JP4573942B2 - フォトニック構造を有する屈折率周期構造体の製造方法、及びそれを用いた光機能素子 - Google Patents
フォトニック構造を有する屈折率周期構造体の製造方法、及びそれを用いた光機能素子 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック構造体として使用し得るマイクロ構造体の製造方法、それを用いた光機能素子等に関するものであり、特に、光波長程度の周期を有する多次元屈折率周期構造体すなわちフォトニック構造体の製造方法と、それを用いた光デバイス等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光波長程度の屈折率周期を持つ誘電体多層膜は、ミラーとして優れた特性を有することが知られている。このような構造は１次元フォトニック構造体と位置づけられる。これに対し、２軸方向または３軸方向に光波長程度の屈折率周期を持つ構造体は２次元または３次元フォトニック構造体と呼ばれる。これらの構造体内部では、屈折率と周期によって決定される特定の波長の光波の伝搬が禁じられるため、導波路やフィルタ等の光機能素子への応用が期待されている。この禁制帯をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。
【０００３】
実際の２次元ないしは３次元フォトニック構造体の製造手法としては、エッチング技術やフォトリソグラフィー技術を用いて、半導体や誘電体薄膜に２次元面内の光波長程度の２次元的な周期凹凸構造を製造したり、スパッタ法や精密なアライメントにより２次元周期構造体を積層して３次元的な周期構造体を製造する手法が主である(Shawn Yu Lin, Nature, vol.16, p.251, 1998)。
【０００４】
また、化学合成により製造される光波長程度のサイズの球状粒子(ポリスチレンやSiO２など)を、コロイドけん濁液の表面張力や周囲の温度などの条件によって規則的に配列させ、３次元周期構造体を製造する手法も提案されている(N.D. Denkov, Langmuir, vol.8, p.3183, 1992; N.Yamamoto, Jpn.J.Appl.Phys., vol.37, p.L1052, 1998)。
【０００５】
また、近年では、カーボンやアルミナを陽極酸化して形成される可視光域にバンドギャップを持つ円形ホール２次元フォトニック構造体も製造されている(H.Masuda, Appl. Phys. Lett., vol.71(19), p.2770, 10 November, 1997)。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、誘電体や半導体材料に成膜法とエッチング法で広範囲な周期構造を製造し、更に積層するとなると、光波長程度の精密なアライメントを繰り返し行わなければならない。
【０００７】
また、化学合成により製造される光波長程度のサイズの球状粒子の周期構造は、主にポリスチレンやSiO2の球状粒子けん濁液を利用した毛細管現象や蒸発現象によって自己組織的に製造されるが、けん濁液濃度や周囲の気温や湿度などの条件に左右され易く、広範囲に無欠陥な周期構造を実現できないのが現実であり、多層の完全な周期構造体は期待できない。この球状粒子の周期構造を樹脂等の接着剤で固定した後に積層することは可能だが、周期構造が崩れることによるフォトニックバント幅の減少が考えられる。また、これらの構造は基板上に製造されており、光波が基板へ伝搬して光閉じ込め効率が低下すると共に、光機能素子への応用に支障を来たす。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、光波長程度の周期を持ち無欠陥或いは欠陥のあるフォトニック構造体として使用し得る屈折率周期構造体、その応用機能素子、及びそれらの簡易な製造方法等を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のフォトニック構造体の製造方法は、２次元周期性を持った凹凸構造を原盤とし、スタンパ材料を堆積し剥離することにより前記凹凸構造の反転構造を有する型を形成し、該型を利用して２次元屈折率周期構造を得るフォトニック構造体の製造方法であって、前記型の一部分に光機能材料を充填、硬化した後、前記一部分とは異なる非充填部分に、前記光機能材料とは異なる光機能材料を充填、硬化し、前記屈折率周期構造に欠陥部を形成することを特徴とする。本明細書では、２次元には１次元を、３次元には１次元ないし２次元を含むものとする。また、光波長とは紫外光、可視光、赤外光の波長を意味し、エキシマレーザから炭酸ガスレーザの波長域０．１μｍ〜１０μｍ程度を指すものとする。
【００１０】
上記基本構成に基づいて、より具体的な以下の形態が可能である。
前記原盤は、基板に光波長程度の周期を持つ構造体をパターニングして作製したり、化学合成により製造した光波長程度のサイズの粒子を配列した周期構造体であったり、基板にV溝を形成した該V溝による周期構造体であったりする。
【００１１】
前記スタンパ材料の堆積は、金属を電気メッキまたは無電解メッキすること、電着物質を電着すること等で行なわれたり、モールド手法で行なわれたりする。
【００１２】
前記型を形成した後、前記型に光機能材料を充填、硬化してもよい。型が光機能材料で出来ていれば、そのままでもフォトニック構造体として使用できる。型に光機能材料を充填、硬化した後、該型を除去してもよい。もちろん、この場合も、型が光機能材料で出来ていれば、型を除去しなくてもよい。
【００１３】
更に、前記型を除去して形成された前記光機能材料の周期構造に他の光機能材料を充填、硬化してもよい。
【００１４】
前記型を複数個対向させ新たに型と成し、該新たな型内に光機能材料を充填、硬化してもよい。この場合も、型をそのまま残しても、除去してもよい。更に、型を除去して形成された前記光機能材料の周期構造に他の光機能材料を充填、硬化してもよい。
【００１５】
前記型の少なくとも一部分に光機能材料を充填、硬化した後、該光機能材料とは異なる光機能材料を非充填部分に充填、硬化し、光波長程度の屈折率周期構造の任意の部位に欠陥部を形成してもよい。
【００１６】
前記光機能材料を硬化する際、一部分に非硬化部を形成し、光波長程度の屈折率周期構造の任意の部位に欠陥部を形成することもできる。光機能材料が光硬化性である場合、一部分をマスクで覆うことにより非硬化部を作製できる。
【００１７】
前記２次元屈折率周期構造を、３次元的な屈折率周期的な構造を形成するようにアライメントして積層し、硬化性材料で固定することで、３次元フォトニック構造体を作製できる。
【００１９】
前記欠陥部は、周りと異なる光機能材料から成る部分であったり、光機能材料が抜けた部分であったりする。
【００２０】
前記３次元屈折率周期構造は、欠陥部のある２次元屈折率周期構造体を含む複数の２次元屈折率周期構造体を３次元的に周期的な構造を形成するように積層させて構成されうる。
【００２１】
前記欠陥部は、典型的には、フォトニック効果により光波を閉じ込める光導波路として構成しうる。更には、前記欠陥部が分岐導波路を構成して、その周囲に無欠陥のフォトニック構造体が配置されている形態や、前記欠陥部が曲がり導波路を構成して、その周囲に無欠陥のフォトニック構造体が配置されている形態を採りうる。
【００２２】
また、上記目的を達成する本発明の光導波路構造は、分岐導波路部を有する光導波路であって、該分岐導波路の周囲に、光波長程度の光機能材料から成る３次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体が配置されていることを特徴とする。或いは、曲がり導波路部を有する光導波路であって、少なくとも該曲がり導波路部の外側の角部（図１４に示すように、ミラー面が形成されている様な場合もある）に接して、光波長程度の光機能材料から成る３次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体が配置されていることを特徴とする。
【００２３】
