(57)【要約】  【課題】  ２次元フォトニック結晶の方は上下共に空気に接し、２次元フォトニック結晶に接続された細線導波路の下部にはクラッド部材に接する細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法を提供する。  【解決手段】  Siから成るスラブ層２１１、SiO2から成るクラッド層２１２を備える基板２１(SOI基板)を用い、まず、ドライエッチングによりスラブ層２１１にエッチング剤導入用空孔２２を形成する((b))。次に、エッチング剤導入用空孔２２からフッ化水素水溶液を導入してクラッド層２１２のみを一定の範囲だけエッチングし、エアブリッジ空洞２３を形成する((c))。次に、ドライエッチングにより、スラブ層２１１に周期的配列を有する空孔２５と結晶内導波路２７を形成すると共に、溝２６を形成することにより結晶内導波路２７の延長上に細線導波路２５を形成する((e))。その際、細線導波路２５と結晶内導波路２７の接続部をエアブリッジ空洞２３の外縁上の位置２４に合わせる。【選択図】  図５
2005172933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラブ層とクラッド層が積層して成る板材から、導波路を有する２次元フォトニック結晶と該導波路に接続された細線導波路とから成る細線導波路付２次元フォトニック結晶を製造する方法であって、
a)スラブ層にエッチング剤導入用空孔を形成する空孔形成工程と、
b)エッチング剤導入用空孔を通してエッチング剤を導入することにより、エッチング剤導入用空孔の周囲のクラッド層をエッチングして該クラッド層に空洞を形成するエアブリッジ空洞形成工程と、
c)前記空洞に面するスラブ層に空孔を周期的に設け、該空孔を設けた領域の外縁からその内側に向けて結晶内導波路を形成することにより２次元フォトニック結晶を形成すると共に、該空孔を設けた領域の外縁からその外側に向けて前記結晶内導波路の延長上に所定の幅だけスラブ層を残し、その周囲のスラブ層を除去することにより細線導波路を形成する細線導波路付２次元フォトニック結晶形成工程と、
を有することを特徴とする細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
前記結晶内導波路が、前記空孔を形成しない領域を線状に設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
前記エッチング剤導入用空孔を細線導波路付２次元フォトニック結晶となる領域の外側のスラブ層に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
前記エッチング剤導入用空孔が、前記結晶内導波路の両側に、該結晶内導波路から所定の距離だけ離れて略平行に配列されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
前記細線導波路付２次元フォトニック結晶形成工程において、スラブ層を細線導波路の両側を溝状に空孔配置の１周期分以上の幅だけ除去することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
前記細線導波路付２次元フォトニック結晶形成工程において、更に前記２次元フォトニック結晶の外縁部のスラブ層を前記細線導波路から空孔配置の５周期分以上除去することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項７】
前記板材のスラブ層がSiから成り、クラッド層がSiO2から成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項８】
前記板材がSOI基板であることを特徴とする請求項７に記載の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項９】
前記エッチング剤がフッ化水素水溶液であることを特徴とする請求項７又は８に記載のエアブリッジ構造を有する２次元フォトニック結晶の製造方法。
【請求項１０】
スラブ層とクラッド層が積層して成る板材から形成され、スラブ層に周期的に配置された空孔及び導波路を有する２次元フォトニック結晶と該導波路に接続された細線導波路とから成り、該２次元フォトニック結晶の下部にはクラッド層が除去された空洞が設けられ、該細線導波路の下部にはクラッド層が接する、細線導波路付２次元フォトニック結晶であって、
前記細線導波路の両側のスラブ層が空孔配置の１周期分以上の幅だけ除去されていることを特徴とする細線導波路付２次元フォトニック結晶。
【請求項１１】
