JP2006276576A - 光制御素子及び光制御素子製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトニック結晶配列で構成された光導波路の機械的な強度を保ちつつ、光を高効率に閉じ込めることのできる光制御素子を提供する。
【解決手段】 導波部反射構造１７ａと導波部反射構造１７ｂとは、光導波路部分１４を層法線方向の両側から挟んでいる。配列部分反射構造１８ａと配列部分反射構造１８ｂとは、フォトニック結晶配列部分１３を層法線方向の両側から挟んでいる。導波部反射構造１７ａの屈折率は配列部分反射構造１８ａの屈折率より小さい。光反射層１１ｂのX1-X2方向に沿った屈折率分布も光反射層１１ａと同じである。導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂは、光伝搬層１２において光の電磁界強度が集中している部分をカバーするように設けられている。
【選択図】 図４

Description

この発明は、フォトニック結晶を用いた光制御素子に関するものであり、より具体的には10Gbpsを超える光伝送分野における高速大容量光通信および高速光信号処理に用いる光変調器、光スイッチといった小型で高機能な光素子の機械的な強度を増加させると同時に、光閉じ込め効果を増大させることができ、かつ、効率的に変調電界を印可することができる光制御素子及び光制御素子製造方法に関する。

フォトニック結晶とは、光の周波数程度の誘電体周期構造を人工的に形成することにより、光子に対するバンド構造を構成するものである。フォトニック結晶のバンド構造は、電子のバンド構造と類似する点が多く、周期構造によってはフォトニックバンドギャップと呼ばれる光の禁制体を生じる。フォトニック結晶がもつ強力な光閉じ込め効果や異常分散効果などを用いることで、通常の光機能素子では不可能であった様々な機能を実現することができるため、フォトニック結晶による光デバイスは、光集積回路のサイズを劇的に小さくした、フォトニックICを形成する上で重要な光デバイスになると期待されている。

フォトニック結晶では誘電率の周期構造のサイズによって、対象となる光の周波数帯を変えることが可能である。赤外から紫外までの光の周波数に限定する必要はなく、数10GHzから数THzの電磁波の領域も同様なバンド構造で扱うことが可能である。

この誘電率（屈折率）の周期構造は１次元、２次元、３次元的に分布させることが可能であり、それぞれ１次元、２次元、３次元のフォトニック結晶配列と呼ばれている。光の波長程度の屈折率分布を有する構造を製作するという点では、次元が上がるにつれて製作は困難になる。また、フォトニック結晶の効果は次元が上がるにつれて増大する。つまり、フォトニック結晶は３次元構造を形成することが理想的であるが、半導体プロセス技術を用いて２次元の平面内に一括形成できる２次元フォトニック結晶でも、フォトニック結晶の特性を得ることができる。

２次元フォトニック結晶は、例えば、誘電率が高い薄膜にホールによるフォトニック結晶配列を形成することで得られる構造である。この構造であれば、面内の微細加工技術を用いて形成できるので、半導体チップのプロセス技術であるリソグラフィーとエッチングにより製作できる。

光の波長程度の厚みを持つ薄膜を形成し、厚み方向に対して屈折率の低い媒質で挟み込んだスラブ導波路構造に、ホールを形成することで、２次元のフォトニック結晶が形成できる。例えば、シリコンオンインシュレータ（SOI）基板上のシリコン層に空気ホールを形成することで、厚み方向をシリコンと空気またはシリコンと酸化シリコンの全反射により光を閉じ込め、面内方向をフォトニック結晶で閉じ込めるような素子を構成することができる。

さらに、面内に形成されたフォトニック結晶配列の一部を除去することで光導波路を形成できる。例えば、高屈折率層を低屈折率層の上に形成し、高屈折率層に２次元フォトニック結晶配列のホールを形成し、ホールを線状に除去する（埋める）ことにより欠陥を形成する。形成された欠陥は、フォトニック結晶による大きな反射効果を利用して、光が伝搬する光導波路であり、線欠陥導波路と呼ばれる。

線欠陥導波路を伝搬する光は、その波長によって極めて伝搬スピードが遅くなることが知られており、光のスピードが遅ければ、短い距離で大きな光の相互作用を得ることが可能である。この性質を利用することで、光の機能素子を微小化することが可能となる。光変調器や光スイッチはこのような現象を利用するひとつのデバイスであるため、フォトニック結晶による効果の増強や、サイズの微小化が期待されている。

この光導波路を光スイッチとして利用するためには、電気、温度上昇、音波などによる屈折率変化を利用する方式がある。そのなかのひとつとして、電流印可によるキャリア注入や電界印可による屈折率変化現象を利用する方式がある。材料としては化合物半導体や電気光学効果を示す材料に光スイッチを構成する。これらは全反射により光を閉じ込める光導波路に対しても用いられ、マッハツェンダー干渉を利用した光変調器などは一部実用化されている。フォトニック結晶光導波路を用いても、同様な方式で光変調器や光スイッチを構成することは可能である。電気による屈折率の変化は一般的には小さいため、光デバイスとしての効果を十分に得るためには、距離が必要であるなどの課題が存在するが、フォトニック結晶導波路であれば、光の相互作用を大きくすることができるので、距離の縮小が可能となる。

このようにフォトニック結晶で構成された光スイッチなどの機能素子を電気的な変化を起こさせるためには、電極を構成する必要がある。フォトニック結晶に対する電極構造に言及している従来例がいくつかある。

特許文献１には、フォトニック結晶が形成されている面上に電極を形成し、フォトニック結晶が形成されている面内に電界を印可する波長分散補償器が提案されている。特許文献１では、大きな屈折率変化を得ようとすると、大きな電界を与える必要がある。電力を抑えながら大きな電界を与えるためには、光伝搬部分と電極との間隔を狭める必要がある。屈折率差を大きくできないこのような構成であると、光伝搬部分からの光のしみだしは大きく、光伝播部分の近傍に電極などの吸収材料が置かれているために、光の伝搬損失が大きい。

