可変分波器
【課題】 歩留りの向上および特性の安定化を図ることが可能な小型可変分波器を提供する。
【解決手段】 小型可変分波器は、ベース媒体としてのＳｉＯ2層２と、導波路アレイと、外部屈折率変調手段としてのヒータ４、ヒートシンク５とを備える。導波路アレイはＳｉＯ2層２上に配置される。導波路アレイは、複数の導波路としてのＳｉ細線導波路３からなる。ヒータ４およびヒートシンク５は、導波路アレイにおいて、Ｓｉ細線導波路３の延びる方向と垂直な方向に、複数のＳｉ細線導波路３の間で可変な屈折率勾配を形成する。Ｓｉ細線導波路３は、Ｓｉ細線導波路３の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する。
【解決手段】 小型可変分波器は、ベース媒体としてのＳｉＯ2層２と、導波路アレイと、外部屈折率変調手段としてのヒータ４、ヒートシンク５とを備える。導波路アレイはＳｉＯ2層２上に配置される。導波路アレイは、複数の導波路としてのＳｉ細線導波路３からなる。ヒータ４およびヒートシンク５は、導波路アレイにおいて、Ｓｉ細線導波路３の延びる方向と垂直な方向に、複数のＳｉ細線導波路３の間で可変な屈折率勾配を形成する。Ｓｉ細線導波路３は、Ｓｉ細線導波路３の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可変分波器に関し、より特定的には、光学的ブロッホ振動を用いた可変分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量光通信ネットワークの需要がますます増大している。当該需要に応える技術の１つとして、波長分割多重伝送がある。また、このような技術の利用に伴って主要デバイスの変遷が起こり、可変分波器などの光制御デバイスが必要になってきている。このような可変分波器としては、光学的ブロッホ振動やフォトニック結晶を用いたものが知られている。
【０００３】
光学的ブロッホ振動を用いた可変分波器は、例えば非特許文献１及び２に示される。図２４は、非特許文献１に開示された可変分波器を示す斜視模式図である。図２５は、図２４に示した可変分波器において、Ｘ軸方向での位置と屈折率勾配との関係を示すグラフである。また、図２６は、非特許文献２に開示された可変分波器を示す平面模式図である。以下、図２４〜図２６を参照して、従来の可変分波器を説明する。
【０００４】
非特許文献１に記載の可変分波器では、図２４に示すように、基板１２１上に周期的に間隔を隔てて配置された導波路１２２により導波路アレイが形成されている。導波路アレイの上部及び下部は電極１２３で覆われている。電極１２３には端子１２６ｂが接続されている。また、基板１２１には端子１２６ａが接続されている。導波路１２２の間隔は一定である。各導波路１２２はＺ軸方向に均一な構造となっている。
ここで、端子１２６ａ、１２６ｂ間に電圧Ｖ0を印加して、電極１２３に電流Ｉを流すと、Ｘ軸方向に電圧変化が生じる。この結果、周期的な導波路アレイによる周期的な屈折率変化に加えて、図２５に示すように、この電圧変化により線形的な屈折率勾配Δｎが生じる。この時、導波路の一端から光を入射すると、光の伝搬が高屈折率側へ動く。このＸ軸方向の振動を光学的ブロッホ振動と呼ぶ。
ここで、電圧Ｖ0を変化させると、屈折率勾配Δｎが変わり、この結果光学的ブロッホ振動の振幅が変わる。このため、出力導波路をスイッチングできる。つまり、印加電圧Ｖ0により出力ポートの位置を制御できる。
【０００５】
また、非特許文献２に記載の可変分波器では、図２６に示すように、基板１３１上に平行に並べられた導波路１３２により導波路アレイが形成されている。導波路アレイでは、Ｘ軸の正の方向に向かうにつれて、導波路１３２の幅が徐々に大きくなる。一方、Ｘ軸の正の方向に向かうにつれて、隣接する導波路１３２の間隔は小さくなっている。また、各導波路１３２はＺ軸方向に均一構造になっている。
【０００６】
図２６に示した可変分波器では、導波路アレイにおける導波路１３２の間隔と導波路１３２の幅との変化が、周期的な屈折率変化及び有効屈折率の変化による屈折率勾配を与えている。その結果、導波路１３２の一端から光を入射すると、光学的ブロッホ振動が発現する。この時、入射光のパワーを大きくすると、非線形効果が生じ、入射された光は線形的な屈折率勾配に従わなくなる。この結果、光学的ブロッホ振動の振幅が変化するため、出力導波路をスイッチングできる。すなわち、入射光のパワーを変更することにより、出力ポートを制御できる。
【０００７】
この他、分波器の原理として、上記光学的ブロッホ振動以外にフォトニック結晶を用いたデバイスも知られている。ここで、フォトニック結晶とは、屈折率の異なる２種類以上の材料が、光の波長程度の周期性をもって配列された人工構造体のことを言う。このフォトニック結晶では、固体結晶において周期的ポテンシャル分布により、電子のエネルギーに対するバンド構造が形成されるのと同様に、光子のエネルギーに対するバンド構造が形成される。フォトニック結晶は、ＰＢＧ（Photonic Band Gap）、異方性、分散性という応用上重要な３つの特徴を持っている。
【０００８】
このようなフォトニック結晶を用いた分波器は、例えば特許文献１及び２に示されている。特許文献１は、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）とフォトニック結晶とを組み合わせて用いた光波長合分波器を開示する。すなわち、特許文献１では、ＡＷＧの出力側スラブ導波路を直角に横切るように形成した溝内に、格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタを挿入することで、低コスト化を実現し、かつ、クロストークの低減が図れ、各チャネルからの出力光の損失を均一にすることができるとしている。特許文献１では、分波機能はＡＷＧを利用しており、低コストでクロストークを低減できるように、フォトニック結晶から成るフィルタを付加している。
【０００９】
特許文献２は、スーパープリズム現象を用いた波長分波回路を開示する。スーパープリズム現象とは、フォトニック結晶の分散性に起因した現象であり、フォトニック結晶内でわずかな波長の違いにより伝搬角が大きく変化する現象を言う。特許文献２に開示された技術は、このスーパープリズム現象を利用することにより、結晶内部の伝搬角を大きく変化させ、波長に応じた伝送経路の切り分けを行なうことを特徴とする。この結果、特許文献２では、ＡＷＧのように個別に導波路を形成する必要がなくなり、且つ、高速化、高集積化、伝送効率の向上などを図ることができるとしている。
【特許文献１】特開２００３−２５５１６０号公報
【特許文献２】特開２００３−４３２７７号公報
【非特許文献１】「オプティクスレターズ（OPTICS LETTERS)」、（米国）、米国光学会（Optical Society of America）、１９９８年１１月１日、第２３巻第２１号、p.1701-1703
【非特許文献２】「フィジカルレビューレターズ（PHYSICAL REVIEW LETTERS）、（米国）、米国物理学会（The American Physical Society）、１９９９年１２月６日、第８３巻第２３号、p.4756-4759
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上述した非特許文献１、非特許文献２、特許文献１、特許文献２などに示された従来技術にはそれぞれ次のような問題点がある。
【００１１】
非特許文献１、非特許文献２に開示された技術に関しては、一般に光学的ブロッホ振動により、光の進行がＸ軸方向に振動する際に、１周期だけ振動する間に、光がＺ軸方向に伝搬する距離（以下、１周期伝搬長と呼ぶ）は１０ｍｍ以上と長くなるため、素子サイズが大きくなる。よって可変分波器を作製する場合、歩留りの低下や生産性の悪化という問題が発生する可能性が高くなる。特に、ＥＢ（電子ビーム）露光で当該可変分波器を作製しようとした場合、各々のチップをＥＢ露光工程の１フィールド内で作製するのは不可能であるため、可変分波器の構造内部にフィールド境界が位置することになる。この結果、形成された可変分波器の特性が不安定になる恐れがあった。
【００１２】
また、特許文献１、特許文献２に開示された技術に関しては、光伝送路中で光路を切り替える機能が付加されておらず、可変機構に関する言及は一切成されていない。すなわち、特許文献１に開示された技術に関しては、一旦基板上にＡＷＧを作製すると、出力側スラブ導波路の形状、アレイ導波路などの構造を変えることはできない。つまり、各出力導波路における出力波長はそれぞれ決まってしまい、変更することは通常不可能である。同様に、特許文献２に開示された技術に関しては、一旦フォトニック結晶を作製すると、フォトニック結晶の孔の形状や大きさ、格子定数などの構造を変えることはできない。つまり、各波長が出力される位置は固定されてしまい、柔軟な切り替えができなくなる。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、可変機構を具備すること、および素子サイズを小さくすること、を可能にすることにより、歩留りの向上および特性の安定化を図ることが可能な小型可変分波器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に従った可変分波器は、ベース媒体と、導波路アレイと、外部屈折率変調手段とを備える。導波路アレイはベース媒体上に配置される。導波路アレイは、離散的に並列に配置された複数の導波路からなる。外部屈折率変調手段は、導波路アレイにおいて、導波路の延びる方向と垂直な方向に、複数の導波路の間で可変な屈折率勾配を形成する。導波路は、導波路の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する。
【発明の効果】
【００１５】
このように、本発明によれば、導波路アレイに形成した１次元フォトニック結晶構造に起因した光の進行方向への群速度を遅延させることにより、素子を小型化して作製することができる。この結果、各々のチップを１フィールド内でのEB露光で作製できるため、特性が安定し、歩留まりも向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明による小型可変分波器の実施の形態１を示す平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図１および図２を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１を説明する。
【００１８】
図１および図２に示す小型可変分波器は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板を用いたＳｉ細線導波路アレイから成る小型可変分波器である。図２に示すように、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ2層２が積層されている。ＳｉＯ2層２上に、上部Ｓｉ層１３（図３参照）から成るＳｉ細線導波路３が複数形成されている。複数のＳｉ細線導波路３は、図１からも分かるようにＺ軸方向に並列に延びるように形成されている。また、複数のＳｉ細線導波路３は、Ｘ軸方向に所定の間隔を隔てて並ぶように離散的に（周期的に）配置されている。つまり、複数のＳｉ細線導波路３は、互いに並行に延びるように形成されるとともに、隣接するＳｉ細線導波路３の間隔はほぼ一定となっている。Ｓｉ基板１およびＳｉＯ2層２のＸ軸方向における端面には、ヒータ４およびヒートシンク５が接続されている。ヒータ４は、Ｓｉ基板１およびＳｉＯ2層２のＸ軸の正の方向における端面に配置されている。ヒートシンク５は、ヒータ４が配置された端面と反対側に位置する端面（Ｓｉ基板１およびＳｉＯ2層２のＸ軸の負の方向における端面）に配置されている。なお、ヒータ４としては、電熱線（抵抗発熱線）やペルチェ素子など、熱を発生させることができる部材であれば任意の部材を用いることができる。また、ヒートシンク５としては、ペルチェ素子や、銅ブロックなどの熱伝導率の高い材料からなる放熱体など、導波路アレイから熱を除去することができる部材であれば任意の部材を用いることができる。
【００１９】
図１に示すように、Ｓｉ細線導波路３の上部表面には、Ｓｉ細線導波路３の延在方向に沿って、複数の空孔６が周期的に形成されている。この周期的に配置された空孔６により、１次元フォトニック結晶構造が形成されている。なお、図１では、光の進行方向をＺ軸方向、Ｓｉ細線導波路３の延在方向と垂直な方向をＸ軸方向としている。ここで、Ｘ軸方向が光学的ブロッホ振動の振動方向となる。
【００２０】
次に、図３〜図６を参照して、Ｓｉ細線導波路からなる導波路アレイの作製方法を説明する。図３〜図６は、図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法を説明するための断面模式図である。
【００２１】
まず、図３に示すように、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ2層２を形成する。ＳｉＯ2層２は厚みが３μｍ、屈折率が１．４である。このＳｉＯ2層２上に上部Ｓｉ層１３を形成する。この上部Ｓｉ層１３の厚みは０．２５μｍ、屈折率は３．５である。Ｓｉ基板１、ＳｉＯ2層２および上部Ｓｉ層１３によりＳＯＩ基板が構成される。この上部Ｓｉ層１３上にレジスト膜１４を塗布する。このようにして、図３に示すような構造を得る。
【００２２】
ここで、ＳｉＯ2層２の厚みを３μｍと十分に厚くしたのは、上部Ｓｉ層１３に光を入射した際にＳｉ基板１へのモードリークを抑制するためである。なお、ＳｉＯ2層２の厚みは１μｍ以上であればよく、より好ましくは３μｍ以上である。また、以下の説明では、ＳＯＩ基板を用いて、ＳｉＯ2層２上に上部Ｓｉ層１３から成るＳｉ細線導波路３（図２参照）を並べて導波路アレイを形成した場合を示しているが、クラッド層と、当該クラッド層よりも屈折率の大きい材料からなる導波路層と、により光を閉じ込め、導波路層が１次元フォトニック結晶構造を形成できる材質であれば、どのような材料を用いてもよい。
【００２３】
次に、図４に示すように、ＥＢ露光を用いて、周期的な導波路アレイと周期的な１次元フォトニック結晶構造（空孔６（図１参照））を形成するためのレジストパターンをレジスト膜１４により形成する。なお、このレジスト膜１４により形成されたレジストパターンには、図示していないが空孔６を形成するための開口部も形成されている。さらに、図５に示すように、上述したレジストパターンを形成するレジスト膜１４をマスクとして用いて、上部Ｓｉ層１３をエッチングにより部分的に除去することにより、上部Ｓｉ層１３（図４参照）から成るＳｉ細線導波路３を形成する。形成されたＳｉ細線導波路３は、図５の紙面に垂直な方向に、互いに並列に延びるように形成されている。このとき、Ｓｉ細線導波路３の上部表面にも複数の空孔６が形成される。
【００２４】
その後、図６に示すように、残ったレジスト膜１４を剥離液で除去する。そして、最後に導波路アレイの両端に図１および図２に示すようにヒータ４とヒートシンク５を配置する。このようにして、図１および図２に示した小型可変分波器を作製できる。なお、作製した各Ｓｉ細線導波路３は、Ｘ軸方向（図１参照）での幅を０．５μｍ、高さを０．２５μｍ、Ｚ軸方向（図１参照）での長さを５００μｍとした。また、隣接するＳｉ細線導波路の間隔は、いずれのＳｉ細線導波路間でも一定であり、ここでは当該間隔が０．５μｍとなるように、周期的に導波路アレイを形成した。また、空孔６の径は０．３μｍ、繰返し周期は０．５μｍとした。なお、この繰返し周期とは、隣接する空孔６の中心同士の間の距離を言う。
【００２５】