スラブ層とクラッド層が積層して成る板材から形成され、スラブ層に周期的に配置された空孔及び導波路を有する２次元フォトニック結晶と該導波路に接続された細線導波路とから成り、該２次元フォトニック結晶の下部にはクラッド層が除去された空洞が設けられ、該細線導波路の下部にはクラッド層が接する、細線導波路付２次元フォトニック結晶であって、
前記２次元フォトニック結晶の外縁部のスラブ層が細線導波路から空孔配置の５周期分以上除去されていることを特徴とする細線導波路付２次元フォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分割多重通信等の分野において分合波器等に用いられる２次元フォトニック結晶、特に結晶外部に光を導出又は導入するための細線導波路を接続した細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周期屈折率分布をもった光学機能材料であるフォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶は、その周期屈折率分布により光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造が形成され、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ)が形成されるという特徴を有する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において用いる「光」には、光以外の電磁波も含むものとする。
【０００３】
フォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、エネルギー準位(欠陥準位)がフォトニックバンドギャップ中に形成される。これにより、フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長(周波数)範囲のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみがその欠陥の位置において存在可能になる。この欠陥を線状に設けることにより導波路が形成され、点状に設けることにより光共振器が形成される。この点状欠陥において共振する光の波長(共振波長)はその形状や屈折率に依存する。
【０００４】
この共振器及び導波路を用いて様々な光デバイスを作製することが検討されている。例えば、この共振器を導波路の近傍に配置することにより、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を導波路から共振器を介して外部へ取り出す分波器として機能すると共に、共振器の共振波長を有する光を外部から共振器を介して導波路に導入する合波器としても機能する分合波器となる。このような分合波器は、例えば光通信の分野において、一本のファイバに複数の波長の光を伝播させてそれぞれの波長の光に別個の信号を乗せる波長分割多重方式通信に用いることができる。
【０００５】
フォトニック結晶には１次元結晶、２次元結晶及び３次元結晶があるが、このうち２次元フォトニック結晶は製造が比較的容易であるという利点を有する。その一例として、特許文献１には、高屈折率の板材(スラブ)に、その材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列した２次元フォトニック結晶であって、その周期的配列を線状に欠陥させた導波路と、周期的配列を乱す点状欠陥を導波路に隣接して設けた２次元フォトニック結晶及び光分合波器が記載されている。なお、上記のように２次元フォトニック結晶内に形成される導波路を、本出願では「結晶内導波路」と呼ぶ。
【０００６】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0019]〜[0032]、図1）
【０００７】
２次元フォトニック結晶において、高屈折率であるスラブ内に周期的に配置される低屈折率領域を空気（すなわち、空孔）とするのが、屈折率の差を大きくすることができるという点、及び製造上の容易さの点より、最も一般的である。
【０００８】
特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶においては、スラブは上下共に空気に接する。前述のとおり、スラブと空気の間の屈折率の差が大きいことから、こうすることにより、結晶内導波路内を伝播する光はその大半が全反射によりスラブ内に閉じこめられ、高い伝播効率を得ることができる。
【０００９】
