(57)【要約】可逆的にチューニング可能なフォトニック特性を有するフォトニック結晶。フォトニック結晶は、小数結晶度について変動する複数の構造状態を有する相変化材料を含む。相変化材料の小数結晶度が変更されると、屈折率、減衰係数、誘電率、を含む光学定数が変動し、それによってフォトニック特性のチューニング可能性が得られる。相変化材料の構造状態間の変動は、光学または電気エネルギーを含む形のエネルギーを付加することによって可逆的に生じる。フォトニック結晶はフォトニックバンドギャップ内にフォトニック状態を提供する欠陥を含みうる。これらの状態の位置は、フォトニック結晶に含まれる相変化材料の小数結晶度を制御することによってチューニング可能である。さらに、フォトニックバンドギャップ内にフォトニック状態を有するフォトニック結晶を含む電磁放射線共振器が提供される。これらの共振器は、電磁放射線の周波数選択フィルタまたは経路指定に用いることができ、相変化材料の構造状態の制御によって共振モードの周波数および減衰速度におけるチューニング可能変動を可能にする。これらの共振器は、さらに導波路に結合され、チューニング可能なチャネルドロップフィルタおよび狭域帯反射器を提供する。
2005535919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の誘電体媒質内に周期的に配列されたマクロ誘電体媒質のユニットを含むフォトニック結晶であって、非晶質状態および結晶質状態を含む複数の構造状態を有する相変化材料を含み、前記相変化材料がエネルギーの付与によって前記構造状態間で可逆的に変態可能である、フォトニック結晶。
【請求項２】
前記マクロ誘電体媒質のユニットが前記相変化材料を含む、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項３】
前記複数の構造状態の少なくとも２つが前記フォトニック結晶中に存在する、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項４】
前記非晶質状態および前記結晶質状態の屈折率が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも２５％異なる、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項５】
前記非晶質状態および前記結晶質状態の屈折率が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも５０％異なる、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項６】
前記非晶質状態および前記結晶質状態の減衰係数が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも２０％異なる、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項７】
前記非晶質状態および前記結晶質状態の減衰係数が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも５０％異なる、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項８】
前記非晶質状態および前記結晶質状態の減衰係数に対する屈折率の比が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも２５％異なる、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項９】
前記非晶質状態および前記結晶質状態の減衰係数に対する屈折率の比が、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも５０％異なる、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１０】
前記相変化材料がカルコゲンを含む、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１１】
前記カルコゲンがＴｅである、請求項１０に記載のフォトニック結晶。
【請求項１２】
前記相変化材料がさらにＧｅ、Ｓｂ、またはＣｄを含む、請求項１１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１３】
前記相変化材料がＡｇおよびＩｎを含む、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１４】
前記相変化材料がさらにＳｂまたはＴｅを含む、請求項１３に記載のフォトニック結晶。
【請求項１５】
前記相変化材料がさらにＳｉＯ２を含む、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１６】
前記マクロ誘電体媒質のユニットが空気から成る、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１７】
前記マクロ誘電体媒質がサイズ、形状、および光学定数に関して実質的に均一である、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項１８】
前記均一なユニットの１つまたは複数が１つまたは複数の欠陥ユニットを形成するように変性され、前記欠陥ユニットが前記均一ユニットとはサイズ、形状、または光学定数が異なる、請求項１７に記載のフォトニック結晶。
【請求項１９】
前記１つまたは複数の欠陥ユニットが、前記フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ中に１つまたは複数のフォトニック状態を与える、請求項１８に記載のフォトニック結晶。
【請求項２０】
前記フォトニック結晶が二次元である、請求項１に記載のフォトニック結晶。
【請求項２１】
前記マクロ誘電体媒質のユニットがロッドである、請求項２０に記載のフォトニック結晶。
【請求項２２】
前記ロッドが正方格子または三角格子状に周期的に配列されている、請求項２１に記載のフォトニック結晶。
【請求項２３】
前記ロッドが非円形断面を有する、請求項２１に記載のフォトニック結晶。
【請求項２４】
前記ロッドが前記相変化材料を含む、請求項２１に記載のフォトニック結晶。
【請求項２５】
前記相変化材料が、前記ロッドのキャップ層、内部層、またはコート層を形成する、請求項２４に記載のフォトニック結晶。
【請求項２６】
バス導波路と、
請求項１９に記載のフォトニック結晶を含む共振器であって、前記１つまたは複数の欠陥フォトニック状態により決定される共振周波数を有する、１つまたは複数の共振モードを有する共振器と、
前記バス導波路に平行なドロップ導波路と、を備え、
前記共振器が前記バス導波路および前記ドロップ導波路に結合されている、フォトニックデバイス。
【請求項２７】
電磁放射線の１つまたは複数の周波数を含む入力データストリームが前記バス導波路に与えられ、前記１つまたは複数の入力周波数が前記共振器の前記共振周波数の１つに対応する入力共振周波数を含み、前記入力共振周波数が前記共振器によって前記バス導波路から前記ドロップ導波路へと転送される、請求項２６に記載のフォトニックデバイス。
【請求項２８】
さらに前記相変化材料にエネルギーを付与する手段を備え、前記エネルギーを付与する手段が前記相変化材料の構造状態を変化させるのに十分な量のエネルギーを付与する、請求項２７に記載のフォトニックデバイス。
【請求項２９】
前記構造状態の変化が、前記共振周波数の１つまたは複数の周波数を変化させる、請求項２８に記載のフォトニックデバイス。
【請求項３０】
前記構造状態の変化が、前記転送を変調する、請求項２８に記載のフォトニックデバイス。
【請求項３１】
前記構造状態の変化が、前記転送をスイッチングする、請求項２８に記載のフォトニックデバイス。
【請求項３２】
請求項１に記載のフォトニック結晶を含む電磁放射線周波数反射器であって、前記フォトニック結晶が低周波数エッジおよび高周波数エッジを有するフォトニックバンドギャップを有し、前記反射器が前記低周波数エッジと前記高周波数エッジの間の周波数を有する入射光を反射する、電磁放射線周波数反射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特性を可逆的にチューニングまたはスイッチング可能なフォトニック結晶、ならびにこのような結晶を組み込んだ電磁放射線の伝播を制御するためのデバイスに関する。より詳細には、本発明は、２つ以上の構造状態間で変換可能であり、それによって電磁放射線の伝播および変調の可逆的な可変制御を可能とするフォトニック結晶に関する。さらに詳細には、本発明は、性能を動的にチューニング可能なフォトニック結晶、電磁放射線共振器、周波数選択フィルタ、および光学変調器に関する。
【０００２】
背景技術
現代のコンピュータおよび電子デバイスにおける半導体の役割を軽視するわけにはいかない。半導体材料により、一連のデバイスおよび技術を可能とするトランジスタ、ダイオード、ＬＥＤ、レーザー、メモリ、太陽電池、およびセンサ等の基本コンポーネントが実現される。情報産業に関連する多大な経済的影響の大半が、半導体材料とずば抜けて重要な材料であるシリコンを用いた加工における開発および進歩に起因している。研究者や企業が新たな用途の新たな材料と新たな加工技術を発見し続けることにより、このような進歩は今日も続いている。現在の活動の例には、遠紫外線およびＸ線リソグラフィなどのデバイスや形状の小型化手法だけでなく、ＧａＮなどの青色レーザーおよびエミッタ、ならびに関連材料が含まれる。
【０００３】
半導体により得られるデバイス性能はその特異な電子特性のもたらす結果である。半導体の重要な特徴は、価電子帯および伝導帯の電子状態間における電子バンドギャップの存在である。電子バンドギャップは、価電子帯のエッジから伝導帯のエッジへと延在するエネルギー範囲を表し、真性半導体ではここに電子状態が存在しない。バンドギャップの存在により半導体内を通過する電子の流れを実質的に制御することが可能となる。半導体の組成にドーパントを含めることによって、さらに伝導率の制御が可能となる。ドーパントは半導体格子の規則的な周期性を妨げる欠陥の例であり、それによって電子状態およびキャリアを電子バンドギャップに導入するメカニズムがもたらされる。他の欠陥には、空孔および格子間原子等の不純物や構造上の不規則性が含まれる。欠陥に関連する電子状態は、典型的に半導体と結び付けられるｎおよびｐ型の導電性をもたらす。欠陥の性質（例えば、ドーパントまたは格子間原子の化学的同一性、構造的不規則性の特定の形状など）により、価電子帯または伝導帯エッジに対する欠陥電子状態のエネルギーが決まる。欠陥の集中により、バンドギャップ中の欠陥電子状態の数とその状態を占める電子の数が決まる。欠陥はエネルギー的に密接した占有および非占有電子状態をそれぞれ価電子帯および伝導帯エッジに与えることができるので、伝導性および半導体内の電流の流れの制御において非常に大きな柔軟性をもたらすことになる。この柔軟性が、電子の流れを制御するために半導体により得られる極めて大きい許容範囲の中核をなしており、コンピュータおよび他の電子機器に関連する重要な効果のほとんど全てを担っている。要するに、半導体は、電子バンドギャップ、電子状態および電荷キャリアの数密度、電子状態のエネルギー、ドーピングの方針、欠陥、および化学組成の制御によって、電子の流れを正確に制御かつ方向付けることを可能とする。
