(57)【要約】【課題】フォトニック結晶を用いて極めて簡素且つ微細な構成で透過波長の大きな変調を得る。【解決手段】光学素子１０は、圧電材料からなる光導波路１と、光導波路１内に設けられたフォトニック結晶構造２と、光導波路１の上下面を挟持するように設けられてなり、光導波路１に電圧を印加する一対の制御電極３，４と、下部の制御電極４の両端に設けられた支持部５とを備えて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなる膜状の光導波路と、
前記光導波路内の所定領域に設けられており、前記光導波路と屈折率の異なる材料からなる複数の構造体が周期的に配列してなるフォトニック結晶構造と、
前記光導波路の少なくとも前記所定領域を含む部位に設けられてなり、前記光導波路に電圧を印加する一対の制御電極と
を含み、
前記一対の制御電極は、少なくとも前記所定領域に相当する部位が非固定状態とされていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記制御電極は、前記光導波路に印加する電圧を調節することにより前記フォトニック結晶構造の前記複数の構造体の周期構造を変化させ、前記光導波路内の光の波長を変調制御することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶構造の前記複数の構造体のうち少なくとも一部は、透明樹脂を材料としてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光導波路は、（１−ｘ）Ｐｂ(Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3，（１−ｘ）Ｐｂ(Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3，（１−ｘ）Ｐｂ(Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3のうちから選ばれた１種を材料としてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
所定領域に相当する部位は、基板に拘束されない構造を持つことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
所定領域に設けられたフォトニック結晶構造の両端は支持部で固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
基板上に下部の制御電極を介してクラッド層、コア層、クラッド層の順に積層し、光導波路を形成する工程と、
所定領域に前記光導波路と屈折率の異なる材料からなる複数の構造体が周期的に配列してなるフォトニック結晶構造を形成する工程と、
前記フォトニック結晶構造上に上部の制御電極を形成する工程と、
前記所定領域に相当する前記各制御電極の部位を非固定状態とする工程と
を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記周期的に配列した複数の構造体が、透明樹脂材料からなることを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記所定領域に相当する部位を前記非固定状態とする工程において、前記基板の少なくとも前記所定領域に相当する部位をエッチングにより除去して、前記非固定状態とすることを特徴とする請求項７又は８に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の波長の光を選択的に透過させる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、屈折率の異なる物質を波長程度の間隔で周期的に配列した「フォトニック結晶」と呼ばれる新しい人工結晶が提案されており、注目を集めている。この人工結晶は、半導体のバンド構造に類似した、いわゆるフォトニックバンド構造に起因する光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）、大きな光偏向（スーパープリズム効果）といった特異な光学的特性を示し、その特性を構造やスケールで人為的に設計可能なことから、光学素子としての研究開発が盛んに行われるようになっている。これら研究開発の中で注目されるものの１つとして、アクティブ型の光学素子が挙げられる。これは、設計時のみならず、使用中に外部から光学特性を能動的に制御可能な素子であり、可変フィルタや光スイッチ等、幅広い分野への応用が期待されている。
【０００３】
フォトニック結晶を用いて透過波長を変調させる従来技術の具体例としては、例えば特許文献１〜３の技術が挙げられる。
特許文献１では、アクチュエータを用いて、フォトニック結晶を構成する柱状部材にその配列方向と垂直な方向の力を加えて柱状部材を変形させ、フォトニック結晶の周期構造を変化させる構成が開示されている。
特許文献２では、基板上に形成されたバネを用いてミラー（周期構造）を格子変形させる構成が開示されている。
