変調光デバイス
【課題】 構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能な変調光デバイスを提供する。
【解決手段】 空領域１０３と１種類以上の物質よりなる周期構造１０７と、前記周期構造１０７の空領域１０３の少なくとも一部に導入することのできる微小構造１０５を１つ以上備えたユニット１０６と、前記ユニット１０６または前記微小構造１０５と前記周期構造１０７を相対的に駆動、制御することができる駆動制御機構機構とを備える変調光デバイス。
【解決手段】 空領域１０３と１種類以上の物質よりなる周期構造１０７と、前記周期構造１０７の空領域１０３の少なくとも一部に導入することのできる微小構造１０５を１つ以上備えたユニット１０６と、前記ユニット１０６または前記微小構造１０５と前記周期構造１０７を相対的に駆動、制御することができる駆動制御機構機構とを備える変調光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変調光デバイスに関し、特に微細光素子や微細光回路などの分野の変調光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
周期構造を構成する材料の屈折率などの特性を変調することによりスイッチングを行うためのデバイスなどが提案されている。例えば、特許文献１では、線欠陥をもった２次元スラブ光導波路の欠陥部分の屈折率を電界により変調することにより、伝播光のスイッチングを行う素子が提案されている。
【０００３】
また、特許文献２では、周期構造からなる光素子の全体に電界を印加することにより、周期構造を構成する材料の屈折率を変調して、光スイッチングを行う素子が提案されている。さらに、特許文献３では、１次元周期構造に欠陥を設け、欠陥部分を光吸収部材で構成し、この欠陥部にスイッチング光を当てることにより欠陥部分の物性を変化させて１次元周期構造中の伝播光をスイッチするための素子が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３０３８３６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５６４６号公報
【特許文献３】特開２００３−１８６０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、周期構造の屈折率を変調する場合、電界による屈折率変化量は主な物質においてそれほど大きなものではなく、ある程度大きく変化する物質を考慮すると材料の種類が限られてしまう。また、電極を別工程で作製するため周期構造の一部に局所的に精度よく電界を印加することは困難であり、非周期性領域をもたない周期構造に微細な非周期性を別プロセスで高精度にもたせることは難しい。また、光により周期構造の一部の領域の物性を変化させる場合、部分的に光吸収部材を用いる制限が生じたり、局所的に光吸収部材を導入することが困難であることなどの課題が存在する。
【０００５】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明は、周期構造と、前記周期構造の微小部分との距離が制限される一つ以上の微小構造を有するユニットを備えていることを特徴とする変調光デバイスである。
前記周期構造が少なくとも１つ以上の空領域を有し、前記空領域に出し入れすることのできる少なくとも１つ以上の微小構造を有するユニットとを備えていることが好ましい。
【０００７】
前記周期構造の一部が周期構造の周期性を乱す欠陥構造からなり、前記周期構造が非周期性を有することが好ましい。
前記周期構造が複数の欠陥構造を有しており、前記複数の欠陥構造が同一ではないことが好ましい。
【０００８】
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、非線形光学材料を有することが好ましい。
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、発光材料を有することが好ましい。
【０００９】
前記微小構造と前記周期構造を相対的に変位させる駆動機構と含むことが好ましい。
前記駆動機構が圧電素子によりなる機構を含むことが好ましい。
前記駆動機構が、流体を用いた機構を含むことが好ましい。
【００１０】
前記駆動機構が、静電駆動機構を含むことが好ましい。
前記ユニットが複数の微小構造を備えており、前記複数の微小構造のうち少なくとも一つの微小構造の特性が、他の微小構造とは異なることが好ましい。
【００１１】
複数の微小構造と、前記複数の微小構造をそれぞれ独立に駆動することができる駆動機構を複数備えていることが好ましい。
本発明は、上記課題を解決するために空領域と１種類以上の物質よりなる周期構造と、前記周期構造をなす前記空領域の少なくとも一部に導入することのできる微小構造を１つ以上備えたユニットと、前記ユニットまたは前記微小構造と前記周期構造を相対的に駆動、制御することができる駆動制御機構機構とを備えることを特徴とする、構成する材料の制限が広く、また作製プロセスがシンプルで、高精度に制御可能な、変調光デバイスを提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の変調光デバイスにより、構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、少なくとも一部に空領域を備えた周期構造と、前記周期構造が備える前記空領域の少なくとも一部に出し入れすることのできる微小構造を１つ以上備えたユニットと、前記微小構造と前記周期構造を相対的に変位させる駆動機構とを備えることを特徴とする、変調光デバイスを提供するものであり、本発明により材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスが実現できる。
【００１４】
本発明における周期構造は、様々な材料で構成することが可能であり、本発明の変調光デバイスの用途に応じて、その材料を選択することが可能である。誘電体で本発明の周期構造を構成する場合、周期構造は少なくとも２種以上の誘電体により構成されており、各誘電体が１次元、２次元、または３次元方向に周期的に配列されることにより周期構造を構成している。また各誘電体が配列される周期は、デバイスに対し扱う光の波長に周期構造を構成する誘電体の屈折率を考慮したもののオーダーである。たとえば、ＳｉとＳｉＯ2 の薄膜を１次元に周期的に並べた誘電体多層膜や、Ｓｉの微小柱をＳｉＯ2 中に周期的に配列させた２次元フォトニック結晶などのように固体材料だけで構成される周期構造が挙げられる。また、周期構造を構成する材料として流体を用いてもよく、たとえばＧａＡｓ薄膜に二次元周期性を有する複数の微小空孔を形成したフォトニック結晶や、水の中に３次元周期性を有するようにＴｉＯ2 を並べることにより、周期構造を構成することもできる。このような周期構造の例として、フォトニック結晶があげられる。このように流体を用いて周期構造を構成する場合、この流体部分を本発明における空領域とすることができる。
【００１５】
さらに、本発明の周期構造を金属を用いて構成することもできる。たとえばＡｕ薄膜に周期的に空孔を開けたプラズモニック結晶などがあげられ、その周期を周期構造の表面に誘起される表面プラズモンのモードに合わせることにより２次元のプラズモニック結晶を構成することができる。また、本発明における空領域とは、周期構造のうち固体部分ではない領域を称する。周期構造を構成する材料の１種として気体や液体などの流体を用いる場合、この流体の領域つまり固体ではない領域を指す。たとえば、前述したように水の中に３次元周期性を有するようにを並べることにより構成する周期構造の水の部分や、ＧａＡｓ薄膜に二次元周期性を有する複数の微小空孔を形成することにより構成する周期構造の微小空孔部分などのことをいう。
【００１６】
また本発明の変調光デバイスは、このように空領域を含む周期構造に対し、空領域の少なくとも一部に出し入れすることのできる微小構造を有するユニットを具備する。微小構造の材料としても、本発明の光変調デバイスの用途に応じてその材料を選択することが可能である。たとえば、ＧａＡｓ基板上に半導体プロセスにより作製された微小円柱構造を微小構造とすることができる。空領域が周期性をなしていて、周期構造が非周期性を有していない場合、この微小構造を具備したユニットを周期構造中の空領域の少なくとも一部に導入することにより、周期構造に非周期性をあたえ、周期構造中を伝播する光の特性を制御することができる。
【００１７】
ここで導入とは、周期構造中の空領域に微小構造を挿入すること、すなわち空領域の体積のうちの少なくとも一部を微小構造で満たすことを意味する。出し入れするという表現は、微小構造を空領域に導入したり、空領域に導入された微小構造を食う領域から抜き出したりすることを意味する。
【００１８】
