２次元フォトニック結晶及びそれを用いた光機能素子
【課題】 進路切り替えを行うことができる光進路切替スイッチ等に用いることができる２次元フォトニック結晶を提供する。
【解決手段】 本体１１上に空孔１３１及び１３２の周期や大きさが異なる第１領域１２１及び第２領域１２２を形成し、これらの領域の境界１４に斜めに交差するように幹導波路１５を形成する。また、幹導波路１５と境界１４の交点を起点として幹導波路１５から第１領域１２１側に分岐する枝導波路１７を形成する。第２領域１２２を加熱して該領域内の本体の屈折率を変化させることにより、第２領域１２２の幹導波路１５を通過することのできる周波数帯域が変化する。特定の周波数を有し幹導波路１５の第１領域１２１側から伝播する光は、上記加熱の有無により、幹導波路１５の第２領域１２２側から取り出されるか、第２領域１２２の幹導波路１５を伝播できずに枝導波路１７から取り出されるか、が切り替えられる。
【解決手段】 本体１１上に空孔１３１及び１３２の周期や大きさが異なる第１領域１２１及び第２領域１２２を形成し、これらの領域の境界１４に斜めに交差するように幹導波路１５を形成する。また、幹導波路１５と境界１４の交点を起点として幹導波路１５から第１領域１２１側に分岐する枝導波路１７を形成する。第２領域１２２を加熱して該領域内の本体の屈折率を変化させることにより、第２領域１２２の幹導波路１５を通過することのできる周波数帯域が変化する。特定の周波数を有し幹導波路１５の第１領域１２１側から伝播する光は、上記加熱の有無により、幹導波路１５の第２領域１２２側から取り出されるか、第２領域１２２の幹導波路１５を伝播できずに枝導波路１７から取り出されるか、が切り替えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチや電気光学変調器等の光デバイスに用いられる２次元フォトニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化、小型化、低価格化が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品の有力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイス（光機能素子）がある。これは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバーなどが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信(Wavelength Division Multiplexing:WDM)に使用される光合分波器、電気信号と光信号との間の変換を行う電気光学変調器、光のON/OFFを制御する光スイッチ等の光機能素子の開発が実用化に向けて進められている。
【０００３】
フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」(Photonic Band Gap:PBG)と呼ばれる。
【０００４】
このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、PBG中にエネルギー準位（欠陥準位）が形成され、その欠陥準位に対応する周波数（波長）の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその周波数の光の光共振器として使用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用することができる。
【０００５】
上記技術の一例として、特許文献１には、空気よりも屈折率が高い材料から成る本体（スラブ）に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して点状欠陥を形成した２次元フォトニック結晶が記載されている。この２次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な周波数の光のうち共振器の共振周波数に一致する周波数の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。
【０００６】
特許文献２には、本体を複数の領域に分け、複数の領域を通過する導波路を形成し、領域毎に異屈折率領域の周期や大きさ等を異なるものとすることにより、各領域の導波路を通過することができる光の周波数帯域を異なるものとした２次元フォトニック結晶が記載されている。この構成では、ある領域（第１領域とする）の導波路通過周波数帯域には含まれ、その領域に隣接する領域（第２領域とする）の導波路通過周波数帯域には含まれない周波数の光は、第１領域の導波路から第２領域の導波路に伝播することができず、これらの領域の境界において反射される。上記周波数の光に共振する共振器を第１領域の導波路の近傍に設けることにより、導波路を伝播するこの周波数の光は、たとえ共振器に導入されずに通過したとしても、上記境界において反射され、上記共振器により取り出される。これにより、分波の効率が高くなる。
【０００７】
特許文献３には、特許文献１と同様の方法により導波路を形成した２次元フォトニック結晶に電流を注入しない／することにより、所定の周波数の光が導波路を伝播する／しない（光をON/OFFする）ように制御することができる光スイッチが記載されている。この光スイッチの動作原理は次の通りである。電流が注入されない時には、PBG内の周波数の光は本体内で存在することができないため導波路内に閉じ込められ、導波路内を伝播する（ON状態）。電流が注入された時には、本体の屈折率が変化することによりPBGが変化するため、その周波数の光は導波路から周囲の本体に漏れ出してしまい、導波路を伝播することができない（OFF状態）。本体の材料（屈折率）や異屈折率領域の周期を調整することにより、２次元フォトニック結晶に電流を注入しない時をOFF、注入した時をONとすることもできる。
【０００８】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0023]〜[0027]、[0032]、図1、図5〜6）
【特許文献２】特開2004-233941号公報（[0050]〜[0053]、図3）
【特許文献３】特開2002-303836号公報（[0022]、[0028]〜[0043], 図3〜4）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３の光スイッチの構成では、光の進路を切り替える光スイッチには用いることができない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、進路切り替えを行うことができる光進路切替スイッチに用いることができる２次元フォトニック結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１の態様のものは、
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有し、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)前記共通通過周波数帯域が変化するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２の態様のものは、
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
屈折率分布を変化させる領域は第２領域であることが望ましい。
【００１４】
第２領域の屈折率分布は第１領域の屈折率分布を比例拡大又は比例縮小したものとすることができる。これにより、第１通過周波数帯域及び第２通過周波数帯域を上記のように設定することができる。
【００１５】
前記屈折率変化手段は、熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果、応力効果のいずれかを利用したものとすることができる。ここで熱光学効果とは、熱が加わることによりその領域の屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいい、具体的には、例えば熱光学効果を利用した屈折率変化手段としては、第２領域にレーザ光を照射することにより該領域を加熱するものや、第２領域の近傍に加熱用部材を設けたものを挙げることができる。同様に、電気光学効果、磁気光学効果とは、静電界や振動電界或いは静磁界や振動磁界が印加されることによりその領域の屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいう。更に、非線形光学効果とは、強い光が入射すると、通常は光強度に依存しない屈折率が変化をする効果をいう。応力効果とは、外部から力学的な力が印加されることによりその領域の内部に生じる応力が変化して屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいう。
