光産業の共通ツールとしてのフォトニック結晶㈱フォトニックラティス 川上彰二郎，佐藤尚，川嶋貴之，井上喜彦[要旨]
フォトニック結晶の再現性,生産性に優れた作製法である自己クローニング法について，プロセスの概要・特徴,多方面の産業応用について見取り図を提供する。基板の上に凹凸パタンを作り，その上にA,B二種類の材料をスパッタデポジション・バイアスエッチングを組み合わせて交互製膜するというシンプルなプロセスによって，希望する種類の人工誘電体を設計通りの位置に作製・異種集積することが可能であることを例証する。そのような部品の産業展開の動向を，ノンテレコム，テレコム両方にわたってレビューする。

１．はじめにフォトニック結晶が学会の話題になり出してからかなりの年数が経つ。例えば自己クローニング試料の写真を本誌の表紙に使って頂いたのは5年前のことである。フォトニック結晶についての周囲からの視線は，時間と共に、「新しい，面白いものが出てきた」⇒「研究がずいぶん盛り上がっている」⇒「現実のごりやくは出てきたか？」と移り変わっている。 また，フォトニック結晶技術のメインの方向の考え方にはつぎの二つがある。
(A) 複雑な構造を巧妙なプロセスで実現し，学術的に最先端の実験に成功する。
(B) 複雑な構造をシンプルに作製し，新しい「日用品」, 光産業の新しいツールとする。
私たちのスタンスは(B)であって， 「３次元フォトニック結晶は人工誘電体で、光通信にもノンテレコム応用にも使える材料である。新しいパッシブ部品を開発し，現実の利点を早期に立証しよう」と考えている。私たちは自己クローニングというプロセス技術を基本にしているので，プロセスの特徴と現在までの到達点，ノンテレコム応用，テレコム応用という順序で解説する。
表1 自己クローニング法によるフォトニック結晶の特質実現できる「膜厚方向に三角波形の凹凸を持つ周期構造面内方向誘電体多層膜｣が基本
三角格子、正方格子、周期性
膜厚方向溝列など、基板パターンにて制御
1周期あたりの厚さ、周期性実証済みの最大周期数などで制御
Si, SiO2 , TiO2, Ta2O5, Nb2O5

製膜材料
光学特性

偏波ごとの透過/遮断波長域、複屈折性など

２．自己クローニングの特徴
自己クローニング法は，パタン化された凹凸基板の上にスパッタ積層とバイアスエッチングを組み合わせて定常的な３次元凹凸パタンを形成する方法である[1,2]。作製プロセスとしての特質を表１に要約する。また、その光学的な特徴を表２に示す。

表2 自己クローニングフォトニック結晶の様々な応用例
人工光材料として① 遮断域の活用(偏光子、フィルタ）
TE偏光② 異方性の活用
(波長板）

TM偏光

③ 平面レンズ・任意ブレーズ回折格子

入射波面

フォトニック結晶

フォトニック
結晶
TM偏光＜スパッタリングできる材料＞●動作波長帯によるカスタマイズ
通信帯 Si/SiO2
可視光域 Ta2O5/SiO2など
UV (希土類酸化物)

円偏光

直線偏光

出射波面

面内方向の複合化

積層方向の複合化

両方の複合化

④ 多波長フィルタ ⑤ 主軸の複合化 ⑥ 導波路⑧ 無反射膜⑨ チャーピング⑦ 導波路
AR layer（上下とじこめ）⑩ 導波路デバイス（共振器など）aircore入射光薄層化
フォトニック結晶光共振器
λ1 λ2λ3自己クローニングとは何か。凹凸のある基板の上にバイアススパッタリングで製膜を行うとき，表面の形が，堆積とエッチングの影響を受けて変化していく。適当な条件のもとでは，ある定常的な凹凸形状があって製膜を重ねて行くとその形に漸近し，複製していく。基板の凹凸を２次元周期的にし、屈折率の高い・低い２種類の材料でこのプロセスを繰り返すと，屈折率の高い部分，低い部分が３次元的に入り組んだ周期構造ができる。このプロセスを私たちは自己クローニングと呼んでいる。
今まで最も多く経験を積んだ周期溝上の自己クローニングについて特徴的な点を要約する。

プロセス安定性，生産性：ときどき誤解されるが，自己クローニングが実現される条件の範囲は狭いものでも不安定なものでもない。バイアススパッタ製膜では「ノジュール」と通称される，層から層への欠陥伝搬現象が知られていて，その条件の範囲は（幸か不幸か）広い。簡単に言えば，パタン化された基板上にノジュールが生ずる条件で製膜すれば自己クローニングが実現される。
スループットはスパッタ装置の構成で決まる点において、既存の成膜プロセスと同様である。

