(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、
２つの方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、
上記２経路の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が、前記方向性結合器を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作し、
前記フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能であり、かつ前記共振器の共振周波数の光を導波可能な制御用導波路を、前記共振器の近傍に備え、
前記共振器と前記制御用導波路とは光学的に結合していることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチを２つ以上含み、それらの個々の光スイッチに含まれるそれぞれの前記制御用導波路が同一であるか、または互いに接続されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
前記フォトニック結晶が正方格子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計を備える、光スイッチ用フォトニック結晶であって、
前記マッハツェンダー干渉計は少なくとも２つの方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、
上記２経路の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が、前記方向性結合器を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作する接続導波路を構成することを特徴とする、光スイッチ用フォトニック結晶。
【請求項５】
前記接続導波路が、前記方向性結合器の透過帯域の上限よりも高い周波数の光を導波する、
ことを特徴とする請求項４に記載の、光スイッチ用フォトニック結晶。
【請求項６】
前記接続導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、前記方向性結合器を構成する前記導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の、光スイッチ用フォトニック結晶。
【請求項７】
制御光の入力部として制御用導波路を、前記接続導波路の近傍にさらに備え、
前記制御用導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、前記接続導波路の前記線欠陥を成す前記欠陥ピラーの前記断面積以下である、
ことを特徴とする請求項６に記載の、光スイッチ用フォトニック結晶。
【請求項８】
前記２経路の前記一方の前記経路の前記導波路はテーパ−導波路を備え、
前記接続導波路は２つの前記テーパ−導波路の間に設けられ、
前記テーパ−導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、
前記方向性結合器を構成する前記導波路の前記線欠陥を成す前記欠陥ピラーの前記断面積よりも小さく、かつ
前記接続導波路の前記線欠陥を成す前記欠陥ピラーの前記断面積よりも大きく、かつ
前記接続導波路から離れるにつれて増加する、
ことを特徴とする請求項７に記載の、光スイッチ用フォトニック結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光スイッチ及びその製造方法に関し、特に、導波路を用いた光スイッチ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品が集積されたトランジスタ集積回路のように、光部品が集積された光集積回路を実現する技術が望まれている。現在、光スイッチ、波長フィルタ、３ｄＢ結合器（光カプラ）などの光部品を光ファイバなどの光導波路を介して接続して光回路を組んでいる。しかし、複数の光部品を小さなチップの中に集積化させることができれば、光回路の体積、消費電力、製造コストを飛躍的に低減させることが可能である。
【０００３】
光集積回路の実現を目指した技術はこれまでにも多々開発されており、その一つに、フォトニック結晶技術がある。フォトニック結晶体或いはフォトニック結晶とは、広義には、屈折率を周期的に変化させた構造体の総称である。本明細書では、特に断らない限り、「フォトニック結晶体」と「フォトニック結晶」とは同義語として用いる。
【０００４】
フォトニック結晶は、屈折率分布の周期構造に起因して種々の特殊な光学的特徴を有する。最も代表的な特徴はフォトニック・バンド・ギャップ（Photonic Band Gap（PBG））である。光はフォトニック結晶中を透過することができるが、フォトニック結晶中の周期的な屈折率変化が十分に大きいと、ある特定の周波数帯域の光はフォトニック結晶中を伝搬することができない。フォトニック結晶を透過することができる光の周波数帯域（あるいは、波長帯域）をフォトニック・バンド（Photonic Band）と呼ぶ。それに対して、透過することができない光の帯域は、フォトニック・バンドの間に存在するギャップということで、フォトニック・バンド・ギャップ（ＰＢＧ）と呼ばれている。ＰＢＧは異なった周波数帯に複数存在することもある。ＰＢＧによって分断されたフォトニック・バンドは、周波数の小さい方から、第１バンド、第２バンド、第３バンドなどと呼ばれることがある。
【０００５】
フォトニック結晶中に、屈折率分布の周期構造（屈折率分布の周期性）を崩すような微小な欠陥が存在すると、ＰＢＧ内の周波数の光は、その微小欠陥に閉じ込められる。その場合、欠陥の大きさに対応した周波数の光のみが閉じ込められるので、フォトニック結晶が光共振器として働く。よって、このようなフォトニック結晶は、周波数（波長）フィルタとして利用することができる。
【０００６】
また、フォトニック結晶中に微小な欠陥が連続的に並んで列を成し、結晶中に線欠陥が形成されると、ＰＢＧ内の周波数の光は、線欠陥内に閉じ込められる。そして、ＰＢＧ内の周波数の光は、線欠陥に沿って伝搬する。よって、このようなフォトニック結晶は、光導波路として利用することができる。フォトニック結晶中に形成されるこのような光導波路は、線欠陥導波路と呼ばれている。
【０００７】
光フィルタや光導波路が形成されれば、それらの一方または組み合わせによって、光変調器や光スイッチなどの光機能素子を構成することができる。フォトニック結晶中に主要な光機能素子を形成し、それら光機能素子を接続して光回路を構成することができる。このような理由から、フォトニック結晶が光集積回路のプラットフォームとして期待されている。
【０００８】
ここで、ＰＢＧの効果を互いに垂直なｘ、ｙ、ｚの３方向で利用するためには、フォトニック結晶の屈折率分布が３次元周期構造を有することが必要である。しかし、３次元周期構造は複雑なため、製造コストが高くなる。そこで、屈折率分布が２次元周期構造を有するフォトニック結晶（以下「２次元フォトニック結晶」と呼ぶ場合もある。）が利用されることが多い。具体的には、屈折率分布が基板面内では周期性を有するが、厚み方向には周期性を有さない有限厚みの２次元フォトニック結晶が用いられる。その場合、基板の厚み方向における光の閉じ込めは、ＰＢＧの効果ではなく、屈折率差に起因する全反射によって実現される。
