JP2007286635A - Photonic crystal - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide photonic crystal which is excellent in operational efficiency. <P>SOLUTION: The photonic crystal includes at least two kinds of materials which have different refractive indices, and those materials form a periodical structure. A nonlinear optical material is included in at least a part of the photonic crystal. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はフォトニック結晶に関し、より詳しくは、その少なくとも一部に非線形光学材料を含むフォトニック結晶に関する。   The present invention relates to a photonic crystal, and more particularly to a photonic crystal including a nonlinear optical material in at least a part thereof.

本発明のフォトニック結晶の応用可能な対象は特に制限されないが、例えば、フォトニック結晶デバイス、波長変換素子、和差周波発生素子、第二・第三・第四高調波発生素子、ＯＰＡ素子、四波混合素子、誘導ラマン散乱素子、パルス圧縮、レーザー光源、光変調素子、光スイッチング素子、光応答素子、光双安定素子、光論理演算素子、有機非線形光学材料加工等に好適に利用可能である。   The applicable object of the photonic crystal of the present invention is not particularly limited. For example, a photonic crystal device, a wavelength conversion element, a sum / frequency generator, a second / third / fourth harmonic generator, an OPA element, It can be suitably used for four-wave mixing elements, stimulated Raman scattering elements, pulse compression, laser light sources, light modulation elements, optical switching elements, optical response elements, optical bistable elements, optical logic operation elements, organic nonlinear optical material processing, etc. is there.

社会・経済活動の発展に伴い、情報通信・情報処理の分野における大容量の通信を可能とする光エレクトロニクスの重要性は、益々増大している。他方、近年の伝達すべき情報の更なる大容量化、高速化の進行により、既存の光技術のみを用いた情報通信・情報処理では限界が近くなって来ている。このような限界を打破する可能性を有する技術の一つとして、光の進路を自在に制御することが可能なフォトニック結晶が近年、脚光を浴びている。このフォトニック結晶は、屈折率が異なる物質を、光の波長と同様のレベルの間隔で周期的に組み合わせたものである。   With the development of social and economic activities, the importance of optoelectronics that enables large-capacity communication in the fields of information communication and information processing is increasing. On the other hand, due to the further increase in capacity and speed of information to be transmitted in recent years, the limits of information communication / information processing using only existing optical technology are approaching. In recent years, photonic crystals that can freely control the path of light have attracted attention as one of the technologies that have the potential to overcome such limitations. This photonic crystal is obtained by periodically combining materials having different refractive indexes at intervals similar to the wavelength of light.

このようなフォトニック結晶に入射する光は、反射・屈折・干渉などが絡み合い、独特の光学現象（例えば、「分散」「異方性」「フォトニック・バンドキャップ」という特徴的な光の伝搬特性に基づく）を生じるのみならず、フォトニック結晶を用いた場合には、従来の光学材料に比べて１０^３倍以上の光の伝搬特性の改善が期待されている。このため、フォトニック結晶は、光フィルタ、光導波路、バンドフイルター、ディスプレイ用デバイス等としての種々の光応用分野に適用が期待される。更には、フォトニック結晶は、面積比１０^３分の１以下の超小型光回路や、スーパープリズム、零閾値レーザ；および輻射場、伝播特性を制御し得る光機能素子（例えば、急角度曲げの光導波路、極小サイズの光共振器、光変調器、波長分波器、極低しきい値レーザーアレイ等）など革新的光デバイスの実現に途を開く可能性を秘めている。 Light incident on such a photonic crystal is entangled with reflection, refraction, interference, etc., and unique optical phenomena (for example, “dispersion”, “anisotropic”, “photonic band cap”) Based on the characteristics, the use of a photonic crystal is expected to improve the light propagation characteristics by 10 ³ times or more compared to conventional optical materials. For this reason, the photonic crystal is expected to be applied to various optical application fields such as an optical filter, an optical waveguide, a band filter, and a display device. Furthermore, photonic crystal, an area ratio of 10 ^one-third less and ultra-small optical circuit, superprism, zero threshold lasers; and radiation field, the optical functional device capable of controlling the propagation characteristics (e.g., sudden bending angle of It has the potential to open up innovative optical devices such as optical waveguides, ultra-small optical resonators, optical modulators, wavelength demultiplexers, and ultra-low threshold laser arrays.

上記したように、フォトニック結晶は周期的に変化する屈折率を有する新しい光学材料であって、将来的な種々の光学技術の重要なカギとなる材料である。しかしながら、従来より現実的に開発・提案されたフォトニック結晶は、動作の効率の点では、必ずしも充分な特性を発揮しているとは言い難かった。   As described above, the photonic crystal is a new optical material having a refractive index that changes periodically, and is an important key for various future optical technologies. However, it has been difficult to say that photonic crystals that have been developed and proposed more realistically than before have always exhibited sufficient characteristics in terms of operational efficiency.

加えて、フォトニック結晶における微細加工の必要性から、実用化可能な従来のフォトニック結晶は、半導体材料を用いたフォトニック結晶に事実上限定されていた。   In addition, because of the necessity of microfabrication in photonic crystals, conventional photonic crystals that can be put into practical use are practically limited to photonic crystals using semiconductor materials.

Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，Ｒ．Ｄ．Ｍｅａｄｅ，ａｎｄ Ｊ．Ｎ．Ｗｉｎｎ，Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｕｎｉｖ．Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ，１９９５．）J. et al. D. Joannopoulos, R.A. D. Meade, and J.M. N. Winn, Photonic Crystals (Princeton Univ. Press, New Jersey, 1995.)

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消したフォトニック結晶を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a photonic crystal in which the above-described drawbacks of the prior art are eliminated.

本発明の他の目的は、動作の効率が良好なフォトニック結晶を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a photonic crystal with good operation efficiency.

本発明者は鋭意研究の結果、従来におけるように微細加工が容易な半導体材料を用いるためはなく、むしろ従来技術においては微細加工が困難とされていた非線形材料を、その少なくとも一部に用いてフォトニック結晶を構成することが、上記目的の達成のために極めて効果的なことを見出した。   As a result of earnest research, the present inventor does not use a semiconductor material that can be easily processed finely as in the past, but rather uses a non-linear material that has been difficult to perform in the prior art for at least a part thereof. It has been found that constructing a photonic crystal is extremely effective for achieving the above object.

本発明のフォトニック結晶は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶であって；且つ、その少なくとも一部に非線形光学材料を含むことを特徴とするものである。   The photonic crystal of the present invention is based on the above knowledge, and more specifically, is a photonic crystal containing at least two materials having different refractive indexes, and these materials give a periodic structure; and A nonlinear optical material is included at least in part.

本発明は、例えば、以下の態様を含む。   The present invention includes, for example, the following aspects.

［Ａ−１］ 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶であって；且つ、その少なくとも一部に非線形光学材料を含むことを特徴とするフォトニック結晶。 [A-1] A photonic crystal including at least two materials having different refractive indexes, and these materials provide a periodic structure; and at least a part thereof includes a nonlinear optical material Photonic crystal.

［Ａ−２］ 前記周期的構造が非線形光学材料を含む［Ａ−１］に記載のフォトニック結晶。 [A-2] The photonic crystal according to [A-1], wherein the periodic structure includes a nonlinear optical material.

［Ａ−３］ クラッド材料からなる層の上に、前記周期的構造が配置されている［Ａ−１］または［Ａ−２］に記載のフォトニック結晶。 [A-3] The photonic crystal according to [A-1] or [A-2], in which the periodic structure is disposed on a layer made of a clad material.

［Ａ−４］ 非線形光学材料からなる層の上に、前記周期的構造が配置されている［Ａ−１］に記載のフォトニック結晶。 [A-4] The photonic crystal according to [A-1], in which the periodic structure is disposed on a layer made of a nonlinear optical material.

［Ａ−５］ クラッド材料からなる層の上に、前記非線形光学材料からなる層が配置されている［Ａ−４］に記載のフォトニック結晶。 [A-5] The photonic crystal according to [A-4], in which a layer made of the nonlinear optical material is arranged on a layer made of a clad material.

［Ａ−６］ 前記クラッド材料が金属である［Ａ−３］または［Ａ−５］に記載のフォトニック結晶。 [A-6] The photonic crystal according to [A-3] or [A-5], wherein the cladding material is a metal.

［Ａ−７］ 前記非線形光学材料が有機非線形光学材料である［Ａ−１］〜［Ａ−６］のいずれかに記載のフォトニック結晶。 [A-7] The photonic crystal according to any one of [A-1] to [A-6], wherein the nonlinear optical material is an organic nonlinear optical material.

［Ｂ−１］ 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶であって；且つ、
非線形光学材料からなる層の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶。 [B-1] a photonic crystal comprising at least two materials having different refractive indices, and these materials provide a periodic structure; and
A photonic crystal in which the periodic structure is disposed on a layer made of a nonlinear optical material.

［Ｂ−２］ クラッド材料からなる層の上に、前記非線形光学材料からなる層が配置されている［Ｂ−１］に記載のフォトニック結晶。 [B-2] The photonic crystal according to [B-1], in which a layer made of the nonlinear optical material is arranged on a layer made of a clad material.

［Ｂ−３］ 前記クラッド材料が金属である［Ｂ−２］に記載のフォトニック結晶。 [B-3] The photonic crystal according to [B-2], wherein the cladding material is a metal.

［Ｂ−４］ 前記非線形光学材料が有機非線形光学材料である［Ｂ−１］〜［Ｂ−３］のいずれかに記載のフォトニック結晶。 [B-4] The photonic crystal according to any one of [B-1] to [B-3], wherein the nonlinear optical material is an organic nonlinear optical material.

［Ｂ−５］ 前記周期構造層を有する層が、コア層として機能する［Ｂ−１］〜［Ｂ−４］のいずれかに記載のフォトニック結晶。 [B-5] The photonic crystal according to any one of [B-1] to [B-4], wherein the layer having the periodic structure layer functions as a core layer.

［Ｂ−６］ 前記非線形光学材料層が、コア層として機能する［Ｂ−１］〜［Ｂ−４］のいずれかに記載のフォトニック結晶。 [B-6] The photonic crystal according to any one of [B-1] to [B-4], in which the nonlinear optical material layer functions as a core layer.

［Ｂ−７］ 前記周期構造を有する層と、非線形光学材料が、いずれもコア層として機能する［Ｂ−１］〜［Ｂ−４］のいずれかに記載のフォトニック結晶。 [B-7] The photonic crystal according to any one of [B-1] to [B-4], wherein the layer having the periodic structure and the nonlinear optical material each function as a core layer.

［Ｂ−８］ 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え；且つ、非線形光学材料からなる層の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶の製造方法であって、以下の工程を含む方法：
基板上に、前記非線形光学材料からなる層を形成する工程；
該非線形光学材料層の上に、周期的構造を与える加工材料層を形成する工程；および
該加工材料層をパターンニングして、フォトニック結晶パターンを有する周期的構造を形成する工程。 [B-8] A photonic that includes at least two materials having different refractive indexes, and these materials provide a periodic structure; and the periodic structure is disposed on a layer made of a nonlinear optical material. A method for producing a crystal comprising the following steps:
Forming a layer of the nonlinear optical material on a substrate;
Forming a processing material layer that provides a periodic structure on the nonlinear optical material layer; and patterning the processing material layer to form a periodic structure having a photonic crystal pattern.

［Ｂ−９］ 前記基板と、非線形光学材料からなる層との間に、予めクラッド材料からなる層が形成されている［Ｂ−８］に記載のフォトニック結晶の製造方法。 [B-9] The method for producing a photonic crystal according to [B-8], wherein a layer made of a cladding material is formed in advance between the substrate and a layer made of a nonlinear optical material.

［Ｂ−１０］ 前記周期構造を有する層のパターニングが、ドライエッチング、ナノインプリント技術、陽極酸化技術、化学エッチング技術、電子・集束イオン・フォトンビームリソグラフィー技術、選択成長技術、レーザ加工技術から選ばれる技術によって行われる［Ｂ−８］または［Ｂ−９］に記載のフォトニック結晶の製造方法。 [B-10] The patterning of the layer having the periodic structure is a technique selected from dry etching, nanoimprint technology, anodizing technology, chemical etching technology, electron / focused ion / photon beam lithography technology, selective growth technology, and laser processing technology. The method for producing a photonic crystal according to [B-8] or [B-9], which is performed by:

［Ｂ−１１］ 前記基板が、Ｓｉからなる基板である［Ｂ−８］〜［Ｂ−１０］のいずれかに記載のフォトニック結晶の製造方法。 [B-11] The method for producing a photonic crystal according to any one of [B-8] to [B-10], wherein the substrate is a substrate made of Si.

［Ｂ−１２］ 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え；且つ、非線形光学材料の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶の製造方法であって、以下の工程を含む方法：
非線形光学材料からなる基板上に、周期的構造を与える加工材料層を形成する工程；および
該加工材料層をパターンニングして、フォトニック結晶パターンを有する周期的構造を形成する工程。 [B-12] Manufacture of a photonic crystal including at least two materials having different refractive indexes, which give a periodic structure; and on the nonlinear optical material, the periodic structure is disposed. A method comprising the following steps:
Forming a processing material layer that provides a periodic structure on a substrate made of a nonlinear optical material; and patterning the processing material layer to form a periodic structure having a photonic crystal pattern.

［Ｂ−１３］ 前記非線形材料が、無機非線形材料、有機非線形材料、半導体非線形材料、またはこれらの組合せ材料から選ばれる［Ｂ−１２］に記載のフォトニック結晶の製造方法。 [B-13] The method for producing a photonic crystal according to [B-12], wherein the nonlinear material is selected from an inorganic nonlinear material, an organic nonlinear material, a semiconductor nonlinear material, or a combination material thereof.

［Ｂ−１４］ 前記無機非線形材料が、無機非線形光学結晶、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３から選ばれる［Ｂ−１３］に記載のフォトニック結晶の製造方法。 [B-14] The method for producing a photonic crystal according to [B-13], wherein the inorganic nonlinear material is selected from an inorganic nonlinear optical crystal, LiNbO _{3, and} LiTaO ₃ .

［１−１］ コア層に非線形性の高い母体材料を用い、そのコア層に屈折率を二，三次元的に光波長程度の周期で変調したフォトニック結晶構造部を持たせ、またその平均屈折率よりも低い屈折率を持つ材料（又は空気）のクラッド層で上下左右に光を閉じ込めたスラブ型非線形フォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶の特性により、異常バンド分散（特に低群速度）による電場増強効果、及び光バンド構造による位相整合効果を持たせ、導いた基本波の高調波を効率良く出力することを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。   [1-1] A core material having a high nonlinearity is used for the core layer, and the core layer is provided with a photonic crystal structure in which the refractive index is modulated two or three-dimensionally with a period of about the light wavelength, and the average Anomalous band dispersion (especially low group velocity) due to the characteristics of photonic crystals in a slab-type nonlinear photonic crystal waveguide in which light is confined vertically and horizontally by a cladding layer of a material (or air) having a refractive index lower than the refractive index. ) And a phase matching effect due to the optical band structure, and efficiently output the harmonics of the guided fundamental wave.

［１−２］ ［１−１］に記載の非線形フォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶構造を有するコア層の母体材料として有機非線形光学材料を用いることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。   [1-2] The nonlinear photonic crystal waveguide according to [1-1], wherein an organic nonlinear optical material is used as a base material of a core layer having a photonic crystal structure. .

［１−３］ ［１−１］に記載の非線形フォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶構造を有するコア層の平均屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層として、金属材料を用いることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。   [1-3] In the nonlinear photonic crystal waveguide according to [1-1], a metal material is used as a cladding layer having a refractive index lower than an average refractive index of a core layer having a photonic crystal structure. Characteristic nonlinear photonic crystal waveguide.

［１−４］ ［１−１］又は［１−２］、［１−３］に記載の非線形フォトニック結晶導波路を作製するために、光、電子ビームリソグラフィー、反応性ガスを用いたドライエッチングを用いる手段を特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の作製法。   [1-4] In order to produce the nonlinear photonic crystal waveguide according to [1-1] or [1-2], [1-3], dry using light, electron beam lithography, or reactive gas is used. A method for producing a nonlinear photonic crystal waveguide characterized by means using etching.

