JP2003295143A

JP2003295143A - 光機能素子及びその製造方法

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Publication number: JP2003295143A
Application number: JP2002094047A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Hosomi; 和彦細見; Toshio Katsuyama; 俊夫勝山; Eikon Ri; 英根李
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15
Also published as: US20030185532A1

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で、十分大きな屈折率変化が
得られるフォトニック結晶を実現し、それを用いた光機
能素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】フォトニック結晶の材質の少なくとも一つ
にポリマーを用い、かかるポリマーの温度を変化させる
ことによりフォトニック結晶の屈折率を変化させ、フォ
トニック結晶のバンド構造を制御するよう構成する。二
次元フォトニック結晶１に形成した孔部１０１にポリマ
ー１０２を埋め込み、これを薄膜ヒーター２で加熱、あ
るいはペルチエ素子で冷却する。温度は、温度調整器３
で調整、制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分散補償器、光ス
イッチ、波長分離素子、光遅延素子などとして用いられ
る光機能素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、従来の素子では不可能だった光の
制御を可能とする材料として、フォトニック結晶が大き
な関心を集めている。フォトニック結晶とは、屈折率の
異なる二つあるいはそれ以上の数の媒質を組み合わせた
多次元周期構造のことである。

【０００３】図２に示すのは、フォトニック結晶のう
ち、二次元フォトニック結晶と呼ばれるものの一例であ
る。図２は、紙面と水平方向には周期構造を有し、垂直
方向の構造は一様な構造の断面図である。誘電率ε₁の
媒質に誘電率ε₂の円柱が三角格子状に配置されている
（ε₁＞ε₂）。円柱の部分が空洞の場合は、ε₂＝１で
ある。図２中、aは格子定数、rは円柱の半径を表す。

【０００４】フォトニック結晶を伝播する光の波数と周
波数の関係を示した図をフォトニックバンド図という。
図３は、図２の構造において、ε₁＝３.５、ε₂＝１、
ｒ/a＝０.４５としたときのＴＭモード（Transverse Ma
gnetic Mode）に対するフォトニックバンド図である。
ここで、ＴＭモードとは電場が紙面と垂直のモードのこ
とを指す。縦軸は規格化周波数（ωa/２πc）、横軸は
第一ブリルアンゾーン内で規格化した波数ベクトル（ka
/２π）を表す。cは真空中の光速、ωは光の角周波数、
kは波数をそれぞれ表す。図２の三角格子は六方対称に
対応し、形成されるブリルアンゾーンは図３中に図示す
る正六角形構造である。正六角形の頂点がＫ点、各辺の
中点がＭ点、波数が０である点がΓ点である。

【０００５】図３中に斜線で図示するように、特定の
（規格化）周波数領域では第一ブリルアンゾーン全域に
渡ってバンドが存在しない。これは、この帯域に対応す
る周波数の光はフォトニック結晶中を伝播できないこと
を意味する。このような、伝播が禁止された周波数帯域
をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。このフォトニッ
クバンドギャップを利用すると、従来の素子では不可能
であった光の制御が可能とされ注目を集めている。ま
た、フォトニック結晶を透過する光の特徴は、バンドギ
ャップだけではなく、図３に示されるように、特有の複
雑な分散特性を示すことが知られている。

【０００６】このような特徴をもつフォトニック結晶
は、様々な分野への応用が期待されているが、特に光部
品への応用を目的とした研究が盛んである。二次元フォ
トニック結晶中に線状あるいは点状の欠陥を導入し、導
波路や他の光機能素子を作製すると、小型化・高性能化
に著しい効果があるとされており、現在までに様々な素
子が提案・研究されている。

【０００７】例えば、特開平１１−２７１５４１号公報
には、フォトニック結晶を用いた波長分波回路の例が示
されている。この素子に於いては、基板に二次元フォト
ニック結晶を形成し、その屈折率分散の異方性を利用し
て、波長多重された光パルスを分波する。

【０００８】特開２０００−１２１９８７号公報では、
波長分散補償器の例が開示されている。この素子は、フ
ォトニック結晶の特性を利用して、光伝送路中でのパル
ス波形の劣化を補償するものである。図３に示すような
複雑な分散曲線の波長分散の傾きの大きな領域、つまり
波長分散の大きな領域を利用することで、コンパクトな
分散補償素子が提供できるとしている。

【０００９】また、最近フォトニック結晶中に点欠陥を
設けて微小共振器とし、この微小共振器を一定間隔で配
置して導波路とする、いわゆる結合微小共振器導波路が
注目を集めている。結合微小共振器の特性に関しては、
例えば、「オプティクス・レターズ(Optics Letters)、
第２４巻、７１１頁」に示されている。このタイプの導
波路は、透過する光の群速度が波長によって大きく異な
り、しかも絶対値が小さいのが特徴で、分散補償器や遅
延回路への応用が期待される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】光スイッチや強度変調
器などの光機能素子では、材質の屈折率・反射率その他
物理定数を、外部からの電圧印加などによって変化させ
ることにより、光の伝搬を制御する。

【００１１】フォトニック結晶を用いる場合も同様で、
素子に機能性を持たせるためには物性定数の外部からの
制御が重要となる。フォトニック結晶の性質を決定する
物性定数は、材質の屈折率（差）、基本構造の格子定数
であるが、格子定数を変化させることは一般に非常に困
難である。従って材質の屈折率を制御することが、フォ
トニック結晶光機能素子を実現するためには重要な課題
となる。