【０００９】
もっとも、有限厚みの２次元フォトニック結晶の特性は、無限の厚みの２次元フォトニック結晶の特性と完全には一致しない。しかし、有限厚みの２次元フォトニック結晶の厚み方向における屈折率分布が、光が伝搬する領域において鏡映対称であれば、無限の厚みの２次元フォトニック結晶の光学特性とほぼ一致する。無限の厚みの２次元フォトニック結晶によるデバイスの動作予測は、有限の厚みを考慮した動作予測に比べて格段に容易である。そこで、屈折率分布が鏡映対称の２次元フォトニック結晶を利用することができれば、それを用いたデバイスの設計も容易になる。
【００１０】
有限厚みの２次元フォトニック結晶としてこれまで実現された具体的な構造はいくつかある。その中で柱（ピラー）型正方格子フォトニック結晶は、線欠陥導波路における光の伝搬速度が広い帯域で遅いという特徴を有する。すなわち、低群速度である。一般に、伝搬速度の遅い導波路を用いると、同じ機能の光回路を短い導波路長で作ることができる。よって、柱型正方格子フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路は、光集積回路に適している。
【００１１】
図９は、有限厚みの柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路の構造を示す模式図である。図示されている柱型正方格子フォトニック結晶では、低誘電率材料５１の中に、円柱５２ａ、５２ｂが正方格子状に配置されている。円柱５２ａ、５２ｂは、高誘電率材料でできた高さが有限の円柱である。また、円柱５２ｂは、円柱５２ａよりも直径の小さくなっている。これらの円柱５２ａ、５２ｂが正方格子状に配置されている様子が、シリコンや水晶などの結晶中に原子が格子状に配置されている様子に似ており、光学用途であることから、「フォトニック結晶」と呼ばれるのである。従って、低誘電率材料５１や円柱５２ａ、５２ｂの材料は結晶である必要はなく、アモルファスでもよい。
【００１２】
図９に示すフォトニック結晶の場合、円柱５２ａが完全なフォトニック結晶の円柱であるのに対し、円柱５２ｂは円柱５２ａよりも直径が小さい。そこで、円柱５２ｂを完全結晶に導入された欠陥であると見なす。以下の説明では、完全結晶の円柱５２ａと欠陥に相当する円柱５２ｂとを区別するために、前者を「非線欠陥柱」、後者を「欠陥柱」、「欠陥円柱」又は「線欠陥柱」と呼ぶ場合がある。もっとも、線欠陥柱自体に特に欠陥があるわけではないことに注意すべきである。
【００１３】
図９に示すフォトニック結晶の線欠陥柱５２ｂは、ある直線上に一列に並べられて列を成している。すなわち、この線欠陥柱５２ｂの列とその周囲の非線欠陥柱５２ａによって線欠陥導波路が形成されている。図９に示した円柱型正方格子フォトニック結晶の線欠陥導波路は、線欠陥柱５２ｂの列が、光ファイバなどの全反射閉じ込め型の導波路におけるコアに相当する。そして、その両側の非線欠陥柱５２ａの格子や周囲の低誘電率材料５１がクラッドに相当する。全反射閉じ込め型導波路の場合、コアとクラッドが存在して初めて導波路として働く。これと同様に、線欠陥導波路の場合も、線欠陥柱５２ｂとその周囲の非線欠陥柱５２ａや低誘電率材料５１が存在して初めて導波路として動作する。
【００１４】
柱型正方格子フォトニック結晶を用いた光デバイスや光回路は、小型、高集積が期待されている。しかし、本発明で取り扱う２×２光スイッチに関して、フォトニック結晶を用いることを効果的に活かした構造はこれまで無かった。
【００１５】
さて、関連する２×２光スイッチの１つに導波路によるマッハツェンダー干渉計を用いた光スイッチがある。図１０はその構成を示す模式図である。図１０の光スイッチ７２の構造と動作は次の通りである。
【００１６】
図１０の光スイッチ７２は、３ｄＢ方向性結合器６０と３ｄＢ方向性結合器６１とそれらの間の導波路６２と導波路６３とから構成される。入力ポート７０及び入力ポート７３のいずれか一方から入射した光は、導波路７１又は導波路７４を伝搬し、３ｄＢ方向性結合器６０に入射する。３ｄＢ方向性結合器６０は、この入射光パワーを半分ずつに分ける。分けられた光は、それぞれ導波路６２と導波路６３とを伝搬し、３ｄＢ方向性結合器６１を構成する２本の導波路６４と導波路６５とに入射する。そして、導波路６８、６９を介して、出射ポート６６、６７から光が出射される。
【００１７】
導波路６４と導波路６５に入射した光の位相の関係によって、３ｄＢ方向性結合器６１の出射ポート６６と出射ポート６７に出射される光パワーの割合が変化する。すなわち、導波路６４と導波路６５に入射した光のうち、どちらがどれだけ位相が進んでいるか、又は遅れているかにより、出射ポート６６と出射ポート６７に出射される光パワーの割合が変化する。この現象を利用すると、導波路６２と導波路６３を光が伝搬する間に、光の位相差を調節することよって、光の出口を出射ポート６６と出射ポート６７の間で切り換えることができる。
【００１８】
導波路６２と導波路６３を光が伝搬する間の光の位相差の調節は、一方の導波路、例えば導波路６３だけの有効屈折率を変化させることで行われる。有効屈折率の変化は、熱や電界を用いて導波路の材料の屈折率を変化させることで行われる。
【００１９】
導波路の長さに比例して、導波路を伝搬する光の位相の変化量が大きい。このため、導波路６２と導波路６３の両方の導波路を同じ長さにしたまま長くしたり、有効屈折率を変化させたい導波路６３だけ長くしたりすることもある。これにより、導波路材料の小さな屈折率変化でも光スイッチの動作を容易にすることができる。
【００２０】
尚、導波路６２と導波路６３が同じ長さの場合を対称マッハツェンダー型の２×２光スイッチと呼び、導波路６２と導波路６３が異なる長さの場合を非対称マッハツェンダー型の２×２光スイッチと呼ぶこともある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】再特ＷＯ２００５／０８５９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記のように、図１０に示された通常の導波路を用いた２×２光スイッチの場合、導波路材料の小さな屈折率変化でも２×２光スイッチの動作を容易にするためには、導波路を長くする必要がある。このようにすると、導波路の屈折率を変化させるための電気や光などの制御信号のパワーを大きくする必要がある。従って、制御信号のパワーに対して効率的に動作させることが出来なかった。さらには、光スイッチの全長が長くなると、それに応じて、光スイッチの動作速度が低下することがあった。
【００２３】
また、特許文献１には、フォトニック結晶の線欠陥を導波路として用いたフォトニック結晶結合欠陥導波路が開示されている。また、導波路の外側において、フォトニック結晶要素の大きさを部分的に変化させる点が開示されている。これにより、結合導波路中を伝搬する各モードの屈折率を変化させ、結合長を短くしている。
【００２４】
しかし、特許文献１には、導波路を線欠陥柱によって構成し、線欠陥柱の大きさを変化させる点については一切示唆されていない。このため、特許文献１の技術を２×２スイッチに用いたとしても、制御信号のパワーに対して効率的に動作させることが出来なかった。
