(57)【要約】【課題】フォトニック結晶を用いた光機能素子において、特性を変えることのできる素子を提供する。【解決手段】基板１１と、周期的に配置された複数の空孔１３をもつ可撓性スラブフォトニック結晶光導波路１２と、前記基板１１に固定され前記空孔１３に挿入された光学部材１４からなる光機能素子は、スラブ光導波路１２を変形させることで光学部材１４の空孔１３への挿入量を制御し、光透過特性を変化させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
初期状態で前記基板から所定の高さだけ離れた位置に保持され、周期的に配置された複数の空孔を持つ可撓性スラブ光導波路である第１の部材と、
前記所定の高さに保持され、前記複数の空孔に空孔に挿入された光学部材である第２の部材と、
第１の部材の基板からの高さを変化させて、第２の部材の空孔への挿入量を制御する手段と、
を備えることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
上部薄膜、下部薄膜、基板の順に積層されたウエハを用意するステップと、
前記上部薄膜を電子線描画法または紫外線露光法および気相エッチング法によりパターニングし、前記第１の部材と前記第２の部材を形成するステップと、
前記下部薄膜を弗酸系エッチング液または気相エッチング法により部分的に除去することにより、前期第１の部材を基板からリリースするステップと、
からなり、前記第１の部材と第２の部材を同時に形成することを特徴とする、光機能素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光スイッチ、光変調器、光フィルタとして用いられる光機能素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  屈折率の異なる物質でからなる周期構造は、ある特定の波長の光が入射したときに、物質間の境界で発生する散乱光が干渉しあって打ち消し合うため、前記特定の波長の光を伝播させないという特徴を持つことがある。この特徴を持つ周期構造をフォトニック結晶と呼ぶ。【０００３】  フォトニック結晶の格子定数は、一般に入射光の波長の半分から３分の１程度であるため、フォトニック結晶を用いることで、光の波長程度の大きさの光素子を構成することができる。【０００４】  フォトニック結晶の中でも、スラブ導波路に所定の格子の種類かつ所定の格子定数で所定の形状の孔を開けた構造を、スラブフォトニック結晶と呼ぶ。スラブとは平板を意味する。ここで、導波路を構成する平板の材質としては、例えば光が近赤外線すなわち波長がおよそ１．５μｍのとき、シリコンやガリウム砒素などの高屈折率半導体がよく用いられ、その場合半導体製造技術を応用して容易に製造できる。【０００５】  スラブフォトニック結晶を利用した素子としては、導波路、フィルタ、分波器、結合器など様々な素子が提案されている。しかし、スイッチ素子、強度変調器、可変波長フィルタなどの能動素子を実現するためには、フォトニック結晶の光透過特性を外部からの操作で変化させることができなければならない。【０００６】  フォトニック結晶の光透過特性は、フォトニック結晶を構成する物質の屈折率と、格子の種類および格子定数と、周期構造の各単位の形状および大きさによって決まることが一般に知られている。また、フォトニック結晶の近傍で、特に光の波長よりも短い距離に存在する構造に影響を受けることも知られている。【０００７】  そこで、能動素子を実現する方法としては以下のような方法が考えられる。まず、フォトニック結晶を構成する物質の屈折率を変化させるために、外部からの電界などをかける方法がある。特許文献１には、電気光学効果を利用した例が示されている。また、特許文献２には、制御光を用いる方法が示されている。【０００８】  また、フォトニック結晶のごく近傍に存在する近接場に外部から物質を近づけることで、素子の光透過特性を変化させる方法がある。