(57)【要約】本発明は、少なくともひとつのマイクロフォトニック共振器および／またはナノフォトニック共振器を目標共振波長にチューニングするための方法であって、前記共振器は前記共振器の共振波長を規定する寸法を有し、前記共振器は前記共振器がイオンを含む流体に包囲されるように前記流体に浸漬され、前記方法は、前記共振波長に等しい光波長を有する光を前記共振器に注入するステップを有し、これにより前記注入された光は前記共振器内で共振して、イオンを含む前記包囲している流体により可能となる光電化学エッチングプロセスを引き起こし、該エッチングプロセスは前記フォトニック共振器内の光の強度を増幅させる光共振によって促進され、前記エッチングは前記フォトニック共振器の寸法を減少させ、これにより前記共振器の前記共振波長を低下させチューニングする方法に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともひとつのマイクロフォトニック共振器および／またはナノフォトニック共振器（１０）を目標共振波長（λｔ）にチューニングするための方法であって、
前記共振器は前記共振器（１０）の共振波長（λｒ）を規定する寸法を有し、
前記共振器（１０）は前記共振器がイオンを含む流体（６０）に包囲されるように前記流体（６０）に浸漬され、
前記方法は、前記共振波長（λｒ）に等しい光波長を有する光を前記共振器（１０）に注入するステップを有し、
これにより前記注入された光（λ）は前記共振器（１０）内で共振して、イオンを含む前記包囲している流体（６０）により可能となる光電化学エッチングプロセスを引き起こし、該エッチングプロセスは前記フォトニック共振器（１０）内の光の強度を増幅させる光共振によって促進され、
前記エッチングは前記フォトニック共振器の寸法を減少させ、これにより前記共振器（１０）の前記共振波長（λｒ）を低下させチューニングする
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記フォトニック共振器（１０）は、その構成材料によって設定されるバンドギャップ波長（λＢ）を有し、前記注入された光の前記波長（λ）は前記共振器バンドギャップ波長（λＢ）より大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記注入された光は単色である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記光の注入を開始するステップ（Ｅ１）と、
前記共振器（１０）の前記共振波長（λｒ）を得るように前記注入された光の前記光波長（λ）を調整するステップ（Ｅ２）と、
目標共振波長（λｔ）が得られるまで、前記エッチングプロセスの間、前記共振波長（λｒ）に追従するように前記光波長（λ）を低下させるステップ（Ｅ３）と、
前記目標共振波長（λｔ）において前記光の注入を停止するステップと、を備える
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記チューニング処置は、前記フォトニック共振器（１０）の前記共振波長（λｒ）を連続掃引によって低下させるステップ（Ｅ２）を含み、各掃引は前記注入された光の前記光波長（λ）を前記フォトニック共振器（１０）の前記共振波長（λｒ）を含む値の間で掃引することからなる
ことを特徴する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記光を注入するステップは、非近接場または近接場の光結合技術によって実現され、光は一または複数の共振器に注入される
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記注入された光の前記光波長は、可視および赤外線スペクトルに含まれる
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記フォトニック共振器（１０）と、前記共振器の付近に配置された光導波路（２０）との間の結合は、エバネセント波によって達成される
ことを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記流体（６０）はイオンを含む液体である
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記流体（６０）は、周囲大気、または調節湿潤雰囲気、またはイオンを含む気体である
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記共振器材料はシリコンであり、前記流体（６０）はフッ素系の液体または気体である
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記共振器材料はガリウム系であり、前記流体（６０）は水、周囲大気、または調節湿潤雰囲気である
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
それぞれ異なる共振波長（λｒａ、λｒｂ）を有する２つのフォトニック共振器（１０ａ、１０ｂ）をチューニングするための方法であって、
前記共振器（１０ａ、１０ｂ）のいずれかの前記共振波長（λｒａ、λｒｂ）のうち大きい方の値に、前記注入された光の光波長（λ）を設定するステップ（Ｅ１’）と、
第１のフォトニック共振器（１０ｂ）の第１共振波長（λｒｂ）が得られるように前記注入された光の光波長を低下させるとともに、第２のフォトニック共振器（１０ａ）の第２共振波長（λｒａ）が前記第１共振波長（λｒｂ）より低い状態で、前記エッチングプロセスを開始するステップ（Ｅ２’）と、
前記第１共振波長（λｒｂ）に追従するように前記注入された光の光波長（λ）を低下させ、前記光波長はエッチングされている前記第１フォトニック共振器（１０ｂ）の前記第１共振波長（λｒｂ）が前記第２フォトニック共振器（１０ａ）の前記共振（λｒａ）と重なるまで低下し、これにより前記フォトニック共振器（１０ａ、１０ｂ）をチューニングする
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
両方のフォトニック共振器（１０ａ、１０ｂ）が共通の目標共振波長値（λｔ）にチューニングされて同一の寸法および同一の光共振波長を有するように、両方のフォトニック共振器（１０ａ、１０ｂ）を同時に同一速度でエッチングするように光波長（λ）を低下させるステップ（Ｅ３２’）をさらに備える
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
各フォトニック共振器（１０）はディスク（１１）、フォトニック結晶共振器、リングまたはレーストラック共振器、ブラッグ共振器、分布帰還型回折格子共振器、ファブリ・ペロー共振器、またはプラズモニック共振器である
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記フォトニック共振器（１０）および前記基板（３０）は、ＧａＡｓ、シリコン、および／または光電化学エッチングが動作するその他の任意の半導体および誘電材料からなる
ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記フォトニック共振器（１０）はまた機械的共振器であり、その機械共振周波数は前記方法によってチューニング可能である
ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法によって得られる、基板上に設けられた複数のフォトニック共振器（１０）を備えるフォトニック装置であって、すべての共振器は共通目標共振波長値（λｔ）にチューニングされ、該共通目標共振波長値（λｔ）に対する各フォトニック共振器（ｉ）の各共振波長（λｉ）の波長誤差は１００ｐｍより小さい
ことを特徴とするフォトニック装置。
【請求項１９】
すべての共振器が共通目標共振波長値（λｔ）にチューニングされ、該共通目標共振波長値（λｔ）に対する各フォトニック共振器（ｉ）の各共振波長（λｉ）の波長誤差は１０ｐｍより小さい
ことを特徴とする、請求項１８に記載の複数のフォトニック共振器（１０）を備えるフォトニック装置。
【請求項２０】
すべての共振器が共通目標共振波長値（λｔ）にチューニングされ、該共通目標共振波長値（λｔ）に対する各フォトニック共振器（ｉ）の各共振波長（λｉ）の波長誤差は１ｐｍより小さい
ことを特徴とする、請求項１８または１９に記載の複数のフォトニック共振器（１０）を備えるフォトニック装置。
【請求項２１】
前記少なくともひとつの共振器（１０）付近で前記基板（３０）上に設けられることで、各フォトニック共振器（１０）への前記光の伝送を可能にする導波路（２０）を備える
ことを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載のフォトニック装置。
【請求項２２】
各フォトニック共振器（１０）はディスク（１１）、フォトニック結晶共振器、リングまたはレーストラック共振器、ブラッグ共振器、分布帰還型回折格子共振器、ファブリ・ペロー共振器、またはプラズモニック共振器である
ことを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載のフォトニック装置。
【請求項２３】
前記フォトニック共振器（１０）はまた機械的共振器であり、その機械共振周波数は請求項１に記載の方法によってチューニング可能である
ことを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか一項に記載のフォトニック装置。
【請求項２４】
前記フォトニック共振器（１０）および前記基板（３０）は、ＧａＡｓ、シリコン、および／または光電化学エッチングが動作するその他の任意の半導体および誘電材料からなる
ことを特徴とする請求項１８乃至２３の何れか一項に記載のフォトニック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロフォトニック共振器およびナノフォトニック共振器の分野に関し、特に、かかる共振器を所望の波長にチューニングする方法に関する。
【０００２】
フォトニック装置の一部である光共振器は、一般に、光が入射して共振し、それにより信号を増幅可能なキャビティで構成される。
【背景技術】
【０００３】
マイクロフォトニック共振器およびナノ共振器は小型の装置であり、高精度で構築することが難しい。これまでに開発されたクリーンルーム製造技術（フォトリソグラフィやプラズマエッチングなど）で達成されているのは、数ナノメートル程度の精度にすぎない。製造に関わる不正確性に起因するこれらの再現性制約は、最終的には、製造される光共振器の最終的な共振波長に影響を及ぼす。
【０００４】
したがって、全く同一の共振波長を共有する複数の高Ｑで波長サイズの光共振器の製造は、最先端の製造手段によっても現在達成不可能である。
【０００５】
これらの共振器は、テクノロジーを進歩させる学術研究または産業開発において、複数の用途を有する。
【０００６】
光と物質の相互作用（レーザ、空洞電気力学、光学力学、非線形光学など）は、現在の研究における主要なテーマである。そして、所与の原子転移または分子励起に結合可能で正確な共振周波数を有する光共振器の実現に関心が寄せられている。さらに、共振器の配列およびその集合的動作も関心の対象となっている。
【０００７】
小型化された光共振器は、現在重要な研究開発の焦点となっており、その適用対象は、光遅延、マイクロナノスケール装置による光学ルーティング、フォトニック力およびガスセンシング、光学ジャイロスコープ、シリコンオンインシュレータ光学装置、半導体レーザ、光学コンピュータ、光学メタマテリアルなどである。
【０００８】
また、共振器は次のように用いることもできる。
・米国特許第２０１４／０３２１１５０２明細書に示されているように、共振器の波長を取得することにより温度計測可能なセンサとして用いてもよい。この場合、共振波長がより良く制御されているほど、正確な温度を得ることができる。
・欧州特許第１５８５０８７号明細書に示されているように、励起されると光を再放出する蛍光体を含む面内で光が導かれる表示装置として用いてもよい。蛍光体は光学的選択性が高く、共振波長は必ず周知である。
・光学コンピュータのフォトニックビットプロセスを達成するための論理接続用トランジスタとして用いてもよい。電子に代えて光子を介して情報が伝送されるこのようなコンピュータは、シリコン業界において加速的に開発が進んでいる。
【０００９】
近年、共振器の共振のチューニングおよび制御を目的として、様々な技術が開発されている。以下、最先端技術を包括的に概観する。
【００１０】
Ｋ．  Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ  ａｎｄ  Ｏ．  Ｐａｉｎｔｅｒ，  “Ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｔａｐｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ  ａｔ  ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ９０，  ｎｏ．  ３，  ｐ．  ０３１１１４，  ２００７．
この文書では、窒素を光共振器に配置することで共振周波数を変化させている。
このような技術は非恒久的であり、サンプルを高真空かつ極低温下に置くことを必要とする。
【００１１】
フォトクロミック薄膜を用いたフォトニック結晶キャビティの可逆チューニング。Ｄ．  Ｓｒｉｄｈａｒａｎ，  Ｅ．  Ｗａｋｓ，  Ｇ．  Ｓｏｌｏｍｏｎ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｔ．  Ｆｏｕｒｋａｓ，    “Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｃａｖｉｔｉｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｃ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ９６，  ｎｏ．  １５，  ｐ．  １５３３０３，  ２０１０．
この文献では、薄いフォトクロミック層が共振器に配置される。
この技術では、チューニング領域は限定的であり、この層が装置の光学的および機械的特性を劣化させるおそれがあり、複数の共振器には適用不可能である。
【００１２】
Ｍ．  Ｓｈａｉｎｌｉｎｅ，  Ｇ．  Ｆｅｒｎａｎｄｅｓ，  Ｚ．  Ｌｉｕ，  ａｎｄ  Ｊ．  Ｘｕ，  “Ｂｒｏａｄ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ  ｍｏｄｅｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｋｓ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  ｅｘｐｒｅｓｓ，  ｖｏｌ．  １８，  ｎｏ．  １４，  ｐｐ．  １４３４５−１４３５２，  ２０１０．