【０００４】
近年、半導体が電子の伝播を制御するのとほぼ同様の方法により光の伝播を制御することができる材料の開発に注目が集まっている。過去１０年にわたり、この目標に向かって大きな進歩が見られ、新たなフォトニック結晶の分野が浮上してきた。フォトニック結晶は、結晶中を伝播できない電磁波周波数の範囲を画定するフォトニックバンドギャップを所有するという意味で「光用半導体」として機能する。最も基本的な意味では、電子の伝播を制御する半導体の能力は、半導体を構成する原子の周期的格子配列に起因する。最終的には、原子の正確な配列およびスペーシングが半導体のバンド構造および電子状態を決定づける。周期性もフォトニック結晶の主要概念である。しかしながら、原子の代わりに、フォトニック結晶の周期的な基礎ユニットはマクロ誘電体媒質である。フォトニック結晶の例は、スラブの薄い寸法に沿って並んだ小孔の周期的配列を含む平らな誘電体スラブからなる材料である。このような材料は空気からなるロッドの周期的配列と見なされ、空気をマクロ誘電体媒質とするフォトニック結晶に相当する。
【０００５】
ロッドの周期的パターンや周期的マクロ誘電体媒質とその周囲との屈折率比の厳密な細部が結晶の特性に影響を与える。先の例において、平らな誘電体スラブは高い屈折率を有するが、空孔は低い屈折率を有する。フォトニック結晶の屈折率比は光子の伝播に関して電子の動きに関する半導体の機能における原子の電子ポテンシャルと同じように機能する。ロッド等のマクロ誘電体媒質の周期的な格子配列が、半導体における原子の格子周期性に関連する電子特性の多くに対応する光子的な類似特性をもたらす。これらの類似特性のうち最も重要なものは、フォトニックバンドギャップである。フォトニックバンドギャップ内でエネルギーを有し、フォトニックバンドギャップにより定められた方向に伝播する光は、ブロックされてフォトニック結晶中を伝播できない。エネルギーを有し、フォトニックバンドギャップ内での伝播方向を有する外部光をフォトニック結晶に入射させると、結晶中を伝播することができない。代わりに、完全に反射される。一方、エネルギーまたはフォトニックバンドギャップ外での伝播方向を有する光は、自由に結晶中を（もちろん通常の吸収および反射過程を経て）通過する。
【０００６】
フォトニック結晶は、周囲の媒質との適当な屈折率比を実現できるという条件で、広く各種のマクロ誘電体媒質から形成することができる。一例として、上記例の孔またはロッドの組成は空気に限定されない。周囲の平らな誘電体スラブに対して十分に大きい屈折率比を呈する他の材料をロッドの形成に用いることができる。空孔の周期的格子は、例えば、平らな誘電体スラブに穴を開けて、続いて別の材料を充填することによってフォトニック結晶を形成する。ロッド材料は、スラブ材料よりも高いまたは低い屈折率を有してもよい。別の例として、周囲の媒質としての空気中のシリコンなどのマクロ誘電体媒質からなるロッドの周期的アレイがフォトニック結晶である。
【０００７】
重要な材料設計の検討には、誘電体および周囲材料の屈折率だけでなく、多量の周囲材料内のマクロ誘電体媒質のサイズ、スペーシング、および配列が含まれる。マクロ誘電体媒質の周期性は一次、二次、または三次元に拡張することができる。これらの検討が、フォトニックバンドギャップの大きさ、光の周波数範囲、またはフォトニックバンドギャップ内に収まる他の電磁エネルギー（例えば、赤外線、マイクロ波など）、ならびにフォトニックバンドギャップがフル（この場合、フォトニックバンドギャップ効果は入射光の伝播方向に関わらず認められる）かパーシャル（この場合、フォトニックバンドギャップ効果は全てではないがいくつかの入射光の伝播方向に認められる）かに影響を与える。他の実際的な検討は、製造可能性、コスト、ロッドの周期的アレイの作製可能性にも関連する。
【０００８】
半導体のドーピングまたは欠陥に類似する効果がフォトニック結晶においても実現されうる。半導体におけるドーパントまたは欠陥特有の結果が、半導体を構成する原子の格子の周期性の崩壊または妨害である。ドーパントまたは欠陥に関連する電子状態は、半導体格子に与えられる周期性の局所的な阻害の直接の結果である。フォトニック結晶は、ドーパントおよび欠陥を生じさせるのと類似の方法で同様に混乱されうる。フォトニック結晶の周期性は、周囲の媒質（例えば、誘電体スラブ）内のマクロ誘電体媒質（例えば、ロッド）の規則的かつ秩序立った配列の結果である。マクロ誘電体媒質の配列を妨害する効果は、周期性を壊し、フォトニックバンドギャップ内でフォトニック状態を作り出すのに用いることができる。周囲の誘電体スラブ中のロッドアレイを乱すのに取りうる方法には、例えば、１つまたは複数のロッドのサイズ、位置、光学定数、化学組成を変更することか、２つ以上の材料からロッドを形成することがある。フォトニックバンドギャップ内にフォトニック状態を作り出すことができることで、反射され、方向を変えられ、局所化され、または他の方法でフォトニック結晶から影響を受ける、入射光の周波数および方向の制御にさらなる柔軟性が与えられる。
【０００９】
フォトニック結晶が次世代情報、光学および通信システムの基礎となることが広く期待されている。多くの人々が、フォトニック結晶によりもたらされる光の伝播制御の潜在能力が電子の伝播を制御する半導体の能力を超え、ますます複雑になる方法で光の伝播を選択的に阻止、方向付け、局所化することが可能なフォトニック結晶に基づいて、同等に大きな経済的利益が新たな技術および産業として生じると考えている。フォトニック結晶が影響を与えると推測される技術領域は、その範囲および種類において増え続けている。推測される用途には、非常に狭い波長域で発光するかまたはナノレベルのＬＥＤおよびレーザー、方向選択性反射器、狭波長域光学フィルタ、光をチャネリングする微小空洞、着色顔料、高容量光ファイバ、フォトニック結晶および半導体を組み合わせて新たな機能性を持たせた集積光子電子回路、光閉じ込めデバイス、光学スイッチ、変調器、および微小導波路が含まれる。
【００１０】
フォトニック結晶の分野が発展するにつれて、新たなフォトニックバンドギャップ材料の必要性が高まっている。フォトニック結晶の柔軟性および用途範囲を広げるために非常に必要とされる特徴は、フォトニック結晶の特性を調整する能力であり、これによって、その性能が程度または種類においてチューニングされ、あるいは必要に応じて可逆的にスイッチオンオフされる。波長選択性フィルタにおいては、例えば、特定のフォトニック結晶は広帯域入力内から特定の波長の光を選択する能力を有し、優先的にその光を透過または反射することができる。このような用途においては、特定の状況の要求に応じて、異なる波長を選択する能力を有するように、フォトニック結晶の性能を変更することが望ましい。ある状況では、例えば緑の波長を選択し、別の状況では赤の波長を選択することが望ましい。第２の例として、電磁放射線共振器が２個の導波路に結合されているとき、一方の導波路から他方へと周波数選択的に電磁放射線の転送または経路指定が可能であればよい。このような用途では、光の伝播を大きく制御せよという命令に応じて経路指定を行うのが望ましい。従って、性能が直ちにチューニングされ、あるいは効果が可逆的にスイッチオンまたはオフされる、電磁放射線の伝播を制御するフォトニック結晶およびデバイスのような材料を有するのが望ましい。
【００１１】
発明の概要
本発明は、特性を可逆的にチューニングまたはスイッチングすることができるフォトニック結晶と、このような結晶が組み込まれた電磁放射線の伝播を制御するためのデバイスを提供するものである。このフォトニック結晶は、可逆的に２つ以上の構造状態間で変態可能な相変化材料を含む。
【００１２】
詳細な説明
本発明は、電磁放射線の伝播だけでなく特性を可逆的にチューニングまたはスイッチングすることができるフォトニック結晶と、これらの結晶を活用するルーティングデバイスを提供するものである。フォトニック結晶は周囲の媒質内のマクロ誘電体媒質を含むユニットのアセンブリと見なすことができる。フォトニック結晶の特性はマクロ誘電体媒質とその周囲物質との誘電率または屈折率比と、フォトニック結晶を形成するのに組み立てられる１つまたは複数のマクロ誘電体媒質のユニットのサイズおよび形状と、これらユニットの周囲媒質内の格子配列における配置および次元と、格子内の欠陥の存在および特性によって決まる。
【００１３】
格子欠陥の特性と同様に、マクロ誘電体媒質のユニットのサイズ、形状、格子配列、屈折率、および化学組成等の変数もフォトニック結晶の形成または作製時に固定されるため、フォトニック結晶の特性は、一旦フォトニック結晶が形成されると変更するのが難しい。フォトニック結晶の変更に関連する困難を説明するために、周囲媒質である空気中のマクロ誘電体媒質の円筒ロッドの周期的アレイからなる二次元フォトニック結晶を考える。この円筒ロッドは均一なサイズおよび組成を有する。このようなフォトニック結晶では、アレイ中の１つのロッドの径を変更することによって欠陥を作り出すことができる。結晶が例えば共振器または微小空洞として用いられる場合は、アレイ中のそのままのロッドに対する欠陥ロッドの径は、微小空洞によってサポートされた１つまたは複数の共振モードの周波数に影響する。原理上は、共振モードの周波数は欠陥ロッドの径を調整することによりチューニングが可能である。しかしながら、実際のところ、その径を変更するためには、他のロッドに影響を及ぼすことなく正確な方法で欠陥ロッドに材料を添加またはそこから除去しなくてなならないので、このようなチューニングを実施することは困難である。同様に、フォトニック結晶の特性をチューニングするために、欠陥ロッドを完全に除去するか、あるいは周囲のロッドと異なる化学組成または屈折率を有するロッドと交換する、あるいは１つまたは複数の周囲ロッドの特性を選択的に変更することは困難である。これらならびに関連するマクロ誘電体媒質ユニットの構造の操作および／または特徴の構成ならびに配列は、法外に高くつくため実現不可能であり、結果として実際にチューニング可能かつスイッチング可能なフォトニック結晶は当該技術では大きく不足している。
【００１４】
本発明は、フォトニック結晶およびデバイスにおいてチューニング可能性およびスイッチング可能性を達成するためのより簡便な方策を提供するものである。ここで用いられるように、チューニング可能性はフォトニック結晶の性能をその波長選択性または電磁放射線の伝播に対する影響の有効度に関して調整することを指す。チューニング可能性は、例えば、結晶の性能を特定の波長に関して変更可能であることだけでなく、フォトニック結晶の性能を１つまたは複数の周波数に関して他の周波数に対して変更可能であることを含む。前者の能力は、以下で変調または変調効果と呼ぶことがある。
