(57)【要約】【課題】電極設置が不要な簡素な構成でありながら、両方向への変位を可能とするカンチレバーを提供することを目的とする。【解決手段】各々が互いに異なるフォトニック結晶共振器１０、２０を含む２つのスラブと、  該２つのスラブを対向させた状態で連結して支持する連結部７０とを有し、  光照射により前記２つのスラブの一方を選択的に熱膨張させ、スラブ面と垂直な方向の変位を発生させることを特徴とする。【選択図】図１
2011087435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が互いに異なるフォトニック結晶共振器を含む２つのスラブと、
該２つのスラブを対向させた状態で連結して支持する連結部とを有し、
光照射により前記２つのスラブの一方を選択的に熱膨張させ、スラブ面と垂直な方向の変位を発生させることを特徴とする光カンチレバー。
【請求項２】
前記互いに異なるフォトニック結晶発振器は、互いに異なる共振波長を有することを特徴とする請求項１に記載の光カンチレバー。
【請求項３】
前記互いに異なるフォトニック結晶発振器は、互いに異なる吸収波長を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光カンチレバー。
【請求項４】
前記連結部は、前記２つのスラブの間に挾まれて設けられた断熱材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光カンチレバー。
【請求項５】
前記連結部は、前記２つのスラブの間に、前記フォトニック結晶発振器を平面的に両側から挟むように設けられ、対向する前記フォトニック結晶発振器の間に空間を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光カンチレバー。
【請求項６】
前記フォトニック結晶発振器は、２次元状に配列された穴を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光カンチレバー。
【請求項７】
前記フォトニック結晶共振器は、回折格子状のスリットを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光カンチレバー。
【請求項８】
前記互いに異なるフォトニック結晶共振器は、互いに異なる組成を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光カンチレバー。
【請求項９】
前記互いに異なるフォトニック結晶共振器は、互いに異なる穴径を有することを特徴とする請求項６に記載の光カンチレバー。
【請求項１０】
前記互いに異なるフォトニック結晶共振器は、互いに異なる厚さを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光カンチレバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光カンチレバーに関し、特に、フォトニック結晶共振器を含む光カンチレバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical System）の分野において、カンチレバー素子の運動を用いて様々な応用が行われている。例えば、圧電素子を用いてカンチレバーを駆動させる走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ、Scanning Probe Microscopy）は、その代表的な例である。ミクロンサイズに製作されたカンチレバーは、片側支持構造であり、もう片方が自由に動くため、微小な外力によっても変位が生じ、振動し易くなる。
【０００３】
この片持ち支持の機械的特性を用いて、ミクロン領域のデバイスへの応用が幅広く研究されている。例えば、静電気を駆動力としたＲＦ（Radio Frequency）−ＭＥＭＳスイッチへの応用（例えば、非特許文献１参照）、微量検出センサへの応用（例えば、非特許文献２参照）等が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】N. Nishijima, J.-J. Hung, and G. M. Rebeiz, "A low-voltage high contact force RF-MEMS switch," Proc. IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 2004, pp. 577-580.
【非特許文献２】Nickolay V. Lavrik and Panos G. Datskosa, "Femtogram mass detection using photothermally actuated nanomechanical resonators", Appl. Phys. Lett. 82, 2697 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、カンチレバーの駆動において、従来の方式である静電気、電気加熱等の駆動方式では、カンチレバーの変位は１つの向きへの移動に限定されてしまう傾向があり、また、駆動電極の設置も容易ではないという問題があった。
【０００６】