【００１６】
本発明の２次元フォトニック結晶は、光スイッチ、電気光学変調器、光強度変調器として用いることができる。このうち電気光学変調器では、前記屈折率変化手段には外部からの電気信号に応じて変化する電界を生成し、それにより第２領域の屈折率分布を変化させるものを用いる。また、光強度変調器には、前述の、屈折率分布を変化させる前後のいずれか一方又は双方において、共通周波数帯域が第２通過周波数帯域のうち、光の通過強度が最大値を持たない帯域を含む２次元フォトニック結晶を用いる。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１７】
本発明に係る２次元フォトニック結晶には、本体に、相異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域の２つの領域を形成する。従来の２次元フォトニック結晶と同様、本体には平板状のスラブを用い、屈折率分布としては、例えば本体とは屈折率の異なる領域（異屈折率領域）を本体に周期的に配置することにより形成することができる。この異屈折率領域は、本体に空孔を設けることにより形成することが、作製が容易であり本体との屈折率の差を大きく取ることができるため望ましい。
【００１８】
この本体に、第１領域と第２領域の境界を斜めに交差する導波路を設ける。この導波路を幹導波路と呼ぶ。幹導波路は、従来の２次元フォトニック結晶と同様に、屈折率分布の欠陥を線状に設けることにより形成することができる。２次元フォトニック結晶では、導波路の幅等の導波路自体のパラメータの他に、本体の屈折率分布の周期等の本体側のパラメータによっても導波路を伝播（通過）することができる光の周波数帯域（通過周波数帯域）が変化する。そのため、本発明の２次元フォトニック結晶では第１領域の通過周波数帯域である第１通過周波数帯域と第２領域の通過周波数帯域である第２通過周波数帯域は一般に異なるものとなる。第１態様の２次元フォトニック結晶では、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通の帯域（共通通過周波数帯域）を有するように第１領域及び第２領域における上記パラメータを設定する。
【００１９】
第２の態様の２次元フォトニック結晶は、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を持たない。それ以外の点では、上記第１の態様の２次元フォトニック結晶と同様である。
【００２０】
第１、第２の両態様のフォトニック結晶とも、幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する導波路を設ける。この導波路を枝導波路と呼ぶ。
【００２１】
そして、前記共通通過周波数帯域が変化するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段を設ける。ここで、屈折率分布は第１領域又は第２領域全体の（分布を有する）屈折率を変化させるものであってもよいし、屈折率分布を構成する要素の一部のみを変化させるものであってもよい。例えば、本体に別異の部材を周期的に埋め込んで屈折率分布を形成した場合には、本体の屈折率と該部材の屈折率の双方を変化させてもよいし、いずれか一方のみを変化させてもよい。本体に空孔を周期的に設けて屈折率分布を形成した場合には、本体のみ屈折率を変化させればよい。屈折率変化手段の具体例については後述する。
【００２２】
このように構成された本発明に係る２次元フォトニック結晶は、幹導波路の第１領域側から第２領域側に向けて伝播する光に対して、光スイッチとして作用する。以下では、スイッチされる光の周波数（以下、「スイッチ周波数」とする）が、(1)第１領域又は第２領域の屈折率分布が変化する前の共通通過周波数帯域に含まれる場合、及び、(2)該屈折率分布が変化する前の共通通過周波数帯域に含まれない場合、に分けて説明する。
【００２３】
(1)スイッチ周波数が屈折率分布変化前の共通通過周波数帯域に含まれる場合
この場合、屈折率変化前には、スイッチ周波数の光は幹導波路の第１領域側と第２領域側の双方を通過することができるため、幹導波路を第１領域から伝播してくる光は第２領域側から取り出すことができる。第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させることにより共通通過周波数帯域が変化すると、変化前の第１通過周波数帯域の一部が共通通過周波数帯域から外れる。スイッチ周波数を、その変化する部分の共通通過周波数帯域内に設定しておくと、スイッチ周波数の光は幹導波路の第２領域側を伝播することができなくなり、前記境界において反射される。この反射光は、前記境界と幹導波路が斜交していることから、幹導波路の第１領域側にそのまま戻るのではなく、枝導波路に導入される。このように、幹導波路の第１領域側から第２領域側に向けて伝播するスイッチ周波数の光は、屈折率分布の変化の前後で、幹導波路の第２領域側を通過するか、第１領域側の枝導波路を通過するかが切り替えられる。
【００２４】
(2)スイッチ周波数が屈折率分布変化前の共通通過周波数帯域に含まれない場合
この場合、屈折率分布の変化前には、スイッチ周波数の光は幹導波路の第２領域側を通過することができず、枝導波路に導入される。第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させることにより共通通過周波数帯域が変化すると、変化前には共通通過周波数帯域に含まれていなかった第１通過周波数帯域の一部が共通通過周波数帯域に含まれるようになる。スイッチ周波数がその帯域に含まれるように設定しておくことにより、スイッチ周波数の光は変化後に幹導波路の第２領域側を伝播することができるようになる。このように、幹導波路の第１領域側から第２領域側に向けて伝播するスイッチ周波数の光が、屈折率分布の変化の前後で、枝導波路を通過するか、幹導波路の第２領域側を通過するかが切り替えられる。
【００２５】
第１の態様の２次元フォトニック結晶では上記(1)(2)のいずれの場合でもスイッチングが生じ、第２の態様の２次元フォトニック結晶は上記(2)の場合に（この場合、屈折率分布が変化する前には、共通通過周波数帯域が存在せず、変化後に共通通過周波数帯域が生成する）スイッチングが生じる。これらの２次元フォトニック結晶はいずれも、枝導波路と幹導波路の第２領域側の間で進路切り替えを行うことができる光進路切替スイッチとなる。また、枝導波路又は幹導波路の第２領域側のいずれか一方において、光を通過させるか遮断するかを切り替えることができる光ON/OFFスイッチとなる。
【００２６】
また、本発明の２次元フォトニック結晶は、外部からの電気信号のON/OFFに応じて第１領域又は第２領域の屈折率を変化させる屈折率変化手段を用いることにより、電気信号のON/OFFを光のON/OFFに変換する電気光学変調器となる。
【００２７】
第２領域の屈折率分布及び幹導波路を、第１領域のそれらを比例拡大又は比例縮小したものとすることにより、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域の一部に共通周波数帯域を形成することができる。
【００２８】
第１及び第２通過周波数帯域内では、その帯域内のほとんどの周波数において、導波路の光をほぼ100%通過させることができる。しかし、通過周波数帯域の端付近の一部の帯域（以下、これを「可変帯域」という）においては、導波路の伝播効率が100%以下となる。この可変帯域を用いることにより、導波路を伝播する光の強度変調を行うことができる。すなわち、屈折率分布変化の前後のいずれか一方又は双方において、共通周波数帯域が可変帯域を含むようにし、スイッチ周波数がその中に含まれるようにする。この場合、スイッチ周波数の光は、第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる前と後で、幹導波路の第２領域側又は枝導波路側においてその強度が変化する。従って、この態様の２次元フォトニック結晶は、第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させることにより光の強度を制御することのできる光強度変調器として使用することができる。
【００２９】
次に、屈折率変化手段について説明する。第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させるために、前述の熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果又は応力効果を利用することができる。
【００３０】