このような２次元フォトニック結晶において、外部から導波路へ光を導入し、又は導波路から外部へ光を導出するために、本願発明者らは、この２次元フォトニック結晶に細線導波路を接続した細線導波路付２次元フォトニック結晶について検討している。その一例を図１に示す。２次元フォトニック結晶１０はスラブ１１に空孔１２を周期的に配置することにより形成され、空孔１２を１列分欠損させることにより結晶内導波路１３が形成される。細線導波路１４は結晶内導波路の延長上に接続される。この細線導波路をスラブと同じ材料で形成することにより、２次元フォトニック結晶と細線導波路を一体のものとすることができる。
【００１０】
本願発明者らは、結晶内導波路及び細線導波路を導波する光の周波数と波数の関係(導波モード)を計算した。その結果、図１のように細線導波路の全ての面が空気に接する場合には、細線導波路には２種類の導波モードが存在することが明らかになった。すなわち、１本の導波路内で両モードが同時に導波することとなり、１つの周波数に対して２つの波数の光が存在し得るマルチモードとなる。両モードの光は伝播速度が異なるため、このようなマルチモードの存在は光通信の際に障害となる可能性がある。
【００１１】
一方、図２のように、細線導波路１４の１つの側面に細線導波路の屈折率よりも低く空気の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなるクラッド部材１５を設けた場合には、図３に示すように、細線導波路の導波モードは、１つの周波数に対して１つの波数の光のみが存在し得るシングルモードとなり、上記問題は生じない。
【００１２】
以上のように、細線導波路付２次元フォトニック結晶では、２次元フォトニック結晶の方はスラブの上下共に空気に接し（従って、クラッド部材には接しない）、一方、細線導波路の方はクラッド部材に接することが望ましい。
【００１３】
スラブの上下共に空気に接する２次元フォトニック結晶(但し、細線導波路は設けられていない)を製造する方法が特許文献１に記載されている。その方法においては、InP又はSiから成る層(以下、「スラブ層」とする)の下にInGaAsP又はSiO2から成る層(以下、「クラッド層」)を有する基板を用いている。まず、スラブ層を貫通する空孔を周期的に形成することにより、２次元フォトニック結晶を形成する。その際、空孔の大きさや配置を適宜設定することにより点状欠陥や結晶内導波路を形成する。次に、形成した空孔からエッチング剤を導入することにより、空孔の下にあるクラッド層をエッチングする。この時、一定の時間以上エッチングを行うことにより、空孔の間にあるクラッド層もエッチングし、空孔を設けた領域、即ち２次元フォトニック結晶の下部全体に１つの空洞を形成するようにする。このように製造された２次元フォトニック結晶では、空洞の上に２次元フォトニック結晶のスラブによる橋を架けたような架橋状の構造が形成されるため、本出願ではこのような構造を「エアブリッジ構造」と呼び、この空洞を「エアブリッジ空洞」と呼ぶ。
【００１４】
２次元フォトニック結晶と細線導波路を一体で形成する場合、細線導波路付２次元フォトニック結晶を製造するときには、スラブ層に２次元フォトニック結晶と細線導波路のパターンを一緒に形成し、エッチング等により一挙に作成するのが自然である。しかし、こうして形成した細線導波路付２次元フォトニック結晶の、２次元フォトニック結晶部分の下にエッチングによりエアブリッジ空洞を設けようとすると、エッチング剤が細線導波路の周囲からクラッド層に浸入し、２次元フォトニック結晶の下部のみならず細線導波路の直下もエッチングされてしまう。そのため、細線導波路がクラッド層に接しなくなり、マルチモード伝播となる。また、強度不足から細線導波路が折損する恐れがある。これを防ぐために細線導波路の周囲をマスクしたとしても、細線導波路とマスクとの隙間からエッチング剤が浸入することを完全に防ぐことは難しく、やはり細線導波路の直下の一部がエッチングされてしまう。
【００１５】
また、細線導波路が結晶内導波路の延長線上からずれると、結晶内導波路と細線導波路の間の導波効率が低下する。そのため、細線付２次元フォトニック結晶を製造する際には、結晶内導波路と細線導波路とができるだけ所定の位置関係からずれないようにすることが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明が解決しようとする課題は、２次元フォトニック結晶のスラブは上下共に空気に接し、該２次元フォトニック結晶に接続された細線導波路の下部にはクラッド部材が設けられた細線導波路付２次元フォトニック結晶を製造する方法であって、２次元フォトニック結晶が有する結晶内導波路と細線導波路との位置関係のずれが生じない製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために成された本発明は、スラブ層とクラッド層が積層して成る板材から、導波路を有する２次元フォトニック結晶と該導波路に接続された細線導波路とから成る細線導波路付２次元フォトニック結晶を製造する方法であって、
