JP3921987B2

JP3921987B2 - フォトニック結晶導波路及びその製造方法

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Publication number: JP3921987B2
Application number: JP2001316834A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
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Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2007-05-30
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶導波路及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超小型光回路を実現する技術として、フォトニック結晶を用いた光回路の研究が盛んに行われるようになってきた。フォトニック結晶とは、ある波長の光を全く通さなかったり、わずかな波長の変化で光の屈折率が大きく変わるといったユニークな光学特性を示す人工材料と言われている。
【０００３】
図１３（ａ）〜（ｆ）はフォトニック結晶の従来例を示す図である。
【０００４】
同図（ａ）はエアギャップ型構造を示し、ウェットエッチングにより形成され、同図（ｂ）は深い回折格子構造を示し、ドライエッチングにより形成される。同図（ａ）、（ｂ）は共に一次元フォトニック結晶である。
【０００５】
同図（ｃ）は垂直孔型構造を示し、ドライエッチング陽極化成により形成され、同図（ｄ）はピラー型構造を示し、ドライエッチング選択成長により形成される。同図（ｃ）、（ｄ）は共に二次元フォトニック結晶である。
【０００６】
同図（ｅ）は斜め孔型構造を示し、ドライエッチングにより形成され、同図（ｆ）は積み木型構造を示し、貼り付けにより形成される。同図（ｅ）、（ｆ）は共に三次元フォトニック結晶である。尚、図中矢印は光の進行方向を示す。
【０００７】
これらのフォトニック結晶の中で、同図（ｃ）、（ｄ）に示す二次元フォトニック結晶は、基板上に空孔や柱を形成したものが典型的な例である。同図（ｅ）、（ｆ）に示す三次元フォトニック結晶は、立体的なモザイク構造からなり、角材状の結晶を積み重ねたものや小さな球を重ねたものなどがある。すなわち、２種類の媒質の屈折率の差が大きくて周期構造がある条件を満たすと、特定の波長の光が全く伝搬しなくなり、外部からの光は結晶に進入できずに反射されてしまう。この波長の範囲がフォトニックバンドギャップと言われている。
【０００８】
図１４はフォトニック結晶の他の従来例を示す図である。
【０００９】
これはＳｉ基板５０上に形成した石英ガラス膜５１中に複数の屈折率変化領域５２を所定の間隔を隔てて面方向に形成し、その屈折率変化領域の中に屈折率変化領域５２の存在しない領域（以下「欠落領域」という。）５３を設けることにより、光ファイバ５４−１からの光信号５５−１を欠落領域５３の一方の端面（図では下側）からその欠落領域５３内を通して他方の端面（図では上側）から光ファイバ５４−２を通して光信号５５−２を取り出すようにしたフォトニック結晶導波路である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のフォトニック結晶を用いた光回路はまだ研究の段階にあり、多くの解決しなければならない課題がある。これらの課題を以下に示す。
（１）フォトニック結晶を容易に製造することができる構造及びその製造方法はまだ見出されていない。
（２）低損失なフォトニック結晶型光回路が見出されていない。
（３）空孔は、通常、エッチング、レーザビーム加工等により形成されるが、その空孔の形状は数μｍ以下の直径の微小サイズであるので、楕円形状であったり、径の周辺が均一でなかったりする。そのため、欠落部を伝搬する光信号は空孔の不均一形状に影響を及ぼされて散乱損失を大幅に増大させている。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低損失なフォトニック結晶導波路及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、基板上に低屈折率層を形成し、その低屈折率層上に透明な酸化物からなる酸化物層を形成し、その酸化物層の面にパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、上記酸化物層よりも低屈折率である直径が２μｍ以下の空孔を所定ピッチで縦、横にマトリクス状に形成すると共に、直線状、曲線状あるいはこれらを組み合わせた形状で、かつ幅が４μｍ以下となるように、空孔の形成されていない領域からなる酸化物パターンを形成し、その酸化物パターンに沿ってパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、上記酸化物パターン内に幅が２μｍ以下の高屈折率層を形成したフォトニック結晶導波路である。
