JP5336556B2

JP5336556B2 - 光共振器およびその製造方法

Info

Publication number: JP5336556B2
Application number: JP2011172034A
Authority: JP
Inventors: 栄一倉持; 雅也納富
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: JP2013037124A

Description

本発明は、現在の標準的な光部品よりも数桁程度サイズが小さく、ナノフォトニクスと呼ばれる次世代光部品に関する。より詳細には、次世代光部品を他の光波回路や電子回路へ集積し組み込むのを容易にする光共振器構造に関する。

ナノフォトニクスとは、サブマイクロメートルの寸法の要素からなる光部品、配線および集積回路のことである。ナノフォトニクスは、次世代の光回路および光機器のプラットフォームとなることが期待されている。とりわけ、部品サイズの圧倒的な小型化による（１）機器の小型化、（２）省資源化、（３）低コスト化、および（４）シリコンチップ（電子集積回路）との融合および混載が、ナノフォトニクスに期待されている。

ナノフォトニクスにおける代表的な要素技術は、フォトニック結晶である。フォトニック結晶は、穴または柱等のサブミクロン要素部材を周期的に配置することによって特有の光学特性を創出し、光の伝搬や分散等を制御できる人工結晶である。その微細さのために、フォトニック結晶の作製には高精度な微細加工技術を必要し、作製が容易とは言えない。しかしながら、近年の関連する技術の進歩により、実用的な性能を持ったフォトニック結晶が実現されつつある。

特に、ナノ共振器と呼ばれる超小型光共振器は非常に高いＱ値を有することに特徴がある。光共振器のＱ値は、光の漏れの少なさを表し、捕獲時間に逆比例する指標である。高いＱ値を有する超小型光共振器は、基幹的な光部品であるレーザ、変調器、光メモリ、光受光器への応用が期待されている。

サブミクロン要素部材が周期的に配置される方向、すなわち周期（繰り返し距離）が１つの方向にのみ存在するフォトニック結晶を、１次元フォトニック結晶と呼ぶ。フォトニック結晶の周期は、「格子定数」ａとも呼ばれ、穴などの要素部材が繰り返し配置されるときの要素間の繰り返し距離（間隔）を意味する（一般に、格子定数は斜体字のａで表されるが、以後、簡単のため通常文字のａで示す）。以下、用語「周期」は、フォトニック結晶の格子定数を意味するものとする。

２次元、３次元などのより高次元の周期構造を持つフォトニック結晶と比較して、１次元フォトニック結晶は構造がシンプルでサブミクロン要素部材の数もはるかに少ない。フォトニック結晶の作製の難易度もより小さくなる。従来からの課題であったフォトニック結晶としての性能についても、発明者らは、高次元フォトニック結晶に劣らない性能を１次元フォトニック結晶で実現する手法を示している。

Eiichi Kuramochi et al., "Ultrahigh-Q one-dimensional photoniccrystal nanocavities with modulated mode-gap barriers on SiO2 claddingsand on air claddings," OPTICSEXPRESS, Vol.18, No.15,pp.15859-15869, Bong-Shik Song et al.,"Symmetrically glass-clad photonic crystal nanocavities with ultrahigh quality factors," Optics Letters 36, 91 (2011).

フォトニック結晶素子を応用展開するに当たって重要な課題は、フォトニック結晶と、光波回路または電子回路との集積化および融合を実現することである。ここで、光波回路とは、フォトニック結晶を使わない従来技術、すなわち屈折率の異なるコアとクラッドからなる光導波路をベースとした光素子および光回路を意味する。具体的にはリング導波路共振器、端面発光型半導体レーザ、光変調器、光スイッチ、導波路型光受光器、これらをつなぐ光配線（導波路）等既存の通信用光部品に広く採用されている技術である。

集積化による高機能化、高効率化および低コスト化を究極的に進めるためには、フォトニック結晶と、光波回路または電子回路とを、同一の基板上に集積して加工することが求められる。例えばシリコンからなるフォトニック結晶は、同じシリコンからなる光波回路または電子回路との集積が原理的に可能である。一方、工業的視点から集積化するメリットを得るためには、結晶および各回路の構造上の互換性や、集積される要素間で加工技術における互換性が重要となる。集積する各要素間で構造や使用される加工技術がばらばらで統一されていなければ、集積化の効率の低下やコスト増加を招くためである。

従来技術において提案されてきたフォトニック結晶の設計では、単体での性能追求を最優先にしていた。このため、フォトニック結晶と、集積化される対象の光波回路または電子回路との互換性は十分には考慮されていなかった。例えば、典型的な２次元フォトニック結晶においては、集積化の観点から酸化膜による埋め込み構造が検討されてきたが、共振器のＱ値が高い構造は容易には実現できなかった。また、２次元フォトニック結晶は、構造の非対称性に極めて敏感であり現実的なシリコン電子・光子回路と集積して使用することは困難であった。以下、従来技術における問題について、さらに詳細に説明する。