次に、図７および図８を参照して、図１に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける光の伝搬について説明する。図７は、図１および図２に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける光の伝搬について説明するための模式図である。図８は、図７に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける各Ｓｉ細線導波路３の屈折率ｎｒの分布を示すグラフである。
【００２６】
図７に示すように、１つのＳｉ細線導波路３の端部から矢印２３に示すように光が入射した場合を考える。この光は、図７中の光強度分布２６で示されるように、１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった状態となる。また、図８から分かるように、周期的な導波路アレイにより周期的な屈折率変化が形成され、さらに、ヒータ４とヒートシンク５によるＸ軸方向の温度勾配の結果として屈折率勾配が形成されている。
【００２７】
上述のように、１つのＳｉ細線導波路３の端部から矢印２３に示すように１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった光が入射した場合、図７の曲線２２で示すように、導波路アレイにおける周期的な屈折率変化と屈折率勾配により光学的ブロッホ振動が発現する。このため、入射した光は周期的な振動運動を繰り返す。そして、導波路アレイのＺ軸方向である光の進行方向の端面の任意の出力ポートから出力される。このとき、Ｘ軸方向への光の振動は、曲線２６に示される１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった光の端部が、隣接するＳｉ細線導波路３に滲み出すことにより生じる。
【００２８】
次に、図１および図２に示した小型可変分波器について、可変分波器としての機能を説明する。図７のように１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった光が入射したとき、ヒータ４とヒートシンク５との温度を制御して導波路アレイにおける温度勾配を変える。この結果、図８の屈折率勾配を変化させることができる。これにより、隣接するＳｉ細線導波路３への入射光の滲み出し具合が変わることになる。そのため、光学的ブロッホ振動の振幅が変わり、上記出力ポートとは異なる出力ポートから光を出力することができる。すなわち、本発明による小型可変分波器では、屈折率勾配の変調により、出力ポートをスイッチングすることができる。
【００２９】
次に、図９を参照して、本発明による小型可変分波器の分波器としての機能を説明する。図９は、本発明による小型可変分波器の機能を説明するための平面模式図である。以下では、波長λ1、λ2（λ1＜λ2）の光を小型可変分波器へ入射させた場合の分波方法について示すが、本発明による小型可変分波器では、３種類以上の波長の光の分波に関しても同様に行なうことができる。
【００３０】
今、図９の矢印２３で示すように、１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった波長λ1とλ2（λ1＜λ2）の光を入射させた場合を考える。この場合、各々の波長の光は光学的ブロッホ振動により図９に示した曲線２７、２８に示すような経路で伝搬していく。このとき、隣接するＳｉ細線導波路３への光の滲み出し具合は光の波長λ1、λ2に依存する。このため、波長λ2の光のほうが波長λ1の光より滲み出し具合が大きくなり、結果的に振動の振幅も大きくなる。すなわち、波長λ1の光と波長λ2の光とは各々異なる経路（曲線２７、２８で示した経路）をたどる。そして、図９の点線２９で示した部分に出力ポートを設置すると、上述した波長λ1の光と波長λ2の光との分波を容易に行なうことができる。
【００３１】
次に、図１０および図１１を参照して１次元フォトニック結晶構造に起因した群速度遅延効果について説明する。図１０は、Ｓｉ細線導波路３において１次元フォトニック結晶構造を形成していない場合の導波路アレイからなる可変分波器を示す平面模式図である。図１１は、Ｓｉ細線導波路３において１次元フォトニック結晶構造を形成した場合の導波路アレイから成る可変分波器を示す平面模式図である。以下では、導波路アレイを構成するＳｉ細線導波路３に１次元フォトニック結晶構造が形成された場合と、形成されていない場合とについて、必要とされる伝搬長を比較する。
【００３２】
ここで、図１０に示したＳｉ細線導波路３はＺ軸方向に一様な媒質である。このため、Ｓｉ細線導波路３中の光の群速度は光速ｃをＳｉの屈折率ｎrで割った値となり、群速度遅延は起こらない。このとき、１つのＳｉ細線導波路３ａの端面３３から光を出力する場合には、図１０に示すＺ1の伝搬長を要し、Ｚ1＝１０ｍｍであった。
【００３３】
一方、図１１に示した可変分波器では、Ｓｉ細線導波路３はＺ軸方向にフォトニック結晶構造が形成されているため、Ｓｉ細線導波路３中の光の群速度は周期構造に起因する分散関係に従った値となる。このとき、分散関係の傾きが小さい周波数（たとえば、１．２６×１０15Ｈｚ）の光を入射すると、群速度を遅延させることができる。このため、図１０に示した場合と同様に１つのＳｉ細線導波路３ａの端面３３から光を出力しても伝搬長はＺ2(Ｚ2＜Ｚ1)という、相対的に短い距離で足りる。本実施の形態の構造ではＺ2＝４００μｍとすることができる。この場合、図１０に示した可変分波器における伝搬長Ｚ1に比べて、伝搬長を１/２５に低減できる。
【００３４】
このため、図１に示した本願発明による可変分波器では、Ｓｉ細線導波路３に１次元フォトニック結晶構造を形成することにより、群速度遅延が得られるようにしている。この結果、Ｚ軸方向への光の伝搬長をより短くして光を出力することができる。したがって、可変分波器の素子サイズを小型化することができる。その結果、小型可変分波器を実現できる。
【００３５】
また、ＥＢ露光の１フィールドは５００μｍ角である一方、本発明による小型可変分波器はこれより小さいサイズで作製できる。このため、ＥＢ露光の１フィールド内に収まるように素子（可変分波器）を作製できる。この結果、可変分波器を作製する際、１つの可変分波器の内部においてフィールド間のつなぎ部を配置する必要がない。その結果、可変分波器の特性が安定し、歩留まりも向上する。
【００３６】
なお、図１に示した可変分波器では、図６からも分かるように、Ｓｉ細線導波路３を形成するためのエッチングを行なう際に、ＳｉＯ2層２上に形成された上部Ｓｉ層１３の一部を、ＳｉＯ2層２の上部表面が露出するまで除去している。この結果、Ｓｉ細線導波路３は、ＳｉＯ2層２上に所定の間隔を隔てて分離された状態となっている。しかし、図１２に示すように、Ｓｉ細線導波路３を形成する際に、ＳｉＯ2層２の上部表面が露出するまでエッチングを行なわず、Ｓｉ層の一部を残存させてもよい。
【００３７】
図１２は、図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第１の変形例を示す断面模式図である。図１２を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第１の変形例を説明する。なお、図１２は図２に対応する。
【００３８】
図１２に示した小型可変分波器は、基本的には図１および図２に示した可変分波器と同様の構造を備えるが、ＳｉＯ2層２の上部表面が露出するまでエッチングを行なわなかったことに因る上部Ｓｉ層１３の残存部２１が配置されている。このとき、ＳｉＯ2層２の上部表面から残存部２１の上部表面までの高さが、ＳｉＯ2層２の上部表面からＳｉ細線導波路３の上部表面までの高さより低くなっている。ＳｉＯ2層２の上部表面からＳｉ細線導波路３の上部表面までの高さと、ＳｉＯ2層２の上部表面から残存部２１の上部表面までの高さとの差は、たとえば０．１μｍとすることができる。
【００３９】
つぎに、図１３を参照して、図１２に示した可変分波器の作製方法を説明する。図１３は、図１２に示した小型可変分波器の作製方法を説明するための断面模式図である。図１３は図６に対応する。
【００４０】
まず、図３および図４に示した工程を実施した後、レジスト膜１４（図４参照）をマスクとして上部Ｓｉ層１３を部分的にエッチングにより除去する。このとき、上部Ｓｉ層１３の上部表面から０．１μｍの厚さとなる部分のみ、エッチングにより除去する。この結果、図１３に示すように、各Ｓｉ細線導波路３と、それと隣接するＳｉ細線導波路３と、の間に位置する上部Ｓｉ層１３の残存部２１を形成することができる。この後、レジスト膜１４の除去など、図６において説明した可変分波器の作製方法と同様の工程を実施することで、図１２に示した可変分波器を得ることができる。
【００４１】
このように、各Ｓｉ細線導波路３と、それと隣接するＳｉ細線導波路３と、の間に上部Ｓｉ層１３の残存部２１を配置することにより、図１３の点線４２で示した断面（残存部２１を横切るとともに、Ｓｉ細線導波路３の延在方向に沿った平面での断面）における有効屈折率を、図６の点線１２で示した断面における有効屈折率より大きくできる。この結果、Ｓｉ細線導波路３と、上部Ｓｉ層１３をエッチングした部分である空気層及び残存部２１を含む領域(以下、間隙と呼ぶ)との屈折率差Δｎを小さくできる。また、残存部２１の厚みを変更することで、点線４２で示した断面における有効屈折率を任意に変更できるので、上記屈折率差Δｎの値も任意に変更できる。これにより、隣接するＳｉ細線導波路３への光の滲み出し具合を大きく調整できる。
【００４２】
なお、図１２に示した可変分波器では、残存部２１をＳｉ細線導波路３と同じ材料により構成したが、残存部２１を構成する材料としてＳｉ細線導波路３の材料と異なる任意の材料を用いてもよい。この場合、図１に示したようなＳｉ細線導波路３を形成した後、隣接するＳｉ細線導波路３の間に残存部２１となる材料を充填するといった作製方法を用いてもよい。
【００４３】
図１４は、図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第２の変形例を示す平面模式図である。図１４を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第２の変形例を説明する。なお、図１４は図１に対応する。
【００４４】
図１４に示した小型可変分波器は、基本的に図１に示した可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路３に形成された１次元フォトニック結晶構造を成す複数の空孔６の配置の仕方が異なる。図１に示した可変分波器では、１次元フォトニック結晶構造を成す複数の空孔６の直径をすべて同一にし、また、空孔６はほぼ均一な間隔で配置されている。一方、図１４に示した可変分波器では、Ｓｉ細線導波路３が、空孔を媒体で埋めたドナー型欠陥６１（空孔６が形成されるべき領域であるが、当該空孔６が形成されていない領域）を周期的に導入した結合欠陥導波路となっている。この場合、光の群速度を図１に示した実施の形態１よりもさらに遅延させることができる。この結果、可変分波器をさらに小型化することができる。
【００４５】
なお、上述のように、ドナー型欠陥６１は、図１４に示すように空孔６を形成しない構成（Ｓｉ細線導波路３の材質と同じ材質により当該部分が充填された状態）としているが、当該ドナー型欠陥６１は、このドナー型欠陥６１が形成されるべき領域に一度空孔６を形成し、当該空孔６を別の媒体で充填することにより形成してもよい。この別の媒体としては、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料と同じ材料を用いてもよいが、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料とは異なる材料を用いてもよい。
【００４６】
図１５は、図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第３の変形例を示す平面模式図である。図１５を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第３の変形例を説明する。なお、図１５は図１に対応する。
【００４７】
図１５に示した小型可変分波器は、基本的に図１に示した可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路３に形成された１次元フォトニック結晶構造を成す空孔６の大きさが、すべて同じというわけではないという点で異なる。具体的には、図１５に示したＳｉ細線導波路３では、１次元フォトニック結晶構造を構成する空孔６の列に、周期的にその直径を他の空孔６より大きくした空孔（アクセプタ型欠陥６２）を配置している。このアクセプタ型欠陥６２を構成する空孔の直径は、たとえば０．４μｍとすることができる。この場合、光の群速度を図１に示した実施の形態１よりもさらに遅延させる効果がある。なお、図１５では、アクセプタ型欠陥６２が２つの空孔６を隔てて周期的に配置されているが、このアクセプタ型欠陥６２の配置周期は任意に変更できる。また、アクセプタ型欠陥６２を構成する空孔の直径は、上述した０．４μｍに限らず、他の空孔６の直径と異なる値であれば任意の数値を採用できる。また、上述した実施の形態１では、Ｓｉ細線導波路３の本数が７本である可変分波器の例を示したが、Ｓｉ細線導波路３の本数は７本以外の任意の数であってもよい。
【００４８】
（実施の形態２）
図１６は本発明による小型可変分波器の実施の形態２を示す斜視模式図である。図１７は、図１６に示した小型可変分波器において各電極に印加される電圧Ｖ1〜Ｖ7と、電極のＸ軸方向での位置との関係を示すグラフである。図１６および図１７を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態２を説明する。
【００４９】
図１６に示した小型可変分波器は、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたＳｉＯ2層２と、ＳｉＯ2層２上に形成された、導波路アレイを構成する複数のＳｉ細線導波路３と、それぞれのＳｉ細線導波路３上に形成された電極７４とを備える。Ｓｉ細線導波路３の構成は、図１に示した小型可変分波器におけるＳｉ細線導波路３と同様である。また、電極７４からＳｉ細線導波路３の下部表面にまで到達するように、空孔６が形成されている。この図１６では、光の進行方向をＺ軸方向、Ｓｉ細線導波路３の延在方向に対して垂直な方向をＸ軸方向、Ｓｉ細線導波路３の層厚方向（Ｓｉ基板１の主表面に対して垂直な方向）をＹ軸方向としている。Ｘ軸方向が光学的ブロッホ振動の振動方向となる。複数の電極７４には、それぞれ異なる電圧を印加することが可能な電源７５が接続されている。それぞれの電源７５は、電極７４およびＳｉ基板１の裏面側と導電線により接続されている。図１６において、Ｖ1〜Ｖ7は各Ｓｉ細線導波路３に設置された電極７４に印加される電圧を示す。
【００５０】
図１６に示した小型可変分波器における電極７４の形成方法としては、たとえば以下のような方法を用いることができる。まず、ＳｉＯ2層２上にＳｉ細線導波路３となるべき上部Ｓｉ層１３を形成し、当該上部Ｓｉ層１３上に電極７４を構成する導電層を形成する。この導電層上に、図３に示すようなレジスト膜１４を形成する。当該レジスト膜１４に対して露光・現像処理を行なうことにより、レジスト膜１４により所定のパターンを形成する。このパターンが形成されたレジスト膜１４をマスクとして、上記導電層および上部Ｓｉ層１３をエッチングにより部分的に除去する。その後、レジスト膜１４を除去する。この結果、図１６に示すようなＳｉ細線導波路３および電極７４を形成できる。なお、このエッチングにおいて空孔６も同時に形成される。
【００５１】
