(57)【要約】【課題】外部から入射させた光の屈折角を高速度で変更して光の透過する向きを変えることができ、しかも小型化が可能な光偏向素子の提供を目的とする。また、このような光偏向素子を備え、特定波長の伝搬光が通過する方向を高速度で切り替えでき、しかも小型化が可能な光スイッチの提供を目的とする。【解決手段】印加する電界を制御して材料の屈折率を変化させることにより外部から入射させた光Ｌに対する屈折角を制御可能で、上記材料の屈折率変化に対する上記屈折角の変化が１０３度以上である電気光学フォトニック結晶から構成された光偏向素子Ａ。特定波長の光Ｌに対しフォトニックバンドギャップを有し、かつ特定波長の光Ｌを透過する導波路２２を複数有するフォトニック結晶導波路Ｂと、光偏向素子Ａが備えられてなる光スイッチ。【選択図】  図１
2004258169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加する電界を制御して材料の屈折率を変化させることにより外部から入射させた光に対する屈折角を制御可能で、前記材料の単位屈折率変化に対する前記屈折角の変化が１０３度以上である電気光学フォトニック結晶から構成されたことを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
前記電気光学フォトニック結晶は、誘電率を電界で制御できる誘電率電界変化型物質である第１の誘電体部材と、前記第１の誘電体部材とは誘電率が異なる第２の誘電体部材とからなり、前記第１あるいは第２のどちらか一方の誘電体部材が複数相互に離間して周期的に配置され、他方の誘電体部材が前記周期的な配置の間隙部に設けられており、前記第１の誘電体部材はＬｉＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＢａＴｉＯ３  、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４のうちから選択される１種からなることを特徴とする請求項１記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記第１の誘電体部材中に前記第２の誘電体部材としての空気の存在する領域が複数相互に離間して周期的に配置されていることを特徴とする請求項２記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記第１の誘電体部材は複数相互に離間して周期的に配置されたものであり、前記周期的な配置の間隙部に前記第２の誘電体部材としての空気の存在する領域が設けられていることを特徴とする請求項２記載の光偏向素子。
【請求項５】
前記電気光学フォトニック結晶に印加する電界方向は、前記電気光学フォトニック結晶の電気光学定数の大きい方向と同一の方向であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光偏向素子。
【請求項６】
外部から入射させる光の入射方向が前記電気光学フォトニック結晶の分散面の法線方向以外の方向であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光偏向素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光偏向素子と、フォトニック結晶導波路を備えてなり、該フォトニック結晶導波路は特定波長の光に対しフォトニックバンドギャップを有し、かつ前記特定波長の光を透過する導波路を有するものであることを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学フォトニック結晶を用いた光偏向素子及び光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光の波長程度の屈折率変化周期構造を持つ物質はフォトニック結晶として知られており、その中ではその周期に対応する波長の光の存在が禁止される光に対する禁止帯、いわゆるフォトニックバンドギャップが現れ、特定の波長域の光の存在と伝搬が不可能となる。このことからフォトニック結晶は光を自由自在に制御できる可能性があるとして、次世代のエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス材料として注目されている。
このフォトニック結晶という新しい概念は、１９８７年に初めてＳ．ＪｏｈｎとＥ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ  により理論的に提唱されたものであり、実験的には現在種々の手法が研究されている状況にある。
【０００３】
３次元的周期構造のフォトニック結晶を作製する手法としては、半導体素子、デバイス作製のための微細加工技術、積層技術などの方法が研究されており、光の波長程度の大きさの粒子を構造単位としてこれを２次元的にあるいは３次元的に積み上げて製造する方法が研究されている。
【０００４】
本発明者はこの種のフォトニック結晶について研究を行っており、２次元周期構造あるいは３次元的周期構造のフォトニック結晶に対して本発明者が発見した工夫を施すことによって従来では知見されていない全く新しいタイプのフォトニック結晶を知見した結果なされた光偏向素子と光スイッチの発明である。