特許文献２には、フォトニック結晶欠陥導波路の直上に電極を設けた光スイッチが提案されている。特許文献２では、フォトニック結晶が形成されている面の上部に電極を形成する必要があり、電極による光伝搬損失が大きい。また、光伝搬損失を低減するために、電極とフォトニック結晶面との間にバッファ層を設けると、バッファ層の屈折率が大きい場合に全反射条件を満たさないために低損失伝搬が極めて困難になる。

特開２００２−３３３５３６号公報 特開２００２−３０３８３６号公報

本発明は、フォトニック結晶配列で構成された光導波路の機械的な強度を保ちつつ、光を高効率に閉じ込めることのできる光制御素子及び該光制御素子を製造する光制御素子製造方法を提供することを目的とする。

この発明の第１の光制御素子は、光伝搬層と光反射層とを備え、光伝搬層は、フォトニック結晶配列部分と光導波路部分とを有し、フォトニック結晶配列部分は規則的なフォトニック結晶配列をもち、光導波路部分はフォトニック結晶配列の規則性に欠陥をもたせて形成され、光反射層は、配列部反射構造と導波部反射構造とを有し、配列部反射構造はフォトニック結晶配列部分に積層され、導波部反射構造は光導波路部分に積層され、配列部反射構造の屈折率と導波部反射構造の屈折率とが異なる。

この発明の第２の光制御素子は第１の光制御素子において、導波部反射構造は外気で構成される。この発明の第３の光制御素子は第１または第２の光制御素子において、導波部反射構造は配列部反射構造と異なる材質で形成されている。この発明の第４の光制御素子は第１から第３のいずれか光制御素子において、導波部反射構造と配列部反射構造との境界で屈折率が徐々に変化している。この発明の第５の光制御素子は第１から第４のいずれかの光制御素子において、光反射層は、フォトニック結晶配列をもつ。この発明の第６の光制御素子は第１から第５のいずれかの光制御素子において、光反射層のフォトニック結晶配列は、導波部反射構造側から配列部反射構造側に向うにつれて形状が変化している。この発明の第７の光制御素子は第６の光制御素子において、光反射層のフォトニック結晶配列の形状の変化は、層厚方向の高さの変化である。この発明の第８の光制御素子は第１から第７のいずれかの光制御素子において、光反射層の光伝搬層と反対側の面内で、導波部反射構造を挟んで両側に配置された電極を備える。この発明の第９の光制御素子は第１から第８のいずれかの光制御素子において、光反射層は、光伝搬層の片面のみに形成されている。この発明の第１０の光制御素子は第１から第８のいずれかの光制御素子において、光反射層は、光伝搬層の両面に形成されている。この発明の第１１の光制御素子は第１０の光制御素子において、光伝搬層の両側で導波路反射構造の幅が異なる。この発明の第１２の光制御素子は第１から第９のいずれかの光制御素子において、光反射層は、光伝搬層の両面に形成されており、光反射層と光伝搬層とを挟んだ層法線方向両側に配置した電極を備える。

この発明の光制御素子製造方法は、光伝搬層と第１の光反射層と第２の光反射層とを備え、光伝搬層は、フォトニック結晶配列部分と光導波路部分とを有し、フォトニック結晶配列部分は規則的なフォトニック結晶配列をもち、光導波路部分はフォトニック結晶配列の規則性に欠陥をもたせて形成され、第１の光反射層と第２の光反射層とは、それぞれ配列部反射構造と導波部反射構造とを有し、配列部反射構造はフォトニック結晶配列部分に積層され、導波部反射構造は光導波路部分に積層され、配列部反射構造の屈折率と導波部反射構造の屈折率とが異なる光制御素子を製造する光制御素子製造方法であって、第１の光反射層にあらかじめ形成された光伝搬層を接合し、光伝搬層の厚みを調整し、光伝搬層に第２の光反射層を接合し、第１の光反射層と光伝搬層と第２の光反射層とに、フォトニック結晶配列をパターニングすることにより請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光制御素子を製造する。

この発明の光制御素子によれば、伝搬に利用できる導波バンド領域を大きくすることができるとともに、フォトニック結晶配列を形成し、光反射層に挟まれた光伝搬層における機械的な強度を高めることができる。この発明の光制御素子製造方法によれば、伝搬に利用できる導波バンド領域を大きくすることができるとともに、フォトニック結晶配列を形成し、光反射層に挟まれた光伝搬層における機械的な強度を高めた光制御素子を製造することができる。

第１の実施形態の光制御素子１は、図１の斜視図に示すように、基板１０と光反射層１１と光伝搬層１２とを備える。光反射層１１は光反射層１１ａと光反射層１１ｂとを有し、光反射層１１ａと光反射層１１ｂとは光伝搬層１２を両側から挟んで対称的な構造をもつ。基板１０上には、光反射層１１ｂと光伝搬層１２と光反射層１１ａとが順に平行に積層されている。基板１０はシリコンなどで形成される。

光伝搬層１２は、図２のxz面内の平面図に示すように、フォトニック結晶配列部分１３と光導波路部分１４とを有する。

フォトニック結晶配列部分１３は、半径rのホール１５をピッチaで三角配列に配置した構成をもつ。ホール１５は、ホール１５の形成されていない部分より低い屈折率をもつ。なお、フォトニック結晶配列部分１３は、正方配列、蜂の巣配列などの配列をもつものであってもよい。ホール１５は、ホール１５の形成されていない部分より高い屈折率をもち、低屈折率媒質に高屈折率のピラーを構成した構造をもつものであってもよい。ホール１５は、円形以外の多角形構造などをもつものであってもよい。

光導波路部分１４は、フォトニック結晶配列部分１３の規則的な配列の中に、線状にホール１５を形成しない欠陥部分１６を設けることにより形成されている。光伝搬層１２内では光はフォトニック結晶配列により強い反射を受けて伝搬する。フォトニック結晶により構成される光の電磁界強度は、図３の強度分布図に示すように、欠陥部分に集中する。必要とされるフォトニック結晶配列の数は、背景屈折率により異なるが、伝搬方向と垂直な方向に５配列以上設けられていることが好ましく、１０配列以上であることがより好ましい。光導波路部分１４の必要領域は、光の電磁界強度分布により異なるが、欠陥部分１６から１配列分程度を取ることが好ましく、光の電磁界強度分布の最大値に対して(1/e)²に減少した範囲から(1/e)⁷に減少した範囲であることが好ましい。なお、欠陥部分１６は、光の通り道になっていればよく、フォトニック結晶配列を直線状に全てなくしたものであってもよく、飛び飛びで欠落しているものであってもよい。