図１６に示した小型可変分波器では、図１７に示すように上述した電圧Ｖ1〜Ｖ7の値をそれぞれの電極毎に変えることで、導波路アレイにおける周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与える。ここで、図１７では、縦軸が電極７４に印加される電圧の値を示し、横軸が電極７４の位置（Ｓｉ細線導波路３の位置）を示す。
【００５２】
たとえば、電圧Ｖ1〜Ｖ7の値を、Ｖ1＝４．８Ｖ、Ｖ2＝４．５Ｖ、Ｖ3＝４．２Ｖ、Ｖ4＝３．９Ｖ、Ｖ5＝３．６Ｖ、Ｖ6＝３．３Ｖ、Ｖ7＝３．０Ｖとし、当該電圧をそれぞれの電極７４に印加する。このように、Ｘ軸の正の方向に向けて、電極７４に印加される電圧の値を相対的に大きな値から徐々に小さくする（線形的に電圧の値を低くする）ような電圧の設定により、導波路アレイにおいて周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与えることができる。たとえば、上述のような電圧Ｖ1〜Ｖ7の設定における、各Ｓｉ細線導波路３での屈折率は、屈折率の小さいＳｉ細線導波路３から順番に、３．４５、３．４６、３．４７、３．４８、３．４９、３．５０、３．５１となる。なお、電圧の設定内容は、導波路アレイにおいて屈折率勾配を与えることができれば、上述のような電圧設定以外の設定であってもよい。つまり、図１６に示した小型可変分波器では、各Ｓｉ細線導波路３に印加する電圧Ｖ1〜Ｖ7の値を変えることにより、各Ｓｉ細線導波路３の屈折率を変えて屈折率勾配を変調させることができる。このような屈折率勾配の変調により、導波路アレイのＺ軸方向の端面において光が出射する位置（ポート）の変更（スイッチング）を行なうことができる。このような電気光学効果を用いたスイッチングは応答時間が非常に速いため、本発明の実施の形態１に示した熱光学効果によるスイッチングよりも高速にスイッチングを行なうことができる。なお、出力ポートの設置などは、上述した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の場合と同様に行なうことができる。
【００５３】
（実施の形態３）
図１８は本発明による小型可変分波器の実施の形態３を示す平面模式図である。図１９は、図１８の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面模式図である。図１８および図１９を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態３を説明する。
【００５４】
図１８および図１９に示した小型可変分波器は、基本的に図１および図２に示した小型可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７、空孔６ａ〜６ｇの直径、および隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６が変化している点が異なる。図１８から分かるように、Ｘ軸方向に沿って、図１８の紙面左側に位置する導波路アレイの一方端側から、当該一方端と反対側に位置する他方端側に向かうにつれて、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７および空孔６ａ〜６ｇの直径は、徐々に大きくなるように設定されている。一方、Ｘ軸方向に沿って、上記一方端側から他方端側に向かうにつれて、上記間隔Ｌ１〜Ｌ６は徐々に小さくなるように設定されている。このようなＳｉ細線導波路８３からなる導波路アレイの構造は、いわゆるチャープ構造と呼ばれる。
【００５５】
図１８および図１９に示した小型可変分波器では、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７の値を、たとえば左端からＷ１＝０．３μｍ、Ｗ２＝０．４μｍ、Ｗ３＝０．５μｍ、Ｗ４＝０．６μｍ、Ｗ５＝０．７μｍ、Ｗ６＝０．８μｍ、Ｗ７＝０．９μｍ、とすることができる。また、隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６の値を、左端からＬ１＝０．６μｍ、Ｌ２＝０．５μｍ、Ｌ３＝０．４μｍ、Ｌ４＝０．３μｍ、Ｌ５＝０．２μｍ、Ｌ７＝０．１μｍとすることができる。また、空孔６ａ〜６ｇの直径については、左端から空孔６ａの直径＝０．２μｍ、空孔６ｂの直径＝０．２６μｍ、空孔６ｃの直径＝０．３３μｍ、空孔６ｄの直径＝０．４μｍ、空孔６ｅの直径＝０．４６μｍ、空孔６ｆの直径＝０．５３μｍ、空孔６ｇの直径＝０．６μｍ、とした。このような構成とすることにより、各Ｓｉ細線導波路８３の有効屈折率を変えることができる。たとえば、上記のような構成において、各Ｓｉ細線導波路８３での有効屈折率は、屈折率の小さいＳｉ細線導波路８３から順番に、３．４５、３．４６、３．４７、３．４８、３．４９、３．５０、３．５１となる。この結果、導波路アレイに周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与えている。なお、各Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７、隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６及び空孔６ａ〜６ｇの直径については、Ｓｉ細線導波路８３に屈折率勾配を与えることができれば上述した値以外の任意の値を用いてもよい。
【００５６】
図１８および図１９に示した小型可変分波器における分波方法及びスイッチング方法は、基本的に図１に示した小型可変分波器の実施の形態１における方法と同様である。しかし、図１８および図１９に示すように、導波路アレイをチャープ構造にしているので、図１８および図１９に示した小型可変分波器では、図１に示した小型可変分波器のように温度勾配を用いなくても屈折率勾配を与えることができる。このため、ヒータ４とヒートシンク５における消費電力を図１に示した小型可変分波器よりも小さくすることができる。
【００５７】
なお、図１８および図１９に示した小型可変分波器では、ヒータ４とヒートシンク５及びチャープ構造により屈折率勾配を与えたが、図１６に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態２と同様に、Ｓｉ細線導波路８３上に電極を形成して、当該電極に電圧を印加する手法を用いてもよい。なお、この場合も、チャープ構造が屈折率勾配を形成することに寄与するので、所望の屈折率勾配を得るために必要な電圧あるいは消費電力を、図１６に示した小型可変分波器より小さくすることができる。
【００５８】
（実施の形態４）
図２０は本発明による小型可変分波器の実施の形態４を示す平面模式図である。図２０を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態４を説明する。
【００５９】
図２０に示した小型可変分波器は、基本的には図１８および図１９に示した小型可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路８３からなる導波路アレイにＳＯＡ(Semiconductor Optical Amplifier)９６を付加した点が異なる。図２０に示した小型可変分波器では、ＳＯＡ９６を導波路アレイの一端に設置し、そこから光を導波路アレイに入射する。
【００６０】
図２０に示した小型可変分波器では、ＳＯＡ９６の光増幅効果により入射光のパワーを大きくしていくと、非線形効果が誘起される。この結果、導波路アレイに入射した光は線形的な屈折率勾配に従わなくなり、当該光の伝搬経路が変わる。すなわち、図２０に示した小型可変分波器では、ＳＯＡ９６とヒータ４とヒートシンク５とを制御することにより導波路アレイから出射する光の出力位置（出力ポート）のスイッチングを行なうことができる。また、図２０に示した小型可変分波器では、図１８および図１９に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態３の構造において、光の入力ポートにＳＯＡ９６を付加しているので、導波路アレイへの光の入力時における光の損失を補償したり、高速なスイッチングを行なうことができる。なお、ヒータ４とヒートシンク５はＳＯＡ９６の補助として付加したが、これらのヒータ４およびヒートシンク５を設置しない構成としてもよい。また、ヒータ４およびヒートシンク５に替えて、図１６に示したような電極をＳｉ細線導波路８３に設置してもよい。
【００６１】
（実施の形態５）
図２１は本発明による小型可変分波器の実施の形態５を示す平面模式図である。図２２は、図２１の線分ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩにおける断面模式図である。図２１および図２２を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態５を説明する。
【００６２】
図２１および図２２に示した小型可変分波器は、基本的には図１および図２に示した小型可変分波器と同様の構成を備えるが、各Ｓｉ細線導波路３の上部表面上にＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇが形成されている点が異なる。ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇから各Ｓｉ細線導波路３まで貫通するように、空孔１０６が形成されている。図２１では、光の進行方向をＺ軸方向、Ｓｉ細線導波路３（ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇ）の延びる方向に対して垂直な方向をＸ軸方向としている。Ｘ軸方向が光学的ブロッホ振動の振動方向となる。
【００６３】
次に、図２１および図２２に示した小型可変分波器の作製方法を説明する。図２１および図２２に示した小型可変分波器では、上部Ｓｉ層１３（図４参照）から成るＳｉ細線導波路３上に、まずＳｉＮ層を０．２５μｍずつ均一に積層する。このような均一な厚みのＳｉＮ層を形成する手法としては、たとえば、図３に示すようにＳｉＯ2層２上に上部Ｓｉ層１３を形成したあと、続いて厚みが０．２５μｍのＳｉＮ層を形成する。そして、当該ＳｉＮ層上に図３に示すようなレジスト膜１４を形成する。そして、図４などに示すように、露光・現像工程を実施することにより所定のパターンをレジスト膜１４により形成する。当該レジスト膜１４をマスクとしてエッチングを行ない、上記ＳｉＮ層および上部Ｓｉ層１３を部分的に除去することにより、Ｓｉ細線導波路３およびＳｉＮ層を形成する。その後、レジスト膜を除去する。このようにして、上述したＳｉ細線導波路３上にＳｉＮ層が形成された構造を得ることができる。
【００６４】
次に、Ｓｉ細線導波路３からなる導波路アレイを備える小型可変分波器において、各Ｓｉ細線導波路３を順にフッ化水素溶液に浸していき、ＳｉＮ層のウェットエッチングを行なう。このとき、Ｓｉ細線導波路３毎に、当該Ｓｉ細線導波路３をフッ化水素溶液中に浸漬する時間を１８秒、１５秒、１２秒、９秒、６秒、３秒、０秒、といった異なる値とした。これにより、図２２に示すように、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの厚みは、左端からＳｉＮ層１０７ａの厚み＝０．１３μｍ、ＳｉＮ層１０７ｂの厚み＝０．１５μｍ、ＳｉＮ層１０７ｃの厚み＝０．１７μｍ、ＳｉＮ層１０７ｄの厚み＝０．１９μｍ、ＳｉＮ層１０７ｅの厚み＝０．２１μｍ、ＳｉＮ層１０７ｆの厚み＝０．２３μｍ、ＳｉＮ層１０７ｇの厚み＝０．２５μｍ、となった。上記のような構成において、各Ｓｉ細線導波路３での有効屈折率は、有効屈折率の小さいＳｉ細線導波路３から順番に、３．４５、３．４６、３．４７、３．４８、３．４９、３．５０、３．５１となる。なお、Ｓｉ細線導波路３毎にフッ化水素溶液中に浸漬する時間を変更する方法としては、たとえば、浸漬対象とするＳｉ細線導波路３のみを露出させるような被覆膜を小型可変分波器の表面に形成し、その後当該小型可変分波器をフッ化水素溶液に所定時間だけ浸漬するといった方法を用いることができる。また、フッ化水素溶液中に浸す時間は、Ｓｉ細線導波路３からなる導波路アレイに屈折率勾配を与えることができれば、上述した数値に限られるものではなく、他の任意の値を用いることができる。
【００６５】
ここで、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの屈折率は、Ｓｉ層から成るＳｉ細線導波路３の屈折率よりも小さく、空気の屈折率よりも大きい。そのため、左端のＳｉＮ層１０７ａが形成されたＳｉ細線導波路３から、右端のＳｉＮ層１０７ｇが形成されたＳｉ細線導波路３に向けて、徐々にＳｉ細線導波路３の有効屈折率を大きくすることができる。この結果、導波路アレイにおいて周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与えることができる。
【００６６】
また、図２１および図２２に示した小型可変分波器では、光の出力ポートのスイッチング方法については図１および図２に示した小型可変分波器と同様の方法を用いる。しかし、図２１および図２２に示した小型可変分波器では、各Ｓｉ細線導波路３上にＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを積層しているため、ヒータ４およびヒートシンク５により形成される温度勾配を用いなくても、導波路アレイに屈折率勾配を与えることができる。その結果、ヒータ４とヒートシンク５における消費電力を図１および図２に示した小型可変分波器よりも小さくできる。なお、上述のように、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成する工程において、フッ化水素溶液を用いてウェットエッチングを行ったが、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成する方法としては他の任意の手法を用いることができる。また、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇ以外の材質からなる層を、Ｓｉ細線導波路３上に形成してもよい。また、各Ｓｉ細線導波路３の有効屈折率を変更することができれば、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの厚みではなく、たとえばＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの幅やＳｉ細線導波路３上に積層する層の組成などをＳｉ細線導波路３毎に変更してもよい。
【００６７】
（実施の形態６）
図２３は本発明による小型可変分波器の実施の形態６を示す断面模式図である。図２３を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態６を説明する。なお、図２３は図１９に対応する。
【００６８】
図２３に示した小型可変分波器は、基本的に図１８および図１９に示した小型可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路８３からなる導波路アレイをＳｉＯx（０＜ｘ＜２）層１１６で覆っている点が異なる。このＳｉＯx層１１６は、Ｓｉ細線導波路８３に形成された空孔６ａ〜６ｇ（図１８参照）の内部にも充填されている。ここで、ＳｉＯx層１１６は、おおよそＳｉとＳｉＯ2との間の物性を有し、ｘの値によりその屈折率を変えることができる。そのため、当該ｘの値を変更することで、Ｓｉ層から成るＳｉ細線導波路８３とＳｉＯx層１１６との屈折率差Δｎを任意に制御できる。これにより、導波路アレイにおいて、隣接するＳｉ細線導波路８３への光の滲み出し具合を制御できる。
【００６９】