なお、従来の光スイッチの一種としては、ＬｉＮｂＯ３に代表される電気光学効果を用いた光変調器が一般に知られている（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１９６２９６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年急速に普及する光通信システムに用いられる光スイッチに要求される特性としては、小型で、スイッチング時間が短いことが強く求められる。
しかし、従来の光変調器では、位相のシフター長が電気光学定数で決定されるため、デバイスサイズが数ｃｍ程度となってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、外部から入射させた光の屈折角を高速度で変更して光の透過する向きを変えることができ、しかも小型化が可能な光偏向素子の提供を目的の一つとする。
また、本発明は、上記光偏向素子を備え、特定波長の伝搬光が通過する方向を高速度で切り替えでき、しかも小型化が可能な光スイッチを提供することを目的の一つとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光偏向素子は、印加する電界を制御して材料の屈折率を変化させることにより外部から入射させた光に対する屈折角を制御可能で、上記材料の単位屈折率変化に対する上記屈折角の変化が１０３度以上、好ましくは１０４度以上である電気光学フォトニック結晶から構成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の光偏向素子は、電気光学フォトニック結晶の分散面の強い異方性により屈折角が敏感に変化するスーパープリズム効果を利用しており、上記電気光学フォトニック結晶に印加する電界の大きさを変更することで、上記電気光学フォトニック結晶を構成する材料の屈折率を変更できるので、外部から入射させた光に対する屈折角度を変更できる。従って、電気光学フォトニック結晶に印加する電界を制御することで、外部からこの電気光学フォトニック結晶に入射させた光の屈折角を制御でき、この電気光学フォトニック結晶から出射される光の方向を制御できる。
また、上記電気光学フォトニック結晶に外部から入射させた光の屈折角は、電気光学フォトニック結晶に印加する電界の変更に対して高速応答で変更できる。
また、上記電気光学フォトニック結晶は小型化できるので、小型の光偏向素子を実現できる。
【００１０】
また、本発明の光偏向素子においては、上記電気光学フォトニック結晶は、誘電率を電界で制御できる誘電率電界変化型物質（第１の誘電率電界変化型物質）である第１の誘電体部材と、前記第１の誘電体部材とは誘電率が異なる第２の誘電体部材とからなり、前記第１あるいは第２のどちらか一方の誘電体部材が複数相互に離間して周期的に配置され、他方の誘電体部材が前記周期的な配置の間隙部に設けられており、前記第１の誘電体部材はＬｉＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＢａＴｉＯ３  、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４のうちから選択される１種からなることを特徴とする。
かかる構成の光偏向素子では、上記電気光学フォトニック結晶に印加する電界の大きさを変更すると、上記第１の誘電体部材の屈折率が変わるので、外部から入射させた光に対する屈折角度が変更される。
上記第１の誘電体部材は、印加する電界の大きさを変化させると屈折率の大きさが変化する電気光学特性を示す材料から構成されている。
上記第２の誘電体部材に用いる材料としては、空気等が用いられる。
【００１１】
また、本発明の光偏向素子においては、前記第１の誘電体部材中に前記第２の誘電体部材としての空気の存在する領域が複数相互に離間して周期的に配置されたものであってもよい。
また、本発明の光偏向素子においては、前記第１の誘電体部材は複数相互に離間して周期的に配置されたものであり、前記周期的な配置の間隙部に前記第２の誘電体部材としての空気の存在する領域が設けられたものであってもよい。
【００１２】
また、上記のいずれかの構成の本発明の光偏向素子においては、上記電気光学フォトニック結晶に印加する電界方向は、上記電気光学フォトニック結晶の電気光学定数の大きい方向と同一の方向であることが好ましく、さらに好ましくは上記第１の誘電体部材を構成する結晶の電気光学定数の大きい方向であることが望ましい。例えば、ＬｉＮｂＯ３の結晶の場合、ｃ軸方向に電界を印加するのが好ましい。また、形状的には電気光学フォトニック結晶の厚さの薄い方向に電界を印加するのが好ましい。
【００１３】
さらに、上記のいずれかの構成の本発明の光偏向素子においては、外部から入射させる光の入射方向が上記電気光学フォトニック結晶の分散面の法線方向以外の方向、言い換えれば、上記電気光学フォトニック結晶の分散面に対して垂直方向以外の方向であることを特徴とする。
外部から入射させる光の入射方向が上記電気光学フォトニック結晶の分散面の法線方向であると、電気光学フォトニック結晶に入射した光が屈折しないで透過してしまうため、屈折角変化が得られない。
【００１４】
また、上記のいずれかの構成の本発明の光偏向素子においては、上記電気光学フォトニック結晶に電界を印加するための電極が備えられていてもよい。
また、上記のいずれかの構成の本発明の光偏向素子においては、上記電気光学フォトニック結晶に直流又は交流電界を印加でき、印加する電圧（電界）の大きさを変更できる可変電源装置が備えられていてもよい。
