JP3998064B2 - フォトニック結晶 - Google Patents
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本発明において、「フォトニック結晶」とは、屈折率が異なる少なくとも2種の材料を含み、且つ、これらの屈折率が異なる少なくとも2種の材料が周期的構造を与えるものを言う。本発明においては、少なくとも一部に、このような「周期的構造」を含む限り、該「周期的構造」以外の構造の有無、種類は問わない。すなわち、本発明において、「フォトニック結晶」とは、「周期的構造」を有するものそれ自体であってもよく、また、このような「周期的構造」を含む、より大きな構造体であってもよい。
本発明のフォトニック結晶は、屈折率が異なる少なくとも2種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え、且つ、フォトニック結晶の少なくとも一部に非線形光学材料を含む。ここに、第1の屈折率を有する材料を「材料A」と表記し、該第1の屈折率とは異なる屈折率を有する材料を「材料B」と表記する(屈折率はA>Bとする)。これらの材料AおよびBが、周期的構造を与えることとなる。本発明においては、フォトニック結晶全体として前記非線形光学材料を含んでいれば足りる。すなわち、材料Aまたは材料Bの少なくとも一方が非線形光学材料であっても良く、また周期的構造以外の部分に非線形光学材料を含んでいても良い。。
本発明に使用すべき「材料A」(屈折率が大きい材料)は、光学材料として使用可能なものである限り、特に制限されない。このような「材料A」としては、例えば、以下に示す材料が使用可能である。
ガラス材料、無機結晶材料、半導体材料、有機材料(ポリマー材料を含む)、金属材料
・使用波長領域において、光吸収の少ない材料
・形状、組成、光学特性の均一性の高い材料
本発明に使用すべき「材料B」は、前記「材料A」より屈折率が小さく、且つ光学材料として使用可能なものである限り、特に制限されない。このような「材料B」としては、例えば、以下に示す材料が使用可能である。
空気(もしくは真空)、ガラス材料、無機結晶材料、半導体材料、有機材料(ポリマー含む)、金属材料
・使用波長領域において、光吸収の少ない材料
・形状、組成、光学特性の均一性の高い材料
本発明において、周期的構造は、後述する光バンド構造を形成するものである限り、特に制限されない。この周期構造は、一次元周期構造、二次元周期構造、三次元周期構造のいずれであってもよい。周期構造の具体例としては、例えば、以下に示すものが挙げられる。
二次元周期構造:材料A中に材料Bを正方格子状又は三角格子状、又は、六方格子状等 に配置した二次元構造、及びその逆。
三次元周期構造:材料AとBをダイヤモンド格子状、体心立方格子状、面心立方格子状 、六方格子状、三角格子状、直方格子状、ウッドパイル状、ヤブロノ バイト状等に配置した三次元構造。
また、これらの周期構造中に意図的に周期長を変えた部分や欠陥部分、不純物を挿入した部分等を形成することも可能である(不純物バンドを形成・光局在効果)。
本発明において使用可能な非線形光学材料は特に制限されない。高効率な素子動作の点からは、以下のような特性を示す非線形光学材料を用いることが好ましい。使用波長範囲において高光学非線形性材料、使用波長域で光吸収の少ない材料、形状、組成、光学特性の均一性の高い材料であることが好ましい。また、非線形光学材料の「非線形」の程度は2次及び3次の非線形感受率によって表すことができる。
(2)有機非線形光学材料の例:MNA,MAP,Urea,L−PCA,DAN,MNP,DMNP等の低分子系非線形光学材料、DR1/PMMA,MNA/PMMA,DCV/PMMA,Poly(MMA−co−MMA−DR1),PPNA,Poly(MMS−co−MMA−3R),Poly(St−NPP),Bis−A,NNDN等の高分子に低分子を分散させた、あるいは化学的に修飾・架橋したポリマー系材料、PDA,PA,PAV,PPV,PATh等のポリマー材料、Ann,MPc,VOPc等の分子材料
(3)半導体非線形光学材料の例:GaAs,ZnO,CdS,C,InSb,Si,GaN,InP等の半導体材料、GaAs/AlGaAs,GaN/AlGaN等の半導体超格子材料
(4)組合せ非線形光学材料の例:半導体あるいは金属の微粒子をドープしたガラス材料、半導体あるいは金属の微粒子を分散させたポリマー材料
・PDA,PA,PAV,PPV,PATh等の有機非線形光学ポリマー材料
本発明においては、クラッド層を構成する材料は、その屈折率がコア層のそれより低い限り、特に制限されない。コア層への強い光閉じ込め実現、光リークによる光損失低減の点からは、このクラッド層の材料の屈折率と、コア層の材料の屈折率との差の絶対値は、0.05以上であることが好ましく、更には0.5以上であることが好ましい。
Ag,Au,Al,Ca,K,Na,Rb,Rh,Cs等