200nm
200nm
無バイアス層図１ 矩形パターン基板からの△形状成長

図2 無バイアス層の成長複合構造（エピタキシャル結晶，ポリ結晶，チャーピング）： 表２の⑦には基板の形状，積層時の厚さ制御によって，面内方向，厚さ方向に格子定数を制御していわばヘテロエピ構造を作製した例を示す。
また同じく④，⑤にはいわばポリ結晶状の積層例を示す。
積層周期数（どのくらいの層数まで可能か）： 限界は不明であるが，いままで100層内外の積層は日常的に行っている。
整形のメカニズム： 図2は自己クローニング法において一部分でバイアス印加を意図的に止めて形状が崩れて行く様子を観察した結果である（マーカーを用いている）。積層とバイアスエッチングのバランスが必要なことが明らかである。

３． 産業応用（ノンテレコム）
３．１ 液晶プロジェクタ用偏光子
一般の光学多層膜に垂直に光を入射した場合、遮断域は現れるが偏波依存性は見られない。一方
で、表２①に示す自己クローニング型2次元フォトニック結晶では、その構造異方性から垂直入射光に対して偏光子として機能させることができる。
例として図3に透過率の計算結果を示す。矢印で示した帯域ではＴＥ偏光(電界が溝に平行に振動）はストップバンドとなっており、多層膜で反射されるが、ＴＭ偏光（溝に垂直に振動）ではその帯域がパスバンドにあたるため、そのまま多層膜を透過する。
100TM80
透過率 [%]

自己整形： 方形断面をもつ溝の列を石英基板上に作製し，その上に同じSiO2を積層して三角波状に整形する例（図１）。また，表２の⑦は，積層を重ねるに従って三角形状がより完全なものに近づくという本プロセスの特徴を表している。

60TE40200350400450500550

波長 [nm]
図3Finite Difference Time Domainシミュレーター
を用いた青色用フォトニック結晶偏光子の設計例

この反射型の偏光子の特長を以下にまとめる。
1.大面積化が容易であること
2.材料と構造の周期により動作帯域を選択できること
3.無機材料で構成されること
4.基板パターンにより光軸方位を面内で任意に制御できること
5.基板の材料を自由に選択できること

これまで光通信帯用偏光子はa-Si/SiO2の組み合わせですでに実用レベルを実証している [3] 。一方
で可視光用の偏光子の開発も進めている。具体的には液晶プロジェクタでの応用を想定している。液晶プロジェクタは通常、光源からの光をRGBに分けた後にそれぞれの光に対して、液晶ライトバルブを用いて画素ごとに輝度制御を行い、最後にそれらを合成して画像を得ている。その液晶ライトバルブの前後には偏光子が配置されるが、その入射側に設置される偏光子を想定している。従来は有機膜を用いた偏光子が多く用いられてきたが、近年のプロジェクタの高輝度化、小型化に伴い光のパワー密度が増加し、偏光子にも耐熱性が強く求められてきている(4)。そうした状況で無機材料のみで構成され、200℃の環境下でも問題ないフォトニック結晶偏光子が注目されている。材料にはNb2O5/SiO2を用いており、帯域拡大のために積層周期のチャーピングを行なっている。図4aに青の帯域で動作する偏光子を試作した結果と図4bにはその断面ＳＥＭ像を示す。
現在、量産化にむけた開発を開始している。フォトニック結晶初の民生部品となり、その与えるインパクトはフォトニック結晶の分野に留まらず大きい。
・測定器：日立製分光光度計U4100
・材料 ： SiO2/Nb2O5
・基板 ： 石英
※下グラフは石英基板の裏面反射損も含む
100

TM60TE400

450500550

波長 [nm]a. 透過特性の測定結果

CCD
光PhCアレイレンズ
試料l/4 波長板アレイ 偏光子アレイ

図5 フォトニック結晶アレイを用いたスタティック・エリプソメータの概念図

ＬＤから出射された光は試料表面で反射され，２枚のフォトニック結晶チップを通りCCDで受光される。フォトニック結晶チップは、それぞれストライプ状の領域ごとに結晶軸が0度から180度まで変化している1/4波長板（QWP:Quater Wave Plate)アレイと偏光子アレイで構成されている。各素子のストライプが直交するように重ね合わせ、その後方にCCDを配置することで、様々な結晶軸の波長板と偏光子の組み合わせを透過した光の強度を明暗パタンとして瞬時に読み取ることができる[6]。

(a) 水平直線偏波
b. 断面ＳＥＭ像

図4 青色用フォトニック結晶偏光子の試作結果

３．２ エリプソメータ
エリプソメータは試料（薄膜）からの反射光の偏光解析を行うことで膜の光学定数や厚さを求める計測器である。従来は偏光子あるいは波長板の精密駆動機構あるいは位相変調機構が必須であり、小型化、高速化には限界があった。自己クローニング型(b) 右回り円偏波
180°