さらにまた、上記のいずれかの構成の本発明の光偏向素子においては、上記電気光学フォトニック結晶に光を導入する手段が備えられていてもよい。
【００１５】
また、本発明の光スイッチは、上記のいずれかの構成の本発明の光偏向素子と、フォトニック結晶導波路を備えてなり、該フォトニック結晶導波路は特定波長の光に対しフォトニックバンドギャップを有し、かつ上記特定波長の光を透過する導波路を有するものであることを特徴とする。
本発明の光スイッチにおいて、上記光偏向素子を構成する電気光学フォトニック結晶に外部から入射させる光としては、上記フォトニックバンドギャップにより存在が禁止される波長帯域の光が用いられる。
【００１６】
かかる構成の光スイッチによれば、光偏向素子を構成する電気光学フォトニック結晶に印加する電界の大きさが変更されると、この電気光学フォトニック結晶に入射させた特定波長光の屈折角度が変わり、この電気光学フォトニック結晶から出射される特定波長光（出射光）の出射方向が変わるので、この出射光は上記フォトニック結晶導波路に設けられた導波路のうち上記特定波長光の出射方向に存在する導波路（上記特定波長光の屈折角度に対応する導波路）を通って伝搬するので、上記特定波長の伝搬光が通過する方向を高速度で切り替えできる。また、上記電気光学フォトニック結晶だけでなく、上記フォトニック結晶導波路も小型化できるので、小型の光スイッチを実現できる。
【００１７】
本発明の光スイッチに備えられるフォトニック結晶導波路は、誘電率を電界で制御できる第２の誘電率電界変化型物質である第３の誘電体部材と、前記第３の誘電体部材とは誘電率が異なる第４の誘電体部材とからなり、前記第３あるいは第４のどちらか一方の誘電体部材が複数相互に離間して周期的に配置されて周期構造部（第２の周期構造部）が設けられ、他方の誘電体部材が前記周期的な配置の間隙部に設けられており、また、前記周期構造部の少なくとも一部が略された領域が設けられ、該領域が導波路とされ、該導波路は上記光偏向素子に入射した光の屈折角度に対応して複数設けられたものであってもよい。上記周期構造部は、特定波長の光に対しフォトニックバンドギャップを有している。
【００１８】
フォトニック結晶中において、前記第３あるいは第４のどちらか一方の誘電体部材が複数相互に離間して周期的に配置された周期構造部の一部を略することで略した部分に相当する欠陥部分を導入することができ、この欠陥部分によりフォトニックバンドギャップ中に局在状態が出現、光がトラップされる。この欠陥部分を連続的につなげることにより、欠陥部分に添って光を導くことが可能となり、上記周期構造部を略した部分に添って導波路として機能させることができる。従って、導波路に添って光を導くことが可能なフォトニック結晶導波路を提供できる。
【００１９】
このような導波路を上記光偏向素子に入射した特定波長光の屈折角度に対応して複数設けておくことで、電気光学フォトニック結晶に印加する電界の大きさが変更されて、この電気光学フォトニック結晶に入射させた特定波長光の屈折角度が変わり、電気光学フォトニック結晶から出射される特定波長光（出射光）の出射方向が変わると、この出射光は上記フォトニック結晶導波路に設けられた導波路のうち上記特定波長光の屈折角度に対応した導波路を透過（通過）して伝搬するので、上記特定波長の伝搬光が出射される方向を高速度で切り替えることができる。
【００２０】
上記フォトニック結晶導波路に用いられる第３の誘電体部材に用いる材料としては、Ｓｉ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＴｅ、Ｇｅ、ＬｉＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＢａＴｉＯ３  、ＺｎＯ、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４のうちから選択される１種を用いてもよい。
これらの材料から第３の誘電体部材１３を構成することで、高い誘電率と、高い屈折率を利用することができる。
【００２１】
上記フォトニック結晶導波路に用いられる第４の誘電体部材に用いる材料としては、空気、液晶等のうちから選択される１種が用いられる。
【００２２】
上記フォトニック結晶導波路においては、上記周期構造部に用いられた上記誘電体部材の配列周期は、特定の光の波長の数分の１に相当する周期とされていることが好ましく、周期、その格子形状、誘電体部材屈折率、形状などを適切に設計することでフォトニックバンドギャップを制御することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは勿論であるとともに、以下の図面においては各構成部分の縮尺について図面に表記することが容易となるように構成部分毎に縮尺を変えて記載している。
図１は、本発明に係る実施形態の光スイッチの概略構成を示す平面図であり、図２は実施形態の光スイッチを示す断面図である。
この実施形態の光スイッチは、本発明の実施形態の光偏向素子Ａと、フォトニック結晶導波路Ｂとを具備して構成されている。
【００２４】
光偏向素子Ａは、電気光学フォトニック結晶の波数ベクトル面（分散面）の強い異方性により屈折角が敏感に変化するスーパープリズム効果を利用したものである。
