(57)【要約】【課題】既存のシリコン系集積素子との整合性が良好な光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法を提供する。【解決手段】クラッド６０に囲まれて光を伝搬するシリコンコア７０を有する光導波路８０を備えている光素子５０である。光素子５０の光導波路８０は、シリコンコア７０の上面部７２に凸部７４を有している。そして、凸部７４に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示すメタマテリアル１００を備えている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッドに囲まれて光を伝搬するシリコンコアを有する光導波路を備え、
前記光導波路は、前記シリコンコアの上面部に凸部を有して、
前記凸部に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示すメタマテリアルを備えたことを特徴とする光バッファ素子構造。
【請求項２】
前記メタマテリアルは、光の進行方向に垂直な平面で形成され、光の進行方向に1つ以上配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光バッファ素子構造。
【請求項３】
前記凸部は伝搬する光の波長より小さな幅および高さを有することにより、前記メタマテリアルは、前記光導波路内を伝搬する光を遅延させることを特徴とする請求項１または２に記載の光バッファ素子構造。
【請求項４】
前記伝播する光の遅延は、前記光導波路外から与えられる電気または光の外部信号により前記光導波路内のキャリアを励起して、前記メタマテリアルの共振を制御することにより、当該遅延の時間が操作されることを特徴とする請求項３に記載の光バッファ素子構造。
【請求項５】
前記シリコンコアの幅寸法は、集積体の上に配置されるシリコン導波路の幅寸法と同寸法であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光バッファ素子構造。
【請求項６】
前記上面部には、酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光バッファ素子構造。
【請求項７】
前記シリコンコアの上面に、前記凸部を形成する工程と、
前記凸部にメタマテリアルを蒸着させる工程と、
前記光導波路をクラッドにて取囲む工程とを備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光バッファ素子構造の製造方法。
【請求項８】
前記凸部を形成する工程は、集積体の上に配置されるシリコンコアの上面部を凸状に削って、シリコンコアの上部に導波路を形成することを特徴とする請求項７に記載の光バッファ素子構造の製造方法。
【請求項９】
前記シリコンコアのうち、前記メタマテリアルが配設された凸部の散乱パラメータを導出する工程と、
前記散乱パラメータから前記メタマテリアルの誘電率および透磁率の周波数依存性を演算する工程と、
前記誘電率および前記透磁率の周波数依存性を用いて、前記光導波路を均質とする工程と、
均質化された光導波路の波長分散を解析する均質化モード解析を行う工程とを備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光バッファ素子構造の解析方法。
【請求項１０】
前記均質とする工程は、前記光導波路を前記凸部を有していない断面矩形状とする単純化を有し、
前記均質化モード解析を行う工程は、該単純化された光導波路を含む素子全体の波長分散の解析を有することを特徴とする請求項９に記載の光バッファ素子構造の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、負のグースヘンシェンシフト（Goos-Hanchen shift）による光トラップ効果により、光遅延を行う光素子が知られている（例えば、特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６４５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の光バッファ素子構造では、光導波路層と反射層との界面にライン状の凹凸を周期的に形成している。凹凸の溝方向は、光の方向と直交して多数形成しなれればばらない。このため、作成が容易ではない上、既存の他のシリコン系集積素子と同一製造工程を経て作成しないので、シリコン系集積素子の製造工程との整合性が良好ではなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、既存のシリコン系集積素子との整合性が良好な光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光バッファ素子構造は、クラッドに囲まれて光を伝搬するシリコンコアを有する光導波路を備え、光導波路は、シリコンコアの上面部に凸部を有して、凸部に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示すメタマテリアルを備えたことを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、メタマテリアルの負のグースヘンシェンシフトによって光導波路の内部を伝搬する光が遅延する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、既存のシリコンコアを備えるシリコン系集積素子と組み合わせて利用する際の整合性が良好な光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】通信ネットワークにて光ネットワークと、電気的データネットワークとが混在している様子を示す模式図である。