特許文献３には、スラブフォトニック結晶とその上部に設けた梁からなる素子で、スラブと梁の距離を制御することで、素子の光特性を変化させる手法が示されている。【０００９】  また、スラブフォトニック結晶の空孔を高屈折率の物質で埋めることで、素子の光透過特性を変化させる方法も考えられる。非特許文献１には、シリコンスラブフォトニック結晶導波路の空孔に対して、上方からシリコンの円柱形状のロッドを挿入し、素子の光透過特性を変化させる手法が示されている。【００１０】  図７は、非特許文献１に示された光機能素子である。図中の符号で、４１はスラブフォトニック結晶導波路、４２は空孔、４３は空孔に挿入するロッド、４４はロッドを保持するための梁構造である。光特性を変化させるための部材としてスラブフォトニック結晶導波路の上部に複数の円柱状のロッドを保持する梁構造を配置し、空孔に円柱状のロォドを挿入することによりフォトニック結晶の光透過特性を変化させる。【００１１】
【特許文献１】特開平１０−８３００５
【特許文献２】特開２００１−９１９１２
【特許文献３】特開２００６−３９１５
【非特許文献１】ＩＥＥＥ／ＬＥＯＳ  光微小機械電気システムとその応用に関する国際学会、ＰＰ．１０７−１０８、２００３。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  以上に述べた、フォトニック結晶を用いて能動素子を実現するための手法は、どれも実用化が困難なものである。以下では、各手法のどのような点が実用化を困難なものにしているかを説明する。【００１３】  特許文献１または特許文献２のように、外部からの電界や制御光によって材質の屈折率を変化させる方法は、有効な屈折率変化を得るためには大きな電界もしくは強い光を用いる必要があり、実用化が難しい。【００１４】  特許文献３に示されたスラブ光導波路とその上部に設けた梁の距離を制御する方法は、スラブより染み出す近接場を利用しているため、大きな特性変化を得ることが難しく、実用化が難しい。【００１５】  非特許文献１のようにスラブフォトニック結晶の空孔にロッドを挿入し、フォトニック結晶の光透過特性を変化させる方式は、空孔内部の屈折率を大きく変化させることで、上述の方式よりも大きな変化を得られるものの、具体的な構成や製造方法については述べられていない。【００１６】  この種の素子の製造方法として２つの方針が考えられる。ひとつは、スラブフォトニック結晶導波路とロッドを別々に製造し、それらを組み合わせてひとつの素子を実現する方法であり、もうひとつは、スラブフォトニック結晶導波路とロッドを一連のプロセスで製造する方法である。【００１７】  前者のように別々に製造して組み合わせる方法では、組み合わせる際の位置合わせの方法が問題となる。例えば、光の波長が１．５μｍであるとき、空孔の直径は３００ｎｍから７００ｎｍ程度であり、仮にロッドの直径が空孔の直径の８０％であるとすると、空孔とロッドの間の隙間は幅３０ｎｍから７０ｎｍとなる。すなわちこの構成では、空孔にロッドを挿入する際には、数ｎｍの精度でかつ導波路と平行な方向に振動しないように挿入する必要があり、実用化が困難である。また、一度位置合わせしても熱変形などで位置がずれてしまう、という問題もある。【００１８】  また、後者のようにひとつの基板から一連のプロセスで製造する方法では、例えばスラブフォトニック結晶を形成し、保護膜を形成し、ロッドを形成し、梁構造を形成し、ロッドおよび梁構造をリリースして可動部とする、というような多数のステップを持つ製造プロセスが必要となる。製造プロセスが複雑になり、生産性を上げることが困難であるため、産業上の利用が難しい。【００１９】  本発明の目的は、フォトニック結晶を用いた微小光機能素子に関して、外部からの操作で特性を変化させることのできる能動素子の構成を示すことであり、また、その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】
【００２０】  上記目的を達成するために、第１の発明は、
基板と、
初期状態で前記基板から所定の高さだけ離れた位置に保持され、周期的に配置された複数の空孔を持つ可撓性のスラブ光導波路である第１の部材と、
