(57)【要約】【課題】  フォトニック結晶を用いた光機能素子は、その特性の可変化が難しい。【解決手段】  フォトニック結晶からなる構造体とそれに近接した第２の構造体の相対的な位置を変化させることによって、その特性を変化させるように構成する。相対的な位置の変化はフォトニック結晶からなる構造体とそれに近接した第２の構造体の間の電位の制御でも、第２の構造体に外部から機械的力を作用させることでも良い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶からなる第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体と、両者の相対的な位置を変化させ前記第１の構造体と前記第２の構造体との距離を所定の値に制御する手段と、を備えることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記相対的な位置の変化が、第１の構造体を構成するフォトニック結晶のバンド構造を変化させることによって、第１の構造体の特性を変化させるものである請求項１に記載の光機能素子。
【請求項３】
前記第１の構造体に対して複数の第２の構造体が配置され且つそれぞれが独立に制御される請求項１または請求項２に記載の光機能素子。
【請求項４】
前記第１の構造体が、１次元フォトニック結晶、フォトニック結晶スラブを含む２次元フォトニック結晶および３次元フォトニック結晶のいずれかである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶中に欠陥を含むフォトニック結晶を第１の構造体とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項６】
前記第２の構造体が誘電体、半導体、金属あるいはそれらの複合体である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項７】
前記第２の構造体がフォトニック結晶からなる請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項８】
前記第１および第２の構造体の相対的な位置の変化が微小機械電気システムを含むマイクロアクチュエーターで行われる請求項１から７のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項９】
前記第１の構造体に形成された複数の線欠陥を含む２次元フォトニック結晶スラブと前記第２の構造体とを近接して配置するとともに、前記複数の線欠陥間で第２の構造体の制御により、一つの線欠陥を伝播する波長多重された光信号から特定の波長の光信号のみを選択して他の線欠陥に空間的に移行させる波長分離器あるいは一つの線欠陥を伝播する光信号に他の線欠陥を伝播する光信号特定の波長の光信号を光信号に加えて波長多重された光信号とする波長合波器として機能させる請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１０】
第１の構造体に形成された点欠陥を含む２次元フォトニック結晶スラブがレーザとして機能するための活性層を含むものであり、該２次元フォトニック結晶スラブの上面に第２の構造体とを近接して配置するとともに、前記２次元フォトニック結晶スラブの上面と第２の構造体との距離を制御してレーザの発振波長を制御することを特徴とするレーザ。
【請求項１１】
前記第１の構造体に形成された点欠陥と前記第２の構造体の大きさをほぼ同じ大きさとして、前記２次元フォトニック結晶スラブの上面と第２の構造体との距離を制御して欠陥による共振器のＱ値を制御する請求項１０記載のレーザ。
【請求項１２】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した光の群速度の波長依存性を利用して、光パルスの形状を整形する分散補償素子として機能する請求項１から８のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１３】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応して光信号の強度ないし位相を変化する機能を有する光変調器として機能する請求項１から８のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１４】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応して光信号伝送路を空間的、時間的あるいは波長的に切り替えるスイッチングとして機能する請求項１から８のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１５】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した機能を有する請求項１から１４のいずれか１項に記載の光機能素子とその機能を制御する機構とを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項１６】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した機能を有する請求項１から１４のいずれか１項に記載の光機能素子を、送信器、中継器、受信器のいずれかもしくは複数箇所に使用したことを特徴とする光伝送システム。
【請求項１７】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した機能を有する請求項１から１４のいずれか１項に記載の光機能素子を使用したことを特徴とする光記録装置およびシステム。
【請求項１８】
基板を形成するためのＳｉ基板の上にＳｉＯ２膜を形成し、その上に、第１の構造体となるフォトニック結晶スラブを形成するための導電性を持つＳｉ層を有するＳＯＩを用意するステップと、
前記Ｓｉ層を電子ビーム露光法と気相エッチング法により、所定の空孔を所定の格子間隔で形成してフォトニック結晶スラブを作製するステップと、
前記フォトニック結晶スラブを埋め込む形で、バイアススパッタ法により、ＳｉＯ２膜を形成するステップと、
前記ＳｉＯ２膜の上に第２の構造体となる平板を形成するための導電性を持つＳｉ層を形成するステップと、
前記第２の構造体となる平板を形成するための導電性を持つＳｉ層から平板および所定の切り欠きを形成するステップと、
前記２つのＳｉＯ２膜を弗酸系エッチング液により取り除くステップと、
よりなることを特徴とする光機能素子の作成方法。
【請求項１９】
基板の上にフォトニック結晶からなる第１の構造体および該第１の構造体の上面に配置される第２の構造体の保持部材を形成するためのステップと、前記第２の構造体を形成するためのステップと、前記第２の構造体を前記第１の構造体の上面の保持部材の上に固着するステップと、
よりなることを特徴とする光機能素子の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ、光スイッチ、光フィルター、光変調器などとして用いられる光機能素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の光機能素子では不可能だった光の制御を可能とする材料として、フォトニック結晶が大きな関心を集めている。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる二つあるいはそれ以上の数の媒質を組み合わせた多次元周期構造のことである。図２はフォトニック結晶のうち、二次元フォトニック結晶と呼ばれるものの一例を示す図である。図２に示す二次元フォトニック結晶は誘電率ε１の媒質１１に誘電率ε２の円柱２２が三角格子状に配置されている（ε１＞ε２）。紙面と平行な方向には円柱２２の周期構造を有し、垂直方向の構造は一様な構造を持つものである。円柱２２の部分が空洞の場合は場合はε２＝１である。図２中のａは格子定数、ｒは円柱の半径を表す。
【０００３】
フォトニック結晶を伝播する光の波数と周波数の関係を示した図をフォトニックバンド図という。図３は、図２の構造において、（ε１）１／２＝３．５、ε２＝１、ｒ／ａ＝０．４５としたときのＴＭモードおよびＴＥモードに対するフォトニックバンド図を示す図である。ここでＴＭモードとは電場が紙面と垂直のモードのことを指し、ＴＥモードとは電場が紙面と平行のモードのことを指す。縦軸は規格化周波数（ωａ／２πｃ）、横軸は第１ブリルアンゾーン内で規格化した波数ベクトル（ｋａ／２π）を表す。ｃは真空中の光速、ωは光の角周波数、ｋは波数をそれぞれ表す。図２の三角格子は六方対称に対応し、形成されるブリルアンゾーンは図３中に図示する正六角形構造である。正六角形の頂点がＫ点、各辺の中点がＭ点、波数が０である点がΓ点である。
【０００４】
図３に斜線で示すように、特定の（規格化）周波数領域では第１ブリルアンゾーン全域に渡ってバンドが存在しない。これは、この帯域に対応する周波数の光はフォトニック結晶中を伝播できないことを意味する。このような、伝播が禁止された周波数帯域をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。このフォトニックバンドギャップを利用すると従来の素子では不可能であった光の制御が可能とされ注目を集めている。
【０００５】
このような特徴をもつフォトニック結晶は様々な分野への応用が期待されているが、特に光部品への応用を目的とした研究が盛んである。二次元フォトニック結晶中に線状あるいは点状の欠陥を導入し、導波路や他の光機能素子を作製すると、小型化・高性能化に著しい効果があるとされており、現在までに様々な素子が提案・研究されている。
【０００６】
例えば特許文献１にはフォトニック結晶を用いた波長分波回路の例が示されている。この素子に於いては、基板に二次元フォトニック結晶を形成し、その屈折率分散の異方性を利用して、波長多重された光パルスを分波する。また、特許文献２にはフォトニック結晶を用いた光信号制御の例が示されている。この素子に於いては、基板に形成した二次元フォトニック結晶の上面にビームを設け、これを結晶の上面に引き付けたり、離したりして二次元フォトニック結晶を伝播する光信号を制御する。
【０００７】
さらに、光スイッチや強度変調器などの光機能素子では、材質の屈折率・反射率その他物理定数を、外部からの電圧印加などによって変化させることにより、光の伝搬を制御する。フォトニック結晶を用いる場合も同様で、素子に機能性を持たせるためには、なんらかの外部からの制御が必要となる。この外部からの制御により、フォトニック結晶を用いた光スイッチや強度変調器などが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２７１５４１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／００２１８７８号公報
【特許文献３】特開平０９−１６６６０６号公報
【特許文献４】特開平１１−３３０６１９号公報
【非特許文献１】ジャーナル  オブ  マイクロエレクトロメカニカルシステムズ、Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１，１９９７  ＰＰ．１０−１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した特許文献１のような素子の外部からの制御方法としては、従来、材質の屈折率を変化させることが一般的に行われている。フォトニック結晶の材料の組み合わせとしては、高屈折率媒質にはシリコン（Ｓｉ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体、低屈折率媒質には空気や二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いるのが一般的である。屈折率変化を得るためには、例えば、半導体への電界印加が考えられる。しかしその場合、効果的な電界印加のためには、複雑な電極構造が必要となる。また光機能素子を構成するほどの屈折率変化を得ようとすると、極めて大きな電圧を印加する必要がある。また屈折率変化を得る他の方法としては、半導体の熱光学効果を利用して屈折率制御を得る方法もある。しかしながらこの方法も、開示されている素子形態で有効な屈折率変化を得ようとすると大きく温度を変化させる必要があり、実現が難しい。
