WO2006095648A1

WO2006095648A1 - ３次元フォトニック結晶及びその製造方法

Info

Publication number: WO2006095648A1
Application number: PCT/JP2006/304093
Authority: WO
Inventors: Susumu Noda; Makoto Okano; Masahiro Imada; Shigeki Takahashi
Original assignee: Kyoto University
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2006-09-14
Also published as: US20080131660A1; JP5087772B2; JPWO2006095648A1; US8009953B2

Abstract

　本発明の目的は、任意の形状、大きさの欠陥構造を内部に形成することができる３次元フォトニック結晶を提供することにある。基材表面に対して斜めに、異なる２方向に延びる孔を多数形成することにより、第１結晶１１及び第２結晶１２を形成する。孔の間に残った基材がロッド１４となる。また、一部のロッド１５が第１結晶１１及び第２結晶１２のロッド１４と大きさが異なる接続結晶層１３を形成する。第１結晶１１と第２結晶１２の間に接続結晶層１３を挟んでそれらを接合する。こうして得られた３次元フォトニック結晶１０においてロッド１５は点欠陥となる。点欠陥１５の形状及び大きさは、接続結晶層１３内のいずれの方向にも任意に設定することができる。また、点欠陥１５の形状及び大きさは接続結晶層の厚さを調整するによっても制御することができる。

Description

明細書

3次元フォトニック結晶及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、光共振器、光導波路、それらを組み合わせた光 IC素子、光共振器を用レ、たレーザ発振器等に適用することができる 3次元フォトニック結晶及びその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光機能材料であり、光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域 (フオトニックバンドギャップ）が形成されることが特徴である。

[0003] フォトニック結晶の屈折率分布の中に屈折率分布の乱れ (欠陥）を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位 (欠陥準位)が形成される。これによつて、フォトニックバンドギャップ中の欠陥準位のエネルギーに対応する波長の光のみが、この欠陥位置において存在可能になる。これにより、フォトニック結晶内に、点状の欠陥から成る光共振器や線状の欠陥から成る光導波路等の光回路素子を設けることができる。 1個のフォトニック結晶内にこれらの光回路素子を多数設けて光集積回路を構成することにより、このフォトニック結晶は光 IC素子となる。これまでの光通信等の分野においてはディスクリートな光回路素子を個々に接続して用いているが、光 IC素子を用いることにより回路を超小型化することができる。

[0004] フォトニック結晶には、 2次元フォトニック結晶と 3次元フォトニック結晶がある。このうち 3次元フォトニック結晶は、 2次元フォトニック結晶と比較して、欠陥位置に存在する光が外部に漏出し難いという特長を有する。特許文献 1には、空気より屈折率の高い物質力構成されるロッドを互いに平行に周期的に配列してなるストライプ層を複数積層したものであって、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し、次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれた構造を有する 3次元フォトニック結晶について記載されている。また、この文献には、この 3次元フォトニック結晶を構成するロッドに線状の欠陥を設けることにより光導波路を形成することが記載されている。

[0005] 更に、特許文献 1にはこの 3次元フォトニック結晶の製造方法が記載されている。その概要は以下の通りである。

まず、基板上にロッドの材料から成る平板の材料層を形成する。この材料層にフォトリソグラフィ一と RIE (Reactive Ion Etching)を用いてストライプ構造を形成する。同じストライプ構造を形成した 2枚の基板付の材料層を、ロッドが互いに直交するようにロッド面同士を重ねて加熱することにより融着させる。そして、一方の基板を除去することにより、 1枚の基板上にストライプ層を 2層重ねた構造体が得られる。この構造体を 2 個作製し、前記同様、最上面のストライプ層のロッド同士が直交し、かつ、間に 1層置いた 2つのストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれて配置されるように重ね、最上面のストライプ層同士を加熱により融着させる。これにより、ストライプ層を 4層重ねた構造体が得られる。同様の操作を繰り返すことにより、 8層、 16層、…のストライプ層力成る 3次元フォトニック結晶が得られる。以下、この方法を「融着法」という。

[0006] 特許文献 2には、ロッドに点欠陥を設けた 3次元フォトニック結晶が記載されている。この点欠陥には、ロッドの一部を欠損させてそこに形状や屈折率等の異なる物体を配置したもの、ロッドを欠損させることなくロッドに部材を取り付けたもの、ロッド自体の形状を変化させた (太くした/細くした)もの、等がある。この点欠陥は、その形状ゃ大きさ、ロッドに対する位置 (変位）により定まる所定の周波数の光に共振する共振器となる。この共振器は前記のように光 IC素子の構成要素になる。また、欠陥部に発光体を導入することにより、光が点欠陥において共振して発光するレーザ光源として用いることちでさる。

[0007] 特許文献 1 :特開 2001-074955号公報（[0007]， [0028]〜[0035]，図 1，図 8)

特許文献 2：特開 2004-006567号公報（[0013]〜[0015]，図 3〜図 4)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 特許文献 2に記載の 3次元フォトニック結晶において光共振器、光導波路は、 3次元フォトニック結晶中に点欠陥、線状欠陥を導入することで形成される。しかし、従来の融着法では、ストライプ層を多層化することにより 3次元フォトニック結晶を作製しているため、欠陥の形状、大きさ等に制約が存在する。欠陥の積層方向の大きさは、ストライプ層（ロッド）の厚さに制約される。つまり、積層方向の欠陥サイズはストライプ層の厚さの整数倍しか選択できないことになる。また、ストライプ層 1層分の厚さで、 2つのストライプ層に跨るような欠陥構造の作製は困難であり、欠陥形状に対する制約も大きいという問題がある。

[0009] また、これらの 3次元フォトニック結晶を製造する際に用いられる融着法は、ストライプ層同士を融着する工程を繰り返し行う必要があるうえ、 1回の融着の際に 2個の構造体の位置を正確に合わせる必要があるため、手間を要する。

[0010] 本発明の課題は、ロッドの大きさや形状等に制約されることなぐ任意の形状、大きさの点欠陥を内部に形成することができる 3次元フォトニック結晶を提供することである。併せて、この 3次元フォトニック結晶及び点欠陥のない 3次元フォトニック結晶を容易に製造することができる方法を提供する。