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の一例として、屈折率を変化させる領域に強い光を照射するものを挙げることができる。この場合、光を照射しない方の領域の温度が変化しないように、照射光の光源にはレーザ光源を用いることが望ましい。なお、照射光をOFFにした時に光を照射した領域の温度を素早く元に戻すために、その領域に低温熱浴を接触させてもよい。
【００３１】
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の他の例として、屈折率を変化させる領域の近傍に加熱用部材を設けたものを挙げることができる。例えば原子間力顕微鏡の探針のような微小部材を屈折率を変化させる領域の直上に配置し、この微小部材を加熱することにより、微小部材の近傍の屈折率を変化させる領域のみを加熱し、微小部材から離れた屈折率を変化させない領域の温度が変化することを抑えることができる。
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の他の例として、屈折率を変化させる領域の周期屈折率分布を形成した部分の外側に設けたヒータを挙げることができる。
熱光学効果は、SiやInGaAsP等、２次元フォトニック結晶に用いられる材料に共通して生じ、それを利用するために特別な材料を用いる必要がない。
【００３２】
電気光学効果を利用した屈折率変化手段の一例として、屈折率を変化させる領域に電界を印加し、外部信号に応じてその電界をON/OFFするものを挙げることができる。電気光学効果を有する材料には、LiNbO3等がありこれを本体の材料に用いることにより、本発明を実現することができる。同様に、磁気光学効果を利用した屈折率変化手段として、屈折率を変化させる領域に磁界を印加し、外部信号に応じてその磁界をON/OFFするものを用いることができる。磁気光学効果を有する材料には、イットリウム鉄ガーネット等があり、これを本体の材料に用いることにより、本発明を実現することができる。
【００３３】
非線形光学効果を利用した屈折率変化手段としては、外部信号に応じて、屈折率を変化させる領域に光を照射するものを用いることができる。非線形光学効果を有する材料には、LiTaO3等があり、これを本体の材料に用いることにより、本発明を実現することができる。
【００３４】
応力効果を利用した屈折率変化手段としては、マイクロアクチュエータや前記微小部材等、屈折率を変化させる領域に力を印加するものを用いることができる。応力効果は２次元フォトニック結晶に用いられる材料に一般的に生ずるものであるため、この効果を利用するために特別な材料を用いる必要はない。
【００３５】
屈折率を変化させる領域は前述の通り第１領域、第２領域のいずれでもよいが、枝導波路を形成しない第２領域は第１領域よりも小さくすることができるため、第２領域の屈折率を変化させる方が望ましい。
【実施例】
【００３６】
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１の実施例を図１に示す。本実施例では、板状の本体１１を３個の領域１２１、１２２、１２３に分ける。本体の材料にはSiやInGaAsP等、従来の２次元フォトニック結晶の材料と同じものを用いる。領域１２１は上記第１領域に該当し、領域１２２は第２領域に該当する。また、領域１２３を第３領域と呼ぶ。第１領域１２１と第３領域１２３にはそれぞれ同一の径を持つ円形の空孔１３１を多数、同一の周期で三角格子状に形成する。第２領域１２２にはそれらの空孔１３１よりも小さい空孔１３２を多数、第１領域１２１及び第３領域１２３よりも小さい周期で三角格子状に形成する。この第２領域１２２の空孔の大きさ及び周期は、第１領域１２１のそれらを比例縮小したものとなっている。
【００３７】
第１領域１２１、第２領域１２２及び第３領域１２３を通り、第１領域１２１と第２領域１２２の境界１４に対して斜交する（すなわち、90°以外の角度をなして通過する）ように、空孔１３１及び１３２による周期構造を設けない線状の空間を形成する。この線状の空間（線状欠陥）が幹導波路１５となる。上記角度は、本実施例では60°とした。また、幹導波路１５と境界１４の交点１６から第１領域１２１側に、幹導波路１５及び境界１４に対して60°の角度で伸びる枝導波路１７を形成する。
【００３８】
また、第２領域１２２内にあって、その領域の幹導波路１５の長さと同程度の径を有する制御光照射領域１８（図中の破線の円内）にレーザ光（制御光）を照射する制御光照射手段（図示せず）を設ける。この制御光照射手段は、制御光照射領域１８への制御光の照射をON/OFFして該領域の温度を制御することにより、該領域内の本体１１の屈折率を変化させるものである。本体１１の材料がSi（室温での屈折率=3.4）である場合、制御光照射領域１８に制御光を照射して温度を上昇させることにより、第２領域１２２の屈折率を大きくすることができる。制御光照射領域１８の径は、例えば図１に示したように空孔８周期分程度であって幹導波路１５を1.5μm帯の光が伝播するように空孔の周期を定めた場合には、約300μmとなる。
【００３９】
第３領域１２３は第１領域１２１と同じ構成を有するため、第１領域１２１の幹導波路１５と同じ通過周波数帯域を有する。従って、第１領域１２１の幹導波路１５を通過することができる光は、第２領域１２２の幹導波路１５を通過することができれば、そのまま第３領域１２３の幹導波路１５を通過することができる。この第３領域１２３は、第２領域１２２の幹導波路１５を通過した光の取り出し口としての役割を有する。
【００４０】
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２の実施例を図２に示す。第２実施例では、第１実施例と同様に本体２１を３個の領域（第１領域２２１、第２領域２２２、第３領域２２３）に分け、第１領域２２１と第３領域２２３にはそれぞれ同一の径を持つ円形の空孔２３１を多数、同一の周期で三角格子状に形成する。第２領域２２２にはそれらの空孔２３１よりも大きい空孔２３２を多数、第１領域２２１及び第３領域２２３よりも大きい周期で三角格子状に形成する。この第２領域２２２の空孔の大きさ及び周期は、第１領域２２１のそれらを比例拡大したものとなっている。また、第１実施例の場合と同様に、幹導波路２５、枝導波路２７、制御光照射手段を設ける。
【００４１】
第１及び第２実施例の２次元フォトニック結晶の動作を、図３を用いて説明する。(a-1)及び(a-2)は第１実施例の２次元フォトニック結晶の動作を示し、(b-1)及び(b-2)は第２実施例の２次元フォトニック結晶の動作を示す。
【００４２】
第１実施例の２次元フォトニック結晶では、第１領域１２１と第２領域１２２の空孔の周期及び大きさが上記のように異なることにより、幹導波路１５の第２領域１２２側の通過周波数帯域（第２通過周波数帯域）３２ａは幹導波路１５の第１領域１２１側の通過周波数帯域（第１通過周波数帯域）３１ａよりも高周波数（短波長）側に形成される（図３(a-1)）。第１通過周波数帯域３１ａと第２通過周波数帯域３２ａには共通の周波数帯域３３ａが存在する。第２領域１２２に制御光を照射し該領域を加熱することにより、第２領域１２２の本体１１の屈折率が大きくなり、それにより第２通過周波数帯域３２ａは低周波数（長波長）側にシフトする（第２通過周波数帯域３２ａ’、図３(a-2)）。一方、第１通過周波数帯域３１ａは変化しない。これにより、共通周波数帯域は制御光照射前よりも大きくなる（共通周波数帯域３３ａ’）。
ここで、共通周波数帯域３３ａには含まれず、共通周波数帯域３３ａ’には含まれる周波数３４ａをスイッチ周波数とする。このスイッチ周波数３４ａを有する光は、第１領域１２１側から幹導波路１５に導入されると、以下のように導波路（幹導波路１５及び枝導波路１７）を伝播する。制御光照射前には、この光はそのスイッチ周波数３４ａが共通周波数帯域３３ａに含まれないため、幹導波路１５の第２領域１２２側を通過することができない。そのため、この光は境界１４において反射されて枝導波路１７に導入される。制御光照射後には、スイッチ周波数３４ａが共通周波数帯域３３ａに含まれるため、この光は境界１４を通過して第２領域１２２内の幹導波路１５に導入され、第３領域１２３側から取り出される。このように、第１実施例の２次元フォトニック結晶は、制御光を照射することによりスイッチ周波数３４ａの光の進路が枝導波路１７から幹導波路１５の第３領域１２３側に切り替わる進路切替スイッチとして機能する。また、枝導波路１７又は幹導波路１５の第３領域１２３側のいずれかから見れば、光ON/OFFスイッチとして機能する。
【００４３】
第２実施例の２次元フォトニック結晶では、第２通過周波数帯域３２ｂは第１通過周波数帯域３１ｂよりも低周波数（長波長）側に形成される（図３(b-1)）。第２領域１２２に制御光を照射することにより、第２通過周波数帯域３２ｂは低周波数（長波長）側にシフトする（第２通過周波数帯域３２ｂ’、図３(b-2)）。これにより、共通周波数帯域３３ｂは小さくなる（共通周波数帯域３３ｂ’）。
