JP4113478B2 - Manufacturing method of two-dimensional photonic crystal optical device - Google Patents
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Description
この発明は、２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法に関し、特に、広帯域のバンドギャップがある２次元フォトニック結晶、偏光依存性がない２次元フォトニック結晶、高アスペクト比かつ高寸法精度の２次元フォトニック結晶、光導入部と２次元フォトニック結晶のアライメントの容易な２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法に関する。 This invention relates to a two-dimensional photonic crystal optical device manufacturing method, in particular, two-dimensional photonic crystal has a band gap of the wide-band, polarization dependence is not two-dimensional photonic crystal, a high aspect ratio and high dimensional accuracy 2-dimensional photonic crystal, a method of manufacturing easy 2-dimensional photonic crystal optical device of the alignment of the light introducing section and the two-dimensional photonic crystal.
近年、フォトニック結晶より成る光デバイスが、非常に小さな光集積回路を実現することができる光デバイスとして注目を集めている。ここで、フォトニック結晶とは、屈折率の異なる媒質を交互に周期的に配列したものであり、大別して１次元フォトニック結晶、２次元フォトニック結晶、３次元フォトニック結晶の３種類に分類される。１次元フォトニック結晶は、従来から多層膜として知られており、波長多重分割用フィルタその他の光デバイスとして広範囲に実用化されている。３次元フォトニック結晶は３次元の周期構造を有しており、一例として偏光分離素子として実用化されている（特許文献１ 参照）。また、偏光依存性のない完全バンドギャップを有する３次元フォトニック結晶も開示されている（特許文献２ 参照）。 In recent years, an optical device made of a photonic crystal has attracted attention as an optical device that can realize a very small optical integrated circuit. Here, the photonic crystal is one in which media having different refractive indexes are alternately and periodically arranged, and is roughly classified into three types: a one-dimensional photonic crystal, a two-dimensional photonic crystal, and a three-dimensional photonic crystal. Is done. One-dimensional photonic crystals are conventionally known as multilayer films and have been put into practical use in a wide range as wavelength division multiplexing filters and other optical devices. The three-dimensional photonic crystal has a three-dimensional periodic structure, and is practically used as a polarization separation element as an example (see Patent Document 1). Also disclosed is a three-dimensional photonic crystal having a complete band gap without polarization dependency (see Patent Document 2).
２次元フォトニック結晶の屈折率周期構造は、高屈折率材料に円柱孔を正方格子或いは三角格子状に配列して形成する。或いは、低屈折率材料中に高屈折率材料の円柱を正方格子状に配列することにより形成する。これらの周期構造からフォトニックバンドギャップが形成され、面内光に対して光の伝搬を制御することができる。この２次元フォトニック結晶の周期構造に線状の欠陥を導入することにより導波路を形成することができる（特許文献３ 参照）。 The refractive index periodic structure of the two-dimensional photonic crystal is formed by arranging cylindrical holes in a high refractive index material in the form of a square lattice or a triangular lattice. Alternatively, it is formed by arranging columns of high refractive index materials in a square lattice pattern in a low refractive index material. A photonic band gap is formed from these periodic structures, and light propagation can be controlled with respect to in-plane light. A waveguide can be formed by introducing a linear defect into the periodic structure of the two-dimensional photonic crystal (see Patent Document 3).
また、２次元フォトニック結晶は、入射する光の角度を制御することにより波長フィルタリングをすることができる（特許文献４ 参照）。
一方、ガスクラスターイオンビームエッチングにより表面平滑化する技術が開示されている（特許文献５ 参照）。また、ガスクラスターイオンビームによる薄膜形成方法が開示されている（特許文献６ 参照）。
On the other hand, a technique for smoothing the surface by gas cluster ion beam etching has been disclosed (see Patent Document 5). Further, a thin film forming method using a gas cluster ion beam is disclosed (see Patent Document 6).
上述した従来のフォトニック結晶を用いた光デバイスは、何れも、或る特定の使用条件および制約内においては充分に適応動作するが、多くの光通信用デバイスに適応するには、偏光依存性のない光デバイスとされることを要請されると共に、フォトニック結晶に対して光を導入するカップリングの容易性を向上することを要請されている。これらの要請に応答するに、解決されるべき種々の問題に直面している。 All of the optical devices using the conventional photonic crystal described above operate sufficiently adaptively within a certain usage condition and restrictions, but in order to adapt to many optical communication devices, polarization dependence is required. In addition to being required to be an optical device having no photon, it is required to improve the ease of coupling for introducing light into the photonic crystal. In response to these requests, we are faced with various problems to be solved.
従来の１次元フォトニック結晶には、これを原材料として光導波路或いはフィルタの如き光デバイスを集積形成することができないという重大な問題点があった。そして、先の特許文献１に開示される従来の３次元フォトニック結晶には、バンドギャップが存在しなかったり、バンドギャップが存在してもその波長帯域が非常に小さいという重大な問題があった。また、特許文献２に開示される偏光依存性がない完全バンドギャップを有する３次元フォトニック結晶には、その作製が非常に困難であるという重大な問題があった。 The conventional one-dimensional photonic crystal has a serious problem that an optical device such as an optical waveguide or a filter cannot be integrally formed using this as a raw material. The conventional three-dimensional photonic crystal disclosed in Patent Document 1 has a serious problem that there is no band gap or the wavelength band is very small even if the band gap exists. . In addition, the three-dimensional photonic crystal having a complete band gap without polarization dependency disclosed in Patent Document 2 has a serious problem that its production is very difficult.
２次元フォトニック結晶に関しては、特許文献３および特許文献４に開示される形態の２次元フォトニック結晶は、偏光依存性があり、現状の波長多重光伝送用光デバイスの要求する偏光依存性がないことを満足しないので、この波長範囲の波長多重光伝送に使用することができない。この２次元フォトニック結晶を敢えてこの波長範囲の波長多重光伝送に使用するには、偏光を制御するデバイスを余分に付加して使用しなければならないという重大な問題があった。そして、フォトニック結晶に光を入射する場合、フォトニック結晶の厚みが入射光のビーム径よりも小さいところから、フォトニック結晶に対する光結合は非常に難しく、スポットサイズコンバータの如き余分なデバイスを付加しなければ必要充分な光結合は得られず、光導入部とフォトニック結晶のアライメントが非常に難しいという重大な問題があった。
Regarding the two-dimensional photonic crystal, the two-dimensional photonic crystal disclosed in Patent Document 3 and
一方、特許文献５、特許文献６には、ガスクラスターイオンビームを用いた成膜、表面平滑化の技術が開示されているが、これらの技術によりＳｉの如き原材料に形成される空孔および柱を高アスペクト比、高寸法精度でエッチングする技術が開示されている訳ではない。 On the other hand, Patent Document 5 and Patent Document 6 disclose techniques of film formation and surface smoothing using a gas cluster ion beam, but holes and columns formed in a raw material such as Si by these techniques. A technique for etching a film with a high aspect ratio and high dimensional accuracy is not disclosed.