課題を解決するための手段

[0011] 上記課題を解決するために成された本発明に係る 3次元フォトニック結晶は、

a)誘電体力成る基材内に、 2次元の周期パターンを成す多数の孔が基材表面に対して斜めに、異なる 2方向から穿孔されて成る 3次元フォトニック結晶から成る第 1 結晶及び第 2結晶と、

b)第 1結晶と第 2結晶の間に介揷された所定の厚さを有する誘電体力なるフォトニック結晶層であって、一部において第 1結晶及び第 2結晶と不整合であり、他の部分において第 1結晶及び第 2結晶と整合している接続結晶層と、

を備えることを特 ί敷とする。

[0012] この 3次元フォトニック結晶では、上記不整合により接続結晶層に欠陥が形成される。そして、第 1結晶及び第 2結晶の、接続結晶層との界面における屈折率分布の位相により、その界面に接続される接続結晶層の孔及び孔と孔の間の基材の形状を調整すること力 Sできる。このように基材の形状を調整することにより、欠陥の形態を制御すること力 Sできる。また、接続結晶層の厚さにより欠陥の形態を制御することもできる。

[0013] なお、以下では第 1結晶と第 2結晶に共通の特徴を述べる場合には、両者をまとめて「本体結晶」ということがある。 [0014] 前記接続結晶層には、前記整合部分において本体結晶と同一の結晶構造を有するものを用いることができる。これにより、この層と本体結晶を整合させることができる。

[0015] 接続結晶層が薄い場合には、前記接続結晶層に 2次元的構造を有するものを用いることもできる。このような接続結晶層は本体結晶と同一の結晶構造のものよりも容易に作製することができる。

[0016] 前記不整合の部分は接続結晶層に平行な方向に線状に連なっていてもよい。この部分は線状欠陥、即ち導波路となる。

[0017] 本体結晶は、

誘電体力成る基材の表面に斜交する第 1の方向を指向する異方性エッチングを該基材に対して行う第 1エッチング工程と、

前記第 1方向とは異なる第 2の方向を指向する異方性エッチングを該基材に対して行う第 2エッチング工程と、

を有することを特徴とする方法により、好適に製造することができる。

なお、この方法により製造される 3次元フォトニック結晶は、上記本発明に係る本体結晶としてのみならず、それ自体が単独の 3次元フォトニック結晶として有用なものである。

[0018] 上記第 1結晶、第 2結晶及び接続結晶層から成る本発明に係る 3次元フォトニック結晶の製造方法は、

上記製造方法により第 1結晶及び第 2結晶を製造すると共に、所定の厚さを有する誘電体力成るフォトニック結晶層であって一部において第 1結晶及び第 2結晶と不整合であり、他の部分において第 1結晶及び第 2結晶と整合する接続結晶層を製造する工程と、

第 1結晶と接続結晶層及び第 2結晶と接続結晶層を前記整合に基づき位置を合わせて接合する工程と、

を有することを特徴とする。

[0019] 接続結晶層は、前記本体結晶の製造方法において、基材の表面にマスクを設け、そのマスクに設ける孔の一部を他の孔とは異なる形態とすることにより製造することができる。また、収束イオンビームにより基材に形成する孔の一部を他の孔とは異なる形態とすることにより、マスクを用レ、ることなく製造することもできる。

[0020] 接続結晶層が薄い場合は、基材を 1方向にエッチングすることにより該層を製造してもよレ、。これにより製造工程を簡略化することができる。また、この 1方向は基材の表面に略垂直な方向でもよい。これにより通常の垂直方向エッチングを用いることができるため、製造が容易になる。

発明の実施の形態及び効果

[0021] 本発明に係る 3次元フォトニック結晶は、 3次元フォトニック結晶から成る第 1結晶及び第 2結晶の間に接続結晶層を介挿した構造を有し、その接続結晶層内に点欠陥を有するものである。以下、その構造について詳しく説明する。

[0022] 本体結晶においては、誘電体力成る基材に、 2次元の周期パターンを成す多数の孔が第 1の方向から穿孔され、更に、同様の 2次元の周期パターンを成す多数の孔が、第 1方向とは異なる第 2の方向から穿孔されている。ここで、多数の孔が 2次元の周期パターンを成すとは、各穿孔方向に対して垂直な面において、多数の孔の配置が周期パターンを成すことを意味する。そして、この 2方向（第 1方向と第 2方向）は共に、基材の表面に斜交しなければならない。 2方向は直交していてもよいし、斜交していてもよい。また、 2方向は、それらを含む面が基材表面に垂直になるような方向であってもよいし、そうでなくてもよい。

[0023] このように、 2次元の周期パターンを有する多数の孔が異なる 2方向から穿孔されることにより、この基材の内部には 3次元の周期パターンが形成される。この 3次元周期パターンに対しては、それに対応する格子構造を考えることができるが、こうして形成された 3次元フォトニック結晶において基材部分の割合が多い場合、孔（空間）の方を格子点とする格子構造の方が考えやすい。一方、こうして形成された 3次元フォト二ック結晶におレ、て孔部分 (空間部分)の割合が多レ、場合、基材 (誘電体)の方を格子点とする格子構造の方が考えやすい。以下、空間による格子点を「空間格子点」と呼び、誘電体による格子点を「誘電体格子点」と呼ぶ。

特許文献 1及び特許文献 2に記載の 3次元フォトニック結晶は、誘電体格子点で構成される 3次元フォトニック結晶と考えることができ、本発明の本体結晶として用いることができる。 [0024] 接続結晶層は、一部において本体結晶と不整合であり、他の部分において本体結晶と整合した形状を有する。整合部分では、本体結晶と接続結晶層は孔及び基材が連続しており、第 1結晶、接続結晶層及び第 2結晶の 3つの構成部分を通して欠陥のない 3次元周期構造が形成され、これら 3つの構成部分が一体となった 3次元フォトニック結晶が形成される。それに対して、不整合部分では、本体結晶と接続結晶層の孔及び孔と孔の間の基材において形状が異なり、 3次元フォトニック結晶中の欠陥となる。この欠陥は、接続結晶層の厚さを調節することにより、任意の大きさとすることができる。従来のロッド積み上げ形式の 3次元フォトニック結晶では、積層方向にはロッドの太さの単位でしか欠陥の大きさを変えることができなかった力本発明に係る 3次元フォトニック結晶では、接続結晶層の厚さにより、欠陥の大きさを連続的に変化させること力 Sできる。

