JPH11218627A

JPH11218627A - フォトニック結晶導波路およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11218627A
Application number: JP2113998A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tachikawa; 吉明立川; Junya Kobayashi; 潤也小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトニック結晶導波路の特性の安定化、製
造コストを低減。【解決手段】基板の表面にスラブ光導波路を有すると
ともに前記スラブ光導波路の一部にスラブ光導波路のコ
ア層の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率変化領域が
格子配列状に配置されたフォトニック結晶構造が設けら
れたフォトニック結晶導波路であって、前記屈折率変化
領域は前記スラブ光導波路のコア層を構成する材質と同
じ材質のもので構成されている。光が伝播する光導波領
域の両側にそれぞれ屈折率変化領域が格子配列状に配置
されている。前記屈折率変化領域のコア層の屈折率は屈
折率変化領域から外れた領域のコア層の屈折率よりも大
きく、その比屈折率差は１０~⁴〜１０~²程度であること
を特徴とする。単位格子は正三角形配列になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフォトニック結晶導
波路およびその製造方法に関し、たとえば、光通信シス
テムや光交換システムあるいは光計測システムの分野に
おいて、光波長を透過（伝播光の波長透過）あるいは阻
止（伝播光の波長制限）する光フィルタ，光合波分波
器，光分散補償デバイス等に適用して有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光通信システム等に使用される光フィル
タの一つとして、フォトニック結晶導波路が知られてい
る。

【０００３】フォトニック結晶導波路については、J.D.
Joannopoulos他著“Photonic Crystals"Princeton Univ
ersity Press,1995.pp94-pp104に記載されている。

【０００４】図１０および図１１は従来のフォトニック
結晶導波路を示す図である。フォトニック結晶導波路１
は、基板２と、この基板２の表面に設けられたスラブ光
導波路３とからなるとともに、前記スラブ光導波路３の
光が伝播する光導波領域６の両側に格子配列状に複数の
空気ホール９が設けられた構造になっている。この空気
ホール９の前記スラブ光導波路３のコア層に対応する部
分の屈折率は、空気故に異なり、屈折率変化領域１３を
構成することになる。

【０００５】スラブ光導波路３は、下部クラッド層１
０，コア層１１，上部クラッド層１２からなり、前記空
気ホール９は上層の上部クラッド層１２から下層の下部
クラッド層１０にまで延在し、円柱空間を形成してい
る。この空気ホール９内には空気が入り込み、屈折率が
スラブ光導波路３のコア層１１とは異なるようになって
いる。

【０００６】また、空気ホール９の格子配列はブラッグ
（Bragg)条件を満たし、所定の波長の光のみを反射させ
伝播させるフォトニック結晶を構成する。

【０００７】フォトニック結晶導波路１の光導波領域６
の一端側に入力光ファイバ４を接続し、他端側に出力光
ファイバ５を接続した場合、入力光ファイバ４から光導
波領域６に入れられた入力光７は、前記ブラッグ条件を
満たす波長の光のみが出力光８となって出力光ファイバ
５から取り出される。

【０００８】前記空気ホール９は、図１２に示すよう
に、基板２上にスラブ光導波路３を形成した後、たとえ
ば、電子ビーム（ＥＢ：Electron Beam)リソグラフィと
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成され
る。空気ホール９の直径は０．１〜０．２４μｍ、深さ
は０．６〜０．８μｍ、ピッチは０．１８〜０．３６μ
ｍである。なお、空気ホール９の上端は解放されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のフォトニック結
晶導波路の製造においては、基板２の表面にスラブ光導
波路３を作製する場合、以下の方法で作製している。

【００１０】（１）気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法あるい
は液相成長（ＬＰＥ）法などによって、スラブ光導波路
３を構成する下部クラッド層１０，コア層１１，上部ク
ラッド層１２となる薄膜を順次作製する。

【００１１】（２）石英ガラスなどでスラブ光導波路３
を作製する際は、基板２上に作製したガラスを電気炉で
焼結して透明化して作製する。

【００１２】これらの方法において、基板２の温度は、
前記ＭＯ−ＣＶＤ法やＬＰＥ法では５００〜７００℃程
度になり、前記電気炉による焼結では約１３００℃とな
り高温になる。

【００１３】このような高温プロセスは制御が難しい。

【００１４】一方、空気ホール９の作製は反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）によって行うが、空気ホール９の
直径がサブミクロンと小さいので円柱状にうまく加工す
るのが難しい。たとえば、空気ホール９直径が上部と底
部で違ってしまい、所定のブラッグ条件を満たすように
再現性良く空気ホール９を作製することは難しい。

【００１５】さらに、薄膜作製加工，穴加工と加工工程
が多くフォトニック結晶導波路の作製コストの低減が妨
げられる。

【００１６】以上のように、従来の製造方法によれば、
プロセス制御が難しく、その結果再現性よく安定にフォ
トニック結晶導波路を実現することは容易でなかった。

【００１７】本発明の目的は、伝播光の波長透過・波長
制限特性が良好なフォトニック結晶導波路およびその製
造方法を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、伝播光の波長透過・
波長制限特性が良好なフォトニック結晶導波路を再現性
よくかつ安価に製造する方法を提供することにある。