図１は、従来の代表的なフォトニック結晶の構成を示す図である。図１の（ａ）および（ｂ）は、エアブリッジ構造による２次元フォトニック結晶および１次元フォトニック結晶の構成例をそれぞれ示している。エアブリッジ構造は、結晶部分が基板から空隙を空けて中空構造となっていることを特徴とする。たとえば、（ａ）に示した２次元フォトニック結晶１１は、ｘ方向およびｚ方向に周期的に穴１２が配置され、空気１０によって囲われた構造を持つ。（ｂ）に示した１次元フォトニック結晶１４は、ｚ方向に周期的に穴１４が配置され、空気２０によって囲われた構造を持つ。フォトニック結晶１１、１３は、図には示していない基板によって少なくとも２端で空気中に保持される。

フォトニック結晶では、周期構造を持たない方向について、光閉込を半導体と空気との屈折率差により行っている。このため、（ａ）および（ｂ）に示したように、結晶部１１、１３の周囲を全て空気で囲うことによって、性能面での制約を最も小さくすることができる。性能面においては、エアブリッジ構造は最適な構造である。したがって、各種の結晶材料系において、このエアブリッジ構造によって共振器Ｑ値の最高性能が達成され、報告されてきた。

しかしながらエアブリッジ構造は、フォトニック結晶と、他の電子回路または光波回路との集積を行うためには適していない。シリコン結晶１１、１３が剥き出しとなっており、また、中空構造であることによって機械的に脆弱なため、エアブリッジ構造に対して他のプロセス処理を適用できないからである。例えば、エアブリッジ構造の完成後に、集積する電子回路または光波回路部分の加工に必要とされるエッチング、成膜、電極形成および熱処理等のプロセス処理の多くを、適用することができない。結局、フォトニック結晶と、電子回路または光波回路とを集積するためには、電子回路または光波回路を形成した後でエアブリッジ加工を行うしかない。

この加工順序では、ウェハ内でフォトニック結晶の下側部分のみを選択的に除去する特殊な工程が必要となり、そもそもこのような工程を実施すること自体が難しい。その上に、このような特殊な工程は、作製済みの電子回路や光波回路の品質を損なう恐れもある点で問題であった。さらに、フォトニック結晶が空気以外の材料に触れたり埋め込まれたりすると所定の性能が発揮できないため、加工完了後の実使用状態においてフォトニック結晶が中空で剥き出しの状態を終始維持する必要があった。

シリコンフォトニクスやシリコン電子回路においては、層間分離膜や封止膜として、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の誘電体膜が採用されている。作製プロセスの各工程をも含めて、フォトニック結晶とこれらの酸化膜や誘電体膜とを集積化するときの整合性を高めるためには、シリコン酸化膜等の誘電体膜で埋め込んだ状態でも必要な性能を発揮するフォトニック結晶を採用するのが望ましい。

フォトニック結晶を囲んでいる空気部分をより屈折率の高い誘電体に置き換える場合、最大の課題は光損失の増加であった。３次元波数ベクトル空間において、ライトコーンと呼ばれる領域内の波数成分を有する光は、結晶から外部に漏れやすいことが知られている。フォトニック結晶を囲んでいる空気部分を誘電体に置き換えると、ライトコーンが拡大するため光損失が大きくなりやすい問題があった。

また図１の（ａ）で示したような、結晶内の要素構造が２次元面内方向（ｘ−ｚ面）に存在し、上下方向は屈折率差によって光を閉じ込めるスラブ型２次元フォトニック結晶においては、上下方向（ｙ方向）の対称性が少しでも損なわれると性能が大きく損なわれる問題が報告されている（非特許文献２）。一般的な加工プロセスを使った場合、フォトニック結晶の下側および上側の誘電体の屈折率を一致させるのは困難である。スラブ型２次元フォトニック結晶の場合、性能低下を回避するのは困難であった。

さらに、上下方向について対称にする意味では、フォトニック結晶の上側および下側の両方の誘電体の膜厚を共に同等程度の厚さとする必要があった。一般に、フォトニック結晶および基板の間の光絶縁のために、フォトニック結晶の下側には、少なくとも５００ｎｍ以上の誘電体膜厚が必要である。一方で、別の要請によって、フォトニック結晶の上側の誘電体膜を例えば１００ｎｍ程度に抑える必要があるような場合では、非対称性のために、フォトニック結晶に必要とされる性能の確保は困難であった。

