(57)【要約】【課題】  フォトニック結晶構造部分の屈折率を変調することで各種の光路変更を実現できる小型で高性能な光制御素子を提供する。【解決手段】  基板２と、この基板２上に形成された光導波路３，４，５と、基板２上にフォトニック結晶構造７により形成されて光導波路３，４，５が接続された光結合部品６と、フォトニック結晶構造７の一部に設けられて光結合部品６を少なくとも２つの領域８，９に区分する屈折率可変部分と、を備え、屈折率可変部分の屈折率を変化させることで区分される領域の界面で少なくとも１つの波数に対して反射作用を呈して光の進行方向を変化させる構成により、光信号の経路変換器を光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積にて実現できるようにした。【選択図】        図１
2004334190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板上にフォトニック結晶構造により形成された光結合部品と、
前記フォトニック結晶構造の一部に設けられて前記光結合部品を少なくとも２つの領域に区分する屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで区分される前記領域の界面で少なくとも１つの波数に対して反射作用を呈して光の進行方向を変化させるようにした光制御素子。
【請求項２】
基板と、
この基板上に形成された光導波路と、
前記基板上にフォトニック結晶構造により形成されて前記光導波路が接続された光結合部品と、
前記フォトニック結晶構造の一部に設けられて前記光結合部品を少なくとも２つの領域に区分する屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで区分される前記領域の界面で少なくとも１つの波数に対して反射作用を呈して光の進行方向を変化させるようにした光制御素子。
【請求項３】
基板と、
この基板上に形成された複数本の光導波路と、
前記基板上に形成されて少なくとも３本の前記光導波路が接続された光結合部品と、
接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成されたフォトニック結晶構造と、
を備え、
前記フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させることで当該フォトニック結晶構造に対応する前記光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにした光制御素子。
【請求項４】
基板と、
この基板上に形成された複数本の光導波路と、
前記基板上にフォトニック結晶構造で多角形形状に形成されて少なくとも４本の前記光導波路が接続された光結合部品と、
多角形形状の前記光結合部品の対角線を結ぶ領域で区分された複数の屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路からの光の進行方向を偏向させるようにした光制御素子。
【請求項５】
基板と、
この基板上に形成された複数本の光導波路と、
前記基板上にフォトニック結晶構造で多角形形状に形成されて少なくとも４本の前記光導波路が接続された光結合部品と、
接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成されたフォトニック結晶構造と、
前記光導波路上に形成されたフォトニック結晶構造部分及び多角形形状の前記光結合部品の対角線を結ぶ領域で区分された複数の屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路からの光の進行方向を偏向させるようにした光制御素子。
【請求項６】
基板と、
この基板上に形成された複数本の光導波路と、
前記基板上にフォトニック結晶構造で多角形形状に形成されて少なくとも４本の前記光導波路が接続された光結合部品と、
多角形形状の前記光結合部品の対角線を結ぶ領域で区分された複数の屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路からの光を分岐させるようにした光制御素子。
【請求項７】
基板と、
この基板上に形成された複数本の光導波路と、
少なくとも３本の前記光導波路が接続された光結合部品と、
接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成され、電気的横波を反射又は透過する構造と、磁気的横波を反射又は透過する構造とを含む少なくとも２種類のフォトニック結晶構造と、
これらのフォトニック結晶構造部分に設定されて電気的横波又は磁気的横波の透過率が変化する屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで電気的横波と磁気的横波とを分離させるようにした光制御素子。
【請求項８】
基板と、
この基板上に形成された複数本の光導波路と、
少なくとも３本の前記光導波路が接続された光結合部品と、
接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成され、電気的横波を反射又は透過する構造と、磁気的横波を反射又は透過する構造とを含む少なくとも２種類のフォトニック結晶構造と、
これらのフォトニック結晶構造部分に設定されて電気的横波又は磁気的横波の透過率が変化する屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにした光制御素子。
【請求項９】
前記フォトニック結晶構造は、欠陥部分を有する、請求項２ないし８の何れか一記載の光制御素子。
【請求項１０】
前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造は、少なくとも２層のフォトニック結晶配列からなり、前記欠陥部分を有する層間若しくはフォトニック結晶構造部分全体に対して屈折率を変化させるようにした、請求項９記載の光制御素子。
【請求項１１】
前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造は、少なくとも２層の同じ層数のフォトニック結晶配列からなり、前記欠陥部分を有する層間若しくはフォトニック結晶構造部分全体に対して屈折率を変化させるようにした、請求項９記載の光制御素子。
【請求項１２】
前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造のフォトニック結晶配列が１０層以下である、請求項１０又は１１記載の光制御素子。
【請求項１３】
前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分の直線方向に直交する方向以外にフォトニック結晶を伝播して前記欠陥部分に入射する伝播波の伝播波数ベクトル成分を有する、請求項１０ないし１２の何れか一記載の光制御素子。
【請求項１４】
前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造は、大きさの異なる複数の欠陥部分を有する、請求項３、９ないし１３の何れか一記載の光制御素子。
【請求項１５】
フォトニック結晶構造を有する基板と、
前記基板上の前記フォトニック結晶構造中に形成された複数本のフォトニック結晶線欠陥導波路と、
これらのフォトニック結晶線欠陥導波路が交差した光結合部分に設定された屈折率可変部分と、
を備え、
前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで前記光結合部分の共振状態を制御させるようにした光制御素子。
【請求項１６】
フォトニック結晶構造を有する基板と、
前記基板上の前記フォトニック結晶構造中に形成された複数本のフォトニック結晶線欠陥導波路と、
これらのフォトニック結晶線欠陥導波路により分離されたフォトニック結晶部分に各々設定された屈折率可変部分と、
を備え、
これらの前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させるようにした光制御素子。
【請求項１７】
基板と、
この基板上に２次元に交差させて形成されたＮ×Ｎ本の光導波路と、
これらの光導波路の交差部分に各々配設されて対応する光導波路が接続されたＮ２個の光結合部品と、
を備え、
前記光結合部品部分周りが各々屈折率可変部分を含む請求項１ないし１４の何れか一記載の光制御素子として形成されている光制御デバイス。
【請求項１８】
フォトニック結晶構造を有する基板と、
前記基板上の前記フォトニック結晶構造中に２次元に交差させて形成されたＮ×Ｎ×Ｎ本のフォトニック結晶線欠陥導波路と、
を備え、
これらのフォトニック結晶線欠陥導波路が交差した光結合部分が各々屈折率可変部分を含む請求項１５又は１６記載の光制御素子として形成されている光制御デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造を利用し光スイッチや光強度変調器等に応用可能な光制御素子及び光制御デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は、波長程度の誘電体周期構造により、光子の禁制帯であるフォトニックバンドギャップを形成することや、強い分散性により特異な効果を示す点で、超微小光集積回路や新機能光素子として期待されている。これらの特性を利用することで、極めて微小な光経路変更機能を持つ光スイッチや光強度変調器などの光制御素子が構成できる。
【０００３】
光の経路変換器としては、その応用や材料によって様々な構成が提案されている。
例えば、特許文献１によれば、屈折率が整合した作動流体にそれとは異なる屈折率を持つ光路変更液体を移動させることで、光の経路を変更させるようにしている。
【０００４】
また、特許文献２によれば、光導波路の間に電磁石に挟まれたミラーを挿入することで、ミラーを動かして光の経路を変更させるようにしている。
【０００５】
さらに、基幹系の光通信では、Micro Electro-mechanical system:ＭＥＭＳ技術による、反射鏡を使ったシステムが利用されている。
【０００６】
ところが、これらの方法では、構成が簡単で消光比が大きく取れるという利点があるものの、熱式圧力発生装置や電磁石による機械的な物体移動を利用していることから、スイッチングスピードを速くすることが困難である。
【０００７】
この点、高速な光スイッチとしては、ニオブ酸リチウムで構成された方向性結合器型若しくはマッハツェンダー型が一般的であり製品化がされているが、素子長が数ｃｍと大きいために、半導体チップが配置されたボード内の光インタコネクション用光スイッチに用いることは困難である。
【０００８】
一方、フォトニック結晶を用いた光経路変換器としては、スーパプリズム効果(PR B,vol.58,p.10096,1998)と呼ばれるフォトニック結晶が持つ強い分散性を利用する方法が提案されている。スーパプリズム効果を利用した光路変換器は、例えば、特許文献３によりその構成例が示されている。