【００１９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００２１】（１）基板の表面にスラブ光導波路を有す
るとともに前記スラブ光導波路の一部にスラブ光導波路
のコア層の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率変化領
域が格子配列（アレイ）状に配置されたフォトニック結
晶構造が設けられたフォトニック結晶導波路であって、
前記屈折率変化領域は前記スラブ光導波路のコア層を構
成する材質と同じ材質でかつ光誘起効果による屈折率変
化処理が施された材質で構成されている。光が伝播する
光導波領域の両側にそれぞれ屈折率変化領域が格子配列
状に配置されている。前記格子列の単位格子は正多角形
配列、たとえば三角形配列になっている。前記屈折率変
化領域のコア層の屈折率は屈折率変化領域から外れた領
域のコア層の屈折率よりも大きく、その比屈折率差は１
０~⁴〜１０~²程度である。前記スラブ光導波路はガラス
光導波路または有機光導波路で構成されている。

【００２２】このようなフォトニック結晶導波路は、以
下の方法で製造される。

【００２３】基板上に下部クラッド層，コア層，上部ク
ラッド層からなるスラブ光導波路を作製した後、電子
線，ＳＯＲ（synchrotron orbital radiation)光，紫外
線および近赤外線のうちのいずれかを前記上部クラッド
層を通して前記コア層に選択的に照射して光誘起効果に
よる屈折率変化を生じさせて前記屈折率変化領域を作製
する。

【００２４】（２）前記手段（１）の構成のフォトニッ
ク結晶導波路であり、このフォトニック結晶導波路はコ
ア層を下部クラッド層と上部クラッド層で挟みかついず
れの層も有機薄膜で形成されるスラブ光導波路構成であ
る。

【００２５】このようなフォトニック結晶導波路は、前
記手段（１）の製造方法において、基板の表面に有機光
導波路からなるスラブ光導波路を形成してフォトニック
結晶導波路とした後、前記基板から有機光導波路を剥離
させることによって製造する。

【００２６】（３）前記手段（１）または手段（２）の
構成において、前記スラブ光導波路の一端側に沿って前
記屈折率変化領域が格子配列状に配置されている。前記
スラブ光導波路の一端側に設けられた格子配列状の屈折
率変化領域に平行にまたは垂直もしくは斜めに光が伝播
する光導波領域が設定されている。

【００２７】（４）前記手段（１）乃至手段（３）の構
成において、前記屈折率変化領域による格子列は格子ピ
ッチが異なる複数の格子列になっている。

【００２８】前記（１）の手段によれば、（ａ）フォト
ニック結晶導波路の屈折率変化領域は、スラブ光導波路
のコア層を構成する材質と同じ材質でかつ光誘起効果に
よる屈折率変化処理が施された材質で構成されている。
このため、屈折率変化領域の深さ方向の各部の大きさは
一定し、従来の空気ホールの場合のように上下で大きさ
が変化しないため、ブラッグ条件をよく満たすようにな
り、伝播光の波長制限あるいは波長透過が高精度に行え
るようになる。したがって、たとえば、高性能な合波・
分波素子として使用することができる。

【００２９】（ｂ）屈折率変化領域は正三角形格子配列
となり、充分なるブラッグ条件を満たすため、高精度な
伝播光の波長制限または波長透過を保証する。

【００３０】（ｃ）フォトニック結晶導波路の製造にお
いて、アレイ状に配置した屈折率変化領域は、電子線，
ＳＯＲ光，紫外線および近赤外線のうちのいずれかを、
スラブ光導波路の上部クラッド層を通してコア層に選択
的に照射して光誘起効果による屈折率変化を生じさせて
作製することから、高精度寸法でかつ深さ方向での各部
の寸法が均一な屈折率変化領域を製造することができ
る。

【００３１】（ｄ）フォトニック結晶導波路はその製造
において、アレイ状に配置した屈折率変化領域は、電子
線，ＳＯＲ光，紫外線および近赤外線のうちのいずれか
を、スラブ光導波路の上部クラッド層を通してコア層に
選択的に照射して光誘起効果による屈折率変化を生じさ
せて作製し、従来のようなエッチング等の機械的加工を
何ら必要としないため作製が極めて容易で製造コストの
低減が達成できる。

【００３２】（ｅ）ガラス光導波路によるフォトニック
結晶を作る際、特別な加工技術を要しないため大幅な低
価格化，高信頼化，量産化を図ることができる。

【００３３】（ｆ）スラブ光導波路を有機光導波路で構
成する場合、有機光導波路は低温プロセスになるため光
導波路の作製が容易になり、製造コストの低減が図れ
る。

【００３４】前記（２）の手段によれば、有機スラブ光
導波路を基板から剥がした構造となることから、フォト
ニック結晶導波路の光導波するコア層の偏波無依存化が
達成できる。

【００３５】前記（３）の手段によれば、スラブ光導波
路の一端側に沿って前記屈折率変化領域が格子配列状に
配置されているとともに、前記屈折率変化領域による格
子列（アレイ）に対して平行にまたは垂直もしくは斜め
に光が伝播する光導波領域が設定されていることから、
光導波路設計の自由度が高くなる。すなわち、前記格子
列に垂直に光を進入させれば、出力光は格子列で折り返
して出射される。また、格子列に対して斜めに光を進入
させれば、出力光は格子列で反射して所定の角度を有し
て出射する。したがって、角度を選べば、光の伝播方向
を直角に曲げることもできる。また、これらの光伝播方
向の曲げの場合、その曲げ損失も小さくなる。

【００３６】前記（４）の手段によれば、格子列を格子
ピッチが異なる複数の格子列で形成しておくことによっ
てチャーピング特性の実現が可能になる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。なお、実施形態を説明するた
めの全図において、同一機能を有するものは同一符号を
付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００３８】（実施形態１）図１乃至図４は本発明の一
実施形態（実施形態１）であるフォトニック結晶導波路
およびその製造方法に係わる図である。

