(57)【要約】【課題】  フォトニッククリスタル構造中の光導波路を設ける区域全体について長距離伝送損失を低減または防止したフォトニッククリスタルを提供する。【解決手段】  第１の屈折率を有する連続体内に、第２の屈折率を有する多数のドットが規則格子を構成しているフォトニッククリスタルにおいて、少なくとも光導波路としての欠陥を設ける区域全体に渡って、ドット径およびドットピッチの少なくとも一方に、フォトニッククリスタルとしてのフォトニックバンドギャップを生ずるための規則性を維持できる範囲内の揺らぎを付与したことを特徴とする。【選択図】      図２
2007011219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の屈折率を有する連続体内に、第２の屈折率を有する多数のドットが規則格子を構成しているフォトニッククリスタルにおいて、
少なくとも光導波路としての欠陥を設ける区域全体に渡って、ドット径およびドットピッチの少なくとも一方に、フォトニッククリスタルとしてのフォトニックバンドギャップを生ずるための規則性を維持できる範囲内の揺らぎを付与したことを特徴とするフォトニッククリスタル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニッククリスタルに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニッククリスタルは、第１の屈折率を有する連続体内に、第２の屈折率を有する多数のドットで規則格子を構成した人口物質であり、その内部に光が存在できない領域（フォトニックバンドギャップ：ＰＢＧ）が構成できるため、光の進行方向や強度を制御するデバイスとしての利用が期待されている。ここで、屈折率は誘電率に対して〔誘電率＝屈折率の２乗〕という直接の関係があるので、「屈折率」は「誘電率」に置き換えてもよい。
【０００３】
フォトニッククリスタルの形態の一つは２次元フォトニッククリスタルであり、例えばＳＯＩシリコンウェハに２５０ｎｍピッチでダイアモンド結晶格子の格子位置に直径１００ｎｍ程度の貫通孔（ドット）をあけて作製できる。これに入射した赤外光をバンドギャップにより制御できる。
【０００４】
フォトニッククリスタルの構造体において、規則格子の間隔を規定するドットピッチは一定であり、その中に線欠陥と呼ぶ光（または電磁波）の導波路を設けて光（または電磁波）を所定の進路に導くことができる。
【０００５】
しかし、一定距離（例えば数十ｃｍ）で伝送損失が大きくなり、線欠陥を光導波路として長距離光配線を実現することができない、という問題があった。これは、波長と格子ピッチとの関係で共振が起きるためであると考えられている。
【０００６】
これに関連して、特許文献１には、線欠陥部分のドット間隔を変化させたり、あるいは欠陥に隣接するドットの大きさを変化させることが提案されている。しかし、提案の方法は、欠陥により共振器を構成した際に、波長の揺らぎによって共振器部分での反射率の急激な変化によるスイッチング特性の劣化を抑制するものであり、フォトニッククリスタル構造の全体について光導波路の長距離伝送損失を低減または防止することはできない。
【０００７】
また特許文献２には、格子構造中に欠陥を導入することにより、所望の周波数特性を生成させる原理に関連して、三角充填配置したホールのアレーで構成したＰＢＧ格子において、格子を構成するホールのうち幾つかを無くしてギャップとしたり、このギャップに代えて大きいサイズのホールを配置することが示されている（５０頁１７行〜２１行、図３７）。また、同一サイズの空孔を均等間隔で配置して、主フォトニックバンドギャップ領域ＰＢＧを構成し、この領域の境界では、主バンドギャップ構造に対応する格子位置に、空孔のサイズを徐々に小さくして配置したり、屈折率整合用空孔をかなり小さく且つ同一のサイズにして、バンドギャップ領域から離れるほど充填密度を低下させることも示されている（５２頁３行〜１０行、図４３）。
【０００８】
これは上記のように対処した個々の場所における伝送損失の低減には有効であるかも知れないが、フォトニッククリスタル構造の全体について光導波路の長距離伝送損失を低減または防止することはできない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−３３４１９０公報（段落０１３７〜０１３８、図１１）