【００２５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、制御信号のパワーに対して効率的に動作することができる光スイッチ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明にかかる光スイッチは、フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、
２つの方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、
上記２経路の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が、前記方向性結合器を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作することを特徴とするものである。
【００２７】
また、本発明にかかる光スイッチは、ピラー型フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、２つの方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、上記２経路の内、少なくとも１経路の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、前記方向性結合器を構成する導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積よりも小さいことを特徴とするものである。
【００２８】
そして、本発明にかかる光スイッチは、フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチであって、２つの方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を有し、上記２経路の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が、前記方向性結合器を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する共振器として動作することを特徴とするものである。
【００２９】
他方、本発明にかかる光スイッチの製造方法は、フォトニック結晶の線欠陥導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計型の光スイッチの製造方法であって、２つの方向性結合器と、それらの間の２経路の導波路を形成し、上記２経路の内、第１経路の導波路と第２経路の導波路とでは、導波光の群速度が異なることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、効率的に動作することができる光スイッチ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態１にかかる２×２光スイッチの構成を示す模式的断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる２×２光スイッチの構成の具体例を示す模式的断面図である。
【図３】図２に示す２×２光スイッチの構造の透過スペクトルを示す図である。
【図４】図２に示す２×２光スイッチの一方の出力ポートから出射する場合の光の電磁界分布を示す図である。
【図５】図２に示す光スイッチの他方の出力ポートから出射する場合の光の電磁界分布を示す図である。
【図６】実施の形態１にかかる屈折率チューナを含む２×２光スイッチ１の構成を示す模式断面図である。
【図７】実施の形態２にかかる２×２光スイッチの構成を示す模式的断面図である。
【図８】実施の形態２にかかる制御光入力部を含む２×２光スイッチの構成を示す模式的断面図である。
【図９】線欠陥を含む正方格子ピラー型フォトニック結晶の立体図である。
【図１０】導波路による２×２光スイッチの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる光スイッチについて説明する。
本実施の形態にかかる光スイッチは、例えば、ｍ個の入力ポートとｎ個の出力ポートを有するマッハツェンダー型の干渉計を用いたｍ×ｎ光スイッチである（ｍ、ｎは２以上の整数）。なお、マッハツェンダー型の干渉計とは、非対称マッハツェンダー型の干渉計及び対称マッハツェンダー型の干渉計を含むものとする。まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチの一例として２×２光スイッチについて説明する。すなわち、２個の入力ポートと２個の出力ポートを有するマッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチについて説明する。図１は、２×２光スイッチ１の構成を示す模式的断面図である。なお、図１では、簡略化のため、要部のみを示す。
【００３３】
２×２光スイッチ１は、フォトニック結晶に一部として含まれる。２×２光スイッチ１は、入力側に第１方向性結合器２０、出力側に第２方向性結合器２３を有する。方向性結合器２０、２３とは、光パワーを結合及び／又は分岐させることができるものである。方向性結合器２０、２３は、例えば２つの入力端と２つの出力端を有する。そして、２つの入力端から入射した光パワーを結合させて、２つの出力端に光パワーを分岐させる。方向性結合器２０、２３の間には、２経路の導波路を有する。具体的には、方向性結合器２０、２３の間には、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２を有する。例えば、第１経路の導波路３０によって、第１方向性結合器２０の一方の出力端と、第２方向性結合器２３の一方の入力端とを接続する。第２経路の導波路３２によって、第１方向性結合器２０の他方の出力端と、第２方向性結合器２３の他方の入力端とを接続する。
【００３４】
これらの導波路３０、３２とは、フォトニック結晶中の線欠陥導波路である。ここで、欠陥とは、フォトニック結晶が有する周期構造中の微小欠陥のことである。そして、線欠陥導波路とは、この微小欠陥が線状に並んだ導波路である。具体的には、フォトニック結晶には、同一形状のピラー（不図示）が周期的に配置されている。このピラーは、非欠陥ピラーである。そして、このフォトニック結晶中の一部に、非欠陥ピラーの断面積より小さい断面積を有するピラーが配置される。これが欠陥ピラーであり、この欠陥ピラーが線状に配置されることにより、線欠陥導波路のコアに相当する部分が構成される。すなわち、線欠陥導波路のコアに相当する部分は、線欠陥を成す欠陥ピラー（線欠陥ピラー）によって構成される。線欠陥導波路のクラッドに相当する部分は、線欠陥ピラーの列の両側の非欠陥ピラーの格子である。ただし、本明細書では、簡単のため、「線欠陥ピラーによって線欠陥導波路が構成される」などと表現することもある。なお、非欠陥ピラー（非線欠陥ピラー）と線欠陥ピラーとは、断面積は異なるが、分布間隔（格子定数）は一定である。すなわち、隣接するピラーの中心間隔は一定である。
【００３５】
