光導波路１のように全てのコア領域をフォトニック結晶３で構成するのではなく、コア領域の一部をフォトニック結晶で構成したものである。光導波路６０のその他の構成は、光導波路１と同じ構成である。
【００４８】
光導波路６０では、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２とからなる光共振器を構成している。ここでは、光共振器の機能を有する光導波路６０を構成するため、図５に示すように、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂが光の伝搬方向（図５では、基板２を下にした場合に右斜め上方向あるいは左斜め下方向）に沿う屈折率の周期性を有するように形成する。この構成によって、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂが誘電体多層膜フィルタのＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）に相当し、単層膜コア６２が誘電体多層膜フィルタのキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）に相当するので、光フィルタを構成しているとも言える。
【００４９】
この光導波路６０では、入射光をフォトニック結晶コア６１ｆの一方の端面６１ｆｐに入射させ、フォトニック結晶コア６１ｂの他方の端面６１ｂｑから出射される出射光を測定すると、ある波長の光のみを透過する光フィルタ特性が得られる。すなわち、光導波路６０は、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光波長フィルタの機能を有する。
【００５０】
次に、光導波路６０の製造方法を説明する。
【００５１】
まず、基板２の中央部上の正面側と背面側の２箇所に、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂを、図１で説明した光導波路１のコア４と同じ要領で作成する。これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ間に、スパッタデポジッション法により、単層膜コア６２を成膜する。このとき、ＳｉＯ2 に添加するＧｅＯ2 の量を制御し、基板との比屈折率比Δが１．５％となるようにする。矩形化はフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて両端の断面が４μｍ×４μｍとなるように加工される。これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２を、ＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜で形成されるクラッド５で覆うと、図５で示した光導波路６０が完成する。
【００５２】
このＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜のクラッドを用いることにより、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができ、それによってコア内に光を閉じ込めやすい構造とすることができる。
【００５３】
本光導波路６０の光学測定を行ったところ、１５６０ｎｍに透過中心波長を持つ光フィルタが得られた。透過中心波長における伝搬損失は１．０ｄＢ／ｃｍ、あるいは０．１ｄＢ／ｍｍ以下と非常に低く、精度の高い波長選択型の光フィルタを実現できたことが分かる。この光導波路６０も、従来の光導波路１００に比べて約２桁低い伝搬損失である。
【００５４】
このように、本発明に係る光導波路６０は、フォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を誘電体の単層膜とすることにより、フォトニック結晶を用いた光導波路の伝搬損失をさらに低減することができる。
【００５５】
また、フォトニック結晶で構成されるコアを２箇所以上に配置することにより、光共振器を実現することができる。この光共振器を応用することにより、精度が高い光波長フィルタを実現することができる。この光波長フィルタとは、特に波長選択型の光フィルタのことである。
【００５６】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。フォトニック結晶からなるコアを分散配置し、それぞれ分散配置されたフォトニック結晶部で各種機能部品を形成し、それらを単層膜コアからなる光配線で結ぶといった光機能部品のモノリシック化することもできる。一例として、フォトニック結晶を用いた光導波路で共振器、分散制御、レンズ、ミラー、モードフィールド変換等の光機能部品を構成し、それら光機能部品を光配線で結ぶという構成が考えられる。
【００５７】
第２の実施の形態を説明する。
【００５８】
図６は、本発明の第２の実施の形態であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【００５９】
図６に示すように、光導波路８０は、図５で説明したフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと誘電体単層膜コア６２からなる共振器で構成した光フィルタの入力導波路の入力側および出力導波路の出力側の２箇所に、モードフィールド変換導波路を設けたものである。
