(57)【要約】【課題】高集積化することができる２次元フォトニック結晶を用いた光スイッチ、光通信用装置及び光通信システムを提供する。【解決手段】本発明に係る光スイッチ１０００は、基板１０と、基板１０の上に配置される第１のスラブ層３１及び第２のスラブ層３３と、基板１０の上に配置され、第１のスラブ層３１と第２のスラブ層３３との間に配置される第３のスラブ層３２と、第１のスラブ層３１に対して設けられ、スラブ層３１を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域４０と、を含み、スラブ層３１〜３３は、２次元フォトニック結晶構造を有し、導波路として機能する線状欠陥と、光放出用の点状欠陥１０１と、光導入用の点状欠陥１０２と、を含み、第１のスラブ層３１及び第２のスラブ層３３の光導入用の点状欠陥１０２と、第３のスラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１とが、対向する位置に配置され、第１のスラブ層３１及び第２のスラブ層３３の光放出用の点状欠陥１０１と、第３のスラブ層３２の光導入用の点状欠陥１０２とが、対向する位置に配置される。【選択図】　　　　図１
2004093787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に配置される第１のスラブ層及び第２のスラブ層と、
前記基板の上に配置され、前記第１のスラブ層と前記第２のスラブ層との間に配置される第３のスラブ層と、
前記第１のスラブ層、前記第２のスラブ層及び前記第３のスラブ層のいずれかのスラブ層に対して設けられ、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域と、を含み、
前記スラブ層のそれぞれは、
低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、
前記２次元フォトニック結晶構造の一部に形成され、導波路として機能する線状欠陥と、
前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して当該光を放出する光放出用の点状欠陥と、
前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥と、を含み、
前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層の前記光導入用の点状欠陥と、前記第３のスラブ層の光放出用の点状欠陥とが、対向する位置に配置され、
前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層の前記光放出用の点状欠陥と、前記第３のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置される、光スイッチ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層は、それぞれ複数配置され、
複数の前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層には、それぞれ異なる波長を捕獲する前記点状欠陥が形成され、
前記第３のスラブ層には、複数の前記第１のスラブ層及び第２のスラブ層に形成された前記点状欠陥に対応する前記点状欠陥が形成され、
同じ波長を捕獲する点状欠陥が配置された前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層は、前記第３のスラブ層からの距離が等しくなる位置に配置される、光スイッチ。
【請求項３】
基板と、
前記基板の上に配置される第１のスラブ層及び第２のスラブ層と、
前記第１及び第２のスラブ層のいずれかに対して設けられ、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域と、を含み、
前記スラブ層のそれぞれは、
低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、
前記２次元フォトニック結晶構造の一部に形成され、導波路として機能する線状欠陥と、を含み、
前記第１のスラブ層は、
前記２次元フォトニック結晶構造内に複数形成され、前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して当該光を放出する光放出用の点状欠陥を含み、
前記第２のスラブ層は、
前記２次元フォトニック結晶構造内に複数形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥を含み、
前記第１のスラブ層の前記光放出用の点状欠陥と、前記第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置される、光スイッチ。
【請求項４】
基板と、
前記基板の上に配置される第１のスラブ層及び第２のスラブ層と、
前記第１及び第２のスラブ層のいずれかに対して設けられ、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域と、を含み、
前記スラブ層のそれぞれは、
低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、
前記２次元フォトニック結晶構造の一部に形成され、導波路として機能する線状欠陥と、
前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して当該光を放出する光放出用の点状欠陥と、
前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥と、を含み、
前記第１のスラブ層の前記光放出用の点状欠陥と、前記第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置され、
前記第１のスラブ層の前記光導入用の点状欠陥と、前記第２のスラブ層の光放出用の点状欠陥とが対向する位置に配置される、光スイッチ。
【請求項５】
請求項３、４のいずれかにおいて、
前記第２のスラブ層は、複数配置され、
複数の前記第２のスラブ層には、それぞれ異なる波長を捕獲する前記光導入用の点状欠陥が形成され、
前記第１のスラブ層には、複数の前記第２のスラブ層に形成された前記光導入用の点状欠陥に対応する前記光放出用の点状欠陥が形成される、光スイッチ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記位相制御領域は、前記線状欠陥の屈折率を変化させることにより、光の位相を制御可能に形成されている、光スイッチ。
【請求項７】
請求項６において、
前記位相制御領域は、一対の電極対を含み、当該電極対から加えられる電界により当該線状欠陥の屈折率を変化させる、光スイッチ。
【請求項８】
請求項６において、
前記位相制御領域は、加熱部を含み、当該加熱部により加えられる熱により当該線状欠陥の屈折率を変化させる、光スイッチ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記点状欠陥は、形状によって捕獲される光の波長が異なる、光スイッチ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、
前記点状欠陥は、上下非対称の柱状構造である、光スイッチ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかにおいて、
前記スラブ層の面に対して前記点状欠陥の一方の側に前記特定の波長の光を反射する反射部材が配置される、光スイッチ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかにおいて、
各前記スラブ層の上下には、該スラブ層の材料より屈折率が低いクラッド層が存在する、光スイッチ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかにおいて、
前記線状欠陥の一方又は双方の端部が前記低屈折率領域の周期的な配列によって閉じられている、光スイッチ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかにおいて、
前記線状欠陥は、該線状欠陥を含む前記スラブ層に対して少なくとも上下いずれか一方に配置される他の前記スラブ層の前記線状欠陥と重ならない位置に配置される、光スイッチ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかにおいて、
前記低屈折率領域の配列は、三角格子状または正方格子状の配列である、光スイッチ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかにおいて、
前記低屈折率領域は、前記スラブ層に形成された溝および貫通孔の少なくとも一方である、光スイッチ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載された光スイッチを含む光通信用装置。
【請求項１８】
