(57)【要約】【課題】  本発明は、２次元フォトニック結晶面内で信号処理が可能で高集積化が可能となり、低い光パワーで動作することができる光スイッチ回路を提供することを目的とする。【解決手段】  ２次元フォトニック結晶４上に構成された一対の導波路５，６と、一対の導波路５，６の間に配置された共振器７で構成された共鳴トンネルフィルタを有し、共振器７に共鳴する信号光及び制御光を一対の導波路５，６の一方から入力して他方から取り出し、信号光を制御光で変調する。【選択図】        図２
2006064863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元フォトニック結晶上に構成された一対の導波路と、前記一対の導波路の間に配置された共振器で構成された共鳴トンネルフィルタを有し、
前記共振器に共鳴する信号光及び制御光を前記一対の導波路の一方から入力して他方から取り出し、前記信号光を前記制御光で変調することを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項２】
２次元フォトニック結晶上に構成された第１、第２の一対の導波路と、前記第１の一対の導波路の間に配置され、かつ、前記第２の一対の導波路の間に配置された共振器で構成された共鳴トンネルフィルタを有し、
前記共振器に共鳴する信号光を前記第１の一対の導波路の一方から入力して他方から取り出し、かつ、前記共振器に共鳴する制御光を前記第２の一対の導波路の一方から入力して他方から取り出し、前記信号光を前記制御光で変調することを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項３】
請求項２または３記載の光スイッチ回路において、
共鳴トンネルフィルタは、第１、第２の共鳴波長を持ち、
前記第１の共鳴波長を前記信号光に割り当て、
前記第２の共鳴波長を前記制御光に割り当てたことを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項４】
請求項２または３記載の光スイッチ回路において、
前記共振器は、少なくとも第１、第２の共鳴モードを有し、
各共鳴モードのフィールド形状の対称性と、前記第１、第２の一対の導波路の導波モードのフィールド形状の対称性との一致により、前記信号光を前記第１の一対の導波路に伝搬し、かつ、前記制御光を前記第２の一対の導波路に伝搬することを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項５】
請求項４記載の光スイッチ回路において、
前記第１の共鳴モードのフィールド形状の結晶配位方向であるΓＫ軸に対する対称性と、前記第１の一対の導波路の導波モードのΓＫ軸に対するフィールド形状の対称性との一致により、前記共振器と前記第１の一対の導波路を結合して前記信号光を前記第１の一対の導波路に伝搬し、
前記第１の共鳴モードのフィールド形状のΓＫ軸に対する対称性と、前記第２の一対の導波路の導波モードのΓＫ軸に対するフィールド形状の対称性との不一致により、前記信号光を前記第２の一対の導波路に伝搬しないことを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項６】
請求項５記載の光スイッチ回路において、
前記第２の共鳴モードのフィールド形状のΓＫ軸に直交するΓＭ軸に対する対称性と、前記第２の一対の導波路の導波モードのΓＭ軸に対するフィールド形状の対称性との一致により、前記共振器と前記第２の一対の導波路を結合して前記制御光を前記第２の一対の導波路に伝搬し、
前記第２の共鳴モードのフィールド形状のΓＭ軸に対する対称性と、前記第１の一対の導波路の導波モードのΓＭ軸に対するフィールド形状の対称性との不一致により、前記制御光を前記第１の一対の導波路に伝搬しないことを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項７】
請求項４記載の光スイッチ回路において、
前記第１の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第１の一対の導波路の導波モードの帯域の一致により、前記共振器と前記第１の一対の導波路を結合して前記信号光を前記第１の一対の導波路に伝搬し、
前記第１の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第２の一対の導波路の導波モードの帯域の不一致により、前記信号光を前記第２の一対の導波路に伝搬しないことを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項８】
請求項７記載の光スイッチ回路において、
前記第２の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第２の一対の導波路の導波モードの帯域の一致により、前記共振器と前記第２の一対の導波路を結合して前記制御光を前記第２の一対の導波路に伝搬し、
前記第２の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第１の一対の導波路の導波モードの帯域の不一致により、前記制御光を前記第１の一対の導波路に伝搬しないことを特徴とする光スイッチ回路。
【請求項９】
請求項２乃至８記載の光スイッチ回路において、
前記共振器は、フォトニックバンドギャップ内に６重極モードを有することを特徴とする光スイッチ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチ回路に関し、光出力が現在の光入力だけでなく過去の光入力の履歴に依存する光スイッチ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元フォトニック結晶をプラットフォームとする平面光回路において、導波路と共振器の結合系は、数波長程度の面積で機能性を実現できることが示唆されており、超小型光回路を構成する上で注目すべき光回路構成である。