【００１５】
ここで用いられるように、スイッチングはフォトニック結晶の性能をＯＮ／ＯＦＦ操作の意味で有効または無効にすることを指す。ＯＮ状態では、フォトニック結晶効果は、当該電磁放射線の特定の周波数に関して少なくともある程度までは明らかになる。故に、ＯＮ状態の間は、物質のフォトニック結晶質状態に固有の効果のいずれかにしたがって、フォトニック結晶が特定波長の電磁放射線の伝播に影響を与える。フォトニック結晶状態に固有の効果は当該技術では知られており、例えば、ジェイ・ディー・ジョアノプロス（J. D. Joannopoulos）、アール・ディー・ミード（R. D. Meade）、およびジェイ・エヌ・ウィン（J. N. Winn）による「フォトニック結晶（Photonic Crystals）」（プリンストン大学出版（Princeton University Press）、１９５５）、イー・ヤブラノビッチ（E. Yablanovitch）による「フォトニック結晶（Photonic Crystals）」（ジャーナル・オブ・モダン・オプティクス（Journal of Modern Optics）  ｖｏｌ．４１，ｐ．１７３（１９９４）），エス−エイチ・ファン（S-H. Fan）による「フォトニック結晶におけるチャネルドロップフィルタ（Channel drop filters in photonic crystals）」（オプティクス・エクスプレス（Optics Express）  ｖｏｌ．３，ｐ．４（１９９８））、ならびにエス・ジョーン（S. John）およびケイ・ブッシュ（K. Busch）による「フォトニック結晶バンドギャップ形成およびある自己最適化システムのチューニング可能性（Photonic band gap formation and tunability of certain self organizing systems）」（ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー（Journal of Lightwave Technology）  ｖｏｌ．１７，ｐ．１９３１（１９９９））に述べられている。ＯＦＦ状態では、フォトニック結晶効果が当該電磁放射線の特定の周波数に関して明らかにならない。ＯＦＦ状態のフォトニック結晶が、フォトニック結晶状態に固有の効果にしたがって光の伝播に影響を与える
ことはないが、反射、屈折などの通常の光学的効果にしたがって光の伝播に影響を与えることはありうる。ＯＮ／ＯＦＦスイッチングは、フォトニック結晶状態に固有の効果を有効および無効にすることを指す。特に明記しない限り、ここでは、光などの伝播に影響を与えることへの言及は、フォトニック結晶状態に固有の効果の明示を指す。ここで用いられるように、伝播という用語は、空間内である位置から別の位置へと移動する際の１つまたは複数の光の周波数の状態、強度および／または光路を広く指す。伝播は、例えば、経路指定の概念を包含し、それは光の動きの方向制御と見なされる。
【００１６】
相変化材料を含むフォトニック結晶およびそれを組み込んだデバイスがここに開示される。相変化材料はエネルギーを加えることによって構造の変形を示す材料である。当該技術では、相変化材料の多くの特性および組成が知られており、また例えば、本出願人の米国特許第３，２７１，５９１号、第３，５３０，４４１号、第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，１６６，７５８号、第５，２９６，７１６号、第５，５３４，７１１号、第５，５３６，９４７号、第５，５９６，５２２号、第５，８２５，０４６号、第５，６８７，１１２号、第５，９１２，１０４号、第５，９１２，８３９号、第５，９３５，６７２号、第６，０１１，７５７号、および第６，１４１，２４１号、また本出願人の米国特許出願第１０／０２６３９５号で以前に議論されており、これらの開示は参考として本願に援用される。これらの特性および組成のうち本願のフォトニック結晶およびデバイスに関連するものについては、下記の数段落で簡単に触れている。
【００１７】
本発明で意図されている相変化材料の特性は、結晶質、部分的結晶質、および非晶質構造状態間で可逆的に変態可能なことである。多量の相変化材料は、純粋に非晶質の状態から純粋に結晶質の状態まで延在し、部分的な結晶質を有する複数の中間状態を含む一連の構造状態を有し、非晶質領域とともに結晶質領域を含んでいる。相変化材料の構造状態は、小数またはパーセント結晶度によって特徴付けられる。完全に非晶質の状態が０％結晶度に相当し、完全に結晶質の状態（単一結晶および多結晶の実施形態を含む）が１００％の結晶度に相当する。部分的結晶構造状態は、非晶質および結晶質の境界間に小数結晶度を有する。小数結晶度は相変化材料内の結晶質領域の相対存在量の尺度となる。
【００１８】
エネルギーを加えることによって、その構造状態間で相変化材料の変態が起こる。関連する検討はこれまでに援用された米国特許に詳述されているが、ここで簡単に触れておく。相変化材料は、特徴的な融解および結晶化温度を有し、その構造状態は制御されたエネルギー付与によってこれらの温度に相対して影響を受ける。相変化材料を上記の融解温度より高く熱するのに十分なエネルギー付与とそれに伴う急速冷却によって、非晶質相の形成が促進される。一方、ゆっくり冷却すると、結晶化が可能となり、相変化材料内での結晶質領域の形成によって部分的結晶質または結晶質材料を得ることもできる。相変化材料をその結晶化温度および融解温度間で熱するのに十分な量のエネルギーを加えることによって、非晶質領域の結晶質相への部分的または完全な変態が起こる。
【００１９】
結晶質領域が非晶質領域から形成したか否か、またそれらがどの程度形成したかは、相変化材料に加えたエネルギーおよび／または加えたパワーの量（すなわちエネルギー付加のレート）に依存する。相変化材料中で成長または減少を通して結晶質領域の形成を引き起こす、あるいは既存の結晶質領域を変形するのに必要なエネルギーおよび／またはパワーの量は、相変化材料の化学組成、相変化材料の初期状態、ならびに核生成および成長プロセスの動力学および熱力学などの要因に依存する。
【００２０】
エネルギーは、多量の相変化材料のうちの選択された部分に加えてもよく、こうして相変化材料の周辺部分を乱すことなく局所的な構造変態を起こすことができる。このような局所的な構造変態は、多量の相変化材料のうち小数結晶度を変更するために用いてもよい。構造状態間の安定化および変態はこのように、結晶化プロセスの動力学および熱力学、相変化材料内のエネルギーの分布及び流れ（例えば、損失、拡散、伝導）、ならびに付与エネルギーの強度、期間、および空間分布を含む要因に影響を受けることが分かる。
【００２１】
構造状態間の変態は、相変化材料またはその部分への適切な量かつ適切なレートでのエネルギー付与によりもたらされる。様々な形式のエネルギーが構造状態間の変態をもたらすために用いられてよい。エネルギーは、単一のエネルギー源または複数のエネルギー源を用いた、電磁放射線（赤外線、光学、レーザーおよびマイクロ波線源を含む）、電気エネルギー、熱エネルギー、化学エネルギー、磁気エネルギー、力学的エネルギー、粒子線エネルギー、音響エネルギー、またはこれらの組み合わせの形をとってもよい。電気エネルギーの供給は、例えば、電流または電圧の形をとってもよく、連続または高さおよび幅を制御可能なパルスの形をとってもよい。光学エネルギーは、制御された波長、線型、エネルギーおよび／またはパワーを有するパルスまたは連続レーザービームの形をとってもよい。ダイオードレーザーが本発明で用いるのに適した光学エネルギー源の一例である。光学源は、構造状態間の変態をもたらすのに必要なエネルギーまたはパワーを与えるために相変化物質との物理的な接続を必要としないので、簡便である。
【００２２】
本願に参考として援用された米国特許第３，２７１，５９１号、第３，５３０，４４１号、第５，１６６，７５８号、第５，２９６，７１６号、第５，５３４，７１１号、第５，５３６，９４７号、第５，５９６，５２２号、第５，８２５，０４６号、第５，６８７，１１２号、第５，９１２，８３９号、および第６，１４１，２４１号は、多量の相変化物質内で起こりうる構造状態間の変態の例について述べている。これらの特許文献における議論の多くは、電気エネルギーの形で加えられるエネルギー（例えば、様々な振幅および時間の電圧または電流パルス）を考慮しているが、適切な量かつ適切なレートで与えられる際の他の形のエネルギーも同様の構造変態を引き起こすものと期待される。
【００２３】
本願に参考として援用された米国特許第３，２７１，５９１号、第３，５３０，４４１号、第５，１６６，７５８号、第５，２９６，７１６号、第５，５３４，７１１号、第５，５３６，９４７号、第５，５９６，５２２号、第５，８２５，０４６号、第５，６８７，１１２号、第５，９１２，８３９号、および第６，１４１，２４１号に述べられた構造変態は、図１を参照して簡便に説明されている。図１は、選択された相変化材料の構造状態（記号で示されている）の電気抵抗の一般的な依存をエネルギーまたはパワーの関数として示している。本発明の目的のために、左側の蓄積領域および右側の可逆領域の２つの挙動の体制が図１に認められる。この２つの体制は、電気抵抗値の急激な低下により区別されている。電気抵抗の急激な低下は、硬化変態と呼ばれることがある。蓄積領域内の構造状態は、実質的に均一な電気抵抗値により特徴づけられ、可逆領域内の構造状態は、幅広いバリエーションの電気抵抗値により特徴づけられる。
【００２４】
図１の蓄積領域は、実質的に同一の電気抵抗値を有する一連の構造状態を説明するものである。蓄積領域内の構造状態は、非晶質、実質的に非晶質、または部分的に結晶質となる。蓄積領域内の構造状態の小数結晶度は、付与されたエネルギーまたはパワーが増加する方向に増加する。よって、小数結晶度が蓄積領域においてエネルギーまたはパワーの増加に応じて増加し、蓄積領域中にエネルギーの効果が蓄積する。小数結晶度の増加は相変化材料における新たな結晶質領域の形成、既存の結晶質領域の成長、またはその組み合わせに起因する。
【００２５】
（１回または複数回のエネルギー付与で）十分な蓄積量のエネルギーが加わると、相変化材料を表す挙動体制が蓄積領域から可逆領域へと変化する。電気抵抗値の急激な低下は、相変化材料の蓄積領域から可逆領域への変換に対応する。最低エネルギーを有する可逆領域における構造状態は、硬化状態である。相変化材料のその蓄積領域からその可逆領域への変換は、「硬化」または相変化材料の「硬化」と呼ばれる。
【００２６】