［１−５］ ［１−１］、［１−２］又は［１−３］に記載の非線形フォトニック結晶導波路を評価するための手法であり、フォトニックバンド構造を調べる、角度走査偏光反射率測定とフォトニックバンド計算を用いることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の評価方法。   [1-5] Angular scanning polarization, which is a method for evaluating the nonlinear photonic crystal waveguide according to [1-1], [1-2], or [1-3], and examines a photonic band structure A method for evaluating a nonlinear photonic crystal waveguide, characterized by using reflectance measurement and photonic band calculation.

［１−６］ ［１−５］に記載の非線形フォトニック結晶導波路の評価方法における、実験的にフォトニックバンド構造を調べる角度走査偏光反射率測定において、光を自在に偏光できること、多波長を一括に測定すること、フォトニック結晶の角度を走査できること、フォトニック結晶額域部分に光を集光できることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の評価装置。   [1-6] In the method for evaluating a non-linear photonic crystal waveguide according to [1-5], light can be freely polarized in angle scanning polarization reflectance measurement for experimentally examining a photonic band structure; An apparatus for evaluating a non-linear photonic crystal waveguide, characterized in that the angle of the photonic crystal can be measured, the angle of the photonic crystal can be scanned, and the light can be condensed on the frame portion of the photonic crystal.

［２−１］ コア層に非線形性及び加工性の高い有機非線形光学ポリマー等の母体材料を用い、そのコア層に屈折率を光波長程度の周期で変調したフォトニック結晶構造部を持たせ、またその平均屈折率よりも低い屈折率を持つ材料（又は空気）のクラッド層で上下左右に光を閉じ込めたスラブ型非線形フォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶の特性により、異常バンド分散（特に低群速度）による電場増強効果、及び光バンド構造による位相整合効果を持たせ、導いた基本波の和周波もしくは高調波を効率良く出力することを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。   [2-1] Using a base material such as an organic nonlinear optical polymer having high nonlinearity and processability for the core layer, and having a photonic crystal structure part in which the refractive index is modulated with a period of about the optical wavelength, Also, in a slab type nonlinear photonic crystal waveguide in which light is confined vertically and horizontally by a cladding layer of a material (or air) having a refractive index lower than the average refractive index, anomalous band dispersion (particularly due to the characteristics of the photonic crystal) A nonlinear photonic crystal waveguide, which has an electric field enhancement effect by a low group velocity) and a phase matching effect by an optical band structure, and efficiently outputs a sum frequency or a harmonic wave of a guided fundamental wave.

［２−２］ 基本波の無駄な散乱ロス及び非線形光学材料に対するダメージを軽減するため、［２−１］の構造を改良し、非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを設け、且つその上下左右をその平均屈折率より低いクラッド層で閉じ込めた、非線形層・フォトニック結晶層分離型の非線形フォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶の特性により、異常バンド分散（特に低群速度）による電場増強効果、及び光バンド構造による位相整合効果を持たせ、導いた基本波の和周波もしくは高調波を効率良く出力することを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。この構造では、非線形光学材料層へ周期的屈折率変調のための微細加工は行わないため、有機非線形光学材料の他に、ＬｉＮｂＯ_３等の無機非線形光学材料も用いることができる。 [2-2] In order to reduce unnecessary scattering loss of the fundamental wave and damage to the nonlinear optical material, the structure of [2-1] is improved, and the nonlinear optical material layer (wavelength conversion unit) and the periodic refractive index modulation layer In a nonlinear photonic crystal waveguide of a nonlinear layer / photonic crystal layer separation type, in which a two-layer core separated from (photonic crystal part) is provided and its upper, lower, left, and right are confined by a cladding layer lower than its average refractive index, Depending on the characteristics of the photonic crystal, it has an electric field enhancement effect due to anomalous band dispersion (especially a low group velocity) and a phase matching effect due to the optical band structure, and efficiently outputs the sum frequency or harmonics of the derived fundamental wave. Characteristic nonlinear photonic crystal waveguide. In this structure, fine processing for periodic refractive index modulation is not performed on the nonlinear optical material layer, and therefore, an inorganic nonlinear optical material such as LiNbO ₃ can be used in addition to the organic nonlinear optical material.

［２−３］ ［２−１］に記載の非線形フォトニック結晶導波路において、コア層の非線形材料として有機非線形光学材料を用いることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。［２］に記載の非線形フォトニック結晶導波路において、コア層の非線形材料として有機非線形光学材料又は無機非線形光学材料を用いることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。   [2-3] The nonlinear photonic crystal waveguide according to [2-1], wherein an organic nonlinear optical material is used as the nonlinear material of the core layer. The nonlinear photonic crystal waveguide according to [2], wherein an organic nonlinear optical material or an inorganic nonlinear optical material is used as the nonlinear material of the core layer.

［２−４］ ［２−１］、［２−２］に記載の非線形フォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶構造を有するコア層の平均屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層として、金属材料、またはＳｉＯ_２等の低屈折率誘電材料、または空気層を用いることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路。 [2-4] In the nonlinear photonic crystal waveguide according to [2-1] and [2-2], as a cladding layer having a refractive index lower than an average refractive index of a core layer having a photonic crystal structure, metallic material or a low index dielectric material such as SiO ₂ or nonlinear photonic crystal waveguides, which comprises using an air layer,.

［２−５］ ［２−１］〜［２−４］に記載の非線形フォトニック結晶導波路を作製するために、光、電子ビームリソグラフィー、及び反応性ガスを用いたドライエッチングを用いる手段を特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の作製法。   [2-5] Means using light, electron beam lithography, and dry etching using a reactive gas in order to produce the nonlinear photonic crystal waveguide according to [2-1] to [2-4] A method for producing a characteristic nonlinear photonic crystal waveguide.

［２−６］ ［２−１］〜［２−４］に記載の非線形フォトニック結晶導波路素子を用いて、和周波もしくは第二高調波を発生させる際の励起光源の入射法として、斜め上部から直接入射する手段、または導波路やファイバー等を用いて端面から平行に入射する手段を特徴とする非線形フォトニック結晶導波路素子の動作手法。   [2-6] As the incident method of the excitation light source when generating the sum frequency or the second harmonic using the nonlinear photonic crystal waveguide element described in [2-1] to [2-4] An operation method of a nonlinear photonic crystal waveguide element characterized by means for direct incidence from above, or means for parallel incidence from an end face using a waveguide or fiber.

［２−７］ ［２−１］〜［２−４］に記載の非線形フォトニック結晶導波路を評価するための手法であり、フォトニックバンド構造を調べる、角度走査偏光反射率測定とフォトニックバンド計算を用いることにより、簡便、迅速、正確に評価できることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の光バンド構造評価方法。   [2-7] Angle scanning polarization reflectivity measurement and photonic for evaluating the non-linear photonic crystal waveguide according to [2-1] to [2-4], in which a photonic band structure is examined. An optical band structure evaluation method for a non-linear photonic crystal waveguide, characterized in that it can be evaluated simply, quickly and accurately by using band calculation.

［２−８］ ［２−７］に記載の非線形フォトニック結晶導波路の評価方法における、実験的にフォトニックバンド構造を調べる角度走査偏光反射率測定において、光を自在に偏光できること、多波長を一括に測定すること、光入射角度を走査できること、フォトニック結晶の角度を走査できること、フォトニック結晶領域部分に光を集光できることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の光バンド構造評価装置。   [2-8] In the method for evaluating a nonlinear photonic crystal waveguide according to [2-7], light can be freely polarized in angle-scanning polarization reflectivity measurement for experimentally examining a photonic band structure; Optical band structure evaluation apparatus for nonlinear photonic crystal waveguides, characterized in that it can measure the incident light at once, scan the light incident angle, scan the angle of the photonic crystal, and focus the light on the photonic crystal region .

［２−９］ ［２−１］〜［２−４］に記載の非線形フォトニック結晶導波路を評価するための手法であり、和周波混合及び第二高調波発生過程の評価を簡便に調べる、角度走査、和周波混合・第二高調波発生測定を行うことを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の非線形効果評価方法。   [2-9] This is a method for evaluating the nonlinear photonic crystal waveguide according to [2-1] to [2-4], and the evaluation of the sum frequency mixing and the second harmonic generation process is simply examined. A method for evaluating a nonlinear effect of a nonlinear photonic crystal waveguide, characterized by performing angular scanning, sum frequency mixing / second harmonic generation measurement.

［２−１０］ ［２−９］に記載の非線形フォトニック結晶導波路の評価方法における、実験的に非線形効果を調べる角度走査、和周波混合・第二高調波発生測定において、簡便、迅速、正確に評価でき、光を自在に偏光できること、入射光の波長が可変であること、光入射角度を走査できること、フォトニック結晶の角度を走査できること、フォトニック結晶領域部分に光を集光できることを特徴とする非線形フォトニック結晶導波路の非線形効果評価装置。   [2-10] In the method for evaluating a nonlinear photonic crystal waveguide according to [2-9], in the angular scanning for experimentally examining the nonlinear effect, in the sum frequency mixing / second harmonic generation measurement, simply and quickly, It can be accurately evaluated and can freely polarize light, the wavelength of incident light is variable, the light incident angle can be scanned, the angle of the photonic crystal can be scanned, and the light can be condensed on the photonic crystal region. Nonlinear effect evaluation device for a non-linear photonic crystal waveguide characterized.

本発明においては、更に、以下のような態様をも包含することができる。   The present invention can further include the following aspects.

１．和周波・第二高調波発生等の非線形光学効果は物質と電磁場の相互作用の結果、物質に誘起される非線形分極に起因する現象である。よってこの効果を増大するために、従来物質固有の光分散関係を、屈折率を光波長程度の周期で一，二，三次元的に変調したフォトニック結晶構造により改変し、物質と電磁場の相互作用を大きく増幅することを狙う。フォトニック結晶構造による光波のブラッグ共鳴によって、光分散関係（フォトニックバンド構造）中に、光の群速度が非常に低下する領域が現れる。具体的には、バンド端付近やフォトニックバンドギャップ中の欠陥バンド等に低群速度領域が現れる。その領域を利用すれば、物質中の電場強度は入射強度に対して、大きく増幅し、結果として和周波・第二高調波の放射強度が増大した。また、フォトニック結晶構造により、光バンドが多数本形成されるため、適切に設計すれば、電場増幅と位相整合条件を同時に満たすことも可能となる。この二つの効果により、コア層にフォトニック結晶構造を有する導波路を作製すれば非常に高効率な和周波・第二高調波発生素子が実現できる。   1. Nonlinear optical effects such as sum frequency and second harmonic generation are phenomena caused by nonlinear polarization induced in the substance as a result of the interaction between the substance and the electromagnetic field. Therefore, in order to increase this effect, the light dispersion relationship inherent to conventional materials is modified by a photonic crystal structure in which the refractive index is modulated one-, two- or three-dimensionally with a period of about the light wavelength, and the mutual relationship between the material and the electromagnetic field is changed. Aim to greatly amplify the effect. Due to Bragg resonance of the light wave due to the photonic crystal structure, a region where the group velocity of light is greatly reduced appears in the light dispersion relationship (photonic band structure). Specifically, a low group velocity region appears in the vicinity of the band edge or in a defect band in the photonic band gap. Using that region, the electric field strength in the material was greatly amplified with respect to the incident strength, and as a result, the radiation intensity of the sum frequency and second harmonic increased. In addition, since a number of optical bands are formed by the photonic crystal structure, it is possible to satisfy both electric field amplification and phase matching conditions simultaneously if designed appropriately. Due to these two effects, if a waveguide having a photonic crystal structure is produced in the core layer, a very high-efficiency sum frequency / second harmonic generation element can be realized.

２．フォトニック結晶導波路のコア層材料に非常に加工性・非線形光学定数の高い有機非線形光学材料を用いることにより、加工性の悪い無機非線形光学結晶を利用する場合と比較して、加工精度、コスト性ともに格段に高い、素子が実現できる。本例では有機非線形光学材料として代表的な有機非線形光学ポリマーであるＤｉｓｐｅｒｓｅ Ｒｅｄ１／ＰＭＭＡを用いた。その有機非線形光学材料に対する微細加工プロセス法は、電子ビーム・光リソグラフィーおよび反応性ガスを用いたドライエッチングを用いて行う。コア層である有機非線形光学材料をスラブ導波路構造に加工し、光導波路で連結されたフォトニック結晶部に光波長程度のサイズの二次元な周期をもつ空孔を加工し、高精度な素子作製を実現した。   2. By using an organic nonlinear optical material with a very high workability and nonlinear optical constant for the core layer material of the photonic crystal waveguide, processing accuracy and cost are lower than when using an inorganic nonlinear optical crystal with poor processability. A device with much higher characteristics can be realized. In this example, Disperse Red1 / PMMA, which is a typical organic nonlinear optical polymer, was used as the organic nonlinear optical material. The fine processing method for the organic nonlinear optical material is performed using electron beam / optical lithography and dry etching using a reactive gas. An organic nonlinear optical material that is the core layer is processed into a slab waveguide structure, and holes with a two-dimensional period of the size of the optical wavelength are processed in the photonic crystal part connected by the optical waveguide, and a high-accuracy device Fabrication was realized.

３．前述したように、コア層として用いる有機非線形光学材料をフォトニック結晶構造状に加工する素子構造は、単純な構造であり工程が少なくすむ点で優れているが、有機非線形光学材料層に直接加工を行うことから、材料に対するダメージの問題、および入射波の伝播時の散乱によるロスの問題がある。これらの問題を軽減するため、その構造を改良したもう一つの素子構造として、以下のような構造を提案した。すなわち非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する素子構造を用いる。本例では、非線形光学材料層（波長変換部）として有機非線形光学ポリマーであるDisperse Red１／ＰＭＭＡを用い、周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）として、有機ポリマーであるＰＭＭＡを用い、その２層の間にそれらに比べ非常に薄い酸化物層（ＳｉＯ_２）を挟んだ構造とした。２と同様にフォトニック結晶部に対する微細加工プロセス法は、電子ビーム・光リソグラフィーおよび反応性ガスを用いたドライエッチングを用いて行うが、非線形光学材料層（波長変換部）を分離し、更に薄い酸化物層を挟んでいるため、重要な導波・波長変換部に対し、プロセス上のダメージを軽減、回避することが可能であり、また導波時の無駄な散乱ロスも減らすことができる。 3. As described above, the element structure for processing the organic nonlinear optical material used as the core layer into a photonic crystal structure is simple and excellent in reducing the number of processes, but it is directly processed into the organic nonlinear optical material layer. Therefore, there is a problem of damage to the material and a problem of loss due to scattering during propagation of incident waves. In order to alleviate these problems, the following structure has been proposed as another element structure with an improved structure. That is, an element structure having a two-layer core in which a nonlinear optical material layer (wavelength conversion portion) and a periodic refractive index modulation layer (photonic crystal portion) are separated is used. In this example, Disperse Red1 / PMMA, which is an organic nonlinear optical polymer, is used as the nonlinear optical material layer (wavelength conversion portion), and PMMA, which is an organic polymer, is used as the periodic refractive index modulation layer (photonic crystal portion). A very thin oxide layer (SiO ₂ ) was sandwiched between the _two layers. As in 2, the microfabrication process method for the photonic crystal part is performed using electron beam / optical lithography and dry etching using a reactive gas, but the nonlinear optical material layer (wavelength conversion part) is separated and thinner. Since the oxide layer is sandwiched, it is possible to reduce or avoid process damage to an important waveguide / wavelength converter, and it is possible to reduce useless scattering loss at the time of waveguide.