【０００３】
図１に示すように、２次元フォトニック結晶１上に１本の導波路２を設け、導波路２に隣接して１つの共振器３を配置した構造は、共振器の共鳴波長において信号光を平面回路から取り出すドロップフィルタとなる（例えば非特許文献１参照。）。また、光吸収の生じる波長の外部光（制御光）を直接２次元フォトニック結晶に照射することで共振器の共鳴波長を操作することにより、制御光で信号光を制御する光スイッチ回路を構成することが可能である（例えば非特許文献２参照。）。
【０００４】
また、非特許文献３には、フォトニック結晶上の１点欠陥を中心とし、この１点欠陥に隣接する６個の空気穴を１点欠陥から離すように放射状に幅寄せするとともに、径を小さくして共振器を構成することが記載され、非特許文献４には、共振器のＱ値を制御することが記載されている。また、非特許文献５，６には、導波路の構造が記載されている。
【非特許文献１】Ｓ．Ｎｏｄａ，ｅｔ  ａｌ  Ｎａｔｕｒｅ  ４０７，６０８（２０００）
【非特許文献２】Ｗ．Ｋｕｎｉｓｈｉ，ｅｔ  ａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ    ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ＶＰＥＣＳ−Ｖ，２４３（２００４）
【非特許文献３】Ｈ．Ｙ．Ｒｙｕ，ｅｔ  ａｌ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ．８３，４２９４（２００３）
【非特許文献４】三木他、２００３年春季応用物理学会予稿集  第三分冊，１１３８（２００３）２９ａ−ＹＮ−７
【非特許文献５】Ａ．Ｓｈｉｎｙａ，ｅｔ  ａｌ  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，５０００，１０４，（２００３）
【非特許文献６】Ａ．Ｓｈｉｎｙａ，ｅｔ  ａｌ  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，５０００，１２５，（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載の構造では、信号光は平面回路から面外への取り出しである。また、非特許文献２に記載の光制御の光スイッチ回路も、平面回路から面外への光取り出しのスイッチングとなり、平面回路面外からの制御光の照射が必要となるため、将来の超小型・高集積化が困難となるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、２次元フォトニック結晶面内で信号処理が可能で高集積化が可能となり、低い光パワーで動作することができる光スイッチ回路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】
【０００７】
図２は本発明の第１の原理構成図を示す。請求項１に記載の発明は、２次元フォトニック結晶（４）上に構成された一対の導波路（５，６）と、前記一対の導波路（５，６）の間に配置された共振器（７）で構成された共鳴トンネルフィルタを有し、
前記共振器（７）に共鳴する信号光及び制御光を前記一対の導波路（５，６）の一方から入力して他方から取り出し、前記信号光を前記制御光で変調することにより、
信号光および制御光は２次元フォトニック結晶面内を伝播し２次元フォトニック結晶面内で様々な信号処理が可能で高集積化が可能となる。
【０００８】
図３は本発明の第２の原理構成図を示す。請求項２に記載の発明は、２次元フォトニック結晶（１０）上に構成された第１、第２の一対の導波路（１１，１２，１３，１４）と、前記第１の一対の導波路の間に配置され、かつ、前記第２の一対の導波路の間に配置された共振器（１５）で構成された共鳴トンネルフィルタを有し、
前記共振器（１５）に共鳴する信号光を前記第１の一対の導波路（１１，１２）の一方から入力して他方から取り出し、かつ、前記共振器（１５）に共鳴する制御光を前記第２の一対の導波路（１３，１４）の一方から入力して他方から取り出し、前記信号光を前記制御光で変調することにより、
信号光および制御光は２次元フォトニック結晶面内を伝播し２次元フォトニック結晶面内で様々な信号処理が可能で高集積化が可能となり、信号光と制御光を別々の導波路で伝搬させることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２または３記載の光スイッチ回路において、
共鳴トンネルフィルタは、第１、第２の共鳴波長を持ち、
前記第１の共鳴波長を前記信号光に割り当て、
前記第２の共鳴波長を前記制御光に割り当てたことにより、
低い光パワーで光スイッチングに必要な非線形現象を発生させることができ、低い光パワーで動作することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３記載の光スイッチ回路において、
前記共振器は、少なくとも第１、第２の共鳴モードを有し、
各共鳴モードのフィールド形状の対称性と、前記第１、第２の一対の導波路の導波モードのフィールド形状の対称性との一致により、前記信号光を前記第１の一対の導波路に伝搬し、かつ、前記制御光を前記第２の一対の導波路に伝搬することにより、
信号光と制御光を別々の導波路で伝搬させることを実現できる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の光スイッチ回路において、
前記第１の共鳴モードのフィールド形状の結晶配位方向であるΓＫ軸に対する対称性と、前記第１の一対の導波路の導波モードのΓＫ軸に対するフィールド形状の対称性との一致により、前記共振器と前記第１の一対の導波路を結合して前記信号光を前記第１の一対の導波路に伝搬し、