共通周波数帯域３３ｂには含まれ、共通周波数帯域３３ｂ’には含まれないスイッチ周波数３４ｂを有する光は、第１領域１２１側から幹導波路１５に導入されると、以下のように導波路（幹導波路１５及び枝導波路１７）を伝播する。制御光照射前には、スイッチ周波数３４ｂが共通周波数帯域３３ｂに含まれるため、この光は境界１４を通過して幹導波路１５の第２領域１２２側に導入され、第３領域１２３側から取り出される。一方、制御光照射後には、スイッチ周波数３４ｂが共通周波数帯域３３ｂ’には含まれないため、この光は境界１４において反射されて枝導波路１７に導入される。このように、第１実施例の２次元フォトニック結晶は、制御光を照射することによりスイッチ周波数３４ｂの光の進路が幹導波路１５の第３領域１２３側から枝導波路１７に切り替わる進路切替スイッチとして機能する。この動作は第１実施例の場合とはちょうど反対となる。また、光ON/OFFスイッチとしての動作も第１実施例の場合とはちょうど反対となる。
【００４４】
第１領域と第２領域の空孔の周期及び大きさの差が大きい場合、図４(1)に示すように、第１通過周波数帯域３１ｃと第２通過周波数帯域３２ｃが共通周波数帯域を持たないことがある。この場合において第２領域の屈折率分布を変化させて第２通過周波数帯域を移動させることにより、第１通過周波数帯域３１ｃと第２通過周波数帯域３２ｃ’が共通周波数帯域３３ｃ’を持つようにすることができる（図４(2)）。この場合、幹導波路に導入され共通周波数帯域３３ｃ’内のスイッチ周波数３４ｃを有する光は、上記第１実施例と同様に制御光のON/OFFにより枝導波路１７又は幹導波路１５の側の第３領域１２３の光をON/OFFすることができる。
【００４５】
図５に示すように、第２通過周波数帯域３２ｄのうち、高周波数側及び低周波数側の端付近の周波数帯域である可変帯域３５ｄ及び３６ｄでは、わずかな周波数の変化により、導波路を通過する光の強度が変化する。これを利用して、制御光を第２領域に照射し、第１通過周波数帯域３１ｄ内にあるスイッチ周波数３４ｄに可変帯域３５ｄ又は３６ｄが差し掛かるように第２通過周波数帯域３２ｄを移動させる。これにより、幹導波路の第３領域側又は枝導波路から取り出される光の強弱を制御することができる。
【００４６】
次に、第１実施例（図１）に対して光スイッチとしての動作実験を行った結果について述べる。なお、以下では周波数の代わりに真空中における波長で表す。
本体１１には厚さ250nmのSi（屈折率=3.4、温度による屈折率の変化率=1.86×10-4K-1）製スラブを用いた。第１領域１２１及び第３領域１２３の空孔１３１の周期は410.0nm、直径は238nmとした。また、第２領域１２２の空孔１３２の周期は413.0nm、直径は240nmとした。図６に、第１領域１２１及び第２領域１２２の導波路について、それぞれ通過波長帯域を測定した結果を示す。スペクトル４１は第１領域１２１の幹導波路１５内の光のスペクトル、スペクトル４２はレーザ光を照射する前における第２領域１２２の幹導波路１５内の光のスペクトル、スペクトル４３はレーザ光を照射した時における第２領域１２２の幹導波路１５内の光のスペクトルである。第１領域１２１内の幹導波路１５の通過波長帯域４４は1505nm〜1568nm、レーザ光照射前の第２領域１２２内の幹導波路１５の通過波長帯域４５は1501nm〜1560nmである。従って、共通波長帯域は1505nm〜1560nmとなる。なお、1550nm以下の波長帯域は図示を省略した。
【００４７】
制御光照射領域１８に制御光を照射することなく、幹導波路１５に第１領域１２１側から波長1400nm〜1600nmの光を導入し、第３領域１２３側から取り出される光の強度を測定したところ、上記共通波長帯域の光が検出され、それ以外の波長の光は検出されなかった。次に、制御光照射領域１８（直径約3μm）に波長405nm、強度3mWのGaNレーザ光（制御光）を照射して同様の測定を行ったところ、幹導波路１５の第３領域１２３側から、上記共通波長帯域に加えて、1560nm〜1563nmの波長帯４６の光が検出された。これは、第２領域の通過波長帯域がレーザ光照射により長波長側に移動した（移動後の帯域４７）ことによる。
【００４８】
次に、幹導波路１５の第１領域１２１側から中心波長1560nm、半値幅0.2nmのレーザ光を導入し、光スイッチ実験を行った。このレーザ光は、制御光がOFFの時には枝導波路に、制御光がONの時には幹導波路１５の第３領域１２３側から取り出された。この時、切り替えに要した時間（スイッチング速度）は約20μsecであった。これは、従来のバルク型熱光学光スイッチのスイッチング速度の約1/100である。
【００４９】
制御光の照射による共通波長帯域の増加量とSiの温度による屈折率の変化率から、この実験において第２領域１２２の温度は制御光の照射により60℃上昇した、と見積もられる。更に制御光の出力を大きくして第２領域１２２の温度変化を大きくすれば、光のスイッチングが可能な波長帯域を更に広くすることができる。
【００５０】
図７に示すように、本実施例の２次元フォトニック結晶において、幹導波路１５を第２領域１２２内で枝導波路１７と平行になるように曲げてもよい。これにより、枝導波路１７及び幹導波路１５から、互いに近傍に光を取り出すことができる。
【００５１】
なお、本実施例では第２領域にレーザ光を照射して屈折率を変化させることを例に挙げて説明したが、第１領域の屈折率を変化させても上記実施例と同様に光のスイッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１実施例を示す平面図。
【図２】本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２実施例を示す平面図。
【図３】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ。
【図４】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ（制御光がOFFの時に共通周波数帯域がない場合）。
【図５】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ（幹導波路から取り出す光の強度制御を行う場合）。
【図６】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域の実験結果を示すグラフ。
【図７】第１実施例の２次元フォトニック結晶の変形例を示す平面図。
【符号の説明】
【００５３】
１１、２１…本体
１２１、２２１…第１領域
１２２、２２２…第２領域
１２３、２２３…第３領域
１３１、１３２…空孔
１４、２４…第１領域と第２領域の境界
１５、２５…幹導波路
１６、２６…境界と幹導波路の交点
１７、２７…枝導波路
１８、２８…制御光照射領域
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ…第１通過周波数帯域
３２ａ、３２ａ’、３２ｂ、３２ｂ’、３２ｃ、３２ｃ’、３２ｄ…第２通過周波数帯域
３３ａ、３３ａ’、３３ｂ、３３ｂ’、３３ｃ’…共通周波数帯域
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ…スイッチ周波数
３５ｄ、３６ｄ…可変帯域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチや電気光学変調器等の光デバイスに用いられる２次元フォトニック結晶に関する。なお、本願において用いる「光」には、可視光以外の電磁波も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
光通信は今後のブロードバンド通信の中心的役割を担う通信方式であることから、その普及のために、光通信システムに使用される光部品類に対して更なる高性能化、小型化、低価格化が求められている。このような要求を満たす次世代光通信部品の有力候補のひとつとして、フォトニック結晶を利用した光通信用デバイス（光機能素子）がある。これは既に一部で実用段階に入っており、偏波分散補償用フォトニック結晶ファイバーなどが実用に供されている。現在では更に、波長分割多重通信(Wavelength Division Multiplexing:WDM)に使用される光合分波器、電気信号と光信号との間の変換を行う電気光学変調器、光のON/OFFを制御する光スイッチ等の光機能素子の開発が実用化に向けて進められている。
【０００３】
フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を形成したものである。この周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を誘電体本体内に周期的に配置することにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域は「フォトニックバンドギャップ」(Photonic Band Gap:PBG)と呼ばれる。