この文献では、光共振器に張力を付与し、これにより（電気光学効果を介して）屈折率、ひいてはその共振周波数を変化させる。
このような技術は、共振器と接触状態にある金属電極を用いた電気チューニングを必要とし、これにより光学特性が損なわれるとともに、スケーラビリティに欠ける。
【００１３】
Ｋ．  Ｐｉｅｇｄｏｎ，  Ｍ．  Ｌｅｘｏｗ，  Ｇ．  Ｇｒｕｎｄｍｅｉｅｒ，  Ｈ．−Ｓ．  Ｋｉｔｚｅｒｏｗ，  Ｋ．  Ｐａｒｓｃｈｋｅ，  Ｄ．  Ｍｅｒｇｅｌ，  Ｄ．  Ｒｅｕｔｅｒ，  Ａ．  Ｗｉｅｃｋ，  ａｎｄ  Ｃ．  Ｍｅｉｅｒ，  “Ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｅｎａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ  ｌａｓｅｒｓ  ｖｉａ  ｐｈｏｔｏ−ａｄｒｅｓｓａｂｌｅ  ｐｏｌｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  ｅｘｐｒｅｓｓ，  ｖｏｌ．  ２０，  ｎｏ．  ６，  ｐｐ．  ６０６０−６０６７，  ２０１２．  
この文献では、サンプル全体が適用対象となるため、選択性に欠ける。精度はナノメートル程度であり、再現性は達成されていない。
【００１４】
Ｗ．  ｖｏｎ  Ｋｌｉｔｚｉｎｇ，  Ｒ．  Ｌｏｎｇ，  Ｖ．  Ｓ．  Ｉｌｃｈｅｎｋｏ，  Ｊ．  Ｈａｒｅ，  ａｎｄ  Ｖ．  Ｌｅｆｅｖｒｅ−Ｓｅｇｕｉｎ，  “Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ  ｍｏｄｅｓ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃａ  ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ  ｆｏｒ  ｃａｖｉｔｙ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｌｅｃｔｒｏ−  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ａｎｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ２６，  ｎｏ．  ３，  ｐｐ．  １６６−１６８，  ２００１．
この文献では、ミクロスフェアの圧縮や伸張を含む機械的作用が共振器に対して発揮される。
このような技術は、スケーラビリティを欠き、マイクロフォトニック装置およびナノフォトニック装置と互換性がなく、非恒久的であり、技術的に非実用的である。
【００１５】
Ｎ．  Ｎｉｕ，  Ｔ．‐Ｌ．  Ｌｉｕ，  Ｉ．  Ａｈａｒｏｎｏｖｉｃｈ，  Ｋ．  Ｊ．  Ｒｕｓｓｅｌｌ，  Ａ．  Ｗｏｏｌｆ，  Ｔ．  Ｃ．  Ｓａｄｌｅｒ，  Ｈ．  Ａ．  Ｅｌ−Ｅｌｌａ，  Ｍ．  Ｊ．  Ｋａｐｐｅｒｓ，  Ｒ．  Ａ．  Ｏｌｉｖｅｒ，  ａｎｄ  Ｅ．  Ｌ．  Ｈｕ，    “Ａ  ｆｕｌｌ  ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ  ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ｐｉｎ  ｄｏｐｅｄ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ  ｃａｖｉｔｙ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  １０１，  ｎｏ．  １６，  ｐ．  １６１１０５，    ２０１２．
この文献では、共振器を含むサンプル全体が紫外線による光電エッチングによってチューニングされる。紫外線はサンプル全体によって吸収される。
このような技術は、スペクトル精度を欠き、サイトを特定できず、多数の共振器に対してスケーラビリティを欠き、リアルタイムで共振波長のその場でのモニタリングができない。
【００１６】
Ｙ．  Ｓｈｅｎ，  Ｉ．  Ｂ．  Ｄｉｖｌｉａｎｓｋｙ，  Ｄ．  Ｎ．  Ｂａｓｏｖ，    ａｎｄ  Ｓ．  Ｍｏｏｋｈｅｒｊｅａ，  “Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ−ｄｒｉｖｅｎ  ｎａｎｏ−ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｔｒｉｍｍｉｎｇ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｉｃｒｏｒｉｎｇｓ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ３６，  ｎｏ．  １４，  ｐｐ．  ２６６８−２６７０，  ２０１１．
この文献では、ピーク効果による酸化が適用され、これにより共振器材料の屈折率変化によって共振器の共振波長が変化する。
このような技術は、低速で、複数の共振器配置に対してスケーラビリティを欠き、ナノ共振器へ同精度で適用可能であるかどうかが証明されていない。
【００１７】
Ｍ．  Ｚｈａｎｇ，  Ｇ．  Ｓ．  Ｗｉｅｄｅｒｈｅｃｋｅｒ，  Ｓ．  Ｍａｎｉｐａｔｒｕｎｉ，  Ａ．  Ｂａｒｎａｒｄ，  Ｐ．  ＭｃＥｕｅｎ  ａｎｄ  Ｍ．  Ｌｉｐｓｏｎ，  “Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ  ｕｓｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｒｅｖｉｅｗ  ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  １０９，  ｎｏ．  ２３，  ｐ．  ２３３９０６，  ２０１２．
この文献では、レーザ光を用いて共振器を加熱し、その共振波長を変化させる。
このような技術は、非恒久的であり、多数の共振器に対してスケーラビリティを欠き、複数のフィードバックループを含むため複雑である。
【００１８】
Ｐ．  Ｄｏｎｇ，  Ｗ．  Ｑｉａｎ，  Ｈ．  Ｌｉａｎｇ，  Ｒ．  Ｓｈａｆｉｉｈａ，  Ｄ．  Ｆｅｎｇ，  Ｇ．  Ｌｉ，  Ｊ．  Ｅ．  Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，  Ａ．  Ｖ．  Ｋｒｉｓｈｎａｍｏｏｒｔｈｙ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ａｓｇｈａｒｉ，  “Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ    ｒａｃｅｔｒａｃｋ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｕｌｔｒａｌｏｗ  ｔｕｎｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ，”  Ｏｐｔｉｃｓ  ｅｘｐｒｅｓｓ，  ｖｏｌ．  １８，  ｎｏ．  １９，  ｐｐ．  ２０２９８−２０３０４，  ２０１０．
この文献では、共振器は熱電気的にチューニングされている。
このような技術は非恒久的であり、マイクロ共振器以外では実証されていない。