この発明は、上述した問題を解決した、広帯域のバンドギャップがある２次元フォトニック結晶、偏光依存性がない２次元フォトニック結晶、高アスペクト比かつ高寸法精度の２次元フォトニック結晶より成る２次元フォトニック結晶光デバイスおよびその製造方法を提供し、光導入部と２次元フォトニック結晶のアライメントの容易な２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法を提供するものである。 The present invention consists of a two-dimensional photonic crystal having a wide band gap, a two-dimensional photonic crystal having no polarization dependence, and a two-dimensional photonic crystal having a high aspect ratio and high dimensional accuracy, which solves the above-described problems. providing dimensional photonic crystal optical device and a manufacturing method thereof, and provides an easy two-dimensional photonic crystal optical device production method of the alignment of the light introducing section and the two-dimensional photonic crystal.
請求項１：光透過性基板の表面に屈折率の低い空孔或いは屈折率の高い柱を２次元的にマトリクス状に周期配列形成した２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法において、空孔或は柱を光透過性基板の表面に反応性ガスクラスターイオンビームと非反応性ガスクラスターイオンビームとを交互に照射してエッチング形成する２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法とした。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal optical device in which holes having a low refractive index or columns having a high refractive index are periodically arranged in a two-dimensional matrix on the surface of a light transmitting substrate. It was manufacturing method of the two-dimensional photonic crystal optical device by irradiating the reactive gas cluster ion beam and the non-reactive gas cluster ion beam on the surface of the light transmitting substrate pillars alternately formed by etching.
上述した通りであって、この発明に依れば、広帯域のバンドギャップが存在する２次元フォトニック結晶、偏光依存性がない２次元フォトニック結晶、高アスペクト比かつ高寸法精度の２次元フォトニック結晶、光導入部と２次元フォトニック結晶相互間のアライメントの容易な２次元フォトニック結晶より成る光デバイスを簡単容易に提供することができる。 As described above, according to the present invention, a two-dimensional photonic crystal having a wide band gap, a two-dimensional photonic crystal having no polarization dependency, a two-dimensional photonic crystal having a high aspect ratio and a high dimensional accuracy. An optical device composed of a two-dimensional photonic crystal that allows easy alignment between the crystal, the light introducing portion, and the two-dimensional photonic crystal can be easily provided.
光導入部を介して光を２次元フォトニック結晶に導入し、２次元フォトニック結晶から出射される光を光受入部に導入する光デバイスにおいて、この２次元フォトニック結晶は光透過性基板の表面に屈折率の低い空孔或いは屈折率の高い柱を２次元的にマトリクス状に周期配列形成し、空孔の内壁或いは柱の周囲はガスクラスターイオンビームを照射することによりエッチング形成される。これにより、空孔の内壁或いは柱の周囲は、反応性イオンビームエッチングにより製造する場合と比較して、より高アスペクト比でかつ高寸法精度の形状に製造することができる。 In an optical device that introduces light into a two-dimensional photonic crystal through a light introducing portion and introduces light emitted from the two-dimensional photonic crystal into a light receiving portion, the two-dimensional photonic crystal is a light-transmitting substrate. Holes with a low refractive index or columns with a high refractive index are periodically arranged in a two-dimensional matrix form on the surface, and the inner walls of the holes or the periphery of the pillars are etched by irradiation with a gas cluster ion beam. As a result, the inner wall of the hole or the periphery of the column can be manufactured in a shape with a higher aspect ratio and higher dimensional accuracy than in the case of manufacturing by reactive ion beam etching.
そして、フォトニック結晶原材料としてＳｉを使用し、エッチングする反応性ガスとして弗素系ガス を使用し、マスク材料としてＮｉ或いはＣｒを使用することにより、更に高アスペクト比かつ高寸法精度の２次元フォトニック結晶を実現することができる。反応性ガスの実施例としては６弗化硫黄ＳＦ6 、その他のフッ素系ガスでも良い。
また、ガスクラスターイオンビームエッチングを行うに際して、反応性ガスクラスターと非反応性ガスクラスターを或る時間間隔をおいて、交互に照射することにより、フォトニック結晶のエッチング孔或いは柱の表面の寸法精度を著しく向上させることができる。
Then, Si is used as a photonic crystal raw material, and a fluorine-based gas is used as a reactive gas for etching. By using Ni or Cr as a mask material, a two-dimensional photonic crystal having a higher aspect ratio and higher dimensional accuracy can be realized. As an example of the reactive gas, sulfur hexafluoride SF 6 or other fluorine-based gas may be used.
In addition, when performing gas cluster ion beam etching, the reactive gas cluster and the non-reactive gas cluster are alternately irradiated at a certain time interval, so that the dimensional accuracy of the photonic crystal etching hole or column surface is obtained. Can be significantly improved.
更に、光導入部から２次元フォトニック結晶に導入する光がコリメート光であり、かつ、２次元フォトニック結晶の厚さ１０５を使用するコリメート光１０１のビーム直径よりも充分に大きく形成する構成を採用することにより、光導入部と２次元フォトニック結晶のアライメントの容易にすることができる。 Furthermore, the light introduced from the light introducing portion into the two-dimensional photonic crystal is collimated light, and is configured to be sufficiently larger than the beam diameter of the collimated light 101 using the thickness 105 of the two-dimensional photonic crystal. By adopting it, it is possible to facilitate alignment between the light introducing portion and the two-dimensional photonic crystal.
図１および図２を参照して実施例１を説明する。
図１において、１００は光導入部、１０１はコリメータレンズ、１０２は２次元フォトニック結晶、１０４は基板、１０５は２次元フォトニック結晶の厚さ、１０１’はコリメータレンズ、１０３は光受入部である。
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
In FIG. 1, 100 is a light introducing part, 101 is a collimator lens, 102 is a two-dimensional photonic crystal, 104 is a substrate, 105 is the thickness of the two-dimensional photonic crystal, 101 'is a collimator lens, and 103 is a light receiving part. is there.
基板１０４はＳｉ基板を原材料基板として使用している。先ず、このＳｉ基板より成る基板１０４の表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布する。次いで、電子ビーム露光装置を使用して、図２に示される様な円板がマトリクス状に配列したレジストパターンを形成した。このレジストパターンの形状および配列間隔は、円板の直径を７４０ｎｍとし、ピッチは７７０ｎｍとした。そして、現像して、図２の円板下側のレジストを除去することにより、円孔レジストパターンを形成した。ここで、ガスクラスターイオンビームエッチング装置を使用し、円孔レジストパターンを介してＳｉ基板１０４の表面をエッチングし、Ｓｉ基板２次元フォトニック結晶を製造した。エッチングガスクラスターとしてＳＦ6 クラスターを使用した。形成された２次元フォトニック結晶の厚さ１０５は、使用するコリメート光１０１のビーム直径（５μｍ）よりも充分に大きい１０μｍとした。２０１は空気より成る低屈折率層を構成し、２０２はＳｉより成る高屈折率層を構成している。この様にしてＳｉ基板１０４表面に形成された２次元フォトニック結晶１０２に対して、光導入部１００からコリメート光１０１を入射した。光導入部１００として、光ファイバ端部を一体形成したレンズ部としたレンズドファイバーを使用した。コリメート光１０１として、１．５５μｍ帯（１５３０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）および９００ｎｍの波長の光を使用した。２次元フォトニック結晶１０２から出射した光は光受入部１０３に入射させた。光受入部１０３としては、レンズドファイバーを使用した。 The substrate 104 uses a Si substrate as a raw material substrate. First, a resist for electron beam exposure is applied to the surface of the substrate 104 made of this Si substrate. Next, using an electron beam exposure apparatus, a resist pattern in which discs as shown in FIG. 2 were arranged in a matrix was formed. The resist pattern shape and arrangement interval were such that the diameter of the disc was 740 nm and the pitch was 770 nm. Then, development was performed to remove the resist on the lower side of the disk in FIG. 2, thereby forming a circular hole resist pattern. Here, using a gas cluster ion beam etching apparatus, the surface of the Si substrate 104 was etched through the circular hole resist pattern to produce a Si substrate two-dimensional photonic crystal. SF 6 cluster was used as the etching gas cluster. The thickness 105 of the formed two-dimensional photonic crystal was set to 10 μm, which was sufficiently larger than the beam diameter (5 μm) of the collimated light 101 used. 201 constitutes a low refractive index layer made of air, and 202 constituted a high refractive index layer made of Si. The collimated light 101 is incident from the light introducing unit 100 to the two-dimensional photonic crystal 102 formed on the surface of the Si substrate 104 in this manner. As the light introducing portion 100, a lensed fiber having a lens portion integrally formed with an optical fiber end portion was used. As the collimated light 101, light having a wavelength of 1.55 μm band (1530 nm to 1620 nm) and 900 nm was used. Light emitted from the two-dimensional photonic crystal 102 was incident on the light receiving portion 103. A lensed fiber was used as the light receiving unit 103.