【図２】光ルータが複数のデータ列を干渉させることなく合流させる様子を示す概念図である。
【図３】メタマテリアルを用いた光バッファの特性を他の光バッファと比較した表である。
【図４】光導波路で光の伝搬を説明する光バッファ素子構造の模式図である。
【図５】負のグースヘンシェンシフトを説明する光バッファ素子構造の模式図である。
【図６】比較例の光導波路の構成を説明する斜視図である。
【図７】実施形態の光バッファ素子構造で、要部の構造を説明する模式的な斜視図である。
【図８】実施形態の光バッファ素子構造で、図７中ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った位置での要部の断面図である。
【図９】実施形態の光バッファ素子構造で、設定される寸法関係を用いて要部の構造を説明する模式的な斜視図である。
【図１０】実施形態の光バッファ素子構造で、要部の周囲の磁界を示し、図９中矢視Ｘ方向から見た模式図である。
【図１１】実施形態の光バッファ素子構造で、要部の周囲の電界を示し、図９中ＸＩ−ＸＩ線に沿った位置での模式図である。
【図１２】実施形態の光バッファ素子構造で、周波数に依存するメタマテリアルの寸法について説明する図である。
【図１３】実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた様子を示す分散曲線の図である。
【図１４】実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた様子を拡大して示す図である。
【図１５】実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた際の損失を示す図である。
【図１６】実施形態の光バッファ素子構造の製造方法を示し、（ａ）は、積層された二酸化ケイ素層およびシリコン層の様子を示す模式的な断面図である。（ｂ）は、ドライエッチングされた様子を示す模式的な断面図である。（ｃ）は、酸化アルミ膜層が形成された様子を示す模式的な断面図である。（ｄ）は、メタマテリアルが蒸着された様子を示す模式的な断面図である。（ｅ）は、シリコン層がエッチングされた様子を示す模式的な断面図である。（ｆ）は、周囲に二酸化ケイ素層が被覆された様子を示す模式的な断面図である。
【図１７】実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、解析される光バッファ素子構造を示す模式的な断面図である。
【図１８】実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、単純化の工程を説明する模式的な断面図である。
【図１９】実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、単純化の工程を含む解析の工程を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態について、図１乃至図１９を参照して詳細に示す。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
図１は、通信ネットワーク１にて、光通信ネットワーク２と電気的データネットワーク３とが混在している様子を示す模式図である。
光通信等において、光パケット信号の円滑な通信を確保するため、各ネットワーク間に介挿されるルータには、データのバッファリング機能やルーティング（経路制御）機能が設けられている。
【００１２】
具体的には、一般的に光・電気変換（光→光検出器→電気→メモリ→半導体レーザー→光）機能を備えたルータが光から変換された電気の状態でデータをバッファリングして、再度、光に戻す信号処理を実施している。
しかしながら、高速の光通信では、１Ｔｂｐｓ程度の切り替え速度が必要で、従来の手法では、通信速度が低下してしまう。
また、光・電気変換を行う際に消費電力が大きいといった問題もあった。
【００１３】
このため、光信号を光のままで信号処理することにより、速度の低下が少なく消費電力を減少させることができる光ルータ１０の開発が近年進められてきている。
【００１４】
図２は、光ルータ１０が複数の回線Ｃｈ．１、Ｃｈ．２（図１参照）を流れるデータ列Ａ，Ｂを干渉させることなく合流させて、回線Ｃｈ．３にデータ列Ｃを流す様子を示す概念図である。
