JP7409488B2 - フォトニック結晶光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、偏波モードを制御して高効率、低消費電力で動作するフォトニック結晶光学素子に関する。

近年、オンチップ光コンピューティングを念頭にした、CMOS上の光回路に、化合物半導体を集積する技術の研究が盛んに行われている。シリコン基板上に化合物半導体を集積するために、ウエハボンディングによる技術や、シリコン基板上に直接化合物半導体を成長させる技術の研究が進められている。

一方、異種材料を集積する技術として、原子間力顕微鏡の針を用いて精密にナノ材料を制御する方法が行われている。例えば、シリコンフォトニック結晶に化合物半導体ナノワイヤを転写し、このナノ制御技術により非常に微細な構造を精密に集積できる（非特許文献１、２）。フォトニック結晶は非常に小さく、光学設計自由度が非常に高いため、光閉じ込めを増大させる構造を設計すれば、ナノ材料と光電場を強く相互作用させることができる。その結果、高品質な化合物半導体や、所望のナノ材料を選択的にシリコンチップに集積でき、新しい素子開発等の応用が期待できる。

これらを念頭に、一つの応用として、ＴＥモードとＴＭモードが伝搬できるフォトニック結晶導波路に、ナノ材料を集積することが考えられる。このような２モードを伝送できる構造は、単純に情報量を２倍に増やすことができるため、チップ内の光集積において重要な役割を果たす。また、量子情報分野においても、異なる偏光状態を量子ビットとして扱うため、このようなオンチップ構造は有用になりうる。

そこで、これらの応用に向けて、ＴＥモード又はＴＭモードにのみ光学応答する素子、例えば吸収係数が大きい素子や屈折率が大きい素子等必要である。特に、多くの半導体や結晶材料等は強い偏光依存性を有するので、これらの材料等の集積による新たな偏光素子の実現が可能となる。

M. D. Birowosuto, A. Yokoo, G. Zhang, K. Tateno, E. Kuramochi, H. Taniyama, M. Takiguchi, and M. Notomi, "Movable High-Q Nanoresonators Realized by Semiconductor Nanowires on a Si Photonic Crystal Platform",Nature Mater., 13, 279 (2014) M. Takiguchi, A. Yokoo, K. Nozaki, M. D. Birowosuto, K. Tateno, G. Zhang, E. Kuramochi, A. Shinya, and M. Notomi, "Continuous-wave operation and 10-Gb/s direct modulation of InAsP/InP sub-wavelength nanowire laser on silicon photonic crystal"APL Photonics, 2, 046106 (2017)

しかしながら、従来のフォトニック結晶に集積されるナノワイヤは、主に自己成長ナノワイヤであり、その形状は結晶構造に大きく依存し、その断面形状が多角形である。または、ナノワイヤに混晶を用いる場合には、結晶が低品質で、その断面形状は円形になる。さらに、ナノワイヤの成長条件により完全な円柱構造にならずテーパー形状を有する。

このように、ナノワイヤの表面は均一に平坦、平行な構造等を有さず不均一な構造になる。その結果、シリコンフォトニック結晶に集積する場合、例えばナノワイヤをフォトニック結晶に設けた溝に集積する場合、ナノワイヤとフォトニック結晶の間にスペース（隙間）を生じるため、空気中への電場漏れを引き起こし、効率的に光をナノワイヤ内に閉じ込めることができない。

また、ナノワイヤは多様な結晶方位やアンテナ構造に伴い、多様な光学的偏光特性を有するが、面内方向の偏光特性（偏光方向）を制御できない。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るフォトニック結晶光学素子は、フォトニック結晶本体とナノ構造とを有するフォトニック結晶光学素子であって、前記フォトニック結晶本体は、基部と、前記基部に周期的に設けられた複数の格子要素と、溝部を有し、前記溝部は、周期格子列の間に配置され、前記溝部の断面は、略矩形状であって、前記ナノ構造は直方体であり、導波路構造を有し、前記溝部の長さ方向と前記ナノ構造の導波方向は略平行であり、前記導波路構造の有する偏波面が、前記フォトニック結晶本体の格子面と略平行であり、前記偏波面において、ＴＥ偏波面とＴＭ偏波面が交互に周期的に配され、前記ナノ構造は、前記溝部内に、前記溝部の側壁に略密接に固定されていることを特徴とする。