【００１９】
いずれの引用文献にも、恒久的で、スケーラビリティを有し、アドレス可能、サイト特定可能で、異なる単位での精度を有する有効な技術は開示されていない。
【００２０】
しかし、上述のいずれの適用対象においても、コスト効率的で正確かつ簡便な技術により、
・単一の光共振器を目標波長にチューニングすること
・複数の光共振器を共通の目標波長にチューニングすること
が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、少なくともひとつのマイクロフォトニック共振器および／またはナノフォトニック共振器を目標共振波長にチューニングするためのより優れた方法であって、前記共振器は前記共振器の共振波長を規定する寸法を有し、前記共振器は前記共振器がイオンを含む流体に包囲されるように前記流体に浸漬され、前記方法は、前記共振波長に等しい光波長を有する光を前記共振器に注入するステップを有し、これにより前記注入された光は前記共振器内で共振して、イオンを含む前記包囲している流体により可能となる光電化学エッチングプロセスを引き起こし、該エッチングプロセスは前記フォトニック共振器内の光の強度を増幅させる光共振によって促進され、前記エッチングは前記フォトニック共振器の寸法を減少させ、これにより前記共振器の前記共振波長を低下させチューニングすることを特徴とする方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の方法は、以下の構成を、組み合わせて、または単独で備えていてもよい。
【００２３】
前記フォトニック共振器は、その構成材料によって設定されるバンドギャップ波長を有し、前記注入された光の前記波長は前記共振器バンドギャップ波長より大きい。
【００２４】
前記注入される光は単色である。
【００２５】
本発明の方法は、
前記光の注入を開始するステップと、
前記共振器の前記共振波長を得るように前記注入された光の前記光波長を調整するステップと、
目標共振波長が得られるまで、前記エッチングプロセスの間、前記共振波長に追従するように前記光波長を低下させるステップと、
前記目標共振波長において前記光の注入を停止するステップと、を備える。
【００２６】
前記チューニング処置は、前記フォトニック共振器の前記共振波長を連続掃引によって低下させるステップを含み、各掃引は前記注入された光の前記光波長を前記フォトニック共振器の前記共振波長を含む値の間で掃引することからなる。
【００２７】
前記光を注入するステップは、非近接場または近接場の光結合技術によって実現され、光は一または複数の共振器に注入される。
【００２８】
前記光を注入するステップは、前記フォトニック共振器が配置された基板上に設けられた導波路によって実行される。該導波路は、該導波路と前記共振器間の近接場光結合を可能にするように前記共振器付近に設けられ、前記注入される光の光波長は材料バンドギャップ波長より大きい。
【００２９】
前記注入された光の前記光波長は、可視および赤外線スペクトルに含まれる。
【００３０】
前記フォトニック共振器と前記導波路との間の結合は、エバネセント波によって達成される。
【００３１】
前記流体はイオンを含む液体である。
【００３２】
前記流体は、周囲大気、または調節湿潤雰囲気であってもよい。この場合、光利用エッチングはより低速で行われ、チューニングの精度を向上させることができる。
【００３３】
ここで提示される方法は、光学装置の有効サイズの制御およびそのスペクトル共振の両方において、３桁のオーダーで改善された高い精度を可能にし、これらの二つの態様はピコメートル程度の精度を達成する。
【００３４】
本発明の方法は、恒久的であり、スケーラビリティを有し、速度が速く、わずかな設備しか必要としないため、任意の産業環境に適用可能である。
【００３５】
チューニングの恒久性は、産業上の利用において重要な作用効果であり、この方法により、ピコメーターから数百ナノメーターまで、広範囲の波長チューニングが可能になる。
【００３６】
さらに、従来技術と比較して、本発明の方法は追加の構成要素をフォトニック装置に設けることを必要としない（上述したポリマーコーティング、電気接続部品、温度制御など）。そのため、簡易で劣化しにくい。
【００３７】
前記包囲する流体は、チューニングステップの実施後、共振器の特性を損なうことなく、容易に除去可能である。
【００３８】
第２の態様によれば、本発明の方法は、それぞれ異なる共振波長を有する複数のフォトニック共振器をチューニング可能である。この場合において、この方法は、
前記共振器のいずれかの前記共振波長のうち大きい方の値に、前記注入された光の光波長を設定するステップと、
第１のフォトニック共振器の第１共振波長が得られるように前記注入された光の光波長を低下させるとともに、第２のフォトニック共振器の第２共振波長が前記第１共振波長より低い状態で、前記エッチングプロセスを開始するステップと、
前記第１共振波長に追従するように前記注入された光の光波長を低下させ、前記光波長はエッチングされている前記第１フォトニック共振器の前記第１共振波長が前記第２フォトニック共振器の前記共振と重なるまで低下し、これにより前記フォトニック共振器をチューニングすることを特徴とする。
【００３９】
第２の態様に係る方法は、
両方のフォトニック共振器が共通の目標共振波長値にチューニングされて同一の寸法および同一の光共振波長を有するように、両方のフォトニック共振器を同時に同一速度でエッチングするように光波長を低下させるステップと、
すべての共振器を共通目標共振波長値にチューニングするように、光波長を低下させるステップを繰り返すステップと、を備えていてもよい。
【００４０】
したがって、本発明の方法は、多数のフォトニック装置に対してスケーラビリティを有しつつも、ひとつのチューニングステップのみで短時間（数分単位）で実施可能であり、これにより従来技術の問題が解決される。
【００４１】
チューニングステップにより自動的に最も大きなフォトニック装置がエッチングされた後で、自動的に同一速度で同一の大きさのキャビティがすべてエッチングされることにより、高速のチューニングメカニズムが提供され、集合構造に含まれる複数の共振器をひとつずつ特定する必要がない。
【００４２】
このように、本発明の方法によって、製造誤差により生じる、名目上同一のフォトニック共振器の配列に見られるスペクトルのずれが解決される。
【００４３】
第３の態様によれば、本発明は、第１または第２の態様によって得られる、基板上に設けられた少なくともひとつのマイクロフォトニック共振器および／またはナノフォトニック共振器を備えるフォトニック装置に関する。
【００４４】
前記フォトニック装置は、１０ｐｍ未満のフォトニック共振器の寸法の物理的精度でチューニングされてもよい。
【００４５】
前記フォトニック装置は、１０ｐｍ未満のフォトニック共振器の寸法の物理的精度で同一値にチューニングされてもよい。
【００４６】
前記フォトニック装置は、前記少なくともひとつの共振器付近で前記基板上に設けられることで、各フォトニック共振器への前記光の伝送を可能にする導波路を備えていてもよい。
【００４７】
各フォトニック共振器は、ディスク、フォトニック結晶共振器、リングまたはレーストラック共振器、ブラッグ共振器、分布帰還型回折格子共振器、ファブリ・ペロー共振器、またはプラズモニック共振器である。
【００４８】
前記フォトニック共振器、前記基板、および前記導波路は、ＧａＡｓ、シリコン、および／または光電化学エッチングが動作するその他の任意の半導体および誘電材料からなる。