このようなものでは、光ファイバ１１を介して回線Ｃｈ．１からデータ列Ａがまた、光ファイバ１２を介して回線Ｃｈ．２からデータ列Ｂが光ルータ１０に入射する。
入射前のタイミングｔ１では、Ｃｈ．１のデータ列Ａのデータの存在しない箇所にＣｈ．２のデータ列Ｂのデータを合成する。これにより、光ルータ１０のＣｈ．３に出力されるデータ列Ｃを、干渉する箇所のない１つのデータ列Ｃにまとめることができる（タイミングｔ４参照）。
【００１５】
しかしながら、タイミングｔ２，ｔ３では、データ列Ａのデータとデータ列Ｂのデータとをそのまま合成すると、干渉してしまう。このため、光ルータ１０では、データ列Ａのデータがない部分にデータ列Ｂのデータが来るように光バッファ等でバッファリング（遅延）させる必要がある。
光ルータ１０では、バッファリングによりデータ列Ｂのタイミングを遅らせてから合成すると、データ列Ａのデータとデータ列Ｂのデータとは干渉しなくなる（タイミングｔ５，ｔ６参照）。
【００１６】
一般的に光バッファとしては、ファイバ遅延バッファ、ＰｈＣ（フォトニッククリスタル）バッファ、メタマテリアルバッファが知られている。
図３は、メタマテリアルを用いた光バッファの特性を他の光バッファと比較した表である。
ファイバ遅延バッファは、長尺（数ｋｍ〜数十ｋｍ）の光ファイバーケーブルを通過させて、光を遅延させるものである。
しかしながら、このようなファイバ遅延バッファでは、バッファ装置そのものが大型化してしまうといった問題があった。
【００１７】
また、たとえば、ＰｈＣバッファは、フォトニック結晶を用いたスローライトの効果によりある程度まで小型化することが可能となる。
しかしながら、光の遅延時間を連続的に制御することができず、バッファリングが可能な時間も固定されてしまうことから、全ての干渉を取り除くことができなかった。
そこで、メタマテリアルバッファと呼ばれ、負のグースヘンシェンシフトによって光トラップ効果を発揮させて、シリコンコアの内部を伝搬する光を遅延させるメタマテリアルを備えた光バッファ素子構造が提案されている。
【００１８】
まず、メタマテリアルの負のグースヘンシェンシフトによる光トラップの原理について簡単に説明する。
図４は、光導波路で光の伝搬を説明する光バッファ素子構造の模式図である。
ここで、光導波路を構成するシリコンコア２０の一面側には、二酸化ケイ素層２１が設けられている。二酸化ケイ素層２１は、シリコンコア２０の一面側を熱で酸化させて形成される。そして、この二酸化ケイ素層２１は、シリコンコア２０の屈折率３．５よりも低い屈折率１．５を有していて、界面で光を反射させてシリコンコア２０内に閉じ込めることができる。
【００１９】
シリコンコア２０の他面側には、メタマテリアル３１にて構成されるメタマテリアル層３０が設けられている。この実施形態のメタマテリアル３１は、金（Ａｕ）によって構成されていて、メタマテリアル層３０の誘電率（ε）および透磁率（μ）は、双方とも正である（ε＞０，μ＞０）。
この状態では、ｉｎｐｕｔ側から導入された光は、シリコンコア２０によって構成される光導波路内を伝播する際、二酸化ケイ素層２１およびメタマテリアル層３０との各界面にて反射されながらｏｕｔｐｕｔ側から放出される。
【００２０】
図５は、負のグースヘンシェンシフトによって光がトラップされる様子を説明する光バッファ素子構造の模式図である。
メタマテリアル３１は、金属微細構造によって、与えられる光または電圧による電磁界の共振にて、比透磁率を変化させることにより、負の屈折率を有することができる。
ここで、メタマテリアル層３０の誘電率（ε）および透磁率（μ）が負である（ε＜０，μ＜０）と、シリコンコア２０とメタマテリアル層３０との界面で、シリコンコア２０の内部を伝搬する光は、負のグースヘンシェンシフトによって、トラップされて遅延する。
このように、ｏｕｔｐｕｔ側から放出される光は、ｉｎｐｕｔ側から導入された際の光信号のデータ列を維持したまま、遅延する。遅延量は、与えられる光または電圧を調整することによって制御できる。このためメタマテリアル３１の負のグースヘンシェンシフトによる光トラップを用いれば、遅延量を可変して制御することが可能な遅延バッファを得ることができる。
【００２１】
図６は、比較例の光ルータ１０に用いられる光導波路の構成を説明する斜視図である。
比較例のメタマテリアル１５は、金属微細構造が具現化された一例である。
すなわち、比較例の光ルータ１０は、光を閉じ込めて導波するシリコンコア１４の上面部１４ａに、複数のメタマテリアル１５を整列し配置している。メタマテリアル１５は、負のグースヘンシェンシフトにより光トラップ効果を発揮する光バッファとしての役割を担う。
各メタマテリアル１５は、略同一の厚さで平面視略Ｃ字状のリングであり、上面部１４ａに平坦面を沿わせて倒された状態で、リングの方向が揃うように配列されることにより、負のグースヘンシェンシフト効果を発揮する。
【００２２】
このように構成された比較例のメタマテリアル１５は、隣接するシリコンコア１４のシリコン材料内のキャリアを励起する。そして、与えられる光または電圧を調整することにより、メタマテリアル１５のキャパシタ特性を変動させると、キャリアプラズマ効果によってキャリアの生成と消滅とが交互に行なわれる。このように、メタマテリアル１５の特性の変化を誘起して、光導波路内を伝播する光の速度を動的制御することができる。