【０００４】
このフォトニック結晶中に適切な欠陥を設けることにより、PBG中にエネルギー準位（欠陥準位）が形成され、その欠陥準位に対応する周波数（波長）の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。点状に形成された欠陥はその周波数の光の光共振器として使用することができ、線状に形成された欠陥は導波路として使用することができる。
【０００５】
上記技術の一例として、特許文献１には、空気よりも屈折率が高い材料から成る本体（スラブ）に異屈折率領域を周期的に配置し、その周期的配置に欠陥を線状に設けることにより導波路を形成するとともに、その導波路に隣接して点状欠陥を形成した２次元フォトニック結晶が記載されている。この２次元フォトニック結晶は、導波路内を伝播する様々な周波数の光のうち共振器の共振周波数に一致する周波数の光を外部へ取り出す分波器として機能すると共に、外部から導波路に導入する合波器としても機能する。
【０００６】
特許文献２には、本体を複数の領域に分け、複数の領域を通過する導波路を形成し、領域毎に異屈折率領域の周期や大きさ等を異なるものとすることにより、各領域の導波路を通過することができる光の周波数帯域を異なるものとした２次元フォトニック結晶が記載されている。この構成では、ある領域（第１領域とする）の導波路通過周波数帯域には含まれ、その領域に隣接する領域（第２領域とする）の導波路通過周波数帯域には含まれない周波数の光は、第１領域の導波路から第２領域の導波路に伝播することができず、これらの領域の境界において反射される。上記周波数の光に共振する共振器を第１領域の導波路の近傍に設けることにより、導波路を伝播するこの周波数の光は、たとえ共振器に導入されずに通過したとしても、上記境界において反射され、上記共振器により取り出される。これにより、分波の効率が高くなる。
【０００７】
特許文献３には、特許文献１と同様の方法により導波路を形成した２次元フォトニック結晶に電流を注入しない／することにより、所定の周波数の光が導波路を伝播する／しない（光をON/OFFする）ように制御することができる光スイッチが記載されている。この光スイッチの動作原理は次の通りである。電流が注入されない時には、PBG内の周波数の光は本体内で存在することができないため導波路内に閉じ込められ、導波路内を伝播する（ON状態）。電流が注入された時には、本体の屈折率が変化することによりPBGが変化するため、その周波数の光は導波路から周囲の本体に漏れ出してしまい、導波路を伝播することができない（OFF状態）。本体の材料（屈折率）や異屈折率領域の周期を調整することにより、２次元フォトニック結晶に電流を注入しない時をOFF、注入した時をONとすることもできる。
【０００８】
【特許文献１】特開2001-272555号公報（[0023]〜[0027]、[0032]、図1、図5〜6）
【特許文献２】特開2004-233941号公報（[0050]〜[0053]、図3）
【特許文献３】特開2002-303836号公報（[0022]、[0028]〜[0043], 図3〜4）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献３の光スイッチの構成では、光の進路を切り替える光スイッチには用いることができない。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、進路切り替えを行うことができる光進路切替スイッチに用いることができる２次元フォトニック結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１の態様のものは、
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有し、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)前記共通通過周波数帯域が変化するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２の態様のものは、
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
屈折率分布を変化させる領域は第２領域であることが望ましい。
【００１４】
第２領域の屈折率分布は第１領域の屈折率分布を比例拡大又は比例縮小したものとすることができる。これにより、第１通過周波数帯域及び第２通過周波数帯域を上記のように設定することができる。
【００１５】
前記屈折率変化手段は、熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果、応力効果のいずれかを利用したものとすることができる。ここで熱光学効果とは、熱が加わることによりその領域の屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいい、具体的には、例えば熱光学効果を利用した屈折率変化手段としては、第２領域にレーザ光を照射することにより該領域を加熱するものや、第２領域の近傍に加熱用部材を設けたものを挙げることができる。同様に、電気光学効果、磁気光学効果とは、静電界や振動電界或いは静磁界や振動磁界が印加されることによりその領域の屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいう。更に、非線形光学効果とは、強い光が入射すると、通常は光強度に依存しない屈折率が変化をする効果をいう。応力効果とは、外部から力学的な力が印加されることによりその領域の内部に生じる応力が変化して屈折率分布が変化し、その結果、その領域の光学的特性が変化するという効果をいう。
【００１６】
本発明の２次元フォトニック結晶は、光スイッチ、電気光学変調器、光強度変調器として用いることができる。このうち電気光学変調器では、前記屈折率変化手段には外部からの電気信号に応じて変化する電界を生成し、それにより第２領域の屈折率分布を変化させるものを用いる。また、光強度変調器には、前述の、屈折率分布を変化させる前後のいずれか一方又は双方において、共通周波数帯域が第２通過周波数帯域のうち、光の通過強度が最大値を持たない帯域を含む２次元フォトニック結晶を用いる。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１７】
本発明に係る２次元フォトニック結晶には、本体に、相異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域の２つの領域を形成する。従来の２次元フォトニック結晶と同様、本体には平板状のスラブを用い、屈折率分布としては、例えば本体とは屈折率の異なる領域（異屈折率領域）を本体に周期的に配置することにより形成することができる。この異屈折率領域は、本体に空孔を設けることにより形成することが、作製が容易であり本体との屈折率の差を大きく取ることができるため望ましい。
【００１８】
この本体に、第１領域と第２領域の境界を斜めに交差する導波路を設ける。この導波路を幹導波路と呼ぶ。幹導波路は、従来の２次元フォトニック結晶と同様に、屈折率分布の欠陥を線状に設けることにより形成することができる。２次元フォトニック結晶では、導波路の幅等の導波路自体のパラメータの他に、本体の屈折率分布の周期等の本体側のパラメータによっても導波路を伝播（通過）することができる光の周波数帯域（通過周波数帯域）が変化する。そのため、本発明の２次元フォトニック結晶では第１領域の通過周波数帯域である第１通過周波数帯域と第２領域の通過周波数帯域である第２通過周波数帯域は一般に異なるものとなる。第１態様の２次元フォトニック結晶では、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通の帯域（共通通過周波数帯域）を有するように第１領域及び第２領域における上記パラメータを設定する。
【００１９】
第２の態様の２次元フォトニック結晶は、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を持たない。それ以外の点では、上記第１の態様の２次元フォトニック結晶と同様である。
【００２０】
第１、第２の両態様のフォトニック結晶とも、幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する導波路を設ける。この導波路を枝導波路と呼ぶ。
【００２１】
そして、前記共通通過周波数帯域が変化するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段を設ける。ここで、屈折率分布は第１領域又は第２領域全体の（分布を有する）屈折率を変化させるものであってもよいし、屈折率分布を構成する要素の一部のみを変化させるものであってもよい。例えば、本体に別異の部材を周期的に埋め込んで屈折率分布を形成した場合には、本体の屈折率と該部材の屈折率の双方を変化させてもよいし、いずれか一方のみを変化させてもよい。本体に空孔を周期的に設けて屈折率分布を形成した場合には、本体のみ屈折率を変化させればよい。屈折率変化手段の具体例については後述する。