【００１２】一方、光機能素子以外のフォトニック結晶
を用いた素子でも、材料物質の屈折率の可変制御は重要
な意味を持つ。一般にフォトニック結晶素子で所望の性
能を得るためには、その結晶を構成する個々の微細構造
を非常な高精度で作製することが必要となり、作製精度
の許容誤差が極端に小さい。そこで、フォトニック結晶
自体に可変性を持たせ、作製後に所望の値へとチューニ
ングする技術が重要となる。

【００１３】以上説明した如く、フォトニック結晶に於
いて屈折率の可変制御技術は本質的に重要で、特に光機
能素子への応用には必須の技術である。フォトニック結
晶の材料の組み合わせとしては、高屈折率媒質にはシリ
コン（Si）や砒化ガリウム（GaAs）等の半導体、低屈折
率媒質には空気やSiO₂を用いるのが一般的である。屈折
率変化を得るためには、例えば、半導体への電界印加が
考えられる。しかしその場合、効果的な電界印加のため
には、複雑な電極構造が必要となると考えられる。また
光機能素子を構成するほどの屈折率変化を得ようとする
と、極めて大きな電圧を印加する必要がある。

【００１４】また、屈折率変化を得る他の方法として
は、上述した特開２０００−１２１９８７号公報の実施
例に開示されているように、半導体の熱光学効果を利用
して屈折率制御を得る方法もある。しかしながら、この
方法も、開示されている素子形態で有効な屈折率変化を
得ようとすると大きく温度を変化させる必要があり、実
現が難しい。

【００１５】従って、比較的簡単な構成で、大きな屈折
率変化を得る方法が求められている。

【００１６】本発明の目的は、比較的簡単な構成で、十
分大きな屈折率変化が得られるフォトニック結晶を実現
し、それを用いた光機能素子及びその製造方法を提供す
ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による光機能素子は、フォトニック結晶の材
質の少なくとも一つにポリマーを用い、かかるポリマー
の温度を変化させることにより前記フォトニック結晶の
屈折率を変化させ、フォトニック結晶のバンド構造を制
御するよう構成する。

【００１８】例えば、図１に概念図を示すように、半導
体と空気で作製した二次元フォトニック結晶１に形成し
た孔部１０１にポリマー１０２を埋め込み、これを薄膜
ヒーター２で加熱する。温度は、温度調整器３で調整、
制御する。この例ではポリマーを加熱する場合を示した
が、冷却する場合には、例えばペルチエ素子を用いて行
う。

【００１９】ポリマー材料は一般に、温度とともに屈折
率が大きく変化するという性質を持つ。ポリマー材料と
しては、光透過性に優れた、ポリメタクリルレート（Ｐ
ＭＭＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリイミド等が
挙げられる。特にポリイミドはガラス化転移温度が３０
０度以上と耐熱性に優れているので、加熱して屈折率を
変化させる場合、大きな屈折率変化を得ることができ
る。図４にポリイミドの屈折率の温度依存性を示す。温
度による屈折率変化の程度は熱光学（ＴＯ）係数dn/dT
で表されるが、図４において、ＴＯ係数はグラフの傾き
で表される。ポリイミドのＴＯ係数は−３×１０^-4Ｋ^-1
程度で、その絶対値は屈折率がほぼ同じシリカ（SiO₂）
のＴＯ係数より一桁程度大きい。また、Si等の半導体と
ＴＯ係数の符号が逆なので、一緒に加熱するとポリイミ
ドは屈折率が減少する一方、Siは屈折率が増大し、比較
的小さな温度変化で大きな屈折率差の増大が得られる。
ポリイミドとして具体的には、例えば下記の化学式で表
されるポリイミドが挙げられる。

【００２０】

【化１】ポリマーを材料に用いた場合の他の特徴として、作製の
容易さが挙げられる。ポリマーの薄膜は、基板にポリマ
ーの前駆体を塗布・ベーキングすることで形成される。
フォトニック結晶の材料としてポリマーを用いる場合
は、予め加工を施した基板にポリマー前駆体を塗布し、
これをベーキングすることで、ポリマーを埋め込んだフ
ォトニック結晶を容易に作製することができる。

【００２１】以下、本発明の代表的な構成例を挙げる。

【００２２】本発明による光機能素子は、屈折率の異な
る二種類以上の材料を周期的に配列した構造を有し、前
記２種類以上の材料の少なくとも一つがポリマーからな
り、かつ前記ポリマーの少なくとも一部分の温度を変化
し得るよう構成したことを特徴とする。

【００２３】また、本発明による光機能素子は、フォト
ニック結晶を有する光機能素子にあって、前記フォトニ
ック結晶の材質の少なくとも一つにポリマーを用い、前
記ポリマーの温度を変化させることにより前記フォトニ
ック結晶の屈折率を制御するよう構成したことを特徴と
する。

【００２４】また、本発明による光機能素子は前記ポリ
マーは、加熱されると可塑性が増す性質を有する種類の
ポリマーで構成されていることを特徴とする。

【００２５】また、本発明による光機能素子は、前記周
期構造が、少なくとも二種類の薄膜を積層した積層薄膜
構造であって、かつ前記薄膜の少なくとも一種類がポリ
マーであることを特徴とする。