【００１３】
請求項２の発明は、上記酸化物パターン内の光伝搬方向に上記高屈折率層が複数本平行配置されている請求項１に記載のフォトニック結晶導波路である。
【００１４】
請求項３の発明は、上記酸化物層としてＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂にＧｅ、Ｔｉ、Ｆ、Ｂ、Ｔａ、Ｓｎ等の屈折率制御用添加物を少なくとも１種類添加したもの、Ｎを添加したＳｉＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、上記酸化物に希土類元素を少なくとも１種類添加したもの等を用いた請求項１または２に記載のフォトニック結晶導波路である。
【００１５】
請求項４の発明は、基板上に低屈折率層を形成し、その低屈折率層上に透明な酸化物からなる酸化物層を形成する工程と、
その酸化物層の面にパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、直径が２μｍ以下の空孔を所定ピッチで縦、横にマトリクス状に形成すると共に、直線状、曲線状あるいはこれらを組み合わせた形状で、かつ幅が４μｍ以下となるように、空孔の形成されていない領域からなる酸化物パターンを形成する工程と、
その酸化物パターンに沿って、上記酸化物パターンの屈折率を増加させるのに必要な出力でパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、上記酸化物パターン内に幅が２μｍ以下の高屈折率層を形成する工程と
を備えたフォトニック結晶導波路の製造方法である。
【００１６】
本発明によれば、空孔の形成されていない領域からなる酸化物パターン上にパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射して酸化物パターンの屈折率を増加させることにより、光信号を酸化物パターン内に効率よく閉じ込めて伝搬させることができる。この結果、空孔の形成された領域が不均一な構造になっても、不均一さによる散乱損失の誘発を抑えることができ、低損失なフォトニック結晶型光回路を実現することができる。
【００１７】
また、超短パルスレーザビーム照射により酸化物パターンの屈折率を１％程度までに増加させることができ、この高屈折率化により、さらに低損失化が可能となる。
【００１８】
さらに、透明な酸化物層として、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂にＧｅ、Ｔｉ、Ｆ、Ｂ、Ｔａ、Ｓｎ等の屈折率制御用添加物を少なくとも１種類添加したもの、Ｎを添加したＳｉＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、酸化物に希土類元素を少なくとも１種類添加したもの等を用いることにより、波長１．３μｍ、１．５５μｍの通信用波長帯において、より低損失なフォトニック結晶導波路を実現することができる。
【００１９】
さらに、酸化物層には超短パルスレーザビーム照射により空孔を形成することができ、かつそのレーザビームの出力を制御することにより、酸化物パターンの屈折率を増加させることができ、その高屈折率化の制御も容易となる。
【００２０】
さらに空孔形成工程の直後に酸化物パターンの高屈折率化を連続的に行う工程でフォトニック結晶導波路を形成することができる。
【００２１】
さらに、酸化物層は基板上にＣＶＤ法、スパッタリング法等で成膜されているので、レーザビーム照射による空孔形成及び酸化物パターンへの加工を容易に行うことができる。
【００２２】
さらに、酸化物パターンの中に複数本のフォトニック結晶導波路を形成することにより、三次元光回路を構成したり、各酸化物層間のフォトニック結晶導波路で光結合させることができる。
【００２３】
さらに、酸化物層の上面及び下面に低屈折率層を形成しておくことにより、酸化物パターンへの光の閉じ込め性をより一層強くすることができ、光ファイバからの光信号を酸化物パターン内に効率よく閉じ込めて伝搬させることができ、空孔の上下面内への不要な伝搬を抑えることができる。この結果、必要とする伝搬光と必要としない不要光とのアイソレーション特性を大きくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２５】
本発明は、透明な酸化物材料からなる酸化物層に超短パルスレーザビームを照射することにより、所望形状の微小な空孔を周期的にマトリクス状に構成してフォトニックバンドギャップ構造を形成し、マトリクス状のバンドギャップ構造の中に空孔の形成されていない酸化物パターンを設け、酸化物パターンに超短パルスレーザビームを照射することにより、酸化物パターンの屈折率を増加させて光信号を効率よく伝搬させるようにしたものである。
【００２６】
図１（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の一実施の形態を示す上面図、図１（ａ）は図１（ｂ）の１ａ−１ａ線断面図、図１（ｃ）は１ａ−１ａ線断面内屈折率分布を示す図である。
【００２７】