【００６０】
この光導波路８０は、基板２上の中央部の正面側と背面側の２箇所に、ＧｅＯ2 −ＳｉＯ2 膜からなる略立方体状の誘電体の単層膜コア８１ｆ，８１ｂを形成し、これら単層膜コア８１ｆ，８１ｂ間に、図５で説明したフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと誘電体の単層膜コア６２を形成したものである。
【００６１】
単層膜コア８１ｆ，８１ｂの基板２との屈折率比Δは０．３％である。単層膜コア８１ｆ，８１ｂも、単層膜コア６２と同様、スパッタデポジッション法により成膜される。このとき、ＳｉＯ2 に添加するＧｅＯ2 の量を制御し、基板との比屈折率比Δが０．３％となるようにする。各単層膜コア８１ｆ，８１ｂの両端面の寸法は７μｍ×７μｍとした。単層膜コア８１ｆの一方の端面８１ｆｐには、モードフィールド径が１０μｍのシングルモード光ファイバ８２ｆが接続され、単層膜コア８１ｂの他方の端面８１ｂｑには、モードフィールド径が１０μｍのシングルモード光ファイバ８２ｂが接続されている。光導波路８０のその他の構成は、光導波路６０とほぼ同じ構成である。
【００６２】
光導波路８０では、シングルモード光ファイバ８２ｆから入射される入射光Ｌ１は、そのモードフィールド径を保ったまま、単層膜コア８１ｆに入射され、単層膜コア８１ｆとフォトニック結晶コア６１ｆの境界面でモードフィールド径が１０μｍから４μｍに変換される。フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２は、図５で説明したように光波長フィルタを構成するので、モードフィールド径が１０μｍから４μｍに変換された入射光のうち、特定のスペクトルのみが透過する。光波長フィルタを透過したスペクトルは、フォトニック結晶コア６１ｂと単層膜コア８１ｂの境界面でモードフィールド径が４μｍから１０μｍに変換され、モードフィールド径を１０μｍに保ったまま単層膜コア８２ｂを伝搬し、シングルモード光ファイバ８２ｂに出射され、出射光Ｌ２として伝搬する。
【００６３】
この光導波路６０では、損失が図５で説明した光導波路６０と同程度かそれ以上低いスペクトルが得られる。また、単層膜コア８１ｆ，８１ｂ、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ、単層膜コア６２などの各種光機能部品がモノリシック化されているので、機能性を向上させることができる。
【００６４】
上記実施の形態では、フォトニック結晶として、２次元のフォトニック結晶を用いた例で説明したが、必要であれば３次元のフォトニック結晶を用いることもできる。３次元のフォトニック結晶を使用した場合、２次元のフォトニック結晶を使用した場合に比べると構造がやや複雑になるものの、コア内への光の閉じ込めがより強くなり、光導波路の伝搬損失がより低くなるという利点がある。
【００６５】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光導波路に関するものであるが、フォトニック結晶を用いた光部品およびフォトニック結晶を応用した光デバイス、あるいはそれら光部品ならびに光デバイスを適用した光システムに幅広く適用することが可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００６７】
（１）フォトニック結晶を用いた光導波路の伝搬損失を０．１ｄＢ／ｃｍ以下とすることができる。
【００６８】
（２）フォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を誘電体の単層膜とすることにより、光導波路の伝搬損失をさらに低減することができる。
【００６９】
（３）石英系光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００７０】
（４）石英系光ファイバとの接続損失が低く、かつコア内の伝搬損失が低い光導波路を実現することができる。
【００７１】
（５）光共振器を実現することができる。
【００７２】
（６）光フィルタを実現することができる。
【００７３】
（７）工業的に量産が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【図２】 基板の斜視図である。
【図３】 図３（ａ）は、自己クローニング法を用いて作製したフォトニック結晶の断面図である。図３（ｂ）は、自己クローニング法を用いずに作製したフォトニック結晶の断面図である。
【図４】 バイアススパッタリング装置の概略図である。
【図５】 本発明の好適な第１の実施形態を示すフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図７】 フォトニック結晶の模式図である。
【図８】 従来の光導波路のＳＥＭ写真である。
【図９】 図８に示した従来の光導波路の波長に対する伝搬損失特性を示す図である。
【符号の説明】
１ フォトニック結晶を用いた光導波路
２ 基板
３ フォトニック結晶
３ａ 高屈折率媒質膜
３ｂ 低屈折率媒質膜
４ コア
５ クラッド
