JP3926838B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶構造を有する光導波路素子に関する。

誘電体または半導体などの電磁波（光を含む）を透過し得る材料からなる基板に、光の波長程度の大きさを有する周期で屈折率を変調した構造を形成すると、電磁波の分散関係に結晶の電子に関するバンド構造と同様なバンド構造が形成されることが知られている。電磁波（典型的には「光」）に対する、このようなバンドはフォトニックバンドを呼ばれ、フォトニックバンドを有する周期構造体は「フォトニック結晶」と呼ばれている。非特許文献１は、公知のフォトニック結晶を説明している。

フォトニック結晶を利用した光導波路素子は、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。フォトニック結晶により光を所定領域に閉じ込める光導波路素子では、光導波路部分と周期的な屈折率補償領域部分との屈折率差が重要である。このため、ガリウム・ヒ素（屈折率３．６）や珪素（シリコン：屈折率３．４）などのように屈折率が３以上の材料と、二酸化珪素（ＳｉＯ₂：屈折率：１．５）や空気（屈折率：１）のように屈折率の低い材料とを組み合わせて形成した例が報告されている（例えば特許文献１）。

半導体基板に周期的な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、９０°という急激な角度で光路を曲げることができる光導波路（非特許文献２）などが発表されている。

図１は、フォトニック結晶構造を用いた光導波路素子の一例（非特許文献２）を示している。この光導波路素子は、ＩｎＰやＧａＡｓなどから形成された基板１０１に多数の空気穴１０２の周期的配列を形成することによって作製される。空気穴１０２が存在しない線状の欠陥部分１０３には、フォトニックバンドが存在せず、広い波長範囲で光を透過することができる。

このように、光導波路の両側にフォトニック結晶領域を設けることにより、そのフォトニック結晶領域のバンド構造によって透過が禁じられる波長の光を光導波路内に閉じ込めることが可能になる。

このような光導波路素子によれば、従来の屈折率型光導波路素子では実現できない急角度の曲がり光導波路を実現でき、波長オーダーの光回路素子への適用が期待されている。図１に示す光導波路素子については、光フィルタや半導体レーザなどを集積した光集積回路など多くの用途が提案されている。

また、特許文献２は、三角格子状に空気孔を配列することによって形成したスラブ状のフォトニック結晶を用いる光導波路素子を開示している。この光導波路素子では、三角格子の特定の格子点位置における空気孔の大きさおよび形状を、他の格子点位置における空気孔の大きさおよび形状とは異なるものとすることにより、光導波路として機能する線状欠陥領域を形成している。
Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｓ他著"Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ"，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， １９９５． Ｃｈｕｔｉｎａｎ ｅｔ．ａｌ．， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ， ｖｏｌ． ６２， Ｎｏ．７， ｐ．４４８８，２０００ 特開２００２−３５０６５７号公報 米国特許６８５３７９１号明細書

しかしながら、図１に示す光導波路素子では、透過率が予想よりも低下する問題がある。図２を参照しながら、この問題を説明する。

図２は、フォトニック結晶領域に挟まれた光導波路を示す平面図と、その一部の拡大図を示している。

本発明者の検討によると、フォトニック結晶構造を形成するために周期的に配列された空気穴２０２、２０３により光導波路の等価屈折率が導波方向に沿って周期的に変化してしまうことが、透過率低下の原因である。具体的には、基板２０１において、２つの空気穴２０２、２０３に挟まれた第１部分２０４の等価屈折率が、隣り合う２つの第１部分２０４の間に挟まれた第２部分２０５の等価屈折率に比べて相対的に低下する。このため、光導波路の内部では導波方向に沿って等価屈折率が周期的に変化し、光導波路特性に共振器的な性質が現れてしまう。その結果、光導波路を伝搬する光の一部が共振し、反射や望まれない帯域特性により、光導波路としての特性が劣化することになる。

特許文献２に開示されている光導波路素子では、図２における第２部分２０５に相当する位置に例えば楕円形状の空気孔が形成される。このような構成を採用すると、第２部分２０５の等価屈折率が基板材料の屈折率よりも大きく低下するため、今度は第１部分２０４の等価屈折率が第２部分２０５の等価屈折率よりも高くなってしまう。このため、特許文献２の導波路素子でも、光導波路特性に共振器的な性質が現れてしまうという問題は解決されない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、フォトニック結晶領域の影響により光導波路に生じる等価屈折率の周期的変化を補償し、透過特性を向上させる光導波路素子を提供することである。

本発明の光導波路素子は、穴部が周期的に配列された複数のフォトニック結晶領域と、前記複数のフォトニック結晶領域の間に形成された光導波路を備え、前記フォトニック結晶領域に含まれる複数の穴部のうち、前記光導波路の両側において前記光導波路に隣接する複数の穴部は、前記光導波路の導波方向に沿って延びる中心軸に関して対称に配列されており、前記光導波路の内部に、前記中心軸に関して対称の関係にある各対の穴部に挟まれた部分の等価屈折率が他の部分の等価屈折率よりも高い材料からなる複数の高屈折率部分が導波方向に沿って周期的に配列されており、前記穴部の半径をｒとしたとき、前記各高屈折率部分の重心位置は、いずれも、当該高屈折率部分を挟む前記対の穴部の中心を結ぶ直線の中点から導波方向に沿ってシフトしており、しかも、前記中点から導波方向に０．４５ｒ離れた位置と前記中点から導波方向とは反対の方向に０．２５ｒ離れた位置との間にある。

好ましい実施形態において、前記高屈折率部分の配列周期は、前記フォトニック結晶領域における前記穴部の配列周期に等しい。

好ましい実施形態において、前記複数のフォトニック結晶領域および前記光導波路は基板に形成されている。

好ましい実施形態において、前記基板の少なくとも表面領域は第１の材料から形成され、前記高屈折率部分は、前記第１の材料の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記高屈折率部分を構成する前記第２の材料は、前記基板に形成された穴を埋めている。