理論による制約を望むわけではないが、本願発明者らは、低抵抗硬化状態の確立によって挙動の可逆体制へと突入することが、相変化材料を通る連続した結晶質経路の形成の結果であると考える。蓄積領域中のエネルギーの付与に応じて、相変化材料は増加する小数結晶度を有する一連の部分的結晶質状態中を進んでいくと考えられる。本願発明者らによれば、蓄積領域において、相変化材料を通る連続した結晶質経路がない状態で結晶質領域が非晶質相中に分散していると考えられる。非晶質相は結晶質相よりも高い電気抵抗を有するので、連続した結晶質経路がないことによって、蓄積領域で相変化材料について高い電気抵抗が得られる。
【００２７】
本願発明者らによれば、蓄積領域で相変化材料の構造状態にエネルギーを加えると、新たな結晶質領域の形成または既存の結晶質領域の成長により結晶質相の相対量が増加すると考えられる。本願発明者らによれば、連続した結晶質網が形成されなければ、結晶質相の増加量は実質的に相変化材料の電気抵抗に影響を与えないと考えられる。本願発明者らによれば、連続した結晶質網の形成は硬化変態中に発生すると考えられ、硬化変態に伴う電気抵抗の低下は、連続した結晶質相を通る導電性経路を利用できることにより生じると考えられる。本願発明者らによれば、蓄積体制から可逆体制へ挙動の変換と同時に起きるのは、この連続した結晶質経路の形成であると考えられる。結晶質相が非晶質相より低抵抗なので、連続した結晶質網の存在により、より低い電気抵抗が得られる。
【００２８】
可逆領域において、付与エネルギーは結晶質網に影響を与える可能性がある。エネルギーの付加により、相変化材料が加熱され温度が上昇する。相変化材料に十分なエネルギーが加えられると、融解あるいは高い流動状態が生じるか、さもなければ硬化によって形成された結晶質網が熱崩壊する可能性がある。もし融解または高い流動状態の誘導が発生すると、それに引き続く冷却により結晶質領域の異なる量または連結度を有する相変化材料が得られる。融解、高い流動状態の誘導、または結晶質網の熱崩壊によって、低抵抗結晶質相を通る導電性経路が破壊され、それによって可逆領域における相変化材料の電気抵抗上昇につながる可能性がある。融解、高い流動状態の誘導、または結晶質網の熱崩壊は、融解、高い流動状態の誘導、または熱崩壊が可能となる加熱部位またはその近傍に十分なエネルギーを必要とする。熱伝導性、熱容量、周囲への損失等による熱拡散プロセスが、エネルギーを除去するように働き、それによって融解、高い流動状態の誘導、または結晶質網の熱崩壊を抑制するので、熱拡散を補償しつつ、融解、高い流動状態の誘導、または熱崩壊を可能にするためにはエネルギー付加のレートを十分高くしなくてはならない。故に、電気抵抗曲線の可逆領域において、エネルギーまたはパワーのレートが重要な検討材料である。
【００２９】
図１の可逆領域におけるパワーと相変化材料の状態に応じて、電気抵抗の上昇または低下が発生することがあり、この上昇または低下が相変化材料における結晶質網および／または結晶質領域の量の変化を反映している。可逆領域は、可逆領域における相変化材料の挙動が可逆であるためそのように名づけられた。この可逆性は図１の可逆領域に示した２つの矢印によって表されており、本願発明者らによれば、付与されたパワーの相変化材料における結晶質網の性質を変化させる可逆性能力を反映すると考えられている。可逆領域の構造状態は、形成され、可逆領域で他の状態に変換され、パワーの適切な付与により再形成することも可能である。パワーと電気抵抗は可逆領域のそれぞれの点と関連付けることも可能である。付与パワーが、可逆領域において相変化材料の特定の構造状態を表す点に関連付けられたパワーより大きい場合には、相変化材料の電気抵抗が上昇する。逆に、付与パワーが、可逆領域において相変化材料の構造状態を表す点に関連付けられたパワーより小さい場合には、電気抵抗が低下する。本願発明者らによれば、可逆領域における電気抵抗の上昇が、相変化材料の少なくとも一部を通る連続性を破壊することなく、結晶質要素を通る導電性経路の数、大きさ、または容量が減少するような、また逆に、可逆領域の電気抵抗が低下するような方法で、相変化材料の結晶質要素の中断、または再構成を反映すると考えられる。
【００３０】
本願発明者らによれば、電気抵抗の上昇が主として結晶質領域の減少分だけ非晶質領域の形成が増加したことによるものであり、一般的な傾向として、可逆領域の硬化状態から離れるにつれて構造状態の小数結晶度を低下させると考えられる。相変化材料を図１の一番右にするのに十分なパワーを加えると、相変化材料はその挙動の蓄積体制に回復する。本願発明者らによれば、蓄積領域は、相変化材料に与えられたパワーが相変化材料の結晶質領域の連続性を破壊するのに十分であるときに回復すると考えられる。図１に示したグラフは硬化および再硬化の１サイクルに対応している。相変化材料は多数のサイクルにわたって再現可能に硬化および再硬化される。相変化材料の蓄積領域から可逆領域への変換は、このように多数のサイクルにわたって可逆的である。
【００３１】
本願に参考として援用された米国特許第３，２７１，５９１号、第３，５３０，４４１号、第５，１６６，７５８号、第５，２９６，７１６号、第５，５３４，７１１号、第５，５３６，９４７号、第５，５９６，５２２号、第５，８２５，０４６号、第５，６８７，１１２号、第５，９１２，８３９号、および第６，１４１，２４１号は、このように、適切なエネルギーを適切な量かつ適切なレートで付与することにより、相変化材料内の小数結晶度および結晶質領域の空間配置を制御することができることを教示するものである。
【００３２】
本願に参考として援用された米国特許第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，９１２，１０４号、第５，９３５，６７２号、第６，０１１，７５７号、および米国特許出願第１０／０２６３９５号は、光学記録媒体として使用される際の相変化材料の構造状態の例について述べている。これらの文献は概して、相変化材料を実質的に結晶質の状態と実質的に非晶質の状態の間でと、例えば適当な波長、強度、パワー、および線型を有する光学励起源を用いて可逆的に変態可能であることについて述べている。典型的な光学記録用途においては、相変化材料で構成したデータセルがデータを記憶、書き込み、または消去するのに用いられる。消去状態は、通常、実質的に結晶質の状態であり、書き込みは、データセルに対応する量の相変化材料内で非晶質マークを作成するのに十分な量のエネルギーを与えることによって起こる。付与エネルギーのレート、量および空間分布ならびに熱配分の適切な制御により、データセル内に形成された非晶質マークの形状および量を適正に制御することができる。結果として、データセルに関連する量の相変化材料の小数結晶度は直ちにかつ連続的に変更可能となる。
【００３３】
本願に参考として援用された米国特許第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，９１２，１０４号、第５，９３５，６７２号、第６，０１１，７５７号、および米国特許出願第１０／０２６３９５号は、さらに相変化材料の非晶質および結晶質相間の周期的寿命が、相変化材料を層の積み重ねの中に組み込むことによって延ばせることを示している。これらの積み重ねでは、相変化材料が誘電体層（例えば、ＳｉＯ２、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＴｉＯ２）、反射または金属層（例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔｉ）あるいは保護層（例えば、アクリレーツ、ポリマー）などの一連の層の中に埋め込まれている。理論による制約を望むわけではないが、本願発明者らは、非晶質および結晶質相を経る反復周期に際し、隣接する層が相変化材料の劣化を抑制する補助的な機械的支持を与えると考える。
【００３４】
本発明にかかる使用に適した例示的な相変化材料は、元素Ｉｎ、Ａｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏおよびその混合物または合金のうち１種類または複数種類を、好ましくは共晶組成で含むものである。好適な実施形態では、相変化材料がカルコゲン元素を含む。最も好適な実施形態では、相変化材料が、カルコゲン元素としてＴｅを含む。また、好ましいのは、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、Ｇｅ４ＳｂＴｅ５、Ｓｂ２Ｔｅ３などのＧｅおよび／またはＳｂの組み合わせおよび関連する材料でカルコゲン元素を含む相変化材料である。ＧｅＴｅのみまたはＣｄＴｅとの固溶体が別の好適な実施形態を構成する。他の好適な実施形態では、相変化材料がＡｇおよび／またはＩｎを、特にＳｂおよび／またはＴｅとの組み合わせで含む。ＡＩＳＴなどのＡｇＩｎＳｂＴｅ族内の共晶組成は別の最も好適な実施形態である。他の好適な実施形態では、相変化材料がカルコゲンならびにＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの遷移金属またはその混合物および合金を含む。本発明にかかる使用に適した相変化材料のいくつかの例は、本願に参考として援用された米国特許に提供されている。また、本発明に関連して適当な材料は、誘電体材料と相変化材料の混合物を含みうる。このような混合物の例は、同一出願人による米国特許第６，０８７，６７４号に述べられており、その開示は本願に参考として援用される。
【００３５】
理論による制約を望むわけではないが、本願発明者らは、非晶質相から結晶質相への変態に際して結合混成の変化を示す相変化材料が本発明には最も適していると考える。ある位相のある混成体制から別の相の異なる混成体制へのｄ−軌道の関与およびｄ−軌道の変態は、本発明に関連して特に有益であると考えられる。本発明の非晶質状態から結晶質状態への相変化材料の変態に伴う光学定数の大きな変化は、異なる混成体制により反映される結合構造が変化したことによると考えられる。
【００３６】
多量の相変化材料内の結晶質領域の小数結晶度および／または空間分布または接続性の差異により相変化材料の光学特性の可変性が得られるので、構造状態間の変態がフォトニック結晶に関連して利用される場合に有益である。ここで、図２は、多結晶質および非晶質形状の相変化材料Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の光学定数ｎ（屈折率）、ｋ（減衰係数）およびε（誘電率（イプシロン、ｅｐｓと省略））の比較を示す。光学定数の値が、電磁波スペクトルの紫外、可視、近赤外部の周波数について電磁放射線の波長の関数としてプロットされている。
【００３７】