[0025] このような欠陥を点状に設けることにより、この欠陥は点欠陥、即ち共振器になる。

また、このような欠陥を接続結晶層に平行な方向に線状に連ねることにより、欠陥は線状欠陥、即ち導波路になる。この導波路は孔の延びる方向に対して斜交する。

[0026] 接続結晶層の材料に本体結晶の材料と同一のものを用いることにより、本体結晶と接続結晶層（不整合部分を除く。 )が完全に一体となった 3次元フォトニック結晶を得ること力 Sできる。

[0027] 上記点欠陥を発光源（レーザー光源)等として用いる場合には、本体結晶と異なる材料 (発光体)を用いてもよい。

[0028] 接続結晶層には、前記整合部分において本体結晶と同一の結晶構造を有するものを用いることができる。ここで、同一の結晶構造とは、第 1、第 2結晶と同じ斜めの 2 方向に延びる孔を有することを意味する。前記整合部分においては第 1、第 2結晶とは完全に整合し、前記不整合部分を囲う単一の 3次元フォトニック結晶を構成する。このような接続結晶層を用いることにより、整合部分を本体結晶と完全に整合させることができる。

[0029] 接続結晶層には 2次元的構造を有するものを用いることもできる。 2次元的構造とは、層に平行な断面が切断位置により変化しないことを意味する。すなわち、孔が全て同じ方向に延びていることを意味する。この方向は、例えば第 1方向、第 2方向、層の面に垂直な方向等とすることができる。この 2次元的構造を有する接続結晶層は 1方向のエッチングにより作製することができるため、作製が容易である。また、 1回のエツチング工程で済むため、上記レーザ光源を作製する際にエッチングによる発光体の劣化を抑えることができる。

[0030] 2次元的構造を有する接続結晶層を用いた場合、本体結晶と接続結晶層の孔のつながりは、厳密にいえば不連続になる。しかし、接続結晶層が薄い場合には、この 3 次元構造はバンドギャップを有し、実用上 3次元フォトニック結晶として機能する。

[0031] 本体結晶と接続結晶層が接する面において、第 1及び第 2方向の孔の位置を調整することにより、孔の部分と基材の部分を、それらが交互に縞模様を成すように形成すること力 Sできる。ここで、この縞模様の境界線は、孔の縁の形状を残しているため、ジグザグ状等の形状になる。この場合、整合部分においてそれに対応する接続結晶層の孔及び基材の形状は、本体結晶に合わせて境界線がジグザグ状の縞状に形成してもよいが、接続結晶層の厚さが薄い場合、ほぼ同じ太さの縞状として、縁を直線状としても実用上の問題はない。後者の場合、接続結晶層の作製が容易であるという利点を有する。更に、この縞（孔の部分及び基材の部分）の一部が他の縞とは形態が異なるようにすることにより、その部分は線状欠陥、即ち導波路となる。

[0032] 本発明の 3次元フォトニック結晶においては、以下の理由により、接続結晶層内の点欠陥の形態はそれが誘電体格子点 ·空間格子点のいずれであっても、高い自由度で制御することができる。

本体結晶が表面に対して斜めに、異なる 2方向から穿孔されているため、本体結晶をこの表面に平行な面で切断した切断面における本体結晶の形状は、切断面の位置により異なる。孔が周期的に形成されていることから、表面に垂直な方向に切断面を移動すると切断面の形状は周期的に変化する。従って、本体結晶の、接続結晶層との界面における周期的変化の位相を調整することにより、接続結晶層の構造を制御すること力 Sできる。このように接続結晶層の構造を制御することができるため、点欠陥の導入においてもその形態を高い自由度で制御することができる。

また、接続結晶層の厚さは任意に設定することができるため、この厚さを調整することにより点欠陥の形態を高い自由度で制御することができる。更に、本発明では接続結晶層内の方向に自由な形状の点欠陥を形成することができる。これにより、従来の 3次元フォトニック結晶におけるストライプ層の積層方向にも点欠陥を拡大することができる。この方向は、従来の融着法ではストライプ層を積層するという作製方法に制約されるため、点欠陥を拡大することが難しかった方向である。

[0033] また、従来の点欠陥の多くは直方体等の対称性の高い形状を有するが、本発明の 3次元フォトニック結晶では、例えば、接続結晶層に、その表面に対して斜め方向に延びる孔を設けることにより、 2辺はその斜め方向に平行であって 2辺は接続結晶層に平行な、長方形から歪んだ断面を持つ点欠陥を容易に導入することができる。この点においても点欠陥のパラメータ、ひいては点欠陥から成る共振器のパラメータをより自由に制御することができる。

[0034] 本発明の 3次元フォトニック結晶の接続結晶層の材料として電流の注入により発光する発光材料を用い、この結晶の両表面に電流注入用電極を設けることにより、発光デバイスを構成することができる。この発光デバイスにおいては、電極に電圧を印加することにより、電流が本体材料を通して発光材料に注入され、発光層が発光する。発光した光は点欠陥において共振し、それによりレーザ発振を得ることができる。他の部分においては、フォトニックバンドギャップを適切に設定することにより、発光を抑制すること力 Sできる。この発光デバイスは、後述の方法により、融着を多用しなくとも作製することができるため、融着が不十分となって電流が流れにくくなるという可能性が低ぐ信頼性が高い。

[0035] 第 1結晶及び第 2結晶において、接続結晶層の不整合部分力外部に延びる孔の形態を他の孔とは異なるものにすることにより、これらの結晶内に線状欠陥を形成すること力 Sできる。すなわち、その孔が導波路となる。従って、本体結晶の表面から共振器に光を導入することや、共振器から本体結晶の表面に光を取り出すことが非常に容易となる。なお、線状欠陥は点欠陥に接して配置してもよいし、そこから接続結晶層に平行な方向にずらして配置してもよレ、。