また、本発明に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法は、フォトニック結晶本体の溝部にナノ構造を有するフォトニック結晶光学素子の製造方法であって、基板上に形成された導波路層を有する結晶を、前記ナノ構造と微細梁構造からなる支持構造体と、外枠部とから構成され、当該微細梁構造が当該ナノ構造を当該外枠部に支持するナノ構造形成用パターンに加工する工程と、前記ナノ構造形成用パターンの前記ナノ構造の下層の前記基板の一部を除去する工程と、弾性部材を前記支持構造体に押圧して、前記支持構造体を前記弾性部材に保持された状態で前記外枠部から分離する工程と、前記支持構造体を被転写基板に付着させる工程と、前記支持構造体から前記微細梁構造を除去する工程と、前記ナノ構造を、前記フォトニック結晶本体の溝部に挿着する工程とを備える。

本発明によれば、偏波特性を制御して高効率、低消費電力で動作するフォトニック結晶光学素子を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の外観図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の上面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶本体の外観図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶本体の上面図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の外観図である。 図１１は、本発明の第２の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の上面図である。 図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図１３は、本発明の第３の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の外観図である。 図１４は、本発明の第３の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。 図１５は、本発明の第４の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の外観図である。 図１６は、本発明の第４の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を説明するための図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子について図面を参照して説明する。

＜フォトニック結晶光学素子の構成＞
図１、２にそれぞれ、本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子１０の外観図と上面図を示す。

フォトニック結晶光学素子１０は、フォトニック結晶本体１１と、ナノ構造１２とを有する。フォトニック結晶本体１１は、溝部１１３を有し、溝部１１３にナノ構造１２が装着されている。

以下、図中、ＸＹ面を水平面という。また、溝部１１３において光はＹ方向に導波し、Ｙ方向を光の導波方向という。また、Ｚ方向を垂直方向という。図１においては、フォトニック結晶光学素子１０の表面はＸＹ面（水平面）と平行である。

図３、４にそれぞれ、本実施の形態に係るフォトニック結晶本体１１の外観図と上面図を示す。

フォトニック結晶本体１１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶であり、基部（スラブ）１１１と複数の格子要素１１２から構成される。本実施の形態では、基部１１１にシリコンを用いる。格子要素１１２は、基部とは異なる屈折率を有し、三角格子状に周期的に設けられる。本実施の形態では、円柱状の中空構造を用い、断面の円の半径は１００ｎｍ、格子定数は３５２．５ｎｍである。また、スラブ１１１の厚さは３００ｎｍである。

フォトニック結晶本体１１において、スラブ１１１内をＴＥモードとＴＭモードが伝搬する。スラブ１１１内をＴＥモードとＴＭモードが伝搬するためには、フォトニック結晶のスラブ１１１の厚さは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下が望ましい。

フォトニック結晶本体１１には、溝部１１３が設けられる。溝部１１３は、トレンチ構造であり、断面が略矩形状である。この「略矩形状」とは、完全な矩形状を含み、底面が水平面と僅かな角度をなし、側面が垂直面（図１中、ＹＺ面）と僅かな角度をなす場合を含む。この場合に、僅かな角度とは、スラブ１１１の偏波モードとナノ構造１２の偏波モードとが相互作用を生じさせることができる角度をいう。具体的には、０°より大きく１０°以下程度をいい、２～３°以下が望ましい。