１次元フォトニック結晶は、スラブ型２次元フォトニック結晶に比べてモードの設計自由度が大きく、結果的にフォトニックバンドギャップ内に、シングルモードでライトコーンの影響を受けにくい伝搬モードを実現できる。したがって、図１の（ｃ）に示したように、上下方向に著しい非対称性があり、かつ、フォトニック結晶１５の底面が低屈折率媒体であるシリコン酸化膜１７（屈折率１．４）に接しているＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造３０を利用することができる。最近、発明者らは、ＳＯＩ構造を利用して適切な設計を行うことで、高い性能のフォトニック結晶共振器を実現できることを報告している（非特許文献１）。

ＳＯＩ構造３０は、エアブリッジ加工の特殊な工程を必要とせず、エアブリッジ構造と比べて作製がより単純であり、また機械的にも安定堅牢である利点がある。しかし３面および結晶穴が空気に剥き出しとなっている点では、ＳＯＩ構造３０は、依然としてエアブリッジ構造と同様の問題を残していた。１次元フォトニック結晶において、全面を同じ材料の酸化膜で埋め込んで、かつ１００万以上のＱ値の実現可能性のある高性能共振器構造は報告されていない。フォトニック結晶と、光波回路や電子回路との集積融合するメリットを得るためには、ただ構造を共通化するだけでは不十分であった。集積化される他の回路の要素と同一の材料を使用し、しかも同時に一括して加工をすることが可能であって、完全なフォトニック結晶の埋込を実現することが求められていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１次元フォトニック結晶において、結晶を低屈折率材料で埋め込んだ状態でＱ値等の性能が十分高い光共振器を実現することにある。低屈折率材料は、一般に層間分離膜または封止膜に使われている材料を含んでおり、多様な光波回路または電子回路集積素子にナノ共振器を組み込むことがより容易になる。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１次元フォトニック結晶を用いた光共振器において、低屈折率材料層の上に形成された、高屈折率材料層からなる概ね直方体形状のフォトニック結晶であって、その内部に、前記直方体の長手方向に、周期的に配列された格子定数ａを有する複数の要素構造を有し、結晶の厚さが前記格子定数ａの０．７５〜１．２５倍の範囲にあるフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶よりも低い屈折率を有し、前記フォトニック結晶の上方を覆う埋め込み層とを備えたことを特徴とする光共振器である。すでに述べたように、格子定数ａ（Lattice Constant）は、要素構造の繰り返し距離を意味している。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光共振器であって、前記複数の要素構造は、前記フォトニック結晶内に形成された柱状もしくは円柱の穴であって、前記埋め込み層は、前記複数の要素構造の内部も充たしており、前記フォトニック結晶と集積可能な光波回路もしくは電子回路において利用される層間分離膜または封止膜を形成するのと同一な方法によって構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１の光共振器であって、前記低屈折率材料層および前記高屈折率材料層は、それぞれ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン酸化膜層およびＳＯＩ層を利用して構成され、前記埋め込み層はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を含む誘電体で構成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１の光共振器であって、前記フォトニック結晶の前記長手方向に平行な両側面に接して、前記高屈折率材料層をエッチングすることによって除去されて残存する前記高屈折率材料により形成され、前記埋め込み層によって覆われたサイドスラブをさらに備えたことを特徴とする。

請求項１の光共振器において、前記複数の要素構造の内部は、ボイド空気穴とすることもできる。好ましくは、前記高屈折率材料層は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮおよびＳｉＣのいずれかで形成することができる。

請求項５に記載の発明は、格子定数ａを有する複数の要素構造が形成された１次元フォトニック結晶を用いた光共振器を作製する方法において、基板および低屈折率材料層が順次形成された多層構造上に、前記格子定数ａの０．７５〜１．２５倍の範囲にある厚さを有する高屈折率材料層を形成するステップと、前記高屈折率材料層の上にレジスト層を形成するステップと、前記レジスト層をパタニングして、フォトニック結晶の外形、および、前記複数の要素構造を形成するためのマスクを形成するステップと前記マスクを通して、前記高屈折率材料層をエッチングするステップであって、エッチングによって、前記複数の要素構造および前記フォトニック結晶を形成するステップと、前記形成されたフォトニック結晶を覆う埋め込み層を形成するステップとを備えることを特徴とする光共振器の作製方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項５の方法であって、前記複数の要素構造は、前記フォトニック結晶内に形成された柱状もしくは円柱の穴であって、前記埋め込み層は、前記複数の要素構造の内部も充たしており、フォトニック結晶を覆う埋め込み層を形成する前記ステップは、前記フォトニック結晶と集積可能な光波回路もしくは電子回路において利用される層間分離膜または封止膜を形成するのと同一の方法を使用して形成されることを特徴とする。

好ましくは、前記高屈折率材料層は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮおよびＳｉＣのいずれかで形成することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項５の方法であって、前記低屈折率材料層および前記高屈折率材料層は、それぞれ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン酸化膜層およびＳＯＩ層を利用して構成され、前記埋め込み層はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を含む誘電体で構成されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５の方法であって、フォトニック結晶を覆う埋め込み層を形成する前記ステップは、前記複数の要素構造の内部をボイド空気穴として形成するためのステップを含むこと特徴とする。

