(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁信号の伝搬方向についての６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチであって、入力導波路、及び前記入力導波路の伝搬方向から６０度角度変化した伝搬方向にある出力導波路、並びに１つの共振キャビティが挿入された２次元フォトニック結晶からなり、印加された外部ＤＣ磁場の強度に依存して入力から出力への電磁信号を遮断するか、又は通過させることによって特徴付けられる、６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
【請求項２】
電磁信号の伝搬方向の６０度の角度変化を促進し、集積光学系の発展に、より多くの柔軟性を提供するという事実によって特徴付けられる、請求項１に記載の６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
【請求項３】
オフ状態（磁化されていない場合）において定常双極子モードで動作し、ここで、定常双極子モードのノードは、出力導波路とアライメントされており、オン状態（磁化されている場合）において回転双極子モードで動作することによって特徴付けられる、請求項１又は２に記載の６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
【請求項４】
規格化中心周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３０８では、オン状態における挿入損失が−０．９ｄＢであり、オフ状態におけるポート間のアイソレーションが−５４ｄＢであり、一方、挿入損失曲線の−２ｄＢ及びアイソレーション曲線の−１５ｄＢにおけるバンド幅が１８６ＧＨｚであることによって特徴付けられる、請求項１ないし３のいずれか１に記載の６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチに関する。これは、主に、光通信チャンネル中の電磁信号の伝搬を制御することを意図しており、信号を通過させたり遮断したりする（スイッチ機能）。
【背景技術】
【０００２】
新しい光通信システムにおける高集積密度の要求に対応するために、より小さな寸法のデバイスのニーズが新しい技術の発展のモチベーションとなっており、中でも、「フォトニック結晶」として知られる構造に基づいたものが顕著である。
【０００３】
これらの結晶は、これらを構成している異なる材料の誘電率又は透磁率の周期的な変調を生じる。その結果、フォトニックバンドギャップとして知られる禁止周波数の範囲が、これらの構造の特徴的なバンド図から生じる。
【０００４】
この範囲に含まれる周波数を有する電磁波の伝搬は、禁止される。なぜならば、入射波が結晶によって全反射されるからである。フォトニック結晶に基づいた多くのデバイスの動作原理は、この現象の存在になんらか関連付けられている。
【０００５】
光学系で使用されるさまざまなデバイスの中でも、スイッチが顕著である。これらは、２つの動作状態、すなわち、デバイスがデバイスの入力ポートと出力ポートとの間で低い挿入損失で入射電磁信号を伝達するオン状態と、入力ポートと出力ポートとの間で高い絶縁性で信号を伝搬しないオフ状態とを有する。これら２つの動作状態間の移行は、外部変数のチューニングの結果、スイッチを構成しているフォトニック結晶の特徴的なパラメーターの変更によって決定される。
【０００６】
フォトニック結晶に基づいた新しいデバイスの発展に関する研究の進歩により、これらの構造に基づいた光スイッチに関連するいくつかの特許が既に蓄積されてきている。
【０００７】
例えば、中国特許第１０１５７１６５７号公報に記載されたデバイスでは、光制御信号の強度の変化が、スイッチを構成している材料の屈折率の変化に応答する。カー効果として知られるこの現象は、デバイスのオン状態とオフ状態との移行に関連付けられる。スイッチは、非線形特性を有する材料でできたエアホールの三角格子を含む２次元フォトニック結晶に基づいている。いくつかの欠陥が、制御可能であるようにして結晶に挿入され、これらは、デバイスの導波路及び共振キャビティを与える。
【０００８】
