(57)【要約】【課題】  フォトニック結晶配列中で欠陥により形成された光伝搬構造を有するフォトニック結晶スラブから構成される光制御素子に関して、その光伝搬構造の光が進行する方向とは垂直方向への光漏れを抑制する。【解決手段】  フォトニック結晶スラブ２の光伝搬構造４の光が進行する方向とは垂直方向である膜厚方向に設けられて少なくとも当該光伝搬構造４部分に対応する領域を覆う多層膜５，６を備えることにより、光の進行方向と垂直方向の光を当該多層膜５，６でのブラッグ反射により閉じ込めて膜厚方向への光の放射による損失を抑制することができ、よって、ライトラインよりも外側にある導波バンドに対する光の周波数に対して、損失を抑えた光伝搬構造４を有する光制御素子１を提供することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶配列を有するフォトニック結晶スラブにより形成された光制御素子において、
前記フォトニック結晶スラブは、前記フォトニック結晶配列中に設けた欠陥により形成される光伝搬構造と、膜厚方向に設けられて少なくとも当該光伝搬構造部分に対応する領域を覆う多層膜とを備えることを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記多層膜は、前記フォトニック結晶スラブの両面に備える、ことを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
【請求項３】
前記多層膜は、前記フォトニック結晶スラブの片面のみに備える、ことを特徴とする請求項１記載の光制御素子。
【請求項４】
前記フォトニック結晶スラブの両面に備える前記多層膜は、当該フォトニック結晶スラブに対して占める領域が両面で異なる、ことを特徴とする請求項２記載の光制御素子。
【請求項５】
前記多層膜は、前記欠陥により形成される光伝搬構造における光の進行方向と垂直方向に分布している光の局在領域の幅と略同一の幅を有する、ことを特徴とする請求項1ないし３の何れか一記載の光制御素子。
【請求項６】
光伝搬構造部分に対応する領域のみを覆う前記多層膜の外側の領域に、低屈折率媒質が存在する、ことを特徴とする請求項４又は５記載の光制御素子。
【請求項７】
光伝搬構造部分に対応する領域のみを覆う前記多層膜の外側の領域に、前記多層膜とは異なる多層膜構造を有する第２の多層膜を備える、ことを特徴とする請求項４又は５記載の光制御素子。
【請求項８】
前記多層膜は、光伝搬構造部分に対応する領域のみを覆うように設けられて、前記フォトニック結晶スラブにおけるフォトニック結晶配列と同一配列のクラッド層を有する、ことを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の光制御素子。
【請求項９】
前記クラッド層は、多層膜構造である、ことを特徴とする請求項８記載の光制御方法。
【請求項１０】
前記多層膜は、前記フォトニック結晶スラブにおけるフォトニック結晶配列とは２次元配列の異なるフォトニック結晶配列を有する、ことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の光制御素子。
【請求項１１】
前記多層膜として、互いに異なるフォトニック結晶配列を有する複数の多層膜を多段に備える、ことを特徴とする請求項１ないし７の何れか一記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体周期構造により構成されたフォトニック結晶配列を利用する光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１によれば、２次元フォトニック結晶における上下方向への光閉じ込めに関して、その上下を３次元フォトニック結晶で閉じ込めを行うことが開示されている。
【０００３】
特許文献２によれば、フォトニック結晶配列が形成された薄膜を、位置を制御しながら積み重ねることで、３次元の周期構造を同時に形成する構成と方法について開示されている。
【０００４】
特許文献３によれば、多層膜部分にフォトニック結晶構造を有するものが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４９２３５公報
【特許文献２】特開２０００−１８０６０６公報
【特許文献３】特開平１１−１８６６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
「フォトニック結晶」とは、光の周波数程度の誘電体周期構造を人工的に形成することで、光子に対するバンド構造が構成される。これは電子のバンド構造と類似する点が多く、周期構造によっては、「フォトニックバンドギャップ」と呼ばれる光の禁制体を生じる。フォトニック結晶が持つ強力な光閉じ込め効果や異常分散効果などを利用することで、通常の光制御素子では実現が困難又は不可能であった様々な機能が実現できることが、数多くの研究機関から報告されている。さらに、フォトニック結晶による光デバイスは、光集積回路のサイズを飛躍的に小さくした、フォトニックＩＣを形成する上で重要な光デバイスになると期待されている。
【０００７】
このようなフォトニック結晶は、３次元構造を形成することが理想的であるが、半導体プロセス技術を用いて平面内に一括形成できる２次元フォトニック結晶でも、フォトニック結晶の特性を得ることができる。２次元フォトニック結晶は、例えば、誘電率が高い薄膜を、誘電率が低い物質若しくは金属などの高反射膜で挟み込むことで光を閉じ込め、挟み込まれた薄膜にホール若しくはピラーによるフォトニック結晶配列を形成することで得られる構造である。この構造であれば、平面内の微細加工技術を用いて形成できるので、半導体チップのプロセス技術を用いることにより製作できる。