好ましい実施形態において、前記第２の材料は、Ｇａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ，Ｚｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、およびＧｅからなる群から選択された少なくとも１種の金属の単体もしくは合金、または前記金属の化合物を含有する。

好ましい実施形態において、前記金属の化合物は、リン、窒素、酸素、およびヒ素からなる群から選択された少なくとも１種の元素と前記金属との化合物である。

好ましい実施形態において、前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から形成されており、前記高屈折率部分は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されている。

好ましい実施形態において、前記基板はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から形成されており、前記高屈折率部分は酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）から形成されている。

好ましい実施形態において、前記高屈折率部分は、前記基板の改質された部分から形成されている。

好ましい実施形態において、前記基板の改質された部分は、前記基板のうち金属の元素が拡散した部分である。

好ましい実施形態において、前記基板は、前記複数のフォトニック結晶領域および前記光導波路を含む板状部材と、前記板状部材を支持するベース部材とを備え、前記穴部は、前記板状部材を貫通する孔から構成されている。

好ましい実施形態において、前記板状部材と前記ベース部材との間にはエアギャップが設けられている。

本発明の光導波路素子によれば、従来の光導波路素子における光導波路内に生じていた、周期的な等価屈折率の変化を低減し、かつ光エネルギーの流れを整えることができる。その結果、光導波路中における等価屈折率の周期的変化に起因して生じる共振を低減し、透過特性の向上、光反射ロスの低減を実現できる。したがって本発明の光導波路素子を用いることにより、超小型光回路を実現でき、光変調器等の光デバイスを小型化、高性能化することが可能である。

以下、図面を参照しながら、本発明による光導波路素子の実施形態を説明する。

（実施形態１）
まず、図３（ａ）から（ｃ）を参照しつつ本発明による光導波路素子の第１の実施形態を説明する。

本実施形態における光導波路素子の基板３０１には、穴部３０４が周期的に配列された複数のフォトニック結晶領域３０５と、複数のフォトニック結晶領域３０５の間に形成された光導波路３０２とが形成されている。

図示されているフォトニック結晶領域３０５の穴部３０４は、三角格子を形成するように二次元的に配列されており、配列周期（格子定数）ａは光の波長程度の大きさに設定される。図示されている光導波路素子における光導波路３０２の長さは、導波される光の波長をλとしたとき、１０×λ程度の大きさである。ただし、本発明の光導波路素子の導波路長などのサイズは、このような大きさに限定されない。

光導波路３０２は、基板３０１のうち、穴部の３０４が形成されていない部分に位置しており、光導波路３０２には複数の屈折率補償領域３０３が光導波方向に沿って周期的に配列されている。屈折率補償領域３０３の配列周期は、穴部３０４の配列周期と同一である。この屈折率補償領域３０３は、基板３０１の材料（第１の材料）の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の材料から形成されている。本実施形態では、第２の材料の屈折率は、第１の材料の屈折率よりも高く設定されているので、本実施形態における個々の屈折率補償領域３０３は「高屈折率部分」として機能する。このため、光導波路３０２の屈折率は、単独では、光導波方向に沿って周期的に変調されていることになる。しかし、屈折率補償領域３０３による屈折率の変調は、フォトニック結晶領域３０５を構成する穴部３０４が光導波路３０２に与える周期的な屈折率変調を相殺するように機能する。

本実施形態では、後に詳細に説明する理由により、光導波路方向に対して平行な方向における屈折率補償領域３０３の位置を調節することにより、高い透過率を達成している。具体的には、各屈折率補償領域３０３の重心位置が、光導波路３０２を挟んで対向する穴部３０２の中心を結ぶ直線の中点から導波方向に沿ってシフトしており、前記中点から導波方向に０．４５ｒ離れた位置と前記中点から導波方向とは反対の方向に０．２５ｒ離れた位置との間にある。「導波方向」とは、図３（ａ）に示す光導波路３０２の左端から光が入射し、右端から光が出射すると仮定した場合、図３（ａ）における「右方向」である。「導波方向とは反対の方向」とは、上記仮定のもとで、図３（ａ）における「左方向」である。

以上の構成を有することにより、フォトニック結晶領域に挟まれた光導波路３０２における等価屈折率は、光導波方向に沿って実質的に一様になり、図２を参照して説明した従来の光導波路素子における問題が解決し、光導波路の透過特性が向上する。

本実施形態における基板３０１は、好ましくは半導体または誘電体から形成される。半導体としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、または、それらの混晶材料を用いることができ、誘電体としては、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）などの誘電体材料を用いることができる。

本実施形態の光導波路素子を光変調器などに応用する場合や、ミリ波等の高い周波数帯で使用する場合は、基板３０１内における不要な電磁界の共振を抑制するため、基板３０１の厚さを５０μｍ〜３００μｍの範囲内に設定することが好ましい。基板３０１の全体における厚さを薄くする代わりに、基板の一部分（光導波路部分）の厚さを１０μｍ〜２００μｍに薄くしても、不要な共振を抑制することができる。

屈折率補償領域３０３を構成する材料（第２の材料）としては、金属、誘電体、半導体、またはこれらの混合物を用いることができる。特に誘電体材料の混合物ガラスを用いると、屈折率の調整が広い範囲で可能になる。採用可能な金属は、例えばＴｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｚｎ、誘電体は、例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、半導体は例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、またはこれらの混晶である。