請求項１〜１６のいずれかに記載された光スイッチを含む光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元フォトニック結晶構造を利用した光スイッチ、光通信用装置及び光通信システムに関する。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、通信システムの大容量化が要求されており、大量の情報を所定の光波長帯にのせて光ファイバによって伝送することができる光通信技術を利用した光学部品の開発が活発に行われている。特に、伝送路となる光ファイバや光送受信端末装置などを切換えるための制御用素子として用いられる光スイッチは、光通信技術において重要な部品の一つとされている。
【０００３】
この光スイッチは、接続の切換えを光によって行うことができるため、非常に高速な動作が可能で、電気のように伝送路の影響を受けにくいという特徴を有している。このような光スイッチとしては、マッハツェンダ型、方向性結合器型など種々の方式を用いたものが提案されているが、いずれも２次元平面内で光信号の処理を行うように形成されているため、大量の光信号を処理しようとすると平面形状が大きくなってしまう。そこで、システムの高集積化のための各光部品の小型化が望まれている。
【０００４】
本発明の目的は、高集積化することができる２次元フォトニック結晶を用いた光スイッチ、光通信用装置及び光通信システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係る光スイッチは、
基板と、前記基板の上に配置される第１のスラブ層及び第２のスラブ層と、
前記基板の上に配置され、前記第１のスラブ層と前記第２のスラブ層との間に配置される第３のスラブ層と、前記第１のスラブ層、前記第２のスラブ層及び前記第３のスラブ層のいずれかのスラブ層に対して設けられ、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域と、を含み、
前記スラブ層のそれぞれは、低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、前記２次元フォトニック結晶構造の一部に形成され、導波路として機能する線状欠陥と、前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して当該光を放出する光放出用の点状欠陥と、前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥と、を含み、
前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層の前記光導入用の点状欠陥と、前記第３のスラブ層の光放出用の点状欠陥とが、対向する位置に配置され、前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層の前記光放出用の点状欠陥と、前記第３のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置される。
【０００６】
本明細書において、「〜の上に」とは、直接その上にという意味の他に、所定の層を介している場合も含まれる。
【０００７】
本発明に係る光スイッチは、基板上に第１〜第３のスラブ層が配置されたマッハツェンダ型の光スイッチを構成する。かかる第１〜第３のスラブ層は、いずれも低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、この２次元フォトニック結晶構造内に形成される線状欠陥及び点状欠陥を用いて光の出力、非出力を制御する。
【０００８】
各スラブ層において２次元フォトニック結晶構造内に形成される線状欠陥は、低屈折率領域の周期的な配列の一部を線状に抜き取ったような構造で光を伝搬する導波路として機能する。２次元フォトニック結晶構造では、低屈折率領域の周期的な配列によって形成されるフォトニックバンドギャップによって光の伝搬が規制されるため、各スラブ層内では、線状欠陥内に光が閉じ込められて伝搬する。
【０００９】
また、各スラブ層のいずれか一つのスラブ層に対しては、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域が形成される。本発明に係る光スイッチでは、この位相制御領域において、スラブ層の線状欠陥を通過する光の位相を制御することにより、分波された特定の波長の光を合波した際の光の出力、非出力を制御することができる。
【００１０】
また、各スラブ層において２次元フォトニック結晶構造内に形成される点状欠陥は、低屈折率領域の周期的な配列の乱れを利用して特定の波長を捕獲する機能を有する。この点状欠陥は、例えば、線状欠陥の近傍に形成されると、線状欠陥を通過する特定の波長の光を捕獲して外部に放出する光放出用の点状欠陥として機能し、また、スラブ層の外部から特定の波長の光を捕獲して線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥として機能する。
【００１１】
また、本発明に係る光スイッチでは、第１のスラブ層と第２のスラブ層との間に第３のスラブ層が配置され、第１のスラブ層及び第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥と、第３のスラブ層の光放出用の点状欠陥とが、対向する位置に配置される。これにより、第３のスラブ層から光放出用点状欠陥によって分波して放出された光が第１及び第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥から当該第１及び第２のスラブ層に導入される。
【００１２】
さらに、本発明に係る光スイッチでは、第１のスラブ層及び第２のスラブ層の光放出用の点状欠陥と、第３のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置される。これにより、第１及び第２のスラブ層の線状欠陥を通過する光が光放出用の点状欠陥によって層外へ放出され、第３のスラブ層の光導入用の点状欠陥から当該第３のスラブ層に導入されて光が合波される。
【００１３】
なお、本発明に係る光スイッチは、分波された光が等しい光路長を経て合波されることを用いて、光の選択出力を実現するものである。そこで、各点状欠陥は、第３のスラブ層の光放出用の点状欠陥から第１及び第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥までの距離、及び第３のスラブ層の光導入用の点状欠陥から第１及び第２のスラブ層の光放出用の点状欠陥までの距離がそれぞれ等しくなるように、配置されることが望ましい。
【００１４】
また、第１及び第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥において捕獲される光の量及び第３のスラブ層の光導入用の点状欠陥において第１及び第２のスラブ層の光放出用の点状欠陥から放出された光が捕獲される量についてもそれぞれ等しくなるように配置されることが望ましい。
【００１５】
こうして、本発明に係る光スイッチでは、各スラブ層に配置された光放出用の点状欠陥による光の分波と、光導入用の点状欠陥による光の合波と、いずれかのスラブ層の線状欠陥に形成される位相変化領域での光の位相制御との組合せによって、最終的に合波された光の出力、非出力が制御されて光のスイッチングを行うことができる。
【００１６】
従って、本発明によれば、スラブ層の積層構造によって特定の波長の光を選択的に出力することができる新規な構造で、高集積化が可能な光スイッチを実現することができる。
【００１７】
また、本発明に係る光スイッチにおいて、前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層は、それぞれ複数配置され、複数の前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層には、それぞれ異なる波長を捕獲する前記点状欠陥が形成され、前記第３のスラブ層には、複数の前記第１のスラブ層及び第２のスラブ層に形成された前記点状欠陥に対応する前記点状欠陥が形成され、同じ波長を捕獲する点状欠陥が配置された前記第１のスラブ層及び前記第２のスラブ層は、前記第３のスラブ層からの距離が等しくなる位置に配置することができる。
【００１８】
かかる構成によれば、複数の波長において、各波長の光を選択的に出力可能とすることができる。
【００１９】
（２）また、本発明に係る光スイッチは、
基板と、前記基板の上に配置される第１のスラブ層及び第２のスラブ層と、前記第１及び第２のスラブ層のいずれかに対して設けられ、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域と、を含み、
前記スラブ層のそれぞれは、低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、前記２次元フォトニック結晶構造の一部に形成され、導波路として機能する線状欠陥と、を含み、
前記第１のスラブ層は、前記２次元フォトニック結晶構造内に複数形成され、前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して当該光を放出する光放出用の点状欠陥を含み、
前記第２のスラブ層は、前記２次元フォトニック結晶構造内に複数形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥を含み、