【００２６】また、本発明による光機能素子は、前記周
期構造が、基板に略垂直に伸びた柱状構造を有する第１
の誘電体物質と、前記柱状構造を埋める第２の誘電体物
質とで構成された二次元周期構造であり、かつ前記第１
誘電体物質がポリマーであることを特徴とする。

【００２７】また、本発明による光機能素子は、前記周
期構造が、基板に略垂直に伸びた柱状構造を有する第１
の誘電体物質と、前記柱状構造を埋める第２の誘電体物
質とで構成された二次元周期構造であり、かつ前記第２
の誘電体物質がポリマーであることを特徴とする。

【００２８】また、本発明による光機能素子は、前記ポ
リマーの温度変化を、前記周期構造上に配設した薄膜ヒ
ーターを用いて行うよう構成したことを特徴とする。

【００２９】また、本発明による光機能素子は、前記ポ
リマーが、フッ素化ポリイミドで構成されることを特徴
とする。

【００３０】また、本発明による光機能素子は、前記周
期構造が、点欠陥導波路およびまたは線欠陥導波路を有
する構造であることを特徴とする。

【００３１】さらに、本発明は、基板上に周期的に配列
した複数個の孔部を形成する工程と、前記基板上に前記
複数個の孔部を除き金属薄膜層を形成する工程と、前記
複数個の孔部にポリマー前駆体を充填する工程とを有し
てなることを特徴とする光機能素子の製造方法を提供す
る。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を参照して詳述する。

【００３３】（実施例１）図５は、本発明による一実施
例の概念図である。本実施例は、結合微小共振器導波路
の光の伝搬特性を利用した可変分散補償器である。可変
分散補償器は、光パルス伝送路における伝送媒体が持つ
波長分散によって引き起こされるパルス波形の劣化を、
補償する素子である。本例の素子は、ＳＯＩ（Si on in
sulator：Si/SiO₂/Siの積層構造）基板上に形成された
ポリマー埋め込みフォトニック結晶１、薄膜ヒーター
２、ヒーターに電力を供給する温度調整器３、入・出力
用導波路４、５から構成される。

【００３４】フォトニック結晶部分の構造を、図６に示
す。図示される二次元フォトニック結晶の構造は、図２
に示すものと同じ円孔三角格子配列で、格子間隔aは０.
６００μｍ、円孔の半径rは０.２７μｍとした。結晶中
には導波路として、点欠陥の列、即ち結合欠陥導波路が
設けられている。点欠陥は、一般には、孔の大きさを変
えたり屈折率を変えることで導入されるが、ここでは孔
の径を０に、即ち一部分に孔を開けないことで欠陥６を
導入した。欠陥列の、欠陥の周期Λは格子間隔の四倍、
方向はΓ−Ｍ方向である。この欠陥列が結合微小共振器
導波路を形成し、分散補償導波路として作用する。フォ
トニック結晶部の長手方向の長さは１０ｍｍである。

【００３５】図７は、図５中に示すＰＰ'線分での断面
図を示したものである。Si基板１２に、SiO₂層１１、Si
層１０が順次積層されてＳＯＩ構造９をなしている。Si
層１０の上部には薄膜ヒーターとなる厚さ０.５μｍのC
r層８が形成されている。Si層１０とCr層８にはフォト
ニック結晶を構成するため所定の周期構造で孔が穿たれ
ており、孔にはポリイミド７が充填されている。

【００３６】ポリイミド７の具体的構造としては、前記
化学式で表される２,２'−ビス（３,４−ジカルボキシ
フェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物（６ＦＤ
Ａ）と、２,２'−ビス（トリフルオロメチル）−４,４'
−ジジアミノビフェニル（ＴＦＤＢ）又は４,４'−オキ
シジアニリン（ＯＤＡ）から合成されるフッ素化ポリイ
ミドを挙げることができる。このポリイミドではＴＦＤ
ＢとＯＤＡの比を変化させることで、屈折率を調整する
ことができるが、本実施例では６ＦＤＢ/ＴＦＤＢのみ
で構成（即ちx＝１）されたフッ素化ポリイミドを用い
た。SiO₂層１１の層厚は３μｍ、Si層１０の層厚は０.
５μｍである。

【００３７】ポリマーは熱せられるとその体積が膨張
し、その膨張に伴って屈折率が小さくなる。従ってポリ
マー埋め込み構造を形成する際には、その膨張を妨げな
いような構造にする必要がある。本実施例の構造のよう
に、円孔にポリマーを埋め込む構造では、上部を電極で
完全に覆ってしまうとポリマーが膨張できず、十分な屈
折率変化が得られない。従って、本例の如くポリマー上
部を薄膜ヒーターが完全に覆わない構造にすることが重
要である。

【００３８】次に、フォトニック結晶欠陥導波路の製造
方法を、図８の（ａ）から（ｇ）を参酌して説明する。

【００３９】図８（ａ）に示されるように、基板にはＳ
ＯＩ基板９を用いた。ＳＯＩ基板は下地Si層１２、厚さ
３μｍのSiO₂層１１、厚さ０.５μｍのSi層１０から成
る。