このフォト結晶導波路は、基板１の上に低屈折率層２を形成し、その低屈折率層２の上に透明な酸化物層３を形成した構造を有している。酸化物層３内には所望径Ｄの超短パルスレーザビームが照射されて得られる空孔（貫通孔ではなく凹部である。）４−４−１〜４−９−１７を縦、横に所定の間隔を隔ててマトリックス状に形成されている。マトリクス構造の中の空孔４−４−１〜４−９−１７の形成されていない領域（以下「酸化物パターン」という。）５に超短パルスレーザビームが照射されて屈折率が増加している。光信号は酸化物パターン５に沿って酸化物層３内を矢印６から矢印７のように伝搬するようになっている。超短パルスレーザビームのスポットサイズＤを２μｍ以下にすることができるので、超短パルスレーザビームの照射されて空孔４−４−１〜４−９−１７の直径も２μｍ以下にするのが好ましい。
【００２８】
空孔４−４−１〜４−９−１７の間隔Ｓ１は２μｍ以下にするのが好ましい。直線状の酸化物パターン５の幅Ｗｃは４μｍ以下にするのが好ましい。これらの構造パラメータはシングルモード伝搬条件、酸化物層３と空孔４−４−１〜４−９−１７の囲む屈折率の低下した領域、酸化物パターン５の屈折率との比屈折率差、フォトニックバンドギャップ条件を考慮に入れて決めることができる。
【００２９】
このような構造の一例として、空孔４が形成された部分からなる屈折率の低下した領域の屈折率は１であり、酸化物層３に、例えばＳｉＯ₂を用いれば屈折率は約１．４６（波長６３３μｍ）、酸化物パターン５の屈折率はＳｉＯ₂に比べて比屈折率差で約１％程度大きい値を実現することができる。
【００３０】
所定の間隔でマトリックス状に構成した空孔４−４−１〜４−９−１７からなる領域、すなわち屈折率低下領域の形成用のレーザとして、波長８００ｎｍで発振する超短パルスレーザビームを用い、パルス幅を１０００フェムト秒（以下「ｆｓ」と記す。）以下にすることにより、そのパルス幅内で極めて大きなエネルギーを得ることができるので、マトリクス状に構成した屈折率低下領域である空孔４−４−１〜４−９−１７を形成することができ、より一層の大きな屈折率変化構造を実現することができ、小型のフォトニック結晶導波路を実現することができる。
【００３１】
なお、空孔４−４−１〜４−９−１７の形成は超短パルスレーザビームの平均出力値、パルス値、繰り返し周波数、基板の移動速度等を制御することで実現することができる。また、酸化物層３の厚さはシングルモード伝搬条件を考慮に入れて６μｍ以下にすることが好ましい。
【００３２】
基板１には、ガラス、セラミックス、プラスチック、半導体、強誘電体、ガラスとプラスチックとの複合材、さらには上記材料の組合せた材料等を用いることができる。
【００３３】
低屈折率層２には、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂にＧｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆ等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも１種類添加したもの、ポリマ層、有機と無機との複合層等を用いることができる。
【００３４】
酸化物層３には、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂にＧｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｆ等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも１種類添加したもの、Ｎを添加したＳｉＯＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、上記酸化物に希土類元素を少なくとも１種類添加したもの等を用いることができる。
【００３５】
次に、酸化物層に超短パルスレーザビームを照射して複数個の空孔４を形成し、これら空孔４からなる屈折率低下領域を形成する方法について説明する。
【００３６】
超短パルスレーザとしては、発振波長が８００ｎｍのチタニウムドープのサファイア結晶を用いたモードロックのフェムト秒レーザか、その第二あるいは第三高調波レーザ等を用いることができる。発振出力はパルス幅が１０００フェムト秒以下のパルス発振のものを用いる。
【００３７】
酸化物の一例として、基板（例えば石英ガラス基板）１上の低屈折率層（ＳｉＯ₂層、膜厚約１０μｍ）２上にＣＶＤ法によってＳｉＯ₂を１５モル％添加した層を得た。この酸化物層３上に発振波長８００ｎｍのレーザビームをスポット径約１．６μｍで、所望のパルス幅２００ｆｓに保持し、基板１を１００μｍ／ｓの速度で移動させながら超短パルスレーザを５０ｍｍ×５０ｍｍの低屈折率層２の形成された基板１上の酸化物層３に照射し、空孔４−１−１〜４−１−１７からなる領域を形成した。なお、空孔４−４−１〜４−９−１７の直径Ｄ及び間隔Ｓ１は、超短パルスレーザビームの繰り返し周波数を最適化して約１．５μｍにすることで実現することができた。また、酸化物パターン５の幅Ｗｃは約３μｍであった。
【００３８】