前記第１のスラブ層の前記光放出用の点状欠陥と、前記第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置される。
【００２０】
本発明に係る光スイッチによれば、第１のスラブ層及び第２のスラブ層は、上記（１）で説明した光スイッチと同様に２次元フォトニック結晶構造を有し、この２次元フォトニック結晶構造内に導波路として機能する線状欠陥が設けられている。そして、第１のスラブ層には、線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して放出するための光放出用の点状欠陥が複数形成され、第２のスラブ層には、特定の波長の光を捕獲して線状欠陥に導入するための光導入用の点状欠陥が複数形成される。また、第１及び第２のスラブ層のいずれかに対しては、当該スラブ層を通過する光の位相を制御するための位相制御領域が設けられている。
【００２１】
本発明に係る光スイッチでは、例えば、第１のスラブ層から光を入射して、第２のスラブ層から光を出射することができる。具体的には、第１のスラブ層の線状欠陥に光が入射されると、入射光の一部が光放出用の点状欠陥により捕獲されて層外へ放出される。すなわち、入射光は、第１のスラブ層の光放出用の点状欠陥において、分波される。
【００２２】
この分波された一方の光は、第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥から第２のスラブ層の線状欠陥に導入されて、当該スラブ層内を通過する。残りの分波光は、第１のスラブ層の線状欠陥を通過することになる。そして、第１のスラブ層を通過する分波光は、光放出用の点状欠陥から層外に放出されて第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥から第２のスラブ層内に導入される。これにより、分波光は、第２のスラブ層において合波される。
【００２３】
このとき、第１のスラブ層の光放出用の点状欠陥と第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥は対向する位置に配置されており、各スラブ層を通過して第２のスラブ層で合波されるまでの分波光の光路長は等しくなるため、各分波光の位相も等しくなる。したがって、本発明に係る光スイッチは、第１及び第２のスラブ層のいずれかを通過する分波光について、位相制御領域によって光の位相を制御することによって、合波の際の分波光どうしの干渉を利用して光を選択的に出力することができる。
【００２４】
よって、本発明においても、スラブ層の積層構造によって特定の波長の光を選択的に出力することができる新規な構造で、高集積化が可能な光スイッチを実現することができる。
【００２５】
（３）また、本発明に係る光スイッチは、
基板と、前記基板の上に配置される第１のスラブ層及び第２のスラブ層と、前記第１及び第２のスラブ層のいずれかに対して設けられ、当該スラブ層を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域と、を含み、
前記スラブ層のそれぞれは、低屈折率領域が周期的に配列された２次元フォトニック結晶構造を有し、前記２次元フォトニック結晶構造の一部に形成され、導波路として機能する線状欠陥と、前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、前記線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して当該光を放出する光放出用の点状欠陥と、前記２次元フォトニック結晶構造内に形成され、特定の波長の光を捕獲して前記線状欠陥に当該光を導入する光導入用の点状欠陥と、を含み、
前記第１のスラブ層の前記光放出用の点状欠陥と、前記第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥とが、対向する位置に配置され、前記第１のスラブ層の前記光導入用の点状欠陥と、前記第２のスラブ層の光放出用の点状欠陥とが対向する位置に配置される。
【００２６】
本発明に係る光スイッチによれば、第１のスラブ層及び第２のスラブ層は、上記（１）で説明した光スイッチと同様に２次元フォトニック結晶構造を有し、この２次元フォトニック結晶構造内に導波路として機能する線状欠陥が設けられている。そして、第１及び第２のスラブ層には、それぞれ線状欠陥から特定の波長の光を捕獲して放出するための光放出用の点状欠陥と、特定の波長の光を捕獲して線状欠陥に導入するための光導入用の点状欠陥とが形成される。また、第１及び第２のスラブ層のいずれかに対しては、当該スラブ層を通過する光の位相を制御するための位相制御領域が設けられている。
【００２７】
本発明に係る光スイッチでは、例えば、第１のスラブ層から光を入射及び出射を行うことができる。具体的には、第１のスラブ層の線状欠陥に光が入射されると、入射光の一部が光放出用の点状欠陥により捕獲されて層外へ放出される。すなわち、入射光は、第１のスラブ層の光放出用の点状欠陥において、分波される。
【００２８】
この分波された一方の光は、第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥から第２のスラブ層の線状欠陥に導入されて、当該スラブ層内を通過する。残りの分波光は、第１のスラブ層の線状欠陥を通過することになる。そして、第２のスラブ層を通過する分波光は、光放出用の点状欠陥から層外に放出されて、第１のスラブ層の光導入用の点状欠陥から第１のスラブ層内に導入される。これにより、分波光は、第１のスラブ層において合波される。
【００２９】
このとき、第１のスラブ層の光放出用の点状欠陥と第２のスラブ層の光導入用の点状欠陥は対向する位置に配置されており、各スラブ層を通過して第１のスラブ層で合波されるまでの分波光の光路長は異なるが、例えば、スラブ層間の距離を調整することにより各分波光の位相を等しくすることで、実効的な光路長を等しくすることができる。また、第１及び第２のスラブ層に設けられる位相制御領域によって、通過光の位相を常時制御することによっても、実効的な光路長を等しくすることができる。したがって、本発明に係る光スイッチにおいても、上記（２）に記載された光スイッチの場合と同様に、光を選択的に出力することができる。
【００３０】
よって、本発明においても、スラブ層の積層構造によって特定の波長の光を選択的に出力することができる新規な構造で、高集積化が可能な光スイッチを実現することができる。
【００３１】
また、本発明に係る上記（２）または（３）の光スイッチにおいて、前記第２のスラブ層は、複数配置され、複数の前記第２のスラブ層には、それぞれ異なる波長を捕獲する前記光導入用の点状欠陥が形成され前記第１のスラブ層には、複数の前記第２のスラブ層に形成された前記光導入用の点状欠陥に対応する前記光放出用の点状欠陥を形成することができる。
【００３２】
かかる構成によれば、複数の波長において、各波長の光を選択的に出力可能とすることができる。
【００３３】
また、本発明に係る光スイッチは、以下の態様を取り得る。
【００３４】
（Ａ）前記位相制御領域は、前記線状欠陥の屈折率を変化させることにより、光の位相を制御可能に形成することができる。
【００３５】
かかる構成によれば、線状欠陥の屈折率を変化させて、当該線状欠陥を通過する光の位相を早めたり、遅くしたりすることにより線状欠陥を通過する光の位相を制御することができる。
【００３６】
（Ｂ）前記位相制御領域は、一対の電極対を含み、当該電極対から加えられる電界により当該線状欠陥の屈折率を変化させることができる。
【００３７】
かかる構成のよれば、一対の電極対に加えられた電圧により生ずる電界によって線状欠陥内に対して電気光学効果を誘起し、屈折率を変化させて通過光の位相を制御することができる。
【００３８】
（Ｃ）前記位相制御領域は、加熱部を含み、当該加熱部により加えられる熱により当該線状欠陥の屈折率を変化させることができる。
【００３９】
かかる構成によれば、例えば、電極層を設けて、この電極層に電流を加えることにより発生する熱を利用して線状欠陥に対して熱光学効果を誘起し、屈折率を変化させて通過光の位相を制御することができる。
【００４０】
（Ｄ）前記点状欠陥は、形状によって捕獲される光の波長が異なるものとすることができる。
【００４１】
かかる構成によれば、種々の形状の点状欠陥を各スラブ層に形成することによって所望の波長の光をスイッチング制御することができる。
【００４２】
なお、本明細書において、点状欠陥について「異なる形状」という場合、点状欠陥の平面形状が異なる場合に限らず、点状欠陥の大きさが異なる場合を含む。
【００４３】
（Ｅ）前記点状欠陥は、上下非対称の柱状構造とすることができる。
【００４４】
かかる構成によれば、点状欠陥において捕獲された光が放出／導入時に漏れることにより生じる損失を防ぐことができる。
【００４５】
（Ｆ）前記スラブ層の面に対して前記点状欠陥の一方の側に前記特定の波長の光を反射する反射部材を配置することができる。
【００４６】
かかる構成においても、点状欠陥において捕獲された光の放出／導入時における損失を反射により防ぐことができる。
【００４７】