４．屈折率の低い有機コア層に対する、クラッド層として金属クラッドを用いることにより、使用する波長域により適切な金属を選べば、クラッド層の屈折率の実部は１以下となり、非常に強い光閉じ込め効果により、低損失な光導波が実現できる。これは、金属のプラズマ周波数以下の負の誘電率（実部）を利用したものである。また、無機非線形光学単結晶では、基板（クラッド層）は格子の整合性から同種のものに限られるが、本例ではコア層が有機材料であるため、クラッド層が金属などの異種材料でも界面の整合性は高い。そこで、本例における素子構造は底部側のクラッドとして金属クラッドを利用し、上部側クラッドとして空気クラッドを利用した有機非線形フォトニック結晶、和周波・第二次高調波発生素子構造とした。本例では、金属クラッドとしてＡｇ薄膜を使用した。これは波長約３２０ｎｍから赤外域まで、屈折率の実部が１以下であり、また他の金属と比較し光吸収が少ないためである。   4). By using a metal clad as a clad layer for an organic core layer having a low refractive index, if a suitable metal is selected according to the wavelength range to be used, the real part of the refractive index of the clad layer will be 1 or less, and a very strong optical confinement effect Thus, a low-loss optical waveguide can be realized. This utilizes a negative dielectric constant (real part) below the plasma frequency of the metal. In addition, in the inorganic nonlinear optical single crystal, the substrate (cladding layer) is limited to the same type due to the lattice matching, but in this example, the core layer is an organic material, so even if the cladding layer is a dissimilar material such as a metal interface. Is highly consistent. Therefore, the element structure in this example is an organic nonlinear photonic crystal, sum frequency / second harmonic generation element structure using a metal clad as the bottom clad and an air clad as the upper clad. In this example, an Ag thin film was used as the metal cladding. This is because, from the wavelength of about 320 nm to the infrared region, the real part of the refractive index is 1 or less, and light absorption is less than that of other metals.

５．次に作製素子の評価手段として、素子の光バンド構造を評価するための角度走査偏光反射率測定およびフォトニックバンド構造計算を用いる手法、そして素子の和周波混合・第二高調波発生過程の評価を行うための角度走査、和周波混合・第二高調波発生測定を用いる手法の二つを提案した。光バンド構造評価法では、角度走査偏光反射率測定における共鳴ピーク位置のエネルギーおよび運動量の値から、フォトニックバンドの位置を実験的に同定できる。そしてエネルギー、運動量を走査することにより、フォトニックバンド分散関係を実験的に決定することができる。またそれは白色光源を用いて反射光を分光・一括検知すれば、入射波の入射角度、およびフォトニック結晶に対するビーム進行角度を自動に走査していくことにより非常に高速に行うことができる。同時に平面波展開法やＦＤＴＤ法（時間領域差分法）等によりフォトニックバンド計算を行い、実験値に対してフィッティングを行うことにより、測定箇所以外についても全てフォトニックバンド構造を調べることができる。よって光バンド構造を求める本手法により、作製素子の動作波長等の素子動作設計や素子性能の評価を簡便に行うことが可能となる。次に、和周波混合・第二高調波発生過程の評価法では、和周波混合・第二高調波発生測定の際に入射光の波長および入射角度、フォトニック結晶に対するビーム進行角度を走査することによって、フォトニックバンドの位置に共鳴するエネルギーおよび運動量において、出力される和周波または第二高調波の強度が増大することにより、バンドの位置の同定、およびその強度の増大の度合いから、光バンドと関連した増大の定量的調査・確認、および最も効率良く素子が動作する条件の調査、確認を行うことができる。   5. Next, as an evaluation method of the fabricated device, a method using angle scanning polarization reflectance measurement and photonic band structure calculation to evaluate the optical band structure of the device, and evaluation of the sum frequency mixing / second harmonic generation process of the device Two methods, angle scanning and sum frequency mixing / second harmonic generation measurement, are proposed. In the optical band structure evaluation method, the position of the photonic band can be experimentally identified from the energy and momentum values of the resonance peak position in the angular scanning polarization reflectance measurement. By scanning energy and momentum, the photonic band dispersion relationship can be experimentally determined. Further, if the reflected light is spectrally and collectively detected using a white light source, it can be performed at a very high speed by automatically scanning the incident angle of the incident wave and the beam traveling angle with respect to the photonic crystal. At the same time, by performing photonic band calculation by the plane wave expansion method, FDTD method (time domain difference method) or the like, and fitting to the experimental value, it is possible to investigate the photonic band structure except for the measurement location. Therefore, according to this method for obtaining the optical band structure, it is possible to easily perform the element operation design such as the operation wavelength of the manufactured element and the evaluation of the element performance. Next, in the evaluation method of the sum frequency mixing / second harmonic generation process, scan the wavelength and incident angle of the incident light and the beam traveling angle with respect to the photonic crystal when measuring the sum frequency mixing / second harmonic generation. The intensity of the output sum frequency or second harmonic in the energy and momentum that resonates with the position of the photonic band increases, so that the optical band Quantitative investigation and confirmation of the increase related to the device, and investigation and confirmation of the conditions under which the element operates most efficiently.

これに対して、一般に、非線形光学効果を用いて波長変換を高効率に行うためには、入射波と出力波の位相を整合させることが極めて好ましい。その手法として、現在最も用いられているものは、ＬｉＮｂＯ_３等の非線形光学単結晶基板に、周期的に分極反転した部分を形成する擬似位相整合法である。 On the other hand, in general, in order to perform wavelength conversion with high efficiency using the nonlinear optical effect, it is extremely preferable to match the phases of the incident wave and the output wave. As the technique, a quasi-phase matching method that forms a periodically poled portion on a nonlinear optical single crystal substrate such as LiNbO ₃ is currently used most.

この方法は、位相整合に関しては充分有効であるが、入射ｐｏｗｅｒ、結晶サイズ一定の元で、その波長変換効率は使用物質の第２次非線形光学定数にのみ依存し、より高効率に動作させるためには、より高い非線形電気感受率の物質を用いるしかない。高密度光ディスクや光コンピューティング等への応用から、小型短波長半導体レーザ等の低パワー光源を用いて、充分に高効率に機能するコンパクトな波長変換素子が現在求められている。だが、現在ＬｉＮｂＯ_３等の非線形光学単結晶を大きく上回る特性を示す材料は見つかっておらず、今以上の大きな効率向上はこの手法では望めない。 Although this method is sufficiently effective for phase matching, the wavelength conversion efficiency depends only on the second-order nonlinear optical constant of the substance to be used under the condition of constant incident power and crystal size. Can only use materials with higher nonlinear electrosusceptibility. From applications to high-density optical discs and optical computing, a compact wavelength conversion element that functions sufficiently efficiently using a low-power light source such as a small short-wavelength semiconductor laser is currently required. However, no material has been found that exhibits characteristics far exceeding those of nonlinear optical single crystals, such as LiNbO _3, and no greater improvement in efficiency can be expected with this method.

上述したように本発明によれば、屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶であって；且つ、その少なくとも一部に非線形光学材料を含むことを特徴とするフォトニック結晶が提供される。   As described above, according to the present invention, the photonic crystal includes at least two materials having different refractive indexes, and these materials provide a periodic structure; and at least a part thereof includes a nonlinear optical material. A photonic crystal is provided.

更に、本発明の対応する各態様によれば、例えば、以下の効果を奏することができる。   Furthermore, according to each aspect with which this invention respond | corresponds, there can exist the following effects, for example.

１．高効率に非線形光学効果により波長変換を行うためには、入力波と出力波の位相を整合させることと、物質と光波の相互作用を増大することが極めて好ましい。従来の方法では位相整合することは可能でも、物質の光分散関係を改変することはできず、物質固有の非線形光学定数値に性能は縛られていた。本発明によれば、フォトニック結晶構造を有するスラブ光導波路型の波長変換素子を作製することにより、光分散関係をフォトニックバンド構造により改変し、その効率を大きく増大させることができる。本発明により、このような素子構造、および作製手法が提供される。   1. In order to perform wavelength conversion with a nonlinear optical effect with high efficiency, it is extremely preferable to match the phases of the input wave and the output wave and to increase the interaction between the substance and the light wave. In the conventional method, although phase matching is possible, the optical dispersion relation of the substance cannot be modified, and the performance is limited to the nonlinear optical constant value specific to the substance. According to the present invention, by producing a slab optical waveguide type wavelength conversion element having a photonic crystal structure, the light dispersion relationship can be modified by the photonic band structure, and the efficiency thereof can be greatly increased. The present invention provides such an element structure and a manufacturing method.

２．上記のような機能を達成するためには、光波長レベルにおいて、高精度且つ設計通り、素子構造を再現良く作製することが極めて好ましい。しかし、波長変換素子として最も良く利用されるＬｉＮｂＯ_３等の無機非線形光学結晶は、非常に加工性が悪く、フォトニック結晶構造を作製するには、従来においては適さないとされて来た。本発明によれば、加工性・非線形光学定数の高い、フォトニック結晶構造作製に適した材料系を選定することが好ましく、その要請を満たす材料系として、有機非線形光学材料が提供される。また、その有機非線形光学材料は素子構造作製のための加工プロセス法は、従来においては確立されていなかったが、本発明においては、再現性高く、且つ高精度に作製可能な素子加工プロセス法が提供される。 2. In order to achieve the functions as described above, it is extremely preferable to manufacture the element structure with high accuracy and high reproducibility at the optical wavelength level. However, an inorganic nonlinear optical crystal such as LiNbO ₃ that is most often used as a wavelength conversion element has a very poor workability and has conventionally been regarded as unsuitable for producing a photonic crystal structure. According to the present invention, it is preferable to select a material system that has high workability and a nonlinear optical constant and is suitable for manufacturing a photonic crystal structure, and an organic nonlinear optical material is provided as a material system that satisfies the requirements. In addition, the organic non-linear optical material has not been established in the past as a processing method for manufacturing an element structure, but in the present invention, there is an element processing process method that can be manufactured with high reproducibility and high accuracy. Provided.

３．２に記載した有機非線形光学材料をフォトニック結晶構造状に加工する素子構造は、単純な構造であり工程が少なくすむ点で優れているが、有機非線形光学材料層に直接加工を行うことから、材料に対するダメージの問題、および入射波の伝播時の散乱によるロスの点では改良の余地があった。本発明によれば、これらの問題を軽減するため、その構造を改良した非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する素子構造、およびその素子加工プロセス法が提供される。   The element structure for processing the organic nonlinear optical material described in 3.2 into a photonic crystal structure is excellent in that it is a simple structure and requires fewer steps, but the organic nonlinear optical material layer is processed directly. Therefore, there is room for improvement in terms of damage to the material and loss due to scattering during propagation of the incident wave. According to the present invention, in order to alleviate these problems, an element having a two-layer core in which a nonlinear optical material layer (wavelength conversion portion) whose structure is improved and a periodic refractive index modulation layer (photonic crystal portion) are separated. A structure and its device fabrication process are provided.

４．フォトニック結晶はその性質上、導波損失を防ぐためには、上下の強い光閉じ込めが極めて好ましい。また有機材料等の比較的低い屈折率を持つ材料をコア層として用いる場合、光閉じ込め効果が弱くなり、導波損失が高くなる点に改良の余地があった。本発明のは、その解決策としてクラッド層に、有機材料の一般的な屈折率（約１．４〜１．８）と比較しても低い屈折率の材料系を選ぶ必要がある。よってこの要請を満たす材料系を本発明において提供される。   4). Due to the nature of the photonic crystal, strong light confinement in the upper and lower sides is extremely preferable in order to prevent waveguide loss. Further, when a material having a relatively low refractive index such as an organic material is used as the core layer, there is room for improvement in that the light confinement effect is weakened and the waveguide loss is increased. The solution of the present invention is to select a material system having a low refractive index for the cladding layer as compared with the general refractive index (about 1.4 to 1.8) of the organic material. Therefore, a material system that satisfies this requirement is provided in the present invention.

５．作製した素子に対して、簡便にその特性・素子性能を見積もる評価手段は、確立していない。またフォトニックバンド構造の異常分散を利用するという、素子形態のため、素子評価を行うことは、動作波長等の素子動作設計を行うためにも非常に重要となる。本発明においては、簡便且つ正確に素子動作の設計および素子評価を行える手法が提供される。   5. No evaluation means has been established for simply estimating the characteristics and device performance of the manufactured devices. In addition, since the device is configured to use the anomalous dispersion of the photonic band structure, it is very important to perform device evaluation for device operation design such as an operating wavelength. In the present invention, a method capable of designing device operation and device evaluation simply and accurately is provided.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「％」は、特に断らない限り質量基準とする。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings as necessary. In the following description, “parts” and “%” representing the quantity ratio are based on mass unless otherwise specified.

（フォトニック結晶の定義）
本発明において、「フォトニック結晶」とは、屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、且つ、これらの屈折率が異なる少なくとも２種の材料が周期的構造を与えるものを言う。本発明においては、少なくとも一部に、このような「周期的構造」を含む限り、該「周期的構造」以外の構造の有無、種類は問わない。すなわち、本発明において、「フォトニック結晶」とは、「周期的構造」を有するものそれ自体であってもよく、また、このような「周期的構造」を含む、より大きな構造体であってもよい。 (Definition of photonic crystal)
In the present invention, the “photonic crystal” refers to a material containing at least two kinds of materials having different refractive indexes, and at least two kinds of materials having different refractive indexes giving a periodic structure. In the present invention, as long as at least a part includes such a “periodic structure”, the presence / absence of the structure other than the “periodic structure” is not limited. That is, in the present invention, the “photonic crystal” may be one having a “periodic structure” itself, and is a larger structure including such a “periodic structure”. Also good.

本発明において、ある構造体が「フォトニック結晶」であるか否かは、下記に示すようなフォトニックバンド構造が形成されているか調べることによって確認することができる。   In the present invention, whether or not a certain structure is a “photonic crystal” can be confirmed by examining whether or not a photonic band structure as shown below is formed.

＜フォトニックバンド構造の確認方法＞ <Method for confirming photonic band structure>

角度走査偏光反射率測定から得られた光バンド構造の実験値が、フォトニックバンド構造計算から得られた光バンド構造の計算値と良好に対応することを確認して、測定対象が「フォトニック結晶」であると判断する。ここに、前者実験値の測定方法に関しては、文献（Ｓ．Ｉｎｏｕｅ，Ｋ．Ｋａｊｉｋａｗａ，ａｎｄ Ｙ．Ａｏｙａｇｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８２，２９６６−２９６８（２００３））を参照することができ、後者の光バンド構造の計算値に関しては、文献（Ａ．Ｔａｆｌｏｗ，Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ：Ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ（Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ ＩＮＣ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，１９９５））を参照することができる。また、上記の「実験値が計算値と良好に対応する」とは、実験値と計算値との間において、光バンドの分散特性及び、光バンドの周波数帯が良く一致していることを言う。   Confirm that the experimental value of the optical band structure obtained from the angle scanning polarization reflectance measurement corresponds well with the calculated value of the optical band structure obtained from the photonic band structure calculation. It is determined that it is “crystal”. Here, with respect to the measurement method of the former experimental value, literature (S. Inoue, K. Kajikawa, and Y. Aoyagi, Appl. Phys. Lett., 82, 2966-2968 (2003)) can be referred to. Regarding the calculated value of the latter optical band structure, reference can be made to literature (A. Taflow, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method (Arttech House INC, Norwood, 1995)). In addition, the above “experimental value corresponds well with the calculated value” means that the dispersion characteristic of the optical band and the frequency band of the optical band are in good agreement between the experimental value and the calculated value. .

（本発明のフォトニック結晶）
本発明のフォトニック結晶は、屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え、且つ、フォトニック結晶の少なくとも一部に非線形光学材料を含む。ここに、第１の屈折率を有する材料を「材料Ａ」と表記し、該第１の屈折率とは異なる屈折率を有する材料を「材料Ｂ」と表記する（屈折率はＡ＞Ｂとする）。これらの材料ＡおよびＢが、周期的構造を与えることとなる。本発明においては、フォトニック結晶全体として前記非線形光学材料を含んでいれば足りる。すなわち、材料Ａまたは材料Ｂの少なくとも一方が非線形光学材料であっても良く、また周期的構造以外の部分に非線形光学材料を含んでいても良い。 (Photonic crystal of the present invention)
The photonic crystal of the present invention includes at least two materials having different refractive indexes, these materials provide a periodic structure, and include a nonlinear optical material in at least a part of the photonic crystal. Here, the material having the first refractive index is expressed as “Material A”, and the material having a refractive index different from the first refractive index is expressed as “Material B” (the refractive index is A> B. To do). These materials A and B will give a periodic structure. In the present invention, it is sufficient that the nonlinear optical material is included in the entire photonic crystal. That is, at least one of the material A and the material B may be a nonlinear optical material, and the nonlinear optical material may be included in a portion other than the periodic structure.