次いで、酸化物パターン５に沿って超短パルスレーザビームの出力を低減させて３回繰り返し照射し、酸化物パターン５の中心部近傍の屈折率を増加させ、酸化物層３の屈折率よりも比屈折率差で０．２％増加させたフォトニック結晶導波路を形成することができた。
【００３９】
次に本発明の変形例として、上記条件のうち、基板１の移動速度だけを５０μｍ／ｓにして酸化物パターンの高屈折率化を図った結果、比屈折率差を０．８％にすることができた。
【００４０】
ここで、上記二つのフォトニック結晶導波路の波長１．３μｍでの伝搬損失を比較した結果、後者の方が損失が約６０％低損失になることが分かった。すなわち、酸化物パターン５内への光信号の閉じ込めがよいほど低損失化を実現できることが分かった。なお、図１（ａ）〜（ｃ）で説明したレーザビーム照射は、上部クラッド層８を形成した後で酸化物層３にレーザビームを集光、照射してもよい。
【００４１】
図２（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造法を適用した他の実施の形態を示す上面図、図２（ａ）は図２（ｂ）の２ａ−２ａ線断面図、図２（ｃ）は２ａ−２ａ線断面内屈折率分布を示す図である。以下、図１（ａ）、（ｂ）に示した部材と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００４２】
本フォトニック結晶導波路は、透明な酸化物層３の表面に低屈折率の上部クラッド層８を形成した構造を有している。この上部クラッド層８は低屈折率層２と同じ性質の層である。すなわち、本フォトニック結晶導波路は、酸化物層３の上に上部クラッド層８を形成して埋め込み導波路としたものである。
【００４３】
このような構造でも図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００４４】
図３（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図、図３（ａ）は図３（ｂ）の３ａ−３ａ線断面図、図３（ｃ）は３ａ−３ａ線断面内屈折率分布を示す図である。
【００４５】
本フォトニック結晶導波路は、酸化物パターン５に凸状の屈折率分布をもたせたものであり、酸化物層３の内部に超短パルスレーザビームを集光、照射して略球形状の低屈折率領域（すなわち、孔が開けられた領域）を形成したものである。
【００４６】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００４７】
図４（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用した他の実施の形態を示す上面図であり、図４（ａ）は図４（ｂ）の４ａ−４ａ線断面図である。
【００４８】
本フォトニック結晶導波路は、酸化物層３内の表面近傍に超短パルスレーザビームを集光、照射して略球形状の低屈折率領域（孔が形成された領域）４−４−１〜４−９−１７を形成したものである。
【００４９】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００５０】
図５（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図であり、図５（ａ）は図５（ｂ）の５ａ−５ａ線断面図である。
【００５１】
本フォトニック結晶導波路は図３（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路の上面に上部クラッド層８を形成したものである。
【００５２】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００５３】
図６（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の上面図であり、図６（ａ）は図６（ｂ）の６ａ−６ａ線断面図である。
【００５４】
本フォトニック結晶導波路は、酸化物パターンを５−２、５−５のように直角に曲げた光路とし、この光路の屈折率をレーザビーム照射で増加させ、矢印６方向の光信号を精度よく直角に曲げて矢印７のように伝搬させるようにしたものである。
【００５５】
このように酸化物パターンを直角に曲げる場合にはその光路の高屈折率化は、低損失化に対して極めて有効である。このように光路が高屈折率化されていないと、折り曲げ部で光信号が散乱を生じ、低損失伝搬が難しく、また空孔の加工精度が悪くなるほど散乱損失を誘発する。
【００５６】
図７は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図である。
【００５７】
本フォトニック結晶導波路は、酸化物パターン５−１〜５−５をＹ字形状に形成し、かつ酸化物パターン５−１〜５−５を高屈折率化することにより、光信号を二つの矢印６−１、６−２方向に低損失で分岐させて伝搬させ、矢印７−１、７−２方向に出射させるようにした分岐導波路である。
【００５８】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００５９】