（Ｇ）各前記スラブ層の上下には、該スラブ層の材料より屈折率が低いクラッド層が存在することができる。
【００４８】
かかる構成によれば、クラッド層によって、スラブ層の面に垂直な方向に対しても確実に線状欠陥内に光を閉じ込めることができる。
【００４９】
（Ｈ）前記線状欠陥の一方又は双方の端部が前記低屈折率領域の周期的な配列によって閉じられた構造とすることができる。
【００５０】
かかる構成によれば、一方の端部を閉じた構造とすることにより光の出射方向を一方の端面側に制御することができ、双方の端部を閉じた構造とすることにより、導入した光を端部から漏らすことなくスラブ層内に閉じ込めておくことができる。
【００５１】
（Ｉ）前記線状欠陥は、該線状欠陥を含む前記スラブ層に対して少なくとも上下いずれか一方に配置される他の前記スラブ層の前記線状欠陥と重ならない位置に配置することができる。
【００５２】
かかる構成によれば、導波路として機能する線状欠陥どうしの積層方向における干渉を防止することができるとともに、スラブ層間の距離を縮小してより小型化することができる。
【００５３】
（Ｊ）前記低屈折率領域の配列は、三角格子状または正方格子状の配列とすることができる。
【００５４】
（Ｋ）前記低屈折率領域は、前記スラブ層に形成された溝および貫通孔の少なくとも一方とすることができる。
【００５５】
（Ｌ）また、本発明に係る光スイッチは、上記いずれかの光スイッチを含む光通信用装置や光通信システムに適用することができる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００５７】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチ１０００の構造について説明する。
【００５８】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチ１０００を模式的に示す断面図である。
【００５９】
本実施形態に係る光スイッチ１０００は、基板１０上にクラッド層２１〜２４を介して積層される複数のスラブ層３１〜３３と、スラブ層３１に対して設けられる位相制御領域４０とを含んで構成される。
【００６０】
基板１０の材料は、例えば、Ｓｉ基板、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２層を有するＳＯＩ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板等の半導体基板、ガラス基板、樹脂基板などを用いることができる。
【００６１】
クラッド層２１〜２４は、スラブ層３１〜３３の材料よりも低屈折率の材料で形成され、スラブ層３１〜３３の面に垂直な方向において光を該スラブ層３１〜３３内に閉じ込める機能を有する。このようなクラッド層２１〜２４の材料は、スラブ層３１〜３３の材料の屈折率との関係で決定され、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか一種またはこれらの任意の組合せによる無機材料、具体的にはＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどが挙げられる。また、上記の他に例えば、空気等の気体や、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート、フェニルメタクリレート、フッ素系ポリマー等の有機材料などをクラッド層２１〜２４の材料として選択することができる。また、クラッド層２１〜２４は、例えば、スピンコート法など公知の成膜方法を用いて形成することができる。
【００６２】
スラブ層３１〜３３は、図２に示すような、２次元フォトニック結晶構造を有するスラブ型導波路を構成する。ここで、２次元フォトニック結晶構造とは、屈折率を変化させた領域（以下、低屈折率領域という。）３００を周期的に配列することにより２次元平面内においてフォトニックバンドギャップを有する構造である。この低屈折領域３００は、スラブ層３１〜３３に貫通孔や溝を形成し、かかる貫通孔や溝の中にスラブ層３１〜３３よりも屈折率の低い例えば、空気などの媒質が充填されて構成される。なお、クラッド層２１〜２４の材料が貫通孔や溝に充填される場合もある。後述する点状欠陥１０１、１０２においても同様である。
【００６３】
ここで、２次元フォトニック結晶構造では、面内方向の光は、上記したフォトニックバンドギャップによって伝搬が禁制される。そして、スラブ層３１〜３３では、この２次元フォトニック結晶構造中の低屈折率領域３００の周期的配列において一部を線状に抜き取ったような構造の線状欠陥２００を導入することによって、この線状欠陥２００内においてのみ光が伝搬されるスラブ型導波路として機能する。なお、スラブ層３１〜３３の線状欠陥２００を通過する光は、スラブ層３１、３２とクラッド層２１〜２４との屈折率差によってスラブ層３１〜３３の面に垂直な方向においても線状欠陥２００内に閉じ込められて伝搬する。
【００６４】
また、スラブ層３１〜３３では、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すような低屈折率領域３００の周期的な配列を採用することができる。
【００６５】
例えば、スラブ層３２では、一方の端部から点状欠陥１０１まで、及び他方の端部から点状欠陥１０２までにおいて線状欠陥２００が形成されていればよいので、図３（Ａ）に示すように、複数の点状欠陥１０１、１０２の間の領域は、低屈折率領域３００の配列によって閉じられた構造とすることができる。このような構成によれば、入射光と出射光とが干渉することなく光のスイッチング動作を行わせることができる。
【００６６】
また、例えば、スラブ層３１、３３では、光を入射及び出射をする必要がないので、線状欠陥２００の双方の端部側を低屈折率領域３００の周期的な配列によって閉じた構造とすることができる。かかる構造によれば、スラブ層３１、３３において、線状欠陥２００の双方の端部から等方的に光が出射されることにより生ずる損失を低減しつつ光を伝搬することができる。また、このような構成により、スラブ層２００における光の入出射方向を制御する必要がある場合にも有用である。なお、スラブ層３１、３３の一方の端部側のみを低屈折率領域３００の周期的な配列で閉じた構造としてもよい。
【００６７】
また、スラブ層３１〜３３において、低屈折率領域３００の平面形状は、図２に示すような円形のものに限られず、四角形、六角形等の多角形状であってもよい。また、低屈折率領域３００は、図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示すように、三角格子状または正方格子状で配列した周期的配列を採用することができる。
【００６８】
さらに、本実施形態に係る光スイッチでは、各スラブ層３１〜３３において、低屈折率領域３００の周期的な配列により形成される２次元フォトニック結晶構造内に、低屈折率領域３００と異なる形状を有する点状欠陥１０１、１０２を形成し、特定の波長λ１の光を外部から捕獲して当該光を層内に導入することや、層内において捕獲した光を外部に放出することができる。すなわち、点状欠陥１０１、１０２は、線状欠陥２００を通過する光を捕獲して外部に放出する機能と、外部の光を捕獲して線状欠陥２００に導入する機能とを有し、各スラブ層３１〜３３において、いずれかの機能を発揮することにより光放出用の点状欠陥又は光導入用の点状欠陥として機能する。ここで、本実施形態に係る光スイッチでは、点状欠陥１０１を光放出用の点状欠陥として用い、点状欠陥１０２を光導入用の点状欠陥として用いる。なお、ここでいう「外部」とは、主として、点状欠陥が設けられたスラブ層と異なる他のスラブ層を意味する。
【００６９】
この点状欠陥１０１、１０２は、上記低屈折率領域３００に対して例えば、大きさや平面形状などが異なるものを選択することにより、かかる形状に対応した特定の波長の光が捕獲されるように形成することができる。例えば、低屈折率領域３００の平面形状を円形とした場合には、点状欠陥１０１、１０２については半径（または直径）の異なる平面形状とすることができる。すなわち、本実施形態に係る光スイッチ１０００においては、かかる構成を採用することにより、種々の形状の点状欠陥１０１、１０２を各スラブ層３１〜３３に形成することによって各形状に対応した様々な波長の光をかかる点状欠陥１０１、１０２によって捕獲して光のスイッチング動作を行うことができる。
【００７０】
また、点状欠陥１０１、１０２は、内部に異なる屈折率の材料を充填することによっても異なる光の波長を捕獲可能に形成することができる。ここで、点状欠陥１０１、１０２において捕獲される光の波長は、上記したように点状欠陥１０１、１０２の大きさや平面形状によって変化する。そこで、点状欠陥１０１、１０２に充填する材料の屈折率が異なるものであれば、点状欠陥１００の実効的な形状が変化し、異なる波長の光を捕獲させることができる。かかる場合においては、点状欠陥１０１、１０２内に充填する材料を例えば、温度により屈折率が変化しやすい材料とすれば、光スイッチ１０００を例えば、温調装置を用いて温度制御することによって、かかる温度制御に応じて点状欠陥１０１、１０２で捕獲される波長を光スイッチ１０００の使用時において変化させることもできる。なお、本実施形態に係る光スイッチ１０００では、スラブ層３１〜３３における点状欠陥１０１、１０２の形状の変更と、点状欠陥１０１、１０２の内部に充填する材料の変更とを組み合わせて所望の波長を捕獲する点状欠陥１０１、１０２を形成することができる。