このようにすれば、図１３に示すような、隣接するＳｉ細線導波路３との間に位置する残存部２１を形成して上部Ｓｉ層１３に対するエッチング深さを制御する、といった加工を行なう必要がない。つまり、図２３に示した小型可変分波器では、ＳｉＯx層１１６のｘの値を任意に変更することにより、Ｓｉ細線導波路８３とＳｉＯx層１１６との屈折率差Δｎを変えて、隣接するＳｉ細線導波路８３への光の滲み出し具合を容易に制御することができる。
【００７０】
次に、上記の実施の形態と一部重複するものもあるが、本発明の特徴的な構成を羅列的に挙げて説明する。
【００７１】
この発明に従った可変分波器としての小型可変分波器は、ベース媒体としてのＳｉＯ2層２と、導波路アレイと、外部屈折率変調手段（図１に示すヒータ４、ヒートシンク５、図１６に示す電極７４）とを備える。導波路アレイはＳｉＯ2層２上に配置される。導波路アレイは、ＳｉＯ2層２よりも屈折率が大きいか又は等しい複数の導波路としてのＳｉ細線導波路３、８３からなる。外部屈折率変調手段は、導波路アレイにおいて、Ｓｉ細線導波路３、８３の延びる方向と垂直な方向に、複数のＳｉ細線導波路３、８３の間で可変な屈折率勾配を形成する。Ｓｉ細線導波路３、８３は、Ｓｉ細線導波路３、８３の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する。
【００７２】
このようにすれば、導波路アレイにおける屈折率勾配を制御できる外部屈折率変調手段を、光が出射する位置のＳｉ細線導波路３、８３である出力導波路のスイッチングを行なうための可変機構として具備し、且つ導波路アレイを構成するＳｉ細線導波路３、８３に形成した１次元フォトニック結晶構造に起因して、Ｓｉ細線導波路３、８３での光の進行方向への群速度を遅延させることができる。このため、素子（可変分波器）を小型化して作製することができる。
【００７３】
ここで、可変分波器を小型化できるという効果は、フォトニック結晶が通常の媒質とは異なる光の分散関係を形成することに起因する。つまり、この光の分散関係はフォトニック結晶の周期性によって変調され、ＰＢＧ（Photonic Band Gap）近傍のバンド端ではバンドの傾きが小さくなることから、光の群速度を非常に小さくすることができる。すなわち、導波路アレイを透過する光の波長に対して、群速度が小さくなるように１次元フォトニック結晶構造を形成すると、光の進行方向への群速度を遅延させることができる。このため、光学的ブロッホ振動の１周期伝搬長を短くできるので、可変分波器の小型化を図ることができる。その結果、各々の可変分波器となるチップを１フィールド内でのＥＢ露光で作製できるため、フィールドの境界部が、可変分波器となるチップ内に配置されることは無い。そのため、このような境界部に起因する可変分波器の特性の劣化を防止できる。この結果、可変分波器の特性が安定するので、可変分波器の歩留りも向上する。
【００７４】
上記小型可変分波器において、外部屈折率変調手段は、図１などに示すように、加熱部材としてのヒータ４と冷却部材としてのヒートシンク５とを含んでいてもよい。ヒータ４は、導波路アレイにおいてＳｉ細線導波路３、８３が延びる方向に対して垂直な方向（Ｘ軸方向）における一方端部に位置してもよい。ヒータ４はＳｉ細線導波路３、８３を加熱する。ヒートシンク５は、導波路アレイにおいて一方端部と反対側に位置する他方端部においてＳｉ細線導波路３、８３を冷却する。この場合、ヒータ４とヒートシンク５とを制御するだけで容易に導波路アレイの屈折率勾配を変えることができる。
【００７５】
上記小型可変分波器において、外部屈折率変調手段は、図１６に示すように、複数の電極７４を含んでいてもよい。複数の電極７４は、複数のＳｉ細線導波路３のそれぞれに接続される。また、小型可変分波器において、外部屈折率変調手段は、電源部材としての電源７５を備えていてもよい。電源７５は、複数の電極７４それぞれに異なる電圧を印加することが可能であってもよい。
【００７６】
この場合、各Ｓｉ細線導波路３に接続されたそれぞれの電極７４に、導波路アレイにおいて電圧勾配が発生するように（電源７５を用いて）所定の電圧を印加することにより、導波路アレイにおいて屈折率勾配を発生させることができる。そして、このような電極７４を用いると、屈折率勾配を発生させるための電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを非常に速く行なうことができる。つまり、ヒータ４やヒートシンク５を用いて熱的条件を利用する場合より、屈折率勾配の制御を高速に行なうことができる。この結果、ヒータ４やヒートシンク５を用いる場合より、出力導波路（光が出力される出力ポートとなるＳｉ細線導波路３）のスイッチングを高速に行なうことができる。
【００７７】
上記小型可変分波器において、Ｓｉ細線導波路３は、１次元フォトニック結晶構造に、図１４や図１５に示したような、欠陥（ドナー型欠陥６１またはアクセプタ型欠陥６２）が周期的に導入された結合欠陥導波路であってもよい。この場合、Ｓｉ細線導波路３における光の進行方向の群速度をより遅延させることができる。この結果、小型可変分波器のサイズをより小さくすることができる。
【００７８】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図１８などに示すように、Ｓｉ細線導波路８３の延びる方向（Ｚ軸方向）に対して垂直方向（Ｘ軸方向）における一方端部（図１８においてヒートシンク５が配置された側の端部）から他方端部（ヒータ４が配置された側の端部）へ向かうにつれて、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７が徐々に大きくなる一方、隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６は徐々に小さくなる、チャープ構造を有していてもよい。
【００７９】
この場合、導波路アレイをチャープ構造にすると、外部屈折率変調手段を用いない状態であっても導波路アレイにおいて屈折率勾配を形成できる。そのため、外部屈折率変調手段としてヒータ４、ヒートシンク５、あるいは電極７４などを用いた場合に、所定の屈折率勾配を発生させるためにヒータ４、ヒートシンク５、電極７４などでの消費電力を、チャープ構造を用いない場合より小さくできる。
【００８０】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図２１などに示すように、Ｓｉ細線導波路３上に積層された媒体層としてのＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを含んでいてもよい。媒体層としてのＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇは、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料（Ｓｉ）の屈折率より小さい屈折率を有する。Ｓｉ細線導波路３の延びる方向（Ｚ軸方向）に対して垂直方向（Ｘ軸方向）における一方端部（ヒートシンク５が配置された側の端部）から他方端部（ヒータ４が配置された側の端部）へ向かうにつれて、媒体層としてのＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの厚みは徐々に厚くなっている。なお、媒体層の材料としては、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料より小さい屈折率を有する材料であれば、任意の材料を用いることができる。
【００８１】
この場合、上述のようなＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成することにより、外部屈折率変調手段を用いない状態であっても導波路アレイにおいて屈折率勾配を形成できる。そのため、外部屈折率変調手段としてヒータ４、ヒートシンク５あるいは電極７４などを用いた場合に、所定の屈折率勾配を発生させるためにヒータ４、ヒートシンク５、電極７４などでの消費電力を、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成していない場合より小さくできる。
【００８２】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図１２に示すように複数のＳｉ細線導波路３の間に配置された残存部２１を有していてもよい。
【００８３】
この場合、Ｓｉ細線導波路３と、隣接するＳｉ細線導波路３の間隙と、の間の屈折率差Δｎを小さくできる。また、残存部２１の厚みを変更することで、残存部２１を含む断面（図１３の点線４２で示した断面）における有効屈折率を任意に変更できるので、上記屈折率差Δｎの値も任意に変更できる。これにより、隣接するＳｉ細線導波路３への光の滲み出し具合を大きく調整できる。
【００８４】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図２３に示すように複数のＳｉ細線導波路８３を覆うように形成された被覆層としてのＳｉＯx層１１６を含んでいてもよい。被覆層としてのＳｉＯx層１１６は、Ｓｉ細線導波路８３を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料からなっていることが、光を閉じ込めるという点で好ましい。なお、被覆層としては、Ｓｉ細線導波路８３を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料であればＳｉＯxと異なる他の任意の材料を用いてもよい。
【００８５】
この場合、被覆層としてのＳｉＯx層１１６（０＜ｘ＜２）を構成する材料の組成などを制御して当該材料の特性を変えると、導波路アレイとＳｉＯx層１１６との屈折率差Δｎを調整することができる。たとえば、上述したＳｉＯx層１１６の場合、ＳｉＯxのＯ（酸素）の組成Ｘの値を任意に変更することで、ＳｉＯx層１１６の屈折率を容易に変更できる。この結果、容易に隣接するＳｉ細線導波路８３への光の滲み出し具合を制御できる。
【００８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明による小型可変分波器の実施の形態１を示す平面模式図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第１工程を説明するための断面模式図である。
【図４】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第２工程を説明するための断面模式図である。
【図５】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第３工程を説明するための断面模式図である。
【図６】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第４工程を説明するための断面模式図である。
【図７】図１および図２に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける光の伝搬について説明するための模式図である。
【図８】図７に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける各Ｓｉ細線導波路の屈折率の分布を示すグラフである。
【図９】本発明による小型可変分波器の分波器としての機能を説明する図である。
【図１０】Ｓｉ細線導波路において１次元フォトニック結晶構造を形成していない場合の導波路アレイからなる可変分波器を示す平面模式図である。
【図１１】Ｓｉ細線導波路において１次元フォトニック結晶構造を形成した場合の導波路アレイから成る可変分波器を示す平面模式図である。
【図１２】図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第１の変形例を示す断面模式図である。
【図１３】図１２に示した小型可変分波器の作製方法を説明するための断面模式図である。
【図１４】図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第２の変形例を示す平面模式図である。
【図１５】図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第３の変形例を示す平面模式図である。
【図１６】本発明による小型可変分波器の実施の形態２を示す斜視模式図である。
【図１７】図１６に示した小型可変分波器において各電極に印加される電圧と、電極のＸ軸方向での位置との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明による小型可変分波器の実施の形態３を示す平面模式図である。
【図１９】図１８の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面模式図である。
【図２０】本発明による小型可変分波器の実施の形態４を示す平面模式図である。
【図２１】本発明による小型可変分波器の実施の形態５を示す平面模式図である。
【図２２】図２１の線分ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩにおける断面模式図である。
【図２３】本発明による小型可変分波器の実施の形態６を示す断面模式図である。
【図２４】非特許文献１に開示された可変分波器を示す斜視模式図である。
【図２５】図２４に示した可変分波器において、Ｘ軸方向での位置と屈折率勾配との関係を示すグラフである。
【図２６】非特許文献２に開示された可変分波器を示す平面模式図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ Ｓｉ基板、２ ＳｉＯ2層、３，３ａ，８３ Ｓｉ細線導波路、４ ヒータ、５ ヒートシンク、６，６ａ〜６ｇ，１０６ 空孔、１２ 点線、１３ 上部Ｓｉ層、１４ レジスト膜、２１ 残存部、２２ 曲線、２３ 矢印、２６ 光強度分布、２７，２８ 曲線、２９，４２ 点線、３３ 端面、６１ ドナー型欠陥、６２ アクセプタ型欠陥、７４ 電極、７５ 電源、１０７ａ〜１０７ｇ ＳｉＮ層、１１６ ＳｉＯx層。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可変分波器に関し、より特定的には、光学的ブロッホ振動を用いた可変分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量光通信ネットワークの需要がますます増大している。当該需要に応える技術の１つとして、波長分割多重伝送がある。また、このような技術の利用に伴って主要デバイスの変遷が起こり、可変分波器などの光制御デバイスが必要になってきている。このような可変分波器としては、光学的ブロッホ振動やフォトニック結晶を用いたものが知られている。
【０００３】
光学的ブロッホ振動を用いた可変分波器は、例えば非特許文献１及び２に示される。図２４は、非特許文献１に開示された可変分波器を示す斜視模式図である。図２５は、図２４に示した可変分波器において、Ｘ軸方向での位置と屈折率勾配との関係を示すグラフである。また、図２６は、非特許文献２に開示された可変分波器を示す平面模式図である。以下、図２４〜図２６を参照して、従来の可変分波器を説明する。
【０００４】
非特許文献１に記載の可変分波器では、図２４に示すように、基板１２１上に周期的に間隔を隔てて配置された導波路１２２により導波路アレイが形成されている。導波路アレイの上部及び下部は電極１２３で覆われている。電極１２３には端子１２６ｂが接続されている。また、基板１２１には端子１２６ａが接続されている。導波路１２２の間隔は一定である。各導波路１２２はＺ軸方向に均一な構造となっている。