光導波路３０２は、フォトニック結晶中の線欠陥光導波路と呼ばれ、基板３０１に設けた複数のフォトニック結晶領域３０５の間に形成される。フォトニック結晶構造は、基板３０１に設けた多数の穴部３０４の周期的配列によって形成されており、穴部３０４の配列周期や配列パターンにより、フォトニック結晶構造におけるバンド構造を調節することが可能である。本実施形態における穴部３０４は、空気穴であり、内部が空気によって満たされている。基板材料の屈折率よりも十分に低い屈折率を有する材料で穴部３０４の内部が埋められていても良い。

図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、本実施形態における光導波路３０２およびフォトニック結晶領域３０５は相対的に薄い板状部材（スラブ）４０２に形成されており、この板状部材４０２は相対的に厚いベース部材４０１によって支持されている。板状部材４０２の下方には空隙３０６が設けられることが望ましい。空隙３０６は、任意の波長を有する光に対して透明である。このような空隙３０６を設けた構造を、エアブリッジ構造と呼ぶ。

本実施形態の光導波路素子によれば、光導波路３０２の内部に形成した屈折率補償領域３０３の屈折率を適切に調節することにより、穴部３０４によって光導波路３０２に生じる等価屈折率の周期的変調を補償することができる。

次に、図４（ａ）から（ｈ）を参照しつつ本実施形態の光導波路素子を製造する方法を説明する。

まず、ｚ軸に垂直な面（ｚ面）でカットされたＬｉＮｂＯ₃ウエハを用意し、洗浄した後、図４（ａ）に示すように、ウエハ（板状部材４０２）の裏面にマスクパターン４０３を形成する。マスクパターン４０３は、空隙部３０６を形成すべき領域を露出する開口部を有しており、典型的には、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたレジスト層から形成される。板状部分４０２は、最終的には、エアギャップ３０６を介してベース部分４０１によって支持されることになる。

次に、図４（ｂ）に示すように板状部材４０２の裏面のうちマスクパターン４０３で覆われていない領域をエッチングし、凹部４０４を形成する。このエッチングは、フッ素系ガスおよびアルゴンガスを用いるドライエッチングによって行うことができる。エッチング後、マスクパターン４０３を除去する。

この後、図４（ｃ）に示すように、板状部材４０２の凹部４０４が形成されている面がベース部分４０１の上面と対向するようにして板状部材４０２をベース部分４０１に接合する。この接合は、板状部材４０２をベース部分４０１に押圧しつつ加熱することによって行うことができる。ベース部分４０１および板状部材４０２によって基板３０１が構成される。

板状部材４０２の表面に対して光学研磨またはドライエッチングを行うことにより、板状部材４０２を薄くし、凹部４０４が形成されている領域における板状部材４０２の厚さを約３μｍに調整する（図４（ｄ））。上記領域における板状部材４０２の厚さは、光導波路３０２の厚さを規定することになる。この厚さは、１μｍ〜５μｍ程度の範囲内に設定されることが好ましい。

基板３０１を洗浄した後、板状部材４０２の表面に電子ビーム描画用のレジストを塗布する。このレジストに電子ビームを照射し、図４（ｅ）に示すレジストパターン４０５を形成する。レジストパターン４０５には、図３に示す屈性率補償領域３０２の形状および位置を規定する複数の開口部が形成されている。

板状部材４０２のうちレジストパターン４０５によって覆われていない部分を異方的にエッチングすることにより、図４（ｆ）に示すように凹部４０６を板状部材４０２に形成する。このエッチングは、例えば塩素系またはＳＦ₆のガスを用いて行うことができる。凹部４０６は、光導波路が形成されるべき領域に周期的に配列される。凹部４０６は、板状部材４０２のうち、図３（ａ）に示される屈折率補償領域３０３が形成されるべき部分に形成される。凹部４０６の形状は、レジストパターン４０５の開口部の形状を調節することにより任意に設定することができる。なお、凹部４０６を形成した時点では、図３（ａ）に示される穴部３０４はまだ形成されておらず、光導波路３０２の両側はレジストパターン４０５によって覆われている。

次に、レジストパターン４０５の上から窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を堆積し、凹部４０６の内部を窒化アルミニウムによって充填し、屈折率補償領域３０３を形成する。このとき、レジストパターン４０５の上にも窒化アルミニウムが堆積される。窒化アルミニウムの堆積は、例えばＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて行うことができる。窒化アルミニウムに代えて他の材料を凹部４０６に充填してもよい。凹部４０６に充填される材料の屈折率は、板状部材４０１の屈折率とは異なる値を有している。本実施形態における凹部４０６は、図３（ａ）の平面図に示す矩形の屈折率補償領域３０３の形状に対応する平面形状を有している。図３（ａ）では、屈折率補償領域３０３の平面形状が矩形であるように記載されているが、実際のエッチングによって形成される凹部４０６の平面形状は丸みを帯びたものであってもよい。

なお、図３（ｂ）および（ｃ）では、凹部４０６の深さが板状部材４０２の厚さと同じ大きさを有するように記載されているが、実際には、凹部４０６は板状部材４０２を貫通しておらず、凹部４０６の底面によって窒化アルミニウムが保持される。この凹部４０６の深さを調節することにより、等価屈折率を制御することも可能である。凹部４０６の内部を充填する材料の屈折率を所望の範囲内に設定することが困難な場合、凹部４０６の深さを変化させることにより、適当な等価屈折率差を生じさせることが特に有効になる。凹部４０６の深さを均一化するため、板状部材４０１の裏面側にエッチングストップ層を設けても良い。

次に、図４（ｇ）に示すようにレジストパターン４０５を除去することにより、レジストパターン４０５上に堆積した窒化アルミニウムを板状部材４０２から取り除き（リフトオフ）、板状部材４０２の表面を露出させる。

このあと、凹部４０６を形成した方法と同様の方法により、板状部材４０２の光導波路形成領域の外側に多数の穴部（図３の穴部３０４）を形成し、図４（ｈ）に示すフォトニック結晶領域３０５を形成する。こうして、エアブリッジ構造を有する本実施形態の光導波路素子が完成する。