また、２経路の内、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２とでは、導波光の群速度が異なる。ここでは、一例として、それぞれの経路の導波路の線欠陥ピラーの断面積を異ならせることにより、導波光の群速度を異ならせている。すなわち、一方の導波路の線欠陥ピラーの断面積は、他方の導波路の線欠陥ピラーの断面積より大きくなっている。図１においては、下側に示された第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３８の断面積は、上側に示された第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積より大きくなっている。本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、以上のように構成される。
【００３６】
次に、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の動作原理について説明する。まず、入力ポートに光を入射させ、第１方向性結合器２０によって、所定の分岐比で光を分岐される。例えば、１：１の分岐比で、第１方向性結合器２０のそれぞれの出力端から光が出射する。分岐された一方の光は、第１経路の導波路３０を伝搬する。そして、分岐された他方の光は、第２経路の導波路３２を伝搬する。これらを伝搬した光は、第２方向性結合器２３の２つの入力端に入射する。そして、２つの導波路３０、３２を伝搬した光の位相差に応じて、第２方向性結合器２３の出力端から出射される光パワーの割合が変化する。すなわち、２つの導波路３０、３２を伝搬する光の位相差を変化させることにより、２つの出力ポートから出射される光パワーの割合を変化させることができる。換言すると、２つの出力ポートのうち、光が出射する出力ポートを切り替えることができる。
【００３７】
これらの光の位相差は、電気や光などの制御信号のパワーよって、一方の導波路の屈折率を変化させることにより変化する。ここでは、第２経路の導波路３２の屈折率を変化させる。すなわち、２つの導波路３０、３２のうち、断面積が大きい線欠陥ピラーを有する導波路の屈折率を変化させる。これにより、第２経路の導波路３２を伝搬する光の位相が変化し、２つの導波路３０、３２を伝搬する光の位相差が変化する。そして、２つの出力ポートのうち、光が出射する出力ポートを切り替えられる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１では、一方の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積に比べて、他方の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積の方が大きい。具体的には、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３８の断面積は、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積より大きくなっている。このため、第２経路の導波路３２の群速度分散が大きくなり、僅かな屈折率変化で大きな位相差変化が生じる。すなわち、２×２光スイッチ１は、制御信号のパワーに対して効率的に動作することができる。
【００３９】
次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチの構成の具体例について説明する。ここでは、光スイッチの一例として、２×２光スイッチについて説明する。図２は、２×２光スイッチ１の構成の具体例を示す模式的断面図である。
【００４０】
本発明の２×２光スイッチ１は、多くの場合、任意のピラー（柱）型正方格子フォトニック結晶に一部として含まれる。フォトニック結晶は、相対的に低屈折率の媒質中に、周期的な格子状に配置された高屈折率の誘電体柱を有する。この高屈折率の誘電体柱が、非線欠陥ピラー４０あるいは線欠陥ピラーである。線欠陥ピラーによって種々の線欠陥導波路（以下、導波路と称す）が構成される。
【００４１】
図２を参照すると、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、第１方向性結合器２０、第２方向性結合器２３、第１経路の導波路３０、及び第２経路の導波路３２を有する。第１方向性結合器２０は、２×２光スイッチ１の入力側に配置される。第１方向性結合器２０の２つの入力端と、２つの入力ポート１０、１１とは、導波路によって接続される。第２方向性結合器２３は、２×２光スイッチ１の出力側に配置される。第２方向性結合器２３の２つの出力端と、２つの出力ポート１２、１３とは、導波路によって接続される。
【００４２】
第１方向性結合器２０は、フォトニック結晶中の２つの導波路を有する。この２つの導波路の一部は、互いに平行に近接して設けられる。これにより、この２つの導波路を伝搬する光パワーが結合して分岐する。また、第２方向性結合器２３も同様の構成を有する。第１方向性結合器２０の２つの導波路は、線状に並んだ線欠陥ピラー２１及び線欠陥ピラー２２によって構成される。また、２つの導波路を構成する線欠陥ピラー２１、２２の断面積は同じである。第２方向性結合器２３の２つの導波路は、線状に並んだ線欠陥ピラー２４及び線欠陥ピラー２５によりそれぞれ構成される。また、２つの導波路を構成する線欠陥ピラー２４、２５の断面積は同じである。
【００４３】
第１方向性結合器２０と第２方向性結合器２３とは、第１経路、及び第１経路と異なる第２経路とによって接続される。第１経路には第１経路の導波路３０、第２経路には第２経路の導波路３２が設けられる。すなわち、２経路の導波路３０、３２は、第１方向性結合器２０及び第２方向性結合器２３の間に設けられる。ここでは、第１経路の導波路３０によって、第１方向性結合器２０の一方の出力端と、第２方向性結合器２３の一方の入力端とを接続する。そして、第２経路の導波路３２によって、第１方向性結合器２０の他方の出力端と、第２方向性結合器２３の他方の入力端とを接続する。
【００４４】
第１経路より第２経路のほうが、導波路長が長くなっている。具体的には、第１経路の導波路３０より第２経路の導波路３２のほうが、導波路長が長くなっている。換言すると、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２は非対称になっている。すなわち、本実施の形態における２×２光スイッチ１は、非対称マッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチとなっている。第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積に比べて、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積の方が大きい。換言すると、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の直径に比べて、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３４、３６、３８の直径の方が大きい。このように、導波路長が長い第２経路の導波路３２において、線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積が大きくなっている。
【００４５】