特に、２つの状態間を切り替える２状態間スイッチング素子（例えば、リレー素子）等を構成する場合、例えば、上下方向又は左右方向というように、両方向にカンチレバーを変位させる必要がある。しかしながら、従来の方法では、そのような両方向に変位可能な駆動を実現するためには、構造が非常に複雑になり、実際の加工が困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、電極設置が不要な簡素な構成でありながら、両方向への変位を可能とするカンチレバーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る光カンチレバーは、各々が互いに異なるフォトニック結晶共振器を含む２つのスラブと、
該２つのスラブを対向させた状態で連結して支持する連結部とを有し、
光照射により前記２つのスラブの一方を選択的に熱膨張させ、スラブ面と垂直な方向の変位を発生させることを特徴とする。
【０００９】
これにより、２つのスラブを対向させて一体化支持した簡素な構成でありながら、２つのうちのいずれかを選択的に駆動させることにより、スラブ面と垂直な両方向の変位を発生させることができる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記互いに異なるフォトニック結晶発振器は、互いに異なる共振波長を有することを特徴とする。
【００１１】
これにより、いずれかのフォトニック結晶発振器の共振波長又はこれに近い波長の光を照射することで、いずれのスラブを共振させるかを選択することができ、カンチレバーの変位の向きを、光の波長により制御することができる。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記互いに異なるフォトニック結晶発振器は、互いに異なる吸収波長を有することを特徴とする。
【００１３】
これにより、いずれかのフォトニック結晶発振器の吸収波長又はこれに近い波長の光を照射することにより、いずれのスラブに熱膨張を発生させるかを選択することができ、カンチレバーの変位を、光の波長を利用してより高精度で制御することができる。
【００１４】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記連結部は、前記２つのスラブの間に挾まれて設けられた断熱材であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、断熱材を介して２つのスラブが接合されているので、一方のスラブで発生する熱膨張の熱が断熱材で遮断され、効率良く変位を発生させることができる。
【００１６】
第５の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記連結部は、前記２つのスラブの間に、前記フォトニック結晶発振器を平面的に両側から挟むように設けられ、対向する前記フォトニック結晶発振器の間に空間を形成することを特徴とする。
【００１７】
これにより、２つのスラブの間に空気の空間を形成することができ、少ない材料で両方向に変位するカンチレバーを簡素に構成することができる。
【００１８】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記フォトニック結晶発振器は、２次元状に配列された穴を有することを特徴とする。
【００１９】
これにより、２次元フォトニック結晶を用いてフォトニック結晶発振器を構成することができ、設計の自由度を高めることができる。
【００２０】
第７の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記フォトニック結晶共振器は、回折格子状のスリットを有することを特徴とする。
【００２１】
これにより、１次元フォトニック結晶を用いたフォトニック結晶発振器をも利用することができ、更に設計の自由度を高めることができる。
【００２２】
第８の発明は、第１〜７のいずれかの発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記互いに異なるフォトニック結晶共振器は、互いに異なる組成を有することを特徴とする。
【００２３】
これにより、組成を用いて異なるフォトニック結晶共振器を構成することができ、同じ形状を有する２枚のスラブを用いて選択的な駆動を可能とすることができる。
【００２４】
第９の発明は、第６の発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記互いに異なるフォトニック結晶共振器は、互いに異なる穴径を有することを特徴とする。
【００２５】
これにより、穴径により２つの異なるフォトニック結晶共振器を構成することができ、穴径の調整により、種々の特性を有する多様な光カンチレバーを構成することが可能となる。
【００２６】
第１０の発明は、第１〜７のいずれかの発明に係る光カンチレバーにおいて、
前記互いに異なるフォトニック結晶共振器は、互いに異なる厚さを有することを特徴とする。
【００２７】
これにより、厚さにより２つの異なるフォトニック結晶共振器を構成することができ、複雑な設計を要せず、容易に光カンチレバーの調整を行うことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、微小領域のカンチレバーを、簡素な構成で両方向に変位させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る光カンチレバーの説明図である。図１（Ａ）は、実施例１に係る光カンチレバーの基本構造を示した断面図である。図１（Ｂ）は、下面のフォトニック結晶共振器を励起加熱した光カンチレバーの形状変化を示した図である。図１（Ｃ）は、上面のフォトニック結晶共振器を励起加熱した場合の光カンチレバーの形状変化を示した図である。