他方、米国特許出願第２００５／２４９４５５号公報に記載されたスイッチは、光導波路に基づいており、そのコアは２次元フォトニック結晶によって形成され、その２次元フォトニック結晶において異なる屈折率の２以上の材料が周期的に分配されている。蛍光サインの注入又は構造中に存在する電極間の電流が、結晶を構成している材料の屈折率を変更させることができ、その結果、スイッチが動作する（オン又はオフ）状態になる。
【０００９】
また、注目すべきは、特開２００３−２１５６４６号公報に記載されたスイッチである。この場合には、２つの導波路間に、スイッチ切替（オン状態とオフ状態との間の移行）のための要素が挿入されている。この要素は、２次元フォトニック結晶及び１対の電極に基づいている。デバイスの動作状態間の移行は、２つの電極間に印加される電圧の値によって制御される。印加された電圧の値に依存して、デバイスは、入力から出力導波路へと電磁波を通過させる（オン状態）か、入力から出力導波路への電磁波を遮断する（オフ状態）ことができる。
【００１０】
さらに、特開２００６−１８４６１８号公報に記載されたスイッチは、その構成材料の屈折率が温度に応じて変化する２次元フォトニック結晶に基づいている。デバイスの温度の制御は、スイッチが動作する（オン又はオフ）状態を設定するために行われる。
【００１１】
フォトニック結晶技術に基づいた、スイッチのオン状態の動作間の移行を制御するための多くの方法がある。本発明は、光磁気材料でできたホールの三角格子からなる２次元フォトニック結晶に基づくものであり、その光磁気材料の誘電率は、印加される外部ＤＣ磁場の強度に依存している。材料が磁化されていない（外部磁場が０に等しい）とき、スイッチはオフ状態で動作する。他方、材料が磁化されている（外部磁場がＨ０に等しい）とき、デバイスはオン状態で動作する。
【００１２】
光ファイバ技術に内在する主たる問題の１つは、光ファイバの曲げ角度に関する。これらは、内部全反射の原理に従って作用し、この事実により、これらは、鋭く（急激に）曲げられることができず、これらの使用を複雑にし、例えば、光回路において光信号の伝搬の方向の多くの変化を必要とする。
【００１３】
導波路に基づいたフォトニック結晶を使用することによって、この困難性は克服されることができる。なぜならば、これらが組み込む湾曲のトポロジーの適切な選択により、これらは、電磁信号の伝搬方向の変化を促進することができるからである。これは、これらのガイドの動作の原理が、光ファイバの場合でのように内部全反射の原理に基づくのではなく、フォトニックバンドギャップの存在によるものだからである。
【００１４】
この場合には、電磁信号は、導波路を与える線欠陥の内部に閉じ込められ、それが広がるのが防がれる。なぜならば、フォトニックバンドギャップが、そのまわりにある周期構造と関連付けられるからである。
【発明の概要】
【００１５】
本デバイスは、その構造中に、６０度の曲げを組み込み、これにより、集積光回路の設計に柔軟性を提供する。さらに、このデバイスは、寸法が小さく、集積密度の増加を与える。
【００１６】
本スイッチは、均一な磁化で動作し、その磁化回路の発展を簡単にする。なぜならば、単純な電磁石がこの機能を果たすために使用されることができるからである。発生される磁場の強度は、電磁石を流れる電流に比例する。
【００１７】
デバイスの性能特性において、動作の高いバンド幅、オン状態における低挿入損失、及びオフ状態における入力導波路と出力導波路との間の高アイソレーションが顕著である。
【００１８】
概して、デバイスは、光磁気材料に挿入されるホールの三角格子からなる２次元フォトニック結晶に基づいている。この結晶中に、２つのタイプの欠陥が挿入される。すなわち、  
ａ）入力導波路及び出力導波路を与える、ホール（線欠陥）の列の除去、  
ｂ）デバイスの共振キャビティを形成する、光磁気材料に挿入されるホールの半径及び位置の変更。
【００１９】
光磁気共振器における磁場に依存して、スイッチは、２つの状態で動作することができる。すなわち、  
ａ）信号が出力導波路に伝達されない、光磁気材料の磁化されていない（非磁化の）場合、
ｂ）信号が出力導波路に伝達される、光磁気材料の磁化されている（磁化の）場合。
【００２０】
特に、デバイスは、以下の特性を有する。
ａ）結晶格子定数（ａ）は、λ＝１．５５マイクロメートルに関して、４８０ナノメートルに等しく、比ａ／λは０．３０９７に等しい。
ｂ）結晶格子のエアホールの半径は、０．３ａに等しい。
ｃ）入力導波路及び出力導波路は、２つの線欠陥を作り出すことによって挿入される。
ｄ）出力に伝達される電磁信号は、６０度角度変化したその伝搬方向を有する。