【００７１】
また、かかる点状欠陥１０１、１０２の形状は、例えば、図５（Ａ）に示すように、柱状構造とすることができる。また、点状欠陥１０１、１０２は、例えば、図５（Ａ）に示すような上下対称の柱状構造とした場合、捕獲された光は、光を外部に放出する際、上下に等方向に放出される。このため、かかる形状を採用することにより、スラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１において分波した光を、スラブ層３２の上下に配置されるスラブ層３１、３３の光導入用の点状欠陥１０２において導入することができる。
【００７２】
また、光放出用の点状欠陥１０１からの放出光の方向を規制する場合には、図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）に示すように上下非対称の形状を採用すると、光は、主として大きく開いた側から放出されるため、放出光の損失を低減させることができ、より正確な光のスイッチング動作が行えるようになる。
【００７３】
なお、点状欠陥１０１、１０２の形状を例えば、図５（Ａ）に示すような上下対称の柱状構造とした場合、いずれか一方の開口側に光反射部材を設けることによって（図示省略）、放出用の点状欠陥１０１においては等方的に放出される光を該反射部材による反射によって光が所望の方向以外へ漏れるのを防止することができ、光導入用の点状欠陥１０２においては一部の光が線状欠陥２００に導入されずに漏れることを防止することができる。従って、このような構成によれば、点状欠陥１０１、１０２において捕獲された光の放出／導入時における損失を反射により防ぐことができるので、捕獲した光を低損失で伝搬させることができる。
【００７４】
ここで、本実施形態に係る光スイッチ１０００では、図１（Ａ）に示すように、上記した特徴を有する点状欠陥１０１、１０２が各スラブ層３１〜３３において対向する位置に配置される。より具体的には、スラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１とスラブ層３１、３３の光導入用の点状欠陥１０２とが対向する位置に配置され、スラブ層３２の光導入用の点状欠陥１０２とスラブ層３１、３３の光放出用の点状欠陥１０１とが対向する位置に配置される。
【００７５】
また、スラブ層３１〜３３の材料としては、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｎ、およびＯのいずれか一種またはこれらの任意の組合せによる無機材料でクラッド層２１〜２４よりも屈折率の高いものを用いることができる。具体的には、Ｓｉ、ＳｉＯ２にＧｅ等を含む不純物を添加したもの、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰなどが例示できる。また、スラブ層３１〜３３の材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート、フェニルメタクリレート、フッ素系ポリマー等の有機材料でクラッド層２１〜２４の材料よりも屈折率の高いものを用いることができる。
【００７６】
そして、かかるスラブ層３１〜３３は、例えば、スピンコート法などの公知の成膜方法を用いて成膜した後に、低屈折領域３００および点状欠陥１０１、１０２を公知のフォトリソグラフィー技術、電子線描画法などを用いてパターニングすることにより形成することができる。
【００７７】
また、かかるスラブ層３１〜３３は、単独で個別に形成することもできる。具体的には、図６（Ａ）に示すように、例えば、Ｓｉの単結晶ウェハ５００を準備する。そして、図６（Ｂ）に示すように、ウェハ５００の所定の領域４００にＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）を用いる電子線描画法や、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）等を用いたフォトリソグラフィー技術によって低屈折率領域３００、点状欠陥１０１、１０２のパターニングを行う。このとき、スラブ層３１〜３３の形状に合わせてスラブ層３１〜３３となる領域の周囲についても例えば、図６（Ｂ）に示すように、分離用パターン６０を形成しておくことができる。なお、スラブ層３１〜３３となる領域の周囲に分離用パターン６０を形成する場合には、スラブ層３１〜３３がパターニング中にウェハ５００から分離しないように支持する支持領域７０を残しておくことが望ましい。
【００７８】
次に、パターニングされたウェハ５００からスラブ層３１〜３３を支持領域７０において（図中の破線部分）、例えば、劈開等をすることにより分離してスラブ層３１〜３３を取り出す。なお、スラブ層３１〜３３は、上記したようにスラブ層３１〜３３となる領域の周囲に分離用パターン６０を形成しない場合には、ウェハ５００を公知の手法を用いてダイシングすることによりスラブ層３１〜３３を切り出すこともできる。
【００７９】
このように、スラブ層３１〜３３を個別に形成する場合には、クラッド層２１〜２４を例えば、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂など接着力の有する材料から形成して積層することにより、スラブ層３１〜３３と他の層とを固定することができる。
【００８０】
なお、スラブ層３１〜３３を単独で個別に形成する方法は、上記したような例えば、単結晶Ｓｉウェハなどの半導体基板を用いる場合に限らず、合成樹脂基板やガラス基板などを用いてもよい。
【００８１】
また、本実施形態に係る光スイッチ１０００には、スラブ層３１の線状欠陥を通過する光の位相を変化させて制御することができる位相制御領域４０が設けられている。なお、位相制御領域４０は、スラブ層３１に対して設ける場合に限られず、スラブ層３３に対して設けることもできる。
【００８２】
この位相制御領域４０は、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すような構成により、スラブ層３１の線状欠陥２００の例えば、屈折率などを変化させることにより、スラブ層３１の線状欠陥２００を通過する光の位相を早くしたり、遅くしたりすることによって制御することができる。
【００８３】
位相制御領域４０は、例えば、図７（Ａ）に示すように、線状欠陥２００の一部の領域の上下に対向するように電極５１、５２から成る電極対を配置した構成とすることができる。かかる構成においては、電極５１、５２に与えられた電圧Ｖ１、Ｖ２により線状欠陥２００内に電界が生じ、電気光学効果により線状欠陥２００の電極対に挟まれた領域で屈折率の変化が生じる。すると、この屈折率の変化によって線状欠陥２００を通過する光の位相を変化させることができる。なお、電極５１、５２に与えられる電圧Ｖ１、Ｖ２は、同じ電位の電圧であってもよいし、異なる電位の電圧であってもよい。また、電極５１、５２は、例えば、金属、合金、酸化物導電体などを材料として例えば、スパッタ法により形成することができる。
【００８４】
また、位相制御領域４０は、例えば、図７（Ｂ）に示すように、線状欠陥２００の一部の領域の上又は下に電極５３からなる加熱部を配置して、この加熱部にから線状欠陥２００に与えられる熱によって生じる熱光学効果によって線状欠陥２００の屈折率を変化させることもできる。より具体的には、電極５３に電流源５５を接続して、この電流源５５から電極５３に電流を与えることにより発生する熱を用いて上記熱光学効果を生じさせる。なお、この電極５３についても、例えば、金属、合金、酸化物導電体などを材料として例えば、スパッタ法により形成することができる。
【００８５】
そして、本実施形態においては、電極５３に流れる電流により発生する熱を利用して線状欠陥２００を加熱する構成を加熱部として採用したが、これに限定されるものではなく、例えば、半導体と金属を組み合わせてペルチェ効果により温度変化を与えることができる加熱部を形成して、より精密な温度制御をすることもできる。
【００８６】
次に、本実施形態に係る光スイッチ１０００の機能について説明する。
【００８７】
本実施形態に係る光スイッチ１０００は、２つの光路を通過する光の位相差を制御して、所定の波長λ１の光を選択的に出力可能に形成されたマッハツェンダ型干渉器の動作原理を応用したものである。
【００８８】
すなわち、本実施形態に係る光スイッチ１０００は、図１（Ａ）に示すように、スラブ層３２の端面から波長λ１の光Ｐｉｎが入射されると、波長λ１の光はスラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１によって捕獲され、スラブ層３２の上下に等方的に分波されて放出される。
【００８９】
そして、スラブ層３２の点状欠陥１０１から放出された分波光は、スラブ層３１、３３の光導入用の点状欠陥１０２から各層内に導入される。続いて、スラブ層３１、３３に導入された光は、それぞれの層内に形成された線状欠陥内を通過する。このとき、スラブ層３１においては、位相制御領域４０によって当該スラブ層３１の線状欠陥を通過する光の位相が制御され、波長λ１の光を出力させる場合には、かかる光の位相は変化されずに層内を通過し、波長λ１の光を非出力とする場合には、かかる光は、図１（Ｂ）の破線で示すようにλ１／２分だけ位相を早く、又は遅くなるようにずらされて層内を通過する。そして、各スラブ層３１、３３内の線状欠陥を通過する光は、各層内に形成された光放出用の点状欠陥１０１によって捕獲されて、スラブ層３１、３３の外へ放出される。