特許文献３では、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2を一単位として多層に積層してなる１次元周期構造体に、異物として薄いＰＺＴ層を一対のＩＴＯ層で挟持したものを挿入し、一対のＩＴＯ層に電圧を印加することでＰＺＴ層の厚みを変化させる構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４５３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１０１１３８号公報
【特許文献３】特開２００１−９１９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来技術には、以下に示すような問題がある。
特許文献１では、アクチュエータを用いた機械的構成を採るため、装置構成が複雑で大型となる。更に、光学素子が基板に拘束されており、しかもフォトニック結晶の変形が等方的でなく、フォトニック結晶に周期変化がないために変調が小さい。
特許文献２でも同様に、アクチュエータやバネを用いた機械的構成を採るため、装置構成が複雑で大型となる。更に、光学素子が基板に拘束されているために変調が小さい。
特許文献３では、電圧印加により厚みが変化するものが薄いＰＺＴ層のみであるため、必然的に厚みの変化量は小さく、大きな変調は得られない。
【０００６】
近時では、透過波長を変調させる光学素子にも微細化・高性能化が要求されており、大規模で複雑な装置を要することなく、しかも透過波長の大きな変調を得ることができる光学素子が模索されている現況にある。
【０００７】
本発明は、上記の諸問題に鑑みてなされたものであり、フォトニック結晶を用いて極めて簡素且つ微細な構成で透過波長の大きな変調を得ることができ、応用範囲の広い高信頼性の光学素子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】
本発明の光学素子は、圧電材料からなる膜状の光導波路と、前記光導波路内の所定領域に設けられており、前記光導波路と屈折率の異なる材料からなる複数の構造体が周期的に配列してなるフォトニック結晶構造と、前記光導波路の少なくとも前記所定領域を含む部位に設けられてなり、前記光導波路に電圧を印加する一対の制御電極とを含み、前記一対の制御電極は、少なくとも前記所定領域に相当する部位が非固定状態とされている。
【０００９】
本発明の光学素子の製造方法は、基板上に下部の制御電極を介してクラッド層、コア層、クラッド層の順に積層し、光導波路を形成する工程と、所定領域に前記光導波路と屈折率の異なる材料からなる複数の構造体が周期的に配列してなるフォトニック結晶構造を形成する工程と、前記フォトニック結晶構造上に上部の制御電極を形成する工程と、前記所定領域に相当する前記各制御電極の部位を非固定状態とする工程とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フォトニック結晶を用いて極めて簡素且つ微細な構成で透過波長の大きな変調を得ることができ、応用範囲の広い高信頼性の光学素子が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
−本発明の基本骨子−
本発明では、簡素且つ微細に光学素子を構成するため、コア層の上下をクラッド層で挟持してなる膜状の光導波路を用い、その材料として圧電材料を使用する。そして、この光導波路内の所定領域に、当該光導波路と屈折率の異なる材料からなる複数の構造体が周期的に配列してなるフォトニック結晶構造を設け、光導波路の少なくとも所定領域を含む部位に一対の制御電極を設ける。ここで、基板等に拘束されることなく光導波路の膜厚を変えることを考慮して、一対の制御電極を含む光導波路を実質的に自立膜の状態、即ち上記の所定領域に相当する部位の各制御電極を非固定状態として光導波路を用いる。
【００１２】
一対の制御電極から光導波路に電圧を印加すると、当該電圧値に応じた圧電効果により光導波路の所定領域の膜厚が変動する。この膜厚変動により、構造体の周期構造が変化し、フォトニック結晶構造のフォトニックバンド構造が変わって透過波長が変化する。従って、一対の制御電極から光導波路に印加する電圧を調節することより、
光導波路内の光の波長を変調させることができる。ここで、光導波路が実質的に自立膜の状態とされているために光導波路は基板等に拘束されることなく、また光導波路の全体が圧電材料からなるために当該光導波路を極薄に形成したとしても、膜厚の大きな変化量を得ることができ、透過波長の大きな変調が実現する。
【００１３】
−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
（第１の実施形態）
本実施形態では、本発明を適用した光学素子の具体的構成を開示する。
図１は、本実施形態による光学素子の主要構成を示しており、（ａ）が概略平面図、（ｂ）が（ａ）中の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【００１４】