また、上記目的を達成する本発明の分波器は、光波長程度の光機能材料から成る欠陥のない２次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体を光導波路端面に配置して、ブラッグ回折現象を利用して導波光を波長によって異なる方向に波長分波することを特徴とする。或いは、光波長程度の光機能材料から成る欠陥のない２次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体を光導波路端面に配置して、ブラッグ回折現象を利用して導波光を異なる方向に強度分波することを特徴とする。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の光配線装置は、電気配線基板に凹部を設け、該凹部の壁面に発光素子と受光素子を配置し、該凹部に、上記の光機能素子と光導波路構造と分波器のうちの少なくとも１つを挿入して光配線経路を構成し、該光配線経路を介して発光素子からの光を受光素子に導くことを特徴とする。或いは、基板に凹部を設け、該凹部の壁面に光導波路を配置し、該凹部に、上記の光機能素子と光導波路構造と分波器のうちの少なくとも１つを挿入して光配線経路を構成し、該光配線経路を介して前記光導波路へ光を導くことを特徴とする。
【００２５】
上記各構成において、前記光機能材料は、光学的分極率が非線型性である材料、発光性材料、磁性体材料、導電性材料、電気光学的材料、または光増幅材料を混入した光または熱硬化性樹脂材料などである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００２７】
（第1の実施例）
先ず、原盤となる２次元フォトニック構造体について説明する。基板上に、金属、半導体、或いは絶縁体からなる単層膜を成膜し、ウエットエッチングやドライエッチングのパターニング技術を用いて、例えば図１(a)のような、光波長(０．１μｍ〜１０μｍ)程度の２次元的周期性を持った矩形凹凸構造１を基板面内に製造する。通常のフォトニック構造体は、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)やSiO2などの誘電体や高分子材料で製造する。しかし、本発明では原盤として使用するため、光波長程度の周期構造を形成できる材料であれば、プロセスのみを考慮すれば良く、多孔質でない限り（多孔質は周期を乱すので）金属などのあらゆる材料を取り扱うことが可能である。
【００２８】
また、化学合成により製造される光波長程度の径を持つ球状粒子(ポリスチレンやSiO2など)がけん濁した液を、基板上に滴下し配列させる手法もある。この基板に傾斜を持たせ、周囲の温度、湿度や傾斜角度の条件を調節して放置すると、けん濁液の表面張力と蒸発現象と粒子間力の働きで、傾斜した基板の高い側へ粒子が引き寄せられる。このとき、球状粒子は図１(b)に示すように自己組織的に密な状態へ集積する。この構造は、基板の２次元面内に周期構造を持つ球状粒子凹凸構造２である。
【００２９】
また、図１(c)に示す構造体を使用することもできる。これは、Si基板３を水酸化カリウム溶液でウエットエッチングすることで出来る(１１１)面のV型の溝４を等間隔で製造した１次元構造体である。この構造体も、通常はフォトニック構造体とはなり得ないが、原盤として使用することが出来る。最終的に作製するフォトニック構造体のサイズは、この原盤にスパッタ堆積するスタンパ材として利用する媒質や使用する光波長により異なる。周期構造が無限に続くほど良いが、１００周期程度でもフォトニックバンドギャップが認められる。
【００３０】
次に、モールド手法などによる凹凸反転型製造について述べる。
図１(a)の原盤の場合、例えば、モールド手法により凹凸反転型を製造して、各セルに硬化性液状材料を注入する。これに関しては後記する図５の例で詳述される。
【００３１】
図１(ｂ)の原盤の場合は次のように行なう。図２(a)は、基板５上に置かれた光波長程度の周期を持つ構造体２を示す。このような原盤に図２(b)、(c)のようにスタンパ材をスパッタ堆積した後に剥離することで、原盤凹凸構造の反転構造を有する型6を形成する。原盤凹凸構造は必ずしも無欠陥ではないので、任意の構造を持つ原盤領域を選択してスタンパ材を塗布する。
【００３２】
スタンパ材のスパッタにおいては、応力の小さい金属を電気メッキ又は無電解メッキする方法がある。この場合、例えば原盤２上にTi,Au, MoOx、ないしはCr,Pt, MoOxの順にスパッタし、更に金属をメッキする。第１層のTiないしCrは、原盤２と第２層のAuないしPt間の密着性を上げるために塗布する。第２層のAuないしPtと第３層のMoOx間で原盤２と型６を剥離し、型側に残るMoOxはHF/H2Oで除去して型６が完成する。
【００３３】
また、金属メッキではなくSiO2や樹脂を厚く塗布して剥離し、型６を形成することも出来る。この手法では、原盤２上にTiやMoOxなどのHF/H2Oに溶解する材料を中間層として塗布した後にSiO2や樹脂を塗布し、中間層をHF/H2O中で侵食させて型６を剥離する。
【００３４】
製造した型６を複数個組み合わせて接着し、新たな凹凸形状を持つ型として利用することもできる。図２(d)に示す断面図のように、この型６を１つないし複数個組み合わせることによって新規形状を有する型を製造し（広い面積に渡って型６を並べることもできる）、図２(d)に示すように硬化性液状材料７を充填した後に、紫外光照射または加熱することでこれを硬化し、多次元フォトニック構造体を成形する。硬化性液状材料７は、例えば、求める物理特性に応じて光学的分極率が非線型性である材料、発光性材料、磁性体材料、導電性材料、電気光学的材料、光増幅材料などを混入した光硬化性材料または熱硬化性材料などである。
【００３５】
図２(d)の左部分のように型を向き合わせて複数個組み合わせる場合には、凹部周期構造間に多少隙間を形成するようにこれらを接着し、型6に傾斜を持たせ、上部から硬化性液状材料７を注入する。硬化性液状材料７の粘性が高い場合は、型内部の気体が排出されず充填が不完全になることを防ぐため、図３に示すように空気孔１７を空けておくのがよい。
【００３６】
また、この空気孔１７から硬化性液状材料７を部分的に注入しても良い。凹部周期構造６間の隙間は小さいほど、形成されるフォトニック構造体のフォトニックバント現象に影響を与えずに済む。硬化性液状材料7を硬化して出来上がったフォトニック構造体は、型６を除去せずそのまま利用する方法と除去する方法の２種類が考えられる。例えばスタンパ材がSiO2であれば、HF/H2Oに浸すことで、２次元フォトニック構造体から型6を除去でき、図４(b)に示すようにフォトニックバント効果への型6による影響のないフォトニック構造体8が出来上がる。また、型6になるスタンパ材もPMMAなどの光機能材料で製造しておけば、これをクラッドとして機能させてフォトニックバント幅を調節することができ、シングルモードの導波路などとして利用が可能である。
【００３７】
図１（ｂ）の場合について、より具体的な例を説明する。
傾斜を持たせたガラス基板の上部に、化学合成により作製される粒径０．５μｍのポリスチレン微小球のけん濁液を滴下する。前述した様に、周囲の温度、湿度や傾斜角度の条件を調節し放置すると、けん濁液の表面張力と蒸発現象と粒子間力の働きで、基板の高い側へ粒子が引き寄せられ、球状粒子は図１(b)に示すように自己組織的に密な状態へ集積する。この製法では、正方格子よりも六方格子の方が安定であるため作製しやすい。この構造を原盤とし、欠陥のない周期構造部分を選択し、Ti,Au, MoOxの順にスパッタし、更に金属をメッキする。第1層のTiは、原盤と第２層Au間の密着性を上げるために塗布する。第２層Auと第３層MoOx間で原盤と型を剥離し、型に残るMoOxはHF/H20で除去し、型を製造する。この型を図３に示すように２つ対向させ球形の凹構造を作り、屈折率１．６のUV硬化性樹脂を注入し、UV硬化する。原盤を剥離すると、屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体が出来る。この構造体は可視光範囲内にフォトニックバンドギャップが位置しているため、可視光に対するミラー等に応用する事が出来る。
【００３８】
図１(ｃ)の原盤の場合、原盤３にスタンパ材をスパッタ堆積した後に、これを剥離して１次元周期構造体を形成する。これは、溝を何らかの材料で埋めて用いてもよい。単独で用いてもよいし、積層させたりして適当に組み合わせて用いてもよい。
【００３９】
（第２の実施例）
矩形凹凸構造を持った原盤の例を図５(a)、(b)に示す。金属、半導体或いは絶縁体にエッチング技術やフォトリソグラフィー技術を用いて、２次元面内に光波長程度の周期を持つ凹凸構造を製造する。例えば図５(a)のような原盤９を製造した場合、モールド手法により凹凸反転型を製造すると図５(b)の形状の型９が出来る。また、図５(b)のような原盤９を製造し、モールド手法により凹凸反転型を製造すると図５(a)の形状の型９が出来る。
【００４０】