a)スラブ層にエッチング剤導入用空孔を形成する空孔形成工程と、
b)エッチング剤導入用空孔を通してエッチング剤を導入することにより、エッチング剤導入用空孔の周囲のクラッド層をエッチングして該クラッド層に空洞を形成するエアブリッジ空洞形成工程と、
c)前記空洞に面するスラブ層に空孔を周期的に設け、該空孔を設けた領域の外縁からその内側に向けて結晶内導波路を形成することにより２次元フォトニック結晶を形成すると共に、該空孔を設けた領域の外縁からその外側に向けて前記結晶内導波路の延長上に所定の幅だけスラブ層を残し、その周囲のスラブ層を除去することにより細線導波路を形成する細線導波路付２次元フォトニック結晶形成工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１８】
本発明の細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法では、スラブ層とクラッド層が積層して成る板材を材料とする。なお、以下では説明の都合上、クラッド層の上にスラブ層が形成されているように記載する場合があるが、本発明の細線導波路付２次元フォトニック結晶はスラブ層を上側、クラッド層を下側にして使用されることに限定されず、任意の向きに配置して使用することができる。板材には、スラブ層とクラッド層に続いて更に他の層が積層されているものも含まれる。例えば、Siの厚膜上にSiO2薄膜を形成し、その上にSi薄膜を形成した、市販のSOI(Silicon On Insulator)基板を用いることができる。SOI基板の場合、Si薄膜がスラブ層となり、SiO2薄膜がクラッド層となる。SiO2薄膜の下にあるSi厚膜は、これらスラブ層及びクラッド層を支える基板の役割を有する。
【００１９】
まず、スラブ層を貫通する空孔を形成する。この空孔をここでは「エッチング剤導入用空孔」と呼ぶ。エッチング剤導入用空孔は、後述のように、完成後に細線導波路付２次元フォトニック結晶となる領域の外側に設けることが望ましく、更に結晶内導波路の両側に該結晶内導波路から所定の距離だけ離れて略平行に配列されるように設けることがより望ましい。エッチング剤導入用空孔は、例えば各種半導体装置の製造に用いられるフォトリソグラフィや電子線リソグラフィあるいはドライエッチング等により形成する。
【００２０】
次に、エッチング剤導入用空孔を通して、クラッド層にエッチング剤を導入する。エッチング剤は空孔からクラッド層に浸入し、空孔の下部及びその周囲のクラッド層をエッチングする。これにより、空孔から一定の範囲内にエアブリッジ空洞が形成される。エッチング剤には、既存のエッチング液やエッチングガスを用いることができる。例えばクラッド層がSiO2から成る場合にはフッ化水素溶液を用いることができる。
【００２１】
次に、エアブリッジ空洞に面するスラブ層、即ちエアブリッジ空洞上のスラブ層に空孔を周期的に設ける。これにより屈折率の周期的分布が形成されるため、空孔を設けた領域内は２次元フォトニック結晶になる。ここで空孔を設ける領域は、エアブリッジ空洞の領域と完全に一致する必要はなく、それよりも多少大きく、又は小さくてもよい。また、空孔を設ける際、併せて結晶内導波路を形成する。結晶内導波路の一端又は両端が空孔を設けた領域の外縁部に達するようにする。結晶内導波路は、一般的には空孔の周期配列の線状の乱れにより形成されるが、典型的には空孔を形成しない領域を線状に設けることにより形成される。なお、その両側の空孔配置を寄せることにより幅を狭めたり、又は逆に拡げても、結晶内導波路として十分に作用する。更に、周囲の空孔とは異なる径の空孔を線状に配置したり、別異の物質を埋め込むことによってももちろん結晶内導波路を形成することができる。２次元フォトニック結晶には、必要に応じて点状欠陥を形成する。点状欠陥は、例えば、周期的に配置された空孔とは径の異なる空孔を配置したり、空孔を欠損させること等により形成される。この工程における空孔の形成は、エッチング剤導入用空孔と同様にフォトリソグラフィや電子線リソグラフィあるいはドライエッチング等により行うことができる。
【００２２】
上記のように２次元フォトニック結晶を形成すると共に、前記結晶内導波路の端部から、エアブリッジ空洞の外側に向けて細線導波路を形成する。この細線導波路は、その幅の分だけスラブ層を残して、その周囲のスラブ層を除去することにより形成される。エアブリッジ空洞の外側にはクラッド層が残されているため、こうして形成される細線導波路はその下部にクラッド層を有するものとなる。スラブ層の除去は、空孔を形成する際と同様に、フォトリソグラフィや電子線リソグラフィあるいはドライエッチング等により行うことができる。