以上説明したように、本発明により、多様な光波回路または電子回路集積素子にナノ共振器を組み込むことが容易になる。フォトニック結晶と集積化される他の回路の要素と同一の材料を使用し、同時に一括して加工をすることが可能であって、フォトニック結晶の完全な埋込を実現する。

図１は、従来技術における光共振器構造例を説明する図である。図２は、本発明に係るフォトニック結晶を用いた光共振器の基本構成を示す図である。図３は、本発明に係る光共振器においてフォトニック結晶の厚さとＱ値との関係のシミュレーション結果を示した図である。図４は、本発明に係る光共振器において穴半径ｒ₀と共振器特性（Ｑ値および発振波長）の関係を結晶厚さｔおよび結晶幅Ｗをパラメータとして示した図である。図５は、本発明の光共振器の実際の作製手順を示す図である。図６は、本発明に係る光共振器のシリコン酸化膜の膜厚とＱ値との関係の数値シミュレーション結果を示した図である。図７は、本発明に係る光共振器がサイドスラブを有する場合の共振器Ｑ値の数値シミュレーション結果を示した図である。図８は、フォトニック結晶の厚さｔが２８０ｎｍの場合について、結晶幅Ｗと共振波長との関係を示した図である。

本発明に係る光共振器は、所定の関係にて穴径が設定され、一列に一定周期で並んだ結晶穴を持つ１次元のフォトニック結晶を利用する。さらに、フォトニック結晶部材の厚さを所定の範囲に設定する。本発明では、光波回路・電子回路において層間分離膜や封止膜としての役割を果たしている低屈折率のシリコン酸化膜を使用して１次元フォトニック結晶共振器を埋め込み、必要十分なＱ値を確保することができる。光波回路または電子回路で必要とされる様々な仕様の層間分離膜または封止膜を利用して、フォトニック結晶と、光波回路または電子回路とを集積化する。

図２は、本発明のフォトニック結晶を用いた光共振器の基本構成を示す図である。光共振器１００は、シリコン基板１と、周期的に配置された穴５を有する１次元シリコンフォトニック結晶２と、基板１およびフォトニック結晶部材２の間にあってフォトニック結晶部材２よりも十分低い屈折率を持つ下部シリコン酸化膜層３とから成る。さらに、シリコンフォトニック結晶２は、フォトニック結晶部材２よりも十分低い屈折率を持つ上部シリコン酸化膜４で完全に被覆し、結晶穴５の内部は上部シリコン酸化膜４と同一のシリコン酸化膜で満たされている。

１次元シリコンフォトニック結晶２は、概ね直方体の形状をしており、直方体の長手方向に、例えば円柱、柱状の形状をした複数の要素構造が、格子定数ａ（周期または繰り返し距離）で配置されている。

具体的には、結晶穴５が配置される周期すなわち格子定数ａを３３０ｎｍ、結晶幅Ｗ_PCを６００ｎｍ、上部シリコン酸化膜層２および下部シリコン酸化膜層３の厚さをそれぞれ各２μｍとする。結晶穴５の半径については共振器の中心位置にある穴（０番目）から数えてｎ番目の穴半径ｒ_nを次式で設定する。
ｒ_n＝ｒ₀×｛１−（ｎ／ｍ）²）｝式（１）

ここではｒ₀を格子定数ａの０．３９倍、ｍを１８とする。ｍを１０以上とし、式（１）にしたがって穴の半径を緩やかに変調をして変化させることでフォトニックバンドギャップ中の導波モードにモードギャップを導入することができる。共振器の中心付近に、非常に漏れを抑制した光閉込を実現できる。（非特許文献１）
図２に示した光共振器１００は、さらにフォトニック結晶２の両側にサイドスラブ層６を有する。サイドスラブ層６については後述するが、ここでは、サイドスラブ層６の厚さが０であって、上部シリコン酸化膜層４が下部シリコン酸化膜層３と直接接している場合を考える。図２に示した本発明の光共振器の構造が、所望の光共振器性能を有することについて数値シミュレーションによる検証を行った。以下、シミュレーションによる結果について詳細に説明する。

以下の数値シミュレーションは、電磁界シミュレーション法として確立されており市販ソフトとしても普及しているＦＤＴＤ法(Finite difference time domain method:有限領域時間差分法）を利用した。ＦＤＴＤ法によって共振器閉込モードを求め、その共振波長、Ｑ値およびモード体積を算出した。計算方法としては現実的で精度の高い３次元計算を使用し、屈折率値をそれぞれ、シリコンは３．４６、酸化膜は１．４４、空気は１．０とした。上記各数値を基に、図２に示した構造を設定しシミュレーションを行った結果を以下に示す。