図４(b)の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、光反射層１１ａは、導波部反射構造１７ａと配列部分反射構造１８ａとを有する。光反射層１１ｂは、導波部反射構造１７ｂと配列部分反射構造１８ｂとを有する。

導波部反射構造１７ａと導波部反射構造１７ｂとは、図４(c)のX3-X4断面図に示すような光導波路部分１４を層法線方向の両側から挟んでいる。配列部分反射構造１８ａと配列部分反射構造１８ｂとは、フォトニック結晶配列部分１３を層法線方向の両側から挟んでいる。

図４(a)のX1-X2方向に沿った光反射層１１ａの屈折率の分布図に示すように、導波部反射構造１７ａの屈折率は配列部分反射構造１８ａの屈折率より小さい。光反射層１１ｂのX1-X2方向に沿った屈折率分布も光反射層１１ａと同じである。具体的には、配列部分反射構造１８ａ及び配列部分反射構造１８ｂをAlGaAsの酸化層（屈折率約2）で形成し、導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂをポリマー（屈折率約1.5）で形成する。導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂは、光伝搬層１２において光の電磁界強度が集中している部分をカバーするように設けられており、光の電磁界強度が(1/e)²に減少した範囲から(1/e)⁷に減少した範囲を覆うものであることが好ましい。

なお、光反射層１１は、全体として光反射層１１を構成するものであれば、層厚方向に単一材質で形成されていないものであってもよく、多層膜材質や屈折率分布材質で形成されたものであってもよい。光伝搬層１２は、全体として光伝搬層１２を構成するものであれば、層厚方向に単一材質で形成されていないものであってもよく、光伝搬層１２と光反射層１１との界面で光が反射され、光伝搬層１２または光反射層１１として扱うことができるものであれば、光伝搬層１２及び光反射層１１の中間の性質を有する層を構成したものであってもよい。光伝搬層１２の厚さは、光が単一モードで伝搬する厚さであることが好ましく、1μm以下が好ましく、より好ましくは0.5μm以下である。例えば、シリコンで光伝搬層１２を形成する場合には厚みを0.2μm程度とすることが好ましい。光反射層１１の層厚は、0.5μm以上が好ましく、より好ましくは1μm以上である。

光伝搬層１２内のフォトニック結晶が形成されている方向（xz面内）では、フォトニック結晶により光は光導波路部分１４に強く閉じ込められる。層厚方向（xy面内）では、光は光伝搬層１２と光反射層１１との界面でのフレネル反射により反射され、光導波路部分１４に閉じ込められる。光伝搬層１２の屈折率が光反射層１１の屈折率よりも大きい場合、全反射が起こり、光は光導波路部分１４内に100％閉じ込められる。全反射が起こらず反射率が低い場合、一部の光が光反射層１１の方へ漏れていく。導波部反射構造１７は、屈折率2の配列部分反射構造１８ａ及び配列部分反射構造１８ｂにおいて放射する周波数の光を、全反射により閉じ込めることができる。

フォトニック結晶を利用しない通常の光導波路では、光伝搬層の屈折率が光反射層の屈折率よりも大きければ、全反射条件を満たす光の伝搬条件が存在する。一方、本実施形態の光導波路部分１４は、フォトニック結晶による波数変換効果により、光伝搬層１２の屈折率が、光反射層１１の屈折率よりも大きい場合であっても、全反射条件を満たさない波数での光伝搬がありえる。このことを、フォトニック結晶光導波路のフォトニックバンド構造から説明する。

図５は、２次元の平面波展開法により計算された、１列欠陥のフォトニック結晶光導波路である光導波路部分１４のフォトニックバンド計算結果を示すフォトニックバンド図である。フォトニックバンド図は、光導波路部分１４における光の進行方向に対して正射影したときのバンド曲線を示している。フォトニックバンド図の横軸は、波数ベクトルに対応し、規格化された波数であり、2π/aという単位をもつ。フォトニックバンド図の縦軸は、規格化周波数であり、ωを各周波数、c₀を真空中の光速と表すとき、ωa/2πc₀から計算される無次元量である。導波バンド２０は、フォトニックバンドギャップ２１内に存在するバンド曲線であり、光の伝搬モードのバンドを示している。導波バンド２０で特定された規格化周波数と波数とで、光は光導波路部分１４を伝搬する。

フォトニックバンド計算は、光伝搬層１２と光反射層１１とで構成された層構造を等価屈折率で近似したときの屈折率として3.0を設定して計算されている。等価屈折率は、例えば、GaAsからなる半導体層を、空気で挟み込んだエアブリッジ構造を形成したときの等価屈折率である。フォトニックバンド計算は、光伝搬層１２と光反射層１１とがシリコンオンインシュレータ（SOI）基板に形成された場合、異なる半導体を組み合わせた構造、ガラス、電気光学結晶などの光学結晶を用いて形成された場合など、屈折率差を生じる３層構造で形成されたものであれば、それに対応した等価屈折率を与えることで計算することができる。今回の計算では、電気的な横波に光を固定した場合のバンド曲線である。電気的な横波の光とは、電界が３層構造と平行に振動している光の波動状態を指す。光導波路部分１４は、屈折率3の２次元面内に、三角配列の屈折率1のホール１５を配置して構成され、１列の欠陥導波路を形成している。ホール１５の半径rと周期aとの関係はr/a=0.30として計算されている。

全反射による閉じ込め構造を考えた場合、バンドギャップ図中で傾き1/n_Rのライトライン２２と呼ばれる直線が規定され、ライトライン２２はバンドギャップ図を上側の放射領域２３と、下側の低損失伝搬領域２４とに分ける。ある波数に対し、ライトライン２２より大きな周波数をもつ放射領域２３にある光は、フォトニック結晶のバンド効果により光が閉じこめられずに放射する。低損失伝搬領域２４の導波バンド領域は、光導波路部分１４に光を閉じ込めることができる。光反射層１１の屈折率を小さくするほど、ライトライン２２の傾きは大きくなり、光を閉じ込めて伝搬するために利用できる導波バンド領域が大きくなる。光反射層１１として、屈折率1の空気を利用することにより、ライトライン２２は最大の傾きをもち、利用できる導波バンド領域が最も大きくなる。

