(57)【要約】【課題】帰還作用の強い導波路構造を用いて、導波路長を短くし、これによって、集積化をねらって素子の小型化を進める。【解決手段】本発明の光双安定素子は、半導体２次元フォトニック結晶薄板上に線欠陥導波路を設ける。この線欠陥導波路は、所定の透過帯域を持ち、その低周波数側に隣接して、透過率が小さい周波数域のモードギャップを有し、前記入力光周波数を、このモードギャップの周波数域におさまるように選択した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光強度の変化に対して出力光強度を不連続に変化させて、分布帰還型の双安定動作を行う光双安定素子において、
半導体２次元フォトニック結晶薄板上に線欠陥導波路を設け、
該線欠陥導波路は、所定の透過帯域を持ち、その低周波数側には、透過率が小さい周波数域のモードギャップを有し、
前記入力光波長を、このモードギャップの周波数域におさまるように選択したことから成る光双安定素子。
【請求項２】
前記モードギャップは、導波路帯域の低周波数側に隣接し、透過率が導波帯域のそれに比べて1/10以下となる周波数域にある請求項１に記載の光双安定素子。
その透過率が導波帯域のそれの1/10以下になる範囲を指す
【請求項３】
前記線欠陥導波路は、２次元フォトニック結晶薄板に設けた空気穴の周期配列を三角格子とし、かつ入射させる光の偏波を薄板面に平行として、空気穴の周期格子から、穴を一列無くして構成した請求項１に記載の光双安定素子。
【請求項４】
前記線欠陥導波路の両側に、該導波路よりも格子定数の大きな別の線欠陥導波路を接続した請求項１に記載の光双安定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、全光論理スイッチ、光フリップ・フロップ、光バッファメモリ、全光ルータ等において用いることのできる光双安定素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
今後、光通信容量の拡大を続けていくために、ルーティング処理の光化（電気信号へ変換しないで光のままで処理すること）が必要であり、そのために必要な光バッファメモリの構成要素として、光双安定素子は近年、注目を集めている。ひとつの双安定素子は１ビットに過ぎず、多ビットの集積化に展開できるように、単一素子の小型化が求められている。
【０００３】
図７は、従来技術による光双安定素子を説明する図である。図７に示すブラッグ格子を刻んだ半導体メサ型導波路は、光集積回路に実装可能な、既存の光双安定素子である(例えば、非特許文献１参照)。半導体微細加工技術によって、メサ型導波路の外形に周期的変調を持たせた構造は、ブラッグ結合に由来する分布帰還の機構によって光双安定動作を示すことが知られている。このような構造は、前進波と後進波間のブラッグ結合が強まる周波数域（ストップバンド）において、光透過率が零に近くなる。入力光の波長をストップバンド内に選び、光強度を上げ下げすると、出力光強度は不連続に飛躍し、かつヒステリシスを持つ。これを双安定動作と呼ぶ。双安定動作は、ブラッグ結合による帰還作用と半導体材料の非線形光学特性から生じる。
【０００４】
しかし、メサ型ブラッグ導波路では、ブラッグ結合、即ち帰還が弱いため、双安定動作を起すのに、1mm程度の導波路長を必要とすることが、素子寸法の小型化にとって障害となっている。
【非特許文献１】S-H Jeong ら、IEEE J. Quantum Electron. Vol.38, 706 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、帰還作用の強い導波路構造を用いて、導波路長を短くし、これによって、集積化をねらって素子の小型化を進めることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光双安定素子は、入力光強度の変化に対して出力光強度を不連続に変化させて、分布帰還型の双安定動作を行う。この光双安定素子は、半導体２次元フォトニック結晶薄板上に線欠陥導波路を設け、該線欠陥導波路は、所定の透過帯域を持ち、その低周波数側には、透過率が小さい周波数域のモードギャップを有し、前記入力光波長を、このモードギャップの周波数域におさまるように選択した。
【０００７】
モードギャップは、その透過率が導波帯域のそれの1/10以下になる範囲を指す。線欠陥導波路は、２次元フォトニック結晶薄板に設けた空気穴の周期配列を三角格子とし、かつ入射させる光の偏波を薄板面に平行として、空気穴の周期格子から、穴を一列無くして構成した。また、この線欠陥導波路の両側に、該導波路よりも格子定数の大きな別の線欠陥導波路を接続することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光双安定素子は、帰還作用が強いため、双安定動作を担う導波路の長さを、メサ型導波路を基にした従来技術の約1/100以下に小型化できる。
従来技術の、メサ型導波路の外形に周期的変調を持たせた構造には、ブラッグ結合に由来する前進波と後進波の変換機構（帰還）があり、やはり光双安定動作を示すことは、上述の通りである。１に近い反射率、ゼロに近い透過率を示す周波数帯域（ストップバンド）幅は、本発明のモードギャップ帯域幅の約1/100と狭い。帰還の強さをκ、素子長をLとすると、ストップバンドやモードギャップ帯域幅は、κに比例するので、このことは、既存の構造で、双安定に適切とされる積κL= 2.5を得るには、素子長Lは上の例の100倍必要であることを意味している。本発明は、モードギャップを利用して、より大きな帰還κを得る結果、双安定素子の小型化をはかることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１及び図２は、本発明の光双安定素子の第１の実施形態を説明する図である。図１を参照して、半導体２次元フォトニック結晶薄板上に設けた線欠陥導波路、及びその機能を説明する。半導体薄板に、空気穴の周期配列を設けたものを、２次元フォトニック結晶薄板と呼び、空気穴のパターンによって、光の薄板面内での伝播を制御できる。