【特許文献２】特表２００２−５１１９５２号公報（５０頁１７行〜２１行、図３７。５２頁３行〜１０行、図４３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、フォトニッククリスタル構造の少なくとも光導波路を設ける区域全体について長距離伝送損失を低減または防止したフォトニッククリスタル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】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明のフォトニッククリスタルは、第１の屈折率を有する連続体内に、第２の屈折率を有する多数のドットが規則格子を構成しているフォトニッククリスタルにおいて、
少なくとも光導波路としての欠陥を設ける区域全体に渡って、ドット径およびドットピッチの少なくとも一方に、フォトニッククリスタルとしてのフォトニックバンドギャップを生ずるための規則性を維持できる範囲内の揺らぎを付与したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフォトニッククリスタルにおいては、光導波路の存在区域全体に渡って、共振発生の原因となるフォトニッククリスタルの格子規則性に揺らぎを付与しつつ、この揺らぎの程度をフォトニッククリスタルとしての機能が維持できる範囲内に制限したことにより、共振の発生を効果的に抑制し、これまで共振に起因して発生していた伝送損失を有効に低減した長距離光伝送が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に、本発明を適用するフォトニッククリスタルの立体構造を示す。図示したフォトニッククリスタル１００は全体としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハ上に作製されている。すなわち、ＳＯＩウェハはＳｉ基板１０上に形成したＳｉ酸化膜１２と、その上にＳＩＭＯＸ（Separation by Implantation of Oxygen）法により形成した単結晶Ｓｉ薄膜１４とから成る。基板Ｓｉ１０と単結晶Ｓｉ１４との間のＳｉ酸化膜１２を一部除去して空洞１６を空け、単結晶Ｓｉ１４の両面を自由表面にしてＳｉ酸化膜１２との界面での屈折率差による反射等の不必要な現象が生じないようにしてある。この状態の単結晶Ｓｉ層１４に多数の貫通孔１８を開けて規則格子２０を構成してある。
【００１４】
フォトニッククリスタル１００を作り込むウェハとしては、例えば直径６インチ（１５０ｍｍ）のＳＯＩウェハを用いることができる。各部の典型的なサイズの一例は下記のとおりである。
【００１５】
＜フォトニッククリスタルの各部寸法例＞
Ｓｉ単結晶層１４：厚さ３００ｎｍ（屈折率：３．９）
Ｓｉ絶縁膜１２ ：厚さ２００ｎｍ（誘電率：３．９）
Ｓｉ基板１０   ：厚さ６７５μｍ
ドットの配列形態：千鳥状または格子状（図の例では格子状）
ドット径      ：５０ｎｍ
ドットピッチ   ：２５０ｎｍ
ドット形成領域 ：６インチウェハの１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲
図２（１）に、規則格子２０を構成する従来のダイヤモンド型ドット配列および導波路としての線欠陥２２を示す。ドット１８を配列する連続体としてのＳｉ単結晶１４は特に表示していないが、ドット１８間はＳｉ単結晶１４により連続的に満たされている。
【００１６】
すなわち、第１の屈折率３．９を有する単結晶Ｓｉ連続体内に、第２の屈折率１を有する多数のドット（貫通孔すなわち空気）が規則格子を構成している。
【００１７】
ドット１８は、全て等径の円形であり、一定のドットピッチで配列されて、規則格子２０を構成している。光Ｌは例えば図示した領域の光導波路として設けた線欠陥２２内を右から左へ進行する。その際に、規則格子２０との共振により伝送損失が発生する。
【００１８】