全体を空気中に露出するエアブリッジ構造で光伝搬層１２を形成することにより、利用できる導波バンド領域を大きくすることができる一方、光伝搬層１２はサブミクロンの厚みしかもたないためエアブリッジ構造で形成すると機械的な強度が弱くなる。さらに、光伝搬層１２のフォトニック結晶への電界印加やキャリア注入は、誘電体媒質や半導体媒質を仲介しないため、困難になる。従来例で示したような、フォトニック結晶配列の外側から横方向での電極形成方式が取る場合、光導波路までの距離が遠くなり、効果的な電界印加やキャリア注入が困難になる。そのため、光伝搬層１２を何らかの材質で覆う必要がある。

屈折率が低い材質により光伝搬層１２を覆うと、光伝搬層１２のフォトニック結晶への電界印加やキャリア注入が困難となり、さらに、屈折率が2程度の半導体で形成される光反射層１１と比較して屈折率が小さい材質を光伝搬層１２側に用いると、ライトライン２２以下の低損失伝搬領域２４が極めて小さくなる。そのため、屈折率が低い材質により光伝搬層１２を覆う方法以外を用いることが望ましい。

第１の実施形態の光制御素子１によれば、導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂの屈折率を配列部分反射構造１８ａ及び配列部分反射構造１８ｂの屈折率より小さく形成しているため、伝搬に利用できる導波バンド領域を大きくするとともに、光伝搬層１２における機械的な強度を高めることができる。

第２の実施形態の光制御素子２は、第１の実施形態の光制御素子１において、図６の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂをの媒質を取り除き空気を充填している。伝搬に利用できる導波バンド領域を広げるためには、光導波路部分１４を挟む媒質は屈折率の低い媒質であることが望ましいことから、大気中で最も屈折率が低い媒質である空気により導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂを構成することにより、ライトライン２２より下の伝搬に利用できる導波バンド領域を最も広げることができる。

導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂは、光の電磁界強度が(1/e)²に減少した範囲から(1/e)⁷に減少した範囲を覆うものである場合、幅がsqrt(3)*a（3の正の平方根のa倍の値）の２倍から４倍程度となる。一方、エアブリッジ構造で光伝搬層１２を形成する場合には、フォトニック結晶配列部分１３全体、すなわち、フォトニック結晶１０配列分程度を露出する。従って、導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂは、空気で形成された場合であっても光伝搬層の露出部分の幅を2/5以下に抑えることができ、光伝搬層１２の機械的強度をはるかに強くすることができる。

導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂは、フォトニック結晶のピッチとはほぼ同様の500nm程度の光導波路部分１４を覆う場合、エアブリッジ構造とする場合の1/10以下の幅となるため、光導波路部分１４の機械的強度を強くすることができる。

第２の実施形態の光制御素子２によれば、フォトニック結晶配列部分１３における強度を高めることができるとともに、光導波路部分１４にパワーの大部分を集中している光を、空気と光伝搬層１２との界面に閉じ込め、上下にほとんど漏れることなく伝搬させることができる。

第３の実施形態の光制御素子３は、図７(a)の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において、基板１０側の光反射層１１ａは、導波部反射構造１７ａを形成する低屈折率媒質で光伝搬層１２の全体を覆っており、基板１０と反対側の光反射層１１ｂは、第１の実施形態と同様に導波部反射構造１７ｂと配列部分反射構造１８ｂとを有することにより屈折率分布の差を設けている。なお、光反射層１１は、基板１０と反対側の光反射層１１ａにおいて第１の実施形態と同様に導波部反射構造１７ａと配列部分反射構造１８ａとを設け、光反射層１１ｂにおいて導波部反射構造１７ｂを形成する低屈折率媒質で光伝搬層１２の全体を覆うものであってもよい。

光反射層１１は、図７(b)に示すように基板１０と反対側の光反射層１１ａを取り除き、光伝搬層１２を露出して空気にさらす構造とし、基板１０側の光反射層１１ｂのみに屈折率分布を設けたものであることが好ましい。光伝搬層１２の一方の面を屈折率の小さな空気にさらすことにより、ライトライン２２より下の伝搬に利用できる導波バンド領域を広くすることができる。

第３の実施形態の光制御素子３によれば、エアブリッジ構造を用いる場合と同程度に光を閉じ込めることができる。第３の実施形態の光制御素子３によれば、導波部反射構造１７の幅をフォトニック結晶のピッチとをほぼ同様の500nm程度とすることができ、エアブリッジの1/10以下の間隔を実現できるため、光導波路部分の機械的強度を強くすることができる。

第４の実施形態の光制御素子４は、図８の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において、導波部反射構造１７ａの幅と導波部反射構造１７ｂの幅とが異なる。より具体的には、導波部反射構造１７ａの幅は、導波部反射構造１７ｂの幅よりも狭い。

第４の実施形態の光制御素子４によれば、伝搬に利用できる導波バンド領域を大きくするとともに、製作時の位置合わせのトレランス（許容誤差範囲）を増加させることができる。

第５の実施形態の光制御素子５は、図９の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように第１の実施形態の光制御素子１において、導波部反射構造１７ａに構造屈折率媒質を用いている。構造屈折率媒質は、光の等価屈折率を変化させるための媒質であり、例えば、ナノ構造の空気柱や空気ホールを形成することにより、材質の屈折率よりも低い屈折率を実現できるものである。また、構造屈折率媒質は、ナノ構造の屈折率が高い媒質を導入することによって、等価的な屈折率を高くすることができる。構造屈折率媒質の代表的な構造として、ナノサイズのポーラスシリカ、微小球の密集構造などがある。