【００１０】
また特許文献２のように、二次元フォトニック結晶の上面にビームを設けて、その位置を制御することによる信号制御では、その制御のメカニズムが明確でないと実際的な装置を構成する指針が得られない。
【００１１】
本発明の目的は、比較的簡単な構成で、フォトニック結晶に対して外部からの制御を有効に行う構成および方法を提供し、例えば低い動作電圧で動作する高機能な光機能素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明では、フォトニック結晶を構成する構造体、すなわち、フォトニック結晶スラブ（２次元フォトニック結晶の厚さ方向を有限にした板状のフォトニック結晶構造）の上面に他の構造体を近接して配置した場合に、フォトニック結晶のバンド構造が変化することに着目し、その変化を詳細に解析して、両者の相対的な位置関係の制御の指針を具体的に提案する。
【００１３】
図１は、本発明の光機能素子の基本構成を示す斜視図である。本発明では、フォトニック結晶スラブ１１と該フォトニック結晶スラブ１１の上面に平行に平板１２を配置する。フォトニック結晶スラブ１１には円柱２２の周期構造が形成されている。ここで、上面とはフォトニック結晶スラブ１１の周期構造を形成する円柱２２の端面が表れている面を言う。フォトニック結晶スラブ１１では、その一端に光が入射すると、フォトニック結晶特有のバンド構造に従い、フォトニック結晶スラブ１１中を光が伝搬し、最後に反対側の端面から伝搬した光が出射するものであるが、前記平板１２が、駆動装置１３により操作される操作ロッド１４を介してフォトニック結晶スラブ１１の上面に対して、接近あるいは遠ざけられ、フォトニック結晶スラブ１１内の光の伝播を制御する。なお、平板１２は、図１では、フォトニック結晶スラブ１１の上面に対して垂直に移動するものとしたが、これは、上面に対して所定の距離だけ離れた位置で左右に移動するものとされても良い。また、駆動装置１３および操作ロッド１４は、機械的に駆動するものに限らず、例えば、結晶スラブ１１と平板１２との間に作用する電界による駆動力である場合も含み、結晶スラブ１１と平板１２との間に何らかの力が作用させられることを意味するものである。
【００１４】
図４（Ａ），（Ｂ）は、シミュレーションによって求めたフォトニック結晶スラブ１１のバンド構造の例を示す図である。この例の場合、フォトニック結晶スラブ１１の媒質はＳｉとし、その屈折率は３．５、空孔三角格子からなり、ａを格子定数として、空孔半径は０．３ａ、スラブの厚さは０．５ａである。フォトニック結晶スラブ１１の上面に平行に配置された平板１２の媒質はＳｉとし、その厚さは０．５ａとした。
【００１５】
伝搬する光がＴＥモードの場合、ライトライン（Light line）４１の下側に存在する分散曲線４２に従って、フォトニック結晶スラブ１１中を光が伝搬する。
【００１６】
図４（Ａ）は平板１２が存在しない場合のフォトニック結晶スラブ１１のバンド構造を示し、図４（Ｂ）は、第１の構造物であるフォトニック結晶スラブ１１の上面に第２の構造物である平板１２をフォトニック結晶の格子定数の１／１０（＝０．１ａ）の近さで配置したときのフォトニック結晶スラブ１１のバンド構造を示す。図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを対比して分かるように、そのバンド構造が大幅に変化している。すなわち、フォトニック結晶スラブを伝搬する光は、その特性が大幅に変化する。
【００１７】
たとえば、典型的な例として、フォトニック結晶スラブ１１の媒質はＳｉ、その屈折率は３．５、格子定数ａを１μｍ、空孔三角格子からなり、空孔半径は３００ｎｍ、スラブの厚さは５００ｎｍとし、平板１２の媒質はＳｉとし、その厚さは０．５ａとした場合、フォトニック結晶スラブ１１の上面と平板１２の距離を、１００ｎｍと非常に小さな値だけ変化した場合でも、フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光の強度がほぼ１．０から０．１程度まで非常に大きく変化することが確認できた。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で、超小型で高機能なフォトニック結晶を用いた光機能素子を実現することが出来る。さらに、本発明により、安価で信頼性の高い光伝送システムや光記録システムを構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【００２０】
（実施例１）
図５（Ａ）は、本発明による光機能素子の一実施例の構成の概念を示す平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ位置で矢印方向に見た断面図である。本実施例は、フォトニック結晶からなる第１の構造体としてフォトニック結晶スラブ１１を用意し、円柱２２の周期構造を形成する。円柱２２は、具体的には空孔とした。第２の構造体として誘電体からなる平板１２をフォトニック結晶スラブ１１の上面に近接して設け、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との距離を変化させることによって、伝搬する光の強度と位相を変化させる構成である。光は、図に示すように、図の左方から入射し、右方から出射するものとする。
【００２１】
この例では、フォトニック結晶スラブ１１の媒質はＳｉとし、その屈折率は３．５、厚さ１７５ｎｍ、格子間隔３５０ｎｍ、空孔２２の半径１０５ｎｍの空孔三角格子からなるものとした。スラブ１１の周辺は空気から構成される。光入射の方向は、三角格子のΓ―Ｍ方向であり、波長は１．５５μｍである。また、平板１２は、屈折率３．５のＳｉとし、その厚さは１７５ｎｍとした。
【００２２】
図６は図５に示す構成で、フォトニック結晶スラブ１１の上面と平板１２との距離を変化させ、フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光の透過率と位相変化をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。図６の横軸は、フォトニック結晶スラブ１１の上面と平板１２との距離ｄで、左軸は、規格化された透過率、右軸は位相変化を示す。図から分かるように、光透過率は、距離ｄが小さくなるにつれてｄ＝２５０ｎｍ付近から減少する。その後、ｄ＝８０ｎｍ付近で最小値を取り、その後は一転して光透過率は増加する。平板とフォトニック結晶スラブが密着したｄ＝０ｎｍでは、光透過率は、ほとんどｄ＞２５０ｎｍでの光透過率、すなわち平板が無い状態の光透過率に戻ってしまうことが分かる。この現象は平板とフォトニックス結晶スラブとの距離ｄを変えたとき、実用に供しうる透過率の変化が得られる波長域で生ずる。
【００２３】
このことは、新たに発見された点であり、かつ非常に重要な意味を持っている。すなわち、平板を単にフォトニック結晶スラブに密着させるだけでは、光透過率の変化を引き起こさせることは出来ない。図６の結果が得られた構成では、少なくともｄ＝５０ｎｍ以上平板とフォトニック結晶スラブを離しておかないと、効率的な光透過率の変調は制御できないことを示している。このように、平板１２とフォトニック結晶スラブ１１とを密着させず、ある距離離しておくことが本質である。勿論、ここに示したｄ＝５０ｎｍの値は、平板やフォトニック結晶スラブの構造、材質に依存する量である。
【００２４】
一方、出射光の位相は、距離ｄが５０から８０ｎｍの範囲で大きく変化し、この前後で位相がπ変化することが分かる。このように、距離ｄを少しだけ変化させることによって、光透過率および位相の両者を大幅に変化させることが可能である。
【００２５】
図７は、上述の大きな変化の起因を明らかにするため、フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光の透過率をシミュレーションによって求めた図である。図７中の実線は平板１２が無い場合、図７中の波線は平板１２を、距離ｄ＝０．１ａだけ離して設置した場合の結果である（ａは格子定数）。このフォトニック結晶スラブ１１は、三角空孔格子からなり、空孔の半径ｒ＝０．３ａ、スラブ厚さｔ＝０．５ａ、スラブ屈折率は３．５、平板１２の屈折率は３．５、厚さは０．５ａ、長さは６ａとなっている。図７から、フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光が平板１２の存在によって大きく影響を受け、その特性が大きく変わっていることが分かる。とくに特徴的な点は、平板の存在によって、規格化周波数０．２２から０．３２付近に存在するバンドギャップ内に、透過ピークが現れることである。このように、平板１２の存在によって、バンドギャップ内に新しい準位ができることが分かる。これは、フォトニック結晶のバンド構造が変わったことに対応する。このように、フォトニック結晶のバンド構造が変化することによって、フォトニック結晶を伝搬する光の伝搬の様子が大幅に変わることが重要であることが示された。
【００２６】
図８は、図５に対応する構造を基礎として、作製した光機能素子の構造を示す斜視図である。フォトニック結晶スラブ１１は、媒質は屈折率３．５のＳｉ、空孔２２を格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍ、厚さ１７５ｎｍとする空孔三角格子からなる。スラブ１１の周辺は、空気から構成される。フォトニック結晶スラブ１１は基板７１の上に形成されるが、基板７１との間に適当な空隙を形成するとともに、電気的に絶縁するために、ＳｉＯ２層７２を介して形成される。また、光ファイバ（図示しない）からの入射光をフォトニック結晶スラブ１１に、効率良く導入し、フォトニック結晶スラブ１１からの出射光を効率良く光ファイバ（図示しない）へ導くため、フォトニック結晶スラブ１１の両側にリッジ型の導波路７５を設けている。このリッジ型の導波路７５は、厚みはフォトニック結晶スラブ層１１と同じで、幅は３μｍとした。
【００２７】
平板１２の厚さは１７５ｎｍとし屈折率３．５のＳｉとしている。また、平板１２の両端部はＳｉＯ２層７４を介してフォトニック結晶スラブ１１の上面に対向するように配置される。これは、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２とを電気的に絶縁するとともに、定常状態でフォトニック結晶スラブ１１と平板１２との距離を予定値に保つためである。この例では、これを０．５μｍとした。また、平板１２の両端部に近い部分には切り欠き１２ａおよび１２ｂを設ける。これは平板１２がフォトニック結晶スラブ１１の上面と平行を保ちながら変形し安くするためである。ここで注意すべきは、平板１２は、フォトニック結晶スラブ１１の上面の上では、下面に空間的にＳｉＯ２層が無く、ある範囲で自由に下方に動くことができ、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２の距離を変えることができることである。
【００２８】
フォトニック結晶スラブ１１および平板１２は導電性をもたせるためにリン（Ｐ）をドープされてｎ型とされている。また、それぞれ電極７７、電極７６を形成され、且つ、電極からリード線７９，７８が引き出されている。
【００２９】
フォトニック結晶スラブ１１に、三角格子のΓ―Ｍ方向から波長が１．５５μｍの光を入射させる。このとき、フォトニック結晶スラブ１１および平板１２ともに電圧が印加されていないと、両者の距離は０．５μｍのままであるから、図６を参照して分かるように、規格化透過率はほぼ１．０である。一方、リード線７９，７８を介してフォトニック結晶スラブ１１および平板１２に電圧を印加すると両者の間に発生する静電気間の引力により、平板１２はフォトニック結晶スラブ１１の上面に引き付けられる。いま、リード線７８，７９から１０Ｖの電圧を引加した場合、印加しなかった場合に比べて、素子の入射側および出射側に接続した光ファイバ間の光透過率は９ｄＢ減少した。この結果は、電圧を引加することによって、フォトニック結晶スラブと平板間の距離が減少し、シミュレーションで予測されたように、光透過特性が減少したことに対応する。
【００３０】