【００２２】
このように構成された本発明に係る２次元フォトニック結晶は、幹導波路の第１領域側から第２領域側に向けて伝播する光に対して、光スイッチとして作用する。以下では、スイッチされる光の周波数（以下、「スイッチ周波数」とする）が、(1)第１領域又は第２領域の屈折率分布が変化する前の共通通過周波数帯域に含まれる場合、及び、(2)該屈折率分布が変化する前の共通通過周波数帯域に含まれない場合、に分けて説明する。
【００２３】
(1)スイッチ周波数が屈折率分布変化前の共通通過周波数帯域に含まれる場合
この場合、屈折率変化前には、スイッチ周波数の光は幹導波路の第１領域側と第２領域側の双方を通過することができるため、幹導波路を第１領域から伝播してくる光は第２領域側から取り出すことができる。第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させることにより共通通過周波数帯域が変化すると、変化前の第１通過周波数帯域の一部が共通通過周波数帯域から外れる。スイッチ周波数を、その変化する部分の共通通過周波数帯域内に設定しておくと、スイッチ周波数の光は幹導波路の第２領域側を伝播することができなくなり、前記境界において反射される。この反射光は、前記境界と幹導波路が斜交していることから、幹導波路の第１領域側にそのまま戻るのではなく、枝導波路に導入される。このように、幹導波路の第１領域側から第２領域側に向けて伝播するスイッチ周波数の光は、屈折率分布の変化の前後で、幹導波路の第２領域側を通過するか、第１領域側の枝導波路を通過するかが切り替えられる。
【００２４】
(2)スイッチ周波数が屈折率分布変化前の共通通過周波数帯域に含まれない場合
この場合、屈折率分布の変化前には、スイッチ周波数の光は幹導波路の第２領域側を通過することができず、枝導波路に導入される。第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させることにより共通通過周波数帯域が変化すると、変化前には共通通過周波数帯域に含まれていなかった第１通過周波数帯域の一部が共通通過周波数帯域に含まれるようになる。スイッチ周波数がその帯域に含まれるように設定しておくことにより、スイッチ周波数の光は変化後に幹導波路の第２領域側を伝播することができるようになる。このように、幹導波路の第１領域側から第２領域側に向けて伝播するスイッチ周波数の光が、屈折率分布の変化の前後で、枝導波路を通過するか、幹導波路の第２領域側を通過するかが切り替えられる。
【００２５】
第１の態様の２次元フォトニック結晶では上記(1)(2)のいずれの場合でもスイッチングが生じ、第２の態様の２次元フォトニック結晶は上記(2)の場合に（この場合、屈折率分布が変化する前には、共通通過周波数帯域が存在せず、変化後に共通通過周波数帯域が生成する）スイッチングが生じる。これらの２次元フォトニック結晶はいずれも、枝導波路と幹導波路の第２領域側の間で進路切り替えを行うことができる光進路切替スイッチとなる。また、枝導波路又は幹導波路の第２領域側のいずれか一方において、光を通過させるか遮断するかを切り替えることができる光ON/OFFスイッチとなる。
【００２６】
また、本発明の２次元フォトニック結晶は、外部からの電気信号のON/OFFに応じて第１領域又は第２領域の屈折率を変化させる屈折率変化手段を用いることにより、電気信号のON/OFFを光のON/OFFに変換する電気光学変調器となる。
【００２７】
第２領域の屈折率分布及び幹導波路を、第１領域のそれらを比例拡大又は比例縮小したものとすることにより、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域の一部に共通周波数帯域を形成することができる。
【００２８】
第１及び第２通過周波数帯域内では、その帯域内のほとんどの周波数において、導波路の光をほぼ100%通過させることができる。しかし、通過周波数帯域の端付近の一部の帯域（以下、これを「可変帯域」という）においては、導波路の伝播効率が100%以下となる。この可変帯域を用いることにより、導波路を伝播する光の強度変調を行うことができる。すなわち、屈折率分布変化の前後のいずれか一方又は双方において、共通周波数帯域が可変帯域を含むようにし、スイッチ周波数がその中に含まれるようにする。この場合、スイッチ周波数の光は、第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる前と後で、幹導波路の第２領域側又は枝導波路側においてその強度が変化する。従って、この態様の２次元フォトニック結晶は、第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させることにより光の強度を制御することのできる光強度変調器として使用することができる。
【００２９】
次に、屈折率変化手段について説明する。第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させるために、前述の熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果又は応力効果を利用することができる。
【００３０】
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の一例として、屈折率を変化させる領域に強い光を照射するものを挙げることができる。この場合、光を照射しない方の領域の温度が変化しないように、照射光の光源にはレーザ光源を用いることが望ましい。なお、照射光をOFFにした時に光を照射した領域の温度を素早く元に戻すために、その領域に低温熱浴を接触させてもよい。
【００３１】
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の他の例として、屈折率を変化させる領域の近傍に加熱用部材を設けたものを挙げることができる。例えば原子間力顕微鏡の探針のような微小部材を屈折率を変化させる領域の直上に配置し、この微小部材を加熱することにより、微小部材の近傍の屈折率を変化させる領域のみを加熱し、微小部材から離れた屈折率を変化させない領域の温度が変化することを抑えることができる。
熱光学効果を利用した屈折率変化手段の他の例として、屈折率を変化させる領域の周期屈折率分布を形成した部分の外側に設けたヒータを挙げることができる。
熱光学効果は、SiやInGaAsP等、２次元フォトニック結晶に用いられる材料に共通して生じ、それを利用するために特別な材料を用いる必要がない。
【００３２】
電気光学効果を利用した屈折率変化手段の一例として、屈折率を変化させる領域に電界を印加し、外部信号に応じてその電界をON/OFFするものを挙げることができる。電気光学効果を有する材料には、LiNbO3等がありこれを本体の材料に用いることにより、本発明を実現することができる。同様に、磁気光学効果を利用した屈折率変化手段として、屈折率を変化させる領域に磁界を印加し、外部信号に応じてその磁界をON/OFFするものを用いることができる。磁気光学効果を有する材料には、イットリウム鉄ガーネット等があり、これを本体の材料に用いることにより、本発明を実現することができる。
【００３３】
非線形光学効果を利用した屈折率変化手段としては、外部信号に応じて、屈折率を変化させる領域に光を照射するものを用いることができる。非線形光学効果を有する材料には、LiTaO3等があり、これを本体の材料に用いることにより、本発明を実現することができる。
【００３４】
応力効果を利用した屈折率変化手段としては、マイクロアクチュエータや前記微小部材等、屈折率を変化させる領域に力を印加するものを用いることができる。応力効果は２次元フォトニック結晶に用いられる材料に一般的に生ずるものであるため、この効果を利用するために特別な材料を用いる必要はない。
【００３５】
屈折率を変化させる領域は前述の通り第１領域、第２領域のいずれでもよいが、枝導波路を形成しない第２領域は第１領域よりも小さくすることができるため、第２領域の屈折率を変化させる方が望ましい。
【実施例】
【００３６】
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１の実施例を図１に示す。本実施例では、板状の本体１１を３個の領域１２１、１２２、１２３に分ける。本体の材料にはSiやInGaAsP等、従来の２次元フォトニック結晶の材料と同じものを用いる。領域１２１は上記第１領域に該当し、領域１２２は第２領域に該当する。また、領域１２３を第３領域と呼ぶ。第１領域１２１と第３領域１２３にはそれぞれ同一の径を持つ円形の空孔１３１を多数、同一の周期で三角格子状に形成する。第２領域１２２にはそれらの空孔１３１よりも小さい空孔１３２を多数、第１領域１２１及び第３領域１２３よりも小さい周期で三角格子状に形成する。この第２領域１２２の空孔の大きさ及び周期は、第１領域１２１のそれらを比例縮小したものとなっている。