【００２３】
仮に２次元フォトニック結晶と細線導波路を別の工程でそれぞれ形成した場合、結晶内導波路と細線導波路のうち先の工程で形成された一方の導波路の位置に合わせるように他方の導波路を形成するため、後の工程において導波路同士の位置合わせを行う必要があり、そのための手間と時間を要する。それに対して本願発明では、２次元フォトニック結晶の形成と細線導波路の形成が同じ工程(細線導波路付２次元フォトニック結晶形成工程)において行われるため、そのような位置合わせのための作業を行う必要がなく、そのための手間と時間を要しないうえ、両者の位置を確実に合わせることができる。
【００２４】
エッチング剤導入用空孔は、完成後に細線導波路付２次元フォトニック結晶となる領域の外側に設けることが望ましい。これにより、エッチング剤導入用空孔の形成やエッチングによるエアブリッジ空洞の形成を比較的ラフに行うことができ、製造工程を簡略化することができる。一方、エッチング剤導入用空孔を細線導波路付２次元フォトニック結晶の領域内に設けて、このエッチング剤導入用空孔を、後に形成する２次元フォトニック結晶の空孔の一部や点状欠陥等とすることも可能である。但し、この場合には、細線導波路付２次元フォトニック結晶形成工程において、エッチング剤導入用空孔と２次元フォトニック結晶のパターンとの位置合わせを行う必要がある。
【００２５】
更に、エッチング剤導入用空孔は、複数の空孔が結晶内導波路の両側に該結晶内導波路から所定の距離だけ離れて略平行に配列されることが望ましい。
エッチング剤導入用空孔を１個のみ設けた場合には、エアブリッジ空洞の外縁の形状は円形となる。また、エッチング剤導入用空孔を複数個線状に設けた場合には、各空孔からそれぞれ同じ距離だけクラッド層がエッチングされるため、エアブリッジ空洞の外縁の形状はエッチング剤導入用空孔の列に平行な帯状となるが、その帯の端部はいちばん端の空孔を中心とする円弧状の形状となる。これらの円弧形状である外縁に前記結晶内導波路の端部を配置すると、その位置から該導波路の幅方向にはエアブリッジ空洞が存在しない。そのため、２次元フォトニック結晶の一部がエアブリッジ空洞に接しなくなる。
それに対して、結晶内導波路の両側に該結晶内導波路から所定の距離だけ離れて略平行にエッチング剤導入用空孔を配列すると、形成されるエアブリッジ空洞は、上記エアブリッジ空洞の帯の側部が重なった形状となる。この場合、結晶内導波路の端部では、上記帯状エアブリッジ空洞の円弧形状の領域が交差する形状となる。そのため、結晶内導波路の端部から該導波路の幅方向にもエアブリッジ空洞が存在し、２次元フォトニック結晶全体がエアブリッジ空洞に接するようにすることができる。前記のように結晶内導波路から光が浸み出しても、その光はクラッド層により損失することがない。
【００２６】
細線導波路形成工程においてスラブ層を除去する際には、細線導波路の部分以外のスラブ層を全て除去する必要はなく、細線導波路の両側に溝を形成するようにスラブ層を除去するだけでもよい。例えば電子線リソグラフィによりスラブ層を除去する場合には、スラブ層を広範囲に亘って除去するよりも、このように溝の部分のみを除去する方が容易である。
【００２７】
この溝の幅は、以下の理由により、空孔配置の１周期分以上とすることが望ましい。なお、本出願においては、「空孔配置の周期」は最隣接の空孔間の距離を意味する。
図４に、細線導波路を伝播する光の電場の分布を、該導波路の幅方向について示す。横軸は細線導波路の幅方向の位置を表し、図中の符号４１の範囲が細線導波路の領域に該る。縦軸は電場の振幅を表し、縦軸の絶対値が大きいほど電場が大きいことを示す。電場は細線導波路４１の外側にも存在するが、細線導波路の端から空孔配置の１周期分aだけ離れた位置４２では電場はほぼ０になる。従って、上記溝の幅が空孔配置の１周期分以上あれば、細線導波路の側方のスラブ層には光がほとんど漏れないことになる。
【００２８】
２次元フォトニック結晶内では、光は結晶内導波路から該導波路の幅方向に或る程度の範囲まで浸み出しつつ伝播する（但し、光はその範囲よりも外側には拡がらないため、このことが原因となって結晶内導波路の光が損失することはない）。この浸み出しの範囲は、空孔配置の５周期分程度である。細線導波路の両側の溝よりも外側に残されたスラブ層と２次元フォトニック結晶とが直接接続していると、結晶内導波路から浸み出した光がこの残されたスラブ層に浸入するため、光が損失する原因となる。そこで、前記細線導波路形成工程において、更に２次元フォトニック結晶の外縁部のスラブ層を細線導波路から空孔配置の５周期分以上除去することが望ましい。これにより、結晶内導波路から浸み出した光が溝の外側に残されたスラブ層に浸入して損失することを防ぐことができる。