以上の通りにして構成された２次元フォトニック結晶より成る光デバイスに対して、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光を使用して光透過特性の測定を行ったところ、１４５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの波長範囲に完全バンドギャップがあった。また、光デバイス１００個に対して、１５５０ｎｍの光と９００ｎｍのＴＥ偏光を用いて透過率について測定を行った。１５５０ｎｍの光については透過率は−４５．７ｄＢ±２．３ｄＢ（３σ）であった。９００ｎｍの光については透過率は−０．３ｄＢ±０．２ｄＢ（３σ）であった。そして、ＴＭ偏光を使用して同様の測定を行った結果、１５５０ｎｍの光については透過率は−４５．１ｄＢ±２．４ｄＢ（３σ）であった。９００ｎｍの光については透過率は−０．３ｄＢ±０．２ｄＢ（３σ）であった。 When the optical transmission characteristics of the optical device composed of the two-dimensional photonic crystal configured as described above were measured using TE polarized light and TM polarized light, a complete band gap was obtained in the wavelength range of 1450 nm to 1650 nm. was there. Further, transmittance was measured for 100 optical devices using 1550 nm light and 900 nm TE polarized light. For 1550 nm light, the transmittance was -45.7 dB ± 2.3 dB (3σ). For light at 900 nm, the transmittance was −0.3 dB ± 0.2 dB (3σ). As a result of performing the same measurement using TM polarized light, the transmittance of light at 1550 nm was −45.1 dB ± 2.4 dB (3σ). For light at 900 nm, the transmittance was −0.3 dB ± 0.2 dB (3σ).
［比較例１］
比較例１は、２次元フォトニック結晶を形成するエッチング方法として反応性イオンビームエッチング方法を採用したが、それ以外の処理は実施例１と同様である。この比較例１における円孔レジストパターンのエッチングは、反応性イオンビームエッチングにより行った。これにより製造された２次元フォトニック結晶より成る光デバイスに対して、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光を使用して光透過特性の測定を行ったところ、完全バンドギャップは得られなかった。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, a reactive ion beam etching method was adopted as an etching method for forming a two-dimensional photonic crystal, but other processes were the same as in Example 1. Etching of the circular hole resist pattern in Comparative Example 1 was performed by reactive ion beam etching. When the optical transmission characteristic was measured using the TE polarized light and the TM polarized light for the optical device made of the two-dimensional photonic crystal thus manufactured, a complete band gap was not obtained.
実施例１および比較例１の２次元フォトニック結晶の円孔を詳細に観察した結果を図３の模式図に示す。図３（ａ）のガスクラスターイオンビームエッチングにより製造したフォトニック結晶は円孔の粗さが小さいのに対して、図３（ｂ）の反応性イオンビームエッチングにより製造したフォトニック結晶は円孔の径が変動しており、粗さが大きくなっていた。２０６は空気より成る低屈折率層を構成し、２０７はＳｉより成る高屈折率層を構成している。 The result of detailed observation of the circular holes of the two-dimensional photonic crystals of Example 1 and Comparative Example 1 is shown in the schematic diagram of FIG. The photonic crystal manufactured by gas cluster ion beam etching in FIG. 3A has a small round hole roughness, whereas the photonic crystal manufactured by reactive ion beam etching in FIG. The diameter of the steel fluctuated and the roughness increased. Reference numeral 206 denotes a low refractive index layer made of air, and 207 denotes a high refractive index layer made of Si.
また、実施例１および比較例１の２次元フォトニック結晶の円孔の深さ分布を観察した結果を図４の模式図に示す。図４（ａ）のガスクラスターイオンビームエッチングにより製造した２次元フォトニック結晶は円孔が深さ方向に均一で垂直に形成されているのに対して、図４（ｂ）の反応性イオンビームエッチングにより製造したフォトニック結晶は円孔が深くなるに従って直径が小さくなっていることが観察される。
一般に、２次元フォトニック結晶の光学特性はその形状に非常に敏感であり、比較例１の様に円孔の側壁の粗さが大きくなり、深さ方向に分布を有すると、著しく光学特性が劣化し、偏光依存性がない２次元フォトニック結晶が得られないことになる。
Moreover, the result of having observed the depth distribution of the circular hole of the two-dimensional photonic crystal of Example 1 and the comparative example 1 is shown in the schematic diagram of FIG. The two-dimensional photonic crystal manufactured by gas cluster ion beam etching in FIG. 4A has circular holes formed uniformly and perpendicularly in the depth direction, whereas the reactive ion beam in FIG. It is observed that the diameter of the photonic crystal produced by etching becomes smaller as the circular hole becomes deeper.
In general, the optical characteristics of the two-dimensional photonic crystal are very sensitive to the shape thereof, and the roughness of the side wall of the circular hole is increased as in Comparative Example 1, and if the distribution is in the depth direction, the optical characteristics are remarkably increased. A two-dimensional photonic crystal that is deteriorated and has no polarization dependency cannot be obtained.