【００３９】本実施形態１のフォトニック結晶導波路１
は、図１および図２に示すように、シリコンからなる基
板（シリコン基板）２上に、スラブ光導波路３としてガ
ラス光導波路を形成した構造になっている。

【００４０】スラブ光導波路３は、図２に示すように、
シリコン基板２上に順次形成された下部クラッド層１
０，コア層１１，上部クラッド層１２によって構成され
るが、これらの層はいずれもＳｉＯ₂膜（石英ガラス，
フッ化物ガラス等のガラス）で形成されている。

【００４１】コア層１１は屈折率を大きくするため、た
とえばＧｅＯ₂を添加してある。

【００４２】また、屈折率差を大きくするため、上部ク
ラッド層１２の形成後に、水素（Ｈ₂）加圧を行う。

【００４３】スラブ光導波路３を構成する各層の厚さ
は、たとえば、以下の通りである。下部クラッド層１０
および上部クラッド層１２の厚さは約１５μｍ、コア層
の厚さは数μｍである。また、コアとクラッドの比屈折
率差は０．３〜１％程度である。

【００４４】図２に示すように、中央線に沿う所定幅の
領域が光導波領域６となり、この光導波領域６の両側に
沿って格子配列（アレイ）状に屈折率変化領域１３が設
けられている。前記光導波領域６の幅は光ファイバとの
接続を考えると数μｍ〜数十μｍが好ましい。

【００４５】図では屈折率変化領域１３はそれぞれ３列
設けられ、隣り合う列との間で正三角形格子（triangle
lattice）からなる単位格子を構成している。したがっ
て、２列配列により単位格子は形成されるが、３列にし
てあることから屈折率変化領域１３間からの光の漏れが
防げ、光の閉じ込め効果が高くなる。さらに格子パター
ンによっては、光の閉じ込め効果を高めるためにより多
くの列による配列を必要とする場合がある。

【００４６】前記正三角形格子のピッチは、たとえば
０．５μｍ、屈折率変化領域１３の直径は０．４５μｍ
である。

【００４７】前記屈折率変化領域１３のコア層の屈折率
は、屈折率変化領域１３から外れるコア層の屈折率より
も大きくなり、たとえば比屈折率差は１０~⁴程度にな
る。

【００４８】これら屈折率変化領域１３をスラブ光導波
路３上に格子配列した結晶は、フォトニック結晶（２次
元フォトニック結晶）１４と呼称されている。

【００４９】フォトニック結晶１４は、外部からの高出
力のたとえばエキシマレーザ等で発生する紫外（ＵＶ）
光あるいは近赤外光を、スラブ光導波路３の表面に選択
的に照射して光誘起効果による屈折率変化をスラブ光導
波路３のコア層内に生じさせることによって形成され
る。

【００５０】このとき、半径ｒの円柱状に屈折率が変化
した微小な屈折率変化領域１３を規則正しく整列させ
て、たとえば正三角形格子を構成させる。

【００５１】結晶は原子あるいは分子の周期的な配列で
あり、結晶格子は原子あるいは分子の小さな基本的な構
造が空間的に繰り返されているときに生じる。したがっ
て、結晶は周期的なポテンシャルをその中を伝搬する電
子に与え、結晶構造は導電性を支配する。特に、格子は
結晶のエネルギーバンド構造にギャップを導入すること
ができるので、原子からのブラッグライク回折により一
定のエネルギーをもった電子は一定の方向に伝播するこ
とを禁止される。

【００５２】その光学的なアナロジーがフォトニック結
晶であり、その周期的なポテンシャルは原子の代わりに
巨視的な光半導体媒質あるいは誘電体媒質の格子により
与えられる。したがって、フォトニック結晶において
は、格子構造および格子定数で決定されるバンドギャッ
プすなわちブラッグ回折による反射波長域が存在するこ
とになる。

【００５３】また、屈折率の大きさは石英ガラスで１．
４６、後述するフッ素化ポリイミドで１．５３である。
屈折率変化は大きいほどよいが、これらの材料で実現で
きる現実的な屈折率増加量は１０~⁴から１０~²の範囲で
ある。

【００５４】フォトニック結晶では、一般に円柱状領域
とそうでない領域との屈折率差が大きいことが望ましい
が、従来技術では比屈折率差が約０．７と１桁以上大き
い分だけ同じ反射率を得るのに格子数を少なくできて有
利である。

【００５５】しかし、その反面、格子のピッチ，内径が
小さくなり加工が難しくなるという欠点がある。

【００５６】一方、本発明のように屈折率差が０．０１
と小さい場合は加工が容易となり、格子数を増やせば原
理的に同様の効果が期待できる。

【００５７】この様子をもう少し詳しく数学的に説明す
る。簡単のため、格子が直線導波路に沿って等間隔に並
んだ１次元のブラッグ光導波路格子を例にとると、ブラ
ッグ波長λ_Bにおける光電力反射率はＲ＝ｔａｎｈ²（κ
Ｌ）で表され、モード結合係数κと格子の長さＬとの積
によって決まる。

【００５８】このように、屈折率変化によって格子を形
成する場合、一般に結合係数が小さいので、高反射率を
得るには格子部の長さＬを大きくして格子をたくさん配
置することが必要となることがわかる。