ｅ）共振キャビティは、２つの導波路間の境界に、デバイスの中心に位置されたいくつかのホールの半径及び位置を変更することによって製造される。
ｆ）外部ＤＣ磁場の密度は、デバイスが動作する状態を決定する。
ｇ）オフ状態では、外部ＤＣ磁場は０に等しく、定常双極子モードは、モードのノードが出力導波路とアライメントされるようにして共振キャビティで励起され、その結果、出力への入力信号の移動がない。
ｈ）オン状態では、外部ＤＣ磁場はＨ０に等しく、回転双極子モードは、共振キャビティで励起され、出力への入力信号の移動をもたらす。
ｉ）フォトニック結晶に基づく光磁気材料は、異方性があり、誘電率及び透磁率に関して以下の表現によって表される。
【００２１】
【数１】
0006717806.tif 000002
【００２２】
ここで、
ａ）εは、材料の誘電率（ファラド毎メートル単位）である。
ｂ）ε０は、自由空間の誘電率（ファラド毎メートル単位）である。
ｃ）μは、材料の透磁率（ヘンリー毎メートル単位）である。
ｄ）μ０は、自由空間の透磁率（ヘンリー毎メートル単位）である。
ｅ）ｉは、虚数単位である。
ｆ）ｇは、印加される外部ＤＣ磁場の強度に依存するパラメーターである。
【００２３】
以下、デバイスの動作を表す図が示され、展開した本発明が詳細に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１ａ】図１ａは、オン状態におけるスイッチ動作を概略的に示す図である。
【図１ｂ】図１ｂは、オフ状態におけるスイッチ動作を概略的に示す図である。
【図２ａ】図２ａは、共振周波数ω０を有する、磁化されていない共振器に存在する６つの双極子モードのうちの１つに対応する固有ベクトルＶ１を示す図である。
【図２ｂ】図２ｂは、共振周波数ω０を有する、磁化されていない共振器に存在する６つの双極子モードのうちの１つに対応する固有ベクトルＶ２を示す図である。
【図２ｃ】図２ｃは、磁化されていない共振器の、逆方向に回転し同じ共振周波数ω０を有する２つの回転モードＶ−、Ｖ＋を示す図である。
【図２ｄ】図２ｄは、磁化されている共振器の、逆方向に回転しそれぞれ共振周波数ω＋、ω−を有する２つの回転モードＶｍ＋、Ｖｍ−を示す図である。
【図３】図３は、オン状態で動作しているデバイスを示す上面図である。規格化周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３０８における、フォトニック結晶、２つの直線導波路３０１（入力）及び３０２（出力）、共振キャビティ、及び入力から出力へ伝達される電磁信号のＨｚ成分が図示され、ここで、ωは角周波数（ラジアン毎秒単位）であり、ａは結晶の格子定数（メートル単位）であり、ｃは自由空間中の光の速度（約３００，０００，０００メートル毎秒に等しい）である。
【図４】図４は、オフ状態で動作しているデバイスを示す上面図である。規格化周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３０８における、フォトニック結晶、２つの直線導波路４０１（入力）及び４０２（出力）、共振キャビティ、及び反射されて入力へと戻る電磁信号のＨｚ成分が図示される。
【図５】図５は、オン状態及びオフ状態で動作するスイッチの周波数応答性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
デバイスが外部ＤＣ磁場Ｈ０の影響下にあるとき（図１ａ）、入力導波路１０１に与えられた電磁信号は、光磁気共振器において、回転双極子モード１０３を励起する。そして、この事実は、デバイスのオン状態に対応しており、低挿入損失で、入力に存在する信号の出力導波路１０２への移動を促進する。Ｈ０の強度に比例するパラメーターｇの値は０．３に等しい。
【００２６】
他方、外部ＤＣ磁場が０に等しいとき（図１ｂ）、入力導波路１０４に与えられた電磁信号は、共振キャビティにおいて、定常双極子モード１０６を励起する。モードのノードは、電磁波がそこで励起されないようにして、出力導波路１０５とアライメントされている。入射信号は、入力と出力との間で高アイソレーションで全反射される。この状況は、オフ状態に対応し、この場合には、パラメーターｇの値は０に等しい。
【００２７】