図５(a)の型は各セルに硬化性液状材料７を注入するため、第３の実施例に述べるように欠陥を製造する用途に適している。これら図５(a)、(b)の型９で２次元フォトニック構造体を製造し（例えば、凹部１０に硬化性液状材料１１を注入して硬化させる）、型９を剥離した後、フォトニック構造体の凹部に第１に注入硬化した硬化性液状材料１１とは異なる光機能材料１２を充填し、フォトニック構造体の屈折率差を減少させることもできる(図6(a)、(b))。また、型９を予めPMMA等の光機能材料で製造し、剥離せずに光機能材料１２としても良い。
【００４１】
より具体的な例を説明する。
基板上にPMMA(ポリメタクリル酸メチル)、シリコン系フォトレジストト(FHSP)の順に塗布し、フォトリソグラフィによりFHSPに図５(b)に示す周期０．５μmの正方矩形パターンを形成する。FHSPは酸素ドライエッチングに対し耐性を持つため、このパターンをマスクとして酸素を反応性ガスとしたエッチングに適している。反応性イオンエッチング(RIE法)によりPMMAをエッチングし、矩形凹凸構造を有する原盤９が出来上がる。凹部に屈折率１．６のUV硬化性樹脂を注入し、UV硬化し、原盤を剥離すると、屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ正方矩形２次元フォトニック構造体が出来る。
【００４２】
（第３の実施例）
任意形状に欠陥を有するフォトニック構造体の製造法について述べる。図７(a)に示すように、型６に入れた硬化性液状材料７を硬化する際、一部分を光非透過部１４としたマスク１３で覆うことにより非硬化部１５を製造する（この場合、光の当った部分のみが硬化する）。そして、型6を除去した後に非硬化部１５を取り除くことで、図７(b)に示すようにフォトニック構造８に任意形状の欠陥を形成することができる。
【００４３】
また、図８(a)に示すように、まず型６の少なくとも一部分に硬化性液状材料７を充填、UV光１６などで硬化した後、この液状材料７と異なる硬化性液状材料１８を非充填部分に充填、硬化することによって、フォトニック構造８に欠陥１５を形成することができる。図８(b)のように球状凹凸構造を持った原盤で製造した型６を２つ組み合わせる場合には、例えば型６を組み合わせる前に欠陥を形成する部分に硬化性液状材料７を注入硬化し、その後に型６を組み合わせて、孔１７から硬化性液状材料７と異なる硬化性液状材料１８を注入、硬化する。
【００４４】
より具体的な例を説明する。
第１の実施例で作製する原盤２（図１（b）参照）を用い、２次元面内に連続した欠陥を作製する。図１２(a)の２層目の欠陥のパターンの光非透過部を有するマスクを通して、原盤２による型６内に注入した屈折率１．６のUV硬化樹脂を硬化させる。型６を剥離し、非硬化部の樹脂を除去すると、図１２(a)の２層目の導波路として用いる欠陥を有する屈折率１．６の０．５μmの周期を持つ六方格子球状２次元フォトニック構造体が出来る。
【００４５】
（第４の実施例）
製造した２次元フォトニック構造体を積層する例について述べる。図９(a)、(b)に示す断面図のように、２次元フォトニック構造体８を３次元の周期構造を形成するよう積層して硬化性液状材料で固定すると、多次元フォトニック構造体となる。図１０(a)、(b)、(c)、(d)は光波長程度のサイズの球状粒子正方格子フォトニック構造体８を積層する例である。或る球の中心を原点とおくと、図１０(a)は、１層目の原点１９と２層目の原点２０が同じZ軸上(２次元フォトニック構造体の面に対し垂直方向)にある場合を示し、図１０(b)はその上面図である。図１０(c)は、１層目の原点１９と２層目の原点２０がXY平面内に半周期ずれる場合を示し、図１０(d)はその上面図である。従来の球状粒子けん濁液の蒸発を利用した手法では、球が下層の球と球の中間に安定してしまうため、この図９(a)、(b)や図１０(a)の積層形態は実現が難しい。
【００４６】
図１１(a)、(b)は、図６(a)、(b)に示した矩形２次元フォトニック構造体を積層する例である。同じ媒質からなる矩形ユニットセル１１或いは１２の中心を原点とおくと、図１１(a)は１層目の原点と２層目の原点が同じZ軸上にある場合を示し、図１１(b)は、１層目の原点と２層目の原点がXY平面内に半周期ずれる場合を示している。この手法を用いると、空気欠陥を有するフォトニック構造体の上層にも、その欠陥を埋めることなくフォトニック構造体を積層することが可能である。
【００４７】
より具体的な例を説明する。第１の実施例で作製する屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体（図４参照）を、精密なアライメントにより３次元的にも周期を持つよう積層する。球配列構造体の積層では、図１０(a)、(b)に示すような積層形態は安定性が悪く困難である。反面、図１０(c)、(d)に示すような球間の隙間に上層の球が入る積層形態は非常に安定であり、アライメントはさほど精密でなくとも良い。第１の実施例で作製する２次元フォトニック構造体の上面に、該構造体を形成する樹脂と同種の屈折率１．６の樹脂を薄く塗布し、２層目の２次元フォトニック構造体を、１層目の球間に２層目の球が位置するよう積層し、UV照射にて両者を固定する。この際、接着剤としての樹脂の厚みが大きくなると、周期構造が破られるため、フォトニックバンドギャップが浅くなる。３層目の積層は、１層目の格子軸と同じ配列をする場合と、格子軸が３０度ずれる配列をする２通りが考えられるが、最蜜六方構造を作製するために前者で積層を行う。この手順を繰り返し、多次元フォトニック構造体を製造する。
【００４８】
（第５の実施例）
誘電体などの光導波路においては、光波を分岐したり曲げたりする際の損失を如何にして減少させるかということが最大の課題である。例えば六方格子球状多次元フォトニック構造体は、全方位に広がりを持つバンドギャップを持つため、低損失なミラーとして利用できる。
【００４９】
例えば、図１２に示す球状粒子正方格子２次元フォトニック構造体のように、２層目の２次元フォトニック構造体８に欠陥１５を製造し、この２次元フォトニック構造体８に固有のフォトニックバンドギャップ内部に位置する波長を有する光波３５を欠陥部１５の端面より入射する（出射光を３６で示す）。光波は結晶内部の伝搬を禁じられるため、図１２の構造体は、欠陥部１５を光が伝搬する光導波路を有する構造体となる。
【００５０】
また、図１３と図１４に示す上面図のように、Y字型光導波路３４の分岐部ないし曲がり導波路３３の屈曲部の周囲のみに多次元フォトニック構造体８を配置する構造も構成できる。この多次元フォトニック構造体８は、光導波路３３、３４内部を伝搬する光波の波長域にフォトニックバントギャップを持つように設計されている。光波はフォトニック構造体８内部での伝搬を禁じられるため、分岐または鋭角的な曲がり導波路でも外部へ放射されず、低損失に導波する。
【００５１】
図１４は、４５度の切断面と外部(空気層など)によるミラー構造を曲がり部に持つ曲がり導波路３３の上面図であるが、このミラー部に多次元フォトニック結晶８を配置して更に外部ミラーの機能を持たせ、光波の伝搬損失を減じている。
【００５２】
この様に、フォトニック構造体を、フォトリソグラフィなどで作製する従来の誘電体光導波路の周囲に配置し、ミラーとして使用する事で伝搬損失を低下できる。より具体的には、図１４のように曲がり部に４５度のミラー形状を有する曲がり導波路３３の外部に、第４の実施例で作製する屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ球状粒子六方格子３次元フォトニック構造体８を配置する。この構造体８は６４０ｎｍ付近にフォトニックバンドギャップが位置しているため、光導波路３３内を伝搬するこの波長の光波の曲がり部における伝搬損失を低減出来る。
【００５３】
（第6の実施例）
次に、多次元フォトニック構造体を光波長分波器ないしは光強度分波器として利用する例を述べる。無欠陥な多次元フォトニック構造体８を、図１５(a)に示すように光導波路２１の終端部断面に配置する。フォトニック構造体８は、フォトニックバントギャップ外の波長を持つ光波に対しては２次元の回折格子として機能し、光導波路２１内部を伝搬する光波２２は２次元的な空間広がりを持って出射する。光波２２が単色レーザ光であれば、光波２２の伝搬方向に対して垂直な面(図１５(a)のYZ面)には図１５(b)のようなブラッグ回折スポットパターンが見られる。２３、２４、２５、２６は夫々０次光、１次光、２次光、３次光である。光波２２の波長が短いほど、同一面内でのスポット間隔は減少し、またスポットが高次になるほど光強度は減少する。従って、図１６(a)のように複数の光導波路２１を配置して各光導波路２１を各スポットと結合させれば、光強度分波器として利用することができる。