【００４０】まず、図８（ｂ）に図示するように、基板
に電子線リソグラフィーによって厚さ１μｍのレジスト
パターン１３を形成した。次に、図８（ｃ）に示すよう
に、膜厚０.５μｍのCr層８をスパッタリングによって
形成した。この状態で、レジストパターン１３を除去す
ると、レジスト上のCr膜はレジストと一緒に剥離され、
図８（ｄ）に示すように、Si層１０上に直接積層したCr
だけが残る。このようにして、最初のレジストパターン
の反転像のCr膜が転写された。

【００４１】以上、いわゆるリフトオフプロセスによっ
て、Cr層パターン８を形成することができた。次に、こ
のCr層パターン８をマスクとして反応性イオンエッチン
グを用いて、図８（ｅ）に示すようにSi層１０をエッチ
ングした。

【００４２】次に、ポリイミドの前駆体であるポリアミ
ド酸のN,N−ジメチルアセトアミド溶液をスピンコート
により塗布する。このとき、塗布の量を調節することだ
けで、ポリイミド膜を調節するのは難しいので、所望の
量より厚めに形成し、エッチングで削って充填量を調整
する。

【００４３】また、微細な孔に原料を隙間なく充填する
必要があるが、原料の粘度が大きすぎると、図９に図示
するように、壁面からの盛り上がりによって底面に原料
が充填されない恐れがある。このような現象を防ぐた
め、原料が孔の壁面と作る接触角θ０が、孔の直径dと
孔の高さhが作る角度θ＝tan^-1(d/h)よりも小さくなる
ようにその粘度を調節した。

【００４４】このようにして、ポリマー前駆体を充填し
た後、一度真空引きして、空気の泡を取り除いた。その
後、加熱してイミド化を行い、図８（ｆ）に示すように
ポリイミド層７を形成した。最後に、酸素を用いた反応
性イオンエッチングで、過剰なポリイミドをエッチング
して、図８（ｇ）に示すような、ポリイミドの埋め込み
構造を作製した。Si層１０をエッチングする際にマスク
として用いたCr膜８は剥離せず、そのまま薄膜ヒーター
として用いる。

【００４５】次に、本素子の分散を補償する具体的動作
に関して説明する。結合微小共振器導波路の分散量Ｄ
は、以下の式(１)で与えられる。Ｄ＝d/dλ（１/Vg） ‥‥‥‥‥‥‥（１）ただし、Vg＝dω/dk＝ΛΩ(κ²−(ω/Ω−１)²)^1/2 ここで、Λは共振器間の距離、Ωは個々の共振器（点欠
陥）の共鳴角周波数、ωは結合共振器導波路を伝搬する
光の角周波数を表す。κは共振器同士の相互作用の強さ
に関わる量で、共振器の構造、共振器間の距離などによ
って決定される定数である。

【００４６】Λ、Ω、κは構造によって決まる定数なの
で、結局、Ｄはωの関数となる。ωは光の波長に対応す
る量なので、導波路の構造が与えられた場合、分散量Ｄ
は波長の関数として表される。Λの値は幾何的に決ま
り、図５に示す構造では、４aである。Ωは平面波展開
法より０.３８９６４×２πc/aと計算された。これは波
長に直すと１５５０ｎｍに対応する。κの値は、測定し
た群速度を計算式にフィッティングすることで決定し
た。得られたκの値は−０.００４であった。

【００４７】このようにして得られた分散保証能力を、
図１０に示す。縦軸は素子１ｍｍあたりの分散量、横軸
は波長を示している。例えば１５４６ｎｍの波長の光に
対して本素子は、約２０ｐｓ/ｎｍ/ｍｍの分散補償能力
を持つ。

【００４８】次に分散補償量の可変動作について説明す
る。電極２に通電しポリマー及びSiを加熱したとき、高
屈折率媒質であるSiの屈折率は増大する。一方、低屈折
媒質のポリイミドの屈折率は減少する。このように、加
熱することで両媒質の屈折率差が大きくなる。この結
果、フォトニック結晶の構造が変化し、点欠陥がつくる
微小共振器の共鳴周波数、即ち上述の式（１）中のΩの
値が変化する。

【００４９】図１１は、屈折率差が変化することで共鳴
周波数Ωが変化する様子を、波長単位で示したものであ
る。横軸に示すｎ_h、ｎ_lは、それぞれ高屈折率媒質と低
屈折率媒質の屈折率を表す。このような共鳴波長の変化
は、波長と分散量の関係にも変化をもたらす。図１０は
共鳴波長が１５５０ｎｍの場合のグラフであったが、共
鳴波長が長は超過すると、曲線が長波長方向へ平行移動
することになる。

【００５０】従って、同一波長の光に対しては分散量は
増大する。ポリイミドとSiのＴＯ係数を考慮して、１５
５０ｎｍの光の分散量の温度変化依存性を示したのが、
図１２である。このように温度を制御することで所望の
分散量が得られることがわかる。例えばΔＴを７０度と
することで、素子１ｍｍあたり約１５ｐｓ/ｎｍの分散
が得られる。素子の全長は１０ｍｍなので素子全体で約
１５０ｐｓ/ｎｍの可変幅を持つことになる。このよう
に、比較的小さな温度変化で、従って低消費電力で、可
変分散補償が実現できる。

【００５１】以上、可変分散補償器の構成例を示した
が、同様に結合微小共振器導波路を透過する光の性質を
利用した素子形態として、可変光遅延器を構成しても、
コンパクトで高性能な素子が実現できる。