【００９０】
最終的には、スラブ層３１、３３の光放出用の点状欠陥１０１から放出された光がスラブ層３２の光導入用の点状欠陥１０２からスラブ層３２内に導入されて合波される。このとき、スラブ層３１を介してスラブ層３２に導入された光の光路長と、スラブ層３３を介してスラブ層３２に導入された光の光路長とは等しくなる。
【００９１】
そこで、スラブ層３１から放出された波長λ１の光の位相が、位相制御領域４０によって変化させられている場合には、スラブ層３１からの放出光とスラブ層３３からの放出光とは互いに干渉しあって打ち消される。その結果、スラブ層３２の端面からは、波長λ１の出射光Ｐｏｕｔは出力されない。
【００９２】
一方、スラブ層３１から放出された波長λ１の光の位相が、位相制御領域４０によって変化を受けていない場合には、スラブ層３１からの放出光とスラブ層３３からの放出光とは、位相が同じであるため、これらが合波されると、波長λ１の出射光Ｐｏｕｔとしてスラブ層３２の端面から出力される。
【００９３】
このように、本実施形態に係る光スイッチ１０００によれば、スラブ層３２に配置された光放出用の点状欠陥１０１による光の分波と、光導入用の点状欠陥１０２による光の合波と、スラブ層３１に対して設けられる位相変化領域４０での光の位相制御との組合せによって、最終的に合波された特定の波長λ１の光を選択的に出力することにより、光のスイッチングを行うことができる。そして、本実施形態に係る光スイッチ１０００によれば、複数のスラブ層３１〜３３の積層構造を採用することによって装置を小型化かつ高集積化することができる。
【００９４】
（変形例１）
図８（Ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る光スイッチ１１００を模式的に示す断面図である。なお、かかる断面図は、光スイッチ１１００を光の入出射方向から見たものである。また、図１（Ａ）に示す部材と実質的に同一の機能を有する部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。また、本変形例に係る光スイッチ１１００は、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様の材料、形成方法を用いることができる。
【００９５】
本変形例に係る光スイッチ１１００は、基本的構成及び基本的機能が第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様であるが、基板１０上に積層された各スラブ層３１〜３３における線状欠陥２００の配置関係が異なる。すなわち、本変形例に係る光スイッチでは、図１（Ａ）に示すように、各スラブ層３１〜３３の線状欠陥２００が積層状態において、上下に配置されるスラブ層３１〜３３の線状欠陥２００と重ならない位置に配置されている。より具体的には、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に示すように、各スラブ層３１〜３３において、点状欠陥１０１、１０２は、積層状態においてそれぞれ対向する位置に配置されるが、スラブ層３２の線状欠陥２００に対して、スラブ層３１、３３の線状欠陥２００は、点状欠陥１０１、１０２を中心として反対側に配置される。
【００９６】
なお、各スラブ層３１〜３３の線状欠陥２００は、それぞれ平行な位置に配置するほか、各線状欠陥２００を交叉するように配置することができる。
【００９７】
本変形例に係る光スイッチ１１００によれば、上述した構成を採用することにより、各スラブ層３１〜３３間において線状欠陥２００どうしの干渉が生じにくくなり、スラブ層３１〜３３間の距離を縮めることによって、さらなる小型化および高集積化を図ることができる。
【００９８】
（変形例２）
図９は、本発明の第１の実施形態の変形例２に係る光スイッチ１２００を模式的に示す断面図である。また、図１（Ａ）に示す部材と実質的に同一の機能を有する部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。また、本変形例に係る光スイッチ１２００は、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様の材料、形成方法を用いることができる。
【００９９】
本変形例に係る光スイッチ１２００は、図９で示すように、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様に、波長λ１の光をスラブ層３２〜３４で構成されるマッハツェンダ型の光スイッチによってスイッチング動作が可能に形成されるとともに、波長λ２の光をスラブ層３１、３３、３５で構成されるマッハツェンダ型の光スイッチによってスイッチング動作が可能に形成されている。それぞれのマッハツェンダ型光スイッチにおける機能は、第１の実施形態で説明した光スイッチ１０００と同様である。
【０１００】
そして、スラブ層３３には、波長λ１の光放出用の点状欠陥１０１と、波長λ２の光放出用の点状欠陥１０３とが設けられるとともに、波長λ１の光導入用の点状欠陥１０２と、波長λ２の光導入用の点状欠陥１０４とが設けられる。
【０１０１】
また、スラブ層３２、３４の波長λ１の光導入用の点状欠陥１０２は、スラブ層３３の光放出用の点状欠陥１０１からの距離が等しくなるように対向する位置に設けられる。また、スラブ層３２、３４の波長λ１の光放出用の点状欠陥１０１は、スラブ層３３の光導入用の点状欠陥１０２からの距離が等しくなるように対向する位置に設けられる。
【０１０２】
また、スラブ層３１、３５においても、波長λ２の光導入用の点状欠陥１０４がスラブ層３３の光放出用の点状欠陥１０３と等距離でかつ対向するように設けられる。また、スラブ層３１、３５において、波長λ２の光放出用の点状欠陥１０３が、スラブ層３３の光導入用の点状欠陥１０４と等距離でかつ対向するように設けられる。
【０１０３】
さらに、スラブ層３１、３３に対しては、各層の線状欠陥を通過する光の位相を変化させることができる位相制御領域４１、４２が形成され、第１の実施形態で説明した例えば、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す構成を採用することができる。
【０１０４】
このように、本変形例に係る光スイッチ１２００によれば、複数の波長λ１、λ２の光を選択的に出力することができ、さらにスラブ層３１〜３５の積層体により光スイッチを実現するため、装置を小型化かつ高集積化することができる。なお、本変形例に係る光スイッチ１２００では、さらにスラブ層を積層することによって、３つ以上の波長の光を選択出力可能に形成することができる。
【０１０５】
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチ２０００を模式的に示す断面図である。なお、第１の実施形態で説明した図１（Ａ）と実質的に同様の機能を有する部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。また、本実施形態に係る光スイッチ１０００は、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様の材料、形成方法を用いることができる。
【０１０６】
本実施形態に係る光スイッチ２０００は、基本的構成を第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様とするが、図１０に示すよう、波長λ１の入射光が所定の割合でスラブ層３２内の線状欠陥を通過可能に形成されているとともに、スラブ層３２に波長λ１の光の位相を変化させるための位相制御領域４０が設けられている点が第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と異なる。
【０１０７】
ここで、導波路として機能する線状欠陥と光放出機能又は光導入機能を有する点状欠陥とは、両者間の距離に応じて光の結合効率が決定される。具体的には、線状欠陥と点状欠陥とは、近接して配置されると光の結合効率が大きくなり、離隔して配置されると光の結合効率が小さくなる。
【０１０８】
そして、本実施形態に係る光スイッチ２０００では、スラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１を所定の結合効率となるような位置に配置して、例えば、入射光Ｐｉｎのうち５０％の光をスラブ層３２内に残しつつ、残りの５０％の光を点状欠陥１０１から上下に２５％ずつスラブ層３１、３３へと放出することができる。実際には、スラブ層３２内を通過する光の光量が、スラブ層３１、３３の光放出用の点状欠陥１０１からスラブ層３２に対して放出された光の光量の合計と等しくなるように、スラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１の結合効率を任意に設定することができる。また、スラブ層３１、３３においては、各層に導入された光が漏れることを防止するために、波長λ１の光を反射する機能を有する光反射膜など（図示省略）を層内の点状欠陥１０１、１０２の一方の側に設けることができる。