前記所定の高さに保持され、前記複数の空孔に挿入された光学部材である第２の部材と、
第１の部材の基板からの高さを変化させて、第２の部材の空孔への挿入量を制御する手段と、
を備えることを特徴とする光機能素子である。【００２１】  また、第２の発明は、
高屈折率の半導体である上部薄膜、低屈折率誘電体である下部薄膜、基板の順に積層されたウエハを用意するステップと、
前記上部薄膜の上にレジストを塗布し、紫外線露光法もしくは電子線描画法によりレジストを前記第１の部材と前記第２の部材の形状にパターニングするステップと、
前記上部薄膜を気相エッチング法によりパターニングし、前記第１の部材と前記第２の部材を形成するステップと、
前記酸化シリコン薄膜を弗酸系エッチング液または気相エッチング法により部分的に除去することにより、前期第１の部材を基板からリリースするステップと、
からなる、前記第１の部材と第２の部材を同時に形成することを特徴とする、光機能素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２２】  本発明に従って構成された光機能素子は、以下の特徴を持つ。【００２２】  空孔に対する光学部材の挿入量を制御することができるため、大きな屈折率変化を得ることができる。そのため、前述のように特許文献１および特許文献２および特許文献３の構成よりも特性の変化値が大きい、という特徴を持つ。【００２４】  また、空孔に挿入する光学部材は基板に固定されており、また光導波路は一部が基板に保持され、基板に平行な方向への動きが制限されているため、前述の非特許文献１の構成に比べて、基板に平行な方向の位置合わせが不要である、という特徴をもつ。【００２５】  また、空孔および空孔に挿入する光学部材を一括で形成するため、前述の非特許文献１の構成に比べて、比較的簡単な製造工程である、という特徴をもつ。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００２６】（１）実施例１の光減衰器の構成例
図１を用いて本発明による光機能素子の実施例のひとつである光減衰器の構成を説明する。図１は、透過特性可変の光減衰器の構成の斜視図である。図中の符号で、１１は基板、１２はスラブ光導波路、１３は空孔、１４は空孔に挿入された光学部材、１５はスラブ光導波路の保持部材、１６は空孔に挿入された光学部材の保持部材である。光学部材１４や保持部材１６の形状がわかりやすいように、図の一部は断面を示している。【００２７】  入射光としては、例えば、光通信に用いられる１．５μｍ程度の波長の光を用いる。スラブ光導波路１２と、光学部材１４の材質には、この波長域において光透過率と屈折率が高いシリコンを用いている。スラブ光導波路保持部材１５と光学部材保持部材１６には、酸化シリコンを用いている。【００２８】  スラブ光導波路１２、光学部材１４の材質がシリコンであるとしたが、高屈折率かつ光の透過率が高いものであればよく、ガリウム砒素などでもよい。ここで高屈折率とは、屈折率が３以上であることをあらわす。また、スラブ光導波路保持部材１５と光学部材保持部材１６の材質が酸化シリコンであるとしたが、低屈折率かつ光の透過率が高いものであればよく、チッ化シリコンなどでもよい。ここで低屈折率とは、屈折率が１．６以下であることをあらわす。【００２９】  また、入射光は波長が１．５μｍ以外の光であってもよい。その場合、スラブ光導波路１２、光学部材１４の材質としては、その波長において高屈折率かつ高透過率の材質を用い、スラブ光導波路保持部材１５と光学部材保持部材１６の材質としては、その波長において低屈折率かつ高透過率の材質を用いる。【００３０】  スラブ導波路１２は周期的な複数の空孔１３を持つ、フォトニック結晶であるとする。すなわち、スラブ導波路１２の中で空孔１３が開けられた箇所は、ある波長の光を通さない性質を持っている。【００３１】  図１では三角格子状に空孔が配置されているが、格子の種類は正方格子など様々な格子を考えうる。