【図２】実施例２に係る光カンチレバーの説明図である。図２（Ａ）は、実施例２に係る光カンチレバーの断面構成図である。図２（Ｂ）は、実施例２に係る光カンチレバーの平面構成図である。図２（Ｃ）は、下面のフォトニック結晶共振器を励起加熱した光カンチレバーの形状変化を示した図である。図２（Ｄ）は、上面のフォトニック結晶共振器を励起加熱した光カンチレバーの形状変化を示した図である。図２（Ｅ）は、基底モードの一例を示した図である。図２（Ｆ）は、基底モードの他の例を示した図である。
【図３】実施例２に係る光カンチレバーの製造方法を示した図である。図３（Ａ）は、基板用意工程を示した図である。図３（Ｂ）は、パタン転写工程を示した図である。図３（Ｃ）は、犠牲層除去工程を示した図である。
【図４】実施例４に係る光カンチレバーの説明図である。図４（Ａ）は、実施例４に係る光カンチレバーの断面構成図である。図４（Ｂ）は、実施例４に係る光カンチレバーの屈折率と共振波長との関係特性図である。
【図５】実施例５に係る光カンチレバーの説明図である。図５（Ａ）は、実施例５に係る光カンチレバーの断面構成図である。図５（Ｂ）は、実施例５に係る光カンチレバーの穴半径と共振波長との関係特性図である。
【図６】実施例６に係る光カンチレバーの説明図である。図６（Ａ）は、実施例６に係る光カンチレバーの断面構成図である。図６（Ｂ）は、実施例６に係る光カンチレバーの厚さと共振波長の関係特性図である。
【図７】実施例７に係る光カンチレバーの構成図である。図７（Ａ）は、実施例７に係る光カンチレバーの断面構成図である。図７（Ｂ）は、実施例７に係る光カンチレバーの平面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【実施例１】
【００３１】
図１は、本発明の実施例１に係る光カンチレバーを説明するための図である。図１（Ａ）は、実施例１に係る光カンチレバーの基本構造を示した断面図である。図１（Ａ）において、実施例１に係る光カンチレバーは、第１のフォトニック結晶共振器１０と、第２のフォトニック結晶共振器２０と、連結部７０とを有する。第１のフォトニック結晶共振器１０及び第２のフォトニック結晶共振器２０は、ともに板状のスラブとして構成されている。よって、第１のフォトニック結晶共振器１０を、第１のスラブ１０と呼び、第２のフォトニック結晶共振器２０を第２のスラブ２０と呼んでもよい。また、以後、総ての実施例において、第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０を個別に区別する必要が無い場合には、フォトニック結晶共振器１０、２０のように表記することとする。
【００３２】
第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０は、板状に構成された連結部７０の両面に接合されて一体化されており、全体として光カンチレバーを構成している。つまり、連結部７０は、対向する第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０との間に挟まれるように設けられており、両者を連結支持している。
【００３３】
第１のフォトニック結晶共振器１０及び第２のフォトニック結晶共振器２０は、ともに特定波長の光を一定期間閉じ込める働きをし、共振器として機能する。つまり、特定波長の光を一定期間閉じ込めることにより、光のエネルギーにより熱を発生させる。一方、連結部７０は、断熱材で構成されている。よって、連結部７０は、第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０を接合して一体化するとともに、第１のフォトニック結晶共振器１０又は第２のフォトニック結晶共振器２０の一方で発生した熱を遮断する機能を有する。
【００３４】
第１のフォトニック結晶共振器１０及び第２のフォトニック結晶共振器２０は、各々が互いに異なる共振波長λ１、λ２を有する。そして、第１のフォトニック結晶共振器１０及び第２のフォトニック結晶共振器２０の双方とも、動作波長においては線形吸収が生じず、２光子吸収なとの非線形吸収のみが起こるように構成する。これにより、入力する光の波長がいずれかのフォトニック結晶共振器１０、２０の共振波長と等しい又はこれに近いと、入力された光の波長に等しい又は近い共振波長を有する方のフォトニック結晶共振器１０、２０内で、光強度が増大して非線形光吸収が生じる。この非線形光吸収により、熱が発生し、２つのフォトニック結晶共振器１０、２０の一方を加熱する。片方のフォトニック結晶共振器１０、２０を励起すると、励起された側が発熱して温度が上昇し、膨張する。つまり、励起加熱された方のフォトニック結晶共振器１０、２０は熱膨張により長さが伸びるが、もう一方の加熱されていない方のフォトニック結晶共振器１０、２０は、断熱材の連結部７０により断熱されて熱が伝わり難いため、相対的に長さが伸びない。第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０は、連結部７０に接合されており、片方のスラブが膨張すると、バイメタルのように、スラブ面に垂直な方向に全体の構造が反る形状変化が生じる。すると、片側支持の構造を有する光カンチレバーにおいては、支持されていない側が、膨張していないスラブの側に変位を発生することになる。
【００３５】
図１（Ｂ）は、下面の第２のフォトニック結晶共振器２０のスラブを励起加熱した場合の光カンチレバーの形状変化を示した図であり、図１（Ｃ）は、上面の第１のフォトニック結晶共振器１０のスラブを励起加熱した場合の光カンチレバーの形状変化を示した図である。
【００３６】
図１（Ｂ）において、下面の第２のフォトニック結晶共振器（スラブ）２０が励起加熱した場合には、下面のスラブが熱膨張により伸長し、下面が張り出して反り、上方に曲がる形状変化が発生する。図１（Ｂ）においては、左側が支持された光カンチレバーを構成しているので、右側の非支持側が、伸長していないスラブの方向の上方向に変位する。