溝部１１３は、周期格子列の間に配置される。詳細には、溝部１１３は、フォトニック結晶本体１１における１列の周期格子列（（例えば、図４中、点線の円１１２１が構成する列）を除いた後のスペースに配置される。以下、「周期格子列」とは、最近接の格子要素１１２間を光の導波方向（Ｙ方向）に結ぶ直線上に配置される格子要素１１２の列をいい、本実施の形態では、三角格子を形成する一辺の延長線（例えば、図４中、破線１１２３）上に配置される格子要素１１２の列である。

その結果、水平面において、上面図における光の導波方向の溝部１１３の中心線（図４中、一点鎖線１１３１）を対称軸として、線対称に格子要素１１２が配置されることになる。

溝部１１３の配置について、上面図における光の導波方向の溝部１１３の中心線（図４中、一点鎖線１１３１）と、溝部１１３に最も近い格子要素１１２（１１２２）の中心との距離は３０５．３ｎｍ程度である。

溝部１１３の配置について、溝部１１３の中心線１１３１を対称軸として、線対称に格子要素１１２が配置されることに限らない。溝部１１３が、周期格子列の間に配置されればよく、周期格子列に略平行に配置されることが望ましい。ここで、「略平行」とは、完全に平行な場合を含み、平行線と僅かな角度をなす場合を含む。この場合に、僅かな角度とは、スラブ１１１の偏波モードとナノ構造１２の偏波モードとが相互作用を生じさせることができる角度をいう。具体的には、０°より大きく１０°以下程度をいい、２～３°以下が望ましい。

この溝部１１３にはナノ構造１２が装着されるので、溝部１１３のサイズはナノ構造１２に対応する。本実施の形態では、幅が１００ｎｍ程度、深さは１００～１５０ｎｍ程度である。

ナノ構造１２は、ナノ構造１２は直方体であり、導波路構造を有する。導波路構造は、クラッド層と量子井戸構造から構成され、量子井戸構造の表面（上面）と底面それぞれにクラッド層を有する。量子井戸構造は、例えば、１．５μｍ波長帯に対応するもので、ＩｎＰ基板上のクラッド層上に成長され、井戸層にＩｎＰにＩｎＧａＡｓ、障壁層に波長組成が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰを用いる。

本実施の形態のナノ構造１２では、図１におけるＸ方向に平行な方向の長さを「幅」、Ｙ方向に平行な方向の長さを「長さ」、Ｚ方向に平行な長さを「厚さ」という。また、ＸＹ面に平行な面で、Ｚ方向において上方の面を「上面」又は「表面」、下方の面を「底面」という。また、ＹＺ面に平行な面を「側面」という。

ナノ構造１２の幅は１００ｎｍ程度、厚さは１００～１５０ｎｍ程度、長さは２μｍ程度である。

ナノ構造１２は、その底面が溝部１１３の底面に接し、その側面が溝部１１３の側面に略密接に装着される。この「溝部１１３の側面に略密接」とは、溝部１１３の側面とこの側面に対向するナノ構造１２の面（本実施の形態においては側面）とが完全に接触していることを含み、それぞれの面が僅かな隙間をもって対向する場合を含む。この場合の僅かな隙間とは、空気中への電場漏れを抑制し、効率的に光をナノ構造１２内に閉じ込めることができる程度の隙間をいう。具体的には、０ｎｍより大きく数１０ｎｍ以下である。

その結果、導波路構造の表面は、フォトニック結晶本体１１の表面、換言すれば水平面と略平行になる。また、ナノ構造１２の導波方向が、溝部の導波方向と略平行になる。

図１に示すように、ナノ構造１２は水平方向にＴＥモードを有し、垂直方向にＴＭモードを有する。換言すれば、ナノ構造１２のＴＥ偏波面は、水平面と略平行であり、フォトニック結晶本体１１の格子要素１１２が配置される格子面と略平行である。本実施の形態では、円柱状の格子要素１１２の底面と平行である。この「ＴＥ偏波面」とは、ＴＥモードの光が伝搬（振動）する面をいう。