また、反応性イオンビームエッチングにより製造する場合と比較して、ガスクラスターイオンビームエッチングを使用して製造することにより高アスペクト比でかつ高寸法精度の形状に製造することができるできる点について、その理由は次の様に類推される。即ち、反応性イオンビームエッチングの場合は１分子当たり１つの電荷があるが、ガスクラスターイオンビームエッチングの場合は数１０〜数万の分子（クラスター）当たり１つの電荷がある。ガスクラスターイオンビームエッチングの方が、反応性イオンビームエッチングの場合と比較して単位エッチング量当たりのフォトニック結晶表面に打ち込まれる電荷量が少なくなり、表面ダメージが少ないことになる。また、単分子イオンを照射する反応性イオンビームエッチングは、フォトニック結晶表面からかなり内部までイオンが打ち込まれるのに対して、ガスクラスターイオンビームエッチングはクラスターサイズが大きいところから、クラスター分子同士の衝突のためにフォトニック結晶表面近傍のみにイオンが打ち込まれる。従って、反応性イオンビームエッチングはエッチング表面である底面および側壁に大きなダメージを生じさせ、粗さを増したり、サイドエッチングが生じたりすることになる。 In addition, compared with the case of manufacturing by reactive ion beam etching, it can be manufactured to a shape with high aspect ratio and high dimensional accuracy by manufacturing using gas cluster ion beam etching. The reason can be inferred as follows. That is, in the case of reactive ion beam etching, there is one charge per molecule, but in the case of gas cluster ion beam etching, there is one charge per several tens to several tens of thousands of molecules (clusters). In the gas cluster ion beam etching, the amount of charge injected into the surface of the photonic crystal per unit etching amount is smaller than in the case of the reactive ion beam etching, and the surface damage is reduced. In reactive ion beam etching, which irradiates monomolecular ions, ions are implanted from the surface of the photonic crystal to the inside. On the other hand, gas cluster ion beam etching has a large cluster size. Therefore, ions are implanted only in the vicinity of the photonic crystal surface. Therefore, the reactive ion beam etching causes a large damage to the bottom surface and the side wall, which are etching surfaces, and increases the roughness or side etching.
実施例２の２次元フォトニック結晶は、実施例１と同様にガスクラスターイオンビームエッチングにより製造した。但し、エッチングガスクラスターとしてはＳＦ6 クラスター以外の材料のガスクラスターを使用した。形成された空孔の形状について詳細に観察した結果を図５に示した。図５（ａ）は、アルゴンクラスターの結果であり、照射時間は２０５分である。図５（ｂ）はＳＦ6 クラスターの結果であり、照射時間は２０分である。図５（ｃ）はアルゴンクラスターとＳＦ6 クラスターを交互に照射した結果であり、照射時間は、アルゴンクラスターを１分照射し、その後ＳＦ6 クラスターを５秒照射する工程を、繰り返し１２５回行ったものである。
図５（ａ）ではエッチングが進行するに従って孔の径は小さくなる傾向にある。図５（ｂ）ではエッチングが進行するに従って孔の径は大きくなる傾向にある。図５（ｃ）ではエッチングの進行に伴って孔の径が変化することなく均一になっている。
The two-dimensional photonic crystal of Example 2 was manufactured by gas cluster ion beam etching as in Example 1. However, a gas cluster of a material other than the SF 6 cluster was used as the etching gas cluster. FIG. 5 shows the result of detailed observation of the shape of the formed holes. FIG. 5 (a) shows the result of the argon cluster, and the irradiation time is 205 minutes. FIG. 5 (b) shows the result of the SF 6 cluster, and the irradiation time is 20 minutes. FIG. 5C shows the result of alternately irradiating the argon cluster and the SF 6 cluster. The irradiation time was such that the process of irradiating the argon cluster for 1 minute and then irradiating the SF 6 cluster for 5 seconds was repeated 125 times. Is.
In FIG. 5A, the diameter of the hole tends to decrease as the etching progresses. In FIG. 5B, the diameter of the hole tends to increase as the etching progresses. In FIG. 5C, the hole diameter is uniform without changing as the etching progresses.
上述の孔の径が深さ方向に大きくなり、或いは小さくなる傾向は、他のガスクラスターについても調べた結果、次の様なことが明らかとなった。エッチングが進行するにつれて、孔の径が小さくなる傾向にあったガスクラスターは、アルゴン、ネオン、クリプトンであり、何れもフォトニック結晶基板材料であるＳｉに対して反応性のないガスクラスターであった。一方、エッチングが進行するにつれて孔の径が大きくなる傾向にあったガスクラスターは、ＳＦ6 の他に、Ｃｌ2 、Ｂｒ2 、Ｆ2があり、何れもフォトニック結晶基板材料であるＳｉに対して反応性のあるガスクラスターであった。これらの結果から、非反応性のガスクラスターイオンビームエッチングで、高アスペクト比に加工するとき、マスクの遮蔽効果によって孔の深くまで届くガスクラスターが一部制限されることになり、エッチングが進むと孔の径が小さくなる。また、反応性のガスクラスターイオンビームエッチングの場合は、孔の底面に衝突したガスクラスターの内の未反応のガスクラスターが側壁に達し、側壁をエッチングすることによって、エッチングが進むと孔の径が大きくなる。 As a result of examining other gas clusters, the tendency of the above-mentioned hole diameter to increase or decrease in the depth direction was found as follows. As the etching progressed, the gas clusters that tended to have smaller pore diameters were argon, neon, and krypton, all of which were non-reactive with the photonic crystal substrate material Si. . On the other hand, the gas clusters whose diameters tend to increase as etching progresses include Cl 2 , Br 2 , and F 2 in addition to SF 6 , all of which are relative to Si as the photonic crystal substrate material. It was a reactive gas cluster. From these results, when processing to a high aspect ratio by non-reactive gas cluster ion beam etching, the gas cluster that reaches deep into the hole is partially limited by the masking effect of the mask, and etching proceeds The hole diameter is reduced. In the case of reactive gas cluster ion beam etching, the unreacted gas cluster in the gas cluster that collided with the bottom surface of the hole reaches the side wall. growing.
以上のことから、フォトニック結晶基板材料に対して反応性のガスと非反応性のガスを混合して、混合ガスを用いる方式が一般には考えられるが、混合ガスには次のような問題点があることを、我々は鋭意検討した結果明らかにした。ガスクラスターを作製するには圧縮したガスを減圧した領域にノズルを使用して噴出させ、断熱膨張によりガスを冷却し、ガスクラスターを得ているが、この際に混合ガスを使用すると反応性ガスクラスターと非反応性ガスクラスターのクラスターサイズ分布およびクラスターのイオン化率、運動エネルギーを独立に制御することができる範囲が狭く、２次元フォトニック結晶のエッチング孔の寸法精度を要求通りに制御することができないという重大な問題があることがわかった。そこで、この発明は、更に検討を重ね、ガスクラスターイオンビームエッチングを行うに際して、反応性ガスクラスターと非反応性ガスクラスターを或る時間間隔をおいて、交互に照射する行程を採用することによりフォトニック結晶のエッチング孔の寸法精度を著しく向上させることができることを見いだした。図５（ｃ）はこれらの検討結果を示す図であり、２次元フォトニック結晶のエッチング寸法精度が著しく向上していることが認識される。 From the above, it is generally considered that a mixed gas is used by mixing a reactive gas and a non-reactive gas with the photonic crystal substrate material. However, the mixed gas has the following problems. We have clarified that as a result of intensive studies. To create a gas cluster, the compressed gas is ejected into a decompressed area using a nozzle, and the gas is cooled by adiabatic expansion to obtain a gas cluster. The range in which the cluster size distribution of the cluster and the non-reactive gas cluster, the ionization rate of the cluster, and the kinetic energy can be controlled independently is narrow, and the dimensional accuracy of the etching hole of the two-dimensional photonic crystal can be controlled as required. It turns out that there is a serious problem that cannot be done. Therefore, the present invention has been further studied, and when performing gas cluster ion beam etching, a photo-irradiation process is employed by alternately irradiating a reactive gas cluster and a non-reactive gas cluster at a certain time interval. It has been found that the dimensional accuracy of the nick crystal etching hole can be remarkably improved. FIG. 5C shows the results of these studies, and it is recognized that the etching dimensional accuracy of the two-dimensional photonic crystal is remarkably improved.