第２経路の導波路３２は、テーパー導波路３３、３５、及び接続導波路３７を有する。テーパー導波路３３、３５は、第２経路の導波路３２の両端に１つずつ設けられ、線欠陥ピラー３４、３６によって構成される。接続導波路３７は、２つのテーパー導波路３３、３５の間に設けられ、線欠陥ピラー３８によって構成される。接続導波路３７の両端にテーパー導波路３３、３５がそれぞれ接続されている。すなわち、第１方向性結合器２０と接続導波路３７の一端とは、第１テーパー導波路３３を介して接続される。そして、接続導波路３７の他端と第２方向性結合器２３とは、第２テーパー導波路３５を介して接続される。第２経路の導波路３２は屈曲している。具体的には、第２経路の導波路３２の接続導波路３７は屈曲している。すなわち、接続導波路３７は、コの字型に形成される。なお、テーパー導波路３３、３５は、直線状に形成される。
【００４６】
テーパー導波路３３、３５の線欠陥ピラー３４、３６の断面積は、一端から他端に向かって、徐々に増加、或いは減少している。また、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積は、略一定になっている。第１テーパー導波路３３では、第１方向性結合器２０側の一端から接続導波路３７側の他端に向かって、線欠陥ピラー３４の断面積が徐々に増加している。第２テーパー導波路３５では、接続導波路３７側の一端から第２方向性結合器２３側の他端に向かって、線欠陥ピラー３６の断面積が徐々に減少している。すなわち、第１テーパー導波路３３の線欠陥ピラー３４及び第２テーパー導波路３５の線欠陥ピラー３６の断面積は、接続導波路３７から離れるにつれて徐々に減少する。換言すると、第１テーパー導波路３３の線欠陥ピラー３４及び第２テーパー導波路３５の線欠陥ピラー３６の断面積は、方向性結合器２０、２３から接続導波路３７に向けて徐々に増加する。
【００４７】
第１テーパー導波路３３の線欠陥ピラー３４の断面積は、第１方向性結合器２０の線欠陥ピラー２１、２２の断面積より大きく、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積より小さくなっている。同様に、第２テーパー導波路３５の線欠陥ピラー３６の断面積は、第２方向性結合器２３の線欠陥ピラー２４、２５の断面積より大きく、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積より小さくなっている。なお、第２経路の導波路３２以外の導波路の線欠陥ピラーは、略一定の断面積を有する。すなわち、線欠陥ピラー１４、２１、２２、３１、２４、２５は、略一定の断面積を有する。本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、以上のように構成される。
【００４８】
次に、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の動作原理について説明する。まず、２つの入力ポート１０、１１のうち、いずれか一方に光を入射させる。そして、第１方向性結合器２０によって、所定の分岐比で分岐される。例えば、１：１の分岐比で、第１方向性結合器２０のそれぞれの出力端から光が出射する。分岐された一方の光は、第１経路の導波路３０を伝搬する。そして、分岐された他方の光は、第２経路の導波路３２を伝搬する。具体的には、分岐された他方の光は、第１テーパー導波路３３、接続導波路３７、第２テーパー導波路３５の順で伝搬する。
【００４９】
これらを伝搬した２つの光には、位相差が生じている。互いに位相差が生じたこれらの光は、それぞれ第２方向性結合器２３の入力端に入射する。この位相差によって、第２方向性結合器２３の出力端から出射される光パワーの割合が変化する。すなわち、それぞれの光が伝搬する間に、光の位相差を調節することで、光の出口を２つの出力ポート１２、１３で切り替えることができる。なお、位相差の調整には、電気や光などの制御信号のパワーを用いる。また、位相差の調整の詳細は後述する。
【００５０】
本実施の形態の２×２光スイッチ１の中で、第２経路の導波路３２は群速度分散が大きい。これは、第２経路の導波路３２の線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積が、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積より大きいためである。群速度分散の大きな導波路は僅かな屈折率変化でも大きな位相変化を生じる。本実施の形態の第２経路の導波路３２の場合、屈折率の変化率の数倍から１０数倍以上の位相変化を生じる効果がある。その結果、第２経路の導波路３２の０．１％のオーダーの屈折率変化でも、光の出口を第１出力ポート１２と第２出力ポート１３の間で切り替えることができる。
【００５１】
すなわち、関連する２×２光スイッチに比べて、約１／１０の屈折率変化で光の出口を切り替えることができる。このため、２×２光スイッチ１の導波路長を長くすることなく、２×２光スイッチ１の動作を容易とすることができる。これにより、導波路の屈折率を変化させるための電気や光などの制御信号のパワーを抑えることができる。すなわち、制御信号のパワーに対して効率的に動作することができる。従って、低パワーで動作することができ、省エネルギーを実現することができる。さらに、２×２光スイッチ１の動作速度を向上することができる。そして、導波路長を長くする必要がないため、２×２光スイッチ１を小型化することができる。また、フォトニック結晶光集積回路に組み込み可能なため、高集積な光スイッチ回路が実現できる。
【００５２】
群速度分散が大きいのは第２経路の導波路３２のみであるため、他の導波路部分を伝搬する光は群速度分散の影響をあまり受けない。そのため、高速な光信号が本発明の２×２光スイッチ１を透過する場合でも、その光信号はほとんど歪まない。すなわち、２×２光スイッチの性能が向上する。
【００５３】
また、上記のように、方向性結合器２０、２３の線欠陥ピラー２１、２２、２４、２５と、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の断面積は異なる。このため、方向性結合器２０、２３と接続導波路３７の間に、徐々に断面積が変化するテーパー導波路３３、３５を設けることが好ましい。これにより、第１方向性結合器２０から接続導波路３７、及び接続導波路３７から第２方向性結合器２３への光の伝搬が容易になる。
【００５４】
また、例えば第２経路の両端部の一部において、線欠陥ピラーの断面積を、第１経路の導波路３０の線欠陥ピラー３１の断面積と同一としてもよい。すなわち、第２経路の一部に、線欠陥ピラーの断面積が大きい第２経路の導波路３２以外の導波路を設けてもよい。しかし、本実施の形態のように、第２経路における全ての線欠陥ピラー３４、３６、３８の断面積を第１経路の線欠陥ピラー３１の断面積より大きくすることが好ましい。すなわち、第２経路には、第２経路の導波路３２のみを設けるほうがよい。これにより、第２経路の導波路長を短くし、かつ制御信号のパワーに対して効率的に動作することができる。
【００５５】
また、対称マッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチとしてもよいが、本実施の形態のように非対称マッハツェンダー型の干渉計による２×２光スイッチ１とするのが好ましい。すなわち、屈折率を変化させる経路のみ導波路長を長くすることが好ましい。これにより、２×２光スイッチ１の小型化を実現することができる。
【００５６】