図８（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図であり、図８（ａ）は図８（ｂ）の８ｂ−８ｂ線断面図、図８（ｃ）は図８（ｂ）の８ｃ−８ｃ線断面図である。
【００６０】
本フォトニック結晶導波路は、基板１と、低屈折率層２と、二つの酸化物層３−１、３−２と、上部クラッド層８とを順次積層したものであり、上部の酸化物層３−２の酸化物パターン５−１に光信号を入射させて伝搬させ、途中から下部の酸化物層３−１内の酸化物パターン５−２内に直角に折り曲げて伝搬させ、矢印７方向に出射させるようにしたものである。すなわち、本フォトニック結晶導波路は、三次元光導波路である。図中、４ａ−１−１〜４ａ−１３−２１、４ｂ−１−１〜４ｂ−１２−２１は、超短パルスレーザビームを集光、照射して略球形状の低屈折率領域（孔が形成された領域）である。
【００６１】
なお、酸化物層を二層とする他、多層状に酸化物層を積層させ、それぞれの酸化物層内に酸化物パターンを形成することで、より複雑な構造の三次元光回路を実現することができる。
【００６２】
すなわち、光信号を積層酸化物層の深さ方向に直角、斜め方向等に曲げて伝搬させたり、各酸化物層間で光結合させて伝搬させたりすることができる。
【００６３】
図９は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図である。
【００６４】
本フォトニック結晶導波路は、矢印６方向の光信号を矢印６−１〜６−７方向に伝搬させて矢印７方向に出射させるように酸化物層３内にジグザグ状の酸化物パターン５−１〜５−７を形成したものである。
【００６５】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００６６】
図１０（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図であり、図１０（ａ）は図１０（ｂ）の側面図である。
【００６７】
本フォトニック結晶導波路は、基板１上に酸化物層３−１〜３−９を９層積層させ、各酸化物層３−１〜３−９内に空孔４からなる低屈折率領域を周期的にフォトニックバンドギャップ構造を形成するように設け、酸化物層３−５内に直線状の酸化物パターン５を形成したものである。このフォトニック結晶導波路は、酸化物パターン５に矢印６方向に光信号を入射させ、矢印７方向に出射させるようにしたものである。
【００６８】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００６９】
このフォトニック結晶導波路は、酸化物層３−５内のみに酸化物パターンを形成したが、各酸化物層内に酸化物パターンを形成し、各層全体で三次元光伝搬や三次元光回路を形成するようにしてもよい。
【００７０】
図１１（ａ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す側面図であり、図１１（ａ）は図１１（ｂ）の１１ｂ−１１ｂ線断面図である。
【００７１】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）〜図１０（ａ）、（ｂ）に示した実施の形態は、空孔４からなる低屈折率領域を直径Ｄの略円形状構造のものであったが、図１１（ａ）、（ｂ）に示す実施の形態は、幅Ｗａを有する線状構造とし、この幅Ｗａを２μｍ以下、各線４Ｌ間の間隔Ｓ３も２μｍ以下とすることにより、フォトニックバンドギャップ構造を構成したものである。なお、Ｗｃは酸化物パターン５の幅である。
【００７２】
このような構造を有しても図１（ａ）〜（ｃ）に示したフォトニック結晶導波路と同様の効果が得られる。
【００７３】
なお、低屈折率の線状部は孔であってもよく、中実部で構成してもよい。
【００７４】
図１２は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図である。
【００７５】
本フォトニック結晶導波路は、光信号を矢印６方向から矢印７方向に直角に折り曲げて伝搬させる酸化物パターンを構成した例である。
【００７６】
図１（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）において、酸化物パターン５内の高屈折率パターンは、光伝搬方向に幅が２μｍ以下で少なくとも１本形成されていればよいが、２本以上平行配置して形成するようにしてもよい。光伝搬方向に直角方向の屈折率分布を種々の階段状分布や収束状分布（山型分布）に構成してもよい。このようにすることで、酸化物パターン内への光信号の閉じ込めをより一層強くし、低損失特性を実現することができる。このように複数本の高屈折率パターンを光伝搬方向に併置するように形成するためには、超短パルスレーザビームスポット径を０．２μｍから１μｍの範囲に制御して照射すればよい。各パターンの屈折率を変えるには、超短パルスレーザビームの照射エネルギーを変えればよい。超短パルスレーザビームとして、酸化物層の材質により、波長は６００ｎｍから１６００ｎｍの範囲（好ましくは８００ｎｍの波長）から選び、パルス幅として、数千ｆｓから数十ｆｓの範囲から選び、パルスの繰り返しを１０Ｈｚから２００ｋＨｚの範囲から選ぶ。平均出力は数十ｍＷから数百ｍＷの範囲から選ぶのが好ましい。なお、レーザビームのパルス幅を狭くすればするほどそのパルス幅内のエネルギーは非常に高くなり、熱的なダメージを全く受けないで高屈折率化を実現することができる。