【００５２】（実施例２）図１３は、本発明による他の
実施例を示す概念図である。本実施例は、二次元フォト
ニック結晶線欠陥導波路と微小共振器を組み合わせた空
間光スイッチである。素子はポリマー埋め込みフォトニ
ック結晶１と、Cr薄膜ヒーター６と入・出力用導波路２
３〜２６から構成される。二次元フォトニック結晶の構
造は、実施例１に例示したものと同じである。

【００５３】本実施例では、フォトニック結晶中の導波
路として、線欠陥２０、２１が設けられている。二本の
線欠陥導波路はΓ−Ｍ方向に沿って孔を一列欠損させる
ことにより導入した。また、二本の線欠陥導波路の間に
点欠陥２２を設けた。点欠陥２２は特定の波長に対して
微小共振器として働き、その共振波長の光のエネルギー
を一方の導波路から他方の導波路へ伝搬させる働きをす
る。最表面のCr層は電源につながれており、電流を流す
ことで発熱する。図１３では電源が省略してある。

【００５４】本素子の動作について説明する。本素子で
は、入力ポート２３あるいは入力ポート２４から光
信号を入射し、出力ポート２５あるいは出力ポート
２６のいずれかから取り出す。どちらのポートから取り
出すかを、薄膜ヒーターによる温度コントロールで制御
する。

【００５５】実施例１で説明した通り、加熱しない状態
では、点欠陥２２の共振波長は１５５０ｎｍである。従
って、入力ポート２３から入射され線欠陥導波路２
０を伝搬する１５５０ｎｍの光は、点欠陥２２で共振し
線欠陥導波路２１へとパワーが移行し、出力ポート
２６から出射される。

【００５６】ヒーターに電流を流し温度を上げると、点
欠陥の共振波長がずれるので、１５５０ｎｍの光は直進
し、出力ポート２５から出射される。このように本素
子では、二つの出力ポートに出力を振り分けることがで
きる。

【００５７】また、本実施例の素子は波長分割多重通信
において、可変波長分離器として用いることができる。
その動作を、図１４の（ａ）、（ｂ）を用いて説明す
る。動作は、入力ポート２３から波長多重された光を
入射し、多重された光のうち、任意の波長の光を出力ポ
ート２６から出力し、残りの波長の光は出力ポート
２５から出射するものである。

【００５８】図１４（ａ）に示す例では、λ０〜λ３の
４つの波長の光を多重して入力ポート２３に入射す
る。室温状態で、点欠陥の共振波長をλ０にチューニン
グしておくと、入力ポート２３から入射された光のう
ち、λ１〜λ３の波長の光はそのまま直進し出力ポート
２５から出射される。一方、点欠陥の共振波長λ０の
光は、点欠陥を介して線欠陥導波路２１に移行し、出
力ポート２６から出射される。

【００５９】Cr薄膜ヒーターに通電しフォトニック結晶
部を熱すると、点欠陥共振器の共振波長が変化し、出力
ポート２６ら取り出される波長が変化する。図１４
（ｂ）には、出力ポート２６からの取り出し波長をλ
１とした例を示した。

【００６０】本素子形態における、ポリマー及びSiの温
度と出力ポート２６からの取り出し波長の関係を図１
５に示す。例えば室温（ΔＴ＝０）では１５５０ｎｍの
光が取り出され、ΔＴ＝５０Ｋで１５５３ｎｍの光が取
り出されることがわかる。このような、可変波長選択器
は波長分割多重送信システムの中で、アド・ドロップ
（add/drop）機能素子として用いることができる。

【００６１】以上、本実施例を光スイッチ、可変波長選
択器として動作させる例を示したが、同様の構成で光強
度変調器として作用させることも可能である。

【００６２】（実施例３）図１６は、本願発明の光機能
素子のさらに他の実施例を示した概念図である。図１６
に示す素子は、実施例２と同じ可変波長選択素子である
が、本実施例では加熱手段としてレーザー３１を用いる
ことを特徴とする。レーザーを用いることにより、局所
加熱が可能となる。

【００６３】図１６に示すように、本例では孔の径を小
さくすることで、点欠陥３０を形成する。これによって
点欠陥部にもポリマーが充填される。レーザーで信号光
とは異なる波長の光を照射することにより、点欠陥部の
ポリマーを加熱する。熱せられたポリマーの屈折率が変
化し、取り出し波長も変化する様子は、実施例２と同様
である。

【００６４】以上、実施例１、２ではフォトニック結晶
の構造に、ＳＯＩ基板上にSiをホスト材料とした二次元
の円孔三角格子を用いた場合の例を示した。フォトニッ
ク結晶の構造は一次元、二次元、三次元のさまざまな構
造が提案されており、そのどれを用いても同様な効果を
得られるのは言うまでもない。

【００６５】例えば、図１７に示すのは、エアクラッド
型Si円柱格子を使う二次元フォトニック結晶で構成され
る光素子の概念図である。本例の素子は、フォトニック
結晶をSi円柱３５で構成し、これを取り囲むポリマー３
６からなる。上部には薄膜ヒーター３７が設けられ、下
部はエアクラッドとなっている。

【００６６】一般に、空気と半導体の組み合わせでは、
半導体の柱状構造では、エアクラッド構造は不可能であ
る。本例ではポリマーで埋め込むことで半導体柱は支え
られるので、エアクラッド構造が可能となる。本例に限
らず、ポリマー埋め込み構造とすることで、空気と半導
体の場合よりも堅牢な素子構造が実現できる。