ここで、端子１２６ａ、１２６ｂ間に電圧Ｖ0を印加して、電極１２３に電流Ｉを流すと、Ｘ軸方向に電圧変化が生じる。この結果、周期的な導波路アレイによる周期的な屈折率変化に加えて、図２５に示すように、この電圧変化により線形的な屈折率勾配Δｎが生じる。この時、導波路の一端から光を入射すると、光の伝搬が高屈折率側へ動く。このＸ軸方向の振動を光学的ブロッホ振動と呼ぶ。
ここで、電圧Ｖ0を変化させると、屈折率勾配Δｎが変わり、この結果光学的ブロッホ振動の振幅が変わる。このため、出力導波路をスイッチングできる。つまり、印加電圧Ｖ0により出力ポートの位置を制御できる。
【０００５】
また、非特許文献２に記載の可変分波器では、図２６に示すように、基板１３１上に平行に並べられた導波路１３２により導波路アレイが形成されている。導波路アレイでは、Ｘ軸の正の方向に向かうにつれて、導波路１３２の幅が徐々に大きくなる。一方、Ｘ軸の正の方向に向かうにつれて、隣接する導波路１３２の間隔は小さくなっている。また、各導波路１３２はＺ軸方向に均一構造になっている。
【０００６】
図２６に示した可変分波器では、導波路アレイにおける導波路１３２の間隔と導波路１３２の幅との変化が、周期的な屈折率変化及び有効屈折率の変化による屈折率勾配を与えている。その結果、導波路１３２の一端から光を入射すると、光学的ブロッホ振動が発現する。この時、入射光のパワーを大きくすると、非線形効果が生じ、入射された光は線形的な屈折率勾配に従わなくなる。この結果、光学的ブロッホ振動の振幅が変化するため、出力導波路をスイッチングできる。すなわち、入射光のパワーを変更することにより、出力ポートを制御できる。
【０００７】
この他、分波器の原理として、上記光学的ブロッホ振動以外にフォトニック結晶を用いたデバイスも知られている。ここで、フォトニック結晶とは、屈折率の異なる２種類以上の材料が、光の波長程度の周期性をもって配列された人工構造体のことを言う。このフォトニック結晶では、固体結晶において周期的ポテンシャル分布により、電子のエネルギーに対するバンド構造が形成されるのと同様に、光子のエネルギーに対するバンド構造が形成される。フォトニック結晶は、ＰＢＧ（Photonic Band Gap）、異方性、分散性という応用上重要な３つの特徴を持っている。
【０００８】
このようなフォトニック結晶を用いた分波器は、例えば特許文献１及び２に示されている。特許文献１は、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）とフォトニック結晶とを組み合わせて用いた光波長合分波器を開示する。すなわち、特許文献１では、ＡＷＧの出力側スラブ導波路を直角に横切るように形成した溝内に、格子変調型フォトニック結晶波長選択フィルタを挿入することで、低コスト化を実現し、かつ、クロストークの低減が図れ、各チャネルからの出力光の損失を均一にすることができるとしている。特許文献１では、分波機能はＡＷＧを利用しており、低コストでクロストークを低減できるように、フォトニック結晶から成るフィルタを付加している。
【０００９】
特許文献２は、スーパープリズム現象を用いた波長分波回路を開示する。スーパープリズム現象とは、フォトニック結晶の分散性に起因した現象であり、フォトニック結晶内でわずかな波長の違いにより伝搬角が大きく変化する現象を言う。特許文献２に開示された技術は、このスーパープリズム現象を利用することにより、結晶内部の伝搬角を大きく変化させ、波長に応じた伝送経路の切り分けを行なうことを特徴とする。この結果、特許文献２では、ＡＷＧのように個別に導波路を形成する必要がなくなり、且つ、高速化、高集積化、伝送効率の向上などを図ることができるとしている。
【特許文献１】特開２００３−２５５１６０号公報
【特許文献２】特開２００３−４３２７７号公報
【非特許文献１】「オプティクスレターズ（OPTICS LETTERS)」、（米国）、米国光学会（Optical Society of America）、１９９８年１１月１日、第２３巻第２１号、p.1701-1703
【非特許文献２】「フィジカルレビューレターズ（PHYSICAL REVIEW LETTERS）、（米国）、米国物理学会（The American Physical Society）、１９９９年１２月６日、第８３巻第２３号、p.4756-4759
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上述した非特許文献１、非特許文献２、特許文献１、特許文献２などに示された従来技術にはそれぞれ次のような問題点がある。
【００１１】
非特許文献１、非特許文献２に開示された技術に関しては、一般に光学的ブロッホ振動により、光の進行がＸ軸方向に振動する際に、１周期だけ振動する間に、光がＺ軸方向に伝搬する距離（以下、１周期伝搬長と呼ぶ）は１０ｍｍ以上と長くなるため、素子サイズが大きくなる。よって可変分波器を作製する場合、歩留りの低下や生産性の悪化という問題が発生する可能性が高くなる。特に、ＥＢ（電子ビーム）露光で当該可変分波器を作製しようとした場合、各々のチップをＥＢ露光工程の１フィールド内で作製するのは不可能であるため、可変分波器の構造内部にフィールド境界が位置することになる。この結果、形成された可変分波器の特性が不安定になる恐れがあった。
【００１２】
また、特許文献１、特許文献２に開示された技術に関しては、光伝送路中で光路を切り替える機能が付加されておらず、可変機構に関する言及は一切成されていない。すなわち、特許文献１に開示された技術に関しては、一旦基板上にＡＷＧを作製すると、出力側スラブ導波路の形状、アレイ導波路などの構造を変えることはできない。つまり、各出力導波路における出力波長はそれぞれ決まってしまい、変更することは通常不可能である。同様に、特許文献２に開示された技術に関しては、一旦フォトニック結晶を作製すると、フォトニック結晶の孔の形状や大きさ、格子定数などの構造を変えることはできない。つまり、各波長が出力される位置は固定されてしまい、柔軟な切り替えができなくなる。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、可変機構を具備すること、および素子サイズを小さくすること、を可能にすることにより、歩留りの向上および特性の安定化を図ることが可能な小型可変分波器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に従った可変分波器は、ベース媒体と、導波路アレイと、外部屈折率変調手段とを備える。導波路アレイはベース媒体上に配置される。導波路アレイは、離散的に並列に配置された複数の導波路からなる。外部屈折率変調手段は、導波路アレイにおいて、導波路の延びる方向と垂直な方向に、複数の導波路の間で可変な屈折率勾配を形成する。導波路は、導波路の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する。
【発明の効果】
【００１５】
このように、本発明によれば、導波路アレイに形成した１次元フォトニック結晶構造に起因した光の進行方向への群速度を遅延させることにより、素子を小型化して作製することができる。この結果、各々のチップを１フィールド内でのEB露光で作製できるため、特性が安定し、歩留まりも向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明による小型可変分波器の実施の形態１を示す平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図１および図２を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１を説明する。
【００１８】
図１および図２に示す小型可変分波器は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板を用いたＳｉ細線導波路アレイから成る小型可変分波器である。図２に示すように、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ2層２が積層されている。ＳｉＯ2層２上に、上部Ｓｉ層１３（図３参照）から成るＳｉ細線導波路３が複数形成されている。複数のＳｉ細線導波路３は、図１からも分かるようにＺ軸方向に並列に延びるように形成されている。また、複数のＳｉ細線導波路３は、Ｘ軸方向に所定の間隔を隔てて並ぶように離散的に（周期的に）配置されている。つまり、複数のＳｉ細線導波路３は、互いに並行に延びるように形成されるとともに、隣接するＳｉ細線導波路３の間隔はほぼ一定となっている。Ｓｉ基板１およびＳｉＯ2層２のＸ軸方向における端面には、ヒータ４およびヒートシンク５が接続されている。ヒータ４は、Ｓｉ基板１およびＳｉＯ2層２のＸ軸の正の方向における端面に配置されている。ヒートシンク５は、ヒータ４が配置された端面と反対側に位置する端面（Ｓｉ基板１およびＳｉＯ2層２のＸ軸の負の方向における端面）に配置されている。なお、ヒータ４としては、電熱線（抵抗発熱線）やペルチェ素子など、熱を発生させることができる部材であれば任意の部材を用いることができる。また、ヒートシンク５としては、ペルチェ素子や、銅ブロックなどの熱伝導率の高い材料からなる放熱体など、導波路アレイから熱を除去することができる部材であれば任意の部材を用いることができる。
【００１９】
図１に示すように、Ｓｉ細線導波路３の上部表面には、Ｓｉ細線導波路３の延在方向に沿って、複数の空孔６が周期的に形成されている。この周期的に配置された空孔６により、１次元フォトニック結晶構造が形成されている。なお、図１では、光の進行方向をＺ軸方向、Ｓｉ細線導波路３の延在方向と垂直な方向をＸ軸方向としている。ここで、Ｘ軸方向が光学的ブロッホ振動の振動方向となる。
【００２０】
次に、図３〜図６を参照して、Ｓｉ細線導波路からなる導波路アレイの作製方法を説明する。図３〜図６は、図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法を説明するための断面模式図である。
【００２１】
まず、図３に示すように、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ2層２を形成する。ＳｉＯ2層２は厚みが３μｍ、屈折率が１．４である。このＳｉＯ2層２上に上部Ｓｉ層１３を形成する。この上部Ｓｉ層１３の厚みは０．２５μｍ、屈折率は３．５である。Ｓｉ基板１、ＳｉＯ2層２および上部Ｓｉ層１３によりＳＯＩ基板が構成される。この上部Ｓｉ層１３上にレジスト膜１４を塗布する。このようにして、図３に示すような構造を得る。
【００２２】
ここで、ＳｉＯ2層２の厚みを３μｍと十分に厚くしたのは、上部Ｓｉ層１３に光を入射した際にＳｉ基板１へのモードリークを抑制するためである。なお、ＳｉＯ2層２の厚みは１μｍ以上であればよく、より好ましくは３μｍ以上である。また、以下の説明では、ＳＯＩ基板を用いて、ＳｉＯ2層２上に上部Ｓｉ層１３から成るＳｉ細線導波路３（図２参照）を並べて導波路アレイを形成した場合を示しているが、クラッド層と、当該クラッド層よりも屈折率の大きい材料からなる導波路層と、により光を閉じ込め、導波路層が１次元フォトニック結晶構造を形成できる材質であれば、どのような材料を用いてもよい。
【００２３】
次に、図４に示すように、ＥＢ露光を用いて、周期的な導波路アレイと周期的な１次元フォトニック結晶構造（空孔６（図１参照））を形成するためのレジストパターンをレジスト膜１４により形成する。なお、このレジスト膜１４により形成されたレジストパターンには、図示していないが空孔６を形成するための開口部も形成されている。さらに、図５に示すように、上述したレジストパターンを形成するレジスト膜１４をマスクとして用いて、上部Ｓｉ層１３をエッチングにより部分的に除去することにより、上部Ｓｉ層１３（図４参照）から成るＳｉ細線導波路３を形成する。形成されたＳｉ細線導波路３は、図５の紙面に垂直な方向に、互いに並列に延びるように形成されている。このとき、Ｓｉ細線導波路３の上部表面にも複数の空孔６が形成される。
【００２４】
その後、図６に示すように、残ったレジスト膜１４を剥離液で除去する。そして、最後に導波路アレイの両端に図１および図２に示すようにヒータ４とヒートシンク５を配置する。このようにして、図１および図２に示した小型可変分波器を作製できる。なお、作製した各Ｓｉ細線導波路３は、Ｘ軸方向（図１参照）での幅を０．５μｍ、高さを０．２５μｍ、Ｚ軸方向（図１参照）での長さを５００μｍとした。また、隣接するＳｉ細線導波路の間隔は、いずれのＳｉ細線導波路間でも一定であり、ここでは当該間隔が０．５μｍとなるように、周期的に導波路アレイを形成した。また、空孔６の径は０．３μｍ、繰返し周期は０．５μｍとした。なお、この繰返し周期とは、隣接する空孔６の中心同士の間の距離を言う。
【００２５】
次に、図７および図８を参照して、図１に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける光の伝搬について説明する。図７は、図１および図２に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける光の伝搬について説明するための模式図である。図８は、図７に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける各Ｓｉ細線導波路３の屈折率ｎｒの分布を示すグラフである。
【００２６】
図７に示すように、１つのＳｉ細線導波路３の端部から矢印２３に示すように光が入射した場合を考える。この光は、図７中の光強度分布２６で示されるように、１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった状態となる。また、図８から分かるように、周期的な導波路アレイにより周期的な屈折率変化が形成され、さらに、ヒータ４とヒートシンク５によるＸ軸方向の温度勾配の結果として屈折率勾配が形成されている。
【００２７】
上述のように、１つのＳｉ細線導波路３の端部から矢印２３に示すように１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった光が入射した場合、図７の曲線２２で示すように、導波路アレイにおける周期的な屈折率変化と屈折率勾配により光学的ブロッホ振動が発現する。このため、入射した光は周期的な振動運動を繰り返す。そして、導波路アレイのＺ軸方向である光の進行方向の端面の任意の出力ポートから出力される。このとき、Ｘ軸方向への光の振動は、曲線２６に示される１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった光の端部が、隣接するＳｉ細線導波路３に滲み出すことにより生じる。
【００２８】
次に、図１および図２に示した小型可変分波器について、可変分波器としての機能を説明する。図７のように１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった光が入射したとき、ヒータ４とヒートシンク５との温度を制御して導波路アレイにおける温度勾配を変える。この結果、図８の屈折率勾配を変化させることができる。これにより、隣接するＳｉ細線導波路３への入射光の滲み出し具合が変わることになる。そのため、光学的ブロッホ振動の振幅が変わり、上記出力ポートとは異なる出力ポートから光を出力することができる。すなわち、本発明による小型可変分波器では、屈折率勾配の変調により、出力ポートをスイッチングすることができる。
【００２９】
次に、図９を参照して、本発明による小型可変分波器の分波器としての機能を説明する。図９は、本発明による小型可変分波器の機能を説明するための平面模式図である。以下では、波長λ1、λ2（λ1＜λ2）の光を小型可変分波器へ入射させた場合の分波方法について示すが、本発明による小型可変分波器では、３種類以上の波長の光の分波に関しても同様に行なうことができる。