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上にコアとクラッドを形成した光導波路に係り、特に、コアの一部をフォトニック結晶で構成して伝搬損失の低減を図ったフォトニック結晶を用いた光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、フォトニック結晶について簡単に説明する。フォトニック結晶とは、屈折率が異なる２種類の透明媒質を、媒質内平均波長の１／２程度の格子間隔で１〜３次元の周期構造としたものである。３次元の場合で大まかに言うと、ナノスケールの３次元市松模様である。１次元〜３次元のフォトニック結晶を模式的に示すと、それぞれ図７（ａ）〜（ｃ）のようになる。図７（ａ）の１次元フォトニック結晶９０ａの場合はｚ方向にのみ屈折率の周期性を有し、図７（ｂ）の２次元フォトニック結晶９０ｂの場合はｘ，ｚ方向に屈折率の周期性を有し、図７（ｃ）の３次元フォトニック結晶９０ｃの場合はｘ，ｙ，ｚ方向に屈折率の周期性を有する。図７中の屈折率が異なる２種類の透明媒質は、低屈折率媒質９１と高屈折率媒質９２である。
【０００３】
従来のフォトニック結晶を用いた光導波路の代表的な例として、図８に示すようなＳＯＩ基板を用いた円孔型のフォトニック結晶からなる光導波路１００がある。この光導波路１００は、２００１年春季第４８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３０ａ−ＹＫ−２に記載されているものである。
【０００４】
従来の光導波路１００は、Ｓｉ基板１０１上にＳｉＯ2 層を形成し、ＳｉＯ2 層上にＳｉ層１０３を形成し、そのＳｉ層１０３に、直径が０．２３〜０．２４μｍの複数個の円孔１０４を、隣接する円孔の中心間距離（格子定数）ａが０．４２μｍ間隔となるように２次元三角格子状に配列形成すると共に、一列のみ円孔１０４を形成しないようにし、下部のＳｉＯ2 層を取り除いた構造である。
【０００５】
円孔１０４を形成しないようにした部分が光導波路コア１０５となる。円孔１０４はフォトリソグラフィーとドライエッチングにより作製され、下部のＳｉＯ2 層はウエットエッチング法により取り除かれる。それによって、光導波路コア１０５の下部は空気（ａｉｒ）からなる光導波路クラッド１０６ｄとなる。また、光導波路コア１０５の上部も空気からなる光導波路クラッド１０６ｕであることから、光導波路コア１０５が空気からなる光導波路クラッド１０６ｕ，ｄでサンドイッチされた構造となる。この光導波路１００は、エアブリッジ型と呼ばれている。
【０００６】
図９に光導波路１００の伝搬損失の波長依存性を示す。通信波長１．５０μｍ帯での光導波路１００の伝搬損失は１０ｄＢ／ｍｍである。すなわち、１ｃｍあたり１００ｄＢである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題 】
しかしながら、従来の光導波路１００の伝搬損失は１００ｄＢ／ｃｍと非常に高く、実用上必要とされる１ｄＢ／ｃｍ以下の低損失のものを作製するのが困難であるという問題がある。
【０００８】
その主要因は、円孔１０４作製においてフォトリソグラフィーの精度が約±５％、ドライエッチングによる精度が約±４％と精度が悪いことであり、その要因を取り除くためにプロセス精度を上げることは容易ではない。その大きな伝搬損失によって、さまざまな光回路への応用の道が閉ざされている。
【０００９】
また、円孔フォトニック結晶からなる従来の光導波路１００とは異なり、下部クラッド、コア、上部クラッドの全領域を、石英系光ファイバとの屈折率差が小さい誘電体多層膜型のフォトニック結晶で作製した格子変調型フォトニック結晶からなる光導波路が報告されている（２００１年春季第４８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集３０ｐ−ＹＫ−２）。
【００１０】
この光導波路では、後述する自己クローニング法により、誘電体多層膜を作製しているが、その厚さを１０μｍ以上とする必要があるので、作製が非常に困難であるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、作製容易で、伝搬損失が低いフォトニック結晶を用いた光導波路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板上にコアとクラッドを形成した光導波路において、コアの一部を、スパッタデポジッションと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行う際、デポジッションとエッチングの比率を適正化する自己クローニング法により作製した２次元あるいは３次元のフォトニック結晶で構成すると共に、そのフォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を、誘電体の単層膜で形成し、クラッドを単層膜で形成したフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１４】
請求項２の発明は、クラッドを誘電体の単層膜で形成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１５】
請求項３の発明は、コアを誘電体多層膜型のフォトニック結晶で構成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１６】
請求項４の発明は、光の伝搬方向に沿う屈折率の周期性を有するフォトニック結晶で構成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置して光共振器の機能を有する請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１７】