[0036] 以上、 2層の本体結晶（第 1結晶、第 2結晶）の間に接続結晶層を 1層設けることにより形成された 3次元フォトニック結晶について説明した。同様にして、 3層以上の本体結晶の間にそれぞれ接続結晶層を介挿して一体としたものであつても、上記と同様に点欠陥を導入することができる。このように多層化することにより、より自由に、光 I C等を設計することができる。例えば、 2枚の接続結晶層の不整合部分が 1本の孔で接続されるように配置し、その孔の形態を他の孔とは異なるものとすることにより、これら 2枚の接続結晶層に設けた点欠陥同士の間で光の授受を行う導波路を形成することができる。なお、上記と同様に、点欠陥と導波路の位置は層に平行な方向にずれていてもよい。

[0037] 次に、本発明に係る 3次元フォトニック結晶製造方法について説明する。ここではまず、本体結晶を製造する方法について説明し、次に、この方法により作製された本体結晶と、この方法又は他の方法により作製された接続結晶層を用いて本発明に係る 3次元フォトニック結晶を製造する方法について説明する。なお、以下に述べるような方法で製造される本体結晶は、本発明に係る 3次元フォトニック結晶（接続結晶層を有する 3次元フォトニック結晶）の構成要素としての利用ばかりではなぐそれ自体のみでも 3次元フォトニック結晶として利用することができる。

[0038] 本体結晶の製造方法は次の通りである。誘電体から成る基材の表面から、その面に斜交する第 1の方向に向かって異方性エッチングを行うことにより、第 1方向に延びる棒状の孔を多数形成する（第 1エッチング工程)。このとき、多数の孔はそのエッチング方向（第 1方向）に垂直な面内において 2次元周期パターンを形成するようにしておく。同様に、基材表面に斜交する第 2の方向に異方性エッチングを行うことにより、第 2方向に延びる棒状の孔を多数形成する（第 2エッチング工程)。こちらの方でも、多数の孔はエッチング方向（第 2方向）に垂直な面内において 2次元周期パターンを形成するようにしておく。なお、第 1方向の 2次元周期パターンと第 2方向の 2次元周期パターンは同一であってもよいし、異なっていてもよい。第 1方向と第 2方向は異なる方向であるが、両者は直交していてもよいし、斜交していてもよい。このように、異なる 2方向に延びる、それぞれ 2次元周期パターンを有する棒状の多数の孔を設けることより、この誘電体には 3次元的周期性を有する屈折率分布が形成され、 3次元フォトニック結晶（本体結晶）が完成する。

[0039] この方法によれば、異方性エッチングを 2回行うのみで 3次元フォトニック結晶を製造することができ、積層の繰り返し及び融着を多数回行っていた従来の方法よりもェ程数を大幅に削減することができるうえ、位置合わせの手間も不要となる。

[0040] 第 1エッチング工程及び第 2エッチング工程において行う異方性エッチングは、例えばプラズマエッチングにより行うことができる。すなわち、プラズマ化したガスを電界により所定の方向に指向させて被処理物に入射させることにより、物理的又は化学的に被処理物をこの方向にのみ強くエッチングしてゆく。第 1エッチング工程及び第 2ェツチング工程における前記多数の孔の 2次元周期パターンは、それに対応する、角度補正を行ったパターンを有するマスクを基材の表面に設けることにより形成することができる

[0041] 異方性エッチングは、イオンビームエッチング、或いは更に、反応性ガスを用いた反応性イオンビームエッチングを用いることもできる。この場合、マスクを用いる必要がない。

[0042] 前記第 1方向及び第 2方向は、共に基材の表面に対して 45° の方向とすることが望ましレ、。これにより、両方向が直交するとともに、基材をその表面に垂直な軸に関して 180° 回転するだけで第 1方向と第 2方向を切り替えることができるため、第 1エツチング工程と第 2エッチング工程におけるエッチングの方向の変更が容易になる。

[0043] この 3次元フォトニック結晶（本体結晶）における線状欠陥は、基材に形成する孔の一部を他の孔とは異なる形態とすることにより容易に形成することができる。ここで、孔の「形態」には、孔の大きさ及び形状を含む。

[0044] 接続結晶層は、上記の線状欠陥を有する本体結晶と同様の方法で作製することができる。すなわち、上記線状欠陥を有する 3次元フォトニック結晶の製造方法においてエッチングの深さを浅くすることにより容易に実現される。また、前記の 2次元的構造を有する接続結晶層の場合は、板状の基材に 1回だけ、点欠陥を含むパターンでエッチングすることにより、容易に作製することができる。この 1方向が基材の表面に略垂直な方向であれば、通常の垂直方向エッチングを用いることができるため、製造が更に容易になる。

[0045] 本発明に係る 3次元フォトニック結晶は、このようにして製造された第 1結晶と接続結晶層、及び第 2結晶と接続結晶層を接合することにより作製される。その際、第 1結晶と接続結晶層、及び第 2結晶と接続結晶層の整合部分の孔の位置に基づき、位置合わせを行う。この接合には従来の 3次元フォトニック結晶の製造の場合と同様の熱融着を用いることができる。

[0046] この製造方法においては、エッチングに加えて 2箇所の接合を行うのみで十分であり、積層化のために多数回の融着を行っていた従来の方法よりも工程数を大幅に削減すること力 Sできる。このような容易な作製方法により 3次元フォトニック結晶に自由な欠陥構造を導入できる。