図３は、フォトニック結晶の厚さとＱ値との関係のシミュレーション結果を示す。ここでは、フォトニック結晶２の幅を６００ｎｍとし、厚さを２１０ｎｍから４００ｎｍになるまで変化させたときのＱ値の変化を示している。現実のＱ値が１０万以上のナノ共振器においては、加工誤差等の影響によりシミュレーションによる予測より１桁程度Ｑ値が低下する。したがって、計算値の時点でＱ値が数百万以上あることが望ましい。図３において、Ｑ値は概ね１０００万程度あるいはそれを超える十分な範囲にある。ただし、図３におけるＱ値の結果は、１種類の穴径ｒ₀およびフォトニック結晶の格子定数ａの組み合わせにおいてのみの確認である。さらに、結晶構造のより広範なパラメータ設定値における共振器特性の評価を行った。

図４は、穴半径ｒ₀と共振器特性（Ｑ値および発振波長）の関係を結晶厚さｔおよび結晶幅Ｗをパラメータとして示した図である。具体的には、フォトニック結晶２の厚さｔが２８０ｎｍおよび２１０ｎｍの２つの場合について、穴５の半径ｒ₀を変えて共振器特性、すなわちＱ値および発振波長の依存性を調べた。横軸には、穴半径ｒ₀を格子定数ａで正規化した値をとっている。

図４の（ａ）に示すように、フォトニック結晶の厚さｔ＝２８０ｎｍの場合、いずれの結晶幅Ｗでも、広い範囲のｒ₀に対し１０⁷以上の非常に高いＱ値が得られた。モード体積も全域で０．１μｍ³を下回る優れた値であった。（ｂ）に示したように、共振波長λ_Cも半径ｒ₀および結晶幅Ｗを適切に設定することによって、光通信で使われる１５００ｎｍから１６００ｎｍの範囲の波長帯のどこかに合わせることが可能であって、実際の光通信システムへの応用にも優れている。

図８は、フォトニック結晶の厚さｔが２８０ｎｍの場合で、結晶幅Ｗと共振波長との関係を示した図である。ｒ₀／ａをパラメータとして、結晶幅Ｗと共振波長λｃとの関係が示されている。フォトニック結晶の結晶幅Ｗと穴の半径ｒ₀とを適切に選択することによって、共振波長λｃを任意の値に設定できことがわかる。本発明の構成においては、この発振波長設定の容易性が特徴の１つである。

ここで、再び図４に戻ると、図４の（ｃ）および（ｄ）には、従来のシリコン光波回路や２次元フォトニック結晶でよく使われてきたフォトニック結晶の厚さｔが２１０ｎｍの場合のシミュレーション結果が示されている。図４の（ｃ）に示したように、穴の半径ｒ₀を格子定数ａの０．３９倍前後にした場合でのみ、高いＱ値の性能が得られることが分かった。一報、半径ｒ₀を格子定数ａの０．３６倍以下にするとＱ値が下がるだけでなく、光共振器の中心位置で電磁界強度が最大になる（腹になる）ガウシアン的な電磁界分布を示す共振器モードが得られなくなり、モード体積が増大してしまうことが分かった。ガウシアン的な電磁界分布を示す共振器モードはナノ共振器の特徴的な動作であり、この共振器モードが得られなければナノ共振器の特徴を生かすことができない。上述のように、フォトニック結晶の厚さｔが２１０ｎｍの場合は、高Ｑ値モードが得られる条件が極めて狭い範囲に限定され、発振波長の設定などを行いにくい。このため、従来のシリコン光波回路や２次元フォトニック結晶でよく使われてきた厚さｔが２１０ｎｍは、本発明の光共振器の構造に適した条件から外れている。

一方、図４の（ａ）および（ｂ）に示したように、フォトニック結晶の厚さｔが２８０ｎｍの場合は、ｒ₀の全域でガウシアン的な共振器モードが安定して得られる。図３で示されたように、シミュレーションを行った本発明の光共振器では、格子定数ａの値３３０ｎｍに対してフォトニック結晶厚さが２５０ｎｍ以上であれば、十分なＱ値を持つ共振器性能が十分広いパラメータ調整範囲（発振波長）において実現可能である。

フォトニック結晶の厚さの上限については、主に結晶や接続する光導波路の偏光依存性により決まる。本発明の共振器では、加工が容易な縦方向の結晶穴に整合したＴＥ偏光モードを利用している。フォトニック結晶の幅Ｗに対して結晶の厚さｔが大きくなると、ＴＥ偏光モードよりもＴＭ偏光モードに適した構造になってくる。さらには、両モードが混在することによる性能低下の問題も生ずる。共振器単体だけを考えた場合、本発明におけるフォトニック結晶２の適切な厚さｔは、格子定数ａの０．７５倍から１．２５倍の範囲と言うことが出来る。