本実施形態の光学素子１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、圧電材料からなる光導波路１と、光導波路１内の信号光の通過部位となる所定領域Ｒに設けられたフォトニック結晶構造２と、光導波路１の少なくとも所定領域Ｒの上下面を挟持するように設けられてなり、光導波路１に電圧を印加する一対の制御電極３，４と、下部の制御電極４の両端に設けられた支持部５とを備えて構成されている。
【００１５】
光導波路３は、スラブ型導波路であり、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３との間に光路が形成されるコア層１２が挟持されて構成されている。光導波路３の圧電材料としては、大きな圧電効果を持つものが好適であり、ここでは強誘電材料であり、電気光学効果（電圧の印加により屈折率が変化する効果）も有するものが好ましい。従って、(Ｐｂ，Ｌａ)（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＬＺＴ）等も電気光学効果のみならず圧電効果も有するために使用可能であるが、更に圧電効果の大きい材料、例えば、（１−ｘ）Ｐｂ(Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3（ＰＭＮ−ＰＴ），（１−ｘ）Ｐｂ(Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3（ＰＺＮ−ＰＴ），（１−ｘ）Ｐｂ(Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3（ＰＮＮ−ＰＴ）のうちから選ばれた１種を材料とする。上記した３種類の圧電効果の大きい材料は固溶体であり、ｘの値が大きいほど屈折率が大きな値を示す性質を有する。
【００１６】
フォトニック結晶構造２は、光導波路１と屈折率の異なる材料からなる複数の構造体が周期的に配列してなるフォトニック結晶からなるものである。ここでは、所定領域Ｒに複数の貫通孔１４が形成され、これら貫通孔１４が光導波路１の圧電材料と異なる屈折率の材料、ここでは透明樹脂が充填されて柱状の各構造体１５が形成されており、構造体１５及びその周囲の圧電材料からなる２種類の物質が周期的に配列されている。この場合、電圧無印加で所期のフォトニックバンド構造が得られるように、周期構造、即ち貫通孔１４のサイズや形状、配列周期が適宜調節されている。透明樹脂を貫通孔１４の充填材料とすることにより、充填材料を用いず貫通孔１４内を空洞として構造体を形成した場合（充填材料が空気の場合）と比べて耐電圧性が向上し、放電を防止することができる。充填材としては、光導波路１の圧電材料と異なる屈折率の材料であれば良く、例えばシリカ等でも好適である。
【００１７】
一対の制御電極３，４は、光導波路１のフォトニック結晶構造２の形成部位である所定領域Ｒの上面を覆うように上部の制御電極３が、光導波路１の下面全面を覆うように下部の制御電極４がそれぞれ設けられてなるものである。制御電極３，４から光導波路１の所定領域Ｒに印加する電圧を調節することにより、フォトニック結晶構造２のフォトニックバンド構造を変化させ、光導波路１を透過する信号光の波長帯域を選択制御することができる。
【００１８】
支持部５は、例えばシリコンを材料としてなり、下部の制御電極４の両端を支持するように設けられている。この支持部５により、所定領域Ｒ、即ち光導波路１のフォトニック結晶構造２が設けられた部位が非固定状態とされ（正確には、制御電極３，４の所定領域Ｒに相当する部位が非固定状態とされる。この構成により、実質的にみれば光導波路１のフォトニック結晶構造２が設けられた部位が非固定状態となる。）、制御電極３，４による電圧印加時に基板等に拘束されることなく光導波路１の大きな膜厚変動が得られる。
【００１９】
ここで、本実施形態の光学素子１０による透過波長変調のメカニズムについて、図２を用いて説明する。
フォトニック結晶構造２の電圧無印加の状態を図２（ａ）に示す。この状態における各構造体１５の半径をｒ、周期をａとする。制御電極３，４により電圧を印加すると、光導波路１はその圧電効果により厚み方向に伸長する。この光導波路１の伸長により、図２（ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造２の各構造体１５は半径が拡張する方向に張力を受け、半径がｒ＋δｒに拡張して、周期がａ−δａと小さくなる。この周期構造の変化によりフォトニックバンド構造が変化し、透過光の波長が短波長側にシフトする。即ち、上記の電圧印加により、光導波路１を透過する信号光の波長帯域が変調される。
【００２０】
上述したメカニズムを踏まえ、上記構成の光学素子１０を用いて光学シミュレーションを行った結果について説明する。図３は、光学シミュレーションにより描出されたフォトニックバンド構造を示す特性図である。
【００２１】