図面の簡単な説明

[0047] [図 1]本発明に係る 3次元フォトニック結晶の一実施例の基本的な構造を示す縦断面透視図。

[図 2]本実施例の 3次元フォトニック結晶における第 2結晶の構造を示す斜視図。

[図 3]従来の 3次元フォトニック結晶の構造を示す斜視図。

[図 4]本実施例の 3次元フォトニック結晶における接続結晶層 13の例を示す斜視図。

[図 5]本実施例の 3次元フォトニック結晶における接続結晶層 13の例を示す斜視図。

[図 6]本実施例の 3次元フォトニック結晶の断面を説明する図。

[図 7]接続結晶層 13に導入される点欠陥の例を示す斜視図。

[図 8]接続結晶層 13に導入される線状欠陥の例を示す斜視図。

[図 9]2次元的な構造を有する接続結晶層 13の例を示す斜視図。

[図 10]接続結晶層 13を複数設けた 3次元フォトニック結晶の例を示す縦断面図。

[図 11]本発明に係る 3次元フォトニック結晶の製造方法の一実施形態を示す断面図

[図 12]第 1マスク及び第 2マスクの例を示す上面図。

[図 13]線状欠陥を有する 3次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を示す断面図。

[図 14]第 1マスク及び第 2マスクの他の例を示す上面図。

[図 15]点欠陥を有する 3次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を示す断面図 [図 16]本実施例の 3次元フォトニック結晶の透過率を計算した結果を示すグラフ。園 17]本実施例の 3次元フォトニック結晶内に設けた点欠陥 61の Q値を計算した結園 18]点欠陥 61における磁界分布を計算した結果を示す図。

符号の説明

10· · · 3次元フォトニック結晶

11、 51…第 1結晶

12、 52· · ·第 2結晶

13、 131、 53…接続結晶層

14、 42、 62…ロッド

15、 15a、 151、 56、 61 · · ·点欠陥

18、 181、 55…線状欠陥

19…部材

20…従来の 3次元フォトニック結晶

21、 21 a、 21b、 21c、 21d、 31a、 31b…ロッド

22a…ストライプ層（第 1層）

22b…ストライプ層（第 2層）

22c…ストライプ層（第 3層）

22d…ストライプ層（第 4層）

23、 36a, 36b…空隙

25…積層方向

31…基材

32…第 1マスク

33…第 1マスクの孔

34…第 2マスク

4a…第 1領域

4b…第 2領域

4c…第 3領域

4d…第 4領域 35…第 2マスクの孔

実施例

[0049] 本発明に係る 3次元フォトニック結晶の実施例を図 1〜図 9を用いて説明する。

図 1は本発明に係る 3次元フォトニック結晶 10の縦方向断面図（透視図）である。この 3次元フォトニック結晶 10は、第 1結晶 11と第 2結晶 12の間に接続結晶層 13を挟んだ構成を有する。これらはいずれも、互いに直交する 2方向に延びるロッド 14を井桁状に組み合わせた構造を有する。接続結晶層 13内には点欠陥 15が存在する。点欠陥 15については後述する。

[0050] この井桁構造を説明するために、図 2に第 2結晶 12の斜視図を示す。第 1結晶 11 及び接続結晶層 13も基本的にはこれと同じ構造を有する。界面 16は接続結晶層 13 との界面である。界面 16に対して、ロッド 14は斜め方向に延びている。この構造は、界面 16の方向が異なることを除いて、図 3に示す従来の 3次元フォトニック結晶 20と同じである。従来の 3次元フォトニック結晶では、ロッド 21が 1つのストライプ層内に互いに略平行に周期 a (「面内周期」という）で配置され、このようなストライプ層が、以下に述べる第 1層 22a〜第 4層 22dを 1つの単位として、繰り返し積層される。 4n番目（n は整数）のストライプ層（第 1層） 22aのロッド 21aと (4n+l)番目のストライプ層（第 3層） 22bのロッド 21bは略直交している。また、ロッド 21aと (4n+2)番目のストライプ層（第 3 層） 22cのロッド 21cは略平行であって、周期 aの半分 a/2だけずれて配置される。ロッド 21bと (4n+3)番目のストライプ層（第 4層） 22dのロッド 21dの関係も、ロッド 21aとロッド 21cの関係と同様である。ロッドとロッドの間は空隙 23である。

[0051] 本実施例の 3次元フォトニック結晶 10の結晶の方位を説明する。その前にまず、図

3の 3次元フォトニック結晶における結晶方位を、その (100)面及び (001)面により図に示すように定義する。従来の 3次元フォトニック結晶 20では、ストライプ層 22a〜22d を積層し、融着して作製するため、結晶 20の表面はストライプ層、あるレ、はロッドに平行な方向の面（(001)面）である。それに対して、本実施例の 3次元フォトニック結晶 10 における第 1結晶 11及び第 2結晶 12では、接続結晶層 13との界面 16は、ロッドに対して斜めの面である。即ち、第 1結晶 11及び第 2結晶 12は、従来の 3次元フォトニック結晶 20をその面で切断した構造を有する。本実施例では、（001)面に対して垂直であり、全てのロッドに対して 45° で交わる (100)面を界面 16とした。従って、図 1 (本実施例）の 3次元フォトニック結晶 10を 45° 回転させると、点欠陥 15を除いて図 3の 3次元フォトニック結晶 20と同様の構造となる。

[0052] 接続結晶層 13の一例を図 4に示す。この図を用いて点欠陥 15について説明する。

この接続結晶層 13は図 2の 3次元フォトニック結晶 10の界面 16付近をその面に平行に薄く切り出した形状を有する。ロッド 14のうちの 1本を接続結晶層 13の層内で他のロッド 14を拡大するような形状に成形する。このロッドが点欠陥 15を構成する。この点欠陥 15は、ストライプ層 22a〜22dに平行な方向 24のみならず、積層方向 25にも自由に拡大 ·縮小することができ、それにより点欠陥 15の形状を自由に設定することができる。

[0053] 接続結晶層 13の形状は、界面 16の位置 (結晶周期の位相）により制御すること力 S できる。図 5に接続結晶層 13の形状の例を示す。図 5の (a)〜(e)はそれぞれ、図 6に示す断面 A〜E付近を薄く切り出した形状を有する接続結晶層 13を示したものである。断面 A〜Cでは、隣接する 2本のロッドから成る、独立した部材 (他の部材とは接しない部材） 14aが多数形成されている。また、断面 D及び Eでは、 1本のロッドから成る部材 14bが線状に連なり、それによりロッド部材と空隙が縞模様を形成している。