（材料Ａ）
本発明に使用すべき「材料Ａ」（屈折率が大きい材料）は、光学材料として使用可能なものである限り、特に制限されない。このような「材料Ａ」としては、例えば、以下に示す材料が使用可能である。
ガラス材料、無機結晶材料、半導体材料、有機材料（ポリマー材料を含む）、金属材料 (Material A)
The “material A” (material having a large refractive index) to be used in the present invention is not particularly limited as long as it can be used as an optical material. As such “material A”, for example, the following materials can be used.
Glass materials, inorganic crystal materials, semiconductor materials, organic materials (including polymer materials), metal materials

中でも、光ロス低減の点からは、以下に示す材料を用いることが好ましい。
・使用波長領域において、光吸収の少ない材料
・形状、組成、光学特性の均一性の高い材料 Among these, from the viewpoint of reducing optical loss, it is preferable to use the following materials.
・ Material with low light absorption in the wavelength range used ・ Material with high uniformity in shape, composition and optical characteristics

（材料Ｂ）
本発明に使用すべき「材料Ｂ」は、前記「材料Ａ」より屈折率が小さく、且つ光学材料として使用可能なものである限り、特に制限されない。このような「材料Ｂ」としては、例えば、以下に示す材料が使用可能である。
空気（もしくは真空）、ガラス材料、無機結晶材料、半導体材料、有機材料（ポリマー含む）、金属材料 (Material B)
“Material B” to be used in the present invention is not particularly limited as long as it has a refractive index smaller than that of “Material A” and can be used as an optical material. As such “material B”, for example, the following materials can be used.
Air (or vacuum), glass material, inorganic crystal material, semiconductor material, organic material (including polymer), metal material

中でも、光ロス低減の点からは、以下に示す材料を用いることが好ましい。
・使用波長領域において、光吸収の少ない材料
・形状、組成、光学特性の均一性の高い材料 Among these, from the viewpoint of reducing optical loss, it is preferable to use the following materials.
・ Material with low light absorption in the wavelength range used ・ Material with high uniformity in shape, composition and optical characteristics

本発明においては、材料Ａと材料Ｂの間に屈折率差が存在すればその屈折率の差の絶対値は、特に制限されない。しかしながら、周期構造による、光分散関係の変調の効果を十分に発現させるためには、屈折率差Δｎが約０．５以上あることが好ましい。   In the present invention, if there is a refractive index difference between the material A and the material B, the absolute value of the difference in refractive index is not particularly limited. However, it is preferable that the refractive index difference Δn is about 0.5 or more in order to sufficiently exhibit the light dispersion-related modulation effect due to the periodic structure.

（周期的構造）
本発明において、周期的構造は、後述する光バンド構造を形成するものである限り、特に制限されない。この周期構造は、一次元周期構造、二次元周期構造、三次元周期構造のいずれであってもよい。周期構造の具体例としては、例えば、以下に示すものが挙げられる。 (Periodic structure)
In the present invention, the periodic structure is not particularly limited as long as it forms an optical band structure described later. This periodic structure may be any one of a one-dimensional periodic structure, a two-dimensional periodic structure, and a three-dimensional periodic structure. Specific examples of the periodic structure include those shown below.

一次元周期構造：前記した材料Ａ，Ｂを光波長程度の厚みで交互に積層した多層膜構造
。
二次元周期構造：材料Ａ中に材料Ｂを正方格子状又は三角格子状、又は、六方格子状等
に配置した二次元構造、及びその逆。
三次元周期構造：材料ＡとＢをダイヤモンド格子状、体心立方格子状、面心立方格子状
、六方格子状、三角格子状、直方格子状、ウッドパイル状、ヤブロノ
バイト状等に配置した三次元構造。
また、これらの周期構造中に意図的に周期長を変えた部分や欠陥部分、不純物を挿入した部分等を形成することも可能である（不純物バンドを形成・光局在効果）。 One-dimensional periodic structure: a multilayer film structure in which the above materials A and B are alternately laminated with a thickness of about the light wavelength
.
Two-dimensional periodic structure: The material B in the material A has a square lattice shape, a triangular lattice shape, or a hexagonal lattice shape, etc.
Two-dimensional structure placed in and vice versa.
Three-dimensional periodic structure: Materials A and B are diamond lattice, body-centered cubic lattice, face-centered cubic lattice
, Hexagonal lattice shape, triangular lattice shape, rectangular lattice shape, woodpile shape, javrono
Three-dimensional structure arranged in a bite shape.
In addition, it is possible to form a part in which the periodic length is intentionally changed, a defective part, a part into which an impurity is inserted, or the like in these periodic structures (formation of an impurity band / photolocalization effect).

（非線形光学材料）
本発明において使用可能な非線形光学材料は特に制限されない。高効率な素子動作の点からは、以下のような特性を示す非線形光学材料を用いることが好ましい。使用波長範囲において高光学非線形性材料、使用波長域で光吸収の少ない材料、形状、組成、光学特性の均一性の高い材料であることが好ましい。また、非線形光学材料の「非線形」の程度は２次及び３次の非線形感受率によって表すことができる。 (Non-linear optical material)
The nonlinear optical material that can be used in the present invention is not particularly limited. From the viewpoint of highly efficient element operation, it is preferable to use a nonlinear optical material exhibiting the following characteristics. A highly optical nonlinear material in the wavelength range used, a material with little light absorption in the wavelength range used, and a material with high uniformity in shape, composition, and optical properties are preferred. The degree of “non-linearity” of the non-linear optical material can be expressed by second-order and third-order non-linear susceptibility.

上記非線形光学材料としては、無機材料、有機材料、半導体材料、およびそれらの種々の組合せ（混合物、組成物、固溶体等）も使用可能である。より具体的には、例えば、下記の非線形光学材料が挙げられる。   As the nonlinear optical material, inorganic materials, organic materials, semiconductor materials, and various combinations thereof (mixtures, compositions, solid solutions, etc.) can also be used. More specifically, for example, the following nonlinear optical materials can be mentioned.

（１）無機非線形光学材料の例：ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＫＤＰ，ＢＢＯ，ＬＢＯ，ＫＴＰ等の無機非線形光学結晶、ＧｅドープＳｉＯ_２ガラス、カルコゲンガラス等の非線形ガラス材料、ＢａＴｉＯ_３，ＳＢＮ等の強誘電性結晶（２）有機非線形光学材料の例：ＭＮＡ，ＭＡＰ，Ｕｒｅａ，Ｌ−ＰＣＡ，ＤＡＮ，ＭＮＰ，ＤＭＮＰ等の低分子系非線形光学材料、ＤＲ１／ＰＭＭＡ，ＭＮＡ／ＰＭＭＡ，ＤＣＶ／ＰＭＭＡ，Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−ＤＲ１），ＰＰＮＡ，Ｐｏｌｙ（ＭＭＳ−ｃｏ−ＭＭＡ−３Ｒ），Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＮＰＰ），Ｂｉｓ−Ａ，ＮＮＤＮ等の高分子に低分子を分散させた、あるいは化学的に修飾・架橋したポリマー系材料、ＰＤＡ，ＰＡ，ＰＡＶ，ＰＰＶ，ＰＡＴｈ等のポリマー材料、Ａｎｎ，ＭＰｃ，ＶＯＰｃ等の分子材料（３）半導体非線形光学材料の例：ＧａＡｓ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，Ｃ，ＩｎＳｂ，Ｓｉ，ＧａＮ，ＩｎＰ等の半導体材料、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ，ＧａＮ／ＡｌＧａＮ等の半導体超格子材料（４）組合せ非線形光学材料の例：半導体あるいは金属の微粒子をドープしたガラス材料、半導体あるいは金属の微粒子を分散させたポリマー材料 (1) Examples of inorganic nonlinear optical materials: inorganic nonlinear optical crystals such as LiNbO ₃ , LiTaO ₃ , KDP, BBO, LBO and KTP, nonlinear glass materials such as Ge-doped SiO ₂ glass and chalcogen glass, BaTiO ₃ and SBN Ferroelectric crystal (2) Examples of organic nonlinear optical materials: low molecular nonlinear optical materials such as MNA, MAP, Urea, L-PCA, DAN, MNP, DMNP, DR1 / PMMA, MNA / PMMA, DCV / PMMA, Low molecules dispersed in polymers such as Poly (MMA-co-MMA-DR1), PPNA, Poly (MMS-co-MMA-3R), Poly (St-NPP), Bis-A, NNDN, or chemical Modified / crosslinked polymer materials, polymer materials such as PDA, PA, PAV, PPV, PATh, An Molecular materials such as n, MPc, and VOPc (3) Examples of semiconductor nonlinear optical materials: semiconductor materials such as GaAs, ZnO, CdS, C, InSb, Si, GaN, and InP, and semiconductor superstructures such as GaAs / AlGaAs and GaN / AlGaN Lattice material (4) Examples of combination nonlinear optical materials: glass material doped with semiconductor or metal fine particles, polymer material dispersed with semiconductor or metal fine particles

上記した各種の非線形光学材料の中でも、良加工性、大量生産性、低コスト性、の点からは、有機非線形光学材料が好適に使用可能である。中でも、化学的・機械的高安定性、非中心対称構造を構築可能、易加工性、の点からは、下記の非線形光学材料が好適に使用可能である。   Among the various nonlinear optical materials described above, organic nonlinear optical materials can be suitably used in terms of good processability, mass productivity, and low cost. Among these, the following nonlinear optical materials can be preferably used from the viewpoints of high chemical / mechanical stability, non-centrosymmetric structure, and easy processability.

・ＤＲ１／ＰＭＭＡ，ＭＮＡ／ＰＭＭＡ，ＤＣＶ／ＰＭＭＡ，Ｐｏｌｙ（ＭＭＡ−ｃｏ−ＭＭＡ−ＤＲ１），ＰＰＮＡ，Ｐｏｌｙ（ＭＭＳ−ｃｏ−ＭＭＡ−３Ｒ），Ｐｏｌｙ（Ｓｔ−ＮＰＰ），Ｂｉｓ−Ａ，ＮＮＤＮ等の高分子に低分子を分散させた、あるいは化学的に修飾・架橋した有機非線形光学ポリマー材料
・ＰＤＡ，ＰＡ，ＰＡＶ，ＰＰＶ，ＰＡＴｈ等の有機非線形光学ポリマー材料 DR1 / PMMA, MNA / PMMA, DCV / PMMA, Poly (MMA-co-MMA-DR1), PPNA, Poly (MMS-co-MMA-3R), Poly (St-NPP), Bis-A, NNDN, etc. Organic non-linear optical polymer material in which low molecules are dispersed or chemically modified / cross-linked to high molecular weight organic organic optical polymer materials such as PDA, PA, PAV, PPV, PATh

（クラッド層）
本発明においては、クラッド層を構成する材料は、その屈折率がコア層のそれより低い限り、特に制限されない。コア層への強い光閉じ込め実現、光リークによる光損失低減の点からは、このクラッド層の材料の屈折率と、コア層の材料の屈折率との差の絶対値は、０．０５以上であることが好ましく、更には０．５以上であることが好ましい。 (Clad layer)
In the present invention, the material constituting the cladding layer is not particularly limited as long as its refractive index is lower than that of the core layer. From the viewpoint of realizing strong optical confinement in the core layer and reducing optical loss due to light leakage, the absolute value of the difference between the refractive index of the cladding layer material and the refractive index of the core layer material is 0.05 or more. It is preferable that there is more preferably 0.5 or more.

有機材料のような低い屈折率（約１．４〜１．８）のコア層材料よりも、十分に低い屈折率を持たせること、構造的に安定な素子を実現すること、の点からは、このクラッド層を構成する材料として金属を用いることが好ましい。このような金属として使用可能なものとしては、例えば以下のものが挙げられる。
Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃａ，Ｋ，Ｎａ，Ｒｂ，Ｒｈ，Ｃｓ等 From the viewpoint of having a sufficiently low refractive index and realizing a structurally stable element than a core layer material having a low refractive index (about 1.4 to 1.8) such as an organic material. It is preferable to use a metal as a material constituting the cladding layer. Examples of such metals that can be used include the following.
Ag, Au, Al, Ca, K, Na, Rb, Rh, Cs, etc.

上記した金属の中でも、低光吸収、低屈折率、これらを満たす波長範囲、高化学的安定性の点からは、下記のものが好適に使用可能である。   Among the metals described above, the following can be suitably used from the viewpoint of low light absorption, low refractive index, wavelength range satisfying these, and high chemical stability.

Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ等
本発明においては、クラッド材料として、誘電体多層膜、誘電体二次元周期構造を用いることも可能である。この誘電体多層膜の性質は適切に設計を行えばある周波数帯の任意の偏光を持つ光をほぼ完全に反射する。この性質は誘電体ミラー、誘電ファブリペローフィルターなどに応用されており、またフォトニック結晶的な見方をすれば、１次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップを利用しているといえる。この材料をクラッド層に用いれば、コア層内のある周波数帯の任意のモードを完全に閉じ込めることが可能であり、有機材料のような屈折率が低く、且つ強度が弱く空気クラッドが使えないコア層材料に対して非常に有効である。 Ag, Au, Al, Cu, etc. In the present invention, a dielectric multilayer film or a dielectric two-dimensional periodic structure can be used as the cladding material. The property of this dielectric multilayer film almost completely reflects light having an arbitrary polarization in a certain frequency band when appropriately designed. This property is applied to dielectric mirrors, dielectric Fabry-Perot filters, etc., and from a photonic crystal perspective, it can be said that the photonic band gap of a one-dimensional photonic crystal is used. If this material is used for the cladding layer, it is possible to completely confine any mode in a certain frequency band in the core layer, and the core has a low refractive index and low strength like an organic material and cannot use an air cladding. Very effective for layer material.

（フォトニック結晶素子構造の第１の具体的態様）
図１は、本発明のフォトニック結晶素子構造の具体的な一態様を示す模式斜視図である。図１を参照して、この態様のフォトニック結晶素子においては、シリコン基材１上にＡｇクラッド層２が配置され、更に、該Ａｇクラッド層２上に、有機非線形光学材料を用いた周期的構造３（以下、この周期的構造を「コア層」と称する場合がある）が配置されている。この周期的構造３の内部には、円柱孔４が形成されており、また導波路５の形状とされている。 (First Specific Aspect of Photonic Crystal Element Structure)
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a specific embodiment of the photonic crystal element structure of the present invention. Referring to FIG. 1, in the photonic crystal element of this embodiment, an Ag cladding layer 2 is disposed on a silicon substrate 1, and a periodic structure using an organic nonlinear optical material is further formed on the Ag cladding layer 2. Structure 3 (hereinafter, this periodic structure may be referred to as a “core layer”) is disposed. A cylindrical hole 4 is formed inside the periodic structure 3, and the shape of the waveguide 5 is formed.