【００５９】他方、前記フォトニック結晶導波路１の光
導波領域６の一端側には入力光ファイバ４が接続され、
他端側には出力光ファイバ５が接続されている。前記入
力光ファイバ４および出力光ファイバ５は、単一モード
ファイバまたは分散シフトファイバもしくは偏波保持フ
ァイバ等で構成されている。たとえば、この実施形態で
は単一モードファイバが使用されている。

【００６０】図１はフォトニック結晶導波路１の使用形
態を模式的に示すものであるが、実際の製品としては、
容器（パッケージ）内にフォトニック結晶導波路１が配
置され、容器に設けられた光ファイバガイド等によって
それぞれ入力光ファイバ４や出力光ファイバ５が光ケー
ブルの状態等で支持される構成になる。また、フォトニ
ック結晶導波路１は、ＯＥＩＣを構成するシリコン基板
やガラス基板さらには化合物半導体基板の一部に形成さ
れる場合もある。

【００６１】このようなフォトニック結晶導波路１で
は、入力光ファイバ４からの光（入力光７）が、結晶格
子が存在しない光導波領域６の一端側に入力されると、
前記入力光７はスラブ空間に広がって行くとき、屈折率
変化領域１３が存在するフォトニック結晶で反射あるい
は透過される。その際に、いわゆるブラッグ条件を満た
す波長の光のみが結晶で反射され、それ以外の波長の光
は結晶を透過する。このとき、反射光は光学的な多光束
干渉を生じる。その結果、ブラッグ条件を満たす波長の
光はスラブ光導波路３の格子が無い部分に閉じ込められ
て光導波領域６を伝搬していくことが許される。

【００６２】この多光束干渉は通過波長を制限する効果
がある。この伝播光波は、格子のピッチａが波長の整数
倍のとき強めあい、（１＋１／２）波長の整数倍のとき
弱めあう。このような構成になっているため、従来技術
に比べて容易に波長特性を有する光フィルタを実現する
ことが可能である。

【００６３】つぎに、このようなフォトニック結晶導波
路１の製造方法について説明する。図３に示すように、
シリコン基板２上に、火炎加水分解法やイオン交換法に
より石英（ＳｉＯ₂）ガラスで下部クラッド層１０，コ
ア層１１，上部クラッド層１２を形成して２次元方向に
光の閉じ込めのない、いわゆるスラブ構造のガラス光導
波路３ａ（スラブ光導波路３）を作製する。なお、基板
２は石英ガラス基板や他のガラス基板でもよい。

【００６４】前記コア層１１には屈折率を増大させるた
めにゲルマニウム（ＧｅＯ₂）やリン（Ｐ）等の不純物
をコア形成過程において予め添加しておく。本実施形態
１では、たとえばＧｅＯ₂を添加する。また、ガラス光
導波路３ａを形成した後に水素（Ｈ₂）加圧処理を施し
てもよい。

【００６５】前記下部クラッド層１０の厚さは約１５μ
ｍ、コア層１１の厚さは数μｍ、上部クラッド層１２の
厚さは約１５μｍである。また、コアとクラッドの比屈
折率差は０．３〜１％程度である。

【００６６】つぎに、発振波長２４８ｎｍのＫｒ−Ｆエ
キシマレーザ、１９３ｎｍのＡｒ−Ｆレーザ、あるいは
ＹＡＧレーザ（第２あるいは第４高調波利用）などで発
生する紫外パルス光（紫外光）２０を、図４に示すよう
に、ガラス製位相マスク２１を介してスラブ光導波路３
表面の上方から屈折率変化領域１３を形成する部分に照
射する。

【００６７】照射物は、電子線，ＳＯＲ光，紫外線，近
赤外線のいずれでもよい。

【００６８】ここで使用する２次元ガラス製位相マスク
２１は、１／２波長（位相にしてπ）の深さの円形もし
くは方形状の穴２２が、たとえばフォトリソグラフィと
反応性イオンエッチング等で石英ガラス板２３の２次元
方向に形成配列されたものである。このガラス製位相マ
スク２１の穴２２のピッチは約１μｍである。

【００６９】これによって、−１次と１次の回折光同士
が干渉し、位相マスクの表面の凹凸周期の１／２の周期
となる正弦波状の強度分布を有するピッチ０．５μｍの
干渉縞がコア層１１中に生成される。その結果、光誘起
効果による屈折率変化を起こし、コアの屈折率が１０~⁴
オーダで増加したピッチ０．５μｍの２次元格子がコア
層１１中に形成される。

【００７０】一方、発振波長８１０ｎｍ付近の近赤外超
短パルスレーザ光を照射した場合には、１０~²オーダの
より大きな屈折率の増加をコア中に起こさせることもで
きる。この場合には、前述の理由によって格子数を減少
できるため、結果として結晶サイズをおよそ２桁低減で
きる利点がある。

【００７１】また、この場合はＧｅＯ₂添加石英ガラス
に限らず熔融石英ガラス，合成石英ガラス，フッ化物ガ
ラス，カルコゲナイトガラスなどほとんど全てのガラス
を使用できるという大きな利点がある。

【００７２】紫外光照射により屈折率変化を生じさせる
ためのエネルギーは、平均光電力で０．５〜１Ｗ程度で
ある。屈折率変化は干渉縞の正弦波状の光強度分布を反
映するので円柱状にはならないが、コア層厚が数μｍ程
度であればこの影響はほとんど無視できる。

【００７３】また、ガラス光導波路３ａの形成後に外部
から紫外光２０を照射しても、上部クラッド層１２には
ＧｅＯ₂が添加されていないので光誘起効果による屈折
率変化は生じない。