さらに、フォトニック結晶とシリコン光波回路や電子回路とを集積化する場合、光波回路または電子回路側との整合性を考えれば、フォトニック結晶の厚さｔは３００ｎｍ以下とするのが望ましい。フォトニック結晶を作製するのに使うのと同じＳＯＩ層上に並べて集積対象の光波回路および電子回路を作成するようなモノリシック集積を考えると、フォトニック結晶の厚さと、他の光波回路または電子回路と厚さが概ね一致しているほうが有利だからである。例えば、対象となるシリコン光波回路がシリコンフォトニクスで使われるシリコン細線（ナノ導波路）の場合、３００ｎｍ以下の厚さが好ましい。

図５は、本発明の光共振器の実際の作製手順を示す図である。本発明の光共振器は、広く市販されコンピュータの量産ＣＰＵチップの基板に採用されているＳＯＩ基板をベースとして、以下のように作製できる。ＳＯＩ基板は、厚いシリコン基板２１上に所定の厚さの埋込み酸化層２２（buried oxide ：ＢＯＸ）およびシリコン薄膜デバイス層２３（ＳＯＩ層）が載った複層基板である。市販のＳＯＩ基板では、基板、ＢＯＸ層およびＳＯＩ層の各厚さを製造時に指定できるようになっている。ステップ１のＳＯＩ基板完成時においては、基板２１、ＢＯＸ層２２およびＳＯＩ層２３の厚さは、それぞれ所定の値になっている。

ステップ２では、ＳＯＩ基板上に、リソグラフィによるパタニングの際にマスク型となるレジスト層２４を塗布形成する。ステップ３では、ガイド溝２５および結晶穴２６を加工するために、レジスト層２４にマスクパタンをリソグラフィ装置によって露光および現像し、パタニングを行う。例えば電子線リソグラフィおよびポジ型レジストの組み合わせの場合、真上から見て正確に電子線レジスト（ポジ型）を塗布し、ガイド溝２５および結晶穴２６に該当する部分を電子線によって塗りつぶす。さらに、引き続きを加工する部分を電子線によって描画する。その後、レジスト層１４を現像することによって、ガイド溝２５および結晶穴２６になる部分のレジストが除去され、窓となってマスクパタンが完成する。

ステップ４では、ＳＯＩ層２３に対してドライエッチングを行う。ドライエッチングの際、レジスト層２４がマスクとして働くため、窓が開いているガイド溝２５および結晶穴２６の部分のＳＩＯ層のみが選択的にエッチングされる。ガイド溝２５および結晶穴２６が、ＳＯＩ層２３を貫通してそれぞれ形成され、ＢＯＸ層２２にまで達したところでエッチングを停止する。ステップ５において、残っているレジスト層２４を除去しクリーニングを行う。ステップ５の時点で、ＳＯＩ型フォトニック結晶構造が完成する。

最後のステップ６において、シリコン酸化膜の成膜により上部シリコン酸化膜層２７を形成する。ガイド溝２５および結晶穴２６を上部シリコン酸化膜層２７によって完全に埋め込むことによって、本光共振器が完成する。フォトニック結晶のシリコン酸化膜による埋込は、段差被覆性に優れシリコン電子回路製造にも使われているイオンビームスパッタ法やＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法等ならば可能と考えられる。

本発明の光共振器を光波回路に接続する場合、実用的な光素子における値として光透過率を適切に設定すれば、穴の総数は２０から３０個程度となる。２次元フォトニック結晶では、通常数１００個の穴が必要となるのとは対照的に、フォトニック結晶型光共振器としては穴の数は非常に少ない。穴の数が少なくて済むことによって、フォトニック結晶デバイス自体の占める面積を抑え、デバイスを非常に小型化できる。さらには、フォトニック結晶の穴が一直線上にしか存在しないので、リソグラフィによる作製を容易にできる。

本発明の光共振器は、構造パラメータの許容範囲が広く、発振波長等の動作条件の設定の柔軟性に優れている点に特徴がある。穴の周期（繰り返し間隔）、穴径およびフォトニック結晶の幅を変化させることで、高いＱ値を維持したままで共振器の発振波長のチューニングが可能である。また本発明において、図２に示した埋込層である上部シリコン酸化膜４の膜厚を薄くしてもＱ値は維持される。次に、埋込層の厚さの効果について説明する。

図６は、上部シリコン酸化膜の膜厚とＱ値との関係の数値シミュレーション結果を示す図である。図６において、最も左側のプロット点におけるシリコン酸化膜の厚さは０であり、左から２番目のプロット点におけるシリコン酸化膜の厚さは３２０ｎｍである。厚さが２８０ｎｍのフォトニック結晶を、厚さが３２０ｎｍの上部シリコン酸化膜で埋め込んで平坦化をした場合、フォトニック結晶上は４０ｎｍの厚さでしか埋め込まれていないことになるが、それでも高い共振器Ｑ値が維持される。