前記第１の共鳴モードのフィールド形状のΓＫ軸に対する対称性と、前記第２の一対の導波路の導波モードのΓＫ軸に対するフィールド形状の対称性との不一致により、前記信号光を前記第２の一対の導波路に伝搬しないことにより、
信号光が第１の一対の導波路を伝搬し、第２の一対の導波路を伝搬しないようにすることができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の光スイッチ回路において、
前記第２の共鳴モードのフィールド形状のΓＫ軸に直交するΓＭ軸に対する対称性と、前記第２の一対の導波路の導波モードのΓＭ軸に対するフィールド形状の対称性との一致により、前記共振器と前記第２の一対の導波路を結合して前記制御光を前記第２の一対の導波路に伝搬し、
前記第２の共鳴モードのフィールド形状のΓＭ軸に対する対称性と、前記第１の一対の導波路の導波モードのΓＭ軸に対するフィールド形状の対称性との不一致により、前記制御光を前記第１の一対の導波路に伝搬しないことより、
制御光が第２の一対の導波路を伝搬し、第１の一対の導波路を伝搬しないようにすることができる。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項４記載の光スイッチ回路において、
前記第１の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第１の一対の導波路の導波モードの帯域の一致により、前記共振器と前記第１の一対の導波路を結合して前記信号光を前記第１の一対の導波路に伝搬し、
前記第１の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第２の一対の導波路の導波モードの帯域の不一致により、前記信号光を前記第２の一対の導波路に伝搬しないことにより、
信号光が第１の一対の導波路を伝搬し、第２の一対の導波路を伝搬しないようにすることができる。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項７記載の光スイッチ回路において、
前記第２の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第２の一対の導波路の導波モードの帯域の一致により、前記共振器と前記第２の一対の導波路を結合して前記制御光を前記第２の一対の導波路に伝搬し、
前記第２の共鳴モードの共鳴周波数と、前記第１の一対の導波路の導波モードの帯域の不一致により、前記制御光を前記第１の一対の導波路に伝搬しないことより、
制御光が第２の一対の導波路を伝搬し、第１の一対の導波路を伝搬しないようにすることができる。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項２乃至８記載の光スイッチ回路において、
前記共振器は、フォトニックバンドギャップ内に６重極モードを有することにより、６重極モードを第２の共鳴モードとして使用できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２次元フォトニック結晶面内で信号処理が可能で高集積化が可能となり、低い光パワーで動作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図４は、本発明の光スイッチ回路の第１実施形態の構成図を示す。この実施形態は図２に対応する回路構成である。図４において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶２０は、エアブリッジ構造のシリコンのスラブ２２に三角格子状の空気穴２４を設けたものであり、例えば格子定数ａ＝４２０ｎｍ、空気穴半径０．２７５ａ、スラブ厚さ０．５ａである。
【００１９】
ここで、三角格子状の空気穴２４の結晶配位方向のΓＫ軸は隣接する２つ空気穴の中心を結ぶ方向であり、三角格子の３辺がΓＫ軸に対応する。また、ΓＭ軸は、隣接する２つ空気穴の中心を結ぶ直線（ΓＫ軸）に直交し、最短の空気穴の中心に向かう方向である。
【００２０】
導波路２６，２８はフォトニック結晶の空気穴２４をΓＫ軸に重なるＸ軸方向に除去して構成されており、導波路２６の延長線上に導波路２８が配置されている。
【００２１】
導波路２６，２８それぞれの対向する端部からΓＫ軸方向に数周期のポテンシャルバリア（数周期のフォトニック結晶周期）を経た位置に端部が位置するよう共振器３０が配置されている。共振器３０は、Ｘ軸方向に延在する３点欠陥（３つの空気穴の欠損）のＸ軸方向の両端に隣接する２つの空気穴（黒丸で示す）３２を３点欠陥から離すようにＸ軸方向に幅寄せするとともに、径を小さくして形成されている（非特許文献４参照）。
【００２２】
つまり、共振器３０は１本の導波路を２つの導波路２６，２８に分断するように配置されており、この構造は共鳴トンネルフィルタと呼ばれる回路構成であり、一方の導波路２６を伝播している光の波長が共振器３０の共鳴波長と一致する場合のみ、光は共振器３０を透過し、他方の導波路２８を伝播することができる。また、共振器３０は、極めて小さなモード体積を有するフォトニック結晶共振器であり、制御光の光密度を極めて高くして低い光パワーで光スイッチングに必要な非線形現象を発生させることができる。
【００２３】
この非線形現象は、共振器３０内およびその周辺の領域の屈折率を変動させ、共振器３０の共鳴波長を変動させる。つまり、信号光の波長と共振器３０の共鳴波長の差異を制御光の光強度により調整することができる。これにより、信号光が共鳴トンネルフィルタを透過する場合（ＯＮ）、透過しない場合（ＯＦＦ）の変更が、制御光の光強度で調整可能となる。
【００２４】
この共鳴トンネルフィルタの共振器３０は１つの構造の中に２つの共鳴モードを有する。一方の共鳴モードに対し生じた非線形現象による屈折率の変動は、その共鳴モードの共鳴波長だけではなく、他方の共鳴モードの共鳴波長も変動させる。つまり、本機構を用いれば、制御光で信号光を変調することができる。