また、ユニットとは、微小構造を支持するものと微小構造をまとめて表現したもので、たとえばＧａＡｓ基板上に作製された微小円柱構造の場合、少なくとも微小円柱構造とＧａＡｓ基板をまとめて、ユニットと称する。さらに本発明の変調光デバイスは駆動機構を具備し、周期構造と微小構造との相対的な位置を制御することができる。駆動機構を用いることにより、周期構造の空領域中への微小構造の導入量を制御することができる。本明細書中で導入量とは、微小構造がどのくらい空領域に導入されているかの度合いを表現する言葉である。
【００１９】
たとえば、図１のように、Ｓｉ基板を加工した下基板１０１上に周期的に配列されたＳｉ円柱１０２よりなる周期構造１０７に、支持部としてのＳｉ基板１０４上に作製された円柱構造の微小構造１０５を具備するユニット１０６を対向させて構成した変調光デバイスの場合、図中の距離ａと距離ｂを用いてｂ／ａとして、微小構造の空領域１０３への導入量をあらわすことができる。
【００２０】
また、駆動機構は周期構造と微小構造の相対的な位置を制御するものであって、周期構造の位置、微小構造の位置、ユニットの位置のいずれを駆動するものであってよい。また、その駆動方向は用途に応じて、１次元、２次元、３次元のいずれでもよい。このように、微小構造の形状や、周期構造の空領域中の微小構造の相対位置を制御することにより、周期構造に付与する非周期性を制御することができる。
【００２１】
たとえば、周期構造がフォトニック結晶である場合、その中を伝播する光の伝播特性を制御することができる。特にフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を周期構造とした場合、様々な特性の欠陥モードを導入することができて、光の伝播特性を大きく制御できる。たとえば、フォトニックバンドギャップ中の欠陥モードを切り替えることにより、欠陥モードに対応した波長を持つ光をスイッチしたり、微小構造が発光材料を具備し欠陥領域をレーザとして構成する場合には、このレーザの発振波長を制御したりすることができる。微小構造は周期構造とは別工程で作製するため、様々な材料を用いて様々な形状の微小構造を作製することができ、周期構造の作製誤差を補正するように、別工程で精度よく作製できるため、高精度で多用途に利用できるデバイスを実現することができる。
【００２２】
（非周期）
また、非周期性を有する周期構造を用いて本発明の変調光デバイスを構成することも可能である。周期構造を固体領域のみによって構成し、非周期領域だけに空領域を設けた構成とすることにより、固体領域からなる周期構造に空領域の非周期部分を具備させることができ、この空領域に微小構造を導入するものである。また、固体領域と空領域の周期配列により周期構造を構成して周期構造の一部分だけ周期をかえることにより、周期構造に非周期性を付与するための空領域を形成することができる。さらに、固体領域のみによって構成する前記した周期構造が少なくともその一部に空領域を有しており、空領域ではない固体領域のみによって構成されている部分に周期性を乱す非周期性を具備している場合も、本明細書における非周期性を有する周期構造に含まれる。また、このような非周期性を有する欠陥構造は、周期構造中に複数あってもよい。このように、周期構造に非周期性を与えることを兼ねる空領域をあらかじめ設けておくことにより、たとえばフォトニック結晶などの場合、あらかじめ周期構造が有する欠陥モードを微小構造の導入により、さらに変調することが可能である。
【００２３】
（複数欠陥）
また、本発明の変調光デバイスを、周期構造が複数の欠陥を有し、複数の欠陥構造の特性のすべてが同一ではないように構成することができる。特にこれら複数の欠陥の特性が異なるように構成し、複数の微小構造を複数部分の空領域に導入することにより、周期構造中を伝播する光の特性をより複雑に制御することが可能であり、本デバイスひとつで、光回路などのキーデバイスを実現することが可能である。たとえばフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を例とした場合、周期構造中に複数の体積の異なる空領域を欠陥として配置することにより、フォトニックバンドギャップ内に複数の欠陥モードを存在させることができる。これら複数の空領域にそれぞれ対応する微小構造を導入したり抜き出したりすることにより、フォトニックバンドギャップ内の欠陥モードを独立にオン／オフすることができ、本デバイスにより多波長スイッチなどを構成することができる。ここで、複数の欠陥がすべて空領域によりなるものである必要もなく、複数の空領域にたいして、同様の特性を有する複数の微小構造を配置してもよい。
【００２４】
（非線形光学材料）
また、本発明の変調光デバイスを、周期構造と微小構造の少なくともどちらか一方が、非線形光学材料を有するように構成することもできる。周期構造または微小構造のどちらが非線形光学材料を有する場合においても、周期構造中の欠陥モードを微小構造の導入量により制御することにより制御できるので、周期構造中を伝播する光と非線形光学材料における相互作用の強さや相互作用する光の波長を制御することができる。
【００２５】
（発光材料）
また、本発明の変調光デバイスを、周期構造と微小構造の少なくともどちらか一方が、発光材料を有するように構成することもできる。たとえば、周期構造としてフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を用いた場合、微小構造の一部に発光材料を配置する構成が挙げられる。フォトニック結晶は誘電体薄膜に三角格子状に周期的に空孔を形成したものであるとする。複数の空孔のひとつに微小構造を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中に欠陥モードを存在させることができ、導入量を制御することにより欠陥モードを変調することができる。
【００２６】
周期構造中の微小構造を導入した部分は、周囲をフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に囲まれているため、微小共振器として機能する。導入される微小構造は発光材料を有しているため、共振器を精度よく作製すれば共振器内に閉じ込められた光により、レーザ発振を起こす。微小構造の導入量を変調することにより欠陥モードを変調し、レーザ発振波長を制御することができる、小型の波長可変レーザを実現することができる。とくに微小構造が発光材料を有する場合は、周期構造作製工程で発光材料を局所的に導入する必要がなく、微小構造作製プロセスで簡単に微小構造に導入することができる。
【００２７】
（圧電）
また本発明の変調光デバイスに駆動機構を具備する場合、駆動機構が圧電素子によりなる機構を含むように駆動機構を構成することができる。圧電素子としては、たとえばピエゾ素子などが挙げられ、印加する電圧を制御することによりナノメートルレベルでの制御が可能となる。また周期構造と微小構造の相対的な駆動方向は１次元、２次元、３次元のいずれも駆動機構の構成により可能である。たとえば、薄膜状の周期構造に対して設けられた空領域中で、微小構造を薄膜の面に対して垂直方向に駆動しても、平行な方向に駆動しても欠陥モードを制御することができる。
【００２８】
（流体）
また本発明の変調光デバイスに駆動機構を具備する場合、駆動機構が流体を用いた機構を含むように駆動機構を構成することができる。流体としては、空気などの気体やオイルなどの液体を用いる。たとえば、エアーシリンダーを用いた機構や、油圧方式の機構により駆動機構を構成し、周期構造と微小構造の相対的な位置を高精度に制御することができる。
【００２９】
（静電）
また本発明の変調光デバイスに駆動機構を具備する場合、駆動機構が静電駆動機構を含むように駆動機構を構成することができる。静電駆動機構はマイクロメカニクス技術などで用いられている方式で、たとえば近接した１対の櫛歯電極の間の静電引力を利用して櫛歯間の距離を制御するものが挙げられる。櫛歯電極間に電圧を印加することでその間の静電引力を変化させて櫛歯間の距離を制御するので、高周波電圧による高速変調などが可能である。
【００３０】
（複数微小構造）
また、本発明における少なくとも１つのユニットが複数の微小構造を備えており、複数の微小構造のうち少なくとも一つの微小構造の特性が、他の微小構造とは異なるように、変調光デバイスを構成することもできる。たとえば、形状と特性が異なる複数の微小構造を１つのユニットに備えさせることにより、２次元フォトニック結晶の中の同一形状の同一特性の複数の空領域に同時に、異なる複数の微小構造を導入することができる。複数の微小構造を導入する空領域が、周期構造が有する複数の光導波路中にある場合は光導波路中を伝播する複数の光の特性を同時に変化させることができる。また複数の微小構造の特性がそれぞれ異なるため、複数の光導波路を伝播する複数の光の波長をそれぞれ異なるものにすることができ、多波長の光を同時にスイッチングできる素子などを実現することができる。
【００３１】