請求項５の発明は、光の伝搬方向に沿う屈折率の周期性を有するフォトニック結晶で構成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置させることにより、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光波長フィルタの機能を有する請求項１または４記載のフォトニック結晶を用いた光導波路である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２０】
図１は、本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路１は、石英からなる基板２上の中央部に、誘電体多層膜型のフォトニック結晶３で構成される矩形体状のコア４を形成し、コア４とコア４が形成されない基板２上とを、ＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜で形成したクラッド５で覆ったものである。コア４の長さは、基板２の長手方向の長さと同じである。コア４の両端面４ｆ，４ｂは露出しており、一方の端面４ｆが基板２の正面２ｆと一致し、他方の端面４ｂが基板２の背面２ｂと一致している。基板２としては、通信波長帯１．３μｍ〜１．７μｍで透明な石英（ＳｉＯ2 ）を用いているが、Ｓｉを用いてもよい。
【００２２】
フォトニック結晶３は、高屈折率媒質膜３ａと低屈折率媒質膜３ｂとからなる２次元のフォトニック結晶である。このフォトニック結晶３は、各膜３ａ，３ｂが、基板２の長手方向に沿って凹凸形状が繰り返されて形成されると共に、基板２上に交互に積層されて形成されたものである。高屈折率媒質膜３ａとしては、例えば、Ｔａ2 Ｏ5 膜を使用している。低屈折率媒質膜３ｂとしては、例えば、ＳｉＯ2 膜を使用している。
【００２３】
フォトニック結晶３に用いる材料は、上述したものに限らず、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＳｉＯ2 などの酸化物、Ｇｅ、Ｓｉなどの半導体を使用することができる。例えば、現在すでに製品化されている誘電体多層膜フィルタには、Ｔａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 、Ｎｂ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 などの酸化物を組み合わせた材料が用いられているので、光導波路の低損失化のために、それらの材料を用いることができる。
【００２４】
光導波路１のコア４の屈折率は、約１．７〜１．８である。光導波路１のクラッド５の屈折率は、約１．４〜１．５である。この光導波路１では、コア４の一方の端面４ｆから入射した入射光は、フォトニック結晶３で構成されるコア４内を、基板２の上面２ｕおよび下面２ｄに対して平行に伝搬し、コア４の他方の端面４ｂから出射する。
【００２５】
次に、光導波路１の製造方法を説明する。
【００２６】
図２に示すように、まず、基板２０の上面２０ｕを、電子ビーム露光によるフォトリソグラフィーとドライエッチングにより、基板２の長手方向（ｘ方向）に沿ってＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターン状となるように加工する。ここで、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターンとは、凹凸に加工された形状のことである。図２では基板２の上面２ｕに、凸部（Ｌｉｎｅ）２１と凹部（Ｓｐａｃｅ）２２が交互に形成されている。すなわち、予め基板２０上に面内の１次元初期格子を形成しておく。ｘ方向のピッチ間隔Ｌｘは、Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターンの一つのＬｉｎｅ幅と一つのＳｐａｃｅ幅を加えた値であり、ｘ方向のＬｉｎｅ幅およびＳｐａｃｅ幅をＬｉｎｅ−ｘ、Ｓｐａｃｅ−ｘとすれば、Ｌｘ＝（Ｌｉｎｅ−ｘ）＋（Ｓｐａｃｅ−ｘ）となる。ここでは、Ｌｘ＝０．５μｍとした。Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅパターンが形成された基板２０は、ダイシングにより数ｍｍ×数ｍｍにチップ化される。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、チップ化した基板２上に、バイアススパッタリング法により、高屈折率媒質膜（Ｔａ2 Ｏ5 膜）３ａと低屈折率媒質膜（ＳｉＯ2 膜）３ｂとを交互に積層させる。バイアススパッタリング法を簡単に説明すると、ターゲットにＲ．Ｆ．（高周波）電力を印加させるだけではなく、基板にもＲ．Ｆ．電力を印加しながらスパッタデポジッションと同時あるいは交互にバイアススパッタエッチングを可能とする方法である。膜厚は目的とするデバイスの仕様により決められる。それぞれの膜を堆積させる際、後述する自己クローニング法により、ある一定の断面形状を保ちながら膜が堆積される。
【００２８】
バイアススパッタリング法は、例えば、図４に示すようなバイアススパッタリング装置４０を用いて行われる。
【００２９】