【００３０】
今、図９の矢印２３で示すように、１つのＳｉ細線導波路３を中心にして広がった波長λ1とλ2（λ1＜λ2）の光を入射させた場合を考える。この場合、各々の波長の光は光学的ブロッホ振動により図９に示した曲線２７、２８に示すような経路で伝搬していく。このとき、隣接するＳｉ細線導波路３への光の滲み出し具合は光の波長λ1、λ2に依存する。このため、波長λ2の光のほうが波長λ1の光より滲み出し具合が大きくなり、結果的に振動の振幅も大きくなる。すなわち、波長λ1の光と波長λ2の光とは各々異なる経路（曲線２７、２８で示した経路）をたどる。そして、図９の点線２９で示した部分に出力ポートを設置すると、上述した波長λ1の光と波長λ2の光との分波を容易に行なうことができる。
【００３１】
次に、図１０および図１１を参照して１次元フォトニック結晶構造に起因した群速度遅延効果について説明する。図１０は、Ｓｉ細線導波路３において１次元フォトニック結晶構造を形成していない場合の導波路アレイからなる可変分波器を示す平面模式図である。図１１は、Ｓｉ細線導波路３において１次元フォトニック結晶構造を形成した場合の導波路アレイから成る可変分波器を示す平面模式図である。以下では、導波路アレイを構成するＳｉ細線導波路３に１次元フォトニック結晶構造が形成された場合と、形成されていない場合とについて、必要とされる伝搬長を比較する。
【００３２】
ここで、図１０に示したＳｉ細線導波路３はＺ軸方向に一様な媒質である。このため、Ｓｉ細線導波路３中の光の群速度は光速ｃをＳｉの屈折率ｎrで割った値となり、群速度遅延は起こらない。このとき、１つのＳｉ細線導波路３ａの端面３３から光を出力する場合には、図１０に示すＺ1の伝搬長を要し、Ｚ1＝１０ｍｍであった。
【００３３】
一方、図１１に示した可変分波器では、Ｓｉ細線導波路３はＺ軸方向にフォトニック結晶構造が形成されているため、Ｓｉ細線導波路３中の光の群速度は周期構造に起因する分散関係に従った値となる。このとき、分散関係の傾きが小さい周波数（たとえば、１．２６×１０15Ｈｚ）の光を入射すると、群速度を遅延させることができる。このため、図１０に示した場合と同様に１つのＳｉ細線導波路３ａの端面３３から光を出力しても伝搬長はＺ2(Ｚ2＜Ｚ1)という、相対的に短い距離で足りる。本実施の形態の構造ではＺ2＝４００μｍとすることができる。この場合、図１０に示した可変分波器における伝搬長Ｚ1に比べて、伝搬長を１/２５に低減できる。
【００３４】
このため、図１に示した本願発明による可変分波器では、Ｓｉ細線導波路３に１次元フォトニック結晶構造を形成することにより、群速度遅延が得られるようにしている。この結果、Ｚ軸方向への光の伝搬長をより短くして光を出力することができる。したがって、可変分波器の素子サイズを小型化することができる。その結果、小型可変分波器を実現できる。
【００３５】
また、ＥＢ露光の１フィールドは５００μｍ角である一方、本発明による小型可変分波器はこれより小さいサイズで作製できる。このため、ＥＢ露光の１フィールド内に収まるように素子（可変分波器）を作製できる。この結果、可変分波器を作製する際、１つの可変分波器の内部においてフィールド間のつなぎ部を配置する必要がない。その結果、可変分波器の特性が安定し、歩留まりも向上する。
【００３６】
なお、図１に示した可変分波器では、図６からも分かるように、Ｓｉ細線導波路３を形成するためのエッチングを行なう際に、ＳｉＯ2層２上に形成された上部Ｓｉ層１３の一部を、ＳｉＯ2層２の上部表面が露出するまで除去している。この結果、Ｓｉ細線導波路３は、ＳｉＯ2層２上に所定の間隔を隔てて分離された状態となっている。しかし、図１２に示すように、Ｓｉ細線導波路３を形成する際に、ＳｉＯ2層２の上部表面が露出するまでエッチングを行なわず、Ｓｉ層の一部を残存させてもよい。
【００３７】
図１２は、図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第１の変形例を示す断面模式図である。図１２を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第１の変形例を説明する。なお、図１２は図２に対応する。
【００３８】
図１２に示した小型可変分波器は、基本的には図１および図２に示した可変分波器と同様の構造を備えるが、ＳｉＯ2層２の上部表面が露出するまでエッチングを行なわなかったことに因る上部Ｓｉ層１３の残存部２１が配置されている。このとき、ＳｉＯ2層２の上部表面から残存部２１の上部表面までの高さが、ＳｉＯ2層２の上部表面からＳｉ細線導波路３の上部表面までの高さより低くなっている。ＳｉＯ2層２の上部表面からＳｉ細線導波路３の上部表面までの高さと、ＳｉＯ2層２の上部表面から残存部２１の上部表面までの高さとの差は、たとえば０．１μｍとすることができる。
【００３９】
つぎに、図１３を参照して、図１２に示した可変分波器の作製方法を説明する。図１３は、図１２に示した小型可変分波器の作製方法を説明するための断面模式図である。図１３は図６に対応する。
【００４０】
まず、図３および図４に示した工程を実施した後、レジスト膜１４（図４参照）をマスクとして上部Ｓｉ層１３を部分的にエッチングにより除去する。このとき、上部Ｓｉ層１３の上部表面から０．１μｍの厚さとなる部分のみ、エッチングにより除去する。この結果、図１３に示すように、各Ｓｉ細線導波路３と、それと隣接するＳｉ細線導波路３と、の間に位置する上部Ｓｉ層１３の残存部２１を形成することができる。この後、レジスト膜１４の除去など、図６において説明した可変分波器の作製方法と同様の工程を実施することで、図１２に示した可変分波器を得ることができる。
【００４１】
このように、各Ｓｉ細線導波路３と、それと隣接するＳｉ細線導波路３と、の間に上部Ｓｉ層１３の残存部２１を配置することにより、図１３の点線４２で示した断面（残存部２１を横切るとともに、Ｓｉ細線導波路３の延在方向に沿った平面での断面）における有効屈折率を、図６の点線１２で示した断面における有効屈折率より大きくできる。この結果、Ｓｉ細線導波路３と、上部Ｓｉ層１３をエッチングした部分である空気層及び残存部２１を含む領域(以下、間隙と呼ぶ)との屈折率差Δｎを小さくできる。また、残存部２１の厚みを変更することで、点線４２で示した断面における有効屈折率を任意に変更できるので、上記屈折率差Δｎの値も任意に変更できる。これにより、隣接するＳｉ細線導波路３への光の滲み出し具合を大きく調整できる。
【００４２】
なお、図１２に示した可変分波器では、残存部２１をＳｉ細線導波路３と同じ材料により構成したが、残存部２１を構成する材料としてＳｉ細線導波路３の材料と異なる任意の材料を用いてもよい。この場合、図１に示したようなＳｉ細線導波路３を形成した後、隣接するＳｉ細線導波路３の間に残存部２１となる材料を充填するといった作製方法を用いてもよい。
【００４３】
図１４は、図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第２の変形例を示す平面模式図である。図１４を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第２の変形例を説明する。なお、図１４は図１に対応する。
【００４４】
図１４に示した小型可変分波器は、基本的に図１に示した可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路３に形成された１次元フォトニック結晶構造を成す複数の空孔６の配置の仕方が異なる。図１に示した可変分波器では、１次元フォトニック結晶構造を成す複数の空孔６の直径をすべて同一にし、また、空孔６はほぼ均一な間隔で配置されている。一方、図１４に示した可変分波器では、Ｓｉ細線導波路３が、空孔を媒体で埋めたドナー型欠陥６１（空孔６が形成されるべき領域であるが、当該空孔６が形成されていない領域）を周期的に導入した結合欠陥導波路となっている。この場合、光の群速度を図１に示した実施の形態１よりもさらに遅延させることができる。この結果、可変分波器をさらに小型化することができる。
【００４５】
なお、上述のように、ドナー型欠陥６１は、図１４に示すように空孔６を形成しない構成（Ｓｉ細線導波路３の材質と同じ材質により当該部分が充填された状態）としているが、当該ドナー型欠陥６１は、このドナー型欠陥６１が形成されるべき領域に一度空孔６を形成し、当該空孔６を別の媒体で充填することにより形成してもよい。この別の媒体としては、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料と同じ材料を用いてもよいが、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料とは異なる材料を用いてもよい。
【００４６】
図１５は、図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第３の変形例を示す平面模式図である。図１５を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第３の変形例を説明する。なお、図１５は図１に対応する。
【００４７】
図１５に示した小型可変分波器は、基本的に図１に示した可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路３に形成された１次元フォトニック結晶構造を成す空孔６の大きさが、すべて同じというわけではないという点で異なる。具体的には、図１５に示したＳｉ細線導波路３では、１次元フォトニック結晶構造を構成する空孔６の列に、周期的にその直径を他の空孔６より大きくした空孔（アクセプタ型欠陥６２）を配置している。このアクセプタ型欠陥６２を構成する空孔の直径は、たとえば０．４μｍとすることができる。この場合、光の群速度を図１に示した実施の形態１よりもさらに遅延させる効果がある。なお、図１５では、アクセプタ型欠陥６２が２つの空孔６を隔てて周期的に配置されているが、このアクセプタ型欠陥６２の配置周期は任意に変更できる。また、アクセプタ型欠陥６２を構成する空孔の直径は、上述した０．４μｍに限らず、他の空孔６の直径と異なる値であれば任意の数値を採用できる。また、上述した実施の形態１では、Ｓｉ細線導波路３の本数が７本である可変分波器の例を示したが、Ｓｉ細線導波路３の本数は７本以外の任意の数であってもよい。
【００４８】
（実施の形態２）
図１６は本発明による小型可変分波器の実施の形態２を示す斜視模式図である。図１７は、図１６に示した小型可変分波器において各電極に印加される電圧Ｖ1〜Ｖ7と、電極のＸ軸方向での位置との関係を示すグラフである。図１６および図１７を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態２を説明する。
【００４９】
図１６に示した小型可変分波器は、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたＳｉＯ2層２と、ＳｉＯ2層２上に形成された、導波路アレイを構成する複数のＳｉ細線導波路３と、それぞれのＳｉ細線導波路３上に形成された電極７４とを備える。Ｓｉ細線導波路３の構成は、図１に示した小型可変分波器におけるＳｉ細線導波路３と同様である。また、電極７４からＳｉ細線導波路３の下部表面にまで到達するように、空孔６が形成されている。この図１６では、光の進行方向をＺ軸方向、Ｓｉ細線導波路３の延在方向に対して垂直な方向をＸ軸方向、Ｓｉ細線導波路３の層厚方向（Ｓｉ基板１の主表面に対して垂直な方向）をＹ軸方向としている。Ｘ軸方向が光学的ブロッホ振動の振動方向となる。複数の電極７４には、それぞれ異なる電圧を印加することが可能な電源７５が接続されている。それぞれの電源７５は、電極７４およびＳｉ基板１の裏面側と導電線により接続されている。図１６において、Ｖ1〜Ｖ7は各Ｓｉ細線導波路３に設置された電極７４に印加される電圧を示す。
【００５０】
図１６に示した小型可変分波器における電極７４の形成方法としては、たとえば以下のような方法を用いることができる。まず、ＳｉＯ2層２上にＳｉ細線導波路３となるべき上部Ｓｉ層１３を形成し、当該上部Ｓｉ層１３上に電極７４を構成する導電層を形成する。この導電層上に、図３に示すようなレジスト膜１４を形成する。当該レジスト膜１４に対して露光・現像処理を行なうことにより、レジスト膜１４により所定のパターンを形成する。このパターンが形成されたレジスト膜１４をマスクとして、上記導電層および上部Ｓｉ層１３をエッチングにより部分的に除去する。その後、レジスト膜１４を除去する。この結果、図１６に示すようなＳｉ細線導波路３および電極７４を形成できる。なお、このエッチングにおいて空孔６も同時に形成される。
【００５１】
図１６に示した小型可変分波器では、図１７に示すように上述した電圧Ｖ1〜Ｖ7の値をそれぞれの電極毎に変えることで、導波路アレイにおける周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与える。ここで、図１７では、縦軸が電極７４に印加される電圧の値を示し、横軸が電極７４の位置（Ｓｉ細線導波路３の位置）を示す。
【００５２】
たとえば、電圧Ｖ1〜Ｖ7の値を、Ｖ1＝４．８Ｖ、Ｖ2＝４．５Ｖ、Ｖ3＝４．２Ｖ、Ｖ4＝３．９Ｖ、Ｖ5＝３．６Ｖ、Ｖ6＝３．３Ｖ、Ｖ7＝３．０Ｖとし、当該電圧をそれぞれの電極７４に印加する。このように、Ｘ軸の正の方向に向けて、電極７４に印加される電圧の値を相対的に大きな値から徐々に小さくする（線形的に電圧の値を低くする）ような電圧の設定により、導波路アレイにおいて周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与えることができる。たとえば、上述のような電圧Ｖ1〜Ｖ7の設定における、各Ｓｉ細線導波路３での屈折率は、屈折率の小さいＳｉ細線導波路３から順番に、３．４５、３．４６、３．４７、３．４８、３．４９、３．５０、３．５１となる。なお、電圧の設定内容は、導波路アレイにおいて屈折率勾配を与えることができれば、上述のような電圧設定以外の設定であってもよい。つまり、図１６に示した小型可変分波器では、各Ｓｉ細線導波路３に印加する電圧Ｖ1〜Ｖ7の値を変えることにより、各Ｓｉ細線導波路３の屈折率を変えて屈折率勾配を変調させることができる。このような屈折率勾配の変調により、導波路アレイのＺ軸方向の端面において光が出射する位置（ポート）の変更（スイッチング）を行なうことができる。このような電気光学効果を用いたスイッチングは応答時間が非常に速いため、本発明の実施の形態１に示した熱光学効果によるスイッチングよりも高速にスイッチングを行なうことができる。なお、出力ポートの設置などは、上述した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の場合と同様に行なうことができる。
【００５３】
（実施の形態３）
図１８は本発明による小型可変分波器の実施の形態３を示す平面模式図である。図１９は、図１８の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面模式図である。図１８および図１９を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態３を説明する。
【００５４】
図１８および図１９に示した小型可変分波器は、基本的に図１および図２に示した小型可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７、空孔６ａ〜６ｇの直径、および隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６が変化している点が異なる。図１８から分かるように、Ｘ軸方向に沿って、図１８の紙面左側に位置する導波路アレイの一方端側から、当該一方端と反対側に位置する他方端側に向かうにつれて、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７および空孔６ａ〜６ｇの直径は、徐々に大きくなるように設定されている。一方、Ｘ軸方向に沿って、上記一方端側から他方端側に向かうにつれて、上記間隔Ｌ１〜Ｌ６は徐々に小さくなるように設定されている。このようなＳｉ細線導波路８３からなる導波路アレイの構造は、いわゆるチャープ構造と呼ばれる。