[0054] 界面 16の位置により、点欠陥の形状を制御することができる。断面 A付近を薄く切り出した接続結晶層 13に点欠陥 15aを形成したものを図 7(a)に、断面 E付近を薄く切り出した接続結晶層 13に点欠陥 15bを形成したものを図 7(b)に、それぞれ示す。点欠陥 15aは、独立部材 14aのうちの 1つの形態を他の部材と異なるものとする（拡大する )ことにより形成される。この点欠陥 15aは、 2本のロッド 14の交点に形成される。点欠陥 15bは線状に連なる部材 14bのうちの 1つの形態を他の部材と異なるものとする（拡大する）ことにより形成される。このような点欠陥は、従来の 3次元フォトニック結晶 2 0では複数のストライプ層に亘る構造であるため形成することができな力、つたものである。

[0055] また、同様に界面 16の位置により、線状欠陥の形状も制御することができる。断面 A〜Cでは、上記のように形成される点欠陥を線状に連続的に形成することにより、線状欠陥を形成することができる。図 8(a)及び (b)に、断面 Aに導入される線状欠陥の例を示す。上記点欠陥 15aを複数、線状に並べることにより線状欠陥 18a (図 8(a))、 18 b (図 8(b))を形成する。点欠陥 15aを並べる方向により線状欠陥の延びる方向を制御すること力 Sできる。図 8(c)に、断面 Eに導入される線状欠陥の例を示す。ロッド部材の縞の 1本を他の縞と異なる形状とすることにより、接続結晶層 13内に線状欠陥 18c を形成する。これらの線状欠陥、即ち導波路は、 3次元フォトニック結晶 10のロッドに対して斜め方向に延びる。このような導波路は従来の 3次元フォトニック結晶にはな力たものである。

[0056] 図 9に、 2次元的構造を有する接続結晶層 13の例を示す。（a)には上記断面 A、 (b) には断面 C、（c)には断面 Eにそれぞれ対応する、 2次元的構造の接続結晶層を示した。（b)及び (c)は 1本のロッドの部材をそれぞれ 1個の直方体に置き換えたものである。（a)は図 5(a)に示した 2本のロッドから成るロッド部材を 1個の直方体に置き換えたものである。いずれも、層が薄い場合には、図 4及び図 5の構造とよく近似する。このような 2次元的構造の接続結晶層は通常の一方向エッチングにより作製することができる。図 9(c)の構成は更に、ロッドの部材が連なる方向（縞が延びる方向）に延びる線状の部材 19で近似することができる（図 9(d))。

[0057] 図 10に、接続結晶層を複数設けた 3次元フォトニック結晶の一例を縦断面図で示す。本体結晶 111と本体結晶 112、本体結晶 112と本体結晶 113、…の間にそれぞれ接続結晶層 131、 132...を介挿する。本実施例では更に、接続結晶層 131、 132. . -にそれぞれ多数の点欠陥 151を形成し、本体結晶内に多数の線状欠陥 181を形成する。各線状欠陥は点欠陥の近傍に配置する。このように点欠陥と線状欠陥を配置することにより、両者の間に相互作用が生じ、両者間で光の流出入が生じる。以上のように、本発明の 3次元フォトニック結晶は点欠陥及び線状欠陥を 3次元的に多数配置することができ、それにより光集積回路を形成することが可能である。

[0058] 本実施例の 3次元フォトニック結晶の製造方法の一例を、図 11〜図 15を用いて説明する。

まず、本体結晶の製造方法の一例について説明する。ロッドの材料力成る基材 3 1の表面に第 1マスク 32を形成し、その表面を、図 12(a)に示すように、多数の帯状の領域に分割する。これらの帯状の領域を、 4本で 1つの繰り返し単位となるように、 4n 番目の領域 (第 1領域） 34a, (4n+l)番目の領域 (第 2領域） 34b、（4n+2)番目の領域（第 3領域） 34c、（4n+3)番目の領域 (第 4領域） 34dに分ける。なお、この帯状の領域の絶対的位置は、基材 31の表面に対して定義される。第 1マスク 32上の第 1領域 34 a及び第 3領域 34cに、周期 aで多数の孔 33を形成する。第 3領域 34cの孔 33の位

1

置は第 1領域 34aのそれから a /2だけ領域の長手方向にずらす。

1

[0059] 多数の孔 33を有する第 1マスク 32が被覆された基材 31 (図 11(a))に対して、第 1マスク 32の上から、所定の第 1方向を指向する異方性エッチングを行う（図 l l(b)、第 1 エッチング工程)。これにより、上記第 1層 22a及び第 3層 22cが形成される。即ち、基材 31のうち第 1領域 34aと第 3領域 34cの直下に、第 1方向に延びる空隙 36a及び 3 6cが多数、周期的に形成され、舞接する 2個の空隙 36a (36c)間に残った誘電体基材がロッド 31a (31c)となる。エッチングの終了後、第 1マスク 32を除去する。

[0060] 次に、基材 31の表面に第 2マスク 34を形成する（図 11(c))。第 2マスク 34の一例を図 12(b)に平面図で示す。上記のように基材 31の表面に対して定義された帯状の第 1領域 34a〜第 4領域 34dのうち、第 2領域 34b及び第 4領域 34dに、周期 aで多数

2 の孔 35を形成する。第 4領域 34dの孔 35の位置は第 2領域 34bから a /2だけ領域の

2

長手方向にずらす。

[0061] 第 2マスク 34が被覆された基材 31に対して、第 2マスク 34の上から、第 1方向に略直交する第 2方向を指向する異方性エッチングを行う（図 l l(d)、第 2エッチング工程) 。これにより、上記第 2層 22b及び第 4層 22dが形成される。即ち、基材 31のうち第 2 領域 34b及び第 4領域 34dの直下に、第 2方向に延びる空隙 36b及び 36dが多数、周期的に形成され、隣接する 2個の空隙 36a (36c)間に残った誘電体基材がロッド 3 la (31c)となる。第 1方向と第 2方向を略直交させたため、隣接する領域の直下に作製されたロッド同士（ロッド 31aとロッド 31b等）は略直交する。エッチングの終了後、第 2マスク 34を除去する。これにより、基材 31の表面に対して斜めに空隙が形成された、図 2に示したような本体結晶が完成する（図 1 1(e))。