図６はフォトニック結晶基板材料を部分的にエッチングするための各種マスク材料のエッチングレートに対する効果をまとめて示す図である。図６（ａ）は加速エネルギーを変化させた場合の各材料のエッチング深さの変化を示す図である。何れの材料も、加速エネルギーの増加につれてエッチング深さが増大することがわかる。図６（ｂ）は、フォトニック結晶基板材料Ｓｉに対する各種マスク材料のエッチング深さの比を示す図である。エッチング深さの比は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ2Ｏ5、Ｔａの順に小さくなり、測定範囲内においては加速エネルギーによらない。即ち、エッチング深さの比は加速エネルギーが変化しても変化は２倍以内で、加速電圧に大きくは依存しないことがわかった。偏光依存性が無く、光結合が容易なフォトニック結晶を作製するという観点からは、Ｓｉの高アスペクト比エッチングが必要であり、マスク材料としてはＮｉとＣｒが選択比が１５以上であり、使用することができる。これは深さ１０ミクロンのフォトニック結晶を製造しようとする場合、マスクの厚さが７００ｎｍ程度以上あれば良いことになり、精度のよいフォトニック結晶を製造することができるからである。これは、マスク厚さが１０００ｎｍ以上になるとマスク作製の精度が著しく低下することになるという結果があるからである。 FIG. 6 is a diagram collectively showing the effect on the etching rate of various mask materials for partially etching the photonic crystal substrate material. FIG. 6A is a diagram showing a change in the etching depth of each material when the acceleration energy is changed. It can be seen that the etching depth increases for any material as the acceleration energy increases. FIG. 6B is a diagram showing the ratio of the etching depth of various mask materials to the photonic crystal substrate material Si. The ratio of the etching depth decreases in the order of Ni, Cr, Au, Pt, Ti, Ta 2 O 5 and Ta, and does not depend on the acceleration energy within the measurement range. That is, it was found that the etching depth ratio changes within twice even when the acceleration energy changes, and does not greatly depend on the acceleration voltage. From the viewpoint of producing a photonic crystal having no polarization dependency and easy optical coupling, high aspect ratio etching of Si is necessary, and Ni and Cr are used as a mask material with a selectivity ratio of 15 or more. can do. This is because when a photonic crystal having a depth of 10 microns is to be manufactured, it is sufficient that the mask has a thickness of about 700 nm or more, and a highly accurate photonic crystal can be manufactured. This is because when the mask thickness is 1000 nm or more, there is a result that the accuracy of mask fabrication is remarkably lowered.
ガスクラスターイオンビームエッチング用のマスク材料として何が最適かは一般にはわかっていない。例えば、Micro Electro Mechanical System（ＭＥＭＳ）の反応性イオンビームエッチングに使用されるマスク材料はＳｉＯ2である。従って、一般にはガスクラスターイオンビームエッチングでもＳｉＯ2 が好適であると考えられていた。ガスクラスターイオンビームのエネルギーが小さな領域においては、確かに比較的良好な特性（選択比、エッチング寸法精度その他）が得られた。しかし、量産対応を考えた場合、エッチング速度が特に重要であり、ガスクラスターイオンビームのエネルギーの高い領域が必要であり、いままでは高エネルギー領域での検討はされていなかった。ここで、装置に改良を加え、高エネルギー領域でのマスク材料等の条件を検討した結果、ＳｉＯ2 マスクには重大な問題点があることを明らかにした。ＳｉＯ2 マスクは高エネルギー条件では選択比が２から３程度しかないのである。従って、この高エネルギー条件での好適マスク材料は、この発明により初めて明らかにされたものであり、それはフォトニック結晶基板材料としてＳｉを使用した場合は、エッチングガスにＳＦ6を、マスク材料にＮｉ或いはＣｒを使用することにより、高アスペクト比かつ高寸法精度の２次元フォトニック結晶を実現することができることになる。 It is not generally known what is the best mask material for gas cluster ion beam etching. For example, the mask material used for reactive ion beam etching of Micro Electro Mechanical System (MEMS) is SiO 2 . Therefore, it was generally considered that SiO 2 is suitable for gas cluster ion beam etching. In the region where the energy of the gas cluster ion beam is small, it is true that relatively good characteristics (selectivity, etching dimensional accuracy, etc.) were obtained. However, when considering mass production, the etching rate is particularly important, and a region where the energy of the gas cluster ion beam is high is necessary. Until now, no investigation was made in the high energy region. Here, as a result of improving the apparatus and examining the conditions of the mask material and the like in the high energy region, it was clarified that the SiO 2 mask has a serious problem. The SiO 2 mask has a selection ratio of only about 2 to 3 under high energy conditions. Therefore, the preferred mask material under this high energy condition was first clarified by the present invention. When Si is used as the photonic crystal substrate material, SF 6 is used as the etching gas and Ni is used as the mask material. Alternatively, by using Cr, a two-dimensional photonic crystal having a high aspect ratio and high dimensional accuracy can be realized.
図７は実施例４を説明する図である。図７に示される光デバイスは図１のフォトニック結晶より成る光デバイスとはフォトニック結晶の構成を異にしている。
基板３０４としてＳｉ基板を用い、その表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布した。その後、電子ビーム露光装置を使用して図８に示される様な円板がマトリクス状に配列されたレジストパターンを形成した。この実施例の場合、図８に示される様にＳｉ基板３０４表面の中間に線状に円板を配列形成しない領域４０３を形成する。この領域４０３は円板をマトリクス状に形成しないことによりフォトニック結晶とはされずに光導波路３０５として動作する領域となる。この場合のレジストパターン形状は、円板の直径を７４０ｎｍとし、ピッチを７７０ｎｍとしている。その後、図８の円板内のレジストを現像除去して、円孔パターンを形成した。ここで、ガスクラスターイオンビームエッチング装置を使用してＳｉ基板３０４の表面をエッチングし、Ｓｉ基板３０４の表面に２次元フォトニック結晶を製造した。このとき２次元フォトニック結晶の厚さは、使用するコリメート光３０１のビーム直径（５μｍ）よりも充分に大きい１０μｍとした。４０１は空気より成る低屈折率層を構成し、４０２はＳｉより成る高屈折率層を構成している。この様にして形成した基板３０４表面の２次元フォトニック結晶３０２に、光導入部３００からコリメート光３０１を入射した。光導入部３００として、光ファイバ端部を一体形成したレンズ部としたレンズドファイバーを使用した。２次元フォトニック結晶３０２から出射した光を光受入部３０３に入射させた。光受入部３０３としては、レジズドファイバーを使用した。
以上の通りにして製造した光デバイス１００個に対して、１５５０ｎｍの光を使用して透過率の測定を行った。１５５０ｎｍの光については透過率は−０．８ｄＢ±０．３ｄＢ（３σ）であった。
FIG. 7 is a diagram for explaining the fourth embodiment. The optical device shown in FIG. 7 differs from the optical device made of the photonic crystal of FIG. 1 in the configuration of the photonic crystal.