【００３７】
一方、図１（Ｃ）においては、上面の第１のフォトニック結晶共振器１０が励起加熱している。この場合、上面に配置された第１のフォトニック結晶共振器（スラブ）１０が熱膨張により伸長し、上面が張り出して反り、光カンチレバー全体では下方に曲がる形状変化が発生する。この場合には、左側が片持ち支持されている光カンチレバーにおいては、上面が伸長することにより、下面の側に反り曲がり、下面方向に光カンチレバーの変位が発生する。
【００３８】
このように、第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０を選択的に励起することにより、光カンチレバーをスラブ面に垂直な上方向と下方向の両方向に変位させることが可能となる。つまり、光カンチレバーを上方向に変位させたい場合には、下面の第２のフォトニック結晶共振器２０の共振波長又はこれに近い波長の光を光カンチレバーに照射し、第２のフォトニック結晶共振器２０を励起加熱して下面のスラブを伸長させればよい。逆に、光カンチレバーを下方向に変位させたい場合には、上面の第１のフォトニック結晶共振器１０の共振波長又はこれに近い波長の光を光カンチレバーに照射し、第１のフォトニック結晶共振器１０を励起加熱して上面のスラブを伸長させればよい。本実施例に係る光カンチレバーにおいては、非線形吸収によって熱を生じさせるため、光はどちらのフォトニック結晶共振器１０、２０から入力しても同じ動作をさせることができる。
【００３９】
なお、実施例１において、第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０の具体的な表面形状は示していないが、種々の欠陥構造を有するフォトニック結晶共振器１０、２０を適用することができる。
【実施例２】
【００４０】
図２は、本発明の実施例２に係る光カンチレバーの構成及び機能を説明するための図である。図２（Ａ）は、実施例２に係る光カンチレバーの断面構成の一例を示した図であり、図２（Ｂ）は、実施例２に係る光カンチレバーの平面構成の一例を示した図である。
【００４１】
図２（Ａ）に示すように、実施例２に係る光カンチレバーは、上面の第１のフォトニック結晶共振器１１と、下面の第２のフォトニック結晶共振器２１と、第１のフォトニック結晶共振器１１に形成された穴３１と、第２のフォトニック結晶共振器２１に形成された穴４１と、第１のフォトニック結晶共振器１１を含む第１のスラブ５０と、第２のフォトニック結晶共振器２１を含む第２のスラブ６０と、第１のスラブ５０と第２のスラブ６０とを連結して支持する連結部７１とを有する。
【００４２】
なお、以後の実施例において、第１のスラブ５０と第２のスラブ６０も、フォトニック結晶共振器１１、２１と同様に、個別に区別する必要が無い場合は、スラブ５０、６０と表記してもよいこととする。
【００４３】
実施例１に係る光カンチレバーにおいては、対向して配置された第１のフォトニック結晶共振器１０と第２のフォトニック結晶共振器２０は、その間に断熱材で構成された連結部７０を有し、連結部７０の両面に接合されて一体化支持されていた。これに対し、実施例２に係る光カンチレバーにおいては、対向する２つの第１のスラブ５０と第２のスラブ６０との間に、第１のフォトニック結晶共振器１１及び第のフォトニック結晶共振器２１を左側と右側の両側から、平面的に挟むように連結部７１が設けられている。つまり、実施例２に係る光カンチレバーにおいては、連結部７１は、第１のスラブ５０と第２のスラブ６０の間にスペーサのように設けられ、第１のフォトニック結晶共振器１１と第２のフォトニック結晶共振器２１との間には、空気が連通する空間が形成されている点で、実施例１に係る光カンチレバーと異なっている。
【００４４】
このように、連結部７１は、フォトニック結晶共振器１１、２１を平面的に両側から挟むような構成で設けてもよい。この場合であっても、２つのスラブ５０、６０は、連結部７１を介して一体的に連結支持されているので、一方のフォトニック結晶共振器１１、２１で熱膨張が発生した場合に、連結部７１に挟まれたフォトニック結晶共振器１１、２１の部分で連結部７１の上側と下側で伸長の度合いを異ならせることができ、上下方向への変形を生じさせることができる。なお、実施例２に係る光カンチレバーにおいては、連結部７１は、スラブ５０、６０の長手方向の両側からフォトニック結晶共振器１０、２０を平面的に挟む構成が例として挙げられているが、熱膨張による一方のスラブ５０、６０の変形を、他方のスラブ５０、６０との関係で形状変化を発生させ、スラブ面に垂直な変位を発生させることができれば、種々の配置としてよい。例えば、スラブ５０、６０の短手方向の両側から挟む配置としたり、対角線両側から挟むような配置としたりすることも可能である。
【００４５】
フォトニック結晶共振器１１、２１は、フォトニック結晶を共振器に応用して構成されている。フォトニック結晶は、屈折率が周期的に分布されている構造を有する。フォトニック結晶は、周期性による光の分散特性制御及び禁制帯域を用いて、光の伝達を制御するとともに光の局所閉じ込めを行い、フォトニック結晶共振器１１、２１の作製に応用されている。