【００４９】
本発明のその他の特徴、実施形態、目的、および作用効果については、以下の詳細な説明において指摘する。以下の説明は例示的であって非限定的であり、下記図面を参照して理解されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る方法を適用可能なディスク共振器を示す図である。
【図２】ディスク内の電場分布を示す有限要素シミュレーションを示す図である。
【図３】図１のディスク共振器の共振ダブレットのスペクトルを示す図である。
【図４】本発明に係る方法に適合した構成を示す図である。
【図５】複数の導波路によって給電される複数の共振器を示す図である。
【図６】複数の共振器および導波路を覆う液滴を示す図である。同図において、各導波路は３つの異なる共振器に結合されている。
【図７】本発明に係る方法の各ステップを示す図である。
【図８】本発明に係る他の方法の各ステップを示す図である。
【図９ａ】本発明に係る方法のそれぞれ異なるステップを示す図である。
【図９ｂ】図９ａに対応して、２つの共振器に結合された導波路によって形成されるシステムの光伝送を波長の関数として表すグラフである。
【図１０ａ】本発明に係る方法のそれぞれ異なるステップを示す図である。
【図１０ｂ】図１０ａに対応して、２つの共振器に結合された導波路によって形成されるシステムの光伝送を波長の関数として表すグラフである。
【図１１ａ】本発明に係る方法のそれぞれ異なるステップを示す図である。
【図１１ｂ】図１１ａに対応して、２つの共振器に結合された導波路によって形成されるシステムの光伝送を波長の関数として表すグラフである。
【図１２】本発明に係る方法によってチューニングされた３つの共振器のスペクトルを示す図である。
【図１３】図１２の３つの共振器の共振波長の進化を、この方法の異なるステップについて示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明の方法について詳細に説明するにあたり、本明細書では特定の種の共振器に基づいて説明する。ただし、この方法が任意の光共振器に適用できる限り、この説明は限定的ではない。共振器とは、フォトニック共振および所与の体積における光の閉じ込めを可能にする任意の種類、形状、材料を意味する。
【００５２】
＜フォトニック装置＞
原理実験の証明のために本明細書で用いられるナノフォトニック共振キャビティまたはマイクロフォトニック共振キャビティ、すなわちフォトニック共振器１０を、以降共振器１０と称する。共振器１０は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体からなるディスク１１（図１参照）である。ディスクは、典型的には、横方向の寸法がマイクロメーターサイズであり、厚さが数百ナノメートルである。共振器１０は集積光導波路２０に結合され、その中央領域２１は、共振器１０の近傍でテーパ状を有し、共振結合が可能となっている。典型的には、ディスクの場合に限らず、前記結合はエバネセント波によって達成される。導波路２０により、外部光源からの光を共振器１０に伝送可能である。
【００５３】
例えば、導波路２０とディスク１１との間の距離は、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下（１００ナノメートル以上８００ナノメートル以下）である。
【００５４】
アルミニウムガリウム砒素ペデスタル１２は、導波路２０が配置されている試料基板３０からディスク１１を絶縁する。
【００５５】
共振器１０、導波路２０および基板３０を、フォトニック装置と称する。
【００５６】
フォトニック共振器１０は、その構成材料によって設定されるエネルギーバンドギャップを有する。バンドギャップ波長λＢは前記設定されたバンドギャップに関連している。エネルギーが該エネルギーバンドギャップ未満である光は、一般的に吸収されない。この場合のＧａＡｓでは、バンドギャップ波長λＢは約８７０ｎｍであり、ＧａＡｓはこれを超える波長に対して透過的である。
【００５７】
ＧａＡｓディスク１１は、凹面（図２参照）の周りを移動可能な一種の波に対応する、高品質光学ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）を担持する。図３に示すように、ＷＧＭに関連する共振は、光スペクトルにおいて落ち込みとして現れる。このようなディスク共振器１０は、典艇的には、光共振ダブレットを示す。本明細書においては、説明を分かりやすくするため、適宜このダブレットを単一の共振値λｒとして扱う。
【００５８】
共振器の主要な基準のひとつに、その品質係数Ｑがあり、以下のように定義することができる。
【００５９】
Ｑ＝λｒ／Δλ
【００６０】
ここで、λｒは共振器の共振波長であり、Δλはモード共振半値全幅（ＦＷＨＭ）である。Ｑが高いほど、スペクトルにおける落ち込みの幅が狭くなる。
【００６１】
＜セットアップの設定＞
波長λの光は、レーザ源４０によって、導波路２０を介して共振器に注入される。波長λは可変であり、レーザ光源４０は好ましくは単色光を送出する。
【００６２】
本実施例において、共振器１０および導波路２０の光学分光法は、連続波外部キャビティダイオードレーザであるレーザ源４０を使用して、１２６０ナノメートル以上１３５０ナノメートル以下の波長範囲（赤外線）で実施される。レーザ光のビームは、マイクロレンズファイバ４１を用いて結合導波路入力ファセット２２上に集束される。導波路出力ファセット２３の出力光は、顕微鏡対物レンズ４２によって集められ、光検出器４３に送られる（図４の経路参照）。
【００６３】
例えば、図３に示すように、レーザ波長を走査する際、透過スペクトルに現れるいくつかの落ち込みは、共振器１０のディスク１１のＷＧＭに対応する。線幅は約２０〜５０ｐｍである。光学品質係数Ｑは約７０，０００〜２５，０００である。
【００６４】
図５には、試料基板３０上の複数の共振器１０および導波路２０が示されている。各導波路２０に対して、共振器１０は１個のみ設けられている。
【００６５】
図６には、試料基板上の共振器１０および導波路２０の集合的な構造が示されている。同図に示す通り、３つの共振器１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、各導波路２０のテーパ状の中央領域２１に配置されており、したがって同一の導波路２０によって光学的送給を受けている。
【００６６】
典型的な光学チューニング用途では、各共振器１０は、共振波長λｒを有し、目標共振波長λｔにチューニングされる。各共振波長λｒは、共振器１０の寸法に依存する。なお、前述の通り、本実施例において、各共振器１０は実際にはダブレットに対応する２つの共振波長λｒを有するが、これら２つの値は結びついているため、単一の共振波長λｒとみなすことができる。
【００６７】
共振器をチューニングする方法は、光電気化学（ＰＥＣ）エッチングによる方法である。ＰＥＣは、光活性化学エッチングである。
【００６８】
このようなエッチングを可能にするには、共振器１０はイオンを含む流体６０に浸漬される必要がある（図６参照）。
【００６９】
＜光共振器のチューニング方法（図７）＞
まず、フォトニック装置、特に共振器１０ａ、１０ｂがイオンを含む流体６０に浸漬される。したがって、準備ステップＥ０では、前記流体６０の液滴を共振器１０上に載置するか、またはより一般的には、前記流体中に共振器を浸漬する。これにより、共振器１０は、前記流体６０に包囲される。