具体的には、導波部反射構造１７ａとして屈折率が小さい媒質を埋め込んだ構造屈折率媒質を形成することにより、等価的な屈折率として1.0から1.5を実現することができる。導波部反射構造１７ａの幅は、光伝搬層１２の両面で同じであっても、異なっていてもよい。なお、光反射層１１は、光伝搬層１２の両側の導波部反射構造１７ａと導波部反射構造１７ｂとを、ともに構造屈折率媒質で構成したものであってもよく、片面側のみを構造屈折率媒質で構成したものであってもよい。

第５の実施形態の光制御素子５によれば、構造屈折率媒質の導波部反射構造１７ａを備えることにより、ライトライン２２の傾きをより大きくし、ライトライン２２より下の伝搬に利用できる導波バンド領域をより広げることができ、さらに、機械的な強度を高めることができる。

第６の実施形態の光制御素子６は、図１０(b)の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において、光反射層１１にさらに屈折率変化部分１９ａと屈折率変化部分１９ｂとを有する。屈折率変化部分１９ａは、導波部反射構造１７ａと配列部分反射構造１８ａとの間に位置し、屈折率変化部分１９ｂは、導波部反射構造１７ｂと配列部分反射構造１８ｂとの間に位置する。

屈折率変化部分１９ａ及び屈折率変化部分１９ｂは、図１０(a)のX1-X2方向に沿った屈折率分布図に示すように、配列部分反射構造１８ａ及び配列部分反射構造１８ｂ側から導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂ側に向うにつれて屈折率をなだらかに変化させ、光パワーが集中している光導波路部分１４の中央付近の屈折率を最も低くしている。屈折率変化部分１９ａ及び屈折率変化部分１９ｂは、均一屈折率材料に紫外光や温度変化を与えることによって、屈折率を変化させて製造される。図１０(c)の平面図に示すように、導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂは材料を取り除いて空気を充填した構造をもつ。

屈折率変化部分１９ａ及び屈折率変化部分１９ｂを設けて屈折率を徐々に変化させていることにより、フォトニック結晶を反射体として光導波路部分１４を実現する構造において、フォトニック結晶配列部分１３にわずかにしみ出す電磁界を光導波路部分１４に閉じ込め、より伝搬損失を低減させる。屈折率変化部分１９ａ及び屈折率変化部分１９ｂは、空気で形成された導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂの幅を広げずに電磁界のしみ出しを抑制する構造であるため、光制御素子６全体の機械的な強度を高めることができる。

第６の実施形態の光制御素子６によれば、光のしみ出しを抑制して伝搬損失を低減するとともに、機械的な強度を高めることができる。

第７の実施形態の光制御素子７は、図１１(b)の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において光伝搬層１２のみに形成されていたフォトニック結晶配列が、光伝搬層１２と光反射層１１との３層構造全体に形成されている。３層構造全体に形成されるフォトニック結晶配列は、光伝搬層１２と光反射層１１との層構造を形成した後に、リソグラフィーとエッチング技術などにより３層同時に作りこむことで、製造することができる。

なお、フォトニック結晶配列の積層方向における高さは、光を閉じ込めるだけの高さであればよく、反射層全体に形成されていないものであってもよい。光反射層１１にフォトニック結晶配列を形成したときにフォトニックバンドギャップが開く屈折率を、光反射層１１の屈折率として設定することが好ましい。

第７の実施形態の光制御素子７によれば、光反射層１１に設けたフォトニック結晶の効果により光反射層１１への光のしみ出しを抑制することができる。

第８の実施形態の光制御素子８は、図１２(a)の光の進行方向に直交する平面による断面図、及び、図１２(b)の平面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において光伝搬層１２のみに形成されていたフォトニック結晶配列が、光伝搬層１２と光反射層１１との３層構造全体に形成されている。さらに、ホール１５の形状は、光導波路部分１４側からフォトニック結晶配列部分１３側へと変化している。具体的には、光導波路部分１４に近い２列のホール１５が他の列のホール１５の形状よりも大きく形成されている。ホール１５の形状が大きくされた光導波路部分１４に近い領域では、屈折率が小さくなる。

なお、ホール１５の形状の変化は、半径が徐々に変化するものであってもよい。ホール１５の半径を大きいものから小さいものへと徐々に変化させることにより、光反射層１１の等価的な屈折率を、光導波路部分１４の中心へ近づくにつれて徐々に小さくすることができる。なお、ホール１５の形状変化は上記効果を実現できる構造であれば、半径の変化のほか、ホール１５自体の形の変化、ホール１５以外の形状の付加など、他の形状変化であってもよい。

第８の実施形態の光制御素子８によれば、屈折率を徐々に変化させることにより光導波路部分１４の光の積層方向へのしみ出しを抑制することができ、より低損失で光を伝搬することができる。

第９の実施形態の光制御素子９は、図１３(a)の光の進行方向に直交する平面による断面図、及び図１３(b)の平面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において光伝搬層１２のみに形成されていたフォトニック結晶配列が、光伝搬層１２と光反射層１１との３層構造全体に形成されている。さらに、ホール１５の積層方向の高さは、光導波路部分１４側からフォトニック結晶配列部分１３側へと徐々に変化している。具体的には、ホール１５の高さは、光導波路部分１４に近い所で最も高く、フォトニック結晶配列部分１３に近づく方向に徐々に低くなる。光反射層１１の等価的な屈折率は、光導波路部分１４の中心に近づくにつれて徐々に小さくなる。

なお、ホール１５の高さは、光導波路部分１４とフォトニック結晶配列部分１３との境界付近でのみ変化するものであってもよい。なお、ホール１５は、積層方向に不均一な形状をもつものであってもよく、光伝搬層１２から離れるにつれて小さくなったり、大きくなったりするものであってもよい。ホール１５の積層方向における形状変化により、等価屈折率を調整することができる。

第９の実施形態の光制御素子９によれば、屈折率を徐々に変化させることにより光導波路部分１４の光の積層方向へのしみ出しを抑制することができ、より低損失で光を伝搬することができる。

第１０の実施形態の光制御素子２５は、図１４の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１にさらに電極３０ａと電極３０ｂとを備えている。電極３０ａ及び電極３０ｂは、光反射層１１ａの光伝搬層１２と反対側の面において、導波部反射構造１７ａを挟んで両側の配列部分反射構造１８ａと配列部分反射構造１８ｂとに積層されている。