【００３７】
第１領域１２１、第２領域１２２及び第３領域１２３を通り、第１領域１２１と第２領域１２２の境界１４に対して斜交する（すなわち、90°以外の角度をなして通過する）ように、空孔１３１及び１３２による周期構造を設けない線状の空間を形成する。この線状の空間（線状欠陥）が幹導波路１５となる。上記角度は、本実施例では60°とした。また、幹導波路１５と境界１４の交点１６から第１領域１２１側に、幹導波路１５及び境界１４に対して60°の角度で伸びる枝導波路１７を形成する。
【００３８】
また、第２領域１２２内にあって、その領域の幹導波路１５の長さと同程度の径を有する制御光照射領域１８（図中の破線の円内）にレーザ光（制御光）を照射する制御光照射手段（図示せず）を設ける。この制御光照射手段は、制御光照射領域１８への制御光の照射をON/OFFして該領域の温度を制御することにより、該領域内の本体１１の屈折率を変化させるものである。本体１１の材料がSi（室温での屈折率=3.4）である場合、制御光照射領域１８に制御光を照射して温度を上昇させることにより、第２領域１２２の屈折率を大きくすることができる。制御光照射領域１８の径は、例えば図１に示したように空孔８周期分程度であって幹導波路１５を1.5μm帯の光が伝播するように空孔の周期を定めた場合には、約300μmとなる。
【００３９】
第３領域１２３は第１領域１２１と同じ構成を有するため、第１領域１２１の幹導波路１５と同じ通過周波数帯域を有する。従って、第１領域１２１の幹導波路１５を通過することができる光は、第２領域１２２の幹導波路１５を通過することができれば、そのまま第３領域１２３の幹導波路１５を通過することができる。この第３領域１２３は、第２領域１２２の幹導波路１５を通過した光の取り出し口としての役割を有する。
【００４０】
本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２の実施例を図２に示す。第２実施例では、第１実施例と同様に本体２１を３個の領域（第１領域２２１、第２領域２２２、第３領域２２３）に分け、第１領域２２１と第３領域２２３にはそれぞれ同一の径を持つ円形の空孔２３１を多数、同一の周期で三角格子状に形成する。第２領域２２２にはそれらの空孔２３１よりも大きい空孔２３２を多数、第１領域２２１及び第３領域２２３よりも大きい周期で三角格子状に形成する。この第２領域２２２の空孔の大きさ及び周期は、第１領域２２１のそれらを比例拡大したものとなっている。また、第１実施例の場合と同様に、幹導波路２５、枝導波路２７、制御光照射手段を設ける。
【００４１】
第１及び第２実施例の２次元フォトニック結晶の動作を、図３を用いて説明する。(a-1)及び(a-2)は第１実施例の２次元フォトニック結晶の動作を示し、(b-1)及び(b-2)は第２実施例の２次元フォトニック結晶の動作を示す。
【００４２】
第１実施例の２次元フォトニック結晶では、第１領域１２１と第２領域１２２の空孔の周期及び大きさが上記のように異なることにより、幹導波路１５の第２領域１２２側の通過周波数帯域（第２通過周波数帯域）３２ａは幹導波路１５の第１領域１２１側の通過周波数帯域（第１通過周波数帯域）３１ａよりも高周波数（短波長）側に形成される（図３(a-1)）。第１通過周波数帯域３１ａと第２通過周波数帯域３２ａには共通の周波数帯域３３ａが存在する。第２領域１２２に制御光を照射し該領域を加熱することにより、第２領域１２２の本体１１の屈折率が大きくなり、それにより第２通過周波数帯域３２ａは低周波数（長波長）側にシフトする（第２通過周波数帯域３２ａ’、図３(a-2)）。一方、第１通過周波数帯域３１ａは変化しない。これにより、共通周波数帯域は制御光照射前よりも大きくなる（共通周波数帯域３３ａ’）。
ここで、共通周波数帯域３３ａには含まれず、共通周波数帯域３３ａ’には含まれる周波数３４ａをスイッチ周波数とする。このスイッチ周波数３４ａを有する光は、第１領域１２１側から幹導波路１５に導入されると、以下のように導波路（幹導波路１５及び枝導波路１７）を伝播する。制御光照射前には、この光はそのスイッチ周波数３４ａが共通周波数帯域３３ａに含まれないため、幹導波路１５の第２領域１２２側を通過することができない。そのため、この光は境界１４において反射されて枝導波路１７に導入される。制御光照射後には、スイッチ周波数３４ａが共通周波数帯域３３ａに含まれるため、この光は境界１４を通過して第２領域１２２内の幹導波路１５に導入され、第３領域１２３側から取り出される。このように、第１実施例の２次元フォトニック結晶は、制御光を照射することによりスイッチ周波数３４ａの光の進路が枝導波路１７から幹導波路１５の第３領域１２３側に切り替わる進路切替スイッチとして機能する。また、枝導波路１７又は幹導波路１５の第３領域１２３側のいずれかから見れば、光ON/OFFスイッチとして機能する。
【００４３】
第２実施例の２次元フォトニック結晶では、第２通過周波数帯域３２ｂは第１通過周波数帯域３１ｂよりも低周波数（長波長）側に形成される（図３(b-1)）。第２領域１２２に制御光を照射することにより、第２通過周波数帯域３２ｂは低周波数（長波長）側にシフトする（第２通過周波数帯域３２ｂ’、図３(b-2)）。これにより、共通周波数帯域３３ｂは小さくなる（共通周波数帯域３３ｂ’）。
共通周波数帯域３３ｂには含まれ、共通周波数帯域３３ｂ’には含まれないスイッチ周波数３４ｂを有する光は、第１領域１２１側から幹導波路１５に導入されると、以下のように導波路（幹導波路１５及び枝導波路１７）を伝播する。制御光照射前には、スイッチ周波数３４ｂが共通周波数帯域３３ｂに含まれるため、この光は境界１４を通過して幹導波路１５の第２領域１２２側に導入され、第３領域１２３側から取り出される。一方、制御光照射後には、スイッチ周波数３４ｂが共通周波数帯域３３ｂ’には含まれないため、この光は境界１４において反射されて枝導波路１７に導入される。このように、第１実施例の２次元フォトニック結晶は、制御光を照射することによりスイッチ周波数３４ｂの光の進路が幹導波路１５の第３領域１２３側から枝導波路１７に切り替わる進路切替スイッチとして機能する。この動作は第１実施例の場合とはちょうど反対となる。また、光ON/OFFスイッチとしての動作も第１実施例の場合とはちょうど反対となる。
【００４４】
第１領域と第２領域の空孔の周期及び大きさの差が大きい場合、図４(1)に示すように、第１通過周波数帯域３１ｃと第２通過周波数帯域３２ｃが共通周波数帯域を持たないことがある。この場合において第２領域の屈折率分布を変化させて第２通過周波数帯域を移動させることにより、第１通過周波数帯域３１ｃと第２通過周波数帯域３２ｃ’が共通周波数帯域３３ｃ’を持つようにすることができる（図４(2)）。この場合、幹導波路に導入され共通周波数帯域３３ｃ’内のスイッチ周波数３４ｃを有する光は、上記第１実施例と同様に制御光のON/OFFにより枝導波路１７又は幹導波路１５の側の第３領域１２３の光をON/OFFすることができる。
【００４５】
図５に示すように、第２通過周波数帯域３２ｄのうち、高周波数側及び低周波数側の端付近の周波数帯域である可変帯域３５ｄ及び３６ｄでは、わずかな周波数の変化により、導波路を通過する光の強度が変化する。これを利用して、制御光を第２領域に照射し、第１通過周波数帯域３１ｄ内にあるスイッチ周波数３４ｄに可変帯域３５ｄ又は３６ｄが差し掛かるように第２通過周波数帯域３２ｄを移動させる。これにより、幹導波路の第３領域側又は枝導波路から取り出される光の強弱を制御することができる。
【００４６】
次に、第１実施例（図１）に対して光スイッチとしての動作実験を行った結果について述べる。なお、以下では周波数の代わりに真空中における波長で表す。
本体１１には厚さ250nmのSi（屈折率=3.4、温度による屈折率の変化率=1.86×10-4K-1）製スラブを用いた。第１領域１２１及び第３領域１２３の空孔１３１の周期は410.0nm、直径は238nmとした。また、第２領域１２２の空孔１３２の周期は413.0nm、直径は240nmとした。図６に、第１領域１２１及び第２領域１２２の導波路について、それぞれ通過波長帯域を測定した結果を示す。スペクトル４１は第１領域１２１の幹導波路１５内の光のスペクトル、スペクトル４２はレーザ光を照射する前における第２領域１２２の幹導波路１５内の光のスペクトル、スペクトル４３はレーザ光を照射した時における第２領域１２２の幹導波路１５内の光のスペクトルである。第１領域１２１内の幹導波路１５の通過波長帯域４４は1505nm〜1568nm、レーザ光照射前の第２領域１２２内の幹導波路１５の通過波長帯域４５は1501nm〜1560nmである。従って、共通波長帯域は1505nm〜1560nmとなる。なお、1550nm以下の波長帯域は図示を省略した。