【００５４】
また、波長の異なる複数の光波２２が光導波路２１内を伝搬するとき、各波長ごとに異なる回折角度を持って分解されるため、複数のスポットパターンが得られる。例として、白色光(可視光)が光導波路２１内を伝搬するとき、化学合成により製造されるポリスチレン球状粒子(屈折率１．６、粒径１μｍ)による六方格子の２次元フォトニック構造体８を光導波路２１端に配置すれば、各スポット２７は図１５(c)に示すように軸の原点Ｏ側が短波長となる波長分布を持つ。図１６(b)のようにバンドルファイバ３２へ結合し、光波長分波器として利用する事が出来る。高次まで回折スポットが見られる場合には、同時に光強度分波器としても用いられる。
【００５５】
より具体的な例を説明する。第1の実施例の手法で作製する屈折率１．６の１．０μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体８を、図１５(a)に示すように矩形導波路２１端面に対し垂直に配置する。この構造体８は可視光波長域にはバンドギャップを持たないので、導波路２１から出射する可視光波長域の光波に対してはブラッグ回折現象を生じさせるのみである。この構造体８に直接、He-Neレーザ等のコヒーレント光を入射すると、図１５(b)の３対称のブラッグ回折スポットが観察される。図１５(a)のように光導波路２１を介したHe-Neレ一ザ光では、導波路２１内の反射により光波が広がりを持つため、多少広がりのあるスポット形状となる。また、この構造体８に白色光を入射すると、図１５(c)のような軸の原点Ｏ側が短波長となる連続的な波長分布を持つ１次スポット２７が観察される。図１６(b)のようにバンドルファイバ３２ヘ結合し、光波長分波器として利用出来る。
【００５６】
（第７の実施例）
少なくとも一部に欠陥１５を有する多次元フォトニック構造体８を、アライメントで３次元的周期性を持つよう積層する。例えば、図１７に示すような数列の欠陥１５を有する２次元フォトニック構造体８を重ねると、連続して繋がった欠陥部１５に光を閉じ込める３次元光導波路となる。このとき、このフォトニック構造８が全方位に渡るバンドギャップを有している必要があり、欠陥部１５に閉じ込めの起こる光波長は、使用するフォトニック構造体８に固有の周期構造と媒質誘電率に依存する。
【００５７】
より具体的な例を説明する。第３の実施例で作製する連続的な欠陥１５を有する屈折率１．６の１．０μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体８の上下が、第１の実施例で作製する欠陥のない２次元フォトニック構造体となるよう、第４の実施例と同様な３次元的最密六方構造として１０層積層する。この構造は、６４０ｎｍ付近の波長の光波を伝搬する光導波路となり、急激な曲げや分岐でも高効率な閉じ込め効果を有する。
【００５８】
（第８の実施例）
図１８に示すような発光素子２８や受光素子２９を含み電気配線を有する配線基板３１の一部に、欠陥１５を有する３次元フォトニック構造体８を埋め込む例について述べる。図１８では電気配線基板３１に凹部３０を設け、その壁面に半導体レーザ等の発光素子２８とフォトダイオード等の受光素子２９を配置している。一方で、配線基板３１上の発光素子２８、受光素子２９と光結合するような３次元フォトニック構造体８を製造し、配線基板凹部３０へ挿入する。この構成では、電気配線基板３１と光配線部すなわち３次元フォトニック構造体８との製造プロセスを同時に行えるという利点がある。また、第７の実施例と同様に導波路の曲がり部が円弧である必要がなく、光配線経路を立体的に構成できる事から、交差部の問題がなく、従来の光導波路と比較して素子の小型化が可能である。
【００５９】
より具体的な例を説明する。第７の実施例の連続的な欠陥１５を有する屈折率１．６の１．０μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体８を、図１８に示すような発光波長６５０ｎｍの半導体レーザ２８とフォトダイオード２９を含み電気配線を有する配線基板３１の一部に埋め込む。電気配線基板３１は、３次元フォトニック構造体に対応する凹部３０が設けてあり、その壁面には、３次元フォトニック構造体を挿入したときに、連続した欠陥部１５の始端側に半導体レーザ２８、終端側にフォトダイオード２９が位置するような構造である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明により、従来技術の課題が解決され、光波長程度の周期を持つ無欠陥ないし欠陥部のあるフォトニック構造体とその応用機能素子が柔軟かつ確実に実現され、更にそれらの簡易な製造方法も実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a)、(b)、(c)は、本発明の工程に用いられる原盤の例を示す斜視図である。
【図２】図２(a)、(b)、(c)、(d)は、球状凹凸構造の型の製造法の例を示す断面図である。
【図３】図３は、図２(d)の構造において空気孔を空けた型を示す断面図である。
【図４】図４は、無欠陥多次元フォトニック構造体の製造法の断面図である。
【図５】図５(a)、(b)は、矩形凹凸構造の原盤または型の例を示す本発明の第２の実施例の上面図である。
【図６】図６(a)、(b)は、図５の原盤または型を用いて製造される矩形２次元フォトニック構造体の一例を示す上面図と斜視図である。
【図７】図７(a)、(b)は、欠陥を製造する手法の一例を示す本発明の第３の実施例の断面図である。
【図８】図８(a)、(b)、(c)は、欠陥を製造する手法の他の例の断面図である。
【図９】図９(a)、(b)は、３次元フォトニック構造体を示す本発明の第４の実施例の断面図である。
【図１０】図１０(a)、（ｂ）は、１層目と２層目の原点が同一Z軸上にある球状粒子正方格子３次元フォトニック構造体の斜視図と上面図、図１０(c)、(d)は、１層目と２層目の原点がXY平面内に半周期ずれる球状粒子正方格子３次元フォトニック構造体の斜視図と上面図である。
【図１１】図１１(a)、（ｂ）は、１層目と２層目の原点が同一Z軸上にある矩形３次元フォトニック構造体の斜視図、及び１層目と２層目の原点がXY平面内に半周期ずれる矩形３次元フォトニック構造体の斜視図である。
【図１２】図１２(a)、(b)は、２次元フォトニック構造体による光導波路を示す本発明の第５の実施例の斜視図である。
【図１３】図１３は、周辺に多次元フォトニック構造体を配置したY字分岐路の上面図である。
【図１４】図１４は、曲がり部に多次元フォトニック構造体を配置した曲がり導波路の上面図である。
【図１５】図１５(a)、(b)、(c)は、端に多次元フォトニック構造体を配置した光導波路を示す本発明の第６の実施例の斜視図、フォトニック構造体に単色光を入射したときのブラッグ回折パターンの図、フォトニック構造体に白色光を入射したときのブラッグ回折パターンの図である。
【図１６】図１６(a)、(b)は、フォトニック構造体を光波長分波器ないしは光強度分波器として用いるときの光結合系の例の斜視図である。
【図１７】図１７は、欠陥を有する多次元フォトニック構造体を積層する一例を説明する本発明の第７の実施例の斜視図である。
【図１８】図１８は、多次元フォトニック構造体を、電気配線等を施した基板に挿入する一例を説明する本発明の第８の実施例の斜視図である。
【符号の説明】
１ 矩形凹凸構造を持った原盤
２ 球状凹凸構造を持った原盤
３ Si基板
４ V溝
５ 基板
６ スタンパ材による型
７ 硬化性液状材料
８ 硬化した液状材料の2次元フォトニック構造体
９ 矩形フォトニック構造体によって製造した型
１０ 凹部
１１ 光機能材料
１２ 光機能材料１１とは異なる光機能材料または空気
１３ マスク
１４ マスクの光非透過部
１５ 非硬化部(欠陥)
１６ UV光
１７ 空気孔
１８ 硬化性液状材料７とは異なる硬化性液状材料
１９ １層目の原点
２０ ２層目の原点
２１ 光導波路
２２ 光波
２３ ０次光
２４ １次光
２５ ２次光
２６ ３次光
２７ 白色光の１次回折スポット
２８ 半導体レーザ
２９ フォトダイオード
３０ 凹部
３１ 配線基板
３２ バンドルファイバ
３３ 曲がり導波路
３４ Y字型光導波路
３５ 入射光
３６ 出射光