一般的な埋込酸化膜の製膜手段を使用した場合、上部シリコン酸化膜の屈折率はＢＯＸ層の熱酸化シリコンの屈折率と若干異なる値になる。図２に示した本発明の光共振器では下部シリコン酸化膜層３と、埋め込み層である上部シリコン酸化膜層４との間に、屈折率の差があっても高い共振器Ｑ値は維持される。上述のように本発明では、埋込層の屈折率や膜厚にかかわらず光共振器に必要な性能を実現できるので、フォトニック結晶における埋込層を、集積対象となる光波回路または電子回路で使われる埋込層と同一のものに合わせることができる。これによって、デバイスの構造およびデバイスの加工工程の両面において、フォトニック結晶と、光波回路または電子回路との間の互換性を確保できる。

図２に示した本発明の共振器は、サイドスラブ層６が設けられている場合でも有効である。サイドスラブは、光共振器を電気駆動する際に電気導線の役割を果たす。本発明の光共振器では、フォトニック結晶２と同様にシリコンＳＯＩ層を加工して作製する。

図７は、本発明の光共振器が有限の厚さのサイドスラブを有する場合の共振器Ｑ値の数値シミュレーション結果を示す図である。図２に示した構造において、ｒ₀を格子定数ａの０．３９倍、サイドスラブ層６はシリコン、その幅を２μｍとして、サイドスラブ層の厚さを変えてシミュレーションを行った。図７からわかるように、電流を流すのに十分な４０ｎｍ程度のサイドスラブ膜厚において、１０⁶程度の十分に高い共振器Ｑ値が実現されている。

以上のように、図２に示した本発明の光共振器の構成について、結晶穴５が埋込層である上部シリコン酸化膜４と同じ材料によって完全に埋め込まれている場合を述べてきた。しかしながら、上部シリコン酸化膜層の材料を同程度の屈折率を持ったシリコン窒化膜、その他の誘電体に置き換えることができる。また、シリコン結晶部分の材料を屈折率の高いＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＳｉＣ等のいずれかの半導体に置き換えることもできる。

さらに、本共振器における結晶穴５の中が全て空気であっても、高い性能の光共振器を得ることができる。例えばシリコン酸化膜の製膜法および成膜条件によっては、結晶穴部分を埋め込む代わりにボイド空気穴として保持し、フォトニック結晶全体を埋め込む状態を実現しやすい場合がある。そのような場合には、ボイド空気穴を形成することを前提として、構造パラメータを選択する設計を行うことで、高性能な光共振器が実現できる。

既に述べたように、本発明において使用しているＳＯＩ基板は、ＳＯＩウェハを入手する際に、ＢＯＸ層およびＳＯＩ層の厚さを仕様値として設定することができる。フォトニック結晶部材２および下部シリコン酸化膜層３の厚さは、ＳＯＩウェハ製造時点に設定すれば良い。図２に示した本発明のフォトニック結晶の加工およびシリコン酸化膜の堆積などは、実際に半導体集積回路製造に現在使われている微細加工技術と互換性がある。サイドスラブ６が無くても光共振器として機能するが、光共振器を電気駆動するような用途において電気配線層としてサイドスラブを配置することができる。サイドスラブの材料をシリコンとし、適切な厚さに設定すれば、十分な光共振器性能を確保できる。

従来技術における代表的な２次元フォトニック結晶では、通常、結晶層の厚さを結晶の格子定数（周期）の０．５倍程度に設定していた。これは、フォトニック結晶においてフォトニックバンドギャップの帯域およびフォトニックバンドギャップの効果を最大にするためである。シリコン酸化膜は屈折率が１．４程度と空気の１．０よりも高く、フォトニック結晶（シリコン）との屈折率差が小さくなる。このため、フォトニック結晶層の厚さを結晶の格子定数（周期）の０．５倍程度に設定すると、十分な光共振器の性能を得ることが難しかった。結局、フォトニックバンドギャップの効果と、光共振器の性能とを両立することは難しかった。

これに対して、本発明の光共振器で用いられている１次元フォトニック結晶は、バンドギャップ帯域が非常に大きく、従来技術の２次元フォトニック結晶に比べて、結晶の厚さの影響を受けにくいという特徴がある。

本発明の光共振器では、２次元フォトニック結晶において、構造の非対称性によって生じていた問題も回避することができる。１次元フォトニック結晶を用いる場合、ＴＥ偏波モードのシングルモードとして、ＴＭ偏波モードを排除する設計が可能である。この１次元フォトニック結晶の特徴により、構造の非対称性のために生じていた他モードの影響を回避できる。上述のように、本発明では１次元共振器の高Ｑ値を得られるフォトニック結晶構造の範囲を明らかにして、フォトニック結晶の厚さを、穴の格子定数（周期または繰り返し距離）の０．７５倍から１．２５倍の範囲に設定する。本発明は、この範囲に従って、構造パラメータを柔軟に選択可能としながら、十分に高い共振器Ｑ値を実現できるようにした点に特徴がある。