【００４７】
制御光照射領域１８に制御光を照射することなく、幹導波路１５に第１領域１２１側から波長1400nm〜1600nmの光を導入し、第３領域１２３側から取り出される光の強度を測定したところ、上記共通波長帯域の光が検出され、それ以外の波長の光は検出されなかった。次に、制御光照射領域１８（直径約3μm）に波長405nm、強度3mWのGaNレーザ光（制御光）を照射して同様の測定を行ったところ、幹導波路１５の第３領域１２３側から、上記共通波長帯域に加えて、1560nm〜1563nmの波長帯４６の光が検出された。これは、第２領域の通過波長帯域がレーザ光照射により長波長側に移動した（移動後の帯域４７）ことによる。
【００４８】
次に、幹導波路１５の第１領域１２１側から中心波長1560nm、半値幅0.2nmのレーザ光を導入し、光スイッチ実験を行った。このレーザ光は、制御光がOFFの時には枝導波路に、制御光がONの時には幹導波路１５の第３領域１２３側から取り出された。この時、切り替えに要した時間（スイッチング速度）は約20μsecであった。これは、従来のバルク型熱光学光スイッチのスイッチング速度の約1/100である。
【００４９】
制御光の照射による共通波長帯域の増加量とSiの温度による屈折率の変化率から、この実験において第２領域１２２の温度は制御光の照射により60℃上昇した、と見積もられる。更に制御光の出力を大きくして第２領域１２２の温度変化を大きくすれば、光のスイッチングが可能な波長帯域を更に広くすることができる。
【００５０】
図７に示すように、本実施例の２次元フォトニック結晶において、幹導波路１５を第２領域１２２内で枝導波路１７と平行になるように曲げてもよい。これにより、枝導波路１７及び幹導波路１５から、互いに近傍に光を取り出すことができる。
【００５１】
なお、本実施例では第２領域にレーザ光を照射して屈折率を変化させることを例に挙げて説明したが、第１領域の屈折率を変化させても上記実施例と同様に光のスイッチングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る２次元フォトニック結晶の第１実施例を示す平面図。
【図２】本発明に係る２次元フォトニック結晶の第２実施例を示す平面図。
【図３】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ。
【図４】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ（制御光がOFFの時に共通周波数帯域がない場合）。
【図５】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域を示すグラフ（幹導波路から取り出す光の強度制御を行う場合）。
【図６】本実施例の２次元フォトニック結晶の導波路通過周波数帯域の実験結果を示すグラフ。
【図７】第１実施例の２次元フォトニック結晶の変形例を示す平面図。
【符号の説明】
【００５３】
１１、２１…本体
１２１、２２１…第１領域
１２２、２２２…第２領域
１２３、２２３…第３領域
１３１、１３２…空孔
１４、２４…第１領域と第２領域の境界
１５、２５…幹導波路
１６、２６…境界と幹導波路の交点
１７、２７…枝導波路
１８、２８…制御光照射領域
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ…第１通過周波数帯域
３２ａ、３２ａ’、３２ｂ、３２ｂ’、３２ｃ、３２ｃ’、３２ｄ…第２通過周波数帯域
３３ａ、３３ａ’、３３ｂ、３３ｂ’、３３ｃ’…共通周波数帯域
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ…スイッチ周波数
３５ｄ、３６ｄ…可変帯域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有し、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)前記共通通過周波数帯域が変化するように、第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項２】
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項３】
屈折率分布を変化させる領域が第２領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項４】
第２領域の屈折率分布が第１領域の屈折率分布を比例拡大又は比例縮小したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項５】
前記屈折率変化手段が熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果、応力効果のいずれかを利用したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項６】
前記屈折率変化手段が第２領域にレーザ光を照射することにより該領域を加熱するものであることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項７】
前記屈折率変化手段が第２領域の近傍に加熱用部材を設けたものであることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の２次元フォトニック結晶から成る光スイッチ。
【請求項９】
請求項１〜７に記載の２次元フォトニック結晶から成り、前記屈折率変化手段が外部からの電気信号の変化により第２領域の屈折率分布を変化させるものであることを特徴とする電気光学変調器。
【請求項１０】
請求項３〜７に記載の２次元フォトニック結晶から成る光強度変調器。
【請求項１】
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有し、第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)前記共通通過周波数帯域が変化するように、第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項２】
a)スラブ状の本体内に互いに隣接して形成された、異なる屈折率分布を有する第１領域及び第２領域と、
b)前記両領域の境界を斜交する、第１領域においては第１通過周波数帯域を、第２領域においては第２通過周波数帯域をそれぞれ有する幹導波路と、
c)幹導波路と前記境界の交点から第１領域内に分岐する枝導波路と、
d)第１通過周波数帯域と第２通過周波数帯域が共通通過周波数帯域を有するように第１領域又は第２領域の屈折率分布を変化させる屈折率変化手段と、
を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
【請求項３】
屈折率分布を変化させる領域が第２領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項４】
第２領域の屈折率分布が第１領域の屈折率分布を比例拡大又は比例縮小したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項５】
前記屈折率変化手段が熱光学効果、電気光学効果、磁気光学効果、非線形光学効果、応力効果のいずれかを利用したものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項６】
前記屈折率変化手段が第２領域にレーザ光を照射することにより該領域を加熱するものであることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項７】
前記屈折率変化手段が第２領域の近傍に加熱用部材を設けたものであることを特徴とする請求項５に記載の２次元フォトニック結晶。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の２次元フォトニック結晶から成る光スイッチ。
【請求項９】
請求項１〜７に記載の２次元フォトニック結晶から成り、前記屈折率変化手段が外部からの電気信号の変化により第２領域の屈折率分布を変化させるものであることを特徴とする電気光学変調器。
【請求項１０】
請求項３〜７に記載の２次元フォトニック結晶から成る光強度変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１８４６１８（Ｐ２００６−１８４６１８Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７８７０７（Ｐ２００４−３７８７０７）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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