【００２９】
本発明により、以下の効果を得ることができる。本発明では、エアブリッジ空洞を形成した後に、エアブリッジ空洞の外側に細線導波路を形成するため、細線導波路の下部には確実にクラッド層が接するようにすることができる。そのため、この方法により製造された細線導波路は、導波モードがシングルモードとなり、マルチモードに起因する問題が生じることがない。また、エアブリッジ空洞を形成した後に、その上部に２次元フォトニック結晶を形成するため、２次元フォトニック結晶の下部には確実にエアブリッジ空洞が接するようにすることができる。そのため、２次元フォトニック結晶の上下に存在する空気とスラブとの屈折率の差により、光をスラブの面に垂直な方向に閉じこめて光の損失を最小限に抑えることができる。更に、結晶内導波路の形成と細線導波路の形成が同じ工程で行われることから、結晶内導波路と細線導波路との位置合わせを行う必要がなく、細線導波路を結晶内導波路の延長上に正しく配置することができる。
【実施例】
【００３０】
本発明に係る細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を、図５を用いて説明する。
Siを材料とするスラブ層２１１、SiO2を材料とするクラッド層２１２及びSiを材料とする基板層２１３の３層から成るSOI基板２１を用意する。SOI基板２１には市販のものを用いることができる。本実施例で用いたSOI基板２１の各層の厚さは、スラブ層２１１が0.25μm、クラッド層２１２が1.5μm、基板層２１３が725μmである。まず、スラブ層２１１の表面にレジスト２９１を塗布し、電子ビームにより、エッチング剤導入用空孔２２のパターンでレジスト２９１を除去する((a))。このパターンは、半径0.12μmの空孔を直線状に２列、略平行に並べたものである。これら２列の間の距離は7.2μmである。次に、エッチングガス(SF6ガス)を用いたドライエッチングにより、スラブ層２１１にエッチング剤導入用空孔２２を穿孔する。その後、レジスト２９１を除去する((b))。
【００３１】
次に、SOI基板２１を濃度5%のフッ化水素水溶液に3分間浸す。エッチング剤導入用空孔２２から浸入したフッ化水素水溶液は、スラブ層２１１及び基板層２１３のSiには影響を及ぼすことなくクラッド層２１２のSiO2のみをエッチングする。これにより、各エッチング剤導入用空孔２２から一定の距離までクラッド層２１２がエッチングされ、２本の帯の側部が重なった形状のエアブリッジ空洞２３が形成される((c))。図６には、このエアブリッジ空洞をSOI基板２１の断面A-A'(図５(c)に図示)から見た図を示す。
【００３２】
次に、スラブ層２１１の上にレジスト２９２を塗布し、電子ビームにより、空孔が周期的に配置されたパターンでレジスト２９２を除去する((d))。この空孔は２次元フォトニック結晶の周期屈折率分布を形成するためのものである。本実施例では、空孔の半径は0.12μm、空孔の配置は三角格子であり、その格子定数は0.42μmである。この時、結晶内導波路となる位置には空孔を形成しない。なお、結晶内導波路は、空孔の形状を他と異なるものとしたり、空孔の位置をずらすことによっても形成することができる。また、エアブリッジ空洞２３の円弧形状の領域が交差する位置２４に結晶内導波路の端部の位置を合わせる。この位置合わせには、市販のリソグラフィ装置が有する重ね合わせ機能を用いるとよい。結晶内導波路の幅は、本実施例では0.48μmとする。これらと共に、細線導波路を形成する位置の両側のレジスト２９２を、所定の幅だけ電子ビームにより除去する((d))。この溝の幅は、空孔２５の１周期分とする。本実施例では、この溝を形成すると同時に、２次元フォトニック結晶の外縁部に、細線導波路に略垂直な方向の溝をレジスト２９２に形成する((d))。この結晶外縁部の溝の長さは、空孔２５の５周期分よりも長い、空孔２２の列の６列分(5.2周期分)とし、その幅は細線導波路の両側の溝の幅と同じ空孔２５の１周期分とする。次に、SF6ガスを用いたドライエッチングにより、スラブ層２１１に空孔２５及び溝２６を形成する。これにより、結晶内導波路２７と細線導波路２８が形成される。その後、レジスト２９２を除去し((e))、細線導波路付２次元フォトニック結晶が完成する。
【００３３】