【０００９】
図１８は特許文献３により提案されている構成例の一つを示すものであり、電流注入前の導波路２０１を介してフォトニック結晶２０２の固有軸に対して斜めに入射され、フォトニック結晶中を伝搬する光の軌跡はフォトニック結晶２０２の分散特性によって図中、実線矢印で示す方向とする。即ち、チャンネル１（ＣＨ１）の導波路２０３へ光が出力される。一方、電流注入を行うとフォトニック結晶２０２を構成する媒質の屈折率が変化し、それに応じて屈折角が変化することで、伝搬光の軌跡は図中、破線矢印で示す方向に変化し、チャンネル２（ＣＨ２）の導波路２０４へ光が出力される。即ち、スーパプリズム効果により偏向角が大きく変わるために出射側導波路２０４に光がスイッチングされる方式である。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２２１６８０公報
【特許文献２】特開２００２−１２２７９８公報
【特許文献３】特開２００２−３０３８３６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、フォトニック結晶によるスーパプリズム効果は入射角度、光の波長に極めて敏感であり、波長が少しでも変化すると偏向角が大きく変化してしまう。また、フォトニック結晶に対する入射角を固定する必要があり、端面での反射も強く存在するために実用上の応用には解決しなくてはならない点が多い。
【００１２】
また、フォトニック結晶をマッハツェンダーや方向性結合器で組み合わされる干渉計に組み込んで、光の変調や光路変更を実現しようとする方式もあるが、具体的な構成法が詳しく考慮されたものは殆どなく、実用化された素子はない。
【００１３】
本発明の目的は、フォトニック結晶構造部分の屈折率を変調することで各種の光路変更を実現できる小型で高性能な光制御素子及び光制御デバイスを提供することである。
【００１４】
より具体的には、光導波路幅と同程度の大きさを持つ微細で消光比が大きく、高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供することである。
【００１５】
また、フォトニック結晶の偏光特性から生ずる設計の許容範囲を拡大できる光制御素子を提供することである。
【００１６】
また、極めて微小な領域で構成され、光子の捕捉と開放が可能な光制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上にフォトニック結晶構造により形成された光結合部品と、前記フォトニック結晶構造の一部に設けられて前記光結合部品を少なくとも２つの領域に区分する屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで区分される前記領域の界面で少なくとも１つの波数に対して反射作用を呈して光の進行方向を変化させるようにした。
【００１８】
従って、光の進行方向を変化させるために機械的な物体移動を利用しないので、消光比が大きくて高速で安定した光経路変換器等の光制御素子を構成できる。また、光の進行方向の変化に反射作用を利用しているので、複雑な光の干渉系や光回路の構成をとることなく、光スイッチ等の光制御素子を構成できる。
【００１９】
請求項２記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された光導波路と、前記基板上にフォトニック結晶構造により形成されて前記光導波路が接続された光結合部品と、前記フォトニック結晶構造の一部に設けられて前記光結合部品を少なくとも２つの領域に区分する屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで区分される前記領域の界面で少なくとも１つの波数に対して反射作用を呈して光の進行方向を変化させるようにした。
【００２０】
従って、請求項１記載の発明に加えて、光信号の経路変換器を光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積にて実現できる。さらには、フォトニック結晶のバンドギャップを利用することで、角度成分を持つビーム上の光を高効率で反射させることができるため、単一モードの導波路である必要はなく、多モードの導波路でも光導波路を構成することが可能となる。
【００２１】
請求項３記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された複数本の光導波路と、前記基板上に形成されて少なくとも３本の前記光導波路が接続された光結合部品と、接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成されたフォトニック結晶構造と、を備え、前記フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させることで当該フォトニック結晶構造に対応する前記光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにした。
【００２２】
従って、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させて当該フォトニック結晶構造に対応する光導波路を伝送する光の透過率を変化させることで、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供できる。
【００２３】
請求項４記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された複数本の光導波路と、前記基板上にフォトニック結晶構造で多角形形状に形成されて少なくとも４本の前記光導波路が接続された光結合部品と、多角形形状の前記光結合部品の対角線を結ぶ領域で区分された複数の屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路からの光の進行方向を偏向させるようにした。
【００２４】
従って、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させて光導波路からの光の進行方向を偏向させることで、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供できる。
【００２５】
請求項５記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された複数本の光導波路と、前記基板上にフォトニック結晶構造で多角形形状に形成されて少なくとも４本の前記光導波路が接続された光結合部品と、接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成されたフォトニック結晶構造と、前記光導波路上に形成されたフォトニック結晶構造部分及び多角形形状の前記光結合部品の対角線を結ぶ領域で区分された複数の屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路からの光の進行方向を偏向させるようにした。
【００２６】
従って、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を独立して変化させて光導波路からの光の進行方向を偏向させることで、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供できる。
【００２７】
請求項６記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された複数本の光導波路と、前記基板上にフォトニック結晶構造で多角形形状に形成されて少なくとも４本の前記光導波路が接続された光結合部品と、多角形形状の前記光結合部品の対角線を結ぶ領域で区分された複数の屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路からの光を分岐させるようにした。
【００２８】
従って、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を独立して変化させて光導波路からの光を分岐させることで、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供できる。
【００２９】
請求項７記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された複数本の光導波路と、少なくとも３本の前記光導波路が接続された光結合部品と、接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成され、電気的横波を反射又は透過する構造と、磁気的横波を反射又は透過する構造とを含む少なくとも２種類のフォトニック結晶構造と、これらのフォトニック結晶構造部分に設定されて電気的横波又は磁気的横波の透過率が変化する屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで電気的横波と磁気的横波とを分離させるようにした。
【００３０】
従って、光導波路上に少なくとも２種類のフォトニック結晶構造を持たせて屈折率可変部分とし、その屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで電気的横波と磁気的横波とを分離させるようにしたので、フォトニック結晶の偏光特性から生ずる当該光制御素子の偏光依存性を解消することができ、偏光特性から生ずる設計の許容範囲を拡大することができる。
【００３１】
請求項８記載の発明の光制御素子は、基板と、この基板上に形成された複数本の光導波路と、少なくとも３本の前記光導波路が接続された光結合部品と、接続された前記光結合部品側の端部に位置させて前記光導波路上に形成され、電気的横波を反射又は透過する構造と、磁気的横波を反射又は透過する構造とを含む少なくとも２種類のフォトニック結晶構造と、これらのフォトニック結晶構造部分に設定されて電気的横波又は磁気的横波の透過率が変化する屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで前記光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにした。
【００３２】
従って、光導波路上に少なくとも２種類のフォトニック結晶構造を持たせて屈折率可変部分とし、その屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにしたので、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供できる。
【００３３】
請求項９記載の発明は、請求項２ないし８の何れか一記載の光制御素子において、前記フォトニック結晶構造は、欠陥部分を有する。
【００３４】
従って、例えば０．０１以下の微小な屈折率変化で光信号の透過率を制御することが可能となる。