光伝搬層１２は、電界により屈折率変化するようなアクティブな構造であり、光変調器、光スイッチなどへの応用することができる。高速な屈折率変化を起こすためには、光伝搬層１２は電気光学効果を示す材料で構成されていることが望ましい。

光制御素子２５の製造方法の一例を図１５の製造過程における平面図及び断面図を用いて説明する。まず、図１５(a)に示すように、土台となる基板１０上に、光反射層１１ｂを形成する。光反射層１１ｂは、プラズマＣＶＤ、スピンコート、スパッタ、結晶成長など、材料に適した成膜方法を選択して形成される。次に、図１５(b)に示すように、成膜された光反射層１１ｂにパターニングにより導波部反射構造１７ｂに対応した形状を転写し、転写した部分を低屈折率媒質で埋める。導波部反射構造１７ｂを空気で形成する場合は埋める必要はない。次に、図１５(c)に示すように、光伝搬層１２を形成する。光伝搬層１２の形成方法としては、光反射層１１ｂを形成した成膜方法と同じ方法を取ることができる。次に、図１５(d)に示すように、光伝搬層１２にリソグラフィーとエッチングによりフォトニック結晶配列を形成する。次に、図１５(e)に示すように、光伝搬層１２の上部に光反射層１１ａを形成する。次に、図１５(f)に示すように、位置合わせなどをしながら光反射層１１ａに、低屈折率媒質を埋める部分をパターニングし、さらに低屈折率媒質を埋める。次に、図１５(g)に示すように、電極３０ａ及び電極３０ｂを形成するとともに、電極３０ａ及び電極３０ｂに電圧を印可する引き出し電極を同時に形成する。リソグラフィーには、電子ビーム描画の他、フォトリソグラフィー、レーザ加工などが利用でき、エッチングは、プラズマエッチングによるドライエッチングの他に、薬品によるウェットエッチングが利用できる。なお、光伝搬層１２が低屈折率媒質である場合、光伝搬層１２を形成する方法は接合などの方式であってもよい。具体的には、接合により作成する場合、基板に予め光反射層１１ａを形成しておき、次に、フォトニック結晶を形成しない状態で形成されている光伝播層１２の材料を接合し、光伝播層１２の膜厚を調整し、予め形成された光反射層１１ｂを接合し、光反射層１１ａと光伝播層１２と光反射層１１ｂとにフォトニック結晶配列を形成する。

光伝搬層１２は、印加された電界に依存して屈折率を変化させるポッケルス効果やカー効果等の電気光学効果を有する材料であれば、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸チタン及びＫＴＰ等の無機結晶、ＰＺＴ及びＰＺＬＴなどのセラミックス、アゾ色素、スチルベンゼン色素及びダストなどの有機分子または有機結晶、並びに量子井戸構造を有する半導体結晶などであってもよい。

光伝搬層１２は、ADP（NH₄H₂PO₄）、KDP（KH₂PO₄）、DKDP（KD₂PO₄）、RDP（RbH₂PO₄）、RDA（RbH₂AsO₄）、LN、LT、KN、KT、BNN、SBN、LI、BBO、LBO、BSO、GaAs、GaP、InP、ZnTe、ZnSe、ZnS、ZnO、CdTe、CdS、CdSe、Te、Se、Ag₃AsS₃、Ag₃SbS₃、AgGaS₂、AgGaSe₂、ZnGeP₂、GdGeAs₂、Bi₁₂SiO₂₀、Bi₁₂GeO₂₀、Bi₁₂TiO₂₀、KTiOAsO₄、KTiOPO₄、BaTiO₃、SrTiO₃、KTaO₃、KTa_0.65Nb_0.35O₃、Cd₂Nb₂O₇、LaBGeO₅や、PZT、PLZT等のセラミックス、Ga、In、Al、As、P、N、Sb、Zn、SeのIII-V族及びII-VI族半導体混晶である半導体量子井戸構造などの無機光学材料で形成してもよい。

また光伝搬層１２は、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダスト、ポリジアセチレン、mNA、MNA、MAP、POM、DAN、DIVA、NPP、COANP、MNBA、MMONS、MBANP、TC-28、DNBB、DMNP、MNA、MNP、MMNA、PCNB、ECNB、IPMPU、ECPMDA、p-NMDA、MNPMDA、4NpNa、ホストゲスト系材料、高分子側錯あるいは主錯にNLO基を化学結合した修飾型材料、架橋系材料などの有機光学材料で形成してもよい。

有機光学材料のホストゲスト系材料として、LCP、PMMA、POE、Poly(Vp-co-St)、PVP、PRO、PCL、PBSSe、PBDGなどのホストポリマーと、DANS、DANS₃₃、DR1、DCV、TCV、p-NMDA、p-NA、p-DMNP、CPABMCA、MNAなどのゲスト色素との組み合わせを用いることができる。

高分子側錯あるいは主錯にNLO基を化学結合した修飾型材料では、NLOポリマーとして、Poly(St-DR1)、Poly(St-DASP)、Poly(St-NPP)、Poly(MMA-HNS)、Poly(MMA-co-MMA-DCV)、Poly(St-co-MAAB)、Poly(St-co-MABA)、Poly(St-co-MA-CM)、Poly(MMA-co-MMA-DR1)、Poly(organopho-sphazene-ANS)、PPNA、Poly(VA-co-Vat-NA)、Poly(VAc-co-Vat-NA)、Poly(ST-NA)、Poly(MMA-NA)、Poly(MMA-co-MMA-2R)、Poly(MMS-co-MMA-3R)、P6CS/MMA、ポリアリルアミン、pNA-EG、PMMA/MNA、pNA-PVA、Poly(VDCN-co-VAc)、MSMAなどを用いることができ、架橋系材料として（架橋モノマーポリマー、NLO色素）の組み合わせで、（Bis-A、NPDA）、（Bis-A、ANT）、（NNDN、NAN）、（DGE+PS(O)、NPP）、（PVCN、CNNB-R）などを用いることができ、LB膜材料として、DCAMP、FA6、PO86、AODA、TMSC、Poly(HEA-co-A-ASB)、PtBMなどを用いることができ、高分子系３次非線形光学材料として、ポリジアセチレン（PTS、TCDU、DCHDFMP、BTFP、mBCMU）、ポリアセチレン誘導体、ポリフェニルアセチレン誘導体、ポリアリレンビニレン（PPV、PTV、MO-PPV、PFV）、ポリチオフェン、アヌレン類、フタロシアニン、フラーレンなどを用いることができる。