その結果、ナノ構造１２の水平方向のＴＥモードが、フォトニック結晶本体１１に伝搬するＴＥモードとＴＭモードのうち、ＴＥモードと結合する。換言すれば、フォトニック結晶中のＴＥモードと、ナノ材料中のＴＥモードの重い励起子との相互作用が可能となる。

ここで、「水平面と略平行」とは、完全に水平面と平行な場合を含み、水平面との平行面と僅かな角度をなす場合を含む。この場合に、僅かな角度とは、スラブ１１１の偏波モードとナノ構造１２の偏波モードとが相互作用を生じさせることができる角度をいう。具体的には、０°より大きく１０°以下程度をいい、２～３°以下が望ましい。

このように、フォトニック結晶光学素子１０は、フォトニック結晶本体１１に伝搬するＴＥモードとＴＭモードのうち、ナノ構造１２がＴＥモードを選択して結合することにより、ＴＥモードで動作する。

＜フォトニック結晶光学素子の製造方法＞
本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子の製造方法を、図５～９を参照して説明する。

初めに、ナノ構造１２の材料２１として、ＩｎＰ基板２１１上のクラッド上２１２に成長された量子井戸構造２１３を用意する（図５）。量子井戸構造２１３上にはクラッド２１４が積層される。以下、量子井戸構造において、基板の表面と平行な面を「量子井戸面」という。

次に、通常の電子ビーム描画とエッチングとの微細加工技術により、高精度でナノ構造形成用パターン２２を作製する（図６）。ナノ構造形成用パターン２２は、支持構造体２２１と外枠部２２４から構成される。

支持構造体２２１はナノ構造２２２と微細梁構造２２３からなり、ナノ構造２２２は微細梁構造２２３により外枠部２２４に接続され支持されている。ここで、ナノ構造２２２の幅は高精度（加工誤差が数１０ｎｍ程度）で加工できるので、溝部２５１（後述）の幅に合わせることができる。

次に、ナノ構造２２２の転写（後述）を容易にするために、ナノ構造２２２の下層の犠牲層としてＩｎＰをエッチングして除去して空間２２５を形成する。微細梁構造２２３の幅は１０ｎｍ程度であり、転写時に容易に折れるようになっている。ナノ構造２２２の量子井戸構造２１３は、エッチング時に側壁から侵食される可能性があるので、必要に応じて、埋め込み再成長技術により側壁を保護できる。

次に、ナノ構造２２２を、転写プリント法により、弾性部材２３を用いて被転写基板２４上に転写する。弾性部材２３には、弾性を有し粘着性を付与できるので、ポリジメチルシロキサン(Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ、以下「ＰＤＭＳ」という。)を用いる。

まず、上方向より弾性部材２３を支持構造体２２１に押圧すると、支持構造体２２１を支持する微細梁構造２２３が破壊される（図７）。この押圧により、支持構造体２２１は弾性部材２３の付着力により保持される。支持構造体２２１は弾性部材２３に保持された状態で外枠部２２４から分離する。

次に、弾性部材２３に保持されている支持構造体２２１を、支持構造体２２１および被転写基板２４それぞれの付着力を用いて支持構造体２２１を被転写基板２４に付着させる。被転写基板２４には、例えばシリコンを用いる。

次に、弾性部材２３を被転写基板２４から引き剥がすことにより、被転写基板２４上に支持構造体２２１を保持させる。（図８）。

次に、原子間力顕微鏡の針（プローブ）２６等を用いて、微細梁構造２２３をナノ構造２２２から除去して、ナノ構造２２２を作製することができる。

最後に、ナノ構造２２２を、原子間力顕微鏡の針（プローブ）２６によって、フォトニック結晶本体２５中の溝部２５１内に挿入する。ナノ構造２２２は、溝部２５１内に、分子間力、例えばファンデルワールス力により固定される（図９）。