【００７４】また、ＧｅＯ₂を添加しないガラスに近赤
外光を照射する場合は、上部クラッド層も光誘起効果に
よる屈折率変化が生じるが、光が伝播するのはコアなの
でその影響はない。

【００７５】他方、単位格子サイズは屈折率の違いから
従来技術と変わる。空気ホールのない媒質の屈折率およ
び空気ホールの屈折率が本発明と異なっていることか
ら、本発明の場合には従来に比較して格子のサイズが大
きくなる。

【００７６】すなわち、前述のように本発明の場合には
屈折率差が小さいためにモード結合係数が小さくなり、
高反射率を得るには格子サイズを大きくすることと格子
数を多くする必要がある。たとえば、光が伝播する円柱
状領域でない領域（光導波領域６）の両側に格子を各々
１００個×１００個から１００００個×１００００個ず
つ設ければよい。その場合、格子が占有する面積がおよ
そ１×１ｍｍ²から１００×１００ｍｍ²と大きくなるが
基板サイズ（直径）が１〜６インチ（２５．４ｍｍφ〜
１５２．４ｍｍφ）であることを考えると実用上は全く
問題がない。

【００７７】このような結果から明らかなように、従来
技術に比べて極めて簡単な製造プロセスによりフィルタ
特性を持ったフォトニック結晶導波路を実現することが
できる。

【００７８】本実施形態１によれば以下の効果を奏す
る。

【００７９】（１）フォトニック結晶導波路１の屈折率
変化領域１３は、スラブ光導波路３（ガラス光導波路３
ａ）のコア層１１を構成する材質と同じ材質でかつ光誘
起効果による屈折率変化処理が施された材質で構成され
ている。このため、屈折率変化領域１３の深さ方向の各
部の大きさは一定し、従来の空気ホールの場合のように
上下で大きさが変化しないため、ブラッグ条件をよく満
たすようになり、伝播光の波長制限あるいは波長透過が
高精度に行えるようになる。したがって、たとえば、高
性能な合波・分波素子として使用することができる。

【００８０】（２）屈折率変化領域１３は正三角形格子
配列となり、充分なるブラッグ条件を満たすため、高精
度な伝播光の波長制限または波長透過を保証する。

【００８１】（３）フォトニック結晶導波路１の製造に
おいて、アレイ状に配置した屈折率変化領域１３は、電
子線，ＳＯＲ光，紫外線および近赤外線のうちのいずれ
かを、スラブ光導波路３の上部クラッド層１２を通して
コア層１１に選択的に照射して光誘起効果による屈折率
変化を生じさせて作製することから、高精度寸法でかつ
深さ方向での各部の寸法が均一な屈折率変化領域を製造
することができる。

【００８２】（４）フォトニック結晶導波路１はその製
造において、アレイ状に配置した屈折率変化領域１３
は、電子線，ＳＯＲ光，紫外線および近赤外線のうちの
いずれかを、スラブ光導波路３の上部クラッド層１２を
通してコア層１１に選択的に照射して光誘起効果による
屈折率変化を生じさせて作製し、従来のようなエッチン
グ等の機械的加工を何ら必要としないため作製が極めて
容易で製造コストの低減が達成できる。

【００８３】（５）ガラス光導波路３ａによるフォトニ
ック結晶を作る際、特別な加工技術を要しないため大幅
な低価格化，高信頼化，量産化を図ることができる。

【００８４】（実施形態２）図５および図６は本発明の
他の実施形態（実施形態２）であるフォトニック結晶導
波路に係わる図である。

【００８５】本実施形態２はスラブ光導波路３として有
機光導波路３ｂを使用するフォトニック結晶導波路１の
例である。

【００８６】すなわち、本実施形態２が実施形態１と異
なる点は、フォトニック結晶１４を有するスラブ光導波
路３として、フッ素化ポリイミド等の高分子材料を用い
て有機光導波路３ｂを形成している点で、さらに電子
線，紫外線あるいはＳＯＲ光を外部から有機光導波路３
ｂに照射してコアの屈折率を変化させて屈折率変化領域
１３を格子配列状に形成したことである。

【００８７】特に、ＳＯＲ光照射による屈折率変化はガ
ラス導波路に比べて２桁大きく１０~²である。他の部分
および動作は、前記実施形態１の場合と基本的には同じ
なので説明を省力する。

【００８８】ただし、フォトニック結晶導波路１の光導
波領域６の両端面、すなわちスラブ光導波路３の入力・
出力端面は、図示はしないが反射防止のために無反射コ
ートが施してある。無反射コート膜の一例としては、タ
ーゲット材料としてＳｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂を用い、それら
にイオンビームを照射することによって光導波路端面に
向けて飛散させて２層の無反射コーティングを施す。こ
の方法で得られる反射率は約−３０ｄＢ以下である。

【００８９】また、反射防止の別の手段として、入出射
端面に斜め研磨を施してもよい。斜め研磨の角度は光の
伝播方向に垂直な方向に対して８度以上である。この斜
め研磨の代わりにダイシングソーで斜めに切断しても良
い。これらの場合、−５０〜−６０ｄＢの高反射率が得
られる。

【００９０】本実施形態２のフォトニック結晶導波路１
の製造方法について説明する。

【００９１】本実施形態２では、シリコン基板２上に有
機光導波路３ｂからなるスラブ光導波路３を形成した
後、この有機光導波路３ｂに選択的にＳＯＲ（synchrot
ron orbital radiation)光を照射して屈折率変化領域１
３を格子配列状に形成してフォトニック結晶１４を形成
する。