次に、本実施の形態のフォトニック結晶体の製法について概説する。本実施の形態のフォトニック結晶体は、ＳＯＩウエハ（Silicon On Insulator Wafer）を基板として作製することができる。ＳＯＩウエハとは、シリコン基板上に、埋め込み酸化膜、薄いシリコン活性層（ＳＯＩ層）が順次形成された構造を有する。ここでは、ＳＯＩウエハとして、埋め込み酸化膜の厚みが２．０μｍ、シリコン活性層の厚みが１．０μｍのものを使用する。また、シリコン活性層はノン・ドープとする。
【００５７】
初めに、電子線露光技術を使って、図２に示すパターンを描画する。具体的には、まずＳＯＩウエハ上に、レジストを塗布する。そして、電子ビームでパターンを露光する。これにより、図２の非線欠陥ピラー及び線欠陥ピラーの形成領域の外側に、レジストパターンが描画される。次に、異方性ドライエッチングによって、描画されたレジストパターンの通りにてシリコン活性層を垂直に加工する。これにより、シリコン活性層に複数の円孔が形成される。そして、残ったレジストパターンをアセトンで除去する。最後に、埋め込み酸化膜と同じ１．４５の屈折率を有する紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線で硬化させる。これにより、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１が完成する。
【００５８】
光通信用に導波光の波長を１．５５μｍとする場合は、格子定数を０．４μｍ、非線欠陥ピラー４０の直径は、０．２４μｍとする。線欠陥ピラーの直径は、導波路部分において、０．１６μｍとする。ここでの導波路部分とは、スタブ導波路部分以外、すなわち第２経路の導波路３２以外の部分をいう。すなわち、第１経路の導波路３０、方向性結合器２０、２３等の線欠陥ピラー１４、２１、２２、２４、２５、３１の直径は０．１６μｍとする。また、スタブ導波路部分において、導波路部分との接続点から遠ざかる方向に０．２２μｍにまで徐々に増加させる。すなわち、テーパー導波路３３、３５の線欠陥ピラー３４、３６の直径は、０．１６μｍ〜０．２２μｍの範囲で徐々に大きく、又は小さくなる。そして、接続導波路３７の線欠陥ピラー３８の直径は、０．２２μｍとする。導波路スタブの長さ、すなわち第２経路の導波路３２の長さを１５μｍとする。
【００５９】
図３は、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の透過スペクトルを表す。図３において、横軸が波長（μｍ）、縦軸が光強度（ａ．ｕ．）である。図３においては、簡単のため、上記の構造でシリコンのピラーが厚み方向に無限であると仮定した場合の計算結果を示す。
【００６０】
図３において、波長に応じて大きく振動している一点鎖線と細かい点線で表される曲線は、２つの出力ポート１２、１３からの光の出力強度を表している。なお、図３で広い波長範囲で一番上に見られる曲線は、一方の入力ポートから入射された入力光の光強度である。そして、あらい点線で表される曲線は、光が入射されない他方の入力ポートから漏れてくる光の光強度である。広い周波数範囲に渡って、２つの出力ポート１２、１３からの光は、交互に出力強度が強くなっている。すなわち、広い周波数範囲に渡って、２つの出力ポート１２、１３から交互に光が出ている。
【００６１】
この２×２光スイッチ１に熱や電界を印加すると、部分的に導波路の屈折率が変化する。具体的には、第２経路の導波路３２の屈折率が変化する。屈折率が変化することにより、これらの曲線が同時に長波長側、或いは短波長側にシフトする。すなわち、特定の波長で比較する場合、屈折率が変化し、曲線がシフトすることにより、出力強度が強い出力ポート１２、１３が切り替わる。換言すると、屈折率が変化し、第１経路の導波路３０と第２経路の導波路３２とを伝搬する光の位相差が調整される。そして、出力強度が強い出力ポート１２、１３が切り替わる。すなわち、屈折率の変化によって、光の出口を出力ポート１２、１３の間で切り替えることができる。光波長範囲で、出力光強度の振動があることから、２×２光スイッチ１としては、広い波長範囲で用いることができる。すなわち、２×２光スイッチ１の動作周波数が限定されない。
【００６２】
図４及び図５はそれぞれ、異なった出力ポート１２、１３に光が出る場合の光スイッチ１の電界分布の計算結果である。図４及び図５において、左側が入力ポート１０、１１、右側が出力ポート１２、１３である。図４、５では、下側の第２入力ポート１１から光が入射される。そして、図４では、上側の第１出力ポート１２から光が出射し、下側の第２出力ポート１３からはほとんど光が出射しない。反対に、図５では、下側の第２出力ポート１３から光が出射し、上側の第１出力ポート１２からはほとんど光が出射しない。上記のように、屈折率を変化させることにより、図４の状態と図５の状態とが切り替わる。すなわち、光の出口が出力ポート１２、１３の間で切り替わることになる。
【００６３】
次に、図６を参照して、屈折率チューナを含む他の２×２光スイッチ１について説明する。屈折率チューナとは、導波路において、屈折率変化を生じるためのチューナである。図６は、屈折率チューナを含む２×２光スイッチ１の構成を示す模式断面図である。なお、図６においては、理解しやすいように、光が伝搬する導波路を破線で示す。また、方向性結合器２０、２３を一点鎖線で示す。
【００６４】
図６に示される２×２光スイッチ１は、屈折率チューナとして温度調節器が装着される。具体的には、２×２光スイッチ１は、温度調節器としてヒータ８０が装着される。ヒータ８０は、第２経路の導波路３２、特に接続導波路３７の近傍に装着される。なお、それ以外の構成は、図２に示された構成と同様である。ヒータ８０を加熱すると、導波路スタブ、すなわち第２経路の導波路３２の屈折率が変化する。特に、接続導波路３７の屈折率が変化する。そして、図３に示したフォトニック結晶体の透過スペクトルが長波長側、或いは短波長側にシフトする。その結果、特定波長では、光の透過率（出力強度）が変化し、光の出口が出力ポート１２、１３で切り替わる。これにより、２×２光スイッチ１として動作する。そして、上記のような効果を奏することができる。
【００６５】
なお、屈折率を変化させるために、温度調節器（具体的にはヒータ８０）を用いたがこれに限らない。屈折率チューナが電界強度調節器や電流調節器である場合も同じように動作する。
【００６６】
実施の形態２．
次に本発明の実施の形態２にかかる光スイッチについて説明する。
実施の形態１では、方向性結合器の間の２つの経路の導波路が短くても、効率的に光の出力ポートの切り替えができる光スイッチを提供するものであった。これから説明する本実施の形態では、制御光の入力によって、方向性結合器の間の経路の屈折率を変化させる場合に、特に効率的な構造を提供する。本実施の形態では、方向性結合器の間の２つの経路の導波路の内の少なくとも１つが共振器を含み、選択した経路の屈折率のチューニングをその共振器で共振した光で行う。
【００６７】
図７を参照して、本実施の形態にかかる光スイッチについて説明する。ここでは、光スイッチの一例として、２×２光スイッチについて説明する。図７は、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１の構成を示す模式図である。なお、実施の形態１と共通する部分は、説明を省略又は簡略化する。
【００６８】