【００３５】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光制御素子において、前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造は、少なくとも２層のフォトニック結晶配列からなり、前記欠陥部分を有する層間若しくはフォトニック結晶構造部分全体に対して屈折率を変化させるようにした。
【００３６】
従って、請求項９記載の発明に加えて、フォトニック結晶全体又は特定領域全体の屈折率変化を生じさせる方法以外に、欠陥部分のみの屈折率変化を生じさせることができる。
【００３７】
請求項１１記載の発明は、請求項９記載の光制御素子において、前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造は、少なくとも２層の同じ層数のフォトニック結晶配列からなり、前記欠陥部分を有する層間若しくはフォトニック結晶構造部分全体に対して屈折率を変化させるようにした。
【００３８】
従って、請求項９記載の発明に加えて、欠陥部分からの層数を同じにすることで、光の入出射面からのフォトニック結晶層数が均等になるために、より効率よく光の経路を変更できる。
【００３９】
請求項１２記載の発明は、請求項１０又は１１記載の光制御素子において、前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造のフォトニック結晶配列が１０層以下である。
【００４０】
従って、請求項１０又は１１記載の発明に加えて、欠陥部分を挟むフォトニック結晶の層数を制御することで、欠陥部分での共振器特性を変化させ、光の透過率を保ちながら屈折率変化により光を偏向させることができる。
【００４１】
請求項１３記載の発明は、請求項１０ないし１２の何れか一記載の光制御素子において、前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分の直線方向に直交する方向以外にフォトニック結晶を伝播して前記欠陥部分に入射する伝播波の伝播波数ベクトル成分を有する。
【００４２】
従って、請求項１０ないし１２記載の発明に加えて、２次元面内で形成されたフォトニック結晶構造の欠陥部分に対して傾いている波数を持つ光を入射しても、光の透過率を制御することができる。
【００４３】
請求項１４記載の発明は、請求項３、９ないし１３の何れか一記載の光制御素子において、前記光導波路上に形成された前記フォトニック結晶構造は、大きさの異なる複数の欠陥部分を有する。
【００４４】
従って、等価波長帯域幅を広げることも可能となり、例えば、半導体レーザの発振波長の揺らぎに対する許容範囲を広げた光スイッチや光変調器等の光制御素子を構成することが可能となる。
【００４５】
請求項１５記載の発明の光制御素子は、フォトニック結晶構造を有する基板と、前記基板上の前記フォトニック結晶構造中に形成された複数本のフォトニック結晶線欠陥導波路と、これらのフォトニック結晶線欠陥導波路が交差した光結合部分に設定された屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで前記光結合部分の共振状態を制御させるようにした。
【００４６】
従って、フォトニック結晶線欠陥導波路が交差した光結合部分に設定された屈折率可変部分の屈折率を変化させることで、光結合部分の共振状態を制御させることにより、光信号の捕捉と開放とが可能となる光スイッチ、光信号遅延素子、光フィルタ等の光制御素子を構成することができる。
【００４７】
請求項１６記載の発明の光制御素子は、フォトニック結晶構造を有する基板と、前記基板上の前記フォトニック結晶構造中に形成された複数本のフォトニック結晶線欠陥導波路と、これらのフォトニック結晶線欠陥導波路により分離されたフォトニック結晶部分に各々設定された屈折率可変部分と、を備え、これらの前記屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させるようにした。
【００４８】
従って、フォトニック結晶線欠陥導波路により分離されたフォトニック結晶部分に各々設定された屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることにより、光信号の捕捉と開放とが可能となる光スイッチ、光信号遅延素子、光フィルタ等の光制御素子を構成することができる。
【００４９】
請求項１７記載の発明の光制御デバイスは、基板と、この基板上に２次元に交差させて形成されたＮ×Ｎ本の光導波路と、これらの光導波路の交差部分に各々配設されて対応する光導波路が接続されたＮ２個の光結合部品と、を備え、前記光結合部品部分周りが各々屈折率可変部分を含む請求項１ないし１４の何れか一記載の光制御素子として形成されている。
【００５０】
従って、Ｎ×Ｎマトリックススイッチなる光制御デバイスを極めて微小な領域に構成することが可能となり、電子回路基板上に配置可能となり、よって、ボード内の光インタコネクション用光スイッチとして利用することができる。
【００５１】
請求項１８記載の発明の光制御デバイスは、フォトニック結晶構造を有する基板と、前記基板上の前記フォトニック結晶構造中に２次元に交差させて形成されたＮ×Ｎ×Ｎ本のフォトニック結晶線欠陥導波路と、を備え、これらのフォトニック結晶線欠陥導波路が交差した光結合部分が各々屈折率可変部分を含む請求項１５又は１６記載の光制御素子として形成されている。
【００５２】
従って、２次元に交差させて形成されたＮ×Ｎ×Ｎ本のフォトニック結晶線欠陥導波路によるマトリックススイッチなる光制御デバイスを極めて微小な領域に構成することが可能となり、電子回路基板上に配置可能となり、よって、ボード内の光インタコネクション用光スイッチとして利用することができる。
【発明の効果】
【００５３】
請求項１記載の発明の光制御素子によれば、基板と、この基板上にフォトニック結晶構造により形成された光結合部品と、前記フォトニック結晶構造の一部に設けられて前記光結合部品を少なくとも２つの領域に区分する屈折率可変部分と、を備え、前記屈折率可変部分の屈折率を変化させることで区分される前記領域の界面で少なくとも１つの波数に対して反射作用を呈して光の進行方向を変化させるようにしたので、光の進行方向を変化させるために機械的な物体移動を利用しないことから、消光比が大きくて高速で安定した光経路変換器等の光制御素子を構成でき、また、光の進行方向の変化に反射作用を利用しているので、複雑な光の干渉系や光回路の構成をとることなく、光スイッチ等の光制御素子を構成することができる。
【００５４】
請求項２記載の発明の光制御素子によれば、請求項１記載の発明に加えて、光信号の経路変換器を光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積にて実現することができ、さらには、フォトニック結晶のバンドギャップを利用することで、角度成分を持つビーム上の光を高効率で反射させることができるため、単一モードの導波路である必要はなく、多モードの導波路でも光導波路を構成することができる。
【００５５】
請求項３記載の発明の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させて当該フォトニック結晶構造に対応する光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにしたので、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供することができる。
【００５６】
請求項４記載の発明の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させて光導波路からの光の進行方向を偏向させることで、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供することができる。
【００５７】
請求項５記載の発明の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を独立して変化させて光導波路からの光の進行方向を偏向させるようにしたので、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供することができる。
【００５８】
請求項６記載の発明の光制御素子によれば、フォトニック結晶構造部分を屈折率変化部分としてその屈折率を独立して変化させて光導波路からの光を分岐させるようにしたので、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供することができる。
【００５９】
請求項７記載の発明の光制御素子によれば、光導波路上に少なくとも２種類のフォトニック結晶構造を持たせて屈折率可変部分とし、その屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで電気的横波と磁気的横波とを分離させるようにしたので、フォトニック結晶の偏光特性から生ずる当該光制御素子の偏光依存性を解消することができ、偏光特性から生ずる設計の許容範囲を拡大することができる。
【００６０】
請求項８記載の発明の光制御素子によれば、光導波路上に少なくとも２種類のフォトニック結晶構造を持たせて屈折率可変部分とし、その屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることで光導波路を伝送する光の透過率を変化させるようにしたので、光導波路と同程度の幅を持つ微細な面積で、消光比が大きくて高速で安定した動作が可能な光制御素子を提供することができる。
【００６１】
請求項９記載の発明によれば、請求項２ないし８の何れか一記載の光制御素子において、フォトニック結晶構造は、欠陥部分を有するので、例えば０．０１以下の微小な屈折率変化で光信号の透過率を制御することができる。
【００６２】
請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の発明に加えて、フォトニック結晶全体又は特定領域全体の屈折率変化を生じさせる方法以外に、欠陥部分のみの屈折率変化を生じさせることができ、よって、屈折率を変化させる部分が小さくてよいので、電圧印加により屈折率を変化する場合には作製電極面積を小さくできると同時に、消費電力を小さくすることができ、また、光照射により屈折率を変化する場合においても、その光照射部分を小さくすることにより、必要光出力や消費電力を大きく低減することができる。
【００６３】
請求項１１記載の発明によれば、請求項９記載の発明に加えて、欠陥部分からの層数を同じにすることで、光の入出射面からのフォトニック結晶層数が均等になるために、より効率よく光の経路を変更できる。
【００６４】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１０又は１１記載の発明に加えて、欠陥部分を挟むフォトニック結晶の層数を制御することで、欠陥部分での共振器特性を変化させ、光の透過率を保ちながら屈折率変化により光を偏向させることができる。