【００５５】
図１８および図１９に示した小型可変分波器では、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７の値を、たとえば左端からＷ１＝０．３μｍ、Ｗ２＝０．４μｍ、Ｗ３＝０．５μｍ、Ｗ４＝０．６μｍ、Ｗ５＝０．７μｍ、Ｗ６＝０．８μｍ、Ｗ７＝０．９μｍ、とすることができる。また、隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６の値を、左端からＬ１＝０．６μｍ、Ｌ２＝０．５μｍ、Ｌ３＝０．４μｍ、Ｌ４＝０．３μｍ、Ｌ５＝０．２μｍ、Ｌ７＝０．１μｍとすることができる。また、空孔６ａ〜６ｇの直径については、左端から空孔６ａの直径＝０．２μｍ、空孔６ｂの直径＝０．２６μｍ、空孔６ｃの直径＝０．３３μｍ、空孔６ｄの直径＝０．４μｍ、空孔６ｅの直径＝０．４６μｍ、空孔６ｆの直径＝０．５３μｍ、空孔６ｇの直径＝０．６μｍ、とした。このような構成とすることにより、各Ｓｉ細線導波路８３の有効屈折率を変えることができる。たとえば、上記のような構成において、各Ｓｉ細線導波路８３での有効屈折率は、屈折率の小さいＳｉ細線導波路８３から順番に、３．４５、３．４６、３．４７、３．４８、３．４９、３．５０、３．５１となる。この結果、導波路アレイに周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与えている。なお、各Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７、隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６及び空孔６ａ〜６ｇの直径については、Ｓｉ細線導波路８３に屈折率勾配を与えることができれば上述した値以外の任意の値を用いてもよい。
【００５６】
図１８および図１９に示した小型可変分波器における分波方法及びスイッチング方法は、基本的に図１に示した小型可変分波器の実施の形態１における方法と同様である。しかし、図１８および図１９に示すように、導波路アレイをチャープ構造にしているので、図１８および図１９に示した小型可変分波器では、図１に示した小型可変分波器のように温度勾配を用いなくても屈折率勾配を与えることができる。このため、ヒータ４とヒートシンク５における消費電力を図１に示した小型可変分波器よりも小さくすることができる。
【００５７】
なお、図１８および図１９に示した小型可変分波器では、ヒータ４とヒートシンク５及びチャープ構造により屈折率勾配を与えたが、図１６に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態２と同様に、Ｓｉ細線導波路８３上に電極を形成して、当該電極に電圧を印加する手法を用いてもよい。なお、この場合も、チャープ構造が屈折率勾配を形成することに寄与するので、所望の屈折率勾配を得るために必要な電圧あるいは消費電力を、図１６に示した小型可変分波器より小さくすることができる。
【００５８】
（実施の形態４）
図２０は本発明による小型可変分波器の実施の形態４を示す平面模式図である。図２０を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態４を説明する。
【００５９】
図２０に示した小型可変分波器は、基本的には図１８および図１９に示した小型可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路８３からなる導波路アレイにＳＯＡ(Semiconductor Optical Amplifier)９６を付加した点が異なる。図２０に示した小型可変分波器では、ＳＯＡ９６を導波路アレイの一端に設置し、そこから光を導波路アレイに入射する。
【００６０】
図２０に示した小型可変分波器では、ＳＯＡ９６の光増幅効果により入射光のパワーを大きくしていくと、非線形効果が誘起される。この結果、導波路アレイに入射した光は線形的な屈折率勾配に従わなくなり、当該光の伝搬経路が変わる。すなわち、図２０に示した小型可変分波器では、ＳＯＡ９６とヒータ４とヒートシンク５とを制御することにより導波路アレイから出射する光の出力位置（出力ポート）のスイッチングを行なうことができる。また、図２０に示した小型可変分波器では、図１８および図１９に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態３の構造において、光の入力ポートにＳＯＡ９６を付加しているので、導波路アレイへの光の入力時における光の損失を補償したり、高速なスイッチングを行なうことができる。なお、ヒータ４とヒートシンク５はＳＯＡ９６の補助として付加したが、これらのヒータ４およびヒートシンク５を設置しない構成としてもよい。また、ヒータ４およびヒートシンク５に替えて、図１６に示したような電極をＳｉ細線導波路８３に設置してもよい。
【００６１】
（実施の形態５）
図２１は本発明による小型可変分波器の実施の形態５を示す平面模式図である。図２２は、図２１の線分ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩにおける断面模式図である。図２１および図２２を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態５を説明する。
【００６２】
図２１および図２２に示した小型可変分波器は、基本的には図１および図２に示した小型可変分波器と同様の構成を備えるが、各Ｓｉ細線導波路３の上部表面上にＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇが形成されている点が異なる。ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇから各Ｓｉ細線導波路３まで貫通するように、空孔１０６が形成されている。図２１では、光の進行方向をＺ軸方向、Ｓｉ細線導波路３（ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇ）の延びる方向に対して垂直な方向をＸ軸方向としている。Ｘ軸方向が光学的ブロッホ振動の振動方向となる。
【００６３】
次に、図２１および図２２に示した小型可変分波器の作製方法を説明する。図２１および図２２に示した小型可変分波器では、上部Ｓｉ層１３（図４参照）から成るＳｉ細線導波路３上に、まずＳｉＮ層を０．２５μｍずつ均一に積層する。このような均一な厚みのＳｉＮ層を形成する手法としては、たとえば、図３に示すようにＳｉＯ2層２上に上部Ｓｉ層１３を形成したあと、続いて厚みが０．２５μｍのＳｉＮ層を形成する。そして、当該ＳｉＮ層上に図３に示すようなレジスト膜１４を形成する。そして、図４などに示すように、露光・現像工程を実施することにより所定のパターンをレジスト膜１４により形成する。当該レジスト膜１４をマスクとしてエッチングを行ない、上記ＳｉＮ層および上部Ｓｉ層１３を部分的に除去することにより、Ｓｉ細線導波路３およびＳｉＮ層を形成する。その後、レジスト膜を除去する。このようにして、上述したＳｉ細線導波路３上にＳｉＮ層が形成された構造を得ることができる。
【００６４】
次に、Ｓｉ細線導波路３からなる導波路アレイを備える小型可変分波器において、各Ｓｉ細線導波路３を順にフッ化水素溶液に浸していき、ＳｉＮ層のウェットエッチングを行なう。このとき、Ｓｉ細線導波路３毎に、当該Ｓｉ細線導波路３をフッ化水素溶液中に浸漬する時間を１８秒、１５秒、１２秒、９秒、６秒、３秒、０秒、といった異なる値とした。これにより、図２２に示すように、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの厚みは、左端からＳｉＮ層１０７ａの厚み＝０．１３μｍ、ＳｉＮ層１０７ｂの厚み＝０．１５μｍ、ＳｉＮ層１０７ｃの厚み＝０．１７μｍ、ＳｉＮ層１０７ｄの厚み＝０．１９μｍ、ＳｉＮ層１０７ｅの厚み＝０．２１μｍ、ＳｉＮ層１０７ｆの厚み＝０．２３μｍ、ＳｉＮ層１０７ｇの厚み＝０．２５μｍ、となった。上記のような構成において、各Ｓｉ細線導波路３での有効屈折率は、有効屈折率の小さいＳｉ細線導波路３から順番に、３．４５、３．４６、３．４７、３．４８、３．４９、３．５０、３．５１となる。なお、Ｓｉ細線導波路３毎にフッ化水素溶液中に浸漬する時間を変更する方法としては、たとえば、浸漬対象とするＳｉ細線導波路３のみを露出させるような被覆膜を小型可変分波器の表面に形成し、その後当該小型可変分波器をフッ化水素溶液に所定時間だけ浸漬するといった方法を用いることができる。また、フッ化水素溶液中に浸す時間は、Ｓｉ細線導波路３からなる導波路アレイに屈折率勾配を与えることができれば、上述した数値に限られるものではなく、他の任意の値を用いることができる。
【００６５】
ここで、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの屈折率は、Ｓｉ層から成るＳｉ細線導波路３の屈折率よりも小さく、空気の屈折率よりも大きい。そのため、左端のＳｉＮ層１０７ａが形成されたＳｉ細線導波路３から、右端のＳｉＮ層１０７ｇが形成されたＳｉ細線導波路３に向けて、徐々にＳｉ細線導波路３の有効屈折率を大きくすることができる。この結果、導波路アレイにおいて周期的な屈折率変化と屈折率勾配を与えることができる。
【００６６】
また、図２１および図２２に示した小型可変分波器では、光の出力ポートのスイッチング方法については図１および図２に示した小型可変分波器と同様の方法を用いる。しかし、図２１および図２２に示した小型可変分波器では、各Ｓｉ細線導波路３上にＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを積層しているため、ヒータ４およびヒートシンク５により形成される温度勾配を用いなくても、導波路アレイに屈折率勾配を与えることができる。その結果、ヒータ４とヒートシンク５における消費電力を図１および図２に示した小型可変分波器よりも小さくできる。なお、上述のように、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成する工程において、フッ化水素溶液を用いてウェットエッチングを行ったが、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成する方法としては他の任意の手法を用いることができる。また、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇ以外の材質からなる層を、Ｓｉ細線導波路３上に形成してもよい。また、各Ｓｉ細線導波路３の有効屈折率を変更することができれば、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの厚みではなく、たとえばＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの幅やＳｉ細線導波路３上に積層する層の組成などをＳｉ細線導波路３毎に変更してもよい。
【００６７】
（実施の形態６）
図２３は本発明による小型可変分波器の実施の形態６を示す断面模式図である。図２３を参照して、本発明による小型可変分波器の実施の形態６を説明する。なお、図２３は図１９に対応する。
【００６８】
図２３に示した小型可変分波器は、基本的に図１８および図１９に示した小型可変分波器と同様の構造を備えるが、Ｓｉ細線導波路８３からなる導波路アレイをＳｉＯx（０＜ｘ＜２）層１１６で覆っている点が異なる。このＳｉＯx層１１６は、Ｓｉ細線導波路８３に形成された空孔６ａ〜６ｇ（図１８参照）の内部にも充填されている。ここで、ＳｉＯx層１１６は、おおよそＳｉとＳｉＯ2との間の物性を有し、ｘの値によりその屈折率を変えることができる。そのため、当該ｘの値を変更することで、Ｓｉ層から成るＳｉ細線導波路８３とＳｉＯx層１１６との屈折率差Δｎを任意に制御できる。これにより、導波路アレイにおいて、隣接するＳｉ細線導波路８３への光の滲み出し具合を制御できる。
【００６９】
このようにすれば、図１３に示すような、隣接するＳｉ細線導波路３との間に位置する残存部２１を形成して上部Ｓｉ層１３に対するエッチング深さを制御する、といった加工を行なう必要がない。つまり、図２３に示した小型可変分波器では、ＳｉＯx層１１６のｘの値を任意に変更することにより、Ｓｉ細線導波路８３とＳｉＯx層１１６との屈折率差Δｎを変えて、隣接するＳｉ細線導波路８３への光の滲み出し具合を容易に制御することができる。
【００７０】
次に、上記の実施の形態と一部重複するものもあるが、本発明の特徴的な構成を羅列的に挙げて説明する。
【００７１】
この発明に従った可変分波器としての小型可変分波器は、ベース媒体としてのＳｉＯ2層２と、導波路アレイと、外部屈折率変調手段（図１に示すヒータ４、ヒートシンク５、図１６に示す電極７４）とを備える。導波路アレイはＳｉＯ2層２上に配置される。導波路アレイは、ＳｉＯ2層２よりも屈折率が大きいか又は等しい複数の導波路としてのＳｉ細線導波路３、８３からなる。外部屈折率変調手段は、導波路アレイにおいて、Ｓｉ細線導波路３、８３の延びる方向と垂直な方向に、複数のＳｉ細線導波路３、８３の間で可変な屈折率勾配を形成する。Ｓｉ細線導波路３、８３は、Ｓｉ細線導波路３、８３の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する。
【００７２】
このようにすれば、導波路アレイにおける屈折率勾配を制御できる外部屈折率変調手段を、光が出射する位置のＳｉ細線導波路３、８３である出力導波路のスイッチングを行なうための可変機構として具備し、且つ導波路アレイを構成するＳｉ細線導波路３、８３に形成した１次元フォトニック結晶構造に起因して、Ｓｉ細線導波路３、８３での光の進行方向への群速度を遅延させることができる。このため、素子（可変分波器）を小型化して作製することができる。
【００７３】
ここで、可変分波器を小型化できるという効果は、フォトニック結晶が通常の媒質とは異なる光の分散関係を形成することに起因する。つまり、この光の分散関係はフォトニック結晶の周期性によって変調され、ＰＢＧ（Photonic Band Gap）近傍のバンド端ではバンドの傾きが小さくなることから、光の群速度を非常に小さくすることができる。すなわち、導波路アレイを透過する光の波長に対して、群速度が小さくなるように１次元フォトニック結晶構造を形成すると、光の進行方向への群速度を遅延させることができる。このため、光学的ブロッホ振動の１周期伝搬長を短くできるので、可変分波器の小型化を図ることができる。その結果、各々の可変分波器となるチップを１フィールド内でのＥＢ露光で作製できるため、フィールドの境界部が、可変分波器となるチップ内に配置されることは無い。そのため、このような境界部に起因する可変分波器の特性の劣化を防止できる。この結果、可変分波器の特性が安定するので、可変分波器の歩留りも向上する。
【００７４】
上記小型可変分波器において、外部屈折率変調手段は、図１などに示すように、加熱部材としてのヒータ４と冷却部材としてのヒートシンク５とを含んでいてもよい。ヒータ４は、導波路アレイにおいてＳｉ細線導波路３、８３が延びる方向に対して垂直な方向（Ｘ軸方向）における一方端部に位置してもよい。ヒータ４はＳｉ細線導波路３、８３を加熱する。ヒートシンク５は、導波路アレイにおいて一方端部と反対側に位置する他方端部においてＳｉ細線導波路３、８３を冷却する。この場合、ヒータ４とヒートシンク５とを制御するだけで容易に導波路アレイの屈折率勾配を変えることができる。