この光偏向素子Ａは、ほぼ平行に対向して離間配置された導電性の基板１、２と、これらの基板１、２の周縁部間に介在されて基板１、２間の間隙を取り囲む透明のシール材５と、これら基板１、２の間に光の波長の数分の１程度の周期で立設された複数の円柱状の柱状体（第１の誘電体部材）３と、これら柱状体３の周囲であって基板１、２とシール材５とに囲まれた空間部に充填された空気（第２の誘電体部材）６とを備えてなる電気光学フォトニック結晶から構成されたものである。すなわち、この電気光学フォトニック結晶は、複数の柱状体３が複数相互に離間して周期的に配置され、この周期的な配置の間隙部に空気６の存在する領域が設けられている。
【００２５】
また、透明のシール材５の外部には所望の波長の光を発光自在なレーザ発光装置等の光源４が電気光学フォトニック結晶とは別個に設置され、この光源４から特定波長の光Ｌ（例えば波長１５５０ｎｍの光、又は１３１０ｎｍの光）を上記電気光学フォトニック結晶を構成する基板１、２間の間隙に透明のシール材５を介して入射できるように構成されている。
本実施形態の光スイッチにおいては、電気光学フォトニック結晶に外部から入射させる光Ｌとしては、フォトニック結晶導波路Ｂが有するフォトニックバンドギャップにより存在が禁止される波長帯域の光が用いられる。本実施形態の光スイッチに伝搬させる特定波長の光Ｌが例えば波長１５５０ｎｍの光である場合のフォトニックバンドギャップは１００ｎｍ程度（１．４５μｍ〜１．５５μｍ）である。
【００２６】
基板１、２はイオンドープした導電性の高いＬｉＮｂＯ３  等の高誘電体材料（第１の高誘電体材料）から構成され、これらの基板１、２の対向側の面にはＬｉＮｂＯ３  基板の表面酸化処理等で形成された酸化層７、８が形成されている。なお、基板１、２の構成材料は、誘電率を電界で制御できる誘電率電界変化型物質（第１の誘電率変化型物質）で、印加する電界が変更されることにより屈折率が変化する電気光学特性を示す材料（電気光学材料ということもある）であれば良いので、ＬｉＮｂＯ３  （通常の状態、言い換えれば電界無印加時の屈折率ｎが２．２）の他にＬｉＴａＯ３  、ＢａＴｉＯ３  、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４等から構成しても良い。
【００２７】
ＬｉＮｂＯ３の置き換え材料として使用できるこれらの材料の屈折率は、ＬｉＴａＯ３＝２．２、ＢａＴｉＯ３＝２．４、ＧａＡｓ＝３．４、ＺｎＯ＝２．０、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４＝１．５、ＫＨ２ＰＯ４＝１．５（ここでの屈折率はいずれも通常の状態、言い換えれば電界無印加時の値である。）となり、いずれの材料も高誘電率であり、しかも、印加する電界が変更されることにより屈折率が変化する電気光学特性を示すことができるものである。
【００２８】
また、上記電気光学フォトニック結晶は、印加電界の大きさを変化させたときに外部から入射させた光の屈折角が敏感に変化できるものであればよいので、バンドギャップは有していてもよいし、有していなくてもよく、また、柱状体（第１の誘電体部材）３の屈折率と第２の誘電体部材６の屈折率の差は小さくても良い。
【００２９】
上記第２の誘電体部材６としては、第１の誘電体部材３とは誘電率が異なるものであればよいので空気の他に液晶から構成してもよい。空気は、通常の状態（電界無印加時）でも電界印加時でも屈折率が１である。液晶は、電界印加時と電界が無印加時とでは誘電率の差が空気よりも顕著であるので、具体的に誘電率が２〜３のネマチック液晶を用いることができ、このネマチック液晶において、通常１．５３の屈折率を有するものに対して１ＭＶ／ｃｍ程度の電界強度を印加すると屈折率を１．６とすることができる。
【００３０】
第１の誘電体部材である柱状体３…は、基板１、２のうちのどちらか一方をエッチング等の手段で蝕刻して形成されたもので、本実施の形態においては先の光源４から発光される特定の光Ｌの波長の数分の１程度の間隔で複数形成されてこれら複数の柱状体３…の集合により周期構造部（第１の周期構造部）３Ａが構成されている。
隣接する柱状体３の中心どうしの間隔Ｐ１は上記特定の光Ｌの波長λの数分の１（０．２λ〜０．８λ）程度、円柱状の柱状体３の径Ｄ１は特定の光Ｌの波長λの数分の１（０．２λ〜０．８λ）程度とされ、さらに具体的には波長１５５０ｎｍの光を用いる場合、例えば隣接する柱状体３の中心どうしの間隔Ｐ１を０．３μｍ〜１．１μｍの範囲、円柱状の柱状体３の径Ｄ１を０．１４μｍ〜０．５μｍの範囲で選択することができる。
【００３１】
また、上記第１の高誘電体部材３を構成する第１の高誘電体材料としてのＧａＡｓは半導体材料として使用されるものであり、イオンドーピング等の手段によって導電性を付与可能であるので、この電気光学フォトニック結晶に電界を印加するための電極としての利用も可能となる。第１の高誘電体部材３を構成する第１の高誘電体材料としてＬｉＮｂＯ３等を用いた場合には、上記基板１、２の外面側にそれぞれ電極が設けられ、この電極が電気光学フォトニック結晶に電界を印加するための電極としての利用される。
基板１、２には、接続線９Ａ、９Ｂを介して可変電源装置１０が接続され、接続線９Ｂに組み込まれたスイッチ装置１０ａをオン（入）することにより基板１、２に通電して基板１、２間の複数の柱状体３に基板１、２から交流（電界）を印加できるように、あるいは、スイッチ装置１０ａをオフ（切）することで交流を印加（電界印加）を停止できるように構成されている。また、可変電源装置装置１０は、基板１１、１２に印加する電圧（電界）の大きさを変更できるように構成されている。