本発明はこれを防止するために、少なくとも光導波路としての欠陥を設ける区域全体に渡って、ドット径およびドットピッチの少なくとも一方に、フォトニッククリスタルとしてのフォトニックバンドギャップを生ずるための規則性を維持できる範囲内の揺らぎを付与した。
【００１９】
図２（２）、図２（３）に、本発明による揺らぎを付与したドット配列の実施形態を示す。
【００２０】
図２(２)に示した実施形態においては、ダイヤモンド型格子３０を構成するドット１８の径は一定に固定したまま、ピッチに揺らぎを付与した。ただし揺らぎの範囲は、フォトニックバンドギャップを生ずるために必要なピッチ下限からピッチ上限までの範囲内に制限する。
【００２１】
ドット１８は、全て等径の円形であり、上記範囲内の揺らぎを持つドットピッチで配列されて、規則格子３０を構成している。光Ｌは例えば図示した領域の光導波路として設けた線欠陥３２内を右から左へ進行する。その際に、規則格子３０が規則性に揺らぎを有することにより共振の発生が抑制され、伝送損失が低減される。
【００２２】
図２（３）に示した実施形態においては逆に、ダイヤモンド型格子を構成するドットのピッチは一定に固定したまま、ピッチ径に揺らぎを付与した。ただし揺らぎの範囲は、フォトニックバンドギャップを生ずるために必要なドット径下限からドット径上限までの範囲内に制限する。
【００２３】
ドット１８は、形状は円形のままで直径を種々に変動させたものと、形状を楕円形にして長径・短径を種々に変動させたものとが、図２（１）と同じ一定のドットピッチで配列されて、規則格子４０を構成している。光Ｌは例えば図示した領域の光導波路として設けた線欠陥４２内を右から左へ進行する。その際に、規則格子４０が規則性に揺らぎを有することにより共振の発生が抑制され、伝送損失が低減される。
【００２４】
このように本発明においてドット径の揺らぎは、ドット形状を円形に維持したままで円の直径を変動させることのみではなく、ドット形状を円形から楕円形に変動させることも含む。ただし楕円の長径および短径の範囲を、フォトニックバンドギャップを生ずるために必要なドット径下限からドット径上限までの範囲内に制限する。図２（３）に示した実施形態は、種々のサイズの円形ドットと楕円ドットの両方を含む。
【００２５】
図２（２）、図２（３）に示した実施形態では、それぞれドットピッチのみに揺らぎ付与、ドット径のみに揺らぎ付与であったが、ドットピッチおよびドット径の両方に同時に揺らぎを付与しても良い。
【００２６】
このように本発明においては、少なくとも光導波路としての欠陥を設ける区域全体に渡って、ドット格子の規則性にフォトニックバンドギャップの生成を確保できる範囲内の揺らぎ付与することにより、共振による伝送損失の発生を効果的に抑制して、高い伝送性能を有する長距離光配線を実現することができる。
【実施例】
【００２７】
本発明によりドット配列に揺らぎを付与する具体的な手順の一例を説明する。
【００２８】
基本的には、格子状または千鳥状などの規則的なドット配列に対し、各ドットの座標を一定範囲の乱数（擬似乱数）で変換し、ドット配列に揺らぎを付与する。乱数の一定範囲とは、変換後のドット配列によってフォトニッククリスタルとして機能するためのフォトニックバンドギャップが生ずる範囲である。例えば、各ドットの座標変換量や、ドット径の変換量を５％以内に抑えると、変換後のドット配列によってフォトニッククリスタルとして機能する場合には、変換量が５％以内となるように乱数の範囲を設定する。
【００２９】
乱数（擬似乱数）はどのような手法で発生させたものでもよい。一例として、下記のように擬似乱数を発生させ、各ドットの座標を変換する場合を説明する。
【００３０】
（１）仮想格子の生成
揺らぎを付与するドット配列に合わせて、仮想上の格子を生成する。例えば、５ドット×５ドットのドット配列に揺らぎを付与する場合は、５マス×５マスの格子を生成する。
【００３１】
なお、ドット配列が巨大な場合、全体のドット配列のうちの一部の配列に合わせて仮想上の格子を生成し、一部の配列に適用する揺らぎを生成し、その揺らぎを残りの部分のドット配列にも適用する。例えば、揺らぎを付与するドット配列が１，０００，０００ドット×１，０００，０００ドットの場合、その一部の１，０００ドット×１，０００ドットのドット配列に対する揺らぎを生成し、この揺らぎを残りのドット配列部分にも適用する。
【００３２】
