(57)【要約】【課題】  フォトニック結晶配列で構成された光導波路に光を高効率に閉じ込め、光導波路を伝搬する光を制御する。【解決手段】  第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５、第４電極１６は、積層方向において禁止帯領域１００にのみ重なり光導波路１０１には重ならないように、光導波路１０１に沿って形成されている。第１電極１３と第２電極１４との間隔及び第３電極１５と第４電極１６との間隔は、光導波路１０１の幅に等しい。第１電極１３と第３電極１５とは積層方向において対向するように同形状に形成され、第２電極１４と第４電極１６とは積層方向において対向するように同形状に形成されている。第１電極１３と第３電極１５との間に発生する電界と、第２電極１４と第４電極１６との間に発生する電界とは、光導波路１０１部分において同方向となる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝搬層と電極対とを備え、
前記伝搬層は禁止帯領域と光導波路とを有し、前記禁止帯領域は、二次元で周期的に、屈折率の異なるフォトニック結晶構造をもち特定の波長の光の二次元的な伝搬を禁止し、前記光導波路は、前記フォトニック結晶構造の周期性を線状に乱して前記禁止帯領域で伝搬の禁止された波長の光を伝搬し、
前記電極対は、前記フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する方向において前記光導波路に重ならずに前記禁止帯領域に重なって配置され、電圧を印加されると前記光導波路内に電界を発生させることを特徴とする光制御素子。
【請求項２】
前記電極対は、前記禁止帯領域を両面から挟んで配置されている請求項１に記載の光制御素子。
【請求項３】
前記電極対は、前記伝搬層の少なくとも一面側で前記光導波路をまたいで配置されている請求項１に記載の光制御素子。
【請求項４】
前記電極対は、前記フォトニック結晶構造の二次元的な配列が形成された面内において前記光導波路を挟んで配置されている請求項１に記載の光制御素子。
【請求項５】
前記電極対は、発生する電界を共振させるフォトニック結晶構造を有する請求項１から請求項４のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項６】
前記電極対に電圧を印加する電圧源を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトニック結晶構造により形成された光導波路に電界を印加して光を制御する光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長程度で一次元、二次元または三次元的に屈折率の異なる周期構造を、誘電体に人工的に形成したフォトニック結晶は、半導体素子の電子に対するバンド構造と類似した光子に対するバンド構造をもち、ある周期構造ではフォトニックバンドギャップと呼ばれる光の禁制体をもつ。フォトニック結晶は、強力な光閉じ込め効果や異常分散効果等の光を制御する効果をもつため、他の光機能素子では不可能とされる様々の機能を実現でき、例えば、光集積回路の大きさを劇的に小さくしたフォトニックIC等の重要な光デバイスを形成できると期待されている。
【０００３】
光を制御する効果が大きい三次元のフォトニック結晶は、製作が困難である一方、二次元のフォトニック結晶は、半導体チップのプロセス技術であるリソグラフィーやエッチング等の微細加工技術を用いて容易に形成できる。二次元のフォトニック結晶では、例えば、配列の一部を除去した線欠陥光導波路を形成することにより、光を強く局所的に閉じ込めて伝搬できるとともに急峻な曲げを実現できる。また、線欠陥導波路を伝搬するある波長の光の伝搬速度は極めて遅いため、短い距離で大きな光の相互作用を得られることから、光を変調して制御する光スイッチ等の光制御素子を微小化できる。
【０００４】
フォトニック結晶を光制御素子として機能させるためには、フォトニック結晶を電気光学材料で形成して電圧を印加する等により屈折率を制御する。
【０００５】