【００３２】
下記式（１）は本実施形態の光偏向素子Ａの特性に係わる式である。
2004258169.tif 000003
（式中、ｎは電気光学材料の屈折率（本実施形態では第１の誘電体部材３の屈折率）、θｒは電気光学フォトニック結晶に外部から入射させた光に対する屈折角、γ３３は電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｅは電気光学材料（本実施形態では第１の誘電体部材３の屈折率）に印加する電界強度、（１／２）×γ３３ｎ３Ｅは電気光学効果による屈折率変化を示す。）
【００３３】
本実施形態の光偏向素子Ａは、上記電気光学フォトニック結晶から構成したことより、印加する電界の大きさが変更されると複数の円柱状の柱状体（第１の誘電体部材）３の屈折率が変化し、その結果として電気光学フォトニック結晶全体の屈折率も変化することになるので、この電気光学フォトニック結晶に外部から入射させた光Ｌに対する屈折角θｒを変更でき、第１の誘電体部材３の屈折率ｎの変化に対する上記屈折角θｒの変化が１０３度以上、好ましくは１０４度以上、すなわち∂θｒ／∂ｎが１０４度以上、好ましくは１０４度以上を示すことができるものである。
【００３４】
∂θｒ／∂ｎが１０３度未満であると、デバイスサイズが１ｃｍ程度以上となり、好ましくない。
ＬｉＮｂＯ３  の場合１０Ｖ／１μｍの電界を印加すると第１の誘電体部材３の屈折率が１０−３変わるので、この電気光学フォトニック結晶に入射させた光の屈折角が１度変わり、印加する電圧が２Ｖでは電気光学フォトニック結晶に入射させた光の屈折角が２度変わるので、この電気光学フォトニック結晶から出射される位置がμｍオーダ（１７μｍ程度）かわるため、電気光学フォトニック結晶から出る光の位置を十分に離すことができ、しかも電気光学フォトニック結晶から出射される光の方向を変更できる。
【００３５】
本実施形態の電気光学フォトニック結晶に印加する電界方向は、上記電気光学フォトニック結晶の電気光学定数の大きい方向と同一の方向であることが電界を効率良く印加できる点で好ましく、さらに好ましくは上記第１の誘電体部材３を構成する結晶の電気光学定数の大きい方向であることが望ましい。例えば、第１の誘電体部材３がＬｉＮｂＯ３の結晶から構成されている場合、この結晶のｃ軸方向に電界を印加するのが好ましい。
また、形状的には電気光学フォトニック結晶の厚さの薄い方向に電界を印加するのが好ましい。
【００３６】
本実施形態の電気光学フォトニック結晶に外部から入射させる光Ｌの入射方向としては、上記電気光学フォトニック結晶の分散面（波数ベクトル面）の法線方向以外の方向、言い換えれば、上記電気光学フォトニック結晶の分散面に対して垂直方向以外の方向であり、例えば、光Ｌの入射方向は分散面（波数ベクトル面）の法線方向から数度傾けた方向である。
上記電気光学フォトニック結晶に入射させる光の入射方向が上記電気光学フォトニック結晶の分散面の法線方向であると、電気光学フォトニック結晶に入射した光が屈折しないで透過してしまうため、屈折角変化が得られない。
【００３７】
本実施形態の光偏向素子Ａに動作について例を挙げて説明する。
光偏向素子Ａに電界を印加しない場合、第１の誘電体部材３の屈折率は通常の屈折率のままであり、図１に示すようにこの電界無印加状態の電気光学フォトニック結晶に光源４から特定波長の光Ｌを入射すると、この光Ｌは通常の屈折角度で屈折し、この通常の屈折角度で屈折した光Ｌ１はフォトニック結晶導波路Ｂに出射される。
光偏向素子Ａに電界を印加した場合、第１の誘電体部材３の屈折率は通常の屈折率と異なる屈折率を示すようになり、図１に示すように電界印加状態の電気光学フォトニック結晶に光源４から特定波長の光Ｌを入射すると、この光Ｌは通常の屈折角度と異なる屈折角度で屈折し、この通常の屈折角度と異なる屈折角度で屈折した光Ｌ２はフォトニック結晶導波路Ｂに出射される。なお、この場合上記光Ｌ１と上記光Ｌ２の屈折角度の差がΔθｒとなり、電界を印加した時と電界を印加しない時の第１の誘電体部材３（電気光学材料）の屈折率の差がΔｎとなる。
従って、電界印加時に電気光学フォトニック結晶から出る光の位置と、電界無印加時に電気光学フォトニック結晶から出る光の位置の距離Ｐが十分であり、しかも電気光学フォトニック結晶から出射される光の方向を変更できる。
【００３８】
本実施形態の光偏向素子Ａによれば、電気光学フォトニック結晶に印加する電界を制御することで、外部からこの電気光学フォトニック結晶に入射させた光の屈折角を制御でき、この電気光学フォトニック結晶から出射される光の方向を制御できる。また、上記電気光学フォトニック結晶に外部から入射させた光の屈折角は、電気光学フォトニック結晶に印加する電界の変更に対して高速応答で変更できる。また、上記電気光学フォトニック結晶は小型化できるので、小型の光偏向素子を実現できる。
【００３９】
フォトニック結晶導波路Ｂは、特定波長の光Ｌに対しフォトニックバンドギャップを有するものである。