非線形光学材料として、この図１の態様においては有機非線形光学材料を用いる。このように有機非線形光学材料を用いることにより、大きい非線形光学定数、高い作製・加工性、既存の光ファイバー・光導波路に対する高いカップリング効率を容易に得ることができる。更に、この図１に示す構造は低コストで作製可能であるため、大量生産への適応がより容易である。この態様においては、該有機非線形光学材料として、例えば、ゲストにディスパース・レッド（Disperse Red）１（顔料、以下「ＤＲ１」と略記する場合がある）、ホストにＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いた有機非線形光学ポリマーを用いることができる。ただし、上述したように、本発明における非線形光学材料はこれに限らず、無機材料、有機材料、半導体材料、およびそれらの種々の組合せ（混合物、組成物、固溶体等）も使用可能である。   As the nonlinear optical material, an organic nonlinear optical material is used in the embodiment of FIG. Thus, by using an organic nonlinear optical material, a large nonlinear optical constant, high fabrication / workability, and high coupling efficiency with respect to existing optical fibers / optical waveguides can be easily obtained. Furthermore, since the structure shown in FIG. 1 can be manufactured at low cost, it is easier to adapt to mass production. In this embodiment, as the organic nonlinear optical material, for example, Disperse Red 1 (pigment, sometimes abbreviated as “DR1” in some cases) is used for the guest, and PMMA (polymethyl methacrylate) is used for the host. Organic nonlinear optical polymers that have been used can be used. However, as described above, the nonlinear optical material in the present invention is not limited to this, and inorganic materials, organic materials, semiconductor materials, and various combinations thereof (mixtures, compositions, solid solutions, etc.) can also be used.

（第１の態様の素子作製方法）
上記した第１の態様の作製方法は特に制限されないが、高精度加工性、高側壁垂直性、高アスペクト比加工性、極微細加工性の点からは、下記のような作製方法を用いることが好ましい。 (Element fabrication method of the first aspect)
The manufacturing method of the first aspect described above is not particularly limited, but the following manufacturing method may be used from the viewpoint of high precision workability, high sidewall verticality, high aspect ratio workability, and ultrafine workability. preferable.

第１の素子構造（素子構造１）を作製するに際して、上記の非線形光学ポリマーに対して、本例では電子線リソグラフィーおよび反応性ガスを用いたＩＣＰドライエッチング等により高垂直性・高アスペクト比を持つ２次元フォトニック結晶導波路を作製する。本例においては、加工技術としてドライエッチング技術を用いたが、本発明における技術はこれに限らず、ナノインプリント技術、陽極酸化技術、化学エッチング技術、電子・集束イオン・フォトンビームリソグラフィー技術、選択成長技術、レーザ加工技術等も用いることができる。   In producing the first element structure (element structure 1), the non-linear optical polymer has a high verticality and a high aspect ratio by electron beam lithography and ICP dry etching using a reactive gas in the present example. A two-dimensional photonic crystal waveguide is prepared. In this example, the dry etching technique is used as the processing technique, but the technique in the present invention is not limited to this, but the nanoimprint technique, the anodizing technique, the chemical etching technique, the electron / focused ion / photon beam lithography technique, and the selective growth technique. A laser processing technique or the like can also be used.

本素子構造例の模式図を図１に示すように、この例においては２次元フォトニック結晶導波路を作製する。   As shown in a schematic diagram of this device structure example in FIG. 1, a two-dimensional photonic crystal waveguide is fabricated in this example.

図２は、図１に示す素子構造を作製するためのプロセスと説明するための模式断面図である。図２を参照して、まず、微細加工用の多層膜として、洗浄したＳｉウェハー基板１０上にＡｇクラッド層１１（厚さ５００ｎｍ）を真空蒸着し、その上にモノクロロベンゼン溶液中に溶解させたＤＲ１／ＰＭＭＡをスピンコーターによりスピンコートし、１２０−２００℃でベーキングすることにより、コア層（６５０ｎｍ）１２を形成する。
更にドライエッチング用ハードマスクとしてＳＯＧ膜（東京応化製ＯＣＤ）１３をスピンコート（１５０−３００ｎｍ）し、ベーキング（１２０−３００℃）する。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a process for manufacturing the element structure shown in FIG. Referring to FIG. 2, first, an Ag clad layer 11 (thickness: 500 nm) was vacuum-deposited on a cleaned Si wafer substrate 10 as a multilayer film for fine processing, and dissolved in a monochlorobenzene solution thereon. The core layer (650 nm) 12 is formed by spin-coating DR1 / PMMA with a spin coater and baking at 120-200 ° C.
Further, an SOG film (OCD manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) 13 is spin-coated (150-300 nm) and baked (120-300 ° C.) as a hard mask for dry etching.

次にポジ型のフォトレジスト（東京応化製ＯＦＰＲ、１−２μｍ）を塗布（１μｍ程度）してポジ型のフォトレジスト層を形成した後、ベーキング（１２０−１８０℃）し、紫外フォトリソグラフィー装置（ミカサ製）を用いて、導波路構造にレジストをパターニングする。   Next, a positive photoresist (OFPR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., 1-2 μm) is applied (about 1 μm) to form a positive photoresist layer, followed by baking (120-180 ° C.) and an ultraviolet photolithography apparatus ( The resist is patterned on the waveguide structure using Mikasa.

このようにパターニングされたレジストの層をマスクとして、ＣＨ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２：３０〜７０％，０．２〜０．８Ｐａ）およびＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたＩＣＰドライエッチングにより、ＤＲ１／ＰＭＭＡを導波路状に加工する。 Using the patterned resist layer as a mask, CH ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ : 30 to 70%, 0.2 to 0.8 Pa) and O ₂ / Ar reactive gas (O ₂ concentration 10 − DR1 / PMMA is processed into a waveguide shape by ICP dry etching using 50%, total pressure 0.15-0.5 Pa).

フォトレジスト１３を除去した後、ＥＢレジスト（東京応化製ＯＥＢＲ）１４をスピンコート（５０−３００ｎｍ）し、ベーキング（１２０−１８０℃）する（図２（ｂ））。   After the photoresist 13 is removed, an EB resist (OEBR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) 14 is spin-coated (50-300 nm) and baked (120-180 ° C.) (FIG. 2B).

次いで、ＥＢリソグラフィーにより導波路上にフォトニック結晶パターンを加工し（図２（ｃ））、ＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２濃度３０−７０％、全圧０．２−０．８Ｐａ）を用いたＩＣＰドライエッチングにより、該フォトニック結晶パターンをハードマスクにパターン転写する（図２（ｄ））。 Next, a photonic crystal pattern is processed on the waveguide by EB lithography (FIG. 2C), and a CF ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ concentration 30-70%, total pressure 0.2-0.8 Pa). The photonic crystal pattern is transferred onto a hard mask by ICP dry etching using (FIG. 2D).

次いでＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたＩＣＰドライエッチングにより、ＤＲ１／ＰＭＭＡに高精度にフォトニック結晶構造の加工を行う（図２（ｅ））。最後に必要に応じてフッ酸によりマスク除去を行い（図２（ｆ））、非線形光学ポリマー２次元フォトニック結晶導波路（図１）が完成となる。 Next, the photonic crystal structure is processed with high accuracy in DR1 / PMMA by ICP dry etching using O ₂ / Ar reaction gas (O ₂ concentration 10-50%, total pressure 0.15-0.5 Pa) ( FIG. 2 (e)). Finally, the mask is removed with hydrofluoric acid as required (FIG. 2 (f)), and the nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide (FIG. 1) is completed.

以上、図２に示した作製プロセス手順により、図１の構造を得ることができる。加工後の素子をノマルスキー光学顕微鏡（図３（ａ））およびＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した。図３（ｂ）は表面ＳＥＭ写真であり、図３（ｃ）は断面ＳＥＭ写真である。また図３（ａ）において、参照記号３０は非線形フォトニック結晶構造部領域、３１は非パターニング領域（参照用）、３２は光入出力用導波路（非線形フォトニック結晶構造部結合）、および３３は 光入出力用導波路（非パターニング領域結合）を示す。   As described above, the structure shown in FIG. 1 can be obtained by the manufacturing process procedure shown in FIG. The processed element was observed with a Nomarski optical microscope (FIG. 3A) and SEM (scanning electron microscope). FIG. 3B is a surface SEM photograph, and FIG. 3C is a cross-sectional SEM photograph. In FIG. 3A, reference symbol 30 is a nonlinear photonic crystal structure region, 31 is a non-patterning region (for reference), 32 is an optical input / output waveguide (nonlinear photonic crystal structure coupling), and 33. Indicates an optical input / output waveguide (non-patterning region coupling).

（第２の素子構造）
第２の素子構造（素子構造２）として、非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する素子構造の模式斜視図を図４に示す。この構造は、第１の構造を改良したもので、非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離したことで導波・波長変換部に対し、プロセス上のダメージを軽減、回避すること、また導波時の無駄な散乱ロスも減らすことができる。また更にこの構造では、非線形材料に加工を行うことが必須でないため、該非線形材料としてＬｉＮｂＯ_３等の一般的に加工性が良くない材料も容易に用いることができ、適用できる材料系および応用性が飛躍的に増大する。 (Second element structure)
As a second element structure (element structure 2), a schematic perspective view of an element structure having a two-layer core in which a nonlinear optical material layer (wavelength conversion portion) and a periodic refractive index modulation layer (photonic crystal portion) are separated is illustrated. 4 shows. This structure is an improvement of the first structure. By separating the nonlinear optical material layer (wavelength conversion part) and the periodic refractive index modulation layer (photonic crystal part), the waveguide / wavelength conversion part is Process damage can be reduced and avoided, and unnecessary scattering loss during waveguiding can be reduced. Further, in this structure, since it is not indispensable to process the nonlinear material, a material with generally poor workability such as LiNbO ₃ can be easily used as the nonlinear material. Will increase dramatically.

その作製法であるが、まず、洗浄したＳｉウェハー基板４１上にＡｇクラッド層４２を真空蒸着（５００ｎｍ）し、その上に非線形光学材料層（波長変換部）４３としてモノクロロベンゼン溶液中に溶解させたＤＲ１／ＰＭＭＡ３３をスピンコーターによりスピンコート（１５０−３００ｎｍ、その後１２０−２００℃でベーキング）し、その上に保護膜４４としてＳＯＧを非常に薄くスピンコート（２０−１００ｎｍ、その後１２０−３００℃でベーキング）し、更に、周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）４５を形成する。   First, an Ag clad layer 42 is vacuum-deposited (500 nm) on a cleaned Si wafer substrate 41, and dissolved in a monochlorobenzene solution as a non-linear optical material layer (wavelength converter) 43 thereon. DR1 / PMMA33 was spin-coated with a spin coater (150-300 nm, then baked at 120-200 ° C.), and SOG was very thinly spin-coated as a protective film 44 (20-100 nm, then at 120-300 ° C.). And a periodic refractive index modulation layer (photonic crystal part) 45 is formed.

この周期的屈折率変調層４５は、図１の場合と同様に（すなわち、図２に示すプロセスと同様に）形成することができる。すなわち、モノクロロベンゼン溶液中に溶解させたＰＭＭＡをスピンコート（２００−８００ｎｍ、その後１２０−２００℃でベーキング）し、更にドライエッチング用ハードマスクとしてＳＯＧ（主ＳｉＯ_２）をスピンコート（１５０−３００ｎｍ）しベーキング（１２０−３００℃）した。次にフォトレジストを塗布（１μｍ程度）後、ベーキング（１２０−１８０℃）し、フォトリソグラフィーにより導波路構造にレジストをパターニングする。 The periodic refractive index modulation layer 45 can be formed in the same manner as in FIG. 1 (that is, in the same manner as the process shown in FIG. 2). That is, PMMA dissolved in a monochlorobenzene solution is spin-coated (200-800 nm, then baked at 120-200 ° C.), and SOG (main SiO ₂ ) is spin-coated as a hard mask for dry etching (150-300 nm). And baking (120-300 ° C.). Next, after applying a photoresist (about 1 μm), baking (120-180 ° C.) is performed, and the resist is patterned on the waveguide structure by photolithography.

レジストをマスクとして、ＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２濃度３０−７０％、全圧０．２−０．８Ｐａ）およびＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたドライエッチングにより、これら４層を導波路状に加工する。フォトレジストを除去後、ＥＢレジストをスピンコート（５０−３００ｎｍ）しベーキング（１２０−１８０℃）する。ＥＢリソグラフィーにより導波路上にフォトニック結晶パターンを加工し、ＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２濃度３０−７０％、全圧０．２−０．８Ｐａ）を用いたドライエッチングによりハードマスクにパターン転写する。次いでＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたドライエッチングにより、ＰＭＭＡに高精度にフォトニック結晶構造の加工を行う。最後に必要に応じてフッ酸によりマスク除去を行い、非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する非線形光学ポリマー２次元フォトニック結晶導波路が完成となる。加工後の素子のＳＥＭ写真を図５に示す。 Using the resist as a mask, CF ₄ / H ₂ reaction gas (H ₂ concentration 30-70%, total pressure 0.2-0.8 Pa) and O ₂ / Ar reaction gas (O ₂ concentration 10-50%, total pressure 0) These four layers are processed into a waveguide shape by dry etching using .15-0.5 Pa). After removing the photoresist, EB resist is spin-coated (50-300 nm) and baked (120-180 ° C.). A photonic crystal pattern is processed on the waveguide by EB lithography, and a hard mask is formed by dry etching using a CF ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ concentration 30-70%, total pressure 0.2-0.8 Pa). Transfer the pattern. Next, the photonic crystal structure is processed with high accuracy in PMMA by dry etching using an O ₂ / Ar reaction gas (O ₂ concentration 10-50%, total pressure 0.15-0.5 Pa). Finally, the mask is removed with hydrofluoric acid as necessary, and the nonlinear optical polymer two-dimensional photo having a two-layer core in which the nonlinear optical material layer (wavelength conversion portion) and the periodic refractive index modulation layer (photonic crystal portion) are separated. The nick crystal waveguide is completed. An SEM photograph of the element after processing is shown in FIG.

（素子動作の設計および評価）
素子動作の設計および評価を正確に行うためには、作製された非線形光学２次元フォトニック結晶導波路が、どのようなバンド構造をもつのか、理論的にシミュレーションすると同時に、実験的に直接観測することが、通常は必要である。理論計算に関しては、平面波展開法に比べより精度の高い、３次元ＦＤＴＤ法によるバンド計算法を用いて解析を行うことが好ましい。これは他のバンド計算手法（Ｓ−Ｍａｔｒｉｘ法、Ｔ−Ｍａｔｒｉｘ法、平面波展開法等）に対しても適用できる。 (Design and evaluation of device operation)
In order to accurately design and evaluate the device operation, the fabricated nonlinear optical two-dimensional photonic crystal waveguide is theoretically simulated and directly observed experimentally at the same time. It is usually necessary. Regarding theoretical calculation, it is preferable to perform analysis using a band calculation method based on the three-dimensional FDTD method, which is more accurate than the plane wave expansion method. This can also be applied to other band calculation methods (S-Matrix method, T-Matrix method, plane wave expansion method, etc.).

実験的には、角度走査偏光反射率測定を行い、反射スペクトルにおいて鋭い極小として現れる、光バンドと入射光との間の共鳴ピーク位置からフォトニックバンド構造を決定する。具体的には、タングステンハロゲン白色光源を用いた各偏光平行ビームを、微小なサンプル（パターニング）部に対して、集光入射し、分光器およびＣＣＤを用いて反射スペクトルを測定、更にビーム入射角、および結晶対称軸に対する面内ビーム進行角をそれぞれ走査し、スペクトルに現れる共鳴ピークの周波数シフトから、フォトニックバンド分散曲線を追跡する。   Experimentally, an angular scanning polarization reflectance measurement is performed, and a photonic band structure is determined from a resonance peak position between an optical band and an incident light that appears as a sharp minimum in the reflection spectrum. Specifically, each polarized parallel beam using a tungsten halogen white light source is focused and incident on a minute sample (patterning) part, a reflection spectrum is measured using a spectroscope and a CCD, and a beam incident angle is further measured. And the in-plane beam advance angle with respect to the crystal symmetry axis, respectively, and the photonic band dispersion curve is traced from the frequency shift of the resonance peak appearing in the spectrum.