【００７５】
上記小型可変分波器において、外部屈折率変調手段は、図１６に示すように、複数の電極７４を含んでいてもよい。複数の電極７４は、複数のＳｉ細線導波路３のそれぞれに接続される。また、小型可変分波器において、外部屈折率変調手段は、電源部材としての電源７５を備えていてもよい。電源７５は、複数の電極７４それぞれに異なる電圧を印加することが可能であってもよい。
【００７６】
この場合、各Ｓｉ細線導波路３に接続されたそれぞれの電極７４に、導波路アレイにおいて電圧勾配が発生するように（電源７５を用いて）所定の電圧を印加することにより、導波路アレイにおいて屈折率勾配を発生させることができる。そして、このような電極７４を用いると、屈折率勾配を発生させるための電圧の印加のＯＮ／ＯＦＦを非常に速く行なうことができる。つまり、ヒータ４やヒートシンク５を用いて熱的条件を利用する場合より、屈折率勾配の制御を高速に行なうことができる。この結果、ヒータ４やヒートシンク５を用いる場合より、出力導波路（光が出力される出力ポートとなるＳｉ細線導波路３）のスイッチングを高速に行なうことができる。
【００７７】
上記小型可変分波器において、Ｓｉ細線導波路３は、１次元フォトニック結晶構造に、図１４や図１５に示したような、欠陥（ドナー型欠陥６１またはアクセプタ型欠陥６２）が周期的に導入された結合欠陥導波路であってもよい。この場合、Ｓｉ細線導波路３における光の進行方向の群速度をより遅延させることができる。この結果、小型可変分波器のサイズをより小さくすることができる。
【００７８】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図１８などに示すように、Ｓｉ細線導波路８３の延びる方向（Ｚ軸方向）に対して垂直方向（Ｘ軸方向）における一方端部（図１８においてヒートシンク５が配置された側の端部）から他方端部（ヒータ４が配置された側の端部）へ向かうにつれて、Ｓｉ細線導波路８３の幅Ｗ１〜Ｗ７が徐々に大きくなる一方、隣接するＳｉ細線導波路８３の間隔Ｌ１〜Ｌ６は徐々に小さくなる、チャープ構造を有していてもよい。
【００７９】
この場合、導波路アレイをチャープ構造にすると、外部屈折率変調手段を用いない状態であっても導波路アレイにおいて屈折率勾配を形成できる。そのため、外部屈折率変調手段としてヒータ４、ヒートシンク５、あるいは電極７４などを用いた場合に、所定の屈折率勾配を発生させるためにヒータ４、ヒートシンク５、電極７４などでの消費電力を、チャープ構造を用いない場合より小さくできる。
【００８０】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図２１などに示すように、Ｓｉ細線導波路３上に積層された媒体層としてのＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを含んでいてもよい。媒体層としてのＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇは、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料（Ｓｉ）の屈折率より小さい屈折率を有する。Ｓｉ細線導波路３の延びる方向（Ｚ軸方向）に対して垂直方向（Ｘ軸方向）における一方端部（ヒートシンク５が配置された側の端部）から他方端部（ヒータ４が配置された側の端部）へ向かうにつれて、媒体層としてのＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇの厚みは徐々に厚くなっている。なお、媒体層の材料としては、Ｓｉ細線導波路３を構成する材料より小さい屈折率を有する材料であれば、任意の材料を用いることができる。
【００８１】
この場合、上述のようなＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成することにより、外部屈折率変調手段を用いない状態であっても導波路アレイにおいて屈折率勾配を形成できる。そのため、外部屈折率変調手段としてヒータ４、ヒートシンク５あるいは電極７４などを用いた場合に、所定の屈折率勾配を発生させるためにヒータ４、ヒートシンク５、電極７４などでの消費電力を、ＳｉＮ層１０７ａ〜１０７ｇを形成していない場合より小さくできる。
【００８２】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図１２に示すように複数のＳｉ細線導波路３の間に配置された残存部２１を有していてもよい。
【００８３】
この場合、Ｓｉ細線導波路３と、隣接するＳｉ細線導波路３の間隙と、の間の屈折率差Δｎを小さくできる。また、残存部２１の厚みを変更することで、残存部２１を含む断面（図１３の点線４２で示した断面）における有効屈折率を任意に変更できるので、上記屈折率差Δｎの値も任意に変更できる。これにより、隣接するＳｉ細線導波路３への光の滲み出し具合を大きく調整できる。
【００８４】
上記小型可変分波器において、導波路アレイは、図２３に示すように複数のＳｉ細線導波路８３を覆うように形成された被覆層としてのＳｉＯx層１１６を含んでいてもよい。被覆層としてのＳｉＯx層１１６は、Ｓｉ細線導波路８３を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料からなっていることが、光を閉じ込めるという点で好ましい。なお、被覆層としては、Ｓｉ細線導波路８３を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料であればＳｉＯxと異なる他の任意の材料を用いてもよい。
【００８５】
この場合、被覆層としてのＳｉＯx層１１６（０＜ｘ＜２）を構成する材料の組成などを制御して当該材料の特性を変えると、導波路アレイとＳｉＯx層１１６との屈折率差Δｎを調整することができる。たとえば、上述したＳｉＯx層１１６の場合、ＳｉＯxのＯ（酸素）の組成Ｘの値を任意に変更することで、ＳｉＯx層１１６の屈折率を容易に変更できる。この結果、容易に隣接するＳｉ細線導波路８３への光の滲み出し具合を制御できる。
【００８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明による小型可変分波器の実施の形態１を示す平面模式図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第１工程を説明するための断面模式図である。
【図４】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第２工程を説明するための断面模式図である。
【図５】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第３工程を説明するための断面模式図である。
【図６】図１および図２に示した小型可変分波器の実施の形態１の作製方法の第４工程を説明するための断面模式図である。
【図７】図１および図２に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける光の伝搬について説明するための模式図である。
【図８】図７に示した小型可変分波器の導波路アレイにおける各Ｓｉ細線導波路の屈折率の分布を示すグラフである。
【図９】本発明による小型可変分波器の分波器としての機能を説明する図である。
【図１０】Ｓｉ細線導波路において１次元フォトニック結晶構造を形成していない場合の導波路アレイからなる可変分波器を示す平面模式図である。
【図１１】Ｓｉ細線導波路において１次元フォトニック結晶構造を形成した場合の導波路アレイから成る可変分波器を示す平面模式図である。
【図１２】図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第１の変形例を示す断面模式図である。
【図１３】図１２に示した小型可変分波器の作製方法を説明するための断面模式図である。
【図１４】図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第２の変形例を示す平面模式図である。
【図１５】図１に示した本発明による小型可変分波器の実施の形態１の第３の変形例を示す平面模式図である。
【図１６】本発明による小型可変分波器の実施の形態２を示す斜視模式図である。
【図１７】図１６に示した小型可変分波器において各電極に印加される電圧と、電極のＸ軸方向での位置との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明による小型可変分波器の実施の形態３を示す平面模式図である。
【図１９】図１８の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面模式図である。
【図２０】本発明による小型可変分波器の実施の形態４を示す平面模式図である。
【図２１】本発明による小型可変分波器の実施の形態５を示す平面模式図である。
【図２２】図２１の線分ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩにおける断面模式図である。
【図２３】本発明による小型可変分波器の実施の形態６を示す断面模式図である。
【図２４】非特許文献１に開示された可変分波器を示す斜視模式図である。
【図２５】図２４に示した可変分波器において、Ｘ軸方向での位置と屈折率勾配との関係を示すグラフである。
【図２６】非特許文献２に開示された可変分波器を示す平面模式図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ Ｓｉ基板、２ ＳｉＯ2層、３，３ａ，８３ Ｓｉ細線導波路、４ ヒータ、５ ヒートシンク、６，６ａ〜６ｇ，１０６ 空孔、１２ 点線、１３ 上部Ｓｉ層、１４ レジスト膜、２１ 残存部、２２ 曲線、２３ 矢印、２６ 光強度分布、２７，２８ 曲線、２９，４２ 点線、３３ 端面、６１ ドナー型欠陥、６２ アクセプタ型欠陥、７４ 電極、７５ 電源、１０７ａ〜１０７ｇ ＳｉＮ層、１１６ ＳｉＯx層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース媒体と、
前記ベース媒体上に配置され、前記ベース媒体よりも屈折率が大きいか又は等しい複数の導波路からなる導波路アレイと、
前記導波路アレイにおいて、前記導波路の延びる方向と垂直な方向に、前記複数の導波路の間で可変な屈折率勾配を形成する外部屈折率変調手段とを備え、
前記導波路は、前記導波路の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する、可変分波器。
【請求項２】
前記外部屈折率変調手段は、
前記導波路アレイにおいて前記導波路が延びる方向に対して垂直な方向における一方端部に位置し、前記導波路を加熱する加熱部材と、
前記導波路アレイにおいて前記一方端部と反対側に位置する他方端部において前記導波路を冷却する冷却部材とを含む、請求項１に記載の可変分波器。
【請求項３】
前記外部屈折率変調手段は、
前記複数の導波路のそれぞれに接続された複数の電極を含む、請求項１に記載の可変分波器。
【請求項４】
前記導波路は、前記１次元フォトニック結晶構造に、欠陥が周期的に導入された結合欠陥導波路である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項５】
前記導波路アレイは、前記導波路の延びる方向に対して垂直方向における一方端部から他方端部へ向かうにつれて、導波路の幅が徐々に大きくなる一方、隣接する導波路の間隔は徐々に小さくなる、チャープ構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項６】
前記導波路アレイは、
前記導波路を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料からなり、前記導波路上に積層された媒体層を含み、
前記導波路の延びる方向に対して垂直方向における一方端部から他方端部へ向かうにつれて、前記媒体層の厚みは徐々に厚くなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項７】
前記導波路アレイは、
前記導波路を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料からなり、前記複数の導波路を覆うように形成された被覆層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項８】
前記被覆層を構成する材料はＳｉＯx（０＜ｘ＜２）である、請求項７に記載の可変分波器。
【請求項１】
ベース媒体と、
前記ベース媒体上に配置され、前記ベース媒体よりも屈折率が大きいか又は等しい複数の導波路からなる導波路アレイと、
前記導波路アレイにおいて、前記導波路の延びる方向と垂直な方向に、前記複数の導波路の間で可変な屈折率勾配を形成する外部屈折率変調手段とを備え、
前記導波路は、前記導波路の延びる方向において１次元フォトニック結晶構造を有する、可変分波器。
【請求項２】
前記外部屈折率変調手段は、
前記導波路アレイにおいて前記導波路が延びる方向に対して垂直な方向における一方端部に位置し、前記導波路を加熱する加熱部材と、
前記導波路アレイにおいて前記一方端部と反対側に位置する他方端部において前記導波路を冷却する冷却部材とを含む、請求項１に記載の可変分波器。
【請求項３】
前記外部屈折率変調手段は、
前記複数の導波路のそれぞれに接続された複数の電極を含む、請求項１に記載の可変分波器。
【請求項４】
前記導波路は、前記１次元フォトニック結晶構造に、欠陥が周期的に導入された結合欠陥導波路である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項５】
前記導波路アレイは、前記導波路の延びる方向に対して垂直方向における一方端部から他方端部へ向かうにつれて、導波路の幅が徐々に大きくなる一方、隣接する導波路の間隔は徐々に小さくなる、チャープ構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項６】
前記導波路アレイは、
前記導波路を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料からなり、前記導波路上に積層された媒体層を含み、
前記導波路の延びる方向に対して垂直方向における一方端部から他方端部へ向かうにつれて、前記媒体層の厚みは徐々に厚くなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項７】
前記導波路アレイは、
前記導波路を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する材料からなり、前記複数の導波路を覆うように形成された被覆層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変分波器。
【請求項８】
前記被覆層を構成する材料はＳｉＯx（０＜ｘ＜２）である、請求項７に記載の可変分波器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００６−１６２６８３（Ｐ２００６−１６２６８３Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５００８８（Ｐ２００４−３５００８８）
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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