【００７０】
この方法は、共振状態において共振器１０に光を注入するステップを備える。すなわち、注入された光の波長λが共振器の波長λｒと等しいかまたは実質的に等しいので、注入された光λが共振器１０内で共振し、光電気化学エッチング（ＰＥＣ）プロセスを引き起こす。
【００７１】
以下に説明するように、共振は、共振器１０内、そして特にディスク１１内の光強度を増幅し、これによりエッチングプロセスを促進させる。
【００７２】
イオンを含む周囲の流体６０の存在により、該プロセスが可能となる。
【００７３】
したがって、ディスクがエッチングされるにつれて、その寸法が減少し、共振器１０の共振波長λｒを低下させる。
【００７４】
光が注入されなくなると、エッチングプロセスは停止する。
【００７５】
前述のステップは、次の一連のステップの一部である。
【００７６】
・光の注入を開始するステップＥ１
・共振器１０の共振波長λｒが得られるように注入される光の波長λを調整するステップＥ２
・目標共振波長λｔに達するまで、エッチングプロセス中に、共振波長λｒに追従するように光波長λを低下させるステップＥ３
・目標とする共振波長λｔで光の注入を停止するステップＥ４
【００７７】
＜本方法の好ましい実施形態＞
好ましい実施形態では、注入された光の波長λは共振器バンドギャップ波長λＢより大きい。これは、光エネルギーが材料のバンドギャップエネルギー未満であることを意味する。
【００７８】
実際、標準的なＰＥＣエッチング技術では、イオンを含む流体６０などの導電性の液体中に浸漬された半導体が、バンドギャップよりも高いエネルギーの光で照射される。これにより、材料内に電子および正孔が生成され、これらの光生成自由キャリアによって、流体６０によって提供されるイオンの存在下で溶解されるイオン種が半導体の表面に形成される。
【００７９】
ＧａＡｓでは、このプロセスは以下の化学反応によって説明される。
・光の吸収が電子と正孔を生成する
・ＧａＡｓ＋６ｈ＋  →  Ｇａ３＋＋Ａｓ３＋
・生成されたイオンが、周囲の流体６０に溶解し、エッチングが終了する
【００８０】
標準的なＰＥＣ技術で、紫外線、すなわち４００ｎｍ未満の波長を有する光がしばしば使用されるのは、エネルギーが共振器のエネルギーバンドギャップを上回るため半導体に吸収されるからである。いくつかの例では、バンドギャップを超えるエネルギーを有する可視光も同様に使用できる。光の吸収は、流体６０中のイオンの存在とともに、半導体材料のエッチングをもたらす。
【００８１】
ここで説明する好ましい実施形態では、波長λが波長バンドギャップλＢよりも大きい（すなわち、エネルギーがエネルギーバンドギャップよりも小さい）光が使用される。好ましくは赤外線が使用されるが（８００ナノメートルを超える光波長）、エッチングやチューニングの対象となる共振器の材料の特性に応じて、可視光（４００ナノメートル以上８００ナノメートル以下の光波長）を使用してもよい。
【００８２】
本実施例のＧａＡｓディスク１１の半導体共振器１０は、様々なメカニズムにより、エネルギーバンドギャップ以下のエネルギーであっても、閉じ込められた赤外線の残留分を吸収する。
【００８３】
これらのメカニズムの中には、半導体表面に存在するミッドギャップレベル、ならびにより高い光強度での２光子吸収がある。
【００８４】
したがって、バンドギャップ波長より大きい光波長を用いることにより、共振によって、共振器１０内に光を注入し高強度で増幅することができる。ディスク内の循環電力は、共振器のフィネスに比例する倍数で導波路を循環する電力を超えて増進される。この倍数は、これらの装置では１０００のオーダーである。
【００８５】
共振は、共振器１０のレベルで注入された光の強度を増加させ、注入された光の波長λのエネルギーが材料のエネルギーバンドギャップ未満であっても、上述のエッチングプロセスを可能にする。したがって、エッチングプロセスは、共振器１０の共振によって可能となる。
【００８６】
これを直接的要因として、共振器１０のみをエッチングする際に高い選択性がもたらされ、共振器１０においてその周囲（光導波路２０、基板３０）と比べて光強度が最も高められる。さらに、この技術は、エッチング速度を極めて高度に制御するとともに、高い空間およびスペクトル分解能でのリアルタイムモニタリングを可能にする。
【００８７】
＜複数の共振器を目標値にチューニングする方法（図８）＞
本方法の第２の態様では、複数の共振器１０ａ、１０ｂ、１０ｃが共通目標波長λｔにチューニングされる。共振器１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、典型的には、導波路２０（例えば、図６参照）に結合される。
【００８８】
図９ａ乃至１１ｂは、複数の共振器に適用される方法の原理を示す図である。
【００８９】
マイクロナノファブリケーションの後、フォトニック共振器１０ａ、１０ｂは、製造誤差により異なる大きさを有し（図９ａ参照）、したがって、一方が他方より大きい異なる共振波長λｒａおよびλｒｂを示す（図９ｂ参照）（例えば、この例では、共振器１０ｂは共振器１０ａよりわずかに大きく、したがってλｒｂ＞λｒａである）。
【００９０】
この方法は、上述の第１の方法、すなわち、共振波長λｒを目標の波長λに変化させるように、光の共振と注入された光の波長λの漸進的な減少によって引き起こされる光電エッチングプロセスに基づく方法である。
【００９１】
フォトニック装置、特に共振器１０ａ、１０ｂがイオンを含む流体６０に浸漬される（図１０ａ参照）。これにより、同一の準備ステップＥ０（前記流体の液滴を共振器１０に載置する、またはより一般的には共振器１０をイオン流体に浸漬する）が達成される。
【００９２】
次のステップは、注入された光の光波長λを共振器１０の共振波長λｒａ、λｒｂよりも大きな値に設定するステップ（Ｅ１’）からなる。
【００９３】
前述と同様に、レーザ源４０は導波路２０に結合される。
【００９４】
そして、フォトニック共振器１０ｂの第１の共振波長λｒｂに達するように、光波長λを低下させる（Ｅ２’）。この後者の共振器で、エッチングプロセスが開始される。この方法はサイト特定性により、小さい方の共振波長λｒａを有する他方の共振器１０ａはエッチングされずに未処理のままとなる。
【００９５】
すなわち、注入された光は当然最初に共振器１０ｂの共振に入り、共振波長λｒｂをより低い値にシフトさせる（図１０ｂの矢印参照）。
【００９６】
次のステップは、エッチングによって減少している共振器１０ｂの共振波長λｒｂに追従するように、注入された光の波長λを低下させるステップ（Ｅ３１’）である。共振器１０ｂの共振波長λｒｂが他方の共振器１０ａの共振波長λｒａに達するまで、波長λを低下させる（図１１ａ、１１ｂ参照）。
【００９７】
この状態が達成されると、両方の共振器１０ａ、１０ｂは共通の共振波長と同一の寸法とを共有することになり、共振器１０ａ、１０ｂがチューニングされていることを意味する。
【００９８】
このプロセスは、注入された光の波長λを再び低下させる（Ｅ３２’）ことによって完了することができ、これにより、両方のフォトニック共振器１０ａ、１０ｂのエッチングが同時にかつ同一速度で引き起こされる。したがって、両方の共振器１０ａ、１０ｂの目標共振波長λｔに到達することが可能である。
【００９９】
すなわち、２つの共振が重なり合うとき、注入された光の波長λがさらに減少すると、両方の共振器１０ａ、１０ｂは同時にエッチングされ、全く同一の有効寸法および光共振値に維持される。
【０１００】