また、図１では空孔１３の形状は円柱だが、三角柱や四角柱など様々な形状を考えうる。図１では、光の伝播方向はΓ−Ｍ方向だが、Γ−Ｋ方向であってもよい。【００３２】  空孔１３に挿入される光学部材１４は、空孔に挿入することのできる形状であり、保持部材１６によってスラブ光導波路１３の初期状態の高さと同じ高さに保持されている。図１では、光学部材１４の形状は、空孔１３と同じ円柱形状だが、空孔とは別の形状を取ることも可能であり、三角柱や四角柱など様々な形状を考えうる。また、図１では、光学部材１４は光の伝播方向に一列に配置されているが、複数列に並べる、ひとつだけ配置する、という配置も考えうる。【００３３】  図１に示すように、三角格子状に円柱形状の空孔１３が配置され、空孔１３に円柱形上の光学部材１４が例えば光の波長を１．５μｍとしたとき、スラブ光導波路１２がフォトニック結晶となるためには、格子定数は４５０ｎｍから７５０ｎｍで、望ましくは７００ｎｍ程度であり、空孔の直径は３５０ｎｍから６５０ｎｍで、望ましくは６５０ｎｍ程度である。このとき、スラブ光導波路１２はフォトニック結晶であるから、光学部材１４が挿入されていない状態では光透過率が極めて低い。格子定数と空孔の直径の好ましい値は、光の波長に比例して変化する。【００３４】  図１に示すように、空孔１３と光学部材１４がともに円柱形上のとき、光学部材１４の直径は空孔１３の直径の８０％以上であることが好ましい。８０％以下のときは、空孔１３に挿入したときの光透過特性の変化が小さくなってしまう。ただし、光学部材１４の直径が大きすぎると、振動などの影響で空孔１３と光学部材１４がスティクションしてしまい、素子が動作しなくなる。そのため、光学部材１４の直径は、空孔１３の直径よりも１０ｎｍ以上小さいことが好ましい。【００３５】  また、光の波長が１．５μｍのとき、スラブ光導波路１２の厚さは２００ｎｍから４００ｎｍであることが好ましい。これは、２００ｎｍよりも薄いと効率よく光を入射させるのが困難であり、４００ｎｍよりも厚いと垂直方向の光閉じ込め効果が低くなり、導波路としての特性が悪くなるためである。スラブ光導波路１２の好ましい厚さは光の波長に比例して変化する。【００３６】  また、光学部材保持部材１６の厚さは、スラブ光導波路の厚さ３分の１以上であることが好ましく、より好ましくはスラブ光導波路よりも厚いほうがよい。なぜなら、スラブ光導波路１２の高さの変化量は光学部材保持部材１６の厚さによって制限されるからである。【００３７】（２）実施例１の光減衰器の動作
図２を用いて、スラブ光導波路１２の基板１１からの高さの制御方法について説明する。図２は、実施例１である光減衰器の断面図であり、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）は導波路が基板に近づいた状態を示す。図中の符号は図１と同じである。【００３８】  図２（Ａ）の初期状態において、スラブ光導波路１２は保持部材１５によって基板１１と平行でかつ所定の高さに保持されている。スラブフォトニック結晶導波路１２は、空孔１３がある部分は基板に固定されておらず、可撓性をもつ。【００３９】  図２（Ｂ）では、基板１１とスラブ光導波路１２との間に電圧を印加し静電引力によってスラブ光導波路１２を撓ませている。このため、スラブ光導波路１２には導電性の材質を用い、保持部材１５には導波路と基板とを電気的に絶縁するために誘電体を用いる。例えば、スラブ光導波路１２にはリンや窒素をドープされた導電性のあるシリコンを用い、保持部材１５および保持部材１６には酸化シリコンを用いることができる。【００４０】  図２では、スラブ光導波路１２を変形させるために静電引力を用いているが、その他にも圧電素子を用いることも考えられる。すなわちスラブ光導波路保持部材１５が圧電材料であってもよい。この構成では、基板１１とスラブ光導波路１２の間に電圧を印加させることで、圧電スラブ導波路保持部材１５を変形させ、スラブ光導波路１２の基板１１からの高さを変化させることができる。