【０００８】
ところで、屈折率が小さい層を有する基板上に、屈折率が大きい薄膜を形成し、その薄膜にフォトニック結晶配列を形成することで得られる２次元フォトニック結晶の構造は、「２次元フォトニック結晶スラブ」と呼ばれている。
【０００９】
フォトニック結晶配列を形成している微小周期配列の屈折率（ｎａ）と、その微小周期配列を覆っている媒質の屈折率（ｎｂ）との比（ｎａ／ｎｂ：ｎａ＞ｎｂ）が２〜３程度であれば、適切な設計を行うことで、フォトニックバンドギャップが形成され、フォトニックバンドギャップを利用した光制御素子を構成することが期待できる。また、このような構成であれば、薄膜の屈折率ｎ１と、基板の屈折率ｎ２から求まる比屈折率差Δ（＝（ｎ１２−ｎ２２）／２ｎ１２）が２０％以上となるので、上下方向に光を強く閉じ込めることが可能であり、薄膜の双方向への光放射がない伝搬帯域を利用することも可能である。
【００１０】
ところで、近年、電子デバイスの高性能化に用いられているSilicon-on-Insulator（ＳＯＩ）基板は、シリコン薄膜（ｎ≒３.５）が絶縁体（Insulator）であるＳｉＯ２層（ｎ≒１.５）上に形成されているので、上記のような構成を形成することが可能である。また、半導体プロセス技術を応用することで、比較的容易に２次元フォトニック結晶配列を形成できるので、広く２次元フォトニック結晶スラブの研究に用いられ、急激曲げ光導波路などが報告されている。
【００１１】
その他、半導体薄膜にフォトニック結晶を形成し、上下の半導体をエッチングで除去することにより、薄膜を空気中に浮かせた構成であるエアーブリッジ構造も研究されている。
【００１２】
しかしながら、２次元フォトニック結晶スラブによるフォトニック結晶光制御素子は、光の進行方向とは平行方向に関してはフォトニック結晶配列により光が強く閉じ込められるが、光の進行方向とは垂直方向(上下方向)に関しては屈折率差による全反射を利用して閉じ込めているために、屈折率から決定されるライトラインによる波数の制約を受ける。つまり、フォトニックバンドでライトラインよりも上側の導波モードを伝搬する光は完全には閉じ込められず、放射光になるため、欠陥により構成された光伝搬構造を伝搬する光は大きな損失を受けることになる。
【００１３】
そのため、ライトライン以下の極めて帯域の小さな部分を利用するしかなく、これが２次元フォトニック結晶スラブの大きな制約となっている。
【００１４】
ここで、１列抜きの線欠陥導波路の導波バンドに対して、数値計算を行った結果を図１６に示す。屈折率２の媒質に屈折率１の円孔を形成したフォトニック結晶配列に対して、２次元の平面波展開法による数値計算の結果である。１列欠陥の線欠陥導波路を仮定して、片側８層のスーパセルにより算出した。円孔半径ｒとピッチaとの比率はｒ＝０．３５ａである。この構成では、フォトニックバンドギャップがＴＥ偏光に対して存在するので、ＴＥ偏光に対して数値計算を行った。ＴＥ偏光とは面内に電界分布が存在し、面垂直方向に磁界分布が存在する偏光と定義する。
【００１５】
フォトニックバンドギャップ内に導波バンドが存在し、この導波バンドが線欠陥導波路内を伝搬するバンドに対応する。この図１６に示すフォトニックバンド図に空気（屈折率１）に対するライトラインを付加してある。ライトラインよりも高周波数側（上側）になると、空気をクラッドとした場合でも光は光の伝搬方向と垂直方向に放射してしまう。
【００１６】
この図１６のＡ点（波数０．３）とＢ点（波数０．５）に対する線欠陥導波路内を伝搬する光の電磁界強度を計算した。３次元の時間領域差分法（Finite Difference Time Domain：ＦＤＴＤ法）で数値計算を行った。図１７に数値計算の結果を示す。屈折率２で厚さ０．２μｍの薄膜に、前述のフォトニック結晶配列モデルに対して、上下が空気層であるエアーブリッジ構造とし、線欠陥導波路内に置かれた観測点での光パルスの伝搬を示している。横軸に光の伝搬距離、縦軸に観測点で観測される光の電磁界強度を示している。Ａ点の波数０．３を持つ光に対しては、図１７（ａ）に示すように、ライトラインよりも高周波数側の伝搬モードであるために、光の電磁界強度が伝搬距離に対して減衰していく様子が判る。つまり、光は線欠陥導波路に閉じこまらずに徐々に放射していくことを示している。これに対して、Ｂ点の波数０．５を持つ光に対しては、図１７（ｂ）に示すように、ライトラインよりも低周波数側の伝搬モードであるために、光の電磁界強度が伝搬距離に対して、ほとんど減衰せずに伝搬している様子が判る。つまり、光は線欠陥導波路に閉じ込められて伝搬していくことを示している。
【００１７】
この数値計算の結果から、光が高効率で伝搬するためには、ライトラインよりも低周波数側にある伝搬領域を使う必要があり、その領域が、ライトラインで大きく制約されてしまうことが判る。空気よりも大きな屈折率を持つ材料でクラッドを形成した場合では、ライトラインの傾きが小さくなるために、さらに厳しい条件になる。
【００１８】
ところで、このような２次元フォトニック結晶が上下方向への光閉じ込めが不十分であるという点を考慮して、上下を３次元フォトニック結晶で閉じ込める方法が特許文献1により提案されている。特許文献1では、上下にオートクローニング法と呼ばれる方式で、３次元のフォトニック結晶を堆積し、その上に２次元のフォトニック結晶を形成し、さらに３次元フォトニック結晶を形成する、という方法である。しかし、このような構成では、２次元フォトニック結晶スラブを挟み込む３次元フォトニック結晶を作製するときに、欠陥による光機能部分を有していると、その部分に３次元フォトニック結晶をオートクローニング法で形成することが困難である。また、オートクローニング法を行うための高精度なパターンニングも必要となるために、３次元フォトニック結晶を形成する困難さもある。