この方法は、注入された光の波長λの値が前記共振器の最大共振値λｒよりも大きい限りにおいて、導波路２０に結合された任意の数の共振器１０のチューニングに適用することができる。なお、チューニングが波長選択性を有するため、共振器１０が導波路に沿って配置される順序（例えば最も大きい共振器を最初に、最後に、または中間に配置するかどうか）は、重要ではない。
【０１０１】
図１２は、チューニングされている共振器１０ａ、１０ｂ、１０ｃの共振スペクトルを示す。各共振器１０は、共振ダブレットに関連付けられているが、ここでは説明を分かりやすくするため、各共振器１０について、単一の共振値λｒａ、λｒｂ、λｒｃを参照する。
【０１０２】
図１２のグラフ１から明らかである通り、３つの共振器１０は、異なる共振波長λｒａ＜λｒｂ＜λｒｃを有する。エッチングにより、これらの波長はλｒａ＝λｒｂ＝λｒｃとなるように集約される（グラフ２から９の進化を参照）。
【０１０３】
図１３は、目標波長λｔである固有の値に向かって収束する前記共振ダブレット波長を示す図でる（前述の通り、２本の近接したグラフは共振ダブレットを表す）。
【０１０４】
＜光共振器をチューニングするためにレーザ波長を変化させるための各実施形態＞
チューニング方法を制御するために、レーザ源波長λを変化させる様々な技術が採用されている。第１の技術では個別掃引、第２の技術では連続シフトが利用される。
【０１０５】
第１の技術は、レーザλの連続掃引を用いて目標波長λｔにチューニングする技術であって、光共振器１０の共振波長λｒを連続掃引によって低下させ、各掃引では、注入されたレーザ光波長λを、フォトニック共振器１０の共振波長λｒを含む範囲にわたって掃引することにより、各掃引で光が一気に（掃引速度に応じた一定量のエネルギーで）共振器１０に入射される。
【０１０６】
個別連続掃引の利用に代えて、目標波長λｔにチューニングするための第２の技術では、レーザ光源波長λの連続シフトを利用することができる。このとき、波長が連続的に調整可能なレーザ源４０を選択しなければならない。
【０１０７】
このプロセスは、固有の低速掃引からなる。
【０１０８】
共振波長λｒに正確に追従するため、レーザ源４０の波長を制御するように、制御ユニット５０をレーザ源４０に接続してもよい。
【０１０９】
開始波長が共振器１０の最大共振波長λｒより大きくなるように選択されている限り、光波長は、典型的には波長λを低下させることで調整される。
【０１１０】
これらの２つの技術は、ひとつの共振器１０をチューニングする場合だけでなく、複数の共振器１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、またはこれより多くの数の共振器をチューニングする場合にも適用できる。
【０１１１】
＜パラメータと実験データ＞
（流体）
流体６０は、典型的には、マイクロピペットを用いて、試料基板上にマイクロリットル単位の水の液滴として載置される。この液滴は、複数の隣接する共振器と導波路とを覆う（図６、１０ａ参照）。なお、このような流体６０によって、導波路を介する全体的な光伝送が変更されることはなく、平均電力のままである。
【０１１２】
非限定的な例として、流体６０は、例えば脱イオン水またはアンモニアなどわずかなイオンを含む液体、あるいは化学物質蒸気などのイオンを含む気体であってもよい。
【０１１３】
流体が周囲大気または調節湿潤雰囲気またはイオンを含む気体である場合、光を利用したエッチングの速度が低下し、チューニングの精度を高めることができる。
【０１１４】
共振器の材料がシリコンである場合、流体６０は、フッ素系の液体または気体であってもよい。
【０１１５】
共振器の材料がガリウム系である場合、流体６０は水、周囲大気または調節湿潤雰囲気であってもよい。
【０１１６】
高い効率を得るには、流体６０の導電性はゼロ以外でなければならず、言い換えれば電流を伝導する能力を有する必要がある。以下に説明するように、前記導電性の値はとくに重要ではない。
【０１１７】
非導電性の流体や導電性の高い液体を使用して、いくつかの実験を行った（ここでは詳述しない）。液体６０の導電率を大幅に減少させることによって、エッチングプロセスはイオンの不在に起因して完全に抑制される。一方、イオン濃度が上昇しても、エッチング速度に大きな変化はない。これらの実験から、エッチング速度はディスク１１における電子と正孔の発生によって限定されるものであって、液体６０中のイオン性化合物の溶解によっては限定されないことが示唆される。
【０１１８】
流体６０は、特に液体の場合には、チューニング処置終了後に空気または窒素を吹き付けることによって、フォトニック装置に損傷を与えることなく容易に除去することができる。
【０１１９】
（材料と共振器の寸法）
光共振器の共振ＰＥＣチューニングは、上述の例におけるＧａＡｓ共振器に限定されない。具体的には、ＰＥＣプロセスは、材料バンドギャップ波長λＢを下回る光波長λの標準構成では、すべての半導体材料上で動作する。したがって、ここでＰＥＣを利用した光チューニングについて提示する技術は、バンドギャップ波長λＢより大きいレーザ光波長λを有する特異性を持つものであれば、いかなる半導体材料から製造した光共振器にも適用できる。
【０１２０】
ＰＥＣプロセスをそのような材料に使用することがそれほど自明ではない場合であっても、この技術は、これらの材料の高いバンドギャップエネルギーに起因する制約から、誘電光共振器まで拡張される。
【０１２１】
この技術はまた、上述のＷＧＭを維持するディスク共振器だけでなく、異なる形状の光共振器に対しても動作する。技術的に関連するものとして、フォトニック結晶のマイクロ共振器およびナノ共振器、レーストラックおよびリング光共振器、プラズモニック共振器、ファブリ・ペロー共振器、ブラッグミラー共振器、分布帰還型回折格子共振器などがある。関連付けられた光閉じ込めおよび増幅を有するものであれば、光共振を提供する任意のマイクロ共振器またはナノ光共振器は、この技術に適する。
【０１２２】
なお、図２に示したフォトニック光共振器も、機械的共振器である。
【０１２３】
したがって、これらの機械的共振器がフォトニック共振器としても機能するとき、本発明は、その機械的共振周波数をこの方法によって調整することができるすべての機械的共振器に一般化させることができる。したがって、本発明は、優れた精度（機械共振器トリミング）を有する、目標機械的共振周波数を有するＭＥＭＳ装置を実現するために用いることができる。
【０１２４】
（掃引速度）
実験では、注入された光は、共振器１０の一の光共振を前後に横切るようにレーザ光源４０を数回掃引することによって、不連続に注入される。これにより、各掃引で、少量かつ再現可能な量のエネルギーが共振器１０の内側に内部に注入される（ナノジュールの範囲）。
【０１２５】
図１４において、ＷＧＭ共振波長λｒは掃引回数の関数として表される。レーザ光源４０の出力は低く、レーザ源コントローラの表示では０．２ｍＷであった。
【０１２６】
掃引一往復あたり７ｐｍ、すなわち片道の掃引あたり３．５ｐｍの速度が達成されたと推定される。これは、掃引一回あたりにつき、材料単層につき１０−２のオーダーでの除去に相当する（例えば、ＧａＡｓの各単層は約３００ｐｍである）。
【０１２７】
エラーバーは、繰り返される波長掃引について、採用されたレーザ源４０の相対的な波長精度２０ｐｍを表す。
【０１２８】
（エッチングおよびレーザ源出力）