【００６７】この他にも例えば、ポリマー薄膜と他の誘
電体薄膜で積層構造を形成した一次元フォトニック結晶
でも実施例１、２に記載と同等の機能を持つ素子が作製
できる。

【００６８】次に示す図１８および図１９は、実施例１
に例示した可変分散補償器を用いた光モジュールの例で
ある。

【００６９】図１８で示す例では、モジュールは、実施
例１の可変分散補償素子４０と、その光軸上のファイバ
４１とレンズ４２、ペルチエ素子４３、さらには温度制
御装置４４から構成されている。本例では、モジュール
通過後の光信号を受信した受信装置から制御信号が下さ
れ、温度制御装置４４はこれを受けて可変分散補償素子
４０のヒーターに流す電流（加熱用）あるいはペルチエ
素子（冷却用）を制御して、所望の補償分散量に制御す
る。

【００７０】図１９には別のモジュールの例を示す。本
例では、図１８の構成に加え、素子の温度を測定する温
度センサー４５が備えられている。温度制御装置は外部
からの制御信号を受けず、変わりに温度センサー４５か
らの測定値に従って、素子の温度を所望の値に保つ。

【００７１】次に、本発明による可変分散補償器を適用
した光伝送システムを例示する。

【００７２】図２０は、実施例１に例示した可変分散補
償器を用いた４０Gbps/チャンネルの波長分割多重光伝
送システムである。このシステムは、送信装置５０、伝
送ファイバ路５１、受信装置５２から構成される。

【００７３】送信装置５０は、各波長（チャンネル）ご
との電気―光変換器（Ｅ/Ｏ）５３、波長多重器５４、
光送信増幅器５５から構成されるが、これらは通例のも
のを用いて十分である。使用波長は１.５５μｍを中心
とした帯域とする。伝送ファイバ路には分散シフトファ
イバ５１を用い、伝送距離は８０ｋｍである。

【００７４】受信装置５２は、光受信増幅器５６、波長
分離器５７、実施例１に記載の本発明による可変分散補
償器５８、光―電気変換器（Ｏ/Ｅ）５９から構成され
る。多重されて伝送された光パルスを波長分離装置５７
で各波長に分割し、可変分散補償器５８で各々のチャン
ネルで最適な分散補償を行う。

【００７５】分散シフトファイバの分散は、１.５３−
１.６μｍで数ｐｓ/ｎｍ/ｋｍ以下である。伝送距離８
０ｋｍで、最大±２００ｐｓ/ｎｍ程度の分散を受ける
が、その値はチャンネル（波長）によって異なる。実施
例１の項で詳細に説明したように、可変分散補償器５８
は可変幅±−１５０ｐｓ/ｎｍであるから、全てのチャ
ンネルに対して渡って分散をほぼ補償することが可能で
ある。

【００７６】次に、実施例１に記載の可変分散補償器と
実施例２に記載の可変波長選択器を適用した光伝送シス
テムの例を例示する。

【００７７】システム構成を、図２１に示す。このシス
テムは、送信装置５０、伝送ファイバ路（図示省略）、
中継装置６０、受信装置５２から構成される。送信装置
５０、受信装置５２の構成は、実施例６で例示したもの
と同様の構成である。中継装置６０は、光増幅器６１、
add用可変波長合波器６３、電気−光変換器６２、drop
用可変波長分離器６４、可変分散補償器５８、光−電気
変換器５９を少なくとも備える。本システムに於いて中
継装置は、任意の波長の光信号を伝送路に加え、また任
意の波長の光信号を受信する機能を有する。

【００７８】電気−光交換器６２は、望ましくは波長可
変レーザーを備え、所望の波長の光信号を発生する。発
生した光信号は、実施例２に記載の可変波長選択器と同
じ構造をもつadd用可変波長分離器６３にて合波され
る。合波の動作は、実施例２で説明した動作の逆過程で
ある。

【００７９】一方、drop用可変波長分離器６４、可変分
散補償器５８、光−電気変換器５９で構成される系は、
特定の波長の信号を選択し、電気信号に変換するための
ものである。波長多重された光信号は、drop用可変波長
分離器６４によって、実施例２で説明したプロセスに従
って分離され、分散補償器５８によって波形歪を補償さ
れ、受信される。

【００８０】このようなadd/drop機能を備えた中継器
は、光通信システムのフレキシビリティーを高める。

【００８１】本発明は、以下に示すような構成を含む。

【００８２】（１）光機能素子が、屈折率の異なる二種
類以上の材料を周期的に配列した構造を有し、前記材料
の少なくとも一つがポリマーであり、前記ポリマーの一
部分及び全体の温度を変えることができる手段を有する
ことを特徴とする光機能素子。

【００８３】（２）前記（１）の構成において、温度変
化に伴う前記ポリマーの体積変化を可能とするように、
ポリマーが密閉充填されない構造であることを特徴とす
る光機能素子。

【００８４】（３）前記（１）の構成において、前記ポ
リマーに、加熱されると可塑性が増す性質を有するポリ
マーを用いることを特徴とする光機能素子。

【００８５】（４）前記（１）の構成において、使用温
度で理想的な周期構造を形成するように、ポリマーの充
填を、加熱時のポリマーの体積膨張相当量少なくした構
造を持つことを特徴とする光機能素子。