【００４１】  図２では、スラブ光導波路１２を基板１１に引き付けることで基板１１からの高さを変化させたが、スラブ光導波路１２が動く方向は、基板から離れる方向であってもよい。【００４２】  以下では、図３を用いて、スラブ光導波路１２を伝播する光のふるまいについて説明する。図３は、実施例１である光減衰器の、スラブ光導波路１２の水平方向の断面図であり、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）は導波路が基板に近づいた状態を示す。図中の符号は図１と同じである。【００４３】  図３（Ａ）に示すように、初期状態では、空孔１３の大部分は光学部材１４で占められている。例えば、空孔１４が直径６５０ｎｍの円柱で、光学部材１３が直径５００ｎｍの円柱であるとき、空孔の体積の７０％以上が光学部材で満たされている。この状態では、スラブ光導波路１２が本来持っていたフォトニック結晶としての性質が消失し、光透過率が高くなるため、透過光が大きい。【００４４】  図３（Ｂ）に示すように、導波路が基板に近づいた状態では、空孔は光学部材１４の保持部材１６および空気で満たされている。シリコンの屈折率は３．５で、酸化シリコンと空気の屈折率はそれぞれ１．５と１．０であるから、屈折率の差が大きく、スラブ光導波路１２が本来持っていたフォトニックバンドギャップは変化するものの消失しない。この状態では、入射光の大部分は図３（Ｂ）に示す反射光もしくは散乱光となり、光の透過特性は低くなるため、透過光は小さい。【００４５】  図３では、スラブ光導波路１２を基板１１に引き付けることで光透過率を変化させたが、スラブ光導波路１２が動く方向は、基板から離れる方向でもよい。その場合は、空孔を占める物質が空気になり、スラブ光導波路１２が本来持っていたフォトニックバンドギャップが変化しないため、より大きな��透過特性の変化が得られる。このとき、スラブ光導波路保持部材１５と光学部材保持部材１６の材質は、低屈折率でなくてもよい。【００４６】（３）実施例１の光減衰器の光透過特性の変化の一例
図４には、スラブ光導波路電圧を印加したときの素子の光透過率変化について示す。電圧をかけていない状態での透過光のパワーを０ｄＢとすると、電圧２００Ｖを印加したときに透過光のパワーは−３ｄＢに減衰する。【００４７】（４）実施例１の光減衰器の製造工程の例
図５は、実施例１の光減衰器を製造する工程の一例を示す上面図および断面図である。図中の符号で、２１は上部薄膜、２２は下部薄膜、２３はレジストである。【００４８】  まず、高屈折率の半導体である上部薄膜２１、低屈折率誘電体である下部薄膜２２、基板１１の順に積層されたウエハを用意する。例えば、上部薄膜２１と基板１１がシリコンで、下部薄膜２２が酸化シリコンである、ＳＯＩウエハを使用する。【００４９】  上部薄膜２１の厚さは、スラブ光導波路１２の厚さに等しく、前述のように、２００ｎｍから３００ｎｍ程度である。【００５０】  下部薄膜の厚さは光学部材保持部材１６よりも厚く２０００ｎｍよりも薄いことが好ましい。２０００ｎｍよりも厚いと、膜質のよい上部薄膜をつけることができないからである。【００５１】  まず、図５（Ａ）に示すように、上記ＳＯＩウエハにレジスト２３を塗布し電子線描画法または紫外線露光法によりレジストをパターニングする。レジストとしては、電子線描画の場合には電子線レジストを用い、紫外線露光の場合にはフォトレジストを用いる。【００５２】  パターニングする形状は、スラブ光導波路１２の外形、空孔１３の形状、光学部材１４の形状である。例えば、空孔１３と光学部材１４の形状にするためには、外形が空孔の直径で、内径が光学部材の直径であるドーナツ状の孔を空ける。【００５３】  次に、図５（Ｂ）に示すように、上部薄膜２１を気相エッチング法によりエッチングし、スラブ光導波路１２と空孔１３と光学部材１４とを同時に形成する。好ましくは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング法を用いると、垂直にエッチングすることができ、素子の特性がよくなる。【００５４】  最後に、図５（Ｃ）に示すように、下部薄膜２２を弗酸系エッチング液または気相エッチング法によりエッチングし、上部薄膜２１のうちスラブ光導波路１２となる部分を基板１１から切り離す。このとき、下部薄膜２２のうち光学部材保持部材１６となるべき部分がなくならように時間、温度、圧力等の条件を調節する。