測定系の幾何学的対応模式斜視図を図６に示す。また用いた測定光学系の模式平面図を図７に示す。図６において、参照記号５０は入射光、５１は入射光角度、および５２は面内光進行角度を示す。図７において、参照記号６３は光源（タングステンハロゲンランプ）、３４は光ファイバー、３５はコリメートレンズ、３６はアイリス、３７はミラー、３８はＮＤフィルター、３９は広帯域用偏光子、４０は広帯域用１／２波長版、４１は拡大鏡、４２は長焦点アクロマティックレンズ、４３はサンプル（非線形フォトニック結晶導波路）部、４４はＰＣ制御自動サンプルステージ（θ、２θ、φ回転）、４５はアクロマティックコリメートレンズ、４６は光ファイバーカップリング、４７は分光器、４８はＣＣＤディテクター、および４９は制御用コンピューターを示す。   A geometric perspective view of the measurement system is shown in FIG. FIG. 7 shows a schematic plan view of the measurement optical system used. In FIG. 6, reference numeral 50 indicates incident light, 51 indicates an incident light angle, and 52 indicates an in-plane light traveling angle. In FIG. 7, reference numeral 63 is a light source (tungsten halogen lamp), 34 is an optical fiber, 35 is a collimating lens, 36 is an iris, 37 is a mirror, 38 is an ND filter, 39 is a broadband polarizer, 40 is a broadband 1 / Two-wavelength version, 41 is a magnifying glass, 42 is a long focus achromatic lens, 43 is a sample (nonlinear photonic crystal waveguide) section, 44 is a PC-controlled automatic sample stage (θ, 2θ, φ rotation), 45 is achromatic A collimating lens, 46 is an optical fiber coupling, 47 is a spectroscope, 48 is a CCD detector, and 49 is a control computer.

この測定手法は、入射時にプリズムカップリングを用いれば、ライトラインの下側つまり導波モードを観測することが可能であり、実験的な光バンド構造を全ての範囲で完全に決定、調査することができる。   In this measurement method, if a prism coupling is used at the time of incidence, it is possible to observe the lower side of the light line, that is, the guided mode, and the experimental optical band structure is completely determined and investigated over the entire range. Can do.

このように理論・実験両面からバンド構造を決定すれば、例えば超低群速度・位相整合を同時に満たし、和周波・第二高調波発生が著しく増大される動作条件を正確に求め、且つ素子性能を評価することができる。例としてフォトニック結晶周期５００ｎｍ、正方格子構造を持つ、第１の素子構造に対して、求めたフォトニックバンド構造を図８のグラフに示す。図８において、参照記号８０は角度走査偏光反射率測定から得られた光バンド構造の実験値、および８１はフォトニックバンド構造計算から得られた光バンド構造の計算値、８２は空気中の光のライトコーンを示す。結晶周期を変えることにより、図８の縦軸のエネルギーは自由に変更することができる。   In this way, if the band structure is determined from both theoretical and experimental aspects, for example, the operating conditions under which the ultra-low group velocity and phase matching are satisfied at the same time and the sum frequency and second harmonic generation are significantly increased are accurately determined, and the device performance Can be evaluated. The graph of FIG. 8 shows the obtained photonic band structure for the first device structure having a photonic crystal period of 500 nm and a square lattice structure as an example. In FIG. 8, reference numeral 80 is an experimental value of the optical band structure obtained from the angular scanning polarization reflectance measurement, 81 is a calculated value of the optical band structure obtained from the photonic band structure calculation, and 82 is light in the air. The light cone is shown. By changing the crystal period, the energy on the vertical axis in FIG. 8 can be freely changed.

例で示した構造では、正方格子上の対角方向にビームを入射した場合、フォトニックバンド構造により、第二高調波の位相整合が可能であることが実際に確認された。同時に高調波の光群速度は真空中の光速に対して３０分の１以下に低下していることが示され、その電場増強の効果により、高調波発生効率は、位相整合がなされている一様媒質素子と比較して、はるかに増強する可能性があることが確認された。   In the structure shown in the example, it was actually confirmed that the second harmonics can be phase-matched by the photonic band structure when the beam is incident diagonally on the square lattice. At the same time, it is shown that the harmonic group velocity is reduced to 1/30 or less of the speed of light in vacuum, and due to the effect of the electric field enhancement, the harmonic generation efficiency is phase-matched. It has been confirmed that there is a possibility of much enhancement compared to the medium element.

（和周波混合・第二高調波発生過程の評価）
次に、代表的な非線形光学過程である和周波混合・第二高調波発生過程の評価を提案する技法において行った。本例では非線形光学過程として和周波混合・第二高調波発生過程を評価したが、本発明素子はこれに限ることはなく、他の様々の非線形光学効果（光パラメトリック発振・増幅、電気光学効果、誘導ラマン・誘導振りルアン散乱、自己位相変調、光ソリトン効果、非線形屈折率効果、光カー効果、光双安定効果、光混合効果、差周波発生、誘導発光、ホールバーニング効果、光エコー効果、第三・第四高調波発生、光整流効果、光誘起屈折率変化、四波混合等）を用いた様々な応用（波長変換、光増幅、波長可変レーザ、ＯＰＡ、圧力・温度センサ、波形整形、光シャッタ、光強度変調、光パルス圧縮、光ソリトン、変調不安定性、ＤＦＢレーザー、狭帯域光フィルタ、光サンプリング、レーザーポンプ用光源、短波長光源、分光、分散補償、光スイッチ、高密度光メモリ、光論理素子、Ｘ線発生、高速光スイッチ、全光スイッチ等）に適用することができる。 (Evaluation of sum frequency mixing and second harmonic generation process)
Next, we performed the proposed technique to evaluate the sum frequency mixing / second harmonic generation process, which is a typical nonlinear optical process. In this example, the sum frequency mixing / second harmonic generation process was evaluated as a nonlinear optical process. However, the element of the present invention is not limited to this, and other various nonlinear optical effects (optical parametric oscillation / amplification, electro-optical effect). , Stimulated Raman / stimulated Luang scattering, self-phase modulation, optical soliton effect, nonlinear refractive index effect, optical Kerr effect, optical bistable effect, optical mixing effect, difference frequency generation, stimulated emission, hole burning effect, optical echo effect, Various applications (wavelength conversion, optical amplification, tunable laser, OPA, pressure / temperature sensor, waveform shaping) using third and fourth harmonic generation, optical rectification effect, photoinduced refractive index change, four-wave mixing, etc. , Optical shutter, light intensity modulation, optical pulse compression, optical soliton, modulation instability, DFB laser, narrowband optical filter, optical sampling, laser pump light source, short wavelength light source, spectroscopy, dispersion compensation Optical switch, high-density optical memories, optical logic elements, X-rays generated, it is possible to apply high-speed optical switch, the all-optical switch, etc.).

本例においては、和周波混合・第二高調波発生測定の際に入射光の波長および入射角度、フォトニック結晶に対するビーム進行角度を走査することによって、フォトニックバンドの位置に共鳴するエネルギーおよび運動量において、出力される和周波または第二高調波の強度が増大することにより、バンドの位置の同定、およびその強度の増大の度合いから、光バンドと関連した増大の定量的調査・確認、および最も効率良く素子が動作する条件の調査、確認を行うことができる。本例では入射光源として、広範囲にわたり波長可変可能（０．３−１０μｍ）な、短パルスＯＰＡを用いた。入射光学系およびステージ等の試料保持部は、上述した角度走査偏光反射率測定のものと同様である。試料入射直前に励起光の高調波・和周波成分は干渉フィルターにより取り除く。和周波・高調波の検知部は、ファイバーによって分光器・ＣＣＤに取り込むか、またはバンドパスフィルターを通して光電子増倍管に取り込む形式を用いた。   In this example, the energy and momentum that resonates with the position of the photonic band by scanning the wavelength and angle of the incident light and the beam traveling angle with respect to the photonic crystal during the measurement of sum frequency mixing and second harmonic generation. In this case, the intensity of the output sum frequency or second harmonic increases, so that the band position is identified, the degree of increase in the intensity, the quantitative investigation and confirmation of the increase associated with the optical band, and the most It is possible to investigate and confirm the conditions under which the element operates efficiently. In this example, as the incident light source, a short pulse OPA that can change the wavelength over a wide range (0.3-10 μm) was used. The sample holder such as the incident optical system and the stage is the same as that for the angle scanning polarization reflectance measurement described above. Immediately before the sample is incident, the harmonic and sum frequency components of the excitation light are removed by an interference filter. For the sum frequency / harmonic detection unit, a spectroscope / CCD was used for capturing by a fiber, or a photomultiplier tube was used for passing through a band pass filter.

第２の素子構造に対して、同軸２ビーム入射（波長７３６ｎｍ，８００ｎｍ）において、ＣＣＤを用いる方式により得られた、和周波（３８３ｎｍ）・第二高調波（３６８ｎｍと４００ｎｍ）の発生を観測した結果、およびフォトニックバンドに共鳴する運動量（入射角度４２．５度）において第二高調波（波長３６８ｎｍ）の強度が大きく増大した結果を示したものを図９のグラフに示す。図９において、参照記号８３は第二高調波（波長３６８ｎｍ）のスペクトルピーク、８４は和周波（３８３ｎｍ）のスペクトルピーク、８５は第二高調波（４００ｎｍ）のスペクトルピーク、および８６は本素子における第二高調波（波長３６８ｎｍ）強度の入射角度依存性を示す。   With respect to the second element structure, the generation of the sum frequency (383 nm) and the second harmonic (368 nm and 400 nm) obtained by the method using the CCD was observed at the coaxial two-beam incidence (wavelengths 736 nm and 800 nm). The graph of FIG. 9 shows the results and the results of a significant increase in the intensity of the second harmonic (wavelength 368 nm) in the momentum resonating with the photonic band (incidence angle 42.5 degrees). In FIG. 9, reference symbol 83 is a second harmonic (wavelength 368 nm) spectral peak, 84 is a sum frequency (383 nm) spectral peak, 85 is a second harmonic (400 nm) spectral peak, and 86 is in this element. The incident angle dependence of the second harmonic (wavelength 368 nm) intensity is shown.

本結果により本提案素子構造によって実際に和周波・高調波を通常媒質中に比べ、はるかに高効率に発生できる可能性があることが示された。   This result shows that the proposed device structure can actually generate sum frequency and harmonics much more efficiently than in a normal medium.

以下、実施例により、本発明を更に具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

第１の素子構造（素子構造１）を作製するに際して、非線形光学ポリマーに対して、本例では電子線リソグラフィーおよび反応性ガスを用いたＩＣＰドライエッチング等により高垂直性・高アスペクト比を持つ２次元フォトニック結晶導波路を作製した。本例においては、加工技術としてドライエッチング技術を用いた。模式図を図１に示すように、この例においては２次元フォトニック結晶導波路を作製した。   In producing the first element structure (element structure 1), the non-linear optical polymer has a high perpendicularity and a high aspect ratio in this example by electron beam lithography and ICP dry etching using a reactive gas. A two-dimensional photonic crystal waveguide was fabricated. In this example, a dry etching technique is used as a processing technique. As shown in the schematic diagram of FIG. 1, a two-dimensional photonic crystal waveguide was fabricated in this example.

図２の模式断面図を参照して、まず、微細加工用の多層膜として、硫酸過酸化水素水（２：１）及び純水により、洗浄したＳｉウェハー基板１０上に、Ａｇクラッド層１１（厚さ５００ｎｍ）を真空蒸着した。   Referring to the schematic cross-sectional view of FIG. 2, first, an Ag cladding layer 11 (on a Si wafer substrate 10 cleaned with sulfuric acid hydrogen peroxide water (2: 1) and pure water as a multilayer film for microfabrication). The thickness was 500 nm.

上記により形成したＡｇクラッド層１１上に、モノクロロベンゼン溶液中に濃度０．１〜１．０ｍｏｌ／ｌで溶解させたＤＲ１（ＡＬＤＲＩＣＨ社製、商品名：Ｄｉｓｐｅｒｓｅ Ｒｅｄ１）／ＰＭＭＡ（和光純薬工業社製、商品名：メタクリル酸メチルポリマー、ＤＲ１：０．５〜１０ｗｔ％）をスピンコーター（共和理研社製、商品名：Ｋ−３５９８Ｄ−１ ＳＰＩＭＥＲ）によりスピンコートし、１２０−２００℃で１０〜６０分間ベーキングすることにより、コア層（６５０ｎｍ）１２を形成した。
更にドライエッチング用ハードマスクとしてＳＯＧ膜（東京応化製ＯＣＤ）をスピンコート（１５０−３００ｎｍ）し、ベーキング（１２０−３００℃；１０〜６０分間）した。 DR1 (manufactured by ALDRICH, trade name: Disperse Red1) / PMMA (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) dissolved in a monochlorobenzene solution at a concentration of 0.1 to 1.0 mol / l on the Ag clad layer 11 formed as described above. Manufactured and trade name: methyl methacrylate polymer, DR1: 0.5 to 10 wt%) was spin-coated with a spin coater (manufactured by Kyowa Riken Co., Ltd., trade name: K-3598D-1 SPIMER). The core layer (650 nm) 12 was formed by baking for 60 minutes.
Further, an SOG film (OCD manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was spin-coated (150-300 nm) as a hard mask for dry etching, and baked (120-300 ° C .; 10-60 minutes).

次にポジ型のフォトレジスト（東京応化製ＯＦＰＲ、１−２μｍ）を用いて塗布（１μｍ程度）してポジ型のフォトレジスト層１３を形成した後、ベーキング（１２０−１８０℃；１０〜６０分間）し、紫外フォトリソグラフィー装置（ミカサ製、商品名：マスクアライナー ＭＡ−２０型）を用いて、導波路構造にレジストをパターニングした。   Next, a positive type photoresist (OFPR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., 1-2 μm) is applied (about 1 μm) to form the positive type photoresist layer 13 and then baking (120-180 ° C .; 10-60 minutes). Then, a resist was patterned on the waveguide structure using an ultraviolet photolithography apparatus (trade name: Mask Aligner MA-20 type, manufactured by Mikasa).

このようにパターニングされたレジストの層１４をマスクとして、ＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２：３０〜７０％，０．２〜０．８Ｐａ）及びＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたＩＣＰドライエッチングにより、ＤＲ１／ＰＭＭＡを導波路状に加工した。この際に用いたＩＣＰドライエッチング条件は、以下の通りであった。 Using the resist layer 14 thus patterned as a mask, CF ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ : 30 to 70%, 0.2 to 0.8 Pa) and O ₂ / Ar reactive gas (O ₂ concentration 10). DR1 / PMMA was processed into a waveguide shape by ICP dry etching using −50%, total pressure 0.15-0.5 Pa). The ICP dry etching conditions used at this time were as follows.

＜ＩＣＰドライエッチング条件＞
ＩＣＰドライエッチング装置：入江工研社製、商品名：ＩＣＰエッチング装置（研究室において改良）ＩＥＥ６００Ａ
これらの詳細については、下記の論文を参照することができる。
・Ｓ．Ｉｎｏｕｅ，Ｋａｊｉｋａｗａ，Ｙ．Ａｏｙａｇｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８２，２９６６−２９６８（２００３）
・Ｓ．Ｉｎｏｕｅ，ａｎｄ Ｋ．Ｋａｊｉｋａｗａ Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．Ｂ１０３，１７０−１７６（２００３） <ICP dry etching conditions>
ICP dry etching equipment: Irie Koken Co., Ltd., trade name: ICP etching equipment (improved in the laboratory) IEEE600A
The following papers can be referred to for details of these.
・ S. Inoue, Kajikawa, Y. et al. Aoyagi, Appl. Phys. Lett. , 82, 2966-2968 (2003)
・ S. Inoue, and K.K. Kajikawa Mater. Sci. Eng. B103, 170-176 (2003)

次いでＯ_２アッシングにより、フォトレジストを除去後、ＥＢレジスト（東京応化製ＯＥＢＲ）をスピンコート（５０−３００ｎｍ）し、ベーキング（１２０−１８０℃；１０〜６０分間）した。
ＥＢリソグラフィー（日立社製、商品名：Ｓ−４１００（ＳＥＭ観察装置、研究室において改良））により導波路上にフォトニック結晶パターンを加工し、ＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２濃度３０−７０％、全圧０．２−０．８Ｐａ）を用いたＩＣＰドライエッチングにより、該フォトニック結晶パターンをハードマスクにパターン転写した。この際に用いたＩＣＰドライエッチング条件は、以下の通りであった。 Next, after removing the photoresist by O ₂ ashing, EB resist (OEBR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was spin-coated (50-300 nm) and baked (120-180 ° C .; 10-60 minutes).
A photonic crystal pattern is processed on the waveguide by EB lithography (manufactured by Hitachi, trade name: S-4100 (SEM observation apparatus, improved in the laboratory)), and CF ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ concentration 30− The photonic crystal pattern was transferred onto a hard mask by ICP dry etching using 70%, total pressure 0.2-0.8 Pa). The ICP dry etching conditions used at this time were as follows.