【００２３】
すなわち、光励起または電圧の印加が停止している状態では、キャリアは消滅して光導波路内を伝播する光は、光トラップされて遅延する。
そして、光励起または電圧の印加により、キャリアが生成されて光導波路内を伝搬する光は、トラップされることなく、遅延しない。
このため、与えられる光または電圧のスイッチング制御を行うことにより、メタマテリアルの特性に変調を与え、キャリアの生成と消滅時間との比率を調整して、可変して制御することが可能な遅延バッファとして遅延時間を制御することができる。
【００２４】
しかしながら、図６に示すように、平面視略Ｃ字状のメタマテリアル１５は、上面部１４ａに沿って倒された状態で配設される。また、メタマテリアル１５のリングの直径は、約百ｎｍ程度と微細である。このような寸法のメタマテリアル１５は、所望の形状に形成しにくい。さらに金属蒸着工程後のリフトオフプロセス中に、メタマテリアル１５の面外方向Ｃへ剥離させる方向の力が加わりやすい。
【００２５】
このため、メタマテリアル１５に部分的な浮き上がりが生じたり、メタマテリアル１５の形状が変形する。さらに、配置される位置も所定位置からずれてしまう虞がある。
したがって、シリコン系集積素子と同じ製造工程で、同一形状を保ちながら、複数のメタマテリアル１５を所望の位置に整列させることは困難であった。
特にメタマテリアル１５に負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させるためには、平面視略Ｃ字状の形状を高い寸法精度にて形成することが要求される。
【００２６】
そこで、本実施形態は、既存のシリコンコアを備えるシリコン系集積素子と組み合わせて利用する際の整合性が良好で、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させることが可能な光バッファ素子構造を提供するものである。
【００２７】
図７は、本発明の実施形態の光バッファ素子構造で、要部の構造を説明する模式的な斜視図である。
この実施形態の光素子５０は、クラッド６０に囲まれて光を伝搬するシリコンコア７０を有するシリコン導波路としての光導波路８０を備えている。
光導波路８０は、シリコンコア７０の上面部７２に凸部７４を一体に有している。この実施形態の凸部７４は、伝搬する光の波長λと比較して小さな幅寸法ｗおよび高さ寸法ｈを有している（図９参照）。そして、凸部７４は、光導波路８０の延設方向に沿って、ほぼ同じ断面をもって直線状に連続してシリコンコア７０に一体となるように形成されている。
【００２８】
また、この凸部７４に隣接して、負のグースヘンシェンシフトを示す複数のメタマテリアル１００…が備えられている。このメタマテリアル１００は、金（Ａｕ）およびチタン（Ｔｉ）を有して構成されていて、凸部７４側にチタン層を設けることにより、蒸着による金層の接着力を向上させている。そして、このメタマテリアル１００は、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させて、光導波路８０内を伝搬する光を遅延させる。
【００２９】
さらに、この実施形態のメタマテリアル１００は、光の進行方向に平行な三枚の平面としての上面部１１０，および側面部１２０，１３０を有している。
これらの上面部１１０および側面部１２０，１２０は、凸部７４の上方から凸部７４の外側面に密着するようにメタマテリアル１００を蒸着させることにより、出隅部が略直角に屈曲された状態で連続して、かつ各面は平坦に形成されている。
このため、これらの上面部１１０および側面部１２０，１２０によって構成される三枚の平面は、面延設方向を光の進行方向に平行に沿わせてそれぞれ凸部７４に密着されて、かつ凸部７４に垂直な断面においては、起立した略コ字状を呈して、略コ字状の開放端をシリコンコア７０に向けてこれらの上面部１１０および側面部１２０，１２０が一体となるように凸部７４に嵌合されている。
【００３０】
光素子５０には、光の進行方向に垂直な平面を有して形成された複数のメタマテリアル１００が凸部７４の延設方向に沿って一定間隔Ｌ１（たとえば、１００ｎｍ）を空けて、配置されている。実施形態では、１つのメタマテリアル１００を１ユニットとして捉え、直列に４つのメタマテリアル１００を配置した４ユニットから構成される光素子５０が示されている。
そして、この光素子５０の長手方向の寸法Ｌが約０．６〜１μｍ以下となるように構成されている。
しかしながら、特にこれに限らず、１つのメタマテリアル１００にて構成される１ユニットの全長を約１５〜２０ｎｍとしてもよい。そして、メタマテリアル１００の個数は、特に限定されるものではなく、単数またはいずれの複数個であってもよい。
【００３１】
図８は、実施形態の光バッファ素子構造で、図７中VIII−VIII線に沿った位置での要部の断面図である。