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック構造体として使用し得るマイクロ構造体の製造方法、それを用いた光機能素子等に関するものであり、特に、光波長程度の周期を有する多次元屈折率周期構造体すなわちフォトニック構造体の製造方法と、それを用いた光デバイス等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光波長程度の屈折率周期を持つ誘電体多層膜は、ミラーとして優れた特性を有することが知られている。このような構造は１次元フォトニック構造体と位置づけられる。これに対し、２軸方向または３軸方向に光波長程度の屈折率周期を持つ構造体は２次元または３次元フォトニック構造体と呼ばれる。これらの構造体内部では、屈折率と周期によって決定される特定の波長の光波の伝搬が禁じられるため、導波路やフィルタ等の光機能素子への応用が期待されている。この禁制帯をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。
【０００３】
実際の２次元ないしは３次元フォトニック構造体の製造手法としては、エッチング技術やフォトリソグラフィー技術を用いて、半導体や誘電体薄膜に２次元面内の光波長程度の２次元的な周期凹凸構造を製造したり、スパッタ法や精密なアライメントにより２次元周期構造体を積層して３次元的な周期構造体を製造する手法が主である(Shawn Yu Lin, Nature, vol.16, p.251, 1998)。
【０００４】
また、化学合成により製造される光波長程度のサイズの球状粒子(ポリスチレンやSiO２など)を、コロイドけん濁液の表面張力や周囲の温度などの条件によって規則的に配列させ、３次元周期構造体を製造する手法も提案されている(N.D. Denkov, Langmuir, vol.8, p.3183, 1992; N.Yamamoto, Jpn.J.Appl.Phys., vol.37, p.L1052, 1998)。
【０００５】
また、近年では、カーボンやアルミナを陽極酸化して形成される可視光域にバンドギャップを持つ円形ホール２次元フォトニック構造体も製造されている(H.Masuda, Appl. Phys. Lett., vol.71(19), p.2770, 10 November, 1997)。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、誘電体や半導体材料に成膜法とエッチング法で広範囲な周期構造を製造し、更に積層するとなると、光波長程度の精密なアライメントを繰り返し行わなければならない。
【０００７】
また、化学合成により製造される光波長程度のサイズの球状粒子の周期構造は、主にポリスチレンやSiO2の球状粒子けん濁液を利用した毛細管現象や蒸発現象によって自己組織的に製造されるが、けん濁液濃度や周囲の気温や湿度などの条件に左右され易く、広範囲に無欠陥な周期構造を実現できないのが現実であり、多層の完全な周期構造体は期待できない。この球状粒子の周期構造を樹脂等の接着剤で固定した後に積層することは可能だが、周期構造が崩れることによるフォトニックバント幅の減少が考えられる。また、これらの構造は基板上に製造されており、光波が基板へ伝搬して光閉じ込め効率が低下すると共に、光機能素子への応用に支障を来たす。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、光波長程度の周期を持ち無欠陥或いは欠陥のあるフォトニック構造体として使用し得る屈折率周期構造体、その応用機能素子、及びそれらの簡易な製造方法等を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のフォトニック構造体の製造方法は、２次元周期性を持った凹凸構造を原盤とし、スタンパ材料を堆積し剥離することにより前記凹凸構造の反転構造を有する型を形成し、該型を利用して２次元屈折率周期構造を得るフォトニック構造体の製造方法であって、前記型の一部分に光機能材料を充填、硬化した後、前記一部分とは異なる非充填部分に、前記光機能材料とは異なる光機能材料を充填、硬化し、前記屈折率周期構造に欠陥部を形成することを特徴とする。本明細書では、２次元には１次元を、３次元には１次元ないし２次元を含むものとする。また、光波長とは紫外光、可視光、赤外光の波長を意味し、エキシマレーザから炭酸ガスレーザの波長域０．１μｍ〜１０μｍ程度を指すものとする。
【００１０】
上記基本構成に基づいて、より具体的な以下の形態が可能である。
前記原盤は、基板に光波長程度の周期を持つ構造体をパターニングして作製したり、化学合成により製造した光波長程度のサイズの粒子を配列した周期構造体であったり、基板にV溝を形成した該V溝による周期構造体であったりする。
【００１１】
前記スタンパ材料の堆積は、金属を電気メッキまたは無電解メッキすること、電着物質を電着すること等で行なわれたり、モールド手法で行なわれたりする。
【００１２】
前記型を形成した後、前記型に光機能材料を充填、硬化してもよい。型が光機能材料で出来ていれば、そのままでもフォトニック構造体として使用できる。型に光機能材料を充填、硬化した後、該型を除去してもよい。もちろん、この場合も、型が光機能材料で出来ていれば、型を除去しなくてもよい。
【００１３】
更に、前記型を除去して形成された前記光機能材料の周期構造に他の光機能材料を充填、硬化してもよい。
【００１４】
前記型を複数個対向させ新たに型と成し、該新たな型内に光機能材料を充填、硬化してもよい。この場合も、型をそのまま残しても、除去してもよい。更に、型を除去して形成された前記光機能材料の周期構造に他の光機能材料を充填、硬化してもよい。
【００１５】
前記型の少なくとも一部分に光機能材料を充填、硬化した後、該光機能材料とは異なる光機能材料を非充填部分に充填、硬化し、光波長程度の屈折率周期構造の任意の部位に欠陥部を形成してもよい。
【００１６】
前記光機能材料を硬化する際、一部分に非硬化部を形成し、光波長程度の屈折率周期構造の任意の部位に欠陥部を形成することもできる。光機能材料が光硬化性である場合、一部分をマスクで覆うことにより非硬化部を作製できる。
【００１７】
前記２次元屈折率周期構造を、３次元的な屈折率周期的な構造を形成するようにアライメントして積層し、硬化性材料で固定することで、３次元フォトニック構造体を作製できる。
【００１９】
前記欠陥部は、周りと異なる光機能材料から成る部分であったり、光機能材料が抜けた部分であったりする。
【００２０】
前記３次元屈折率周期構造は、欠陥部のある２次元屈折率周期構造体を含む複数の２次元屈折率周期構造体を３次元的に周期的な構造を形成するように積層させて構成されうる。
【００２１】
前記欠陥部は、典型的には、フォトニック効果により光波を閉じ込める光導波路として構成しうる。更には、前記欠陥部が分岐導波路を構成して、その周囲に無欠陥のフォトニック構造体が配置されている形態や、前記欠陥部が曲がり導波路を構成して、その周囲に無欠陥のフォトニック構造体が配置されている形態を採りうる。
【００２２】
また、上記目的を達成する本発明の光導波路構造は、分岐導波路部を有する光導波路であって、該分岐導波路の周囲に、光波長程度の光機能材料から成る３次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体が配置されていることを特徴とする。或いは、曲がり導波路部を有する光導波路であって、少なくとも該曲がり導波路部の外側の角部（図１４に示すように、ミラー面が形成されている様な場合もある）に接して、光波長程度の光機能材料から成る３次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体が配置されていることを特徴とする。
【００２３】
また、上記目的を達成する本発明の分波器は、光波長程度の光機能材料から成る欠陥のない２次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体を光導波路端面に配置して、ブラッグ回折現象を利用して導波光を波長によって異なる方向に波長分波することを特徴とする。或いは、光波長程度の光機能材料から成る欠陥のない２次元屈折率周期構造であるフォトニック構造体を光導波路端面に配置して、ブラッグ回折現象を利用して導波光を異なる方向に強度分波することを特徴とする。
【００２４】
また、上記目的を達成する本発明の光配線装置は、電気配線基板に凹部を設け、該凹部の壁面に発光素子と受光素子を配置し、該凹部に、上記の光機能素子と光導波路構造と分波器のうちの少なくとも１つを挿入して光配線経路を構成し、該光配線経路を介して発光素子からの光を受光素子に導くことを特徴とする。或いは、基板に凹部を設け、該凹部の壁面に光導波路を配置し、該凹部に、上記の光機能素子と光導波路構造と分波器のうちの少なくとも１つを挿入して光配線経路を構成し、該光配線経路を介して前記光導波路へ光を導くことを特徴とする。
