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エアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶及びその製造方法 外国出願あり

国内特許コード P140010808
整理番号 246
掲載日 2014年8月8日
出願番号 特願2003-307657
公開番号 特開2005-077711
登録番号 特許第4063740号
出願日 平成15年8月29日(2003.8.29)
公開日 平成17年3月24日(2005.3.24)
登録日 平成20年1月11日(2008.1.11)
発明者
  • 野田 進
  • 浅野 卓
  • 田中 良典
  • 初田 蘭子
出願人
  • 国立大学法人京都大学
  • TDK株式会社
発明の名称 エアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶及びその製造方法 外国出願あり
発明の概要 【課題】 高い機械的強度を有し、且つ共振器の性能が高い2次元フォトニック結晶を提供する。
【解決手段】 本発明の2次元フォトニック結晶、本体層11の下部に、SiO2基板層12及びSi基板層13から成る基板を有する。本体層11に周期的に空孔15が配置されることにより2次元フォトニック結晶が形成される。また、この空孔15の周期的配列の一部が欠損した点状欠陥16を有する。点状欠陥16は特定の波長の光を共振する共振器として機能する。点状欠陥16に面してSiO2基板層12の所定の範囲に空間17を設ける。この構成では、空間17を設けた範囲以外では、本体層11が基板に支えられるため、2次元フォトニック結晶の機械的強度が高い。また、点状欠陥16の下部には空間17が存在するため、本体層11と空気の屈折率の差により、点状欠陥16において光が閉じこめられ易いこと等により、点状欠陥16は高い性能を有する共振器となる。
【選択図】 図2
従来技術、競合技術の概要



近年、周期屈折率分布をもった光学機能材料であるフォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶は、その周期屈折率分布により光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造が形成され、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域(フォトニックバンドギャップ)が形成されるという特徴を有する。なお、本明細書において用いる「光」には、電磁波を含むものとする。





フォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、エネルギー準位(欠陥準位)がフォトニックバンドギャップ中に形成される。これにより、フォトニックバンドギャップ中のエネルギーに対応する波長(周波数)範囲のうち、欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみがその欠陥の位置において存在可能になる。この欠陥を線状に設けることにより導波路が形成され、点状に設けることにより光共振器が形成される。この点状欠陥において共振する光の波長(共振波長)はその形状や屈折率に依存する。





この共振器及び導波路を用いて様々な光デバイスを作製することが検討されている。例えば、この共振器を導波路の近傍に配置することにより、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を導波路から共振器を介して外部へ取り出す分波器として機能すると共に、共振器の共振波長を有する光を外部から共振器を介して導波路に導入する合波器としても機能する分合波器となる。このような分合波器は、例えば光通信の分野において、一本のファイバに複数の波長の光を伝播させてそれぞれの波長の光に別個の信号を乗せる波長分割多重方式通信に用いることができる。





フォトニック結晶には1次元結晶、2次元結晶及び3次元結晶があるが、このうち2次元フォトニック結晶は製造が比較的容易であるという利点を有する。その一例として、特許文献1には、高屈折率の板材(スラブ)に、その材料よりも屈折率の低い物質を周期的に配列した2次元フォトニック結晶であって、その周期的配列を線状に欠陥させた導波路と、周期的配列を乱す点状欠陥を導波路に隣接して設けた2次元フォトニック結晶及び光分合波器が記載されている。ここで、低屈折率物質の周期的な配列は、スラブに周期的に空孔を開けて形成することができる。





【特許文献1】

開2001-272555号公報([0019]~[0032]、図1)





特許文献1の2次元フォトニック結晶においては、スラブは空気中に配置されている。スラブと空気とでは屈折率の差が大きいことから両者の境界では光が全反射する。そのため、この2次元フォトニック結晶では、スラブの面に垂直な方向に光のエネルギーが損失し難い。スラブの面に平行な方向には、フォトニックバンドギャップにより光のエネルギーの損失が防がれる。





特許文献1に開示されているように、一般にスラブはかなり薄くする必要がある(実施例では約0.25μm)ため、厚さ方向の強度が低い。特に、スラブに多数の空孔を設けることで形成された2次元フォトニック結晶では、更に厚さ方向の強度は低下する。厚さ方向の強度が低いと、例えば製造上での歩留まりが悪くなる等の問題が生じる。