この実施形態の光導波路８０を形成するシリコンコア７０の周囲には、酸化膜としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の被膜部７６が設けられている。また、被膜部７６の周囲に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）にて構成されるクラッド６０が設けられている。
そして、光導波路８０外に設けられた図示省略の制御装置からは、電気または光による外部信号９０が与えられる。酸化アルミニウムの被膜部７６は、ゲート酸化膜として電圧が印加された際にキャリアを生成させる。これにより、メタマテリアルの特性に変調を与え、遅延時間を制御することができる。
【００３２】
図９は、実施形態の光バッファ素子構造で、設定される寸法関係を用いて要部の構造を説明する模式的な斜視図である。
シリコンコア７０の凸部７４は、光導波路８０の延設方向Ｌに対して直交する方向において、幅寸法ｗおよび高さ寸法ｈを有して、シリコンコア７０の幅方向略中央に、光の進行方向に直交する略正方形の断面形状となるように形成されている。
【００３３】
また、凸部７４に被せられるメタマテリアル１００の厚さ寸法を一定寸法ａ（たとえば、ａ＝約１５〜２０ｎｍ）とするとともに、光導波路８０の延設方向Ｌに沿った奥行き寸法を一定寸法ｄ（たとえば、ｄ＝約５０ｎｍ）、幅寸法ｗ（たとえば、ｗ＝約５０ｎｍ）および高さ寸法ｈ（たとえば、ｈ＝約５０ｎｍ）を有している。
このため、光の波長をλ＝１５５０ｎｍとすると、凸部７４は伝搬する光の波長λと比較して、充分小さな幅寸法ｗおよび高さ寸法ｈを有することとなる。したがって、メタマテリアル１００は、負のグースヘンシェンシフトによって光導波路８０内を伝搬する光を遅延させることができる。
【００３４】
図１０は、実施形態の光バッファ素子構造で、要部の周囲の磁界を示し、図９中矢視Ｘ方向から見た模式図である。
また、図１１は、実施形態の光バッファ素子構造で、要部の周囲の電界を示し、図９中XI−XI線に沿った位置での模式図である。
シリコンコア７０内の磁界および電界は、メタマテリアル１００のキャパシタ特性の変動によるキャリアプラズマ効果を生じさせて、光トラップを行うキャリアの生成と消滅とに影響を与える。
【００３５】
特に負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果を発揮させるためには、メタマテリアル１００の幅寸法ｗおよび高さ寸法ｈに高い寸法精度が要求される。
図１２は、実施形態の光バッファ素子構造で、周波数に依存するメタマテリアルの寸法について説明する図である。
図１２では、縦軸にメタマテリアルの高さ寸法ｈを、横軸にメタマテリアルの幅寸法ｗをそれぞれ表している。破線で示す等高線は、どの周波数でメタマテリアルが光トラップ効果を発揮するように動作するかを示している。
メタマテリアルは、光の周波数に依存して負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果が起こる寸法が相違する。
実施形態では、点線Ｂで示す光通信に用いる周波数１９３ＴＨｚによって動作するように、この点線Ｂに近い寸法関係である高さ寸法ｈ＝５０ｎｍ、幅寸法ｗ＝５０ｎｍのメタマテリアル１００が採用された。
【００３６】
図１３は、実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた様子を示す分散曲線の図である。
ここでは、横軸は、β伝搬乗数（ｒｅａｌ＝実部）を示している。また、縦軸は、光の波長ω/ｃ(μｍ−１)を示している。そして、分散曲線の傾きは、遅延すなわち反射率を示し、傾き角度が０に近接するほど光がトラップされていることを示している。
【００３７】
また、比較のために真空中の光を示すライトラインＣ（Ｌｉｇｈｔ  ｌｉｎｅ）が示されている。
そして、このライトラインＣと比較して傾きが緩やかなデバイスカーブＤ（Ｄｅｖｉｃｅ  ｃｕｒｖｅ：λ〜１５５０ｎｍ）は、実施形態の光素子５０の光導波路８０内を伝搬する光を示している。
【００３８】
図１４は、実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた様子を示す図１３中Ａ部の拡大図である。
光素子５０の凸部７４の寸法が高さ寸法ｈ＝５０ｎｍ、幅寸法ｗ＝５０ｎｍであるメタマテリアル１００によって、光導波路８０内の光がトラップされると、ω/ｃ(μｍ−１)＝約４付近では、光バッファとして利用可能な充分な遅延が生じることを確認できた。
【００３９】
図１５は、実施形態の光バッファ素子構造で、光がトラップされた際の損失を示す図である。
横軸は、β伝搬乗数（ｉｍａｇ＝虚部）を示している。メタマテリアル１００によって光導波路８０内の光がトラップされる、ω/ｃ(μｍ−１)＝約４付近では、損失が大きくなっていることがわかる（図３参照）。このように損失と遅延とには、相関関係が存在し、ω/ｃ(μｍ−１)＝約４付近でメタマテリアル１００が強く相互作用を及ぼして光を遅延させていることがわかる。
【００４０】
［光バッファ素子構造の製造方法］
図１６は、実施形態の光バッファの素子構造の製造方法を説明するものである。