【００７７】
透明な酸化物層として、Ｎを添加したＳｉＯＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄を用いれば、その層の屈折率を１．５〜２．４程度の範囲で変えることができるので、半導体レーザやフォトダイオード等の半導体光素子との屈折率のミスマッチングを小さくすることができる。また、酸化物に超短パルスレーザビームを照射することで、より大きい屈折率変化を得ることができ、酸化物パターン内への光信号の閉じ込めをより一層強くすることができる。
【００７８】
透明な酸化物層として、Ｅｒ（エルビウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素を少なくとも１種類添加したガラス層を用いてもよい。このような材料で構成した酸化物パターン内に希土類元素を励起する励起光と共に信号光を伝搬させるようにすれば、信号光を増幅しながら伝搬させることができる。また、フォトニック結晶導波路の入出力端面に半透過ミラーと全反射ミラーとを設け入射端面側から励起光を入射して励起することにより、レーザ発振させることもできる。
【００７９】
図８（ａ）〜（ｃ）及び図１０において、各酸化物層の材質は異なっていてもよい。すなわち、屈折率の異なる材質の酸化物層で構成しておけば、各フォトニック結晶導波路の特性も異ならせることができるので、より自由度をもたせた積層型フォトニック結晶導波路を構成することができる。
【００８０】
以上において本発明によれば、
（１）光信号が伝搬する透明な酸化物層の面方向に所定の間隔で所望形状の空孔をマトリクス状に形成し、かつ酸化物層の空孔の形成されていない領域からなる酸化物パターンを直線、曲線あるいはこれらの組合せたものからなるようにし、かつ酸化物パターン上に１０００ｆｓ以下のパルス幅の超短パルスレーザビームを照射してその酸化物パターンの屈折率を増加させ、光信号を酸化物パターン内に効率よく閉じ込めるようにしたものである。この結果、空孔部が不均一な構造になっても、その構造による散乱損失の誘発を抑えることができ、結果的に低損失なフォトニック結晶導波路を実現することができる。また、超短パルスレーザビームを照射により酸化物パターンの屈折率を１％程度まで増加させることが容易にできるので、この高屈折率化で、より一層の低損失化を実現することができる。
【００８１】
（２）透明な酸化物層として、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂にＧｅ、Ｔｉ、Ｆ、Ｂ、Ｔａ、Ｓｎ等の屈折率制御用添加物を少なくとも１種類添加したもの、Ｎを添加したＳｉＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、酸化物に希土類元素を少なくとも１種類添加したもの等を用いることにより、波長１．３μｍ、１．５５μｍの通信用波長帯において、より低損失なフォトニック結晶導波路を実現することができる。また、酸化物層には超短パルスレーザビーム照射により空孔を開けることができ、かつそのレーザビームの出力を制御することにより、酸化物パターンの屈折率を増加させることができ、その高屈折率化の制御も容易である。さらに、空孔形成プロセスの後に直ぐに酸化物パターンの高屈折率化を行うことができるという、連続的なプロセスでフォトニック結晶導波路を実現することができる。
【００８２】
（３）透明な酸化物層は基板上にＣＶＤ法、スパッタリング法等で成膜されているので、レーザビーム照射による空孔形成及び酸化物パターンの加工を容易に行うことができる。
【００８３】
（４）複数の酸化物の層の中にフォトニック結晶導波路を形成することで、三次元光回路を構成したり、各酸化物層間のフォトニック結晶導波路同士を光結合させることもできる。
【００８４】
（５）透明な酸化物層の上面及び下面に低屈折率層を形成しておくことにより、酸化物パターンへの光の閉じ込めをより一層強くし、光ファイバからの光信号を酸化物パターン内に効率よく閉じ込めて伝搬させることができるので、空孔の上下面内への不要な伝搬を抑えることができる。これにより、必要な伝搬光と不要な光とのアイソレーション特性を大きくとることができる。
【００８５】
（６）光回路の特性の変更がインラインでモニタしながら酸化物パターン内へのレーザビーム照射でできる。例えば、酸化物パターン内の光伝搬方向に屈折率を所定の間隔で変化させて光フィルタリング特性をもたせたり、光信号の集光、拡大用の屈折率分布特性をもたせたりできる。
【００８６】