上記の製造方法は、屈折率補償領域３０３の屈折率と板状部材４０２の屈折率と間にある差異を大きく設定する場合には特に有効である。屈折率補償領域３０３の屈折率は、凹部４０６の内部を充填する材料を適切に選択することにより、広い範囲で調節することが可能である。

図３（ａ）に示す光導波路素子では、フォトニック結晶領域３０５に含まれる複数の穴部３０４のうち、光導波路３０２の両側において光導波路３０２に隣接する複数の穴部３０４が、光導波路３０２の光導波方向に沿って延びる中心軸に関して対称に配列されている。言い換えると、光導波路３０２の一方の側において光導波路３０２に近接して周期的に配列された穴部３０４は、光導波路３０２の他方の側において光導波路３０２に近接して周期的に配列された穴部３０４と対向している。中心軸を挟んで対向する２つの穴部３０４は、光導波路３０２を挟み込んでいる。光導波路３０２のうち、対向する２つの穴部３０４に挟まれている部分の等価屈折率は、屈折率補償領域３０３の存在により、対向する２つの穴部３０４に挟まれていない部分の等価屈折率よりも、高くなっている。

図２に示す従来の光導波路素子では、光導波路を形成するために設けられた穴部２０２、２０３により、光導波路の幅が光導波方向に沿って周期的に変化することに起因し、光導波路の等価屈折率の大きさが周期的に変化している。そのため、光導波路自体がフィルタのような共振特性を有することになり、透過特性が低下し、帯域特性が現れるなどの問題があった。これに対し、本実施形態の光導波路素子では、屈折率補償領域の働きにより光導波路の等価屈折率変化が低減され、透過特性が改善される。

（実施例１)
図３（ａ）から（ｃ）に示す光導波路素子について、屈折率補償領域３０３の配置や屈折率と光の透過率との関係を検討した。以下、その検討結果を説明する。

本実施例における屈折率補償領域３０３は、矩形形状を有しており、その幅（光導波路の光導波方向に対して垂直な方向のサイズ）をフォトニック結晶構造の周期（ａ＝６００ｎｍ）に対して０．８倍（４８０ｎｍ）とし、長さ（光導波路の光導波方向への大きさ）を、穴部３０４の直径（２ｒ＝４８０ｎｍ）に対して０．５倍（２４０ｎｍ）とした。

図５（ａ）は、本実施例における屈折率補償領域３０３の屈折率とニオブ酸リチウム基板の屈折率との間の差異と、光導波路の透過率との関係を示すグラフである。図５（ａ）の「基板との屈折率差」は、屈折率補償領域３０３とニオブ酸リチウム基板との間に生じる屈折率差を意味し、「透過率」は、光導波路に入射した光（自由空間波長：１．５μｍ、基板内波長；約０．７μｍ）の強度を１とした場合に光導波路（長さ：７μｍ）から出射する光の強度の比率である。

図５（ｂ）は、本実施例における光導波路素子の主要部を示す平面図である。図５（ｂ）は、光導波路を挟んで対向する２つの空気穴の中心６０４，６０５を結んだ線分の中点６０６と、矩形の重心６０７とが一致するように屈折率補償領域３０３を配置している例を示している。図中、屈折率補償領域３０３の幅を「Ｗ」の符合で示している。

図５（ａ）からわかるように、光導波路内に屈折率補償領域３０３を設けていない従来の光導波路素子（屈折率差＝０）における光導波路の透過率は、０．７８である。

基板との屈折率差が０〜０．０８５の範囲では、屈折率差７の増加に伴って透過率は急激に上昇し、屈折率差＝０．０８５で透過率が０．９０に達している。屈折率差が０．０８５〜０．５の範囲では、透過率は屈折率差の増加に伴って緩やかに上昇し、屈折率差＝０．５程度で最大の透過率（０．９８）に達している。

屈折率差が０．５を超えて更に増大すると、透過率は最大値から低下するが、屈折率差が１を超えない限り、従来の光導波路素子の透過率（０．７８）よりも高い透過率が得られる。屈折率差が１を超えて更に増加すると、図５（ａ）のグラフには示されていないが、透過率は更に低下すると考えられる。これは、屈折率補償領域３０３が存在しない従来の光導波路における周期的等価屈折率差を低減できず、むしろ、それ以上の大きな周期的等価屈折率差が発生するからである。

なお、図５（ａ）の矢印６０２で示すポイントは、ニオブ酸リチウム（屈折率：約２．２）とＮｂ₂Ｏ₅（屈折率：約２．３）との屈折率差に対応している。矢印６０３で示すポイントは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃、「ＬＮ」とも略記される）との屈折率差を示している。

なお、透過率を８５％以上に高めるという観点から、光導波路における屈折率補償領域３０３と他の領域との間の屈折率差は、０．０８５〜０．６の範囲に設定されることが好ましい。透過率を９５％以上にするためには、上記の屈折率差を０．３８〜０．６の範囲に設定することが好ましい。ただし、屈折率差の好ましい範囲の上限が０．６である理由は、この屈折率差を０．６以上にする材料を実際に用いることが困難だからである。

図１３は、屈折率補償領域３０３の幅（光導波路の光導波方向と垂直な方向の大きさ）と光導波路の透過率との関係を示している。屈折率補償領域３０３の幅は、フォトニック結晶領域における穴部３０４の配列周期ａ（図３参照、本実施例の場合、ａ＝６００ｎｍ）の０．７５〜１倍の大きさを有しているとき、透過率が８５％以上となる。このため、配列周期ａに対する屈折率補償領域３０３の幅の好ましい比率範囲は０．７５以上１以下である。配列周期ａに対する屈折率補償領域３０３の幅の更に好ましい比率範囲は０．８３〜０．９７である。この範囲にあるとき、透過率は９０％以上となり、フォトニック結晶構造を構成する穴部による干渉をほとんど受けなくなる。