【００８６】（５）前記（１）の構成において、前記周
期構造が少なくとも二種類の薄膜を積層した積層薄膜構
造であって、該薄膜の少なくとも一種類がポリマーであ
ることを特徴とする光機能素子。

【００８７】（６）前記（１）の構成において、前記周
期構造が基板に垂直に伸びた第一の誘電体物質の柱状構
造と該柱状構造の間を埋める第二の誘電体物質で構成さ
れた二次元周期構造であり、柱状構造を構成する第一誘
電体物質がポリマーであることを特徴とする光機能素
子。

【００８８】（７）前記（１）の構成において、前記周
期構造が基板に垂直に伸びた第一の誘電体物質の柱状構
造と前記柱状構造の間を埋める第二の誘電体物質で構成
された二次元周期構造であり、第二誘電体物質がポリマ
ーであることを特徴とする光機能素子。

【００８９】（８）前記（１）の構成においてポリマー
の柱状構造の直径dと、柱の高さhと、前記ポリマーの前
駆体物質の接触角θ_?との関係が、θ_?＜tan^-1(d/h)を満
たすことを特徴とする光機能素子。

【００９０】（９）前記（１）の構成において、前記温
度を変える手段が薄膜ヒーターであることを特徴とする
光機能素子。

【００９１】（１０）前記（９）の構成において、前記
薄膜ヒーターがポリマーを覆わない構造であることを特
徴とする光機能素子。

【００９２】（１１）前記（１）の構成において、前記
温度を変える手段がレーザーであることを特徴とする光
機能素子。

【００９３】（１２）前記（１）の構成において、前記
温度を変える手段がペルチエ素子であることを特徴とす
る光機能素子。

【００９４】（１３）前記（１）の構成において、前記
ポリマーが、下記の化学式

【００９５】

【化２】で表される、フッ素化ポリイミドであることを特徴とす
る光機能素子。

【００９６】（１４）前記（８）の光機能素子におい
て、作製時に金属膜をエッチングマスクとして用い、前
記金属膜を前記（９）の薄膜ヒーターとして用いること
を特徴とする光機能素子。

【００９７】（１５）前記（１）の光機能素子が、光パ
ルス伝送路における伝送媒体の波長分散を補償する機能
を有し、分散補償量が温度変化によって制御される可変
分散補償器であることを特徴とする光機能素子。

【００９８】（１６）前記（１）の光機能素子が、光パ
ルス伝送路を空間的に切り替えるスイッチングの機能を
有し、スイッチング動作が温度制御によってなされる光
スイッチであることを特徴とする光機能素子。

【００９９】（１７）前記（１）の光機能素子が、波長
多重された光パルスから特定の波長の光パルスだけを選
択して空間的に分離する波長分離器の機能を有し、空間
的に分離する波長の選択が温度制御によってなされる可
変波長分離器であることを特徴とする光機能素子。

【０１００】（１８）前記（１）の光機能素子が、光パ
ルスを遅延する機能を有し、前記遅延時間が温度によっ
て制御される可変遅延素子であることを特徴とする光機
能素子。

【０１０１】（１９）前記（１）の光機能素子が、光パ
ルスの強度を変化する機能を有し、強度変化が温度によ
って制御される光強度変調器であることを特徴とする光
機能素子。

【０１０２】（２０）前記（１）の光機能素子がの周期
構造を作製するプロセスで、ポリマー前駆体を塗布・加
熱重合しポリマー層を形成する際に、ポリマー前駆体を
塗布した後、加熱する前に減圧過程を設けることを特徴
とする素子形成プロセス。

【０１０３】（２１）前記（１）の光機能素子の周期構
造を作製するプロセスにおいて、ポリマー前駆体を塗布
・加熱重合しポリマー層を形成する際に、ポリマー前駆
体を塗布した後、加熱する前に減圧過程を設けることを
特徴とする素子形成プロセス。

【０１０４】（２２）前記（６）又は（７）の光機能素
子の周期構造を作製するプロセスにおいて、ポリマー前
駆体を塗布・加熱重合しポリマー層を形成する際に、ま
ず所望の量より厚いポリマー層を形成し、しかる後にド
ライエッチングによって所望の厚さまでエッチングする
ことを特徴とする素子形成プロセス。

【０１０５】（２３）前記（１）の光機能素子を備えた
光モジュールが、温度調整機構を備え、雰囲気温度に寄
らずに素子の温度を所望の値に保つ機能を有することを
特徴とする光モジュール。

【０１０６】（２４）前記（１）乃至（１８）のいずれ
かに記載の光機能素子を、送信器、中継器、受信器のい
ずれかもしくは複数箇所に使用したことを特徴とする光
伝送システム。

【０１０７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超小型で高機能なフォトニック結晶を用いた光機能素子
を実現することができる。更に、本発明により、安価で
信頼性の高い光伝送システムを構築することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を示す概観図。