この場合、周期構造にあらかじめ欠陥構造などを作製しておく必要もなく、導入する微小構造を別工程で作製することにより、周期構造中に設ける欠陥モードを微小構造の特性により選択することができる。さらに、あらかじめ周期構造中に空領域によりなる複数の欠陥構造を作製しておき、そこに微小構造を導入することにより、欠陥モードを同時に制御することも可能である。
【００３２】
また、本発明において、複数の微小構造と、複数の微小構造をそれぞれ独立に駆動することができる駆動機構を複数備えるように変調光デバイスを構成することができる。このような構成にすることにより、周期構造中に導入する微小構造の導入量や、周期構造と微小構造の相対的な位置をそれぞれ独立に制御することができ、たとえば周期構造がフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶である場合、フォトニックバンドギャップ内の欠陥モードをそれぞれ独立に変調して制御することができる。さらに、それぞれの微小構造が発光材料を有している場合、波長可変かつ多波長レーザ素子などを実現することができる。複数の微小構造はひとつのユニットに配置されていても、複数のユニットに配置されていてもよく、ひとつのユニットに配置されている場合は、そのユニットに複数微小構造と周期構造との相対的な位置を独立に制御する機構が含まれているものとする。
【実施例】
【００３３】
実施例１
本発明の変調光デバイスの実施例を図２から図５を用いて説明する。図２は本実施例に用いる周期構造の斜視図、図３は断面図を示す。
【００３４】
周期構造２０１は厚さ約５００マイクロメートルのＳｉ基板２０２、厚さ約２マイクロメートルのＳｉＯ2 層２０３、厚さ約２００ナノメートルのＳｉ層２０４からなるＳＯＩ基板を用いて作製したものである。一般的にＳＯＩ基板のＳｉＯ２層、Ｓｉ層はそれぞれＢＯＸ（埋め込み酸化）層、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）層と称される。
【００３５】
本実施例ではＳＯＩ基板に電子線レジストを塗布し、ＥＢ（電子線）描画装置を用いてドットパターンの描画を行いレジストを現像する電子線リソグラフィー技術と、レジストパターンをマスクとしてのドライエッチング技術を用いることにより、ＳＯＩ基板２０１のＳＯＩ層２０４に直径約２００ナノメートル、高さ約２００ナノメートルの複数の円柱空孔２０５を作製する。電子線描画の際に描画パターンを高精度に制御することにより、複数の円柱空孔はＳＯＩ層面に平行な２次元方向に周期約４００ナノメートルの三角格子状の周期構造をなすように形成される。この構造は赤外光のある波長領域において、フォトニックバンドギャップを生じる２次元フォトニック結晶として機能する。
【００３６】
本実施例では周期構造２０１とフォトニック結晶素子という表現を同一のものとして用いる。また、光が導波する部分は空孔を設けたＳＯＩ層２０４中である。本実施例では、三角格子状に並んだ空孔の周期構造において伝播方向がΓ−Ｋ方向でＳＯＩ層２０４面に対してＴＥ偏光の光を扱う場合、波長約１４００ナノメートルから約１６００ナノメートルの波長領域にフォトニックバンドギャップを生ずる。つまりＴＥ偏光でΓ−Ｋ方向に伝播するこの波長領域の波長を持つ光は本実施例の周期構造２０１内に存在することはできない。
【００３７】
図４は本実施例に用いるユニットを表す図で、本実施例の周期構造と同様にＳＯＩ基板を用いて作製するものである。縦約１センチメートル、横約１センチメートルのユニットであり、厚さ約５００マイクロメートルのＳｉ基板４０２、厚さ約２マイクロメートルのＳｉＯ2 （ＢＯＸ）層４０３を支持基板として、Ｓｉ（ＳＯＩ）層を加工して作製した直径約１５０ナノメートル、高さ約５００ナノメートルの微小構造４０４を具備するユニットが４０１である。
【００３８】
図５は本実施例の変調光デバイスを示す図で、ユニット４０１は駆動機構５０１に支持され、フォトニック結晶素子２０１は駆動機構５０１の具備するピエゾステージ５０２に支持されている。駆動機構によりピエゾステージ５０２を駆動することにより、ユニット４０１が具備する微小構造４０４の、フォトニック結晶素子２０１に対する相対的な位置を制御することができる。つまり、微小構造４０４のフォトニック結晶素子２０１の有する１つの空孔内への導入量を制御できる。
【００３９】
本実施例において、フォトニック結晶素子２０１の駆動方向はフォトニック結晶素子の面に垂直な１次元方向とするので、図１に示したｂ／ａを導入量とする。ＳＯＩ層２０４面に対してＴＥ偏光でフォトニック結晶の周期構造に対してΓ−Ｋ方向に伝播する光を扱うとして、本実施例に用いるフォトニック結晶はある波長領域においてフォトニックバンドギャップを有するが、駆動機構５０１によりｂ／ａを変化させてやることにより、フォトニックバンドギャップ内に欠陥準位を生じることができさらに欠陥準位の波長を変化させることができる。つまり、ｂ／ａが０の時にはフォトニック結晶素子２０１を透過することができなかった波長の光がｂ／ａ＞０とすることにより、透過することができるようになる。ｂ／ａの値によりフォトニック結晶中に形成される欠陥構造部分５０３での欠陥モードは変化するので、透過できる光の波長はｂ／ａの値により変化する。さらには、ｂ／ａの値を０と１とで切り替えることにより、ｂ／ａが１の時に透過できるようになる波長の光をオン・オフでスイッチングすることができる。本実施例の変調光デバイスにより、波長選択フィルターや光スイッチを実現することができる。
【００４０】
実施例２
図６は、実施例１に用いたフォトニック結晶素子２０１を用いて構成した実施例２の変調光デバイスを表す図であり、ひとつのユニット６０１に約３２０ナノメートルの間隔で１次元的に微小構造４０４と同様の形状、材質の複数の微小構造６０２を設けてある。ユニット６０１の具備する微小構造６０２はすべて同一のものである。駆動機構も実施例１に用いたものと同様のもので、駆動機構５０１に支持された複数のユニット６０１および微小構造６０２に対して相対的に、ピエゾステージ５０２を１次元的に駆動して複数の微小構造６０２のフォトニック結晶素子のフォトニック結晶部の空孔への導入量を制御する。複数の微小構造６０２を設けることにより複数欠陥の共鳴増強効果が生じ、フォトニックバンドギャップ内の波長の光を入射した場合、この光の透過率を向上させることができる。つまり、性能の高い光スイッチを実現することができる。
【００４１】
実施例３
本実施例は、波長変換素子の実施例を説明するものである。図７は、本実施例の変調光デバイスを表す説明図である。
【００４２】
図７中７０１は、ＴｉＯ2 をＥＢリソグラフィー技術とエッチングプロセス技術を用いて作製した１次元フォトニック結晶で、厚さ約４００ナノメートル、幅約３マイクロメートルの光導波路に導波路方向に周期性を持つように空孔による周期構造が設けてある。２次元のフォトニック結晶と同様に１次元のフォトニック結晶においてもフォトニックバンドギャップに相当するストップバンドが生じる。また、対向するように微小構造７０３を配置してある。微小構造は実施例１、２と同様に実際にはユニットの支持部に結合されているが図では、省略してある。微小構造は非線形材料であるＬＮ（ＬｉＮｂＯ3 ）部分７０４とガラス部分７０５からなる。本実施例では、微小構造７０３のＬＮ部分７０４をフォトニック結晶７０１の１つの空孔７０２に導入することで、フォトニック結晶７０１のストップバンド中に欠陥準位を生じさせることができる。
【００４３】
微小構造７０３を導入した空孔付近はフォトニック結晶７０１全体に対して欠陥構造となる。ストップバンド中の欠陥準位の波長に相当する波長を持つ光をフォトニック結晶７０１に入射すると、その光は欠陥構造付近において共振することになり、この欠陥構造付近にＬＮなどの非線形光学材料が存在すると共振する光と非線形材料の間で相互作用が起こる。微小な領域に光を閉じ込めて相互作用させることができるので、実質的な相互作用の強さを増強することができる。つまり、本実施例の形態により効率のよい、小型な波長変換素子が実現できる。
【００４４】
実施例４
図８は本実施例において用いる周期構造を有する素子８０１を示すものである。素子８０１は厚さ約５００マイクロメートルのＧａＡｓ基板８０２上に、光のクラッド層８０３として厚さ約２マイクロメートルのＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓと、光を閉じ込めて伝播させるためのコア層８０４として厚さ約５００ナノメートルのＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓをエピタキシャル成長法により成膜したものの、コア部８０４とクラッド部８０３を反応性イオンビームエッチング法により加工したものである。コア部８０４およびクラッド部８０３は図のように幅約３マイクロメートルの光の入射導波路８０５と幅約３マイクロメートルの光の出射導波路８０６がパターにングされており、８０５と８０６の間にフォトニック結晶構造を有する。８０７はフォトニック結晶領域を形成するために必要な領域で、入射導波路と出射導波路の間にあり幅約１０マイクロメートルでパターニングされている。