特許文献１では、二次元フォトニック結晶配列をもち電気光学効果を示す平面状の基板に、光を導波しようとする経路に沿って電極を積層し、該電極の対向電極との間に電圧を印加して電極の積層方向直下の基板の屈折率を変化させることにより光導波路を形成する光デバイスが提案されている。特許文献１の光デバイスでは光導波路から電極にしみだした光が電極で吸収されやすいため、光の伝搬損失が大きい。
【０００６】
特許文献２では、二次元フォトニック結晶配列に線欠陥導波路をもつ平面状の基板に、線欠陥導波路に沿って電極を積層し、該電極に対向する電極との間に電圧を印加して電極の積層方向直下の線欠陥導波路の屈折率を変化させる光スイッチが提案されている。特許文献１の光デバイスでは線欠陥導波路から電極にしみだした光が電極で吸収されやすいため、光の伝搬損失が大きい。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２-１３１７１５号公報
【特許文献２】特開２００２−３０３８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、フォトニック結晶配列で構成された光導波路に光を高効率に閉じ込め、光導波路を伝搬する光を制御できる光制御素子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】
【０００９】
この発明の光制御素子は、伝搬層と電極対とを備え、伝搬層は禁止帯領域と光導波路とを有する。禁止帯領域は、二次元で周期的に誘電率の異なるフォトニック結晶構造をもち特定の波長の光の二次元的な伝搬を禁止し、光導波路は、フォトニック結晶構造の周期性を線状に乱して禁止帯領域で伝搬の禁止された波長の光を伝搬する。電極対は、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する方向において光導波路に重ならずに禁止帯領域に重なって配置され、電圧を印加されると光導波路内に電界を発生させる。
【００１０】
さらに、電極対は、禁止帯領域を両面から挟んで配置されているとよい。また、電極対は、伝搬層の少なくとも一面側で光導波路をまたいで配置されているとよい。また、電極対は、フォトニック結晶構造の二次元的な配列が形成された面内において光導波路を挟んで配置されているとよい。さらに、電極対は、発生する電界を共振させるフォトニック結晶構造を有するとよい。また、さらに、電極対に電圧を印加する電圧源を備えるとよい。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の光制御素子によれば、光導波路に電界を印可するときの電極による光の吸収を防止して高効率に光を導波しながら光を制御できる。
【００１２】
請求項２の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する方向の電界を光導波路に印可するときの電極による光の吸収を防止して高効率に光を導波しながら光を制御できる。請求項３の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に平行な方向の電界を光導波路に印可するときの電極による光の吸収を防止して高効率に光を導波しながら光を制御できる。請求項４の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に平行な方向の電界を光導波路に印可するときの電極による光の吸収をさらに効果的に防止しながら均一に電界を印加して高効率に光を導波しながら光を制御できる。請求項５の光制御素子によれば、光導波路に印加される電界を共振させることにより高速に電界を制御できる。請求項６の光制御装置によれば、光導波路に電界を印可するときの電極による光の吸収を防止して高効率に光を導波しながら光を制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の実施形態の光制御素子１は、図１（ａ）の平面図及び図１（ｂ）のA1-A2断面図に示すように、伝搬層１０と第１反射層１１と第２反射層１２と第１電極１３と第２電極１４と第３電極１５と第４電極１６とシリコン基板１７とを備え、伝搬層１０を両面から挟むように第１反射層１１と第２反射層１２とが設けられ、第１反射層１１の伝搬層１０と逆側の面に第１電極１３及び第２電極１４が設けられ、第２反射層１２の伝搬層１０と逆側の面に第３電極１５及び第４電極１６が設けられている。