この振る舞いは、それに接続される負荷なしで、すなわち、入力導波路及び出力導波路の接続なしで、光磁気共振器で励起されたモードの分析によって説明されることができる。磁化されていない（非磁化の）場合には、共振周波数ω０を有する６つの定常双極子モードＶｉ（ｉ＝１，２，…，６）があり、これらのうち２つが、図２ａ（Ｖ１モード）及び図２ｂ（Ｖ２モード）に表される。他のモードは、Ｖ１モード及びＶ２モードのｚ軸まわりの６０度又は１２０度の回転から得られることができる。
【００２８】
これらのモードは、共振周波数ω０を有し、逆方向に回転する（図２ｃ）、縮退した回転モードＶ−及びＶ＋を生じるために組み合わせられることができる。
【００２９】
ｚ方向に沿って方向付けられた外部ＤＣ磁場Ｈ０の印加により、Ｖ−及びＶ＋の縮退が解かれ、その結果、これらは、今度は異なる共振周波数ω−及びω＋を有する（Ｖｍ−モード及びＶｍ＋モードがそれぞれ図２ｄに表される）。
【００３０】
磁化されていない（非磁化の）場合と磁化されている（磁化の）場合との両方において、構造中への導波路の挿入はまた、共振キャビティにおける励起モードの縮退を解く。キャビティと導波路との間の結合が強くなるほど、これまでの縮退モードの周波数間の差が大きくなる。
【００３１】
オン状態（図３）は、デバイスが磁化されているときに得られる。この場合には、回転モード（Ｖｍ−又はＶｍ＋）が使用され、これは、図の中心に位置された弧状の矢印によって表される。
【００３２】
他方、オフ状態（図４）は、デバイスが磁化されていない（非磁化の）ときに得られる。この状況では、定常双極子モードＶｉ間の組合せから得られるモードが使用される。結果として生じるモードは、出力導波路とアライメントされたそのノードを有する。
【００３３】
デバイスの周波数応答性が図５に示される。（導波路３０１、４０１と関連付けられた）ポート１の励起を考慮すると、それぞれオン状態及びオフ状態と関連付けられた曲線の−２ｄＢ及び−１５ｄＢのレベルにおいて、デバイスのバンド幅は１８６ＧＨｚに等しい。規格化中心周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３０８では、オン状態における挿入損失は−０．９ｄＢであり、オフ状態における導波路間のアイソレーションは−５４ｄＢである。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］  ６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチであって、２つの導波路と１つの共振キャビティとが挿入された２次元フォトニック結晶からなり、印加された外部ＤＣ磁場の強度にしたがって入力から出力への電磁信号を遮断するか通過させることによって特徴付けられる、６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
［２］  電磁信号の伝搬方向の６０度の角度変化を促進し、集積光学系の発展にかなりの柔軟性を提供するという事実によって特徴付けられる、［１］に記載の６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
［３］  オフ状態（磁化されていない場合）において定常双極子モードで動作し、定常双極子モードのノードは、出力導波路とアライメントされており、オン状態（磁化されている場合）において回転双極子モードで動作することによって特徴付けられる、［１］又は［２］に記載の６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
［４］  規格化中心周波数ωａ／２πｃ＝０．３０３０８では、オン状態における挿入損失が−０．９ｄＢであり、オフ状態におけるポート間のアイソレーションが−５４ｄＢであり、一方、挿入損失曲線の−２ｄＢ及びアイソレーション曲線の−１５ｄＢにおけるバンド幅が１８６ＧＨｚであることによって特徴付けられる、［１］ないし［３］のいずれか１に記載の６０度の曲げを含む２次元フォトニック結晶に基づいたコンパクトな光スイッチ。
【図１ａ】
0006717806.tif 000003
【図１ｂ】
0006717806.tif 000004
【図２ａ】
0006717806.tif 000005
【図２ｂ】
0006717806.tif 000006
【図２ｃ】
0006717806.tif 000007
【図２ｄ】
0006717806.tif 000008
【図３】
0006717806.tif 000009
【図４】
0006717806.tif 000010
【図５】
0006717806.tif 000011