【０１０９】
さらに、本実施形態に係る光スイッチ２０００では、スラブ層３２の点状欠陥１０１と点状欠陥１０２までの光路と、スラブ層３２から放出された光がスラブ層３１、３３を通過して、スラブ層３２に戻ってくるまでの光路とが異なる。具体的には、図１０に示すよう、スラブ層３２と、スラブ層３１、３３との間の距離をｄとしたとき、スラブ層３２を通過した光と、スラブ層３１、３３とを通過した光とでは、距離２ｄの光路差による位相差が生ずる。
【０１１０】
従って、本実施形態に係る光スイッチ２０００では、かかる距離２ｄを波長λ１の整数倍となるように設定すれば、位相制御領域４０において位相変化を与えない時は、出射光Ｐｏｕｔが出力され、位相制御領域４０においてスラブ層３２を通過する光に対してλ１／２だけ位相変化を与えた時は、出射光Ｐｏｕｔが出力される。
【０１１１】
一方、本実施形態に係る光スイッチ２０００では、かかる距離２ｄをλ１／２の奇数倍となるように設定すれば、位相制御領域４０において位相変化を与えない時に、出射光Ｐｏｕｔは出力されず、位相制御領域４０においてスラブ層３２を通過する光に対してλ１／２の位相変化を与えれば、出射光Ｐｏｕｔが出力される。
【０１１２】
以上に述べたように、本実施形態に係る光スイッチ２０００によっても、特定の波長λ１の光を選択的に出力することにより、光のスイッチングを行うことができる。そして、本実施形態に係る光スイッチ２０００によれば、複数のスラブ層３１〜３３の積層構造を採用することによって装置を小型化かつ高集積化することができる。
【０１１３】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光スイッチ３０００を模式的に示す断面図である。上記各実施形態において説明したものと実質的に同一の機能を有する部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。また、本実施形態に係る光スイッチ３０００には、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様の材料、形成方法を用いることができる。
【０１１４】
本実施形態に係る光スイッチ３０００は、図１１に示すように、基板１０上にクラッド層２１、２２を介してスラブ層３１、３２が積層されており、さらにスラブ層３２の上にクラッド層２３が積層されて構成されている。また、スラブ層３２に対しては、層内を通過する光の位相を制御可能な位相制御領域４０が設けられている。なお、この位相制御領域４０は、スラブ層３２に対して設ける代わりに、スラブ層３１に対して設けることもできる。
【０１１５】
スラブ層３１、３２は、上記各実施形態の場合と同様に２次元フォトニック結晶構造内に線状欠陥及び点状欠陥が形成されている。ただし、スラブ層３１については、２つの点状欠陥がいずれも光導入用の点状欠陥１０２ａ、１０２ｂとして形成され、スラブ層３２については、２つの点状欠陥がいずれも光放出用の点状欠陥１０１ａ、１０１ｂとして形成されている点が上記各実施形態で説明した光スイッチと異なる。
【０１１６】
また、本実施形態に係る光スイッチ３０００では、図１に示すように、光の入射口と出射口とが異なる層に設けられる。具体的には、スラブ層３２の端面を光の入射口とし、スラブ層３１の端面を光の出射口としている。
【０１１７】
このようなスラブ層３１、３２の構成は、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）により例示できる。
【０１１８】
図１２（Ａ）は、スラブ層３２を模式的に示す平面図である。図１２（Ａ）によれば、スラブ層３２の線状欠陥２００は、一方の端部がスラブ層３２の端面まで形成されており光の入射口となっている。線状欠陥２００の他方の端部は、光が漏れないように低屈折率領域３００を配列することによって閉じることができる。
【０１１９】
また、図１２（Ｂ）は、スラブ層３１を模式的に示す平面図である。図１２（Ｂ）によれば、スラブ層３１の線状欠陥２００は、一方の端部がスラブ層３１の端面まで形成されており光の出射口となっている。線状欠陥２００の他方の端部は、光が漏れないように低屈折率領域３００を配列することによって閉じることができる。
【０１２０】
また、本実施形態に係る光スイッチ３０００では、スラブ層３２において、入射光を分波する際に、スラブ層３２に残留する光の量と、スラブ層３２の層外に放出される光の量とが等しくなることが好ましい。そして、線状欠陥２００を通過する光が点状欠陥１０１ａにおいて捕獲される光の量は、線状欠陥２００と点状欠陥１０１ａとの距離により決定される。そこで、線状欠陥２００と点状欠陥１０１ａとは分波光の光量が等しくなるように配置される。点状欠陥１０１ｂと線状欠陥２００との間の距離も等しくなるように配置することが望ましい。また、スラブ層３２の光放出用の点状欠陥１０１ａ、１０１ｂと、スラブ層３２の光導入用の点状欠陥１０２ａ、１０２ｂとは、対向する位置に配置される。これによりスラブ層３１、３２の間で光の伝搬を正確に行うことができる。さらに、スラブ層３１、３２においては、各層に導入された光が漏れることを防止するために、波長λ１の光を反射する機能を有する光反射膜など（図示省略）を層内の点状欠陥１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂの一方の側に設けることができる。また、点状欠陥１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂの断面形状を図５（Ａ）〜図５（Ｅ）に示すように非対称とすることも有効である。
【０１２１】
以上に述べたような構成を有する光スイッチ３０００は、以下のように光のスイッチング動作を行うことができる。
【０１２２】
まず、スラブ層３２の端面から波長λ１の光Ｐｉｎが入射されると、入射光Ｐｉｎは、その一部がスラブ層３２の点状欠陥１０１ａにおいて捕獲されて層外に放出されることにより分波される。一方の分波光は、スラブ層３２をそのまま通過して、点状欠陥１０１ｂで捕獲されて層外に放出される。また、他方の分波光は、スラブ層３１の点状欠陥１０２ａで捕獲されて層内に導入されて、スラブ層３１内を通過する。そして、スラブ層３２の点状欠陥１０１ｂから放出された光は、スラブ層３１の点状欠陥１０２ｂにおいて捕獲されてスラブ層３１に導入されることで、スラブ層３１を通過した光と合波される。このとき、スラブ層３２を通過する分波光の光路長は、点状欠陥１０１ａ、１０１ｂ間の距離とスラブ層３１、３２間の距離とを足した長さとなり、スラブ層３１を通過する分波光の光路長は、点状欠陥１０２ａ、１０２ｂ間の距離とスラブ層３１、３２間の距離とを足した長さとなるため、各分波光の光路長は等しくなる。そして、スラブ層３１を通過する分波光は、位相制御領域４０によって位相が制御され、各分波光が合波されたときに分波光どうしが干渉して打ち消しあう場合は、出射光Ｐｏｕｔは出力されず、分波光どうしの位相が一致している場合は、出射光Ｐｏｕｔが出力される。
【０１２３】
このように、本実施形態に係る光スイッチ３０００においても、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様の光のスイッチング動作が可能となる。また、かかる光スイッチ３０００は、スラブ層３１、３２の２層構造により実現される。従って、かかる光スイッチ３０００によれば、装置のさらなる小型化かつ高集積化が可能である。
【０１２４】
なお、図１１に示す構造において、スラブ層３２の点状欠陥１０１ｂを光導入用の点状欠陥として用い、スラブ層３１の点状欠陥１０２ｂを光放出用の点状欠陥として用いることで、スラブ層３２から光を入射及び出射する構成とすることができ、本実施形態に係る光スイッチ３０００と同様の機能を有する光スイッチを実現することができる。かかる場合においては、スラブ層３１、３２を通過する光が合波されるまでの光路長が異なるが、この光路差を補正するようにスラブ層３１、３２間の距離を調整することで実効的に光路長を等しくすることができる。また、位相制御領域４０によって光路差を補正するように通過光の位相を常時制御することによっても、実効的な光路長を等しくすることが可能である。
【０１２５】
（変形例）
図１３は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る光スイッチ３１００を模式的に示す断面図である。また、上記実施形態で説明した部材と実質的に同一の機能を有する部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。また、本変形例に係る光スイッチ３１００は、第１の実施形態に係る光スイッチ１０００と同様の材料、形成方法を用いることができる。
【０１２６】
本変形例に係る光スイッチ３１００は、図１３で示すように、波長λ１の光をスラブ層３１、３２で構成されるマッハツェンダ型の光スイッチによってスイッチング動作が可能に形成されるとともに、波長λ２の光をスラブ層３２、３３で構成されるマッハツェンダ型の光スイッチによってスイッチング動作が可能に形成されている。それぞれのマッハツェンダ型光スイッチにおける機能は、第３の実施形態で説明した光スイッチ３１００と同様である。