【００４５】
図９に本実施例に用いるフォトニック結晶構造を図式化する。フォトニック結晶は、領域８０７のうち入射導波路８０５と出射導波路８０６との間の領域に作製されており、コア層８０４に三角格子状に周期的に空孔９０１を作製したものである。空孔９０１よりなる周期構造の周期は約４００ナノメートルで、このときのＡｉｒ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが０．４１となるように、空孔９０１の直径を制御してある。また、この周期構造中に１箇所まわりの空孔９０１の直径より大きな直径を有する欠陥空孔９０２を作製してある。欠陥空孔９０２はフォトニック結晶９０３の全体の周期構造に対して欠陥として機能する。
【００４６】
フォトニック結晶９０３は、波長約９００ナノメートルから１０００ナノメートル付近の波長を有し、素子の面に対してＴＭ偏光を有し、フォトニック結晶のΓ−Ｍ方向に対して伝播する光に対して、フォトニックバンドギャップを有する。つまり、このような光は本来このフォトニック結晶を透過することはできないが、本実施例においてはフォトニック結晶中に欠陥空孔９０２が存在するため、フォトニックバンド中のある波長領域に欠陥準位を持つことができる。これは、欠陥空孔９０２に光が局在するときのモードにより決まり、欠陥空孔９０２の大きさを変えることにより、変化させることができる。本実施例では、このようなパターン図８中のように３つ並列に並べた素子８０１を用いる。素子８０１中の３つの光入出力部分およびフォトニック結晶部分の構造はすべて同様のものとする。図１０に本実施例のデバイスの全体図を示す。
【００４７】
図１０は図８の素子８０１のＡ−Ｂにおける断面図である。３つのフォトニック結晶領域に対向させて駆動機構１００５、１００６、１００７に支持された３つのユニット１００１、１０１０、１０１１が配置されている。各ユニットは微小構造を有しておりそれぞれの微小構造は構造、特性ともに同様のものである。ユニット１００１を例にして、その微小構造は発光材料または利得材料部分１００４と支持部１００３からなる。発光材料部分または利得材料部分は、本実施例のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ付近の波長に対して利得作用があるもので、ＡｌＧａＡｓ材料を用いて作製してある。また、支持部は発光材料または利得材料部分とはその組成を変えたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓにより作製されている。３つの微小構造は、駆動機構１００５、１００６、１００７により３つのフォトニック結晶領域に存在する同様な欠陥空孔９０２、１００８と１００９に導入することができる。
【００４８】
また、各駆動機構は３次元に対応したピエゾ素子が組み込まれており、１次元だけでなく３次元方向にユニットをナノメートルオーダーで駆動することができる。このことにより、３つのフォトニック結晶の３つの欠陥空孔の欠陥モードを独立に制御することが可能で、これはフォトニックバンドギャップの中の欠陥準位の波長をそれぞれ独立に制御することができることを意味する。
【００４９】
フォトニック結晶中でのこのような欠陥は微小共振器として機能し、本実施例のように欠陥構造の中に発光材料を導入することができる場合、レーザ発振が可能となる。例えばフォトニックバンドギャップ外の波長有するＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍波を入射導波路からフォトニック結晶部分に導入すると微小構造の発光材料部分が励起されて発光が起こる。発光により放出した光は、フォトニックバンドギャップ内の波長であるので、欠陥構造部分に閉じ込められて共振する。結果的に発光材料部分を導入した欠陥構造部分でレーザ発振を起こすことができる。本実施例のデバイスでは３つの欠陥構造における欠陥モードを独立に制御することができるので、波長可変かつ集積化された微小レーザを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の変調光デバイスは、構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスを実現することができるので、光スイッチ、波長可変光源、フィルター等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の変調光デバイスの一例を示す説明図である。
【図２】実施例１に用いる周期構造を表す斜視図である。
【図３】実施例１に用いる周期構造を表す概略図である。
【図４】実施例１に用いるユニットを表す概略図である。
【図５】実施例１の変調光デバイスを表す概略図である。
【図６】実施例２の変調光デバイスを表す概略図である。
【図７】実施例３の変調光デバイスを表す概略図である。
【図８】実施例４に用いる素子を表す概略図である。
【図９】実施例４に用いる周期構造を表す概略図である。
【図１０】実施例４の変調光デバイスを表す概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０１ 下基板
１０２ Ｓｉ円柱
１０３ 空領域
１０４ Ｓｉ基板
１０５ 微小構造
１０６ ユニット
１０７ 周期構造
２０１ 周期構造
２０２ Ｓｉ基板
２０３ ＳｉＯ2 層（ＢＯＸ層）
２０４ Ｓｉ層（ＳＯＩ層）
２０５ 円柱空孔
４０１ ユニット
４０２ Ｓｉ基板
４０３ ＳｉＯ2 層（ＢＯＸ層）
４０４ 微小構造
５０１ 駆動機構
５０２ ピエゾステージ
５０３ 欠陥構造部分
６０１ ユニット
６０２ 微小構造
７０１ フォトニック結晶
７０２ 空孔
７０３ 微小構造
７０４ ＬＮ（ＬｉＮｂＯ3 ）部分
７０５ ガラス部分
８０１ 素子
８０２ ＧａＡｓ基板
８０３ クラッド層
８０４ コア層
８０５ 入射導波路
８０６ 出射導波路
８０７ 領域
９０１ 空孔
９０２ 欠陥空孔
９０３ フォトニック結晶
１００１ ユニット
１００２ 下基板
１００３ 支持部
１００４ 発光材料部分または利得材料部分
１００５ 駆動機構
１００６ 駆動機構
１００７ 駆動機構
１００８ 欠陥空孔
１００９ 欠陥空孔
１０１０ ユニット
１０１１ ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は変調光デバイスに関し、特に微細光素子や微細光回路などの分野の変調光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
周期構造を構成する材料の屈折率などの特性を変調することによりスイッチングを行うためのデバイスなどが提案されている。例えば、特許文献１では、線欠陥をもった２次元スラブ光導波路の欠陥部分の屈折率を電界により変調することにより、伝播光のスイッチングを行う素子が提案されている。
【０００３】
また、特許文献２では、周期構造からなる光素子の全体に電界を印加することにより、周期構造を構成する材料の屈折率を変調して、光スイッチングを行う素子が提案されている。さらに、特許文献３では、１次元周期構造に欠陥を設け、欠陥部分を光吸収部材で構成し、この欠陥部にスイッチング光を当てることにより欠陥部分の物性を変化させて１次元周期構造中の伝播光をスイッチするための素子が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３０３８３６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５６４６号公報
【特許文献３】特開２００３−１８６０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、周期構造の屈折率を変調する場合、電界による屈折率変化量は主な物質においてそれほど大きなものではなく、ある程度大きく変化する物質を考慮すると材料の種類が限られてしまう。また、電極を別工程で作製するため周期構造の一部に局所的に精度よく電界を印加することは困難であり、非周期性領域をもたない周期構造に微細な非周期性を別プロセスで高精度にもたせることは難しい。また、光により周期構造の一部の領域の物性を変化させる場合、部分的に光吸収部材を用いる制限が生じたり、局所的に光吸収部材を導入することが困難であることなどの課題が存在する。
【０００５】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明は、周期構造と、前記周期構造の微小部分との距離が制限される一つ以上の微小構造を有するユニットを備えていることを特徴とする変調光デバイスである。