以上詳細に説明したように、本発明の１次元フォトニック結晶共振器において、光波回路または電子回路において層間分離膜や封止膜としての役割を果たしている低屈折率のシリコン酸化膜を利用して、フォトニック結晶を埋め込むことができる。光波回路または電子回路において既に利用されている互換性の高い構造とプロセスを使って、光共振器に必要十分なＱ値を確保することができる。フォトニック結晶と、集積化の対象となる光波回路または電子回路において必要とされる様々な仕様の層間分離膜または封止膜をそのまま利用して、光共振器をベースとした光素子の集積化を可能とする。

本発明の光共振器におけるフォトニック結晶はシリコンだけに限らず、概ね３以上の屈折率が高い半導体からなる１次元フォトニック結晶にも適用できる。さらに、埋込層はシリコン酸化膜だけに限らず、屈折率がフォトニック結晶の半導体よりも十分小さい概ね２以下の低屈折率材料も適用可能である。このような低屈折率の材料は一般に層間分離膜または封止膜に使われている材料を含んでいるので、本発明により、多様な光波回路または電子回路集積素子にナノ共振器を組み込むことが容易になる。

フォトニック結晶と集積化される他の回路の要素と同一の材料を使用し、互換性の高いプロセスを使用して、同時に一括して加工をすることが可能であって、フォトニック結晶の完全な埋込を実現する。

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。例えば、レーザ、変調器、光メモリ、光受光器などの光部品に利用することができる。

１、２１シリコン基板
２、１１、１３、１５フォトニック結晶
３下部シリコン酸化膜層
４上部シリコン酸化膜層
５、１２、１４、１６穴
６サイドスラブ層
１０、２０エアブリッジ構造
１００光共振器

Claims

１次元フォトニック結晶を用いた光共振器において、
低屈折率材料層の上に形成された、高屈折率材料層からなる概ね直方体形状のフォトニック結晶であって、その内部に、前記直方体の長手方向に、周期的に配列された格子定数ａを有する複数の要素構造を有し、結晶の厚さが前記格子定数ａの０．７５〜１．２５倍の範囲にあるフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶よりも低い屈折率を有し、前記フォトニック結晶の上方を覆う埋め込み層と
を備えたことを特徴とする光共振器。
前記複数の要素構造は、前記フォトニック結晶内に形成された柱状もしくは円柱の穴であって、
前記埋め込み層は、前記複数の要素構造の内部も充たしており、前記フォトニック結晶と集積可能な光波回路もしくは電子回路において利用される層間分離膜または封止膜を形成するのと同一な方法によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
前記低屈折率材料層および前記高屈折率材料層は、それぞれ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン酸化膜層およびＳＯＩ層を利用して構成され、前記埋め込み層はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を含む誘電体で構成されることを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
前記フォトニック結晶の前記長手方向に平行な両側面に接して、前記高屈折率材料層をエッチングすることによって除去されて残存する前記高屈折率材料により形成され、前記埋め込み層によって覆われたサイドスラブをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光共振器。
格子定数ａを有する複数の要素構造が形成された１次元フォトニック結晶を用いた光共振器を作製する方法において、
基板および低屈折率材料層が順次形成された多層構造上に、前記格子定数ａの０．７５〜１．２５倍の範囲にある厚さを有する高屈折率材料層を形成するステップと、
前記高屈折率材料層の上にレジスト層を形成するステップと、
前記レジスト層をパタニングして、フォトニック結晶の外形、および、前記複数の要素構造を形成するためのマスクを形成するステップと、
前記マスクを通して、前記高屈折率材料層をエッチングするステップであって、エッチングによって、前記複数の要素構造および前記フォトニック結晶を形成するステップと、
前記形成されたフォトニック結晶を覆う埋め込み層を形成するステップと
を備えることを特徴とする光共振器の作製方法。
前記複数の要素構造は、前記フォトニック結晶内に形成された柱状もしくは円柱の穴であって、
前記埋め込み層は、前記複数の要素構造の内部も充たしており、
フォトニック結晶を覆う埋め込み層を形成する前記ステップは、前記フォトニック結晶と集積可能な光波回路もしくは電子回路において利用される層間分離膜または封止膜を形成するのと同一の方法を使用して形成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記低屈折率材料層および前記高屈折率材料層は、それぞれ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン酸化膜層およびＳＯＩ層を利用して構成され、前記埋め込み層はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を含む誘電体で構成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
フォトニック結晶を覆う埋め込み層を形成する前記ステップは、前記複数の要素構造の内部をボイド空気穴として形成するためのステップを含むこと特徴とする５に記載の方法。