光反射層１１ａ及び光反射層１１ｂは、光伝搬層１２よりも屈折率が小さい媒質で形成されていればよく、光反射層１１ａ及び光反射層１１ｂの屈折率と光伝搬層１２の屈折率との差が大きいほど好ましい。例えば、光伝搬層１２に屈折率約2.2のニオブ酸リチウムを用いる場合、光反射層１１ａ及び光反射層１１ｂには、屈折率約1.45の熱酸化シリコン、屈折率約1.3のフッ化マグネシウム（MgF₂）、屈折率約1.5の水晶などを用いることができ、熱酸化シリコン、フッ化マグネシウム及び水晶はスパッタ装置などを用いて比較的容易に成膜できる。

光反射層１１ａ及び光反射層１１ｂは、それぞれ単層で形成する他、反射率を高く確保できれば、SiO₂、Al₂O₃、MgO、ZrO₂、ZnO、Ta₂O₅、TiO₂、Nb₂O₂などの誘電体を組み合わせた多層膜や、Si、GaAs、InPなどの半導体を組み合わせた多層膜で形成してもよい。多層膜の材料の組み合わせにより、屈折率差を適切に選ぶことができる。屈折率差を大きする場合の多層膜のペア数は少なく、屈折率差を小さくする場合の多層膜のペア数は多い。屈折率及びペア数は、製造方法などによって選択することができる。

誘電体多層膜は、例えば、光学フィルタなどで最も良く用いられるスパッタ、電子ビーム蒸着、イオンプレーティングなどにより、１００層以上成膜することができる。半導体多層膜は、例えば、分子線ビームエピタキシー（MBE）法や有機金属気相成長（MOCVD）法により材料すなわち屈折率の異なる膜を成膜できる。多層膜の形成方式は面発光レーザのDBRの形成に用いられる方式をそのまま利用することができる。

導波部反射構造１７ａを挟んだ両側の電極３０ａと電極３０ｂとの間に、電源３１から電圧が印加されると、光導波路部分１４には光の進行方向に直交し、かつ、光伝搬層１２に平行な方向の電界が形成される。光導波路部分１４に形成される電界により、光導波路部分１４及び周辺を構成する電気光学効果を示す材料の誘電率が変わる。誘電率を変化させることにより、光導波路部分１４において伝搬が許容される波長を変化させ、伝搬する光の強度、位相、偏光方向などを切り替えたりすることができる。

しみだし量は、ホール１５と光伝搬層１２との屈折率差により変化するが、例えば、光反射層１１への光のしみだしが5μm以下である場合、電極３０ａと電極３０ｂとの距離を5μm程度まで近づけることができる。電極３０ａと電極３０ｂとの間隔を近接して配置させることにより、低電圧でも光導波路部分１４に大きな電界を形成し、屈折率変化の幅を大きく取ることができる。

第１０の実施形態の光制御素子２５によれば、光反射層１１ａの配列部反射構造１１ａの部分に電極３０ａと電極３０ｂとを形成することにより、導波部反射構造１７ａに設ける場合に比較して光伝搬層１２の光に対する電極３０ａ及び電極３０ｂの吸収などの影響を少なくし、かつ、電界を近接して印可することができる。

なお、光制御素子２５は、電流注入によるキャリア注入を行うものであってもよく、電界を形成する場合と同様の電極３０ａ及び電極３０ｂを構成することにより、高効率にキャリア注入をすることができる。

なお、光制御素子２５は、図１６に示すように、光伝搬層１２に形成するフォトニック結晶を光反射層１１、電極３０ａ、及び電極３０ｂにも形成した構造であってもよい。光伝搬層１２に加えて光反射層１１、電極３０ａ、及び電極３０ｂにもフォトニック結晶を形成する場合、光伝搬層１２と光反射層１１と電極３０ａと電極３０ｂとを含む層構造を形成した後に、フォトニック結晶をパターニングすることが望ましい。フォトニック結晶を形成する前に電極３０ａ及び電極３０ｂを構成することにより、フォトニック結晶を形成してから電極３０ａ及び電極３０ｂを構成する場合のようなフォトニック結晶内部への電極材料の一部混入などの影響を低減することができる。

なお、光制御素子２５は、図１７のように、光伝搬層１２及び光反射層１１を貫通し電極３０ａに接続されたスルーホール３２ａと、光伝搬層１２及び光反射層１１を貫通し電極３０ｂに接続されたスルーホール３２ｂとを形成し、スルーホール３２ａ及びスルーホール３２ｂの内部まで電極３０ａ及び電極３０ｂを形成したものであってもよい。光伝搬層１２及び光反射層１１の層構造内部にまで電極３０ａ及び電極３０ｂを設けることにより、光導波路部分１４に対して一様に電界を印可することができる。

第１１の実施形態の光制御素子２６は、図１８の光の進行方向に直交する平面による断面図に示すように、第１０の実施形態の光制御素子２５において、基板１０と光反射層１１ｂとの間にさらに電極３０ｃを備える。光伝搬層１２と光反射層１１ａと光反射層１１ｂとで構成された３層構造の両外側を、電極３０ａ及び電極３０ｂと電極３０ｃとで挟み、電極３０ａと電極３０ｃとの間に電源３３ａにより電圧を印加し、電極３０ｂと電極３０ｃとの間に電源３３ｂにより電圧を印加することにより、層構造全体に一様に電界を印可することができる。

光制御素子２６は、基板１０に電極３０ｃを形成し、電極３０ｃ上に光反射層１１ｂと光伝搬層１２を形成し、光伝搬層１２にフォトニック結晶配列を形成してから、反対側の光反射層１１ａを形成し、最後に電極３０ａ及び電極３０ｂを形成することにより製造することができる。電極３０ａ、電極３０ｂ、及び電極３０ｃは、蒸着法や、スパッタ、イオンプレーティング、電鋳方法などの一般的な電極形成方法により形成することができる。