このように、本実施の形態によれば、高精度の寸法で加工されたナノ材料を用いることにより、ナノ構造をフォトニック結晶のトレンチ内に隙間なく配置することができるので、空気に対する電場漏れを抑制し、効率的に光をナノ構造内に閉じ込めることができる。その結果、高効率、低消費電力でＴＥモードを選択して動作するフォトニック結晶光学素子を実現できる。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子について図１０～図１２を参照して説明する。

図１０、１１にそれぞれ、本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子３０の外観図と上面図を示す。フォトニック結晶光学素子３０は、フォトニック結晶本体３１と、ナノ構造３２とを有し、それぞれの構造は第１の実施の形態と同様である。フォトニック結晶本体３１に装着されるナノ構造３２の向きが第１の実施の形態と異なる。

また、本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子３０の製造方法は、第１の実施の形態とほぼ同様であるが、最後の工程におけるナノ構造３２のフォトニック結晶本体３１への挿入が異なる。

本実施の形態においてフォトニック結晶本体３１に装着されたナノ構造３２では、図１０におけるＸ方向に平行な方向の長さを「厚さ」、Ｙ方向に平行な方向の長さを「長さ」、Ｚ方向に平行な長さを「幅」という。また、ＸＹ面に平行な面を「側面」という。また、ＹＺ面に平行な面のうち、一方を「上面」又は「表面」、他方を「底面」という。

本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子３０は、ナノ構造３２を、原子間力顕微鏡の針（プローブ）３３によって、導波路方向（光が伝搬する方向）の中心軸３２１を中心に９０°回転させた後に、フォトニック結晶本体３１中の溝部３１３内に挿入して固定することにより作製される（図１２）。

その結果、ナノ構造は、その側面の一方が溝部３１３の底面に接し、その上面と底面が溝部３１３の側面に略密接に装着される。この「溝部３１３の側面に略密接」とは、溝部３１３の側面とこの側面に対向するナノ構造の面（本実施の形態においては上面と底面）とが完全に接触していることを含み、それぞれの面が僅かな隙間をもって対向する場合を含む。この場合の僅かな隙間とは、空気中への電場漏れを抑制し、効率的に光をナノ構造内に閉じ込めることができる程度の隙間をいう。具体的には、０ｎｍより大きく数１０ｎｍ以下である。

本実施の形態では、ナノ構造３２を、導波路方向の中心軸３２１を中心に９０°回転して、フォトニック結晶本体３１の溝部３１３に挿入するので、ナノ構造３２の幅、厚さが、それぞれ、フォトニック結晶本体３１の溝部３１３の深さ、幅に対応する。ナノ構造３２の幅は１００～１５０ｎｍ程度、厚さは１００ｎｍ程度、長さは２μｍ程度である。

ここで、前述の通り、ナノ構造３２はＩｎＰ基板上に層構造を成長した後に、ＩｎＰ基板を除去して作製される。したがって、フォトニック結晶本体３１の溝部３１３の幅に対応するナノ構造３２の厚さは、ＩｎＰ基板上に結晶成長される層の厚さとなるので、その厚さの精度は結晶成長条件（結晶成長速度）に依存する。通常のＭＯＶＰＥ等のエピタキシャル結晶成長技術では数ｎｍレベルで結晶成長する層の厚さを制御できるので、ナノ構造３２の厚さは高精度で作製することができる。

上述のように、ナノ構造３２は、上面と底面がそれぞれ溝部３１３の側面に略密接に装着されるので、導波路構造の表面は、フォトニック結晶本体３１の表面、換言すれば水平面と略垂直になる。また、ナノ構造の導波方向が、溝部の導波方向と略平行になる。

図１０に示すように、ナノ構造３２は９０°回転した状態で、水平方向にＴＭモードを有し、垂直方向にＴＥモードを有する。換言すれば、ナノ構造のＴＭ偏波面は、水平面と略平行であり、フォトニック結晶本体３１の格子要素３１２が配置される格子面と略平行である。本実施の形態では、円柱状の格子要素３１２の底面と平行である。この「ＴＭ偏波面」とは、ＴＭモードの光が伝搬（振動）する面をいう。