【００１９】
また、特許文献２では、フォトニック結晶配列が形成された薄膜を、位置を制御しながら積み重ねることで、３次元の周期構造を同時に形成する構成と方法が開示されている。しかし、このような構成であると、高精度なアライメントが形成する層数分だけ必要となり、作製が困難である。
【００２０】
本発明の目的は、欠陥により形成された光伝搬構造を有する２次元のフォトニック結晶スラブ構造を備える光制御素子に関して、光の進行方向と垂直方向の光を、ブラッグ反射により閉じ込め、ライトラインの制約を回避した、つまり伝搬光の層方向への光放射を抑制した、光制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１記載の発明は、フォトニック結晶配列を有するフォトニック結晶スラブにより形成された光制御素子において、前記フォトニック結晶スラブは、前記フォトニック結晶配列中に設けた欠陥により形成される光伝搬構造と、膜厚方向に設けられて少なくとも当該光伝搬構造部分に対応する領域を覆う多層膜とを備える。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光制御素子において、前記多層膜は、前記フォトニック結晶スラブの両面に備える。
【００２３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光制御素子において、前記多層膜は、前記フォトニック結晶スラブの片面のみに備える。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の光制御素子において、前記フォトニック結晶スラブの両面に備える前記多層膜は、当該フォトニック結晶スラブに対して占める領域が両面で異なる。
【００２５】
請求項５記載の発明は、請求項1ないし３の何れか一記載の光制御素子において、前記多層膜は、前記欠陥により形成される光伝搬構造における光の進行方向と垂直方向に分布している光の局在領域の幅と略同一の幅を有する。
【００２６】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の光制御素子において、光伝搬構造部分に対応する領域のみを覆う前記多層膜の外側の領域に、低屈折率媒質が存在する。
【００２７】
請求項７記載の発明は、請求項４又は５記載の光制御素子において、光伝搬構造部分に対応する領域のみを覆う前記多層膜の外側の領域に、前記多層膜とは異なる多層膜構造を有する第２の多層膜を備える。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の光制御素子において、前記多層膜は、光伝搬構造部分に対応する領域のみを覆うように設けられて、前記フォトニック結晶スラブにおけるフォトニック結晶配列と同一配列のクラッド層を有する。
【００２９】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の光制御方法において、前記クラッド層は、多層膜構造である。
【００３０】
請求項１０記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の光制御素子において、前記多層膜は、前記フォトニック結晶スラブにおけるフォトニック結晶配列とは２次元配列の異なるフォトニック結晶配列を有する。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の光制御素子において、前記多層膜として、互いに異なるフォトニック結晶配列を有する複数の多層膜を多段に備える。
【発明の効果】
【００３２】
請求項１又は２記載の発明によれば、フォトニック結晶配列中に設けた欠陥により形成される光伝搬構造を有する光制御素子に関して、フォトニック結晶スラブの光伝搬構造の光が進行する方向とは垂直方向である膜厚方向に設けられて少なくとも当該光伝搬構造部分に対応する領域を覆う多層膜を備えるので、光の進行方向と垂直方向の光を当該多層膜でのブラッグ反射により閉じ込めることができ、よって、ライトラインよりも外側にある導波バンドに対する光の周波数に対して、損失を抑えた光伝搬構造を有する光制御素子を提供することができる。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、多層膜を必ずしもフォトニック結晶スラブの両面に配置する必要はなく、片面だけを多層膜により覆う構造とすることにより、エアーブリッジ構造よりも構造的に強固なフォトニック結晶光伝搬構造を有する光制御素子を提供することができる。
【００３４】
請求項４，５又は６記載の発明によれば、欠陥に起因して光が局在する部分のみを多層膜で覆うことにより、多層膜とその外側のそれ以外の部分とでの屈折率分布が構成され、フォトニック結晶スラブ全面を多層膜で覆う場合よりも強力な光閉じ込めを実現できる光制御素子を提供することができる。
【００３５】
請求項７記載の発明によれば、欠陥に起因して光の局在する部分と、その外側のそれ以外の部分とで異なる多層膜構造とすることで、等価的な屈折率の分布を形成することができ、フォトニック結晶スラブ全面を多層膜で覆う場合よりも強力な光閉じ込めを実現できる光制御素子を提供することができる。
【００３６】
請求項８又は９記載の発明によれば、多層膜の途中まで、フォトニック結晶スラブに構成されているフォトニック結晶配列と同一のフォトニック結晶配列を形成することで、高いアスペクト比が必要ではなくなり、製作が容易になる。
【００３７】
請求項１０記載の発明によれば、フォトニック結晶スラブに構成されているフォトニック結晶配列とは異なるフォトニック結晶配列を多層膜に形成したので、フォトニック結晶スラブのフォトニック結晶配列よりも大きなバンドギャップを有する多層膜構造を有する光制御素子を提供することができる。