ここでは、図７を参照しつつ、メタマテリアルを有する光バッファ素子構造の製造方法を、製造工程に沿って説明する。
図１６（ａ）は、積層されたシリコン層１７０および二酸化ケイ素層１６０の様子を示す模式的な断面図である。
【００４１】
このシリコン層１７０および二酸化ケイ素層１６０を有する構造素材１５０は、他の光導波路を形成する素子と同じ構成の構造素材１５０が用いられている。また、以下に記載する本実施形態の光バッファとなる光素子５０の製造工程についても、他の光導波路を有する素子と同様の工程で行われる。
【００４２】
まず、構造素材１５０のシリコン層１７０側の上面部１７０ａがドライエッチングされる。ドライエッチングは、フッ素系のガス等を用いてもよい。
【００４３】
図１６（ｂ）は、構造素材１５０がドライエッチングされた様子を示す模式的な断面図である。
ドライエッチングにより、削り取られた上面部７２の幅方向の中央部に凸部７４が形成される。
ドライエッチングは、微細加工が可能である。このため、凸部７４の寸法精度が高いものが得られる。
【００４４】
図１６（ｃ）は、酸化アルミ膜層１７２が形成された様子を示す模式的な断面図である。
酸化アルミの蒸着によりシリコン層１７０側の上面部１７０ａは、酸化アルミ膜層１７２で覆われる。酸化アルミ膜層１７２によって、キャリアの生成と消滅とが円滑に行なわれる。
【００４５】
図１６（ｄ）は、凸部７４にメタマテリアル１００が蒸着された様子を示す模式的な断面図である。
凸部７４には、チタンおよび金が蒸着される。蒸着を行う際、凸部７４には、所定間隔を置いて所望の位置にエッチングにより窓が形成される。そして、この窓から薄板状にチタンおよび金が凸部７４の上面側と左，右両側面側とに跨るように蒸着される。
凸部７４は、延在方向に垂直な断面形状を同様な断面形状を有するように構成されている。
これにより、これらの凸部７４の上面側および左，右両側面側に、蒸着されるメタマテリアル１００は、窓に沿ってセルフアライメントされながら、同一形状をもって延在方向に所定の間隔を置いて形成される（図７参照）。
【００４６】
さらに、この実施形態のメタマテリアル１００は、上面部１１０および側面部１２０，１３０が光の進行方向に延びる平行な平面をそれぞれ有している。これらの上面部１１０および側面部１２０，１３０は、凸部７４の三面の外側面に内側面を圧着させることにより、凸部７４を上方および左，右方向から覆うように被せられて嵌めこまれている。
このため、金属蒸着工程後にリフトオフプロセスが実行されても、メタマテリアル１００は、凸部７４から剥離したり上方または側方へ移動したりしない。したがって、メタマテリアル１００の形状安定性が良好で、光トラップ効果を発揮することができる。
【００４７】
図１６（ｅ）は、シリコン層１７０の左，右側面１７０ｂ，１７０ｂがエッチングされた様子を示す模式的な断面図である。シリコン層１７０の左，右側面１７０ｂ，１７０ｂには、エッチングにより取り除かれる除去部１７３，１７３が仮想線で示されている。
【００４８】
図１６（ｆ）は、凸部７４の周囲に二酸化ケイ素のクラッド６０が被覆された様子を示す模式的な断面図である。シリコンコア７０および凸部７４は、クラッド６０（図９参照）を構成する二酸化ケイ素によって周囲が被覆されて光導波路８０を形成する。
これらのシリコン層１７０に対するドライエッチング、蒸着、エッチング等の工程は、他の光導波路を有する素子を製造する工程と同じ工程を有している。
これにより、従来の光導波路を有する素子と同様の工程で、凸部７４にメタマテリアル１００が蒸着された光導波路８０をクラッド６０にて取囲み、光バッファとなる光素子５０を製造することができる。そのため、製造設備の変更がほとんど必要とされない。
【００４９】
図１６（ｂ）にて、メタマテリアル１００を蒸着する前工程で、凸部７４は、ドライエッチングによって高精度、かつ長手方向に同じまたは同様な断面形状となるように微細加工されている。
このため、凸部７４に沿って被せられる複数のメタマテリアル１００の内側の寸法は正確に確定する。
【００５０】
また、図１６（ｄ）にて、この凸部７４に形成されるメタマテリアル１００の薄板状の上面部１１０および側面部１２０，１２０の内側には、凸部７４の外側面に密着するように光の進行方向に平行に沿う平面が設けられている。メタマテリアル１００は、この内側の平面によって比較的広い面積で密着する。
また、上面部１１０とは、面外方向を約９０度異ならせた側面部１２０，１２０の内側に位置する平面が型脱方向と直交する方向にて凸部７４の外側面に密着している。
このため、リフトオフプロセス時にも所望の位置から移動しない。よって、セルフアライメントによる正確な寸法、位置精度が維持されて形状も安定する。
したがって、比較例で示した平面視略Ｃ字状のリングのように寝かせた場合（図６参照）と比較してメタマテリアル１００の移動や変形が発生することがない。このため、この実施形態のメタマテリアル１００は、正確な寸法精度を要求される光トラップ効果を確実に発揮させることができる。
【００５１】
［光バッファ素子構造の解析方法］