図７に示した２×２光スイッチ１は、任意のピラー（柱）型正方格子フォトニック結晶に一部として含まれる。２×２光スイッチ１は、２つの方向性結合器２０、２３と、それらの間の２経路の導波路９０、９１を有している。そして、マッハツェンダー干渉計を構成している。具体的には、実施の形態１と同様、第１方向性結合器２０は２×２光スイッチ１の入力側、第２方向性結合器２３は２×２光スイッチ１の出力側に配置される。そして、第１方向性結合器２０と第２方向性結合器２３は、第１経路の導波路９０及び第２経路の導波路９１によって接続される。
【００６９】
上記２経路の内、少なくとも１経路の導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積が、方向性結合器２０、２３を構成する導波路の線欠陥を成す欠陥ピラーの断面積よりも小さい。図７では、第１経路の導波路９０の線欠陥ピラー１０１、１０３、１１１の断面積が、方向性結合器２０、２３を構成する導波路の線欠陥ピラー２１、２４の断面積よりも小さい。同様に、第２経路の導波路９１の線欠陥ピラー１０５、１０７、１１３の断面積が、方向性結合器２０、２３を構成する導波路の線欠陥ピラー２２、２５の断面積よりも小さい。なお、簡単のため、以下の説明では、導波路の線欠陥、すなわち線欠陥ピラーが並んだ部分を単に導波路と称すことがある。また、図７、８において符号１００等によって示された導波路の線欠陥を、明細書中において単に導波路と称すことがある。
【００７０】
欠陥ピラーの断面積が小さい経路の導波路は、両端に１つずつ設けられた２つのテーパー導波路を有する。また、欠陥ピラーの断面積が小さい経路の導波路は、この２つのテーパー導波路の間に設けられ、これらのテーパー導波路を介して方向性結合器２０、２３と接続された接続導波路を有する。具体的には、第１経路の導波路９０は、２つのテーパー導波路１００、１０２と、２つのテーパー導波路１００、１０２の間に設けられた接続導波路１１０を有する。また、第２経路の導波路９１は、２つのテーパー導波路１０４、１０６と、２つのテーパー導波路１０４、１０６の間に設けられた接続導波路１１２を有する。
【００７１】
第１経路の導波路９０において、テーパー導波路１００、１０２を成すフォトニック結晶導波路の線欠陥ピラー１０１、１０３の断面積は、接続導波路１１０から離れるにつれて徐々に増加する。同様に、第２経路の導波路９１において、テーパー導波路１０４、１０６を成すフォトニック結晶導波路の線欠陥ピラー１０５、１０７の断面積は、接続導波路１１２から離れるにつれて徐々に増加する。テーパー導波路の線欠陥ピラーの断面積は、一端に接続された方向性結合器の線欠陥ピラーの断面積より小さく、他端に接続された接続導波路の線欠陥ピラーの断面積より大きくなっている。
【００７２】
このようにテーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６で滑らかに線欠陥ピラー１０１、１０３、１０５、１０７の断面積を変化させる。これにより、導波路を透過する光は、導波路の突然の形状変化を感じないので、無用な反射を生じない。本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、以上のように構成される。
【００７３】
上記のように、接続導波路１１０、１１２の線欠陥ピラー１１１、１１３の断面積が、方向性結合器２０、２３の線欠陥ピラー２１、２２、２４、２５の断面積よりも小さい。このため、接続導波路１１０、１１２は、方向性結合器２０、２３の透過帯域の上限よりも高い周波数の光を導波することができる。ここで、方向性結合器２０、２３の透過帯域の上限の周波数をｆ１とし、接続導波路１１０、１１２の透過帯域の上限の周波数をｆ２とする。この場合、接続導波路１１０、１１２の長さを適当に調節することによって、ｆ１〜ｆ２の間の周波数、例えばｆ３の周波数を有する光が接続導波路１１０、１１２の部分で共振を起こす。
【００７４】
このように、接続導波路１１０、１１２は共振器として働く。このため、本実施の形態にかかる２×２光スイッチ１は、換言すれば、次のように言うこともできる。方向性結合器２０、２３の間の２経路の導波路９０、９１の少なくとも一方の経路の導波路の一部または全部が共振器として動作する。また、この共振器は、方向性結合器２０、２３を構成する導波路の導波帯域以外の周波数の光に対して共振する。
【００７５】
具体的には、この共振を起こす光は、方向性結合器２０、２３の透過帯域の上限よりも高い周波数を有する。このため、この共振を起こす光は、方向性結合器２０、２３を構成する導波路を透過できず、方向性結合器２０、２３には漏れない。そして、安定した２×２光スイッチ１の動作を実現することができる。
【００７６】
そして、共振器に強い光が存在することになる結果、接続導波路１１０、１１２では、３次の非線形効果が大きくなる。これにより、無視できない程度に接続導波路１１０、１１２の屈折率が変化する。または、接続導波路１１０、１１２が光を僅かでも吸収する場合には、接続導波路１１０、１１２に蓄積された高強度の光のエネルギーの一部が吸収されて熱に変わる。そして、接続導波路１１０、１１２が加熱されることによって、熱光学効果により屈折率が変化する。以上のように、接続導波路１１０、１１２の屈折率を変調させることができる。
【００７７】
制御光と導波光とを結合させることにより、接続導波路１１０、１１２の屈折率を選択的に変化させる。そして、接続導波路１１０、１１２の透過特性を短波長側、または長波長側にシフトさせることができる。周波数ｆ１以下の光は方向性結合器２３を透過し、２×２光スイッチ１によって、スイッチングすることができる。すなわち、本実施の形態によれば、光で制御できる光スイッチを効率的に動作させることができる。
【００７８】
また、本実施の形態にかかる光スイッチの場合、接続導波路１１０、１１２の導波光は、方向性結合器２０、２３の導波光に比べて、群速度が大きくなる。このため、実施の形態１のように、導波路スタブを小さくできる効果は利用できない。しかし、周波数ｆ３の制御光によって、効率的に接続導波路１１０、１１１の屈折率を変化させることができる。そして、本実施の形態にかかる光スイッチは、光制御が可能な光スイッチとして動作させることができる。
【００７９】
次に、図８を参照して、制御光の入力部を含む２×２光スイッチ１について説明する。図８は、本実施の形態にかかる制御光の入力部を含む２×２光スイッチ１の構成を示す模式図である。なお、制御光の入力部以外の構成は、図７に示す２×２光スイッチ１の構成と同様である。
【００８０】
近接導波路１２０は、接続導波路１１０の近傍に設けられている。同様に、近接導波路１２２は、接続導波路１１２の近傍に設けられている。近接導波路１２０、１２２の線欠陥ピラー１２１、１２３は、近傍の接続導波路１１０又は接続導波路１１２の線欠陥ピラー１１１、１１３の断面積以下の断面積を有する。接続導波路１１０と近接導波路１２０、及び接続導波路１１２と近接導波路１２２とはそれぞれ光学的に結合している。近接導波路１２０、１２２は、例えば、近傍の接続導波路１１０又は接続導波路１１２側に約９０°折れ曲がったＬ字型を有する。これにより、効果的に近接導波路１２０、１２２を接続導波路１１０又は接続導波路１１２に近接させることが可能である。近接導波路１２０、１２２は、制御光の入力部となり、制御用導波路として働く。
【００８１】