図３に示したのは、５マス×５マスの仮想格子であり、揺らぎを付与する５ドット×５ドットのドット配列に対応している。マスＡのサイズは任意に設定すればよく、ここではマスＡの一辺ａを２０とする。
【００３３】
なお、図３の格子は、あくまでも擬似乱数発生のためのものであり、実際のフォトニッククリスタルの格子とは無関係である。
【００３４】
（２）各マスに点をランダム配置
各マスＡにランダムな配置で点Ｐを設ける。この際、各マスＡに平均Ｎ個の点Ｐが設けられるようにする。すなわち、５マス×５マスの格子上にＮ×５×５個の点Ｐをランダムに設ける。Ｎはドット配列に揺らぎを持たせるための乱数の一定の範囲により設定する。本実施例では、Ｎ＝３０とする。すなわち、各マスＡ当たり平均３０個の点Ｐを、５マス×５マスの格子全体についてランダムに設ける。この状態を図４に示す。
【００３５】
（３）各マス毎のドット変換量の算出
各マス毎に、〔マスＡ内の点Ｐの個数〕／Ｎの値を算出する。この値を、フォトニッククリスタルの各ドット１８の座標を変換する際の変換量とする。ここで変換量は、ドット座標の移動量、ドット径の変化量、ドット形状の変形量である。
【００３６】
なお、隣接するマス間の変換量の差が大き過ぎて変換後のフォトニッククリスタルにモアレが生ずる場合には、スプライン関数などを用いた手段により、隣接するマス間の変換量の差がなだらかになるように調整することができる。
【００３７】
（４）ドット配列の変換
上記で算出した変換量により、実際のフォトニッククリスタルのドット配列を変換する。すなわち、上記で５マス×５マスについて得られた変換量を、フォトニッククリスタルの５ドット×５ドットのドット配列に適用する。具体的には、各マスＡの変換量を対応するドット１８の座標値に掛けて各ドット１８の座標変換を行なう。なお各マスＡの変換量は対応するドット１８の径に適用しても良い（円を楕円化する変形を含む）。
【００３８】
図５に、ドット座標とドット径の両方を変換した一例を示す。図５（１）は変換前の揺らぎ無しの規則配列、図５（２）は変換後の揺らぎ付き規則配列である。図５（１）の揺らぎ無し配列では、ドット１８は全て同一直径の円形であり、ドットピッチも一定であるのに対して、図５（２）の揺らぎ付き配列は、ドット１８は個々に楕円化を含む径の揺らぎと、ドット間のピッチの揺らぎとを付与されている。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、フォトニッククリスタル構造中の光導波路を設ける区域全体について長距離伝送損失を低減または防止したフォトニッククリスタルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、２次元フォトニッククリスタルの基本構造を示す斜視図である。
【図２】図２は、（１）従来の揺らぎ無し規則格子、（２）本発明によりドットピッチに揺らぎを付与した規則格子、（３）本発明によりドット径に揺らぎを付与した規則格子をそれぞれ示す平面図である。
【図３】図３は、ドット配列に揺らぎを付与するための変換量を算出するための仮想格子を示す平面図である。
【図４】図４は、ドット配列に揺らぎを付与するための変換量を算出するために図３の仮想格子に点をランダム配置した状態を示す平面図である。
【図５】図５は、（１）従来の規則配列によるドット配列、（２）算出した変換量に基づき（１）のドット配列を変換した揺らぎ付きドット配列をそれぞれ示す平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００    フォトニッククリスタル
１０    Ｓｉ基板
１２    Ｓｉ酸化膜
１４    単結晶Ｓｉ薄膜
１６    空洞
１８    貫通孔（ドット）
２０、３０、４０    規則格子
２２、３２、４２    光導波路（線欠陥）
【図１】
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【図２】
2007011219.tif 000004
【図３】
2007011219.tif 000005
【図４】
2007011219.tif 000006
【図５】
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