本発明においては、クラッド材料として、誘電体多層膜、誘電体二次元周期構造を用いることも可能である。この誘電体多層膜の性質は適切に設計を行えばある周波数帯の任意の偏光を持つ光をほぼ完全に反射する。この性質は誘電体ミラー、誘電ファブリペローフィルターなどに応用されており、またフォトニック結晶的な見方をすれば、1次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを利用しているといえる。この材料をクラッド層に用いれば、コア層内のある周波数帯の任意のモードを完全に閉じ込めることが可能であり、有機材料のような屈折率が低く、且つ強度が弱く空気クラッドが使えないコア層材料に対して非常に有効である。
上記した第1の態様の作製方法は特に制限されないが、高精度加工性、高側壁垂直性、高アスペクト比加工性、極微細加工性の点からは、下記のような作製方法を用いることが好ましい。
更にドライエッチング用ハードマスクとしてSOG膜(東京応化製OCD)13をスピンコート(150−300nm)し、ベーキング(120−300℃)する。
第2の素子構造(素子構造2)として、非線形光学材料層(波長変換部)と周期的屈折率変調層(フォトニック結晶部)を分離した2層コアを有する素子構造の模式斜視図を図4に示す。この構造は、第1の構造を改良したもので、非線形光学材料層(波長変換部)と周期的屈折率変調層(フォトニック結晶部)を分離したことで導波・波長変換部に対し、プロセス上のダメージを軽減、回避すること、また導波時の無駄な散乱ロスも減らすことができる。また更にこの構造では、非線形材料に加工を行うことが必須でないため、該非線形材料としてLiNbO3等の一般的に加工性が良くない材料も容易に用いることができ、適用できる材料系および応用性が飛躍的に増大する。
素子動作の設計および評価を正確に行うためには、作製された非線形光学2次元フォトニック結晶導波路が、どのようなバンド構造をもつのか、理論的にシミュレーションすると同時に、実験的に直接観測することが、通常は必要である。理論計算に関しては、平面波展開法に比べより精度の高い、3次元FDTD法によるバンド計算法を用いて解析を行うことが好ましい。これは他のバンド計算手法(S−Matrix法、T−Matrix法、平面波展開法等)に対しても適用できる。
次に、代表的な非線形光学過程である和周波混合・第二高調波発生過程の評価を提案する技法において行った。本例では非線形光学過程として和周波混合・第二高調波発生過程を評価したが、本発明素子はこれに限ることはなく、他の様々の非線形光学効果(光パラメトリック発振・増幅、電気光学効果、誘導ラマン・誘導振りルアン散乱、自己位相変調、光ソリトン効果、非線形屈折率効果、光カー効果、光双安定効果、光混合効果、差周波発生、誘導発光、ホールバーニング効果、光エコー効果、第三・第四高調波発生、光整流効果、光誘起屈折率変化、四波混合等)を用いた様々な応用(波長変換、光増幅、波長可変レーザ、OPA、圧力・温度センサ、波形整形、光シャッタ、光強度変調、光パルス圧縮、光ソリトン、変調不安定性、DFBレーザー、狭帯域光フィルタ、光サンプリング、レーザーポンプ用光源、短波長光源、分光、分散補償、光スイッチ、高密度光メモリ、光論理素子、X線発生、高速光スイッチ、全光スイッチ等)に適用することができる。
更にドライエッチング用ハードマスクとしてSOG膜(東京応化製OCD)をスピンコート(150−300nm)し、ベーキング(120−300℃;10〜60分間)した。
ICPドライエッチング装置:入江工研社製、商品名:ICPエッチング装置(研究室において改良)IEE600A
これらの詳細については、下記の論文を参照することができる。
・S.Inoue,Kajikawa,Y.Aoyagi,Appl.Phys.Lett.,82,2966−2968(2003)
・S.Inoue,and K.Kajikawa Mater.Sci.Eng.B103,170−176(2003)
EBリソグラフィー(日立社製、商品名:S−4100(SEM観察装置、研究室において改良))により導波路上にフォトニック結晶パターンを加工し、CF4/H2反応ガス(H2濃度30−70%、全圧0.2−0.8Pa)を用いたICPドライエッチングにより、該フォトニック結晶パターンをハードマスクにパターン転写した。この際に用いたICPドライエッチング条件は、以下の通りであった。
前記と同様。
詳細については前記論文を参照することができる。
次いでO2/Ar反応ガス(O2濃度10−50%、全圧0.15−0.5Pa)を用いたICPドライエッチングにより、DR1/PMMAに高精度にフォトニック結晶構造の加工を行った。この際に用いたICPドライエッチング条件は、以下の通りであった。
前記と同様。
最後にフッ酸によりマスク除去を行い、非線形光学ポリマー2次元フォトニック結晶導波路(図1)を完成させた。最終的に得られた2次元フォトニック結晶導波路(図1)において、円柱孔4の直径は200nm、隣接する円柱孔4の間隔(円柱孔4の中心相互間の距離)500nm、フォトニック結晶部3の厚さは650nmであった。
以下の方法により、理論的にシミュレーションすると同時に、実験的に直接観測を行った。
次に、代表的な非線形光学過程である和周波混合・第二高調波発生過程の評価を行った。
2…金属クラッド層(Ag)
3…非線形フォトニック結晶コア層(DR1/PMMA)
4…円柱孔
5…基本波入力用、高調波出力用導波路
10…Si基板
11…金属材料膜(Ag)
12…有機非線形光学材料層(DR1/PMMA)
13…ハードマスク(SOG:主成分SiO2)