【００３８】
請求項１１記載の発明によれば、フォトニック結晶スラブに構成されているフォトニック結晶配列とは異なるフォトニック結晶配列を形成した多層膜を多段に重ねたので、３次元的な光閉じ込めを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００４０】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図1ないし図６に基づいて説明する。図1は本実施の形態の光制御素子１の構成例を示す概略斜視図である。本実施の形態の光制御素子１は、２次元のフォトニック結晶配列を持つフォトニック結晶スラブ２に、そのフォトニック結晶配列に導入した欠陥３により形成された光伝搬構造４が設けられている。このようなフォトニック結晶スラブ２に対して、光伝搬構造４内を伝搬する光の進行方向（ｚ方向）とは垂直方向（膜厚方向＝ｙ方向）の両面には、少なくとも光伝搬構造４に対応する領域、ここでは全面領域を覆う多層膜５，６が形成されている。７は基板である。
【００４１】
図２は、フォトニック結晶スラブ２部分の平面図、図３はそのＡ−Ａ線断面図、図４はそのＢ−Ｂ線断面図である。２次元のフォトニック結晶配列８が形成されたフォトニック結晶スラブ２は、厚さが１μｍ以下の薄膜部分にフォトニック結晶配列８が形成されている。フォトニック結晶の構造は屈折率媒質にピッチａ、半径ｒ（直径２ｒ）の円孔９を周期的に配列して形成したものである。図示例は、空気孔であるが、円孔内部を低屈折率媒質で埋める構造でもよく、屈折率差が取れていればよい。前述のように比屈折率差が大きければ、フォトニックバンドギャップが大きく形成されるので、比屈折率差は２０％以上が望ましい。もっとも、バンドギャップを利用しない光制御素子であれば、大きな比屈折率差を必ずしも必要としない。また、図示例のフォトニック結晶配列８は円孔の三角配列であるが、正方配列、蜂の巣配列なども、機能に応じて取ることが可能である。
【００４２】
また、図示例では誘電体薄膜にホール型のフォトニック結晶を形成しているが、これは通常の２次元のフォトニック結晶スラブ２を形成したときに、上下方向への光閉じ込めが屈折率による全反射で比較的容易に実現できるために、この構造が用いられることが多い。上下方向への光閉じ込めが実現できる本実施の形態の構成であれば、空気などの低誘電率媒質内に形成されたピラー型のフォトニック結晶でもよい。このホールやピラーの形状は図示例や説明では、等方的な円孔、円柱としたが、用途に応じて多角形などの形状を周期的に配列したものでもよい。また、フォトニック結晶配列８は必ずしも周期的な構成である必要はなく、フォトニック結晶の特性若しくはフォトニック結晶に近似した特性を示す配列であれば、特殊な配列をとっても良い。
【００４３】
図２に示すように、フォトニック結晶配列８中に欠陥３、つまりフォトニック結晶を形成していない部分を導入することで、フォトニック結晶スラブ２に機能を持たせることが可能である。欠陥３を適切に導入すれば、光伝搬構造４を形成することが可能である。図２に示す例では、連続した1列欠陥による光導波路（線欠陥導波路）が光伝搬構造４として形成されている。
【００４４】
なお、図２では光伝搬構造４は、連続した1列欠陥による線欠陥導波路としたが、図５に示すような欠陥３を飛び飛びとした結合欠陥導波路構造でもよい。このような構造であれば、線欠陥導波路より共振器の性格が強くなるため、欠陥３部分に光が強く局在するので、光の分散補償素子や光パルス遅延素子に用いることができる。さらに、１列以上の欠陥３を有する光伝搬構造でもよい。
【００４５】
また、線欠陥導波路を機能に応じて変形させた光伝搬構造でもよい。欠陥３は完全にフォトニック結晶が欠落しているものでもよいし、フォトニック結晶の大きさを変化させることで形成された伝搬構造でも良い。屈折率を一部分だけ変化させることで光伝搬構造にしたものでも良い。また、全面にフォトニック結晶が形成されている部分に一部分だけ屈折率が高い構造で埋め込むことによる光伝搬構造でも良い。
【００４６】
また、本実施の形態のフォトニック結晶スラブ２の構造は、屈折率が高いシリコン、ガリウム砒素、インジウム燐などの半導体材料が多く用いられているが、これらの材料では透過波長帯が赤外よりも長波長側になるために、可視光などの比較的短い波長を利用することが困難となる。空気との屈折率差を考えると、屈折率差が１以上あれば、フォトニック結晶として作用するので、透過波長帯域が半導体よりも広く、光学製品に利用されているＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３などを薄膜化したものを用いても良い。
【００４７】
通常は、このような比較的屈折率差が低い材料にフォトニック結晶を構成すると、フォトニックバンドギャップが規格化周波数の高い領域に形成されるために、ライトラインの制約から光伝搬構造として利用できる周波数帯域が、半導体のような屈折率が高い媒質と比較して強く限定されてしまう。そのため、フォトニック結晶を利用した光制御部品の幅を大きく狭めてしまっていることになる。また、前述の数値計算の結果からも示されたように、ライトラインによる利用帯域の制約は厳しいものとなることが予想される。この点、本実施の形態によれば、フォトニック結晶配列中に設けた欠陥３により形成される光伝搬構造８を有する光制御素子に関して、フォトニック結晶スラブ２の光伝搬構造４の光が進行する方向とは垂直方向である膜厚方向に設けられて少なくとも当該光伝搬構造４部分に対応する領域を覆う多層膜５，６を備えているので、光の進行方向と垂直方向の光を当該多層膜５，６でのブラッグ反射により光閉じ込めることができ、ライトラインの制約を緩和することができ、前述したような光学材料を利用したフォトニック結晶の光制御素子１の可能性を大きく広げることができる。