【００６５】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１０ないし１２記載の発明に加えて、２次元面内で形成されたフォトニック結晶構造の欠陥部分に対して傾いている波数を持つ光を入射しても、光の透過率を制御することができ、斜めに入射した光に対する偏向光の制御を可能にすることができる。
【００６６】
請求項１４記載の発明によれば、請求項３、９ないし１３の何れか一記載の光制御素子において、等価波長帯域幅を広げることも可能となり、例えば、半導体レーザの発振波長の揺らぎに対する許容範囲を広げた光スイッチや光変調器等の光制御素子を構成することができる。
【００６７】
請求項１５記載の発明の光制御素子によれば、フォトニック結晶線欠陥導波路が交差した光結合部分に設定された屈折率可変部分の屈折率を変化させることで、光結合部分の共振状態を制御させることにより、光信号の捕捉と開放とが可能となる光スイッチ、光信号遅延素子、光フィルタ等の光制御素子を構成することができる。
【００６８】
請求項１６記載の発明の光制御素子によれば、フォトニック結晶線欠陥導波路により分離されたフォトニック結晶部分に各々設定された屈折率可変部分の屈折率を独立して変化させることにより、光信号の捕捉と開放とが可能となる光スイッチ、光信号遅延素子、光フィルタ等の光制御素子を構成することができる。
【００６９】
請求項１７記載の発明の光制御デバイスによれば、Ｎ×Ｎマトリックススイッチなる光制御デバイスを極めて微小な領域に構成することが可能となり、電子回路基板上に配置可能となり、よって、ボード内の光インタコネクション用光スイッチとして利用することができる。
【００７０】
請求項１８記載の発明の光制御デバイスによれば、２次元に交差させて形成されたＮ×Ｎ×Ｎ本のフォトニック結晶線欠陥導波路によるマトリックススイッチなる光制御デバイスを極めて微小な領域に構成することが可能となり、電子回路基板上に配置可能となり、よって、ボード内の光インタコネクション用光スイッチとして利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
本発明の実施の形態を以下に数例挙げて説明する。
【００７２】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図３及び図１９ないし図２３に基づいて説明する。図１は本実施の形態の光制御素子１の構成例を示す原理的な平面図である。まず、基板２が設けられ、この基板２上に例えば３本の光導波路３，４，５が形成され、これらの光導波路３，４，５が光結合部品としての光偏向部６によって接続されている。ここでは、光導波路３が入射側とされ、出射側の光導波路４，５同士は直交配置されている。もっとも、光導波路の本数は３本に限らず、４本以上でも良く、また、光偏向部６に対して入射側と出射側とに光導波路が必ずしも接続されている必要はなく、空間伝搬でも良い。
【００７３】
光偏向部６には、周期的な屈折率（誘電率）分布を基板２上に形成することで作製されたフォトニック結晶構造７が構成されている。フォトニック結晶構造７は、周期構造を調整することで、光子の禁制体であるフォトニックバンドギャップを持たせることが可能である。フォトニック結晶の特性は、基板２と光原子の誘電率の差、その配置、光の波長と光原子の大きさ、光原子間の距離などによって決定される。そのため、これらのどれかを変化させれば、フォトニック結晶構造７の特性を変化させることができる。特に、フォトニックバンドギャップが存在するフォトニック結晶構造７に対して、光原子又は基板２の屈折率を変化させれば、フォトニックバンドを変化させることが可能となる。
【００７４】
そのため、フォトニック結晶構造７の屈折率を変化させ、フォトニック結晶構造７の透過率を変化させることで、ある範囲の波長に対して屈折率変化前は光の透過体であるのを、屈折率変化後は光の反射体に変化させることができる。
【００７５】
この現象を利用するために、本実施の形態では、光偏向部６のフォトニック結晶構造７は屈折率が変化する構成になっている。このような屈折率の変化には、電気光学効果、熱光学効果、半導体薄膜のキャリアプラズマ効果、光カー効果などを用いる。これらの物理現象は構成される材料によって異なるが、屈折率が変化する材料でフォトニック結晶構造７が構成されている。
【００７６】
この光偏向部６に関して、本実施の形態では、対角線に従い２つの領域８，９に区分し、これらの領域８，９を屈折率可変部分として電界印加、光照射などにより屈折率を個別に変化させることができるように構成されている。屈折率が変化することで、フォトニック結晶の反射率が変化するために、光の透過・反射を制御することができる。
【００７７】
例えば、入射側の導波路３からフォトニック結晶構造６に対して透明な波長を持つ入射光が入射してきたとき、領域８，９に屈折率変化を与えなければ、光の直進性により、光信号はフォトニック結晶構造６による光偏向部５を素通りして光導波路５に伝達していく。しかし、領域９の屈折率を変化させ、伝搬波長がフォトニックバンドギャップ内に入るようにすると、光は反射して、直交配置された光導波路４側に伝搬していく。屈折率変化を与える構造を図１に示すようにプリズムミラー型にしておけば、高効率で光を反射させることができる。さらに、屈折率を変化させる部分は調整することが可能であるので、任意の方向に光の経路（進行方向）を変換させることができる。
【００７８】
よって、基本的に、本実施の形態によれば、機械的にミラーをマイクロマシン技術によって可変することによりこのような経路変更を行う方式と比較して、機械移動でない点で、安定性に優れており、また、高速な経路変更も期待できる。
【００７９】
また、本実施の形態のような光の反射は、光経路変換手段として特に有効である。これは、光の損失を生じることなく、かつ、特定波長に対して光の進行方向を制御することができるからである。もっとも、このような例に限らず、この他、光変調手段、光波長選択手段、光信号時分割手段、パルス発生器としても用いることができる。
【００８０】
また、単に屈折率可変部分を設けるのみではなく、ＬＮ基板やＬＴ基板にＫＴＰ基板に対して、分極反転処理部分を設けた擬似位相整合構造を設け、非線形光学効果と組み合わせることも効果的である。非線形光学効果により生じた特定のＳＨＧ光や４光波混合光又は元の入力光のみを、微小領域において、選択的に反射又は透過により、光経路を変更することが可能である。擬似位相整合としては、通常の擬似位相整合以外に反結合擬似位相整合であってもよい。さらに、フォトニック結晶により群速度を低下させて実効的な非線形光学定数を増加させたりすることが効果的である。また、フォトニック結晶構造自体で位相速度を一致又は変化させて、擬似位相整合構造が不要な非線形励起構造としたり、位相速度変化を考慮した擬似位相整合構造とさせたりすることも効果的である。
【００８１】
また、フォトニック結晶の孔構造又は柱構造又は別途に基板に垂直に設けた溝構造により、電極による電圧印加やイオン拡散による分極反転処理において、その空隙を有する構造により分極反転処理部分が分離されるので、従来より微細なピッチの擬似位相整合構造を設けることができる。さらに、フォトニック結晶の孔構造又は柱構造又は別途に基板に垂直に設けた溝構造に設けた電極により電圧印加することで、電圧の印加される部分自体を分離することもできる。
【００８２】
ところで、図１に示す例では、光偏向部５の全面にフォトニック結晶構造６が構成されているが、図１に示すように単純に光導波路４又は５なる２方向への分岐であれば、領域８部分にはフォトニック結晶構造６が構成されている必要はない。ただし、このときは領域９部分のフォトニック結晶構造６は斜めに切断されているのではなく、フォトニック結晶構造６に対して素直に光が入射できるように、反射させたい方向に入射面を傾けておく。例えば、三角格子であれば、格子同士の配置角度が６０度であるので、６０度又は３０度で反射させるか、図１に示すように４５度で反射させる場合には、結晶自体を４５度傾けて反射させる方法を取る。正方格子の場合も同様で、格子の配置角度が９０度であるので、４５度で反射させる場合には、フォトニック結晶の配置で実現可能であるが、任意の角度に対してはその角度に傾ける必要がある。
【００８３】
また、図１では光導波路３，４，５として光ファイバを光が伝搬するように全反射型の光導波路としているが、フォトニック結晶構造６が搭載されている導波路でもよく、また、フォトニック結晶の一部に欠陥を導入した線欠陥導波路でもよい。
【００８４】
このフォトニック結晶の線欠陥導波路を用いた場合の変形構成例を、図１９ないし図２３に基づいて説明する。図１９は、全反射型の光導波路の代わりに、フォトニック結晶による線欠陥導波路を用いた光制御素子１の構成例を示す原理的な平面図である。図１８においては、屈折率変化部分としての領域８，９に接続された１列の欠陥からなる３つの線欠陥導波路３０１，３０２，３０３を有し、領域８，９は、電界印加、光照射などによりその屈折率を個別に変化させることができるように構成されている。このとき、線欠陥導波路３０１から入射した伝播光は、領域８，９の屈折率を変化させることにより、伝播光を線欠陥導波路３０３に直進させたり、線欠陥導波路３０２に反射させたりすることを選択的に行うことにより、高速の偏向器、経路変更器、変調器として用いることができる。
【００８５】
また、図１９に示す構成例は、線欠陥導波路が１列の欠陥に限定されわけではない。図２０は、屈折率変化部分としての領域８，９に接続された複数の欠陥からなる３つの線欠陥導波路３０４，３０５，３０６を用いた場合の構成例を示し、基板水平方向の伝播モードを複数生じることができるようになり、利用できる伝播光の種類を多くし、光制御の効果をより大きくすることができるようになる。
【００８６】
また、屈折率変化部分としての領域は、２つの領域をフォトニック結晶中に設けることに限定されるわけではない。図２１及び図２２は、屈折率変化部分としての領域３０７を１つのみ設けたものであり、光が伝播している線欠陥導波路の欠陥部分の屈折率に対して、屈折率変化部分の１つの領域３０７の屈折率を変化させることにより、直進と反射を制御することができる。また、これらの屈折率変化部分となる領域３０７は、異なる２種類以上の材料を複合させることにより形成してもよいし、光学結晶や非線形材料等からなる同一の材料からなる導波路部分に、電界印加、光照射することによって形成してもよい。また、図２３に示すように線欠陥導波路３０８の中央部に屈折率を変化させる領域３０７を設けることにより小型変調器としてもよい。また、この場合の反射光をサーキュレータを用いて分離して経路変更器としてもよい。このときの屈折率変化部分の領域３０７は、線欠陥導波路３０８に対して鋭角となる角度を有する界面に限定されるわけではなく、直線欠陥導波路の欠陥方向と垂直に設けてもよい。斜めの場合においては、界面インピーダンスを連続低に変化することができるので、その界面反射成分を低減して、透過率を向上させることができる。