装置４０は、真空排気されたチャンバ４１内の下部に設けられるターゲット電極４２ａ，４２ｂと、各ターゲット電極４２ａ，４２ｂの上方を覆うシャッター４３ａ，４３ｂと、チャンバ４１内の上部に設けられる基板電極４４と、基板電極４４に取り付けられ、シャッター４３ｂと対向して設けられる基板ホルダー４５と、チャンバ４１側部に設けられるガス導入部４６およびガス排気部４７とを備えたものである。ターゲット電極４２ａ，４２ｂと基板ホルダー４５には、整合器４８ａ，４８ｂ，４９を介して１３．５６ＭＨｚのＲ．Ｆ．電源５０ａ，５０ｂ，５１が接続されており、反射波がほぼゼロとなるように整合器４８ａ，４８ｂ，４９のマッチングが制御される。
【００３０】
この装置４０では、２種類のターゲット５２ａ，５２ｂは、ターゲット電極４２ａ，４２ｂ上にそれぞれ配置される。チップ化された基板２は、基板ホルダー４５内に配置される。作動ガスとしては、例えば、アルゴン、酸素を使用している。
【００３１】
ここで、自己クローニング法について詳しく説明する。自己クローニング法については、例えば、川上彰二郎、花泉修、佐藤尚、大寺康夫、川嶋貴之、信学論（Ｃ），ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ−Ｉ，ｐｐ．２９６−２９７，１９９７．や、特開平１０−３３５７５８号公報に記載されている。
【００３２】
上述したバイアススパッタリング装置４０を利用することにより、ターゲット５２ａ，５２ｂだけでなく基板２へもＲ．Ｆ．電力を印加することができる。一般的なスパッタリング法では、ターゲット材がＡｒ+ イオンによってスパッタされてターゲットを構成する中性原子やそのイオン、多原子分子（クラスター）などになり、それらを基板上に拡散入射させてデポジッションを行う。バイアススパッタリング法によれば、基板２に積極的にＡｒ+ イオンを打ち込み、スパッタデポジッションと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行うことができる。その際、デポジッションとエッチングの比率を適正化する自己クローニング法により、ある一定の断面形状を維持しながら膜を堆積していくことが可能である。
【００３３】
自己クローニング法を用いると、デポジッションとエッチングとがバランスよく行われるので、図３（ａ）に示したように、基板２の上面２ｕに形成した凹凸形状に応じて、各膜３ａ，３ｂが、基板２の長手方向に沿って凹凸形状が繰り返されて形成されると共に、基板２上に交互に積層されて形成された２次元のフォトニック結晶３を作製することができる。下地の形状を自動的に複製するので、川上らは、この技術あるいは現象を「自己クローニング」と命名した。自己クローニング法を用いずに、ただ単にターゲットのみにＲ．Ｆ．電力を印加して成膜していくと、デポジッションのみが行われることから、図３（ｂ）示すように、基板表面の凹凸形状がその形を保てず、断面の上方でやがてならされて平坦になってしまう。
【００３４】
より詳細な一例を説明する。まず、チップ化した基板２をチャンバー内に入れ真空引きを行う。基本圧力（Ｂａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は１．３３×１０-3Ｐａ（１×１０-5 Ｔｏｒｒ）以下とする。Ｔａ2 Ｏ5 膜３ａの膜厚Ｄａは、１９０．５ｎｍである。成膜条件はＲ．Ｆ電力：３００Ｗ、基板側Ｒ．Ｆ電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（９．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ2 （１．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：０．１３３Ｐａ（１．０×１０-3Ｔｏｒｒ）とした。成膜速度が１６．８ｎｍ／ｍｉｎであるので成膜時間を１１．３ｍｉｎとした。ＳｉＯ2 膜３ｂは、膜厚Ｄｂが２７２．５ｎｍである。成膜条件はＲ．Ｆ電力：３００Ｗ、基板側Ｒ．Ｆ電力：９０Ｗ、成膜ガス：Ａｒ（７２．０ｓｃｃｍ）＋Ｏ2 （４．０ｓｃｃｍ）、成膜圧力：０．８Ｐａ（６．０×１０-3Ｔｏｒｒ）とした。成膜速度が３．１ｎｍ／ｍｉｎであるので成膜時間を８７．９ｍｉｎとした。
【００３５】
Ｔａ2 Ｏ5 膜３ａの厚さＤａとＳｉＯ2 膜３ｂの厚さＤｂとの合計の厚さＤを、１周期（４６３．０ｎｍ）として９周期成膜する。フォトニック結晶３の厚さ、すなわちコア４の膜厚は４．１６７μｍとなる。
【００３６】
次に、フォトニック結晶３をフォトリソグラフィーとドライエッチングによって加工し、両端の断面が約４μｍ×４μｍのほぼ正方形となるように矩形化する。この断面が正方形である矩形体状のフォトニック結晶３がコア４となる。コア４の側面および上面の全ての面と、コア４が形成されていない基板２上とを、ＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜で形成したクラッドで覆うと、図１で示したようなフォトニック結晶を用いた光導波路１が完成する。クラッドは、例えば、通常のスパッタデポジッションを行って作製すればよい。このＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜のクラッドを用いることにより、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができ、それによってコア内に光を閉じ込めやすい構造とすることができる。
【００３７】