【００１４】
伝搬層１０は、印加された電界に依存して屈折率を変化させるポッケルス効果やカー効果等の電気光学効果を有する材料、例えばニオブ酸リチウム(LiNbO3)で形成され、図２（ａ）の平面図及び図２（ｂ）のB1-B2断面図に示すように、禁止帯領域１００と光導波路１０１とをもつフォトニック結晶構造を有する。
【００１５】
禁止帯領域１００には同じ円筒形状のホール１０２が光の波長程度の周期をもって二次元的に規則正しく配列され、各ホール１０２は、平行かつ等間隔の直線群１０３と、この直線群１０３を同じ間隔のまま６０度回転させた直線群１０４との交点を中心にもつ三角配列に形成されている。禁止帯領域１００では、ニオブ酸リチウムの存在する部分とホール１０２が形成されてニオブ酸リチウムの存在しない領域とが周期的に配列されることにより、伝搬層１０の平面内を伝搬する光のうち特定波長の光の伝搬が禁止される。なお、禁止帯領域１００は、三角配列の他、正方配列、蜂の巣配列等の配列で形成してもよい。ホール１０２には空気が充填されるほか、ニオブ酸リチウムと屈折率が異なる他の物質を充填してもよく、ニオブ酸リチウムとホール１０２内の物質とのいずれの屈折率が大きくてもよい。
【００１６】
光導波路１０１は、禁止帯領域１００におけるホール１０２の二次元的な規則性を乱し、線状にホール１０２を形成しないことにより線欠陥構造として形成される。光導波路１０１ではホール１０２の規則性が乱されているため、禁止帯領域１００で伝搬が禁止される波長の光を導波することができ、光導波路１０１に入射される光は二次元的に光導波路１０１内に閉じ込められる。光導波路１０１の線欠陥構造は光を伝播すれば、線状に連続的にホール１０２を形成しない他、飛び飛びでホール１０２を形成しないようにしてもよい。
【００１７】
第１反射層１１及び第２反射層１２は、伝搬層１０を形成するニオブ酸リチウムよりも屈折率が低い材料、例えば二酸化シリコンで少なくとも光導波路１０１の積層方向両面を覆うように形成され、光導波路１０１に入射される光は積層方向へ伝搬できない。すなわち、伝搬層１０に平行に光導波路１０１に入射した光は、伝搬層１０の面内においてはフォトニック結晶配列により光導波路１０１内に閉じ込められ、積層方向においては第１反射層１１及び第２反射層１２により光導波路１０１内に閉じ込められることにより、三次元的に光導波路１０１内に閉じ込められて光導波路１０１に沿って進行する。なお、製造を容易にする等のため、図３（ａ）の平面図及び図３（ｂ）のC1-C2断面図に示すように第１反射層１１及び第２反射層１２にホール１０２を貫通させてもよい。
【００１８】
第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５、第４電極１６は、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する積層方向において禁止帯領域１００にのみ重なり光導波路１０１には重ならないように、光導波路１０１に沿って形成されている。第１電極１３と第２電極１４との間隔及び第３電極１５と第４電極１６との間隔は、光導波路１０１の幅に等しい。第１電極１３と第３電極１５とは１対の電極対を構成して積層方向において対向するように同形状に形成され、第２電極１４と第４電極１６とは他の１対の電極対を構成して積層方向において対向するように同形状に形成されている。なお、製造を容易にする等のため、図４（ａ）の平面図及び図４（ｂ）のD1-D2断面図に示すように第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５及び第４電極１６にホール１０２を貫通させてもよい。
【００１９】