[0062] なお、異方性エッチングに収束イオンビーム法を用いる場合には、基材 31の表面を上記のようなマスクで覆うことなぐ形成する空隙の形態に合わせて収束イオンビームを基材 31の表面に照射することにより、上記と同様の 3次元フォトニック結晶（本体結晶）を製造すること力 Sできる。

[0063] 前記第 1方向及び第 2方向は、共に基材の表面に対して 45° の方向とすることが望ましレ、。これにより、両方向が直交するとともに、基材 31をマスクの面に垂直な軸に関して 180° 回転するだけで第 1方向と第 2方向を切り替えることができるため、第 1エツチング工程と第 2エッチング工程におけるエッチングの方向の変更が容易になる。この場合、周期 aと周期 aを等しく（2。· することにより所定の面内周期 aでロッドを形成

1 2

すること力 Sできる。また、マスクの孔の大きさは、帯状領域の長手方向には 2°'⁵(a_W)、幅方向にはその幅の大きさとすればょレ、（Wはロッドの長手方向の幅）。

[0064] 上記本体結晶の製造方法（第 1の方法と呼ぶ）において、第 1マスク又は第 2マスクに設ける孔 33又は 35のうちの一部を他の孔とは異なる形態にすることにより、この 3 次元フォトニック結晶に線状欠陥を導入することができる（これを第 2の方法と呼ぶ)。例えば上記の例では、製造後のロッドのうちの 1本であるロッド 42に接するマスクの孔 41a及び 41bを他の孔よりも小さくすることによりロッド 42の幅を大きくしたり（図 13(a)) 、その反対に孔 41a及び 41bを他の孔よりも大きくすることによりロッド 42の幅を小さくする（図 13(b))ことができる。また、ロッド 42の位置が周期的なロッドの配置からずれるように、孔 41a及び 41bのうち一方を大きぐ他方を小さくしてもよい（図 13(c))。更に、孔の形状を、他の孔の形状 (長方形）とは異なる円形やくさび形等にすることにより、その孔に接するロッドの形状を他のロッドとは異なるものにしてもよい。

[0065] また、このように最終的にロッド (ストライプ層）を積み上げた構造 (積み上げ構造)を有する 3次元フォトニック結晶ば力りではなぐ本発明に係る方法ではブロックに 2方向力周期的に多数の孔を穿孔した構造 (穿孔構造)を有する 3次元フォトニック結晶も製造することが可能である。例えば、楕円形の孔 33aを周期的に形成した第 1マスク（図 14)及び第 2マスク（図示せず）を用いてエッチングを行うことにより、楕円形の断面を持つ空隙が周期的に形成された 3次元フォトニック結晶を製造することができる。ここで、図 14中の破線は図 12に示したマスクの孔 33の位置を示す。また、収束ィオンビームを用いてエッチングを行う場合には、図 14のようなマスクを用いることなく同様の 3次元フォトニック結晶を製造することができる。穿孔構造の 3次元フォトニック結晶を製造する場合にも、いずれかの孔の形状を他のものとは異なるものとすることにより、そこに線状欠陥を導入することができる。

[0066] 次に、本体結晶と接続結晶層から成る上記実施例の 3次元フォトニック結晶の製造方法の一例について説明する。

まず、前記第 1方法により、点欠陥のなレ、 3次元フォトニック結晶を 2個（第 1結晶 51 、第 2結晶 52)製造する（図 15(a))。または、前記第 2方法により、線状欠陥 55を導入した 3次元フォトニック結晶（接続結晶層 53)を製造する（図 15(a))。接続結晶層 53 の厚さを小さくすることにより、線状欠陥 55は、最終的に製造される 3次元フォトニック結晶において点欠陥 56となる。

[0067] 第 1結晶 51と接続結晶層 53の切断面を、点欠陥 56以外の部分で両者のロッドが接続されるように位置を合わせて重ねる（図 15(b))。ここで、ロッドの位置合わせには、従来の融着法で用いられる位置合わせの方法をそのまま用いることができる。この状態で加熱することにより、第 1結晶 51と接続結晶層 53を融着する。次に、接続結晶層 53の反対側の切断面と第 2結晶 52の切断面を、点欠陥 56以外の部分で両者のロッドが接続されるように位置を合わせて重ね、加熱することにより融着する（図 15(c) )。これにより、接続結晶層 53中に点欠陥 56を含む 3次元フォトニック結晶が得られる（図 15(d))。

[0068] 次に、本実施例の 3次元フォトニック結晶の透過率特性を 3次元 FDTD法を用いて計算した結果を述べる。

まず、本体結晶の特性について計算した結果を述べる。全てのロッドに対して 45° で交わる (100)面を界面とし、その界面から、それに垂直な方向（これを z方向とする）に進行する平面波が入射する場合について、結晶の厚さ dをパラメータとしてその平面波の透過率を計算した結果を図 16(a)及び (b)に示す。これらの図において、横軸には周波数に aん（cは光速）を乗じて無次元とした規格化周波数を用いた。ここでは、結晶の厚さ dが la〜5a (a =2°'⁵a、図 1，図 16(c)参照）の場合について計算したが、偏光方向が y方向（図 16(a))、 X方向（図 16(b))のいずれの場合も、結晶の厚さ dが 2a

z 程度ですでに、フォトニックバンドギャップ（PBG)内における透過率は数％という低い値になる。更に厚さが la増す毎に透過率は約 1桁ずつ低下する。すなわち、本体結 z

晶は厚さを 2a〜3a以上とすることにより 3次元フォトニック結晶としての特性を十分に z z 有するようになる。

[0069] 次に、接続結晶層の特性について計算した結果を述べる。図 17(a)に、ロッド 62に平行な 2面間の高さを aとした点欠陥 61 (図 17(b))について Q値を計算した結果を示す。第 1結晶及び第 2結晶の厚さを 2a以上とすることにより、点欠陥 61の Q値を室温でのレーザ発振に必要とされる 1000以上にすることができる。本体結晶の厚さが 2a 以上という条件に関して具体的な数値により検討すると、ロッド 62の間隔 aを 0.6 μ mとした場合（これにより、波長 1.55 μ m帯の光についてフォトニックバンドギャップが形成される）、 2aは 1.70 z mとなり、ロッドの間にある孔の長さは 4a、即ち 2.4 z mとなる。このような長さの孔は、現在の異方性エッチング技術によって作製することが可能である。