なお、屈折率補償領域３０３の深さを変化させることによって屈折率差を調整する場合、光導波路を伝搬する光波の電磁界が存在する深さ範囲内で屈折率補償領域３０３の深さを調節することが好ましい。本実施形態では、光導波路を伝搬する光波の電磁界が存在する深さは３μｍ程度である。有意な等価屈折率差を形成するためには、光導波路を伝搬する光波の電磁界が存在する深さの３０％〜９５％の範囲で屈折率補償領域３０３の深さを変調することが望ましい。

図６（ａ）は、屈折率補償領域３０３の位置シフト量と透過特性との関係を示すグラフであり、図６（ｂ）は、屈折率補償領域３０３の位置シフトを示す平面図である。図６（ａ）のグラフの横軸は、屈折率補償領域３０３の位置シフト量である。位置シフト量は、光導波路を挟んで対向する２つの空気穴の中心６０４，６０５を結んだ線分の中点の位置６０６に対して、屈折率補償領域３０３の重心６０７がどの方向にどれだけシフトしているかを示す（図５（ｂ）の拡大図参照。光導波方向の反対の方向に位置がシフトしているときは、位置シフト量の前に「−」符号を付加している。

図６（ａ）では、基板材料としてＬｉＮｂＯ₃、屈折率補償領域３０３の材料としてＡｌＮを用いた場合の計算結果を実線で示す一方、基板材料としてＬｉＮｂＯ₃、屈折率補償領域３０３の材料としてＮｂ₂Ｏ₅を用いた場合の計算結果を破線で示している。

図６（ａ）のグラフから明らかなように、位置シフト量が「０．２５」のとき、すなわち、屈折率補償領域３０３の重心位置が光導波方向に０．２５ｒだけシフトしているとき、透過率は最高値を示す。以下、図７（ａ）および（ｂ）を参照しながら、その理由を説明する。

図７（ａ）は、屈折率補償領域３０３を有しない従来の光導波路素子の主要部を示す平面図であり、図７（ｂ）は、本実施形態における主要部を示す平面図である。

図７（ａ）および（ｂ）における矢印は、導波光のポインティングベクトルを示している。図７（ａ）に示す従来例では、穴部８０１、８０２に沿って光エネルギーが流れている。言い換えると、光エネルギーの流れが屈折率補償領域８０１、８０２によって光導波方向以外の方向に乱されるため、光損失の原因となる。

一方、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の構成によれば、屈折率補償領域３０３の存在により、穴部８０１、８０２に沿ったポインティングベクトル８０３の曲がりが低減される。つまり、光エネルギーの進行方向が屈折率補償領域３０３によって光導波方向に揃えられ、さらに透過特性が改善される。

透過率９０％以上を達成するため、屈折率補償領域３０３の位置は、二つの空気穴の中心６０４，６０５を結んだ線分の中点６０６と矩形の重心６０７との距離が−０．２５ｒ〜０．４５ｒの範囲であることが望ましく、０〜０．３５ｒの範囲であることがより望ましい。

なお、特許文献２に記載されている導波路素子では、２つの空気穴の中心を結んだ線分の中点に対して楕円穴の重心位置は０．５ｒ程度シフトしており、上記の効果を得ることができない。

以上説明してきたように、本実施形態の光導波路素子では、（１）等価屈折率差を補償する効果、および（２）光エネルギーの進行方向を整える効果により、透過特性が改善される。

本実施形態では、基板材料としてＬｉＮｂＯ₃を用い、屈折率補償領域３０３をＡｌＮやＮｂ₂Ｏ₅からなる高屈折率部分から構成しているが、高屈折率部分の材料はＡｌＮやＮｂ₂Ｏ₅に限定されない。光導波路に隣接する穴部によって光導波路の等価屈折率が減少する効果を相殺する大きさの屈折率を有する材料であれば、他の材料からなる高屈折率部分を設けても良い。

基板の屈折率よりも高い屈折率を有する第２の材料は、例えば、Ｇａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ，Ｚｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、およびＧｅからなる群から選択された少なくとも１種の金属の単体もしくは合金、または前記金属の化合物を含有する。第２の材料として、金属の化合物を用いるとき、リン、窒素、酸素、およびヒ素からなる群から選択された少なくとも１種の元素と上記いずれかの金属との化合物を用いることができる。

（実施形態２）
次に、図８を参照しながら、本発明による光導波路素子の第２の実施形態を説明する。

本実施形態の光導波路素子には、図８に示すように、基板９０１の屈折率とは異なる屈折率を有する穴部９０４が周期的に配列されたフォトニック結晶領域９０４が形成され、２つのフォトニック結晶領域に挟まれる位置に光導波路９０２が設けられている。光導波路９０２には、基板９０１の屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率補償領域９０３が光導波方向に沿って周期的に配列されている。

基板９０１は、実施形態１における基板３０１の材料と同一の材料から形成される。一方、屈折率補償領域９０３は、ＴｉやＺｎなどの金属を基板９０３の所定領域に熱拡散することにより、基板９０１の他の部分に比べて上記所定領域の屈折率を相対的に高めている。

次に、図９を参照しながら、本実施形態の製造方法を説明する。

まず、ｚ軸に垂直な面（ｚ面）でカットされたＬｉＮｂＯ₃ウエハを用意し、洗浄した後、図９（ａ）に示すように、ウエハ（板状部材１００２）の裏面の面にマスクパターン１００３を形成する。この板状部材１００２は、図８（ｂ）および（ｃ）に示す基板９０１のうち、光導波路９０２およびフォトニック結晶領域９０５が形成される部分である。この板状部分１００２は、最終的には、エアギャップ９０６を介してベース部分１００１によって支持されることになる。