【００２５】
上記各構成において、前記光機能材料は、光学的分極率が非線型性である材料、発光性材料、磁性体材料、導電性材料、電気光学的材料、または光増幅材料を混入した光または熱硬化性樹脂材料などである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００２７】
（第1の実施例）
先ず、原盤となる２次元フォトニック構造体について説明する。基板上に、金属、半導体、或いは絶縁体からなる単層膜を成膜し、ウエットエッチングやドライエッチングのパターニング技術を用いて、例えば図１(a)のような、光波長(０．１μｍ〜１０μｍ)程度の２次元的周期性を持った矩形凹凸構造１を基板面内に製造する。通常のフォトニック構造体は、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)やSiO2などの誘電体や高分子材料で製造する。しかし、本発明では原盤として使用するため、光波長程度の周期構造を形成できる材料であれば、プロセスのみを考慮すれば良く、多孔質でない限り（多孔質は周期を乱すので）金属などのあらゆる材料を取り扱うことが可能である。
【００２８】
また、化学合成により製造される光波長程度の径を持つ球状粒子(ポリスチレンやSiO2など)がけん濁した液を、基板上に滴下し配列させる手法もある。この基板に傾斜を持たせ、周囲の温度、湿度や傾斜角度の条件を調節して放置すると、けん濁液の表面張力と蒸発現象と粒子間力の働きで、傾斜した基板の高い側へ粒子が引き寄せられる。このとき、球状粒子は図１(b)に示すように自己組織的に密な状態へ集積する。この構造は、基板の２次元面内に周期構造を持つ球状粒子凹凸構造２である。
【００２９】
また、図１(c)に示す構造体を使用することもできる。これは、Si基板３を水酸化カリウム溶液でウエットエッチングすることで出来る(１１１)面のV型の溝４を等間隔で製造した１次元構造体である。この構造体も、通常はフォトニック構造体とはなり得ないが、原盤として使用することが出来る。最終的に作製するフォトニック構造体のサイズは、この原盤にスパッタ堆積するスタンパ材として利用する媒質や使用する光波長により異なる。周期構造が無限に続くほど良いが、１００周期程度でもフォトニックバンドギャップが認められる。
【００３０】
次に、モールド手法などによる凹凸反転型製造について述べる。
図１(a)の原盤の場合、例えば、モールド手法により凹凸反転型を製造して、各セルに硬化性液状材料を注入する。これに関しては後記する図５の例で詳述される。
【００３１】
図１(ｂ)の原盤の場合は次のように行なう。図２(a)は、基板５上に置かれた光波長程度の周期を持つ構造体２を示す。このような原盤に図２(b)、(c)のようにスタンパ材をスパッタ堆積した後に剥離することで、原盤凹凸構造の反転構造を有する型6を形成する。原盤凹凸構造は必ずしも無欠陥ではないので、任意の構造を持つ原盤領域を選択してスタンパ材を塗布する。
【００３２】
スタンパ材のスパッタにおいては、応力の小さい金属を電気メッキ又は無電解メッキする方法がある。この場合、例えば原盤２上にTi,Au, MoOx、ないしはCr,Pt, MoOxの順にスパッタし、更に金属をメッキする。第１層のTiないしCrは、原盤２と第２層のAuないしPt間の密着性を上げるために塗布する。第２層のAuないしPtと第３層のMoOx間で原盤２と型６を剥離し、型側に残るMoOxはHF/H2Oで除去して型６が完成する。
【００３３】
また、金属メッキではなくSiO2や樹脂を厚く塗布して剥離し、型６を形成することも出来る。この手法では、原盤２上にTiやMoOxなどのHF/H2Oに溶解する材料を中間層として塗布した後にSiO2や樹脂を塗布し、中間層をHF/H2O中で侵食させて型６を剥離する。
【００３４】
製造した型６を複数個組み合わせて接着し、新たな凹凸形状を持つ型として利用することもできる。図２(d)に示す断面図のように、この型６を１つないし複数個組み合わせることによって新規形状を有する型を製造し（広い面積に渡って型６を並べることもできる）、図２(d)に示すように硬化性液状材料７を充填した後に、紫外光照射または加熱することでこれを硬化し、多次元フォトニック構造体を成形する。硬化性液状材料７は、例えば、求める物理特性に応じて光学的分極率が非線型性である材料、発光性材料、磁性体材料、導電性材料、電気光学的材料、光増幅材料などを混入した光硬化性材料または熱硬化性材料などである。
【００３５】
図２(d)の左部分のように型を向き合わせて複数個組み合わせる場合には、凹部周期構造間に多少隙間を形成するようにこれらを接着し、型6に傾斜を持たせ、上部から硬化性液状材料７を注入する。硬化性液状材料７の粘性が高い場合は、型内部の気体が排出されず充填が不完全になることを防ぐため、図３に示すように空気孔１７を空けておくのがよい。
【００３６】
また、この空気孔１７から硬化性液状材料７を部分的に注入しても良い。凹部周期構造６間の隙間は小さいほど、形成されるフォトニック構造体のフォトニックバント現象に影響を与えずに済む。硬化性液状材料7を硬化して出来上がったフォトニック構造体は、型６を除去せずそのまま利用する方法と除去する方法の２種類が考えられる。例えばスタンパ材がSiO2であれば、HF/H2Oに浸すことで、２次元フォトニック構造体から型6を除去でき、図４(b)に示すようにフォトニックバント効果への型6による影響のないフォトニック構造体8が出来上がる。また、型6になるスタンパ材もPMMAなどの光機能材料で製造しておけば、これをクラッドとして機能させてフォトニックバント幅を調節することができ、シングルモードの導波路などとして利用が可能である。
【００３７】
図１（ｂ）の場合について、より具体的な例を説明する。
傾斜を持たせたガラス基板の上部に、化学合成により作製される粒径０．５μｍのポリスチレン微小球のけん濁液を滴下する。前述した様に、周囲の温度、湿度や傾斜角度の条件を調節し放置すると、けん濁液の表面張力と蒸発現象と粒子間力の働きで、基板の高い側へ粒子が引き寄せられ、球状粒子は図１(b)に示すように自己組織的に密な状態へ集積する。この製法では、正方格子よりも六方格子の方が安定であるため作製しやすい。この構造を原盤とし、欠陥のない周期構造部分を選択し、Ti,Au, MoOxの順にスパッタし、更に金属をメッキする。第1層のTiは、原盤と第２層Au間の密着性を上げるために塗布する。第２層Auと第３層MoOx間で原盤と型を剥離し、型に残るMoOxはHF/H20で除去し、型を製造する。この型を図３に示すように２つ対向させ球形の凹構造を作り、屈折率１．６のUV硬化性樹脂を注入し、UV硬化する。原盤を剥離すると、屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体が出来る。この構造体は可視光範囲内にフォトニックバンドギャップが位置しているため、可視光に対するミラー等に応用する事が出来る。
【００３８】
図１(ｃ)の原盤の場合、原盤３にスタンパ材をスパッタ堆積した後に、これを剥離して１次元周期構造体を形成する。これは、溝を何らかの材料で埋めて用いてもよい。単独で用いてもよいし、積層させたりして適当に組み合わせて用いてもよい。
【００３９】
（第２の実施例）
矩形凹凸構造を持った原盤の例を図５(a)、(b)に示す。金属、半導体或いは絶縁体にエッチング技術やフォトリソグラフィー技術を用いて、２次元面内に光波長程度の周期を持つ凹凸構造を製造する。例えば図５(a)のような原盤９を製造した場合、モールド手法により凹凸反転型を製造すると図５(b)の形状の型９が出来る。また、図５(b)のような原盤９を製造し、モールド手法により凹凸反転型を製造すると図５(a)の形状の型９が出来る。
【００４０】
図５(a)の型は各セルに硬化性液状材料７を注入するため、第３の実施例に述べるように欠陥を製造する用途に適している。これら図５(a)、(b)の型９で２次元フォトニック構造体を製造し（例えば、凹部１０に硬化性液状材料１１を注入して硬化させる）、型９を剥離した後、フォトニック構造体の凹部に第１に注入硬化した硬化性液状材料１１とは異なる光機能材料１２を充填し、フォトニック構造体の屈折率差を減少させることもできる(図6(a)、(b))。また、型９を予めPMMA等の光機能材料で製造し、剥離せずに光機能材料１２としても良い。
【００４１】
より具体的な例を説明する。