【００２５】
図５（Ａ）に、分断されていない１本の導波路（導波モード）の透過スペクトルと、図４に示す共鳴トンネルフィルタの透過スペクトルを示す。図５（Ａ）において、導波モードの観測帯域内は（１５００〜１５８０ｎｍ）に、共鳴モード１と共鳴モード２の２つの共鳴トンネル信号を観測できる。本発明では、共鳴モード１を制御光、共鳴モード２を信号光に割り当てる。
【００２６】
図５（Ｂ）にハイパワーの制御光を入力した場合（ＯＮ）の信号光の透過スペクトルを実線で示し、入力しない場合（ＯＦＦ）の信号光の透過スペクトルを破線で示す。制御光をＯＮにすることにより、信号光スペクトルが長波長側にシフトしている。
【００２７】
フォトニック結晶２０の材料であるシリコンの場合、信号光スペクトルの長波長側へのシフトは、熱の非線形性を意味する。従来、シリコンは観測波長帯域において透明であるため、光による熱の発生はきわめて小さいはずであるが、本構造ではフォトニック結晶の共振器３０を用いることで、極めて小さな空間領域に極めてエネルギー密度の高い光を閉じ込めているため、熱の非線形現象を容易に生じさせることができている。
【００２８】
さらに、信号光の波長を図５（Ｂ）に示すλ１、λ２に設定することにより、図６に示すように信号光と制御光の論理演算が可能となる。つまり、信号光の波長がλ１の場合、図６（Ａ）に示す制御光がＯＮになることにより、図６（Ｂ）に示す信号光の出力は低下するため、ＮＯＴ回路が構成される。一方、信号光の波長がλ２の場合、図６（Ａ）に示す制御光がＯＮになることにより、図６（Ｃ）に示す信号光の出力が上昇するためＡＮＤ回路となる。このように、２つの共鳴モードを利用することにより、光制御の光スイッチ回路を実現できる。
【００２９】
このように、上記実施形態では、信号光および制御光は２次元回路面内を伝播するため、２次元面内で様々な信号処理が可能となり、高集積化が可能となる。また、２つの共鳴モードを有するフォトニック結晶共振器を利用することで、低い光パワーで光スイッチングに必要な非線形現象を発生させることができ、低い光パワーで動作することができる。
【００３０】
ところで、図４の回路構成では、信号光と制御光が同一の導波路を伝播する必要があるため、将来的に複雑な回路を構成できないおそれがある。そこで、共振器の共鳴モードのフィールド形状の対称性を利用し、信号光と制御光を分離する方法について説明する。
【００３１】
図７は、本発明の光スイッチ回路の第２実施形態の構成図を示す。この実施形態は図３に対応する回路構成である。図７において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶４０は、エアブリッジ構造のシリコンのスラブ４２に三角格子状の空気穴４４を設けたものであり、例えば格子定数ａ＝４２０ｎｍ、空気穴半径０．２７５ａ、スラブ厚さ０．５ａである。
【００３２】
導波路４６，４８はフォトニック結晶の空気穴４４をΓＫ軸に重なるＹ軸方向に除去して構成されており、導波路４６の延長線上に導波路４８が配置されている。
【００３３】
導波路４６，４８の間には共振器５０が配置されている。共振器５０は、１点欠陥（１つの空気穴の欠損）を中心とし、この１点欠陥に隣接する６個の空気穴（黒丸で示す）５２を１点欠陥から離すように放射状に幅寄せするとともに、径を小さくして形成されている（非特許文献３，４参照）。
【００３４】
また、共振器５０を中心としてΓＭ軸に重なるＸ軸方向両側に数列の空気穴列を経た位置に端部が位置するよう導波路５４，５６が配置されている。導波路５４は、共振器５０に近い端部からＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸方向にフォトニック結晶の空気穴４４を除去して構成されており、導波路５６は、共振器５０に近い端部からＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸方向にフォトニック結晶の空気穴４４を除去して構成されている。
【００３５】
更に、導波路４６，４８，５４，５６は、図２０（Ａ）に示すように空気穴列を線状に除去し、図２０（Ｂ）に示すように除去された空気穴列に隣接する空気穴列を導波路幅が狭くなるようにシフトさせ（Ｗ＜Ｗｏ）、更に、図２０（Ｃ）に示すようにシフトさせた空気穴列の外側の空気穴列の形状をシフトさせた分だけ広げられている（非特許文献５，６参照）。なお、図２０においては、黒丸が空気穴を表わしている。
【００３６】
図２１に図７の共振器５０の伝搬モード帯域と共鳴周波数（共鳴波長）との対応を示す。本実施形態では導波路幅Ｗを０．９３７Ｗｏ（Ｗｏは取り除いた空気穴列の両側に隣接する空気穴列の中心間距離）とした。このように、導波路幅の操作により２重極モードと６重極モードが存在する帯域にΓＫ軸に対し正対称の導波モードを有する導波路を構成している。
【００３７】
導波路４６，４８は信号光を導波する信号ラインとされ、導波路５４，５６は制御光を導波する制御ラインとされており、信号ラインと制御ラインが交差する地点に共振器５０が配置されている。
【００３８】
共振器５０は２つの共鳴モードを持ち、それぞれが信号光、制御光に割り当てられている。制御光の共鳴モードに対し生じた非線形現象による屈折率の変動は、制御光の共鳴モードの共鳴波長だけではなく、信号光の共鳴モードの共鳴波長も変動させ、制御光で信号光を変調することができる。
【００３９】
さらに、共振器５０内には信号光と制御光が混在するが、信号光は制御ラインを伝播できず、制御光は信号ラインを伝播できない。これについて説明する。共振器５０は、フォトニックバンドギャップ内に６重極モードを有しており、図８〜図１０に示すような複数の共鳴モードのフィールド形状を有している。即ち、２重極モードと４重極モードと６重極モードである。なお、図８〜図１０には、共振器５０近傍における共鳴モードを符号と濃淡（濃いほど強い）で表わしている。