ここでは、例えば半径：周期の比率を０．３３とし、平面波展開法を用いた。図３のフォトニックバンド構造の一例として、光の電界成分が基板に対し、平行な偏光状態をであるＴＥモードに基づき計算した。
【００２２】
フォトニックバンド構造の格子配列として、図４（ａ）に示すような三角格子配列を仮定した場合、六角形に配置された黒丸が屈折率の低い部分であり、黒丸以外が光導波路の材料を示す。このような配列の場合、逆格子空間は図４（ｂ）に示すようになり、対称性の高いΓ点，Ｍ点及びＫ点（半導体のバンド構造で頻繁に用いられる）で結ばれる三角形が規約ブリルアンゾーンと呼ばれる逆格子空間内の最小ユニットとなる。図３の横軸は、前述のΓ点，Ｍ点及びＫ点に沿った波数ベクトルを示す。縦軸は、周期構造の周期（ここでは図４（ａ）の三角形の一辺）により規格化した周波数を示す。個々の波数ベクトルに対する光周波数の固有値をプロットし、結合させたものがフォトニックバンド構造となる。
【００２３】
図３内の実線は電界無印加時、破線は電界印加時のフォトニックバンド構造をそれぞれ示している。電界印加により、光導波路が厚み方向と垂直な方向（或いは周期方向）に１％変形した状態を考える。実際の波長がどの程度制御できるかについては、例えばΓ点−Ｍ点方向にＴＥモードの信号光を入射した場合、Γ点−Ｍ点を結ぶフォトニックバンド構造を見ると、実線で０．２６〜０．３８の周波数帯域でフォトニックバンドが存在しないことが判る。これは、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれる光の禁制帯であり、この周波数帯域の光は光導波路１内では存在できない。
【００２４】
ここで、以下の表１に示すように、例えば通信帯域波長（１５５０ｎｍ）の光をＰＢＧの下端に設定しようとすると、フォトニックバンド構造の周期を４０５ｎｍにする必要がある。周期が４０５ｎｍのフォトニック結晶が形成するＰＢＧの領域は、１５５０×０．２６１３９２及び１５５０ｎｍ×０．３８０００４により、約１０６５ｎｍ〜１５５０ｎｍとなる。電圧を印加した後の結果としては、周期が１％短くなって４０１ｎｍであるとして、周期が４０１ｎｍのフォトニック結晶が形成するＰＢＧの領域は、約１０２５ｎｍ〜１５１１ｎｍとなる。従ってこの場合、約３０ｎｍ〜４０ｎｍ程度の波長帯域制御が可能となる。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
次に、本実施形態による光学素子１０の製造方法について図５及び図６を用いて説明する。
先ず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板２１上に下部の制御電極４を形成する。
詳細には、シリコン基板２１上に、例えばスパッタ法により、ＳｒＲｕＯ3，ＩｒＯ2等の導電性酸化物膜又はＰｔ，Ｉｒ等の金属膜を膜厚２００ｎｍ程度に堆積し、下部の制御電極４を形成する。
【００２７】
続いて、図５（ｂ）に示すように、下部の制御電極４上に下部クラッド層１１を形成する。
詳細には、（１−ｘ）Ｐｂ(Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3（ＰＭＮ−ＰＴ），（１−ｘ）Ｐｂ(Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3（ＰＺＮ−ＰＴ），（１−ｘ）Ｐｂ(Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3)Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3（ＰＮＮ−ＰＴ）のうち、例えばＰＭＮ−ＰＴを用い、例えばｘ＝０．２４となるように、ゾルゲル法により下部クラッド層１１を形成する。この場合、ＰＭＮ−ＰＴの前躯体溶液を下部の制御電極４上にディップ法又はスピンコート法を用いて複数回塗布することにより、下部クラッド層１１の膜厚を制御することができる。ここでは、下部クラッド層１１を２μｍ程度の膜厚に形成する。
【００２８】
続いて、図５（ｃ）に示すように、下部クラッド層１１上にコア層１２を積層形成する。
詳細には、ＰＭＮ−ＰＴを用い、例えばｘ＝０．３８となるように、ゾルゲル法により下部クラッド層１１上にコア層１２を形成する。この場合も下部クラッド層１１の形成と同様に、下部クラッド層１１上にディップ法又はスピンコート法を用いて複数回塗布することにより、コア層１２の膜厚を制御することができる。ここでは、コア層１２を３μｍ程度の膜厚に形成する。
【００２９】
続いて、図５（ｄ）に示すように、コア層１２上に上部クラッド層１３を積層形成する。
詳細には、下部クラッド層１１の形成と同様に、ＰＭＮ−ＰＴを用い、例えばｘ＝０．３８となるように、ゾル−ゲル法によりコア層１２上に上部クラッド層１３を形成する。この場合も、コア層１２上にディップ法又はスピンコート法を用いて複数回塗布することにより、上部クラッド層１３の膜厚を制御することができる。ここでは、上部クラッド層１３を２μｍ程度の膜厚に形成する。
以上により、コア層１２の上下面を上部クラッド層１３及び下部クラッド層１１で挟持した構造の光導波路１が完成する。