基板上にPMMA(ポリメタクリル酸メチル)、シリコン系フォトレジストト(FHSP)の順に塗布し、フォトリソグラフィによりFHSPに図５(b)に示す周期０．５μmの正方矩形パターンを形成する。FHSPは酸素ドライエッチングに対し耐性を持つため、このパターンをマスクとして酸素を反応性ガスとしたエッチングに適している。反応性イオンエッチング(RIE法)によりPMMAをエッチングし、矩形凹凸構造を有する原盤９が出来上がる。凹部に屈折率１．６のUV硬化性樹脂を注入し、UV硬化し、原盤を剥離すると、屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ正方矩形２次元フォトニック構造体が出来る。
【００４２】
（第３の実施例）
任意形状に欠陥を有するフォトニック構造体の製造法について述べる。図７(a)に示すように、型６に入れた硬化性液状材料７を硬化する際、一部分を光非透過部１４としたマスク１３で覆うことにより非硬化部１５を製造する（この場合、光の当った部分のみが硬化する）。そして、型6を除去した後に非硬化部１５を取り除くことで、図７(b)に示すようにフォトニック構造８に任意形状の欠陥を形成することができる。
【００４３】
また、図８(a)に示すように、まず型６の少なくとも一部分に硬化性液状材料７を充填、UV光１６などで硬化した後、この液状材料７と異なる硬化性液状材料１８を非充填部分に充填、硬化することによって、フォトニック構造８に欠陥１５を形成することができる。図８(b)のように球状凹凸構造を持った原盤で製造した型６を２つ組み合わせる場合には、例えば型６を組み合わせる前に欠陥を形成する部分に硬化性液状材料７を注入硬化し、その後に型６を組み合わせて、孔１７から硬化性液状材料７と異なる硬化性液状材料１８を注入、硬化する。
【００４４】
より具体的な例を説明する。
第１の実施例で作製する原盤２（図１（b）参照）を用い、２次元面内に連続した欠陥を作製する。図１２(a)の２層目の欠陥のパターンの光非透過部を有するマスクを通して、原盤２による型６内に注入した屈折率１．６のUV硬化樹脂を硬化させる。型６を剥離し、非硬化部の樹脂を除去すると、図１２(a)の２層目の導波路として用いる欠陥を有する屈折率１．６の０．５μmの周期を持つ六方格子球状２次元フォトニック構造体が出来る。
【００４５】
（第４の実施例）
製造した２次元フォトニック構造体を積層する例について述べる。図９(a)、(b)に示す断面図のように、２次元フォトニック構造体８を３次元の周期構造を形成するよう積層して硬化性液状材料で固定すると、多次元フォトニック構造体となる。図１０(a)、(b)、(c)、(d)は光波長程度のサイズの球状粒子正方格子フォトニック構造体８を積層する例である。或る球の中心を原点とおくと、図１０(a)は、１層目の原点１９と２層目の原点２０が同じZ軸上(２次元フォトニック構造体の面に対し垂直方向)にある場合を示し、図１０(b)はその上面図である。図１０(c)は、１層目の原点１９と２層目の原点２０がXY平面内に半周期ずれる場合を示し、図１０(d)はその上面図である。従来の球状粒子けん濁液の蒸発を利用した手法では、球が下層の球と球の中間に安定してしまうため、この図９(a)、(b)や図１０(a)の積層形態は実現が難しい。
【００４６】
図１１(a)、(b)は、図６(a)、(b)に示した矩形２次元フォトニック構造体を積層する例である。同じ媒質からなる矩形ユニットセル１１或いは１２の中心を原点とおくと、図１１(a)は１層目の原点と２層目の原点が同じZ軸上にある場合を示し、図１１(b)は、１層目の原点と２層目の原点がXY平面内に半周期ずれる場合を示している。この手法を用いると、空気欠陥を有するフォトニック構造体の上層にも、その欠陥を埋めることなくフォトニック構造体を積層することが可能である。
【００４７】
より具体的な例を説明する。第１の実施例で作製する屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体（図４参照）を、精密なアライメントにより３次元的にも周期を持つよう積層する。球配列構造体の積層では、図１０(a)、(b)に示すような積層形態は安定性が悪く困難である。反面、図１０(c)、(d)に示すような球間の隙間に上層の球が入る積層形態は非常に安定であり、アライメントはさほど精密でなくとも良い。第１の実施例で作製する２次元フォトニック構造体の上面に、該構造体を形成する樹脂と同種の屈折率１．６の樹脂を薄く塗布し、２層目の２次元フォトニック構造体を、１層目の球間に２層目の球が位置するよう積層し、UV照射にて両者を固定する。この際、接着剤としての樹脂の厚みが大きくなると、周期構造が破られるため、フォトニックバンドギャップが浅くなる。３層目の積層は、１層目の格子軸と同じ配列をする場合と、格子軸が３０度ずれる配列をする２通りが考えられるが、最蜜六方構造を作製するために前者で積層を行う。この手順を繰り返し、多次元フォトニック構造体を製造する。
【００４８】
（第５の実施例）
誘電体などの光導波路においては、光波を分岐したり曲げたりする際の損失を如何にして減少させるかということが最大の課題である。例えば六方格子球状多次元フォトニック構造体は、全方位に広がりを持つバンドギャップを持つため、低損失なミラーとして利用できる。
【００４９】
例えば、図１２に示す球状粒子正方格子２次元フォトニック構造体のように、２層目の２次元フォトニック構造体８に欠陥１５を製造し、この２次元フォトニック構造体８に固有のフォトニックバンドギャップ内部に位置する波長を有する光波３５を欠陥部１５の端面より入射する（出射光を３６で示す）。光波は結晶内部の伝搬を禁じられるため、図１２の構造体は、欠陥部１５を光が伝搬する光導波路を有する構造体となる。
【００５０】
また、図１３と図１４に示す上面図のように、Y字型光導波路３４の分岐部ないし曲がり導波路３３の屈曲部の周囲のみに多次元フォトニック構造体８を配置する構造も構成できる。この多次元フォトニック構造体８は、光導波路３３、３４内部を伝搬する光波の波長域にフォトニックバントギャップを持つように設計されている。光波はフォトニック構造体８内部での伝搬を禁じられるため、分岐または鋭角的な曲がり導波路でも外部へ放射されず、低損失に導波する。
【００５１】
図１４は、４５度の切断面と外部(空気層など)によるミラー構造を曲がり部に持つ曲がり導波路３３の上面図であるが、このミラー部に多次元フォトニック結晶８を配置して更に外部ミラーの機能を持たせ、光波の伝搬損失を減じている。
【００５２】
この様に、フォトニック構造体を、フォトリソグラフィなどで作製する従来の誘電体光導波路の周囲に配置し、ミラーとして使用する事で伝搬損失を低下できる。より具体的には、図１４のように曲がり部に４５度のミラー形状を有する曲がり導波路３３の外部に、第４の実施例で作製する屈折率１．６の０．５μｍの周期を持つ球状粒子六方格子３次元フォトニック構造体８を配置する。この構造体８は６４０ｎｍ付近にフォトニックバンドギャップが位置しているため、光導波路３３内を伝搬するこの波長の光波の曲がり部における伝搬損失を低減出来る。
【００５３】
（第6の実施例）
次に、多次元フォトニック構造体を光波長分波器ないしは光強度分波器として利用する例を述べる。無欠陥な多次元フォトニック構造体８を、図１５(a)に示すように光導波路２１の終端部断面に配置する。フォトニック構造体８は、フォトニックバントギャップ外の波長を持つ光波に対しては２次元の回折格子として機能し、光導波路２１内部を伝搬する光波２２は２次元的な空間広がりを持って出射する。光波２２が単色レーザ光であれば、光波２２の伝搬方向に対して垂直な面(図１５(a)のYZ面)には図１５(b)のようなブラッグ回折スポットパターンが見られる。２３、２４、２５、２６は夫々０次光、１次光、２次光、３次光である。光波２２の波長が短いほど、同一面内でのスポット間隔は減少し、またスポットが高次になるほど光強度は減少する。従って、図１６(a)のように複数の光導波路２１を配置して各光導波路２１を各スポットと結合させれば、光強度分波器として利用することができる。
【００５４】
また、波長の異なる複数の光波２２が光導波路２１内を伝搬するとき、各波長ごとに異なる回折角度を持って分解されるため、複数のスポットパターンが得られる。例として、白色光(可視光)が光導波路２１内を伝搬するとき、化学合成により製造されるポリスチレン球状粒子(屈折率１．６、粒径１μｍ)による六方格子の２次元フォトニック構造体８を光導波路２１端に配置すれば、各スポット２７は図１５(c)に示すように軸の原点Ｏ側が短波長となる波長分布を持つ。図１６(b)のようにバンドルファイバ３２へ結合し、光波長分波器として利用する事が出来る。高次まで回折スポットが見られる場合には、同時に光強度分波器としても用いられる。
【００５５】