【００４０】
図８に示す２重極モードのうち右側に示すものはΓＫ軸に対して左右対称つまり正対称である。図９に示す４重極モードのうち右側に示すものはΓＫ軸に対して左右対称つまり正対称である。図１０に示す６重極モードはΓＫ軸に対して左右非対称つまり反対称であり、かつ、ΓＭ軸に対して左右対称つまり正対称である。なお、ΓＫ軸，ＭＫ軸等の対称軸に対して偶関数のフィールド形状を持つ場合を正対称、対称軸に対して奇関数のフィールド形状を持つ場合を反対称と定義する。例えば図８の右側に示す２重極モードでは、ΓＫ軸の左右で符号が一致しΓＫ軸に対して正対称であることが分かる。また、図１０に示す６重極モードでは、ΓＭ軸の左右で符号が一致しΓＭ軸に対して正対称であることが分かる。
【００４１】
図１１にΓＫ軸に対する共振器５０の２重極モード、６重極モード、導波路４６の導波モードそれぞれのフィールド形状を示し、図１２にΓＭ軸に対する共振器５０の２重極モード、６重極モード、導波路５４の導波モードそれぞれのフィールド形状を示す。
【００４２】
ここで取り扱う２重極は、図８の右側の共鳴モードである。三角格子空気穴２次元フォトニック結晶は３回対称性を持つため、この２重極モードは１２０度、２４０度回転させても等価であり、本来は３種類の共鳴モードが同じ共鳴周波数に重なっている。ただし、導波路との結合により対称性が崩れるため、これらの共鳴周波数は分裂し、この重なり（縮退）が解ける。または、共振器の構造を３回対称性からずらすことによっても縮退が解ける。そこで、ここではＹ軸に対し対称なモードのみに着目し、これを２重極として図１１（Ａ）、図１２（Ａ）に示している。６重極にはこのような縮退はない。
【００４３】
図１１、図１２中、実線の矢印と破線の矢印で示す方向にフィールドは振動しながら広がって減衰する。また、実線の矢印と破線の矢印では位相が互いに１８０度ずれている。
【００４４】
モードを結合する際には矢印の傾きが一致するときお互いの結合が最も強く、直交するときお互いの結合が最も弱い。
【００４５】
図１１（Ａ）に示す２重極モードと図１１（Ｃ）に示す導波路４６（または４８）の導波モードはΓＫ軸に対し正対称であり、図１１（Ｂ）に示す６重極モードはΓＫ軸に対し反対称であるため、導波路４６，４８の導波モードには共振器５０の２重極モードが結合し、共振器５０の６重極モードは結合できない。
【００４６】
また、図１２（Ｂ）に示す６重極モードと図１２（Ｃ）に示す導波路５４（または５６）の導波モードはΓＭ軸に対し正対称であり、図１２（Ａ）に示す２重極モードはΓＭ軸に対し反対称であるため、導波路５４，５６の導波モードには共振器５０の６重極モードが結合し、共振器５０の２重極モードは結合できない。
【００４７】
このため、図７において、外部から導波路４６の信号ラインに入力された信号光は共振器５０を通し、導波路４８を通して外部に出力される。また、外部から導波路５４の制御ラインに入力された制御光は共振器５０を通し、導波路５６を通して外部に出力される。
【００４８】
図１３には、図７の信号ライン（導波路４６，４８）と、制御ライン（導波路５４，５６）から波長帯域の比較的広いスペクトルの光を導入したときの共振器５０内のスペクトルの計算結果を破線で示し、信号ライン（導波路４８）から出力されるスペクトルの計算結果を実線で示す。ここでは、共振器５０内に２重極と６重極の２つのモードが励起されており、２重極モードは信号ラインに出力されているが、６重極モードは信号ラインに出力されていないことがわかる。
【００４９】
このように、ＧＫ軸，ＧＭ軸それぞれに対する対称性を考慮することにより、導波モードを任意の共振器モードに選択的に結合させることが可能となる。
【００５０】
図７に示す実施形態では、図１４（Ａ）に示すように、ΓＫ軸上に設けた２つの導波路４６，４８の間に共振器５０を配置し、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合している。この他にも、図１４（Ｂ）に示すように、ΓＫ軸上に設けた２つの導波路４６，４８それぞれの対向する端部からフィールドが延びる方向（ΓＫ軸方向に対して±３０度傾いたΓＭ軸方向）の交点位置に共振器５０を配置し、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合することが可能である。また、図１４（Ｃ）に示すように、ΓＫ軸上に設けた導波路４６の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に共振器５０を配置し、共振器５０からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に導波路４８の端部を配置してΓＫ軸上に導波路４８を設け、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合することが可能である。
【００５１】