本発明による光機能素子は、上述したように、光パルスの強度を変化する機能を有する光強度変調器であるのみならず、光位相変調器としての機能も有する。リード線７８，７９から１５Ｖの電圧を引加した場合、印加しなかった場合に比べて、素子の出射端での光の位相がほぼπだけ変化した。このとき、電圧印加の前後での光透過率の変化は２０％程度と少なく、位相のみを変化させることができる。これは、シミュレーションの結果である図６から、定性的に説明できる。すなわち、電圧印加前は、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との距離ｄが大きく、光透過率がほぼ１００％で位相がほぼ０であるが、ｄを小さくしていき８０ｎｍを過ぎてさらに０に近くなると、光透過率はほぼ１００％に戻るのに対し、位相はほぼπだけ変化したままである。すなわち、本発明による素子は、低損失で超小型の位相変調器として機能する。
【００３１】
図９（Ａ）−（Ｆ）は、図８に示す光機能素子の構造を実現するプロセスの一例の主要部を示す断面図（一部平面図を含む）である。これらの断面図は図８のＢ−Ｂ位置で矢印方向に見た断面である。
【００３２】
まず、図９（Ａ）に示すように、基板７１を形成するためのＳｉ基板７１の上にＳｉＯ２膜７２を形成し、その上に、フォトニック結晶スラブ１１を形成するためのＳｉ層１１を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）を用意する。ＳｉＯ２膜７２の厚さは、０．５μｍ、Ｓｉ層１１の厚さは、１７５ｎｍである。Ｓｉ層１１にはＰをドープする。
【００３３】
次に、図９（Ｂ１）に示すように、電子ビーム露光法と気相エッチング法により、空孔２２を格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍで空孔三角格子をＳｉ層１１に形成し、フォトニック結晶スラブ１１を作製する。図９（Ｂ２）に、この平面図を示す。
【００３４】
その後、図９（Ｃ）に示すように、バイアススパッタ法により、フォトニック結晶スラブ１１を埋め込む形でＳｉＯ２膜７４を形成する。このときＳｉＯ２膜７４はフォトニック結晶スラブ１１の上面から、０．５μｍの厚さとなるようにした。
【００３５】
この工程の後、図９（Ｄ）に示すように、スパッタ法によりＳｉＯ２膜７４の上に平板１２を形成するためのＳｉ層１２を厚さ１７５ｎｍで形成する。Ｓｉ層１２にはＰをドープする。
【００３６】
次いで、図９（Ｅ１）に示すように、電子ビーム露光法と気相エッチング法により、平板１２および切り欠き１２ａ、１２ｂを形成する。図９（Ｅ２）に、この平面図を示す。
【００３７】
その後、図９（Ｆ）に示すように、弗酸系エッチング液により、ＳｉＯ２膜７４とＳｉＯ２膜７２を取り除き、図８に示す構造を形成する。このとき、フォトニック結晶スラブ１１を支えることになるリッジ型の導波路７５部分のＳｉＯ２膜７２およびフォトニック結晶スラブ１１の光路と平行する側面部および平板１２を支えることになる平板１２の端部の支持用のＳｉＯ２膜７４は、ＳｉＯ２層を残す様にエッチング時間を調節する。実際的には、導波路７５部分および平板１２の端部の領域は、フォトニック結晶スラブ１１の光が伝搬する領域に比べて圧倒的に大きいので、エッチング時間の調整は容易である。なお、平板１２の端部の支持用のＳｉＯ２膜７４は、断面位置では除去されているので、断面を示すハッチングは付されていない。最後に、Ｓｉ層１１、１２へ電極を形成し、リード線７９，７８を取り付ける。
【００３８】
なお、図６の特性から分かるように、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間隔は、吸引状態では、極めて小さいので、図９（Ｆ）に示す過程で図８に示す構造を形成した後、フォトニック結晶スラブ１１上にＳｉＯ２の微細粒子（粒径が８０ｎｍ程度）を散布してスペーサとするのが良い。
【００３９】
（実施例２）
実施例１では、図９に示したプロセスで光機能素子を作製したが、ここでは別の作製方法を例示する。図１０は、第１の構造体であるフォトニック結晶スラブの材料としてＧａＡｓを用い、第２の構造体である平板としてＳｉを用いた場合の作製プロセスを示す図である。
【００４０】
まず、図１０（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板９１上に、ＡｌＡｓ層９２と最終的にフォトニック結晶スラブとなるＧａＡｓ層９３をエピタキシャル成長する。ＡｌＡｓ層９２の厚さは、０．５μｍ、ＧａＡｓ層９３の厚さは、１７５ｎｍである。ＧａＡｓ層９３にはＳｉをドープする。
【００４１】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、電子ビーム露光法と気相エッチング法により、格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍの空孔２２の三角格子をＧａＡｓ層９３に形成し、フォトニック結晶スラブ１１を作製する。
【００４２】
その後、図１０（Ｃ）に示すように、ＡｌＡｓのみを選択的にエッチングするエッチング液を用いて、フォトニック結晶スラブ１１とＧａＡｓ基板９１との間のＡｌＡｓ層９２を除去する。この場合も、実施例１と同様、導波路７５部分およびフォトニック結晶スラブ１１の支持部となるＡｌＡｓ層９２の端部の領域は、フォトニック結晶スラブ１１の光が伝搬する領域に比べて圧倒的に大きいので、エッチング時間の調整で容易に残すことができる。
【００４３】
一方、図１０（Ｄ）に示すように、第２の構造体である平板１２を形成するためのＳｉ基板９５の表面にＳｉＯ２層９６を形成する。Ｓｉ基板９５にはＰをドープする。ＳｉＯ２層９６の厚さは、０．５μｍとした。
【００４４】
次に、図１０（Ｅ）に示すように、通常の光露光法と弗酸系エッチングにより、平板１２をフォトニック結晶スラブ１１上に支えるＳｉＯ２層９６を成形する。
【００４５】
その後、図１０（Ｆ１）に示すように、バックエッチング法により、Ｓｉ基板９５の背面９９を削り、Ｓｉ層９８を厚さ１７５ｎｍの厚さで残す。このＳｉ層９８は、図８に示す平板１２に対応する。ここで、Ｓｉ基板９５の両側面は残し、張り合わせ操作のための保持部として使用する。そのため、この過程の後、Ｓｉ層９８の両側に、切り欠き１２ａ、１２ｂと同様に切り欠き９８ａ、９８ｂを作成する。勿論、Ｓｉ層９８には、図８に示す切り欠き１２ａおよび１２ｂをも作成する。図１０（Ｆ２）に、下面から見た図を示す。
【００４６】
その後、図１０（Ｇ）に示すように、図１０（Ｃ）に示す第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１の上に、図１０（Ｆ１）に示す第２の構造体である平板９８を上下逆にして、張り合わせる。最後に、電極等を形成し、図８に示す素子構造を作製した。
【００４７】
実施例２によれば、ＧａＡｓ基板９１上にフォトニック結晶スラブ１１を作製する過程と、平板１２に対応するＳｉ層９８の作成過程とを分離することができるので、両者の張り合わせの位置合わせが必要ではあるが、それぞれを高精度に作成することができる。また、個々の材料、構造の自由度が高くなる。
【００４８】
なお、張り合わせ操作のための保持部として使用するＳｉ基板９５の両側面を切り欠き１２ａおよび１２ｂと平行になる面に作成するものとすれば、実施例２のＳｉ層９８には、切り欠き９８ａ、９８ｂを作成することは必要なくなる。
【００４９】
（実施例３）
実施例２では、第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１の材料としてＧａＡｓを用い、第２の構造体である平板１２としてＳｉを用いた場合を例示した。そして、フォトニック結晶スラブ１１の部分と平板１２の部分とを別に形成して貼り付ける構成とした。ここでは、図１１に示すように、フォトニック結晶スラブ１１を形成するためのＧａＡｓ基板９１自体を第２の構造体として用いる場合を示す。したがって、この例では、フォトニック結晶スラブ１１が基板９１に対して移動するものとなる。
【００５０】
まず、図１１（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板９１上に、絶縁層となるＡｌＡｓ層９２と最終的にフォトニック結晶スラブとなるＧａＡｓ層９３をエピタキシャル成長する。ＡｌＡｓ層９２の厚さは、０．５μｍ、ＧａＡｓ層９３の厚さは、１７５ｎｍである。ＧａＡｓ基板９１およびＧａＡｓ層９３にはＳｉをドープする。
【００５１】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、電子ビーム露光法と気相エッチング法により、格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍの空孔２２の三角格子をＧａＡｓ層９３に形成し、フォトニック結晶スラブ１１を作製する。
【００５２】
その後、図１０（Ｃ）に示すように、ＡｌＡｓのみを選択的にエッチングするエッチング液を用いて、フォトニック結晶スラブ１１とＧａＡｓ基板９１との間のＡｌＡｓ層９２を除去する。この場合も、実施例１と同様、導波路７５部分およびフォトニック結晶スラブ１１の支持部となるＡｌＡｓ層９２の端部の領域は、フォトニック結晶スラブ１１の光が伝搬する領域に比べて圧倒的に大きいので、エッチング時間の調整で容易に残すことができる。
【００５３】
このような構成で、基板９１とフォトニック結晶スラブ１１のそれぞれに電極を設けて、電圧を印加すると、今度はフォトニック結晶スラブ１１自体が撓み、基板９１との距離を変化させることができた。この結果、フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光の強度の変化が観測され、基板を第２の構造体とする場合でも、第１の構造体と第２の構造体との相対的な位置を変化させ、第１の構造体の特性を変化させることが可能であることが示された。なお、この場合、リッジ型の導波路７５部分は変形しないから、図示しないファイバーからの光の導入には支障が無い。
（実施例４）
実施例４は、実施例２と同様の張り合わせ法による素子構造の作製であるが、別の形で実現する例を示す。実施例２と同様に、第１の構造体であるフォトニック結晶スラブの材料としてＧａＡｓを用い、第２の構造体である平板としてＳｉを用いた場合の作製プロセスを示す。
【００５４】
まず、図１２（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板９１上に、ＡｌＡｓ層９２と最終的にフォトニック結晶スラブとなるＧａＡｓ層９３をエピタキシャル成長させる。ＡｌＡｓ層９２の厚さは０．５μｍ、ＧａＡｓ層９３の厚さは１７５ｎｍである。ＧａＡｓ層９３にはＳｉをドープする。
【００５５】
その後、図１２（Ｂ）に示すように、第２の構造体となる平板１２を支持するためのＳｉＯ２層９６を、エピタキシャル成長させたＧａＡｓ層９３の上に気相化学成長法により形成する。
【００５６】
さらに、図１２（Ｃ）に示すように、光露光法と気相エッチング法により、フォトニック結晶スラブ１１を形成する領域を所定の厚さまでエッチングする。このとき、平板１２をフォトニック結晶スラブ１１上に支えるＳｉＯ２層９６もパターン化して同時に形成する。平板１２の支持のために残された部分は、平板１２の両側端部に対応する位置にあるため、この図では、断面を示すハッチングは付されていない。
【００５７】
次に、図１２（Ｄ１）に示すように、電子ビーム露光法と気相エッチング法により、ＧａＡｓ層９３のフォトニック結晶スラブ１１を形成する領域に、格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍの空孔三角格子を形成し、フォトニック結晶スラブ１１を作製する。図１２（Ｄ２）に平面図を示す。なお、平面図では平板１２の支持のために残されたＧａＡｓ層９３はＳｉＯ２層９６の下になっていて図面には現れない。
【００５８】
その後、図１２（Ｅ）に示すように、ＡｌＡｓ層９２のみを選択的にエッチングするエッチング液を用いて、フォトニック結晶スラブ１１の下面を空気層にする。このとき、フォトニック結晶スラブ１１の支持部となる領域を残すのは前記の実施例１、２と同様である。
【００５９】