図１７は、実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、解析される素子構造を示す模式的な断面図、また、図１８は、単純化の工程を説明する模式的な断面図である。
そして、図１９は、実施形態の光バッファ素子構造の解析方法で、単純化の工程を含む解析の工程を説明するフローチャートである。
図１７に示すように、この実施形態の光素子５０は、断面略方形状のシリコンコア７０の上面部７２の中央の一部から凸部７４が一体に突設されていて、この凸部７４にのみ、メタマテリアル１００が設けられている複雑な構造を有している。
このため、全体の構造を一般的に用いられている導波路解析手法（ＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain method））など、解析装置に入力して、光素子５０の特性を導き出す手法では、計算時間が多大なものとなってしまう。また、解析を行う対象部分には、金属も含まれているため、導波路の解析を行うことは容易ではない。
【００５２】
そこで、この実施形態では、メタマテリアルの電磁場計算を行いながら、金属を含む導波路のモード解析を行う手法として、均質化モード解析を行う。そして、この均質化モード解析により、導波路の解析を容易なものとする。以下、光バッファ素子構造の均質化モード解析の方法について説明する。
【００５３】
図１７，図１８を参照しつつ、図１９に示すフローチャートに沿って均質化モード解析を説明する。均質化モード解析を開始すると、ステップＳ１００では、メタマテリアル１００の周辺Ｍ内のみをある誘電率（ε）および透磁率（μ）を持った均質な空間としてみなして、電磁界分布として散乱パラメータＳを計算する。
この際、メタマテリアル１００の周辺Ｍの物質を均一とみなし、周辺Ｍ内をある誘電率（ε）および透磁率（μ）を有する均質な空間としてシリコンコア７０から分離する。
これにより、凸部７４の周辺Ｍの散乱パラメータが導出される。
【００５４】
ステップＳ１０１では、導出された散乱パラメータＳからメタマテリアル１００の誘電率εおよび透磁率μの周波数依存性が演算される。
ステップＳ１０２では、演算された周波数依存性を用いて光導波路８０が単純化される。
このとき、光導波路８０を凸部７４を有していない断面矩形状とする単純化が行われる（図１８参照）。たとえばここで、光導波路８０を単純化すると、上面部７２は、ε＝（１．７）２、シリコンコア７０は、ε＝（３．４５）２、クラッド６０はε＝（１．５）２、として表される。
【００５５】
ステップＳ１０３では、光素子５０全体の波長分散特性の解析が行われる。
この実施形態の均質化モード解析を行う工程は、メタマテリアル１００の周辺Ｍの物質を均一とみなし、単純化された光導波路８０を含む光素子５０全体の波長分散の解析を有している。波長分散特性は、物質の誘電率（ε）および透磁率（μ）が均質であれば、容易かつ迅速に解析できることが知られている。
このため、この実施形態の光バッファ素子構造の均質化モード解析は、単純化された光導波路８０に予め演算されたメタマテリアル１００の周辺Ｍのみの散乱パラメータＳを当てはめて演算することにより、断面矩形で誘電率εと透磁率μとが均質な物質として解析している。
したがって、迅速かつ正確にメタマテリアル１００を有する光素子５０の導波路解析が行なえて、光導波路８０の波長分散特性を求めることができる。
【００５６】
上述してきたように、実施形態の光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法では、以下のような作用効果を奏する。
すなわち、メタマテリアル１００の負のグースヘンシェンシフトによってシリコンコア７０の内部を伝搬する光が遅延する。
【００５７】
この実施形態によれば、凸部７４を良好な精度で形成することにより、隣接して設けられる微細なメタマテリアル１００の形状の安定性が向上する。
また、既存のシリコンコアを備えるシリコン系集積素子と同じ生産工程によって、同じシリコンコアの構造素材１５０（図１６参照）から製造可能であり、他のシリコン系集積素子と組み合わせて利用する際の整合性が良好である。
【００５８】
さらに、メタマテリアル１００は、光の進行方向に平行な平面を凸部７４に嵌合させて形成されている。このため、凸部７４の平坦な上面部７４ａおよび側面部７４ｂ，７４ｂ（図７参照）に良好な接着力で固定される。このため、メタマテリアル１００の凸部７４への取付安定性を向上させることができる。
【００５９】
また、メタマテリアル１００を構成する三枚の平面は、光の進行方向に平行に沿うように嵌合されて、凸部７４の延在方向と垂直な形状では略コ字状に起立している。このため、ＴＥモードの光導波路８０内の光は、上面部１１０の上方からの制御信号による入射電場にて一対のキャパシタとなる側面部１２０，１２０間でも励起されて、効果的に光トラップ効果を生じさせることができる。
【００６０】
そして、凸部７４は、伝搬する光の波長λより小さな幅寸法ｗおよび高さ寸法ｈを有する。メタマテリアル１００の内側寸法を規定する凸部７４の大きさを、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果が起こる寸法（ここでは、高さ寸法ｈ＝５０ｎｍ、幅寸法ｗ＝５０ｎｍ、図１２参照）としている。