【００８７】
ところで、本実施の形態のような光制御素子１の構成は、その一例として、以下のようにして実現できる。例えば、光の管内波長程度の厚みを持つ半導体薄膜に円孔をリソグラフィーとエッチングで構成すれば、屈折率３の半導体に２次元の空気円孔を構成できる。誘電率分布は必ずしも円形である必要は無く、方形、多角形でも良い。この半導体薄膜は量子井戸や歪量子井戸が形成されたＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板を選択エッチングすることにより、薄膜を空気に露出させることで形成できる。また、屈折率１．４５のＳｉＯ２上に形成された波長程度の厚みのＳｉ薄膜をもつＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を用いても形成することができ、多くの論文で報告されている。特に、ＳＯＩ基板は電子回路に用いられるために開発されたために、結晶品質やコストの面できわめて利用価値が高い。
【００８８】
空気と半導体との全反射で上下方向に光は閉じ込められるが、薄膜面内では形成された２次元フォトニック結晶の特性が利用できる。このスラブ型２次元フォトニック結晶部に光導波路を接続することで、本実施の形態の光制御素子１の構造を形成することができる。
【００８９】
また、このような構造をニオブ酸リチウムやニオブ酸チタン、ＫＴＰ等の無機結晶、若しくはＰＺＴ、ＰＺＬＴ等のセラミックスによる薄膜構造を低屈折率媒質上に形成、若しくは空気境界となるエアーブリッジ構造にし、薄膜にフォトニック結晶を形成しても実現することができる。さらには、ネマチックやスメクチック構造を有する液晶や、アゾ色素、スチルベンゼン色素、ダストなどの有機分子又は有機結晶薄膜を低誘電体層上に形成し、フォトニック結晶構造を構成しても可能である。もちろん２次元構造で形成してもよい。例えば、半導体ストライプを積層することで構成された３次元フォトニック結晶内に有機材の屈折率変化構造を導入することで構成することが可能である。
【００９０】
ところで、本実施の形態の構成の光制御素子１の動作原理を計算機シミュレーションによって確認したので、図２を参照して以下にその結果を説明する。まず、屈折率が変化することで、フォトニックバンドが変化する現象はフォトニックバンド解析によって確かめることができる。
【００９１】
フォトニックバンドの解析手法の１つである平面波展開法で計算した結果を図２に示す。屈折率３．５の基板に、三角格子の円孔によるフォトニック結晶構造が構成され、その円孔内部に屈折率が１．４又は１．６の媒質を埋め込んだ構成例に対して解析を行ったものである。このような構成は半導体基板に液晶を充填することで実現できる。円孔間の距離ピッチａに対して円孔の半径ｒは、ｒ＝０．９ａで決定される値を用いた。
【００９２】
ここでは、２次元での解析とし、基板面内に電界が存在する電気的横波(Transverse Electric:ＴＥ)モードのフォトニックバンドを計算している。
【００９３】
図２(ａ)が屈折率１．４に対するバンド図であり、図２(ｂ)が屈折率１．６に対するバンド図である。網目で表した部分がフォトニックバンドギャップであり、２次元面内のあらゆる方向の波数に対して、光伝搬が禁止されている領域である。
図２(ａ)に比べて図２(ｂ)は、このバンドギャップの位置が規格化周波数（Normalized Frequency）の低い方向にシフトしている。つまり、規格化周波数０．３５の光は屈折率１．４ではバンドギャップ内にあるために光は透過しないが、屈折率１．６ではバンドギャップから外れてしまうので、フォトニックバンドによって決定された規格化周波数で光が透過する。これらのフォトニックバンド図によって、屈折率制御により光の透過率制御ができることがわかる。
【００９４】
このような光制御素子１は、他例として、例えば半導体基板と液晶とを用いることにより構成できる。つまり、ＧａＡｓやＳｉ基板にフォトリソグラフィーとエッチングによって、光の波長であれば、１μｍ以下の微小円孔を作製し、作製された円孔部分に液晶を注入することで構成することができる。ネマチック液晶に代表される液晶の多くは電界印加により変化する屈折率異方性を示し、その屈折率差は０．２程度である。また、薄膜スラブ構造であれば、上下方向の光の閉じ込めも可能となるので、光がリークすることなく上述のような構成を実現することができる。薄膜スラブ構造としてはＳＯＩ基板を用いることができ、スラブ部分の厚みは１μｍ以下が好ましく、上下方向で単一モード伝搬する厚みであればより好ましい。そのため、このような構成をとることで円孔内の屈折率を変化させることが可能な光制御素子１を構成することができる。
【００９５】
また、ＳＯＩ基板上にＳｉ円柱を形成し、周囲を液晶で埋める構成をとり、光導波路を有機材料で形成してもよい。これは高誘電率材料である円柱が低誘電率である液晶で囲まれている構成となるが、設計値を最適化することで、上述したような効果をもたせることができる。
【００９６】
このような構成であれば、屈折率の低い光導波路が形成できるために、光ファイバなどとの結合システムを比較的容易に構成することが可能となる。
【００９７】
このような光制御素子１は、さらに他例として、以下のように作製することができる。即ち、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）のＺ軸カット結晶基板の表面を、ＣＦ系ガスに対してメタルマスクを用いてドライエッチングする。これにより、１μｍの深さの微細孔を有する基板表面を得る。この後、熱酸化シリコン膜付きシリコン基板と、この表面に微細孔を有するＬＮ基板とを貼り合わせて、酸化物同士の接合を行う。この後、ＬＮ基板の裏面を機械研磨、ＣＭＰ研磨又はイオン研磨して、ＬＮ基板の厚さを１μｍとし、微細孔を貫通させる。微細孔には、予めシリコン酸化物又はシリコン窒素膜又は高分子膜等を充填しておくと、研磨による微細孔の破損が少なくなる。この後、レジストマスクを用いてシリコン酸化膜及び微細孔の充填物質をウェットエッチングにより部分的に除去することにより、エアギャップ・スラブ型ＬＮフォトニック結晶を作製することができる。
【００９８】
予めＬＮの微細孔付近の上下部分や、微細孔に電極を設けておくと、微小空間に強電解を印加することができ、より効果的である。さらに、シリコン上に電気駆動素子を設けておき、エレクトロフォレシスによりＬＮ上の電極とシリコン上の電気駆動素子との電気的接続を行い、複合基板による電気駆動素子一体型の光制御素子を作製することができる。
【００９９】
ニオブ酸リチウムに代えて、ニオブ酸チタン、ＫＴＰ、ＳＢＮ（ＳｒＢａＮｂ複合酸化物）、チタン酸バリウム等の無機結晶や高屈折率の有機材料若しくはＰＺＴ、ＰＺＬＴ、チタン酸バリウム等の無機セラミックスに対して、同様にドライエッチングにより微細孔を作製してもよい。また、シリコン基板に代えて、ＬＮ基板、ＭｇＯドープＬＮ基板、ＧａＡｓ基板、その他の基板を用いてもよい。
【０１００】
さらに、これらのＬＮのフォトニック結晶の一部に、プロトン拡散又はチタン拡散による導波路を設けたり、ダイシングやドライエッチによるリッジ形又は埋め込み形導波路を作製してもよい。さらに、フォトニック結晶層や、多層に重ねられて、多層のスラブ導波路や３次元導波路であってもよい。
【０１０１】
また、ＬＮやＰＺＴの薄膜又はフォトニック結晶構造薄膜は、結晶を用いることに限定されるわけではなく、ゾルゲル法を用いた前駆体及びその前駆体のドライエッチングにより作製してもよい。
【０１０２】
また、シリコン上にドライエッチングにより形成した微細孔に液晶を充填してもよい。このとき、液晶の配向を基板に対して垂直な方向とし、横電界を印加することにより作製した、液晶フォトニック結晶を用いることも効果的である。さらには、単なる基板ではなく、ＬＮ基板のような電気光学効果を有する基板に液晶を部分的に充填して、複合的に電気光学効果を生じさせてもよい。
【０１０３】
ところで、光の透過率変化が起こる現象を確認するために、時間領域差分法(Finite Difference Time Domain (ＦＤＴＤ) Method)でシミュレーションを行った。前述したような平面波展開法でのモデルを基に、光の波長を１．３μｍ、円孔のピッチaを０．４４μｍ、円孔の半径rを０．１９８μｍ(２ｒ＝０．９ａ)とした。フォトニック結晶部分は１０層とした。これは層厚４μｍと極めて微細な層厚に相当する。Γ−Ｘ方向に平面波を入射し、フォトニック結晶構造６の入射側と出射側での光のパワー比から算出した波長（Wavelength）に対する透過率（Transmittance）を図３に示す。波長１．３μｍにおいて、屈折率変調により透過率は３５ｄＢ以上の変化が生じている。これは、透過と反射とを制御するのに十分な消光比であり、さらに消光比が３０ｄＢ以上取れる波長範囲も５０ｎｍと広い。波長範囲が広ければ、半導体レーザ自身の発熱などにより変動しやすい発振波長の高精度な制御を必要としなくなる利点がある。フォトニック結晶構造６を利用すると、平面波ではなく波数の角度成分が大きいビームも、フォトニックバンドギャップにかかっていれば反射することが可能である。
【０１０４】
［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施の形態の光制御素子１１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子１１は、基板（図示せず）上に３本の光導波路１２，１３，１４を例えば互いに１２０度の角度を持たせて形成し、これらの光導波路１２，１３，１４の中心部に光結合部品としての光偏向部１５が例えば正三角形状に形成されて設けられ、各々の光導波路１２，１３，１４の一端が接続されている。ここに、各々の光導波路１２，１３，１４の光偏向部１５側の端部上には、その導波路幅にてフォトニック結晶構造１６，１７，１８が各々独立して屈折率を変化させることで透過率の制御が可能な屈折率可変部分として形成されている。
【０１０５】
なお、図示例では、光偏向部１５に接続されている光導波路の本数は３本であるが、３本に限らず、４本以上の光導波路であってもよい。もっとも、光導波路１２，１３，１４には幅があるので、多数接続すると、接続部分の面積が大きくなることに起因して回折により光が広がるために結合効率が低くなるので、４本程度がより好ましい。また、光導波路１２，１３，１４の幅は単一モードでもよいし、マルチモードに対応した幅でも良い。一般的に全反射を用いた光回路であると、マルチモードは扱いにくいが、本実施の形態の場合、フォトニック結晶構造１６，１７，１８をミラーとして用いているので、特定偏向に対してはあらゆる方向の波数に対して高い反射率を持たせることができる。
【０１０６】