【００１０】
周期配列を三角格子とし、入射させる光の偏波を薄板面に平行として、空気穴の周期格子から、穴を一列無くして生じる構造は線欠陥と呼ばれ、光導波路として機能する。線欠陥導波路は、一定の透過帯域を持ち、その低周波数側に隣接して、透過率が小さい周波数域が存在する。この周波数域では、実数としての通常の伝播定数を割り当てることができず（図1左）、ここはモードギャップと呼ばれる。この周波数域では、入射波である前進波が、効率的に後進波に変換される結果、１に近い反射率、ゼロに近い透過率を与える。
【００１１】
図２は、モードギャップに基づいた双安定動作を説明する図である。格子定数ａを有する線欠陥導波路には、光源からの波長λの入力光が入射され、そこからの出力光は、受光器により検出される。モードギャップは、導波帯域の低周波数側に隣接し、その透過率が、導波帯域のそれの1/10以下になる、周波数帯域である。光の周波数がモードギャップにおさまるように、格子定数ａまたは入射光波長λを選ぶと、双安定動作が起きる。
【００１２】
光の周波数がモードギャップ内にあると、このように反射率は１に近くなる。導波路内部での光の強度は、その場合でも零になる訳ではなく、入射端から出射端にかけて指数関数的に減衰するように分布する。光学的非線形性のために、導波路の屈折率は、光の強度に依存する。前進波が後進波に変換される効率が、屈折率に依存するため、図２のグラフに示すように、入力光の強度を上げてゆくと、ある強度で、後進波への変換効率が不連続に減少し、その結果、反射率がゼロに近く、透過率が1に近い状態が出現する。ここから、入力光強度を減少させてゆくと、先に跳躍が起きた入力強度では、元の状態には戻らず、より小さな、ある入力光強度で、元の状態に戻る。透過率の不連続な変化が起きる、２つの入力閾値に挟まれる光強度においては、取り得る透過率が高低２種類あることを指して、双安定性と呼ぶ。双安定性の発現には非線形性と帰還、そして適切な導波路長が必要である。帰還の強さは、前進波と後進波の間の結合係数κで表され、κは長さの逆数の次元を持ち、その大きさは計算からκ＝2.5×103cm-1と予想される。双安定動作が起きるためには、κL >1.25でなければならないことが知られている。一方、κLが大きすぎると、下向き遷移の入力閾値がゼロに近づいてしまうため、信号処理の用途では、1.5< κL <5となるように素子長Lを選ぶ。例えば、Lを10μmすると κL= 2.5が得られる。
【００１３】
図３は、本発明の光双安定素子の第２の実施形態を説明する図である。図３に示す導波路Ａ自体は、第１の実施形態について説明したモードギャップ結合を利用する導波路と同一構成にすることができる。図３に示す導波路構成は、格子定数ａ1の導波路Ａの両側に、格子定数ａ2の導波路Ｂを接続することにより構成される（ａ1<ａ2）。即ち、双安定動作を担う短い線欠陥導波路Ａを保持し、光の入出力を容易にするために、基本周期（格子定数）の大きな導波路Ｂを接続する。格子定数が大きくなると、分散曲線は下方に移動するので、Ｂの導波帯域であり、かつＡのモードギャップに当たる周波数域に、動作周波数を選ぶことができる。
【００１４】
モードギャップ結合を利用する導波路Ａの長さには、双安定動作にとっての最適長が存在し、それは数10μm以下と短い。この寸法の導波路を保持する構造が必要である。このため、格子定数の大きな線欠陥導波路Ｂを接続することで、短尺の導波路Ａの保持と光入出力を容易にすることが可能となる。格子定数と空気穴径の比を一定に保つ場合、図３のグラフに示すように、導波路Ｂの分散曲線は、導波路Ａのそれを低周波数側に移動したものとなるので、導波路Ａのモードギャップ帯域であり、かつ導波路Ｂの導波帯域である周波数域に、光の周波数を選ぶことができる。または、意図する光周波数がその周波数領域に入るよう、導波路Ａ、Ｂの格子定数を選ぶことができる。
【実施例】
【００１５】
図４は、GaAsのフォトニック結晶薄板上(厚さ260nm)に作製した、格子定数a１=385nm（導波路Ａ）, a2=420nm（導波路Ｂ）, 穴半径と格子定数の比 r/ a1,2=0.3の導波路構造の電子顕微鏡像を示している。双安定を担う導波路Ａは空気穴24列分、長さ9μmである。ここに接続する導波路Ｂは、双安定を担う導波路Ａへの光入出力のために設けた。これによって、双安定動作を担う、導波路Ａを、入出力用導波路Ｂで挟んだ構造となる。導波路Ｂは、1750nmより長波長側にそのモードギャップを持つが、それより短波長側は導波帯域である。格子定数と空気穴半径の比は、いずれも0.3である。
【００１６】
図５は、試作した素子の透過スペクトルを示す図である。透過域の長波長端は1500nm付近にあり、ここより長波長側では、透過率が落ち込んでおり、双安定動作に利用するモードギャップが広がっている。矢印は、双安定動作の観測に用いた波長1503.036nmを示しており、この波長での透過率は導波帯域での透過率の1/20である。
【００１７】
図６は、モードギャップ内部の波長で、観測された双安定応答を示す図である。モードギャップ内にある1503.036nmの波長の光について、入力光の強度を上げ下げして、双安定動作を確認した。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態の半導体２次元フォトニック結晶薄板上に設けた線欠陥導波路を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の双安定動作を説明する図である。
【図３】第２の実施形態の導波路構造を説明する図である。
【図４】GaAsのフォトニック結晶薄板上に作製した導波路構造の電子顕微鏡像を示す図である。
【図５】試作した素子の透過スペクトルを示す図である。
【図６】モードギャップ内部の波長で、観測された双安定応答を示す図である。
【図７】従来技術による光双安定素子を説明する図である。
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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