屈折率の変動は、多結晶質および非晶質相間のコントラスト（比率の例として表される）が、７００ｎｍ近傍の波長では低く、それよりも長および短波長においては高くなっていることを示している。コントラストは１０００ｎｍより長波長または６００ｎｍより短波長で特に高く、１４００ｎｍより長波長または４００ｎｍより短波長で最も著しく高くなる。多結晶質および非晶質相の減衰係数は、３００ｎｍより短波長で類似しており、より長波長では偏位している。減衰係数のコントラストは約１２００ｎｍ（非晶質相の減衰係数がゼロに近い）より上の波長で特に顕著である。所与の電磁放射線の波長で減衰係数が吸収係数に比例するので、図２のデータは、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の多結晶質相が約４００ｎｍより長波長において非晶質相より吸収性が高いことを示す。このデータはさらに、非晶質相が約１４００ｎｍより長波長においてほとんどまたは全く吸収を示さず、したがってこれらの波長では高い透過性をもつことを示している。誘電率データは、類似の差異を示し、以下の式によって屈折率および減衰係数と関連付けられる。
【数１】
2005535919.tif 000003
【００３８】
ここで、光学定数の値は共通周波数に対応する。
【００３９】
相変化材料の構造状態間の変態に伴う屈折率、吸収性、誘電率および他の光学特性の変動を、フォトニック結晶性能のチューニング可能性およびスイッチング可能性を達成するのに利用することができる。図２に示されたデータは、ここでは相変化材料の非晶質および多結晶質相間の光学定数の変動およびコントラストを表す。類似の変動が他の化学組成を有する相変化材料でも発生する。部分的結晶質相は多結晶質および非晶質相の定数の間の光学定数を有する。結果として、相変化材料の構造状態の収集によって、一連のフォトニック結晶の性能に関連する光学定数とそのコントラストの値が与えられる。構造状態間の変動を制御することにより、光学定数の変動を制御することができ、それ故に、相変化材料を含むフォトニック結晶の性能が制御される。
【００４０】
以下にさらに詳細に説明するように、相変化材料の構造状態間の変態により生じる屈折率の変動は、相変化材料を含むフォトニック結晶共振器の周波数選択性にチューニング可能性を提供する。好適な実施形態では、相変化材料の非晶質および結晶質相の屈折率がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも１０％異なる。より好適な実施形態では、それらがフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも２５％異なる。最も好適な実施形態では、それらがフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも５０％異なる。
【００４１】
以下にさらに詳細に説明するように、相変化材料の構造状態間の変態により生じる減衰係数の変動が、相変化材料を含むフォトニック結晶共振器に変調およびスイッチング効果をもたらす。好適な実施形態では、相変化材料の非晶質および結晶質相の減衰係数がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも２０％異なる。より好適な実施形態では、それらがフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも５０％異なる。最も好適な実施形態では、それらがフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも７５％異なる。
【００４２】
以下にさらに詳細に説明するように、本発明のフォトニック結晶が電磁波周波数共振器として利用される実施形態では、本発明は、共振器の内部損失制御を提供する。これらの用途では、非晶質および結晶質状態の相変化材料が、屈折率と減衰係数の比に関して異なることが好ましい。好適な実施形態では、屈折率と減衰係数の比の差がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも１０％である。より好適な実施形態では、この差がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも２５％である。最も好適な実施形態では、この差がフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内の１つまたは複数の周波数で少なくとも５０％である。
【００４３】
本発明の実施形態は、相変化材料を含むフォトニック結晶とこのようなフォトニック結晶を含むチューニング可能かつスイッチング可能なデバイスとを含む。上記で示したように、フォトニック結晶が、周囲媒質中のマクロ誘電体材料により構成された１つまたは複数のユニットの周期的配列を含む。各マクロ誘電体ユニットは特定のサイズ、形状、屈折率、減衰係数、誘電率、化学組成等を有し、これらユニットの複数を周期的配列に組み立てることによりフォトニック結晶が得られる。マクロ誘電体ユニットは、平面、ロッド、孔、球を含む。フォトニック結晶内のユニットは同一であるか、あるいは１つまたは複数の特性について異なるユニットの組み合わせが組み立てられるか、他の方法で組み合わせられてフォトニック結晶を形成することができる。一次、二次、または三次元の周期性を有するフォトニック結晶が本発明の範囲に含まれる。また、欠陥のあるフォトニック結晶も本発明の範囲に含まれる。代表的な欠陥には、他のマクロ誘電体ユニットの均一なアセンブリに対して１つまたは複数の特性について異なるマクロ誘電体ユニットがある。マクロ誘電体ユニットの配列、周期性および特性に関連付けられる特定の細部がフォトニックバンドギャップ（幅、形状および中心周波数）およびォトニックバンドギャップ内のフォトニック状態の存在などの特性を支配する。
【００４４】
代表的な例を以下に述べる。
【００４５】
実施例１
本例では、本発明の範囲内の代表的なフォトニック結晶について説明する。ここで、図３は二次元フォトニック結晶を示す。結晶１００は、周囲マクロ誘電体媒質中に配置されたマクロ誘電体材料から成るロッド１０１の周期的配列を含む。好適な実施形態では、周囲マクロ誘電体媒質はＳｉＯ２である。周囲マクロ誘電体媒質としては、空気や他の誘電体材料を用いることもできる。本例のロッドは、図示のように半径ｒと格子間隔ａを有する。本例のフォトニック結晶は、電磁スペクトルにおけるその幅および位置が、ｒ、ａ、ロッドの屈折率、および減衰係数などの因子を変更することによって当該技術で既知の方法で変更可能なフォトニックバンドギャップを保有している。図３の実施形態は、ロッドの６×６正方格子アレイを表している。図３のフォトニック結晶の他の描写は図４に示す。これは結晶の平面図表示である。
【００４６】
本例のロッドは、本発明に従って、全体的または部分的に相変化材料を含むことができる。部分的に相変化材料を含むロッドは、ここで図５に示すように相変化材料をキャップ層１０２、コート層１０３、または内部層１０４として含むことができる。ロッド１０５の残りの部分は、フォトニック結晶効果を与えるように空気との十分な屈折率コントラストを有する１つまたは複数の誘電体材料を含んでもよい。
【００４７】
相変化材料を本例のフォトニック結晶中に組み込む利点は、構造状態の変動によってフォトニックバンドギャップの動的チューニングを可能にすることである。上述のように、エネルギー付与が相変化材料の構造状態間の変態を誘導する。各構造状態は光学定数の異なる組み合わせによって特徴付けられる。異なる構造状態間での屈折率の変化によって、フォトニックバンドギャップのチューニング可能性がもたらされる。構造状態間の変態による任意の屈折率の変動に対して、チューニング可能性の度合いがロッド内に含まれる相変化材料の相対的比率に応じて変動する。ロッド中の相変化材料の体積比が減少するにつれて効果の大きさが減少する相変化材料を全体的に含むロッドに最も大きな効果が生じる。
【００４８】
本例の好適な実施形態では、相変化材料がフォトニックバンドギャップ内の波長の吸収をほとんど、または全く示さない。この好適な実施形態では、少なくともいくつかの偏光（例えば、ＴＥまたはＴＭ）および入射電磁放射線の入射角度に対して、フォトニック結晶がフォトニックバンドギャップ内で完全な、またはほぼ完全な波長の反射をもたらし、これらの波長に対する反射素子として用いることができる。また、少なくともいくつかの偏光および入射角度に対して、任意の電磁放射線の広帯域入力からフォトニックバンドギャップ内の波長を効率的にフィルタ除去する素子として使用することもできる。
【００４９】
ここで、図３及び４に示した本例に関連する実施形態も本発明の範囲内にある。空気中のロッド配列の代わりに、相変化材料を含む周囲誘電体媒質内の孔配列が形成されてもよい。本実施形態では、フォトニックバンドギャップが周囲誘電体媒質に対する屈折コントラストに加えて孔径および間隔によって決定される。周囲誘電体媒質は全体的または部分的に相変化材料を含むことができる。このようなフォトニック結晶は、周囲誘電体媒質に対して相変化材料の構造状態に変態を誘導するに十分な量およびレートのエネルギーを付与することによってチューニング可能性を示す。
【００５０】
別の実施形態は、フォトニック結晶を形成するように組み立てられた周囲誘電体媒質およびマクロ誘電体媒質のユニットの双方に相変化材料が存在するものである。周囲誘電体媒質および周期的に配列されたマクロ誘電体媒質のユニット中の異なる構造状態に存在する相変化材料は、フォトニックバンドギャップ等のフォトニック結晶効果をもたらす光学定数のコントラストを与える。結晶質相の相変化材料を含むロッドは、例えば、非晶質相の相変化材料から成る周囲誘電体媒質に組み込むことができる。
【００５１】
図３及び４の実施形態は、ロッドの正方格子配列を示している。三角形、六角形、または矩形等の他の配列も本発明の範囲内にある。任意の数のロッドを有する周期的格子も本発明の範囲内にある。図３及び４に示された円形断面を有するロッドを含む６×６実施形態は、単なる代表例にすぎない。円形断面を有するロッドは本発明の好適な実施形態であるが、非円形断面のロッドも本発明の範囲内に含まれる。
【００５２】
拡張性は、当該技術で既知のフォトニック結晶の特徴である。格子間隔およびロッドサイズを変更することによって、マイクロ波、赤外、および可視周波数を含む実質的にあらゆる範囲の電磁波周波数にわたってフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を形成することが可能である。
【００５３】
実施例２
本例では、欠陥が実施例１の実施形態に含まれている。二次元結晶の５×５実施形態が本例で考慮される。別の同等なロッドの周期的配列内で１つまたは複数のロッドの１つまたは複数の特性を変更することにより欠陥が作り出される。例えば図６の平面図表示に示されたように、単一ロッドを拡大して欠陥１１０を作り出すことができる。同様に、例えば図７の平面図表示に示されたように、単一ロッドを縮小して欠陥１１１を作り出すことができる。欠陥は、複数のロッドを拡大または縮小することによって、あるいはあるロッドを拡大し、他のロッドを縮小することによって作り出すことができる。他の欠陥を導入する方法には、１つまたは複数のロッドを全体的に除去すること、１つまたは複数のロッドの形状を周囲のロッドに対して変更すること、ならびに周囲のロッドとは全体的または部分的に異なる材料から構成される１つまたは複数のロッドを導入することが含まれる。後者の例では、異なる材料がｎおよびｋなどの異なる光学定数の値を与えるので、フォトニック結晶中の欠陥が構成される。