一方、図１２（Ｆ）に示すように、第２の構造体である平板１２の形成のために、Ｓｉ基板９５を用意する。このＳｉ基板９５にはＰをドープする。
【００６０】
その後、図１２（Ｇ）に示すように、バックエッチング法により、Ｓｉ基板９５の背面９９を削り、Ｓｉ層９８を厚さ１７５ｎｍの厚さで残す。この過程の後、切り欠き９８ａおよび９８ｂを作成する。このＳｉ層９８は、図８に示す平板１２に対応する。ここでも、図による説明を省略するが、Ｓｉ層９８には、切り欠き１２ａおよび１２ｂを作成する。なお、張り合わせ操作のための保持部として使用するＳｉ基板９５の両側面を切り欠き１２ａおよび１２ｂと平行になる面に作成するものとすれば、実施例４のＳｉ層９８も、切り欠き９８ａ、９８ｂを作成することは必要なくなる。
【００６１】
その後、図１２（Ｈ）に示すように、図１２（Ｅ）に示す第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１の上に、図１２（Ｇ）に示す第２の構造体である平板９８を上下逆にして、両者を張り合わせる。最後に、電極等を形成し、図８に示す素子構造を作製した。
【００６２】
実施例４によれば、ＧａＡｓ基板９１上にフォトニック結晶スラブ１１を作製する過程と、平板１２に対応するＳｉ層９８の作成過程とを分離することができるので、両者の張り合わせの位置合わせが必要ではあるが、それぞれを高精度に作成することができる。また、個々の材料、構造の自由度が高くなる。
【００６３】
（実施例５）
実施例５は、実施例４と同様の張り合わせ法による素子構造の作製であるが、第２の構造体である平板１２を別の形で実現する例を示す。図１２（Ａ）−図１２（Ｅ）により、ＧａＡｓ基板９１上にフォトニック結晶スラブ１１と平板１２を保持する部分を作製する過程までは、実施例４と同様である。
【００６４】
まず、図１３（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板９５の上にＳｉＯ２膜９２とＳｉ層９７を有するＳＯＩ基板を用意する。ＳｉＯ２膜９２の厚さは０．５μｍ、Ｓｉ層９７の厚さは１７５ｎｍである。Ｓｉ層９７はＰをドープする。
【００６５】
次に、図１３（Ｂ）に示すように、実施例４の切り欠き９８ａおよび９８ｂに対応する切り欠き９７ａおよび９７ｂをＳｉ層９７に電子ビーム露光法と気相エッチング法により形成する。このＳｉ層９７は、図８に示す平板１２に対応する。ここでも、図による説明を省略するが、Ｓｉ層９７には、この過程の後、切り欠き１２ａおよび１２ｂを作成する。
【００６６】
次に、図１３（Ｃ１）に示すように、弗酸系エッチング液でＳｉＯ２層９２を両端の支持部を除いてエッチングする。図１３（Ｃ２）に側面図を示す。残されたＳｉＯ２層９２は、断面図の位置では存在しないが、側面図では、両端に表示されている。
【００６７】
その後、図１３（Ｄ）に示すように、バックエッチング法により、Ｓｉ基板９５の背面９９を削り、Ｓｉ層９８を適当な厚さで残す。なお、張り合わせ操作のための保持部として使用するＳｉ基板９５の両側面を切り欠き１２ａおよび１２ｂと平行になる面に作成するものとすれば、実施例５のＳｉ層９７も、切り欠き９８ａ、９８ｂを作成することは必要なくなる。
【００６８】
その後、図１３（Ｅ）に示すように、実施例４の図１２（Ｅ）に示すように別途作製されたフォトニック結晶スラブ１１を有する部分と接合する。
【００６９】
実施例５は、実施例４と比較すると、工程は増えるが、平板１２に対応するＳｉ層９７をＳＯＩ基板を基礎に形成するので、その厚さを精密に管理することができる。また、個々の材料、構造の自由度が高くなる。
【００７０】
なお、実施例５では、平板となる板部９８と、保持部となるＳｉ基板９５との間に電圧を印加して、フォトニック結晶スラブ１１と板部９８との距離を変化させるものとしても良い
（実施例６）
実施例６は、実施例４と同様の張り合わせ法による素子構造の作製であるが、第２の構造体である平板１２を実施例５とは別の形で実現する例を示す。図１２（Ａ）−図１２（Ｅ）により、ＧａＡｓ基板９１上にフォトニック結晶スラブ１１と平板１２を保持する部分を作製する過程までは、実施例４と同様である。
【００７１】
まず、図１４（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板９５の上にＳｉＯ２膜９２を形成する。ＳｉＯ２膜９２の厚さは０．５μｍである。
【００７２】
次に、図１４（Ｂ１）に示すように、平板１２の中央の可動部に対応する部分に対応する部分が残るように、ＳｉＯ２膜９２をパターニングする。図１４（Ｂ２）に平面図を示す。すなわち、平板１２のパターンに対応する破線の内、薄いドットを付した部分のみのＳｉＯ２膜９２を残す。
【００７３】
次に、図１４（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜９２の上からＳｉ層９７をスパッタ法で、Ｓｉ基板９５の露出している面を含めて、Ｓｉ層９７が平坦になるように形成する。この結果形成されるＳｉ層９７の厚さはＳｉＯ２膜９２の上で１７５ｎｍである。Ｓｉ層９７にはＰをドープする。
【００７４】
次に、実施例４の切り欠き９８ａおよび９８ｂに対応する切り欠き９７ａおよび９７ｂをＳｉ層９７に電子ビーム露光法と気相エッチング法により形成する。このＳｉ層９７は、図８に示す平板１２に対応する。ここでも、図による説明を省略するが、Ｓｉ層９７には、この過程の後、切り欠き１２ａおよび１２ｂを作成する。
【００７５】
次に、図１４（Ｄ）に示すように、弗酸系エッチング液でＳｉＯ２層９２をエッチングして除去する。また、バックエッチング法により、Ｓｉ基板９５の背面９９を削り、Ｓｉ層９８を適当な厚さで残す。なお、張り合わせ操作のための保持部として使用するＳｉ基板９５の両側面を切り欠き１２ａおよび１２ｂと平行になる面に作成するものとすれば、実施例６のＳｉ層９７も、切り欠き９８ａ、９８ｂを作成することは必要なくなる。
【００７６】
その後、図１４（Ｅ）に示すように、実施例４の図１２（Ｅ）に示すように別途作製されたフォトニック結晶スラブ１１を有する部分と接合する。
【００７７】
図１４（Ｄ）と図１３（Ｄ）を対比して分かるように、実施例６は、実施例５に対して、平板１２の可動部に対応する位置にのみＳｉＯ２層９２を残すから、他の部分は、全てＳｉ層９７となる点においてのみ異なる。
【００７８】
実施例６も、実施例５と同様、実施例４と比較すると、工程は増えるが、平板１２に対応するＳｉ層９７を別に形成するので、その厚さを精密に管理することができる。また、個々の材料、構造の自由度が高くなる。
【００７９】
（実施例７）
実施例１では、フォトニック結晶からなる第１の構造体と第１の構造体に近接した第２の構造体がそれぞれ一つずつの場合であったが、両者の構造体が複数の場合でも有効な光機能素子としての特性が得られる。図１５は、実施例７の一例を示す斜視図である。
【００８０】
図１５では、図８に示す構造を基礎とし、フォトニック結晶スラブ１１の上に第２の構造体としての誘電体からなる平板１２１、１２２を２個、カスケードに形成した場合である。図１５には図８に対応する要素の内主要なものに同じ参照番号を付すとともに、同じ機能のもので２つあるものに対しては、下付の１,２を付して区別した。図１５に示す光機能素子の各要素のデータは、図８で説明したそれらと同じで良い。
【００８１】
実施例７では、第１の平板１２１によって光透過率を減少させることができるが、第２の平板１２２によってさらに光強度が大幅に減少させられることが明らかになった。両方を透過した光の減衰率は２０ｄＢと大きな値であり、複数の第２の構造体の存在によって大幅に特性が向上している。このように、複数の構造体を用いることは、単一の第２の構造体の形状や大きさに制限が加わる場合とくに有効である。また、構造体を複数にすることは、フォトニック結晶からなる第１の構造体に様々な制限がある場合にも有効であることは勿論である。また、第１の構造体の形状や大きさの制限ばかりでなく、異なった機能を引き出す場合、とくに異なる波長の光を独立にオンオフする場合、複数の構造体の存在は有効である。
【００８２】
（実施例８）
本発明による光機能素子は、第１の構造体が、１次元フォトニック結晶、フォトニック結晶スラブを含む２次元フォトニック結晶および３次元フォトニック結晶のいずれの場合であっても実現できる。第１の構造体が２次元フォトニック結晶であるフォトニック結晶スラブの場合について、実施例１から実施例７に記述した。図１６は第１の構造体が１次元フォトニック結晶の場合の実施例を示す斜視図である。
【００８３】
図１６で、１６１はＳｉＯ２基板であり、１６２の領域は、Ｓｉ層とＳｉＯ２層をＳｉＯ２基板１６１上に交互に１０層を積層した１次元フォトニック結晶である。Ｓｉ層の厚さを０．２ａ、ＳｉＯ２層の厚さを０．８ａとした。ａは、格子定数である。また、最上層はＳｉ層とした。１次元フォトニック結晶層の最上面には、第２の構造体が配置されるが、この構造は、図８で説明したものと同等の構造であり、同じ参照符号を付した。平板１２はＳｉからなり厚さをａとした。また、１次元フォトニック結晶層の最上面のＳｉ層および平板１２はＰをドープされる。１次元フォトニック結晶層の最上面のＳｉ層および平板１２は電圧印加前の１次元フォトニック結晶１６２と平板１２との距離は、ａとした。
【００８４】
光は図の矢印の方向に入射し、出射する。波長１．５５μｍの光を入射したところ、ａが０．５４μｍの時、透過率５０％が得られた。次に、１０Ｖの電圧を印加して、１次元フォトニック結晶１６２と平板１２との距離を８０ｎｍに制御したところ、透過率が２．５％に大きく減少した。このように、電圧の印加によって、光強度のオンオフができる光変調器が得られた。
【００８５】
（実施例９）
図１７は３次元フォトニック結晶で本発明を実現した場合の実施例の概念を示す斜視図である。図１７は、図８に示された素子で、フォトニック結晶スラブ１１を３次元角材積層型フォトニック結晶１７１で置き換えたものである。図では平板１２の部分と３次元角材積層型フォトニック結晶１７１との関係が具体的に開示されていないが、図８と同様、フォトニック結晶スラブ１１の構造部分を３次元角材積層型フォトニック結晶１７１で置換して、その周辺部に平板１２を配置することで良い。
【００８６】
３次元角材積層型フォトニック結晶１７１は、それを構成する微細角材を１本抜いて、その抜いた部分を光が伝搬するようにしている。また、微細角材を抜いた層の上には１層の角材層のみを形成して、３次元角材積層型フォトニック結晶１７１の上部にエバネッセント波が存在するようにした。３次元角材積層型フォトニック結晶の周期は０．７μｍ、角材の幅と厚みは０．２μｍとし、角材はＳｉで作製した。この場合も、ＳｉにはＰをドープして素子への電圧印加により、光透過率の制御ができるようにした。素子への電圧印加により変調が見られ、光変調器として機能していることが示された。
【００８７】
（実施例１０）
本発明による光機能素子は、フォトニック結晶中に欠陥を持たせることによって種々の特徴を持つものが実現できる。実施例１０は、図８に示す構造を基礎として、欠陥として線欠陥１８１を含む２次元フォトニック結晶スラブ１１とした例である。
【００８８】
図１８は線欠陥１８１を含む２次元フォトニック結晶スラブ１１の平面図を示す図である。２次元フォトニック結晶スラブ１１の媒質はＳｉであり、空孔２２の一列を取り除いて線欠陥１８１としている。平板１２は、丁度、線欠陥１８１の上に来るように作製したが、図では、平板１２の表示は省略した。光は左の矢印の方向から入射し、右の矢印の方向へ出射する。
【００８９】
図１８に示す２次元フォトニック結晶スラブ１１の構造による光機能素子の特性を測定した。その結果、１０Ｖの電圧を引加した場合、印加しなかった場合に比べて、素子の入射側および出射側に接続した光ファイバ間の光透過率は１２ｄＢ減少した。この結果は、電圧を引加して、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２間の距離を８０ｎｍまで減少させることによって、光透過特性が減少したことに対応する。
【００９０】
図１９は、図１８と線欠陥が異なる場合の２次元フォトニック結晶スラブ１１の平面図を示す。この例では、上述の線欠陥１８１の一部に点欠陥１８２が形成されている場合のフォトニック結晶スラブを示したものである。