＜ＩＣＰドライエッチング条件＞
前記と同様。
詳細については前記論文を参照することができる。
次いでＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたＩＣＰドライエッチングにより、ＤＲ１／ＰＭＭＡに高精度にフォトニック結晶構造の加工を行った。この際に用いたＩＣＰドライエッチング条件は、以下の通りであった。 <ICP dry etching conditions>
Same as above.
For details, the above-mentioned paper can be referred to.
Next, the photonic crystal structure was processed with high accuracy in DR1 / PMMA by ICP dry etching using O ₂ / Ar reaction gas (O ₂ concentration 10-50%, total pressure 0.15-0.5 Pa). . The ICP dry etching conditions used at this time were as follows.

＜ＩＣＰドライエッチング条件＞
前記と同様。
最後にフッ酸によりマスク除去を行い、非線形光学ポリマー２次元フォトニック結晶導波路（図１）を完成させた。最終的に得られた２次元フォトニック結晶導波路（図１）において、円柱孔４の直径は２００ｎｍ、隣接する円柱孔４の間隔（円柱孔４の中心相互間の距離）５００ｎｍ、フォトニック結晶部３の厚さは６５０ｎｍであった。 <ICP dry etching conditions>
Same as above.
Finally, the mask was removed with hydrofluoric acid to complete the nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide (FIG. 1). In the finally obtained two-dimensional photonic crystal waveguide (FIG. 1), the diameter of the cylindrical hole 4 is 200 nm, the distance between adjacent cylindrical holes 4 (the distance between the centers of the cylindrical holes 4) is 500 nm, the photonic crystal The thickness of the part 3 was 650 nm.

以上、図２に示した作製プロセス手順により、図１の構造を得ることができた。加工後の素子をノマルスキー光学顕微鏡（ニコン社製、商品名：ＥＣＬＩＰＳＥ−ＭＥ６００Ｐ）およびＳＥＭ（走査電子顕微鏡；日立社製、商品名：Ｓ−４１００）写真（倍率：６００００倍）として図３に示す。   As described above, the structure shown in FIG. 1 can be obtained by the manufacturing process procedure shown in FIG. The processed element is shown in FIG. 3 as a Nomarski optical microscope (Nikon Corporation, trade name: ECLIPSE-ME600P) and SEM (scanning electron microscope; Hitachi, trade name: S-4100) photograph (magnification: 60000 times). .

以下の方法によて、第２の素子構造（素子構造２）として、非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する素子構造（図４）を作製した。   An element having a two-layer core in which a nonlinear optical material layer (wavelength conversion part) and a periodic refractive index modulation layer (photonic crystal part) are separated as a second element structure (element structure 2) by the following method A structure (FIG. 4) was produced.

まず、洗浄したＳｉウェハー基板上にＡｇクラッド層を真空蒸着（５００ｎｍ）した。   First, an Ag cladding layer was vacuum-deposited (500 nm) on the cleaned Si wafer substrate.

このＡｇクラッド層の上に、非線形光学材料層（波長変換部）としてモノクロロベンゼン中に溶解（濃度：０．１〜１ｍｏｌ／ｌ）させたＤＲ１／ＰＭＭＡ（ＤＲ１：０．５〜１０ｗｔ％）溶液をスピンコーターによりスピンコート（１５０−３００ｎｍ、その後１２０−２００℃でベーキング）し、その上に保護膜としてＳＯＧを非常に薄くスピンコート（２０−１００ｎｍ、その後１２０−３００℃でベーキング）した。   A DR1 / PMMA (DR1: 0.5 to 10 wt%) solution dissolved in monochlorobenzene (concentration: 0.1 to 1 mol / l) as a nonlinear optical material layer (wavelength converting portion) on the Ag cladding layer. Was spin-coated with a spin coater (150-300 nm, then baked at 120-200 ° C.), and SOG was very thinly spin-coated as a protective film (20-100 nm, then baked at 120-300 ° C.).

更に、この非線形光学材料層の上に、実施例１と同様にしてフォトニック結晶構造を形成した。   Further, a photonic crystal structure was formed on the nonlinear optical material layer in the same manner as in Example 1.

すなわち、周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）として、モノクロロベンゼン溶液中に溶解させたＰＭＭＡをスピンコート（２００−８００ｎｍ、その後１２０−２００℃でベーキング）し、更にドライエッチング用ハードマスクとしてＳＯＧ（主ＳｉＯ_２）をスピンコート（１５０−３００ｎｍ）しベーキング（１２０−３００℃）した。 That is, as a periodic refractive index modulation layer (photonic crystal part), PMMA dissolved in a monochlorobenzene solution is spin-coated (200-800 nm, then baked at 120-200 ° C.), and further as a hard mask for dry etching SOG (main SiO ₂ ) was spin-coated (150-300 nm) and baked (120-300 ° C.).

次にフォトレジストを塗布（１μｍ程度）後、ベーキング（１２０−１８０℃）し、フォトリソグラフィーにより導波路構造にレジストをパターニングした。レジストをマスクとしてＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２濃度３０−７０％、全圧０．２−０．８Ｐａ）及びＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたドライエッチングにより、これら４層を導波路状に加工した。 Next, after applying a photoresist (about 1 μm), baking (120-180 ° C.) was performed, and the resist was patterned on the waveguide structure by photolithography. CF ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ concentration 30-70%, total pressure 0.2-0.8 Pa) and O ₂ / Ar reactive gas (O ₂ concentration 10-50%, total pressure 0. 0 using resist as a mask. These four layers were processed into a waveguide shape by dry etching using 15-0.5 Pa).

フォトレジストをＯ_２アッシングにより除去した後、その上にＥＢレジストをスピンコート（５０−３００ｎｍ）しベーキング（１２０−１８０℃）した。ＥＢリソグラフィーにより導波路上にフォトニック結晶パターンを加工し、ＣＦ_４／Ｈ_２反応ガス（Ｈ_２濃度３０−７０％、全圧０．２−０．８Ｐａ）を用いたドライエッチングによりハードマスクにパターン転写した。次いでＯ_２／Ａｒ反応ガス（Ｏ_２濃度１０−５０％、全圧０．１５−０．５Ｐａ）を用いたドライエッチングにより、ＰＭＭＡに高精度にフォトニック結晶構造の加工を行った。最後にフッ酸によりマスク除去を行い、非線形光学材料層（波長変換部）と周期的屈折率変調層（フォトニック結晶部）を分離した２層コアを有する非線形光学ポリマー２次元フォトニック結晶導波路（図４）を完成させた。最終的に得られた２次元フォトニック結晶導波路（図１）において、円柱孔４の直径は１４０ｎｍ、隣接する円柱孔４の間隔（円柱孔４の中心相互間の距離）６５０ｎｍ、フォトニック結晶部４５の厚さは６５０ｎｍであった。 After removing the photoresist by O ₂ ashing, an EB resist was spin coated (50-300 nm) thereon and baked (120-180 ° C.). A photonic crystal pattern is processed on the waveguide by EB lithography, and a hard mask is formed by dry etching using a CF ₄ / H ₂ reactive gas (H ₂ concentration 30-70%, total pressure 0.2-0.8 Pa). The pattern was transferred. Next, the photonic crystal structure was processed with high accuracy in PMMA by dry etching using an O ₂ / Ar reaction gas (O ₂ concentration 10-50%, total pressure 0.15-0.5 Pa). Finally, the mask is removed with hydrofluoric acid, and a nonlinear optical polymer two-dimensional photonic crystal waveguide having a two-layer core in which the nonlinear optical material layer (wavelength conversion portion) and the periodic refractive index modulation layer (photonic crystal portion) are separated. (FIG. 4) was completed. In the finally obtained two-dimensional photonic crystal waveguide (FIG. 1), the diameter of the cylindrical hole 4 is 140 nm, the interval between adjacent cylindrical holes 4 (distance between the centers of the cylindrical holes 4) is 650 nm, and the photonic crystal The thickness of the portion 45 was 650 nm.

加工後の素子のＳＥＭ写真（倍率：４５０００倍）を図５に示す。   FIG. 5 shows an SEM photograph (magnification: 45000 times) of the device after processing.

（素子動作の設計および評価）
以下の方法により、理論的にシミュレーションすると同時に、実験的に直接観測を行った。 (Design and evaluation of device operation)
The following methods were used for the theoretical simulation and at the same time, the direct observation was made experimentally.

理論計算に関しては、平面波展開法に比べより精度の高い、３次元ＦＤＴＤ法によるバンド計算法を用いて解析を行った。この３次元ＦＤＴＤ法によるバンド計算法の詳細に関しては、前記文献を参照することができる。   Theoretical calculation was analyzed using a band calculation method based on the three-dimensional FDTD method, which is more accurate than the plane wave expansion method. Regarding the details of the band calculation method by the three-dimensional FDTD method, the above-mentioned document can be referred to.

実験的には、角度走査偏光反射率測定を行い、反射スペクトルにおいて鋭い極小として現れる、光バンドと入射光との間の共鳴ピーク位置からフォトニックバンド構造を決定した。この角度走査偏光反射率測定法の詳細に関しては、文献（Ｓ．Ｉｎｏｕｅ，Ｋ．Ｋａｊｉｋａｗａ，Ｙ．Ａｏｙａｇｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８２，２９６６−２９６８（２００３））を参照することができる。   Experimentally, angular scanning polarization reflectance measurement was performed, and the photonic band structure was determined from the resonance peak position between the light band and the incident light, which appeared as a sharp minimum in the reflection spectrum. Reference can be made to the literature (S. Inoue, K. Kajikawa, Y. Aoyagi, Appl. Phys. Lett., 82, 2966-2968 (2003)) for details of this angular scanning polarization reflectance measurement method.

具体的には、タングステンハロゲン白色光源を用いた各偏光平行ビームを、微小なサンプル（パターニング）部に対して、集光入射し、分光器およびＣＣＤを用いて反射スペクトルを測定、更にビーム入射角、および結晶対称軸に対する面内ビーム進行角をそれぞれ走査し、スペクトルに現れる共鳴ピークの周波数シフトから、フォトニックバンド分散曲線を追跡した。測定系の幾何学的対応模式図を図６に示す。また用いた測定光学系を図７に示す。この測定手法は、入射時にプリズムカップリングを用いれば、ライトラインの下側つまり導波モードを観測することが可能であり、実験的な光バンド構造を全ての範囲で完全に決定、調査することができる。   Specifically, each polarized parallel beam using a tungsten halogen white light source is focused and incident on a minute sample (patterning) part, a reflection spectrum is measured using a spectroscope and a CCD, and a beam incident angle is further measured. The in-plane beam advance angle with respect to the crystal symmetry axis was scanned, and the photonic band dispersion curve was traced from the frequency shift of the resonance peak appearing in the spectrum. A geometrical correspondence diagram of the measurement system is shown in FIG. The measurement optical system used is shown in FIG. In this measurement method, if a prism coupling is used at the time of incidence, it is possible to observe the lower side of the light line, that is, the guided mode, and the experimental optical band structure is completely determined and investigated over the entire range. Can do.

図７に示す測定光学系において、用いた各構成要素の具体名は前述した通りである。また、これらの各構成要素はステージ付光学ミラーを用いて光学的に連結した。   In the measurement optical system shown in FIG. 7, the specific names of the constituent elements used are as described above. Each of these components was optically connected using an optical mirror with a stage.

このように理論・実験両面からバンド構造を決定することにより、超低群速度・位相整合を同時に満たし、和周波・第二高調波発生が著しく増大される動作条件を正確に求め、且つ素子性能を評価することができた。例としてフォトニック結晶周期５００ｎｍ、正方格子構造を持つ、第１の素子構造に対して、求めたフォトニックバンド構造を図８に示す。結晶周期を変えることにより、図８の縦軸のエネルギーを自由に変更することができた。   In this way, by determining the band structure from both theoretical and experimental aspects, it is possible to accurately determine operating conditions that simultaneously satisfy ultra-low group velocity and phase matching, and significantly increase the sum frequency and second harmonic generation, and device performance. Could be evaluated. As an example, FIG. 8 shows the obtained photonic band structure for the first element structure having a photonic crystal period of 500 nm and a square lattice structure. By changing the crystal period, the energy on the vertical axis in FIG. 8 could be freely changed.

例で示した構造では、正方格子上の対角方向にビームを入射した場合、フォトニックバンド構造により、第二高調波の位相整合が可能であることが実際に確認された。同時に高調波の光群速度は真空中の光速に対して３０分の１以下に低下していることが示され、その電場増強の効果により、高調波発生効率は、位相整合がなされている一様媒質素子と比較して、はるかに増強する可能性があることが確認された。   In the structure shown in the example, it was actually confirmed that the second harmonics can be phase-matched by the photonic band structure when the beam is incident diagonally on the square lattice. At the same time, it is shown that the harmonic group velocity is reduced to 1/30 or less of the speed of light in vacuum, and due to the effect of the electric field enhancement, the harmonic generation efficiency is phase-matched. It has been confirmed that there is a possibility of much enhancement compared to the medium element.

（和周波混合・第二高調波発生過程の評価）
次に、代表的な非線形光学過程である和周波混合・第二高調波発生過程の評価を行った。 (Evaluation of sum frequency mixing and second harmonic generation process)
Next, we evaluated the sum frequency mixing / second harmonic generation process, which is a typical nonlinear optical process.

本例においては、和周波混合・第二高調波発生測定の際に入射光の波長および入射角度、フォトニック結晶に対するビーム進行角度を走査することによって、フォトニックバンドの位置に共鳴するエネルギーおよび運動量において、出力される和周波または第二高調波の強度が増大することにより、バンドの位置の同定、およびその強度の増大の度合いから、光バンドと関連した増大の定量的調査・確認、および最も効率良く素子が動作する条件の調査、確認を行うことができた。本例では入射光源として、広範囲にわたり波長可変可能（０．３−１０μｍ）な、短パルスＯＰＡを用いた。入射光学系およびステージ等の試料保持部は、先ほどの角度走査偏光反射率測定のものと同様である。試料入射直前に励起光の高調波・和周波成分は干渉フィルターにより取り除いた。和周波・高調波の検知部は、ファイバーによって分光器・ＣＣＤに取り込むか、またはバンドパスフィルターを通して光電子増倍管に取り込む形式を用いた。   In this example, the energy and momentum that resonates with the position of the photonic band by scanning the wavelength and angle of the incident light and the beam traveling angle with respect to the photonic crystal during the measurement of sum frequency mixing and second harmonic generation. In this case, the intensity of the output sum frequency or second harmonic increases, so that the band position is identified, the degree of increase in the intensity, the quantitative investigation and confirmation of the increase associated with the optical band, and the most We were able to investigate and confirm the conditions under which the device operates efficiently. In this example, as the incident light source, a short pulse OPA that can change the wavelength over a wide range (0.3-10 μm) was used. The sample holder such as the incident optical system and the stage is the same as that of the angle scanning polarization reflectance measurement described above. Immediately before the sample was incident, the harmonic and sum frequency components of the excitation light were removed by an interference filter. For the sum frequency / harmonic detection unit, a spectroscope / CCD was used for capturing by a fiber, or a photomultiplier tube was used for passing through a band pass filter.