前記周期構造が少なくとも１つ以上の空領域を有し、前記空領域に出し入れすることのできる少なくとも１つ以上の微小構造を有するユニットとを備えていることが好ましい。
【０００７】
前記周期構造の一部が周期構造の周期性を乱す欠陥構造からなり、前記周期構造が非周期性を有することが好ましい。
前記周期構造が複数の欠陥構造を有しており、前記複数の欠陥構造が同一ではないことが好ましい。
【０００８】
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、非線形光学材料を有することが好ましい。
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、発光材料を有することが好ましい。
【０００９】
前記微小構造と前記周期構造を相対的に変位させる駆動機構と含むことが好ましい。
前記駆動機構が圧電素子によりなる機構を含むことが好ましい。
前記駆動機構が、流体を用いた機構を含むことが好ましい。
【００１０】
前記駆動機構が、静電駆動機構を含むことが好ましい。
前記ユニットが複数の微小構造を備えており、前記複数の微小構造のうち少なくとも一つの微小構造の特性が、他の微小構造とは異なることが好ましい。
【００１１】
複数の微小構造と、前記複数の微小構造をそれぞれ独立に駆動することができる駆動機構を複数備えていることが好ましい。
本発明は、上記課題を解決するために空領域と１種類以上の物質よりなる周期構造と、前記周期構造をなす前記空領域の少なくとも一部に導入することのできる微小構造を１つ以上備えたユニットと、前記ユニットまたは前記微小構造と前記周期構造を相対的に駆動、制御することができる駆動制御機構機構とを備えることを特徴とする、構成する材料の制限が広く、また作製プロセスがシンプルで、高精度に制御可能な、変調光デバイスを提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の変調光デバイスにより、構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、少なくとも一部に空領域を備えた周期構造と、前記周期構造が備える前記空領域の少なくとも一部に出し入れすることのできる微小構造を１つ以上備えたユニットと、前記微小構造と前記周期構造を相対的に変位させる駆動機構とを備えることを特徴とする、変調光デバイスを提供するものであり、本発明により材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスが実現できる。
【００１４】
本発明における周期構造は、様々な材料で構成することが可能であり、本発明の変調光デバイスの用途に応じて、その材料を選択することが可能である。誘電体で本発明の周期構造を構成する場合、周期構造は少なくとも２種以上の誘電体により構成されており、各誘電体が１次元、２次元、または３次元方向に周期的に配列されることにより周期構造を構成している。また各誘電体が配列される周期は、デバイスに対し扱う光の波長に周期構造を構成する誘電体の屈折率を考慮したもののオーダーである。たとえば、ＳｉとＳｉＯ2 の薄膜を１次元に周期的に並べた誘電体多層膜や、Ｓｉの微小柱をＳｉＯ2 中に周期的に配列させた２次元フォトニック結晶などのように固体材料だけで構成される周期構造が挙げられる。また、周期構造を構成する材料として流体を用いてもよく、たとえばＧａＡｓ薄膜に二次元周期性を有する複数の微小空孔を形成したフォトニック結晶や、水の中に３次元周期性を有するようにＴｉＯ2 を並べることにより、周期構造を構成することもできる。このような周期構造の例として、フォトニック結晶があげられる。このように流体を用いて周期構造を構成する場合、この流体部分を本発明における空領域とすることができる。
【００１５】
さらに、本発明の周期構造を金属を用いて構成することもできる。たとえばＡｕ薄膜に周期的に空孔を開けたプラズモニック結晶などがあげられ、その周期を周期構造の表面に誘起される表面プラズモンのモードに合わせることにより２次元のプラズモニック結晶を構成することができる。また、本発明における空領域とは、周期構造のうち固体部分ではない領域を称する。周期構造を構成する材料の１種として気体や液体などの流体を用いる場合、この流体の領域つまり固体ではない領域を指す。たとえば、前述したように水の中に３次元周期性を有するようにを並べることにより構成する周期構造の水の部分や、ＧａＡｓ薄膜に二次元周期性を有する複数の微小空孔を形成することにより構成する周期構造の微小空孔部分などのことをいう。
【００１６】
また本発明の変調光デバイスは、このように空領域を含む周期構造に対し、空領域の少なくとも一部に出し入れすることのできる微小構造を有するユニットを具備する。微小構造の材料としても、本発明の光変調デバイスの用途に応じてその材料を選択することが可能である。たとえば、ＧａＡｓ基板上に半導体プロセスにより作製された微小円柱構造を微小構造とすることができる。空領域が周期性をなしていて、周期構造が非周期性を有していない場合、この微小構造を具備したユニットを周期構造中の空領域の少なくとも一部に導入することにより、周期構造に非周期性をあたえ、周期構造中を伝播する光の特性を制御することができる。
【００１７】
ここで導入とは、周期構造中の空領域に微小構造を挿入すること、すなわち空領域の体積のうちの少なくとも一部を微小構造で満たすことを意味する。出し入れするという表現は、微小構造を空領域に導入したり、空領域に導入された微小構造を食う領域から抜き出したりすることを意味する。
【００１８】
また、ユニットとは、微小構造を支持するものと微小構造をまとめて表現したもので、たとえばＧａＡｓ基板上に作製された微小円柱構造の場合、少なくとも微小円柱構造とＧａＡｓ基板をまとめて、ユニットと称する。さらに本発明の変調光デバイスは駆動機構を具備し、周期構造と微小構造との相対的な位置を制御することができる。駆動機構を用いることにより、周期構造の空領域中への微小構造の導入量を制御することができる。本明細書中で導入量とは、微小構造がどのくらい空領域に導入されているかの度合いを表現する言葉である。
【００１９】
たとえば、図１のように、Ｓｉ基板を加工した下基板１０１上に周期的に配列されたＳｉ円柱１０２よりなる周期構造１０７に、支持部としてのＳｉ基板１０４上に作製された円柱構造の微小構造１０５を具備するユニット１０６を対向させて構成した変調光デバイスの場合、図中の距離ａと距離ｂを用いてｂ／ａとして、微小構造の空領域１０３への導入量をあらわすことができる。
【００２０】
また、駆動機構は周期構造と微小構造の相対的な位置を制御するものであって、周期構造の位置、微小構造の位置、ユニットの位置のいずれを駆動するものであってよい。また、その駆動方向は用途に応じて、１次元、２次元、３次元のいずれでもよい。このように、微小構造の形状や、周期構造の空領域中の微小構造の相対位置を制御することにより、周期構造に付与する非周期性を制御することができる。
【００２１】
たとえば、周期構造がフォトニック結晶である場合、その中を伝播する光の伝播特性を制御することができる。特にフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を周期構造とした場合、様々な特性の欠陥モードを導入することができて、光の伝播特性を大きく制御できる。たとえば、フォトニックバンドギャップ中の欠陥モードを切り替えることにより、欠陥モードに対応した波長を持つ光をスイッチしたり、微小構造が発光材料を具備し欠陥領域をレーザとして構成する場合には、このレーザの発振波長を制御したりすることができる。微小構造は周期構造とは別工程で作製するため、様々な材料を用いて様々な形状の微小構造を作製することができ、周期構造の作製誤差を補正するように、別工程で精度よく作製できるため、高精度で多用途に利用できるデバイスを実現することができる。
【００２２】
（非周期）
また、非周期性を有する周期構造を用いて本発明の変調光デバイスを構成することも可能である。周期構造を固体領域のみによって構成し、非周期領域だけに空領域を設けた構成とすることにより、固体領域からなる周期構造に空領域の非周期部分を具備させることができ、この空領域に微小構造を導入するものである。また、固体領域と空領域の周期配列により周期構造を構成して周期構造の一部分だけ周期をかえることにより、周期構造に非周期性を付与するための空領域を形成することができる。さらに、固体領域のみによって構成する前記した周期構造が少なくともその一部に空領域を有しており、空領域ではない固体領域のみによって構成されている部分に周期性を乱す非周期性を具備している場合も、本明細書における非周期性を有する周期構造に含まれる。また、このような非周期性を有する欠陥構造は、周期構造中に複数あってもよい。このように、周期構造に非周期性を与えることを兼ねる空領域をあらかじめ設けておくことにより、たとえばフォトニック結晶などの場合、あらかじめ周期構造が有する欠陥モードを微小構造の導入により、さらに変調することが可能である。