【実施例２】
【００５５】  図６を用いて本発明による光機能素子の実施例のひとつである経路変更スイッチの構成を説明する。図６は経路変更スイッチのスラブ光導波路１２の水平方向の断面図である。図中の符号は図１と同じであるが、３１のエッチングホールが新たに加わっている。【００５６】  入射光の波長、各部材の材質、空孔１３の格子定数と形状と大きさ、光学部材１４の形状と大きさと配列など、下記に記述されないことはすべて前述の実施例１に従う。【００５７】  図６（Ａ）に示すように、初期状態では、空孔１３の大部分は光学部材１４で占められている。この状態では、スラブ光導波路１２が本来持っていたフォトニック結晶としての性質が消失し、光透過率が高くなるため、直進する光の成分が大きく、出射光１のパワーは大きく、出射光２のパワーは小さくなる。これが経路１の状態である。【００５８】  図６（Ｂ）に示すように、導波路が基板に近づいた状態では、空孔は光学部材１４の保持部材１６および空気で満たされている。この状態では、入射光は出射光１の方向に伝播することができず、大部分は出射光２の方向に伝播する。すなわち、出射光１のパワーは小さく、出射光２のパワーは大きくなる。これが経路２の状態である。【００５９】  エッチングホール３１の大きさは、スラブ光導波路１２が入射光の波長領域でフォトニックバンドギャップを生じない程度に小さくなくてはならない。例えば、直径１００ｎｍの円柱であればよい。また、間隔は光学部材１６の半径よりも小さくなくてはならない。【００６０】  この素子の製造方法は、図５に示す実施例１の光減衰器の製造方法とほとんど同じである。エッチングホール３１は空孔１３と同じ工程で形成する。【００６１】  また、光学部材１４の挿入量によるスラブ光導波路１２の光透過率変化には、偏波依存性があることを利用して、実施例１もしくは実施例２と同じ構成により、偏波分離器を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の光機能素子の構成を示す斜視図。一部は断面を示す。
【図２】本発明による光機能素子の一実施例として光減衰器を実現するときの断面図。（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は導波路が基板に近づいた状態を示す。
【図３】本発明による光機能素子の一実施例として光減衰器を実現するときの導波路の高さでの断面図。（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は導波路が基板に近づいた状態を示す。
【図４】本発明による光機能素子の一実施例である光減衰器における、印加電圧と透過光のパワーの変化の一例。
【図５】本発明による光機能素子の一実施例である光減衰器を製造する工程の一例を示す上面図および断面図。
【図６】本発明による光機能素子の一実施例として経路変更スイッチを実現するときの断面図。（Ａ）は初期状態を示し、（Ｂ）は導波路が基板に近づいた状態を示す。
【図７】従来技術を示す斜視図。
【符号の説明】
【００６３】１１：基板、１２：スラブ光導波路、１３：空孔、１４：空孔に挿入された光学部材、
１５：スラブ光導波路の保持部材、１６：空孔に挿入された光学部材の保持部材、
２１：上部薄膜層、２２：下部薄膜層、２３：電子線レジスト、
３１：エッチングホール、
４１：スラブフォトニック結晶導波路、４２：空孔、４３：空孔に挿入するロッド、
４４：ロッドを保持するための梁構造。
【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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