更に、図１５（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向に離間して平行にΓＫ軸上に設けた導波路４６，４８の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）の交点位置に共振器５０を配置し、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合することが可能である。。また、図１５（Ｂ）に示すように、Ｘ軸（ΓＭ軸）に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に設けた導波路４６の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に共振器５０を配置し、共振器５０からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に導波路４８の端部を配置してＸ軸に対し＋３０度傾いたΓＫ軸上に導波路４８を設け、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合することが可能である。また、図１５（Ｃ）に示すように、Ｘ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に設けた導波路４６の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に共振器５０を配置し、共振器５０からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に導波路４８の端部を配置してＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に導波路４８を設け、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合することが可能である。
【００５２】
ただし、図１４（Ａ）に示す構成が、共振器５０の２重極モードだけを導波路４６，４８の導波路モードと結合するのに対し、図１４（Ｂ），（Ｃ）及び図１５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す構成では、共振器５０の２重極モードだけでなく６重極モードも導波路４６，４８の導波路モードと結合してしまう。
【００５３】
一方、図１６（Ａ）に示すように、ΓＫ軸上に設けた２つの導波路５４，５６それぞれの対向する端部からフィールドが延びる方向（ΓＫ軸方向に対して±３０度傾いたΓＭ軸方向）の交点位置に共振器５０を配置し、共振器５０の６重極モードを導波路５４，５６の導波路モードと結合することが可能である。また、図１６（Ｂ）に示すように、ΓＫ軸上に設けた導波路５４の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に共振器５０を配置し、共振器５０からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に導波路５６の端部を配置してΓＫ軸上に導波路５６を設け、共振器５０の６重極モードを導波路５４，５６の導波路モードと結合することが可能である。
【００５４】
更に、図１７（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向に離間して平行にΓＫ軸上に設けた導波路５４，５６の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）の交点位置に共振器５０を配置し、共振器５０の６重極モードを導波路５４，５６の導波路モードと結合することが可能である。また、図１７（Ｂ）に示すように、Ｘ軸（ΓＭ軸）に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に設けた導波路５４の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に共振器５０を配置し、共振器５０からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に導波路５６の端部を配置してＸ軸に対し＋３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５６を設け、共振器５０の６重極モードを導波路５４，５６の導波路モードと結合することが可能である。また、図１７（Ｃ）に示すように、Ｘ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に設けた導波路５４の端部からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に共振器５０を配置し、共振器５０からフィールドが延びる方向（ΓＭ軸方向）に導波路５６の端部を配置してＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５６を設け、共振器５０の６重極モードを導波路５４，５６の導波路モードと結合することが可能である。
【００５５】
ただし、上記の図１６（Ａ），（Ｂ）及び図１７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す構成では、共振器５０の６重極モードだけでなく、２重極モードも導波路５４，５６の導波路モードと結合してしまう。
【００５６】
これに対して、図７に示す実施形態では、図１８（Ａ）に示すように、ΓＭ軸に重なるＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５４，５６を設け、導波路５４，５６それぞれの端部を共振器５０からＸ軸方向両側に位置するよう配置し、共振器５０の６重極モードだけを導波路５４，５６の導波路モードと結合している。
【００５７】
また、図１８（Ｂ）に示すように、Ｘ軸に対し＋３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５４を設け、Ｘ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５６を設け、導波路５４，５６それぞれの端部を共振器５０からＸ軸方向両側に位置するよう配置し、共振器５０の６重極モードだけを導波路５４，５６の導波路モードと結合する。
【００５８】