【００５４】
上述のように、フォトニック結晶中に１つまたは複数の欠陥を含めることにより、フォトニックバンドギャップにおける１つまたは複数の状態が誘導される。欠陥がない場合は、フォトニックバンドギャップ内に含まれる偏光および入射角でフォトニックバンドギャップ内にフォトニック状態が存在しない。欠陥が導入されると、フォトニックバンドギャップ内に状態が与えられ、これらの状態が、その１つまたは複数の欠陥により画定された電磁波周波数で光の伝播に影響を与えるように用いられる。フォトニックバンドギャップ内の欠陥状態の位置によって、欠陥により影響される電磁波周波数が決まる。欠陥がない場合は、これらの周波数はフォトニック結晶により影響を受けない。欠陥状態は、例えば、フォトニックバンドギャップ内に含まれる周波数の範囲内の電磁放射線の特定の周波数を選択、フィルタ、または影響を与えるように用いることができる。
【００５５】
フォトニック結晶欠陥によりフォトニックバンドギャップ内に導入される欠陥状態の数および位置は、欠陥の性質に依存する。フォトニック結晶の欠陥ロッドと周囲ロッドとのサイズ、形状、または屈折率の差は、フォトニックバンドギャップ中の欠陥状態の位置決めおよび／または数に影響する因子に含まれる。図６の実施形態では、例えば、フォトニック結晶における単一ロッドの径の残りのロッドに対するわずかな増加が、フォトニックバンドギャップの高周波エッジよりわずかに低い周波数で二重に縮退した双極子欠陥状態を生じさせる。欠陥ロッド径がさらに増加すると、欠陥状態が、欠陥状態がフォトニックバンドギャップ中ではなくなる点であるフォトニックバンドギャップの低周波エッジに達するまで、フォトニックバンドギャップの深いほう（すなわち、低電磁波周波数の方向）へ移動する。しかしながら、またさらに径が増加すると、四極子、単極子、六極子、および１２極子状態等の他の欠陥状態を導入することにつながる。図７の実施形態では、ロッド径を縮小することによって、フォトニックバンドギャップに単極子欠陥状態を導入することができる。径を少し縮小することによって、欠陥状態がフォトニックバンドギャップ中に局在しなくなる。しかしながら、周囲ロッドに対して最小限に径を縮小することによって、フォトニックバンドギャップの低周波エッジよりわずかに高い周波数で単極子状態がフォトニックバンドギャップ中に現れる。さらに径を縮小すると、単極子状態がフォトニックバンドギャップ内のより高い周波数へと移動する。径を変化させないでロッドの屈折率を変更すると、フォトニック結晶において周囲ロッドから径を異ならせた欠陥について説明したのと同様に欠陥が導入される。多数の欠陥（例えば、多数のロッドの径および／または屈折率を変更すること）によって、フォトニックバンドギャップ内に多数の状態を導入することができる。欠陥は、周囲の誘電体スラブ内で１つまたは複数の孔径を変更することによって同様に形成することができる。
【００５６】
本例の実施形態では、相変化材料が欠陥ロッドに含まれるか、または全体的に欠陥ロッドを構成することができる。周囲ロッドも相変化材料または他の誘電体材料を含むことができる。例えば、相変化材料ではない誘電体材料を含む周囲のロッド格子中に、相変化材料から成る１つまたは複数の欠陥ロッドを有するフォトニック結晶は、本発明の範囲内にある。相変化材料ではない誘電体材料から成る１つまたは複数の欠陥ロッドが全体的または部分的に相変化材料から成る周囲のロッド格子に含まれる逆パターンも、本発明の範囲内にある。
【００５７】
欠陥を有するフォトニック結晶に相変化材料を含めることによって、フォトニックバンドギャップ内の欠陥状態の位置のチューニング可能性または他の特性が与えられる。相変化の構造状態の制御によって得られる屈折率の変化によって、欠陥状態の周波数がチューニングされる。上述のように、相変化材料の構造状態間の変態が可逆的であるので、可逆的かつ動的チューニング可能性が本発明により達成されうる。
【００５８】
実施例３
本例では、内的損失がほとんど、または全くなく、本発明のフォトニック結晶から成る共振器システムが提供される。共振器は、１つまたは複数の周波数を有する電磁放射線をサポート可能なデバイスである。特定の周波数を有する電磁放射線は、チャネルと呼ばれることがある。チャネルをサポートするためには、以下に説明するように、チャネルに関連する周波数が共振器内を伝播し、共振器の共振モードを励起することができなければならない。共振器の好適な用途は、特定のチャネルが選択的にサポートされるものである。このような共振器は、多チャネルから成る電磁放射線の入力ストリームからサポートされる電磁放射線のチャネルを選択的に除去する手段を提供することができる。共振器は、データストリームにサポートされるチャネルを選択的に追加するのに同様に用いることができる。ここで、共振器のサポートされるチャネルは、共振器の共振モードと呼ぶことができる。
【００５９】
フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ中の欠陥状態に関連する周波数が共振器によってサポートされる可能性のあるチャネル（すなわち、共振器の共振モード）に対応するので、欠陥を有するフォトニック結晶は共振器として有用である。例えば、周囲媒質の形状および屈折率と同様に、欠陥の数、サイズ、屈折率、誘電率等を変更することによってフォトニック結晶中の欠陥状態の位置および特性を制御することができるので、フォトニック結晶は、広範囲の周波数にわたって精確に定義された周波数の１つまたは複数のチャネルをサポート可能な共振器を構築するにあたって、多大なる柔軟性を提供する。フォトニック結晶内に相変化材料を含めることによって、その形状および光学特性が当初は特定のチャネルをサポートするように構成されたフォトニック結晶共振器内でサポートされるチャネルのチューニング可能性を提供することができる。
【００６０】
チャネルドロップフィルタは、共振器の用途の一例を表すフォトニックデバイスである。ここで、チャネルドロップフィルタの概略的な描写が図８の２００で与えられている。チャネルドロップフィルタは、バス導波路２０１およびドロップ導波路２０３エバネッセント結合された共振器システム２０２を含んでいる。図８のチャネルドロップフィルタでは、それぞれが特定の周波数を表す１つまたは複数のチャネルから成る電磁放射線の入力ストリームは、バス導波路２０１中に導入またはさもなければ閉じ込められる。図８の例では、周波数ｆ１、ｆ２、およびｆ３を有する３個の入力チャネルが示されている。伝播入力チャネルのエバネッセントフィールドが共振器と重なり合う。共振器によってサポートされたチャネルのエバネッセントフィールドは、サポートされたチャネルを共振器に転送する機構を提供する。任意の転送された振幅が共振器の共振モードの励起（すなわち、サポートされる共振周波数での共振器の励起）として見なされ、バス導波路中を伝播する入力データストリームにおける共振周波数の振幅の相応の低下をもたらす。一旦共振器に導入されると、共振周波数はバス導波路と相互に作用し続け、さらにエバネッセントフィールドを介してドロップ導波路と相互に作用する可能性もある。これらの相互作用がバスおよびドロップ導波路の一方または双方への共振モードの振幅の減衰につながる。
【００６１】
共振モードの減衰により、電磁放射線の入力ストリームに対するチャネルドロップフィルタの最終応答が決まる。４つの減衰プロセスが共振モードに発生する。２つの減衰プロセスは、バスおよびドロップ導波路のそれぞれに起こりうる。入力データストリームの方向への共振周波数の伝播をもたらす減衰と入力データストリームの方向とは逆の方向への共振周波数の伝播につながる減衰である。以下、バス導波路に戻る入力データストリームの方向とは逆の方向への共振モードの減衰を反射と呼ぶ。以下、バス導波路に戻る入力データストリームの方向への共振モードの減衰を透過と呼ぶ。以下、ドロップ導波路への入力データストリームの方向への共振モードの減衰を逆方向ドロップと呼ぶ。以下、ドロップ導波路への入力データストリームの方向とは逆の方向への共振モードの減衰を順方向ドロップと呼ぶ。共振器からの種々の減衰経路が図９に含まれている。
【００６２】
チャネルドロップフィルタでは、共振周波数をバス導波路からドロップ導波路へ最大限に転送するのが好ましい。完全な転送には、共振器から反射減衰経路をなくし、バス導波路中の共振周波数の透過を防ぐ必要がある。ゼロ反射およびゼロ透過を達成するには、チャネルドロップフィルタのシステムコンポーネント、すなわちバス導波路、共振器、およびドロップ導波路の構成によって特定の対称用件を満たさねばならない。最も重要なことには、システム構成が導波路中の光の伝播に対して法線方向に鏡面対称性を保有しなければならない。鏡面対称性の存在によって、共振器の共振モードに対する電磁場強度についてパリティを与えられる。電磁場強度は正または負であり、共振器内で共振モードが正の強度、負の強度、または正負強度の両方を有する可能性がある。強度のパリティは、鏡面に関する空間強度分布の対称性を指す。奇パリティモードは、負強度の領域に対して鏡面に関して対称的に配置された正強度の領域を有し、偶パリティモードは、正（負）強度の領域に対して鏡面に関して対称的に配置された正（負）強度の領域を有する。偶パリティモードは、正または負強度いずれかの領域のみから成る必要はないが、正負強度の両方の領域が発生した場合に、それぞれの正領域が別の正領域に対して鏡面に関して対称的に配置され、それぞれの負領域が別の負領域に対して鏡面に関して対称的に配置されている。
【００６３】
適当な条件の下では、偶および奇パリティモードが互いに破壊的に干渉（反射の場合）、または入力チャネルと干渉（透過の場合）して共振周波数の反射および透過の可能性をなくすので、ゼロ反射およびゼロ透過を達成するには、偶および奇パリティ共振モードの存在が必要である。任意の入力チャネルは、ｋを伝播を表す波動ベクトルとし、ｘが伝播の方向を表すとして伝播関数ｅｘｐ（ｉｋｘ）で表すことができる。伝播関数は、その偶および奇パリティ要素でｅｘｐ（ｉｋｘ）＝ｃｏｓ（ｋｘ）＋ｉｓｉｎ（ｋｘ）によって等価に表すことができる。ｃｏｓ（ｋｘ）が偶パリティ関数なので、偶パリティを有する共振モードとのみ結合される（すなわち、のみを励起することができる）。同様に、ｓｉｎ（ｋｘ）が奇関数なので、奇パリティを有する共振モードとのみ結合される。伝播関数の偶および奇パリティ要素が共振器の等しい強度と結合される場合、共振器内で偶および奇パリティ共振モードは等しい程度まで励起され、共振器の減衰が等しい振幅を有する偶および奇パリティ共振モードの減衰を引き起こす。偶および奇パリティ要素の周波数が実質的に同じであり、偶および奇パリティ共振モードの減衰速度が実質的に同じであるとすると、減衰する偶および奇パリティ要素が破壊的に干渉して相殺するため有効反射は発生しない。共振モードの減衰速度は、モード強度が共振器から離れる速度の基準となる。通常、Ｑ（品質）因子は共振器からの共振モードの減衰を定量化するのに用いられる。