［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図５に基づいて説明する。図５は、本実施の形態の光制御素子２１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子２１は、基板（図示せず）上に４本の光導波路２２〜２５を例えば互いに直交する十字状に配置させて形成し、これらの光導波路２２〜２５の中心部に光結合部品としての光偏向部２６が例えば正方形状（多角形形状の一つ）に形成されて設けられ、各々の光導波路２２〜２５の一端が接続されている。なお、光導波路の本数としては、図示例の４本に限らず、５本以上であってもよい。もっとも、第二の実施の形態の場合と同様に、多数の光導波路が接続されていると、接続部分の面積が大きくなるために、回折の影響で光が広がってしまい、損失の原因になるので、４本程度がより好ましい。
【０１０７】
また、光偏向部２６には、周期的な屈折率（誘電率）分布を基板上に形成することで作製されたフォトニック結晶構造２７が構成されている。さらに、この光偏向部２６は２本の対角線に従い直角２等辺三角形状の４つの領域２８〜３１に区分され、各々の領域２８〜３１が各々個別に屈折率を変化させてフォトニック結晶ミラーを構成可能な屈折率変化部分とされている。
【０１０８】
つまり、本実施の形態の光制御素子２１において、何れの領域２８〜３１に関してもその屈折率を変化させなければ、光導波路２２から入射した光は光の直進性から光導波路２４から出力される。一方、領域３０，３１の屈折率を変化させ、光の透過率を変化させれば、本実施の形態ではプリズム形状の反射体（フォトニック結晶ミラー）となるので、光導波路２２から入射した光は、光偏向部２６の領域３０，３１の界面で反射されて、光導波路２３から出射される。
【０１０９】
同様に、領域２９，３０の屈折率を変化させれば、光は光導波路２５から出射される。
【０１１０】
このように、屈折率を変化させる領域２８〜３１の組み合わせにより、光導波路２２からの光の進行方向を任意方向に向けて偏向させることができる。
【０１１１】
［第四の実施の形態］
本発明の第四の実施の形態を図６に基づいて説明する。図６は、本実施の形態の光制御素子４１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子４１は、基板（図示せず）上に４本の光導波路４２〜４５を例えば互いに直交する十字状に配置させて形成し、これらの光導波路４２〜４５の中心部に光結合部品としての光偏向部４６が例えば正方形状（多角形形状の一つ）に形成されて設けられ、各々の光導波路４２〜４５の一端が接続されている。
【０１１２】
また、光導波路４２〜４５の光偏向部４６側の端部、及び、光偏向部４６には、フォトニック結晶構造４７〜５１が各々構成されている。さらに、この光偏向部４６は２本の対角線に従い直角２等辺三角形状の４つの領域５２〜５５に区分されている。これらの各々の領域５２〜５５及びフォトニック結晶構造４８〜５１部分が各々個別に屈折率を変化させることが可能な屈折率変化部分とされている。例えば、電気光学材料による電気光学効果を用いる場合であれば、電極を独立に構成すれば、電界を独立に印加することが可能となる。また、熱光学効果を用いるのであれば、ヒータを個別につけることで可能となる。
【０１１３】
これらの屈折率可変部（領域５２〜５５、フォトニック結晶構造４８〜５１部分）の屈折率変化の組み合わせにより光を任意の方向に伝搬させることが可能となる。
【０１１４】
例えば、屈折率可変部（フォトニック結晶構造４９，５１部分）の屈折率を変化させることで、光導波路４２から入射した光信号が直進し、光導波路４４から出射される。光の直進性からすると、屈折率可変部（フォトニック結晶構造４９，５１部分）の屈折率を変化させなくても、光が光導波路４４から出射されるが、回折により光導波路４３，４５に漏れてしまう光を屈折率可変部（フォトニック結晶構造４９，５１部分）により抑制できる効果があり、光伝搬損失を低下させる。即ち、結合効率を上げるために屈折率可変部（フォトニック結晶構造４９，５１部分）を設けることが本実施の形態の特徴である。
【０１１５】
また、屈折率可変部（フォトニック結晶構造４９，５０部分）の屈折率を変化させれば、光導波路４２からの光を光導波路４５に偏向させることが可能であるが、４本以上の光導波路が接続された構成の場合、逆進などの影響で光が高効率に光導波路４５に結合できなくなる。そこで、屈折率可変部（領域５３，５４）の屈折率を変化させれば、プリズム形状の反射により、光は光導波路４５に高効率で入射させることが可能である。
【０１１６】
つまり、本実施の形態では、第二，第三の実施の形態を組み合わせることで、高効率に光を任意の方向に高効率に結合することを可能としたものである。
【０１１７】
［第五の実施の形態］
本発明の第五の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は、本実施の形態の光制御素子６１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子６１は、基板（図示せず）上に４本の光導波路６２〜６５を例えば互いに直交する十字状に配置させて形成し、これらの光導波路６２〜６５の中心部に光結合部品としての光偏向部６６が例えば正方形状（多角形形状の一つ）に形成されて設けられ、各々の光導波路６２〜６５の一端が接続されている。なお、光導波路の本数としては、図示例の４本に限らず、５本以上であってもよい。もっとも、第二の実施の形態の場合と同様に、多数の光導波路が接続されていると、接続部分の面積が大きくなるために、回折の影響で光が広がってしまい、損失の原因になるので、４本程度がより好ましい。
【０１１８】
また、光偏向部６６には、周期的な屈折率（誘電率）分布を基板上に形成することで作製されたフォトニック結晶構造６７が構成されている。さらに、この光偏向部６６は２本の対角線に従い直角２等辺三角形状の４つの領域６８〜７１に区分され、各々の領域６８〜７１が各々個別に屈折率を変化させてその透過率を制御し得る屈折率変化部分とされている。
【０１１９】
このような構成において、例えば屈折率変化により領域７０部分の反射率のみを変化させると、光導波路６２と光偏向部６６の結合部分でＴ字型分岐を構成することになり、光導波路６２からの光を光導波路６３，６５に向けて分岐が可能となる。
【０１２０】
このような形状は単一モード導波路では全反射を用いて、低損失な分岐が構成されている(IEEE Lightwave Techonol.Vol.17,p.1682,1999)。しかし、マルチモード導波路では高次モードで全反射による高効率の反射は困難であり、大きな損失の原因となる。この点、本実施の形態のように、反射鏡としてフォトニック結晶配列を用いることができれば、高次モードでも大きな反射率を得ることが可能となり、高効率の分岐が可能となる。
【０１２１】
［第六の実施の形態］
本発明の第六の実施の形態を図８及び図９に基づいて説明する。図８は、本実施の形態の光制御素子８１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子８１は、基板（図示せず）上に３本の光導波路８２〜８４を例えば互いに１２０度の角度を持たせて形成し、これらの光導波路８２〜８４の中心部に光結合部品としての光偏向部８５が例えば正三角形状に形成されて設けられ、各々の光導波路８２〜８４の一端が接続されている。ここに、各々の光導波路８２〜８４の光偏向部８５側の端部上には、その導波路幅にて２種類以上のフォトニック結晶構造８６〜８８、８９〜９１が各々独立して屈折率を変化させることが可能な屈折率可変部分として形成されている。
【０１２２】
即ち、フォトニック結晶構造８６〜８８とフォトニック結晶構造８９〜９１とは、異なる配列や周期構造で構成されている。つまり、フォトニック結晶構造８６〜８８側は電気的横波(Transverse Electric:ＴＥ)に対して反射率が変化可能である構造であり、フォトニック結晶構造８９〜９１側は磁気的横波(Transverse Magnetic:ＴＭ)に対して反射率が変化可能である構造である。
【０１２３】
なお、図示例では、光偏向部１５に接続されている光導波路の本数は３本であるが、３本に限らず、４本以上の光導波路であってもよい。もっとも、光導波路１２，１３，１４には幅があるので、多数接続すると、接続部分の面積が大きくなることに起因して回折により光が広がるために結合効率が低くなるので、４本程度がより好ましい。
【０１２４】
このような構成において、フォトニック結晶配列は基本的にはＴＥ，ＴＭに対する偏光依存性が大きい性質を持つ。光原子の配列によってはＴＥ，ＴＭ両偏光に対してバンドギャップを持たせることは可能であるが、その制約条件は狭く、周期構造の屈折率差が小さいとＴＥ，ＴＭ両偏光に対するバンドギャップが開く構造を設計することはできない。この点、本実施の形態では、無理にＴＥ，ＴＭ両偏光に対してバンドギャップを持つ構造をもたせるのではなく、片方の偏光に対してバンドギャップを持たせるようにしたものである。これにより、設計許容誤差が大きくなる。また、この反射率制御を片方の反射層にだけ行うと、偏光を分離できる構成となる。
【０１２５】
例えば、フォトニック結晶構造８６，８９には屈折率変化を与えずＴＥ，ＴＭ両偏光を透過させ、フォトニック結晶構造９１に屈折率変化を与えることでＴＥ偏光を抑制し、フォトニック結晶構造８７に屈折率変化を与えることでＴＭ偏光を抑制すると、光導波路８４にはＴＭ偏光が、光導波路８３にはＴＥ偏光の光信号が伝搬するように、ＴＭ偏光とＴＥ偏光とを分離させることが可能である。よって、光制御素子８１としての偏光依存性を解消でき、微小な領域でのボード内光インタコネクション用光スイッチを実現することが可能となる。
【０１２６】
ところで、図９にＴＥ偏光及びＴＭ偏光に対するフォトニックバンド図を示す。基板屈折率が２．２、空気円孔の三角格子でフォトニック結晶が構成され、半径rとピッチaの比率はｒ＝０．８ａである。また、図２の場合と同様に平面波展開法で計算した。この構成であると、任意方向の波数ベクトルに対してＴＥ偏光ではフォトニックバンドギャップが存在しているが、ＴＭ偏光に対しては特定方向の波数ベクトルのみにフォトニックバンドギャップが存在する。例えば、図９において、規格化周波数０．４に対応した光を入射するとＴＭ偏光の光は透過するが、ＴＥ偏光の光は透過しないことになる。この現象を利用することで偏光分離素子を構成することができる。
【０１２７】
なお、本実施の形態においても、フォトニック結晶構造８７，９０の屈折率又はフォトニック結晶構造８８，９１の屈折率を同時に変化させることで、その透過率を変化させることもできる。
【０１２８】
［第七の実施の形態］
本発明の第七の実施の形態を図１０ないし図１２及び図２４ないし図２７に基づいて説明する。図１０は、本実施の形態の光制御素子１０１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子１０１は、基板（図示せず）上に３本の光導波路１０２〜１０４を例えば互いに１２０度の角度を持たせて形成し、これらの光導波路１０２〜１０４の中心部に光結合部品としての光偏向部１０５が例えば正三角形状に形成されて設けられ、各々の光導波路１０２〜１０４の一端が接続されている。ここに、各々の光導波路１０２〜１０４の光偏向部１０５側の端部上には、その導波路幅にてフォトニック結晶構造１０６〜１０８が各々独立して屈折率を変化させることが可能な屈折率可変部分として形成されている。