このフォトニック結晶導波路Ｂは、ほぼ平行に対向して離間配置された導電性の基板１１、１２と、これらの基板１１、１２の周縁部間に介在されて基板１１、１２間の間隙を取り囲む透明のシール材１５と、これら基板１１、１２の間に光の波長の数分の１程度の周期で立設された複数の円柱状の柱状体（第３の誘電体部材）１３と、これら柱状体１３の周囲であって基板１１、１２とシール材１５とに囲まれた空間部に充填された第４の誘電体部材１６としての空気（屈折率ｎが１）と、基板１１、１２の間に設けられた複数の導波路２２とを具備して構成されている。即ち、このフォトニック結晶導波路Ｂは、第３の誘電体部材１３が複数相互に離間して周期的に配置されて周期構造部（第２の周期構造部）１３Ａが設けられ、この周期的な配置の間隙部に空気１６の存在する領域が設けられており、また、第２の周期構造部１３Ａの一部が略されてこの略された領域が設けられ、該領域が導波路２２とされたものである。
【００４０】
上記基板１１、１２はＳｉ等の高誘電体材料（第２の高誘電体材料）から構成され、これらの基板１１、１２の対向側の面にはＳｉ基板の表面酸化処理等で形成された酸化層１７、１８が形成されている。なお、基板１１、１２の構成材料は、高誘電体材料であれば良いので、Ｓｉ（屈折率ｎが３．５）の他にＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＴｅ、Ｇｅ、ＬｉＮｂＯ３  、ＬｉＴａＯ３  、ＢａＴｉＯ３  、ＺｎＯ、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ４等の導電性を備えた第２の高誘電体材料から構成しても良い。
Ｓｉの置き換え材料として使用できるこれらの材料の屈折率は、ＧａＰ＝３．４５、ＧａＡｓ＝３．４、ＩｎＰ＝３．２９、ＺｎＴｅ＝９．６１、Ｇｅ＝４．１、ＬｉＮｂＯ３  ＝２．２、ＬｉＴａＯ３  ＝２．２、ＢａＴｉＯ３  ＝２．４、ＺｎＯ＝２．０、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４＝１．５、ＫＨ２ＰＯ４＝１．５となり、いずれの材料も高誘電率を示している。また、このフォトニック結晶導波路Ｂでは、誘電率を電界で制御できる第２の誘電率電界変化型物質である柱状体（第３の誘電体部材）１３の屈折率と第４の誘電体部材１６の屈折率の差が大きい方がバンドギャップを広くできる点で好ましいため、第４の誘電体部材１６に用いる材料としては、屈折率が３程度以上を示すものを用いるのが好ましい。
【００４１】
上記第３の誘電体部材である柱状体１３…は、基板１１、１２のうちのどちらか一方をエッチング等の手段で蝕刻して形成されたもので、本実施の形態においては先の光源４から発光される特定の光の波長の数分の１程度の間隔で複数形成されてこれら複数の柱状体１３…の集合により周期構造部（第２の周期構造部）１３Ａが構成されている。
本実施の形態において特定波長の光を用いてこの波長の光の透過（通過）と不通を制御しようとする場合、隣接する柱状体１３の中心どうし間隔Ｐ２は上記特定の光の波長λの数分の１（０．２λ〜０．８λ）程度、円柱状の柱状体３の径Ｄ２は上記特定の光の波長λの数分の１（０．２λ〜０．８λ）程度とされ、さらに具体的には波長１５５０ｎｍの光を用いてこの波長の光の透過（通過）と不通を制御しようとする場合、例えば隣接する柱状体１３の中心どうし間隔Ｐ２を０．３μｍ〜１．１μｍの範囲、円柱状の柱状体１３の径Ｄ２を０．１４μｍ〜０．５μｍの範囲で選択することができる。
【００４２】
上記第４の誘電体部材１６としては、空気の他に液晶を用いてもよい。上記液晶としては例えば誘電率が２〜３のネマチック液晶を用いることができる。
【００４３】
また、このフォトニック結晶導波路Ｂでは、図１に示すように第２の周期構造部１３Ａにおいて複数の柱状体１３…の一部が直線状に省略された領域が設けられており、言い換えれば、フォトニック結晶導波路Ｂの光偏向素子Ａの設置側からこの光偏向素子Ａの設置側と反対側にかけて複数の柱状体１３…の一部が省略された領域が複数設けられて、複数の導波路２２・・・（本実施形態では二本の導波路）が形成されている。
これら複数の導波路２２・・・は、光偏向素子Ａに外部から入射した特定波長の光Ｌの屈折角度に対応して設けられており、言い換えれば、光偏向素子Ａから出射される特定波長の光の出射方向に対応して設けられている。一方の導波路２２ａは、電界無印加状態の光偏向素子Ａに外部から特定波長の光Ｌを入射したときの特定波長光の屈折角度に対応して（電界無印加状態の光偏向素子Ａから出射される特定波長の光Ｌ１に対応して）設けられており、他方の導波路２２ｂは電界印加状態の光偏向素子Ａに外部から特定波長の光を入射したときの特定波長の光Ｌの屈折角度に対応して（電界印加状態の光偏向素子Ａから出射される特定波長の光Ｌ２に対応して）設けられている。
【００４４】
図１に示す光スイッチでは、例えば波長１５５０ｎｍの特定の光Ｌをフォトニック結晶導波路Ｂに入射させる（ここで光Ｌを入射させる部分は周期構造部１３Ａに欠陥を導入した部分以外である）と、複数の柱状体１３・・・が形成する周期構造部１３Ａと、これら柱状体間の間隙に充填された空気１６とからフォトニック結晶が構成されているので、このフォトニック結晶は光に対するフォトニックバンドギャップを生成する。ここで光のフォトニックバンドギャップとは、特定振動数の光が伝搬できない振動数領域を示す。
フォトニック結晶導波路Ｂに入射させる特定の光Ｌの波長が１５５０ｎｍである場合、フォトニックバンドギャップは１４５０ｎｍ〜１５５０ｎｍ（０．８６ｅＶ〜０．８ｅＶ）となるので、柱状体１３…を周期的に配置した周期構造部１３Ａが存在する部分は１４５０ｎｍ〜１５５０ｎｍの範囲の波長の光を反射して透過させない。