【０１２７】
そして、スラブ層３２には、波長λ１の光放出用の点状欠陥１０１ａ、１０１ｂと、波長λ２の光放出用の点状欠陥１０３ａ、１０３ｂとが設けられる。スラブ層３１には、波長λ１の光の導入用の点状欠陥１０２ａ、１０２ｂが、点状欠陥１０１ａ、１０１ｂと対向する位置に配置されている。スラブ層３３には、波長λ２の光導入用の点状欠陥１０４ａ、１０４ｂが、点状欠陥１０３ａ、１０３ｂと対向する位置に配置されている。
【０１２８】
また、スラブ層３１、３３に対しては、各層の線状欠陥を通過する波長λ１、λ２の光の位相を変化させることができる位相制御領域４１、４２が形成され、かかる位相制御領域４１、４２での位相制御によって、波長λ１、λ２の光を選択的に出力することができる。従って、本変形例に係る光スイッチ３１００では、複数の波長範囲の光に対応したスイッチング動作が実現できる。なお、位相制御領域は、スラブ層３１、３３に対して設ける代わりに、スラブ層３２に対して設けることもできる。
【０１２９】
さらに、本変形例に係る光スイッチ３１００では、波長λ１、λ２の光を含む入射光Ｐｉｎをスラブ層３２から入力して、スラブ層３１から波長λ１の出射光Ｐｏｕｔ１を出力し、スラブ層３２から波長λ２の出射光Ｐｏｕｔ２を出力するように構成することができる。これにより、入射光Ｐｉｎに様々な波長範囲の光が含まれる場合でも、波長ごとに分波してスイッチングを行い、異なるスラブ層から選択的に出力することができる。
【０１３０】
なお、本変形例に係る光スイッチ３１００では、さらにスラブ層を積層することによって、３つ以上の波長の光を選択出力可能に形成することができる。また、図１３に示す構造において、スラブ層３２の点状欠陥１０１ｂ、１０３ｂを光導入用の点状欠陥として用い、スラブ層３１、３３の点状欠陥１０２ｂ、１０４ｂを光放出用の点状欠陥として用いることで、スラブ層３２から光を入射及び出射する構成とすることができ、本実施形態に係る光スイッチ３１００と同様の機能を有する光スイッチを実現することができる。かかる場合においては、スラブ層３１、３３を通過する光とスラブ層３２を通過する光が合波されるまでの光路長が異なるが、この光路差を補正するようにスラブ層３１、３２間、及びスラブ層３２、３３間の距離を調整することで実効的に光路長を等しくすることができる。また、位相制御領域４１、４２によって光路差を補正するように通過光の位相を常時制御することによっても、実効的な光路長を等しくすることが可能である。
【０１３１】
（第４の実施形態）
上記第１の実施形態〜第３の実施形態及びその各変形例に係る光スイッチ１０００〜３１００は、例えば、光ルーターや光スイッチャーなど（図示省略）の種々の光通信用装置に適用することができる。
【０１３２】
また、かかる光スイッチ１０００〜３１００は、図１４に示すような、光通信システム４０００に適用することができる。かかる光通信システム４０００は、複数の波長の光信号を多重化して情報を伝送する波長多重化方式（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いた光通信システムであり、例えば、基地局６１０、中継局６２０、および加入者端末６３０〜６５０を含んで構成される。基地局６１０、中継局６２０、および加入者端末６３０〜６５０は、光ファイバにより接続されている。
【０１３３】
基地局６１０では、複数の波長（λ１、λ２、λ３、・・・）を含む光信号を送受信することができる。中継局６２０では、基地局６２０から送られた光信号を分波して各加入者端末６３０〜６５０へ送信することができる。また、中継局６２０では、加入者端末６３０〜６５０から受信した光信号を合波して基地局６１０に送信することもできる。また、各加入者端末６３０〜６５０では、それぞれに割り当てられた波長帯の光信号を送受信することができるように構成されている。具体的には、加入者端末６３０では、波長λ１の光信号が送受信され、加入者端末６４０では、波長λ２の光信号が送受信され、加入者端末６５０では、波長λ３の光信号が送受信されることによりデータ通信が行われる。
【０１３４】
ここで、上記光スイッチ１０００〜３１００は、基地局６１０や中継局６２０内に設置される光通信用装置（図示省略）内で用いられ、かかる光スイッチ１０００〜３１００の光信号のスイッチング機能によって所定の光ファイバに所定の光信号を伝送することができる。
【０１３５】
このように、かかる光通信システム４０００によれば、基地局６１０から加入者端末６３０〜６５０に至る通信経路を光ファイバで統一したいわゆる全光アクセス方式（ＦＴＴＨ：Ｆｉｂｅｒ　Ｔｏ　Ｔｈｅ　Ｈｏｍｅ）の比較的大規模な通信システムから光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの比較的小規模な通信システムまで様々な光通信システムを構築することができる。
【０１３６】
なお、本発明に好適な実施の形態は、上述したものに限られず、本発明の要旨範囲内で各種態様を取り得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチを模式的に示す断面図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチの機能を説明するための図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチのスラブ層を模式的に示す平面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチのスラブ層を模式的に示す平面図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチにおける低屈折率領域の配列を説明するための図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチにおける点状欠陥の断面形状を模式的に示す図である。
【図６】図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る光スイッチにおける位相制御領域を説明するための図である。
【図７】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態における光スイッチのスラブ層の形成方法を説明するための図である。
【図８】図８（Ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る光スイッチを模式的に示す断面図である。図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態の変形例１に係る光スイッチのスラブ層を模式的に示す平面図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態の変形例２に係る光スイッチを模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光スイッチを模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光スイッチを模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る光スイッチのスラブ層を模式的に示す平面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る光スイッチを模式的に示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第３の実施形態に係る光通信システムを模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０　基板、　２１、２２、２３、２４、２５、２６　クラッド層、
３１、３２、３３、３４、３５　スラブ層、
４０、４１、４２　位相制御領域、
１０１、１０２、１０３、１０４、１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０３ａ、１０３ｂ、１０４ａ、１０４ｂ　点状欠陥、
２００　線状欠陥、　３００　低屈折率領域、　５１、５２、５３　電極、
５５　電流原、
１０００、１１００、１２００、２０００、３０００、３１００　光スイッチ、４０００　光通信システム
【図１】
2004093787.tif 000003
【図２】
2004093787.tif 000004
【図３】
2004093787.tif 000005
【図４】
2004093787.tif 000006
【図５】
2004093787.tif 000007
【図６】
2004093787.tif 000008
【図７】
2004093787.tif 000009
【図８】
2004093787.tif 000010
【図９】
2004093787.tif 000011
【図１０】
2004093787.tif 000012
【図１１】
2004093787.tif 000013
【図１２】
2004093787.tif 000014
【図１３】
2004093787.tif 000015
【図１４】
2004093787.tif 000016