その結果、ナノ構造３２の水平方向のＴＭモードが、フォトニック結晶本体３１に伝搬するＴＥモードとＴＭモードのうち、ＴＭモードと結合する。換言すれば、フォトニック結晶中のＴＭモードと、ナノ材料中のＴＭモードの重い励起子との相互作用が可能となる。

ここで、「水平面と略平行」とは、完全に水平面と平行な場合を含み、水平面との平行面と僅かな角度をなす場合を含む。この場合に、僅かな角度とは、スラブ３１１の偏波モードとナノ構造の偏波モードとが相互作用を生じさせることができる角度をいう。具体的には、０°より大きく１０°以下程度をいい、２～３°以下が望ましい。

このように、フォトニック結晶光学素子３０は、フォトニック結晶本体３１に伝搬するＴＥモードとＴＭモードのうち、ナノ構造３２がＴＭモードを選択して結合することにより、ＴＭモードで動作する。

このように、本実施の形態によれば、高精度の寸法で加工されたナノ材料を用いることにより、ナノ構造をフォトニック結晶のトレンチ内に隙間なく配置することができるので、空気に対する電場漏れを抑制し、効率的に光をナノ構造内に閉じ込めることができる。その結果、高効率、低消費電力でＴＭモードを選択して動作するフォトニック結晶光学素子を実現できる。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子４０について図１３～図１４を参照して説明する。

図１３に、本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子３０の外観図を示す。本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子４０は、フォトニック結晶本体４１とナノ構造３２を有する。フォトニック結晶本体４１は第１の実施の形態と同様の構成を有する。

ナノ構造４２は、量子井戸面がフォトニック結晶と平行である構造体４２１と、量子井戸面がフォトニック結晶と垂直である構造体４２２とが交互に配置される構成を有する。換言すれば、水平面（図１３中、ＸＹ面）にＴＥモードが伝搬（振動）する構造体（以下、「ＴＥモード構造体」という。）４２１と、水平面（図１３中、ＸＹ面）にＴＭモードが伝搬（振動）する構造体（以下、「ＴＭモード構造体」という。）４２２とが交互に配置される構成を有する。

本実施の形態のナノ構造４２では、図１３におけるＸ方向に平行な方向の長さを「幅」、Ｙ方向に平行な方向の長さを「長さ」、Ｚ方向に平行な長さを「厚さ」という。また、ＸＹ面に平行な面で、Ｚ方向において上方の面を「上面」又は「表面」、下方の面を「底面」という。また、ＹＺ面に平行な面を「側面」という。

フォトニック結晶光学素子４０は、例えば図１４に示すように、第１又は第２の実施の形態で用いたナノ構造と同様のナノ構造４２を所定の数の構造体に分割して、ナノ構造４２における量子井戸面が水平面と平行になる向きに溝部４１３に配置した構造体４２１と、ナノ構造４２における量子井戸面が水平面と垂直になる向きに溝部４１３に配置した構造体４２２とを有する。構造体４２１と構造体４２２は交互に接するように、フォトニック結晶の溝部４１３に配置される。

このように、ＴＥモード構造体４２１とＴＭモード構造体４２２とが交互に配置される。ここで、ＴＥモード構造体４２１とＴＭモード構造体４２２の長さ（光の導波方向）は、それぞれ１２０ｎｍである。

また、ナノ構造４２の幅と厚さを略同一、例えば１００ｎｍにすることにより、構造体４２１と構造体４２２のＸ方向の長さは略同一になる。その結果、ナノ構造４２は、第１の実施の形態と同様に、その底面が溝部４１３の底面に接し、その側面が溝部４１３の側面に略密接に装着される。