【００４５】
これに対して柱状体１３を略した導波路２２の部分に波長１５５０ｎｍの特定の光Ｌを入射させると、導波路２２の部分は光の通過可能であり、また、この導波路２２から外れた領域では光が存在し得ないので、導波路２２に沿って光は透過（通過）することとなる。すなわち、周期構造部１３Ａにおいて複数の柱状体１３の一部を略した構造においては、周期構造部１３Ａに欠陥を導入したことと等価となり、この欠陥部分においてはフォトニックバンドギャップの影響を受けることがない。
【００４６】
本実施形態の光スイッチの動作について例を挙げて説明する。
光源４から電界無印加状態の光偏向素子Ａに特定波長の光Ｌを入射すると、この光Ｌは通常の屈折角度で屈折し、この通常の屈折角度で屈折した光Ｌ１はフォトニック結晶導波路Ｂに出射され、この光Ｌ１は導波路２２ａに沿って透過し、フォトニック結晶導波路Ｂの導出側（光偏向素子Ａ側と反対側）から導出される。
光源４から電界印加状態の光偏向素子Ａに特定波長の光Ｌを入射すると、この光Ｌは通常の屈折角度とはΔθｒだけ異なる屈折角度で屈折し、この通常の屈折角度と異なる屈折角度で屈折した光Ｌ２はフォトニック結晶導波路Ｂに出射され、この光Ｌ２は導波路２２ｂに沿って透過し、フォトニック結晶導波路Ｂの導出側（光偏向素子Ａ側と反対側）で、上記光Ｌ１が導出された位置と異なる位置から導出される。
なお、導波路２２の途中において導波路２２から光が外れようとしても、導波路２２の周囲に存在する複数の柱状体１３からなる周期構造部１３Ａが光を反射するので光は確実に導波路２２に添って伝搬され、フォトニック結晶導波路Ｂの導出側（光偏向素子Ａ側と反対側）に確実に導出される。
【００４７】
図１に示す光スイッチに備えられるフォトニック結晶導波路Ｂを製造するには、例えば、一方側のＳｉからなる基板１１に対し、この基板１１の表面を酸化処理して表面酸化層１７を形成する。次に、例えば図３に示すように基板１１の表面酸化層１７を形成した側の面の周縁部に添って環状に透明のシール材１５を配置する。
また、他方側のＳｉからなる基板２に対し、化学的エッチング、あるいは、イオンビームエッチング等の物理的エッチング手段を用いて基板２の表面を蝕刻して図４に示すような多数の柱状体（第３の誘電体部材）１３…を基板１２の表面上に形成し、また、周期構造部１３Ａに欠陥を設ける部分には柱状体は形成しないことで導波路２２を形成する。
【００４８】
化学的なエッチングを行うには、基板１２の表面にレジストを塗布し、それに露光装置等で柱状体の周期構造に対応するように露光して描画し、描画部分のみのレジストを現像液で溶かし取り、多数の穴部をあけ、これらの穴部を利用してエッチング液に浸漬する化学的なエッチングを行えば良い。物理的なエッチングを行うには、Ｓｉ基板をＳＦ６プラズマ等でエッチングして蝕刻し、複数の柱状体１３…を形成する方法で行うことができる。
【００４９】
また、これらの方法の他に高く切り立った円柱状の柱状体を形成する方法として、以下の方法を採用しても良い。
まず、Ｓｉウエハ上に電子ビーム露光に感応性を有する例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のレジストを塗布し、それに電子ビームで周期構造を描画し、電子ビーム描画部分のＰＭＭＡを現像液で溶かし取り、窓をあけ、厚さ１ｎｍ程度の鉄の原子を蒸着し、その後にＰＭＭＡレジストをリフトオフにより除去する。これにより、基板表面で鉄原子が凝集し、電子ビームで描画して窓あけした部分のみに鉄のクラスタを形成できる。次にこれをＳＦ６ガスのプラズマでエッチングし、試料温度やガス圧等のエッチング条件を選定すると、鉄のクラスタの周辺部分のみがエッチングされずに残り、大きさの揃ったＳｉの柱状体を多数加工することができる。この時に鉄のクラスタはそれ自身がエッチングマスクとして機能するのではなく、プラズマからＳＸＦＸなどの反応生成物を凝縮し、大きさの揃ったエッチングマスクを形成する核としての機能を奏する。このように鉄のクラスタはエッチング耐性の高いマスクを形成する能力があり、この機能を利用することで大きさの揃ったＳｉの円柱を加工することができる。
この方法により例えば、直径４０ｎｍで高さ１μｍのＳｉの柱状体を２７０ｎｍ程度の間隔で平面視正方格子の頂点位置あるいは三角格子の頂点位置に多数配列した周期構造部を確実に作製することができる。
図１に示す光スイッチに備えられる光偏向素子Ａの製造方法は、周期構造部に欠陥を設けず、二枚の基板の材料として上記の第１の高誘電体材料を用いる以外は上述したフォトニック結晶導波路Ｂの製造方法と同様にして製造することができる。
【００５０】
以上のことから本実施形態の光スイッチでは、光偏向素子Ａに入射した特定波長の光Ｌの屈折角度に対応する導波路２２をフォトニック結晶導波路Ｂに予め複数設けておけば、電気光学フォトニック結晶に印加する電界の大きさが変更されて、この電気光学フォトニック結晶に入射させた特定波長の光Ｌの屈折角度が変わり、電気光学フォトニック結晶から出射される特定波長の光（出射光）の出射方向が変わると、この出射光は上記フォトニック結晶導波路Ｂに設けられた複数の導波路２２のうち上記特定波長光の屈折角度に対応した導波路２２を透過（通過）して伝搬するので、上記特定波長の伝搬光が出射される方向を高速度で切り替えることができ、例えば、切り替え速度をμｓｅｃ以上とすることができる。また、光偏向素子Ａを構成する電気光学フォトニック結晶だけでなく、上記フォトニック結晶導波路Ｂも小型化できるので、小型の光スイッチを実現でき、例えば、光スイッチのサイズを数ｍｍ程度とすることができる。