より具体的な例を説明する。第1の実施例の手法で作製する屈折率１．６の１．０μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体８を、図１５(a)に示すように矩形導波路２１端面に対し垂直に配置する。この構造体８は可視光波長域にはバンドギャップを持たないので、導波路２１から出射する可視光波長域の光波に対してはブラッグ回折現象を生じさせるのみである。この構造体８に直接、He-Neレーザ等のコヒーレント光を入射すると、図１５(b)の３対称のブラッグ回折スポットが観察される。図１５(a)のように光導波路２１を介したHe-Neレ一ザ光では、導波路２１内の反射により光波が広がりを持つため、多少広がりのあるスポット形状となる。また、この構造体８に白色光を入射すると、図１５(c)のような軸の原点Ｏ側が短波長となる連続的な波長分布を持つ１次スポット２７が観察される。図１６(b)のようにバンドルファイバ３２ヘ結合し、光波長分波器として利用出来る。
【００５６】
（第７の実施例）
少なくとも一部に欠陥１５を有する多次元フォトニック構造体８を、アライメントで３次元的周期性を持つよう積層する。例えば、図１７に示すような数列の欠陥１５を有する２次元フォトニック構造体８を重ねると、連続して繋がった欠陥部１５に光を閉じ込める３次元光導波路となる。このとき、このフォトニック構造８が全方位に渡るバンドギャップを有している必要があり、欠陥部１５に閉じ込めの起こる光波長は、使用するフォトニック構造体８に固有の周期構造と媒質誘電率に依存する。
【００５７】
より具体的な例を説明する。第３の実施例で作製する連続的な欠陥１５を有する屈折率１．６の１．０μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体８の上下が、第１の実施例で作製する欠陥のない２次元フォトニック構造体となるよう、第４の実施例と同様な３次元的最密六方構造として１０層積層する。この構造は、６４０ｎｍ付近の波長の光波を伝搬する光導波路となり、急激な曲げや分岐でも高効率な閉じ込め効果を有する。
【００５８】
（第８の実施例）
図１８に示すような発光素子２８や受光素子２９を含み電気配線を有する配線基板３１の一部に、欠陥１５を有する３次元フォトニック構造体８を埋め込む例について述べる。図１８では電気配線基板３１に凹部３０を設け、その壁面に半導体レーザ等の発光素子２８とフォトダイオード等の受光素子２９を配置している。一方で、配線基板３１上の発光素子２８、受光素子２９と光結合するような３次元フォトニック構造体８を製造し、配線基板凹部３０へ挿入する。この構成では、電気配線基板３１と光配線部すなわち３次元フォトニック構造体８との製造プロセスを同時に行えるという利点がある。また、第７の実施例と同様に導波路の曲がり部が円弧である必要がなく、光配線経路を立体的に構成できる事から、交差部の問題がなく、従来の光導波路と比較して素子の小型化が可能である。
【００５９】
より具体的な例を説明する。第７の実施例の連続的な欠陥１５を有する屈折率１．６の１．０μｍの周期を持つ球状粒子六方格子２次元フォトニック構造体８を、図１８に示すような発光波長６５０ｎｍの半導体レーザ２８とフォトダイオード２９を含み電気配線を有する配線基板３１の一部に埋め込む。電気配線基板３１は、３次元フォトニック構造体に対応する凹部３０が設けてあり、その壁面には、３次元フォトニック構造体を挿入したときに、連続した欠陥部１５の始端側に半導体レーザ２８、終端側にフォトダイオード２９が位置するような構造である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明により、従来技術の課題が解決され、光波長程度の周期を持つ無欠陥ないし欠陥部のあるフォトニック構造体とその応用機能素子が柔軟かつ確実に実現され、更にそれらの簡易な製造方法も実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a)、(b)、(c)は、本発明の工程に用いられる原盤の例を示す斜視図である。
【図２】図２(a)、(b)、(c)、(d)は、球状凹凸構造の型の製造法の例を示す断面図である。
【図３】図３は、図２(d)の構造において空気孔を空けた型を示す断面図である。
【図４】図４は、無欠陥多次元フォトニック構造体の製造法の断面図である。
【図５】図５(a)、(b)は、矩形凹凸構造の原盤または型の例を示す本発明の第２の実施例の上面図である。
【図６】図６(a)、(b)は、図５の原盤または型を用いて製造される矩形２次元フォトニック構造体の一例を示す上面図と斜視図である。
【図７】図７(a)、(b)は、欠陥を製造する手法の一例を示す本発明の第３の実施例の断面図である。
【図８】図８(a)、(b)、(c)は、欠陥を製造する手法の他の例の断面図である。
【図９】図９(a)、(b)は、３次元フォトニック構造体を示す本発明の第４の実施例の断面図である。
【図１０】図１０(a)、（ｂ）は、１層目と２層目の原点が同一Z軸上にある球状粒子正方格子３次元フォトニック構造体の斜視図と上面図、図１０(c)、(d)は、１層目と２層目の原点がXY平面内に半周期ずれる球状粒子正方格子３次元フォトニック構造体の斜視図と上面図である。
【図１１】図１１(a)、（ｂ）は、１層目と２層目の原点が同一Z軸上にある矩形３次元フォトニック構造体の斜視図、及び１層目と２層目の原点がXY平面内に半周期ずれる矩形３次元フォトニック構造体の斜視図である。
【図１２】図１２(a)、(b)は、２次元フォトニック構造体による光導波路を示す本発明の第５の実施例の斜視図である。
【図１３】図１３は、周辺に多次元フォトニック構造体を配置したY字分岐路の上面図である。
【図１４】図１４は、曲がり部に多次元フォトニック構造体を配置した曲がり導波路の上面図である。
【図１５】図１５(a)、(b)、(c)は、端に多次元フォトニック構造体を配置した光導波路を示す本発明の第６の実施例の斜視図、フォトニック構造体に単色光を入射したときのブラッグ回折パターンの図、フォトニック構造体に白色光を入射したときのブラッグ回折パターンの図である。
【図１６】図１６(a)、(b)は、フォトニック構造体を光波長分波器ないしは光強度分波器として用いるときの光結合系の例の斜視図である。
【図１７】図１７は、欠陥を有する多次元フォトニック構造体を積層する一例を説明する本発明の第７の実施例の斜視図である。
【図１８】図１８は、多次元フォトニック構造体を、電気配線等を施した基板に挿入する一例を説明する本発明の第８の実施例の斜視図である。
【符号の説明】
１ 矩形凹凸構造を持った原盤
２ 球状凹凸構造を持った原盤
３ Si基板
４ V溝
５ 基板
６ スタンパ材による型
７ 硬化性液状材料
８ 硬化した液状材料の2次元フォトニック構造体
９ 矩形フォトニック構造体によって製造した型
１０ 凹部
１１ 光機能材料
１２ 光機能材料１１とは異なる光機能材料または空気
１３ マスク
１４ マスクの光非透過部
１５ 非硬化部(欠陥)
１６ UV光
１７ 空気孔
１８ 硬化性液状材料７とは異なる硬化性液状材料
１９ １層目の原点
２０ ２層目の原点
２１ 光導波路
２２ 光波
２３ ０次光
２４ １次光
２５ ２次光
２６ ３次光
２７ 白色光の１次回折スポット
２８ 半導体レーザ
２９ フォトダイオード
３０ 凹部
３１ 配線基板
３２ バンドルファイバ
３３ 曲がり導波路
３４ Y字型光導波路
３５ 入射光
３６ 出射光
Claims (3)
- ２次元周期性を持った凹凸構造を原盤とし、スタンパ材料を堆積し剥離することにより前記凹凸構造の反転構造を有する型を形成し、該型を利用して２次元屈折率周期構造を得るフォトニック構造体の製造方法であって、
前記型の一部分に光機能材料を充填、硬化した後、前記一部分とは異なる非充填部分に、前記光機能材料とは異なる光機能材料を充填、硬化し、前記屈折率周期構造に欠陥部を形成することを特徴とするフォトニック構造体の製造方法。 - ２次元周期性を持った凹凸構造を原盤とし、スタンパ材料を堆積し剥離することにより前記凹凸構造の反転構造を有する型を形成し、該型を利用して２次元屈折率周期構造を得るフォトニック構造体の製造方法であって、
前記型に光機能材料を充填、硬化する際、前記光機能材料の一部分に非硬化部を形成し、該非硬化部を取り除くことで前記屈折率周期構造に欠陥部を形成することを特徴とするフォトニック構造体の製造方法。 - 前記一部分をマスクで覆うことにより非硬化部を形成する請求項２に記載のフォトニック構造体の製造方法。
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