【００９２】図示はしないが、シリコン基板２上に、フ
ッ素化ポリイミドの前駆体であるフッ素化ポリアミド酸
の溶液をスピンコートしてオーブン中で３８０℃で加熱
し下部クラッド層１０を形成する（図６参照）。

【００９３】つぎに、下部クラッド層１０上へ、フッ素
化ポリアミド酸の溶液をスピンコートしオーブン中で３
８０℃で加熱しコア層１１を形成する（図６参照）。

【００９４】つぎに、前記コア層１１上に、前記下部ク
ラッド層１０と同じ屈折率を持つ上部クラッド層１２を
前記同様な方法で形成して有機光導波路（ポリマー光導
波路）３ｂを作製する。このとき、各層の膜厚は前記実
施形態１のガラス光導波路３ａの場合とほぼ同じであ
る。

【００９５】この結果、屈折率が１．５３の有機光導波
路３ｂが得られる。

【００９６】このようなスラブ光導波路３の形成方法
は、半導体の結晶成長の高温プロセスと比べて温度が低
く低温プロセスとなる。低温プロセスによるスラブ光導
波路の作製は容易であり、製造コストの低減が図れる。

【００９７】また、この方法はスピンコートにより有機
光導波路３ｂを容易に形成できるという他の材料にない
優れた特徴がある。

【００９８】つぎに、有機光導波路３ｂ上にＸ線を透過
する窒化シリコンのような薄膜を配置し、その上にタン
タル,タングステンあるいは金等の重金属からなる厚さ
約１μｍのＸ線吸収体を設けた構造のＸ線マスクを介し
て極超短波長約０．７ｎｍのＳＯＲ光を、照射量１０²
（アンペア・秒）オーダで外部から有機光導波路３ｂに
照射する。

【００９９】ガラス製位相マスクの場合とは異なり、格
子状に穴の空いたＸ線マスクを透過したＳＯＲ光は１つ
１つが円柱状の強度分布をもつスポット光となってコア
層１１に照射される。その結果、コア層１１に１０~²オ
ーダの大きな屈折率の増加した格子が形成される。

【０１００】ここで、Ｘ線マスクの穴径は０．２５μ
ｍ、ピッチは０．５μｍである。

【０１０１】この場合紫外光照射に比べて波長が極めて
小さいので、微細加工が可能となり高精度をもって容易
に格子をコアに書き込むことができるという優れた特徴
がある。

【０１０２】本実施形態２では前記実施形態１が有する
効果を同様に奏する。

【０１０３】（実施形態３）図７は本発明の他の実施形
態（実施形態３）であるフォトニック結晶導波路の平面
図である。

【０１０４】本実施形態３では、図７に示すように、屈
折率変化領域１３による単位格子を正六角形格子（hexa
gonal lattice)状に配列してある。

【０１０５】正六角形格子はＴＥ偏光およびＴＭ偏光に
対して同じバンドギャップすなわちブラッグ反射波長を
有するので極めて有効である。

【０１０６】なお、本発明では、単位格子として前述の
正三角形格子や正六角形格子以外の正多角形格子でもよ
い。すなわち、単位格子を正方形格子，正八角形格子，
正十二角形格子などの格子配列でもよい。また、屈折率
変化領域１３の列は、格子（格子列）を構成するために
少なくとも２列必要である。

【０１０７】（実施形態４）図８は本発明の他の実施形
態（実施形態４）であるフォトニック結晶導波路の概略
を示す模式的平面図である。

【０１０８】本実施形態では、フォトニック結晶導波路
１の光導波領域６の一側に沿って設けられる屈折率変化
領域１３による格子列を複数にした例であり、かつ複数
の格子列Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の格子間隔（ピッチ）ａを相
互に異なるようにした例である。これにより、通過帯域
が広がるいわゆるチャーピング特性を実現した例であ
る。

【０１０９】特に限定はされないが、格子列Ｇ１，Ｇ
２，Ｇ３のピッチをａ₁，ａ₂，ａ₃とした場合、ａ₁＞ａ
₂＞ａ₃となっている例である。

【０１１０】チャーピングとは格子のピッチをある割合
で連続的に変化させたときに波長帯域が広がることを言
う。格子ピッチのチャーピングは細かく段階的に行う。
格子のピッチが場所によって不等間隔になるように格子
を配置した正三角形格子の場合について説明する。

【０１１１】たとえば、格子ピッチａがａ₁，ａ₂，ａ₃
・・・のように少しずつ小さくなるＧ₁，Ｇ₂，Ｇ₃・・
・の各格子領域では、各格子領域に応じてブラッグ反射
波長λ_Bがλ_B1，λ_B2，λ_B3・・・のように各々少しず
つ小さくなる。この場合、微視的にはピッチが段階的に
変化するので隣り合う各格子領域で格子不整合が生じ
る。この値は隣り合う格子領域の間では極めてわずかで
あるので、巨視的に見れば連続的に変化しているのと同
じであると考えて問題ない。

【０１１２】このようにすると、ブラッグ反射波長が少
しずつずれるので等価的にバンドギャップが広くなる。
すなわち、反射帯域が広がるいわゆるチャーピング特性
を実現できる利点がある。この効果は光ファイバで生じ
る波長分散の補償などに適用することができる。ここで
は、格子のピッチが単調減少する例を示したが、ピッチ
が単調増加する場合にも同様の効果が生ずることは言う
までもない。