（７）レーザビーム照射により屈折率変化をもたせた酸化物層は略平坦な面を保持しているので、その酸化物層の上に上部クラッド層を形成してもその面も平坦な面を保持できる。その結果、上面に電子部品、電子回路、光回路等を高寸法精度で実装することができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、低損失なフォトニック結晶導波路及びその製造方法の実現を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の一実施の形態を示す上面図、（ａ）は（ｂ）の１ａ−１ａ線断面図、（ｃ）は１ａ−１ａ線断面内屈折率分布を示す図である。
【図２】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造法を適用した他の実施の形態を示す上面図、（ａ）は（ｂ）の２ａ−２ａ線断面図、（ｃ）は２ａ−２ａ線断面内屈折率分布を示す図である。
【図３】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図、（ａ）は（ｂ）の３ａ−３ａ線断面図、（ｃ）は３ａ−３ａ線断面内屈折率分布を示す図である。
【図４】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用した他の実施の形態を示す上面図であり、（ａ）は（ｂ）の４ａ−４ａ線断面図である。
【図５】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図であり、（ａ）は（ｂ）の５ａ−５ａ線断面図である。
【図６】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の上面図であり、（ａ）は（ｂ）の６ａ−６ａ線断面図である。
【図７】本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図である。
【図８】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図であり、（ａ）は（ｂ）の８ｂ−８ｂ線断面図、（ｃ）は（ｂ）の８ｃ−８ｃ線断面図である。
【図９】本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図である。
【図１０】（ｂ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図であり、（ａ）は（ｂ）の側面図である。
【図１１】（ａ）は本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す側面図であり、（ａ）は（ｂ）の１１ｂ−１１ｂ線断面図である。
【図１２】本発明のフォトニック結晶導波路の製造方法を適用したフォトニック結晶導波路の他の実施の形態を示す上面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｆ）はフォトニック結晶の従来例を示す図である。
【図１４】フォトニック結晶の他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１基板
２低屈折率層
３酸化物層
４空孔
５酸化物パターン
８上部クラッド層

Claims

基板上に低屈折率層を形成し、その低屈折率層上に透明な酸化物からなる酸化物層を形成し、その酸化物層の面にパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、上記酸化物層よりも低屈折率である直径が２μｍ以下の空孔を所定ピッチで縦、横にマトリクス状に形成すると共に、直線状、曲線状あるいはこれらを組み合わせた形状で、かつ幅が４μｍ以下となるように、空孔の形成されていない領域からなる酸化物パターンを形成し、その酸化物パターンに沿ってパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、上記酸化物パターン内に幅が２μｍ以下の高屈折率層を形成したことを特徴とするフォトニック結晶導波路。
上記酸化物パターン内の光伝搬方向に上記高屈折率層が複数本平行配置されている請求項１に記載のフォトニック結晶導波路。
上記酸化物層としてＳｉＯ₂、ＳｉＯ₂にＧｅ、Ｔｉ、Ｆ、Ｂ、Ｔａ、Ｓｎ等の屈折率制御用添加物を少なくとも１種類添加したもの、Ｎを添加したＳｉＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、上記酸化物に希土類元素を少なくとも１種類添加したもの等を用いた請求項１または２に記載のフォトニック結晶導波路。
基板上に低屈折率層を形成し、その低屈折率層上に透明な酸化物からなる酸化物層を形成する工程と、
その酸化物層の面にパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、直径が２μｍ以下の空孔を所定ピッチで縦、横にマトリクス状に形成すると共に、直線状、曲線状あるいはこれらを組み合わせた形状で、かつ幅が４μｍ以下となるように、空孔の形成されていない領域からなる酸化物パターンを形成する工程と、
その酸化物パターンに沿って、上記酸化物パターンの屈折率を増加させるのに必要な出力でパルス幅が１０００フェムト秒以下の超短パルスレーザビームを照射し、上記酸化物パターン内に幅が２μｍ以下の高屈折率層を形成する工程と
を備えたことを特徴とするフォトニック結晶導波路の製造方法。