伝搬層１０、第１反射層１１、第２反射層１２、第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５、第４電極１６に同一のフォトニック結晶構造を形成した光制御素子１の製作方法を説明する。まず、土台となるシリコン基板１７にポジ型のレジストを塗布し、シリコン基板１７をリソグラフィーにより第３電極１５及び第４電極１６の形状にエッチングし、全体に電極材料の金を200nm堆積させてリフトオフ法によりエッチングされていないレジスト上の金を除去することにより第３電極１５及び第４電極１６を形成する。なお、第３電極１５及び第４電極１６に電圧を印可できるように引き出し線も同時に形成する。次に、シリコン基板１７、第３電極１５及び第４電極１６を覆うように、スパッタまたはＣＶＤを用いて二酸化シリコンを2μm成膜して第２反射層１２を形成する。次に、第２反射層１２にニオブ酸リチウム基板を接合し、ニオブ酸リチウム基板を研磨して0.5μmに薄膜化し、光学研磨して表面粗さを10nm以下に抑え、さらに研磨面に熱酸化シリコンを2μm成膜することにより伝搬層１０を形成する。次に、伝搬層１０にポジ型のレジストを塗布し、シリコン基板１７をリソグラフィーにより第１電極１３及び第２電極１４の形状にエッチングし、全体に電極材料の金を200nm堆積させてリフトオフ法によりエッチングされていないレジスト上の金を除去することにより第１電極１３及び第２電極１４を形成する。なお、第１電極１３及び第２電極１４に電圧を印可できるように引き出し線も同時に形成する。次に、第２反射層１２、第１電極１３及び第２電極１４を覆うようにニッケルを100nm蒸着し、さらにポジ型のレジストを塗布して電子ビーム描画を用いたリソグラフィーにより400nm間隔の直径280nmのホール１０２をもつフォトニック結晶構造の金属マスクを形成する。なお、電子ビーム描画を用いたリソグラフィーの他、フォトリソグラフィー、レーザ加工等により金属マスクを形成してもよい。金属マスクにより、アルゴン系のドライエッチングと、フロン系のドライエッチングを用いて第２電極１４層、第２反射層１２、伝搬層１０、第１反射層１１、第１電極１３層を積層方向にエッチングしてフォトニック結晶構造のホール１０２を形成する。エッチングにはプラズマエッチングによるドライエッチングの他、薬品によるウェットエッチング等を用いてもよい。
【００２０】
伝搬層１０は、印加された電界に依存して屈折率を変化させるポッケルス効果やカー効果等の電気光学効果を有する材料であれば、ニオブ酸リチウムの他、ニオブ酸チタン及びＫＴＰ等の無機結晶、ＰＺＴ及びＰＺＬＴ等のセラミックス、アゾ色素、スチルベンゼン色素及びダスト等の有機分子または有機結晶、並びに量子井戸構造を有する半導体結晶等であってもよい。
【００２１】
伝搬層１０は、ADP（NH4H2PO4）、KDP（KH2PO4）、DKDP（KD2PO4）、RDP（RbH2PO4）、RDA（RbH2AsO4）、LN、LT、KN、KT、BNN、SBN、LI、BBO、LBO、BSO、GaAs、GaP、InP、ZnTe、ZnSe、ZnS、ZnO、CdTe、CdS、CdSe、Te、Se、Ag3AsS3、Ag3SbS3、AgGaS2、AgGaSe2、ZnGeP2、GdGeAs2、Bi12SiO20、Bi12GeO20、Bi12TiO20、KTiOAsO4、KTiOPO4、BaTiO3、SrTiO3、KTaO3、KTa0.65Nb0.35O3、Cd2Nb2O7、LaBGeO5や、PZT、PLZT等のセラミックス、Ga、In、Al、As、P、N、Sb、Zn、SeのIII-V族及びII-VI族半導体混晶である半導体量子井戸構造等の無機光学材料で形成してもよい。
【００２２】
また伝搬層１０は、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダスト、ポリジアセチレン、mNA、MNA、MAP、POM、DAN、DIVA、NPP、COANP、MNBA、MMONS、MBANP、TC-28、DNBB、DMNP、MNA、MNP、MMNA、PCNB、ECNB、IPMPU、ECPMDA、p-NMDA、MNPMDA、4NpNa、ホストゲスト系材料、高分子側錯あるいは主錯にNLO基を化学結合した修飾型材料、架橋系材料等の有機光学材料で形成してもよい。
【００２３】
有機光学材料のホストゲスト系材料として、LCP、PMMA、POE、Poly(Vp-co-St)、PVP、PRO、PCL、PBSSe、PBDG等のホストポリマーと、DANS、DANS33、DR1、DCV、TCV、p-NMDA、p-NA、p-DMNP、CPABMCA、MNA等のゲスト色素との組み合わせを用いることができる。
【００２４】