14…フォトレジスト又はEBレジスト
21…多層薄膜形成プロセス過程
22…フォトリソグラフィー、ドライエッチング、EBレジスト塗布プロセス過程
23…位置合わせ、電子ビーム露光、現像プロセス過程
24…CF4/H2ドライエッチング(ハードマスクエッチング)プロセス過程
25…Ar/O2ドライエッチング(有機非線形光学材料エッチング)プロセス過程
26…ハードマスク除去プロセス過程
27…非線形フォトニック結晶導波路
28a…光学顕微鏡写真(非線形フォトニック結晶導波路および参照用導波路)
28b…表面SEM写真(非線形フォトニック結晶構造部)
28c…断面SEM写真(非線形フォトニック結晶構造部)
30…非線形フォトニック結晶構造部領域
31…非パターニング領域(参照用)
32…光入出力用導波路(非線形フォトニック結晶構造部結合)
33…光入出力用導波路(非パターニング領域結合)
41…Si基材
42…金属クラッド層(Ag)
43…非線形材料コア層(DR1/PMMA)
44…酸化物保護・分離層(SiO2)
45…フォトニック結晶準コア層(PMMA)
46…マスク層
48…入射導波光の模式的な電界強度分布
50…入射光
51…入射光角度
52…面内光進行角度
63…光源(タングステンハロゲンランプ)
64…光ファイバー
65…コリメートレンズ
66…アイリス
67…ミラー
68…NDフィルター
69…広帯域用偏光子
70…広帯域用1/2波長版
71…拡大鏡
72…長焦点アクロマティックレンズ
73…サンプル(非線形フォトニック結晶導波路)部
74…PC制御自動サンプルステージ(θ、2θ、φ回転)
75…アクロマティックコリメートレンズ
76…光ファイバーカップリング
77…分光器
78…CCDディテクター
79…制御用コンピューター
80…角度走査偏光反射率測定から得られた光バンド構造の実験値
81…フォトニックバンド構造計算から得られた光バンド構造の計算値
82…空気中の光のライトコーン
83…第二高調波(波長368nm)のスペクトルピーク
84…和周波(383nm)のスペクトルピーク
85…第二高調波(400nm)のスペクトルピーク
86…本素子における第二高調波(波長368nm)強度の入射角度依存性
Claims (12)
- 屈折率が異なる少なくとも2種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶であって;且つ、
有機非線形光学材料からなる層の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶。 - クラッド材料からなる層の上に、前記有機非線形光学材料からなる層が配置されている請求項1に記載のフォトニック結晶。
- 前記クラッド材料が金属である請求項2に記載のフォトニック結晶。
- 前記周期構造層を有する層が、コア層として機能する請求項1〜3のいずれかに記載のフォトニック結晶。
- 前記有機非線形光学材料層が、コア層として機能する請求項1〜3のいずれかに記載のフォトニック結晶。
- 前記周期構造を有する層と、有機非線形光学材料が、いずれもコア層として機能する請求項1〜3のいずれかに記載のフォトニック結晶。
- 屈折率が異なる少なくとも2種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え;且つ、有機非線形光学材料からなる層の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶の製造方法であって、以下の工程を含む方法:
基板上に、前記有機非線形光学材料からなる層を形成する工程;
該有機非線形光学材料層の上に、周期的構造を与える加工材料層を形成する工程;および
該加工材料層をパターンニングして、フォトニック結晶パターンを有する周期的構造を形成する工程。 - 前記基板と、有機非線形光学材料からなる層との間に、予めクラッド材料からなる層が形成されている請求項7に記載のフォトニック結晶の製造方法。
- 前記周期構造を有する層のパターニングが、ドライエッチング、ナノインプリント技術、陽極酸化技術、化学エッチング技術、電子・集束イオン・フォトンビームリソグラフィー技術、選択成長技術、レーザ加工技術から選ばれる技術によって行われる請求項7または8に記載のフォトニック結晶の製造方法。
- 前記基板が、Siからなる基板である請求項7〜9のいずれかに記載のフォトニック結晶の製造方法。
- 屈折率が異なる少なくとも2種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え;且つ、無機非線形光学結晶から選ばれる無機非線形光学材料の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶の製造方法であって、以下の工程を含む方法:
非線形光学材料からなる基板上に、周期的構造を与える加工材料層を形成する工程;および
該加工材料層をパターンニングして、フォトニック結晶パターンを有する周期的構造を形成する工程。 - 前記無機非線形光学結晶が、LiNbO3またはLiTaO3 である請求項11に記載のフォトニック結晶の製造方法。
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