マスクパターン１００３は、空隙部９０６を形成すべき領域を露出する開口部を有しており、典型的には、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたレジスト層から形成される。

次に、図９（ｂ）に示すように、板状部材１００２の裏面のうちマスクパターン１００３で覆われていない領域をエッチングし、凹部１００４を形成する。このエッチングは、フッ素系ガスおよびアルゴンガスを用いるドライエッチングによって行うことができる。エッチング後、マスクパターン１００３を除去する。

次に、図９（ｃ）に示すように、板状部材１００２の凹部１００４が形成されている面がベース部分１００１の上面と対向するようにして板状部材１００２をベース部分１００１に接合する。この接合は、板状部材１００２をベース部分１００１に押圧しつつ加熱することによって行うことができる。ベース部分１００１および板状部材１００２によって基板９０１が構成される。

次に、板状部材１００２の表面に対して光学研磨またはドライエッチングを行うことにより、板状部材１００２を薄くし、凹部１００４が形成されている領域における板状部材１００２の厚さを約３μｍに調整する（図９（ｄ））。上記領域における板状部材１００２の厚さは、光導波路の厚さを規定することになる。この厚さは、１μｍ〜５μｍ程度の範囲内に設定されることが好ましい。

基板９０１を洗浄した後、板状部材１００２の表面に電子ビーム描画用のレジストを塗布する。このレジストに電子ビームを照射し、レジストパターンを形成する。レジストパターンには、フォトニック結晶領域１００５における空気穴の形状および位置を規定する複数の開口部が形成されている。

次に、板状部材１００２のうちレジストパターンによって覆われていない部分を異方的にエッチングし、図９（ｅ）に示すようにフォトニック結晶領域１００５を板状部材１００２に形成する。このエッチングは、例えば塩素系またはＳＦ₆のガスを用いて行うことができる。フォトニック結晶領域１００５は、図８（ａ）に示す光導波路９０２が形成されるべき領域以外の領域に配列される。

次に、図９（ｆ）に示すように、リフトオフ用レジスト１００６および電子ビーム描画用レジスト１００７を順次堆積した後、電子ビーム描画により、屈折率補償領域を形成すべき領域に開口部を形成する。リフトオフ用レジスト１００６は、金属のリフトオフを容易にするために設けられているが、フォトニック結晶領域１０５の穴部を埋め、基板表面を平坦化する機能も発揮している。

図９（ｇ）に示すように、熱拡散の対象となる金属１００８を電子ビーム描画用レジスト１００７の上に堆積した後、リフトオフ法により、パターニングされた金属を板状部材１００２の表面に残す。具体的には、レジスト剥離液により、リフトオフ用レジスト１００６および電子ビーム描画用レジスト１００７を除去する。

この後、例えば１０００℃程度で一昼夜の熱処理を行うことにより、金属イオンを表面から板状部材１００２の内部に拡散させる。金属イオンが拡散した領域（屈折率補償領域９０３）の屈折率は、他の部分に比べて増加する。こうして、図９（ｈ）に示す光導波路素子を完成する。

このように本実施形態では、金属の熱拡散による屈折率変化を利用し、光導波路に周期的に配列した屈折率補償領域を形成している。本実施形態では、屈折率補償領域を作製するために高温長時間の熱処理が必要であるが、周期的に配列された凹部を光導波路に形成し、凹部の内部を他の材料で埋め込む必要は無い。

金属の熱拡散を行うことにより、板状部分１００２の屈折率を変化させる代わりに、光によって屈折率が変化する現象（フォトリフラクティブ）を利用しても良い。板状部材１００２が、例えばニオブ酸リチウムのようにフォトリフラクティブ効果を発揮する材料から形成されている場合、波長５３２ｎｍ、出力数百ｍＷ程度のレーザ光を照射することにより、板状部材１００２の照射部分の屈折率を変化させることができる。光照射によって屈折率補償領域を形成する場合、高温長時間の熱処理は必要ない。

（実施形態３）
以下、図１０を参照しながら、本発明による光導波路素子の第３の実施形態を説明する。

本実施形態の光導波路素子には、図１０に示すように、基板１１０１の屈折率とは異なる屈折率を有する穴部１１０４が周期的に配列されたフォトニック結晶領域１１０５が形成され、２つのフォトニック結晶領域１１０５に挟まれる位置に光導波路１１０２が設けられている。

光導波路１１０２の表面には、基板１１０１の屈折率とは異なる屈折率を有する材料から形成された屈折率補償領域１１０３が光導波方向に沿って周期的に配列されている。屈折率補償領域１１０３は、光導波路１１０２のうち屈折率補償領域１１０３の直下に位置する部分の等価屈折率を増大させる機能を有している。

基板１１０１は、実施形態１における基板３０１の材料と同一の材料から形成され得る。屈折率補償領域１１０３は、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｚｎなどの金属や、ＳｉＮなどの誘電体から形成され得る。光導波路１１０２のうち屈折率補償領域１１０３の直下に位置する部分の等価屈折率は、金属材料から屈折率補償領域１１０３を形成した場合に効果的に調節しやすいため、本実施形態における屈折率補償領域１１０３は金属から形成することが好ましい。

本実施形態でも、基板１１０１に設けた穴部１１０４と基板１１０１との間に等価屈折率の差を形成し、穴部１１０４の存在しない線欠陥領域に光電界を閉じ込めることができる。図１０（ｂ）および（ｃ）に示すように、光導波路１１０２の下部には、空隙が設けられていることが好ましい。なお、穴部１１０４を設ける代わりに、基板１１０１の屈折率とは異なる屈折率を有する部分を周期的に配列しても、フォトニック結晶構造を形成することができる。