高分子側錯あるいは主錯にNLO基を化学結合した修飾型材料では、NLOポリマーとして、Poly(St-DR1)、Poly(St-DASP)、Poly(St-NPP)、Poly(MMA-HNS)、Poly(MMA-co-MMA-DCV)、Poly(St-co-MAAB)、Poly(St-co-MABA)、Poly(St-co-MA-CM)、Poly(MMA-co-MMA-DR1)、Poly(organopho-sphazene-ANS)、PPNA、Poly(VA-co-Vat-NA)、Poly(VAc-co-Vat-NA)、Poly(ST-NA)、Poly(MMA-NA)、Poly(MMA-co-MMA-2R)、Poly(MMS-co-MMA-3R)、P6CS/MMA、ポリアリルアミン、pNA-EG、PMMA/MNA、pNA-PVA、Poly(VDCN-co-VAc)、MSMA等を用いることができ、架橋系材料として（架橋モノマーポリマー、NLO色素）の組み合わせで、（Bis-A、NPDA）、（Bis-A、ANT）、（NNDN、NAN）、（DGE+PS(O)、NPP）、（PVCN、CNNB-R）等を用いることができ、LB膜材料として、DCAMP、FA6、PO86、AODA、TMSC、Poly(HEA-co-A-ASB)、PtBM等を用いることができ、高分子系３次非線形光学材料として、ポリジアセチレン（PTS、TCDU、DCHDFMP、BTFP、mBCMU）、ポリアセチレン誘導体、ポリフェニルアセチレン誘導体、ポリアリレンビニレン（PPV、PTV、MO-PPV、PFV）、ポリチオフェン、アヌレン類、フタロシアニン、フラーレン等を用いることができる。
【００２５】
第１反射層１１及び第２反射層１２は、伝搬層１０よりも屈折率が小さい媒質で形成されていればよく、第１反射層１１及び第２反射層１２の屈折率と伝搬層１０の屈折率との差が大きいほど好ましい。例えば、伝搬層１０に屈折率約2.2のニオブ酸リチウムを用いる場合、第１反射層１１及び第２反射層１２には、屈折率約1.45の熱酸化シリコン、屈折率約1.3のフッ化マグネシウム（MgF2）、屈折率約1.5の水晶等を用いることができ、熱酸化シリコン、フッ化マグネシウム及び水晶はスパッタ装置等を用いて比較的容易に成膜できる。
【００２６】
第１反射層１１及び第２反射層１２は、それぞれ単層で形成する他、反射率を高く確保できれば、SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、ZnO、Ta2O5、TiO2、Nb2O2等の誘電体を組み合わせた多層膜や、Si、GaAs、InP等の半導体を組み合わせた多層膜で形成してもよい。第１反射層１１及び第２反射層１２を多層膜で構成することにより、伝搬層１０の屈折率との差を大きくしやすくなる。誘電体多層膜は、例えば、スパッタ、電子ビーム蒸着、イオンプレーティングで１００層以上の成膜が可能であり、半導体多層膜は、例えば、分子線ビームエピタキシー（MBE）法や有機金属気相成長（MOCVD）法により材料すなわち屈折率の異なる膜を成膜できる。
【００２７】
１対の電極対を構成する第１電極１３と第３電極１５とに電圧を印加するとともに、他の電極対を構成する第２電極１４と第４電極１６とに電圧を印加すると、禁止帯領域１００に電界が印加されるとともに矢印で示すように光導波路１０１部分にも電界が広がり、第１電極１３と第３電極１５との間に発生する電界と、第２電極１４と第４電極１６との間に発生する電界とは、光導波路１０１部分において同方向となる。
【００２８】
電界が印加されて禁止帯領域１００及び光導波路１０１の誘電率が変化すると、禁止帯領域１００で伝搬が禁止され光導波路１０１で伝搬が許容される光の波長が変化するとともに、光導波路１０１を伝搬する光の強度、位相、偏光方向等を変調することができるため、電圧を印加して光導波路１０１を伝搬する光の波長を切り換えたり、光の透過及び遮断を切り換える光スイッチ等の光制御素子として機能させることができる。
【００２９】
この光制御素子１によれば、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する方向において各電極対が光導波路に重ならないため、光導波路から反射層へしみ出した光が電極で吸収されず高効率に光を伝搬しながら変調できるとともに、対向する電極対の間隔を近づけることができる。
【００３０】