2次元フォトニック結晶の強度を高める構成として、結晶を基板上に載置した2次元フォトニック結晶(以下、「基板付フォトニック結晶」とする)が考えられる。この場合、結晶の上面は空気と接するのに対して、結晶の下面は基板と接する。





しかし、このような基板付フォトニック結晶に点状欠陥を設けた場合、スラブの上下共に空気である2次元フォトニック結晶(以下、「無基板フォトニック結晶」)に点状欠陥を設けた場合よりも点状欠陥の共振器としての特性が低下する。図1に、基板の有無を除いて同じ形状を有する無基板フォトニック結晶((a))と基板付フォトニック結晶((b))にそれぞれ同じ点状欠陥を設けた場合について、共振器の共振波長スペクトルの実験値を示す。(a)よりも(b)の方がスペクトルの半値幅が広い。そのため、基板付フォトニック結晶は無基板フォトニック結晶の場合よりも共振器の波長分解能が低い。また、共振器の性能を示す値であるQ値は、(a)ではQ=2350であるのに対して(b)ではQ=280と小さく、基板付フォトニック結晶の方が共振器から損失する光のエネルギーが大きい。

産業上の利用分野



本発明は、波長分割多重通信等の分野において分合波器等に用いられる2次元フォトニック結晶及びその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
a)スラブ状の本体と、
b)前記本体の下面に設けた基板と、
c)前記本体に所定の周期で格子状に配置された複数の、本体とは屈折率の異なる領域と、
d)前記異屈折率領域の欠陥を点状に設けて成る点状欠陥と、
e)前記本体の前記異屈折率領域を設けた範囲の一部分の範囲のみに面して基板に設けたエアブリッジ空間と、
を備え、前記点状欠陥は前記一部分の範囲内に設けられていることを特徴とするエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項2】
前記異屈折率領域は本体に空孔を設けることにより形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項3】
前記点状欠陥を複数設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項4】
前記エアブリッジ空間の範囲は、本体の面内の少なくとも1方向について、前記点状欠陥の外縁から外方に異屈折率領域の周期の1~25周期分であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項5】
前記エアブリッジ空間の深さは異屈折率領域の周期の2倍以上であることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項6】
前記点状欠陥の近傍に、前記異屈折率領域の欠陥を線状に設けて成る導波路を更に備えることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項7】
前記導波路の一部は、前記エアブリッジ空間に面するエアブリッジ導波路部であり、該エアブリッジ導波路部における導波路の幅が他の部分の導波路の幅よりも所定の大きさだけ広いことを特徴とする請求項6に記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶。

【請求項8】
本体層と基板層が積層して成る板材から2次元フォトニック結晶を製造する方法において、
a)前記本体層を貫通するエッチング剤導入用空孔を形成する空孔形成工程と、
b)エッチング剤導入用空孔を通してエッチング剤を導入することにより、前記エッチング剤導入用空孔の周囲の基板層をエッチングして該基板層空間を形成するエアブリッジ空間形成工程と、
c)前記本体層の所定の範囲内に所定の大きさだけ本体層を除去して成る空孔を周期的に形成すると共に、前記空孔の点状の欠陥を形成する2次元フォトニック結晶形成工程と、
を有し、
前記空間は前記本体層の前記空孔を形成した範囲内の一部分の範囲のみに面するように前記基板層に形成され、
前記点状欠陥は、前記一部分の範囲内に設けられること、
を特徴とするエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶の製造方法。

【請求項9】
前記2次元フォトニック結晶形成工程において、前記点状欠陥の近傍に、前記空孔の線状の欠陥を設けることにより導波路を形成することを特徴とする請求項8に記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶の製造方法。

【請求項10】
前記導波路の一部を、前記空間に面したエアブリッジ導波路部とし、該エアブリッジ導波路部における導波路の幅が他の部分の導波路の幅よりも所定の大きさだけ広くなるように導波路を形成することを特徴とする請求項9に記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶の製造方法。
ク結晶の製造方法。

【請求項11】
前記板材の本体層はSiから成り、基板層にあって少なくとも前記空間が形成される層はSiO2から成ることを特徴とする請求項8~10のいずれかに記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶の製造方法。

【請求項12】
前記エッチング剤はフッ化水素溶液であることを特徴とする請求項11に記載のエアブリッジ構造を有する2次元フォトニック結晶の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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