【００５１】
なお、上記のような背景から、シール材５やシール材１５において光が入射される部分は少なくとも透光性好ましくは透明である必要があり、また、光が出射される部分は透光性好ましくは透明である必要がある。このような背景から、シール材５とシール材１５は全体が透明であることが好ましい。
【００５２】
また、図１に示す構造の電気光学フォトニック結晶にあっては複数の柱状体３のみを上記第１の高誘電率体材料から形成すれば良いので、基板１、２の全体を上記第１の高誘電率体材料で形成する必要はなく、基板１、２を高誘電率ではない他の一般的な基板材料で形成し、柱状体３…のみを上記第１の高誘電率体材料から形成しても良いのは勿論であり、また、フォトニック結晶導波路Ｂについても基板１１、１２を高誘電率ではない他の一般的な基板材料で形成し、柱状体１３…のみを上記第２の高誘電率体材料から形成しても良いのは勿論である。
【００５３】
また、図１に示す構造の電気光学フォトニック結晶にあっては基板１、２の空気６側の面に金属電極や透明電極層層などの電極層を別途形成し、この電極層から周期構造部３Ａに電界を印加できる構成とするならば目的を達成することができるので、イオンドープしたＬｉＮｂＯ３  基板等の導電体で基板１、２を形成する必然性はない。従って、基板１、２を高誘電率体材料ではない絶縁体で形成し、絶縁体基板の対向面側にＩＴＯ（インジウム錫酸化物）層、金属電極層などの電極層を別途形成し、絶縁体基板間に第１の高誘電率体材料からなる複数の柱状体３を配置した構造を採用することも可能である。
【００５４】
ところで、本実施の形態においては電気光学フォトニック結晶やフォトニック結晶導波路に備えられる周期構造部が高誘電率体材料製の柱状体の集合体から構成されているので、２次元的な周期構造部とされているが、周期構造部は３次元的な構造とされていても差し支えない。例えば、単純な柱状体を配列したのみの構造ではなく、柱状体を井桁状に組み上げた３次元立体構造の周期構造部からなる構成でも良い。また、ここでの３次元立体構造は、枝分かれ立体形状や網目立体構造あるいは不定形誘電体部材の組み上げ立体形状など種々の立体形状で差し支えない。
【００５５】
なお、上記実施形態においては、光偏向素子Ａを構成する電気光学フォトニック結晶では、第１の周期構造部３Ａを第１の誘電体部材３を複数相互に離間した構成とし、第１の誘電体部材３の周囲であって基板１、２とシール材５とで囲まれた空間部に第２の誘電体部材６を充填した場合について説明したが、基板１、２とシール材５とで囲まれた領域に上記第１の誘電体部材からなる本体部を形成し、この本体部に穴部を複数相互に間隔を開けて周期的に形成し、これら穴部に上記第２の誘電体部材を充填して第１の周期構造部が形成された構成としてもよい。
また、フォトニック結晶導波路Ｂを構成するフォトニック結晶では、第２の周期構造部１３Ａを第３の誘電体部材１３を複数相互に離間した構成とし、第３の誘電体部材１３の周囲であって基板１１、１２とシール材１５とに囲まれた空間部に第４の誘電体部材１６を充填した場合について説明したが、基板１、２とシール材５とで囲まれた領域に上記第３の誘電体部材からなる本体部を形成し、この本体部に穴部を複数相互に間隔を開けて周期的に形成し、これら穴部に上記第４の誘電体部材を充填して第２の周期構造部が形成された構成としてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の光偏向素子によれば、外部から入射させた光の屈折角を高速度で変更して光の透過する向きを変えることができ、しかも小型化が可能な光偏向素子を実現できる。
また、本発明の光スイッチによれば、上記光偏向素子と上記フォトニック結晶導波路を備えたことにより、特定波長の伝搬光が通過する方向を高速度で切り替えでき、しかも小型化が可能な光スイッチを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る第１の実施の形態の光スイッチの概略構成を示す平面図。
【図２】図２は図１に示す第１の実施形態の光スイッチの概略構成を示す断面図。
【図３】図３は図１に示す光スイッチに備えられたフォトニック結晶導波路を構成する一方の基板の分解斜視図。
【図４】図４は図１に示す光スイッチに備えられたフォトニック結晶導波路を構成する他方の基板の分解斜視図。
【符号の説明】
Ａ…光偏向素子、Ｂ・・・フォトニック結晶導波路、Ｌ・・・特定波長の光、１、２…基板（電極）、３…柱状体（第１の誘電体部材）、３Ａ…周期構造部（第１の周期構造部）、４…光源、５、１５…シール材、６…空気（第２の誘電体部材）、７・・・酸化層、８・・・酸化層、９Ａ・・・接続線、９Ｂ・・・接続線、１０・・・可変電源装置、１０ａ・・・スイッチ装置、１１、１２…基板、１３…柱状体（第３の誘電体部材）、１３Ａ…周期構造部（第２の周期構造部）、１６…空気（第４の誘電体部材）、１７・・・酸化層、１８・・・酸化層、２２・・・導波路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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