【００４８】
ここで、本実施の形態の多層膜５，６について、より詳細に説明する。本実施の形態の多層膜５，６は、フォトニック結晶スラブ２の膜厚方向と平行に形成されている。図３、図４を参照すると、これらの膜厚ｄ１は、多層膜薄膜の屈折率ｎ１と、屈折率ｎｓのフォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の波数ベクトルの垂直方向成分の大きさｋｖから、ブラッグ条件を満たすように、
２（ｋｖ／ｎｓ）ｄ１ｎ1＋π＝２ｍπ    ………（１）
なる式で決定される。ｍは整数である。
【００４９】
例えば、ｋｖ＝０．７８［２π／ａ］、フォトニック結晶のピッチａ＝０．３４μｍ、注目波長０．８５０μｍに対して、ｎ１＝２．３ではｄ１＝０．１６μｍ、ｎ１＝１．４４ではｄ１＝０．１０μｍとなる。このような屈折率と膜厚との組合せで、屈折率差０．８６の多層膜５，６が設計できる。このｋｖはフォトニック結晶内を伝搬する光の波数の進行方向成分ｋｐから算出できる。
【００５０】
多層膜５，６には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ２などの誘電体多層膜や、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどで構成される半導体多層膜を用いる。これらの組合せにより屈折率差を適切に選ぶことが可能となる。屈折率差が大きければ、多層膜のペア数が少なく、屈折率差が小さければ多層膜のペア数は多くなる。これらの屈折率とペア数は製作方法などによって選択できる。
【００５１】
誘電体多層膜はスパッタ、電子ビーム蒸着、イオンプレーティングなどの方式で成膜することが可能となる。これらの成膜は光学フィルタなどで最も良く用いられており、１００層以上の成膜が実現されている。また、半導体多層膜は分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、材料の異なる、つまり屈折率の異なる膜を成膜することが可能であり、これらの方式は面発光レーザの分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）構造の形成に用いられる方式をそのまま利用できる。これらは比較的大面積に構成可能であり、光学フィルタとしての実績があり、膜の均質性も高い。
【００５２】
ＦＤＴＤ法により、多層膜５，６とフォトニック結晶スラブ２とを組み合わせた構造に対して数値計算を行った結果を示す。屈折率２．２の媒質に空気円孔（屈折率１）を三角配列により形成し、屈折率差１．８の媒質により多層膜５，６を上下に形成したモデルに対して数値計算を行った。膜厚は（１）式のブラッグ反射条件を満たすように膜厚を決定した。フォトニック結晶スラブ２部分の層厚は多層膜反射鏡の共振モードの関係から、スラブ中央にモードの腹が形成されるように０．４μｍとして数値計算を行った。波長は８５０ｎｍとし、三角配列のピッチａは３４０ｎｍ、円孔９の半径rは０．３５ａとした。１列の線欠陥導波路４を形成し、その内部を伝搬する光の様子に対して数値計算を行った。
【００５３】
計算結果として、図６は、線欠陥導波路４内に置かれた観測点での光パルスの伝搬を示している。横軸に光の伝搬距離、縦軸に観測点で観測される光の電磁界強度を示している。波数０．３２を持つ光に対して、光の電磁界強度が伝搬距離に対して減衰していく。他の波長成分の影響で振幅がわずかに変動しているが、波長成分の影響を考慮して減衰を評価すると、図１７（ａ）に示した波数０．３に対する光強度の減衰よりも、減衰率が５倍以上緩和していることが判る。つまり、従来のような屈折率による光閉じ込め構造よりも高効率で光を伝搬させることが可能となる。多層膜５，６の屈折率と膜厚の設計値を変化させることにより、さらに高効率化が可能となる。
【００５４】
次に、このような光制御素子１の作製方法について説明する。フォトニック結晶スラブ２は、半導体微細加工技術を用いることで作製可能である。波長程度にまで、薄膜化されたスラブ層を有する基板７を用意する。現在のＳＯＩ技術であれば、シリコン層厚０．２μｍのＳＯＩ基板は市販されているので、それを用いることができる。また、結晶成長法や接合を用いることで、基板７上に薄膜層を形成することは可能である。例えば、ＬｉＮｂＯ３はイオン打ち込みにより分離層を形成し、基板７に接合し、分離層から薄膜だけを切り離す方法や、基板７を接合し、高精度研磨によって薄膜化する方法などにより薄膜層を有する基板７を作製可能である。
【００５５】
２次元のフォトニック結晶配列８は、リソグラフィーとドライエッチングにより作製できる。例えば、基板７上に電子ビームレジストを塗布し、電子ビーム露光により直径４００ｎｍの円孔９を描画することによりパターンニングをする。この円孔９の直径は目的のフォトニック結晶の利用波長で決定される。このレジストパターンをマスクとして、ドライエッチングにより、円孔パターンをシリコン層に転写する。電子ビームレジストを除去することで、２次元フォトニック結晶スラブ構造２が完成する。ドライエッチングの選択性が取れない場合は、金属マスク層を使うことも考えられる。この場合では、基板７上に予め金属膜を蒸着などにより形成しておき、リソグラフィーによりパターンニングすることで、マスクを形成する。
【００５６】