【００９１】
図１９に示す２次元フォトニック結晶スラブ１１の構造による光機能素子の特性を測定した。その結果、８Ｖの電圧を引加した場合、印加しなかった場合に比べて、素子の入射側および出射側に接続した光ファイバ間の光透過率は１２ｄＢ減少した。この結果は、線欠陥の場合と同じように、電圧を引加して、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２間の距離を８０ｎｍまで減少させることによって、光透過特性が減少したことに対応する。
【００９２】
以上示したように、線欠陥、点欠陥等の欠陥を含むフォトニック結晶の場合も、フォトニック結晶からなる第１の構造体と第１の構造体に近接した第２の構造体の位置を所定の値まで近づけることによって、第１の構造体の特性を変化させることができる。
【００９３】
（実施例１１）
本発明による光機能素子は、上述の実施例では、第２の構造体をＰをドープしたＳｉあるいはＳｉをドープしたＧａＡｓの例で説明したが、これらは、導電性を持たせた他の半導体、例えば、Ｇｅ，ＩｎＰ，ＧａＮ等の半導体の場合も上述した実施例と同様な特性が得られる。半導体に代えて、ＳｉＯ２ガラス、ＬｉＮｂＯ３等の誘電体であっても良い。さらには、金属、磁性体あるいは半導体、誘電体も含めたそれらの複合体であっても良い。
【００９４】
上述の実施例では、しかしながら、第２の構造体の変位の制御を第１の構造体との間の電位によって行うものとしたので、通電ができない誘電体の場合には工夫が必要である。例えば、第２の構造体である誘電体からなる平板を、通電可能な半導体平板の下に貼り付けることによって、位置の制御をすることが可能である。すなわち、半導体平板と第１の構造体であるフォトニック結晶との静電気力によって両者の位置の変化を引き起こし、それに伴って半導体平板に貼り付けてある誘電体平板の位置も変化させることができる。
【００９５】
さらに、第２の構造体として金属を用いた場合についてみると、光の吸収量が他の半導体や誘電体と比べて非常に大きい。このため、光強度変調器として用いた場合、消光比が大きく取れる。検討の結果、図８に示した素子構造で、平板１２としてＡｌを用いた場合、１０Ｖの電圧引加に対して、印加しなかった場合に比べて、素子の入射側および出射側に接続した光ファイバ間の光透過率は１８ｄＢと非常に大きな減少を示した。
【００９６】
以上示した材料は、適用できる材料の一部を示したもので、他の誘電体、半導体、金属材料でも勿論適用可能であることは言うまでもない。
【００９７】
（実施例１２）
実施例１２に示す光機能素子は、第２の構造体がフォトニック結晶からなることを特徴とする。
【００９８】
図２０は、実施例１２の光機能素子の構成を示す斜視図である。この実施例１２では、図８に示す光機能素子と基本的に同じ構造とし、第２の構造物である平板１２がフォトニック結晶スラブから構成されている点において異なる。この場合、平板１２のフォトニック結晶スラブは、第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１と同じ厚さ、同じ格子定数、同じ空孔半径とした。
【００９９】
実施例１２の光機能素子の特性は以下の通りであった。リード線７８，７９から５Ｖの電圧を引加した場合、印加しなかった場合に比べて、素子の入射側および出射側に接続した光ファイバ間の光透過率は１０ｄＢ減少した。この結果は、電圧を引加することによって、フォトニック結晶スラブと平板間の距離が減少し、光透過特性が減少したことに対応する。また、この結果は、実施例１に示した結果より低電圧で動作しており、第２の構造体である平板がフォトニック結晶スラブになったことによって、第１の構造体と第２の構造体の距離が比較的大きくても、両者の相互作用が保たれることを意味する。すなわち、実施例１２の方が実施例１の構造より低い電圧で制御ができることになる。
【０１００】
（実施例１３）
実施例１３に示す光機能素子は、第１及び第２の構造体の相対的な位置の変化を櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーターを用いて行うことを特徴とする。
【０１０１】
図２１（Ａ１）は、実施例１３の光機能素子によりマッハ・ツエンダー型光変調器を構成した例を示す平面図である。基板７１の右側部分上面にはフォトニック結晶スラブ１１が構成され、左側部分上面には櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーター２２０が形成されている。図２１（Ａ２）は参考のために、この側面図を示す。
【０１０２】
フォトニック結晶スラブ１１はＳｉで形成され、格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍの空孔２２の空孔正方格子からなり、厚さは１７５ｎｍである。この空孔正方格子に、図に示すように、マッハ・ツエンダー型の線欠陥導波路を形成する。光は、矢印に示すように入出射する。このマッハ・ツエンダー型導波路の２本の線欠陥導波路の内、片方の導波路の上に、第２の構造体である平板１２が存在したりしなかったりするように制御される。図２１（Ａ１）は導波路の上に平板１２が存在しない場合であり、図２１（Ｂ）は平板１２が存在する場合である。平板１２は、Ｓｉから形成され、厚さ１７５ｎｍである。平板１２とフォトニック結晶スラブ１１との間隔は、１５０ｎｍとした。
【０１０３】
平板１２の移動を制御する櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーター２２０は特許文献３に開示された静電アクチュエーターを利用した。枠部２２１に支持された固定電極２２３が形成され、同じく枠部２２１を固定部分とする板バネ２２５および２２７が形成される。板バネ２２５および２２７の可動部には可動軸２２９が結合される。可動軸２２９の先端の自由端が平板１２とされる。可動軸２２９には、また、可動電極２２４が結合される。固定電極２２３および可動電極２２４に設けられた相互に入り組んだ櫛歯電極間に作用する駆動力は、それぞれ、板バネ２２５および２２７をたわませるので、可動軸２２９の先端の平板１２は図の右方向に移動される。この結果図２１（Ｂ）に示すように、導波路の上に平板１２が存在することになる。
【０１０４】
このとき、固定電極２２３および可動電極２２４間の電圧を制御して、図２１（Ａ１）および図２１（Ｂ）のように、マッハ・ツエンダー型導波路の２本の線欠陥導波路の両方に平板１２がかかっていない場合と、一方の導波路の真上に存在するときの光出力は、異なるものとなった。すなわち、図２１（Ａ１）に示すように、平板１２を導波路の上部から完全にずらした場合の光出力に比べて、図２１（Ｂ）のように一方の導波路の真上に平板１２が存在するときの光出力は１０ｄＢ小さくなっている。これは、平板の存在によって、導波路の一方を伝搬する光の位相が、πだけ変化していることを示す。このように、第２の構造体である平板１２を上下方向に移動するだけでなく、横方向に移動することによって、光機能素子の出力特性を変化させることが可能である。
【０１０５】
実施例１３の櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーター２２０は特許文献３に開示されているように、これ自体を独立のものとして作成できるので、その厚さに対応して基板７１の左側部分を掘り下げる等により、平板１２とフォトニック結晶スラブ１１との間隔は、容易に管理できる。
【０１０６】
（実施例１４）
上述した実施例１３では、マイクロアクチュエーター２２０の可動軸２２９の先端に平板１２を設け、これを横方向に移動させる場合を示した。実施例１４では、櫛歯自体を平板１２の働きをするものとした光機能素子の例を示す。図２２（Ａ）は無制御状態の実施例１４の光機能素子の斜視図であり、図２２（Ｂ）はアクチュエーターの櫛歯に電圧を印加して制御した状態の斜視図である。なお、図２２（Ｂ）では、フォトニック結晶スラブ１１の空孔正方格子を分かりやすく表示するためにアクチュエーターの枠部を省略して表示した。
【０１０７】
図２２（Ａ）において、７１は基板であり、この上面にフォトニック結晶スラブ１１が構成される。２２は空孔である。ここでは、図８で説明したＳｉＯ２層７２等は表示を省略した。第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１は、Ｓｉで形成され、格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍの空孔正方格子からなり、厚さは１７５ｎｍである。この空孔正方格子は、図２２（Ｂ）に示すように、直線上の結合欠陥導波路を形成してあるが、図２２（Ａ）ではアクチュエーターの枠部のために見えなくなっている。欠陥は、空孔２２の無い状態に対応し、空孔３個につき欠陥１個の割合で結合欠陥導波路を形成した。光は、矢印のように入出射する。
【０１０８】
基板７１の上面にはアクチュエーターが構成される。２３１はアクチュエーターの枠部であり、固定電極２３５の支持部２３３が左側に設けられている。枠部２３１の反対部には可動電極２３９間の支持部２３７が設けられている。支持部２３７は、基板７１からは離れており、ばね片としての２３７ａおよび２３７ｂにより枠部２３１に結合されている。固定電極２３５および可動電極２３９は相互に入り組んだ櫛歯とされている。櫛歯電極部分がちょうど導波路の欠陥部分の真上に来るように設置する。両櫛歯電極はリンをドープしたＳｉで作製し、厚さは１７５ｎｍとした。両者の間に電圧を印加すると可動電極２３９が図２２（Ｂ）に示すように、上側に移動し、フォトニック結晶スラブ１１との距離が大きくなった。すなわち、可動電極２３９を平板１２に対応するものとした。ここで、固定電極２３５および可動電極２３９は、特許文献３に説明されているように、枠部２３１によって短絡されないように工夫するのは当然である。その結果、伝搬する光の群速度の波長依存性が変化し、群速度分散が１０ｐｓ／ｎｍ／ｍｍ程度変化した。このように、実施例１４の機能素子は、群速度分散量が可変な分散補償素子としての機能がある。
【０１０９】
櫛歯の上下方向の移動を利用した分散補償素子は分散量を可変にすることが可能であり、素子に入射した光パルスの時間幅を短くすること、すなわちパルス圧縮の機能も存在する。また、長距離光ファイバを伝搬してパルスが拡がってしまった光パルス信号を、本機能素子によって、元のパルス幅に修復する機能も存在する。
【０１１０】
（実施例１５）
平板１２をマイクロアクチュエーターによってフォトニック結晶スラブ１１の上下に移動させる他の例を図２３に示す。
【０１１１】
図２３は実施例１５の構成を断面図の形で示す図である。基板７１の上面にＳｉＯ２層７２を介してフォトニック結晶スラブ１１を形成する。一方、基板７１の上面にマイクロアクチュエーター２２０の保持手段となる板２４１を設ける。マイクロアクチュエーター２２０の可動軸２２９がフォトニック結晶スラブ１１の上面に対して垂直に移動するように、マイクロアクチュエーター２２０を板２４１により保持し、可動軸２２９の先端部に平板１２を設ける。
【０１１２】
実施例１４で説明したように、この櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーター２２０は特許文献３に開示されているように、これ自体を独立のものとして作成できるので、基板７１の上面に設けた板２４１に容易に取り付けることができる。そのため、平板１２とフォトニック結晶スラブ１１との間隔の管理も容易にできる。
【０１１３】
（実施例１６）
次に、マイクロアクチュエーターの他の一例として、スクラッチアクチュエーターを用いた場合を例示する。図２４は実施例１６の構成を示す斜視図である。実施例１６で採用したスクラッチアクチュエーターは非特許文献１の論文"Scratch Drive Actuator with Mechanical Links for Self-Assembly of Three-Dimensional MEMS"に紹介されているように、導電性の基板上に導電性のポリシリコンからなる可動板を絶縁して設置する。また、可動板の一端には基板と係合する爪を持たせる。そして、基板と可動板との間に正負に変化する矩形波の電圧を加えることによって、可動板が一定方向に移動するものである。電圧を停止すると、可動板に作用しているバネの復元力により移動したのと反対方向に引き戻されるものである。