【図２】二次元フォトニック結晶の例を示した図。

【図３】図２に記載の二次元フォトニック結晶に対応す
るフォトニックバンド図。

【図４】ポリイミドの屈折率の温度依存性を示したグラ
フ。

【図５】本発明による実施例１を説明する概観図。

【図６】図５のＰＰ’線分での断面を示す図。

【図７】図５のＰＰ'線分での断面を示す図。

【図８】本発明による光機能素子を作製するプロセス
（ａ）〜（ｇ）の説明図。

【図９】ポリマーを微細な孔に埋めるときの条件を説明
した図。

【図１０】実施例１の分散補償器における、波長と分散
量の関係を示した図。

【図１１】屈折率変化と個々の微小共振器の共鳴周波数
の関係を示した図。

【図１２】実施例１の分散補償器における、温度変化と
分散量の変化を示した図。

【図１３】本発明による実施例２を説明する概観図。

【図１４】本発明の実施例２の可変波長分離器としての
動作を説明する図。

【図１５】実施例２の可変波長分離器における、温度と
選択波長の関係を示した図。

【図１６】本発明による実施例３を示し、温度変更手段
としてレーザを用いた例を示した図。

【図１７】本発明において、二次元フォトニック結晶と
して、エアクラッド型Si円柱格子を使う例を示した図。

【図１８】実施例１に記載の可変分散補償器を実装した
光モジュールの例を示す図。

【図１９】実施例１に記載の可変分散補償器を実装した
光モジュールの他の例を示す図。

【図２０】実施例１に記載の可変分散補償器を用いた波
長分割多重光伝送システムの構成を示す図。

【図２１】実施例１に記載の可変分散補償器および実施
例２に記載の可変波長選択器を用いた波長分割多重光伝
送システムの構成を示す図。

【符号の説明】

１…ポリマー埋め込みフォトニック結晶、２…薄膜ヒー
ター、３…温度調整器、４…入力導波路、５…出力導波
路、６…点欠陥、７…ポリイミド、８…Cr膜、９…SOI
基板、１０…Si層、１１…SiO₂層、１２…下地Si層、１
３…レジスト、２０…線欠陥導波路、２１…線欠陥導
波路、２２…点欠陥、２３…入力ポート、２４…入
力ポート、２５…出力ポート、２６…出力ポート
、３０…Si円柱、３１…ポリイミド埋め込み層、３２
…薄膜ヒーター、３５…点欠陥、３６…レーザー、４０
…可変分散補償素子、４１…光ファイバ、４２…光学レ
ンズ、４３…ペルチエ素子、４４…温度調節器、４５…
温度測定器、５０…送信装置、５１…伝送ファイバ路、
５２…受信装置、５３…電気−光変換器（Ｅ/Ｏ）、５
４…波長多重器、５５…光送信増幅器、５６…光受信増
幅器、５７…波長分離器、５８…波長分散補償器、５９
…光−電気変換器（Ｏ/Ｅ）、６０…中継器、６１…光
増幅器、６２…電気−光変換器（Ｅ/Ｏ）、６３…波長
多重器、６４…可変波長分離器、６５…波長分散補償
器、１０１…孔部、１０２…ポリマー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者李英根埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内Ｆターム(参考） 2H047 KA02 NA01 PA02 PA04 PA21 PA24 QA01 QA05 RA08 TA11 2H079 AA06 AA12 BA01 BA03 CA05 DA03 DA07 EA03 EB27 2K002 AA02 AB04 BA13 CA06 CA13 DA07 EA04 HA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率の異なる二種類以上の材料を周期的
に配列した構造を有し、前記２種類以上の材料の少なく
とも一つがポリマーからなり、かつ前記ポリマーの少な
くとも一部分の温度を変化し得るよう構成したことを特
徴とする光機能素子。
【請求項２】フォトニック結晶を有する光機能素子にあ
って、前記フォトニック結晶の材質の少なくとも一つに
ポリマーを用い、前記ポリマーの温度を変化させること
により前記フォトニック結晶の屈折率を制御するよう構
成したことを特徴とする光機能素子。
【請求項３】前記ポリマーは、加熱されると可塑性が増
す性質を有する種類のポリマーで構成されていることを
特徴とする請求項１又は２記載の光機能素子。
【請求項４】前記周期構造が、少なくとも二種類の薄膜
を積層した積層薄膜構造であって、かつ前記薄膜の少な
くとも一種類がポリマーであることを特徴とする請求項
１記載の光機能素子。
【請求項５】前記周期構造が、基板に略垂直に伸びた柱
状構造を有する第１の誘電体物質と、前記柱状構造を埋
める第２の誘電体物質とで構成された二次元周期構造で
あり、かつ前記第１誘電体物質がポリマーであることを
特徴とする請求項１記載の光機能素子。
【請求項６】前記周期構造が、基板に略垂直に伸びた柱
状構造を有する第１の誘電体物質と、前記柱状構造を埋
める第２の誘電体物質とで構成された二次元周期構造で
あり、かつ前記第２の誘電体物質がポリマーであること
を特徴とする請求項１記載の光機能素子。
【請求項７】前記ポリマーの温度変化を、前記周期構造
上に配設した薄膜ヒーターを用いて行うよう構成したこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の光機能素子。
【請求項８】前記ポリマーが、フッ素化ポリイミドで構
成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光機能
素子。
【請求項９】前記周期構造が、点欠陥導波路およびまた
は線欠陥導波路を有する構造であることを特徴とする請
求項１記載の光機能素子。
【請求項１０】基板上に周期的に配列した複数個の孔部
を形成する工程と、前記基板上に前記複数個の孔部を除
き金属薄膜層を形成する工程と、前記複数個の孔部にポ
リマー前駆体を充填する工程とを有してなることを特徴
とする光機能素子の製造方法。