【００２３】
（複数欠陥）
また、本発明の変調光デバイスを、周期構造が複数の欠陥を有し、複数の欠陥構造の特性のすべてが同一ではないように構成することができる。特にこれら複数の欠陥の特性が異なるように構成し、複数の微小構造を複数部分の空領域に導入することにより、周期構造中を伝播する光の特性をより複雑に制御することが可能であり、本デバイスひとつで、光回路などのキーデバイスを実現することが可能である。たとえばフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を例とした場合、周期構造中に複数の体積の異なる空領域を欠陥として配置することにより、フォトニックバンドギャップ内に複数の欠陥モードを存在させることができる。これら複数の空領域にそれぞれ対応する微小構造を導入したり抜き出したりすることにより、フォトニックバンドギャップ内の欠陥モードを独立にオン／オフすることができ、本デバイスにより多波長スイッチなどを構成することができる。ここで、複数の欠陥がすべて空領域によりなるものである必要もなく、複数の空領域にたいして、同様の特性を有する複数の微小構造を配置してもよい。
【００２４】
（非線形光学材料）
また、本発明の変調光デバイスを、周期構造と微小構造の少なくともどちらか一方が、非線形光学材料を有するように構成することもできる。周期構造または微小構造のどちらが非線形光学材料を有する場合においても、周期構造中の欠陥モードを微小構造の導入量により制御することにより制御できるので、周期構造中を伝播する光と非線形光学材料における相互作用の強さや相互作用する光の波長を制御することができる。
【００２５】
（発光材料）
また、本発明の変調光デバイスを、周期構造と微小構造の少なくともどちらか一方が、発光材料を有するように構成することもできる。たとえば、周期構造としてフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を用いた場合、微小構造の一部に発光材料を配置する構成が挙げられる。フォトニック結晶は誘電体薄膜に三角格子状に周期的に空孔を形成したものであるとする。複数の空孔のひとつに微小構造を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中に欠陥モードを存在させることができ、導入量を制御することにより欠陥モードを変調することができる。
【００２６】
周期構造中の微小構造を導入した部分は、周囲をフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に囲まれているため、微小共振器として機能する。導入される微小構造は発光材料を有しているため、共振器を精度よく作製すれば共振器内に閉じ込められた光により、レーザ発振を起こす。微小構造の導入量を変調することにより欠陥モードを変調し、レーザ発振波長を制御することができる、小型の波長可変レーザを実現することができる。とくに微小構造が発光材料を有する場合は、周期構造作製工程で発光材料を局所的に導入する必要がなく、微小構造作製プロセスで簡単に微小構造に導入することができる。
【００２７】
（圧電）
また本発明の変調光デバイスに駆動機構を具備する場合、駆動機構が圧電素子によりなる機構を含むように駆動機構を構成することができる。圧電素子としては、たとえばピエゾ素子などが挙げられ、印加する電圧を制御することによりナノメートルレベルでの制御が可能となる。また周期構造と微小構造の相対的な駆動方向は１次元、２次元、３次元のいずれも駆動機構の構成により可能である。たとえば、薄膜状の周期構造に対して設けられた空領域中で、微小構造を薄膜の面に対して垂直方向に駆動しても、平行な方向に駆動しても欠陥モードを制御することができる。
【００２８】
（流体）
また本発明の変調光デバイスに駆動機構を具備する場合、駆動機構が流体を用いた機構を含むように駆動機構を構成することができる。流体としては、空気などの気体やオイルなどの液体を用いる。たとえば、エアーシリンダーを用いた機構や、油圧方式の機構により駆動機構を構成し、周期構造と微小構造の相対的な位置を高精度に制御することができる。
【００２９】
（静電）
また本発明の変調光デバイスに駆動機構を具備する場合、駆動機構が静電駆動機構を含むように駆動機構を構成することができる。静電駆動機構はマイクロメカニクス技術などで用いられている方式で、たとえば近接した１対の櫛歯電極の間の静電引力を利用して櫛歯間の距離を制御するものが挙げられる。櫛歯電極間に電圧を印加することでその間の静電引力を変化させて櫛歯間の距離を制御するので、高周波電圧による高速変調などが可能である。
【００３０】
（複数微小構造）
また、本発明における少なくとも１つのユニットが複数の微小構造を備えており、複数の微小構造のうち少なくとも一つの微小構造の特性が、他の微小構造とは異なるように、変調光デバイスを構成することもできる。たとえば、形状と特性が異なる複数の微小構造を１つのユニットに備えさせることにより、２次元フォトニック結晶の中の同一形状の同一特性の複数の空領域に同時に、異なる複数の微小構造を導入することができる。複数の微小構造を導入する空領域が、周期構造が有する複数の光導波路中にある場合は光導波路中を伝播する複数の光の特性を同時に変化させることができる。また複数の微小構造の特性がそれぞれ異なるため、複数の光導波路を伝播する複数の光の波長をそれぞれ異なるものにすることができ、多波長の光を同時にスイッチングできる素子などを実現することができる。
【００３１】
この場合、周期構造にあらかじめ欠陥構造などを作製しておく必要もなく、導入する微小構造を別工程で作製することにより、周期構造中に設ける欠陥モードを微小構造の特性により選択することができる。さらに、あらかじめ周期構造中に空領域によりなる複数の欠陥構造を作製しておき、そこに微小構造を導入することにより、欠陥モードを同時に制御することも可能である。
【００３２】
また、本発明において、複数の微小構造と、複数の微小構造をそれぞれ独立に駆動することができる駆動機構を複数備えるように変調光デバイスを構成することができる。このような構成にすることにより、周期構造中に導入する微小構造の導入量や、周期構造と微小構造の相対的な位置をそれぞれ独立に制御することができ、たとえば周期構造がフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶である場合、フォトニックバンドギャップ内の欠陥モードをそれぞれ独立に変調して制御することができる。さらに、それぞれの微小構造が発光材料を有している場合、波長可変かつ多波長レーザ素子などを実現することができる。複数の微小構造はひとつのユニットに配置されていても、複数のユニットに配置されていてもよく、ひとつのユニットに配置されている場合は、そのユニットに複数微小構造と周期構造との相対的な位置を独立に制御する機構が含まれているものとする。
【実施例】
【００３３】
実施例１
本発明の変調光デバイスの実施例を図２から図５を用いて説明する。図２は本実施例に用いる周期構造の斜視図、図３は断面図を示す。
【００３４】
周期構造２０１は厚さ約５００マイクロメートルのＳｉ基板２０２、厚さ約２マイクロメートルのＳｉＯ2 層２０３、厚さ約２００ナノメートルのＳｉ層２０４からなるＳＯＩ基板を用いて作製したものである。一般的にＳＯＩ基板のＳｉＯ２層、Ｓｉ層はそれぞれＢＯＸ（埋め込み酸化）層、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）層と称される。
【００３５】
本実施例ではＳＯＩ基板に電子線レジストを塗布し、ＥＢ（電子線）描画装置を用いてドットパターンの描画を行いレジストを現像する電子線リソグラフィー技術と、レジストパターンをマスクとしてのドライエッチング技術を用いることにより、ＳＯＩ基板２０１のＳＯＩ層２０４に直径約２００ナノメートル、高さ約２００ナノメートルの複数の円柱空孔２０５を作製する。電子線描画の際に描画パターンを高精度に制御することにより、複数の円柱空孔はＳＯＩ層面に平行な２次元方向に周期約４００ナノメートルの三角格子状の周期構造をなすように形成される。この構造は赤外光のある波長領域において、フォトニックバンドギャップを生じる２次元フォトニック結晶として機能する。
【００３６】
本実施例では周期構造２０１とフォトニック結晶素子という表現を同一のものとして用いる。また、光が導波する部分は空孔を設けたＳＯＩ層２０４中である。本実施例では、三角格子状に並んだ空孔の周期構造において伝播方向がΓ−Ｋ方向でＳＯＩ層２０４面に対してＴＥ偏光の光を扱う場合、波長約１４００ナノメートルから約１６００ナノメートルの波長領域にフォトニックバンドギャップを生ずる。つまりＴＥ偏光でΓ−Ｋ方向に伝播するこの波長領域の波長を持つ光は本実施例の周期構造２０１内に存在することはできない。
【００３７】