【０１１４】
図２４を参照して、基板７１の右側上面にフォトニック結晶スラブ１１を形成する。フォトニック結晶スラブ１１は、Ｓｉで形成され、格子間隔３５０ｎｍ、空孔半径１０５ｎｍの空孔２２からなる空孔正方格子からなり、厚さは１７５ｎｍである。ここでも、実施例１３と同様にマッハ・ツエンダー型導波路の２本の線欠陥導波路を持つものとしている。図に矢印で示すように光が入出射する。一方、基板７１の左側上面には平板１２を導波路の上への移動を制御するスクラッチアクチュエーター２５０を配置する。平板１２は、幅５μｍ、厚さ１μｍとし、平板１２とフォトニック結晶スラブ１１との間隔は３００ｎｍとした。スクラッチアクチュエーター２５０は上述したように、導電性の基板２５１および導電性の可動板２５３が備えられる。導電性の基板２５１の上面には絶縁層が形成されているが図示は省略した。また、可動板２５３の一端には爪２５５が形成されている。爪２５５の自由端側に、平板１２が連結されている。先に述べたように、導電性の基板２５１と導電性の可動板２５３との間に正負に変化する矩形波の電圧を加えると、可動板２５３は図の右側に移動する。電圧印加を止めると、図示しないが、可動板２５３に作用しているばね力により図の左側に初期の位置まで引き戻される。
【０１１５】
可動板２５３の初期の位置で、平板１２がマッハ・ツエンダー型導波路の２本の導波路の内、片方の導波路に近接した位置にあるようにした。導電性の基板２５１と導電性の可動板２５３との間に正負に変化する矩形波の電圧を短時間加えると、平板１２が片方の導波路を完全に覆う位置に移動する。電圧を切ると、今度は、可動板２５３がスプリングの力によって、初期位置に戻るから、平板１２も片方の導波路に近接した位置に戻る。
【０１１６】
このような矩形波の電圧印加によって、平板１２をマッハ・ツエンダー型導波路の１本の導波路の上に移動させあるいは導波路に近接した位置にあるように制御することにより、出射光の出力を１１ｄＢ変化させることが出来た。これは、実施例１６に示した光機能素子が、光変調器としての機能を持つことを示すものである。
【０１１７】
（実施例１７）
本発明による光機能素子は、波長多重された光信号から特定の波長の光信号のみを選択して空間的に分離する波長分離器、あるいは特定の波長の光信号を波長多重された光信号に加える波長合波器の機能を持つものとすることができる。
【０１１８】
図２５は、波長分離器を構成する、ＰをドープしたＳｉからなるフォトニック結晶スラブ１１の実施例を上面から見た図である。図は簡略化してフォトニック結晶スラブ１１のみを示したが、全体構成は、図８に示す光機能素子の構造と同等であり、空孔２２の大きさと格子定数は同じである。実施例１７のフォトニック結晶スラブ１１は空孔２２が正方格子を構成するフォトニック結晶である。
【０１１９】
このフォトニック結晶スラブ１１には、線欠陥からなる導波路２６１がある。この導波路２６１には、矢印２６３から波長多重された光パルス信号が入射し、矢印２６４へ出射する。この波長多重化された光パルスは、光通信ネットワークを形成する光ファイバ（図示しない）から導入され、このフォトニック結晶スラブを通過した後、再び光ファイバへ導かれる。フォトニック結晶スラブ１１には、もう一つ線欠陥からなる導波路２６２が存在し、これには矢印２６５から光が入射可能で、矢印２６６から光が出射可能である。ここで、破線１２で示すのは、平板１２が近接して配置される位置である。この位置では、導波路２６２が導波路２６１に空孔２２の１層分離れただけの近い位置を通るようになされている。
【０１２０】
矢印２６３から波長１．５，１．６および１．７μｍの１０Ｇｂ／ｓの光パルスを入射したところ、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧を印加しないときは、全ての波長の光パルスが矢印２６４から出射した。次に、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧９Ｖを印加して、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２間を接近させたところ、波長１．５μｍの光パルスのみが矢印２６４から出射した。これは、二つの線欠陥導波路２６１、２６２が両者の接近した領域で方向性結合器として働き、平板１２の存在によってその結合長が変化したことに起因する。
【０１２１】
このように、実施例１７は、フォトニック結晶スラブ１１の線欠陥導波路２６１、２６２を図２５に示すように平板１２の領域で近接した構造として、平板１２をフォトニック結晶スラブ１１に近接させたり、離したりすることにより、波長多重された光パルスから特定の波長の光パルスのみを選択して空間的に分離し、あるいは単に通過させる超小型の波長分離器として働くことを示している。
【０１２２】
実施例１７の構造は、波長合波器としても機能する。このことを図２５を参照して説明する。この場合には、矢印２６３から入射し、矢印２６４に出射する光信号パルス列に矢印２６５から入射した異なる波長のパルス列を加える場合について説明する。実際に、矢印２６３から波長１．５，１．６および１．７μｍの１０Ｇｂ／ｓの光パルスを入射したところ、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧を印加しないときは全ての波長の光パルスが矢印２６４から出射した。次に、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧１２Ｖを印加して、フォトニック結晶スラブ１１に平板１２を近接させてところ、矢印２６５から入射した波長１．４μｍの光パルスが矢印２６４から出射される光に加わった。すなわち、矢印２６４からは元の波長１．５，１．６および１．７μｍの１０Ｇｂ／ｓの光パルスに加えて、波長１．４μｍの光パルスが出射した。このように、実施例１７は、図２５に示された構造からなる素子が、特定の波長の光信号パルスを波長多重された光信号パルスに加える超小型の波長合波器としても働くことを示している。これは、入射光の波長フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との近接の程度により制御可能である。
【０１２３】
（実施例１８）
図２６は波長分離器に関する他の実施例を示したものである。全体構成は、図２５に示す波長分離器と同等であり、フォトニック結晶スラブ１１は空孔２２が正方格子を構成するフォトニック結晶である。
【０１２４】
図２５と図２６とを対比して分かるように、実施例１８でも、フォトニック結晶スラブ１１には、線欠陥からなる２つの導波路２６１、２６２がある。導波路２６１には、矢印２６３から波長多重された光パルス信号が入射し、矢印２６４へ出射する。導波路２６２には、矢印２６５から波長多重された光パルス信号が入射し、矢印２６６へ出射する。この波長多重化された光パルスは、光通信ネットワークを形成する光ファイバ（図示しない）から導入され、このフォトニック結晶スラブを通過した後、再び光ファイバへ導かれる。フォトニック結晶スラブ１１には、２つの線欠陥からなる導波路に挟まれた破線１２で示す位置に点欠陥による光共振器２７１が存在する。ここで、破線１２で示すのは、平板１２が近接して配置される位置である。
【０１２５】
矢印２６３から波長１．５，１．６および１．７μｍの１０Ｇｂ／ｓの光パルスを入射したところ、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧を印加しないときは、波長１．６μｍの光パルスのみが矢印２６６へ出射され、他の波長１．５および１．７μｍの光パルスは矢印２６４から出射した。これは、点欠陥光共振器２７１の共振波長が丁度１．５μｍとなっているためである。次に、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧９Ｖを印加して、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２間を接近させたところ、今度は波長１．６μｍの光信号のみが矢印２６６から出射し、それ以外の波長の光信号は矢印２６４から出射した。これは、平板１２の存在によって点欠陥光共振器２７１の共振波長がシフトしたことに起因する。
【０１２６】
このように、実施例１８は、フォトニック結晶スラブ１１の線欠陥導波路２６１、２６２を図２６に示すように平板１２の領域で点欠陥光共振器２７１を持つ構造として、平板１２をフォトニック結晶スラブ１１に近接させたり、離したりすることにより、波長多重された光パルスから特定の波長の光パルスのみを選択して空間的に分離させる超小型の波長分離器として働くことを示している。
【０１２７】
実施例１７の構造が、波長合波器としても機能するのと同様に、実施例１８の構造でも、同様に、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧を印加したり、電圧印加無とするなど、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２間の距離を制御することにより、波長合波器としても機能するものとなる。
【０１２８】
（実施例１９）
本発明による光機能素子は、光信号伝送路を空間的、時間的あるいは波長的に切り替えるスイッチングの機能を有する光スイッチとして機能するものとすることができる。図２７は光スイッチの実施例の形態としたときのフォトニック結晶スラブ１１と平板１２との関係の一例を示す斜視図である。図２７に示すフォトニック結晶スラブ１１の諸元は図８に示されたものとほぼ同一であるが、実施例１９では正方格子とされている。また、フォトニック結晶スラブ１１では、入射光を導入する欠陥導波路２８１が形成され、直角に曲がって形成されている２つの欠陥導波路２８２および２８３と結合された結合欠陥導波路とされている。欠陥導波路２８２の部分には、その上面に平板１２が配置される。
【０１２９】
フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との間に電圧が印加されていない状態では、この平板１２はフォトニック結晶スラブ１１から遠ざかっている。このとき、欠陥導波路２８１に導入された入射光は、２つの欠陥導波路２８２および２８３のそれぞれの出口から出射光１、出射光２としてほぼ同等の強度で出射する。一方、電圧が印加された状態では、平板１２がフォトニック結晶スラブ１１に接近するので、欠陥導波路２８２から出射する出射光１の光出力は、１０％以下に減少し、それに伴って欠陥導波路２８３から出射する出射光２の光出力は増加した。
【０１３０】
これは、平板１２がフォトニック結晶スラブ１１に接近することによって、結合した欠陥導波路２８２の光結合が弱くなり、その結果、欠陥導波路２８２側からの出射光１の光出力が減少したと考えられる。この減少は、光結合が弱くなった部分で反射が起きるためであり、このため欠陥導波路２８３側の出力が増加する。このように、実施例１９の光機能素子は、欠陥導波路を伝搬する光パルスを空間的にスイッチすることができる。さらに、欠陥導波路２８３の上面にも平板１２を配置して、欠陥導波路２８３からの出射光２の光出力を減少させて、欠陥導波路２８２側からの出射光１の光出力を増大させることもできる。すなわち２つの欠陥導波路のどちらか一方にスイッチすることが可能である。なお、実施例１９では、空間的なスイッチの場合を述べたが、同様な機構によって、時間的、波長的に光パルスをスイッチすることができる。
【０１３１】
（実施例２０）
本発明による光機能素子は、光を発する発光体あるいはレーザとして機能するものとすることができる。図２８は、レーザとして機能する光機能素子のフォトニック結晶スラブ１１と平板１２との原理的な構成を示す斜視図である。フォトニック結晶スラブ１１は、中心層にそれぞれ１０ｎｍのＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸層が１０層からなる活性層２９１を有し、上面にＰ−ＩｎＰ層２９２および下面にＮ−ＩｎＰ層２９３を有する構造とした。この量子井戸からの発光の中心波長は、１．５５μｍである。また、フォトニック結晶は、屈折率３．５とし、格子間隔５００ｎｍ、空孔半径１５０ｎｍ、厚さ２５０ｎｍの空孔２２による空孔三角格子である。スラブの周辺は、空気から構成される。また、平板１２は、屈折率１．５とし、大きさが２×１．８５μｍ、厚さ２５０ｎｍである。第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１は点欠陥を含み、その点欠陥の上面に第２の構造体である平板１２を設置する。この断面構造は、図５で説明したのと同様であるので、図示は省略した。