本発明の前提技術である光導波路１は、通信波長帯である１．３〜１．７μｍ（１３３０〜１７００ｎｍ）の全範囲に亘って、伝搬損失が１．０ｄＢ／ｃｍ以下、あるいは０．１ｄＢ／ｍｍ以下である。これは、図８および図９で説明した従来の光導波路１００の伝搬損失１００ｄＢ／ｃｍ（１０ｄＢ／ｍｍ）に比べると、約２桁も低い伝搬損失である。
【００３８】
このように、本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路１は、フォトニック結晶のみで構成される従来の光導波路１００とは異なり、コアの少なくとも一部をフォトニック結晶で構成していることから、クラッドの実効屈折率がコアの実効屈折率よりも低くなり、しかも、クラッドを単層膜で形成しているので、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができる。したがって、コア内への光の閉じ込めが十分となり、光導波路の伝搬損失を１．０ｄＢ／ｃｍ以下と非常に低くすることができる。
【００３９】
ここで、特に、クラッドを誘電体の単層膜とすることにより、光導波路の伝搬損失が低くなる理由について説明する。
【００４０】
一例として、誘電体単層膜をＳｉＯ2 、誘電体多層膜をＴａ2 Ｏ5 とＳｉＯ2 からなる多層膜とする。クラッドをＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 誘電体多層膜とした場合には、その平均屈折率差が約１．７〜１．８となり、コアもＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 の構造を持つことから、コアの屈折率とクラッドのそれがほとんど同程度になる。一方、クラッドにＳｉＯ2 誘電体単層膜を用いると、ＳｉＯ2 の屈折率が１．４〜１．５であるからＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 コアに比べて小さくすることができる。すなわち、クラッドの屈折率を小さくすることにより、コア内への伝搬光の閉じ込めを効果的に行うことができ、低伝搬損失となる。
【００４１】
このように、クラッドを誘電体の単層膜とすることにより、コア、クラッドの双方とも誘電体膜で形成されるので、それによって石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００４２】
また、コアを誘電体多層膜型のフォトニック結晶とすることにより、石英系光ファイバと同程度の屈折率とすることができ、それによって光ファイバとの接続損失が低く、かつコア内の伝搬損失が低い光導波路を実現することができる。
【００４３】
従来技術では、従来の光導波路の一例として、格子変調型フォトニック結晶からなる光導波路を説明した。この従来の光導波路では、自己クローニング法での誘電体多層膜を１０μｍ以上の厚膜で維持させなければならず、作製が難しかったが、本発明の前提技術である光導波路１では、フォトニック結晶となるのはコア領域に限られるので、作製プロセスが大幅に簡略される。しかも、コア４の膜厚は約４μｍという薄膜であるので、作製が容易である。
【００４４】
さらに、本発明の前提技術である光導波路１は、誘電体多層膜型のフォトニック結晶から構成されるコアを自己クローニング法を用いて作製しているので、工業的に量産が容易である。
【００４５】
さて、本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００４６】
図５は、本発明の第１の実施の形態であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【００４７】
図５に示すように、光導波路６０は、石英からなる基板２上の中央部の正面側と背面側の２箇所に、誘電体多層膜型のフォトニック結晶３で構成される矩形体状のフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂを形成し、これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ間に、ＧｅＯ2 −ＳｉＯ2 膜からなる矩形体状の誘電体の単層膜コア６２を形成したものである。単層膜コア６２の基板２との比屈折率比Δは、１．５％である。ここで、比屈折率比Δは、単層膜コア６２の屈折率をｎｃｏｒｅ、基板２の屈折率をｎｓｕｂ．として、（ｎｃｏｒｅ−ｎｓｕｂ．）／ｎｃｏｒｅで表される。この光導波路６０は、図１で説明した光導波路１のように全てのコア領域をフォトニック結晶３で構成するのではなく、コア領域の一部をフォトニック結晶で構成したものである。光導波路６０のその他の構成は、光導波路１と同じ構成である。
【００４８】
光導波路６０では、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２とからなる光共振器を構成している。ここでは、光共振器の機能を有する光導波路６０を構成するため、図５に示すように、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂが光の伝搬方向（図５では、基板２を下にした場合に右斜め上方向あるいは左斜め下方向）に沿う屈折率の周期性を有するように形成する。この構成によって、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂが誘電体多層膜フィルタのＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）に相当し、単層膜コア６２が誘電体多層膜フィルタのキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）に相当するので、光フィルタを構成しているとも言える。