図４は本実施例に用いるユニットを表す図で、本実施例の周期構造と同様にＳＯＩ基板を用いて作製するものである。縦約１センチメートル、横約１センチメートルのユニットであり、厚さ約５００マイクロメートルのＳｉ基板４０２、厚さ約２マイクロメートルのＳｉＯ2 （ＢＯＸ）層４０３を支持基板として、Ｓｉ（ＳＯＩ）層を加工して作製した直径約１５０ナノメートル、高さ約５００ナノメートルの微小構造４０４を具備するユニットが４０１である。
【００３８】
図５は本実施例の変調光デバイスを示す図で、ユニット４０１は駆動機構５０１に支持され、フォトニック結晶素子２０１は駆動機構５０１の具備するピエゾステージ５０２に支持されている。駆動機構によりピエゾステージ５０２を駆動することにより、ユニット４０１が具備する微小構造４０４の、フォトニック結晶素子２０１に対する相対的な位置を制御することができる。つまり、微小構造４０４のフォトニック結晶素子２０１の有する１つの空孔内への導入量を制御できる。
【００３９】
本実施例において、フォトニック結晶素子２０１の駆動方向はフォトニック結晶素子の面に垂直な１次元方向とするので、図１に示したｂ／ａを導入量とする。ＳＯＩ層２０４面に対してＴＥ偏光でフォトニック結晶の周期構造に対してΓ−Ｋ方向に伝播する光を扱うとして、本実施例に用いるフォトニック結晶はある波長領域においてフォトニックバンドギャップを有するが、駆動機構５０１によりｂ／ａを変化させてやることにより、フォトニックバンドギャップ内に欠陥準位を生じることができさらに欠陥準位の波長を変化させることができる。つまり、ｂ／ａが０の時にはフォトニック結晶素子２０１を透過することができなかった波長の光がｂ／ａ＞０とすることにより、透過することができるようになる。ｂ／ａの値によりフォトニック結晶中に形成される欠陥構造部分５０３での欠陥モードは変化するので、透過できる光の波長はｂ／ａの値により変化する。さらには、ｂ／ａの値を０と１とで切り替えることにより、ｂ／ａが１の時に透過できるようになる波長の光をオン・オフでスイッチングすることができる。本実施例の変調光デバイスにより、波長選択フィルターや光スイッチを実現することができる。
【００４０】
実施例２
図６は、実施例１に用いたフォトニック結晶素子２０１を用いて構成した実施例２の変調光デバイスを表す図であり、ひとつのユニット６０１に約３２０ナノメートルの間隔で１次元的に微小構造４０４と同様の形状、材質の複数の微小構造６０２を設けてある。ユニット６０１の具備する微小構造６０２はすべて同一のものである。駆動機構も実施例１に用いたものと同様のもので、駆動機構５０１に支持された複数のユニット６０１および微小構造６０２に対して相対的に、ピエゾステージ５０２を１次元的に駆動して複数の微小構造６０２のフォトニック結晶素子のフォトニック結晶部の空孔への導入量を制御する。複数の微小構造６０２を設けることにより複数欠陥の共鳴増強効果が生じ、フォトニックバンドギャップ内の波長の光を入射した場合、この光の透過率を向上させることができる。つまり、性能の高い光スイッチを実現することができる。
【００４１】
実施例３
本実施例は、波長変換素子の実施例を説明するものである。図７は、本実施例の変調光デバイスを表す説明図である。
【００４２】
図７中７０１は、ＴｉＯ2 をＥＢリソグラフィー技術とエッチングプロセス技術を用いて作製した１次元フォトニック結晶で、厚さ約４００ナノメートル、幅約３マイクロメートルの光導波路に導波路方向に周期性を持つように空孔による周期構造が設けてある。２次元のフォトニック結晶と同様に１次元のフォトニック結晶においてもフォトニックバンドギャップに相当するストップバンドが生じる。また、対向するように微小構造７０３を配置してある。微小構造は実施例１、２と同様に実際にはユニットの支持部に結合されているが図では、省略してある。微小構造は非線形材料であるＬＮ（ＬｉＮｂＯ3 ）部分７０４とガラス部分７０５からなる。本実施例では、微小構造７０３のＬＮ部分７０４をフォトニック結晶７０１の１つの空孔７０２に導入することで、フォトニック結晶７０１のストップバンド中に欠陥準位を生じさせることができる。
【００４３】
微小構造７０３を導入した空孔付近はフォトニック結晶７０１全体に対して欠陥構造となる。ストップバンド中の欠陥準位の波長に相当する波長を持つ光をフォトニック結晶７０１に入射すると、その光は欠陥構造付近において共振することになり、この欠陥構造付近にＬＮなどの非線形光学材料が存在すると共振する光と非線形材料の間で相互作用が起こる。微小な領域に光を閉じ込めて相互作用させることができるので、実質的な相互作用の強さを増強することができる。つまり、本実施例の形態により効率のよい、小型な波長変換素子が実現できる。
【００４４】
実施例４
図８は本実施例において用いる周期構造を有する素子８０１を示すものである。素子８０１は厚さ約５００マイクロメートルのＧａＡｓ基板８０２上に、光のクラッド層８０３として厚さ約２マイクロメートルのＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓと、光を閉じ込めて伝播させるためのコア層８０４として厚さ約５００ナノメートルのＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓをエピタキシャル成長法により成膜したものの、コア部８０４とクラッド部８０３を反応性イオンビームエッチング法により加工したものである。コア部８０４およびクラッド部８０３は図のように幅約３マイクロメートルの光の入射導波路８０５と幅約３マイクロメートルの光の出射導波路８０６がパターにングされており、８０５と８０６の間にフォトニック結晶構造を有する。８０７はフォトニック結晶領域を形成するために必要な領域で、入射導波路と出射導波路の間にあり幅約１０マイクロメートルでパターニングされている。
【００４５】
図９に本実施例に用いるフォトニック結晶構造を図式化する。フォトニック結晶は、領域８０７のうち入射導波路８０５と出射導波路８０６との間の領域に作製されており、コア層８０４に三角格子状に周期的に空孔９０１を作製したものである。空孔９０１よりなる周期構造の周期は約４００ナノメートルで、このときのＡｉｒ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒが０．４１となるように、空孔９０１の直径を制御してある。また、この周期構造中に１箇所まわりの空孔９０１の直径より大きな直径を有する欠陥空孔９０２を作製してある。欠陥空孔９０２はフォトニック結晶９０３の全体の周期構造に対して欠陥として機能する。
【００４６】
フォトニック結晶９０３は、波長約９００ナノメートルから１０００ナノメートル付近の波長を有し、素子の面に対してＴＭ偏光を有し、フォトニック結晶のΓ−Ｍ方向に対して伝播する光に対して、フォトニックバンドギャップを有する。つまり、このような光は本来このフォトニック結晶を透過することはできないが、本実施例においてはフォトニック結晶中に欠陥空孔９０２が存在するため、フォトニックバンド中のある波長領域に欠陥準位を持つことができる。これは、欠陥空孔９０２に光が局在するときのモードにより決まり、欠陥空孔９０２の大きさを変えることにより、変化させることができる。本実施例では、このようなパターン図８中のように３つ並列に並べた素子８０１を用いる。素子８０１中の３つの光入出力部分およびフォトニック結晶部分の構造はすべて同様のものとする。図１０に本実施例のデバイスの全体図を示す。
【００４７】
図１０は図８の素子８０１のＡ−Ｂにおける断面図である。３つのフォトニック結晶領域に対向させて駆動機構１００５、１００６、１００７に支持された３つのユニット１００１、１０１０、１０１１が配置されている。各ユニットは微小構造を有しておりそれぞれの微小構造は構造、特性ともに同様のものである。ユニット１００１を例にして、その微小構造は発光材料または利得材料部分１００４と支持部１００３からなる。発光材料部分または利得材料部分は、本実施例のフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ付近の波長に対して利得作用があるもので、ＡｌＧａＡｓ材料を用いて作製してある。また、支持部は発光材料または利得材料部分とはその組成を変えたＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓにより作製されている。３つの微小構造は、駆動機構１００５、１００６、１００７により３つのフォトニック結晶領域に存在する同様な欠陥空孔９０２、１００８と１００９に導入することができる。
【００４８】
また、各駆動機構は３次元に対応したピエゾ素子が組み込まれており、１次元だけでなく３次元方向にユニットをナノメートルオーダーで駆動することができる。このことにより、３つのフォトニック結晶の３つの欠陥空孔の欠陥モードを独立に制御することが可能で、これはフォトニックバンドギャップの中の欠陥準位の波長をそれぞれ独立に制御することができることを意味する。