【００６４】
減衰する共振モードからの寄与に加えて、透過コンポーネントが共振周波数の共振器との不完全な結合からの寄与をさらに含む。共振入力チャネルの偶および奇パリティ要素が共振器と同等に結合したとしても、必ずしも全ての強度が共振器の完全に転送されるとは限らない。あらゆる非転送強度がバス導波路に沿って伝播し続ける。共振入力チャネルの透過を防ぐには、あらゆる伝播する非転送強度を相殺する必要がある。この相殺は、透過の方向で減衰する共振モードの寄与を非転送強度の寄与と重ね合わせることによって起こる。
【００６５】
前述の検討から明らかなように、入力ストリームの伝播の方向と直交する方向の対称の鏡面の存在が、チャネルドロップフィルタをバス導波路、共振器およびドロップ導波路の組み合わせから構成する場合の重要な検討材料である。バスおよびドロップ導波路を平行に配列することによって、これら２つのコンポーネントについて必要な鏡面対称性が得られる。全体のシステムが鏡面対称性を保有するためには、共振器システムが必要な鏡面対称性を内部に保有している必要がある。サポートされるチャネルは本フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップにおけるフォトニック状態に対応するので、また欠陥がこれらのフォトニック状態の原因であるため、フォトニック結晶内の欠陥の配列および位置決めが中央の鏡面に関して対称となる。
【００６６】
ここで、図１０は本発明に従う平面図のチャネルドロップフィルタの例を提供する。チャネルドロップフィルタ４００がロッド４０２の周期的アセンブリから成るフォトニック結晶４０１を含んでいる。バス導波路４０３およびドロップ導波路４０４は、ロッドの列を取り除くことによってフォトニック結晶中に形成される。共振器４０５はバスおよびドロップ導波路の両方に結合され、共振器の中心ロッドを拡大することによって形成された欠陥４０６を含んでいる。共振器はこれまで実施例２および図６で説明したものと類似しており、対称の中心面に関して対称的に配置されている。ここでは図１０に４０７として概略的に示されている。共振器が単一の欠陥を含むので、チャネルドロップフィルタ全体の鏡対称を維持するにはこの欠陥は必然的に鏡面上に存在しなくてはならない。拡大されたロッドは２つの縮退するモードをサポートすることができる欠陥を表し、鏡面対称性が存在するので、これらのモードは偶及び奇パリティを有する。
【００６７】
作動中、１つまたは複数の電磁放射線が入力データストリームとしてバス導波路に導入される。欠陥４０６によって規定された共振周波数のチャネルは共振器と結合され、それによって偶及び奇パリティを有する共振モードを励起する。続いて共振モードは強度を減衰しドロップ導波路に転送する。図１０の実施形態では、転送が逆方向ドロップ方向に発生する。好適な実施形態では、転送が共振周波数の反射も透過もなしに発生する。これまで述べたように、完全に効率的な転送には、偶及び奇パリティ共振モードが実質的に同じ周波数を有し、実質的に同じ速度で分散する必要がある。導波路の存在とそれぞれの導波路がどのぐらいの強度で共振器に結合しているかについての可能な差は、偶及び奇パリティモードの縮退を取り除き、偶及び奇パリティモードの導波路に対する相対的な結合強度を変化させるように作用する。これらの効果が次に転送効率を妨げるように作用する。
【００６８】
偶及び奇パリティモードの縮退の打破および同等でない減衰速度をもたらす効果がフォトニック結晶格子で欠陥を避けて調整することによって相殺される。選択された格子ロッドのバリエーションにより、共振器の性能を偶及び奇パリティモードに精細にチューニングさせる手段が提供される。ロッド形状、径、または光学定数のバリエーションにより、相対周波数および偶及び奇パリティモードの減衰速度の調整が可能となる。このようなバリエーションは、共振モード周波数を持つ拡大欠陥を形成する原理欠陥４０６上の乱れと見なされ、偶および／または奇パリティ共振モードの周波数および／または減衰速度を予測可能に精細にチューニングさせるために、その上に負わされた１次乱れを持つ欠陥４０６によって０次で確立される減衰速度と見なされる。
【００６９】
乱れを生じさせる原理要件は、鏡面対称性の保存である。対称要件と両立する乱れは図１０のロッド４０８および４０９が普通の格子ロッド４０２の径と欠陥格子ロッド４０６の径の中間の共通径まで拡大されることである。ロッド４０６は欠陥構造全体への原理寄与と見なされ、乱されたロッド４０８および４０９は欠陥構造全体への二次寄与と見なされる。この乱れが、鏡面対称性を維持し、二次欠陥４０８および４０９によって与えられた乱れを持つ原理欠陥４０６によって最初に決定された偶および／または奇パリティ共振モードの周波数および減衰速度を有する拡張された欠陥構造をもたらす。二次欠陥４０８および４０９の径の適切なバリエーションにより、周波数および減衰速度についての継続的な調整能力が与えられ、それによって、選択された電磁波周波数のバス導波路からドロップ導波路への共振器を介した転送効率全体の最適化が可能となる。同様の能力は他の原理欠陥４０６周囲の格子ロッドの対称的な乱れによっても与えられる。例えば、格子ロッド４１０、４１１、４１２、および４１３の径または光学定数の均一な乱れは、図１０の共振器の能力を精細にチューニングするための別の機構を表す。偶および／または奇パリティ共振モードの周波数および／または減衰速度のバリエーションの大きさおよび方向は、二次欠陥ロッドに与えられる乱れの程度によって決定される。従来の電磁方程式を用いた計算は、偶および／または奇パリティ共振モードの周波数および／または減衰速度の特定の変化を得るために必要な乱れの性質を導くために用いることができる。
【００７０】
図１０の実施形態は、偶および奇パリティ共振モードをサポート可能な単一欠陥の例を示している。偶および奇パリティモードをサポート可能な共振器もフォトニック結晶内に２つ以上の欠陥を含めることによって得られる。これまで実施例２で述べたように、例えば、二次元フォトニック結晶においてロッドの径を周囲ロッドに対して小さくすることによって、単一共振モードをサポート可能な単極子欠陥が作り出される。チャネルドロップフィルタの中心鏡面に関して対称的に配置された２つの単極子欠陥を含めることによって、図１１のように、共振器において逆のパリティの２つの共振モードを安定させることが可能である。図１１は、ロッド５０２の周期的アセンブリから成るフォトニック結晶５０１を含むチャネルドロップフィルタ５００を示している。バス導波路５０３およびドロップ導波路５０４は、ロッドの列を取り除くことによってフォトニック結晶中に形成される。共振器５０５はバスおよびドロップ導波路の両方に結合され、格子ロッドのうちの２つの径を同量だけ小さくすることによって形成された欠陥５０６および５０７を含んでいる。共振器の各欠陥は、これまで実施例２および図７で説明したものと類似しており、共振器に対して全体の鏡面対称性を保存するために、欠陥の組み合わせは５０８として概略的に示される対称の中心面に関して対称的に配置されている。鏡面対称性の存在は、共振器が偶及び奇パリティを有する共振モードをサポートすることを意味する。これとは別に、欠陥５０６および５０７のそれぞれが個々に縮退するモードをサポートする。共振器の偶及び奇パリティ共振モードが、本実施形態の２つの欠陥の個々に縮退するモードの偶及び奇パリティ一次結合によって得られる。
【００７１】
作動中、共振器５０５がバス導波路５０３およびドロップ導波路５０４の両方に結合して共振器の共振周波数に対応する電磁波周波数の転送を生じさせ、これが次に欠陥５０６および５０７の位置およびサイズによって確定される。図１１の実施形態では、転送が順方向ドロップ方向に発生する。上述のように、完全に効率的な転送には、偶及び奇パリティ共振モードが実質的に同じ周波数を有し、実質的に同じ速度で分散する必要がある。１つの欠陥で局在化したフィールド強度は他の欠陥でのフィールド強度に影響を与え、別の相互作用が導波路のフィールド強度で発生する。欠陥の互いの、ならびに導波路との相互作用が偶及び奇パリティの共振モードに異なる程度の影響を与え、それによって偶及び奇パリティ共振モードに対する縮退の崩壊および異なる減衰速度がもたらされる。これらの効果は転送効率を妨げるように作用するが、共振器の欠陥５０６および５０７の付近にある選択されたロッドの二次的な調整によって改善することができる。図１０の実施形態のように、鏡面対称性を維持するような隣り合う１つまたは複数のロッドのサイズ、形状、または光学定数の乱れにより、偶および奇パリティ共振モードの周波数および減衰速度を精細にチューニングするための機構が与えられる。例えば、ロッド５０９、５１０、５１１、および５１２の均一な乱れは、共振器の性能を精細にチューニングすることを可能にする。
【００７２】
本発明によれば、相変化材料を含むフォトニック結晶共振器の精細なチューニングは、相変化材料の光学定数をその構造状態間の変態により変更することによって達成される。上述のように、相変化材料への適切なエネルギー付与によって、屈折率および減衰係数などの光学定数の制御されたバリエーションを可能にし、それによって、チャネルドロップフィルタの共振器に精細なチューニング能力を与える。原理または二次欠陥ロッド、乱れる効果を欠陥ロッドに与える隣接ロッド、または周囲の格子ロッドに存在する相変化材料のために、相変化材料の構造変態を介して精細なチューニングを達成することができる。相変化材料の構造状態間で可能な継続的な変態により、継続的なチューニング能力が与えられるので、共振器の精確かつ精細なチューニングが可能となる。対称的に配置された相変化材料を含むロッドで選択的に誘導された構造変態が共振器の鏡面対称性を保存する。
【００７３】
本例のチャネルドロップフィルタによって、１つの導波路から別の導波路への共振電磁波周波数の転送が可能となる。したがって、チャネルドロップフィルタは広帯域入力ストリームから電磁放射線の選択された周波数を抽出するのに有用である。本例の実施形態が共振周波数で電磁放射線を伝播するデータストリームに付加するのに使用することができることを同様に理解されたい。例えば、あるデータストリームがドロップ導波路中を伝播しているならば、バス導波路から転送されたどのチャネルもデータストリームに付加される。
【００７４】
フォトニック結晶中の周囲格子に対して１つまたは複数の欠陥のサイズ、形状、および光学定数を制御することによって、電磁波周波数に対応するフォトニックバンドギャップ状態および共振周波数を広範囲にわたって得ることが可能である。例えば、マイクロ波、赤外、および可視光中の共振周波数が、フォトニック結晶格子の残りの部分に対する欠陥の適切な拡大縮小によって達成可能である。電気通信ウィンドウにおける共振周波数（例えば、１３００〜１６００ｎｍ）は、多くの用途には特に重要であり、本発明で達成可能である。
【００７５】