このようにして作製された基板7と、予め作製されている多層膜基板５，６とを接合することにより、本実施の形態の光制御素子１の構成を実現できる。多層膜基板５，６であるために、面内では均一であることから接合面が広く取ることができ、また、高精度なアライメント技術も必要ない。接着後に下地となっていた基板をエッチング等で除去することにより、薄膜層を露出し、さらに多層膜基板５，６を接合することにより上下を多層膜基板５，６で覆われた本実施の形態の光制御素子構造を実現することができる。また、フォトニック結晶スラブ２のスラブ層を形成するときに基板７として、多層膜５，６が予め形成されている基板を用いても良い。接合には、真空中で接合する常温接合や、プラズマ活性化接合、ウェハ融着技術などを用いることが可能であるが、屈折率がマッチングした膜厚制御可能な接着層を用いて接合を行っても良い。
【００５７】
また、型による転写でフォトニック結晶を構成することも可能である。例えば、反転形状であるピラー型のフォトニック結晶が構成された型を形成し、その部分に液体状の材料を流し込み、台座基板上に接合する。その後、焼成などにより形状を固定化し、型を取り外すことによりフォトニック結晶配列８を形成でき、さらに、この型を基に複製を大量生産することが可能である。
【００５８】
型は、電子ビーム露光やドライエッチングにより形成でき、型を形成するときには、最終的な薄膜の厚さが０．５μｍ以下であるので、ドライエッチングによる型形成のエッチング深さも大きく取る必要が無く、大きなアスペクト比が期待できる。さらに、焼成により収縮するような材料を選定することにより型からの乖離が比較的容易にできる。設計ではこれらの収縮を加味したサイズを想定して形成することで調整可能である。型を用いることで、真空装置を繰り返し用いずに製作可能となり、低コスト化が図れる。
【００５９】
このような多層膜５，６の屈折率差は大きければ強く光を閉じ込めることが可能となる。低屈折率媒質を空気（屈折率１）、高屈折率媒質を半導体（屈折率≒３）とすれば、屈折率差は２以上を取ることができる。低屈折率媒質として空気を取ることは、中空に浮かせる構成になるが、ＳｉＯ２／Ｓｉの多層膜５，６を形成し、フォトニック結晶部分のだけエッチングにより除去することで、フォトニック結晶部分だけ多層膜５，６が浮いた構造となり、２．５程度の屈折率差を形成することができる。
【００６０】
［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図７に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の実施の形態でも順次同様とする）。
【００６１】
図７は、本実施の形態の光制御素子１１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。本実施の形態では、フォトニック結晶スラブ２の片面、例えば上面側が多層膜５に代えて、低屈折率媒質層（又は、空気層）１２とされている。即ち、図３等に示した光制御素子１との対比では、光制御素子１がフォトニック結晶スラブ２の両面に多層膜５，６が形成されているのに対して、本実施の形態の光制御素子１１ではフォトニック結晶スラブ２の片面のみに多層膜６が形成されている。
【００６２】
ライトラインの傾きは、フォトニック結晶スラブ２を覆う媒質の屈折率の逆数によって決定される。つまり、空気ライトラインが最も傾きが大きく、傾きが大きければ、ライトラインよりも低周波数側にある導波バンドの利用周波数帯が広がる。基板7とフォトニック結晶スラブ２との間にクラッドがあると、屈折率１．４４と比較的低い材料であっても、空気クラッドに対して、ライトラインの傾きが低くなり、利用帯域は大きく狭まる。台座となる媒質のライトラインの影響を除外するために、フォトニック結晶部分を空気層に浮かせた構造（エアーブリッジ構造）とすれば、ライトラインの傾きが増加するが、大きな面積にフォトニック結晶を形成したときにはその機械的強度が弱くなることが予想される。
【００６３】
この点、図７に示すような本実施の形態の光制御素子１１の構成であれば、機械的強度を保ちつつ、基板７と台座となる低屈折率媒質層１２で形成されるクラッドのライトラインの影響を緩和することが可能となる。
【００６４】
［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図８に基づいて説明する。図８は、本実施の形態の光制御素子２１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。本実施の形態では、両面の多層膜５，６がフォトニック結晶スラブ２に対して占める領域を異ならせたものである。例えば、下面側の多層膜６はフォトニック結晶スラブ２の全面に対して設けるが、上面側の多層膜５に関して線欠陥導波路４部分に対応する領域のみを覆うように部分的に設け、かつ、当該多層膜５の面内外側領域に関しては低屈折率媒質層（又は、空気層）２２でフォトニック結晶配列８部分を覆うようにしたものである。
【００６５】
フォトニック結晶スラブ２を覆う多層膜構造としては、必ずしもフォトニック結晶スラブ２の全面を覆っている必要はない。即ち、フォトニック結晶に欠陥３を導入して光伝搬構造４を形成したときに、欠陥３部分に光は強く局在しているので、欠陥３部分の上下から放射される光が損失の原因となる。この放射光を多層膜５，６で抑制できれば良い。従って、この多層膜５としては、欠陥３部分を伝搬する光と垂直方向（図ｘ方向）の幅が欠陥３部分の幅よりも広ければよく、望ましくは光がフォトニック結晶への光の染み出し部分をカバーしている幅であることが好ましい。屈折率３の媒質であれば、フォトニック結晶配列８として１０層以上、屈折率２であればフォトニック結晶配列として１５層以上がより好ましい。
【００６６】
［第四の実施の形態］