本実施形態では、光導波路１１０２上に設けた屈折率補償領域１１０３により、光導波路１１０２の周期的に変化する等価屈折率を補償している。基板１１０１と穴部１１０４との間に存在する屈折率差が大きいほど、光電界を光導波路内に閉じ込める能力が高くなるが、光導波路１１０２における等価屈折率の周期的変化が顕著に発生しやすい。前述のように、このような等価屈折率の周期的変化は、光導波路の透過特性を低下させる。このような問題は、等価屈折率差が２〜０．０５の範囲内で顕著になる。このため、本実施形態の構成は、等価屈折率差が２〜０．０５の範囲内にあるときに有利な効果をもたらし、特に等価屈折率差が２〜０．１の範囲にあるとき、顕著な効果をもたらす。

次に、図１１（ａ）から（ｇ）を参照しつつ本実施形態の製造方法を説明する。

まずＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有する基板１１０１を用意する。この基板１１０１は、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板１２０１と、シリコン基板１２０１上に形成されたＳｉＯ₂膜１２０２（厚さ１μｍ）と、ＳｉＯ₂層１２０２（厚さ１μｍ）上に設けられたＳｉ層１２０３（厚さ０．５μｍ）とを備えている。基板１１０１を洗浄した後、電子ビーム描画用のレジスト１２０４を塗布する（図１１（ａ））。電子ビーム露光法により、レジスト１０２４をパターニングする（図１１（ｂ））。パターニングされたレジスト１０２４には、フォトニック結晶領域１１０５における空気穴の形状および位置を規定する複数の開口部が形成されている。

次に、Ｓｉ層１２０３板状のうちパターニングされたレジスト１０２４によって覆われていない部分を異方的にエッチングし、図１１（ｃ）に示すようにフォトニック結晶領域１１０５を構成する空気穴１２０５をＳｉ層１２０３に形成する。このエッチングは、例えば塩素系またはＳＦ₆のガスを用いて行うことができる。空気穴１２０５は、光導波路が形成されるべき領域以外の領域に配列される。空気穴１２０５は、Ｓｉ層１２０３を貫通し、ＳｉＯ₂層１２０２に達する。

その後、弗酸を用いてＳｉＯ₂層１２０２を部分的に除去することにより、図１１（ｄ）に示す空隙１２０６を形成する。続いて、図１１（ｅ）に示すように、リフトオフ用フォトレジスト１２０７および電子ビーム描画用のレジスト１２０８を基板表面に積層した後、光導波路上に装架する金属のパターニング用のマスクを形成する。

図１１（ｆ）に示すように、マスク上からＺｎ、Ｔｉ、Ａｕなどの金属１２０９を蒸着した後、レジスト剥離液によりリフトオフ用フォトレジスト１２０７、電子ビーム描画用のレジスト１２０８を除去する。これにより、図１１（ｇ）に示すように、金属１２０９からなる屈折率補償領域１１０３を光導波路上に形成し、本実施形態の光導波路素子を完成する。

なお、実施形態２や実施形態３の光導波路素子では、屈折率補償領域による屈折率の変化が緩やかになる。この場合、前述した光エネルギーの流れを整える効果が小さい。このため、屈折率補償領域の形状および位置と透過特性との関係は、実施形態１の光導波路素子におけるものから異なったものとなる。以下、この点を説明する。

（実施例２)
図１２（ａ）は、屈折率補償領域１１０３を金（Ａｕ）で形成した場合における屈折率補償領域の位置シフト量と透過特性との関係を示すグラフであり、図１２（ｂ）は、屈折率補償領域の位置シフトを示す平面図である。図１２（ａ）のグラフの横軸は、屈折率補償領域の位置シフト量である。位置シフト量は、光導波路を挟んで対向する２つの空気穴の中心１３０４，１３０５を結んだ線分の中点の位置１３０６に対して、屈折率補償領域の重心１３０７がどの方向にどれたけシフトしているかを示す。光導波方向の反対側に位置がシフトしているときは、位置シフト量の前に「−」符号を付加している。

図１２（ａ）のグラフから明らかなように、位置シフト量が光導波方向の反対側に約０．１のとき、すなわち、屈折率補償領域３０３の重心位置が光導波方向に−０．１ｒ程度シフトしているとき、透過率は最高値を示す。この理由は、本実施例の構成では、屈折率補償領域による光エネルギーの流れを整える効果が小さくなるためである。

二つの空気穴の中心１３０４，１３０５を結んだ線分の中点１３０６に対する屈折率補償領域の重心１３０７の位置関係は、−０．５ｒ〜０．２５ｒの範囲内にあることが望ましく、−０．４５ｒ〜０．２５ｒの範囲にあることがより望ましく、−０．２ｒ〜０．１ｒの範囲内にあることが更に望ましい。

本発明の光導波路素子を用いることにより、光ロスが少なく、小型化可能な光変調素子などの光デバイスを実現することが可能である。

本発明の光導波路素子は、発光ダイオード、レーザダイオード等の半導体発光素子の光導波部分としても使用可能であり、このような使用により、光導波路部分における伝送ロスを低減し、特性を向上させることが可能となる。

