(57)【要約】【課題】  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およびその製造方法を提供する。【解決手段】  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、空孔或いは柱を光透過性基板の表面にガスクラスターイオンビームを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およびその製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【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、
空孔或いは柱を光透過性基板の表面にガスクラスターイオンビームを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。
【請求項２】
請求項１に記載される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、
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。
【請求項３】
請求項１に記載される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、
光透過性基板材料としてＳｉを使用し、反応性ガスとして弗素系ガスを使用し、マスク材としてＮｉ或いはＣｒを使用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。
【請求項４】
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において、
フォトニック結晶に入射する光をコリメート光とし、
光透過性基板の表面にガスクラスターイオンビームを照射してエッチング形成した空孔或いは柱より成る２次元フォトニック結晶の厚さをコリメート光の直径より厚く形成したことを特徴とする２次元フォトニック結晶光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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）。
【０００４】
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）。
【特許文献１】特許第３３２５８２５号  公報
【特許文献２】特開２００１−７４９５５号  公報
【特許文献３】特開２００１−２７２５５５号  公報
【特許文献４】特許第３３４９９５０号  公報
【特許文献５】特開２００１−２２９５１４号  公報
【特許文献６】特開２００３−１３２０８号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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およびその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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ガスクラスターイオンビームを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を構成した。
【００１１】
そして、請求項２：請求項１に記載される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、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する２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法を構成した。
【００１２】
また、請求項３：請求項１に記載される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、光透過性基板材料としてＳｉを使用し、反応性ガスとして弗素系ガス を使用し、マスク材としてＮｉ或いはＣｒを使用する２次元フォトニック結晶光デバイスの製造方法を構成した。
【００１３】
ここで、請求項４：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において、フォトニック結晶に入射する光をコリメート光とし、光透過性基板の表面にガスクラスターイオンビームを照射してエッチング形成した空孔或いは柱より成る２次元フォトニック結晶の厚さをコリメート光の直径より厚く形成した２次元フォトニック結晶光デバイスを構成した。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【実施例１】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
［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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【実施例２】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【実施例３】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【実施例４】
【００３０】
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。
【実施例５】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【実施例６】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【実施例７】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
［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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施例１を説明する図。
【図２】２次元フォトニック結晶の形状を示す図。
【図３】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側壁を説明する図。
【図４】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説明する図。
【図５】実施例２の２次元フォトニック結晶の円孔側壁を説明する図。
【図６】マスク材料とエッチングレートの関係を説明する図。
【図７】実施例４を説明する図。
【図８】実施例４の２次元フォトニック結晶の形状を示す図。
【図９】実施例５を説明する図。
【図１０】実施例５の２次元フォトニック結晶の形状を示す図。
【図１１】実施例６を説明する図。
【図１２】実施例７を説明する図。
【図１３】実施例７の変形例を説明する図。
【図１４】従来例を説明する図。
【符号の説明】
【００４３】
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
【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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