【００４６】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶共振器１１、２１は、穴３１、４１を有する。穴３１、４１は、フォトニック結晶共振器１１、２１に周期的に設けられ、屈折率が周期的に分布されている構造を実現する。図２（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶共振器１１、２１の穴３１、４１は、２次元状の周期を有する配置で構成されてもよい。図２（Ｂ）においては、第１のフォトニック結晶共振器１１に、穴３１が格子状に配列された例が示されている。また、図２（Ｂ）に示すように、実施例２に係る光カンチレバーは、フレーム８０を備えていてもよい。フレーム８０は、光カンチレバーのスラブ５０、６０を含む本体を外側から支持するための部材であり、スラブ５０、６０と連結して備えられてよい。なお、図２（Ａ）には、フレーム８０は示されていない。
【００４７】
なお、図２（Ａ）、（Ｂ）において、穴３１、４１の配列や数は、用途に応じて任意に設定してよいことは言うまでもない。
【００４８】
図２（Ｃ）、（Ｄ）は、上述のような周期性による光の分散特性制御を用いた閉じ込め構造のフォトニック結晶共振器１１、２１を構成し、フォトニック結晶共振器１１、２１を選択励起したときの光カンチレバーの変位を示している。
【００４９】
図２（Ｃ）は、実施例２に係る光カンチレバーの下面の第２のフォトニック結晶共振器２１を励起加熱した場合の光カンチレバーの変位の一例を示した図である。図２（Ｃ）に示すように、下面の第２のフォトニック結晶共振器２１を励起加熱すると、第２のフォトニック結晶共振器２１が熱膨張して伸長し、熱膨張を生じない上面の第１のフォトニック結晶共振器１１との間で左右の長さに差が生じる。そうすると、連結部７１より内側の下面の第２のスラブ６０は左右に伸長し、連結部７１より内側の上面の第１のスラブ５０の長さは殆ど変化しないので、連結部７１は、内側に倒れるような傾き変形を生じ、光カンチレバーは下方向に反るように変形し、端部は上方向への変位を生じる。この点は、実施例１に係る光カンチレバーの図１（Ｂ）の変形と同様である。
【００５０】
図２（Ｄ）は、実施例２に係る光カンチレバーの上面の第１のフォトニック結晶共振器１１を励起加熱した場合の光カンチレバーの変位の一例を示した図である。図２（Ｄ）に示すように、上面の第１のフォトニック結晶共振器１１を励起加熱すると、第１のフォトニック結晶共振器１１が熱膨張して伸長し、熱膨張を生じない下面の第２のフォトニック結晶共振器２１との間で長手方向（左右）の長さに差が生じる。そうすると、連結部７１より内側の上面の第１のスラブ５０は長手方向（左右）に伸長し、連結部７１より内側の下面の第２のスラブ６０の長さは殆ど変化しないので、連結部７１は、外側に倒れるような傾き変形を生じ、光カンチレバーは上方向に反るように変形し、端部は下方向への変位を生じる。この点も、実施例１に係る光カンチレバーの図１（Ｃ）の変形と同様である。
【００５１】
なお、フォトニック結晶における光分散おいて、ガンマ点（即ち、面内方向の波数成分が０）モードは幾つか存在し、その中には、外部の光と結合しない対称性を持つモードが存在する。これは、フォトニック結晶の内部の光も完全に閉じ込めることができて外に漏らさないが、フォトニック結晶の内部への光の入力もできないことを意味する。
【００５２】
しかしながら、外部の光と結合しない対称性を持つモードの議論は、最も理想的な条件の、無限大のサイズを有するフォトニック結晶共振器１１、２１においては有効であるが、実際には、そのような条件は崩れている。つまり、フォトニック結晶共振器１１、２１は、有限のサイズを持っているため、スラブ５０、６０に閉じ込められる光は外部と結合し、全体的に有限のＱ値を持つため、外部入射光との結合も容易であり、外部からの光の照射により、フォトニック結晶共振器１１、２１に光を容易に入力することができる。
【００５３】
図２（Ｅ）、（Ｆ）は、基底モードの２つの例を示した図である。図２（Ｅ）は、モード１の基底モードの例を示し、図２（Ｆ）は、モード２の基底モードの例を示している。これらのモードは、フォトニック結晶共振器１１、２１の設定により、適切な任意のモードを選択してよい。
【実施例３】
【００５４】
実施例３においては、光カンチレバーの製造方法について説明する。図３は、実施例２に係る光カンチレバーの製造方法の一例を示した図である。
【００５５】
図３（Ａ）は、基板用意工程の一例を示した図である。基板用意工程においては、光カンチレバーを製造するための基板を用意する。用意される基板は、図３（Ａ）に示すように、例えば、フォトニック結晶共振器１１、２１として加工される第１のコア層１２及び第２のコア層２２を備え、コア層１２、２２の間に第１の犠牲層７２、第２のコア層２２の下層に第２の犠牲層９０を備えた基板であってもよい。犠牲層７２、９０は、コア層１２、２２と選択エッチングが可能な物質を選択するようにすることが好ましい。
【００５６】
また、基板は、種々の材料からなる基板が考えられるが、例えば、コア層１２、２２が半導体、犠牲層７２、９０が酸化膜で形成された基板であってもよい。半導体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等が用いられてもよく、酸化膜は、ＳｉＯ等が用いられてもよい。例えば、基板としては、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板が用意され、更に下層に第２の犠牲層９０としてＳｉＯが形成された基板を用いるようにしてもよい。このような、半導体製造プロセスで用いられている半導体基板を利用することにより、半導体製造プロセスをそのまま利用することができる。
【００５７】
図３（Ｂ）は、パタン転写工程の一例を示した図である。パタン転写工程においては、フォトニック結晶共振器１１、２１に形成される穴３１、４１の周期パタンと同様の周期パタンを有する穴３２が、描画により転写される。描画プロセスで定義された周期パタンは、ドライエッチングプロセスを用いて下部まで転写し、第２のコア層２２にも周期パタンを転写する。