第１１の実施形態の光制御素子２６によれば、電界を光伝搬層１２のフォトニック結晶構造全体にほぼ均一に印可することができるとともに、導波部反射構造１７ａ及び導波部反射構造１７ｂに電極３０ａ及び電極３０ｂが重ならないことにより光導波路部分１４への吸収などの影響を少なくすることができ、伝搬損失を低くすることができる。第１１の実施形態の光制御素子２６によれば、電極間隔を近接させることができるため、低電圧で駆動することができる。

光制御素子の斜視図である。 光伝搬層の平面図である。 光伝搬層における電磁界強度の分布図である。 光制御素子の断面図、光反射層の屈折率の分布図、光伝搬層の断面図である。 フォトニックバンドギャップ図である。 第２の実施形態の光制御素子の断面図である。 第３の実施形態の光制御素子の断面図である。 第４の実施形態の光制御素子の断面図である。 第５の実施形態の光制御素子の断面図である。 第６の実施形態の光制御素子の断面図、光反射層の屈折率の分布図、光伝搬層の断面図である。 第７の実施形態の光制御素子の断面図及び平面図である。 第８の実施形態の光制御素子の断面図及び平面図である。 第９の実施形態の光制御素子の断面図及び平面図である。 第１０の実施形態の光制御素子の断面図である。 第１０の実施形態の光制御素子の製造過程を示す図である。 他の第１０の実施形態の光制御素子の断面図である。 他の第１０の実施形態の光制御素子の断面図である。 第１１の実施形態の光制御素子の断面図である。

符号の説明

１；光制御素子、２；光制御素子、３；光制御素子、４；光制御素子、５；光制御素子、
６；光制御素子、７；光制御素子、８；光制御素子、９；光制御素子２５；基板、
１１；光反射層、１１ａ；光反射層、１１ｂ；光反射層、１２；光伝搬層、
１３；フォトニック結晶配列部分、１４；光導波路部分、１５；ホール、
１６；欠陥部分、１７ａ；導波部反射構造、１７ｂ；導波部反射構造、
１８ａ；配列部分反射構造、１８ｂ；配列部分反射構造、２０；導波バンド、
２１；フォトニックバンドギャップ、２２；ライトライン、２３；放射領域、
２４；低損失伝搬領域、２５；光制御素子、２６；光制御素子、３０ａ；電極、
３０ｂ；電極、３０ｃ；電極、３２ａ；スルーホール、３２ｂ；スルーホール、
３３ａ；電源、３３ｂ；電源。

Claims (13)

1. 光伝搬層と光反射層とを備え、
   前記光伝搬層は、フォトニック結晶配列部分と光導波路部分とを有し、前記フォトニック結晶配列部分は規則的なフォトニック結晶配列をもち、前記光導波路部分は前記フォトニック結晶配列の規則性に欠陥をもたせて形成され、
   前記光反射層は、配列部反射構造と導波部反射構造とを有し、前記配列部反射構造は前記フォトニック結晶配列部分に積層され、前記導波部反射構造は前記光導波路部分に積層され、前記配列部反射構造の屈折率と前記導波部反射構造の屈折率とが異なることを特徴とする光制御素子。
2. 前記導波部反射構造は外気で構成される請求項１に記載の光制御素子。
3. 前記導波部反射構造は前記配列部反射構造と異なる材質で形成されている請求項１または請求項２に記載の光制御素子。
4. 前記導波部反射構造と前記配列部反射構造との境界で屈折率が徐々に変化している請求項１から請求項３のいずれかに記載の光制御素子。
5. 前記光反射層は、フォトニック結晶配列をもつ請求項１から請求項４のいずれかに記載の光制御素子。
6. 前記光反射層のフォトニック結晶配列は、前記導波部反射構造側から前記配列部反射構造側に向うにつれて形状が変化している請求項１から請求項５のいずれかに記載の光制御素子。
7. 前記光反射層のフォトニック結晶配列の形状の変化は、層厚方向の高さの変化である請求項６に記載の光制御素子。
8. 前記光反射層の前記光伝搬層と反対側の面内で、前記導波部反射構造を挟んで両側に配置された電極を備える請求項１から請求項７のいずれかに記載の光制御素子。
9. 前記光反射層は、前記光伝搬層の片面のみに形成されている請求項１から請求項８のいずれかに記載の光制御素子。
10. 前記光反射層は、前記光伝搬層の両面に形成されている請求項１から請求項８のいずれかに記載の光制御素子。
11. 前記光伝搬層の両側で前記導波路反射構造の幅が異なる請求項１０に記載の光制御素子。
12. 前記光反射層は、前記光伝搬層の両面に形成されており、前記光反射層と前記光伝搬層とを挟んだ層法線方向両側に配置した電極を備える請求項１から請求項９のいずれかに記載の光制御素子。
13. 光伝搬層と第１の光反射層と第２の光反射層とを備え、前記光伝搬層は、フォトニック結晶配列部分と光導波路部分とを有し、前記フォトニック結晶配列部分は規則的なフォトニック結晶配列をもち、前記光導波路部分は前記フォトニック結晶配列の規則性に欠陥をもたせて形成され、前記第１の光反射層と前記第２の光反射層とは、それぞれ配列部反射構造と導波部反射構造とを有し、前記配列部反射構造は前記フォトニック結晶配列部分に積層され、前記導波部反射構造は前記光導波路部分に積層され、前記配列部反射構造の屈折率と前記導波部反射構造の屈折率とが異なる光制御素子を製造する光制御素子製造方法であって、
    前記第１の光反射層にあらかじめ形成された光伝搬層を接合し、
    前記光伝搬層の厚みを調整し、
    前記光伝搬層に前記第２の光反射層を接合し、
    前記第１の光反射層と前記光伝搬層と前記第２の光反射層とに、前記フォトニック結晶配列をパターニングすることにより請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光制御素子を製造する光制御素子製造方法。

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