【０１３２】
このフォトニック結晶スラブ１１に外部から波長１．１μｍの光を照射したところ、フォトニック結晶スラブ１１からの発光が観測された。実施例２０は平板１２の存在によって点欠陥の共振波長を制御し、例えば波長可変光源を実現する。このとき、点欠陥は必ずしも一つである必要はなく、複数でも勿論良い。
【０１３３】
図２９は、その特性をシミュレーションで詳しく計算した結果を光強度と波長との関係で示した図である。図に示したように、実施例２０により得られるレーザは、第１共鳴と第２共鳴に対応する鋭いピークが存在する。とくに注目する点は、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２の距離ｄを２５，７５，２２５ｎｍと変化させると、そのピーク位置が大きく変化することである。
【０１３４】
図３０はフォトニック結晶スラブ１１と平板１２の距離ｄによるピーク位置の変化の様子を示す図である。図で横軸は距離ｄ、縦軸は共鳴波長である。図から、距離ｄを２から３００ｎｍまで変えることにより、第１共鳴および第２共鳴のいずれでも、波長１５ｎｍ程度と非常に大きな共鳴波長のチューニングができることが分かる。
【０１３５】
図２９および図３０に示した結果は、平板１２の厚さが２５０ｎｍの場合であったが、平板の厚さを３７５ｎｍと増やしても、共鳴波長の距離ｄ依存性に差は見られず、大きな効果が同様に得られた。また、図２９および図３０に示した結果は、平板の大きさが２×１．８５μｍの場合であったが、平板の大きさを５×１．８５μｍと大きくしても、図２９および図３０に示した結果と同様、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２の距離ｄを変化させることによって、共鳴波長を大きく変化させることができた。さらに、図２９および図３０に示した結果は、平板１２の屈折率が１．５の場合であったが、平板の屈折率が３．５の場合でも、図２９および図３０に示した結果と同様、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２の距離ｄを変化させることによって、共鳴波長を大きく変化させることができた。このように、共鳴波長の制御は、第２の構造体である平板１２の大きさ、厚さおよび屈折率によらず、いずれの場合も有効に行えることが分かる。
【０１３６】
さらに、この素子のフォトニック結晶スラブ１１と平板１２間に電圧を印加していくと、発光波長が、１．５４μｍから１．５５μｍへ連続的に増加した。これは、電圧印加によって、フォトニック結晶スラブ１１と平板１２との距離が減少し、それによって欠陥の共鳴波長が増加したことによる。このように、第１の構造体であるフォトニック結晶スラブ１１が点欠陥を含み、その上部に第２の構造体である平板１２を設置することにより、波長可変の発光素子ができることが示された。
【０１３７】
ここでは、発光素子として、光ポンプによる発光素子の実施例を示したが、勿論、この構成は電流注入型発光素子の場合にも有効である。また、ここでは一般的に発光素子について記述したが、コヒーレントな光が得られるレーザ素子の場合も本構成は十分有効である。
【０１３８】
以上示した実施例２０では、第２の構造体である平板１２の大きさが、フォトニック結晶スラブ１１の点欠陥を含む単位格子よりも大きい場合であった。平板１２の大きさが点欠陥を含む単位格子の大きさと同程度のときは、距離ｄを変化させても共振波長の変化は起きず、距離ｄを減少させるにつれて、むしろ共振の線幅が増大する結果が得られた。図３１は平板１２の大きさが点欠陥を含む単位格子の大きさと同程度の場合の発光素子の特性を示す図である。縦軸は規格化光強度を、横軸は波長（μｍ）を示す。
【０１３９】
図３１の結果を得た構造は、フォトニック結晶スラブ１１の格子間隔４４０ｎｍ、空孔半径１５０ｎｍ，厚さ２２０ｎｍの空孔三角格子である。また、平板１２は、屈折率が３．５、大きさが８８０ｎｍ×８８０ｎｍ、厚さが２２０ｎｍである。このように、平板１２の大きさがフォトニック結晶スラブ１１の格子間隔の２倍程度と、丁度格子欠陥の部分の上のみに平板１２が覆っている場合、図３１に示されるように、距離ｄの変化によって、欠陥による共振器のＱ値を制御できることに対応する。まず、平板とフォトニック結晶スラブとの距離ｄを２００ｎｍ以上と十分大きく取ったとき、この量子井戸に電流を注入することによって、点欠陥の部分でレーザ発振が起こり、コヒーレントな光が得られた。次に、平板をフォトニック結晶に近づけ、距離ｄを１００ｎｍにしたとき、このレーザ発振は止まった。これは、距離ｄを小さくすることによって、Ｑ値が減少し、レーザ発振が出来なくなったためである。このように、平板とフォトニック結晶スラブとの距離を変えることによって、レーザ発振のオン・オフができることが示された。また、これを使ったフォトニック結晶からなる結合欠陥導波路の伝搬速度の制御等、欠陥による共振器のＱ値を利用した素子が作製できる。
【０１４０】
フォトニック結晶を利用したレーザは特許文献４にも紹介されているが、本発明のように、平板１２の制御によって発光素子の特性を制御する例は開示されていない。
【０１４１】
（実施例２１）
上述したように、本発明は、フォトニック結晶からなる第１の構造体と第１の構造体に近接した第２の構造体を有し、両者の相対的な位置を変化することによって、種々の興味ある特性を実現できるが、以下、光通信システムあるいは光応用システムの中での具体的な応用形態を説明する。
【０１４２】
図３２は本発明の光機能素子とその機能を制御する機構を同時に備える形で光通信システムに導入された光モジュールを説明する図である。図３２に示すモジュールは、図８に示した素子３３１と、その光軸上で素子３３１の両側に配置されたファイバ３３２とレンズ３３３からなる。さらに、素子３３１のフォトニック結晶スラブ１１と平板１２（図示しない）間へ電圧を印加する装置３３４からなる。本例では、モジュール通過後の光信号を受信した受信装置（図示しない）から制御信号が送られて、素子３３１へ電圧を印加する装置３３４から素子へ電圧が印加され、光信号のオン・オフを行う。
【０１４３】
図３３は本発明の光機能素子を、送信器、中継器、受信器のいずれかもしくは複数箇所に使用した光伝送システムを説明する図である。実施例１に例示した光機能素子を用いた４０Ｇｂｐｓ／チャンネルの波長分割多重光伝送システムである。このシステムは送信装置３４１、伝送ファイバ路３４２、受信装置３４３から構成される。送信装置３４１は各波長（チャンネル）ごとの電気―光変換器３４４、波長多重器３４５、光送信増幅器３４６から構成されるが、これらは通例のものをもってして十分である。使用波長は１．５５μｍを中心とした帯域とする。伝送ファイバ路には分散シフトファイバ３４２を用い、伝送距離は８０ｋｍである。受信装置３４３は光受信増幅器３４７、波長分離器３４８、分散補償器３４９、光―電気変換器３４０から構成される。多重されて伝送された光パルスを波長分離装置３４８で各波長に分割し、分散補償器３４９で各々のチャンネルで最適な分散補償を行う。
【０１４４】
この構成で、波長多重器３４５は、実施例１７または実施例１８に記載の波長合波器を多段に用いたもので構成される。また、波長分離器３４８も、実施例１７または実施例１８に記載の波長分離器を多段に用いたもので構成される。その結果、波長多重器３４５や波長分離器３４８が超小型に構成でき、システムをコンパクトに構成できるという大きな特徴がある。
【０１４５】
図３４は本発明の光機能素子を使用して光記録装置およびシステムを構成した例を説明する図である。
【０１４６】
実施例２０に記載の電流注入型で作製した波長可変半導体レーザ３５１を用いた光ビット書き込みおよび読み出し装置およびシステムを例示したものである。図で、レーザ３５１からの光はレンズ３５２を介して、光ビットを記録する回転円盤３５３上に集光される。円盤は駆動モータ３５４で回転する。この円盤には、ホールバーニング効果を有する材料が塗布されており、波長を変えることによって、波長多重書き込みが可能である。ホールバーニング効果を有する材料とは、波長の異なる光信号を同一場所に記録出来る材料である。すなわち、例えば波長λ１とλ２の光ビームをホールバーニング効果を有する材料からなる膜の同一場所に照射した場合、その場所での膜の波長λ１とλ２の光透過率が変化する。このため、同一場所で、波長を変えることによって、それぞれの波長に対応する光記録が可能となり、波長多重書き込みができるようになる。
【０１４７】
このような装置構成で、制御系３５５からの信号コントロールにより、波長多重書き込みと読み出しを効率よくかつコンパクトに出来るシステムを構築した。これは、半導体レーザ３５１がフォトニック結晶から出来ているため、装置の超小型化が出来たためである。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】本発明の光機能素子の基本構成を示す斜視図。
【図２】フォトニック結晶のうち、二次元フォトニック結晶と呼ばれるものの一例を示す図。
【図３】図２の構造において、（ε１）１／２＝３．５、ε２＝１、ｒ／ａ＝０．４５としたときのＴＭモードおよびＴＥモードに対するフォトニックバンド図を示す図。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、シミュレーションによって求めたフォトニック結晶スラブ１１のバンド構造の例を示す図。
【図５】（Ａ）は、本発明による光機能素子の一実施例の構成の概念を示す平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ位置で矢印方向に見た断面図。
【図６】図５に示す構成で、フォトニック結晶スラブ１１の上面と平板１２との距離を変化させ、フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光の透過率と位相変化をシミュレーションによって求めた結果を示す図。
【図７】フォトニック結晶スラブ１１を伝搬する光の透過率をシミュレーションによって求めた図。
【図８】図５に対応する構造を基礎として、作製した光機能素子の構造を示す斜視図。
【図９】（Ａ）−（Ｆ）は、図８に示す光機能素子の構造を実現するプロセスの一例の主要部を示す断面図（一部平面図を含む）。
【図１０】（Ａ）−（Ｇ）は第１の構造体であるフォトニック結晶スラブの材料としてＧａＡｓを用い、第２の構造体である平板としてＳｉを用いた場合の作製プロセスを示す図。
【図１１】（Ａ）−（Ｃ）はフォトニック結晶スラブ１１を形成するためのＧａＡｓ基板９１自体を第２の構造体として用いる場合のプロセスの一例の主要部を示す断面図。
【図１２】（Ａ）−（Ｈ）は第１の構造体であるフォトニック結晶スラブの材料としてＧａＡｓを用い、第２の構造体である平板としてＳｉを用いた場合の作製プロセスの他の例を示す図。
【図１３】（Ａ）−（Ｅ）は、図１２と同様の張り合わせ法による素子構造の作製であるが、第２の構造体である平板１２を別の形で実現する例を示す図。
【図１４】（Ａ）−（Ｅ）は、図１２と同様の張り合わせ法による素子構造の作製であるが、第２の構造体である平板１２を、さらに、別の形で実現する例を示す図。
【図１５】実施例７の一例を示す斜視図。
【図１６】本発明による光機能素子の第１の構造体が１次元フォトニック結晶の場合の実施例を示す斜視図。
【図１７】３次元フォトニック結晶で本発明を実現した場合の実施例の概念を示す斜視図。
【図１８】線欠陥１８１を含む２次元フォトニック結晶スラブ１１の平面図を示す図。
【図１９】図１８と線欠陥が異なる場合の２次元フォトニック結晶スラブ１１の平面図を示す図。
【図２０】実施例１２の光機能素子の構成を示す斜視図。
【図２１】（Ａ）−（Ｂ）は、櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーターを用いて第１及び第２の構造体の相対的な位置の変化を行う光機能素子の例を説明する図。