このため、図１４（Ａ）に示す構成と、図１８（Ａ）に示す構成とを組み合わせて図１９（Ａ）に示す構成とする。この図１９（Ａ）の構成は図７に示す構成と同一である。ここでは、ΓＫ軸上に設けた２つの導波路４６，４８の間に共振器５０を配置し、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合している。また、ΓＭ軸に重なるＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５４，５６を設け、導波路５４，５６それぞれの端部を共振器５０からＸ軸方向両側に位置するよう配置し、共振器５０の６重極モードだけを導波路５４，５６の導波路モードと結合している。これにより、導波路４６の信号ラインに入力された信号光を共振器５０を通して導波路４８だけに取り出すことができ、かつ、導波路５４の制御ラインに入力された制御光を共振器５０を通して導波路５６だけに取り出すことができる。
【００５９】
同様に、図１４（Ａ）に示す構成と、図１８（Ｂ）に示す構成とを組み合わせて図１９（Ｂ）に示す構成とする。ここでは、ΓＫ軸上に設けた２つの導波路４６，４８の間に共振器５０を配置し、共振器５０の２重極モードを導波路４６，４８の導波路モードと結合している。Ｘ軸に対し＋３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５４を設け、Ｘ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸上に導波路５６を設け、導波路５４，５６それぞれの端部を共振器５０からＸ軸方向両側に位置するよう配置し、共振器５０の６重極モードだけを導波路５４，５６の導波路モードと結合する。これにより、導波路４６の信号ラインに入力された信号光を共振器５０を通して導波路４８だけに取り出すことができ、かつ、導波路５４の制御ラインに入力された制御光を共振器５０を通して導波路５６だけに取り出すことができる。
【００６０】
なお、図４に示す共振器３０は２重極モードの節の数をΓＫ軸方向に増やしたフィールド形状であるため、図１４（Ａ）〜（Ｃ）及び図１５（Ａ）〜（Ｃ）それぞれと同様に、共振器３０及び導波路２６，２８を配置することができる。この場合、共振器５０が共振器３０に対応し、導波路４６，４８が導波路２６，２８に対応する。
【００６１】
次に、共鳴モードと導波モード帯域の一致／不一致により、特定の共鳴モードと特定の導波路を結合できることを示す。
【００６２】
図２２は、本発明の光スイッチ回路の第３実施形態の構成図を示す。この実施形態は図３に対応する回路構成である。図２２において、三角格子空気穴２次元フォトニック結晶６０は、エアブリッジ構造のシリコンのスラブ６２に三角格子状の空気穴６４を設けたものであり、例えば格子定数ａ＝４００ｎｍ、空気穴半径０．２２ａ、スラブ厚さ０．５ａである。
【００６３】
導波路６６，６８はフォトニック結晶の空気穴６４をΓＫ軸に重なるＹ軸方向に除去して構成されており、導波路６６の延長線上に導波路６８が配置されている。
【００６４】
導波路６６，６８の間には共振器７０が配置されている。共振器７０は、１点欠陥を中心とし、この１点欠陥に隣接する６個の空気穴（黒丸で示す）７２を１点欠陥から離すように放射状に幅寄せするとともに、径を小さくして形成されている。
【００６５】
また、共振器７０を中心としてΓＭ軸に重なるＸ軸方向両側に数列の空気穴列を経た位置に端部が位置するよう導波路７４，７６が配置されている。導波路７４は、共振器７０に近い端部からＸ軸に対し＋３０度傾いたΓＫ軸方向にフォトニック結晶の空気穴６４を除去して構成されており、導波路７６は、共振器７０に近い端部からＸ軸に対し−３０度傾いたΓＫ軸方向にフォトニック結晶の空気穴６４を除去して構成されている。
【００６６】
更に、導波路６６，６８，７４，７６は、図２０（Ａ）に示すように空気穴列を線状に除去し、図２０（Ｂ）に示すように除去された空気穴列に隣接する空気穴列を導波路幅が狭くなるようにシフトさせ（Ｗ＜Ｗｏ）、更に、図２０（Ｃ）に示すようにシフトさせた空気穴列の外側の空気穴列の形状をシフトさせた分だけ広げられている。
【００６７】
導波路６６，６８は信号光を導波する信号ラインとされ、導波路７４，７６は制御光を導波する制御ラインとされており、信号ラインと制御ラインが交差する地点に共振器７０が配置されている。共振器７０は２つの共鳴モードを持ち、それぞれが信号光、制御光に割り当てられている。
【００６８】
制御光の共鳴モードに対し生じた非線形現象による屈折率の変動は、制御光の共鳴モードの共鳴波長だけではなく、信号光の共鳴モードの共鳴波長も変動させ、制御光で信号光を変調することができる。
【００６９】
図２３に本回路に用いられた導波路の伝搬モード帯域と共鳴モードの対応を示す。導波路幅は図２０（Ｃ）に示す方法で調整されている。この方法により、導波路幅を狭くすることで図２０（Ａ）に示す単純な線欠陥の導波モード帯域を高周波数側にシフトさせることができ、導波路幅を広くすることで低周波数側にシフトさせることができる。図２３に示すように、  例えばＷ＝０．９Ｗｏの場合、正対称と反対称のモードが高周波数側にシフトしている。更に、導波路幅を狭くすると（Ｗ＜０．８５Ｗｏ）、Ｗ＝０．７Ｗｏのように、フォトニックバンドギャップの左端から新たな正対称モードが出現してくる（非特許文献５，６参照）。
これらの特徴を利用することで、特定の共鳴モードに適した導波モード帯域設定することができる。
【００７０】
信号ラインの導波路６６，６８として導波路幅Ｗ＝０．７Ｗｏ、制御ラインの導波路７４，７６として導波路幅Ｗ＝０．９Ｗｏを用いる。これにより、２重極は信号ラインとのみ結合でき、６重極は制御ラインとのみ結合できる。図２４に広帯域の光源で共鳴モードを直接励起したときの信号ライン及び制御ラインからの出力光スペクトルと伝搬モード帯域と共鳴周波数を示す。これにより、２重極は信号光とのみ結合し、６重極は制御光とのみ結合しているのが明らかである。
【００７１】