180°

QWP方位0350CCD

図6(a),(b)は水平方向の直線偏波（ε=0, γ=0）と右回り円偏波（ε=1）を検出したときの透過光強度パタンの計算値である。図より入射偏波に応じた特徴的な明暗パタンが得られることがわかる。偏波方位が変わるとパタンは並行移動し、垂直方向の直線偏波および左回りの円偏波ではそれぞれ(a),(b)の明暗が逆転したパタンとなる。

4020

光軸が180°変化している

LDQWP方位透過率 [%]

80

フォトニック結晶では、光軸方位の異なる偏光子や波長板をモノリシック集積することが容易であるから，可動部なしの並列処理型エリプソメータが可能になる(5)。本構成では小型，高速，安価，ロバスト性を実現し、従来のエリプソメータのイメージを一新することができため、in situ測定あるいはインライン計測など新しい利用分野を開拓することができる。
並列処理型エリプソメータの概念図を図5に示す。

0°

0°

0°
180°
偏光子方位
図6 明暗パタンの偏光依存性.

0°偏光子方位180°

現在行っている実験では5.625°ずつ方位が変わる32列のフォトニック結晶アレイを作製した。アレイの幅は約50μmである。2004年秋現在、小型モジュール化および精度向上に向けて第２次の開発を進めている。図7はCCDチップの表面に直接、フォトニック結晶チップを貼り合せたものである。

コア

スポット直径：〜3μm

SiO2Ta2O5３．３ その他のノンテレコム応用
他にも光一般の共通ツール的な部品は多いが，原稿の長さの制約から名前を挙げるにとどめる。

1.1μm(1) 任意ブレーズの回折格子［表２③］(2) 波長板［表２②］(3) 紫外・赤外域,ハイパワー用の板状偏光子など，多様な開発を実行中である。

1.6μm

基板

周期の違いによる実効屈折率の違いを利用して光を閉込める

近視野像(λ=1.55μm)

断面SEM像

図8 格子変調型フォトニック結晶導波路の概略図
フォトニック結晶アレイ

これまでの検討の結果、伝搬損失は導波路部分で0.1dB/mmを達成し、光ファイバとの結合損失も0.43dB/pointと実用的なレベルがねらえることを確認している。また光共振器、ブラッグミラーといった機能部分の動作実証も行なっている[8]。その一例として図9に日本電気㈱との共同研究の結果である波長選択方向性結合器を示す。これまで伝送実験を行ない良好な結果を得ている[9]。

2.82mm

3.75mm(a) 概観写真

ＣＣＤチップ(b) 測定画像

入力ポート

図7 フォトニック結晶とCCDの一体化

1チャンネル導波路(2Dフォトニック結晶)
ブラッグ・ミラー(3D フォトニック結晶)
3 出力ポート

zyx

Dropポート
2EAddポート
4CWDM仕様となる7nmの分波帯域を実現
3Dフォトニック結晶によるDistributed Bragg Reflector

素子構造-10-20

10Through out
Drop out
15 dB

Through out
Drop out

Relative power (dB)0Insertion loss (dB)４． 通信応用
４．１ ＷＤＭ用光回路
自己クローニング法を用いることで光導波路が実現できる[7]。パターンの周期、積層の周期の違いから実効屈折率の違いを発現させ、格子変調型チャネル導波路として機能させることができる（図8）。
この方式の特長は始めに用意する基板のパターンをデザインすることで、面内に異なる屈折率を持つ領域や、ブラッグミラー、共振器などの機能性部品を光導波路と併せて一度の積層で実現できることにある。また一般の石英系光回路とは異なり、コア部形成のためのエッチング、埋め込みといった工程がないため、コア部が近接した方向性結合器も容易に実現できる。

7 nm-30-40-501520

1540

1560 1580 1600
Wavelength (nm)

測定結果

1620

0-10-20-30-401500

1550

1600

Wavelength (nm)計算結果

図9 格子変調型フォトニック結晶導波路の概略図

1650

４．２ 偏波モニタ

４．３ 光アイソレータ

自己クローニング型複合結晶の光通信応用のもう一つの例として、小型かつ高精度な偏波モニタが挙げられる。偏波モニタとは偏光子や波長板を用いて光ファイバ中を伝搬する光の偏光状態を計測するデバイスであり、次世代の高速光通信において必須となる偏波モード分散補償器（PMDC）を実現する上でのキーデバイスとなっている(10)。

前述の光通信帯用偏光子をもちいて図12に示す
構成の光アイソレータの開発を行なっている[12]。光ファイバフェルール内に挿入して使用することを想定している。特長としてはフォトニック結晶偏光子をファラデー回転子上に直接形成していることと、ファラデー回転子に自己保磁型の結晶を用いていることである。特にファラデー回転子への直接形成はフォトニック結晶偏光子の持つ特長を活かしており、その結果、部品点数の削減、高集積化、接着剤を使用しないことによる高信頼性化を実現した。コン
パクトで実用レベルの光アイソレータが実現できており、市場参入への準備は整っている。