換言すると、制御用導波路は、共振器の近傍にそれぞれ設けられている。制御用導波路は、フォトニック結晶のバンドギャップ内に周波数を有する光を導波可能である。さらに、制御用導波路は、２つの接続導波路１１０、１１２のそれぞれの共振器の共振周波数の光を導波可能である。それぞれの共振器と制御用導波路は、光学的に結合している。
【００８２】
制御用導波路、すなわち近接導波路１２０、１２２を接続導波路１１０、１１２から適当に離すことによって、Ｑ（キュー）値を十分に大きくすることができる。ここで、Ｑ値とは、共振器が光を閉じ込める強さの目安となる値である。即ち、接続導波路１１０、１１２に蓄積される光の強度を近接導波路１２０、１２２を導波されてくる周波数ｆ３の光のＱ倍とすることができる。Ｑ値は数千から数万以上にもすることができるので、小さな強度の周波数ｆ３の光を入射すれば、高強度の光エネルギーが接続導波路１１０、１１２に蓄積されることになる。そして、上記のように、屈折率を効率的に変化させることができる。これにより、光制御が可能な光スイッチとして動作させることができる。
【００８３】
方向性結合器２０や方向性結合器２３の導波光は、接続導波路１１０、１１１まで侵入する。しかし、それらの間にテーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６があるため、急激な導波路構造の変化に起因する反射が生じることは無い。そのため、周波数ｆ１以下の光は、この２×２光スイッチ１を透過する過程で共振を生じない。従って、接続導波路１１０、１１１内の周波数ｆ１以下の光の強度は、方向性結合器２０、２３内を通過するときの強度と同程度である。そのため、接続導波路１１０から近接導波路１２０、及び接続導波路１１１から近接導波路１２２への、周波数ｆ１以下の漏れ光の強度は、接続導波路１１０又は接続導波路１１２を透過する光の強度の１／Ｑ程度に止まり、無視できる程度となる。
【００８４】
なお、テーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６において、線欠陥の欠陥を構成する誘電体柱の断面積が、接続導波路１１０、１１２から遠ざかる向きに、階段状に増加してもよい。すなわち、テーパー導波路１００、１０２、１０４、１０６において、線欠陥ピラー１０１、１０３、１０５、１０７の断面積が接続導波路１１０、１１２から遠ざかる向きに、階段状に増加してもよい。また、徐々に減少する部分と階段状に増加する部分とを含んでもよい。
【００８５】
２つの方向性結合器２０、２３の間の２経路の導波路９０、９１は、同じ長さでも、異なった長さでもよい。すなわち、２経路の導波路９０、９１を同じ長さにして対称マッハツェンダー干渉計としてもよいし、２経路の導波路９０、９１を異なった長さにして非対称マッハツェンダー干渉計としてもよい。
【００８６】
２×２光スイッチ１が対称マッハツェンダー干渉計の場合に、例えば、図８に示されるように、両方の接続導波路１１０、１１２に近接導波路１２０、１２２を近接させておく。この場合、２つの近接導波路１２０、１２２の内のどちらか一方にのみ制御光が入力されると、光の出力ポートが切り替わる。そして、制御光が共に無しか、或いは、共に入力されたときには、光の出力ポートが切り替わらない、といった論理回路の動作を２×２光スイッチ１にさせることができる。
【００８７】
また、２×２光スイッチ１が非対称マッハツェンダー干渉計の場合に、上記と同様、両方の接続導波路１１０、１１２に近接導波路１２０、１２２を近接させておく。これにより、対称な場合と異なる論理回路の動作を２×２光スイッチ１にさせることができる。また、これらの組み合わせも可能である。
【００８８】
図７、８の場合、フォトニック結晶は、正方格子ピラー型フォトニック結晶であるが、三角格子孔型フォトニック結晶であってもよい。もちろん、実施の形態１においても同様である。また、このような２×２光スイッチ１は、２つ以上が並べられ、それらの個々の２×２光スイッチ１に含まれるそれぞれの近接導波路（制御用導波路）１２０、１２２が同一であるか、または互いに接続されていてもよい。
【００８９】
以上、本発明の光スイッチの実施の形態の例について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、光スイッチを構成している線欠陥ピラー以外のピラーを変位させたり、その断面積を増減させたりすることもできる。さらには、ピラーは必ずしも円柱である必要はなく、四角柱や八角柱など、他の形状であってもよい。また、フォトニック結晶の周期構造は、線欠陥導波路における光の伝搬速度が広い帯域で遅いという点から正方格子としたがこれに限らない。フォトニック結晶の周期構造を六方格子等、他の周期構造を用いてもよい。
【００９０】
なお、本実施の形態では、光スイッチの一例として、２×２光スイッチを説明したがこれに限らない。本実施の形態にかかる光スイッチを組み合わせることにより、２×４光スイッチ、２×８光スイッチ等、一般にｍ×ｎ光スイッチ（ｍ、ｎは２以上の整数）に応用可能である。
【００９１】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００９２】
この出願は、２００８年３月７日に出願された日本出願特願２００８−５７９３２、及び２００８年８月１４日に出願された日本出願特願２００８−２０８９２６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、光スイッチ及びその製造方法に適用され、特に、導波路を用いた光スイッチ及びその製造方法に適用される。
【符号の説明】
【００９４】
１  ２×２光スイッチ、１０  第１入力ポート、１１  第２入力ポート、
１２  第１出力ポート、１３  第２出力ポート、１４  線欠陥ピラー、
２０  第１方向性結合器、２１  線欠陥ピラー、２２  線欠陥ピラー、
２３  第２方向性結合器、２４  線欠陥ピラー、２５  線欠陥ピラー、
３０  第１経路の導波路、３１  線欠陥ピラー、３２  第２経路の導波路、
３３  第１テーパー導波路、３４  線欠陥ピラー、３５  第２テーパー導波路、
３６  線欠陥ピラー、３７  接続導波路、３８  線欠陥ピラー、４０  非線欠陥ピラー、
５１  低誘電率材料、５２ｂ  線欠陥柱、５２ａ  非線欠陥柱、
６０  ３ｄＢ方向性結合器、６１  ３ｄＢ方向性結合器、６２  導波路、６３  導波路、
６４  導波路、６５  導波路、６６  出射ポート、６７  出射ポート、６８  導波路、
６９  導波路、７０  入力ポート、７１  導波路、７２  光スイッチ、
７３  入力ポート、７４  導波路、８０  ヒータ、
９０  第１経路の導波路、９１  第２経路の導波路、１００  テーパー導波路、
１０１  線欠陥ピラー、１０２  テーパー導波路、１０３  線欠陥ピラー、
１０４  テーパー導波路、１０５  線欠陥ピラー、１０６  テーパー導波路、
１０７  線欠陥ピラー、１１０  接続導波路、１１１  線欠陥ピラー、
１１２  接続導波路、１１３  線欠陥ピラー、１２０  近接導波路、
１２１  線欠陥ピラー、１２２  近接導波路、１２３  線欠陥ピラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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