【０１２９】
ここに、本実施の形態のフォトニック結晶構造１０６〜１０８は、例えば図１１（ａ）に示すようなフォトニック結晶層とされ、光原子１０９で構成されたフォトニック結晶に欠陥部分１１０を組み込むことで共振器構造を形成している。フォトニック結晶の層数は期待する反射率によって異なる。欠陥部分１１０は点欠陥でもよく、欠陥の個数も特性によって選択できる。この欠陥部分１１０によりフォトニックバンドギャップ内で特定の波長を持つ光だけが、透過することが可能となる。
【０１３０】
本実施の形態のような構造によると、屈折率変化によるフォトニックバンドの移動を使う必要がなく、共振モードを用いるので、わずかなバンドの変化でスイッチングが可能となる。つまり、特定の波長に限定すれば、電気光学材料で屈折率変化が０．０１以下の材料でも反射率制御（透過率制御）が可能となる。
【０１３１】
図１２は１列欠損の波長に対する透過率の変化を示したシミュレーション結果を示す特性図である。本例は、円孔三角配列のフォトニック結晶であり、ピッチａ＝４００ｎｍ、半径ｒ＝３２０ｎｍ（ｒ＝０．８０ａ）である。また、基板の屈折率は２．２とし、円孔部分の屈折率を１．０とした。
【０１３２】
ＴＥモードに対して、Γ−Ｘ方向に波長８５０ｎｍにピークを持つパルスを入射して、ＦＤＴＤ計算によりシミュレーションした。また、屈折率を１％変化させたときの結果も同時に示す。屈折率１％の変化で波長変化は５ｎｍ程度である。消光比はフォトニック結晶層の層数によって変化し、６層で消光比が２５ｄＢ以上取れる。つまり、２μｍの層厚で光の透過反射を制御できる。また、層数を増やすことで、消光比を増大できる。
【０１３３】
このような屈折率変化を起こす材料としては、二オブ酸リチウム、ＰＺＬＴ、セラミック、有機材料といった電気光学材料がある。また、半導体量子井戸を用いたキャリアプラズマ効果を用いても１％の屈折率変化を起こすことは可能である。これらの欠陥部分は、均一で多重に設けることにより、透過率プロファイルを制御することができる。
【０１３４】
図２４及び図２５は、共振器部分の間隔を制御した複数のフォトニック結晶共振器を構成することで、共振ピークの平坦化を可能とする構成例を示す。図２４は、３つの線欠陥部分４０１，４０２，４０３を設け、中央の線欠陥部分４０２の間隔を他の線欠陥部分４０１，４０３の０．５〜０．８倍（図示例は、０７８倍）にすることにより、図１１における１つの線欠陥部分１１０からなる欠陥構造部分を複数の線欠陥を有する多重不均一線欠陥構造とし、これをＬＮ材料からなるフォトニック結晶共振器を構成したものである。図２５は、図２４に示す多重不均一線欠陥構造の透過率の変化を示したシミュレーション結果である。図２５の例は、図１２と同様に、円孔三角配列のフォトニック結晶であり、ピッチａ＝４００ｎｍ、半径ｒ＝３２０ｎｍ（ｒ＝０．８０ａ）であり、ＬＮ材料の屈折率を２．２とし、円孔部分の屈折率を１．０とした。図２５において、２本の実線が多重不均一線欠陥構造であり、２本の破線は比較として示す図１２の場合の１つの線欠陥からなる欠陥構造部分の透過率である（右側の２本がｎ＝ｎ１，左側の２本がｎ＝ｎ１−Δｎの場合を各々示している）。このとき、図２５においては、最大透過率波長から０．５ｎｍ波長がシフトしても、９８％以上の透過率を有することができ、また屈折率変化をさせた場合の消光比も３０ｄＢとすることを示している。これに対して、１つの線欠陥部分１１０からなる共振器構造の場合は、最大透過率波長から０．５ｍ波長がシフトした場合には、透過率が５０％以下となり、また、屈折率変化をさせた場合の消光比も２５ｄＢである。このため、多重不均一線欠陥構造を有するフォトニック結晶による光制御特性は、１つの線欠陥部分からなる共振器構造の場合よりも、波長帯域を向上させ、かつ消光比を向上させており、その光制御特性を大きく改善した光制御素子を実現することができることが判る。
【０１３５】
また、図１０では、光導波路は、１０２，１０３，１０４として光ファイバを光が伝播するように全反射型の光導波路としているが、この導波路自体にフォトニック結晶の一部に欠陥を導入した線欠陥導波路でもよい。このフォトニック結晶の線欠陥導波路を用いた場合の変形構成例を、図２６に基づいて説明する。図２６は、全反射型の光導波路の代わりに、フォトニック結晶による線欠陥導波路を用いた光制御素子１の構成例を示す原理的な平面図である。図２６においては、屈折率変化部分を有する伝播方向と異なる方向の線欠陥による共振器構造５０１に接続された１列の欠陥からなる３つの線欠陥導波路５０２，５０３，５０４を有する。この共振器構造５０１は、電界印加、光照射などによりその屈折率を変化させることができるように構成されている。このとき、線欠陥導波路５０４から入射した伝播光は、共振器構造５０１の屈折率を変化させることにより、伝播光を線欠陥導波路５０３に直進させたり、線欠陥導波路５０２に反射させたりすることを選択的に行うことにより、高速の偏向器、経路変更器、変調器として用いることができる。
【０１３６】
また、図２７に示すように１本の線欠陥導波路５０５の中央部に屈折率を変化させる部分を設けることにより小型変調器としてもよい。また、この場合の反射光をサーキュレータを用いて分離して経路変更器としてもよい。このときの屈折率変化部分の領域となる共振器構造５０６は、欠陥導波路５０５に対して鋭角となる角度を有する界面に限定されるわけではなく、直線欠陥導波路５０５の欠陥方向と垂直に設けてもよい。垂直の場合においては、伝播光の波面の分布と共振可能な波面とがより一致するので、透過率を向上することができる。
【０１３７】
なお、共振器部分の間隔は図１１（ｂ）に示すようにフォトニック結晶構造における欠陥部分１１０部分の間隔を変化させてもよいし、図１１（ｃ）に示すように欠陥部分１１０部分に近接する光原子１０９の大きさを変化させてもよい。
【０１３８】
これにより、例えば半導体レーザからの光源のわずかな波長振れ（発振波長の揺らぎ）によって、共振器部分での反射率の急激な変化によるスイッチング特性の劣化を抑制することが可能であり、波長に対する許容範囲を広げた光スイッチや光変調器を構成することが可能である。
【０１３９】
［第八の実施の形態］
本発明の第八の実施の形態を図１３に基づいて説明する。図１３は、本実施の形態の光制御素子１１１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子１１１は、基板（図示せず）上に十字状の光導波路１１２〜１１５が形成され、これらの光導波路１１２〜１１５の交差部分を光結合部品としてフォトニック結晶構造１１６が一方の対角線方向に形成されている。このフォトニック結晶構造１１６は２列以上の欠陥部分１１７が存在するフォトニック結晶配列として形成されている。この場合、欠陥部分１１７を中心に対称配列とされ、少なくとも２層で同じ層数を有するフォトニック結晶配列とされ、２次元面内での多モード光導波路にも接続できる構造とされている。ここで、「列」とはフォトニック結晶に光が垂直に入射する場合に、入射面に面しているフォトニック結晶のことであり、「層」とは光の進行方向に配列しているフォトニック結晶を示す。つまり、図１３に示す例では、フォトニック結晶構造１１６は対角線方向に４５度傾いているが、７層で４層目が欠陥部分１１７である構造であり、１層目は２０列ある構造例を示している。
【０１４０】
このようなフォトニック結晶構造１１６は入出射側の光導波路１１２〜１１５の配置に対して、傾けて配置されている。
【０１４１】
このような構成において、欠陥部分１１７による共振モードにより選択される特定の波長で入射した光信号は、屈折率変化前ではフォトニック結晶構造１１６を透過し、光導波路１１４へ伝搬していくが、屈折率変化により共振モードの波長が変化すると透過率が下がるため、フォトニック結晶構造１１６部分で反射され、光導波路１１５側に光路変更する。
【０１４２】
ここに、フォトニック結晶構造１１６は少なくとも２層のフォトニック結晶配列があればよいが、例えば、図示例のように欠陥部分１１７を斜めに形成した場合には、欠陥部分１１７に対して垂直方向の層数は、欠陥部分１１７の形成方法により異なる可能性があるものの、本実施の形態のように、欠陥部分１１７に対して垂直方向の層数を同じとすることにより、光の入出射面からのフォトニック結晶層数が均等となり、より効率よく光の経路を変更させることができる。
【０１４３】
また、フォトニック結晶構造１１６の層数としては、フォトニック結晶がミラーとして機能する層であり、この層数が多すぎると欠陥部分１１７まで光が到達せずに反射されてしまい、欠陥部分１１７を持たせることによる効果が期待できなくなってしまうが、シミュレーション結果によれば、６層のフォトニック結晶で挟むことで垂直入射では十分に欠陥部分１１７を持たせることによる効果が現れることが確認できたものである。また、１層増減させただけでも、共振器の性質が大きく変わってしまう。このような点を考察すると、フォトニック結晶構造１１６の層数としては、１０層以上では欠陥部分１１７を持たせることによる効果が期待できない可能性があるので、１０層以下とすることが望ましい。
【０１４４】
また、本実施の形態の場合、フォトニック結晶構造１１６の欠陥部分１１７の直線方向に直交する方向以外にフォトニック結晶を伝播して欠陥部分１１７に入射する伝播波の伝播波数ベクトル成分を有する構造とされており、２次元面内で形成されたフォトニック結晶構造１１６の欠陥部分１１７に対して傾いている波数を持つ光を入射しても、光の透過率を制御することができる。もっとも、この点は、欠陥部分１１７を有するフォトニック結晶構造１１６の場合への適用例として、入射光が単一波数である平面波が入射する場合の想定例に限らず、ビームのように波数分布を持つ入射光に対しても適用可能である。また、単に光の透過・反射を制御するだけでなく、入射側の光導波路から斜め方向に入射した光を、別の出射側の光導波路に経路変更させることも可能となる。
【０１４５】
なお、光が光導波路１１２側から光導波路１１４側へ伝搬するときには、光導波路１１５側に漏れないように、図６に示した場合のように光導波路１１５上にフォトニック結晶構造による反射体を設置しても良い。また、光導波路の配置角度は図１３に示すように９０度である必要はなく、９０度以上の角度にすることも可能である。さらに、特定の波長のみを透過する構造であるので、波長フィルタとしても用いることができる。
【０１４６】
［第九の実施の形態］