図１0に我々の開発したフォトニック結晶型偏波モニタの構成を示す。方位角の異なる4つの偏光子からなるフォトニック結晶偏光子アレイと1/4波長板とを重ねて配置し、各領域を透過する光の強度を個別に測定することによって入射光のストークスパラメータを算出する。図中に示したAFM像は作製した偏光子アレイであり、方位が45°づつ異なる。このように自己クローニング技術により小型で高精度な偏光子アレイを製作ができることから、従来型の製品と比較して、部品点数が大幅に削減できるだけでなく、各部品の実装も容易となるため、測定精度の高い偏波モニタを安価に実現できる。

フォトニック結晶偏光子

順方向→

ファラデー回転子LD
PDアレイ

1.25mmt:100nm

10μm

10μm
AFM像

図１0 SOPモニターの構成図

これまでに図１1に示すような小型の試作モジュー
ル（φ15×40 mm）を完成させた。既にDOP (偏光度：Degree of Polarization) 精度で2.5%程度を達成しており、従来の製品と比べても良好な性能を実現している。さらに光学設計の見直しにより精度1%が達成可能との見積もりを得ている[11]。

signalファイバフェルール

偏光子アレイ

平行光l/4波長板←逆方向40mm(c) ソフトウェア画面(b) 制御回路(a) 光ヘッド
図１1 開発したＳＯＰモニターの概観

光ファイバ
光アイソレータ
図12 フォトニック結晶偏光子を用いた光アイソレータの概略図

５．結び
本稿では，複数種類の誘電体を３次元的な周期構造に組み上げるのに適した製膜プロセスである
自己クローニング法について，製膜技術自体・デバイス応用の両面から解説した。積層の出発点となる基板上の（複数種類の）２次元周期構造，積層途中の（複数種類の）厚さ方向の周期構造の組み合わせ自由度が高いので，種々の光応用の要求に応えることができる。
バンドギャップ，異方性，複屈折性が利用できる
バルクの人工誘電材料としては赤外・可視・紫外用偏光子あるいは波長板など，複合構造の応用としては空間並列による計測や映像処理などを例にとって有用性を説明した。ここで述べた以外にも新しい応用面は沢山潜んでいることは明らかなので，私たちはすでに発見された鉱脈から掘り出し精錬すること，未知の鉱脈を探索することを平行して行っている。

［参考文献］
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1999.
2.川嶋貴之、大寺康夫、川上彰二郎 “自己クローニング法によるフォトニック結晶の作製と光学デバイスへの応用”, 日本表面科学会学会
誌,Vol.22,pp.723-728,2001年11月
3.川嶋貴之, 大寺康夫, 佐藤尚, 川上彰二郎, “2次元フォトニック結晶偏光分離素子の作製とその高性能化”, 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会, OPE99-109, 1999年12月
4.Michel F. Weber, Carl A. Stover, Larry R. Gilbert,
Timothy J.Nevitt, Andrew J.Ouderkirk, “GiantBirefringent Optics in Multilayer PolymerMirrors”,SCIENCE vol.287, 31 March 2000.
5. 菊田久雄、岩田耕一,“偏光画像計測システム”,O plus E, vol.25,No.11,pp.1241-1247
6. T. Sato et al., Photonics and Nanostructures Fundamentals and Applications, Elsevier Vol. 2,
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Yokohama, A. Ozawa, and S. Kawakami,“Photonic crystal waveguides utilizing modulatedlattice structure”,
Opt. Lett., vol. 27, no. 24, pp. 2158-2160, 2002.
8. 三浦健太 他,“自己クローニング型フォトニック結晶導波路の低損失化”,電子情報通信学会論文誌
C(accepted)
9. M. Shirane, A. Gomyo, K. Miura, Y. Ohtera, andS.Kawakami,“Coupled waveguide devices based on autocloned
photonic crystals”,
Jpn. J. App. Phys., vol.43, no.4B, pp.1986-1989,
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10.久保輝洋,磯村章彦,イエンス・ラスムッセン,土居正治,石川丈二, “超小型ストークス・ポラリメータの高精度・高速応答性,” 2004年 電子情報通信学会
ソサイエティ大会B-10-37

11.青山勉,橋本直樹,佐藤尚,千葉貴史,上塚尚登,
川上彰二郎, “フォトニック結晶偏波モニタ,”
電子情報通信学会ソサイエティ大会，C-3-96，2004
年9月.
12.石川理，佐藤尚，川嶋貴之，青山勉，川上彰二郎， “フォトニック結晶偏光子を用いた小型アイソレータの諸特性”,
電子情報通信学会サイエティ大会，C-3-41，2003
年9月.