A Si substrate was used as the substrate 304, and a resist for electron beam exposure was applied to the surface. Thereafter, a resist pattern in which discs as shown in FIG. 8 were arranged in a matrix was formed using an electron beam exposure apparatus. In the case of this embodiment, as shown in FIG. 8, a region 403 in which the circular disks are not formed in an array is formed in the middle of the surface of the Si substrate 304. The region 403 is a region that operates as the optical waveguide 305 without being formed into a photonic crystal by not forming the disks in a matrix. In this case, the resist pattern has a disc diameter of 740 nm and a pitch of 770 nm. Thereafter, the resist in the disk of FIG. 8 was developed and removed to form a circular hole pattern. Here, the surface of the Si substrate 304 was etched using a gas cluster ion beam etching apparatus, and a two-dimensional photonic crystal was manufactured on the surface of the Si substrate 304. At this time, the thickness of the two-dimensional photonic crystal was set to 10 μm, which was sufficiently larger than the beam diameter (5 μm) of the collimated light 301 used. 401 constitutes a low refractive index layer made of air, and 402 constituted a high refractive index layer made of Si. Collimated light 301 was incident from the light introducing section 300 to the two-dimensional photonic crystal 302 on the surface of the substrate 304 formed in this way. As the light introducing portion 300, a lensed fiber having a lens portion integrally formed with an optical fiber end portion was used. Light emitted from the two-dimensional photonic crystal 302 was incident on the light receiving unit 303. A resisted fiber was used as the light receiving unit 303.
With respect to 100 optical devices manufactured as described above, transmittance was measured using 1550 nm light. For 1550 nm light, the transmittance was −0.8 dB ± 0.3 dB (3σ).
図９は実施例５を説明する図である。基板５０４としてＳｉ基板を使用し、その表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布した。次いで、電子ビーム露光装置を使用し、図１０に示される様な円板が配列したレジストパターンを形成した。この場合のレジストパターン形状は、円の直径は７４０ｎｍとし、ピッチは７７０ｎｍとした。この実施例の場合、図１０に示される様にＳｉ基板５０４表面の中間に線状に円板を配列形成しない領域を形成する。この領域を光導波路として使用することができる。そして、この光導波路領域にフィルタ共振部６０３を同様にして電子ビーム露光装置を使用して形成する。即ち、この実施例のレジストパターンは、光導波路領域の内のフィルタ共振部６０３を形成するところに対応して露光される領域を一部形成して共振部パターンとしている。フィルタ共振部６０３は４分の１光学波長の周期で形成した。その後、図１０のＳｉ基板５０４表面のレジストを現像除去して、円孔パターンおよび角孔パターンを形成した。ここで、ガスクラスターイオンビームエッチング装置を使用して、Ｓｉ基板５０４表面をエッチングし、フィルタ共振部６０３を含む２次元フォトニック結晶を形成した。この場合の２次元フォトニック結晶の厚さは、使用するコリメート光５０１のビーム直径（５μｍ）よりも充分に大きい１０μｍとした。６０１は空気より成る低屈折率層、６０２はＳｉより成る高屈折率層を構成している。この様にして形成したＳ基板５０４表面の２次元フォトニック結晶５０２に、光導入部５００からコリメート光５０１を入射した。光導入部５００としてはレンズドファイバーを使用した。２次元フォトニック結晶５０２から出射した光は光受入部５０３に入射させた。光受入部５０３としてはレンズドファイバーを使用した。 FIG. 9 is a diagram for explaining the fifth embodiment. A Si substrate was used as the substrate 504, and a resist for electron beam exposure was applied to the surface. Next, an electron beam exposure apparatus was used to form a resist pattern in which discs as shown in FIG. 10 were arranged. In this case, the resist pattern has a circle diameter of 740 nm and a pitch of 770 nm. In the case of this embodiment, as shown in FIG. 10, a region where the circular disks are not arranged in a line is formed in the middle of the surface of the Si substrate 504. This region can be used as an optical waveguide. And the filter resonance part 603 is formed in this optical waveguide area | region similarly using an electron beam exposure apparatus. That is, in the resist pattern of this embodiment, a part of the exposed region corresponding to where the filter resonance part 603 is formed in the optical waveguide area is formed as a resonance part pattern. The filter resonating unit 603 was formed with a quarter optical wavelength period. Thereafter, the resist on the surface of the Si substrate 504 in FIG. 10 was developed and removed to form a circular hole pattern and a square hole pattern. Here, using the gas cluster ion beam etching apparatus, the surface of the Si substrate 504 was etched to form a two-dimensional photonic crystal including the filter resonance part 603. The thickness of the two-dimensional photonic crystal in this case was set to 10 μm, which is sufficiently larger than the beam diameter (5 μm) of the collimated light 501 to be used. Reference numeral 601 denotes a low refractive index layer made of air, and 602 denotes a high refractive index layer made of Si. Collimated light 501 was incident from the light introducing section 500 to the two-dimensional photonic crystal 502 on the surface of the S substrate 504 formed in this way. A lensed fiber was used as the light introducing unit 500. Light emitted from the two-dimensional photonic crystal 502 was incident on the light receiving unit 503. A lensed fiber was used as the light receiving portion 503.
以上の通りにして製造した光デバイス１００個に対して、１．５５μｍ帯の光を使用してフィルタリング特性およびピーク波長の透過率について測定した。フィルタリング波形の半値幅は、０．６ｎｍ±０．２ｎｍ（３σ）、透過率は−２．３ｄＢ±０．８ｄＢ（３σ）であった。 With respect to 100 optical devices manufactured as described above, 1.55 μm band light was used to measure filtering characteristics and peak wavelength transmittance. The half width of the filtering waveform was 0.6 nm ± 0.2 nm (3σ), and the transmittance was −2.3 dB ± 0.8 dB (3σ).
図１１は実施例６を説明する図である。光導入部７００および光受入部７０３をＳｉ基板７０４表面に形成した点を除いて実施例１と同様である。光導入部７００および光受入部７０３は、Ｓｉ基板７０４表面に形成されたそれぞれ光導入部サポート７０５および光受入部サポート７０６に接着固定されている。また、光導入部サポート７０５および光受入部サポート７０６は基板７０４に接着固定されている。光導入部サポート７０５および光受入部サポート７０６はガラス板を用いた。 FIG. 11 is a diagram for explaining the sixth embodiment. Except that the light introducing part 700 and the light receiving part 703 are formed on the surface of the Si substrate 704, it is the same as in Example 1. The light introducing part 700 and the light receiving part 703 are bonded and fixed to the light introducing part support 705 and the light receiving part support 706 formed on the surface of the Si substrate 704, respectively. Further, the light introduction unit support 705 and the light receiving unit support 706 are bonded and fixed to the substrate 704. Glass plates were used for the light introduction unit support 705 and the light receiving unit support 706.
この通りにして製造した光デバイス１００個に対して、１５５０ｎｍの光と９００ｎｍの光を用いて透過率について測定を行った。１５５０ｎｍの光では透過率は−４６．３ｄＢ±１．５ｄＢ（３σ）であり、９００ｎｍの光では透過率は−０．３ｄＢ±０．１５ｄＢ（３σ）であった。 With respect to 100 optical devices manufactured in this way, the transmittance was measured using 1550 nm light and 900 nm light. The transmittance of light at 1550 nm was −46.3 dB ± 1.5 dB (3σ), and the transmittance of light at 900 nm was −0.3 dB ± 0.15 dB (3σ).