さらに、本例のチャネルドロップフィルタの導波路部分はフォトニック結晶で構成する必要はないことを理解されたい。チャネル導波路、ファイバ導波路、全反射により機能する導波路等の従来の導波路を、これまでに述べたフォトニック結晶共振器を含む相変化材料と組み合わせて使用してもよい。
【００７６】
実施例４
本例では、実施例３のフォトニックデバイスについて変調及びスイッチング効果を説明する。スイッチングは、１つの導波路から別の導波路への電磁放射線の転送を選択的に有効または無効にすることによって達成される。スイッチングは、共振器のある特性を制御することにより、共振周波数で電磁放射線が転送されるかまたは転送されないＯＮ／ＯＦＦプロセスである。ＯＮ状態で共振器が共振周波数の転送を可能とし、ＯＦＦ状態では共振器が共振周波数の転送を不可能とする。変調は、転送の程度または効率が意図的な方法で影響を受ける減衰効果である。
【００７７】
スイッチングおよび変調効果は、共振電磁波周波数と共振器を構成する材料との相互作用に関連する。電磁放射線の効率的な転送を達成するには、ほぼ全ての共振電磁波周波数がドロップ導波路へ減衰する必要がある。上記実施例３について述べたように、効率的な転送には、偶及び奇パリティ共振モードが本質的に同じ周波数および減衰速度を有する必要がある。これらの条件は、前述のように共振周波数が共振モードを励起可能であれば満足される。共振モードの励起は、共振器が上記実施例３のようにほとんど、または全く内部損失を示さなければ可能である。しかしながら著しい内部損失が、共振器および導波路間の共振相互作用を損ない、共振周波数で電磁放射線を１つの導波路から別の導波路の転送するのを全体的に（スイッチング効果）または部分的に（変調効果）妨げる。
【００７８】
内部損失を示す共振器は有損失共振器と呼ばれる。電磁放射線の完全に効率的な転送には、共振器が無損失でなければならない。無損失共振器では、上述のように共振周波数で電磁放射線が共振器の共振モードを励起可能である。共振モードの励起は、共振器内部に共振周波数で高フィールド振幅の確立と同時に発生する。有損失共振器では、共振が損なわれ、共振モードの励起が発生しない。結果として、共振器内に高フィールド振幅が確立されず、それによって共振器からの減衰する振幅が除去される。機能的な観点からは、上述の反射、透過、逆方向ドロップおよび順方向ドロップ減衰経路はもはや関連がなくなり、共振周波数でバス導波路を伝播する電磁放射線は本質的に共振器の影響を受けない。したがって、高い損失限界においては、共振器の機能は無効とされ、バス導波路中の電磁放射線の転送は実質的に共振器によって妨げられない。低または無損失限界では、共振器は完全に有効であり、共振周波数で最適な電磁放射線の転送が生じる。中間の損失度では、共振周波数で部分的な電磁放射線の転送が生じる。
【００７９】
共振器の損失度のチューニング可能な制御により、スイッチングおよび変調効果の基準が与えられる。スイッチングは、共振器の高損失状態および低または無損失状態間の可逆的な変動に際して発生する。変調は、共振器の実質的に連続的な損失度範囲を有する状態間の可逆的な変動に際して発生する。変調は、典型的に共振器の低または無損失および１つまたは複数の状態間の変動、あるいは共振器の高損失および中間の損失度を有する１つまたは複数の状態間の変動を伴う。中間の損失度体制における異なる損失度を有する状態間の変動も、変調効果を得るのに用いることができる。
【００８０】
本発明では、構造状態の制御によって相変化材料の吸収を変更することにより共振器の損失度をチューニングすることができる。吸収は共振器の内部損失の１つのメカニズムを表すものである。共振周波数の強い吸収（すなわち高い吸収係数）を示す共振器は、その周波数に関して高損失となる。共振周波数の低または無損失（すなわちゼロまたは低吸収係数）を示す共振器は、その周波数に関して低または無損失となる。材料の吸収係数は減衰係数に比例する。前述のように、相変化材料の減衰係数は異なる構造状態で異なる。相変化材料の異なる減衰係数を有する構造状態間の変態を誘導することによって、共振器の損失度のチューニング可能な変動が達成される。それによってスイッチングおよび変調は可能になる。
【００８１】
例として、相変化材料Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５について考える。図２は、電磁法ｈ左遷の波長の関数としてＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の減衰係数のグラフを示す。長波長では、非晶質相の減衰係数が非常に低いが、結晶質相の減衰係数はまだ測定可能である。したがって、これらの長波長での非晶質状態のＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５から成る共振器の損失度は、結晶質状態のＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５から成る共振器の損失度よりもかなり低い。損失度の差は共振器に存在する相変化材料の相対量に依存する。共振器中の相変化材料の量が豊富なので、差分の共振器損失度が相変化材料の非晶質および結晶質相間の構造変態に際して増加する。図２に描かれた長波長でＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５から成る非晶質および結晶質相に対する減衰係数の大きな差は、これらの相関の可逆的な変態に際してスイッチング効果をもたらす。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５が非晶質状態になるように構成された共振器は、電磁放射線を効率的に転送する能力を有する無または低損失共振器であり、共振器のＯＮ状態に相当する。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５が結晶質状態になるように構成された共振器は、電磁放射線を効率的に転送する能力を有する高損失共振器であり、共振が損なわれ、それによって電磁放射線の転送が妨害または阻止される。このような共振器は共振器のＯＦＦ状態に相当する。エネルギーを与えることによって可逆的に相変化材料をその非晶質および結晶質状態間で変態させる能力は、こうしてスイッチングの基準を与える。
【００８２】
変調効果は、類似の減衰係数を有する構造状態間で可逆的に変態する際に達成される。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の例では、非晶質状態は、図２にで示された長波長で機能するように設計された共振器に対してＯＮ状態として好適に選択される。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の結晶質状態への変態は共振器をそのＯＦＦ状態へ変換し、上述のスイッチングを実現する。しかしながら、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の部分的結晶質状態への変態は、非晶質相よりも大きいが、結晶質相よりも小さい減衰係数を有する共振器を与える。それによって、共振器の損失度はＯＮ状態に対して増加するが、スイッチング効果をもたらすに十分なほどの増加とはならない。むしろ、共振周波数で電磁放射線の転送が全体的にというより部分的に除去される。こうして変調効果が達成される。
【００８３】
フォトニック結晶が部分的にのみ相変化材料で構成される共振器の実施形態では、スイッチングよりもむしろ変調も発生する可能性がある。このようなフォトニック結晶では、非相変化材料部分がフォトニック結晶全体の減衰係数を支配し、相変化材料部分が二次的な影響を与えるに過ぎない。結果的に、高い吸収構造状態への変態に応じた相変化材料の減衰係数における大幅な変化は、スイッチングを生じさせるには不十分であるが、変調を生じさせるには十分である。高い吸収構造状態の相変化材料の吸収係数の大きさおよび共振器中の相変化材料の相対量がスイッチングまたは変調のいずれが発生するかを決定する。
【００８４】
上述の議論はＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５を代表的な相変化材料として共振器に含めたが、本発明の範囲内の全ての相変化材料からこれに相当する特性が実現されうることが理解されよう。異なる相変化材料は、電磁放射線の周波数で異なる減衰係数（屈折率）の変動を示し、電磁放射線の異なる部分にスイッチングおよび変調能力をもたらす。前述のスイッチングおよび変調の原理は、本発明の範囲内の全ての共振器実施形態に適用される。二次的な欠陥を含み、単一欠陥、２つの欠陥、または複数の欠陥を有する共振器は、本発明の範囲内に収まる共振器の例である。２つ以上の欠陥を含み２つ以上の共振モードを局在化可能な共振器では、スイッチングおよび変調がいくつかまたは全ての欠陥について生じ、転送された電磁放射線の効率または周波数あるいは支配的な減衰経路（反射、透過、逆方向ドロップ、順方向ドロップ）の制御にさらなる可変性を与える。支配的な減衰経路の制御は、電磁放射線の指向性経路指定に柔軟性をもたらす。例えば、狭帯域反射器は、透過、逆方向ドロップ、順方向ドロップ減衰経路に対する反射減衰経路の最適化によって、本発明の範囲内で実現可能である。
【００８５】
ここに説明された開示および議論は例示的なものであり、本発明の実施を限定する意図はない。無数の等価物およびその予測可能な変形が本発明の範囲内に収まることが想定される。全ての等価物を含み、前記開示と組み合わされることによって本発明の範囲を定義するのは請求の範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】相変化材料の状態の概略図である。状態の電気抵抗がエネルギーまたはパワーの関数としてプロットされている。
【図２】Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５ついて電磁放射線の波長の関数としての光学定数（ｎ、ｋ、ｅｐｓ（実測値および想像値）を示す図である。
【図３】６×６二次元フォトニック結晶の概略図である。
【図４】図３の二次元フォトニック結晶の平面図である。
【図５】相変化材料を含むフォトニック結晶ロッドの実施形態例を示す図である。
【図６】欠陥を有する５×５二次元フォトニック結晶の概略図である。
【図７】欠陥を有する５×５二次元フォトニック結晶の概略図である。
【図８】本発明に係るフォトニックデバイスの概略図である。
【図９】図８に示したフォトニックデバイス用の共振器からの減衰経路の概略図である。
【図１０】本発明に係るフォトニックデバイスの平面図である。
【図１１】本発明に係るフォトニックデバイスの平面図である。
【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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【国際調査報告】
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