このように製造される細線導波路付２次元フォトニック結晶では、結晶内導波路２７と細線導波路２８が位置２４において接続される。この位置２４から導波路の幅方向にエアブリッジ空洞２３が形成されているため、２次元フォトニック結晶はその全体がエアブリッジ空洞に接する。そのため、結晶内導波路２７を伝播する光は、該導波路から一定の範囲まで浸み出して伝播しても、その光はクラッド層２１２により損失することがない。
【００３４】
また、結晶内導波路２７の下部にエアブリッジ空洞２３が形成されるため、基板層２１３の方向に光が漏れることがない。更に、細線導波路２８の下部がクラッド層２１２に接することにより、細線導波路２８の導波モードはシングルモードとなり、結晶内導波路２７と細線導波路２８の間を高い効率で光が導波することができる。細線導波路２８の両側の溝２６の幅が空孔２５の１周期分あるため、細線導波路２８の光は該導波路の側方のスラブ層２１１に漏れることがない。更に、溝２６は結晶外縁部に、細線導波路２８の光に略垂直な方向に空孔２５の列の５列分形成されているため、結晶内導波路２７からその幅方向に浸み出す光が細線導波路２８の側方のスラブ層２１１に漏れることがない。
【００３５】
点状欠陥を設ける場合には、図５(d)に示される前記工程において、目的位置に空孔を形成しないようにすればよい。あるいは、その位置の空孔の形状を他と異なるものとしたり、周期配列を乱すような位置に空孔を配置してもよい。図７(a)は位置６１に３個分の空孔を形成しない例を、(b)は位置６２に形成される空孔の径を他の空孔よりも大きくする例を、それぞれ示す図である。それ以外の工程を上記と同様に行うことにより、３個分の空孔が欠損した点状欠陥((a)の場合)、あるいは他の空孔よりも径の大きい点状欠陥((b)の場合)が設けられた、細線導波路付２次元フォトニック結晶が得られる。なお、これらの点状欠陥については、特許文献１及び特開2003-279764号公報に詳しく記載されている。
【００３６】
本実施例により製造された細線導波路付２次元フォトニック結晶の走査電子顕微鏡(SEM)写真を図８に示す。(a)はスラブ層の上側から撮影したものであり、２次元フォトニック結晶３１全体と細線導波路３２の一部が示されている。２次元フォトニック結晶３１の長手方向の全長は約100μmである。図中に変色して見える領域の下部にあるクラッド層にはエアブリッジ空洞３３が形成されている。
【００３７】
(b)は、結晶内導波路３４と細線導波路３２の境界付近を拡大したものである。エッチング剤導入用空孔３５は２次元フォトニック結晶の外側に２列形成されている。２次元フォトニック結晶の空孔３６は三角格子状に配列され、また、空孔３６が１列分欠損した結晶内導波路３４が形成されている。２本の溝３７の間に細線導波路３２が形成されている。溝３７は更に、結晶内導波路３４と細線導波路３２との接続部から、細線導波路に略垂直な方向にも形成されている。この接続部付近を拡大して(c)に示す。これらの結晶内導波路３４と細線導波路３２とは、エアブリッジ空洞３３の外縁である２つの円弧３８１及び３８２の交点３９において接続されている。そのため、接続部から導波路に垂直な方向にもエアブリッジ空洞３３が存在し、２次元フォトニック結晶全体がエアブリッジ空洞３３上に形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】細線導波路付２次元フォトニック結晶の一例を示す図。
【図２】クラッド部材を設けた細線導波路付２次元フォトニック結晶の一例を示す図。
【図３】クラッド部材を設けた細線導波路及び結晶内導波路の導波モードを示すグラフ。
【図４】細線導波路の幅方向への光の拡がりを示すグラフ。
【図５】本発明に係る細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を示す斜視図。
【図６】エアブリッジ空洞の一例を示す、細線導波路付２次元フォトニック結晶の断面図。
【図７】本発明に係る細線導波路付２次元フォトニック結晶の製造方法において、点状欠陥を設ける例を示す斜視図。
【図８】本実施例により製造された細線導波路付２次元フォトニック結晶の走査電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３９】
１０、３１…２次元フォトニック結晶
１１…スラブ
１２、２５、３６…空孔
１３、２７、３４…結晶内導波路
１４、２８、３２…細線導波路
１５…クラッド部材
２１…SOI基板
２１１…スラブ層
２１２…クラッド層
２１３…基板層
２２、３５…エッチング剤導入用空孔
２３、３３…エアブリッジ空洞
２６、３７…溝
２９１、２９２…レジスト
【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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