以上のように本発明の構造は、２次元フォトニック結晶をベースとする２次元光回路内を信号光および制御光伝播するため、２次元面内で様々な信号処理が可能となり、高集積化が可能となる。また、２つの共鳴モードを有するフォトニック結晶共振器を利用することで、超小型かつ低い光パワーで動作することが可能である。また、共振器のモード形状の対称性を考慮することにより、信号光と制御光を別々の導波路に結合させ、複雑な回路を構成可能することが可能である。
【００７２】
なお、導波路４６，４８，６６，６８が請求項記載の第１の一対の導波路に対応し、導波路５４，５６，７４，７６が第２の一対の導波路に対応し、２重極モードが第１の共鳴モードに対応し、６重極モードが第２の共鳴モードに対応する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】従来の光回路の一例の構成図である。
【図２】本発明の第１の原理構成図である。
【図３】本発明の第２の原理構成図である。
【図４】本発明の光スイッチ回路の第１実施形態の構成図である。
【図５】共鳴トンネルフィルタの透過スペクトルと制御光をＯＮ／ＯＦＦしたときの透過スペクトルを示す図である。
【図６】制御光で信号光を変調できることを示す波形図である。
【図７】本発明の光スイッチ回路の第２実施形態の構成図である。
【図８】図７で用いる共振器の２重極モードのフィールド形状を示す図である。
【図９】図７で用いる共振器の４重極モードのフィールド形状を示す図である。
【図１０】図７で用いる共振器の６重極モードのフィールド形状を示す図である。
【図１１】ΓＫ軸に対する共振器５０の２重極モード、６重極モード、導波路４６の導波モードそれぞれのフィールド形状を示す図である。
【図１２】ΓＭ軸に対する共振器５０の２重極モード、６重極モード、導波路５４の導波モードそれぞれのフィールド形状を示す図である。
【図１３】信号ラインと制御ラインから波長帯域の比較的広いスペクトルの光を導入したときの共振器内のスペクトルと信号ラインから出力されるスペクトルの計算結果を示す図である。
【図１４】共振器５０の２重極モードと導波路４６，４８の導波路モードとの結合を示す図である。
【図１５】共振器５０の２重極モードと導波路４６，４８の導波路モードとの結合を示す図である。
【図１６】共振器５０の６重極モードと導波路５４，５６の導波路モードとの結合を示す図である。
【図１７】共振器５０の６重極モードと導波路５４，５６の導波路モードとの結合を示す図である。
【図１８】共振器５０の６重極モードと導波路５４，５６の導波路モードとの結合を示す図である。
【図１９】図１４（Ａ）に示す構成と、図１８（Ａ），（Ｂ）に示す構成とを組み合わせた構成を示す図である。
【図２０】図７及び図２０で用いる導波路の形状を示す図である。
【図２１】図７で用いる導波路の伝搬モード帯域と共鳴周波数との対応を示す図である。
【図２２】本発明の光スイッチ回路の第２実施形態の構成図である。
【図２３】図７で用いる導波路の伝搬モード帯域と共鳴周波数との対応を示す図である。
【図２４】広帯域の光源で共鳴モードを直接励起したときの信号ライン及び制御ラインからの出力光スペクトルと伝搬モード帯域と共鳴周波数を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
２０，４０，６０  フォトニック結晶
２２，４２，６２  スラブ
２４，４４，６４  空気穴
２６，２８，４６，４８，５４，５６，６６，６８，７４，７６  導波路
３０，５０，７０  共振器
【図１】
2006064863.tif 000003
【図２】
2006064863.tif 000004
【図３】
2006064863.tif 000005
【図４】
2006064863.tif 000006
【図５】
2006064863.tif 000007
【図６】
2006064863.tif 000008
【図７】
2006064863.tif 000009
【図１１】
2006064863.tif 000010
【図１２】
2006064863.tif 000011
【図１３】
2006064863.tif 000012
【図１４】
2006064863.tif 000013
【図１５】
2006064863.tif 000014
【図１６】
2006064863.tif 000015
【図１７】
2006064863.tif 000016
【図１８】
2006064863.tif 000017
【図１９】
2006064863.tif 000018
【図２０】
2006064863.tif 000019
【図２１】
2006064863.tif 000020
【図２２】
2006064863.tif 000021
【図２３】
2006064863.tif 000022
【図２４】
2006064863.tif 000023
【図８】
2006064863.tif 000024
【図９】
2006064863.tif 000025
【図１０】
2006064863.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月6日(2004.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
請求項１または２記載の光スイッチ回路において、
共鳴トンネルフィルタは、第１、第２の共鳴波長を持ち、
前記第１の共鳴波長を前記信号光に割り当て、
前記第２の共鳴波長を前記制御光に割り当てたことを特徴とする光スイッチ回路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の光スイッチ回路において、
共鳴トンネルフィルタは、第１、第２の共鳴波長を持ち、
前記第１の共鳴波長を前記信号光に割り当て、
前記第２の共鳴波長を前記制御光に割り当てたことにより、
低い光パワーで光スイッチングに必要な非線形現象を発生させることができ、低い光パワーで動作することができる。