【００５８】
図３（Ｃ）は、犠牲層除去工程の一例を示した図である。犠牲層除去工程においては、犠牲層７２、９０をウエットエッチング又はドライエッチングで除去する。その際、第２の犠牲層９０は、エッチングにより総てを除去してよいが、第１の犠牲層７２は、端部を除去せずに残すようにすると、連結部７２を形成することができる。
【００５９】
なお、ウエットエッチングの場合、結晶面に依存性を持つエッチャントを使用した方が良いが、等方性エッチャントでも、反応速度を抑制しながら、フォトニック結晶と連結部７２との距離を確保すると加工可能である。
【００６０】
このように、半導体基板から実施例２に係る光カンチレバーを製造する場合には、半導体製造プロセスを利用して容易に光カンチレバーを製造することができる。また、図３においては、実施例２に係る光カンチレバーを製造する例について説明したが、図３（Ｃ）において、第１の犠牲層７２も総てエッチング除去して２枚のフォトニック結晶共振器１０、２０を製造し、その後に断熱材の連結部７０を両面から挟むように接合すれば、実施例１に係る光カンチレバーも容易に製造することができる。
【００６１】
また、実施例３に係る光カンチレバーの製造方法は、これ以後に説明する実施例に係る光カンチレバーの製造にも利用することができる。
【実施例４】
【００６２】
図４は、本発明の実施例４に係る光カンチレバーを説明するための図である。図４（Ａ）は、実施例４に係る光カンチレバーの断面構成を示した図であり、図４（Ｂ）は、実施例４に係る光カンチレバーの屈折率と共振波長又は吸収波長との関係特性を示した図である。
【００６３】
図４（Ａ）に示すように、実施例４に係る光カンチレバーは、実施例２に係る光カンチレバーと同様に、空気層を第１のスラブ５１と第２のスラブ６１の間に有する構成を有する。また、第１のスラブ５１は、第１のフォトニック結晶共振器１３を有し、第２のスラブ６１は、第２のフォトニック結晶共振器２３を各々備える。また、第１のフォトニック結晶共振器１３は、周期パタンを有する穴３３を備え、第２のフォトニック結晶共振器２３は、同様に周期パタンを有する穴４３を備える。更に、第１のスラブ５１と第２のスラブ６１の両側の端部は、連結部７３で連結支持され、第１のスラブ５１と第２のスラブ６１は一体化されて構成されている。
【００６４】
かかる構成は、実施例２に係る光カンチレバーとほぼ同様であるので、第１のスラブ５１及び第２のスラブ６１の上下方向への変形及び変位の動作も、実施例２の図２（Ｃ）、（Ｄ）と同様な動作をする。つまり、第１のフォトニック結晶共振器１３が選択的に励起加熱された場合には、下方に光カンチレバーが変位し、第２のフォトニック結晶共振器２３が励起加熱された場合には、上方に光カンチレバーが変位する。その詳細な内容は、実施例２の図２（Ｃ）、（Ｄ）における説明と同様であるので、説明を省略する。
【００６５】
実施例４に係る光カンチレバーにおいては、第１のフォトニック結晶共振器１３と第２のフォトニック結晶共振器２３の組成が互いに異なっている。第１のフォトニック結晶共振器１３と第２のフォトニック結晶共振器２３は、組成を異ならせることにより、互いの屈折率ｎ１、ｎ２を異ならせることができる。そして、組成の変化に伴う屈折率ｎ１、ｎ２の変化により、フォトニック結晶共振器１３、２３の共振波長及び／又は吸収波長のチューニングができる。
【００６６】
フォトニック結晶共振器１３、２３の組成は、実施例３において説明した製造方法において、例えば、ガリウムヒ素等の化合物半導体のように、エピタキシャル成長が可能な物質系では、２つのコア層２１、２２の互いの組成を変えることが可能である。例えば、このような製造方法を適用することにより、第１のフォトニック結晶共振器１３と第２のフォトニック結晶共振器２３の組成を容易に異なるものとすることができ、これにより屈折率ｎ１、ｎ２を調整することができる。
【００６７】
図４（Ｂ）は、スラブ５１、６１の厚さが４００ｎｍ、周期７５０ｎｍの正方格子の場合の、スラブ構成物質の屈折率ｎ１、ｎ２によるモード１、２の共振波長の変化を示している。なお、モード１、２は、図２（Ｅ）、（Ｆ）に示したモード１、２に対応している。
【００６８】
図４（Ｂ）において、スラブ５１、６１の全体の有効屈折率が上昇するため、共振波長は長波長に移動しており、その移動量は、屈折率ｎ１、ｎ２の１０％変化に対して、約１０％程度の線形的な変化を示す。つまり、約１５ｎｍの共振波長のチューニングを得るために、僅か０．０３の屈折率ｎ１、ｎ２の変化で十分であり、この変化量は、化合物半導体系では十分に実現可能な量である。
【００６９】
なお、図４（Ｂ）において、モード１とモード２の共振波長は異なっているので、例えば、第１のフォトニック結晶共振器１３にモード１又はモード２の一方のモードを設定し、第２のフォトニック結晶共振器２３に他方のモードを設定するようにしてもよい。一方、モード１のみの特性においても、屈折率により共振波長が約１．６３ｎｍから約１．７７ｎｍの範囲の幅があるので、モード１のみでフォトニック結晶共振器１３、２３の共振波長の設定を行うようにしてもよい。
【００７０】
このように、共振波長の設定は、互いの波長がある程度の差を有して異なっていれば、異なるモードで設定してもよいし、同じモードで設定するようにしてもよい。また、図４（Ｂ）は、共振波長を例に挙げて説明したが、第１のフォトニック結晶共振器１３と第２のフォトニック結晶共振器２３との間で、吸収波長を異ならせるように設定してもよい。
【実施例５】
【００７１】