図１２は実施例７を説明する図である。光導入部サポート８０５および光受入部サポート８０６の形状が異なる点を除いて実施例４と同様に製造した。光導入部サポート８０５は、図１３に示される通り、基板９０１の表面に基板の凹部９０３を形成して、この基板の凹部９０３に光導入部の凸部９０２を嵌めめ合わせて形成した。光受入部８０３も同様に形成した。
この通りにして製造した光デバイス１００個に対して、１５５０ｎｍの光と９００ｎｍの光を使用して透過率について測定した。１５５０ｎｍの光では透過率は−４６．５ｄＢ±１．２ｄＢ（３σ）であり、９００ｎｍの光では透過率は−０．２８ｄＢ±０．１ｄＢ（３σ）であった。
FIG. 12 is a diagram for explaining the seventh embodiment. A light introducing unit support 805 and a light receiving unit support 806 were manufactured in the same manner as in Example 4 except that the shapes were different. As shown in FIG. 13, the light introducing portion support 805 is formed by forming a concave portion 903 of the substrate on the surface of the substrate 901 and fitting the convex portion 902 of the light introducing portion to the concave portion 903 of the substrate. The light receiving portion 803 was formed in the same manner.
With respect to 100 optical devices manufactured in this way, transmittance was measured using light of 1550 nm and light of 900 nm. The transmittance for light at 1550 nm was −46.5 dB ± 1.2 dB (3σ), and the transmittance for light at 900 nm was −0.28 dB ± 0.1 dB (3σ).
上述した実施例において、基板はＳｉ基板により構成されていた。しかし、原材料基板としては、その表面領域に微細加工を施すことができる原材料基板でありさえすれば、如何なる原材料基板も２次元フォトニック結晶形成基板として採用することができる。２次元フォトニック結晶形成基板としてＳｉ基板の他に、ＧａＡｓの様な半導体基板、Ａｌの様な金属基板、アルミナ・ガラスの様なセラミックスを採用することができる。また、２次元フォトニック結晶形成基板は、単一物質である必要はなく、多層膜より成る複合材料も使用することができる。光導入部については、コリメート光を出射する導入部でありさえすれば良く、光ファイバー単体、レンズ、各種材料の導波路を光導入部として使用することができる。光受入部については、光を受光することができる受入部でありさえすれば良く、光ファイバー単体、レンズ、各種材料の導波路、フォトダイオードの様な受光素子を光受入部として採用することができる。２次元フォトニック結晶については、円孔の三角格子配列に限定されるものではなく、円孔の代わりに２次元フォトニック結晶の原材料基板の表面にＳｉの柱を円孔の場合の逆のエッチングのレジストパターン形状を適用して配列形成した構造、その他の構造の２次元フォトニック結晶を採用することができる。その他、２次元フォトニック結晶中の光導波路、フィルタに関しても、現在までに知られている各種の構造のものを適用することができる。光導入部、光受入部、フォトニック結晶を位置決めする凹部、凸部はＶ溝形状に限定される訳ではなく、その他の構造のものも採用することができる。 In the embodiment described above, the substrate is composed of a Si substrate. However, any raw material substrate can be used as the two-dimensional photonic crystal forming substrate as long as it is a raw material substrate whose surface region can be finely processed. As the two-dimensional photonic crystal formation substrate, a semiconductor substrate such as GaAs, a metal substrate such as Al, and ceramics such as alumina glass can be employed in addition to the Si substrate. Further, the two-dimensional photonic crystal forming substrate does not need to be a single substance, and a composite material composed of a multilayer film can also be used. The light introducing section only needs to be an introducing section that emits collimated light, and a single optical fiber, a lens, and waveguides of various materials can be used as the light introducing section. The light receiving portion only needs to be a receiving portion that can receive light, and a light receiving element such as a single optical fiber, a lens, a waveguide of various materials, or a photodiode can be employed as the light receiving portion. . The two-dimensional photonic crystal is not limited to the triangular lattice arrangement of the circular holes. Instead of the circular holes, the Si column is etched on the surface of the raw material substrate of the two-dimensional photonic crystal, and the reverse etching in the case of the circular holes is performed. A two-dimensional photonic crystal having a structure in which the resist pattern shape is applied and other structures can be employed. In addition, various structures known so far can be applied to the optical waveguide and the filter in the two-dimensional photonic crystal. The light introducing portion, the light receiving portion, the concave portion and the convex portion for positioning the photonic crystal are not limited to the V-groove shape, and other structures can also be adopted.
［比較例２］
この発明の従来例を比較例２として図１４により説明する。フォトニック結晶形成基板１００４としてＳＯＩウェハ基板を使用し、その表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布した。次いで、電子ビーム露光装置を使用して、図２に示した様な円板をマトリクス状に配列形成したレジストパターンを形成した。この場合のパターン形状は円板の直径を７４０ｎｍとし、ピッチは７７０ｎｍとした。そして、現像して図２の円板下面のレジストを除去して、円孔パターンを形成した。ここで、反応性イオンビームエッチング装置を使用して、ＳＯＩウェハ基板１００４の酸化シリコン層の上側の薄いＳｉ層をエッチングした。その後、ＳＯＩウエハ基板１００４の酸化シリコン層をエッチングにより除去し、低屈折率層１００５を形成した。この低屈折率層１００５は空気層である。この様にして２次元フォトニック結晶を形成した。この場合、２次元フォトニック結晶１００２の厚さは、使用する光の波長（１．５５μｍ帯）よりも薄い４００ｎｍである。この通りにして構成された２次元フォトニック結晶１００２に、光導入部１０００から光１００１を入射した。光導入部１０００としては、レンズドファイバーを使用した。このレンズドファイバーから入射される光１００１として、波長１．５５μｍ帯（１５３０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）および９００ｎｍの光を使用した。２次元フォトニック結晶から出射した光は光受入部１００３に入射させた。光受入部１００３としては、レンズドファイバーを使用した。
[Comparative Example 2]
A conventional example of the present invention will be described as Comparative Example 2 with reference to FIG. An SOI wafer substrate was used as the photonic crystal forming substrate 1004, and a resist for electron beam exposure was applied to the surface. Next, using an electron beam exposure apparatus, a resist pattern in which disks as shown in FIG. 2 were arranged in a matrix was formed. The pattern shape in this case was such that the diameter of the disc was 740 nm and the pitch was 770 nm. Then, development was performed to remove the resist on the lower surface of the disk in FIG. 2 to form a circular hole pattern. Here, a thin Si layer on the upper side of the silicon oxide layer of the SOI wafer substrate 1004 was etched using a reactive ion beam etching apparatus. Thereafter, the silicon oxide layer of the SOI wafer substrate 1004 was removed by etching, and a low refractive index layer 1005 was formed. The low refractive index layer 1005 is an air layer. In this way, a two-dimensional photonic crystal was formed. In this case, the thickness of the two-dimensional photonic crystal 1002 is 400 nm, which is thinner than the wavelength of light used (1.55 μm band). Light 1001 is incident from the
この通りにして製造した光デバイス１００個に対して、１５５０ｎｍの光と９００ｎｍのＴＥ露光を用いて透過率について測定を行った。１５５０ｎｍの光では透過率は−１４．６ｄＢ±７．１ｄＢ（３σ）であった、９００ｎｍの光では透過率は−５．９ｄＢ±２．６ｄＢ（３σ）であった。また、ＴＭ偏光を用いて同様の測定を行った結果、１５５０ｎｍの光では透過率は−２．５ｄＢ±０．８ｄＢ（３σ）であった、９００ｎｍの光では透過率は−１．８ｄＢ±０．６ｄＢ（３σ）であった。 With respect to 100 optical devices manufactured in this way, the transmittance was measured using 1550 nm light and 900 nm TE exposure. The transmittance of light at 1550 nm was −14.6 dB ± 7.1 dB (3σ), and the transmittance of light at 900 nm was −5.9 dB ± 2.6 dB (3σ). As a result of performing the same measurement using TM polarized light, the transmittance was −2.5 dB ± 0.8 dB (3σ) for the light at 1550 nm, and the transmittance was −1.8 dB ± 0 for the light at 900 nm. 0.6 dB (3σ).