図１５において、掃引一回当たりの波長シフトはレーザ出力の関数として表されている。ここには線形依存性が見られ、したがってレーザ源４０の出力を制御することによってエッチング速度を正確に制御することができる。
【０１２９】
エッチング速度については、複数のオーダーの大きさが許容される。
【０１３０】
（チューニングされた光共振器の特性）
共振器をチューニングする際には、除去された材料量が多い場合は特に、劣化が発生していないことを確認することが重要である。
【０１３１】
共振器１０のスペクトル（空気中で測定）は、図１６（チューニング前）および図１７（チューニング後）に示す通り、各共振器１０の細かな構造に対応する光共振ダブレットを示している。これは、ディスクが完全な円形ではないことに部分的に起因する。図１６のスペクトルと図１７のスペクトルの間で、エッチングプロセスの結果に対応して、共振波長λｒのシフトが見られる（約４ｎｍ）。しかし、チューニング前の共振器１０のダブレットの品質係数は、約４２，０００／４２，０００であり（ダブレットの両方の落ち込みは、λｒ≒１３３４ｎｍかつΔλ≒３２ｐｍ）、チューニング後の品質係数は約５３，０００／７０，０００である（ダブレットの両方の落ち込みは、λｒ≒１３３０ｎｍかつΔλ≒２５ｐｍ、１９ｐｍ）。この結果から、この方法は、共振器１０の特性を損なわず、さらにそれらの光学品質係数Ｑを改善することが分かる。
【０１３２】
なお、重要な点として、チューニング処置後、チューニングレーザの電源を切り流体を除去した場合でも、共振器は恒久的にチューニングされた状態である。
【０１３３】
したがって、フォトニック装置、特に共振器１０は、恒久的に１０ｐｍ未満の寸法誤差を有する状態でチューニングされる。これは、各共振器が１０ｐｍよりも優れた絶対精度に到達可能であることを意味する。いくつかの共振器において、数十ｐｍの相対精度が実証され、１０ｐｍより優れた相対精度に到達可能である。
【０１３４】
言い換えれば、共振器は共通目標共振波長値λｔである同一の値に集合的にチューニングされ、各共振器ｉの共振波長（λｉ）は１０ｐｍより優れた精度で目標共振波長値λｔに一致している。
【０１３５】
本文書に示した実験結果では、１０ｐｍという精度レベルは、使用されるレーザの有限波長精度によって設定される。原理上は、より精細な精度にも到達可能である。例えば、１０ｐｍ未満または１ｐｍ未満の精度にも達することができる。エッチング速度は、このような精度を得るための条件である。流体が周囲大気である場合、一例として、エッチング速度が大幅に低下し、波長誤差は、各共振器の波長と目標共振波長値との間で１ｐｍを下回る可能性がある。
【０１３６】
同一の精度は、光共振波長値についても当てはまる。これらのチューニング精度は、上述の特定のＧａＡｓディスク共振器について本明細書中に示されているが、より細かいスペクトル精度も、より大きな寸法の共振器によって、またはエッチング制御のためにより安定したレーザ源を使用することによって、達成することができる。
【０１３７】
本明細書が提案する方法は、光学装置の有効サイズの制御およびそのスペクトル光共振の両方において、先行技術を３桁のオーダーで上回る高い精度を可能にし、これらの二つの態様はピコメートル程度の精度に到達する。
【０１３８】
光共振に達したときにエッチングが引き起こされるため、これらの方法は高い空間選択性を有する。すなわち、導波路２０、基板３０、およびその他の異なる共振波長を有する共振器などの周辺環境は未処理のままであるが、共振器１０は選択的にエッチングされる。
【０１３９】
エッチング速度を（例えばレーザ源強度によって）調整し、スペクトル的にエッチングの進行をモニタリングすることにより、高い品質係数の共振器１０を高精度で共振するようにチューニングすることができる。また、高い品質係数Ｑの複数の共振器も、同様に共振するようにチューニングすることができる。この方法のスケーラビリティにより、数百の共振器を単一掃引のレーザ波長λを利用して急速にチューニングすることができる。
【０１４０】
なお、上述のように、各共振器を識別して個別に処理する必要はない。その代わりに、本方法は、１０ｐｍ未満の精度で共通目標波長λｔの光共振を自動的にもたらす。
【０１４１】
したがって、共振結合され、高い品質係数を有する光共振器のネットワークまたは配列を製造することができるようになった。
【０１４２】
これらの方法でチューニングすることができる共振器１０として、フォトニック結晶共振器、ブラッグ共振器、またはプラズモニック共振器を挙げることができる。
【０１４３】
共振器１０、導波路２０、および基板３０は、シリコンまたは光電気化学（ＰＥＣ）エッチングが動作するバンドギャップを有するその他の任意の半導体または誘電体材料から製造することができる。
【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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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月24日(2017.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
【図１】本発明に係る方法を適用可能なディスク共振器を示す図である。
【図２】ディスク内の電場分布を示す有限要素シミュレーションを示す図である。
【図３】図１のディスク共振器の共振ダブレットのスペクトルを示す図である。
【図４】本発明に係る方法に適合した構成を示す図である。
【図５】複数の導波路によって給電される複数の共振器を示す図である。
【図６】複数の共振器および導波路を覆う液滴を示す図である。同図において、各導波路は３つの異なる共振器に結合されている。
【図７】本発明に係る方法の各ステップを示す図である。
【図８】本発明に係る他の方法の各ステップを示す図である。
【図９ａ】本発明に係る方法のそれぞれ異なるステップを示す図である。
【図９ｂ】図９ａに対応して、２つの共振器に結合された導波路によって形成されるシステムの光伝送を波長の関数として表すグラフである。
【図１０ａ】本発明に係る方法のそれぞれ異なるステップを示す図である。
【図１０ｂ】図１０ａに対応して、２つの共振器に結合された導波路によって形成されるシステムの光伝送を波長の関数として表すグラフである。
【図１１ａ】本発明に係る方法のそれぞれ異なるステップを示す図である。
【図１１ｂ】図１１ａに対応して、２つの共振器に結合された導波路によって形成されるシステムの光伝送を波長の関数として表すグラフである。
【図１２】本発明に係る方法によってチューニングされた３つの共振器のスペクトルを示す図である。
【図１３】図１２の３つの共振器の共振波長の進化を、この方法の異なるステップについて示す図である。
【図１４】ウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）共振波長を掃引回数の関数として示す図である。
【図１５】掃引一回当たりの波長シフトをレーザ出力の関数として示す図である。
【図１６】チューニング前の光共振ダブレットを示す図である。
【図１７】チューニング後の光共振ダブレットを示す図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
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【国際調査報告】
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