その結果、ＴＥモード構造体４２１のＴＥ偏波面とＴＭモード構造体４２２のＴＭ偏波面は、それぞれ水平面と略平行であり、フォトニック結晶本体４１の格子要素４１２が配置される格子面と略平行である。本実施の形態では、円柱状の格子要素４１２の底面と平行である。

本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子４０の動作について以下に説明する。

例えば、第１の実施の形態に示すＴＥモードのみのナノ構造を配置する場合、フォトニック結晶の電場は、強度変化が少ないノード（節）と強度変化が大きいアンチノード（腹）を有する。そこで、ナノ構造内部は、フォトニック結晶の電場のノードでは相互作用が弱く、アンチノードでは相互作用が強くなる。このように、ナノ構造において、フォトニック結晶の電場のＴＥモードとの作用が強い部分と弱い部分が周期的に生じる。この作用が弱い部分は、光学素子の動作への寄与が小さい。ＴＭモードについても同様である。

本実施の形態によれば、ＴＥモードについては、ナノ構造４２において相互作用が小さい部分にＴＭモード構造体４２２を配するので、ＴＥモード構造体４２１にＴＥモードのポテンシャルが局在する。このナノ構造４２においてＴＥモードが局在する部分と、フォトニック結晶本体４１のＴＥモードの電場が強い部分が相互作用するので、相互作用を増加できる。

一方、ＴＭモードについては、ナノ構造４２において作用が小さい部分にＴＥモード構造体４２１を配するので、ＴＭモード構造体４２２にＴＭモードのポテンシャルが局在する。このナノ構造４２においてＴＭモードが局在する部分と、フォトニック結晶のＴＭモードの電場が強い部分が相互作用するので、相互作用を増加できる。

本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子４０では、フォトニック結晶本体４１の構成によってＴＥモードとＴＭモードでギャップのできる波長帯が異なるので、フォトニック結晶で伝搬するＴＥモードの波長とＴＭモードの波長が異なる。したがって、対象とする波長に応じたフォトニック結晶本体４１の構成を用いることにより、フォトニック結晶光学素子４０の動作対象とする偏波モード（ＴＥモード又はＴＭモード）を選択することができる。

本実施の形態では、ＴＥモード構造体４２１とＴＭモード構造体４２２の長さ（光の導波方向）をそれぞれ１２０ｎｍとしたが、それぞれの長さが略同一であればよく、ノードとアンチノードの周期に応じた長さにすればよい。

このように、本実施の形態によれば、高精度の寸法で加工されたナノ材料を用いることにより、ナノ構造をフォトニック結晶のトレンチ内に隙間なく配置することができるので、空気に対する電場漏れを抑制し、効率的に光をナノ構造内に閉じ込めることができる。さらに、フォトニック結晶とのＴＥモードまたはＴＭモードでの相互作用を増強して、偏波モード（ＴＥモードまたはＴＭモード）を選択して、高効率、低消費電力で動作するフォトニック結晶光学素子を実現できる。

＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子５０について図１５～図１６を参照して説明する。

図１５に、本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子５０の外観図を示す。本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子５０は、フォトニック結晶本体５１とナノ構造５２を有する。フォトニック結晶本体５１は、第１の実施の形態と同様の構成を有する。

ナノ構造５２は、量子井戸構造を有する１次元フォトニック結晶であり、量子井戸面がフォトニック結晶と垂直である。１次元フォトニック結晶は量子井戸構造を有しなくても、偏波モードを有する導波路構造であればよい。

フォトニック結晶光学素子５０は、例えば図１６に示すように、ナノ構造５２を、原子間力顕微鏡の針（プローブ）５３によって、導波路方向の中心軸５２１を中心に９０°回転させた後に、フォトニック結晶本体５１中の溝部５１３内に挿入する。