本発明の第四の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は、本実施の形態の光制御素子３１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。本実施の形態では、フォトニック結晶スラブ２の両面を覆う多層膜５，６に関して、線欠陥導波路４部分に対応する領域のみを覆うように部分的に設け、かつ、当該多層膜５，６の面内外側領域に関しては低屈折率媒質層（又は、空気層）２２，２３でフォトニック結晶配列８部分を覆うようにしたものである。
【００６７】
即ち、フォトニック結晶に欠陥３を導入して光伝搬構造４を形成したときに、欠陥３部分に光は強く局在しているので、欠陥３部分の上下から放射される光が損失の原因となる。この放射光を多層膜５，６で抑制できれば良いことから、これらの多層膜５，６としては、欠陥３部分を伝搬する光と垂直方向（図ｘ方向）の幅が欠陥３部分の幅よりも広ければよく、望ましくは光がフォトニック結晶への光の染み出し部分（光の局在領域の幅）をカバーしている幅であることが好ましい。
【００６８】
多層膜５，６による光閉じ込めによって生じる損失は、回折による多層膜への光の広がりが要因になる。この点、本実施の形態のような構造であれば、横方向に多層膜５，６部分とそれ以外の低屈折率媒質層（又は、空気層）２２，２３との間で屈折率分布が生じるため、光を多層膜５，６内に閉じ込めることが可能となる。従って、低屈折率媒質層２２，２３は空気でもよいし、屈折率が多層膜５，６と等価的に小さい媒質で埋めた構造でも良い。
【００６９】
図１０に本実施の形態の変形例を示す。図１０は、当該変形例の光制御素子３１ａの構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。当該変形例では、図１０に示すように、全面を多層膜５で覆っている構成に対して、欠陥３部分の周囲だけ当該多層膜５を除去した構成としたものである。符号２４はその多層膜除去部分を示す。これによって、多層膜５と除去部分２４との間に屈折率分布が生じるので、多層膜５と平行方向への光閉じ込めを実現できる。この除去部分２４の幅は、光が結合しない程度の幅でよく、フォトニック結晶１０層分の幅が好ましい。
【００７０】
欠陥３部分にライメントされたリソグラフィーとエッチングによって、除去部分２４を構成することが可能である。多層膜５が欠陥３部分を覆っている必要があるだけで、アライメント精度やリソグラフィーの精度はフォトニック結晶を形成する技術で十分である。なお、図１０では除去部分２４に関して、フォトニック結晶スラブ２面まできれいに貫通する形で図示しているが、必ずしもきれいに（直角状態）貫通している必要はなく、エッチング特有のエッチング残りがＲ状に残るような形状であってもよい。
【００７１】
［第五の実施の形態］
本発明の第五の実施の形態を図１１に基づいて説明する。図１１は、本実施の形態の光制御素子４１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。本実施の形態では、フォトニック結晶スラブ２の両面を覆う多層膜５，６に関して、線欠陥導波路４部分に対応する領域のみを覆うように部分的に設け、かつ、当該多層膜５，６の面内外側領域に関しては各々異なる多層膜構造の多層膜（第２の多層膜）４２，４３でフォトニック結晶配列８部分を覆うようにしたものである。多層膜構造が異なるとは、屈折率を異ならせ、又は、多層膜の膜厚を異ならせることにより実現できる。
【００７２】
欠陥３部分を挟み込む多層膜５，６構造は屈折率差を大きくとり、欠陥３以外の多層膜４２，４３は屈折率差が小さいものを選べば、等価的な屈折率が欠陥３部分を挟み込んでいる多層膜５，６のほうが大きいために、等価的な屈折率の効果により多層膜５，６の横方向の光閉じ込めも強くすることが可能となる。
【００７３】
［第六の実施の形態］
本発明の第六の実施の形態を図１２及び図１３に基づいて説明する。図１２は、本実施の形態の光制御素子５１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。
【００７４】
光は光伝搬部分（線欠陥導波路４部分）に局在しているために、光の回折による広がりを抑制するためには、光が局在している部分に対して、光の進行方向とは垂直方向に光閉じ込めを実現すればよい。より詳細には、フォトニックバンドギャップの効果により閉じ込められる領域が存在すればよく、光閉じ込めが十分に可能であるフォトニック結晶配列８の配列数、つまりフォトニック結晶による十分な反射率を得る配列数だけ、多層膜６部分にもフォトニック結晶配列が存在する構造である。
【００７５】
このような構造は、特許文献３にあるように多層膜部分にフォトニック結晶構造を有するものが提案されている。このような構造に欠陥を導入することで、光導波路にした場合も有効であるが、このような構成を実現するためには、エッチングに高いアスペクト比が必要となってくる。この点、本実施の形態では、図１２に示すように、基板７側の多層膜６にはフォトニック結晶スラブ２におけるフォトニック結晶配列８を転写して多層膜６部分にも同一配列のフォトニック結晶配列５２を構成し（当該フォトニック結晶配列５２を有する多層膜６はクラッド層として機能する：従って、通常の誘電体でもよい）、接合などにより、反対側の面に多層膜５を形成した後、欠陥３部分を覆う多層膜５部分以外を除去部分２４として除去する形式で、エッチングによる高いアスペクト比の要求を軽減できる。この場合、全てを除去する必要はなく、図１２に示すように光伝搬部分（線欠陥導波路４部分）に近接したフォトニック結晶配列８部分の多層膜５のみを除去する構造でも良い。このような構造によって、同等な効果を得ながら、より作製が容易になる。
【００７６】