メタマテリアル１００は、凸部７４の上面部７４ａおよび側面部７４ｂ，７４ｂの外側に対して、光の進行方向に平行となるように各上面部７４ａおよび側面部７４ｂ，７４ｂを高い寸法精度にて、配置している。また、メタマテリアル１００は、凸部７４の上面部７４ａおよび側面部７４ｂ，７４ｂの外側面によって内側面から凸部７４の上面部７４ａおよび側面部７４ｂ，７４ｂを密着させて支持している。
このため、メタマテリアル１００の形状安定性は良好であり負のグースヘンシェンシフトによって光導波路８０内を伝搬する光を確実にトラップして遅延させることができる。
【００６１】
さらに、図８に示すように、光導波路８０外から与えられる電気または光の外部信号によって、光導波路８０内のキャリアを励起して、メタマテリアル１００の共振を制御し、自在に光をトラップし遅延させることができる。
このため、制御部は、光素子５０に与える電気または光の外部信号を制御することによって、光導波路８０内の光信号を光のまま、遅延させることができる。
光素子５０によりバッファリングされて遅延した光は、複数の回線を流れるデータ列を干渉させずに合流させることが出来（図２参照）、ルータとして使用した信号処理が可能となる。したがって、電気信号に変換する必要があるルータに比べて、速度の低下が少なく消費電力を減少させた光ルータ１０を提供することができる。また、外部信号が与えられるまでの待機電力をゼロとすることが可能となる。
【００６２】
さらに、シリコンコア７０の幅寸法ｗは、集積体の上に配置される光導波路８０の幅寸法ｗ（ｗ＝約５００ｎｍ）と同寸法である（図７参照）。このため、図１６（ｅ）に示すように除去部１７３，１７３が削られて、光素子５０に用いられるシリコン系集積素子を他のシリコン系集積素子と共通化することができる。
【００６３】
また、シリコン層１７０に一体に形成される凸部７４の大きさは、負のグースヘンシェンシフトによる光トラップ効果が起こる寸法に合わせて、任意の大きさに上面部７２を切削して形成することができる。このため、シリコンコア７０の幅寸法ｗは、他のシリコン系集積素子に用いるシリコンコアと同一の寸法のものが使用できる。
このため、光素子５０は、他のシリコン系集積素子と同じ生産設備を用いて製造を行える。したがって、特別な製造ラインを必要とせず、製造コストの増大が抑制される。
【００６４】
そして、シリコンコア７０の周囲に設けられた酸化膜としての酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の被膜部７６（図８参照）によってキャリアの生成と消滅とを伴う制御が円滑に行なわれる。
このため、光素子５０を用いた遅延時間の操作性を向上させることができる。
【００６５】
以上、本実施形態に係る光バッファ素子構造、その製造方法、およびその解析方法について詳述してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【００６６】
例えば、本実施形態では、凸部７４がシリコンコア７０の上面部７２の中央部に一つ設けられているものを示して説明してきたが、特にこれに限らず、上面部７２に複数設けられているものであってもよい。
【００６７】
また、凸部７４の形状も特にこれに限らず、たとえば断面半円形状、断面多角形形状、断面略三角形状等、上面部７２に設けられる凸部であればよく、メタマテリアル１００の一部がシリコンコア７０に埋没されていてもよい。
【００６８】
さらに、実施形態では、凸部７４が光導波路８０の延設方向に沿って直線状に連続して形成されているものを示して説明してきたが特にこれに限らない。すなわち、メタマテリアル１００が隣接されて配置されていれば、凸部が部分的に断続して形成されていてもよく、また、凸部の数量は、単数に限らず、複数であってもよい。
【００６９】
そして、実施形態では、メタマテリアル１００の構成金属として、金およびチタンが例示されているが金またはチタンのうち、何れか一方のみであってもよい。また、金またはチタンとともに、または代えて、他の金属、たとえば、白金、銀、アルミニウム、タングーステン、クロム等、どのような金属をメタマテリアルとして用いてもよく、これらの金属を一部または全部に用いる物質であればよい。
【符号の説明】
【００７０】
１      通信ネットワーク
２      光通信ネットワーク
３      電気的データネットワーク
１０    光ルータ
１１    光ファイバ
５０    光素子
６０    クラッド
７０    シリコンコア
７２    上面部
７４    凸部
７４ａ  上面部
７４ｂ  側面部
７６    被膜部
８０    光導波路
９０    外部信号
１００  メタマテリアル
１１０  上面部（平面の一つ）
１２０  側面部（平面の一つ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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