その結果、ナノ構造５２は、第２の実施の形態と同様に、その上面と底面がフォトニック結晶本体５１１の溝部５１３の側面に略密接に装着される。

本実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子５０は、第２の実施の形態と同様の効果を奏する。

また、ナノ構造を導波路方向の中心軸を中心に９０°回転させずにフォトニック結晶本体の溝部に装着する場合は、、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るフォトニック結晶光学素子を、レーザ等の発光素子、光フィルターや光スイッチなどの光デバイスに適用すれば、ＴＥモード、ＴＭモードいずれかを選択して動作するデバイスを実現できる。

本発明の実施の形態では、溝部を、フォトニック結晶本体の周期格子列の間の一列全域に形成する例を示したが、フォトニック結晶本体の周期格子列の間の一部に形成してもよい。

本発明の実施の形態では、溝部を、フォトニック結晶本体の端面に垂直になるように設ける例を示したが、これに限らず、フォトニック結晶本体の端面に対して斜め方向に設けてもよい。フォトニック結晶本体の格子要素が三角格子状である場合には、フォトニック結晶本体の端面に対して３０°（又は１５０°）の角度になるように設けてもよい。

本発明の実施の形態では、フォトニック結晶本体の基部にシリコンを用いたが、これに限らない。ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣなどでもよい。

本発明の実施の形態では、フォトニック結晶本体の格子要素を、円柱状の中空構造とし、三角格子状に周期的に設けたが、これに限らない。形状は円柱状でなくても柱状でもよく、複数の略同一形状の立体が周期的に配置されていればよい。中空構造でなくても基部とは異なる屈折率を有すればよい。三角格子状でなくても正方格子状でもよい。また、寸法も、対象とする光の波長に応じて他の寸法を用いればよい。

本発明の実施の形態では、ナノ構造における量子井戸構造に、ＩｎＧａＡｓ井戸層、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層からなる１．５μｍ波長帯のＩｎＰ系量子井戸構造を用いたが、他の波長帯でもよく、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系など他の材料系の量子井戸構造を用いてもよい。

本発明の実施の形態では、フォトニック結晶光学素子の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。フォトニック結晶光学素子の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、レーザ等の発光素子、光フィルターや光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。

１０ フォトニック結晶光学素子
１１ フォトニック結晶本体
１１１ 基部
１１２ 格子要素
１１３ 溝部
１２ ナノ構造

Claims (2)

1. フォトニック結晶本体とナノ構造とを有するフォトニック結晶光学素子であって、
   前記フォトニック結晶本体は、基部と、前記基部に周期的に設けられた複数の格子要素と、溝部を有し、
   前記溝部は、周期格子列の間に配置され、
   前記溝部の断面は、略矩形状であって、
   前記ナノ構造は直方体であり、導波路構造を有し、
   前記溝部の長さ方向と前記ナノ構造の導波方向は略平行であり、
   前記導波路構造の有する偏波面が、前記フォトニック結晶本体の格子面と略平行であり、
   前記偏波面において、ＴＥ偏波面とＴＭ偏波面が交互に周期的に配され、
   前記ナノ構造は、前記溝部内に、前記溝部の側壁に略密接に固定されているフォトニック結晶光学素子。
2. フォトニック結晶本体の溝部にナノ構造を有するフォトニック結晶光学素子の製造方法であって、
   基板上に形成された導波路層を有する結晶を、前記ナノ構造と微細梁構造からなる支持構造体と、外枠部とから構成され、当該微細梁構造が当該ナノ構造を当該外枠部に支持するナノ構造形成用パターンに加工する工程と、
   前記ナノ構造形成用パターンの前記ナノ構造の下層の前記基板の一部を除去する工程と、
   弾性部材を前記支持構造体に押圧して、前記支持構造体を前記弾性部材に保持された状態で前記外枠部から分離する工程と、
   前記支持構造体を被転写基板に付着させる工程と、
   前記支持構造体から前記微細梁構造を除去する工程と、
   前記ナノ構造を、前記フォトニック結晶本体の溝部に挿着する工程とを
   備えるフォトニック結晶光学素子の製造方法。

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