このように、本発明の光導波路素子は、光通信システムに適用して、その小型化、高効率化を実現する。

フォトニック結晶構造を有する光導波路素子の従来例を示す平面図である。 従来の光導波路素子における光導波路内の屈折率分布を模式的に示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態１における光導波路素子の平面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ'線断面図であり、（ｃ）は、そのＢ−Ｂ'線断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、実施形態１の光導波路素子の製造方法を示す工程断面図である。 （ａ）は、実施例１における基板と屈折率補償領域（高屈折率部分）との間の屈折率差と、光導波路透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、屈折率補償領域の配置を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、実施例１における屈折率補償領域（高屈折率部分）の位置シフトと、光導波路透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、屈折率補償領域の配置を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、従来の光導波路におけるポインティングベクトルを示す図であり、（ｂ）は、実施形態１の光導波路におけるポインティングベクトルを示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態２における光導波路素子の平面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ'線断面図であり、（ｃ）は、そのＢ−Ｂ'線断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、実施形態２の光導波路素子の製造方法を示す工程断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３における光導波路素子の平面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ'線断面図であり、（ｃ）は、そのＢ−Ｂ'線断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、実施形態３の光導波路素子の製造方法を示す工程断面図である。 （ａ）は、実施例２における屈折率補償領域の位置シフトと、光導波路透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、屈折率補償領域の配置を模式的に示す平面図である。 実施例１における屈折率補償領域の幅と光導波路の透過率との関係を示すグラフである（導波路長１０λ）。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 空気穴
１０３ 光導波路
２０１ 基板
２０２ 空気穴
２０３ 空気穴
２０４ 低等価屈折率部
２０５ 高等価屈折率部
３０１ 基板
３０２ 光導波路
３０３ 屈折率補償領域
３０４ 穴部
３０５ フォトニック結晶領域
３０６ 空隙
４０１ ベース部分
４０２ 光導波部分
４０３ マスクパターン
４０４ 凹部
４０５ レジストパターン
４０６ 凹部
５０３ 屈折率補償領域（低屈折率）
６０２ 酸化ニオブとニオブ酸リチウムとの屈折率差を示す矢印
６０３ 窒化アルミニウムとニオブ酸リチウムとの屈折率差を示す矢印
６０４ 穴部（空気穴）の中心
６０５ 穴部（空気穴）の中心
６０６ 中心６０４と中心６０５とを結んだ線分の中点
６０７ 屈折率補償領域３０３の重心
８０１ 穴部
８０２ 穴部
８０３ ポインティングベクトル
９０１ 基板
９０２ 板状部材
９０３ 屈折率補償領域
９０４ 穴部
９０５ フォトニック結晶領域
９０６ 空隙
１００１ ベース部分
１００２ 板状部分
１００３ マスクパターン
１００４ 凹部
１００５ フォトニック結晶領域
１００６ フォトレジスト
１００７ 電子ビーム描画用レジスト
１００８ 金属
１１０１ 基板（ＳＯＩ基板）
１１０２ 光導波路
１１０３ 屈折率補償領域
１１０４ 穴部
１１０５ フォトニック結晶領域
１２０１ シリコン層
１２０２ ＳｉＯ₂層
１２０３ シリコン層
１２０４ パターン
１２０５ 空気穴
１２０６ 空隙
１２０７ フォトレジスト
１２０８ 電子ビーム描画用レジスト
１３０４ 空気穴の中心
１３０５ 空気穴の中心
１３０６ 点１３０４と点１３０５を結んだ線分の中点
１３０７ 屈折率補償領域１１０３の重心

Claims (13)

1. 穴部が周期的に配列された複数のフォトニック結晶領域と、前記複数のフォトニック結晶領域の間に形成された光導波路を備え、
   前記フォトニック結晶領域に含まれる複数の穴部のうち、前記光導波路の両側において前記光導波路に隣接する複数の穴部は、前記光導波路の導波方向に沿って延びる中心軸に関して対称に配列されており、
   前記光導波路の内部に、前記中心軸に関して対称の関係にある各対の穴部に挟まれた部分の等価屈折率が他の部分の等価屈折率よりも高い材料からなる複数の高屈折率部分が導波方向に沿って周期的に配列されており、
   前記穴部の半径をｒとしたとき、前記各高屈折率部分の重心位置は、いずれも、当該高屈折率部分を挟む前記対の穴部の中心を結ぶ直線の中点から導波方向に沿ってシフトしており、しかも、前記中点から導波方向に０．４５ｒ離れた位置と前記中点から導波方向とは反対の方向に０．２５ｒ離れた位置との間にある、光導波路素子。
2. 前記高屈折率部分の配列周期は、前記フォトニック結晶領域における前記穴部の配列周期に等しい請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記複数のフォトニック結晶領域および前記光導波路は基板に形成されている、請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記基板の少なくとも表面領域は第１の材料から形成され、
   前記高屈折率部分は、前記第１の材料の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の材料から形成されている、請求項１に記載の光導波路素子。
5. 前記高屈折率部分を構成する前記第２の材料は、前記基板に形成された穴を埋めている、請求項４に記載の光導波路素子。
6. 前記第２の材料は、Ｇａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ，Ｚｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、およびＧｅからなる群から選択された少なくとも１種の金属の単体もしくは合金、または前記金属の化合物を含有する、請求項５に記載の光導波路素子。
7. 前記金属の化合物は、リン、窒素、酸素、およびヒ素からなる群から選択された少なくとも１種の元素と前記金属との化合物である、請求項６に記載の光導波路素子。
8. 前記基板はＬｉＮｂＯ₃から形成されており、
   前記高屈折率部分はＡｌＮから形成されている、請求項５に記載の光導波路素子。
9. 前記基板はＬｉＮｂＯ₃から形成されており、
   前記高屈折率部分はＮｂ₂Ｏ₅から形成されている、請求項５に記載の光導波路素子。
10. 前記高屈折率部分は、前記基板の改質された部分から形成されている、請求項１に記載の光導波路素子。
11. 前記基板の改質された部分は、前記基板のうち金属の元素が拡散した部分である、請求項１０に記載の光導波路素子。
12. 前記基板は、前記複数のフォトニック結晶領域および前記光導波路を含む板状部材と、前記板状部材を支持するベース部材とを備え、
    前記穴部は、前記板状部材を貫通する孔から構成されている、請求項１に記載の光導波路素子。
13. 前記板状部材と前記ベース部材との間にはエアギャップが設けられている、請求項１０に記載の光導波路素子。
    

Images