実施例１〜実施例７の試験結果および比較例２の試験結果を参照すると、次のことがわかる。即ち、ＴＥ偏光に対する従来の光デバイスは、コリメート光を使用していないので１５５０ｎｍ光を透過させないで、９００ｎｍ光を透過させるフィルタリング能力が非常に低いのに対して、実施例１の結果は、典型的な波長多重光通信用デバイスの要求する３０ｄＢを満足しており、特性が非常に優れていることが認識される。また、光デバイスの従来例は、ＴＭ偏光に関して透過率の波長依存性が無いのに対して、この発明の光デバイスは、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の何れについても透過率の波長依存性が存在する。これは、光デバイスの従来例はＴＥ偏光でバンドギャップが存在するが、ＴＭ偏光でバンドギャップが殆ど存在していないことを示している。この発明の光デバイスは、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の両者ともに広帯域でバンドギャップが存在していることを示している。 The following can be understood by referring to the test results of Examples 1 to 7 and the test result of Comparative Example 2. That is, the conventional optical device for TE-polarized light does not transmit collimated light and therefore does not transmit 1550 nm light, and has a very low filtering ability to transmit 900 nm light. It is recognized that it satisfies 30 dB required by a typical wavelength division multiplexing optical communication device and has excellent characteristics. The conventional optical device has no wavelength dependency of transmittance with respect to TM polarization, whereas the optical device of the present invention has wavelength dependency of transmittance with respect to both TE polarization and TM polarization. . This indicates that the conventional example of the optical device has a band gap with TE polarization, but has almost no band gap with TM polarization. The optical device of the present invention shows that both TE polarized light and TM polarized light have a wide band gap.
実施例１の試験結果と実施例６の試験結果とを参照すると、光導入部、２次元フォトニック結晶、光受入部を同一の基板表面に形成することにより、光のアライメント精度が向上し、特性ばらつきが減少しており、特性が向上することがわかる。 Referring to the test result of Example 1 and the test result of Example 6, by forming the light introducing part, the two-dimensional photonic crystal, and the light receiving part on the same substrate surface, the light alignment accuracy is improved. It can be seen that the characteristic variation is reduced and the characteristic is improved.
実施例６の試験結果と実施例７の試験結果とを参照すると、光導入部、２次元フォトニック結晶、光受入部の内の少なくとも一方が、基板に対して凹部と凸部の嵌め合わせにより位置決めされていることにより、光のアライメント精度が更に向上し、特性ばらつきが減少しており、特性が向上することがわかる。 Referring to the test result of Example 6 and the test result of Example 7, at least one of the light introduction part, the two-dimensional photonic crystal, and the light receiving part is formed by fitting the concave part and the convex part to the substrate. It can be seen that the positioning improves the light alignment accuracy further, reduces the characteristic variation, and improves the characteristics.
１００ 光導入部 １０１ コリメート光
１０２ ２次元フォトニック結晶 １０３ 光受入部
１０４ 基板 １０５ フォトニック結晶の厚さ
２００ フォトニック結晶 ２０１ 低屈折率層
２０２ 高屈折率層 ２０５ ガスクラスターイオンビームエッチング
２０６ 低屈折率層 ２０７ 高屈折率層
２０８ 反応性イオンビームエッチング ３００ 光導入部
３０１ コリメート光 ３０２ ２次元フォトニック結晶
３０３ 光受入部 ３０４ 基板
３０５ 光導波路 ４００ フォトニック結晶
４０１ 低屈折率層 ４０２ 高屈折率層
４０３ 光導波路 ５００ 光導入部
５０１ コリメート光 ５０２ ２次元フォトニック結晶
５０３ 光受入部 ５０４ 基板
５０５ フィルタ ６００ フォトニック結晶
６０１ 低屈折率層 ６０２ 高屈折率層
６０３ フィルタ共振部 ７００ 光導入部
７０１ コリメート光 ７０２ ２次元フォトニック結晶
７０３ 光受入部 ７０４ 基板
７０５ 光導入部サポート ７０６ 光受入部サポート
８００ 光導入部 ８０１ コリメート光
８０２ ２次元フォトニック結晶 ８０３ 光受入部
８０４ 基板 ８０５ 光導入部サポート
８０６ 光受入部サポート ９００ 光導入部
９０１ 基板 ９０２ 光導入部の凸部
９０３ 光受入部の凹部 １０００ 光導入部
１００１ コリメート光 １００２ ２次元フォトニック結晶
１００３ 光受入部 １００４ 基板
１００５ 低屈折率層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Light introduction part 101 Collimated light 102 Two-dimensional photonic crystal 103 Light receiving part 104 Substrate 105 Thickness of photonic crystal 200 Photonic crystal 201 Low refractive index layer 202 High refractive index layer 205 Gas cluster ion beam etching 206 Low refractive index Layer 207 High refractive index layer 208 Reactive ion beam etching 300 Light introducing part 301 Collimated light 302 Two-dimensional photonic crystal 303 Light receiving part 304 Substrate 305 Optical waveguide 400 Photonic crystal 401 Low refractive index layer 402 High refractive index layer 403 Optical Waveguide 500 Light introducing portion 501 Collimated light 502 Two-dimensional photonic crystal 503 Light receiving portion 504 Substrate 505 Filter 600 Photonic crystal 601 Low refractive index layer 602 High refractive index layer 603 Filter resonance portion 700 Optical Incoming part 701 Collimated light 702 Two-dimensional photonic crystal 703 Light receiving part 704 Substrate 705 Light introducing part support 706 Light receiving part support 800 Light introducing part 801 Collimated light 802 Two-dimensional photonic crystal 803 Light receiving part 804 Substrate 805 Light introducing part support 806 Light receiving portion support 900 Light introducing portion 901 Substrate 902 Light introducing portion convex portion 903 Light receiving portion
Claims (1)
空孔或いは柱を光透過性基板の表面に反応性ガスクラスターイオンビームと非反応性ガスクラスターイオンビームとを交互に照射してエッチング形成することを特徴とする２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法。 In a method of manufacturing a two-dimensional photonic crystal optical device in which holes having a low refractive index or columns having a high refractive index are periodically arranged in a two-dimensional matrix on the surface of a light-transmitting substrate,
Fabrication of a two-dimensional photonic crystal optical device characterized in that a hole or a column is etched by alternately irradiating a reactive gas cluster ion beam and a non-reactive gas cluster ion beam on the surface of a light transmissive substrate. Method.
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