フォトニック結晶配列の配列数は、屈折率差２では、５から１０配列程度、屈折率差１では７から１４配列程度であれば良い。また、短い距離しか伝播させる必要がなく、単に横方向への広がりの抑制効果であれば、１配列からでもよい。ここでのフォトニック結晶配列数とは、三角配列であれば、図１３に示すように、欠陥３部分から光の進行方向と平行に存在する片側のフォトニック結晶配列数を指す。
【００７７】
［第七の実施の形態］
本発明の第七の実施の形態を図１４に基づいて説明する。図１４は、本実施の形態の光制御素子６１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。
【００７８】
本実施の形態では、フォトニック結晶スラブ２の両面を覆う多層膜５，６に関して、フォトニック結晶スラブ２におけるフォトニック結晶配列８とは２次元的に異なるフォトニック結晶配列６２，６３を有するものを用いて構成したものである。なお、多層膜５，６のフォトニック結晶配列６２，６３同士は同じ配列であっても異なっていてもよいが、光の進行方向と垂直方向への光閉じ込めを実現するためには、図示の如く、欠陥３対応部分にはフォトニック結晶配列６２，６３が存在しない構成が望ましい。
【００７９】
本実施の形態によれば、フォトニック結晶スラブ２に構成されているフォトニック結晶配列８とは異なるフォトニック結晶配列６２，６３を多層膜５，６に形成することにより、フォトニック結晶スラブ２のフォトニック結晶配列８よりも大きなバンドギャップを有する多層膜構造を構成することができる。
【００８０】
［第八の実施の形態］
本発明の第八の実施の形態を図１５に基づいて説明する。図１５は、本実施の形態の光制御素子６１の構成に関して、フォトニック結晶スラブ２内を伝搬する光の進行方向と垂直な方向に断面して示す断面図である。
【００８１】
本実施の形態では、例えば図１４に示した構造に加えて、多層膜５，６の両面にさらにフォトニック結晶配列６２，６３とは異なるフォトニック結晶配列７２，７３を有する多層膜７４，７５を設けて、多層膜を多段構成としたものである（図示例は、片面２段であるがさらに多段化してもよい）。
【００８２】
本実施の形態のような構造によれば、横方向の光閉じ込めと縦方向の光閉じ込めとを両立した、擬似的な３次元フォトニック結晶を構成することが可能となる。このような構成は、多層膜５，６，７４，７５にフォトニック結晶配列６２，６３，７２，７３を形成し、それらに対してアライメントをずらしながら接合することにより構成することができる。交互に形成されるフォトニック結晶配列は同じであっても、異なっても良い。
【００８３】
以上の構造で、多層膜を覆うような保護層が形成されているなどの付加的な構成でも同様な効果を得ることができる。
【００８４】
以上説明したような、各実施の形態の光制御素子を用いることで、これまでライトラインに制約されてきた導波バンドを広く使用することが可能となり、フォトニック結晶の強力な光閉じ込め、大きな分散性を利用した、光スイッチ、波長変換素子、光パルス遅延素子、光信号分散補償素子、光フィルタ、光変調素子、光メモリ素子などの性能を飛躍的に向上させた光制御素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光制御素子の構成例を示す概略斜視図である。
【図２】そのフォトニック結晶スラブ部分の平面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】光伝搬構造の変形例を示す平面図である。
【図６】線欠陥導波路内部を伝搬する光の様子に対して数値計算を行った結果を示す伝搬距離−電磁界強度特性図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図８】本発明の第三の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図１０】その光制御素子の変形例を示す断面図である。
【図１１】本発明の第五の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図１２】本発明の第六の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図１３】配列数を説明するための部分的な平面図である。
【図１４】本発明の第七の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図１５】本発明の第八の実施の形態の光制御素子の構成例を示す断面図である。
【図１６】線欠陥導波路の導波バンドに対して数値計算を行った結果を示す規格化波数−規格化周波数特性図である。
【図１７】線欠陥導波路内部を伝搬する光の様子に対して数値計算を行った結果を波数０．３，０．５について各々示す伝搬距離−電磁界強度特性図である。
【符号の説明】
【００８６】
１      光制御素子
２      フォトニック結晶スラブ
３      欠陥
４      光伝搬構造
５，６      多層膜
８      フォトニック結晶配列
１１      光制御素子
２１      光制御素子
２２      低屈折率媒質
３１      光制御素子
４１      光制御素子
４２，４３      第２の多層膜
５１      光制御素子
５２      同一配列のフォトニック結晶配列
６１      光制御素子
６２，６３      異なる配列のフォトニック結晶配列
７１      光制御素子
７２，７３      異なる配列のフォトニック結晶配列
７４，７５      多層膜
【図１】
2005274842.tif 000003
【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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