【００４９】
フォトニック結晶中でのこのような欠陥は微小共振器として機能し、本実施例のように欠陥構造の中に発光材料を導入することができる場合、レーザ発振が可能となる。例えばフォトニックバンドギャップ外の波長有するＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍波を入射導波路からフォトニック結晶部分に導入すると微小構造の発光材料部分が励起されて発光が起こる。発光により放出した光は、フォトニックバンドギャップ内の波長であるので、欠陥構造部分に閉じ込められて共振する。結果的に発光材料部分を導入した欠陥構造部分でレーザ発振を起こすことができる。本実施例のデバイスでは３つの欠陥構造における欠陥モードを独立に制御することができるので、波長可変かつ集積化された微小レーザを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の変調光デバイスは、構成材料に制限されない、作製プロセスがシンプルで、多用途に向き、高精度に制御可能なデバイスを実現することができるので、光スイッチ、波長可変光源、フィルター等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の変調光デバイスの一例を示す説明図である。
【図２】実施例１に用いる周期構造を表す斜視図である。
【図３】実施例１に用いる周期構造を表す概略図である。
【図４】実施例１に用いるユニットを表す概略図である。
【図５】実施例１の変調光デバイスを表す概略図である。
【図６】実施例２の変調光デバイスを表す概略図である。
【図７】実施例３の変調光デバイスを表す概略図である。
【図８】実施例４に用いる素子を表す概略図である。
【図９】実施例４に用いる周期構造を表す概略図である。
【図１０】実施例４の変調光デバイスを表す概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０１ 下基板
１０２ Ｓｉ円柱
１０３ 空領域
１０４ Ｓｉ基板
１０５ 微小構造
１０６ ユニット
１０７ 周期構造
２０１ 周期構造
２０２ Ｓｉ基板
２０３ ＳｉＯ2 層（ＢＯＸ層）
２０４ Ｓｉ層（ＳＯＩ層）
２０５ 円柱空孔
４０１ ユニット
４０２ Ｓｉ基板
４０３ ＳｉＯ2 層（ＢＯＸ層）
４０４ 微小構造
５０１ 駆動機構
５０２ ピエゾステージ
５０３ 欠陥構造部分
６０１ ユニット
６０２ 微小構造
７０１ フォトニック結晶
７０２ 空孔
７０３ 微小構造
７０４ ＬＮ（ＬｉＮｂＯ3 ）部分
７０５ ガラス部分
８０１ 素子
８０２ ＧａＡｓ基板
８０３ クラッド層
８０４ コア層
８０５ 入射導波路
８０６ 出射導波路
８０７ 領域
９０１ 空孔
９０２ 欠陥空孔
９０３ フォトニック結晶
１００１ ユニット
１００２ 下基板
１００３ 支持部
１００４ 発光材料部分または利得材料部分
１００５ 駆動機構
１００６ 駆動機構
１００７ 駆動機構
１００８ 欠陥空孔
１００９ 欠陥空孔
１０１０ ユニット
１０１１ ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期構造と、前記周期構造の微小部分との距離が制限される一つ以上の微小構造を有するユニットを備えていることを特徴とする変調光デバイス。
【請求項２】
前記周期構造が少なくとも１つ以上の空領域を有し、前記空領域に出し入れすることのできる少なくとも１つ以上の微小構造を有するユニットとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の変調光デバイス。
【請求項３】
前記周期構造の一部が周期構造の周期性を乱す欠陥構造からなり、前記周期構造が非周期性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の変調光デバイス。
【請求項４】
前記周期構造が複数の欠陥構造を有しており、前記複数の欠陥構造が同一ではないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項５】
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、非線形光学材料を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項６】
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、発光材料を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項７】
前記微小構造と前記周期構造を相対的に変位させる駆動機構と含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項８】
前記駆動機構が圧電素子によりなる機構を含むことを特徴とする請求項７に記載の変調光デバイス。
【請求項９】
前記駆動機構が、流体を用いた機構を含むことを特徴とする請求項７に記載の変調光デバイス。
【請求項１０】
前記駆動機構が、静電駆動機構を含むことを特徴とする請求項７に記載の変調光デバイス。
【請求項１１】
前記ユニットが複数の微小構造を備えており、前記複数の微小構造のうち少なくとも一つの微小構造の特性が、他の微小構造とは異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項１２】
複数の微小構造と、前記複数の微小構造をそれぞれ独立に駆動することができる駆動機構を複数備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項１】
周期構造と、前記周期構造の微小部分との距離が制限される一つ以上の微小構造を有するユニットを備えていることを特徴とする変調光デバイス。
【請求項２】
前記周期構造が少なくとも１つ以上の空領域を有し、前記空領域に出し入れすることのできる少なくとも１つ以上の微小構造を有するユニットとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の変調光デバイス。
【請求項３】
前記周期構造の一部が周期構造の周期性を乱す欠陥構造からなり、前記周期構造が非周期性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の変調光デバイス。
【請求項４】
前記周期構造が複数の欠陥構造を有しており、前記複数の欠陥構造が同一ではないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項５】
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、非線形光学材料を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項６】
前記周期構造と前記微小構造の少なくともどちらか一方が、発光材料を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項７】
前記微小構造と前記周期構造を相対的に変位させる駆動機構と含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項８】
前記駆動機構が圧電素子によりなる機構を含むことを特徴とする請求項７に記載の変調光デバイス。
【請求項９】
前記駆動機構が、流体を用いた機構を含むことを特徴とする請求項７に記載の変調光デバイス。
【請求項１０】
前記駆動機構が、静電駆動機構を含むことを特徴とする請求項７に記載の変調光デバイス。
【請求項１１】
前記ユニットが複数の微小構造を備えており、前記複数の微小構造のうち少なくとも一つの微小構造の特性が、他の微小構造とは異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【請求項１２】
複数の微小構造と、前記複数の微小構造をそれぞれ独立に駆動することができる駆動機構を複数備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかの項に記載の変調光デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２２０９７０（Ｐ２００６−２２０９７０Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４９９３（Ｐ２００５−３４９９３）
【出願日】平成１７年２月１０日（２００５．２．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１０日（２００５．２．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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