本発明の第九の実施の形態を図１４に基づいて説明する。本実施の形態は光制御デバイス１２１への適用例を示し、図１４はこの光制御デバイス１２１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御デバイス１２１は、基板（図示せず）上に２次元アレイ状に形成されたＮ×Ｎ本の光導波路１２２，１２３と、これらの光導波路１２２，１２３の交差部分に各々配設されて対応する光導波路１２２，１２３が接続されたＮ２個の光結合部品１２４とを備えるＮ×Ｎのマトリックススイッチとして構成され、各々の光結合部品１２４が前述した各実施の形態の光制御素子1，１１，２１，４１，６１，８１，１０１等の如くフォトニック結晶構造による屈折率可変部分を含む構成の光スイッチ構成とされている。
【０１４７】
従って、光結合部品１２４部分の屈折率を適宜変化させて光の進行方向を制御することにより、Ｎ×Ｎマトリックススイッチを構成して任意の光導波路に光路変換させて光を伝達させることができる。図示例では、薄く網掛けを施して示す光結合部品１２４部分を光が透過進行するように各部の光結合部品１２４部分の屈折率を変化させることで、矢印で示す方向に光が伝達される様子を示している。
【０１４８】
また、本実施の形態によれば、Ｎ×Ｎマトリックススイッチを極めて微小な領域に構成することが可能である。例えば、１０μｍ幅の光導波路を４０μｍピッチで配置したとき、２０×２０のマトリックススイッチを１ｍｍ角に配置することが可能である。屈折率変化を電力印加により起こす構造であれば、電極を配置する必要があるが、５ｍｍ角もあれば、光スイッチを構成することができる。そして、この程度の大きさであれば、光スイッチを電子回路基板上に配置することができ、ボード内の光インタコネクション用光スイッチとして利用することもできる。
【０１４９】
［第十の実施の形態］
本発明の第十の実施の形態を図１５に基づいて説明する。図１５は、本実施の形態の光制御素子１３１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子１３１は、基板（図示せず）上にフォトニック結晶構造１３２が形成され、このフォトニック結晶構造１３２の結晶配列中に複数本のフォトニック結晶線欠陥導波路１３３が交差するように形成されている。このようなフォトニック結晶線欠陥導波路１３３を交差させた光結合部分１３４で光が共振する現象が、フォトニック結晶特有の現象である。このような構造は、Ｑ値が極めて高く取れる可能性があり、交差部分に光子を捕捉することが可能となる。そこで、交差部分を含む部分１３５を屈折率変化部分としてその屈折率を変化させることで、この共振状態を制御することが可能であり、光子の捕捉と開放とが可能となる光スイッチ、光信号遅延素子、光フィルタ等を構成することができる。この状態の変化は極めて敏感であるため、わずかな屈折率変化で状態が変化する。
【０１５０】
［第十一の実施の形態］
本発明の第十一の実施の形態を図１６に基づいて説明する。図１６は、本実施の形態の光制御素子１４１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御素子１４１は、基板（図示せず）上にフォトニック結晶構造１４２が形成され、このフォトニック結晶構造１４２の結晶配列中に十字状のフォトニック結晶線欠陥導波路１４３が交差するように形成されている。このようなフォトニック結晶線欠陥導波路１４３により分離された４箇所のフォトニック結晶構造１４２部分は各々対角線に従い２つの領域に区分され、全体で８箇所の屈折率可変部分１４４〜１５１として個別に屈折率を変化させることが可能とされている。
【０１５１】
本実施の形態の光制御素子１４１では、フォトニック結晶線欠陥導波路１４３を交差させた部分１５２で光が共振する現象を利用するものである。そして、屈折率可変部分１４４〜１５１として分離し、これらの屈折率可変部分１４４〜１５１に関して個別に屈折率を変化させることで、光のスイッチング方向を制御することが可能となる。このように共振状態を制御することが可能であり、光子の捕捉と開放とが可能となる光スイッチ、光信号遅延素子、光フィルタ等を構成することができる。
【０１５２】
［第十二の実施の形態］
本発明の第十二の実施の形態を図１７に基づいて説明する。本実施の形態は光制御デバイス１６１への適用例を示し、図１７はこの光制御デバイス１６１の構成例を示す原理的な平面図である。本実施の形態の光制御デバイス１６１は、基板（図示せず）全面にフォトニック結晶構造１６２が結晶配列として形成され、かつ、このフォトニック結晶構造１６２の結晶配列中に２次元でＮ×Ｎ×Ｎ本のフォトニック結晶線欠陥導波路１６３が縦方向、右斜め方向及び左斜め方向に形成されている。そして、これらのフォトニック結晶線欠陥導波路１６３が交差する光結合部分１６４が各々屈折率変化部分を含む光制御素子１３１，１４１の場合と同様に構成されている。
【０１５３】
このような構成において、フォトニック結晶線欠陥導波路１６３の交差部分（光結合部分１６４）が屈折率変化部分として構成されており、各々の屈折率を個別に可変制御すれば、共振状態が変化するので、マトリックススイッチ構成することができ、任意の光導波路に光路変換させることができる。
【０１５４】
即ち、前述の実施の形態を複数組み合わせることで構成されるマトリックススイッチ、光素子アレイ、光遅延素子アレイの例を示しており、例えば、屈折率を変化させなければ、交差部分を直進する光信号が、ある時点で交差部分の屈折率を変化させることにより、その交差部分に捕捉することが可能となる。さらに、その屈折率変化を交差部分の一部に与えることにより、光の透過しやすさが変化するので、本来進むべき方向と異なる方向に光を進めることができるようになると考えられる。このような現象を利用することにより、任意のフォトニック結晶線欠陥導波路１６３に光を伝達することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】本発明の第一の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図２】（ａ）は屈折率１．４に対するバンド図、（ｂ）は屈折率１．６に対するバンド図である。
【図３】波長に対する透過率を示す特性図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図７】本発明の第五の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図８】本発明の第六の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図９】ＴＥ偏光及びＴＭ偏光に対するフォトニックバンド図である。
【図１０】本発明の第七の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図１１】その欠陥構造例を示す平面図である。
【図１２】１列欠損の波長に対する透過率の変化を示したシミュレーション結果を示す特性図である。
【図１３】本発明の第八の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図１４】本発明の第九の実施の形態の光制御デバイスの構成例を示す原理的な平面図である。
【図１５】本発明の第十の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図１６】本発明の第十一の実施の形態の光制御素子の構成例を示す原理的な平面図である。
【図１７】本発明の第十二の実施の形態の光制御デバイスの構成例を示す原理的な平面図である。
【図１８】従来例を示す平面図である。
【図１９】本発明の第一の実施の形態の光制御素子の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２０】別の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２１】別の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２２】別の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２３】別の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２４】本発明の第七の実施の形態の光制御素子の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２５】１列欠損の波長に対する透過率の変化を比較例として多重不均一線欠陥構造の透過率のシミュレーション結果を示す特性図である。
【図２６】本発明の第七の実施の形態の光制御素子の別の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【図２７】別の変形構成例を示す原理的な平面図である。
【符号の説明】
【０１５６】
１      光制御素子
２      基板
３〜５      光導波路
６      光結合部品
７      フォトニック結晶構造
８，９      領域
１１      光制御素子
１２〜１４      光導波路
１５      光結合部品
１６〜１８    フォトニック結晶構造
２１      光制御素子
２２〜２５      光導波路
２６      光結合部品
２７      フォトニック結晶構造
２８〜３１      領域
４１      光制御素子
４２〜４５      光導波路
４６      光結合部品
４７〜５１      フォトニック結晶構造
５２〜５５      領域
６１      光制御素子
６２〜６５      光導波路
６６      光結合部品
６７      フォトニック結晶構造
６８〜７１      領域
８１      光制御素子
８２〜８４      光導波路
８５      光結合部品
８６〜９１      フォトニック結晶構造
１０１      光制御素子
１０２〜１０４      光導波路
１０５      光結合部品
１０６〜１０８      フォトニック結晶構造
１１０      欠陥部分
１１１      光制御素子
１１２〜１１５      光導波路
１１６      フォトニック結晶構造
１１７      欠陥部分
１２４      光結合部品
１３１      光制御素子
１３２      フォトニック結晶構造
１３３      フォトニック結晶線欠陥導波路
１３４      光結合部品
１３５      部分
１４１      光制御素子
１４２      フォトニック結晶構造
１４３      フォトニック結晶線欠陥導波路
１４４〜１５１      屈折率可変部分
１５２      部分
１６２      フォトニック結晶構造
１６３      フォトニック結晶線欠陥導波路
１６４      光結合部分
３０１〜３０６      線欠陥導波路
３０７      領域
３０８      線欠陥導波路
４０１〜４０３      欠陥部分
５０２〜５０５      線欠陥導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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