第２の素子構造に対して、同軸２ビーム入射（波長７３６ｎｍ，８００ｎｍ）において、ＣＣＤを用いる方式により得られた、和周波（３８３ｎｍ）・第二高調波（３６８ｎｍと４００ｎｍ）の発生を観測した結果、およびフォトニックバンドに共鳴する運動量（入射角度４２．５度）において第二高調波（波長３６８ｎｍ）の強度が大きく増大した結果を示したものを図９に示す。本結果により本提案素子構造によって実際に和周波・高調波を通常媒質中に比べ、はるかに高効率に発生できる可能性があることが示された。   With respect to the second element structure, the generation of the sum frequency (383 nm) and the second harmonic (368 nm and 400 nm) obtained by the method using the CCD was observed at the coaxial two-beam incidence (wavelengths 736 nm and 800 nm). FIG. 9 shows the result and the result that the intensity of the second harmonic (wavelength 368 nm) greatly increased in the momentum resonating with the photonic band (incidence angle 42.5 degrees). This result shows that the proposed device structure can actually generate sum frequency and harmonics much more efficiently than in a normal medium.

上述したように、本発明において特定された素子材料・構造を用い、提案した微細加工プロセスを行うことにより、ＳＥＭ観察等の評価から、非常に高精度な高アスペクト・高垂直性の非線形フォトニック結晶導波路形状第二高調波発生素子を作製できることが示された。   As described above, by using the element material / structure specified in the present invention and performing the proposed microfabrication process, it is possible to evaluate a highly accurate non-linear photonic with high accuracy and high aspect ratio based on evaluations such as SEM observation. It was shown that a crystal waveguide shape second harmonic generation element can be fabricated.

また作製した素子に対して行った角度走査偏光反射率測定、およびフォトニックバンド構造計算により得られた光分散関係（フォトニックバンド構造）から、フォトニックバンド構造を正確に決定できること、素子の最適動作設計が簡便且つ正確に行えることが確認された。また同時に、素子を伝播する群速度が真空中の光速度に対して約３０分の１以下に低下していることが確認され、その値から、位相整合がなされている一様媒質中と比較して和周波・第二高調波の放射強度が著しく増幅される可能性があることが示された。また、実際に本素子における和周波・第二高調波発生の提案手法による測定により、本素子において和周波・高調波が出力可能であり、また、フォトニックバンドに共鳴した条件においてその強度が増大することが確認された。これらは、本発明により非常に高効率、極微小な和周波・第二高調波発生素子が実現できることを示している。   In addition, it is possible to accurately determine the photonic band structure from the optical dispersion relationship (photonic band structure) obtained by angle-scanning polarization reflectivity measurement performed on the fabricated element and photonic band structure calculation, and the optimum of the element It was confirmed that the operation design can be performed easily and accurately. At the same time, it was confirmed that the group velocity propagating through the element was reduced to about 1/30 or less of the light velocity in vacuum, and compared with that in a uniform medium with phase matching. As a result, it has been shown that there is a possibility that the radiation intensity of the sum frequency and second harmonic may be significantly amplified. In addition, it is possible to output the sum frequency and harmonics in this element, and the intensity increases under conditions that resonate with the photonic band, by actually measuring with the proposed method of generating sum frequency and second harmonic in this element. Confirmed to do. These show that a very high-efficiency, extremely small sum frequency / second harmonic generation element can be realized by the present invention.

本発明の素子形態（素子構造１）の一態様を示す模式斜視図である。It is a model perspective view which shows the one aspect | mode of the element form (element structure 1) of this invention. 本発明の素子作製方法の一態様を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of the element manufacturing method of the present invention. 本発明の素子構造作製（素子構造１）のノマルスキー光学顕微鏡写真（ａ）（倍率：２００倍）、ＳＥＭ写真（ｂ）および（ｃ）（ともに倍率：６００００倍）である。It is a Nomarski optical microscope photograph (a) (magnification: 200 times), SEM photographs (b) and (c) (both magnification: 60000 times) of the device structure production (device structure 1) of the present invention. 本発明の素子形態（素子構造２）の一態様を示す模式斜視図である。It is a model perspective view which shows the one aspect | mode of the element form (element structure 2) of this invention. 本発明の素子構造作製（素子構造２）のＳＥＭ写真（倍率：４５０００倍）である。It is a SEM photograph (magnification: 45000 times) of device structure manufacture (device structure 2) of the present invention. 本発明の素子評価方法の実施例を説明するための模式斜視図である。It is a model perspective view for demonstrating the Example of the element evaluation method of this invention. 本発明の素子評価装置（光バンド構造を求める）の一態様を示す図である。It is a figure which shows one aspect | mode of the element evaluation apparatus (determining an optical band structure) of this invention. 本発明の素子評価の方法を説明するためのグラフである（非線形フォトニック結晶導波路のフォトニックバンド構造を示している）。It is a graph for demonstrating the element evaluation method of this invention (The photonic band structure of a nonlinear photonic crystal waveguide is shown). 本発明の素子評価の方法を説明するためのグラフである。本素子における第二高調波（波長３６８ｎｍ）強度の入射角度依存性を示している。また挿入図は入射角度４２．５度の際の本素子から放射された和周波（３８３ｎｍ）および第二高調波（３６８ｎｍと４００ｎｍ）を観測したスペクトルを示している）。It is a graph for demonstrating the method of element evaluation of this invention. The incident angle dependence of the second harmonic (wavelength 368 nm) intensity in this element is shown. Further, the inset shows a spectrum in which the sum frequency (383 nm) and the second harmonic (368 nm and 400 nm) radiated from the element at an incident angle of 42.5 degrees are observed.

符号の説明Explanation of symbols

１ 基板（Ｓｉ）
２ 金属クラッド層（Ａｇ）
３ 非線形フォトニック結晶コア層（ＤＲ１／ＰＭＭＡ）
４ 円柱孔
５ 基本波入力用、高調波出力用導波路
１０ Ｓｉ基板１１…金属材料膜（Ａｇ）
１２ 有機非線形光学材料層（ＤＲ１／ＰＭＭＡ）
１３ ハードマスク（ＳＯＧ：主成分ＳｉＯ_２）
１４ フォトレジスト又はＥＢレジスト
２１ 多層薄膜形成プロセス過程
２２ フォトリソグラフィー、ドライエッチング、ＥＢレジスト塗布プロセス過程
２３ 位置合わせ、電子ビーム露光、現像プロセス過程
２４ ＣＦ_４／Ｈ_２ドライエッチング（ハードマスクエッチング）プロセス過程
２５ Ａｒ／Ｏ_２ドライエッチング（有機非線形光学材料エッチング）プロセス過程
２６ ハードマスク除去プロセス過程
２７ 非線形フォトニック結晶導波路
２８ａ 光学顕微鏡写真（非線形フォトニック結晶導波路および参照用導波路）
２８ｂ 表面ＳＥＭ写真（非線形フォトニック結晶構造部）
２８ｃ 断面ＳＥＭ写真（非線形フォトニック結晶構造部）
３０ 非線形フォトニック結晶構造部領域
３１ 非パターニング領域（参照用）
３２ 光入出力用導波路（非線形フォトニック結晶構造部結合）
３３ 光入出力用導波路（非パターニング領域結合）
４１ Ｓｉ基材
４２ 金属クラッド層（Ａｇ）
４３ 非線形材料コア層（ＤＲ１／ＰＭＭＡ）
４４ 酸化物保護・分離層（ＳｉＯ_２）
４５ フォトニック結晶準コア層（ＰＭＭＡ）
４６ マスク層
４８ 入射導波光の模式的な電界強度分布
５０ 入射光
５１ 入射光角度
５２ 面内光進行角度
６３ 光源（タングステンハロゲンランプ）
６４ 光ファイバー
６５ コリメートレンズ
６６ アイリス
６７ ミラー
６８ ＮＤフィルター
６９ 広帯域用偏光子
７０ 広帯域用１／２波長版
７１ 拡大鏡
７２ 長焦点アクロマティックレンズ
７３ サンプル（非線形フォトニック結晶導波路）部
７４ ＰＣ制御自動サンプルステージ（θ、２θ、φ回転）
７５ アクロマティックコリメートレンズ
７６ 光ファイバーカップリング
７７ 分光器
７８ ＣＣＤディテクター
７９ 制御用コンピューター
８０ 角度走査偏光反射率測定から得られた光バンド構造の実験値
８１ フォトニックバンド構造計算から得られた光バンド構造の計算値
８２ 空気中の光のライトコーン
８３ 第二高調波（波長３６８ｎｍ）のスペクトルピーク
８４ 和周波（３８３ｎｍ）のスペクトルピーク
８５ 第二高調波（４００ｎｍ）のスペクトルピーク
８６ 本素子における第二高調波（波長３６８ｎｍ）強度の入射角度依存性 1 Substrate (Si)
2 Metal cladding layer (Ag)
3 Nonlinear photonic crystal core layer (DR1 / PMMA)
4 Cylindrical hole 5 Fundamental wave input, harmonic output waveguide 10 Si substrate 11 Metal film (Ag)
12 Organic nonlinear optical material layer (DR1 / PMMA)
13 Hard mask (SOG: main component SiO ₂ )
14 Photoresist or EB resist 21 Multilayer thin film formation process 22 Photolithography, dry etching, EB resist coating process 23 Alignment, electron beam exposure, development process 24 CF ₄ / H ₂ dry etching (hard mask etching) process 25 Ar / O ₂ dry etching (organic nonlinear optical material etching) process 26 hard mask removal process 27 nonlinear photonic crystal waveguide 28a optical micrograph (nonlinear photonic crystal waveguide and reference waveguide)
28b Surface SEM photograph (nonlinear photonic crystal structure)
28c Cross-sectional SEM photograph (nonlinear photonic crystal structure)
30 Nonlinear photonic crystal structure region 31 Non-patterning region (for reference)
32 Optical input / output waveguide (nonlinear photonic crystal structure coupling)
33 Optical input / output waveguide (non-patterning region coupling)
41 Si substrate 42 Metal clad layer (Ag)
43 Nonlinear Material Core Layer (DR1 / PMMA)
44 Oxide protection / separation layer (SiO ₂ )
45 Photonic crystal quasi-core layer (PMMA)
46 Mask layer 48 Schematic electric field intensity distribution of incident guided light 50 Incident light 51 Incident light angle 52 In-plane light traveling angle 63 Light source (tungsten halogen lamp)
64 Optical fiber 65 Collimating lens 66 Iris 67 Mirror 68 ND filter 69 Broadband polarizer 70 Wideband half-wave version 71 Magnifier 72 Long focus achromatic lens 73 Sample (nonlinear photonic crystal waveguide) section 74 PC control automatic sample Stage (θ, 2θ, φ rotation)
75 Achromatic collimating lens 76 Optical fiber coupling 77 Spectrometer 78 CCD detector 79 Control computer 80 Experimental value of optical band structure obtained from angle scanning polarization reflectance measurement 81 Optical band structure obtained from photonic band structure calculation Calculated value 82 Light cone of light in air 83 Spectral peak of second harmonic (wavelength 368 nm) 84 Spectral peak of sum frequency (383 nm) 85 Spectral peak of second harmonic (400 nm) 86 Second harmonic in this element (Wavelength 368 nm) Incident angle dependence of intensity

Claims (14)

屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶であって；且つ、
非線形光学材料（有機非線形光学材料を除く）からなる層の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶。 A photonic crystal comprising at least two materials having different refractive indices, the materials providing a periodic structure; and
A photonic crystal in which the periodic structure is arranged on a layer made of a nonlinear optical material (excluding an organic nonlinear optical material). クラッド材料からなる層の上に、前記非線形光学材料からなる層が配置されている請求項１に記載のフォトニック結晶。   The photonic crystal according to claim 1, wherein a layer made of the nonlinear optical material is disposed on a layer made of a clad material. 前記クラッド材料が金属である請求項２に記載のフォトニック結晶。   The photonic crystal according to claim 2, wherein the cladding material is a metal. 前記周期構造層を有する層が、コア層として機能する請求項１〜３のいずれかに記載のフォトニック結晶。   The photonic crystal according to claim 1, wherein the layer having the periodic structure layer functions as a core layer. 前記非線形光学材料層が、コア層として機能する請求項１〜３のいずれかに記載のフォトニック結晶。   The photonic crystal according to claim 1, wherein the nonlinear optical material layer functions as a core layer. 前記周期構造を有する層と、非線形光学材料が、いずれもコア層として機能する請求項１〜３のいずれかに記載のフォトニック結晶。   The photonic crystal according to claim 1, wherein each of the layer having the periodic structure and the nonlinear optical material functions as a core layer. 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え；且つ、非線形光学材料（有機非線形光学材料を除く）からなる層の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶の製造方法であって、以下の工程を含む方法：
基板上に、前記非線形光学材料からなる層を形成する工程；
該非線形光学材料層の上に、周期的構造を与える加工材料層を形成する工程；および
該加工材料層をパターンニングして、フォトニック結晶パターンを有する周期的構造を形成する工程。 Including at least two materials having different refractive indices, which materials provide a periodic structure; and the periodic structure is disposed on a layer made of a nonlinear optical material (excluding an organic nonlinear optical material) A method for producing a photonic crystal comprising the following steps:
Forming a layer of the nonlinear optical material on a substrate;
Forming a processing material layer that provides a periodic structure on the nonlinear optical material layer; and patterning the processing material layer to form a periodic structure having a photonic crystal pattern. 前記基板と、非線形光学材料からなる層との間に、予めクラッド材料からなる層が形成されている請求項７に記載のフォトニック結晶の製造方法。   8. The method for producing a photonic crystal according to claim 7, wherein a layer made of a cladding material is formed in advance between the substrate and a layer made of a nonlinear optical material. 前記周期構造を有する層のパターニングが、ドライエッチング、ナノインプリント技術、陽極酸化技術、化学エッチング技術、電子・集束イオン・フォトンビームリソグラフィー技術、選択成長技術、レーザ加工技術から選ばれる技術によって行われる請求項７または８に記載のフォトニック結晶の製造方法。   The patterning of the layer having a periodic structure is performed by a technique selected from dry etching, nanoimprint technology, anodization technology, chemical etching technology, electron / focused ion / photon beam lithography technology, selective growth technology, and laser processing technology. A method for producing a photonic crystal according to 7 or 8. 前記基板が、Ｓｉからなる基板である請求項７〜９のいずれかに記載のフォトニック結晶の製造方法。   The method for producing a photonic crystal according to claim 7, wherein the substrate is a substrate made of Si. 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与え；且つ、非線形光学材料（無機非線形光学結晶、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３から選ばれる無機非線形光学材料を除く）の上に、前記周期的構造が配置されているフォトニック結晶の製造方法であって、以下の工程を含む方法：
非線形光学材料からなる基板上に、周期的構造を与える加工材料層を形成する工程；および
該加工材料層をパターンニングして、フォトニック結晶パターンを有する周期的構造を形成する工程。 Including at least two materials having different refractive indices, which provide a periodic structure; and on a nonlinear optical material (except for an inorganic nonlinear optical material selected from inorganic nonlinear optical crystals, LiNbO ₃ or LiTaO ₃ ) A method for producing a photonic crystal in which the periodic structure is arranged, the method including the following steps:
Forming a processing material layer that provides a periodic structure on a substrate made of a nonlinear optical material; and patterning the processing material layer to form a periodic structure having a photonic crystal pattern. 前記非線形材料が、無機非線形材料（無機非線形光学結晶、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３を除く）、有機非線形材料、半導体非線形材料、またはこれらの組合せ材料から選ばれる請求項１１に記載のフォトニック結晶の製造方法。 The nonlinear material, an inorganic nonlinear material (inorganic nonlinear optical crystal, excluding LiNbO ₃ or LiTaO _3), an organic nonlinear material, semiconductor nonlinear material or of the photonic crystal according to claim 1 1 selected from these combinations materials, Production method. 前記非線形光学材料として、半導体材料を含まない請求項１または２に記載のフォトニック結晶。   The photonic crystal according to claim 1, wherein the nonlinear optical material does not include a semiconductor material. 屈折率が異なる少なくとも２種の材料を含み、これらの材料が周期的構造を与えるフォトニック結晶を含む非線形光学素子であって；且つ、
非線形光学材料からなる層の上に、前記周期的構造のフォトニック結晶が配置されている非線形光学素子。 A non-linear optical element comprising a photonic crystal comprising at least two materials having different refractive indices, the materials providing a periodic structure; and
A nonlinear optical element in which a photonic crystal having a periodic structure is disposed on a layer made of a nonlinear optical material.