【００３０】
ここで、下部クラッド層１１、コア層１２及び上部クラッド層１３の形成に際して、ゾル−ゲル法の代わりに、スパッタ法、レーザ蒸着法、或いはＭＯＣＶＤ法等を用いても良い。
【００３１】
続いて、図５（ｅ）に示すように、光導波路１の所定領域にフォトニック結晶構造２の貫通孔１４を複数パターン形成する。
詳細には、先ず、例えば不図示の電子線レジストを光導波路１上に塗布し、電子線レジストの所定部位にそれぞれ貫通孔１４の各パターンを電子線直描及び現像等により形成する。次に、電子線レジストをマスクとして、例えばＡｒやＣｌ2、ＢＣｌ3等のエッチングガスを用いたドライエッチングにより、光導波路１を下部の制御電極４の表面が露出するまでエッチングする。このエッチングにより、光導波路１には電子線レジストのパターンに倣った貫通孔１４が形成される。そして、電子線レジストを灰化処理等により除去する。
【００３２】
続いて、図６（ａ）に示すように、貫通孔１４内に透明樹脂を充填して構造体１５を形成する。
詳細には、透明樹脂としては、光の波長域において透明であれば良く、例えばフッ素化ポリマーを用い、ディップ法により充填する。フッ素化ポリマー溶剤内に図５（ｅ）の構造物を浸漬させ、超音波または真空脱泡を行い引き上げる。このディップ法により、通孔１４内に透明樹脂が充填されてなる構造体１５が形成され、複数の構造体１５からなるフォトニック結晶構造２が完成する。なお、用いる透明樹脂としては、フッ素化ポリマーに限らず、アクリル系の樹脂などを用いても良い。また、貫通孔１４の充填方法としては、ディップ法に限らず、溶液の粘性が低く充填可能であればスピンコート法を用いても好適である。
【００３３】
続いて、図６（ｂ）に示すように、光導波路１上に上部の制御電極３をパターン形成する。
詳細には、例えば不図示の電子線レジストを光導波路１上に塗布し、電子線レジストの前記所定領域Ｒに相当する部位に上部の制御電極３のパターンを電子線直描及び現像等により開口形成する。続いて、例えばＳｒＲｕＯ3，ＩｒＯ2等の導電性酸化物膜又はＰｔ，Ｉｒ等の金属膜をスパッタ法により全面に堆積する。このとき、電子線レジストがマスクとなって、光導波路１上にはパターンにより露出した部位のみに導電性酸化物膜又は金属膜が堆積される。そして、リフトオフ法により電子線レジスト及び電子線レジスト上の導電性酸化物膜又は金属膜を除去し、上部の制御電極３をパターン形成する。
【００３４】
続いて、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板２１を加工して支持部５を形成する。
詳細には、エッチング液として例えばＫＯＨ溶液を用い、下部の制御電極４の所定領域Ｒに相当する部位を露出するように異方性ウェットエッチングし、当該部位のシリコンを除去して空間２１ａを形成する。この異方性ウェットエッチングにより、下部の制御電極４の両端を支持する形状の支持部５が形成される。
【００３５】
以上の工程及び諸々の後工程を経ることにより、本実施形態の光学素子１０を完成させる。
なお、以上の説明では、本発明の光学素子を透過波長の変調に用いる場合について例示したが、当該光学素子の用途はこれに限定されるものではない。上述のように、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ及びＰＮＮ−ＰＴは、大きな圧電効果のみならず電気光学効果も有するため、透過波長の変調と共に、フォトニック結晶構造２のスーパープリズム効果を利用して、光偏向素子として用いても良い。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、フォトニック結晶２を用いて極めて簡素且つ微細な構成で透過波長の大きな変調を得ることができ、応用範囲の広い高信頼性の光学素子１０が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態による光学素子の主要構成を示す模式図である。
【図２】実施形態の光学素子１０による透過波長変調のメカニズムを説明するための概略平面図である。
【図３】光学シミュレーションにより描出されたフォトニックバンド構造を示す特性図である。
【図４】フォトニックバンド構造の格子配列を示す模式図である。
【図５】本実施形態による光学素子の主要構成の製造方法を工程順に示す模式図である。
【図６】図５に引き続き、本実施形態による光学素子の主要構成の製造方法を工程順に示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  光導波路
２  フォトニック結晶構造
３  上部の制御電極
４  下部の制御電極
５  支持部
１０  光学素子
１１  下部クラッド層
１２  コア層
１３  上部クラッド層
１４  貫通孔
１５  構造体
２１  シリコン基板
【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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