図５は、本発明の実施例５に係る光カンチレバーを説明するための図である。図５（Ａ）は、実施例５に係る光カンチレバーの断面構成の一例を示した図であり、図５（Ｂ）は、実施例５に係る光カンチレバーの穴半径と共振波長の関係特性の一例を示した図である。
【００７２】
実施例４において説明したように、化合物半導体を用いた場合には、２つのフォトニック結晶共振器１３、２３の屈折率ｎ１、ｎ２を比較的容易に変えることができるが、シリコン等の単体物質では、屈折率ｎ１の調整は困難である。このような場合には、対向する２つのフォトニック結晶の構造自体を異ならせることにより、同様な動作が可能となる。
【００７３】
実施例３における光カンチレバーの製造方法において、シリコンを基板として用いた場合、コア層２１、２２による２つのフォトニック結晶共振器構造は、ウェハ貼り合わせ技術等で製作が可能であり、コア層２１、２２の間の第１の犠牲層７２は、シリコン酸化物等を用いる。
【００７４】
図５（Ａ）においては、そのような上述の製造方法で製造された実施例５に係る光カンチレバーの一例が示されている。図５（Ａ）に示すように、実施例５に係る光カンチレバーは、同じ屈折率ｎ１を有する対向する２つのスラブ５２、６２が備えるフォトニック結晶共振器１４、２４の穴径が、互いに異なる構成を有している。つまり、上方の第１のフォトニック結晶共振器１４の穴３４の穴径が、下方の第２のフォトニック結晶共振器２４の穴４４の穴径よりも大きい構成となっている。このように、対向する２つのフォトニック結晶共振器１４、２４の穴３４、４４の径を異ならせることにより、共振波長又は吸収波長を調整するようにしてもよい。なお、２つのスラブ５２、６２が連結部７４により一体化されて連結支持されている点は、実施例２及び実施例４と同様である。また、光カンチレバーの上下方向への変位動作と、選択的に励起加熱するフォトニック結晶共振器１４、２４との関係も、実施例２、４と同様であるので、その説明を省略する。
【００７５】
実施例３の図３（Ｃ）において説明したように、ドライエッチングプロセスは通常異方性エッチング、つまり、垂直エッチング形状に対して最適化している。つまり、上面及び下面のコア層１２、２２の両方に対して、均一な穴３２を形成したい場合には、ドライエッチングプロセスが適している。
【００７６】
実施例５に係る光カンチレバーは、その最適条件をずらし、テーパー構造になるように穴３２を加工し、上面及び下面のフォトニック結晶共振器１４、２４の穴３４、４４の径のチューニングを実現する。
【００７７】
図５（Ｂ）は、厚さ４００ｎｍ、周期７５０ｎｍの正方格子の周期パタンを有するフォトニック結晶共振器１４、２４の穴３４、４４の半径と、共振波長との関係を示している。図５（Ｂ）において、穴径が拡張されると、フォトニック結晶共振器１４、２４の有効屈折率が低下し、共振波長は短波長に移動する。なお、その移動量は、ほぼ線形的に変化しており、半径１０％の変化に対して、共振波長は約７％変化する。例えば、半径５ｎｍの変化を与えると、共振波長は１２ｎｍ程度移動する。この変化量は、異方性エッチングの最適化条件から大幅にずらすことなく実現できる量である。
【００７８】
なお、図５（Ｂ）においては、穴径と共振波長の関係の例を挙げたが、穴径により吸収波長の調整も可能なことは言うまでもない。また、対向する２つのフォトニック結晶共振器１４、２４において、異なるモード又は同一のモードの双方を利用し得る点は、実施例４における説明と同様である。
【実施例６】
【００７９】
図６は、本発明の実施例６に係る光カンチレバーを説明するための図である。図６（Ａ）は、実施例６に係る光カンチレバーの断面構成の一例を示した図であり、図６（Ｂ）は、実施例６に係る光カンチレバーの厚さと共振波長の関係の一例を示した図である。
【００８０】
実施例５と同様な共振波長のチューニングを、対向する上下のスラブ５３、６３の厚さを変化させることによっても実現することができる。実施例６に係る光カンチレバーにおいては、共振波長の調整を、フォトニック結晶共振器１５、２５を含むスラブ５３、６３の厚さを調整することにより行う。図６（Ａ）に示すように、実施例６に係る光カンチレバーは、上面の第１のフォトニック結晶共振器１５の穴３５の径と、下面の第２のフォトニック結晶共振器２５の穴４５の径は等しく、また屈折率もともにｎ１で等しいが、第１のフォトニック結晶共振器１５を含む第１のスラブ５３の厚さと、第２のフォトニック結晶共振器２５を含む第２のスラブ６３の厚さが異なっている。なお、第１のスラブ５３と第２のスラブ６３が連結部７５により一体化されて連結支持されている点は、実施例２、４、５と同様である。また、励起加熱による光カンチレバーの上下方向への変位動作も、実施例２、４、５と同様であるので、その説明を省略する。
【００８１】
図６（Ｂ）は、周期７５０ｎｍ、穴径３００ｎｍ、屈折率３．１９のフォトニック結晶共振器１５、２５における、スラブ５３、６３の厚さによる共振波長の変化を示している。図６（Ｂ）に示すように、周期、穴径、屈折率ｎ１を一定にしたままフォトニック結晶共振器１５、２５の厚さを厚くすると、フォトニック結晶共振器１５、２５の外、つまり空気に存在する光の分布が減少するために有効屈折率が上昇し、共振波長は長波長に移動する。
【００８２】
このように、フォトニック結晶共振器１５、２５を含むスラブ５３、６３の厚さを調整することによっても、共振波長を調整することができる。また、吸収波長の調整が可能な点も、実施例４及び実施例５と同様であり、２つのフォトニック結晶共振器１５、２５において、同じモードを用いても異なるモードを用いてもよい点も、実施例４及び実施例５と同様である。
【００８３】
また、実施例５及び実施例６に係る光カンチレバーは、シリコン等の単体の半導体で光カンチレバーを構成した場合のみならず、エピタキシャル成長による化合物半導体系で光カンチレバーを構成した場合にも適用できる。