【０１１３】本実施形態４では光導波領域６の一側にの
みフォトニック結晶１４を設けてある。換言するなら
ば、スラブ光導波路３一端側に沿って屈折率変化領域１
３が格子配列状に配置されているとともに、前記屈折率
変化領域１３によるアレイに対して平行にまたは垂直も
しくは斜めに光が伝播する光導波領域６が設定されてい
る。

【０１１４】したがって、光（入力光）を格子列に平行
に伝播させることができるとともに、光の入射方向を選
択することによって光の取り出し方向を種々に変えるこ
とができる。

【０１１５】すなわち、前記格子列に垂直に光を進入さ
せれば、出力光は格子列で折り返して出射される。ま
た、格子列に対して斜めに光を進入させれば、出力光は
格子列で反射して所定の角度を有して出射する。したが
って、角度を選べば、光の伝播方向を直角に曲げること
もできる。また、これらの光伝播方向の曲げの場合、そ
の曲げ損失も小さくなる。

【０１１６】本実施形態４によれば光導波路設計の自由
度が高くなる。また、この構成はシリコン基板等に分岐
や合流する光導波路に適用することにより、一層設計の
自由度が高い。

【０１１７】前記複数の相互にピッチの異なる格子列
は、光導波領域６の両側にそれぞれ設けてもよい。また
光導波領域６の一部の長さ域に設けてもよい。

【０１１８】（実施形態５）図９は本発明の他の実施形
態（実施形態５）であるフォトニック結晶導波路の一部
を断面とした斜視図である。

【０１１９】本実施形態５のフォトニック結晶導波路１
は、有機光導波路３ｂのみによって構成されたものであ
る。

【０１２０】すなわち、フォトニック結晶導波路１は、
前記実施形態２のフォトニック結晶導波路１において、
シリコン基板２の上に形成した有機光導波路３ｂ（スラ
ブ光導波路３）を、酸溶液などを用いてシリコン基板２
から剥離したものであり、使用においては支持部材で支
えて使用するものである。

【０１２１】このようにスラブ光導波路３を基板２から
剥離すると、基板２との熱膨張係数の違いからくる応力
歪みが解放されるため複屈折による屈折率の偏波依存性
が生じなくなる。したがって、本実施形態５のフォトニ
ック結晶導波路１は支持部材に取り付けた状態におい
て、機械的応力や熱応力が発生しない支持形態で取り付
ける必要がある。

【０１２２】本実施形態５のフォトニック結晶導波路１
によれば、偏波無依存化が達成できる。

【０１２３】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【０１２４】たとえば、化合物半導体基板上に化合物半
導体によってスラブ光導波路を形成するとともに、屈折
率変化領域を格子配列したものに対しても適用できる。

【０１２５】たとえば、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｌＡｓ
によるスラブ光導波路３を形成したフォトニック結晶導
波路の場合には、０．７〜０．９μｍの短波長帯で使用
でき、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ化合物半導体やあ
るいは，シリコン基板や石英ガラス基板等の上に石英ガ
ラスや高分子材料を用いてスラブ光導波路３を形成した
フォトニック結晶導波路の場合は、１．３〜１．５μｍ
の長波長帯で使用することができる。

【０１２６】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野である光の分
波素子の製造技術に適用した場合について説明したが、
それに限定されるものではなく、たとえば、合波素子製
造技術などに適用できる。

【０１２７】本発明は少なくとも光導波路を有する素
子，モジール等には適用できる。

【０１２８】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【０１２９】（１）フォトニック結晶導波路の屈折率変
化領域は、スラブ光導波路のコア層を構成する材質と同
じ材質でかつ光誘起効果による屈折率変化処理が施され
た材質で構成されている。このため、屈折率変化領域の
深さ方向の各部の大きさは深さ方向の寸法をも含めて一
定になることから、ブラッグ条件をよく満たすようにな
り、伝播光の波長制限あるいは波長透過が高精度に行え
るようになる。したがって、たとえば、高性能な合波・
分波素子として使用することができる。

【０１３０】（２）単位格子が正六角形格子の場合、Ｔ
Ｅ偏光およびＴＭ偏光に対して同じバンドギャップとな
り、伝播光の波長制限あるいは波長透過が高精度に行え
るようになる。

【０１３１】（３）フォトニック結晶導波路の製造にお
いて、アレイ状に配置した屈折率変化領域は、電子線，
ＳＯＲ光，紫外線および近赤外線のうちのいずれかを、
スラブ光導波路の上部クラッド層を通してコア層に照射
して光誘起効果による屈折率変化をコア層に選択的に生
じさせて作製することから、高精度寸法でかつ深さ方向
での各部の寸法が均一な屈折率変化領域を製造すること
ができる。また、屈折率変化領域を作製するためにエッ
チング等の機械的加工を何ら必要としないため作製が極
めて容易で製造コストの低減が達成できる。

【０１３２】（４）ガラス光導波路によるフォトニック
結晶を作る際、特別な加工技術を要しないため大幅な低
価格化，高信頼化，量産化を図ることができる。

【０１３３】（５）スラブ光導波路を有機光導波路で構
成する場合、有機光導波路は低温プロセスになるため光
導波路の作製が容易になり、製造コストの低減が図れ
る。

【０１３４】（６）有機スラブ光導波路を基板から剥が
した構造のフォトニック結晶導波路では、偏波無依存化
が達成できる。

【０１３５】（７）光導波領域の一側または両側に設け
られるフォトニック結晶の複数の格子列の格子ピッチを
それぞれ変えることによってチャーピング特性の実現が
図れる。