【図２２】（Ａ）−（Ｂ）は、櫛歯自体を平板１２の働きをするものとした光機能素子の例を示す図。
【図２３】平板１２をマイクロアクチュエーターによってフォトニック結晶スラブ１１の上下に移動させる他の例を示す図。
【図２４】スクラッチアクチュエーターを採用した実施例１６の構成を示す斜視図。
【図２５】波長分離器を構成する、ＰをドープしたＳｉからなるフォトニック結晶スラブ１１の実施例を上面から見た図。
【図２６】波長分離器に関する他の実施例を示したフォトニック結晶スラブ１１を上面から見た図。
【図２７】光スイッチの実施例の形態としたときのフォトニック結晶スラブ１１と平板１２との関係の一例を示す斜視図。
【図２８】レーザとして機能する光機能素子のフォトニック結晶スラブ１１と平板１２との原理的な構成を示す斜視図。
【図２９】図２８に示すレーザの特性をシミュレーションで詳しく計算した結果を光強度と波長との関係で示した図。
【図３０】図２８に示すレーザのフォトニック結晶スラブ１１と平板１２の距離ｄによるピーク位置の変化の様子を示す図。
【図３１】図２８に示すレーザの平板１２の大きさが点欠陥を含む単位格子の大きさと同程度の場合の発光素子の特性を示す図。
【図３２】本発明の光機能素子とその機能を制御する機構を同時に備える形で光通信システムに導入された光モジュールを説明する図。
【図３３】本発明の光機能素子を、送信器、中継器、受信器のいずれかもしくは複数箇所に使用した光伝送システムを説明する図。
【図３４】本発明の光機能素子を使用して光記録装置およびシステムを構成した例を説明する図。
【符号の説明】
【０１４９】
１１：フォトニック結晶スラブ、１２：平板、１２ａ，１２ｂ：切り欠き、１３：駆動装置、１４：操作ロッド、２２：空孔、４１：ライトライン、４２：分散曲線、７１：基板、７２，７４：ＳｉＯ２層、７５：リッジ型の導波路、７６，７７：電極７７、７８，７９：リード線、９１：ＧａＡｓ基板、９２：ＡｌＡｓ層、９３：ＧａＡｓ層、９５：Ｓｉ基板、９６：ＳｉＯ２層、９９：Ｓｉ基板９５の背面、９７，９８：Ｓｉ層、９８ａ，９８ｂ：切り欠き、１６１：ＳｉＯ２基板、１６２：Ｓｉ層とＳｉＯ２層を積層した１次元フォトニック結晶、１７１：３次元角材積層型フォトニック結晶、１８１，１８２：フォトニック結晶中の線欠陥、２２０：櫛歯電極を利用したマイクロアクチュエーター、２２１：枠部、２２３：固定電極、２２４：可動電極、２２５，２２７：板バネ、２２９：可動軸、２３７ａ，２３７ｂ：ばね片、２４１：板、２５０：スクラッチアクチュエーター、２５１：導電性の基板、２５３：導電性の可動板２５３、２５５：爪、２６１，２６２：導波路、２６３，２６５：入射光、２６４，２６６：出射光、２７１：光共振器、２８１，２８２，２８３：欠陥導波路、２９１：活性層２９１、２９２：Ｐ−ＩｎＰ層、２９３：Ｎ−ＩｎＰ層、３３１：素子、３３２：ファイバ、３３３：レンズ、３３４：電圧を印加する装置、３４０：光―電気変換器、３４１：送信装置、３４２：伝送ファイバ路、３４３：受信装置３４３、３４４：電気―光変換器、３４５：波長多重器、３４６：光送信増幅器３４６、３４７：光受信増幅器、３４８：波長分離器、３４９：分散補償器、３４９、３５１：波長可変半導体レーザ、３５２：レンズ、３５３：回転円盤、３５４：駆動モータ。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年8月3日(2005.8.3)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶からなる第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体との厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段と、を備えることを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記相対的な距離ｄを制御することによって前記第１の構造体を構成するフォトニック結晶のバンド構造を変化させ、第１の構造体の特性を変化させることを特徴とする請求項１記載の光機能素子。
【請求項３】
前記第１の構造体と前記第２の構造体との距離ｄが、ｄ＞０となるよう間隔を調整する手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の光機能素子。
【請求項４】
前記ｄ＞０となるよう間隔を調整する手段としてスペーサが設けられていることを特徴とする請求項３記載の光機能素子。
【請求項５】
前記第１の構造体と前記第２の構造体との長さ方向における相対的な位置を変化させる手段を更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項６】
前記第１および第２の構造体の相対的な位置の変化が微小機械電気システムを含むマイクロアクチュエーターで行われる請求項１から５のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項７】
前記第１の構造体に対して複数の第２の構造体が配置され且つそれぞれが独立に制御される請求項１から６のいずれか1項に記載の光機能素子。
【請求項８】
前記第１の構造体が、１次元フォトニック結晶、フォトニック結晶スラブを含む２次元フォトニック結晶および３次元フォトニック結晶のいずれかである請求項１から７のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項９】
前記フォトニック結晶中に欠陥を含むフォトニック結晶を第１の構造体とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１０】
前記第２の構造体が誘電体、半導体、金属あるいはそれらの複合体である請求項１から９のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１１】
前記第１の構造体及び前記第２の構造体それぞれに電極を設けたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１２】
第１の構造体に形成された点欠陥を含む２次元フォトニック結晶スラブがレーザとして機能するための活性層を含むものであり、該２次元フォトニック結晶スラブの上面に第２の構造体とを近接して配置するとともに、前記２次元フォトニック結晶スラブの上面と第２の構造体との距離を制御してレーザの発振波長を制御することを特徴とするレーザ。
【請求項１３】
前記第１の構造体に形成された点欠陥と前記第２の構造体の大きさをほぼ同じ大きさとして、前記２次元フォトニック結晶スラブの上面と第２の構造体との距離を制御して欠陥による共振器のＱ値を制御する請求項１２記載のレーザ。
【請求項１４】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応して光信号の強度ないし位相を変化する機能を有する光変調器として機能する請求項１から１１のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１５】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応して光信号伝送路を空間的、時間的あるいは波長的に切り替えるスイッチングとして機能する請求項１から１１のいずれか１項に記載の光機能素子。
【請求項１６】
フォトニック結晶からなる第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体との厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段と、を備える光機能素子の製造方法であって、第1の構造体を第１から第６のステップによって製造することを特徴とする光機能素子の製造方法。
基板を形成するためのＳｉ基板の上にＳｉＯ２膜を形成し、その上に、第１の構造体となるフォトニック結晶スラブを形成するための導電性を持つＳｉ層を有するＳＯＩを用意する第１ステップと、
前記Ｓｉ層を電子ビーム露光法と気相エッチング法により、所定の空孔を所定の格子間隔で形成してフォトニック結晶スラブを作製する第２ステップと、
前記フォトニック結晶スラブを埋め込む形で、バイアススパッタ法により、ＳｉＯ２膜を形成する第３ステップと、
前記ＳｉＯ２膜の上に第２の構造体となる平板を形成するための導電性を持つＳｉ層を形成する第４ステップと、
前記第２の構造体となる平板を形成するための導電性を持つＳｉ層から平板および所定の切り欠きを形成する第５ステップと、
前記２つのＳｉＯ２膜を弗酸系エッチング液により取り除く第６ステップ。
【請求項１７】
フォトニック結晶からなる第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体との厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段と、を備える光機能素子の製造方法であって、基板の上にフォトニック結晶からなる第１の構造体および該第１の構造体の上面に配置される第２の構造体の保持部材を形成するためのステップと、前記第２の構造体を形成するためのステップと、前記第２の構造体を前記第１の構造体の上面の保持部材の上に固着するステップと、を含むことを特徴とする光機能素子の作成方法。
【請求項１８】
フォトニック結晶からなる第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体との厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段と、を備える光機能素子であって、前記厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段が、前記第１の構造体及び前記第２の構造体間に発生する静電気引力によるものであることを特徴とする請求項１１記載の光機能素子の制御方法。
【請求項１９】
フォトニック結晶からなる第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体と、前記第１の構造体と前記第２の構造体との厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段と、を備える光機能素子であって、前記厚み方向における相対的な距離ｄ（ｄ＞０）を制御する手段が、第1の構造体を撓ませることによるものであることを特徴とする請求項１１記載の光機能素子。
【請求項２０】
前記第１の構造体に点欠陥を含む２次元フォトニック結晶スラブが形成され、該２次元フォトニック結晶スラブの上面に第２の構造体を近接して配置した光機能素子を用いたレーザであって、該２次元フォトニック結晶スラブがレーザとして機能するための活性層を含むものであり、前記２次元フォトニック結晶スラブの上面と第２の構造体との距離を制御してレーザの発振波長を制御することを特徴とする請求項1から１１のいずれか1項に記載の光機能素子よりなるレーザ。
【請求項２１】
前記第１の構造体に形成された点欠陥と前記第２の構造体の大きさをほぼ同じ大きさとして、前記２次元フォトニック結晶スラブの上面と第２の構造体との距離を制御して欠陥による共振器のＱ値を制御する請求項２０記載のレーザ。
【請求項２２】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した機能を有する請求項１から１５のいずれか１項に記載の光機能素子とその機能を制御する機構とを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項２３】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した機能を有する請求項１から１５のいずれか１項に記載の光機能素子を、送信器、中継器、受信器のいずれかもしくは複数箇所に使用したことを特徴とする光伝送システム。
【請求項２４】
第１の構造体と、該第１の構造体に近接した第２の構造体との距離に対応した機能を有する請求項１から１５のいずれか１項に記載の光機能素子を使用したことを特徴とする光記録装置およびシステム。