【００４９】
この光導波路６０では、入射光をフォトニック結晶コア６１ｆの一方の端面６１ｆｐに入射させ、フォトニック結晶コア６１ｂの他方の端面６１ｂｑから出射される出射光を測定すると、ある波長の光のみを透過する光フィルタ特性が得られる。すなわち、光導波路６０は、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光波長フィルタの機能を有する。
【００５０】
次に、光導波路６０の製造方法を説明する。
【００５１】
まず、基板２の中央部上の正面側と背面側の２箇所に、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂを、図１で説明した光導波路１のコア４と同じ要領で作成する。これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ間に、スパッタデポジッション法により、単層膜コア６２を成膜する。このとき、ＳｉＯ2 に添加するＧｅＯ2 の量を制御し、基板との比屈折率比Δが１．５％となるようにする。矩形化はフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて両端の断面が４μｍ×４μｍとなるように加工される。これらフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２を、ＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜で形成されるクラッド５で覆うと、図５で示した光導波路６０が完成する。
【００５２】
このＳｉＯ2 からなる誘電体の単層膜のクラッドを用いることにより、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができ、それによってコア内に光を閉じ込めやすい構造とすることができる。
【００５３】
本光導波路６０の光学測定を行ったところ、１５６０ｎｍに透過中心波長を持つ光フィルタが得られた。透過中心波長における伝搬損失は１．０ｄＢ／ｃｍ、あるいは０．１ｄＢ／ｍｍ以下と非常に低く、精度の高い波長選択型の光フィルタを実現できたことが分かる。この光導波路６０も、従来の光導波路１００に比べて約２桁低い伝搬損失である。
【００５４】
このように、本発明に係る光導波路６０は、フォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を誘電体の単層膜とすることにより、フォトニック結晶を用いた光導波路の伝搬損失をさらに低減することができる。
【００５５】
また、フォトニック結晶で構成されるコアを２箇所以上に配置することにより、光共振器を実現することができる。この光共振器を応用することにより、精度が高い光波長フィルタを実現することができる。この光波長フィルタとは、特に波長選択型の光フィルタのことである。
【００５６】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。フォトニック結晶からなるコアを分散配置し、それぞれ分散配置されたフォトニック結晶部で各種機能部品を形成し、それらを単層膜コアからなる光配線で結ぶといった光機能部品のモノリシック化することもできる。一例として、フォトニック結晶を用いた光導波路で共振器、分散制御、レンズ、ミラー、モードフィールド変換等の光機能部品を構成し、それら光機能部品を光配線で結ぶという構成が考えられる。
【００５７】
第２の実施の形態を説明する。
【００５８】
図６は、本発明の第２の実施の形態であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【００５９】
図６に示すように、光導波路８０は、図５で説明したフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと誘電体単層膜コア６２からなる共振器で構成した光フィルタの入力導波路の入力側および出力導波路の出力側の２箇所に、モードフィールド変換導波路を設けたものである。
【００６０】
この光導波路８０は、基板２上の中央部の正面側と背面側の２箇所に、ＧｅＯ2 −ＳｉＯ2 膜からなる略立方体状の誘電体の単層膜コア８１ｆ，８１ｂを形成し、これら単層膜コア８１ｆ，８１ｂ間に、図５で説明したフォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと誘電体の単層膜コア６２を形成したものである。
【００６１】
単層膜コア８１ｆ，８１ｂの基板２との屈折率比Δは０．３％である。単層膜コア８１ｆ，８１ｂも、単層膜コア６２と同様、スパッタデポジッション法により成膜される。このとき、ＳｉＯ2 に添加するＧｅＯ2 の量を制御し、基板との比屈折率比Δが０．３％となるようにする。各単層膜コア８１ｆ，８１ｂの両端面の寸法は７μｍ×７μｍとした。単層膜コア８１ｆの一方の端面８１ｆｐには、モードフィールド径が１０μｍのシングルモード光ファイバ８２ｆが接続され、単層膜コア８１ｂの他方の端面８１ｂｑには、モードフィールド径が１０μｍのシングルモード光ファイバ８２ｂが接続されている。光導波路８０のその他の構成は、光導波路６０とほぼ同じ構成である。
【００６２】