第２の実施形態の光制御素子２は、図５（ａ）の平面図及び図５（ｂ）のE1-E2断面図に示すように、第１の実施形態の光制御素子１において、第３電極１５及び第４電極１６を備えていない構成をもち、伝搬層１０の一面側で光導波路１０１をまたいで配置され１対の電極対を構成する第１電極１３と第２電極１４との間に印加される電圧により発生する電界は、矢印に示すように光導波路１０１部分にも広がるため、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に平行かつ光導波路１０１を横断する電界が光導波路１０１に印加される。第１電極１３と第２電極１４との間隔は、光導波路１０１の幅と同程度、すなわち光の波長程度の距離であるため、小さな印可電圧で大きな電界を得られる。なお、光導波路１０１に印加される電圧が均一となるように、第１反射層１１及び第２反射層１２の厚みに応じて第１電極１３と第２電極１４との間隔を1〜10μm程度で最適化することが望ましい。また、第１の実施形態における第３電極１５と第４電極１６とを他の１対の電極対として、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に平行かつ光導波路１０１を横断する電界を光導波路１０１に印加するようにしてもよい。
【００３１】
電界が印加されて禁止帯領域１００及び光導波路１０１の誘電率が変化すると、禁止帯領域１００で伝搬が禁止され光導波路１０１で伝搬が許容される光の波長が変化するとともに、光導波路１０１を伝搬する光の強度、位相、偏光方向等を変調することができるため、電圧を印加して光導波路１０１を伝搬する光の波長を切り換えたり、光の透過及び遮断を切り換える光スイッチ等の光制御素子として機能させることができる。
【００３２】
この光制御素子２によれば、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する方向において各電極対が光導波路に重ならないため、光導波路から反射層へしみ出した光が電極で吸収されず高効率に光を伝搬しながら変調できるとともに、対向する電極対の間隔を近づけることができる。
【００３３】
なお、製造を容易にする等のため、第１反射層１１及び第２反射層１２にホール１０２を貫通させてもよく、さらに第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５及び第４電極１６にホール１０２を貫通させてもよい。また、第３電極１５及び第４電極１６を設け、第３電極１５と第４電極１６との間に印加された電圧により、第１電極１１と第２電極１２とにより発生する電界と同方向の電界を光導波路１０１に発生させてもよい。
【００３４】
第３の実施形態の光制御素子３は、図６（ａ）の平面図及び図６（ｂ）のF1-F2断面図に示すように、第２の実施形態の光制御素子２が備える第１電極１３及び第２電極１４のかわりに、フォトニック結晶構造をもち１対の電極対を構成する第１電極３３及び第２電極３４を備える。第１電極３３及び第２電極３４のフォトニック結晶構造は、伝搬層１０の禁止帯領域１００と同様に、ホール３０２を規則的に配置した構成をもつ。ホール３０２の周期及び径は第１電極３３と第２電極３４との間に印加される電圧により発生する電磁波の波長の伝搬を禁止するように決定される。第１電極３３と第２電極３４とは、第１電極３３と第２電極３４との間に印加される電圧により発生する電磁波が共振できる間隔を開けて配置される。第１電極３３と第２電極３４との間に発生する電磁波は、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する積層方向において光導波路１００に重なる領域に電磁波を閉じ込めて増幅された定在波を発生させる。
【００３５】
この光制御素子３によれば、光制御素子２の効果に加えて、光導波路を伝搬する光を効率よく変調し、かつ、高速な変調を行うことができる。なお、第１の実施形態において１対の電極対を構成する第１電極１３と第３電極１５とにフォトニック結晶構造を形成し、発生する電磁波が共振できる間隔を開けて第１電極１３と第３電極１５とを配置し、他の電極対を構成する第２電極１４と第４電極１６とにフォトニック結晶構造を形成し、発生する電磁波が共振できる間隔を開けて第２電極１４と第４電極１６とを配置するようにし、伝搬層１０に電磁波を閉じ込めて増幅した定在波を発生させてもよい。