【０１３６】（８）スラブ光導波路の一端に沿って格子
列を設けた構造のフォトニック結晶導波路では、格子列
に対して平行にまたは垂直もしくは斜めに光を進入させ
ることによって、光の伝播方向を変化させることができ
る。またこの場合、光の曲げ損失も小さいという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）であるフォ
トニック結晶導波路の概略を示す構成図である。

【図２】本実施形態１のフォトニック結晶導波路を示す
一部を断面とした斜視図である。

【図３】本実施形態１のフォトニック結晶導波路の作製
において、半導体基板にスラブ光導波路を形成した状態
を示す一部を断面とした斜視図である。

【図４】本実施形態１のフォトニック結晶導波路の作製
において、半導体基板の表面に形成したスラブ光導波路
に、コアの屈折率と異なる屈折率変化領域を格子状に配
列形成する方法を示す模式的断面図である。

【図５】本発明の他の実施形態（実施形態２）であるフ
ォトニック結晶導波路の概略を示す構成図である。

【図６】本実施形態２のフォトニック結晶導波路を示す
一部を断面とした斜視図である。

【図７】本発明の他の実施形態（実施形態３）であるフ
ォトニック結晶導波路の概略を示す構成図である。

【図８】本発明の他の実施形態（実施形態４）であるフ
ォトニック結晶導波路の概略を示す一部の構成図であ
る。

【図９】本発明の他の実施形態（実施形態５）であるフ
ォトニック結晶導波路の概略を示す一部を断面とした斜
視図である。

【図１０】従来のフォトニック結晶導波路の概略を示す
構成図である。

【図１１】従来のフォトニック結晶導波路を示す一部を
断面とした斜視図である。

【図１２】従来のフォトニック結晶導波路の作製に使用
する半導体基板を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…フォトニック結晶導波路、２…基板、３…スラブ光
導波路、３ａ…ガラス光導波路、３ｂ…有機光導波路、
４…入力光ファイバ、５…出力光ファイバ、６…光導波
領域、７…入力光、８…出力光、９…空気ホール、１０
…下部クラッド層、１１…コア層、１２…上部クラッド
層、１３…屈折率変化領域、１４…フォトニック結晶、
２０…紫外光（紫外パルス光）、２１…ガラス製位相マ
スク、２２…穴、２３…石英ガラス板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面に誘電体スラブ光導波路を有
するとともに前記スラブ光導波路の一部にスラブ光導波
路のコア層の屈折率と異なる屈折率を有する屈折率変化
領域が格子配列状に配置されたフォトニック結晶構造が
設けられたフォトニック結晶導波路であって、前記屈折
率変化領域は前記スラブ光導波路のコア層を構成する材
質と同じ材質でかつ光誘起効果による屈折率変化処理が
施された材質で構成されていることを特徴とするフォト
ニック結晶導波路。
【請求項２】コア層を下部クラッド層と上部クラッド
層で挟みかついずれの層も有機薄膜で形成されるスラブ
光導波路であって、前記スラブ光導波路の一部にスラブ
光導波路のコア層の屈折率と異なる屈折率を有する屈折
率変化領域が格子配列状に配置されるとともに、前記屈
折率変化領域のコア層は光誘起効果による屈折率変化処
理によって形成されていることを特徴とするフォトニッ
ク結晶導波路。
【請求項３】光が伝播する光導波領域の両側にそれぞ
れ屈折率変化領域が格子配列状に配置されていることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニッ
ク結晶導波路。
【請求項４】前記スラブ光導波路の一端側に沿って前
記屈折率変化領域が格子配列状に配置されていることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニッ
ク結晶導波路。
【請求項５】前記スラブ光導波路の一端側に設けられ
た格子配列状の屈折率変化領域に平行にまたは垂直もし
くは斜めに光が伝播する光導波領域が設定されているこ
とを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶導波
路。
【請求項６】前記屈折率変化領域による格子列は格子
ピッチが異なる複数の格子列になっていることを特徴と
する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のフォ
トニック結晶導波路。
【請求項７】前記格子列の単位格子は正多角形配列に
なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のい
ずれか１項に記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項８】前記屈折率変化領域のコア層の屈折率は
屈折率変化領域から外れた領域のコア層の屈折率よりも
大きく、その比屈折率差は１０~⁴〜１０~²程度であるこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に
記載のフォトニック結晶導波路。
【請求項９】前記スラブ光導波路はガラス光導波路ま
たは有機光導波路で構成されていることを特徴とする請
求項１または請求項３乃至請求項８のいずれか１項に記
載のフォトニック結晶導波路。
【請求項１０】前記請求項１乃至請求項９のフォトニ
ック結晶導波路の製造方法であって、前記基板上に下部
クラッド層，コア層，上部クラッド層からなるスラブ光
導波路を作製した後、電子線，ＳＯＲ光，紫外線および
近赤外線のうちのいずれかを前記上部クラッド層を通し
て前記コア層に選択的に照射して光誘起効果による屈折
率変化を生じさせて前記屈折率変化領域を作製すること
を特徴とするフォトニック結晶導波路の製造方法。
【請求項１１】前記請求項１０の製造方法において、
前記基板から下部クラッド層およびコア層ならびに上部
クラッド層からなる有機光導波路を剥離させて前記請求
項２に記載のフォトニック結晶導波路を製造することを
特徴とするフォトニック結晶導波路の製造方法。