光導波路８０では、シングルモード光ファイバ８２ｆから入射される入射光Ｌ１は、そのモードフィールド径を保ったまま、単層膜コア８１ｆに入射され、単層膜コア８１ｆとフォトニック結晶コア６１ｆの境界面でモードフィールド径が１０μｍから４μｍに変換される。フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂと単層膜コア６２は、図５で説明したように光波長フィルタを構成するので、モードフィールド径が１０μｍから４μｍに変換された入射光のうち、特定のスペクトルのみが透過する。光波長フィルタを透過したスペクトルは、フォトニック結晶コア６１ｂと単層膜コア８１ｂの境界面でモードフィールド径が４μｍから１０μｍに変換され、モードフィールド径を１０μｍに保ったまま単層膜コア８２ｂを伝搬し、シングルモード光ファイバ８２ｂに出射され、出射光Ｌ２として伝搬する。
【００６３】
この光導波路６０では、損失が図５で説明した光導波路６０と同程度かそれ以上低いスペクトルが得られる。また、単層膜コア８１ｆ，８１ｂ、フォトニック結晶コア６１ｆ，６１ｂ、単層膜コア６２などの各種光機能部品がモノリシック化されているので、機能性を向上させることができる。
【００６４】
上記実施の形態では、フォトニック結晶として、２次元のフォトニック結晶を用いた例で説明したが、必要であれば３次元のフォトニック結晶を用いることもできる。３次元のフォトニック結晶を使用した場合、２次元のフォトニック結晶を使用した場合に比べると構造がやや複雑になるものの、コア内への光の閉じ込めがより強くなり、光導波路の伝搬損失がより低くなるという利点がある。
【００６５】
本発明は、フォトニック結晶を用いた光導波路に関するものであるが、フォトニック結晶を用いた光部品およびフォトニック結晶を応用した光デバイス、あるいはそれら光部品ならびに光デバイスを適用した光システムに幅広く適用することが可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００６７】
（１）フォトニック結晶を用いた光導波路の伝搬損失を０．１ｄＢ／ｃｍ以下とすることができる。
【００６８】
（２）フォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を誘電体の単層膜とすることにより、光導波路の伝搬損失をさらに低減することができる。
【００６９】
（３）石英系光ファイバとの接続損失を低減することができる。
【００７０】
（４）石英系光ファイバとの接続損失が低く、かつコア内の伝搬損失が低い光導波路を実現することができる。
【００７１】
（５）光共振器を実現することができる。
【００７２】
（６）光フィルタを実現することができる。
【００７３】
（７）工業的に量産が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の前提技術であるフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【図２】 基板の斜視図である。
【図３】 図３（ａ）は、自己クローニング法を用いて作製したフォトニック結晶の断面図である。図３（ｂ）は、自己クローニング法を用いずに作製したフォトニック結晶の断面図である。
【図４】 バイアススパッタリング装置の概略図である。
【図５】 本発明の好適な第１の実施形態を示すフォトニック結晶を用いた光導波路の斜視図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図７】 フォトニック結晶の模式図である。
【図８】 従来の光導波路のＳＥＭ写真である。
【図９】 図８に示した従来の光導波路の波長に対する伝搬損失特性を示す図である。
【符号の説明】
１ フォトニック結晶を用いた光導波路
２ 基板
３ フォトニック結晶
３ａ 高屈折率媒質膜
３ｂ 低屈折率媒質膜
４ コア
５ クラッド
Claims (5)
- 基板上にコアとクラッドを形成した光導波路において、コアの一部を、スパッタデポジッションと同時あるいは交互にスパッタエッチングを行う際、デポジッションとエッチングの比率を適正化する自己クローニング法により作製した２次元あるいは３次元のフォトニック結晶で構成すると共に、そのフォトニック結晶で構成したコア以外のコア領域を、誘電体の単層膜で形成し、クラッドを単層膜で形成したことを特徴とするフォトニック結晶を用いた光導波路。
- クラッドを誘電体の単層膜で形成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路。
- コアを誘電体多層膜型のフォトニック結晶で構成した請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路。
- 光の伝搬方向に沿う屈折率の周期性を有するフォトニック結晶で構成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置して光共振器の機能を有する請求項１記載のフォトニック結晶を用いた光導波路。
- 光の伝搬方向に沿う屈折率の周期性を有するフォトニック結晶で構成されるコアを、基板上の２箇所以上に配置させることにより、基板面と平行方向に伝搬する入射光に対して光波長フィルタの機能を有する請求項１または４記載のフォトニック結晶を用いた光導波路。
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