【００３６】
第４の実施形態の光制御素子４は、図７（ａ）の平面図及び図７（ｂ）のG1-G2断面図に示すように、伝搬層４０と第１反射層１１と第２反射層１２と第１電極４３と第２電極４４とシリコン基板１７とを備え、第１の実施形態の光制御素子１と同様に、伝搬層４０の両面を挟むように第１反射層１１と第２反射層１２とを設け、シリコン基板１７に第２反射層１２側を積層した構成をもつ。伝搬層４０は第１の実施形態の伝搬層１０と同様の構成をもち、一部に第１電極４３及び第２電極４４を埋め込んだ構成をもつ。
【００３７】
第１電極４３及び第２電極４４は１対の電極対を構成し、フォトニック結晶構造の二次元的な配列が形成された禁止帯領域４００の面内において光導波路４０１を両側から挟んで配置されている。第１電極４３及び第２電極４４には禁止帯領域４００のフォトニック結晶構造と同一の構造が一体的に形成されている。第１電極４３及び第２電極４４にもフォトニック結晶配列を形成することで、光導波路４０１を伝搬する光を高効率で閉じ込めることができる。なお、フォトニック結晶構造による光の閉じ込めの効率を高めるため、第１電極４３及び第２電極４４の屈折率を伝搬層４０の屈折率と同じにすることが好ましい。第１電極４３及び第２電極４４の屈折率を伝搬層４０の屈折率と同じにすることにより、第１電極４３と第２電極４４との距離を近づけることができる。
【００３８】
電界が印加されて禁止帯領域４００及び光導波路４０１の誘電率が変化すると、禁止帯領域４００で伝搬が禁止され光導波路４０１で伝搬が許容される光の波長が変化するとともに、光導波路４０１を伝搬する光の強度、位相、偏光方向等を変調することができるため、電圧を印加して光導波路４０１を伝搬する光の波長を切り換えたり、光の透過及び遮断を切り換える光スイッチ等の光制御素子として機能させることができる。
【００３９】
この光制御素子４によれば、フォトニック結晶構造の二次元的な配列に直交する方向において各電極対が光導波路に重ならないため、光導波路から反射層へしみ出した光が電極で吸収されず高効率に光を伝搬しながら変調できるとともに、対向する電極対の間隔を近づけることができ、さらに、光導波路と同一の面内に電極を設けることにより伝搬層に平行で均一な電界を光導波路に印加できる。
【００４０】
なお、製造を容易にする等のため、第１電極４３及び第２電極４４は、第１反射層１１及び第２反射層１２の一部または全部を貫くようにしてもよく、第１反射層１１及び第２反射層１２にホール１０２を貫通させてもよい。また、第３の実施形態と同様に１対の電極対を構成する第１電極４３と第２電極４４とにフォトニック結晶構造を形成し、発生する電磁波が共振できる間隔を開けて第１電極４３と第２電極４４とを配置するようにし、伝搬層４０に電磁波を閉じ込めて増幅した定在波を発生させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の実施形態の光制御素子の平面図及び断面図である。
【図２】伝搬層の平面図及び断面図である。
【図３】他の光制御素子の平面図及び断面図である。
【図４】さらに他の光制御素子の平面図及び断面図である。
【図５】第２の実施形態の光制御素子の平面図及び断面図である。
【図６】第３の実施形態の光制御素子の平面図及び断面図である。
【図７】第４の実施形態の光制御素子の平面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１；光制御素子、２；光制御素子、３；光制御素子、４；光制御素子、１０；伝搬層、
１１；第１反射層、１２；第２反射層、１３；第１電極、１４；第２電極、
１５；第３電極、１６；第４電極、１７；シリコン基板、３３；第１電極、
３４；第２電極、４０；伝搬層、４３；第１電極、４４；第２電極、
１００；禁止帯領域、１０１；光導波路、１０２；ホール、１０３；直線群、
１０４；直線群、３０２；ホール、４００；禁止帯領域、４０１；光導波路。
【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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