[0070] また、点欠陥 61の周辺における電磁界分布を計算した結果を図 18に示す。 x，y，z のいずれの方向にも磁界が強く閉じ込められており、点欠陥 61が光共振器として利用可能であることを示してレ、る。

Claims

請求の範囲

[1] a)誘電体から成る基材内に、 2次元の周期パターンを成す多数の孔が基材表面に対して斜めに、異なる 2方向から穿孔されて成る 3次元フォトニック結晶から成る第 1 結晶及び第 2結晶と、

を備えることを特徴とする 3次元フォトニック結晶。

[2] 前記接続結晶層が、前記整合部分において第 1結晶及び第 2結晶と同一の結晶構造を有することを特徴とする請求項 1に記載の 3次元フォトニック結晶。

[3] 前記接続結晶層が 2次元的構造を有することを特徴とする請求項 1に記載の 3次元フォトニック結晶。

[4] 第 1結晶及び第 2結晶の接合結晶層との接合面において、基材部分及び孔部分が交互に存在する縞模様を成していることを特徴とする請求項 1に記載の 3次元フォトニック結晶。

[5] 前記不整合の部分が接続結晶層に平行な方向に線状に連なっていることを特徴とする請求項 1〜4のいずれかに記載の 3次元フォトニック結晶。

[6] 前記接続結晶層が発光材料から成り、該発光材料に電流を注入する電極を両表面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 3次元フォトニック結晶

[7] 前記第 1結晶又は第 2結晶の、前記接続結晶層の不整合部分の近傍から外部に延びる孔を他の孔とは異なるものとしたことを特徴とする請求項 1〜6のいずれかに記載の 3次元フォトニック結晶。

[8] 3層以上の、前記第 1結晶及び第 2結晶と同様の本体結晶の間に、前記接続結晶層をそれぞれ介挿したことを特徴とする請求項 1〜7のいずれかに記載の 3次元フォトニック結晶。

[9] 2枚の接続結晶層に挟まれた本体結晶内の、両接続結晶層の不整合部分を接続する孔を他の孔とは異なるものとしたことを特徴とする請求項 8に記載の 3次元フォトニック結晶。

[10] 前記第 1結晶及び第 2結晶が、

基材の表面を複数の帯状に分割した領域のうち 4n番目（nは整数)の領域から第 1 の方向に延びる孔が周期 aで多数形成され、

1

(4n+l)番目の領域から前記第 1方向とは異なる第 2の方向に延びる孔が周期 aで多

2 数形成され、

(4n+2)番目の領域から前記第 1方向に延びる孔が、 4η番目の領域の孔とは a /2だ

1 け帯の長手方向にずれて周期 aで多数形成され、

1

(4n+3)番目の領域から前記第 2方向に延びる孔が、（4n+l)番目の領域の孔とは a /2

2 だけ帯の長手方向にずれて周期 aで多数形成されている、

2

ことを特徴とする請求項 1〜9のいずれかに記載の 3次元フォトニック結晶。

[11] 前記孔を穿孔された後の基材が積層ロッド形状を有し、前記第 1方向と第 2方向が略直交することを特徴とする請求項 10に記載の 3次元フォトニック結晶。

[12] 誘電体力成る基材の表面に第 1のパターンで孔を設けた第 1マスクを形成するェ程と、

該表面に斜交する第 1の方向を指向する異方性エッチングを該基材に対して行い、その後第 1マスクを除去する第 1エッチング工程と、

前記基材の表面に、第 2のパターンで孔を設けた第 2マスクを形成する工程と、前記第 1方向とは異なる第 2の方向を指向する異方性エッチングを該基材に対して行レ、、その後第 2マスクを除去する第 2エッチング工程と、

を有することを特徴とする 3次元フォトニック結晶製造方法。

[13] a)誘電体から成る基材の表面を複数の帯状の領域に分け、第 1の方向を指向する異方性エッチングを行うことにより、前記帯状領域のうち 4η番目（nは整数）の領域に第 1方向に延びる多数の孔を周期 aで形成すると共に、（4n+2)番目の領域に第 1方

1

向に延びる多数の孔を 4n番目の領域の孔とは a /2だけ帯の長手方向にずらして周

1

期 aで形成する第 1エッチング工程と、

1

b)前記第 1方向と略直交する第 2の方向を指向する異方性エッチングを行うことにより、前記帯状領域のうち (4n+l)番目の領域に第 2方向に延びる多数の孔を周期 aで形成すると共に、（4n+3)番目の領域に第 2方向に延びる多数の孔を (4n+l)番目の領域の孔とは a /2だけ帯の長手方向にずらして周期 aで形成する第 2エッチング工程とを有することを特徴とする 3次元フォトニック結晶製造方法。

[14] 前記第 1方向及び第 2方向が基材の表面に対して 45° の方向であることを特徴とする請求項 12又は 13に記載の 3次元フォトニック結晶製造方法。

[15] 前記第 1マスク又は第 2マスクに設ける孔の一部を他の孔とは異なる形態とすることを特徴とする請求項 12〜： 14のいずれかに記載の 3次元フォトニック結晶製造方法。

[16] 請求項 12〜： 15のいずれかに記載の 3次元フォトニック結晶製造方法により第 1結晶及び第 2結晶を製造すると共に、所定の厚さを有する誘電体からなるフォトニック結晶層であって一部において第 1結晶及び第 2結晶と不整合であり、他の部分において第 1結晶及び第 2結晶と整合する接続結晶層を製造する工程と、

[17] 前記接続結晶層を請求項 15に記載の方法により作製することを特徴とする請求項

16に記載の 3次元フォトニック結晶製造方法。

[18] 前記接続結晶層を、層状の基材を 1方向にエッチングすることにより作製することを特徴とする請求項 16に記載の 3次元フォトニック結晶製造方法。

[19] 前記方向が接続結晶層に略垂直な方向であることを特徴とする請求項 18に記載の 3次元フォトニック結晶製造方法。