【実施例７】
【００８４】
図７は、本発明の実施例７に係る光カンチレバーの構成の一例を示した図である。図７（Ａ）は、実施例７に係る光カンチレバーの断面構成の一例を示した図であり、図７（Ｂ）は、実施例７に係る光カンチレバーの平面構成の一例を示した図である。
【００８５】
図７（Ａ）において、実施例７に係る光カンチレバーは、第１のフォトニック結晶共振器１６を含む第１のスラブ５４と、第２のフォトニック結晶共振器２６を含む第２のスラブ６４と、第１のスラブ５４と第２のスラブ６４とを連結して一体化する連結部７６とを備える。これらの構成は、実施例２乃至実施例５と同様であり、また、第１のフォトニック結晶共振器１６が励起加熱したときには下方に変位し、第２のフォトニック結晶共振器２６が励起加熱したときには上方に変位する点も、実施例２乃至実施例５と同様であるので、その説明を省略する。
【００８６】
図７（Ｂ）に示すように、実施例７に係る光カンチレバーは、第１のフォトニック結晶共振器１６が、円形の二次元に配列された穴３１〜３５ではなく、回折格子状のスリット３６を備える点で、実施例２乃至実施例６と異なっている。このように、本実施例に係る光カンチレバーは、回折格子状のスリット３６により、第１のフォトニック結晶共振器１６を構成する。
【００８７】
なお、図７（Ａ）に示すように、第２のフォトニック結晶共振器２６も、第１のフォトニック結晶共振器１６と同様に、回折格子状のスリット４６を備える。
【００８８】
実施例７に係る光カンチレバーにおいては、回折格子状に縞をなして配列されたスリット３６、４６を有する２つのフォトニック結晶共振器１６、２６について、共振波長又は吸収波長を互いに異ならせることにより、両方向への変位を実現する。図７（Ａ）、（Ｂ）に示した周期的な回折格子状のスリット３６、４６の形成によっても、フォトニック結晶共振器１６、２６を構成することができるので、実施例１、実施例３乃至実施例６を同様に適用することができる。つまり、実施例７に係る光カンチレバーにおいても、実施例１で説明しように、断熱材の連結部７０を挟むように接合された構成として光カンチレバーを構成することが可能である。また、実施例４で説明したように、実施例７に係る光カンチレバーの第１のフォトニック結晶共振器１６と第２のフォトニック結晶共振器２６を化合物系半導体で構成し、その組成を異ならせることも可能である。更に、実施例５で説明したように、第１のフォトニック結晶共振器１６と第２のフォトニック結晶共振器２６のスリット３６、４６の開口幅を異ならせたり、実施例６で説明したように、フォトニック結晶共振器１６、２６の厚さを異ならせたりすることにより、フォトニック結晶共振器１６、２６の有効屈折率を異ならせ、共振波長及び吸収波長を調整することができる。また、実施例７に係る光カンチレバーの製造方法は、実施例３で説明した製造方法を、転写するパタンをスリット状とすればそのまま適用することができる。
【００８９】
このように、実施例７に係る光カンチレバーによれば、１次元の周期パタンである回折格子状のスリット３６、４６を形成したフォトニック結晶共振器１６、２６を用いつつ、簡素な構成で両方向へ変位するカンチレバーを実現することができる。
【００９０】
また、実施例１乃至実施例７において説明した例の他、上下のフォトニック結晶共振器を構成する材料のバンドギャップを変えることによっても、特定波長の光が片方のスラブだけで吸収されるように設定することもできる。
【００９１】
更に、実施例１乃至実施例７においては、動作波長において線形吸収は起こらず、非線形吸収だけを用いる例について説明したが、動作波長において線形吸収が起こる材料でフォトニック結晶共振器を構成しても、基本的には同様の効果が発生する。但し、この場合、線形吸収による影響がどちらのフォトニック結晶共振器に対しても常に起こるため、光の入力方向を、一方のフォトニック結晶共振器のみに対して可能なように選択する必要がある。
【００９２】
以上説明したように、本実施例に係る光カンチレバーによれば、光を用いてフォトニック結晶共振器を選択的に加熱、膨張させるため、従来の電気駆動に不可欠である電極設置等が不要となり、構造を簡素化することができる。また、従来のカンチレバーには非常に困難であった両方向への変位の制御が、単に励起光波長を変えることにより実現することができ、駆動方法も容易にすることができる。
【００９３】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、ミクロン領域、ナノ領域におけるカンチレバーを用いた動作、制御等を行う光制御、光ＭＥＭＳの分野のデバイスに幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１０、１１、１３〜１６    第１のフォトニック結晶共振器
１２、２２    コア層
２０、２１、２３〜２６    第２のフォトニック結晶共振器
３１〜３５、４１〜４５    穴
３６    スリット
５０〜５４    第１のスラブ
６０〜６４    第２のスラブ
７０、７１、７３〜７６    連結部
８０、８１    フレーム
７２、９０    犠牲層
【図１】
2011087435.tif 000003
【図３】
2011087435.tif 000004
【図４】
2011087435.tif 000005
【図５】
2011087435.tif 000006
【図６】
2011087435.tif 000007
【図７】
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【図２】
2011087435.tif 000009